一、cdr组成及工作原理（基于nrz信号）
随着光通讯的发展，信号的传输速率也越老越高，为了保证信号传输的质量，传输之后尽量减小失真，引入了cdr的技术，将信号在接收端再生出来。cdr： 时钟数据恢复（clock data recovery）。时钟数据恢复主要完成两个工作，一个是时钟恢复，一个是数据重定时，也就是数据的恢复。时钟恢复主要是从接收到的 nrz码中将嵌入在数据中的时钟信息提取出来。通常 cdr 是一个有振荡器的反馈环路，通过环路调节振荡时钟的相位来跟踪输入数据中的嵌入时钟。为了找到时钟信息，一般采取的办法是边沿检测技术。为了确定最终的采样时钟相位，cdr 中还必须有相位误差检测电路。
数据经过cdr恢复的时钟再生以后，变成理想信号。这个时钟是怎么恢复出来的，这个也就是cdr的核心部分，即锁相环pll。
锁相环 ：由鉴相器（pd）、低通滤波器和压控振荡器（vco）组成。
图1：锁相环
鉴相器pd（phase detector / phase comparator）有两个输入，分别是数据输入信号和压控振荡器vco的输出时钟信号，在二者相位差（或频率差）不是很大的情况下，鉴相器pd的输出与输入数据和内部时钟之间的相位差成正比的电压。鉴相器pd的输出为模拟信号，其通过低通滤波器的积分，以电压的形式进入压控振荡器vco，压控振荡器vco的输出频率是随其输入电压的改变而改变。
由于其反馈特性，锁相环将误差电压驱动为零，将恢复的时钟对准输入数据眼的中心进行重定时。以电压的形式控制vco的输出频率，这个过程就是一个电压反馈回路：
1）当时钟频率低于输入信号频率时，电压越来越大（pwm占空比增大，高电平占比增多），vco输出频率提高，时钟加快；
2）当时钟频率高于输入信号时候，电压越来越小（pwm占空比减小，低电平占比增多），vco输出频率减小，时钟减慢；
通过以上两个过程，实现动态平衡，最终vco输出的频率锁定（等于）输入信号的频率。
pll实际上是一负反馈系统，只要输入信号在正常范围内，输出信号在"一定时间"内都能跟上。输入信号发生变化后，输出信号跟踪输入信号的过程称之为捕获。输出信号跟踪完毕时称之为锁定（lock）；输入信号变化过快导致输出信号无法跟踪时称为失锁（loss of lock）。
利用本地产生的时钟对数据采样，判断数据bit的边沿，用过pll（锁相环）将时钟边沿与其对其，从而实现与数据同频同相色时钟恢复；然后利用时钟对输入数据进行采样，使其实现最高的输入信噪比，把采样结果作为已恢复数据输出。
二、pam4的cdr
pam4 cdr相对于nrz信号的cdr而言，其基本原理差不多，都是依据pll实现时钟锁定，但其设计难度增大很多，体现在： 首先，高速多幅度信号的量化，pam4 信号与 nrz 信号相比，对信噪比和电路的线性度要求很高，在对 pam4 信号进行量化时，需要 3个阈值，由于每级信号间的幅度降低为nrz 信号的三分之一，那么对于阈值的偏差容限也降低了很多，如何准确地选择合适的阈值是一个难点。此外，由于pam4 信号具有确定性抖动，对于高速信号而言，采样时钟的窗口变小，对时钟抖动的要求提高，增加了时钟链路的设计难度。其次，pam4 信号中多种幅度转换类型下的时钟和数据对齐。pam4 信号跳变发生在level0、level1、level2、level3之间的12种电平转换模式，远多于 nrz 信号的2 种（一个上升沿和一个下降沿），在进行时钟数据边沿对齐时，其复杂度会增大很多。
图2：pam4和nrz眼图
pma4 cdr的时钟提取和数据恢复，下图为pam4 cdr结构。
图3：pam4 cdr结构
1、pam4的时钟提取
1）串并转换，将25 gbaud的pam4信号转成4路并行的6.25 gbaud pam4信号，并行化的好处是降低每路的波特率（速率），让pll更容易捕捉频率和相位，也会获得更好的抖动性能。
2）pd的核心部分是其前端电路 （pd-fe），它由并行的3 条数据通路和1条边沿通路构成，而每条通路均包含了1个判决器。pd-fe中除3位判决器之外通过一种新型的积分器，用来实现前述相邻数据的积分，并据此给出调节时钟相位的超前（dn） /滞后（up）信号，进而控制锁相环路中的cp对环路滤波器（lpf）充放电流，闭环调节时钟相位。
2、pam4的数据恢复
1） nrz的数据恢复比较简单，只有一个判决门限，判决门限之下，恢复的数据就是0，判决门限之上，恢复的数据就是1。而pam4需要有3个判决门限电平，分别是thres ，0，thres-。经过判决后，就知道信号是 3电平， 1电平，-1电平还是-3电平，再经过pam4译码器，形成2路nrz的msb和lsb。
2） 2路msb和lsb分别进行串行处理，得到两路25gb/s nrz的msb和lsb。
3） msb和lsb再经过一个combiner合成一路25gbuad pam4信号，从而完成了数据恢复。
三、cdr的应用
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。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。在使用cdr时，需要注意以下几点：
1）cdr的工作都是有一定的频率范围的，cdr在此频率范围是处于正常工作的状态，但是因为这个频率是由内部晶振的部分倍频而来，所以在cdr 工作的频率的整数分频倍，如果设置cdr auto bypass ，cdr 也是会处于锁定的工作状态。
2） cdr的恢复能力是比较强的，在cdr之前的眼图完全没有辨识度的情况下，cdr也是能够恢复的，所以就存在着一种情况，噪声比较大的时候，cdr也有可能从噪声中恢复出时钟进行锁定。
3） cdr的另一个重要的指标就是锁相环的带宽，带宽宽，信号越容易锁定，输入抖动容限大，但是输出抖动也会大；带宽窄，输出抖动小，但是信号输入抖动容限小，容易失锁。