Digitale PLL technieken voor multi-gigabit klok en data extractie met laag vermogenverbruik in glasvezelnetwerken

De laatste jaren is het dataverkeer exponentieel gestegen en er wordt voorspeld dat het einde van deze groei nog steeds niet in zicht is. Door een stijgend aanbod aan nieuwe online toepassingen, binnen sectoren zoals amusement, handel, industrie en gezondheidszorg vraagt men steeds meer bandbreedte en stelt men steeds hogere eisen aan de kwaliteit van de netwerk- en ICT-infrastructuur. Vooral de explosieve groei van online video en clouddiensten vereist hogere datasnelheden. In de huidige internetarchitectuur zijn eindgebruikers verbonden met het openbare netwerk via het toegangsnetwerk van de lokale internetaanbieder. Tegenwoordig worden er nieuwe passieve optische netwerken (PONs) toegepast. Door gebruik te maken van optische vezels kan men veel hogere datasnelheden aanbieden en dit voor een fractie van het vermogenverbruik. Desondanks heeft onderzoek aangetoond dat het vermogenverbruik van communicatienetwerken een significant en groeiend deel van het totale globale vermogenverbruik inneemt. Meer en meer wordt men er zich nu van bewust dat dit een negatieve impact op het milieu heeft. Dit heeft geleid tot de oprichting van het GreenTouch consortium in 2010. Deze instantie concentreert zich vooral op de vraag naar de stijgende datasnelheden, maar besteedt tevens ook aandacht aan de ecologische en economische impact ervan. De missie bestaat erin om aan te tonen dat de energieefficiëntie van communicatienetwerken kan worden geoptimaliseerd met een factor 1000 tegen 2020, in vergelijking met het door GreenTouch gedefinieerd referentienetwerk dat opgebouwd werd met de meest energieefficiente apparatuur die in 2010 beschikbaar was. Een belangrijke component van een optische ontvanger in een passief optisch toegangsnetwerk zijn klok-en-data-extractie (CDR) schakelingen. Deze CDR-schakelingen worden momenteel ge¨U+0131mplementeerd met omvangrijke en vermogensineffici¨ente bouwblokken en hebben dus veel ruimte voor verbetering. In dit proefschrift wordt het onderzoek over onderbemonsterende technieken met laag vermogen voor een volledig gedigitaliseerde klok-endata- extractie uiteengezet. Deze technieken vormen een antwoord op de verschillende uitdagingen waarmee de volgende generatie netwerken zullen geconfronteerd worden. Om deze technieken en stelling te staven, werd een prototype van een volledig gedigitaliseerde 25Gb=s klok-endata- extractie (AD-CDR) schakeling ge¨U+0131mplementeerd in een geavanceerde CMOS-technologie (40nm). Dankzij de digitale architectuur kon de actieve chip-oppervlakte zeer compact gehouden worden. De oppervlakte bedraagt slechts 0:050mm2, wat beduidend lager is dan in andere vergelijkbare onderzoeken. De vermogeneffici¨entie van de kern van de CDR is 1:8 pJ=b, wat ook beter is dan de allernieuwste CDR-systemen. Bovendien is de AD-CDR uitermate aanpasbaar: de karakteristieken van het lusfilter kunnen aangepast worden om aan meerdere jitter tolerantie specificaties te voldoen. Daarnaast kan het werkingsgebied aangepast worden van 12:5Gb=s tot 25Gb=s. Dit is het grootste werkingsgebied van elke digitale CDR dat geen gebruik maakt van een hoogkwalitatieve, multi-gigahertz referentieklok. Vanwege het daadwerkelijke digitale karakter van de aanpasbaarheid van de frequentie, schaalt het vermogenverbruik rechtevenredig met de datasnelheid. Hierdoor wordt een uitstekende vermogeneffici¨entie over het volledige werkingsgebied bereikt: het vermogenverbruik is 46mW aan 25Gb=s, terwijl aan 12:5Gb=s dit slechts 23mW is. Bovendien is AD-CDR ook geschikt om pakketgebaseerde data te ontvangen. De pakketgebaseerde operatie van de CDR wordt mogelijk gemaakt doordat de frequentie constant blijft tussen de pakketten en doordat de lusfilterparameters aangepast kunnen worden om een grotere bandbreedte te bekomen. Deze eigenschappen zorgen ervoor dat men korte insteltijden kan bereiken. Bijgevolg heeft de AD-CDR geen hoog-accurate referentieklok nodig en is er ook geen startsignaal nodig dat aangeeft wanneer de pakketten ontvangen worden. De digitaalgestuurde oscillator (DCO) moet enkel eenmalig gekalibreerd worden, zodat de oscillatiefrequentie de datasnelheid benadert. De integratie van de CDR in een systeem wordt hierdoor enorm vereenvoudigd. Het proefschrift bevat zeven hoofdstukken en een appendix: Hoofdstuk 1 beschrijft de impact van de stijgende vraag naar hogere datasnelheden in combinatie met een lager vermogenverbruik in de communicatienetwerken. Vervolgens wordt de huidige kern-metro-toegangsnetwerkarchitectuur voorgesteld. Typische getallen tonen aan waarom het vermogenverbruik van het toegangsnetwerk het leeuwendeel van het totale vermogenverbruik voor zich neemt. Dit is vooral te wijten aan het enorm aantal apparaten in het netwerk. In het toegangsnetwerk wordt o.a. de evolutie naar optische toegangsnetwerken en het concept van passieve optische netwerken besproken.

Hoofdstuk 2 introduceert de CDR-schakelingen en accentueert het belang van deze schakelingen. Aanvullend worden de performantiemaatstaven en een beknopt overzicht van de verschillende CDR-types weergegeven. Er wordt aangetoond dat een CDR gebaseerd op een fase vergrendelende lus (PLL), het gunstigste type is voor de hogesnelheidoptische communicatie. Hoewel dit type nog enkele minpunten heeft, kunnen ze weggewerkt worden door de toepassing van digitale PLL-technieken. Maar in de praktijk worden deze technieken zelden toegepast in een CDR, omdat enkele uitdagingen nog steeds verhinderen dat de digitale technieken hun volledige potentieel kunnen bereiken. Deze uitdagingen worden in kaart gebracht en mogelijke oplossingen worden voorgesteld. Dit zal uiteindelijk leiden tot de volgende generatie van de hogesnelheids- en laagvermogen kloken- data-extractie die digitaal zal zijn of met andere woorden een volledig gedigitaliseerde klok-en-data-extractie. In Hoofdstuk 3 wordt de niet-lineaire werking van de CDR onderzocht door gebruik te maken van beschrijvende functietechnieken in het fasedomein. Ten eerste worden de stabiliteit en de faseruis van een analoge ladingspomp CDR besproken. Vervolgens wordt het fasemodel uitgebreid om een representatief model voor een volledig gedigitaliseerde klok-en-data-extractie (AD-CDR) te vormen. Dit model laat toe om de totale faseruis en de robuustheid tegen lange inactieve sequenties te onderzoeken. Ter afronding van dit hoofdstuk worden de simulatieresultaten besproken.Een overzicht van het ontwerp van de voorgestelde AD-CDR-schakeling wordt weergegeven in Hoofdstuk 4. Het hoofdstuk start met de architectuur van het systeem, waarbij vervolgens wordt overgegaan tot een diepgaande studie van de belangrijkste bouwblokken. Hierbij hoort ook de uitgebreide vergelijkende studie tussen de conventionele en de onlangs voorgestelde Inverse Alexander fasedetector (PD). Hoofdstuk 5 bespreekt de applicatie-specifieke ge¨U+0131ntegreerde schakeling (ASIC) implementatie van een AD-CDR in een 40nm laagvermogen CMOS technologie. De beschrijving begint met de globale indeling en achtereenvolgens wordt de implementatie van elk onderliggend bouwblok in detail besproken. Om de correcte werking en het lage energieverbruik te demonstreren, werden metingen uitgevoerd. Deze worden besproken in Hoofdstuk 6. Het laatste hoofdstuk (Hoofdstuk 7) geeft een overzicht van de belangrijkste conclusies van het uitgevoerde onderzoek weer. Ten slotte zijn de berekeningen van de lineaire tijdsvariante (LTV) analyse van het volledig gedigitaliseerde klok-en-data-extractie model in Appendix A opgenomen.