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随着互联网技术的不断发展,云服务、虚拟/增强现实、网络视频监控、网络直播等大带宽新兴业务不断涌现,全球通信容量需求呈爆发式增长。光通信系统作为现代通信网络的基石,急需增加其传输容量。基于相干检测的光正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)传输系统因具有频谱效率高、可用调制格式灵活、带宽分配灵活、色散鲁棒性、可用数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)便捷地补偿系统损伤、接收灵敏度高、中继距离长等优点被作为未来高速率长距离光通信系统的有效解决方案之一。本论文围绕基于相干检测的光OFDM传输系统性能优化技术进行研究。相干光OFDM(Coherent Optical OFDM,CO-OFDM)系统的性能优化技术从实现方式上可分为DSP后处理性能优化技术和信道编码性能优化技术。其中,前者在接收端(Receiver,RX)补偿被损伤恶化的信号,针对系统不同损伤分别采用适用的DSP算法;后者在发送端(Transmitter,TX)对信号添加冗余信息,利用这些冗余信息纠错,通过提供额外的编码增益提升信号对系统损伤的容忍度。两者可协同地提升高速率长距离的相干光OFDM系统性能。本论文针对这些关键技术,开展了以下工作:1、相干光OFDM系统原理及损伤研究先从理论的角度出发,对相干光OFDM系统性能及其损伤进行了理论和仿真分析,为相干光OFDM系统性能优化技术的深入研究奠定基础。(1)根据相干光OFDM系统的原理和模型,搭建了本论文所使用的仿真和实验平台。(2)理论推导了系统主要损伤--信道线性损伤、激光器相位噪声和光纤非线性对OFDM信号的影响。(3)通过仿真对比分析了基于相干检测和基于直接检测的光OFDM传输系统对信道线性损伤、激光器相位噪声和光纤非线性的容忍度,验证了研究这三大损伤的必要性。2、相干光OFDM系统中DSP后处理性能优化技术针对信道线性损伤、激光器相位噪声和光纤非线性这三种系统主要损伤,本论文分别提出了相应的DSP后处理性能优化算法,并进行了实验/仿真验证和对比分析。(1)针对信道线性损伤,首先提出了基于仿射投影的符号函数修正常模算法(Affine Projection based Sign Modified Constant Modulus Algorithm,APSMCMA)。为了弥补现有修正常模算法(Modified Constant Modulus Algorithm,MCMA)的缺陷,AP-SMCMA引入符号判决(signum)函数降低计算误差函数时的复杂度、引入仿射投影(Affine Projection,AP)算法提高权重更新时的收敛速度。进行了单路10 Gb/s系统的实验验证和对比分析。接着,为了进一步提升传统OFDM结构受限于旁瓣抑制比(Sidelobe Suppression Ratio,SSR)的抗噪声能力,采用基于滤波器组的OFDM结构提高信号对噪声的鲁棒性,针对该改进结构提出了比现有干扰近似估计(Interference Approximation,IA)算法准确度高、比现有IA-基于块状导频的符号内平均(IA-Block Pilot based Frequency Domain Intra-symbol Averaging,IAFA)算法开销低的IA-基于梳状导频的符号内平均/子载波内线性插值(IA-Comb Pilot based Frequency Domain Intra-symbol Averaging and Intra-subcarrier Linear Interpolation,IA-CFAL)信道线性损伤补偿算法。进行了单路20 Gb/s系统的实验验证和对比分析。(2)针对激光器相位噪声,提出了基于拉格朗日插值-扩展卡尔曼滤波器(Lanrange Interpolated Extended Kalman Filter,LRI-EKF)的激光器相位噪声抑制算法。通过分析激光器相位噪声的特性,采用比现有线性插值算法更适用的拉格朗日插值以更好地拟合子载波间干扰(Inter-Carrier Interference,ICI),利用修正无迭代盲估计(Modified Iteration-free Blind,MIFB)算法用于估计公共相位误差(Common Phase Error,CPE),提升相噪估计的准确度和系统频谱效率。进行了单路25 Gb/s系统的仿真验证和对比分析。(3)针对光纤非线性,提出了径向基函数神经网络(Radial Basis Function Neural Network,RBF-NN)补偿光纤非线性。利用机器学习的思想,采用比现有多层感知器神经网络(Multi Layer Perceptron Neural Network,MLP-NN)收敛速度更快、复杂度更低的RBF-NN非线性均衡器,该均衡器利用比现有K均值聚类学习策略复杂度低、易操作的正交最小二乘法(Orthogonal Least Square,OLS)算法。该方案以更低的训练开销实现了比现有MLP-NN更优的性能,且可同时补偿信道线性损伤和激光器相位噪声。进行了单路40 Gb/s系统的实验验证和对比分析。3、相干光OFDM系统中信道编码性能优化技术从信道编码性能优化技术出发,本论文进一步对相干光OFDM系统性能尤其是长距离、高速率下的性能进行优化。针对现有低密度奇偶校验(Low Density Parity Check,LDPC)编码方案因级联外部代数码以抑制自身迭代译码的固有缺陷而带来的高复杂度、大延迟等问题,本论文首次将极化编码技术引入相干光OFDM系统。极化码作为目前为止唯一一种经证明能够达到香农容量的新型软判决前向纠错码(Soft Decision-Forward Error Correction,SD-FEC),具有清晰明确的结构、严格的纠错性能解析范围、译码复杂度较低、无因迭代译码而带来的误码平台等优点。针对相干光OFDM系统中极化编码性能优化技术,本论文开展了以下研究:(1)阐述了极化编码的相干光OFDM系统的原理和适用的编译码算法。进行了实验验证并与现有LDPC方案进行了对比。(2)首次讨论了极化码对高速相干光OFDM系统非线性损伤的鲁棒性,以全面评估极化码对系统主要损伤的鲁棒效果。进行了理论分析和实验/仿真研究。(3)首次提出了鲁棒的基于滤波器组的极化编码相干光OFDM系统,以进一步优化极化编码相干光OFDM系统性能。进行了仿真/实验验证。