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人们对更高数据速率的需求在近年来呈现出爆炸式增长的趋势,直接导致了每年吞吐量的稳步增长。随着这种势不可挡的趋势,互联网设备需要不断交付更高的吞吐量以维持甚至提供更高质量的服务。如今,光纤通信系统构成了互联网和移动通信网络的主干核心,它承载了 99%的互联网数据流量。因此,必须对高速光通信及其关键技术展开研究。在带宽有限的情况下,例如无线通信和光纤通信中,高频谱效率(Spectral Efficiency,SE)是高数据速率系统的必要条件,概率成形技术对于高效和灵活数据速率的高速光通信来说是一项关键技术。另外,随着编码调制(Coded Modulation,CM)技术、光相干检测技术与数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)技术的共同发展,实现了适用于光纤信道的更复杂的数字收发机,使先进的高阶调制格式能够在每个传输符号中承载更多的比特数,提高系统的容量和传输速率。因此,针对高速光通信系统,就概率成形编码调制技术及其他相关技术展开研究具有非常重要的实际意义。本论文在研究概率成形编码调制解调技术的基础上,围绕高速光通信系统中的关键技术展开研究,重点研究了概率成形星形和方形1 6阶正交幅度调制(1 6-ary Quadrature Amplitude Modulation,16QAM)相干探测方案、基于概率成形的外差相干探测光载无线(Radio over Fiber,ROF)系统方案、基于非规则概率成形的高速光传输方案,证明了概率成形技术在高速光通信领域应用中的优势和潜力。本论文的主要研究工作和创新点如下:1.提出了概率成形星形16QAM调制相干探测系统方案,研究并比较了相干探测系统中星形16QAM和方形16QAM在概率成形和均匀分布方案中的性能。通过数值模拟和实验验证,在概率成形技术的帮助下,星形16QAM调制方案的误码性能提升高于方形16QAM调制方案的误码性能提升。因此,概率成形星形16QAM调制在误码性能改善方面优于概率成形方形16QAM调制方案。2.提出了基于概率成形的外差相干探测ROF系统方案,并在实验中验证了概率成形偏振复用(Polarization Division Multiplexing,PDM)16QAM在采用外差相干探测的光矢量射频(Radio Frequency,RF)信号产生系统中的可行性,研究并比较了均匀分布16QAM和概率成形16QAM的性能。在仿真中,概率成形16QAM方案相较于均匀分布16QAM方案能获得更好的误码性能。在实验中,在概率成形16QAM方案和均匀分布16QAM方案具有相同误码率(Bit Error Ratio,BER)的情况下,概率成形16QAM方案能提供更高的传输速率。此外,搭建了外差相干探测光无线融合系统,并将此方案运用到40 m无线距离传输的ROF系统中,通过实验研究了概率成形在16QAM调制ROF通信系统中的性能。3.针对高速光通信中的多倍频光毫米波信号产生,提出了基于并行双马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)来实现多倍频光毫米波信号产生的新方案,少使用一个光滤波器,降低发射机成本。实现了携带相同发送数据的40、80、120 GHz的毫米波信号产生,并在实验中对这些毫米波信号在20 km单模光纤(Single-Mode Fiber,SMF)中的传输进行了验证。经过20 km SMF传输后,测得了这些毫米波信号携带的10 Gbaud开关键控(On-Off-Keying,OOK)信号的清晰而张大的眼图,证明了该方案在高速光通信系统中具有很大潜力。4.提出了基于非规则概率成形的高速光传输方案。基于阶梯型概率模型提出了一种概率成形的新型灵活多速率无源光网络(Passive Optical Network,PON)方案,可以在不改变调制格式的情况下实现灵活可调节的多速率光接入。在25 km以上标准单模光纤(Standard Single Mode Fiber,SSMF)传输的强度调制直接探测(Intensity Modulated/Direct Detection,IM/DD)系统中,实验验证了64阶无载波幅度相位(64-ary Carrierless Amplitude and Phase,CAP-64)调制格式的阶梯型概率成形PON。实验基于阶梯型概率成形PON方案实现了多速率适配,实验结果表明,就算在功率分配器的分光比动态变化的情况下,该灵活多速率PON方案也能实现灵活速率的光接入。此外,基于修正高斯概率模型提出了一种新的增强型CAP-9调制格式概率成形方案并进行了实验验证。实验演示了33.3 Gb/s基于修正高斯型概率成形CAP-9信号的25 km单模光纤传输系统。实验结果证明,本文提出的方案与均匀分布CAP-16和传统概率成形CAP-16相比,在BER为3.8×10-3处,接收机灵敏度分别提高了 1.22 dB和0.4 dB。这种新型概率成形方案是通过对均匀分布CAP-16的星座点进行重叠实现的,该研究是对新型分布模型的一个探索,为未来光通信系统接收机灵敏度的提高提供一种可能的方案。