發(fā)布時(shí)間：2021-05-12所屬分類(lèi)：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要本文通過(guò)分析時(shí)鐘恢復(fù)算法中環(huán)路濾波器的比例增益系數(shù)對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響，發(fā)現(xiàn)信號(hào)的誤碼率隨著比例增益系數(shù)的增大呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，且不同接收功率下最優(yōu)比例增益系數(shù)不同。針對(duì)以上現(xiàn)象，本文提出并實(shí)現(xiàn)一種基于Gardner算法的全實(shí)時(shí)化動(dòng)態(tài)比
摘要本文通過(guò)分析時(shí)鐘恢復(fù)算法中環(huán)路濾波器的比例增益系數(shù)對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響，發(fā)現(xiàn)信號(hào)的誤碼率隨著比例增益系數(shù)的增大呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，且不同接收功率下最優(yōu)比例增益系數(shù)不同。針對(duì)以上現(xiàn)象，本文提出并實(shí)現(xiàn)一種基于Gardner算法的全實(shí)時(shí)化動(dòng)態(tài)比例增益系數(shù)全數(shù)字時(shí)鐘恢復(fù)算法來(lái)應(yīng)對(duì)功率抖動(dòng)信道并提高算法的靈敏度，并在基于AlteraStratix-V5SGXMA7K2F40C3FPGA平臺(tái)的2.5GBaudQPSK調(diào)制相干通信系統(tǒng)中對(duì)該算法進(jìn)行了在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。以KP4中FEC門(mén)限2×10-4為上限，當(dāng)功率抖動(dòng)頻率較慢時(shí)，采用動(dòng)態(tài)參數(shù)法能將系統(tǒng)達(dá)到此誤碼門(mén)限的最低接收功率由固定參數(shù)法的-47dBm降低至49.5dBm;在信道功率快速抖動(dòng)時(shí)，采用固定參數(shù)法能承受最低功率-46.5dBm且抖動(dòng)頻率為100Hz的抖動(dòng)，采用動(dòng)態(tài)參數(shù)法能承受最低功率-50dBm且抖動(dòng)頻率為1kHz的抖動(dòng)。
關(guān)鍵詞相干通信;光通信;相位調(diào)制;功率抖動(dòng)信道;實(shí)時(shí)系統(tǒng);時(shí)鐘恢復(fù)算法
1引言
自由空間光通信(FreeSpaceOptics,FSO)憑借其高帶寬、高保密性、高數(shù)據(jù)傳輸速率等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到研究者們的青睞[1]。然而，在實(shí)際的自由空間光通信傳輸鏈路中，通信信道的功率很容易受到大氣湍流的影響[2-6]，使得鏈路折射率隨機(jī)變動(dòng)，從而導(dǎo)致接收端的接收功率呈隨機(jī)抖動(dòng)狀態(tài)。因此，研究功率抖動(dòng)信道的特性及如何應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)信道，對(duì)研究自由空間光通信有著重要意義。
與傳統(tǒng)的強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)(IM/DD)技術(shù)相比，基于實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理的相干光通信技術(shù)具有信道容量大、靈敏度高、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理主要是運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)或?qū)Ｓ眉呻娐?ApplicationSpecificIntegratedCircuit,ASIC)將離線(xiàn)算法并行化后在百兆赫茲主頻的CPU硬件上運(yùn)行[9-10]，是處理高速信號(hào)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。相干光通信接收端在對(duì)光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，可以在電域進(jìn)行一系列的數(shù)字信號(hào)處理，包括IQ不平衡補(bǔ)償，時(shí)鐘恢復(fù)，色散補(bǔ)償[11]，偏振動(dòng)態(tài)信道均衡，載波頻偏估計(jì)[12]，載波相位估計(jì)[13]等算法，利用這些算法，可以提高接收信號(hào)的靈敏度[14]。上述算法已經(jīng)在功率穩(wěn)定的光纖通信系統(tǒng)中得到驗(yàn)證并已經(jīng)商用。然而，在功率動(dòng)態(tài)變化的自由空間光通信中，時(shí)鐘恢復(fù)、信道均衡等包含反饋機(jī)制的算法的反饋速度、動(dòng)態(tài)范圍等特性會(huì)嚴(yán)重影響其工作性能。
時(shí)鐘恢復(fù)算法作為接收端數(shù)字信號(hào)處理的前置算法，作用是從模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-todigitalConverter,ADC)采集的數(shù)據(jù)中提取出定時(shí)時(shí)鐘，并從中獲得最佳的采樣序列。一個(gè)優(yōu)秀的時(shí)鐘恢復(fù)算法需要容忍較大范圍的時(shí)鐘偏移、時(shí)鐘抖動(dòng)，并且其硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度不能過(guò)高。同時(shí)算法要容忍信號(hào)本身的功率抖動(dòng)，這就要求算法收斂速度快，動(dòng)態(tài)范圍大，靈敏度高。時(shí)鐘恢復(fù)算法通常包括時(shí)鐘誤差檢測(cè)器和時(shí)鐘誤差消除部分。時(shí)鐘誤差檢測(cè)器通常可以由以下算法實(shí)現(xiàn)：Mueller算法、數(shù)字濾波平方算法、Godard算法和Gardner算法等。Mueller算法每個(gè)采樣周期僅需一個(gè)采樣點(diǎn)[15]。但是，該算法需要利用采樣信號(hào)的判決值進(jìn)行時(shí)鐘誤差估計(jì)，不適合對(duì)相位敏感光信號(hào)的恢復(fù)。此外，采用數(shù)字濾波平方定時(shí)估計(jì)算法在頻域內(nèi)進(jìn)行時(shí)鐘誤差的估計(jì)，該算法對(duì)載波相位和波形失真不敏感[16]。然而，由于平方運(yùn)算的計(jì)算復(fù)雜度和對(duì)采樣率要求較高，該算法在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。Godard算法[17]是利用迭代梯度搜索算法通過(guò)尋找?guī)ㄐ盘?hào)頻譜能量的最大值來(lái)完成對(duì)時(shí)鐘誤差的近似估計(jì)，但由于其實(shí)現(xiàn)需要多個(gè)帶通濾波器的結(jié)果相乘，且迭代梯度算法較難用硬件實(shí)現(xiàn)，因此該方法也將受限制。Gardner算法[18-20]被廣泛應(yīng)用于反饋時(shí)鐘恢復(fù)算法中，它對(duì)信號(hào)相位不敏感，并且每個(gè)周期只需要兩個(gè)采樣點(diǎn)來(lái)恢復(fù)信號(hào)。時(shí)鐘誤差消除部分的作用是將計(jì)算出的誤差信息反饋給前端進(jìn)行誤差消除，包括硬件電路反饋環(huán)[21]和全數(shù)字反饋環(huán)。其中，硬件反饋環(huán)需要在模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)增加硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，而全數(shù)字反饋環(huán)只需要在數(shù)字算法上進(jìn)行調(diào)整。
相關(guān)期刊推薦：《光學(xué)學(xué)報(bào)》ActaOpticaSinica(月刊)1981年創(chuàng)刊，是國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行的光學(xué)學(xué)術(shù)刊物，內(nèi)容主要包括量子光學(xué)、非線(xiàn)性光學(xué)、適應(yīng)光學(xué)、纖維光學(xué)、激光與物質(zhì)相互作用、激光器件、全息和信息處理、光學(xué)元件和材料等。為我國(guó)光學(xué)科技人員與國(guó)內(nèi)外同行進(jìn)行學(xué)術(shù)交流、開(kāi)展學(xué)術(shù)討論以跟蹤學(xué)科前沿和發(fā)展我國(guó)光學(xué)事業(yè)服務(wù)。
本文主要對(duì)功率抖動(dòng)信道下的時(shí)鐘恢復(fù)算法進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。首先對(duì)不同接收功率下影響時(shí)鐘恢復(fù)算法收斂速度和性能的關(guān)鍵參數(shù)——環(huán)路濾波器的比例增益系數(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，當(dāng)存在時(shí)鐘頻率抖動(dòng)時(shí)，信號(hào)的誤碼率隨著比例增益系數(shù)的增加表現(xiàn)出先降低后上升的趨勢(shì)，且隨著接收功率的降低，最優(yōu)比例增益系數(shù)增加。采用傳統(tǒng)的固定比例系數(shù)會(huì)降低動(dòng)態(tài)信道下的接收靈敏度，進(jìn)而降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。基于上述分析，本文提出并實(shí)現(xiàn)一種基于Gardner算法的全實(shí)時(shí)化動(dòng)態(tài)參數(shù)全數(shù)字時(shí)鐘恢復(fù)算法，并在基于AlteraStratix-V5SGXMA7K2F40C3FPGA平臺(tái)的2.5GBaudQPSK調(diào)制相干通信系統(tǒng)中對(duì)該算法進(jìn)行了在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以KP4中FEC門(mén)限2×10-4為上限[22]，當(dāng)功率抖動(dòng)頻率為1mHz時(shí)，動(dòng)態(tài)參數(shù)法達(dá)到此誤碼門(mén)限的最低接收功率在-49.5dBm附近，固定參數(shù)法達(dá)到此誤碼門(mén)限的最低接收功率在-47dBm附近，接收靈敏度提升了2.5dB。在信道功率快速抖動(dòng)時(shí)，采用固定參數(shù)法能承受最低功率-46.5dBm，頻率為100Hz的功率抖動(dòng)，采用動(dòng)態(tài)參數(shù)法能承受最低功率-50dBm，頻率為1kHz的功率抖動(dòng)。
2基本原理
在傳輸系統(tǒng)中，接收到的光信號(hào)經(jīng)過(guò)相干接收機(jī)后被送入ADC并由本地時(shí)鐘采樣。晶體振蕩器在發(fā)射端和接收端的本地時(shí)鐘之間的差異所引起的相位和頻率誤差將導(dǎo)致ADC無(wú)法獲得最佳采樣點(diǎn)，時(shí)鐘恢復(fù)的作用就是從高速異步采樣序列中恢復(fù)出同步序列并輸出。
圖1展示了基于Gardner算法的時(shí)鐘恢復(fù)的結(jié)構(gòu)圖[14]。在這里，我們的系統(tǒng)使用了一種全數(shù)字定時(shí)恢復(fù)算法，包括兩級(jí)數(shù)據(jù)緩存區(qū)(DB)、插值濾波器(IF)、定時(shí)誤差檢測(cè)器(TED)、環(huán)路濾波器(LF)和控制器(ControlUnit)，控制器包含數(shù)控振蕩器(NCO)和時(shí)鐘相位誤差計(jì)算(TPE)兩個(gè)部分。
圖2展示了環(huán)路濾波器中不同的比例增益系數(shù)對(duì)信號(hào)誤碼率性能和收斂速度的影響。圖2(a)展示的是不同接收光功率(ReceivedOpticalPower,ROP)下的信號(hào)在不同環(huán)路濾波器比例系數(shù)k1下的誤碼率性能。可以看出隨著比例增益系數(shù)的不斷增加，誤碼率先下降后上升，對(duì)于每一個(gè)接收功率下的信號(hào)均能找到不同的增益系數(shù)使其達(dá)到最優(yōu)誤碼率。圖2(b)展示的是不同比例增益系數(shù)下算法的收斂速度。隨著系數(shù)的增加，收斂速度逐漸變快，但是隨著比例增益系數(shù)的持續(xù)增加，算法在收斂后表現(xiàn)出更為劇烈的振蕩狀態(tài)。由圖2(a)和(b)可得，當(dāng)比例系數(shù)大于218時(shí)，不同接收功率下信號(hào)的收斂點(diǎn)數(shù)均在2500個(gè)點(diǎn)以?xún)?nèi)，對(duì)于2.5GBaud的信號(hào)，能夠跟蹤頻率為1kHz的功率抖動(dòng)。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，如果采用固定參數(shù)法，那么算法的整體動(dòng)態(tài)范圍將變小。例如在圖2(a)中，若將參數(shù)固定在220，則當(dāng)接收功率為-48至-50dBm時(shí)算法能夠正常工作，對(duì)于接收功率為-47dBm和-51dBm的信號(hào)，采用220的參數(shù)誤碼率將嚴(yán)重惡化。因此，對(duì)于不同功率的輸入信號(hào)，我們需要用適當(dāng)?shù)谋壤齾?shù)進(jìn)行匹配。
本文提出了一種自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整方法。在圖1的第一級(jí)數(shù)據(jù)緩存區(qū)結(jié)構(gòu)中，緩存當(dāng)前時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)，計(jì)算該時(shí)鐘周期下輸入信號(hào)幅度絕對(duì)值的平均值，并將其作為輸入?yún)?shù)發(fā)送給環(huán)路濾波器，其計(jì)算過(guò)程如公式(7)所示。由于不同接收光功率下采樣信號(hào)幅值不同，所以環(huán)路濾波器可以根據(jù)該幅度的平均值判斷接收信號(hào)所處接收功率范圍，以此動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)k1，使得環(huán)路濾波器的輸出收斂快且不會(huì)過(guò)飽和。當(dāng)接收功率較高時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)光衰減器的不同衰減程度來(lái)提高動(dòng)態(tài)范圍，因此，接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍主要由其接收靈敏度決定。根據(jù)圖2的計(jì)算結(jié)果，如公式(8)所示，對(duì)于不同接收功率下的信號(hào)，綜合考慮收斂快慢和誤碼率性能，可以得出各接收光功率下的最佳環(huán)路濾波器比例增益系數(shù)，可以看出，比例增益系數(shù)隨著接收光功率的變小而變大。
3實(shí)驗(yàn)設(shè)置
實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖3所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用線(xiàn)寬為80Hz，波長(zhǎng)為1550.14nm的窄線(xiàn)寬外腔激光器(OEWaves4026)作為光源。碼型發(fā)生器(ProgrammablePulseGenerator,PPG)產(chǎn)生不相關(guān)的兩路2.5GBaud的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列(PRBS-7)，并與光源一起送入IQ調(diào)制器(IQModulator,IQMOD)。IQ調(diào)制器輸出的QPSK信號(hào)經(jīng)過(guò)偏振控制器、壓控衰減器(Voltage-controlledAttenuatorVCA)、EDFA和帶寬為40GHz的光帶通濾波器(Filter)。然后輸入相,干接收機(jī)(Receiver)完成光電轉(zhuǎn)換。光電轉(zhuǎn)換后的I路和Q路電信號(hào)送入采樣率為5GSa/s的兩個(gè)高速ADC，采樣后的數(shù)字信號(hào)發(fā)送到AlteraStratix-V5SGXMA7K2F40C3FPGA中進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。FPGA板上加載的實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理算法包括：時(shí)鐘恢復(fù)(ClockRecovery,CR)算法、載波相位估計(jì)(CarrierPhaseEstimation,CPE)算法和誤碼率計(jì)算(Bit-ErrorRateCalculation,BERC)模塊。FPGA的主時(shí)鐘頻率設(shè)置為156.25MHz，時(shí)鐘恢復(fù)算法輸入并行路數(shù)為32，輸出并行路數(shù)為16，其余算法并行路數(shù)均為16。FPGA誤碼率計(jì)算模塊計(jì)算的實(shí)時(shí)誤碼率數(shù)值經(jīng)過(guò)采數(shù)模塊(SignalTap)輸出到計(jì)算機(jī)。圖3(b-e)顯示了激光源、壓控衰減器、相干接收機(jī)和ADC及FPGA電路板的實(shí)物圖。圖3(f)展示了FPGA硬件代碼布局布線(xiàn)的結(jié)果。
壓控衰減器采用Agiltron公司的Nanospeed系列，可產(chǎn)生最大幅度35dB，最高頻率為1kHz的動(dòng)態(tài)功率衰減。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)任意波形發(fā)生器(ArbitraryFunctionGenerator,AWG)輸出幅度分別為4.7V，4.8V和4.9V，頻率為1mHz至1kHz的正弦信號(hào)來(lái)改變衰減器輸入電壓的頻率和幅度，由于壓控衰減器的非線(xiàn)性響應(yīng)特性，輸出功率衰減分別為15dB，17dB和20dB。在光信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)前，加入一級(jí)分光比為1:9的光耦合器(Coupler)，利用功率較小的支路來(lái)實(shí)現(xiàn)信道功率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(PowerMonitor)。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
我們將算法布局在FPGA平臺(tái)上，并對(duì)比了固定參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)兩種算法在不同信道功率抖動(dòng)幅度和抖動(dòng)頻率下的誤碼率隨時(shí)間變化的結(jié)果。在圖4至圖7中的每個(gè)誤碼率點(diǎn)是計(jì)算了231個(gè)信號(hào)得出的結(jié)果，即最小誤碼率在4.66×10-10，我們假設(shè)1×10-10為實(shí)驗(yàn)中的零誤碼。圖4展示了抖動(dòng)頻率為1mHz，抖動(dòng)范圍從-42dBm至-50dBm時(shí)誤碼率隨時(shí)間變化，同時(shí)也展示了各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的接收光功率。可以看出，隨著功率的周期性變化，系統(tǒng)的誤碼率性能也呈周期性變化。在接收光功率為-42dBm時(shí)，固定參數(shù)法平均誤碼在1×10-8附近而動(dòng)態(tài)參數(shù)法的平均誤碼在1×10-10附近。這是因?yàn)樵诮邮展夤β瘦^高時(shí)，所需的最佳參數(shù)值較小，而靜態(tài)參數(shù)法此時(shí)的參數(shù)過(guò)大，容易引起環(huán)路濾波器的過(guò)飽和而產(chǎn)生計(jì)算誤差的震蕩，因而導(dǎo)致誤碼率升高。當(dāng)接收光功率為-49dBm時(shí)，固定參數(shù)法的誤碼率性能已經(jīng)惡化至0.1以上，而動(dòng)態(tài)參數(shù)算法的誤碼率性能依舊能保持在1×10-4附近。這是因?yàn)樵诮邮展夤β瘦^低時(shí)，所需的最佳參數(shù)值較大，此時(shí)固定參數(shù)法的參數(shù)過(guò)小，達(dá)不到環(huán)路濾波器所需的飽和值，收斂速度較慢。一旦功率變化后，時(shí)鐘恢復(fù)算法需要開(kāi)始重新收斂來(lái)計(jì)算時(shí)鐘誤差，導(dǎo)致收斂過(guò)程中信號(hào)點(diǎn)被浪費(fèi)，從而導(dǎo)致誤碼率惡化。
以KP4中FEC門(mén)限2×10-4為上限，動(dòng)態(tài)參數(shù)法達(dá)到此誤碼門(mén)限的最低接收功率在-49.5dBm附近，固定參數(shù)法達(dá)到此誤碼門(mén)限的最低接收功率在-47dBm附近，靈敏度提升了2.5dB。——論文作者：李永富1,2*，李巖1,2**，洪小斌1,2，郭宏翔1,2，邱吉芳1,2，李蔚1,2，左勇1,2，伍劍1,2***
