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实时移动宽带服务等业务的增加和普及促使光纤传输系统的通信容量持续快速增长,而传统的固定栅格光网络限制了资源的灵活分配和高效利用,因此实现网络资源的弹性分配成为城域光网络重要发展趋势之一。未来城域网的业务量及其种类持续增加,物理层传输迫切需要大容量、高速率、灵活可变的调制解调技术支持。基于Nyquist调制技术的强度调制直接检测(IMDD)方案可以通过改变调制格式阶数或者联合多个子载波信道实现带宽/速率的弹性可变,而且系统成本较低,因此成为几十至百公里传输场景下主要潜在可行技术方案。本文针对适用于弹性城域光网络的不同调制技术对比、直接检测Nyquist系统中色散和平方率检测共同导致的非线性损伤抑制算法和高频谱效率的偏振复用方案等关键技术进行了深入研究。本文的主要研究工作和创新点如下：1、目前既能满足高速率、高谱效、中继距离几十至百公里传输要求,又能支持弹性城域光网络物理层带宽/距离自适应光传输的主流调制技术有两种：Nyquist和正交频分复用(OFDM)。本文主要从系统DSP算法复杂度、受色散和平方率检测致非线性和调制器非线性损伤影响大小和传输性能等方面比较了两种方案的优缺点。对比结果表明,Nyquist系统DSP算法复杂度约是OFDM系统的两倍,但Nyquist系统对调制器非线性的容忍度高。相同光调制指数条件下,两者所受色散和平方率检测所致非线性损伤影响相同。40Gbps残留边带(VSB) -IMDD Nyquist副载波调制(Nyquist-SCM) 16QAM系统1 00km传输离线实验结果表明其接收机灵敏度优于OFDM 16QAM系统1.8dB。2、针对目前用于直接检测单载波系统的频域均衡器(FDE)、前馈均衡器(FFE)等线性均衡方法难以有效均衡色散和平方率检测所导致的非线性损伤问题,本文提出了一种基于分块处理的迭代非线性损伤抑制算法以有效去除非线性符号间干扰。该算法是基于由小信号理论分析模型得到的由色散、平方率检测、VSB滤波器以及调制器啁啾造成的非线性损伤特点,在接收端线性均衡以后利用判决数据重构每个符号块的传输损伤并抑制。采用无啁啾马赫-曾德尔调制器的40Gbps-100km VSB-IMDD Nyquist-SCM 16QAM系统离线实验结果表明,所提迭代非线性损伤抑制算法能够使接收机灵敏度改进2.2dB。3、为了进一步降低强度调制直接检测系统成本,同时保持较高的频谱效率和较好的传输性能,本文提出了一种VSB-IMDD电域脉冲成型的Nyquist PAM调制方案。该方案在发射端采用电模拟低通滤波器实现Nyquist脉冲成型,且联合FBG光滤波器实现VSB滤波和光域均衡,在接收端采用Nyquist滤波器滤除Nyquist带外损伤。相比于传统在DSP中实现Nyquist成型的方案,所提方案省去了脉冲成型DSP算法,降低了DAC成本。并且,进一步分析表明Nyquist信号在直接检测系统中具有更强的抗色散和平方率检测致非线性损伤能力。基于电吸收调制器的20Gbps-100km的VSB-IMDD 4PAM系统离线实验结果表明,通过电模拟滤波实现脉冲成型的VSB Nyquist系统比没有脉冲成型的VSB系统,其接收机灵敏度改进2.4dB。同时,在该方案基础上,提出了一种色散和平方率检测致非线性和调制器非线性联合抑制算法。实验结果表明,该算法使接收机灵敏度改进了1.2dB,验证了其有效性。4、针对目前直接检测单载波系统中的偏振解复用方案需要自适应地跟踪光信号偏振态的变化或者精确地控制相关器件以实现两偏振态的分离,实际应用复杂度较高的问题,本文提出了一种基于发射端两偏振态光载波正交设置和接收端数字域4×4 MIMO偏振解复用算法的Nyquist偏振复用方案,避免了光域偏振跟踪。该方案频谱效率是常规单偏振态系统的4倍。并且在此基础上,设计了一种Nyquist 128-SP-QAM四维调制系统方案,仿真对比了常规偏振复用系统和四维调制系统的传输性能,为弹性城域光网络中的带宽/距离自适应提供了可选调制方案。40Gbps-80km Nyquist PM.16QAM系统仿真结果表明,所提方案能够在数字域内对两个偏振态解复用。但是光纤输入输出偏振态之间偏振角度的增大会降低系统性能,最差处(22.5。)会有2.8dB的接收机灵敏度代价,色散几乎不会带来功率代价。Nyquist 128-SP-QAM系统相比于Nyquist PM-16QAM系统,相同波特率情况下接收机灵敏度改进1.1dB左右,相同净比特率情况下接收机灵敏度改进0.8dB左右。