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以高清视频、云计算、云存储、虚拟/增强现实等为代表的互联网应用的发展促进了网络流量的持续快速增长。随着第五代移动通信与物联网的逐渐普及，海量终端进入互联网，导致链路需求日益多样化，且多数流量将靠近用户端。持续增长且多样化的流量给以数据中心网络与内容分发网络为代表的成本敏感的中短距离(<80km)光纤通信网络带来巨大的压力。低成本、灵活、大容量的传输技术将有助于应对这些挑战，并为下一代光纤通信系统提供技术解决方案。本论文针对中短距光纤通信中主流的低成本直接探测系统，从调制与编码的角度出发，提出了多种基于多载波的自适应加载算法以实现高性能灵活的大容量传输。主要研究内容与成果如下：
1)构建了较为完整的直接探测系统物理层理论模型。为避免色散引起频谱选择性衰落，研究了基于MZM调制器与IQ调制器产生单边带信号的原理与局限性。在此基础上，应用了Kramers-Kronig接收机与色散补偿技术。重点研究了两种多载波调制格式——离散多音调制(DMT)与交错多音调制(SMT或FBMC/OQAM)的原理与实现方法，为开展高性能自适应加载调制编码研究奠定基础。
2)研究了前向纠错(FEC)编码的构造原理。为避免复杂的编解码运算，针对硬判决FEC与软判决FEC选择合适的参数预测解码后的误码率(BER)。计算了硬判决Reed-Solomon码与其缩短码的理论纠错能力，为提出的三维(调制格式，FEC编码与功率)自适应加载(3D-AL)算法提供理论基础。在最高调制阶次受限的条件下，3D-AL算法比传统的比特与功率加载算法——Levin-Campello(LC)算法提高约6%的速率。3D-AL算法基于查找表进行初始参数分配，其迭代次数仅为LC算法的27.6%~38%。
3)研究了用于产生概率整形正交幅度调制(PS-QAM)的概率幅度整形(PAS)架构与恒定组分分布匹配器(CCDM)的原理。推导出PS-QAM在使用CCDM与现有的FEC编码时真实的频谱效率，通过实验结果说明PS-QAM发明初期(2015~2018年)广泛使用的一般互信息量(GMI)不适用于计算真实的传输速率。使用归一化一般互信息量(NGMI)准确预测软判决FEC解码后的BER。在NGMI确保无误码传输的前提下，得到加性Gaussian白噪声(AWGN)信道中不同信噪比时最大频谱效率的PS-QAM，为基于PS-QAM的自适应加载——熵加载(EL)提供条件。
4)通过理论推导得到多载波预编码技术的噪声均衡原理。基于该原理与注水算法，首次得到预编码系统的信道容量及其与普通系统信道容量的大小关系。理论证明，预编码损伤了信道容量，但大大简化了自适应加载过程且削减了多载波信号的功率峰均比(PAPR)。削减PAPR有效提高系统功率利用效率。从低复杂度角度考虑，提出了两种面向单预编码集合(SPS)系统的自适应加载算法——均匀时域混合QAM(TDHQ)加载与均匀熵加载(UEL)。前者是首次将TDHQ用于多载波系统中的方案，后者几乎是最简单的EL方案。仿真与实验结果表明，UEL算法的传输速率与PAPR性能均优于LC算法。根据光背靠背实验结果，净速率为70~85Gb/s时，UEL算法约提高1dB的接收机灵敏度。均匀TDHQ加载算法实现的速率不及LC算法，但它的复杂度与PAPR性能均优于LC算法，其中PAPR的削减值可达2.56dB。
5)基于理论分析，发现了多预编码集合(MPS)系统比SPS系统的信道容量损失更低，合理配置MPS的分布可忽略预编码导致的容量损失。结合MPS系统与EL，以预编码集合为单位加载PS-QAM，提出了等间隔分块预编码(EL-EPP)算法，最佳分块预编码(EL-OPP)算法与K-means辅助分块预编码(EL-KPP)算法。仿真与实验结果表明，这些EL算法的传输速率与预编码集合数正相关，并且当预编码集合数大于3时，传输速率趋于饱和，即仅需3~4种PS-QAM，远少于按子载波加载的传统EL(CEL)算法所需的PS-QAM。并且每个预编码集合包含若干子载波，保证了每种PS-QAM有足够多的符号以消除CCDM的速率损失，而CEL难以在正常的数据帧中保证这一点。单边带调制直接探测DMT系统的实验结果表明，经过80km标准单模光纤(SSMF)传输，净速率为60Gb/s时，EL-EPP与EL-OPP算法分别比LC算法提高了3.2dB与4.4dB的接收机灵敏度。基于单边带调制KK探测的SMT系统，实验中经过125kmSSMF传输，净速率为90Gb/s时，EL-KPP算法比LC算法提高1.5dB的光信噪比灵敏度。在125kmSSMF传输后，系统端到端3dB带宽约为11GHz时，EL-KPP算法的净速率达到100Gb/s，接近了不考虑CCDM速率损失的CEL的理论速率。
1)构建了较为完整的直接探测系统物理层理论模型。为避免色散引起频谱选择性衰落，研究了基于MZM调制器与IQ调制器产生单边带信号的原理与局限性。在此基础上，应用了Kramers-Kronig接收机与色散补偿技术。重点研究了两种多载波调制格式——离散多音调制(DMT)与交错多音调制(SMT或FBMC/OQAM)的原理与实现方法，为开展高性能自适应加载调制编码研究奠定基础。
2)研究了前向纠错(FEC)编码的构造原理。为避免复杂的编解码运算，针对硬判决FEC与软判决FEC选择合适的参数预测解码后的误码率(BER)。计算了硬判决Reed-Solomon码与其缩短码的理论纠错能力，为提出的三维(调制格式，FEC编码与功率)自适应加载(3D-AL)算法提供理论基础。在最高调制阶次受限的条件下，3D-AL算法比传统的比特与功率加载算法——Levin-Campello(LC)算法提高约6%的速率。3D-AL算法基于查找表进行初始参数分配，其迭代次数仅为LC算法的27.6%~38%。
3)研究了用于产生概率整形正交幅度调制(PS-QAM)的概率幅度整形(PAS)架构与恒定组分分布匹配器(CCDM)的原理。推导出PS-QAM在使用CCDM与现有的FEC编码时真实的频谱效率，通过实验结果说明PS-QAM发明初期(2015~2018年)广泛使用的一般互信息量(GMI)不适用于计算真实的传输速率。使用归一化一般互信息量(NGMI)准确预测软判决FEC解码后的BER。在NGMI确保无误码传输的前提下，得到加性Gaussian白噪声(AWGN)信道中不同信噪比时最大频谱效率的PS-QAM，为基于PS-QAM的自适应加载——熵加载(EL)提供条件。
4)通过理论推导得到多载波预编码技术的噪声均衡原理。基于该原理与注水算法，首次得到预编码系统的信道容量及其与普通系统信道容量的大小关系。理论证明，预编码损伤了信道容量，但大大简化了自适应加载过程且削减了多载波信号的功率峰均比(PAPR)。削减PAPR有效提高系统功率利用效率。从低复杂度角度考虑，提出了两种面向单预编码集合(SPS)系统的自适应加载算法——均匀时域混合QAM(TDHQ)加载与均匀熵加载(UEL)。前者是首次将TDHQ用于多载波系统中的方案，后者几乎是最简单的EL方案。仿真与实验结果表明，UEL算法的传输速率与PAPR性能均优于LC算法。根据光背靠背实验结果，净速率为70~85Gb/s时，UEL算法约提高1dB的接收机灵敏度。均匀TDHQ加载算法实现的速率不及LC算法，但它的复杂度与PAPR性能均优于LC算法，其中PAPR的削减值可达2.56dB。
5)基于理论分析，发现了多预编码集合(MPS)系统比SPS系统的信道容量损失更低，合理配置MPS的分布可忽略预编码导致的容量损失。结合MPS系统与EL，以预编码集合为单位加载PS-QAM，提出了等间隔分块预编码(EL-EPP)算法，最佳分块预编码(EL-OPP)算法与K-means辅助分块预编码(EL-KPP)算法。仿真与实验结果表明，这些EL算法的传输速率与预编码集合数正相关，并且当预编码集合数大于3时，传输速率趋于饱和，即仅需3~4种PS-QAM，远少于按子载波加载的传统EL(CEL)算法所需的PS-QAM。并且每个预编码集合包含若干子载波，保证了每种PS-QAM有足够多的符号以消除CCDM的速率损失，而CEL难以在正常的数据帧中保证这一点。单边带调制直接探测DMT系统的实验结果表明，经过80km标准单模光纤(SSMF)传输，净速率为60Gb/s时，EL-EPP与EL-OPP算法分别比LC算法提高了3.2dB与4.4dB的接收机灵敏度。基于单边带调制KK探测的SMT系统，实验中经过125kmSSMF传输，净速率为90Gb/s时，EL-KPP算法比LC算法提高1.5dB的光信噪比灵敏度。在125kmSSMF传输后，系统端到端3dB带宽约为11GHz时，EL-KPP算法的净速率达到100Gb/s，接近了不考虑CCDM速率损失的CEL的理论速率。