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。