基于PLL的時(shí)鐘恢復(fù)設(shè)計(jì)方案

不管是放到測(cè)試設(shè)置中，還是作為被測(cè)設(shè)備的一部分，時(shí)鐘恢復(fù)都在進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)試測(cè)量時(shí)發(fā)揮著重要作用。由于大多數(shù)千兆位通信系統(tǒng)都是同步系統(tǒng)，因此系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)都使用公共時(shí)鐘定時(shí)。不管是沿著幾英寸的電路板傳送，還是經(jīng)過光纖橫跨大陸，數(shù)據(jù)與其定時(shí)輸入的時(shí)鐘之間的關(guān)系都可能會(huì)被打亂。通過直接從數(shù)據(jù)中提取時(shí)鐘，可以在接收機(jī)正確實(shí)現(xiàn)信號(hào)再生。

必須指出的是，接收機(jī)通常會(huì)改善輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)，然后再繼續(xù)傳送。接收機(jī)中的判定電路對(duì)數(shù)據(jù)再定時(shí)，使波形變方。這一過程依賴于與輸入數(shù)據(jù)同步的時(shí)鐘信號(hào)。接收機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘恢復(fù)功能實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，前提是再定時(shí)時(shí)鐘要以相同的方式、相同的時(shí)間移動(dòng)。

基于PLL的時(shí)鐘恢復(fù)

可以通過不同架構(gòu)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘恢復(fù)，測(cè)量設(shè)備中最常用的是基于鎖相環(huán)(PLL)的方法。根據(jù)在數(shù)據(jù)中看到的跳變，使用恢復(fù)電路導(dǎo)出與輸入數(shù)據(jù)同步的時(shí)鐘，這取決于看到數(shù)據(jù)中的跳變。對(duì)擁有多串完全相同位的數(shù)據(jù)段，PLL必須保持鎖定。環(huán)路增益對(duì)環(huán)路帶寬的影響最明顯，環(huán)路濾波器內(nèi)部的任何濾波一般都會(huì)產(chǎn)生次生效應(yīng)。應(yīng)該指出的是，輸入數(shù)據(jù)的跳變密度會(huì)影響進(jìn)入環(huán)路的能量，進(jìn)而影響環(huán)路的特性。因此，一致性測(cè)試中的環(huán)路帶寬會(huì)視選擇的碼型的跳變密度而變化。

系統(tǒng)轉(zhuǎn)函在輸入信號(hào)的相位調(diào)制上執(zhí)行低通濾波操作，錯(cuò)誤響應(yīng)轉(zhuǎn)函則執(zhí)行高通濾波功能。在未能追蹤帶寬以外的相位調(diào)制時(shí)，環(huán)路會(huì)追蹤環(huán)路帶寬以內(nèi)的輸入相位調(diào)制。這樣，環(huán)路就可以追蹤低頻抖動(dòng)，而忽略PLL環(huán)路帶寬以外的高頻抖動(dòng)。

衡量PLL抖動(dòng)追蹤特性的指標(biāo)之一是環(huán)路帶寬(LBW)，通常在“抖動(dòng)輸入/抖動(dòng)輸出”轉(zhuǎn)函為-3dB的點(diǎn)上測(cè)得。但這并不是確定環(huán)路的唯一方式。

寬LBW改善了抖動(dòng)容限，窄LWB則會(huì)從被恢復(fù)的時(shí)鐘中去掉更多的抖動(dòng)，這有利于下游的同步器，但會(huì)降低抖動(dòng)容限。盡管寬LBW似乎是理想選擇，但通常還要考慮成本和技術(shù)。寬LBW還會(huì)帶來更多的噪聲或隨機(jī)抖動(dòng)。目前測(cè)量中使用的LBW一般在1～10MHz的范圍內(nèi)。

時(shí)鐘恢復(fù)的輸入和輸出

必須指出測(cè)量中是怎樣使用時(shí)鐘恢復(fù)的，哪些地方會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。例如，在發(fā)射機(jī)測(cè)試一側(cè)，要求時(shí)鐘恢復(fù)的主要原因通常有兩個(gè)：沒有提供作為測(cè)試設(shè)備觸發(fā)的時(shí)鐘信號(hào)，或者標(biāo)準(zhǔn)要求使用特定的LBW進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)量(參見圖1中的a部分)。后一種情況的目的，是用系統(tǒng)接收機(jī)(如BERTScope BSA系列)包含時(shí)鐘恢復(fù)來追蹤部分輸入抖動(dòng)，這樣發(fā)射機(jī)測(cè)試應(yīng)該只涉及接收機(jī)沒有追蹤的高頻抖動(dòng)(參見圖1)。

由此可見，對(duì)抖動(dòng)成分接近時(shí)鐘恢復(fù)LBW的被測(cè)信號(hào)，LBW設(shè)置不正確可能會(huì)導(dǎo)致抖動(dòng)測(cè)量不準(zhǔn)確。有時(shí)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)暗示要在測(cè)試中使用時(shí)鐘恢復(fù)，例如提到“黃金PLL”，或指定要“在使用以20dB/decade將抖動(dòng)衰減到(比特率/1,667)頻率以下的單極、高通、頻率加權(quán)函數(shù)后”測(cè)量抖動(dòng)。

擴(kuò)頻時(shí)鐘(SSC)把時(shí)鐘能量(和數(shù)據(jù))擴(kuò)散在0.5%的頻段上，降低了頻譜給定頻率上的平均功率。這可以幫助產(chǎn)品滿足放射輻射和傳導(dǎo)輻射的法規(guī)要求。為成功地追蹤SSC，接收機(jī)必須能夠追蹤調(diào)制(包括其諧波)，以避免眼圖閉合。如果環(huán)路響應(yīng)未能充分追蹤SSC，或在時(shí)鐘和數(shù)據(jù)路徑之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的延遲，那么測(cè)試眼圖就會(huì)模糊閉合。

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不正確的峰值(即LBW附近區(qū)域，這里的時(shí)鐘恢復(fù)設(shè)備抖動(dòng)輸出可能會(huì)大于抖動(dòng)輸入)可能會(huì)放大被測(cè)的抖動(dòng)數(shù)量。此外，測(cè)試設(shè)備中相對(duì)于輸入數(shù)據(jù)信號(hào)的觸發(fā)延遲可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)得的抖動(dòng)數(shù)量不正確。例如，測(cè)量系統(tǒng)中的固定延遲可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)得額外的明顯抖動(dòng)。增加的抖動(dòng)幅度取決于相對(duì)于延遲量的抖動(dòng)頻率。

在接收機(jī)端，時(shí)鐘恢復(fù)可能會(huì)出現(xiàn)在被測(cè)器件中，也可能作為測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)程序的一部分出現(xiàn)。在被測(cè)器件中，時(shí)鐘恢復(fù)頻頻出現(xiàn)，在測(cè)試中通常使用壓力和正弦曲線抖動(dòng)實(shí)現(xiàn)(參見圖1中的b部分)。在正弦曲線抖動(dòng)中，測(cè)試一般使用模板，這會(huì)在較低的調(diào)制頻率上應(yīng)用較多的抖動(dòng)，或在較高頻率上應(yīng)用較少的抖動(dòng)。

其中的問題包括在接收機(jī)中使用設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)腖BW，這會(huì)導(dǎo)致抖動(dòng)容限模板失效。追蹤響應(yīng)的斜率不正確可能會(huì)使追蹤SSC的準(zhǔn)確性不夠，導(dǎo)致測(cè)試眼圖模糊閉合，并產(chǎn)發(fā)生誤碼。

時(shí)鐘恢復(fù)被頻繁用于測(cè)試設(shè)備設(shè)置及接收機(jī)抖動(dòng)容限或受壓的眼圖信號(hào)校準(zhǔn)(參見圖1中的c部分)。正弦曲線抖動(dòng)通常設(shè)置成頻率高于校準(zhǔn)過程中時(shí)鐘恢復(fù)的LBW。但是，LBW不正確可能會(huì)導(dǎo)致壓力量設(shè)置錯(cuò)誤，進(jìn)而造成被測(cè)器件壓力不足或過大，前者會(huì)提高客戶拒收的可能性，后者則會(huì)影響良率。

從所有這些情況中，很容易得出這樣的結(jié)論，即LBW設(shè)置非常關(guān)鍵，對(duì)測(cè)量中觀察到的抖動(dòng)有著明顯影響。改變環(huán)路帶寬可以顯示抖動(dòng)頻譜。以非常窄的LBW進(jìn)行測(cè)試，可以顯示被測(cè)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的所有抖動(dòng)。而使用非常寬的LBW進(jìn)行測(cè)試，則只會(huì)顯示發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的、預(yù)定系統(tǒng)接收機(jī)用自己的PLL不能濾掉的抖動(dòng)。一般來說，一致性測(cè)試中會(huì)指定后一種時(shí)鐘恢復(fù)方式。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員主要關(guān)心超出接收機(jī)追蹤能力的抖動(dòng)。

分布式時(shí)鐘方案

并不是所有系統(tǒng)都從數(shù)據(jù)流中導(dǎo)出時(shí)序。部分系統(tǒng)如PCI Express和全緩沖雙直列內(nèi)存模塊(DIMM)，它們使用發(fā)送到通信鏈路每一端的分布式時(shí)鐘來為數(shù)據(jù)定時(shí)。發(fā)送端和接收端使用PLL來生成參考時(shí)鐘。

一般來說，分布式參考時(shí)鐘將有一定數(shù)量的抖動(dòng)，如來自原始晶體的相位噪聲。它也可能會(huì)有SSC。時(shí)鐘在每個(gè)IC內(nèi)再生，并用來為發(fā)送功能和接收功能提供時(shí)鐘。每個(gè)PLL將有一個(gè)環(huán)路響應(yīng)，如果其作用完全相同，那么一個(gè)PLL上的抖動(dòng)完全可以由另一個(gè)PLL追蹤，也就是說，接收機(jī)看不到任何凈效應(yīng)。但實(shí)際情況往往要更加復(fù)雜。

即使對(duì)采用相同設(shè)計(jì)、相同制造工藝及相同生產(chǎn)批次制造的器件來說，幾乎也不可能獲得完全相同的環(huán)路響應(yīng)。由于確保IC之間及IC內(nèi)部的路徑長(zhǎng)度一樣也很困難，因此在接收機(jī)抖動(dòng)中還會(huì)出現(xiàn)同等的觸發(fā)延遲，導(dǎo)致出現(xiàn)更多的抖動(dòng)。

嵌入式時(shí)鐘方案

把時(shí)鐘嵌入到數(shù)據(jù)中是保證在接收機(jī)準(zhǔn)確恢復(fù)發(fā)射的數(shù)據(jù)流的一種常用方式。但一旦實(shí)現(xiàn)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問題，即系統(tǒng)以一種時(shí)鐘速率運(yùn)行，而輸入的碼流會(huì)以略微不同的速率運(yùn)行。必須以某種方式重新為數(shù)據(jù)輸入時(shí)鐘，以便與接收端系統(tǒng)相匹配。

在某些結(jié)構(gòu)中，特別是在SONET/SDH中，設(shè)計(jì)人員做的一項(xiàng)重要工作是使系統(tǒng)中的所有時(shí)鐘盡可能地匹配，這是通過基于全球定位系統(tǒng)(GPS)來分配高度準(zhǔn)確的系統(tǒng)時(shí)鐘，或者基于銣(Rubidium)或類似標(biāo)準(zhǔn)來分配本地時(shí)鐘而實(shí)現(xiàn)的。

其它結(jié)構(gòu)則承受了時(shí)鐘速率差異性更大的特點(diǎn)，以此來降低成本和復(fù)雜性。在任何情況下，系統(tǒng)最終都必須處理所有的不匹配，這一般要等到差異超過1個(gè)比特或1個(gè)幀，然后插入或刪除比特或字符。通常，系統(tǒng)協(xié)議會(huì)插入多個(gè)字符，稱為填充字，這些字符在接收機(jī)上會(huì)被舍棄掉。還有的時(shí)候，如果需要的話，協(xié)議會(huì)允許接收機(jī)插入自己的字符，而不會(huì)打亂數(shù)據(jù)的含義。

增加或刪除這些字符可能會(huì)極大地影響測(cè)試。基于協(xié)議的測(cè)試設(shè)備通常被設(shè)置成處理插入的或刪除的字符，同時(shí)仍能識(shí)別底層信息。但是，物理層測(cè)試設(shè)備有時(shí)更加受限，它要求碼型完全符合沒有變化的已知重復(fù)序列。多出或漏掉碼會(huì)導(dǎo)致設(shè)備認(rèn)為發(fā)生了錯(cuò)誤。

在系統(tǒng)管理基線漂移時(shí)也會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)碼型變化，即系統(tǒng)會(huì)經(jīng)過AC耦合和一長(zhǎng)串完全相同的位，導(dǎo)致平均信號(hào)電壓漂移，直到發(fā)生誤碼。在這種情況下，協(xié)議方案對(duì)于每個(gè)有效字符通常有兩個(gè)版本，并確定發(fā)送最能有效抗擊任何基線漂移或運(yùn)行不一致的版本。接收機(jī)上的協(xié)議智能完全能夠識(shí)別哪種版本是正確，但這也違反了某些測(cè)試設(shè)備對(duì)碼型不變的要求。

某些測(cè)試設(shè)備可以進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，而無需重復(fù)碼型。這在檢查物理層問題時(shí)非常有效，但不能處理協(xié)議錯(cuò)誤。此外，還有可能會(huì)漏掉清除后作為正確碼重傳的接收機(jī)誤碼，盡管這些碼是有問題的。

通過使用環(huán)回測(cè)試，發(fā)送到接收機(jī)的信號(hào)被環(huán)回，成為發(fā)射機(jī)的輸出。但數(shù)據(jù)并不總是完全相同，因?yàn)闀r(shí)鐘速率匹配錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致填充字變化，這可能會(huì)使測(cè)試設(shè)備混亂。在這些情況下，一種解決方案是創(chuàng)建一個(gè)測(cè)試環(huán)境，其中發(fā)射機(jī)時(shí)鐘域和接收機(jī)時(shí)鐘域完全一樣，從而無需進(jìn)行域速率匹配。許多使用儀器時(shí)鐘恢復(fù)的方案可以用測(cè)試設(shè)備輸出的準(zhǔn)確速率創(chuàng)建一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，然后再利用這個(gè)信號(hào)為環(huán)回測(cè)試生成一個(gè)測(cè)試信號(hào)。

隨著時(shí)鐘恢復(fù)在更多的系統(tǒng)和測(cè)試設(shè)置中日益普遍，必須考慮其對(duì)測(cè)量的影響。許多外部影響可能會(huì)打亂數(shù)據(jù)和時(shí)鐘源之間的關(guān)系。通過了解這兩者之間的關(guān)系，可以獲得更實(shí)用、更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。