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随着大数据时代的到来,数据中心被大量建设,催生了大量语音、视频、娱乐等数据的传输需求,人们对光纤通信系统的速率和容量的要求进一步提高。在频谱资源有限的情况下,提高频谱效率无疑是提高通信系统速率和容量的最好方法之一。因此,设计高频谱效率的光通信系统已经成为光通信发展的长期目标。高频谱效率频分复用(Spectrally Efficient Frequency-Division Multiplexing,SEFDM)技术打破了正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术的正交条件,通过压缩子载波间距的方式压缩带宽,能够获得比OFDM更高的频谱效率。因此,设计高效的光SEFDM(Optical SEFDM,O-SEFDM)通信系统可以进一步提高光网络的速率和容量。目前,已有研究者设计实现了O-SEFDM-4QAM系统。然而,人们对光纤传输系统性能的追求是无止境的。人们总希望拥有更高的速率,拥有更高的频谱效率。为此,本文将对高阶调制的O-SEFDM系统展开研究,包括高阶SEFDM信号的检测算法和高阶O-SEFDM系统的设计与实现。因此,本文的主要目标可细化为:研究SEFDM技术,提出适用于高阶调制SEFDM信号的检测算法,并基于该算法设计和实现基于高阶调制的SEFDM光通信系统。本文的具体工作和研究成果如下:首先,本文介绍了SEFDM系统模型,并通过分析SEFDM信号的频谱,得出了SEFDM信号提高频谱效率的方式是以引入很强的载波间干扰作为代价的结论。为了研究对抗载波间干扰的方法,本文分析了SEFDM系统几种现有的低复杂度算法优点和不足,并通过仿真和性能比较发现“预估计器+精确检测器”是最具优势的检测器结构。然后,本文提出了基于IQ独立软映射策略的BPSK迭代检测(Iterative Detection,ID)算法,并基于该算法提出了适用于SEFDM-MQAM信号的级联BPSK迭代检测(Cascaded BPSK Iterative Detection,CBID)算法。在此基础上,本文采用“预估计器+精确检测器”的结构,构造了CBID-FSD(Fixed-complexity Sphere Decoder)混合检测器,并对ID-FSD和CBID-FSD检测算法进行了复杂度分析。仿真结果表明:CBID-FSD检测算法性能优于ID-FSD检测算法,能够提高SEFDM系统的性能。最后,本文基于CBID-FSD检测算法设计和实现了一种线性映射直接检波光SEFDM系统,阐述了该系统的设计原理,包括:系统结构,各模块的设计和实现原理,SEFDM发射机和接收机原理等。该系统最大频谱效率可以达到O-OFDM-16QAM的1.25倍。此外,本文对该系统进行了详细地测试实验,实验结果表明:在同等复杂度下,CBIDFSD检测算法可以获得比ID-FSD检测算法更低的误码率;如果只需达到与ID-FSD检测算法相同的误码率,CBID-FSD检测算法的FSD复杂度可以降低为ID-FSD检测算法的1/4。因此,CBID-FSD检测算法能更好的权衡复杂度和性能的关系,是性能更优的算法。