[지터·신호 품질 가이드 1/3] 클록 복구 응용 가이드 — 신호 유형·임계값·PLL 설정 Leave a comment

1. 문서 설명

이 문서는 RIGOL 오실로스코프 클록 복구 기능의 사용자 가이드이며, 다음 내용을 소개합니다.

• 클록 복구의 개념과 동작 원리
• 오실로스코프 클록 복구 기능의 사용 방법
• 대표적인 고속 직렬 디지털 신호의 클록 복구 조작 절차

이 문서는 오실로스코프로 고속 직렬 디지털 신호를 분석하는 엔지니어를 위한 것입니다. 최신 안내 문서와 오실로스코프 제품 설명서는 RIGOL 공식 웹사이트(www.rigol.com)에서 받을 수 있습니다.

2. 클록 복구 소개

고속 신호 시험에서 클록 복구는 오실로스코프가 눈 다이어그램 분석, 지터 측정 같은 신호 무결성 평가를 하기 위한 필수 전제입니다. 대부분의 고속 직렬 디지털 통신에는 별도의 클록선이 없고, 클록 정보가 데이터 에지의 천이 안에 들어 있습니다. 오실로스코프가 정확한 클록으로 신호를 샘플링하지 못하면, 클록과 데이터의 속도 불일치와 위상 편차 때문에 데이터 샘플링을 잘못 판단하게 됩니다(0/1 레벨을 잘못 읽음). 그러면 신호 에지의 타이밍 일관성도 제대로 판정할 수 없습니다.

클록 복구(Clock Recovery) 는 흔히 클록 데이터 복구(CDR, Clock and Data Recovery) 라고도 부르며, 직렬 데이터 흐름에서 클록 신호를 추출하고 이것을 타이밍 기준으로 데이터를 샘플링해서 원래 데이터를 복원하는 기술입니다.

오실로스코프가 보통 제공하는 클록 복구 방식은 다음과 같습니다.

3. 클록 복구 기능 소개

RIGOL 오실로스코프는 실제 상황에 맞춰 여러 클록 복구 방법을 선택해 직렬 데이터에서 클록 정보를 추출하게 합니다. 클록 복구 기능은 오실로스코프가 “기본 지터 측정”, “지터 분해”, “눈 다이어그램 분석” 을 할 때 필요한 정확한 클록 신호를 제공합니다.

클록 복구 시험에는 다음 세 가지 기능 메뉴가 관여합니다.

• 신호 유형
• 임계값 설정
• 클록 복구

오실로스코프 왼쪽 아래의 내비게이션 아이콘을 눌러 “기능 내비게이션”으로 들어간 뒤 해당 메뉴를 선택합니다.

3.1 신호 유형 설정

이 메뉴는 피시험 신호의 유형을 설정합니다. 신호 유형에 따라 임계값 설정 방식과 파라미터, 클록 복구 파라미터와 흐름이 달라집니다.

3.1.1 소스 — 실제 시험 신호 연결에 맞춰 피시험 신호가 입력되는 채널 번호를 선택합니다.

3.1.2 신호 유형 — 피시험 신호의 부호화 유형을 선택합니다.

3.1.3 기타 설정 항목 — 신호 패턴 유형, 패턴 길이, 패턴 불러오기, 패턴 지우기는 지터 분해와 관련된 설정이며 클록 복구에서는 설정할 필요가 없어서 이 글에서는 다루지 않습니다.

3.2 임계값 설정

클록 복구 기능에서 임계값을 설정하는 목적은 오실로스코프가 입력 신호의 유효한 에지를 정확히 식별하게 해서, 입력 신호와 동기화된 클록을 안정적으로 추출하게 하는 것입니다.

#### 3.2.1 임계값 파라미터의 정의

NRZ 신호를 예로, 레벨 TOP과 BASE 사이 임계값 정의 방식은 다음과 같습니다. 클록 복구와 관련된 주요 파라미터는 “중간 임계값” 과 “히스테리시스 전압” 입니다.

• 중간 임계값(Mid threshold): 보통 신호 High 레벨(Top)과 Low 레벨(Base)의 중간점이며, 에지가 발생한 시점을 판정하는 시간 기준입니다.

– 신호 레벨이 Low에서 중간 임계값을 가로질러 올라가면 상승 에지가 왔다고 판정합니다. – 신호 레벨이 High에서 중간 임계값을 가로질러 내려가면 하강 에지가 왔다고 판정합니다. – 복구된 클록의 상승/하강 에지는 중간 임계값 교차점에 정확히 정렬되므로, 중간 임계값 설정의 정확도가 복구 클록의 위상 정밀도에 직접 영향을 줍니다.

• 히스테리시스 전압(Hysteresis): 신호의 작은 변동이나 노이즈가 유효한 에지로 오판되지 않도록 에지 검출에 “완충 대역”을 둡니다. 히스테리시스 전압은 “클록 복구 저임계값”과 “클록 복구 고임계값” 사이의 전압 차로, 히스테리시스 전압 대역입니다.

– 신호 레벨이 “클록 복구 저임계값” 아래에서 올라와 중간 임계값을 가로지를 때만 유효한 상승 에지로 판정합니다. – 신호 레벨이 “클록 복구 고임계값” 위에서 내려와 중간 임계값을 가로지를 때만 유효한 하강 에지로 판정합니다. – 히스테리시스 전압은 신호에 얹힌 지터와 노이즈를 효과적으로 걸러 내서 복구 클록에 글리치가 생기는 것을 막습니다.

PAM 신호의 임계값 정의도 비슷합니다.

#### 3.2.2 NRZ 신호의 임계값 설정

#### 3.2.3 입력 신호

• 모든 파형 / 단일 파형: 모든 파형 = 현재 임계값과 레벨 설정이 모든 파형에 적용됩니다. 단일 파형(기본값) = 현재 설정이 소스로 선택한 채널의 파형에만 적용됩니다.
• 소스: 단일 파형일 때 피시험 신호의 입력 채널을 선택합니다(기본 CH1).

#### 3.2.4 임계값 설정 — NRZ 신호의 5가지 정의 방식

#### 3.2.5 레벨 설정

레벨 설정 항목은 각 레벨 전압의 계산 방식을 선택하며 각 임계값의 전압에 직접 영향을 줍니다. 임계값 설정 방식이 10/50/90 % of top, base, 20/50/80 % of top, base, % of top, base 세 가지일 때 레벨 설정이 필요합니다.

#### 3.2.6 PAM 신호의 임계값 설정

입력 신호 — PAM 신호는 단일 파형에 대해서만 임계값을 설정할 수 있으며, 신호 입력 채널을 선택합니다(기본 CH1).

임계값 설정 — PAM(펄스 진폭 변조) 신호는 다중 레벨 부호화(PAM3는 3레벨, PAM4는 4레벨)를 쓰므로 이웃한 레벨 사이의 천이를 구분해야 합니다. 임계값 설정 방식은 두 가지입니다.

• 50 % of levels (레벨 중점 기반 자동 임계값 모드): 이웃한 두 레벨 전압의 중점을 임계값으로 삼아 레벨 간 천이를 구분합니다.

각 레벨 값은 “레벨 설정” 항목으로 설정하거나 얻습니다.

• threshold +/− hysteresis (수동 임계값 + 히스테리시스 모드): 각 레벨의 임계값과 히스테리시스 전압을 수동으로 설정합니다.

– 히스테리시스 값: 히스테리시스 전압 – PAM01 / PAM12 / PAM23 임계값: 이웃 레벨 V0→V1, V1→V2, V2→V3의 구분 임계 전압(PAM23은 PAM4 신호에서만 사용) – 자동 임계값 설정: 누르면 오실로스코프가 PAM 신호의 각 임계값과 히스테리시스 값을 자동으로 설정

레벨 설정 — PAM 신호의 임계값 설정 방식이 “50 % of levels”일 때 레벨 설정이 필요합니다.

• PAM 자동 레벨: 전압 히스토그램으로 PAM 신호 각 레벨의 전압을 자동 계산합니다.
• PAM 수동 레벨: 사용자가 각 레벨 전압을 직접 정합니다. 자동 레벨 설정 버튼으로 각 레벨 전압을 기본값으로 되돌릴 수도 있습니다.

3.3 클록 복구 설정

오실로스코프 클록 복구 기능은 4종류, 8가지 방식을 지원합니다. NRZ와 PAM 신호의 설정 항목은 완전히 같지만 PAM 신호의 클록 복구에는 추가 파라미터가 있습니다.

• 모든 파형 / 단일 파형: 모든 파형 = 모든 채널에 같은 클록 복구 파라미터를 설정. 단일 파형 = 선택한 소스 채널만 설정.
• 소스: 단일 파형일 때 피시험 파형이 입력되는 소스 채널(기본 CH1).
• 클록 복구 프리셋: 아직 지원하지 않습니다.

#### 3.3.1 상수(상주파) 클록 복구

고정된 클록 주파수를 기준으로 클록 신호를 추출합니다.

• 속도 방식

– 자동: 오실로스코프가 피시험 신호의 데이터 속도를 자동으로 측정하고 측정 결과에 따라 클록을 복구합니다. – 반자동: 사용자가 “데이터 속도”를 참고값으로 입력하고 [데이터 속도 측정] 버튼을 누르면 오실로스코프가 피시험 신호의 데이터 속도를 측정합니다(보통 더 정확). 이 속도로 클록을 복구합니다. – 수동: 사용자가 입력한 “데이터 속도”로 클록을 복구합니다.

• 고급 설정

– 디엠퍼시스 제거: 아직 지원하지 않습니다. – 에지 방향: 상승 에지(상승 에지만 사용), 하강 에지(하강 에지만 사용), 양 에지(양쪽 에지 사용, 기본값)

#### 3.3.2 PLL(위상 고정 루프) 클록 복구

PLL 클록 복구에는 1차 / 2차 / 3차 PLL 클록 복구가 있으며, 종류마다 설정 항목이 조금씩 다릅니다.

공통 설정 항목

• 데이터 속도: 피시험 신호의 예상 데이터 속도를 설정합니다.
• 데이터 속도 측정: 누르면 오실로스코프가 피시험 신호의 데이터 속도를 자동 측정합니다.
• 전환 밀도 의존(Transition density dependence): 전환 밀도는 신호에서 천이가 일어나는 빈도입니다. 클록 신호의 전환 밀도는 100 %, PRBS 신호의 전환 밀도는 50 %입니다. 이 항목은 PLL의 루프 대역폭, 댐핑 계수 같은 파라미터에 직접 영향을 줍니다.

– OFF: PLL의 응답이 정적이며 전환 밀도와 무관 – ON: PLL의 응답이 전환 밀도에 의존하며 전환 밀도에 따라 변함

고급 설정

• PLL 안정 시간: PLL이 안정 상태에 도달하는 데 필요한 클록 주기 수. 이 기간의 데이터는 기본 지터 측정과 분석에 쓰이지 않습니다. 기본값은 5T이며, 값을 키우면 고정 신뢰성은 높아지지만 유효 분석 데이터는 줄어듭니다.
• PLL 유휴 클록: 유휴 상태로 판정하는 클록 주기 수. 기본값은 80입니다. 기본 설정에서는 피시험 신호에 연속 80 클록 주기 동안 에지가 없으면 PLL이 유휴 상태에 들어가 고정을 멈추고, 새 에지가 검출되면 PLL이 초기화되어 다시 고정을 시작합니다.
• 에지 방향: 상수 클록 복구와 정의가 같습니다.

“디엠퍼시스 제거”와 “눈이 닫힌 경우를 위한 고급 PLL” 기능은 아직 지원하지 않습니다.

1차 PLL 클록 복구

PLL의 지터 전달 함수를 선택할 수 있습니다.

• JTF (Jitter Transfer Function, 지터 전달 함수): 전형적으로 저역통과 특성. 루프 대역폭보다 낮은 주파수의 지터 성분은 PLL이 추적해서 전달하고, 높은 주파수 지터 성분은 억제됩니다.
• OJTF (Observed Jitter Transfer Function, 개루프/관측 지터 전달 함수): 전형적으로 고역통과 특성이며 JTF와 완전히 보완 관계입니다. 수학적으로 OJTF = 1 − JTF.

1차 PLL 클록 복구는 루프 대역폭을 두 가지 방법으로 설정할 수 있습니다.

• “루프 대역폭” 설정: 단위 Hz. 값이 클수록 고정 시간이 짧아지고 내간섭성은 나빠집니다.
• “루프 대역폭 제수(divisor)” 설정: 단위 없는 파라미터로, 루프 대역폭이 데이터 속도에 대해 갖는 비율 관계입니다. 데이터 속도 = 루프 대역폭 × 루프 대역폭 제수

둘 중 하나를 바꾸면 다른 하나도 함께 바뀝니다.

2차 PLL 클록 복구

설정 항목은 1차와 거의 같지만 다음 두 파라미터가 추가됩니다.

• JTF 피크 계수: 지정한 주파수 지터 성분에 대한 PLL의 최대 이득(dB). 값이 클수록 고정 시간이 짧고 내간섭성은 나빠집니다.
• OJTF 댐핑 계수: JTF 피크 계수와 반비례하며 단위가 없고 범위 0~1, 기본값은 0.707(707.00 m)입니다.

3차 PLL 클록 복구

• 자연 주파수(ω_n): 3차 PLL이 댐핑 없이 진동할 때의 고유 주파수(rad/s). 값이 클수록 고정 시간이 짧고 내간섭성은 나빠집니다.
• 극점 주파수(f_p): 3차 PLL 전달 함수의 극점에 해당하는 주파수(rad/s). 고주파 감쇠가 뚜렷하게 시작되는 임계 주파수입니다. 신호 주파수가 이보다 높으면 PLL이 신호를 크게 감쇠시키고 위상 지연을 일으키기 시작합니다. 값이 클수록 고정 시간이 짧고 내간섭성은 나빠집니다.
• 댐핑 계수(ζ): 2차 PLL의 댐핑 계수와 본질적으로 같습니다.

#### 3.3.3 외부 클록 복구

외부에서 입력한 고정밀 기준 클록을 피시험 신호의 데이터 샘플링 클록으로 직접 씁니다. 외부 클록과 피시험 신호의 클록은 엄격히 동기화되어야 합니다.

• 클록 소스: 클록 복구에 쓸 외부 클록 신호의 입력 채널을 지정합니다.
• 클록 배수: 외부 클록의 체배 수를 설정합니다. 예를 들어 데이터 속도가 200 MHz인 데이터 신호에 외부 클록이 25 MHz라면, 에지 방향이 양 에지일 때 클록 배수를 4, 상승/하강 에지일 때는 8로 설정합니다.
• 에지 방향: 상수 클록 복구와 정의가 같습니다.
• 고급 설정 — 클록/데이터 정렬

– 중심 정렬(기본): 복구한 클록 신호의 에지에서 피시험 신호를 샘플링해 논리 레벨을 판정합니다. 고속 직렬 디지털 신호가 만드는 눈 다이어그램에서 클록 에지가 눈의 중심에 대응하므로 중심 정렬이라고 합니다. – 에지 정렬: 클록 에지와 데이터 에지가 동기 정렬된 경우에는 클록 에지에서 바로 샘플링할 수 없으므로, 파형이 특정 위상에 도달할 때까지 기다렸다가 샘플링합니다.

#### 3.3.4 외부 PLL 클록 복구

외부 PLL 클록 복구의 설정 항목은 외부 클록 복구와 PLL 클록 복구에서 이미 설명했으므로 여기서는 반복하지 않습니다.

#### 3.3.5 PAM 신호 클록 복구의 특별 설정

• 데이터 속도: PAM 신호는 NRZ처럼 데이터 속도와 심볼 속도가 같지 않습니다. 사용자는 심볼 속도 또는 데이터 속도 중 하나를 입력할 수 있습니다.
• 클록 스큐(Skew): 복구한 클록 신호의 위상을 조정해서 피시험 신호가 만드는 눈 다이어그램의 중심을 클록 신호 에지에 맞춥니다. 자동은 아직 지원하지 않고, 수동은 사용자가 설정한 클록 스큐 값대로 복구 클록의 위상을 조정합니다.

3.4 클록 복구 권장 설정

4. 대표 응용 시나리오

아래에서는 RIGOL DS9000 시리즈 오실로스코프(JITTA 옵션 설치)를 예로, 대표적인 고속 직렬 디지털 신호를 클록 복구 측정하는 조작 방법을 자세히 소개합니다.

4.1 NRZ 신호의 클록 복구

#### 4.1.1 상수 클록 복구

1. 피시험 NRZ 신호를 오실로스코프의 지정 채널(예: CH1)에 연결합니다.
2. “신호 유형” 메뉴에서 유형을 NRZ, 소스를 CH1로 선택합니다.
3. “임계값 설정” 메뉴에서 임계값 유형을 10 %, 50 %, 90 % of top, base, 레벨 설정을 “기본값” 으로 선택합니다.
4. “클록 복구” 메뉴에서 방식을 “상수 클록”, 속도 방식을 “자동” 으로 선택합니다.
5. [고급 설정] 버튼을 눌러 에지 방향을 “양 에지” 로 선택합니다.
6. 설정이 끝났습니다.

#### 4.1.2 2차 PLL 클록 복구

1. 피시험 NRZ 신호를 지정 채널(예: CH1)에 연결합니다.
2. “신호 유형” 에서 NRZ, 소스 CH1을 선택합니다.
3. “임계값 설정” 에서 유형을 threshold +/− hysteresis, 레벨 설정을 “기본값” 으로 선택합니다.
4. “클록 복구” 메뉴에서 다음과 같이 설정합니다.

– 방식: “2차 PLL 클록 복구” – 예상 데이터 속도를 입력하거나 [데이터 속도 측정] 버튼을 누릅니다. – “OJTF(개루프 지터 전달 함수)” 를 선택하고 “루프 대역폭 제수” 를 1666.67, “댐핑 계수” 를 0.707로 설정합니다. – “전환 밀도 의존” 은 켜지 않습니다.

1. [고급 설정] 에서 에지 방향을 “상승 에지” 로 선택하고, PLL 안정 시간은 기본 5T, PLL 유휴 클록 수는 80으로 둡니다.
2. 설정이 끝났습니다.

#### 4.1.3 외부 클록 복구

1. 피시험 NRZ 신호를 CH1에, 외부 클록 신호를 CH2에 연결합니다.
2. “신호 유형” 에서 NRZ, 소스 CH1을 선택합니다.
3. “임계값 설정” 에서 클록 채널과 데이터 채널의 임계값을 각각 설정합니다. 여기서는 단일 파형, 소스 CH1을 선택합니다.
4. “클록 복구” 메뉴에서 방식을 “외부 클록 복구” 로 선택하고, 외부 클록 신호의 소스 채널을 CH2로 선택합니다. 실제 시험 필요에 따라 외부 클록 신호의 “에지 방향” 과 “클록 배수”(체배)를 설정합니다.
5. [고급 설정] 에서 클록/데이터 정렬 방식을 선택합니다.
6. 설정이 끝났습니다.

4.2 PAM 신호의 클록 복구

PAM 신호의 클록 복구와 NRZ 신호의 클록 복구는 임계값 설정에서 차이가 납니다. 반자동 상수 클록 복구를 예로 PAM 신호의 대표 설정을 설명합니다.

1. 피시험 PAM4 신호를 오실로스코프 CH1에 연결합니다.
2. “신호 유형” 에서 유형을 PAM4, 소스를 CH1로 선택합니다.
3. “임계값 설정” 에서 유형을 50 % of levels, 레벨 설정을 “PAM 자동 레벨” 로 선택합니다.
4. “클록 복구” 메뉴에서 방식을 “상수 클록” 으로 선택하고 PAM 신호의 데이터 속도 또는 심볼 속도를 입력합니다. 클록 스큐는 설정하지 않습니다.
5. [고급 설정] 에서 에지 방향을 “양 에지” 로 선택합니다.
6. 설정이 끝났습니다.

본 글은 RIGOL 응용 가이드(클록 복구 가이드, 2025)를 한국어로 옮기고 읽기 쉽게 재구성한 것입니다. 사양과 구성은 예고 없이 변경될 수 있습니다.