時鐘和資料恢復/簡介/採集、跟蹤和抖動效能

要求和特性

從傳入（編碼）位元流中提取時鐘的不同的要求是什麼？

它們本質上與CDR操作的兩種不同條件有關

1. 相位鎖定的採集
2. 一旦採集足夠，跟蹤採集的相位定時。

採集

CDR操作的這種狀態從以下情況開始

• CDR已開啟，並且
• 輸入訊號出現。

只要接收到的訊號不存在，CDR就會被接收器第一級產生的LOS控制訊號保持閒置狀態（LOS = 訊號丟失）。

當LOS被停用時，CDR被釋放，採集階段開始。

此時，CDR的本地振盪器與傳入訊號的相位存在不可預測的相位失配。

然後，CDR像已經完全鎖定，並且輸入訊號的相位發生突然跳變一樣反應。

可以補充的是，如果CDR作為從屬CDR執行，它也會受到相當於輸入訊號頻率突然變化（儘管很小）的影響。

實際上，輸入訊號（在LOS期間）是未知的，CDR的行為就好像輸入訊號頻率是其自身的自由執行頻率f_fr一樣。

採集結束時，跟蹤開始。

跟蹤狀態從CDR持續地將其取樣點保持足夠接近眼圖中心時開始。

足夠接近意味著取樣時間（受抖動和可能的系統性穩態誤差影響）保持足夠接近最佳取樣點，以實現非常低的誤位元速率。

例如，保持在±0.5rad（=±0.07UI）的取樣誤差內，並且低於10^-12的BER可以被認為是CDR操作的跟蹤條件。

輸入訊號相位的突然跳變可以被研究為具有相同初始相位失配的新採集。

不同的CDR架構在採集階段的行為也不同。

採集與線性系統的單位階躍響應有很強的類比關係。

實際上，如果CDR可以由線性系統充分建模，則其採集由系統的(單位)階躍響應建模。

PLL的3個基本線性模型對1rad輸入階躍的響應。
引數選擇是為了進行有意義的比較，儘管二階環路的ζ值低於實際使用中的值。
換句話說，兩個二階環路是欠阻尼的，以強調不同架構之間的差異。

許多非線性因素可能會強烈影響採集如何演變成跟蹤。例如，使用bang-bang相位檢測器，上升速率是VCO有限擺幅範圍的結果，使用PFD，每個都會給採集瞬態帶來特殊特性。

• 線性相位比較器和允許其他模組保持在其線性範圍內的輸入條件，使VCO相位遵循典型的趕超輸入相位，該相位是指數型的，並且使達到跟蹤的時間與輸入階躍的幅度無關（響應時間τ僅取決於電路特性，並且如果要趕上的相位階躍更大或更小，則保持不變）-參見上圖;
• bang-bang相位檢測器使採集遵循恆定斜率，直到趕超發生為止。對於不同的階躍幅度，斜率是相同的。
• PFD使CDR輸出相位（只要頻率降低的滑移先於跟蹤的實現）遵循一種拋物線形狀（跨越與發生的滑移次數一樣多的2π倍數），然後完成採集。

最簡單的架構（一階和型別1）最適合實現具有快速無滑移相位鎖定的CDR。

其對相位突然變化的響應（階躍輸入），即使與接收訊號定時和本地振盪器自由執行頻率之間的頻率差異相結合（斜坡輸入），也總是沒有滑移.

採集期間的相位差始終是遞減函式（除了可能由f_fr / f_p失配引起的少量漂移，這種漂移只會出現在缺少躍遷的期間，並且只有在失配符號使VCO抵抗採集瞬態的方向時才會明顯）。

隨機發生的訊號躍遷的採集和跟蹤，但平均密度（即D_T）為50%

在上圖中，模擬使用了3000個離散時間步長。每個時間增量為2.7ps（即100ps的線脈衝週期除以37）。

經過200個時間步長（即經過2.7 * 37 = 543ps），一直處於開啟狀態的環路（因為LOS = 1）開始其採集階段（LOS = 0）。

輸入相位在那一刻發生1.3rad的正階躍。

輸入躍遷以50%的平均密度出現，但在其他情況下以完全隨機的序列出現。

在本例中，採集持續時間略超過3ns。當相位誤差穩定在最終值附近時，它結束（在本例中穩定在0rad附近）。

驅動VCO的訊號中脈衝的模式（黑色軌跡）雖然是隨機的，但在鎖定採集期間始終只由正脈衝組成。

需要注意的是，VCO的f_fr低於f_p（在本例中低了5750ppm），因為每當VCO驅動訊號處於中間電平時，VCO相位都落後於輸入相位（紅色軌跡的負斜率更低），無論是在檢測輸入訊號之前還是在缺少躍遷時（VCO驅動訊號的中等電平）。

紅色軌跡的較陡斜率，正負，表示VCO何時被其驅動訊號的正負脈衝驅動到其最高和最低頻率（1.00575 10¹⁰ ± 2.39 10⁸ Hz）。

驅動訊號在下降到零時呈指數衰減，因為在三進位制相位檢測器之後有一個寄生低通（在6.28 10¹¹ rad/sec = 線脈衝頻率的十倍）。它在頂角和底角是尖銳的，因為它是被瞬時電路鉗位的。

每次採集時間都會隨著訊號出現時躍遷的隨機性而變化，並且有非零機率顯著長於示例。

如果躍遷密度等於100%，採集會更快且可預測。

下圖給出瞭如果躍遷密度被強制為100%，則相同電路的一個示例。

具有101010.. 序言的採集，這些序言具有足夠的持續時間，是經常需要重新獲取訊號鎖定的系統中的標準。.

當D_T = 100%時，更明顯的是，高於f_fr的f_p的跟蹤是正脈衝與負脈衝比率（在VCO驅動訊號中顯而易見）大於1的原因。

訊號躍遷的平均密度（即D_T）為100%的採集和跟蹤。
具有這種密度的位元流是完全可預測的，不能承載任何資訊
在實際系統中，它可能只在採集期間或沒有要傳輸的資訊時才會發生。

還有一些其他的CDR（基於另外兩種更復雜的架構，即"型別1和型別2的二階環路"），其採集不可避免地很長，有時會出現一系列滑移，然後才能實現穩定的採集。

在具有線性相位比較器的二階一型環路中，採集過程中的滑移。
輸入訊號的輸入頻率略低於標稱頻率，這使得輸入相位除了正弦抖動外，還表現出下降斜率。

在採集開始時出現滑移在以 (連續傳輸模式) 工作的應用中是可以接受的，在某些情況下，必須使用 PFD 時，這是不可避免的。

跟蹤

當 CDR 不斷地將取樣點保持在眼圖中心附近時（即，當相位誤差穩定並在穩態誤差值附近抖動時），採集結束，進入跟蹤狀態。

在跟蹤過程中，取樣時刻（雖然受到抖動和可能存在的系統性穩態誤差的影響）仍然足夠接近最佳取樣點，以實現實際上等於 0 的誤位元速率。

例如，在 ±0.5 弧度（= ±0,07 U.I.）的取樣誤差內，並且誤位元速率低於 10^-12，可以被視為跟蹤狀態。

在跟蹤過程中，輸入訊號相位的突然階躍可以被視為新的採集，初始相位失配等於該階躍。

跟蹤不良：當輸入抖動過大時，環路會反覆滑移兩次，然後再次鎖定。

在具有線性相位比較器的二階一型環路中，抖動容限的極限之外。
輸入抖動類似於正弦波，其幅度隨著 5 倍慢的方波變化。
還存在與略微加速的行頻對應的漂移。

跟蹤 CDR 的效能有三個基本要求。

一個適用於所有 CDR，

另外兩個適用於 "再生器" CDR 的子集。

所有 CDR

為了研究跟蹤狀態，所有 CDR 的基本特性是

• 能夠在存在給定抖動的情況下正常執行（即誤位元速率 = BER 足夠低）。

這是透過 抖動容限（或抖動接受度）來衡量的。

它在每個頻率上給出正弦輸入訊號幅度，低於該幅度誤位元速率為 0，高於該幅度誤位元速率大於 0。

它通常指定為抖動幅度與抖動頻率的掩模。

該電路必須在掩模邊界設定的抖動幅度和抖動頻率定義的任何條件下正常執行。

換句話說，誤位元速率（條件的軌跡）的發生應在掩模邊界設定的（= 在比抖動幅度高）之上找到。

再生器 CDR

當恢復的時鐘用於進一步下游傳送的資料流（這在網路中很常見）時，CDR 是一個再生器 CDR。

定義：一個 "再生器" CDR 是一個從屬 CDR，它被用作至少一個進一步下游的 CDR 的主 CDR。

對於再生器，另外兩個特性也很重要。

• 過濾掉輸入抖動頻率，這些頻率高於鎖定和跟蹤中涉及的頻率範圍。這被稱為抖動傳遞特性，通常存在一個掩模設定曲線的上限，該曲線表徵電路（抖動傳遞函式是表示在任何給定頻率下，輸出正弦抖動幅度與輸入正弦抖動幅度之比的函式（電路模型的一部分））。

在二階 PLL 模型中存在濾波器塊允許更大的設計自由度（而不是僅 τ，可以選擇 ω_n 和 ζ）。當特定要求（抖動和/或噪聲和/或非線性影響）使一階 PLL 不足時，使用二階架構。ω_n 的值基本上定義了這種 PLL 對輸入抖動的低通效應的截止頻率（≈ 環路的抖動頻寬）。

• 我們電路內部的抖動生成量（新增到檢索到的時序訊號中的相位噪聲）。通常指定為
  • 輸入漂移為零的輸出漂移（< 10 Hz）的 rms 或峰值，以及
  • 抖動（> 10 Hz）的最大幅度與頻率的曲線。

例如，請參閱 ITU-T 在其建議中使用的 TDEV（時間偏差）和 MTIE（最大時間間隔誤差），用於漂移限制定義，以及，用於輸出抖動。

ITU-T 在其建議中 電信標準化部門 (ITU-T) 是該主題的理論和實踐知識的寶貴來源。它主要處理大型地理網路的要求，因此這些建議對於研究電信數字網路的工程師來說特別有用，並在其量化參考中精確，但它們也可以在 CDR 的其他應用領域提供很多見解。

在 本書的後續頁面中可以找到其他採集和跟蹤示例。

資料恢復和時鐘恢復：定義

在序列傳輸中，資料恢復和時鐘恢復這兩個 CDR 功能並非完全是同一個定義的兩個部分。

資料恢復可以被唯一地定義為端點 CDR 的操作（資料恢復和時鐘恢復，具有指定的 抖動容限）。或者，它可以被定義為以指定的誤位元速率恢復資料，並以足夠的時鐘將序列資料流寫入緩衝記憶體，以便稍後檢索。

時鐘恢復可以被定義為根據以下要求之一恢復時鐘：

• 僅抖動容限，例如在端點裝置中（廣義 - 請注意，抖動容限是唯一涉及資料和時鐘的兩個要求），或者
• 抖動容限、抖動傳遞和抖動生成（狹義，例如在再生器裝置中 - 請注意，抖動傳遞和抖動生成是僅涉及時鐘的要求，但不涉及資料）。

需要注意的是，第二種情況中包含了額外的要求。