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深入淺出聊聊時鐘恢復(fù)CDR

CDR的背景


隨著5G/數(shù)據(jù)中心的高速發(fā)展,光傳輸向著更高速率、更低延時演進,這就要求對應(yīng)的光模塊經(jīng)過傳輸后盡量減小失真,以便在接收端將信號完整地再生出來。從10G長距到25G,再到50G/200G/400G PMA4,由于光纖傳輸鏈路線性/非線性效應(yīng),因此需要引入時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)(CDR:Clock Data Recovery)。


CDR的原理


時鐘恢復(fù)(CDR)的原理:

首先,利用本地產(chǎn)生的多相位時鐘對數(shù)據(jù)多次采樣,判斷數(shù)據(jù)比特的邊沿,并通過PLL將時鐘邊沿與其對齊,從而實現(xiàn)與數(shù)據(jù)同頻率、同相位時鐘的恢復(fù)。

其次,利用已同步時鐘的最優(yōu)相位對輸入數(shù)據(jù)采樣,使其實現(xiàn)最高的輸入信噪比,并把采樣結(jié)果作為已恢復(fù)數(shù)據(jù)輸出。

時鐘是數(shù)字通信的基礎(chǔ),在設(shè)備發(fā)射端,數(shù)據(jù)是根據(jù)時鐘的節(jié)拍,一拍一拍拍出來的。同樣在接收端,數(shù)據(jù)也是根據(jù)時鐘的邊沿(上升沿/下降沿)來采樣獲得的。


圖1


如果沒有時鐘做標定,一連長串的數(shù)據(jù)沒有意義,如上圖,是101,還是110011?如何解決這個問題呢?


1)隨路時鐘(trigger), 不需要額外的時鐘恢復(fù),但是需要多一路時鐘信道。


圖2


2)時鐘恢復(fù),需要接收端具備時鐘恢復(fù)的能力。那么如何從串行數(shù)據(jù)中提取時鐘呢?


CDR結(jié)構(gòu)組成


CDR核心--鎖相環(huán)(PLL:Phase Lock Loop)


數(shù)據(jù)經(jīng)過CDR恢復(fù)的時鐘再生以后,變成理想信號,這個比較容易理解。重點就是這個時鐘是怎么恢復(fù)出來的,這個也就是CDR的核心部分,即鎖相環(huán)PLL。


圖3


鎖相環(huán)有3個部分組成:鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器(VCO)。


鑒相器PD(Phase Detector/phase comparator)


圖4 PD/CP示意圖


經(jīng)過鑒相器以后,頻差(或者相差)再經(jīng)過低通濾波器的積分,就以電壓的形式控制VCO的輸出頻率。VCO(壓控振蕩器)是一個電壓控制頻率輸出的器件。實質(zhì)上這個過程就是一個電壓反饋回路:

1)當時鐘頻率低于輸入信號頻率時,電壓越來越大(PWM占空比增大,高電平占比增多),VCO輸出頻率提高,時鐘加快;

2)當時鐘頻率高于輸入信號時候,電壓越來越小(PWM占空比減小,低電平占比增多),VCO輸出頻率減小,時鐘減慢;

通過以上兩個過程,實現(xiàn)動態(tài)平衡,最終VCO輸出的頻率鎖定(等于)輸入信號的頻率。


圖5 頻率相位鎖定


上圖DATA IN是理想的010101電平。但是實際上數(shù)據(jù)輸入可能是11001100011100001111,有長連0,長連1的。那么此時該如何處理呢?


對于數(shù)字邏輯來說頻率最快的是0101,如果出現(xiàn)了長連0或者長連1以后,我們可以理解為此刻信號的頻率變低了:

經(jīng)過鑒相后PD OUT有長高/長低電平,此時VCO頻率會降低,時鐘就會減慢;

時鐘減慢后,此時PD OUT又出現(xiàn)了高電平,又需要將時鐘變快,如此反復(fù)調(diào)節(jié)完成動態(tài)的平衡,最終時鐘鎖定。


我們知道鎖相環(huán)里面的低通濾波器是個積分器,上面出現(xiàn)的有限的連0和連1,不會改變VCO的電壓,因為積分器需要一定的時間才能引起VCO上電壓的變化。如果連續(xù)的連0或者連1太多,將會導(dǎo)致VCO上的電壓發(fā)生改變,就會引起失鎖。


PAM4的CDR


以上是基于NRZ 的CDR的介紹,到了PAM4以后,時鐘數(shù)據(jù)又怎么恢復(fù)的呢?PAM4 CDR相對于NRZ信號的CDR而言,其設(shè)計難度增大。但是其基本原理差不多,都是依據(jù)PLL實現(xiàn)時鐘鎖定。


圖6 PAM4 CDR結(jié)構(gòu)


PAM4的時鐘提取


1)串并轉(zhuǎn)換,將25 GBaud的PAM4信號轉(zhuǎn)成4路并行的6.25 GBaud PAM4信號,并行化的好處是降低每路的波特率(速率),讓PLL更容易捕捉頻率和相位,也會獲得更好的抖動性能。

2)PD的核心部分是其前端電路 (PD-FE),它由并行的3 條數(shù)據(jù)通路和1條邊沿通路構(gòu)成,而每條通路均包含了1個判決器。PD-FE中除3位判決器之外通過一種新型的積分器,用來實現(xiàn)前述相鄰數(shù)據(jù)的積分,并據(jù)此給出調(diào)節(jié)時鐘相位的超前(DN) /滯后(UP)信號,進而控制鎖相環(huán)路中的CP對環(huán)路濾波器(LPF)充放電流,閉環(huán)調(diào)節(jié)時鐘相位。


CDR的測試應(yīng)用


1、實際測試中為什么需要CDR?


通常測試光模塊眼圖或者BER時,需要一個時鐘和被測光信號同步,才能進行眼圖或者BER測試。前面介紹了CDR的基本原理,那么實際應(yīng)用中為什么需要CDR呢?

標準定義:

Ethernet IEEE 802.3,Fibre Channel, 以及OIF-CEI協(xié)議里規(guī)定,測試抖動,眼高/眼寬必須使用時鐘恢復(fù);

測試場景需要:

針對NRZ測試方面,如果待測件環(huán)境無法提供時鐘輸出,此時則需要CDR從信號中來提取時鐘;針對PAM4測試方面,特別是400G的光模塊,成為業(yè)界關(guān)注的重點。當前400G主流的光模塊,不論是400G-FR8/LR8還是400G-FR4/DR4的實現(xiàn)方式其電口側(cè)都是8路53 Gbps PAM4信號。


對于400G-SR8/FR8/LR8等模塊來說,光模塊內(nèi)部只是做CDR(時鐘恢復(fù))以及電/光或光/電轉(zhuǎn)換,因此光口側(cè)與電口側(cè)一樣,也是8路53 Gbps PAM4信號。此種情況測試光眼圖BER,可以采用電口側(cè)的時鐘作為示波器的trigger(此時時鐘和光信號是同步的),也可以CDR來提取時鐘。

但是對于400G-DR4/FR4/LR4等模塊來說,光模塊內(nèi)部還有Gearbox DSP芯片做了retime處理,把兩路電口輸入復(fù)用成一路信號再調(diào)制到光上,因此光口側(cè)的速率是電口側(cè)速率的2倍,即4路106 Gbps PAM4信號。此時電口側(cè)和光口側(cè)的時鐘不同步,我們則必須要用一個外部的CDR來提取時鐘,以便trigger和光信號同步,才能測試106 Gbps的光眼圖。


圖7 53G CR


2、CDR對測試的影響


a)Loop Bandwidth

PLL帶寬選擇越寬,信號越容易鎖定,容忍信號的變化范圍也大,但是輸出的抖動也大;PLL帶寬越窄,輸出抖動越小,但是信號有變化時容易失鎖。


圖8 不同BW的CR輸出


b)輸出抖動

理想情況下PLL能及時追蹤到數(shù)據(jù)跳變沿(即鎖住相位),輸出的時鐘與輸入數(shù)據(jù)同相,即抖動為零。實際情況中,當連續(xù)邊沿的抖動變化太快時,PLL不能及時追蹤到邊沿的變化,于是恢復(fù)的時鐘和數(shù)據(jù)邊沿存在抖動,它的抖動傳遞函數(shù)(Jitter Transfer Function)的頻響為高通濾波特性。這個抖動最終會傳遞到光眼圖上,影響mask margin,TDEC/TDECQ等指標。TDECQ的測試中,對CDR的要求是環(huán)路帶寬4MHz, slope 20dB/dec。


圖9 抖動傳遞


總結(jié)


隨著光通信的不斷發(fā)展,PAM4技術(shù)的引入、數(shù)字芯片在光模塊中的使用,以及后續(xù)的COBO/CPO封裝的應(yīng)用,在各種測試場景里,都需要使用到CDR以確保符合規(guī)范并進行準確的測試。


引用資料: 《面向5G通信的高速PAM4 信號時鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)》


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