基于数字信号处理的相干光通信技术具有信道容量高、灵敏度高、频谱效率高等优点,在光纤通信和自由空间光通信系统中得到了广泛应用。在光纤通信中,实时化数字相干光通信模块已经商用,基于数字相干光通信的实时化自由空间光通信技术也在飞速发展。时钟恢复算法作为相干光通信数字信号处理中非常重要的一步,能直接影响相干接收系统的性能。本论文围绕自由空间相干光通信系统中的实时化时钟恢复算法展开研究,论文主要研究内容与创新工作如下:1)对相干光通信和时钟恢复算法国内外研究现状进行调研和分析,并介绍了几种典型时钟恢复算法的原理。2)提出一种选路存储改进的方法来提升Gardner时钟恢复算法的时钟频率误差容忍度,并在基于Altera Stratix-V 5SGXMA7K2F40C3 FPGA平台的2.5GBaud实时化正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying,QPSK）系统中进行了实验验证。实验结果表明,以KP4中前向纠错码（Forward Error Correction,FEC）门限2 × 1 0-4为上限,改进算法可容忍的时钟频率误差可达325ppm。3)提出一种比例增益系数优化的方法来提升Gardner时钟恢复算法的动态范围,并在基于 Altera Stratix-V 5SGXMA7K2F40C3 FPGA 平台的 2.5GBaud 实时化 QPSK 系统中对该算法进行了在线实验验证。实验结果表明,以2X10-4为FEC上限,本文所提的优化方法可将通信接收灵敏度由静态系数法的-47dBm改进至-49.5dBm;同时可将时钟恢复算法的功率抖动频率容忍度从100Hz提升至1kHz。4)完成基于 Xilinx Virtex UltraScale+系列的 xcvu13p-flga2577-1-e FPGA的10GBaud QPSK实时化通信发送和接收实验,以2×10-4为FEC上限,接收灵敏度达到-42.5dBm,距离理论极限 5.5dB。