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时钟数据恢复CDR简介

上周调研了光模块中的跨阻放大器TIA,今天主要调研下光模块中另一个重要的电芯片---CDR。

CDR的英文全称是Clock and Data Recovery, 即时钟数据恢复。顾名思义,CDR的主要功能是:1)为接收器端各电路提供时钟信号,2)对接收到的信号进行判决,便于数据信号的恢复与后续处理。

光信号经过一定距离的传输后,其波形会发生一定程度的失真。由于并没有时钟信号伴随光信号一起传输,接收端接收到的信号是一个个长短不一的脉冲,如下图所示。如果不对这些脉冲信号进行处理,就无法得到想要传输的数据。

(图片来自http://web.mit.edu/6.02/www/s2009/handouts/labs/lab1.shtml)

时钟恢复的主要方式有锁相环(phase-locked loop,简称PLL)方式。PLL方式基于反馈原理,对压控振荡器(输出信号频率受外部电压控制)的输出信号与参考信号(即接收器端接收到的信号)的相位误差进行比较,产生对应的相位误差电压,使得压控振荡器的频率与信号速率一致,压控振荡器输出所需的时钟信号,示意图如下,

(图片来自 https://en.wikipedia.org/wiki/Phase-locked_loop)

PLL电路主要由三个器件构成,分别是鉴相器(phase detector)、环路滤波器(loop filter)和压控振荡器(voltage controlled oscillator,简称VCO)。常用的鉴相器为边沿触发型,即edge detector, 通过比较两个输入信号的边沿来进行相位的探测。由于鉴相器输出的电压为交流信号,并不能直接控制VCO,需要通过环路滤波器对电压信号进行滤波处理。环路滤波器主要滤掉电压信号中的高频成分,得到VCO的控制电压,进而改变VCO输出信号的频率。

在光学中,也有类似的结构,称为光学锁相环(OPLL), 可以使得本振光频率与信号光频率一致,从而实现不同光波之间的相位同步。

利用PLL, 得到正确的时钟信号后,就可以对接收到的信号进行采样,进而恢复数据信号,得到01序列, 如下图所示,

(图片来自 https://en.wikipedia.org/wiki/Carrier-Suppressed_Return-to-Zero)

光模块接收端的信号过程,如下图所示:信号到达接收端后,被探测器检测到,产生微弱的电流,TIA对该电流进行放大,产生电压脉冲信号,进而CDR对电压信号进行处理,得到时钟信号,并恢复所需传输的数据信号。

以上是对CDR的简单介绍,CDR芯片也是光模块中非常重要的电芯片,关乎到高速通信中接收信号的质量。对于其具体的电路实现,这里就不做详细介绍了。

文章中如果有任何错误和不严谨之处,还望大家不吝指出!

本文分享自微信公众号 - 光学小豆芽(photonwalker),作者:Photonwalker

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原始发表时间:2017-10-21

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