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先进调制技术是推动高速光通信网络向长距离和大容量发展的关键技术之一。研究先进调制格式及其应用对提升通信网络运行的有效性和可靠性、降低通信网络的运营成本和结构复杂度、促进通信网络的“三网融合”和“光进铜退”具有十分重要的理论价值和实际意义。本论文着重研究了若干先进调制格式的产生原理及其在高速光传输网络、光标记交换网络和宽带光接入网中的应用。全文的研究成果和主要贡献如下：(1)结合载波抑制归零码(CSRZ)和频移键控(FSK),提出了一种频移键控载波抑制归零码(CSRZ-FSK),初步仿真研究了40Gbit/s CSRZ-FSK信号的传输性能。这种方案与传统双光源FSK调制格式的产生方案相比,只需要一个光源就可以产生40Gbit/s CSRZ-FSK信号；采用这种方法的优势在于不但避免了传统方式下需要对两个光源进行波长和功率上精密控制的弊端,而且当其应用于多信道系统中时,可以实现多信道同时进行载波抑制,有利于降低波分复用(WDM)系统和波分复用无源光网络(WDM-PON)系统成本。此外,本文还研究比较了单信道40Gbit/s CSRZ-FSK信号、差分正交相移键控(DQPSK)信号、幅移键控(ASK)信号在不同补偿方式下,单跨距段传输的性能。(2)在CSRZ-FSK调制格式研究的基础上,提出了一种通过40Gbit/s CSRZ-FSK载荷、2.5Gbit/sASK标记实现正交调制光标记交换系统的结构,详细仿真了其传输特性。与传统的ASK/FSK正交调制方案相比,这种方案可以有效的克服ASK载荷非线性容忍度不高、传输速率和传输距离受限的弊端,仅仅采用滤波器和直接检测接收机就可以实现CSRZ-FSK载荷信号的鉴频接收,结构简单,成本也得到了有效的控制。(3)结合33%占空比的归零码(33%RZ)和频移键控(FSK),提出了一种33%占空比的频移键控归零码(33%RZ-FSK),仿真研究了40Gbit/s 33%RZ-FSK信号的产生机制和传输性能。通过对40Gbit/s 33%RZ-FSK信号、差分相移键控(DPSK)信号和归零码(RZ)在同等条件下传输性能的仿真研究表明,33%RZ-FSK信号具有更高的非线性容限,接收机的功率代价也低于DPSK信号和RZ信号。(4)提出了一种实现40Gbit/s 33%RZ-FSK载荷和2.5Gbit/sASK标记的正交调制光标记交换系统结构,仿真研究了载荷和标记在不同色散补偿方式下的传输性能。与传统的DPSK/ASK正交调制方案相比,33%RZ-FSK/ASK信号受相位噪声影响较小,载荷的解调方式更为简单、容易实现,降低了接收机的复杂度,节约了系统成本。(5)在频移键控归零码(RZ-FSK)的基础上引入预啁啾,提出了一种频移键控啁啾归零码(CRZ-FSK)。仿真比较了40Gbit/s CRZ-FSK信号、差分正交相移键控归零码(RZ-DQPSK)和CSRZ信号的传输性能。(6)提出了一种通过40Gbit/s CRZ-FSK载荷和2.5Gbit/s ASK标记实现正交调制光标记交换系统的结构,仿真研究了其传输性能。结果表明,预啁啾的引入进一步提升了CRZ-FSK调制格式的抗非线性性能,与CSRZ-FSK/ASK光标记交换系统相比,CRZ-FSK/ASK光标记交换系统可以传输更远的距离。(7)提出了一种实现交替偏振频移键控(APol-FSK)调制格式的方案。APol-FSK调制格式相邻比特位光信号偏正态正交的特性,使得其抗非线性容限在传统FSK调制格式基础上又得到了进一步的提升。与单信道40Gbit/s差分正交相移键控载波抑制归零码(CSRZ-DQPSK)和FSK信号相比,APol-FSK信号具有更高的非线性容限,单跨距段传输距离更长。(8)提出了一种将40Gbit/s APol-FSK信号作为下行信号,2.5Gbit/s ASK信号作为上行信号基于正交调制的WDM-PON实现方案,并对其传输性能进行了仿真研究。该方案与传统利用双光源实现FSK/ASK正交调制的WDM-PON系统相比,光线路终端(OLT)侧光源数量减少了一半,光网络单元(ONU)侧不需要光源,直接通过对下行信号光的二次调制加载上行信号进行传输,上下行信号可以利用正交调制格式间天然的隔离,实现载波的再利用,比副载波调制方案的频谱利用率更高,ONU侧所用器件更少,成本得到了有效降低。(9)提出了一种交替偏振频移键控归零码(APol-RZ-FSK),研究了其产生机制、实现原理和传输性能,并将40Gbit/s APol-RZ-FSK信号、差分相移键控载波抑制归零码(CSRZ-DPSK)和RZ-FSK信号的传输性能进行了仿真研究和分析比较。结果表明,由于APol-RZ-FSK调制格式结合了FSK、RZ、交替偏振(APol)三种格式的优势,与文中所研究的所有调制格式相比,具有最强的非线性容限。(10)提出了一种将40Gbit/s APol-RZ-FSK信号作为下行信号,2.5Gbit/sASK信号作为上行信号的正交调制WDM-PON系统实现方案。对该系统的仿真研究表明,由于APol-RZ-FSK信号具有更高的非线性容限,上下行信号经过20km单模光纤传输后,均表现出比基于APol-FSK/ASK正交调制的WDM-PON系统更佳的性能。(11)较为全面的将基于强度调制的NRZ、RZ、33%RZ、CSRZ调制格式,基于相位调制的DPSK、RZ-DPSK、CSRZ-DPSK、33%RZ-DPSK、DQPSK、RZ-DQPSK、33%RZ-DQPSK、CSRZ-DQPSK调制格式,基于频率调制的FSK、RZ-FSK、33%RZ-FSK、CSRZ-FSK、CRZ-FSK调制格式和基于偏振调制的APol-FSK、APol-RZ-FSK调制格式—这19种调制格式的非线性容限和色散容限进行了仿真研究和分析比较,总结了各种调制格式的优缺点和应用场合,为研究人员进行系统设计时调制格式的选择提供较为全面的参考依据。