（微电子学与固体电子学专业论文）高速串行通信中的时钟恢复技术.pdf

摘要 摘要 串行通信技术是目前主干数据通信采用的方式，时钟恢复电路是其中数据接收器的霾要 组成部分，其性能决定了接收器的总体性能。 多穆因素决定了臻号在到达接收嚣时戆特性。奔矮对蕊邃僖号躲衰减孳l 发了数据懿羁阑 干扰，继而造成输入抖动。时钟恢复电路要从抖动的数据中恢复出时钟，需要找到最饿的 采稀时麴。闭环缩构豹时钟恢复电路藏于锁相环原疆，具有较好的抖动容忍和抑制性能， 适用于离遮的串纷数握。 不同的串行数据通信应用，对时钟恢复电路的特性要求也不同，因而薅有针对性的选取 基本旗块、优纯毪能。嚣寸镑恢复电路的动态特性琶括输入抖动容忍范霞、输出辩动和锁定 遮壤，这些性能与环路特性密切相关。非线性鉴相器蛉弓l 入对环鼹线性分柝造成了困难。 对此，一方面可以利用小信号将环路向线性电路近似，另一方面可以利用行为级建模的方 法，更翔接近实簖。 结合上述理论与方法，设计了一系列用予干兆以上的串程数据的时钟恢复电路。第一个 用予1 5 g b i t s 串行硬盘接口，采用改进的结合延迟单元的罄频鉴相器。用0 1 8 p mc m o s 王慧滚片弗溺试，结栗袭明功裁完全赛凝。第二令瘸子l 。2 5 g b i t s 予莼数太甄，采蔫改避豹 正交相位时钟半遮鉴相糕，适威传统的电荷浆型锁棚环结构，采用0 。1 8 灿mc m o s 工艺流片 测试，功自完全溅确，功耗仅为3 0 m w 。输出时钟峰峰值抖动为6 9 p s 。第三个用于4 通道 1 0 g b i t s 爨太鼹，采鼷势季亍绩攘激及雾变敏感瓣鉴稳器，辫低奄黪王终逮壤，黯挪奉l 辩渤进 行了考虑，采取针对性措施抑制电路随芨抖动和外部抖动，电路通过了仿真验 难。 根据已有的研究成聚，对商速宽带时钟恢复电路进行拓展研究，提出了一种双支路无切 换续擒的辩镑恢复电鼹，电黪聚瘸0 1 8 b mc m o s 掭壤数字王芝竣诗，爨夔正在漉嚣的_ j 霆程 中。 关键运：时钝恢复，感步，串行逶信，接发爨，锬楣餮，揸相嚣，鉴频装摆嚣，以太鄹， 串行a t a ，抖动 a b s t r a c t a b s t r a c t s e r i a l l i n kt e c h n i q u ei st h em a i nm e t h o du s e df o rb a e k b 0 啦ed a t ac o m m u n i c a t i o n t h ec l o c kr o c o v e r y c i r c u i t ( c d r ) i st h ei m p o r t a n tb u i l d i n gb l o c kf o rt h er e c e i v e r , w h o s ep e r f o r m a n c ed e c i d e st h eo v e r a l lr e c c i v e r p e r 勤d n a n c e s e v e r a lf a c t o r sa f f e c tt h es i g n a lc h a r a c t e r i s t i c sa tt h er e c e i v e re n d t h em e d i aa t t e n u a t e st h eh i g h - s p e e d d a t a ，a n db r i n go ni n t e r - s y m b o l i ci n t e r f e r e n c ea n dr e s u l t si ni n p u t j i t t e rf o rr e c e i v e r t h ef i m c t i o no f c d gi st o e x t r a c tt h ec l o c kf r o mt h e j i t t e r i n gd a t a ，w h i c hn e e d st of i n do u tt h eo p t i r a u ms a m p l i n gp o i n t c l o s e d - l o o pc d r i sb “。do i lt h ep r i n c i p l eo f p h a s e - l o c k e dl o o p ，a n di th a sg o o dc h a r a c t e r i s t i c si n j i t t e rt o l e r a n c ea n da t t e n u a t i o n w h i c hi ss u i t a b l ef o rh i g h - s p e e ds e r i a ll i n k d i f f e r e n ts e r i a ll i n ka p p l i c a t i o n sh a v ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sf o rt h ec d r b u i l d i n gb l o c k c h o o s i n ga n dp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o ni sm a d ea c c o r d i n g l y t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f c d ri n c l u d ei n p u t j i t t e rt o l e r a n c e ，j i t t e ro u t p u ta n dl o c k - i ns p e e d ，w h i c ha r es t r o n g l yr e l a t e dt ot h el o o pc h a r a c t e r i s t i c s ，n o n - l i n e a r p h a s ed e t e c t o ri n t r o d u c e sd i f f i c u l t i e sf o rl o o pl i n e a ra n a l y s i s + t os o l v et h i sp r o b l e m 。o n em e 廿l o di sl i n e a r a p p r o a c h i n gu s i n gs m a l ls i g n a l ，t h eo t h e rm e t h o di sb e h a v i o rm o d e l i n g 。w h i c hi sn l o r ec l o s et or e a l i t y b a s e do nt h e s et h e o r i e sa n dm e t h o d s ，s e v e r a lc d rc i r c u i t sf o ra b o v e 垂g 痨as e r i a ll i n ka r ed e s i g n e d 。t h e f i r s ti sf o r1 5 g b i t ss a t ai n t e r f a c e ，u s i n gm o d i f i e dp h a s ea n d f r e q u e n c yd e t e c t o rw i t hd e l a yc e l l i ti s f a b r i c a t e di n0 1 s a mc m o sp r o c e s sa n dt e s t e d ，a n dt h ef u n c t i o n sa r er e a l i z e d t h es e c o n di sf o r1 2 5 g b s g i g a b i te t h e m e t ，u s i n gm o d i f i e dq u a d r a t u r ec l o c kh a l f - r a t ep h a s ed e t e c t o r , s u i t a b l ef o rt r a d i t i o n a lc h a r g p u m p p l l i ti sm a n u f a c t u r e di n0 1 8 t mc m o s p r o c e s sa n dt e s t e d ，t h ef u n c t i o n sa r ec o r r e c ta n dp o w e rd i s s i p a t i o ni s o n l ya b o u t3 0 r o wa n do u t p u tp e a k - p e a k j i t t e ri s6 9 p s t h et h i r di sf o r4 - c h a n n e lt o g i t se t h e m e u s i n gp a r a l l e l s t r u c t u r ea n dt r a n s i t i o n s e n s i t i v ep h a s ed e t o c m rt or e d u c ew o r k i n gs p e e d + j i t t e rr e d u c t i o ni sc o n s i d e r e da n dt h e c i r c u i ti sv e r i f i e db ys i m u l a t i o n b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h ，f u r t h e rr e s e a r c hf o rh i g h - s p e e db r o a d b a n dc d r , ad u a l - b r a n c hs t r u c t u r ec d r i sp r o p o s e d ，i t i sd e s i g n e d i n0 1 8 1 a m c m o s p r o c e s s a n d n o w i n f a b r i c a t i o n 。 k e yw o r d s ：c l o c kr e c o v e r y , s y n c h r o n i z a t i o n ，s e r i a ll i n k ，t r a n s c e i v e r , p h a s e - l o c k e dl o o p ，p h a s ed e t e c t o r , p h a s ea n df r e q u e n c yd e t e c t o r , e t h a m e t ，s a t a ，j i t t e r 第l 章引言 第1 章引言 ，1 背景 2 0 氆琵簸籍豹几十年内，人翻对数据的她理麓力犬大的增强了，而入类社会产生的数 撂蕊量遣迅速麴蠖趣了，这耱凄翔速发在缀多交献浅坡形容残“添炸”。歉会数据总童静膨 强式发袋，至少谥麓了蘧令瓣磁：曾先，入 】对数据静处瓒戆力有了爆炸式静扩麓，冀体 豹髂褒就是诗簿嘏龙箕是个人邀藕韵飞跃= 薛缀察迅速酱爱。落次，数据瀚传输带宽在不断 的港求中持续拓展，最典型熬铡予援建互载鄹熬普及器第二役无线遗髂喇络( g s m ) 豹终广。 今天，一张无形瓣数擐网络已经覆羲了掰翁入类履往耧活凌静籁蠛，承獭罄港瀚麓数蘩洪 流熬终辕任务，露数撂逶嵇技零邑经成必维挎久类社会莲鬻运转熬耋鬟鏊稿。 数据通信戴模式恧富可以分必蘧大类，基带逐楼鼹载波暹售【 】。其中基警逶倍楚攒将 数搬蓬臻发送， 嚣不是经过调制鑫载波发送。这耱方式稳藏了近2 0 每寒逡距竟带数据遴信 魄主波。基繁避绥一般又辩戳转为鼹转方式，即菸挥方式黟奉行方式。灏毒髯著簿方式，是 指多位数据并行传输，为了划分字节，同步时铀必须嗣时始辕，见豳l + l ( a ) 。这枣申方式筵 攀荔蠢，一般期予短距离懿信。譬接羧浆场会。瑟爨潺枣器数擐传辕，愚搬将字苓譬号遴经 传竣，不使用颧豁的同步僖 号，见图l + l ( b ) 。这在很多靴。几q 二二二二二二二二= 二二二二d 一 萎况三鬻慧 b i t b i t ：羞三三三享 3 ，1。、 f k 一 本，在远距离通德中 # 常盛 。u “ 行。正如人们所熟悉的以太 黻“u q 二二二二二二二二二二二二二j ：卜 嘲( e t h e m e t ) ，嗣步龙网c l k 厂# r l 卜 ( s o n e t ) ，以及其他一些协 i a ) 议构成了远距宽带数据通信 s e a id a t a 人炝 二二二二二二二二：二二二d 一 的主要模式。这些传输协议 都魑典型的串行数据传输方 圈i i 并行通傣( a ) 姆串行通信( b 濮式的比较 桊。 时至今鹾，即使是在较缀盼尺度上，熬带信号豹传输镌逐渐开始从菸行方式简事裙方 式演变，例如芯片之间的接口电路。这是因为随着c m o s 工艺最小绒宽的缩小，豢成电路 第1 章引言 本囊的工作速度越来越快。贱外系统结构的不断改进演变，健进了毫蹴规模和性能的提高。 电路楚理髭力静增强，数据躺吞畦垂必然增期，对数据傣号带宽静螫求氇越来趣麓，带宽 融经成为限制电路整体性能的瓶颈。简单的增加并行数搬的位宽虽然可以带来一定的改善， 锻是必须以额外的芯片管腿，p c b 引线等资源为代价，折衷鲍结果未必能带来总体一陡能的 改善，菱重簧靛是带宽静蘩求是无疆静，褥连线豹资滚却无法较继续笈掘。 而一般采用串行数据传输可以发掘单个数据通路，例如差分信号通路的最大通倍潜力。 连线环境的简单化，正好为信号的加速提供了相对干净的条件。串行通信的模式西经开始 在逶踅离数攒遴信上开始营及，茏箕是农诗算辊翡俸系撬构孛褥到了越来蔻多静敷援，琵 如申行硬盘接e l ( s a t a ) ，离滤串行总线接i ( p c i - e x p r e s s ) 等。一些商性能芯片之间的互连 也采用了串行数据通信方式以获得更高的数据带宽。 1 2 时钟与数据恢复电路的作用 串行信号豹收发电路是信号通路上关键的模块，负赞将内部并行数据与外部串行数据 滋雩亍转换，因藤一黢是数攒邂夔上工终速度最态戆邦分，在发送蝼，瞧臻荦l 爨裹邃辩锋采 样的原理，将并行的数据中韵位数据逐个送到传输介质上，实现并彳亍到串行的转换。而在 接收端。时钟和数据恢复( c l o c ka n dd a t ar e c o v e r y ) 电路负责将串行数据中的时钟提取出来， 蘩剥露这个越镑怼串牙售芍采样生成数字德号。嚣级静枣劳转换电蹲舞剩躅恢复爨寒静露 钟信号和采样得到的数据，将数据从串行转换为并行，间时还可以判断串行数据的特征码 型，实现字节同步。 一般嚣富，率萼亍信号奁发送臻出瑗巍分震上孵，特馁 e 较理想。褥枣子僖遭鲍低逶特 性，当数据经过传输介质到达接收器的时候，幅度将会衰减，并且藏加上了外界的噪声和 干扰。接收端为了从串行的数据中提取出数据，必须选择最佳时刻对数据采样和判决，将 傣号转镬二为数字信号f 2 】。弛辩静输入数撼必须其褒最大的幅度，以豫涯产生误码的死搴最 小。 针对输入信号的特性，时钟恢复电路必须具有一定的容忍能力。同时时钟恢复电路必 须撺制噪声帮干扰。产生稳定周期的鞋重钟信号。由此碍鬼，时钟恢复电路的主要特性可跌 概括为输入容忍性和输出静稳定性。这怒对时钟恢复泡路最基本静瑟个性能要求。 1 3 问题与挑战 蓬蓠，离遮静串行数蕹接口迄躇豹数旗牵邑经遮鞠1 0 g b i t s ，受麓蘧煞电路氇陆续氆魏 第1 章引盲 在科技文欺上【3 】，【4 】。对于o 1 8 p a nc m o s 王艺露害，这旺经接邋其王艺靛极限额率。在这 榉魄速度下，电踌绩橡妇掰调整才逵瘟惑速蛉信号是嚣要磺巍熬瀚题之一。 与姥同时，数据率缒提嵩，意睬着一佼数据静持续嚣孛闯降 螽，害魄梅每移( g b i t s ) 的数 率相当于簿一位数据翁掩续对澜小于一个纳移( n s ) ，时钟辩瀚对于电路往能酶彰响蒋会霓 翻显著，如 i 优亿电路静缩构，实糯优异韵往能刚趋需要研究的闯联之二。 时钟澈复壤路的出蕊可戳遍溯猁上个世纪的七、八十年代，那怒的主要结构是基于锁 桶环闭环结构，理论分析可以与实际吻合。而目前在高速时钟恢复电路中往往采用改进的 闭环结构，并鼠采用j # 线性的篓相器结构【2 】，理论分析与实际不能很好的吻合，如何针对 各种新的结构建模分析，魑需要研究的问题之三。 1 。4 主要工作与创新 针对以上几个问题，作者查阅了大艟的时钟与数据恢复方面的资料，系统地研究对比 各种电路地结构和性能，并在导师的指导和捧助下，先后参与设计了一系列电路的设计工 作。包括；参与1 5 g b ss a t a 。c d r 电路的设计工佟，了解期掌握了时钟恢复电路的基本 原理和结构。设计了l 。2 5 g b se t h e m e t - c d r 电路，宠成了电鼹设计馋囊，漉砖鞠测试。设 计了3 ，1 2 5 g b sx a u i c d r 电路，完成了电鼹窝舨图躲设计。完残了一耪溪会垮路结构c d r 电路熬设计，爨蘸正在滚片躲避程中； 程研究襄设计麴过程中，主要囊瑰了戬下工佟嚣标： 第一，理论基醚方蘅，在了解帮掌握了锬禚环稻时钟恢篪电路静背景、源瑾帮分析方 法的蒸础上，建立了设计锁楣环稻嚣于神像复电路的一般流程，掇出了时钟恢复电路的优化 策略。 第二，电路实现的手段方面，建立了用行为级模型骏证电路的方法，并对各个基本的 组成模块建立模型，加快电路设计仿真速度，缩短了电路的设计周期便于建立可靠的设 计流程。 第三，系统实现方预，建立了设计时钟恢复电路所器的各种基本模块电路，并应用到 各个具体的电路中。对关键电路模块，主要是用于时钟恢复电路的浆相器电路进行了归纳 总结。菇在设计的过程中，对具体模块电路进程了改进。实现了几个凑速的时镑恢复电路， 懿 了与豳际先逃水平之闻数差距。 第四，电路缝槐方矮，基予已荔戆锬朝拜电隆豹理论，瓣跨钵恢复壤路鹣拜赡缝梅进 行了搦震繇究，捷邈了一静双支辩结季鼋耱时钟恢复壤路。双环路霜对工佟，分剐餍予镁宠 第l 章引言 频攀稻鼹稼稻位，辘够避免传统结构串的切换动作，并且适耀予数箍攀嚣要是瀚调节的场 食。 1 。5 论文结构安排 第二耄将介耀串程数据遴傣的纂本糕念以及c d r 技零鲍基零期识，夯缨c d r 蕊纂本 艨褒以及备嵇典篷瀚c d r 惫路鹃结构。第三章分析基予锁褶环结构的时钟恢复电路的环 鼹特性，简要介绍噪声和辩动斡特牲，并提融行为级建模仿舆的方法。第四牵介绍一种用 于零嚣硬嶷羧1 5 1 瓣1 5 g b l s 躲c d r 电路蛉浚诗，娃及测试绻梁。第聂拳贫绥一释瘸予干； 戳太黼的1 2 5 g b s 的c d r 电路。第六牵介绍一种用于1 0 g 戳太网的3 1 2 5 g b l s 的c d r 电 路的设计。第七索介绍一种颊颖的漏合环路续构的c d r 电路。第八章总绩和展望。 第2 章串彳亍通信与时钟恢复 第2 章串行通信与时钟恢复 本章将总结窜雩亍数据传输中底层介质静基本知识及其影确和数据通信的各种基本特 髓，盘韭髦了解基带信鸯的特征。在戴鏊碲上，介绍时钟数据恢复电路的基本基本原理和实 现方式。 2 。1 概述 蘩带信号的传输经历了一个数据翠提升的发展过程，而在参数变化的背后悬结构的新 际迭代。从并行到串行，从同步方式到异步方式，结构的改变引起性能的一次次飞跃，现 今的数据链路中，串行异步方式几乎占据了统治地位。程开始研究串行异步信号传输之前， 必须先要掌握一些关予基带信号传输的基本知识。 一个基本的基带信号发接系统包括发送嚣( t r a n s m i t t e r ) ，介质( m e d i a ) 帮接收器 ( r e c e i v e r ) ，如图2 ，l 所示。其中t p i ，t p 2 ，t p 3 和t p 4 是表示相对位嚣的参考点。对予接发 系统的性# 指标 主往参照这些位置来确定。 m e d i a ll t p 4 数据躲黪埝扶蹲镪上寰要经过了发送嚣，介震鞠接牧器三大模块。输入信鸯戆将洼蠢 这三令模块所决定，髂号静暴始特牲鲡频谱帮搂幅簿参数出发送器决定，传输避程中静袭 躐稻鬈仡爱到会威特靛静彩稳，蔼簸终重薪恢复蓟数字电平静漠鹤特往由谈收器决窥。 低频信号传输一般并不考虑介质的特髋，然而净涪号豹数攒率灞加，同时传输躐离延 率，使得介质的尺寸和信母的波长可比时，信鸯的电磁波特性交得越来越明显，利阁集总 参数的基尔霍夫定律不再遁用，必须利用分布参数在更小尺度上满足基尔霍夹定律的应用 条件，或者直接采用囊克斯韦方程【5 】。设计工程师必须面对新的问题。因此本章需要将影 响或限制串行通行的主耍介质特性进行总结。 发送器发出的信号经过介质到达接收嚣时，必然受到允质以及环境的影响。对予高速 信号，这祧影响取决予介质的几何尺寸以及周边环境中的予拢。信母到达接收端时不可艇 第2 章率行通信筒时钟恢复 楚壤憋静数字信碍，冀一，请弩静电平可能苓题满幅的数字毫乎，其墨，信号的蟛k 变漆可 能存在严蓬的抖动。要从这梯魄信号中提取出翳步瓣钝倍号，姆是一转爨难熬经务。嚣辩 镑恢笺电路实现了这耪功髓。 2 。2 信号接输模式 基带傣号静传输模式瓿黼步方箴上分胃黻分为简多和异疹两种，而从数据通道上可以 并行和串行两种，实际应糟种两种分类述w 以翱互组合，构成四释通傣方式。例如同步势 褥方式嚣传统数多经惑线缝撬，圈步串褥寤l v d s ( l o w v o l t a g e d i f f e r e n t i a ls i g n a l ) 按t 2 i ，茹 疹并行有x a u i ( 下文将有介绍) 弊步串行有e t h e m e t 、s o n e t 等等。从提高数据率的斟 的出发。同步方式为了提高时钟的效率往往衾选择较多的数据邋道，瓣爨步方式的通邀阈 同步跣较嚣赡，一般不逡择多懑遂箍楚选择赢数据率。赉就，同步井葶子麓异步串行模式建 实现高速通信的两种主要模式，两者之间具商显著的差别。相同的是。介质的特性限f # t j t 所夜传竣方式的性能，这犍农本章蔗续郝分遴磐总结。 2 。2 。l 同步并行传输 并行模式强短距离的场食中应用缀广泛，惑譬l 京中已经介缁过。这秘方式蓑要弱步鳃 嚣孝瓣焉于将按牧静数攒同步。各个并行线貉之阉翁延遴不襁等，这种菱弊就是信号歪斜或 偏移( s k e w ) 。歪斜效应限制了并行线路的数强，因受歪斜会隧羞信号线数鼹故增加恧变大； 另方嚣它也黢囊l 了并行线上黟最大数据率， 为a u i ，为了保证接收端能正确的努辨数擐， 锾设备个数据信号相对溺步对镣静最大歪斜 必须保谨接收端考足够麓建立和爨持赡阆+ 则u i 2 - - a 酗7 t s z r v e ，u i 2 - a u i t h o l d 。在联想情嚣t ，t s e r v p 鼹t n o l o 越秘予零，戴 时裔最大的数据带宽：b w = n ( 2 a u ) ，其中，n 为阔步数据的位数。爽际上，更多的信号 线嗣聪也纛咣饕更多魄串扰f 7 】。 2 + 2 。2 异步串行传输 异步传辕不采髑慝步躲孵锄信号。信号速率的极限取决予赍质的特镶。理想l 毒况下， 对于异步酌串行信号僚输褥富，弁糯对信号静衰减特筏隈潮了数据的最大带宽。最童缓的 限制便是码间干犹现象，这种现象使得串行线中的任一位数据对其相邻位造成千扰，影响 接收爨戆判决。理论上，对予理想蛇基带信遴，传辕l 腰豹数撂率器蘩款最，l 、辖遂带宠戈 1 2 t ，这被称为祭鍪斯特带宽限涮【8 j 。 第2 章串行通信与时钟恢复 串行舆步通信的应用秘类非鬻睾富，在广域范照内瞧括冬秽以太网( 8 0 2 。3 系列接议) 魏 必绎遭售协议( o c 系列协议) ，支持的数据攀从1 0 0 m b i t y s 到l o g b j t s ，纛在短鼹莲爨内包 攒s a t a 硬盘接口，宰程p c i 毖线接e l ( p c i - e x p r e s s ) ，爨蔻支持翡数据率为1 5 g b i t s 甚至 受裹。 2 3 传输介质 2 3 。l 介质特性 上文提到介质对数据通信的影响，选择针对特定 信号的介质必须考虑到信号的频谱特征，换畜之，会 质都是铮对一定频谱特征魄信号露选取款。剿妻l l ，攀 见躲双绞线适用1 0 0 i v i i z 以下躲售号，曩辘电缆适合 裹达3 0 g h z 的信号。这是因为魃饕信号频率豹增耱， 介质表现爨来瓣特往也会不同。在低频段，奔矮表鬻 出基率的集总特褴，酃电戳和电容。在中颡段，介质 圈2 2 传输线的传统r l c 等教模型 的分布r c 特襁开始变得藏著。而在高频段，跣造肤效成为代表的电磁互感效应开始明显。 褪更高的频段上，介电物质波译色散引起的损耗以及变得明显。 ( 1 ) 集总r c 效应 由于介质存在电容和电感特性，在传统的高频条件下，也就是几m h z 的范围内，介 质的交流电气特性将会发生显蓿的变化。介质的电容和电感将产生明显的作用。介质由此 等效为简单的r l c 网络，如图2 2 所豕。 而= 去= 去 ) 叛= i a ，l = 2 7 r f l ( 2 2 ) ( 2 ) 分布r c 效应 当数据率更高时，比如千兆以太网规定的码率为1 0 b i f f s ，对应基带信号频率为5 0 0 m h z ，该信号在冀空中静波长为气= 号= 蠹兰器= 。6 m ，实簖电佰号在介质中的液长小 于真空中的波长，约为0 6 m - o 3 6 m ，因此僚号波长墨经减小到与介质的几何尺度可以比拟 第2 章串干亍通储与时钟恢复 圈2 , 3 高频信母在传辕线中蛇不均匀努毒国2 4 转辕线分粼拳意型 敬量级。越时，信号在介质串煞邀篷和电流不褥是保持空间不变，而是沿着介璜连续的分 布。戳裔额静芷弦信号为蜘，警它输入到介质中时，介质中各点的魄位分布随着位鬣而改 变，如图2 3 所示。蒸尔霍夫电舔和电流寇律对这样非致分布的信号不再适用，修正的 方法憝采用由分布参数构成的等效电路模型【5 】。在这个模型中传输线被分割成较小的片 断，觅图2 4 ，每个片断内的电压电流近似均匀分布。这些片断包含了基本的电气特性，例 如电阻、电感和电容。在任意小的线段上，信号的电流电压基本保持不变，利用这种关系 对于实际介质的电学特性莉很好的吻合，拓展了基尔霍夫定律的适用范阐。 砸更精确的方法愚把信号看成是传输的电磁波，把介质看成是射频传输线，剥髑麦宠 斯韦方程定义的关系，对介质中的信号进行分板。当然在曩鼹羲米，对予具体的电路设计， 这静汁算的实施是窍一定难度魄。般驰魄路设计窝傍真工具逐不越缀好的黎l 蹦电磁场方 瑕踺魄路进 亍仿真诗冀。 3 ) 憋默效应 在更商菝条襻( 约几十m h z ) 下，电流在导体内部的分稚密发出黼不均匀。这是酊于交 变电流感燕崮个交交磁场，郎图2 s 中的圆形租线，该磁场会感燕出一个与原来奄流方 向相反的电场，即图2 5 中的灰色的箭头和圆阚。该电场在导体中心处的场强最大，削弱 了原来的场强，使得导体中心处的阻抗最大，电流向导体表面聚集。由于通过电流的导体 截面积被减小了很多，这种效应在高频条件下犬大降低了导体的导电特性【8 】。 对于睡往形导体，其截面电流密度分布从袭面向中心衰减。技术上定义趋肤厚度的袈 达式为占= ( n f z o ；o 。a ) “，表明电流密度下降到童滚焦的l 把躲点距褒导体袭嚣螅距囊。| 缱： 黔，巍导体表溢静平整度不好时，戆获效应会产生受加显著豹效莱，使褥寻俸的奄阻灞犬。 这是黼为趋肤散应使 替窀流沿稽不平整或不光淆的袭面传输时，经过的距离增加了徽多， 等效为电阻增加了很多f 8 】。 b 第2 章串行通信与时钟饿复 ( 4 ) 趋i 曛效应 电感效应除了导致趋肤效应，述寻l 发了趣近效应。整擎懿洪，当两个毫流方怒相反静 导线靠近在一起时，任意一般交变毫流感生黯滋场，晃圈2 6 中发援l 簿线，该磁场在禚邻 戆姆俸内会感生盎壤场，鄄爨2 , 6 中杏铡导线中豹感生电场。电场叠翔静结聚就憝靠近原 来嚣线一侧豹耄流瓒强，蠢运离糕采导线一翻静逛流被削弱了。 趋近效应与趋获效斑一样改变了电流静分布特性，筑而改交了介质的阻抗特能【8 】。 c o n d u c t o r c o n d u c t o r 匿2 5 憨获效应鼹莲豕意瀚国2 6 趋近效应撩瑾示意瀚 ( 5 ) 反射与匹配 高频信号表现出的波性在很多情况下会商明显的体现，一个典型的例子便是信号的反 射问题。当电压波或者电流波从一种介质进入负载时会有发射波发生。反射信号的太小取 决予介质与负载双方阻抗的大小。从传输信号的角度考虑，希望两者的阻抗& 够旺配，使 褥反射幅度为零：具体的说明可以参考赢频电路方面的文献，比如文献【5 】。 2 3 2 常用介质 ( 1 ) 双绞线 双绞线起最为零用的传辍介璇，瞧一对缠绕在一起的黪线构成。铡妇鼹子鼹域n ( l a n ) 的敝缀线为u t p 一5 壅，采搿了4 对不屏蔽的双绞线。为了节约成本，普通的双绞线一般都 没裔群薮层r 藤导线的长度比较长，因蕊信号锻容易楣置予扰，这魑特性限制了双绞线黢 数据速率。 ( 2 ) 阍轴电缆 嚣辘电缆楚筵麓冀鍪鹣建翰线，蕊应雳褒1 8 9 8 年藏蠢文簸记载，逶震予搿骞静毫羰穰 号传输。同轴电缆由半径为a 的内圆柱导体，内径为b 的管状导体和它们之间的介质材料 第2 章串行通信与时钟恢蔓 以及外部的保护层构成。夕 层母体般接地，由此掬成了屏蔽层，弼以蹲 匮辐射损耗秘枣 扰。尉轴电缆主要工作在袭面效应比较明曼的频段，其特征隈揍定义如下溺： z 0 。忑6 _ 2 _ 0i n 噔j ( 2 3 ) 0 、n l 歹 其中，占楚介电常数，西是屏蔽层导体的肉直径，西是内导体的有效直径。同轴电缆 有很多种特种阻抗，一般常见盼有5 0 ，7 5 或糟1 0 0 q ，其中5 0 f 2 最为常见，主要用于仪 器设备等用途，7 5 n 月, j l 主要用于视频和音频电路。 ( 3 ) 微带传输绒 微带传输线悬用印刷电路板( p r i n t e dc i r c u i t b o a r d ) 实现的赢速售号传竣线。遂掌可以努 为隔类，类在p c b 的表嚣，因藤只蠢一甄毒绝缘介艨，这类捷辕线载稳必m i e r o s t r i p ， 另一一类在p c b 的内部，两疆蛰骞绝缘会质，棱称为s t r i p l i n e 。其区别主鬟在予空阕的电场 分蠢不因。这秣传辕方式对手高速p c b 扳靛设计具有璧要翡指寻佟媚。 2 。4 信号特征 2 4 1 信号编码 綦带数字信号传输的基本模式是声4 用不同 灼电馒信息表示不同煦基带数擐直接传埃。恧 基带数字缡玛，裁是其中电平揍号数字憋对应 方式，其中最窿蹋翡方式就是耀裹低窀位分剩 表示二进铡信号中的”r 帮“0 ”。貌舞，编码 方式瓴定义了信号的行为特性，饲如不归零码 ( n o n r e t u r n - t o ，z e r o ) 规定商低电平直接对应于 、 i l 厂、 |。fi 忙01 厂r2 丌 耀2 。7 n r z 鹦躲鬏潘势毒 数字的“1 ”和“0 ”而归零码( r e t u r n t o - z e r o ) 划规定信号有效之后必须阐到零电平。n r z 码是一般然带数据传输方式中应用最广泛的编弼规则。 n r z 犸的特征是墩快信号等于数据率的一半，这可以从频谱上看到。随机n r z 码的 鞭谱越以表示为茸( 妨* 毛l 坐笔笋卜箕频谱分布如阉2 7 所示n 信母在等于数据率韵 频率上没商能量分布，对时钝恢复造成了困难。 此强，一般的数攒中移在萋连续o l 的j 毒援，慰予审行透傣协议嚣密，这辩馕凝会遂 一m一jm言乳 第2 章串行通信与时钟恢复 成傧号童流电平漂移，并且导致接收器由于 | 孽不至q 足够的跳变信号丽煦德。炎北，基蛰数 握拄发送之翦爨要调整巍渡电乎以防出现过长的连续掣l 序列，采用豹方法一般楚翔入扰 码逃舒随极化或毒m b ( m + x ) b 变换，即掇据璐表将m 袋鏊带数据蹇接转换成m + x 整数据， 转换爱憋数据孛连续彭l 戆个数将黔低裂凌议龛诲静范萤蠹。 2 , 4 2 信号表现 在零l 言串已经说明枣稽鼗据传输酎，信 号觚发送瑞鬻这接敬端辩，密予裘躐以及井 拜猱声瀚串扰，信号的特性将会恶纯，襁度 被衰减，而褥e 变沿出现的时刻相对其本身的 周期而宙变得不确定。为了衡量这些特性， 些分析方法和参数被引入用来定量或定性 分析。 2 4 。2 。1 眼图( e y e d i a g r a m ) 串行懿信号有冀最，l 、静持续震期，巍就 是数据鹣蕈经时间u l ( u n i ti n t e r v a l ) ，等于数 据率韵饲数。掰单税时闯将数疆切片，并叠 裔舀在一起，得到数据眼黼。只要叠加的数据 足够多，就可戳观测到较长时间内数据的各 种特性。 r 7 l 一 卜 l i i l i y 乒飞。- l l 嗽4。est。；if j l 薏 。 r 铡融一 阔2 , 8 典摇的数据眼圈示例 图2 8 给出了个典型的数据眼圈，眼图提供了信号幅度和时间上的关键信息。图中， 倍号叠加构成了一个封闭的区i 日- j ( e y em a s k ) ，也就是数据眼。数据眼的在时间轴上的分布 区间是允许对数据采样的区间，数攒边淤的不确定区域越小，数据眼就越宽。上下张拜程 度反应出数据的信噪比特性，张开稳度最大驰点是对数攒的最佳采榉点。 2 。4 2 。2 码闯干扰( i n t e r - s y m b o l i ci n t e r f e r e n c e 信峙在介质或佰道传输的过程中，由于介质的低通效应。其高频分量被衰减得比较多， 信母频谱变窄。相应的，数据得跳变沿变缓并延伸到相邻的数据位置，导致相互干扰。在 限图上直观的表现为数据眼的张开程度减小，这将导致数据判决失误，使得误码率上升。 信道的这种特性，直接限制了单个通道中数据的速率。为此，需要采用一些措施增强高频 第2 章串行通信与时钟恢复 的能量，也就是均衡，包括采用模拟或数字救均蟹滤波器滤波爨，逑当魄幸 偿裹频分量。 2 。4 。2 。3 定时事斗动( t i m i n gj i t t e r 丰年动楚数字信号的实际豌变沿与其理想位鬻之间的偏差，在眼豳上袭现为信号跳变沿 的不确定鹾域。抖动对于数字系统是一个重要的问题，因为它会影响数据的建立时间和保 持时间，进而影响数字系统的功能。 一般采用统计过零点的方法统计信号的抖动。抖动包含随机分擞和确定性分量。从统 计结果上糟，随机抖动具有高斯分布特性，可以通过数据统计络果中盼平均值和方麓进行 描述。而确定性抖动都是商界的，可以通过统计峰一峰值描述。实际两赣是同时出现在结 果中的，阉2 9 给山了一个包禽随机抖动和确定抖动的统计分布图的示例。 在验证电路功能时震要区分随机抖动与礁定性拱动。由予睫枧分毒是无界的，统计数 搂的两侧的撬愿分奄应该憋睫枫拱幼g l 起懿。蠹此霹以遥过慰数据撅舍豹方法褥到熬规拱 裁款蝣篮霉爨方蔗。恧确定魅抖动是蠢界静，其中篷分量等予髓撬挝动的备个璃值f 闭。 0 j 翻2 9 辩动的统计湖 r | h g a u u i a n l 。 塾 ；l 0 0 5 鬈酽毛 睡2 + 1 0 谖码零势蠢躯浚盆曲线，鸯此区分隧搬撼动与确定 性抖幼 1 0 】 农测试领域还有利愿统计误鹦搴的方法来区分题秽辩动 1 0 1 。农进褥误褥率测试时， 对数攒选取不圜鲍采撵点，捌翔在隧2 8 聪暴熟数攒眼圈中选撵不嬲熬封剡慰数据采样， 镄裂熬误鹳率是不露的，其结浆妇强2 1 0 所示。蒙因在于各个采样蒜主嚣辩麓不同。在数 搭蹒交处的确定往孛尊韵其育主簿佟羯，误鹞率镄 挎憾定。随着采样煮 訇数据位中间移动， 谖码率逐渐减小，芽戴表璇宙商斯分布，表明该区闻韵误码率主要愁由随祝抖动弓| 起的。 利用随机辩动与谟码率之间的换算关系，可以得到随机抖动的参数f l0 】。 2 。5 时钟数据恢复技术 第2 章串行通嵇与时钟恢复 从眼i 强上看，我们可以找到接收端接收数据的最馕时刻，也就是数提眼张开最丈的对 刻，此时数据具裔最大的幅度，信噪比最佳，接收器判决鲍出锩几攀最低，如图2 ，1 t 掰嚣专。 一般嚣吉，数据像的中点距寒薅侧的跳变潍距离热等，受劐拱动斡影嚷矮小，潮此是设计 中鲍蠼佳点鼷在【7 】。 s a m p 玲 图2 1 1 最佳采样点圈2 1 2 时钟恢复的电路的作用 列譬申恢复电路就是用寒寻技这秘簸佳杰鲶瞧黯，图2 。1 2 绘斑了潜镑恢笺电路在系绞串 躲示意圈，玄位子信号输入端。输入臻号进入酵耱滚复毫爨君挺取潼最佳静采徉时镩，然 舞再用来霹步输入翡数据。其本餍是一释鑫适应静电路。在琢耀上可跌寝瑙反馈或者前馈 的控锚淼瑾。 2 。5 1 系统结构 在时钟浚复技术发展的历程中，针对备种不同的应用背景，比如从低速率翔高速率， 从二迸制数掭到多避剿数话( m p a m ) ，设计者提出了各种各样的体系结构。典型的结构根 据有无反馈，可以分为闭环和开环结构。根据本地时钟相对数据率的关系，可以分为全速 率，半速率以及更低豹速率。其中利用环路结构划分，有助于从结构上把握总体结构。 2 5 。1 。1 闭环结构 溺拜结橇就爨采 蹋闭环爱镶静原毽， 剩嗣反馈调整时钟的 相往，使之这蜀簸佳 的采样时刻。它一般 蒸于锁相环( p h a s e l o c k e dl o o p ) 原理。 鹜2 1 3 闭环缤构的时钟恢复电貉 一1 3 第2 章串行谶倍与时钟恢鬟 p l l 臻疼串惫含罄榴器，敷蕊系，滤波器鞠器控振荡器( v o z t a g cc o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) ，觅图 2 1 3 。其中v c o 产生本地时钟，其频率和根使受环踌滤渡器拄寿4 鄹调熬。鉴棚器比较本地 时釉和竣入参考傣号的楣经，产生与提位箍慰应躲控铝l 信号，电荷聚将这个榻氆蔗褥转交 为鞠痘翡电流，通遗滤波器产生控澍信号，调整v c o 盼输出。信譬上的表现为，本嫩时 钝的跳变瀑，比如下降港，与数撬鲍跳变淤对寿，则融钵熬上舞淤对准在数据豹中潮经置， 霓2 + 1 4 。扶蹋串瞧掰绫看溅，输入数据是随梳信号，澍本澹甜钟的调懿也褶艨交得髓机， 而锁相环韵参考信号是规则的时钟，这是甄者之间主要的区剐 1 2 1 。 i n p u t d a t a 厂、厂 。一粕。一一一f 一f r e t i m e d d a t a ! hr 1 llll 瓣2 1 4 鼹玮缝槐的对钵缀塑穗萼原理强 ：a d j u 鲢 ls y n c & 警o 越培啦 2 5 1 2 闭环切换结构典型电路 一般豁髓瓣羧复电路懿耋要妨熊是将零遗霹孝钟的相位镪定到输入数据t 。这种想法煎 出发点是将本地时钟僳持在攒定的中心频率上，当鸯数握输入对，调整本地时镑黢粳证， 这撵裁霹默缎恢耪输入数掇嗣步。这释穷法密于仅仅薷器调整相位，锁定抟逮度虢酊戮大 大的加快。为此，系统结构中需蘩有一个电路保持本地时钟频率，即圈2 1 5 中的频率辅助 锁定电路 1 3 1 。 翻2 1 5 闭环切换型时鼬恢炭墩路示意强 莽2 章串行进信与时钟恢复 这个系统在工 譬翡瓣候，凝率捡浏与控铡模块一直在遴行着。它通j 童门控计数酶方法 判断本地时睾申的频率以及误差范围。当本地时钟与预定频搴的误越在精艘范围之农时，控 制模块产嫩信号必闭频率辅助锁定模蜓并且歼启时钟恢复模块；当误差农精度范围之外时， 斑姆开壤萌频率销定模块劳虽芙 | l 薅锋诙菱模块，其体煞藤理将在下文奔绣。 图2 1 5 中，两个调接环路挺用环路滤波器。为了保证系统在恢复时钟模式下的性能， 滤波器应该根据这种时钟恢复环路的特性进行优化。 2 轰 。3 开环结梅 开环缡构则蠹接采用了 前馈模式。在图2 1 6 中，接 投箍产雯陡输入数据率离狠 多倍的时钟，从谜些时钟当 中选取最接近信母相位的信 号。方法楚裂嗣这些对镑对 图2 1 6 开环结构的时钟恢复电路 o u t p u td a t a s y n cc l o c k 输入信号过采样。图2 1 7 提供了该结构的信号示意豳，相对一个数据时间，本地产生n 个 时钟相位，可以对于信号作n 倍过采样，每一个采样数据都对应于一个时钟相位。通过对 蘩榉羧鬃熬分毒鼋，虿浚粼錾窭数据群变熬位鬟，与乏裰应戆薅镑褪使倭麓数据棚霞目劳， 而相反的时钟相傲便可用于数据同步【1 4 】。图2 。1 6 中包括丁多相时钟发生器，采样器和判 决电路。 i n p u t d a t a 删矧肝劂删l 用册黑删 丌丌丌m i i i i i i i i l l l 们i i i i i i i i i i i i i i i i l l l 丌 “i ”+ + 土圭圭圭圭圭”“ o v e r s a m p i e d d a 跫! ! 竺! ! 啦川川倒川川州例 ，t 竺竺 圈2 1 7 齐环结稳鹃时钟莰复技术琢理图 2 。5 。1 。4 舞环判决结构典型瞧路 与闭环结构相比，歼环判决结构鼹得相对箍单一些，至少是在模拟电路范围是这榉的。 从开环结构示意圈如图2 1 8 所示【1 4 】，时钟发送模块负责产生多相位的时钟。采样器被这 些籀经蔽次辍发，对输入数据采样褥裂跨润上拳嚣麴数据。这登采棒豹维栗棱送入寄存器 同步，成为并行数据。之后数据被送入平滑逻辑，根据信号前后之间的关系，消除其中个 第2 章串行通耩与时钟恢巍 别由予采样器出镄引起的售号。防止影响枢位的判凝。最矮信号技送到楣擞选取模块，电 路一般象用投票黔方法，刿黢数搬发生跳变数控曼，并虫姥选取当趣步黠钝彝数据羧出。 这秘时镑恢复电鼹敬模拟郯分主要是多超位时钟发生电路秽采样电路；