CDR的背景

随着5G/数据中心的高速发展，光传输向着更高速率、更低延时演进，这就要求对应的光模块经过传输后尽量减小失真，以便在接收端将信号完整地再生出来。从10G长距到25G,再到50G/200G/400G PMA4，由于光纤传输链路线性/非线性效应，因此需要引入时钟数据恢复技术（CDR：Clock Data Recovery）。

CDR的原理

时钟恢复（CDR）的原理：

首先，利用本地产生的多相位时钟对数据多次采样，判断数据比特的边沿，并通过PLL将时钟边沿与其对齐，从而实现与数据同频率、同相位时钟的恢复。

其次，利用已同步时钟的最优相位对输入数据采样，使其实现最高的输入信噪比，并把采样结果作为已恢复数据输出。

时钟是数字通信的基础，在设备发射端，数据是根据时钟的节拍，一拍一拍拍出来的。同样在接收端，数据也是根据时钟的边沿（上升沿/下降沿）来采样获得的。

图1

如果没有时钟做标定，一连长串的数据没有意义，如上图，是101，还是110011？如何解决这个问题呢？

1）随路时钟（trigger）, 不需要额外的时钟恢复，但是需要多一路时钟信道。

图2

2）时钟恢复，需要接收端具备时钟恢复的能力。那么如何从串行数据中提取时钟呢？

CDR结构组成

CDR核心--锁相环（PLL：Phase Lock Loop）

数据经过CDR恢复的时钟再生以后，变成理想信号，这个比较容易理解。重点就是这个时钟是怎么恢复出来的，这个也就是CDR的核心部分，即锁相环PLL。

图3

锁相环有3个部分组成：鉴相器、低通滤波器、压控振荡器（VCO）。

鉴相器PD（Phase Detector/phase comparator）

图4 PD/CP示意图

经过鉴相器以后，频差（或者相差）再经过低通滤波器的积分，就以电压的形式控制VCO的输出频率。VCO（压控振荡器）是一个电压控制频率输出的器件。实质上这个过程就是一个电压反馈回路：

1）当时钟频率低于输入信号频率时，电压越来越大（PWM占空比增大，高电平占比增多），VCO输出频率提高，时钟加快；

2）当时钟频率高于输入信号时候，电压越来越小（PWM占空比减小，低电平占比增多），VCO输出频率减小，时钟减慢；

通过以上两个过程，实现动态平衡，最终VCO输出的频率锁定（等于）输入信号的频率。

图5 频率相位锁定

上图DATA IN是理想的010101电平。但是实际上数据输入可能是11001100011100001111，有长连0，长连1的。那么此时该如何处理呢？

对于数字逻辑来说频率最快的是0101，如果出现了长连0或者长连1以后，我们可以理解为此刻信号的频率变低了：

经过鉴相后PD OUT有长高/长低电平，此时VCO频率会降低，时钟就会减慢；

时钟减慢后，此时PD OUT又出现了高电平，又需要将时钟变快，如此反复调节完成动态的平衡，最终时钟锁定。

我们知道锁相环里面的低通滤波器是个积分器，上面出现的有限的连0和连1，不会改变VCO的电压，因为积分器需要一定的时间才能引起VCO上电压的变化。如果连续的连0或者连1太多，将会导致VCO上的电压发生改变，就会引起失锁。

PAM4的CDR

以上是基于NRZ 的CDR的介绍，到了PAM4以后，时钟数据又怎么恢复的呢？PAM4 CDR相对于NRZ信号的CDR而言，其设计难度增大。但是其基本原理差不多，都是依据PLL实现时钟锁定。

图6 PAM4 CDR结构

PAM4的时钟提取

1）串并转换，将25 GBaud的PAM4信号转成4路并行的6.25 GBaud PAM4信号，并行化的好处是降低每路的波特率（速率），让PLL更容易捕捉频率和相位，也会获得更好的抖动性能。

2）PD的核心部分是其前端电路 （PD-FE），它由并行的3 条数据通路和1条边沿通路构成，而每条通路均包含了1个判决器。PD-FE中除3位判决器之外通过一种新型的积分器，用来实现前述相邻数据的积分，并据此给出调节时钟相位的超前（DN） /滞后（UP）信号，进而控制锁相环路中的CP对环路滤波器（LPF）充放电流，闭环调节时钟相位。

CDR的测试应用

1、实际测试中为什么需要CDR？

通常测试光模块眼图或者BER时，需要一个时钟和被测光信号同步，才能进行眼图或者BER测试。前面介绍了CDR的基本原理，那么实际应用中为什么需要CDR呢？

标准定义：

Ethernet IEEE 802.3,Fibre Channel, 以及OIF-CEI协议里规定，测试抖动，眼高/眼宽必须使用时钟恢复；

测试场景需要：

针对NRZ测试方面，如果待测件环境无法提供时钟输出，此时则需要CDR从信号中来提取时钟；针对PAM4测试方面，特别是400G的光模块，成为业界关注的重点。当前400G主流的光模块，不论是400G-FR8/LR8还是400G-FR4/DR4的实现方式其电口侧都是8路53 Gbps PAM4信号。

对于400G-SR8/FR8/LR8等模块来说，光模块内部只是做CDR（时钟恢复）以及电/光或光/电转换，因此光口侧与电口侧一样，也是8路53 Gbps PAM4信号。此种情况测试光眼图BER，可以采用电口侧的时钟作为示波器的trigger（此时时钟和光信号是同步的），也可以CDR来提取时钟。

但是对于400G-DR4/FR4/LR4等模块来说，光模块内部还有Gearbox DSP芯片做了retime处理，把两路电口输入复用成一路信号再调制到光上，因此光口侧的速率是电口侧速率的2倍，即4路106 Gbps PAM4信号。此时电口侧和光口侧的时钟不同步，我们则必须要用一个外部的CDR来提取时钟，以便trigger和光信号同步，才能测试106 Gbps的光眼图。

图7 53G CR

2、CDR对测试的影响

a）Loop Bandwidth

PLL带宽选择越宽，信号越容易锁定，容忍信号的变化范围也大，但是输出的抖动也大；PLL带宽越窄，输出抖动越小，但是信号有变化时容易失锁。

图8 不同BW的CR输出

b）输出抖动

理想情况下PLL能及时追踪到数据跳变沿（即锁住相位），输出的时钟与输入数据同相，即抖动为零。实际情况中,当连续边沿的抖动变化太快时，PLL不能及时追踪到边沿的变化，于是恢复的时钟和数据边沿存在抖动，它的抖动传递函数（Jitter Transfer Function）的频响为高通滤波特性。这个抖动最终会传递到光眼图上，影响mask margin，TDEC/TDECQ等指标。TDECQ的测试中，对CDR的要求是环路带宽4MHz, slope 20dB/dec。

图9 抖动传递

总结

随着光通信的不断发展，PAM4技术的引入、数字芯片在光模块中的使用，以及后续的COBO/CPO封装的应用，在各种测试场景里，都需要使用到CDR以确保符合规范并进行准确的测试。

引用资料： 《面向5G通信的高速PAM4 信号时钟与数据恢复技术》

关键词:时钟恢复 CDR 通信测试

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来 源：安立通讯

编辑：清风

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