时钟和数据恢复/简介/采集、跟踪和抖动性能

要求和特性

从传入（编码）比特流中提取时钟的不同的要求是什么？

它们本质上与CDR操作的两种不同条件有关

1. 相位锁定的采集
2. 一旦采集足够，跟踪采集的相位定时。

采集

CDR操作的这种状态从以下情况开始

• CDR已打开，并且
• 输入信号出现。

只要接收到的信号不存在，CDR就会被接收器第一级产生的LOS控制信号保持闲置状态（LOS = 信号丢失）。

当LOS被停用时，CDR被释放，采集阶段开始。

此时，CDR的本地振荡器与传入信号的相位存在不可预测的相位失配。

然后，CDR像已经完全锁定，并且输入信号的相位发生突然跳变一样反应。

可以补充的是，如果CDR作为从属CDR运行，它也会受到相当于输入信号频率突然变化（尽管很小）的影响。

实际上，输入信号（在LOS期间）是未知的，CDR的行为就好像输入信号频率是其自身的自由运行频率f_fr一样。

采集结束时，跟踪开始。

跟踪状态从CDR持续地将其采样点保持足够接近眼图中心时开始。

足够接近意味着采样时间（受抖动和可能的系统性稳态误差影响）保持足够接近最佳采样点，以实现非常低的误码率。

例如，保持在±0.5rad（=±0.07UI）的采样误差内，并且低于10^-12的BER可以被认为是CDR操作的跟踪条件。

输入信号相位的突然跳变可以被研究为具有相同初始相位失配的新采集。

不同的CDR架构在采集阶段的行为也不同。

采集与线性系统的单位阶跃响应有很强的类比关系。

实际上，如果CDR可以由线性系统充分建模，则其采集由系统的(单位)阶跃响应建模。

PLL的3个基本线性模型对1rad输入阶跃的响应。
参数选择是为了进行有意义的比较，尽管二阶环路的ζ值低于实际使用中的值。
换句话说，两个二阶环路是欠阻尼的，以强调不同架构之间的差异。

许多非线性因素可能会强烈影响采集如何演变成跟踪。例如，使用bang-bang相位检测器，上升速率是VCO有限摆幅范围的结果，使用PFD，每个都会给采集瞬态带来特殊特性。

• 线性相位比较器和允许其他模块保持在其线性范围内的输入条件，使VCO相位遵循典型的赶超输入相位，该相位是指数型的，并且使达到跟踪的时间与输入阶跃的幅度无关（响应时间τ仅取决于电路特性，并且如果要赶上的相位阶跃更大或更小，则保持不变）-参见上图;
• bang-bang相位检测器使采集遵循恒定斜率，直到赶超发生为止。对于不同的阶跃幅度，斜率是相同的。
• PFD使CDR输出相位（只要频率降低的滑移先于跟踪的实现）遵循一种抛物线形状（跨越与发生的滑移次数一样多的2π倍数），然后完成采集。

最简单的架构（一阶和类型1）最适合实现具有快速无滑移相位锁定的CDR。

其对相位突然变化的响应（阶跃输入），即使与接收信号定时和本地振荡器自由运行频率之间的频率差异相结合（斜坡输入），也总是没有滑移.

采集期间的相位差始终是递减函数（除了可能由f_fr / f_p失配引起的少量漂移，这种漂移只会出现在缺少跃迁的期间，并且只有在失配符号使VCO抵抗采集瞬态的方向时才会明显）。

随机发生的信号跃迁的采集和跟踪，但平均密度（即D_T）为50%

在上图中，仿真使用了3000个离散时间步长。每个时间增量为2.7ps（即100ps的线脉冲周期除以37）。

经过200个时间步长（即经过2.7 * 37 = 543ps），一直处于打开状态的环路（因为LOS = 1）开始其采集阶段（LOS = 0）。

输入相位在那一刻发生1.3rad的正阶跃。

输入跃迁以50%的平均密度出现，但在其他情况下以完全随机的序列出现。

在本例中，采集持续时间略超过3ns。当相位误差稳定在最终值附近时，它结束（在本例中稳定在0rad附近）。

驱动VCO的信号中脉冲的模式（黑色轨迹）虽然是随机的，但在锁定采集期间始终只由正脉冲组成。

需要注意的是，VCO的f_fr低于f_p（在本例中低了5750ppm），因为每当VCO驱动信号处于中间电平时，VCO相位都落后于输入相位（红色轨迹的负斜率更低），无论是在检测输入信号之前还是在缺少跃迁时（VCO驱动信号的中等电平）。

红色轨迹的较陡斜率，正负，表示VCO何时被其驱动信号的正负脉冲驱动到其最高和最低频率（1.00575 10¹⁰ ± 2.39 10⁸ Hz）。

驱动信号在下降到零时呈指数衰减，因为在三进制相位检测器之后有一个寄生低通（在6.28 10¹¹ rad/sec = 线脉冲频率的十倍）。它在顶角和底角是尖锐的，因为它是被瞬时电路钳位的。

每次采集时间都会随着信号出现时跃迁的随机性而变化，并且有非零概率显著长于示例。

如果跃迁密度等于100%，采集会更快且可预测。

下图给出了如果跃迁密度被强制为100%，则相同电路的一个示例。

具有101010.. 序言的采集，这些序言具有足够的持续时间，是经常需要重新获取信号锁定的系统中的标准。.

当D_T = 100%时，更明显的是，高于f_fr的f_p的跟踪是正脉冲与负脉冲比率（在VCO驱动信号中显而易见）大于1的原因。

信号跃迁的平均密度（即D_T）为100%的采集和跟踪。
具有这种密度的比特流是完全可预测的，不能承载任何信息
在实际系统中，它可能只在采集期间或没有要传输的信息时才会发生。

还有一些其他的CDR（基于另外两种更复杂的架构，即"类型1和类型2的二阶环路"），其采集不可避免地很长，有时会出现一系列滑移，然后才能实现稳定的采集。

在具有线性相位比较器的二阶一型环路中，采集过程中的滑移。
输入信号的输入频率略低于标称频率，这使得输入相位除了正弦抖动外，还表现出下降斜率。

在采集开始时出现滑移在以 (连续传输模式) 工作的应用中是可以接受的，在某些情况下，必须使用 PFD 时，这是不可避免的。

跟踪

当 CDR 不断地将采样点保持在眼图中心附近时（即，当相位误差稳定并在稳态误差值附近抖动时），采集结束，进入跟踪状态。

在跟踪过程中，采样时刻（虽然受到抖动和可能存在的系统性稳态误差的影响）仍然足够接近最佳采样点，以实现实际上等于 0 的误码率。

例如，在 ±0.5 弧度（= ±0,07 U.I.）的采样误差内，并且误码率低于 10^-12，可以被视为跟踪状态。

在跟踪过程中，输入信号相位的突然阶跃可以被视为新的采集，初始相位失配等于该阶跃。

跟踪不良：当输入抖动过大时，环路会反复滑移两次，然后再次锁定。

在具有线性相位比较器的二阶一型环路中，抖动容限的极限之外。
输入抖动类似于正弦波，其幅度随着 5 倍慢的方波变化。
还存在与略微加速的行频对应的漂移。

跟踪 CDR 的性能有三个基本要求。

一个适用于所有 CDR，

另外两个适用于 "再生器" CDR 的子集。

所有 CDR

为了研究跟踪状态，所有 CDR 的基本特性是

• 能够在存在给定抖动的情况下正常运行（即误码率 = BER 足够低）。

这是通过 抖动容限（或抖动接受度）来衡量的。

它在每个频率上给出正弦输入信号幅度，低于该幅度误码率为 0，高于该幅度误码率大于 0。

它通常指定为抖动幅度与抖动频率的掩模。

该电路必须在掩模边界设置的抖动幅度和抖动频率定义的任何条件下正常运行。

换句话说，误码率（条件的轨迹）的发生应在掩模边界设置的（= 在比抖动幅度高）之上找到。

再生器 CDR

当恢复的时钟用于进一步下游发送的数据流（这在网络中很常见）时，CDR 是一个再生器 CDR。

定义：一个 "再生器" CDR 是一个从属 CDR，它被用作至少一个进一步下游的 CDR 的主 CDR。

对于再生器，另外两个特性也很重要。

• 过滤掉输入抖动频率，这些频率高于锁定和跟踪中涉及的频率范围。这被称为抖动传递特性，通常存在一个掩模设置曲线的上限，该曲线表征电路（抖动传递函数是表示在任何给定频率下，输出正弦抖动幅度与输入正弦抖动幅度之比的函数（电路模型的一部分））。

在二阶 PLL 模型中存在滤波器块允许更大的设计自由度（而不是仅 τ，可以选择 ω_n 和 ζ）。当特定要求（抖动和/或噪声和/或非线性影响）使一阶 PLL 不足时，使用二阶架构。ω_n 的值基本上定义了这种 PLL 对输入抖动的低通效应的截止频率（≈ 环路的抖动带宽）。

• 我们电路内部的抖动生成量（添加到检索到的时序信号中的相位噪声）。通常指定为
  • 输入漂移为零的输出漂移（< 10 Hz）的 rms 或峰值，以及
  • 抖动（> 10 Hz）的最大幅度与频率的曲线。

例如，请参阅 ITU-T 在其建议中使用的 TDEV（时间偏差）和 MTIE（最大时间间隔误差），用于漂移限制定义，以及，用于输出抖动。

ITU-T 在其建议中 电信标准化部门 (ITU-T) 是该主题的理论和实践知识的宝贵来源。它主要处理大型地理网络的要求，因此这些建议对于研究电信数字网络的工程师来说特别有用，并在其量化参考中精确，但它们也可以在 CDR 的其他应用领域提供很多见解。

在 本书的后续页面中可以找到其他采集和跟踪示例。

数据恢复和时钟恢复：定义

在串行传输中，数据恢复和时钟恢复这两个 CDR 功能并非完全是同一个定义的两个部分。

数据恢复可以被唯一地定义为端点 CDR 的操作（数据恢复和时钟恢复，具有指定的 抖动容限）。或者，它可以被定义为以指定的误码率恢复数据，并以足够的时钟将串行数据流写入缓冲内存，以便稍后检索。

时钟恢复可以被定义为根据以下要求之一恢复时钟：

• 仅抖动容限，例如在端点设备中（广义 - 请注意，抖动容限是唯一涉及数据和时钟的两个要求），或者
• 抖动容限、抖动传递和抖动生成（狭义，例如在再生器设备中 - 请注意，抖动传递和抖动生成是仅涉及时钟的要求，但不涉及数据）。

需要注意的是，第二种情况中包含了额外的要求。