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面向5G通信的高速PAM4信号时钟与数据恢复技术 摘要：针对5G通信中4级脉幅调制（PAM4）格式数据的高速传输，提出了可集成的数据与时钟恢复中若干关键技术，包括波特率采样、边沿选择、最优采样和阈值调节等。在单路50 Gbit/s以上速率可有效降低芯片硬件开销，降低系统功耗，降低误码率（BER），并可以提升芯片工作鲁棒性。上述技术在65 nm互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺下通过芯片设计及流片加工得到验证，测试结果表明：该芯片恢复时钟具备1.08 ps均方根值（RMS）的时域抖动；恢复数据最高速率在51 Gbit/s可实现3.4×10-9的PAM4信号BER，以及低至6.27 pJ/bit的能耗效率。 5G；PAM4；时钟与数据恢复；CMOS Key techniques including baud-rate sampling， edge-selection， optimal sampling and threshold adjusting techniques are proposed for 4-level pulse amplitude modulation （PAM4） high-speed transmitting in 5G communications. Significant improvements are derived in terms of the hardware cost， system power consumption， bit-error rate （BER） and operation robustness above 50 Gbit/s. The proposed techniques are verified through chip design and tape-out fabrication in 65 nm complementary metal oxide semiconductor （CMOS） process. Measurement results show that the clock and data recovery （CDR） features 1.08 ps root meam square （RMS） clock jitter， 3.4×10-9 PAM4 data recovery BER and 6.27 pJ/bit power efficiency. 5G； PAM4； CDR； CMOS 1 光通信中的钟与数据 恢复 随着大数据和云计算技术的诞生，数据量呈现爆发式的增长，数据通信的带宽需求日益旺盛，而传统的电互连技术已经无法满足高速信息传输的需求。在此背景下，为了实现信息的更高速率的传输，利用光波作为传输介质，光信号作为信息载体的数据传输方案即光互连受到了越来越多的关注。光互连可以理解为光通信技术在短距离场景替代传统的电通信技术的一种实现形式，在具备光通信的所有技术优点的基础上，还具有更高性能的集成化、低功耗、低成本等特点，因此光互连能够实现超低功耗、较长距离、超高速、超高密度的数据通信，同时还具备无电磁干扰、短延时、长寿命、安全可靠等特点。由此可见，光互连技术代表了未来中长距离数据通信技术的发展方向。光互连具有低功耗和高集成度的特点，其中的核心是集成光子技术和集成电路技术，主要包括：高速激光器芯片技术、高速调制器芯片技术、集成光波导技术、集成驱动芯片技术、光电探测芯片技术、集成数字信号处理技术等[1-4]。 光互连系统是电光混合集成，由高速激光器和高速调制器将电信号加载到光波上，因此需要高速驱动芯片对激光器和调制器进行电信号到光信号的转换。当不归零码（NRZ）数据传输速率超过40 Gbit/s，电光转换的带宽成为限制光互连速度的瓶颈。4级脉幅调制（PAM4）由于具有在相同带宽下2倍的数据传输速率，得到越来越广泛的应用。在光互连系统中，当单通道数据速率达到25 Gbit/s时，无论在接收端和发射端都需要采用时钟与数据恢复（CDR）电路从高损耗的信号里恢复出高质量的数据，再通过驱动电路将数据加载到光波上。如图1所示，PAM4调制的CDR电路在收发两端的电-光和光-电转换都是核心部件。在电-光转换接口，高速串行电信号经过高损耗电路板导致信号质量严重下降，通过PAM4 CDR对信号进行恢复，得到低抖动的时钟和数据。在光-电转换接口，由于电光调制器的插入损耗及光纤传输损耗等，光电探测器接收到的有损信号同样需要CDR进行数据恢复。 CDR相对于锁相环（PLL）的区别主要在于鉴相器的设计上，CDR基本的组成部分包括鉴相器（PD）、电荷泵（CP）、环路滤波器、压控振荡器（VCO）等。鉴相器通过用VCO的输出时钟对输入数据进行采样来获得控制信号，控制信号输出到