（电路与系统专业论文）10gbs+cmos时钟恢复电路.pdf

1 0 g b sc m o s 时钟恢复电路 摘要 过去二十年来，电话、传真、电视和数据等信号传递的爆炸性需求推动了光纤通信的迅速发展， 光纤通信以及与之相关的技术和工艺取得了革命性的进步，美国同步光网络( s o n e t ) 和国际同步 数字体系( s d h ) 标准的建立为光纤通信系统的大规模研制和应用开辟了前进的道路。现在，2 5 g b s 高速光纤通信系统已经在世界范围内进入大规模建设阶段，1 0 g b s 系统也已经进入应用。更高速率 系统的研制目前也在开展中。 时钟恢复电路( c r c ) 是光纤通信和许多类似数字通信领域中不可缺少的关键电路。近年 来，随着光纤标准向s t m - 6 4 ( 1 0 g b s ) 提升，系统对芯片速度提出了更高的要求，而c r c 正是速 度提升的主要瓶颈。同时，为了满足产品化后高可靠性和低成本的要求，芯片需要高集成度，因此 c r c 必须单片实现。 本文介绍了一种利用o 1 8u n lc m o s 工艺实现，用于s d h 系统s t m 一6 4 级别( 1 0g h z ) 的时钟 恢复电路。首先介绍了光纤通信系统的基本概念以及应用于光纤通信的最常见时钟恢复电路结构和 基本原理，并提出了一种新型结构的单片集成的注入式锁相环电路，接着讨论了系统的噪声，最后 给出了具体电路的设计、模拟和测试结果。 注入式锁相环电路是在简单锁相环的基础上引入同步振荡器辅助锁相环的锁定。对于简单锁相 环电路来说，噪声性能和锁定范围是相互矛盾的，在满足噪声指标的前提下，简单锁相环电路的锁 定范围非常小，采用注入式振荡器辅助锁相环，可以解决同步范围较窄的问题，同时提高了系统的 稳定度。 测试结果表明时钟恢复电路可工作在光纤通信系统s t m - 6 4 速率级，即1 0 g h z 频率上，各方面 指标基本符合要求。 【关键词】 光纤通信同步数字系列( s d h )时钟恢复电路( c r c )单片集成电路 互补金属氧化物半导体( c m o s )注入式锁相环( i p l l ) 同步振荡器( s o )相位噪声抖动 l o o b sc m o s 时钟恢复电路 a b s t r a c t i nt h er e c e n tt w e n t yy e a r s ，t h eg r e a td e m a n do ft e l e p h o n e ，f a x ，t e l e v i s i o na n dd a t al e dt ot h er a p i d d e v e l o p m e n to f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n o p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n di t st e c h n o l o g ya c h i e v e dg r e a tp r o g r e s s t h ef o u n d a t i o no fa m e r i c a ns o n e ta n ds d ha c c e l e r a t e dt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fo p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m n o w a d a y s ，s t m - 1 6 ( 2 5 g b s ) h a sb e g u nt oc o n s t r u c te x t e n s i v e l y , a n ds t m 一6 4 ( 1 0 g b s ) h a ss m r t e dt oa p p ly ，a n dh i g h e rs p e e ds y s t e mi ss t u d y i n g c l o c kr e c o v e r yc i r c u i t ( c r c ) i st h ek e yc o m p o n e n ti nt h eo p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m sa sw e l la si n t h ef i e l do fd i g i t a lt r a n s m i s s i o n a st h es t a n d a r do fo p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ( s d h ) u p g r a d e st os t m - 6 4 ( 1 0 g b s ) i nr e c e n ty e a r s ，t h es p e e do f i cc h i p sm u s tb ep r o m o t e da c c o r d i n g l y , b u tc r ci st h em a i nb o g l e - n e c k c h i p sm u s ta l s ob eh i g h l yi n t e g r a t e dt of u l f i l lt h ed e m a n do f h i g h - r e l i a b i l i t ya n dl o w c o s t t h e r e f o r e ，c r cm u s tb ef u l l ym o n o l i t h i ci n t e g r a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e sac l o c kr e c o v e r yc i r c u i tu s e df u rs t m 6 4 ( 1 0g h z ) o fs d hs y s t e mw h i c hi s r e a l i z e di nas t a n d a r d0 1 8u r nc m o st e c h n o l o g y a b o v ea l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n c e p t i o no f o p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m sa n dt h ea r c h i t e c t u r e sa n df u n d a m e n t a l so fc r ct h a ti sc u r r e n t l yt h em o s t w i d e l yu s e di nt h eo p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，a n dp r e s e n t e dan e wt y p eo fm o n o l i t h i cp l lc a l l e d l n j e c t i o n - s y n c h r o n i z e dp l l t h e n , w ed i s c u s s e dn o i s ei nt h ec i r c u i t s l a s t ，t h ec i r c u i ts i m u l a t i o n ，l a y o u t d e s i g na n dt e s tr e s u l t sa r ep r e s e n t e d i ti st h ep r i n c i p l eo ft h el n j e c t i o n - s y n c h r o n i z e dp l lt h a tt h es y n c h r o n i z e do s c i l l a t o ra s s i s t sl o c k i n g t h ep l lb a s i n go nt h es i m p l ep l l f o rt h es i m p l ep l l ，t h en o i s ei sc o n t r a r y ，t ot h el o c k i n gr a n g e ，n a m e l y , t h el o c k i n g r a n g e i s p r e t r y s m a l lw h e nt h en o i s em e e t st h en e e d o ft h e s y s y t e m t h r o u g ht h e i n j e c t i o n s y n c h r o n i z e dp l l ，w ec a ns o l v et h ep r o b l e ma b o v ea n dm a k et h el o o pm o r es t a b l e t h e t e s tr e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e c r cc h i p w o r k s o n l 0 g h z a n dc a na p l l y t os t m 一6 4o f s d hs y s t e m 【k e y w o r d s 】 o p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ( s d h ) ， c l o c kr e c o v e r yc i r c u i t ( c r c ) ， f u l l ym o n o l i t h i ci n t e g r a t i o n ， c o m p l e m e n t a r y m e t a l o x i d e - s e m i c o n d u c t o r ( c m o s ) ， i n j e c t i o np h a s e - l o c k e dl o o p s ( i p l l ) ，s y n c h r o n i z e do s c i l l a t o r , p h a s en o i s e ，j i t t e r 东南大学学位论文独创性声明 9 2 8 7 6 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生签名：善墨篚瘫日期：趔 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生签名：避导师签名：三耋二罕二一日期：。； 1 0 g b sc m o s 时钟恢复电路 第一章引言 1 1 光纤通信系统 1 1 1 光纤通信简介 晶体管以及相继出现的集成电路引发了数字电路和数字系统的蓬勃发展。数字通信的崛起，数 字计算机的出现、发展和广泛应用对现代通信系统起到了双重的推动作用：一方面计算机与计算机 或远程终端之间的数据交换导致了数据通信( d a t a - c o m m u n i c a t i o n ) 的兴起与发展：另一方面，计算 机被应用于通信网络，大大地加强了对复杂信号的处理能力，提高了速度和对网络的有效管理，促 进了电信、电视和数据三网合一的进程，导致了现代通信网的形成和发展。i s d n ( 综合业务数字网) 和i n t e m e t ( 国际互联网) 技术分别从电信网和数据通信网这两个方面向数字一统世界进军，新一代 移动通信则为信息的传播开辟出巨大的自由空间1 1 1 。 各种通信技术的发展为信息的传输提供了方便，从而促进了信息的进一步生成，导致社会信息 量的爆炸式增加和对信息传输的爆炸性需求，早期，通信是通过有线电路( 电话铜线，同轴电缆等) 的形式传播的，有线电路的信道容量是由其上限截j l 工作频率决定的。电话铜线的截止频率为1 5 - - 3 0 0k h z ，即使采用了i s d n 技术也只能传输一路6 4k b s 的数字电话和一路1 6 k b ，s 的数据；同轴电 缆的截止频率低于5 0m h z ，信道容量为数百路数字电话，无线通道的容量是由载频的高低确定的， 微波单波道的最大信道容量约为3 0 0 m b s ，即4 0 0 0 多路数字电话，所有这些通道的共同特点是容量十 分有限。 光纤与微波信道相比，载波的频率高出4 5 个数量级，仅在1 5 5 u m 的光窗口处可用的信道容 量高达1 0 t b s ，加上光纤在1 3 u m 光波长处还有一个窗口和一条光缆中可有儿十根光纤，可以认为， 光纤的频率资源几乎是取之不尽的。除此之外，光纤通信还具有保密性好，价格低廉等重要优点。 所以，以光纤通信为主干道，构造“信息高速公路”，己在世界范围内成为方兴未艾的大事业。光纤 不仅被应用于干线通信，也是构造城域网( w a n ) 和高速局域网( l a n ) 和有线电视( c a t v ) 的 首选媒体。光纤到路边、光纤到大楼、光纤到家，已成为光纤通信发展的大趋势，可以相信，光纤 通信广泛应用将是信息化社会的基本前提和重要标志。 1 1 2 光纤数字通信标准和协议 有多种与光纤通信有关的标准和协议，有代表性包括数字电话复接准同步数字体系p d h ，光纤 数字分布接口f d d i 、b i s d n 、同步数字体系s d h 等。 p d h 是2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代初c c i t t ( 国际电话电报通信委员会) 制订的数字电话复接 标准。鉴于没有统一的国际制式和复接分接技术上的麻烦，p d h 己让路于新的国际标准s d h ，s d h 只是把p d h 信道作为低速信源的一类。 城域网m a n 因其数据速率高( 1 0 0 m b s ) ，传播距离远而以光纤通信作为其技术基础。在多种 m a n 通信技术中，美国国家标准文件a n s ix 3 t 9 给出的光纤分布式数字接口f d d i ( f i b e rd i s t r i b u t e d d i g i t a li n t e r f a c e ) 和i e e e8 0 2 6 标准的d q d b ( d i s t r i b u t e dq u e u ed u a lb u s ) 是较有应用前景的2 个标 1 第一章引言 准。 宽带i s d n ，即b i s d n 以光纤为基本传输媒质，采用基于a t m 的特殊分组交换形式进行宽带 数据传送。a t m 是一种面向连接的信元( c e l l ) 交换技术，采用4 8 字节信息附加5 字节信头的标准 信元实现信息的高效传递功能，考虑到支持h d t v 高速数据信号的需要，在以a t m 传递技术为基 础的b i s d n 网确定了1 5 5 5 2 和6 2 2 0 8 m b s2 种数据速率。 s d h 是在美国同步光纤网s o n e t 接口标准的基础上发展起来，由c c i t t ，即现在的国际电信 联盟i t u t 确立为世界性高速数字传输标准。s d h 包含一系列涉及比特率、网络节点接口、复用结 构、复用设备、网络管理和线路系统等i t u t 建议。迄今为止s d h 设计的大部分基本硬件和软件都 己得到定义，已成为新建光纤工程的标准技术，并成为被多种高速数字网络包括p d h 、f d d i 和a t m 等进入光纤传输主通道的平台技术。 1 1 3 光纤通信用微电子光电子材料与工艺 光纤通信作为微电子、光电子和光子器件、线路和系统之集大成，需要多种材料、工艺和技术。 作为现代微电子基础的硅基材料由于工艺成熟，集成度高和价格低廉在光纤通信中同样起着关键的 作用。其中，c m o s 工艺又因其超大规模集成能力、极低功耗和低成本，在中低数据速率的数字信 号处理( 分帧，解帧、打包解包，复接，分接等) 方面占据绝对优势。随着c m o s 工艺水平进入深亚 微米( o 2u m ) 阶段，2 5 g b s 速率的光纤通信用集成电路已开发成功。 高速度和大功率是双极性器件的重要特征。先进双极性硅晶体管的截止频率f r 已超过5 0 g h z 人们已经应用高速双极性硅工艺研制出了l o g b s 的系统。 在1 0 g b s 或更高的数据速率上，一般以砷化镓( g a a s ) 和磷化铟( i n p ) 来设计各种集成电路。 首先是g a a s 和i n p 器件和电路因材料固有的高电子迁移率而具有更高的工作频率和速率。g a a s 和 i n p 集成电路的第二个特点是其高速率下的低功耗性能，第三个特点是具有发光作用。因此，人们可 以将光电器件和电子线路制作在同一芯片上形成光电集成电路( o e i c ) 。 鉴于c m o s 工艺的诸多优势，在本课题中，采用截止频率f r 达到约5 0g h z 的t s m co 1 8 u m c m o s 工艺设计1 0 g b s 的光纤传输芯片。 1 1 4 光纤传输系统 光纤传输系统是由一段或多段光纤、一系列光予、光电子和微电子的器件、电路和子系统组成的 链路、环路或网络。这个系统要完成数据在信源端的接收、组织( 分帧、打包、复接等) 、光凋制、 传输、光接收、再生、分接等一系列处理，应用到多种技术，其研制和开发涉及到多种学科，其设 备的生产和工程建设涉及到众多的产业和部门。 图1 1 给出光纤通信传输系统的核心组成框图。在发送端，复接器( m u l t i p l e x e r ) 将n 路低速信号 复接成一路高速信号，激光驱动器( l dd r i v e r ) 驱动激光二极管( l d ：l a s e rd i o d e ) 将电信号转换为光信 号后通过光纤传输。在接收端，光信号由光电二极管口d ：p h o t o nd i o d e ) 转化为电信号，微弱的电信 号经过预放大器( p r e - a m p l i e r ) 和主放大器( m a i na m p l i f i e r ) 放大后，由时钟恢复电路( c r c ：c l o c k r e c o v e 叻和数据判决( d d ：d a t ad e c i s i o n ) 电路分别从中恢复出时钟信号和数据信号，最后由分接器 2 1 0 g b sc m o s 时钟恢复电路 ( d e m u x ：d e m u l t i p l e x e r ) 把高速信号还原成原始的n 路低速信号。 图1 1 光纤通信传输系统的结构框图 对于长距离传输的光纤通信系统，途中需要中继器，其作用是把经过长距离传输受到光纤衰减、 畸变后的微弱光信号，放大、整形、再生成一定强度的光信号，继续送向前方，以保证良好的通信 质量。 1 1 53 r 再生 3 r 再生是光纤通信系统中十分关键的信号处理过程，它是指信号再放大( r e a m p l i f i c a t i o n ) 、再 整形( r e s h a p i n g ) 、再定时( r e t i m i n g ) 。在光纤通信系统中，信号通过中继器和接收机端被多次的 3 r 再生，在这个过程中，信号的噪声和干扰被去除，因而系统保持很低的误码率。 目前的中继器大多采用光电光形式。即把光信号变换为电信号，经过3 r 再生处理后，再把 电信号变换为光信号，重新发出。如果采用全光中继，如掺铒放大器( e d f a ) ，它只是一个“1 r 再生”器，即只对信号进行再放大，那么系统用k 个等间隔的l r 再生器，随机抖动将以系数4 k 倍增。在相同情况下，它的b e r ( 误码率) 比使用3 r 再生器的系统增长地快得多。因此全光网络 的传输距离有限。 3 r 再生器中能够防止b e r 非线性增长的关键器件就是时钟数据恢复( c d r ) 电路，信号在这 里完成时钟提取和再生判决。 在数字光纤传输系统中，有两种方法获得定时时钟信号，一是在信道中单独传输时钟信号， 二是从接收到的数字信号中提取时钟信号。通常采用后一种方式，即依靠接收机中的时钟恢复电 路来完成，因为前一种方式所花费的代价太高。定时提取的一般过程是，对主放大器输出的数字 信号先微分，再全波整流，得到与要求的时钟信号有相同最小周期的系列脉冲，然后用锁相环p l l 或高q 值调谐电路( 窄带滤波) 取出判决电路所需的时钟信号。判决电路是把从接收放大器送来 3 第一章引言 的输入信号电压与判决门限电平进行比较，并在由恢复的时钟决定的抽样时刻决定出是“l ”码还 是0 码。 1 1 6 数字光纤通信系统的主要性能指标 数字光纤通信系统的主要性能指标是误码特性、抖动特性和可靠性j 。 1 ) 误码特性 数字光纤通信系统的误码率应小于l o 一，这是指系统在规定的较长时期内的平均b e r ，称为长 期平均b e r 。然而，对于一个易受外界环境影响的系统，虽然其长期平均b e r 可能合格，但在某一 段时限内的b e r 仍可能远远超过可以接受的水平。为了能正确反映实际系统的b e r 特性，c c i t t 规定了其他一些指标：劣化分钟比值( d m ) 、严重误码秒比值( s e s ) 及误码秒比值( e s ) 。 表1 2c c i t t 误码特性指标 误码性能定义 劣化分钟比值 ( d m ) 1 分钟时间内误码率劣于1 1 0 “的时间与总评价时间之比 严重误码秒比值 ( s e s ) 1 秒钟时间内误码率劣于1 1 0 的时间与总评价时间之比 误码秒比值 有误码的秒与总评价时间之比 ( e s ) 2 ) 抖动特性 抖动是指数字信号脉冲的有效瞬时值相对于标准时问位置的偏差，它包括输入信号脉冲在某一平 衡位置附近的变化及提取的时钟信号在中心位置附近的变化。抖动严重时可因接收脉冲移位而将1 判为0 或相反，造成误码。抖动的单位为u i ，它表示单位时隙。当信号脉冲为n r z 码时，1 u i 为1 - b i t 占用的时间长度( 即1 五，兀为码速) 。 抖动特性包括三项指标： ( 1 ) 输入抖动容限。指系统允许的输入信号最大抖动范围，它衡量数字设备输入端适应一定 数字信号抖动的能力，显然与光端机的性能有关。 ( 2 ) 无输入抖动时的输出抖动。它衡量系统输出端的信号抖动特性。 ( 3 ) 抖动转移特性。指输入信号的抖动值和输出信号的抖动值之比，它衡量光端机自身对抖 动的传递关系。测出不同频率下的抖动增益即得抖动转移特性。 1 2 论文组织 本文将对用于光纤通信的时钟恢复电路的原理和设计方法作简要的介绍。章节基本按照实际设 计时自顶向下的顺序展开。第二章首先介绍时钟恢复电路的基本原理和结构，对最为常用的锁相环 ( p l l ) 型电路的工作原理、设计方法作了详细分析，并在最后提出了一种注入同步结合p l l 型的 时钟恢复电路结构。第三章着重讨论了时钟恢复电路中最关心的噪声问题，对p l l 型和注入p l l 型 4 1 0 g b sc m o s 时钟恢复电路 电路结构的噪声性能作了分析。第四章中给出了用c m o s 实现的采用i p l l 型结构的s t m 6 4 ( 1 0 g b s ) c r 芯片完整的电路设计、模拟结果和最终的版图，并简要介绍了高速电路的一些设计方 法。第五章给出芯片测试结果以及对结果进行分析，并且对电路作了一些改进，第二次流片的测试 结果验证了分析与改进的正确性。 5 第二章时钟恢复电路的系统结构与原理分析 第二章时钟恢复电路的系统结构与原理分析 2 1 时钟恢复概述 2 1 1 时钟恢复电路的作用 时钟恢复电路的作用是产生一时钟信号。这- - b e 钟信号与输入信号相关联的时钟信号同步。首 先，源时钟信号的信息是从输入数据信号中被检测出来的，然后，根据时钟信息，产生希望的时钟 信号。这尤其适_ j 于n r z 格式的输入信号。时钟信息与时钟信号有两方面的不同：( 1 ) 时钟信息的 能量可以接近于0 ，而时钟信号必须有一定的能量。( 2 ) 时钟信息可以伴随着不希望的干扰，而时 钟信号必须有相对稳定的波形。 2 1 2 两种时钟恢复类型 时钟恢复电路有两种时钟恢复类型。甲类包括无源滤波器，乙类包含有源滤波器。甲类的输出 时钟信号直接依赖于被检测的时钟分量。也就是说，被检测的时钟分量直接控制输出时钟信号。特 别的，当被测信号分量的电压低于某一定电平时，输出时钟信号的频率和相位随着那些被检测的时 钟分量的变化而变化，输出时钟信号的幅度也随着被测分量变化。当甲类时钟恢复电路的输入端没 有信号输入时，无源系统输出端也没有信号。相反，乙类时钟恢复电路的输出时钟信号间接的依赖 于被检测时钟元件。首先，被检测元件的相位起着极重要的作用，而不是幅度。在乙类时钟恢复电 路中，实际上在被测元件幅度和输出时钟之间没有联系。其次，仅当p l l 被锁时，输出时钟的频率 与相位随着被测信号变化。即使没有信号输入，有源系统也总是存在乙类时钟恢复电路来的输出信 号。两种时钟| 炙复类型的不同决定了时钟恢复电路不同的设计和运用。 2 1 3 四种时钟恢复电路结构 到目前为止有四种类型的c r c 电路得到了研究和应用： ( 1 ) 用无源滤波器和限幅放大器的时钟恢复电路( p a s s i v e n a r r o w b a n d f i l l e r s ) ； ( 2 )使用窄频再生分频器的时钟恢复电路( n a r r o w b a n dr e g e n e r a t i v ef r e q u e n c yd i v i d e r s ) ： ( 3 ) 使用同步振荡器的时钟恢复电路( s y n c h r o n o u so s c i l l a t o r ) ； ( 4 )使用锁相环的时钟恢复电路( p h a s e l o c k e dl o o p ) 。 ( 1 ) 和( 4 ) 分别属于典型的甲类与乙类，( 2 ) 和( 3 ) 是居中的。( 2 ) 更接近于甲类时钟恢复电 路，( 3 ) 更接近于乙类时钟恢复电路。 采用p n b f 的c r c 电路( 图2 1 a ) 结构简单、相位抖动小、稳定度高，但在s d h 中，为了满 足系统稳定性要求，q 值需要大于6 2 5 。这样q 值的滤波器一般无法片上集成。而且外部滤波器频 率也无法达到高速的要求。 采用n r f d 电路技术的c r c 电路( 图2 1 b ) 其显著特征是输出频率为输入数据最高比特率的一 半，它适用于时钟频率低于数据速率的场合。 6 1 0 g b sc m o s 时钟恢复电路 s o 型c r c 电路( 图2 1 e ) 由注入锁定振荡器构成。由于不能兼顾振荡回路q 值与同步范围， 因此同步范围比较窄； p l l 可以看作是一个频率自适应的带通高q 值滤波器。p l l 型c r c 电路( 图2 5 d ) 易于单片集 成，但简单的p l l 存在容易失锁的问题。 数据 输入 数据 输入 蹁怔三卜+ e 垂三卜嚣 ! n ! ! 同 j - r q 九n n n n 图2 1 时钟恢复电路功能框图 ( a ) p n b f 型c r c 电路 时钟 输出 数据 输入 数据 输入 ( b ) ( b ) n r f d 型c r c 电路 ( c ) s o 型c r c 电路 时钟 输出 ( d ) p l l 型c r c 电路 7 时钟 输出 时钟 输出 第二章时钟恢复电路的系统结构与原理分析 2 1 4n r z 数据特性 1 数据信号格式 n r z 信号如图2 2 所示，每一个比特占瓦时间( “比特周期”) ，等概率地为l 或者0 ，并 统计独立于其它位。兀= 1 瓦称作“比特率”，单位为b i t s s 。“非归零”形式区别于“归零”( r z ) 形式的地方在丁二，r z 信号在两个连续的比特之间回到零电平。因为对于给定的比特率，p , z 数据比 n r z 数据包含更多的跃变，所以在信道或电路带宽有限的场合后者更可取。一般而言，数据应看作 随机波形( 具有某些已知的统计特征) 。 n r z 图2 2 归零( r z ) 与非归零( n r z ) 信号 光纤通信系统中的信号通常具有n r z 格式，因为这种格式的信号最容易处理。一般情况下，一 个原始的n r z 格式信号已经可以直接进行传输，然而它们也有以下问题： a ) 数据流中1和“0 ”不平均分布将引起信号直流电平的波动，不利于数据的再生。 b ) 长的连“1 ”和连0 信号段使得时序信息弱化。这样时钟恢复非常困难。 c ) 不具有在线监控信道误码的可能性。 为了解决这些问题，一个原始的n r z 信号常常通过一个信道编码器被转换成另一种格式后再传 输。对数字信号进行信道编码的目的在于使之适合于在信道中传输。编码的类型依赖于传输媒质的 性质，数据比特率，对可靠性，误码检测和纠错的要求以及费用等等。 所有不同编码格式的信号都可以被认为是一个新型的n r z 信号。例如，r z 信号可以认为上由 一个n r z 信号通过编码规则”1 ”( n r z ) 斗”l o ”和”0 ”f m 屹) _ ”0 0 ”而形成的。同样，一个二相位编码 或a m i 编码的信号可以被认为是一个二倍速率的特殊n r z 信号。分组码也是以n r z 信号的形式通 过信道传输的。因此，它们在接收机中进行数据判决和时钟恢复处理方式与普通n r z 码完全相同， 不同的是紧接着它们需要信道解码。 2 信号频谱分析 一个n r z 信号的归一化功率密度谱示于图2 3 。 它包含一个直流分量和一个连续功率密度谱， 不包含任何周期分量， 且大部分谱功率集中在归一化频域的0 到0 8 范围内。 n r z 数据的频谱在比特率整数倍频率上没有分量。例如，如果数据速率为1 - g b s ，那么频谱在 1 - g h z 处没有能量。我们注意到对1 - g b s 数据流来说最快的波形是每i n s 进行0 “l ”交替的波形， 8 1 0 g b sc m o s 时钟恢复电路 结果得到5 0 0 m h z 的方波，它的所有偶次谐波都不存在。从另一个观点来看，如果一个比特率为兀 的n i l e 序列乘以as i n ( 2 m n f d ) 对于旷有整数的m - 结果的平均分量都为零。这说明波形中不包 含m l 的频率分量c 了解n r z 数据频谱的形状也是很有用的。因为随机二进制序列的自相关函数为【q ) ：1 一婴小瓦 ( 2 - 1 ) 般极性波形功率谱密度等于( 单极性波形还包含一个直流离散谱线) 一心矿协= 瓦 筠甜 协z ， 示丁图2 3 中，函数在国= 2 x m f b = 2 m 叫l 处为零。与此相对照，r z 信号在这些频率上有有 图2 3 双极性n r z 信号功率谱密度 2 2n r z 信号预处理器 2 2 1 原理结构 正如上面所述，n r z 数据信号的功率密度频谱，在频率为输入数据速率上，没有离散的谱线， 因此，为了产生所需的频率，必须通过j ! 线性操作，硕处理过程对n r z 信号是必需的。然而，仅有 非线性电路，想要的信号可能不能有效的获得。例如，如果通过一个理想的平方器处理一个理想的 n r z 信号，我们可以获得信号的相同的复制：1 2 = 1 和0 2 = 0 。这种现象是由n r z 信号在频域和时域 中特殊性质所引起的。因此，一个n r z 信号预处理起应该包括两个信号处理部分：线性部分和非线 胜部分，如图2 4 所示。【” 9 第二章时钟恢复电路的系统结构与原理分析 n r z 数据 图2 4 预处理基本结构 时钟信息 干扰+ 噪声 尽管许多非线性器件和电路有倍频的功能，但理想的倍频器的传输特性是平方律的。这就是说， 平方器是理想非线性预处理器电路。 2 2 2 预滤波器 当我们推断出预滤波器的特性时，我们会发现微分器是最合适的，在频域和时域中做个分析就 可咀得到这一结论。 在频域中，f b 2 ，3 f b 2 ，5 f d 2 这些分量应该通过预滤波器，因为它们( 主要是f d 2 分量) 都 带有时钟信息。低于所选频率的分量应该受到抑制，而高于所选频率的所有( 2 n + 1 ) f r o 2 分量由于 其相干特性则可以保留。所以预滤波器应该是带通的或是高通的，而带通实现起来比较困难，所以， 需从高通方面考虑，而微分器恰好具有高通的特性。另一方面，根据2 1 4 中分析，分解信号的主谱 线宽度在f 4 2 处几乎线性滚降。但对于理想的时钟恢复，预处理器的输出信号的频谱应该关于五对 称。这要求从预滤波器来的信号的频谱应该关于f 4 2 对称。既然微分器的传输函数值随频率增加而 线性增加，这就使得分解信号的线性下降值被微分器线性上升值的特性拉平成为可能，形成了关于 f d 2 对称的频谱即最佳频谱。 在时域中，在n r z 数据流中，相邻两电平转换的周期等于基本周期t 或为被恢复时钟周期t 的 倍数。换句话说，电平翻转携带着n r z 数据流的时钟信息。预处理器的功能是检测电平翻转。不管 它的方向性，当每一次翻转时就用一个窄脉冲代替。这里微分器是最合适的，因为它对电平翻转非 常敏感。因此，一个正脉冲将会在0 到1的翻转过程中出现，一个负脉冲将会在1 到0 的翻转过程中出现。脉冲序列的极性可用平方器移去。 微分器可以用四种网络来实现：r c 、r l 、延时线性斩波器或延时器、减法器。其中最常用的是 延时减法器差动e c l 电路如图2 5 所示。 v d d v i 图2 , 5 延时减法器差动e c l 形式 1 0 1 0 g b sc m o s 时钟恢复电路 2 2 3 平方器 平方器可用乘法电路实现和用全波整流电路来代替。如图2 6 所示的乘法电路或乘法器( 双平衡 g i l b e r t 单元) ，它们的高精度、大动态范围、平衡结构和集成电路实现的可能性决定了它们是最合适 的。平衡输入输出使它适用于直接连接到在它前级或后级的e c l s c f l 电路上。这一特征对整个系 统的集成电路实现是很重要的。 图2 6 双平衡g i l b e r t 单元 2 2 4 预处理器的实现 原理上，双平衡乘法器和全波整流器可直接连到任何一种微分器。其中广泛运用的预处理器 它包括一个或两个含有异或逻辑的延时器件，如图2 7 所示。 n v o 图2 7 预处理实现 这种预处理器实际上是延时减法微分器和异或逻辑电路的简化组合。延时减法微分器( 图2 6 ) 的两个输入端c 和d 可描述为c = a b 和d = a b 。用c 和d 作为异或逻辑输入变量，我们有下列 布尔关系式： 一 一：= 一一 一一一一 y = c d + c d = a b a b + a b a b = ( 4 + b ) a b + a b ( a + b ) = a b + a b ( 2 1 ) 这说明，非延时和延时数据信号可以直接作为异或门的输入。 图2 8 是一种常用的双平衡乘法器预处理器电路形式。电路采用全差分结构，差分输入差分输出， 第二章时钟恢复电路的系统结构与原理分析 非常适合于高速大规模集成。 图2 8 双平衡乘法器预处理器电路形式 图2 8 与图2 7 相对应，源极跟随器作为预处理器的延时单元，异或逻辑电路用双平衡g i l b e r t 单元来实现。 另外，预处理器另一个重要的改进是用含有电感线圈的单调l c 谐振器取代了两个电阻。l ，c 和r 作为乘法器的负载电路，这一改进带给预处理器及挺个电路三个好处： ( 1 ) 预处理器的增益会极大的提高。 ( 2 ) l c 谐振器具有滤波功能，输出正弦信号波形。这种信号的频谱更纯，有利于进一步处理。 c r 系统的性能得到改进。 ( 3 ) 在输出信号的频谱中没有直流分量，这一优点可供使用窄带再生分频器的时钟恢复适用。 ( 4 ) 可得到关于比特频率磊对称的输出信号频谱，这样可组成理想的c r 系统。 ( 5 ) 由于低层的微分和输出端滤波功能，电路能够对一系列比特速率产生响应。它的值等于调 谐电路的中心频率或中心频率的整数分之一，这一特征适用于不同的c r 结构。 因为预处理器是全平衡的且不包含延时线，它非常适用于系统的单片集成。 2 2 5 预处理器的变换因子 预处理器的性能可用变换因数来描述，定义如下： c o = ( 2 2 ) 或 c o = 2 0 l o gc 0 ( 2 3 ) 其中，是输入数据信号的峰峰值。p 锄是输出信号在五处的谱线的最大幅值。可通过 电路的瞬态仿真和在输入信号仅包含代表1的r z 格式和重复“1 0 ”的n r z 格式的条件下用傅利 叶级数分析获得。 在预处理器的输出端，分量五的平均电压矿m 为： 1 2 l o g b sc m o s 时钟恢复电路 = p c o v i 其中，尸是n r z 信号的“l o ”和“0 1 ”组合的概率。 2 3 锁相环电路 ( 2 4 ) 众所周知锁相环相当于一个窄带滤波器。因此它可以用于c r 电路的主处理部分。 2 3 1 简单锁相环基本结构与原理 p l l 的框图见图2 9a 它由三个部分组成：相位检测( p d ) ，环路滤波( l p f ) 和压控振荡器( v c o ) 。 输入参考频率： 压控振荡器输出五 图2 9 简单的p l l 1 锁定状态下的锁相环波形 p d 在反馈环路中用作“误差检测放大器”。当不随时间变化时，环路就“锁定”了，此时 输入输出的频率相等。 锁定条件下，环路中的所有信号达到种稳态：p d 产生一个直流分量正比于西的输出；l p f 抑制p d 输出中的高频分量，而允许低频分量控制v c o 的频率：v c o 就振荡在与输入相等的频率 上，并保持固定相位差。这样，l p f 就为v c o 产生了正确的控制电压。 图2 1 0 给出了p l l 环路中各点信号的典型的例子。输入输出信号有同样的频率，但是存在有限 的相位差；p d 产生脉宽等于输入输出信号过零点时间差的脉冲信号；脉冲经过低通滤波器后产生直 x 鳓厂 厂 厂 厂 - _ ；- - - - - - ；t ，伸冈厂 厂 厂 ；彳= ： 。 f 糕 一k p 。蛔 输出d 却 。 f 图2 1 0p l l 中的信号 1 3 ! ! 三童堕丝堡堡皇堕堕墨竺堕塑皇堕堡坌堑 流电压控制v c o 振荡在所需的频率上。需要注意的是，该直流电压并不决定输出相位。v c o 的相 位可以看作是系统的初始条件，它不依赖于l p f 中的初始条件。 2 锁定状态下两种小的瞬变过程 现在让我们分析在锁定状态下，锁相环对输入端相位或频率微小变化的响应。 a 输入端相位微小变化的响应 考虑锁相环处于锁定状态，假设输入输出波形可表示为 圪( r ) = c o s ( t ) 1 f 圪。( f ) = c o s ( 】f + 丸) 2 5 ) 这里忽略了高次谐波，巾。是静态的相位误差。如图2 1 1 所示，假设输入在t = t 。时有一相位阶 跃m - ，也就是丸= 国l f + 办“o t j ) 。由于l p f 的输出无法同时改变，所以v c o 开始还是振荡在鲫， 频率。随着输入输出间相位差的增加，鉴相器产生的脉冲宽度增大，迫使v l p f 逐渐升高。结果，v c o 的频率开始改变，试图将相位误差减到最小。注意，在瞬变过程中环路没有锁定，因为相位误差一 直随时间变化。 在v c o 的频率开始改变后，如果锁相环又回到锁定状态，国。必须最终回到棚。，要求v l p f 和 丸“一九也都回到其原来的值。由于九已经变化了中；，所以v c o 频率的变化必须使。，下的面积 能够为丸。提供增加的相位巾，即： j 一d t = 确 ( 2 ，6 ) 因此，当锁相环再次稳定下来时，输出v 。变为 圪。( f ) = c o s ( 0 i t + o + 【“o f i ) 】( 2 7 ) 从而如图2 1 1 所示，妒。就慢慢赶上了。 以下两点非常重要： ( 1 ) 在锁相环又回到锁定状态之后，所有参数( 总的输入输出相位除外) 都回到其初始值。 也就是说，丸。一九，v l p f 以及v c o 的振荡频率都保持不变，因为这三个参数存在一一对应的关 系而输入频率保持不变。 1 4 l o g b ，sc m o s 时钟恢复电路 m | n 枣l n 蚝瞄 口m 垂口m m n 门nn 。n nn 广 门| ： m y 吣 捌圆圈鋈圈圈盟湓盘。 图2 1 l 锁相环对相位阶跃的响应 ( 2 )在分析锁相环时，振荡器的控制电压可作为一个台适的测试点。虽然很难测量相位和 频率随时问的变化，但是在仿真和测量中容易测试v l ”。 n 输入端频率微小变化的响应 现在我们来定性的研究t b 时锁定，而在t = “时经历一个小的正向频率跳变的j