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高速光通信在现代通信领域占有非常重要的地位,是实现大容量传输的主流方案。在长距传输中,一般将相干检测技术和数字信号处理(DSP)技术相结合,使用多维高阶调制方案增大传输容量,并在数字域对各种信道损伤进行补偿,从而实现高谱效率、高灵敏度的长距传输。而在短距传输如数据中心应用场景中,考虑到成本问题,一般采用直接检测技术。本论文针对高速光传输系统,包括面向长距的相干光传输系统和面向短距城域传输的单边带直接检测系统进行了研究与分析。论文的主要研究内容与创新工作如下:1、面向长距相干光传输系统的研究(1)搭建相干光正交频分复用(CO-OFDM)系统仿真平台,提出基于新型调制格式4+12幅度相移键控(APSK)提高系统非线性容限的方案。根据16正交幅度调制(QAM)和16APSK调制的OFDM信号的峰均功率比(PAPR)的理论值计算结果和累积分布函数的比较分析,4+12APSK-OFDM具有更优的PAPR分布,具有更强对抗非线性的能力。背靠背情况下,三种调制格式16QAM-OFDM、8+8APSK-OFDM 和 4+12APSK-OFDM 在1 × 10-3误码门限处所需光信噪比(OSNR)分别为 13.3dB、14.6dB 和 13.6dB。即 16QAM 由于欧式距离最大,对抗放大器自发辐射(ASE)噪声的能力最强,而4+12APSK-OFDM次之。单信道传输系统仿真结果显示4+12APSK-OFDM的最优入纤功率较16QAM-OFDM信号有2dB的提升,且Q因子门限为8.2dB(即FEC门限为5 × 10-3)时,4+12APSK-OFDM的最远传输距离较其余两种调制格式下的信号有10.5%的提升。在五信道的波分复用系统中,4+12APSK-OFDM的最远传输距离较16 QAM-OFDM信号有18.75%的提升。上述仿真结果证明4+12 APSK-OFDM有效提升了系统非线性容限及整体传输性能。(2)搭建相干光单载波16QAM系统仿真平台,提出基于加权符号间平均(WISA)信道估计算法。基于28GBaud单偏振单载波16QAM仿真实现了两种信道均衡技术:数字后向传播(DBP)非线性补偿算法和基于Volterra滤波器的均衡算法,并对其性能进行了仿真分析。基于28GBaud双偏振单载波16QAM仿真平台对WISA进行了详细分析。背靠背情况下,通过对参数值的扫描得到最优平均窗口和最优加权因子基于上述参数优化,在无色散管理链路和色散管理链路中分别评估该信道估计算法性能,无论链路中有无色散补偿光纤,WISA信道估计的性能均优于常规信道估计性能,8.5dBQ因子门限(即BER=3.8×10-3)下,WISA信道估计下的最大传输距离较传统的符号平均信道估计技术有13.3%的提升。另外,基于448Gb/s双载波双偏振16QAM实验平台对IQ不平衡补偿、时钟恢复算法、偏振解复用算法、频偏估计算法和载波相位恢复算法等进行了离线验证,实现了无传输下3×10-5的误码。2、面向短距城域单边带直接检测系统的研究(1)针对短距城域传输场景,将Twin-SSB充分利用发送端带宽的优势和KK接收机去除信号-信号拍扰的方案相结合,本文提出了Twin-SSB-KK结构。并在Twin-SSB-KKOFDM系统中,利用时域交织帧结构(TIF)方案对光滤波器的非理想性带来的残余边带的串扰噪声进行消除。实现了速率为140Gb/s(净速率88Gb/s)信号在硬判决前向纠错码(HD-FEC)下80公里的传输实验。另外,对光滤波器参数,包括滤波器滚降因子、带宽和中心频率漂移等进行了仿真分析。(2)在Twin-SSB-KK单载波系统中,为进一步提升系统的频谱利用率,提出基于MIMO算法的串扰消除方案。搭建Twin-SSB-KK SC系统实验传输平台,分析验证了 MIMO算法的有效性,并实现了264Gb/s(净速率220Gb/s)信号在软判决前向纠错码(SD-FEC)下80公里的传输。