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相干光通信系统可以充分利用光载波的幅度、相位、偏振状态、时间和频率等多个维度进行信号调制。近年来,基于数字信号处理的数字相干光通信技术以其调制方式灵活可控,接收机算法可有效消除多种信道损伤,可提供不同速率、频谱效率和功率效率调制信号等优势在大容量长距离光纤传输、光通信网络、超长跨段无中继传输和长距离空间光通信中得到广泛的应用。论文围绕高速相干光通信系统的调制、解调方式和数字信号处理算法开展了理论和实验研究。论文的主要内容和创新点如下:1.开展了调制空间中多种不同维度调制格式的理论研究,推导了OOK、BPSK、DPSK、QPSK、PPM、FSK、QAM、PS-QPSK、PM-QPSK和mPPM-QPSK等多种调制格式的理论误码率计算公式,对比分析了其功率效率和频谱效率。2.研究了面向大容量长距离传输的16QAM相干光通信系统,建立了数值仿真平台,并分析了 16QAM信号的性能影响因素。建立了28GBaud双载波PM-16QAM调制信号的发送和数字相干接收实验平台,实现了传输速率448Gbit/s无误码通信。3.实现了相干QPSK和16QAM调制的数字信号处理算法,包括正交不平衡补偿、时钟恢复、偏振解复用、频偏补偿、载波相位恢复和均衡算法等。提出了基于聚类判决的最小均方误差均衡算法(KM-LMS),用于消除非理想的调制器消光比的影响。实验结果证明,对于消光比为20dB商用调制器产生的16QAM信号,KM-LMS算法相比于传统阈值判决的最小均方误差均衡算法(DD-LMS)在误码率1E-3处降低了 2.2 dB最低OSNR需求。4.进行了面向长距离空间光通信的40Gbit/s QPSK高灵敏度接收实验,完成相关的的DSP算法,实验获得误码率1E-7处-40.3 dBm的接收灵敏度,距离理论极限灵敏度仅1.3 dB。5.提出一种新型基于Nyquist成型的PPM调制与QAM调制混合调制格式,称为 Nyquist-mPPM-LQAM 调制格式。以 Nyquist-4PPM-QPSK调制格式为例,相比于QPSK调制格式在不增加占用带宽的同时提升了 2.3dB理论接收灵敏度。在速率2Gbit/s和10Gbit/s的相干接收实验中,证明了 Nyquist-4PPM-QPSK调制格式相比QPSK调制格式的接收灵敏度分别提高了 1.3 dB和1.6 dB。