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伴随着视频会议、交互式游戏、云计算等高带宽网络业务的逐渐普及,光纤骨干传送网容量迅猛增加。作为国家网络基础设施建设与发展的核心,骨干传送网的带宽压力日益增大,大幅度提升骨干传送网的传输容量势在必行。考虑到网络有限的频谱资源,频谱效率提升成为了未来光传送网设计中必须要考虑的因素。为了克服由于单纯提高单信道波特率而面临的光电器件工作带宽限制,基于数字相干探测的超信道传输技术由于能够有效地提高系统频谱效率、满足业务应用对带宽的需求而受到广泛的研究。另一方面,未来的光传送网要具备适应不同业务需求的动态带宽分配能力,我们通过调控子载波的数量、调制码型、波特率可以实现可变速率和带宽的超信道传输,以满足未来灵活光网络的需求。总而言之,实现超信道传输是未来新一代通信网络技术发展的重要挑战,相关研究对国家的信息基础设施建设有着重要意义。论文围绕构建数字相干超信道光纤传输系统以及数字信号处理技术开展了深入研究,主要研究内容及创新性研究成果如下:(1)提出了一种基于offset-16QAM调制码型和接收端数字频谱整形(RS-DSS)的奈奎斯特波分复用超信道(Nyquist-WDM Superchannel)传输方案,考虑7%的前向纠错编码开销,频谱效率可达7.44 bit/s/Hz。研究证明,该方案能够有效抑制奈奎斯特信道间隔条件下多波长信道间的串扰。仿真中对3?224 Gbps Nyquist-WDM Superchannel开展研究,相比采用16QAM和RS-DSS的Nyquist-WDM Superchannel方案,提出的方案在背靠背传输(B2B)条件下有1.4 dB所需光信噪比的提升(给定BER=10-3)。另外该方案在经过960 km标准单模光纤传输后依然可以达到无误码传输的阈值要求。进一步研究发现,即使多波长信道间相位差从0度变化到360度,所需光信噪比代价最高仅有1.8 dB;作为比较,对于仅在发射端采用offset-16QAM的方案,是不可能实现无误码传输的,充分验证了RS-DSS技术对超信道传输性能提升的支撑作用。(2)深入地研究了采用发射端频谱整形技术(TS-DSS)后,offset-16QAM和16QAM Nyquist-WDM Superchannel传输性能。从TS-DSS实现复杂度、系统对发射机带宽容忍度、数模转换器(DAC)时钟抖动容忍度等多个技术指标出发,对两种方案进行了对比。研究发现,对于16QAM系统,发射端频谱整形滤波器长度需要达到81个抽头才能获得最优系统性能。而对于offset-16QAM系统,发射端频谱整形滤波器长度只需35抽头,因而能够降低发射机的复杂度。同时在背靠背传输条件下,offset-16QAM系统相对于16QAM系统在接收灵敏度上具有1.3 dB增益。研究还发现offset-16QAM系统在DAC时钟抖动、采样速率、分辨率上相比于16QAM系统也有着更高的容忍度。(3)提出了一种相位噪声容忍度高的基于联合数字信号处理技术的16QAM Nyquist-WDM Superchannel方案。通过在3通道均衡器后使用数字频谱整形(DSS)和最大似然序列探测(MLSD),能够有效的增加系统对滤波效应的容忍度。对3×224Gbps Nyquist-WDM Superchannel进行数值仿真发现,相比于传统的联合数字信号处理方案,所提方案在背靠背传输条件下有1.8 dB所需光信噪比的提升(给定BER=10-3)。经过了960 km标准单模光纤传输后,在最佳入纤功率条件下,所提方案有0.9 dB的Q2因子提升。最后对相位噪声容忍度研究发现,在给定1 dB所需OSNR的代价(给定BER=10-3),所提方案可以将系统的线宽容忍度从80 kHz提升到了230kHz。(4)针对未来大容量的传输系统,提出了一种相位噪声容忍度高、部署复杂度低的载波相位恢复算法(CPR)。通过对传统盲相位搜索(BPS)载波相位恢复算法进行研究,发现相位测试角和相应的距离矩阵之间存在二次关系,因而提出采用级联的BPS算法以及二次近似(QA)算法进行载波相位恢复。相比于传统BPS算法以固定的步长盲目开展相位搜索,所提QA算法能有效地加快相位搜索的速度。对于16/64/256 QAM而言,当采用所提相位恢复算法时,相应的加法/乘法复杂度降低了2.96/3.05,4.55/4.67和2.27/2.3倍。此外,在给定最佳相位恢复窗口的情况下,我们提出的相位恢复算法和传统的BPS具有相似的线宽容忍度。(5)针对于未来的灵活光网络设计了一种基于调制码型识别(MFI)技术的无中断相干收发机。该收发机采用分块判决引导的最小均方根(DD-LMS)均衡器来进行信道均衡以及采用基于导频符号的超标量锁相环来进行载波相位恢复。为了实现MFI,我们将调制码型的信息加载到用于载波相位恢复的BPSK导频符号上。因此,无需额外开销可以实现MFI。实验证明,我们提出的MFI方案对QPSK,16QAM,64QAM,Hybrid QPSK/8QAM以及陪集分割(SP)512QAM传输系统不会带来性能恶化。此外,所设计的无中断相干收发机能够识别快速调制码型变化。在6400千米标准单模光纤的传输实验中,验证了Hybrid QPSK/8QAM和QPSK两种调制码型的无中断逐块切换。在1600千米标准单模光纤的传输实验中,验证了SP-128-QAM和16QAM两种调制码型的无中断逐块切换。最后,通过与目前常用的两种MFI技术开展实验对比测试,发现提出的MFI方案能够支持各种调制码型并且即使是在低光信噪比情形下,依然具有准确的识别度。