ASIC芯片上的载波恢复DSP算法设计与实现

林钰达; 江文宇; 杨杰

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随着以华为领跑的通信设备不断普及,我国已成为世界上最大的芯片及光器件消费国,然而,高端光传输芯片技术仍基本被美日等企业垄断.对于高速光通信而言,光数字信号处理(DSP)芯片是其"心脏",往往基于专用集成电路(ASIC)实现.研究了ASIC芯片上的载波恢复(CR)算法设计,分别从性能导向、资源导向以及综合权衡性能和资源三个方面,探索了具体场景下算法与芯片的最优工程优化设计.问题一本质是设计适应16QAM调制下光通信特性的CR算法.相较于传统通信手段,光通信下色散、相噪对载波相位影响不容忽视.从帧结构、导频段相位估计、数据段相位估计、处理并行度等方面设计CR算法.推导简化工程参数设计方法,辅助设计满足系统指标的帧长、导频配置图案等;然后构建了一套联合估计算法,先用数据辅助粗估计、线性插值粗补偿,最后用VVPE算法跟踪相噪的算法流程,并仿真验证了算法性能,所需导频开销小,复杂度低.问题二进一步针对色散、线宽、帧结构可变的情况下的CR算法设计进行讨论.三类参数相互耦合,直接理论推导闭式解是困难的.因此采用仿真加拟合逼近等方式挖掘内在关系.首先仿真获得不同色散下满足RSNR代价所需最小导频开销情况,并定性获得色散对于导频开销影响较小;然后,针对线宽、帧长、导频长度的可变性,采用交替分析方式,首先以线宽乘以帧长为自变量,分析其与RSNR的关系,拟合表明其存在指数关系,进一步针对导频长度,拟合获得倒数关系表达式,最后获得RSNR代价和帧长、线宽、导频长度的定量表达式,同时仿真验证了理论正确性,为后续可变场景提供指导.针对问题三,出于对硬件实现中定点位宽的设置以及硬件资源的开销的考虑,我们首先对各个CR算法所使用的模块进行了描述,并对模块内部的基本操作进行了优化设计,随后结合定点位宽的设置对其消耗的硬件资源进行了分析.最终通过仿真确定了所提的3种算法在不同帧长、导频长度以及数据和计算位宽条件下的硬件资源开销及系统性能,发现两者之间确实存在可以优化的空间,为资源和性能的联合优化提供支撑.进一步针对问题四,我们首先构建了考虑系统通信可靠性、有效性以及资源开销的综合代价函数,并基于代价函数确定了自动化选取方案的目标函数及约束条件;最后,所提出的方案通过设定场景、确定参数范围以及仿真搜索三个步骤,获得当前环境中最优的CR算法及帧长、导频长度、数据和计算位宽,从而实现了自动优化位宽和实现性设计.同时在最后针对所得到的结果进行了分析,给出了在特定场景下选取算法及参数的标准,为芯片的设计提供指导.

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来源
《数学的实践与认识》 |2021年第23期|39-72|共34页
作者
林钰达; 江文宇; 杨杰;
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作者单位

中国人民解放军战略支援部队信息工程大学信息技术研究所;

河南郑州450001;

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原文格式 PDF
正文语种 chi
中图分类光学信号处理;
关键词
相位噪声; 色散补偿; CR算法; 导频开销; 折中设计;

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