許多數(shù)字高速數(shù)據(jù)流，如以太網(wǎng)，都是在沒有任何特定時(shí)鐘信息的情況下傳輸?shù)摹?

因此，接收端必須根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)生成一個(gè)輸入時(shí)鐘。在實(shí)際操作中，一個(gè)鎖相環(huán)（PLL）會(huì)對準(zhǔn)輸入數(shù)據(jù)的跳變，從而提取出合適的時(shí)鐘信號。這個(gè)恢復(fù)的時(shí)鐘也被用來對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行重新定時(shí)。這個(gè)過程被稱為時(shí)鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）。

高速模擬串行解串器（SerDes）系統(tǒng)利用時(shí)鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）電路來提取正確的時(shí)間，以便對接收到的波形進(jìn)行準(zhǔn)確采樣。CDR電路會(huì)生成一個(gè)時(shí)鐘信號，該信號與傳輸信號的相位和頻率（在一定程度上）保持一致。

相位跟蹤（一階CDR）通常通過使用 nonlinear bang-bang 或Alexander （Alexander）相位檢測器來實(shí)現(xiàn)，該檢測器驅(qū)動(dòng)壓控振蕩器（VCO）。頻率跟蹤（二階CDR）會(huì)整合任何剩余的相位誤差，并補(bǔ)償發(fā)射機(jī)參考時(shí)鐘與接收機(jī)參考時(shí)鐘之間的較大差異。serdes.CDR和serdes.DFECDR使用的是一階CDR算法。

數(shù)據(jù)流必須以這樣的方式編碼，即流中存在足夠的數(shù)據(jù)跳變（即減少連續(xù)相同數(shù)據(jù)符號的數(shù)量）。一種常見的編碼方案是64B/66B編碼。

將一個(gè)光/電信號從一點(diǎn)傳輸?shù)搅硪稽c(diǎn)的主要目的是保持信號完整性，以避免任何數(shù)據(jù)丟失。一個(gè)關(guān)鍵特性是能夠從源點(diǎn)向目標(biāo)點(diǎn)傳輸定時(shí)信息。這個(gè)定時(shí)特性被稱為時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（Clock Data Recovery）。

什么是時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)？

光收發(fā)器和電收發(fā)器使用的是我們所說的串行數(shù)據(jù)通信。在這種通信方式中，數(shù)據(jù)位是按順序一個(gè)接一個(gè)地傳輸?shù)摹?

光收發(fā)器和電收發(fā)器使用的是我們所說的串行數(shù)據(jù)通信。在這種通信方式中，數(shù)據(jù)位是按順序一個(gè)接一個(gè)地傳輸?shù)摹?

目前市場上大多數(shù)收發(fā)器都沒有專用的時(shí)鐘輸入，因此時(shí)鐘恢復(fù)和數(shù)據(jù)重新定時(shí)等功能是在收發(fā)器外部（即在主板上）進(jìn)行的。接收端則需要恢復(fù)時(shí)鐘以采樣串行線上的數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，接收端需要一個(gè)與輸入數(shù)據(jù)頻率大致相同的時(shí)鐘。通過使參考時(shí)鐘與輸入數(shù)據(jù)信號的跳變相位對齊，可以生成一個(gè)恢復(fù)的時(shí)鐘。這被稱為時(shí)鐘恢復(fù)。

使用恢復(fù)的時(shí)鐘對輸入數(shù)據(jù)信號進(jìn)行重新定時(shí)被稱為數(shù)據(jù)恢復(fù)。這兩者結(jié)合起來就稱為時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）。

換句話說，CDR的作用是從沒有伴隨時(shí)鐘信號的輸入信號中恢復(fù)定時(shí)信息，并對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新定時(shí)。

CDR是如何工作的？

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頻率檢測

它鎖定從輸入數(shù)據(jù)流中檢索到的頻率。為此，它檢測數(shù)據(jù)跳變并將壓控振蕩器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）鎖定到該頻率。然后，在生成傳輸數(shù)據(jù)位流時(shí)使用此頻率。

簡而言之，接收頻率（目標(biāo)時(shí)鐘）必須與發(fā)送頻率（源時(shí)鐘）相同。

為了簡化接收端（RX）的頻率檢測，數(shù)據(jù)源將在傳輸實(shí)際數(shù)據(jù)流之前發(fā)送一個(gè)特定的位序列，稱為訓(xùn)練序列。訓(xùn)練序列非常密集，允許接收器在有效數(shù)據(jù)開始之前，通過檢查導(dǎo)線上的連續(xù)數(shù)據(jù)波來輕松鎖定頻率。

理想的訓(xùn)練序列

相位對齊

它將在頻率檢測中已經(jīng)恢復(fù)的時(shí)鐘的相位與輸入數(shù)據(jù)位流相匹配。它將根據(jù)輸入數(shù)據(jù)流的變化連續(xù)調(diào)整時(shí)鐘。

相位檢測器 亞歷山大（Alexander）或滯回（bang-bang）相位檢測器在每個(gè)符號的邊緣和中間對接收到的波形進(jìn)行采樣。通過一些數(shù)字邏輯處理邊緣樣本（en）和數(shù)據(jù)樣本（dn-1 和 dn），以確定邊緣樣本（以及時(shí)鐘相位）是提前還是延遲。邊緣樣本en和數(shù)據(jù)樣本dn相隔半個(gè)符號時(shí)間。

考慮波形中出現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的情況，此時(shí)en和dn都低于判決閾值電壓。從en和dn解析出的二進(jìn)制值相匹配，這表明時(shí)鐘相位延遲。

Phase Detector—相位檢測器

亞歷山大（Alexander）或滯回（bang-bang）相位檢測器在每個(gè)符號的邊緣和中間對接收到的波形進(jìn)行采樣。

通過一些數(shù)字邏輯處理邊緣樣本（en）和數(shù)據(jù)樣本（dn-1 和 dn），以確定邊緣樣本（以及時(shí)鐘相位）是提前還是延遲。邊緣樣本en和數(shù)據(jù)樣本dn相隔半個(gè)符號時(shí)間。

考慮波形中出現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的情況，此時(shí)en和dn都低于判決閾值電壓。從en和dn解析出的二進(jìn)制值相匹配，這表明時(shí)鐘相位延遲。

同樣地，當(dāng)從en和dn-1解析出的二進(jìn)制值相匹配時(shí)，時(shí)鐘相位提前。

將采樣器的二進(jìn)制輸出表示為±1，這里總結(jié)了非歸零（NRZ）或四電平脈沖幅度調(diào)制（PAM4）調(diào)制下相位檢測器的行為：

對于PAM3調(diào)制，符號電平為-0.5、0和0.5。默認(rèn)的閾值電平（th）為±0.25。因此，修改后的真值表變?yōu)椋?

直接從相位檢測器輸出驅(qū)動(dòng)壓控振蕩器（VCO）會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘抖動(dòng)過大。為了消除抖動(dòng)，相位檢測器的輸出會(huì)通過一個(gè)投票累積過程進(jìn)行低通濾波。

當(dāng)累積的投票數(shù)超過特定的計(jì)數(shù)閾值時(shí)，VCO的相位會(huì)增加或減少。

恢復(fù)時(shí)鐘信號

從重復(fù)的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（PRBS9）不歸零（NRZ）信號中恢復(fù)時(shí)鐘信號。假設(shè)信道損耗為4dB，相位步長為1/128，投票計(jì)數(shù)閾值為8，且不存在相位或參考偏移。

基線行為通過眼圖和生成的時(shí)鐘概率分布函數(shù)（PDF）來展示。PDF非常接近眼圖的中心。時(shí)鐘相位穩(wěn)定在0.5703符號時(shí)間和0.5781符號時(shí)間之間的某個(gè)值。

這兩個(gè)值之間的抖動(dòng)是由非線性滯回相位檢測器引起的，也是CDR抖動(dòng)（或稱“搜尋抖動(dòng)”）的來源。為了減小抖動(dòng)的幅度，可以減小相位步長。為了縮短抖動(dòng)的周期，可以降低投票計(jì)數(shù)閾值。

相位檢測器的輸出在早/晚投票計(jì)數(shù)中進(jìn)行累積。當(dāng)計(jì)數(shù)超過投票計(jì)數(shù)閾值時(shí)，相位會(huì)增加或減少。為了加速CDR收斂，計(jì)數(shù)閾值從2開始，并且每次投票的幅度超過閾值時(shí)，閾值都會(huì)增加，直到達(dá)到最大計(jì)數(shù)。

此圖顯示了早/晚計(jì)數(shù)（藍(lán)色）和閾值（紅色虛線）的前350個(gè)符號。在CDR模塊內(nèi)部，投票會(huì)增加或減少，并與閾值進(jìn)行比較，然后在必要時(shí)重置。下圖中顯示的外部投票值并未觸及閾值，但投票重置為0時(shí)則顯而易見。

為了展示時(shí)鐘收斂到不同的相位，將信道損耗更改為2 dB?，F(xiàn)在，時(shí)鐘相位會(huì)適應(yīng)到大約0.35個(gè)符號時(shí)間。

將投票計(jì)數(shù)閾值增加到16會(huì)導(dǎo)致更長的抖動(dòng)周期。

將相位步長增加到1/64會(huì)增加抖動(dòng)的幅度。

當(dāng)均衡后的眼圖不顯示左右對稱性時(shí)，可以手動(dòng)移動(dòng)數(shù)據(jù)采樣器的位置以最大化眼高。例如，將時(shí)鐘相位向右移動(dòng)符號時(shí)間的1/8，從而將輸出時(shí)鐘相位從0.57個(gè)符號時(shí)間移動(dòng)到0.7個(gè)符號時(shí)間。

您還可以注入少量的參考時(shí)鐘頻率偏移損傷，以實(shí)現(xiàn)更真實(shí)的CDR（時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)）。