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CDR——时钟数据恢复

串行光链路不携带独立的时钟:接收端必须直接从数据流本身恢复出时钟,再依据该时钟对比特重新采样(即“retime”)。完成这一工作的电路就是 CDR(时钟数据恢复)。CDR 位于主机侧还是模块内部,是不同封装形式之间的一项根本区别,其控制位也是 CodingBox 读取和编码的存储器内容的一部分。

CDR 的作用

  1. 提取时钟:通过锁相环从输入的比特跳变中提取时钟。
  2. 重新定时:在恢复出的时钟边沿对每个比特重新采样,从而消除传输途中累积的定时噪声(抖动,jitter)。
  3. 再生:向下一级(Tx 侧的激光驱动器、Rx 侧的主机 SerDes)输出干净的边沿信号。

因此,CDR 相当于一个抖动复位点。每条链路的抖动预算由主机 PCB 走线、连接器和模块共同分摊;模块内置 retimer 后,主机侧就可以更宽松地使用自己的那部分预算。

主机侧还是模块侧

封装形式CDR 位置影响
XFP在模块内(XFI 接口)主机简单,模块与协议无关;模块更大更热
SFP+在主机上(SFI 接口)模块小、凉、便宜;主机需要 CDR/EDC;可以做成线性(LRM)模块
SFP28通常在模块内25G 的抖动预算太紧,仅靠主机不够
QSFP+ 40G模块内通常没有由主机对 4×10G 重新定时
QSFP28 100G典型情况下 Tx 和 Rx 的 CDR 都在模块内支持逐通道开关控制;通过 CDR-present 位对外声明
PAM4 模块(QSFP56 / QSFP-DD / OSFP)DSP:具备均衡和 FEC 感知能力的 CDR功耗高;LPO 又将其去掉

这正是 SFP+ 在高密度 10G 交换场景中胜过 XFP 的原因,也是 100G 模块比 40G 模块更热的原因。

在模块存储器中的位置

SFF-8636(QSFP+/QSFP28),参见 SFF-8636:

字节字段含义
129(upper page 00h)Extended Identifier,bit 3 / 2Tx / Rx 是否存在 CDR(CDR present)
98(lower page)CDR controlbit 7–4 逐通道使能 Tx CDR,bit 3–0 逐通道使能 Rx CDR
5(lower page)LOL flagsbit 7–4 为每通道 Tx 失锁(loss of lock),bit 3–0 为每通道 Rx LOL
194(upper page 00h)Options是否实现了 CDR 开关控制和 LOL 标志位

CMIS(QSFP-DD、OSFP、QSFP112):Page 01h 声明 Tx/Rx 是否支持 CDR,以及 bypass 是否可控;Page 10h 保存逐通道的 Tx/Rx CDR 使能(bypass)控制位,如果所需的 CDR 无法锁定,数据通路状态机就无法进入 activated 状态(参见 CMIS 问题排查)。

SFF-8472(SFP/SFP+/SFP28):没有标准化的 CDR 控制;模块的 CDR(如果有)由内部自行管理。与之相关、主机侧可见的机制是 速率选择,用于在不同速率组之间切换接收机带宽。

实际影响

  • 多速率模块。 CDR 只能锁定某个速率范围。把 25G 模块用在 10G 上,或者把 100G 的 QSFP28 拆分成 4×10G,都要求 CDR 支持较低的速率,否则主机必须将其 bypass (byte 98 / CMIS)。“25G 能跑,10G 就不通”通常就是这个原因。
  • 失锁作为诊断依据。 LOL 标志位表示 CDR 无法恢复时钟:可能是信号劣化过多、速率设置错误,或者根本没有信号,怀疑模块之前应先检查 Rx 功率和速率设置(参见 DDM 数值解读)。
  • 功耗与时延。 每颗 retimer 都要消耗功率(25G 下为几十到几百 mW,PAM4 DSP 则要几瓦)并增加时延。短距 DAC 链路和对时延敏感的网络结构常常把 CDR 直接 bypass。
  • 编码一致性。 重新编码 QSFP28 时,CDR-present 位(byte 129)必须与硬件实际情况一致:如果主机以为 CDR 存在,就可能在缺失或不同的 CDR 无法支持的速率下仍将其保持使能。参见 QSFP 系列硬件规格。

在 CodingBox 中

EEPROM editor 会按 SFF-8636 或 CMIS 的定义,在鼠标悬停时显示这些字段的名称(CDR present、CDR control、LOL flags、Options),因此你可以读出模块的 CDR 配置,查看是否有通道失锁,并在编码身份信息时让 CDR 位与硬件保持一致。

“25G 能连通,10G 却不行”以及其他速率锁定相关的症状,在 速率与模式问题 中有详细排查方法。

CDR 在驱动器、TIA 和控制器之间处于什么位置,以及 PAM4 模块如何将其纳入带均衡和 gearbox 功能的 DSP:参见 模块电子学、调制与 DSP。

哪些主机接口要求模块经过重定时(XFI、CAUI-4 C2M、PAM4 AUI),哪些可以容忍线性模块(SFI、LPO):参见 XGMII、XAUI 与 AUI 家族。


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