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近年来,物联网、大数据、云计算等高新技术的迅速发展,催生了全球网络数据流量的指数式增长。其中,对数据中心光互联和光接入网等短距离光通信场景提出了速率和传输距离双提升的要求。然而,短距光通信系统中传统的强度调制-直接检测（Intensity Modulation and Direct Detection,IM-DD）方案将会受到光纤色散效应的影响,严重制约了目标速率和覆盖距离。本文针对短距光通信高色散鲁棒性方案之一的单边带（Single Sideband,SSB）调制-直接检测技术展开研究,联合光调制、光纤信道传输、收发光电器件参数等多损伤因素,重点研究不同调制方式、不同调制格式以及信号线性映射恢复算法的相互作用理论,构建系统性能评估理论体系。同时,根据不同短距光通信场景下对系统性能和成本的要求,提出了优化数字信号处理（Digital Signal Processing,DSP）算法,设计了低成本、低复杂度、绿色高效的系统方案,相关主要研究内容和创新点如下:（1）从SSB信号载波生成的角度入手,归纳总结了4种主流SSB调制方案,推导了各调制方案中器件参数设置与载波信号功率比（Carrier-to-Signal Power Ratio,CSPR）之间的理论关系,建立了可结合调制技术分析的SSB系统性能理论分析模型;并通过搭建统一的仿真系统平台对理论模型进行了分析与验证。结果表明,在上述4种调制方案中,光载波辅助的SSB系统方案由于调制非线性小、数字模拟转换器（Digital to Analog Converter,DAC）量化比特受限小,其系统性能最优。因此,这项工作可以为SSB系统的最优参数配置和调制方案性能评估提供理论指导。（2）针对SSB系统中典型的脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation,PAM）和正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation,QAM）两种调制格式信号,通过系统理论建模,推导了二者分别在不同场景下误码率（Bit Error Ratio,BER）与光信噪比（Optical Signal-to-Noise Ratio,OSNR）、CSPR 的理论计算关系,同时分析探讨了两种系统DSP方案的实现复杂度和对光电器件的带宽需求。此外,从BER理论计算公式中发现:两种调制格式在相同的系统速率、OSNR和CSPR下,PAM-4与16-QAM在同一场景的系统BER性能相当。仿真结果表明,PAM-4对最优CSPR需求略低于16-QAM,仿真结果与理论数值计算结果一致性良好,背靠背（Backto Back,BtB）和传纤情况下两者的BER曲线误差均保持在0.2 dB左右。因此,本文SSB信号调制格式相关理论可以为不同的SSB场景提供统一的系统性能评判标准。（3）基于克拉默斯-克罗尼克（Kramers-Kronig,KK）算法的SSB-PAM系统是信号调制格式与恢复算法的最优协同方案,由此针对典型的SSB-PAM系统方案进行分析,发现在发射端加入下变频可得到最大频谱利用率,但同时恶化了系统对激光器线宽的容忍度。鉴于此,论文提出了两阶段相位噪声消除的高线宽容忍度系统方案,包含改进的信号相位辅助最小均方均衡算法（Signal Phase aided Least Mean Square,SP-LMS）和基于实部判决的盲相位搜索算法（Real Part Decision Blind Phase Search,RPD-BPS）。仿真结果表明:所提方案在BtB和80 km传输场景中,与传统SSB-PAM方案相比,在3.8e-3的BER阈值上OSNR优化了3.7dB（100kHz线宽）,并且线宽容忍度从100 kHz提升到1 MHz,故而可以考虑选用低成本大线宽激光器,降低系统成本。因此,该方案实现了高谱效、高线宽容忍度的低成本SSB-PAM信号传输。（4）设计了一种基于发射端 KK 预配置（Pre-configured Kramers-Kronig,Pre-KK）和色散预补偿技术的自相干系统方案,可以应用于短距光通信场景中的下一代无源光网络（Passive Optical Network,PON）系统中,进一步减少接收端的算法复杂度。所提的Pre-KK方案将KK算法转移到光线路终端（Optical Line Terminal,OLT）,通过预先配置最小相位条件,可以在接收端直接获取信号。仿真结果表明:Pre-KK方案比传统KK有1-bit模拟数字转换器（Analogto Digital Converter,ADC）有效比特位的优势,在 le-2 的 BER阈值上功率预算是29dB,满足了下一代高速PON的系统功率目标;两种方案在DSP硬件实现复杂度方面,所用乘法、加法和占用内存接近。因此,论文提出的自相干预配置方案在满足系统功率预算的前提下,降低了部署在光网络单元（Optical Network Unit,ONU）端的成本开销,为下一代高速接入网场景提供一种可行性低成本方案。