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随着大数据时代的来临,实时竞技类手游、人工智能等新兴业务的蓬勃发展,指数型的流量增长使得作为传输信息骨架的光纤通信系统也不断朝着超大传输容量、超长通信距离和超大吞吐量发展。因此对光纤通信系统及其相关技术继续进行深入的研究势在必行。为了从根本上解决光纤非线性效应对传输性能的影响,非线性傅里叶变换频分复用系统(nonlinear frequency division multiplexing,NFDM;简称非线性频谱复用系统)被提出并广泛实验。在带宽有限的前提下,调制格式由幅度或相位等单一维度向多阶、多维度的高阶正交振幅调制(MQAM)格式过渡,使每传输符号可以承载更多的信息量。为了在不增加发射功率的情况下进一步减小传输容量与香农极限的差距,星座整形技术被引入以增加传输容量。整形技术对于高效和灵活数据速率的超高速光通信来说是一项重要的引进,并且受到了国内外研究学者们的广泛关注。本文研究了基于高阶调制的整形技术,主要包括概率整形(Probabilistic Shaping,PS)技术、几何整形(Geometric Shaping,GS)技术以及概率-几何联合整形(Probabilistic-Geometric Shaping,PGS)技术。本论文首次针对双偏振非线性频分复用系统中应用星座整形的高阶调制方案进行了深入的研究,此外,针对定时同步、频偏估计和相位补偿等接收端数字信号处理技术也做了相关说明。主要研究工作如下:1.研究了概率整形、几何整形和概率-几何联合整形的基本原理和与之对应的信号生成方案,利用概率幅度整形模块完成概率星座整形,研究并分析了相干光纤通信系统中Uni-16QAM、PS-16QAM3.875、PS-16QAM3.75、PS-16QAM3.625 和 PS-16QAM3.5 的互信息(Mutual Information,MI)性能,通过模拟数值仿真,证明了概率整形信号在低OSNR下性能优于均匀调制信号。提出了 PGS-QAM信号的生成方案并进行了仿真分析,对本文所设计到的几种调制格式进行了优缺点分析并验证了星座整形对系统性能的提升。分析了相干光通信系统中的Uni-64QAM、PGS-64QAM5.875、PGS-64QAM5.75、PGS-64QAM5.625和PGS-64QAM5.5的MI性能。通过模拟数值仿真,证明了 PGS-64QAM在低OSNR下性能为几种调制格式中的最优选择。2.研究了双偏振NFDM系统中的关键技术,首先说明了 NFDM系统的优势,然后阐述了单偏振NFDM系统和双偏振NFDM系统所采用的信道模型,主要研究了适用于DP-NFDM系统的非线性光纤信道的模型,重点叙述了传输系统中非线性傅里叶变换的实现算法以及系统中离散谱所采用的调制方案。3.搭建了基于不同整形星座的背靠背传输系统,仿真分析了在低OSNR下64QAM,具有不同熵的PS-64QAM、GS-64QAM以及PGS-64QAM的MI大小,结果表明,GS-64QAM性能始终优于64QAM,低OSNR下PGS-64QAM的性能最好,随着OSNR逐渐增大,带概率整形的信号MI优势逐渐减小。搭建了基于不同整形星座的光纤通信系统,仿真分析了在链路噪声允许的范围内,16QAM、GS-16QAM、PS-64QAM、GS-64QAM以及PGS-64QAM的传输距离。结果表明,调制阶数越低,传输距离越远;调制阶数相同时,采用星座整形的调制信号传输距离更远。因此,为了提高系统频谱效率,对DP-NFDM系统中的高阶调制技术进行研究有着重要的意义。