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随着人工智能(AI)技术、数字高清视频业务、云存储计算、大数据物联网技术等高速率、高质量移动数据业务和应用的迅猛发展和普及,人们对数据传输速率的需求呈爆炸性增长。大容量和高频谱利用率会成为下一代光网络的目标,但现有高速光通信系统,在有限的光信噪比(OSNR)条件下,存在频谱利用率低、接收机灵敏度低和抗光纤非线性效应差等缺点,使得在高速光通信系统中提高频谱利用率、改善接收机灵敏度和增加信号的光纤非线性容忍度成为研究重点。针对上述存在的问题,本文通过使用基于强度调制直接检测的波分复用无源光网络(WDM-PON)系统及其关键技术来改善现有高速光通信系统,大致内容和创新点如下:1.提出了波段归一化高频谱效率频分复用无载波幅度相位调制(FDM-CAP)的生成方法,即通过使用基于Hilbert单边带调制(HB-SSB)的新型多边带技术生成FDM-CAP信号,并将此技术与WDM-PON技术深度整合。通过采用高效FDM-CAP调制技术和WDM-PON技术,可以提高光接入网系统频谱利用率和宽带容量,还可以实现多个子信道共用一套光发送机,也能够为新一代移动前传网络和光纤接入提供了切实可行的光通信系统解决方案,同时大大简化光接入网的发送端结构,有效降低运营商的建设成本。2.将预编码和数字预均衡技术拓展到全频带信道估计。克服了FDM-CAP光深度调制对信号产生的畸变,完整的估计和计算全频带信道的传输函数并实现信号数字预补偿,能够克服光电器件带宽限制所引起的频率衰落难题,在不改变现有系统成本的前提下,拓展系统的传输容量和提高系统的传输效率。3.将离散傅里叶扩频(DFT-Spread)技术用于离散多子载波(DMT)信号,来降低DMT信号的峰均比(PAPR),再用FDM-CAP信号生成方法,生成多边带DFT-Spread-DMT信号,并与WDM-PON技术深度整合,使得该系统频谱利用率和容量进一步提高,并提高光接收机灵敏度和信号的光纤非线性容忍度。4.将基于麦克斯韦-玻尔兹曼分布的多对一映射概率整形(PS)调制方案应用到PAM4信号生成PS-PAM4信号,使得系统获得可观的整形增益,提高光纤非线性容忍度,再将LDPC编码和比特交织编码迭代译码(BICM-ID)用于PS-PAM4信号的解码中,解决了多对一映射中比特序列重叠造成的译码歧义,并与多边带技术和WDM-PON技术深度整合。