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随着社交网络、实时视频等面向终端用户业务以及云计算、云存储、云平台等面向企业机构业务的迅速发展,数据中心光互联传输容量的需求急剧增加。由于数据中心光互联高速、低成本、低功耗的应用需求,结合高级调制格式和数字信号处理的直接探测系统是实现数据中心光互联的主要候选方案。然而,目前数字信号处理流程中的非线性均衡器均具有计算复杂度过高的缺点。对此,论文从面向数据中心光互联的高速四电平脉冲幅度调制(PAM-4)信号传输的传输模型入手,重点研究了基于数字信号处理的传输损伤补偿方法,并给出了高性能、低计算复杂度的解决方案。论文的主要研究内容包括:(1)提出了数据中心光互联的传输系统结构及传输模型,并详细研究了光电器件带宽受限模型、光电器件噪声模型、光纤色散模型、光纤非线性模型和信号-信号拍频噪声模型这五个传输子模型。对每个模型中的信号失真进行了分析和可视化仿真,研究了在模型中信号损伤的数学表示形式,得出光电器件带宽受限、SSBN和光纤非线性造成的信号损伤分别与信号的线性函数、二次函数和三次函数有关。(2)针对常用于数据中心光互联系统中的Volterra均衡器计算复杂度过高的问题,基于Volterra核的稀疏性,提出通过改进型Gram-Schmidt正交结合重正交算法和正交搜索算法,实现稀疏Volterra均衡器。在O波段2×64 Gb/s PAM-4信号传输70 km标准单模光纤的实验平台进行了实验验证,相比于传统Volterra均衡器,稀疏Volterra均衡器在降低一半计算复杂度的情况下实现相似的均衡性能。(3)为了进一步从物理层面上降低Volterra均衡器的计算复杂度,基于残留正色散有利于光域补偿高速PAM-4信号的自相位调制传输损伤这一理论发现,提出数字域色散预管理技术。在C波段单波112 Gb/s PAM-4信号传输80 km标准单模光纤的实验平台进行了实验验证。实验表明,通过数字域色散预管理技术可以降低Volterra均衡器的计算复杂度,使用不含3阶核的简化Volterra均衡器足以达到7%HD-FEC误码门限。