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)生成一個輸入時鐘。在實際操作中，一個鎖相環(huán)（PLL）會對準輸入數(shù)據(jù)的跳變，從而提取出合適的時鐘信號。這個恢復的時鐘也被用來對輸入數(shù)據(jù)進行重新定時。這個過程被稱為時鐘與數(shù)據(jù)恢復（CDR）。

高速模擬串行解串器（SerDes）系統(tǒng)利用時鐘與數(shù)據(jù)恢復（CDR）電路來提取正確的時間，以便對接收到的波形進行準確采樣。CDR電路會生成一個時鐘信號，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）相位檢測器來實現(xiàn)，該檢測器驅動壓控振蕩器（VCO）。頻率跟蹤（二階CDR）會整合任何剩余的相位誤差，并補償發(fā)射機參考時鐘與接收機參考時鐘之間的較大差異。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。

將一個光/電信號從一點傳輸?shù)搅硪稽c的主要目的是保持信號完整性，以避免任何數(shù)據(jù)丟失。一個關鍵特性是能夠從源點向目標點傳輸定時信息。這個定時特性被稱為時鐘數(shù)據(jù)恢復（Clock Data Recovery）。

什么是時鐘數(shù)據(jù)恢復？

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)位是按順序一個接一個地傳輸?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)位是按順序一個接一個地傳輸?shù)摹?

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

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

使用恢復的時鐘對輸入數(shù)據(jù)信號進行重新定時被稱為數(shù)據(jù)恢復。這兩者結合起來就稱為時鐘數(shù)據(jù)恢復（CDR）。

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

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)位流時使用此頻率。

簡而言之，接收頻率（目標時鐘）必須與發(fā)送頻率（源時鐘）相同。

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

理想的訓練序列

相位對齊

它將在頻率檢測中已經(jīng)恢復的時鐘的相位與輸入數(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)調整時鐘。

相位檢測器 亞歷山大（Alexander）或滯回（bang-bang）相位檢測器在每個符號的邊緣和中間對接收到的波形進行采樣。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相隔半個符號時間。

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

Phase Detector—相位檢測器

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

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相隔半個符號時間。

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

同樣地，當從en和dn-1解析出的二進制值相匹配時，時鐘相位提前。

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

對于PAM3調制，符號電平為-0.5、0和0.5。默認的閾值電平（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動壓控振蕩器（VCO）會導致時鐘抖動過大。為了消除抖動，相位檢測器的輸出會通過一個投票累積過程進行低通濾波。

當累積的投票數(shù)超過特定的計數(shù)閾值時，VCO的相位會增加或減少。

恢復時鐘信號

從重復的偽隨機二進制序列（PRBS9）不歸零（NRZ）信號中恢復時鐘信號。假設信道損耗為4dB，相位步長為1/128，投票計數(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鐘概率分布函數(shù)（PDF）來展示。PDF非常接近眼圖的中心。時鐘相位穩(wěn)定在0.5703符號時間和0.5781符號時間之間的某個值。

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

相位檢測器的輸出在早/晚投票計數(shù)中進行累積。當計數(shù)超過投票計數(shù)閾值時，相位會增加或減少。為了加速CDR收斂，計數(shù)閾值從2開始，并且每次投票的幅度超過閾值時，閾值都會增加，直到達到最大計數(shù)。

此圖顯示了早/晚計數(shù)（藍色）和閾值（紅色虛線）的前350個符號。在CDR模塊內部，投票會增加或減少，并與閾值進行比較，然后在必要時重置。下圖中顯示的外部投票值并未觸及閾值，但投票重置為0時則顯而易見。

為了展示時鐘收斂到不同的相位，將信道損耗更改為2 dB?，F(xiàn)在，時鐘相位會適應到大約0.35個符號時間。

將投票計數(shù)閾值增加到16會導致更長的抖動周期。

將相位步長增加到1/64會增加抖動的幅度。

當均衡后的眼圖不顯示左右對稱性時，可以手動移動數(shù)據(jù)采樣器的位置以最大化眼高。例如，將時鐘相位向右移動符號時間的1/8，從而將輸出時鐘相位從0.57個符號時間移動到0.7個符號時間。

您還可以注入少量的參考時鐘頻率偏移損傷，以實現(xiàn)更真實的CDR（時鐘數(shù)據(jù)恢復）。