实时数字相干光通信系统中时钟恢复算法的FPGA实现
发布时间：2021-06-29 10:51
随着社会的发展与进步,人们对实时数字相干光通信系统中数据传输速率的要求越来越高。在以往的低速率实时数字相干光通信系统中,由于数据传输速率低,所以接收端数字信号处理（DSP）算法的并行度低,并且在现场可编程门阵列（FPGA）中实现简单,但是随着数据速率的提升,就需要在有限资源的FPGA中实现并行化更高的DSP算法。在本文中主要着眼于DSP算法中的时钟恢复算法的并行化,通过对传统并行化时钟恢复算法的改进来得到一种复杂度低、占用资源量少的改进并行化时钟恢复算法。本文的具体研究内容分为以下两部分:首先,完成了基于Matlab的并行化时钟恢复算法伪代码,并对传统并行时钟恢复算法进行改进,通过使用共享数控振荡器（SNCO）来代替独立数控振荡器（INCO）,在性能不变的情况下,节省算法资源量16%以上,并在2.5Gbaud的QPSK和16QAM实验平台上对上述算法进行了离线实验验证。主要是对浮点型QPSK/16QAM传统并行时钟恢复算法、定点型QPSK/16QAM传统并行时钟恢复算法、浮点型QPSK/16QAM改进并行时钟恢复算法、定点型QPSK/16QAM改进并行时钟恢复算法的性能进行了对比分析。...
【文章来源】：北京邮电大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
图１－１数字相干光通信系统结构图??数字相干光通信系统结构如图１－１所示
相干光通信系统的接收端采用零差检测Ｗ。通过在零差检测中使??用一个相移９０°的本振光，可以探测出信号光的ＩＱ成分，这个功能可以通过使??用一个９０°混频器来实现，如图１－２所示，可以从两个输入￡ｓ和中获得四个输??出Ｅｐ五２，Ａ和丑４，如下所不：??Ｅ＾＾Ｅｓ?＋?Ｅ＾）?（１－１）??Ｅ２?＝?１－（＜Ｅｓ－ＥＬ０）?（１－２）??Ｅｘ＝ｌ＜ｉＥｓ＋ｊＥＬ０）?（１－３）??４＝沐－瓜〇）?（１－４）??则平衡探测器的输出为：??ｈ?＝?ｈｉ?￣?ｈｉ?＝?＾ｙ／Ｐｓｈｏ?ｃ〇ｓ｛Ｑｓｉｇ（ｔ）?－?ｅＬ０（ｔ）｝?（１－５）??１ｑ?＝?Ｉｑｉ?—?＝?ＲＪＰｓＰｌｏ?—?０＾０?（ｔ）｝?（１－６）??使用公式（１－５）和（１－６），可得得到输出复振幅如下：??／ｃ（０?＝?ｈ?＋ｊｈ?＝?Ｒ机Ｐｌｏ?ｅｘｐ｛ｉ｛ｅｓｉｇｉｔ）?－?０ＬＯ（ｔ））｝?（１－７）??２??
早迟门算法［７，３（Ｗ４］对ＡＤＣ的采样速率要求较高，即至少三倍采样速率［７，３（）］。??早迟门算法在计算时钟误差时是利用一个符号周期内的三个采样点，从而来判断??时钟的偏移方向和时钟误差大小。早迟门算法的示意图如图２－４所示［３（ｙｌ：??（ａ）?＾?（ｂ）?（〇）??／ＵＫ?Ａｈ?／Ｍ＼??ｙ（？ｉ?－?１）?ｙ（ｎ?＋?１）?ｙ（ｎ?—?１）?ｙ（ｎ?＋?１）?ｙ（ｎ?—?１）?ｙ（ｎ?＋?１）??图２－４早迟门算法示意图（⑷时钟准确：（ｂ）时钟滞后；（ｃ）时钟超前）［３０］??在图２－４中，ｙ（ｎ?—?ｌ）、ｙ（ｎ）和ｙ（ｗ?＋?ｌ）是一个符号内连续的三个采样值。??从图中可以看出，当ｙ（ｎ?—ｌ）＝＞＜ｎ?＋?ｌ）时，此时时钟是准确的，采样位置没有??发生偏移；当７〇－１）＞７（７１?＋?１）时，此时时钟是滞后的，采样位置向后发生了??偏移；当ｙ（ｎ－ｌ）?＜；Ｋｎ?＋?ｌ：）时，此时时钟是超前的，采样位置向前发生了偏移。??２．２．４数字滤波平方定时算法??数字滤波平方定时算法［８］可以简称为〇＆Ｍ算法［Ｗ。０＆Ｍ算法是一种在频??率域进行时钟误差估计的算法，并且０＆Ｍ算法对载波相位是不敏感的。????Ｔ／Ｎ????＾＿?－７７＾７?丨‘丨２?????Ｉｓ?（ｔ）?ｓｋ?＿＿??｜—?＇ｘ（ｋ）??Ｚ．?ｉ?＾〇Ｍ??ｘ（／ｃ）ｅ－＾＂２７Ｔｆｃ／＾???：—？??Ｋ＝ｍＬＮ????图２－５?Ｏ＆Ｍ算法基本原理框图［８】??Ｏ＆Ｍ算法的基本原理框图如图２－５所示，在图中，Ｓ（ｔ）是输入到Ｏ＆Ｍ算法??内部的模拟信号
【参考文献】：
博士论文
[1]100Gbps PM-（D）QPSK相干光传输系统DSP算法研究[D]. 周娴.北京邮电大学 2011
硕士论文
[1]高速相干传输系统中数字信号处理算法研究[D]. 周思远.北京邮电大学 2015
本文编号：3256311
【文章来源】：北京邮电大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
图１－１数字相干光通信系统结构图??数字相干光通信系统结构如图１－１所示
相干光通信系统的接收端采用零差检测Ｗ。通过在零差检测中使??用一个相移９０°的本振光，可以探测出信号光的ＩＱ成分，这个功能可以通过使??用一个９０°混频器来实现，如图１－２所示，可以从两个输入￡ｓ和中获得四个输??出Ｅｐ五２，Ａ和丑４，如下所不：??Ｅ＾＾Ｅｓ?＋?Ｅ＾）?（１－１）??Ｅ２?＝?１－（＜Ｅｓ－ＥＬ０）?（１－２）??Ｅｘ＝ｌ＜ｉＥｓ＋ｊＥＬ０）?（１－３）??４＝沐－瓜〇）?（１－４）??则平衡探测器的输出为：??ｈ?＝?ｈｉ?￣?ｈｉ?＝?＾ｙ／Ｐｓｈｏ?ｃ〇ｓ｛Ｑｓｉｇ（ｔ）?－?ｅＬ０（ｔ）｝?（１－５）??１ｑ?＝?Ｉｑｉ?—?＝?ＲＪＰｓＰｌｏ?—?０＾０?（ｔ）｝?（１－６）??使用公式（１－５）和（１－６），可得得到输出复振幅如下：??／ｃ（０?＝?ｈ?＋ｊｈ?＝?Ｒ机Ｐｌｏ?ｅｘｐ｛ｉ｛ｅｓｉｇｉｔ）?－?０ＬＯ（ｔ））｝?（１－７）??２??
早迟门算法［７，３（Ｗ４］对ＡＤＣ的采样速率要求较高，即至少三倍采样速率［７，３（）］。??早迟门算法在计算时钟误差时是利用一个符号周期内的三个采样点，从而来判断??时钟的偏移方向和时钟误差大小。早迟门算法的示意图如图２－４所示［３（ｙｌ：??（ａ）?＾?（ｂ）?（〇）??／ＵＫ?Ａｈ?／Ｍ＼??ｙ（？ｉ?－?１）?ｙ（ｎ?＋?１）?ｙ（ｎ?—?１）?ｙ（ｎ?＋?１）?ｙ（ｎ?—?１）?ｙ（ｎ?＋?１）??图２－４早迟门算法示意图（⑷时钟准确：（ｂ）时钟滞后；（ｃ）时钟超前）［３０］??在图２－４中，ｙ（ｎ?—?ｌ）、ｙ（ｎ）和ｙ（ｗ?＋?ｌ）是一个符号内连续的三个采样值。??从图中可以看出，当ｙ（ｎ?—ｌ）＝＞＜ｎ?＋?ｌ）时，此时时钟是准确的，采样位置没有??发生偏移；当７〇－１）＞７（７１?＋?１）时，此时时钟是滞后的，采样位置向后发生了??偏移；当ｙ（ｎ－ｌ）?＜；Ｋｎ?＋?ｌ：）时，此时时钟是超前的，采样位置向前发生了偏移。??２．２．４数字滤波平方定时算法??数字滤波平方定时算法［８］可以简称为〇＆Ｍ算法［Ｗ。０＆Ｍ算法是一种在频??率域进行时钟误差估计的算法，并且０＆Ｍ算法对载波相位是不敏感的。????Ｔ／Ｎ????＾＿?－７７＾７?丨‘丨２?????Ｉｓ?（ｔ）?ｓｋ?＿＿??｜—?＇ｘ（ｋ）??Ｚ．?ｉ?＾〇Ｍ??ｘ（／ｃ）ｅ－＾＂２７Ｔｆｃ／＾???：—？??Ｋ＝ｍＬＮ????图２－５?Ｏ＆Ｍ算法基本原理框图［８】??Ｏ＆Ｍ算法的基本原理框图如图２－５所示，在图中，Ｓ（ｔ）是输入到Ｏ＆Ｍ算法??内部的模拟信号
【参考文献】：
博士论文
[1]100Gbps PM-（D）QPSK相干光传输系统DSP算法研究[D]. 周娴.北京邮电大学 2011
硕士论文
[1]高速相干传输系统中数字信号处理算法研究[D]. 周思远.北京邮电大学 2015
本文编号：3256311
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