CN116112143A - 一种400g pam4的时钟数据恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种400G PAM4的时钟数据恢复方法，该方法所使用的PAM4时钟数据恢复器由最小均方误差相位检测器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、最小误差频率检测器和PAM4数据合成器构成，最小均方误差生成器由三个阈值切片器和时钟和异或门组成，且阈值切片器的阈值设置为PAM4上中下眼图的中间电压，本发明涉及光电通信技术领域。该400G PAM4的时钟数据恢复方法，可实现本发明描述了一种用最小均方误差算法找到最大眼高，最大眼图张开度的时钟数据恢复方法，这种时钟数据恢复独立于数据跳变密度和PAM4不同跳变沿，比传统时钟数据恢复器具有更小的抖动。本PAM4的时钟数据恢复方法单通道能够达到100G,四个通道为400G，能够应用在400G PAM4上。

Description

一种400G PAM4的时钟数据恢复方法

技术领域

本发明涉及光电通信技术领域，具体为一种400G PAM4的时钟数据恢复方法。

背景技术

PAM4广泛应用与光通信100G以上高带宽的场合。然而设计400G PAM4时钟数据恢复电路是一个挑战，因为PAM有四个符号电压和12个不对称的跳变沿。传统的PAM4 Bang-bang时钟数据恢复有12个跳变边沿，如果时钟数据恢复电路锁住不对称的跳变沿，会增大恢复出来的时钟抖动。如果要滤掉不对称的跳变沿，会增大电路的复杂度。一种常用的PAM4时钟数据恢复的类型为Mueller-Muller时钟CDR，由于要进行复杂的逻辑，需要高精度ADC，所以一般应用在DSP架构的时钟恢复里面。

本发明描述了一种用最小均方误差算法找到最大眼高，最大眼图张开度的时钟数据恢复方法，这种时钟数据恢复独立于数据跳变密度和PAM4不同跳变沿，比传统时钟数据恢复器具有更小的抖动。本PAM4的时钟数据恢复方法单通道能够达到100G,四个通道为400G，能够应用在400G PAM4上。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种400G PAM4的时钟数据恢复方法，解决了现有的数据恢复方法易增大时钟抖动和电路的复杂度，且现有的PAM4时钟数据恢复的时钟CDR，由于要进行复杂的逻辑，需要高精度ADC的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种400G PAM4的时钟数据恢复方法，该方法所使用的PAM4时钟数据恢复器由最小均方误差相位检测器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、最小误差频率检测器和PAM4数据合成器构成；

所述最小均方误差生成器由三个阈值切片器和时钟和异或门组成，且阈值切片器的阈值设置为PAM4上中下眼图的中间电压，三个所述阈值切片器输出的三路信号经过PAM4数据合成器后就得到恢复的PAM4高速数据信号，且最小均方误差生成器通过最小均方误差斜率生成器得到的结果进行异或后得到相位超前或滞后信息；

所述最小均方误差频率检测器由两个最小均方误差相位检测器、0度相位时钟、90度相位时钟和D触发器组成；

最小均方误差时钟数据恢复器恢复出来的时钟频率与PAM高速数据的波特率频率相同；

所述400G PAM4的时钟数据恢复方法，具体包括以下步骤：

S1、带符号位的二进制最小均方误差相位检测器，需要采样信号的斜率信息，即当前采样信号与最佳采样信号的斜率，如果当前采样信号的值在最佳采样点的左上方，则斜率为负，对应的斜率信号值为0.如果当前采样信号的值在最佳采样点的右上方，则斜率为正，对应的斜率信号值为1，带符号位的二进制最小均方误差相位检测器，还需要采样信号的错误值信息，如果当前采样信号的值在最佳采样点的上方，则误差为正，对应的错误值信号值为1，如果当前采样信号的值在最佳采样点的下方，则误差为负，对应的斜率信号值为0，采样信号的斜率信息和采样信号的错误值信息用来校正压控振荡器的采样相位，即全速率时钟的上升沿，使得采样点的相位和最佳采样点的相位的最小均方误差最小，调节压控振荡器的相位使得采样到眼图张开到最大眼高的位置，采样信号的斜率信息和采样信号的误差信息进行异或可以得到相位的滞后(late)信号或超前(early)信号；

S2、相位的滞后(late)或超前(early)信号输入给电荷泵，把电压转化为电流，给环路滤波器充电，通过环路滤波器输出的电压控制压控振荡器，产生所需要时钟的相位，使得时钟的频率与PAM4高速数据的波特率频率相同；

S3、用0度相位时钟采集PAM4高速数据，经过三个阈值切片器后，得到NRZ的三路信号，这三路信号经过PAM4数据合成器后就得到恢复的PAM4高速数据信号，恢复后的PAM4高速数据信号去掉了PAM4高速数据输入信号的大部分抖动和噪声；

S4、最小均方误差生成器中的其中一个阈值切片器使用PAM4的上面眼图的中间电压为阈值，第二个阈值切片器使用PAM4的中间眼图的中间电压为阈值，第三个阈值切片器使用的PAM4的下面眼图的中间电压为阈值，阈值切片器一个带有时钟的比较器，这个比较器把PAM4输入信号和阈值进行比较，3个不同的阈值比较器能得到数据的幅度相对于阈值的高低，经过异或门后能得到错误值的正负信息，如果异或的结果为0，说明误差为负，如果异或的结果为1，说明误差为正；

S5、最小均方差斜率生成器中的0度相位时钟采取的数据与90度相位时钟采取的数据相比较，然后进行与逻辑操作，如果得到的值为1，说明最小均方误差的斜率为正，如果得到的值为0，说明最小均方误差的斜率为负，最小均方差斜率生成器中的第一个阈值切片器和第四个阈值切片器的阈值设置在PAM4上眼图的中间电压，第二个阈值切片2和第五个阈值切片器的阈值设置在PAM4中间眼图的中间电压，第三个阈值切片器和第六个阈值切片器的阈值设置在PAM4下眼图的中间电压，三个比较器输出的信号为0或1；

S6、如图4，最小均方误差频率检测器中的最小均方误差相位检测器1经由0度相位时钟生成相位超前或滞后信号1，最小均方误差相位检测器经由90度相位时钟生成相位超前或滞后信号2，用相位超前或滞后信号2作为触发去采集相位超前或滞后信号1，就会生成频率检测信号，该信号为1，表示时钟频率比数据频率快，如果该信号为0，表示时钟频率比数据频率慢。

优选的，所述最小均方差斜率生成器由六个阈值切片器、三个比较器、与门、0度相位时钟和90度相位时钟组成。

优选的，所述步骤S2中环路滤波器用于调节时钟数据恢复环路的带宽和滤掉高频噪声，且最小均方误差频率检测器用于控制压控振荡器的频率。

优选的，所述步骤S5中频率检测信号输出给压控振荡器，调节压控振荡器频率的快慢，最终生成的时钟与PAM4高速数据的波特率频率相同。

优选的，所述步骤S5中一个最小均方误差相位检测器只提供相位快慢信息，如果再加一个均方误差相位检测器就能提供频率快慢信息，如果时钟频率很慢，相位超前或滞后1落后于相位超前或滞后2，如果用相位超前或滞后2去触发超前或滞后1，就会得到0，表明频率慢。

优选的，所述步骤S5中如果时钟频率很快，相位超前或滞后1超前于相位超前或滞后2，如果用相位超前或滞后2去触发超前或滞后1，就会得到1，表明频率快。这样就能得到频率快慢信息。

有益效果

本发明提供了一种400G PAM4的时钟数据恢复方法。与现有技术相比具备以下有益效果：该400G PAM4的时钟数据恢复方法，该方法所使用的PAM4时钟数据恢复器由最小均方误差相位检测器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、最小误差频率检测器和PAM4数据合成器构成，最小均方误差生成器由三个阈值切片器和时钟和异或门组成，且阈值切片器的阈值设置为PAM4上中下眼图的中间电压，三个阈值切片器输出的三路信号经过PAM4数据合成器后就得到恢复的PAM4高速数据信号，且最小均方误差生成器通过最小均方误差斜率生成器得到的结果进行异或后得到相位超前或滞后信息，最小均方差斜率生成器由六个阈值切片器、三个比较器、与门、0度相位时钟和90度相位时钟组成，可实现本发明描述了一种用最小均方误差算法找到最大眼高，最大眼图张开度的时钟数据恢复方法，这种时钟数据恢复独立于数据跳变密度和PAM4不同跳变沿，比传统时钟数据恢复器具有更小的抖动。本PAM4的时钟数据恢复方法单通道能够达到100G,四个通道为400G，能够应用在400G PAM4上。

附图说明

图1为本发明的框架图；

图2为本发明最小均方误差生成器的框架图；

图3为本发明最小均方误差斜率生成器的框架图；

图4为本发明最小均方误差频率检测器的框架图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种400G PAM4的时钟数据恢复方法，该方法所使用的PAM4时钟数据恢复器由最小均方误差相位检测器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、最小误差频率检测器和PAM4数据合成器构成；

最小均方误差生成器由三个阈值切片器和时钟和异或门组成，且阈值切片器的阈值设置为PAM4上中下眼图的中间电压，三个阈值切片器输出的三路信号经过PAM4数据合成器后就得到恢复的PAM4高速数据信号，且最小均方误差生成器通过最小均方误差斜率生成器得到的结果进行异或后得到相位超前或滞后信息，最小均方差斜率生成器由六个阈值切片器、三个比较器、与门、0度相位时钟和90度相位时钟组成；

最小均方误差频率检测器由两个最小均方误差相位检测器、0度相位时钟、90度相位时钟和D触发器组成；

最小均方误差时钟数据恢复器恢复出来的时钟频率与PAM高速数据的波特率频率相同；

400G PAM4的时钟数据恢复方法，具体包括以下步骤：

S1、带符号位的二进制最小均方误差相位检测器，需要采样信号的斜率信息，即当前采样信号与最佳采样信号的斜率，如果当前采样信号的值在最佳采样点的左上方，则斜率为负，对应的斜率信号值为0.如果当前采样信号的值在最佳采样点的右上方，则斜率为正，对应的斜率信号值为1，带符号位的二进制最小均方误差相位检测器，还需要采样信号的错误值信息，如果当前采样信号的值在最佳采样点的上方，则误差为正，对应的错误值信号值为1，如果当前采样信号的值在最佳采样点的下方，则误差为负，对应的斜率信号值为0，采样信号的斜率信息和采样信号的错误值信息用来校正压控振荡器的采样相位，即全速率时钟的上升沿，使得采样点的相位和最佳采样点的相位的最小均方误差最小，调节压控振荡器的相位使得采样到眼图张开到最大眼高的位置，采样信号的斜率信息和采样信号的误差信息进行异或可以得到相位的滞后(late)信号或超前(early)信号；

S2、相位的滞后(late)或超前(early)信号输入给电荷泵，把电压转化为电流，给环路滤波器充电，通过环路滤波器输出的电压控制压控振荡器，产生所需要时钟的相位，使得时钟的频率与PAM4高速数据的波特率频率相同，环路滤波器用于调节时钟数据恢复环路的带宽和滤掉高频噪声，且最小均方误差频率检测器用于控制压控振荡器的频率；

S3、用0度相位时钟采集PAM4高速数据，经过阈值切片器1，阈值切片器2和阈值切片器3后，得到NRZ的三路信号，这三路信号经过PAM4数据合成器后就得到恢复的PAM4高速数据信号，恢复后的PAM4高速数据信号去掉了PAM4高速数据输入信号的大部分抖动和噪声；

S4、如图2，最小均方误差生成器中的阈值切片器1使用PAM4的上面眼图的中间电压为阈值，阈值切片器2使用PAM4的中间眼图的中间电压为阈值，阈值切片器3使用的PAM4的下面眼图的中间电压为阈值，阈值切片器一个带有时钟的比较器，这个比较器把PAM4输入信号和阈值进行比较，3个不同的阈值比较器能得到数据的幅度相对于阈值的高低，经过异或门后能得到错误值的正负信息，如果异或的结果为0，说明误差为负，如果异或的结果为1，说明误差为正；

S5、如图3，最小均方差斜率生成器中的0度相位时钟采取的数据与90度相位时钟采取的数据相比较，然后进行与逻辑操作，如果得到的值为1，说明最小均方误差的斜率为正，如果得到的值为0，说明最小均方误差的斜率为负，最小均方差斜率生成器中的第一个阈值切片器和第四个阈值切片器的阈值设置在PAM4上眼图的中间电压，第二个阈值切片2和第五个阈值切片器的阈值设置在PAM4中间眼图的中间电压，第三个阈值切片器和第六个阈值切片器的阈值设置在PAM4下眼图的中间电压，三个比较器输出的信号为0或1；

S6、如图4，最小均方误差频率检测器中的最小均方误差相位检测器1经由0度相位时钟生成相位超前或滞后信号1，最小均方误差相位检测器经由90度相位时钟生成相位超前或滞后信号2，用相位超前或滞后信号2作为触发去采集相位超前或滞后信号1，就会生成频率检测信号，该信号为1，表示时钟频率比数据频率快，如果该信号为0，表示时钟频率比数据频率慢，步骤S5中频率检测信号输出给压控振荡器，调节压控振荡器频率的快慢，最终生成的时钟与PAM4高速数据的波特率频率相同，一个最小均方误差相位检测器只提供相位快慢信息，如果再加一个均方误差相位检测器就能提供频率快慢信息，如果时钟频率很慢，相位超前或滞后1落后于相位超前或滞后2，如果用相位超前或滞后2去触发超前或滞后1，就会得到0，表明频率慢，如果时钟频率很快，相位超前或滞后1超前于相位超前或滞后2，如果用相位超前或滞后2去触发超前或滞后1，就会得到1，表明频率快。这样就能得到频率快慢信息。

同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种400G PAM4的时钟数据恢复方法，其特征在于：该方法所使用的PAM4时钟数据恢复器由最小均方误差相位检测器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、最小误差频率检测器和PAM4数据合成器构成；

所述最小均方误差生成器由三个阈值切片器和时钟和异或门组成，且阈值切片器的阈值设置为PAM4上中下眼图的中间电压，三个所述阈值切片器输出的三路信号经过PAM4数据合成器后就得到恢复的PAM4高速数据信号，且最小均方误差生成器通过最小均方误差斜率生成器得到的结果进行异或后得到相位超前或滞后信息；

所述最小均方误差频率检测器由两个最小均方误差相位检测器、0度相位时钟、90度相位时钟和D触发器组成；

所述400G PAM4的时钟数据恢复方法，具体包括以下步骤：

S1、带符号位的二进制最小均方误差相位检测器，需要采样信号的斜率信息，即当前采样信号与最佳采样信号的斜率，如果当前采样信号的值在最佳采样点的左上方，则斜率为负，对应的斜率信号值为0.如果当前采样信号的值在最佳采样点的右上方，则斜率为正，对应的斜率信号值为1，带符号位的二进制最小均方误差相位检测器，还需要采样信号的错误值信息，如果当前采样信号的值在最佳采样点的上方，则误差为正，对应的错误值信号值为1，如果当前采样信号的值在最佳采样点的下方，则误差为负，对应的斜率信号值为0，采样信号的斜率信息和采样信号的错误值信息用来校正压控振荡器的采样相位，即全速率时钟的上升沿，使得采样点的相位和最佳采样点的相位的最小均方误差最小，调节压控振荡器的相位使得采样到眼图张开到最大眼高的位置，采样信号的斜率信息和采样信号的误差信息进行异或可以得到相位的滞后信号或超前信号；

S2、相位的滞后或超前信号输入给电荷泵，把电压转化为电流，给环路滤波器充电，通过环路滤波器输出的电压控制压控振荡器，产生所需要时钟的相位，使得时钟的频率与PAM4高速数据的波特率频率相同；

S3、用0度相位时钟采集PAM4高速数据，经过三个阈值切片器后，得到NRZ的三路信号，这三路信号经过PAM4数据合成器后就得到恢复的PAM4高速数据信号，恢复后的PAM4高速数据信号去掉了PAM4高速数据输入信号的大部分抖动和噪声；

S4、最小均方误差生成器中的其中一个阈值切片器使用PAM4的上面眼图的中间电压为阈值，第二个阈值切片器使用PAM4的中间眼图的中间电压为阈值，第三个阈值切片器使用的PAM4的下面眼图的中间电压为阈值，阈值切片器一个带有时钟的比较器，这个比较器把PAM4输入信号和阈值进行比较，3个不同的阈值比较器能得到数据的幅度相对于阈值的高低，经过异或门后能得到错误值的正负信息，如果异或的结果为0，说明误差为负，如果异或的结果为1，说明误差为正；

S5、最小均方差斜率生成器中的0度相位时钟采取的数据与90度相位时钟采取的数据相比较，然后进行与逻辑操作，如果得到的值为1，说明最小均方误差的斜率为正，如果得到的值为0，说明最小均方误差的斜率为负，最小均方差斜率生成器中的第一个阈值切片器和第四个阈值切片器的阈值设置在PAM4上眼图的中间电压，第二个阈值切片2和第五个阈值切片器的阈值设置在PAM4中间眼图的中间电压，第三个阈值切片器和第六个阈值切片器的阈值设置在PAM4下眼图的中间电压，三个比较器输出的信号为0或1；

S6、如图4，最小均方误差频率检测器中的最小均方误差相位检测器1经由0度相位时钟生成相位超前或滞后信号1，最小均方误差相位检测器经由90度相位时钟生成相位超前或滞后信号2，用相位超前或滞后信号2作为触发去采集相位超前或滞后信号1，就会生成频率检测信号，该信号为1，表示时钟频率比数据频率快，如果该信号为0，表示时钟频率比数据频率慢。

2.根据权利要求1所述的一种400G PAM4的时钟数据恢复方法，其特征在于：所述最小均方差斜率生成器由六个阈值切片器、三个比较器、与门、0度相位时钟和90度相位时钟组成。

3.根据权利要求1所述的一种400G PAM4的时钟数据恢复方法，其特征在于：所述步骤S2中环路滤波器用于调节时钟数据恢复环路的带宽和滤掉高频噪声，且最小均方误差频率检测器用于控制压控振荡器的频率。

4.根据权利要求1所述的一种400G PAM4的时钟数据恢复方法，其特征在于：所述步骤S5中频率检测信号输出给压控振荡器，调节压控振荡器频率的快慢，最终生成的时钟与PAM4高速数据的波特率频率相同。

5.根据权利要求4所述的一种400G PAM4的时钟数据恢复方法，其特征在于：所述步骤S5中一个最小均方误差相位检测器只提供相位快慢信息，如果再加一个均方误差相位检测器就能提供频率快慢信息，如果时钟频率很慢，相位超前或滞后1落后于相位超前或滞后2，如果用相位超前或滞后2去触发超前或滞后1，就会得到0，表明频率慢。

6.根据权利要求5所述的一种400G PAM4的时钟数据恢复方法，其特征在于：所述步骤S5中如果时钟频率很快，相位超前或滞后1超前于相位超前或滞后2，如果用相位超前或滞后2去触发超前或滞后1，就会得到1，表明频率快。这样就能得到频率快慢信息。

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