高速光纤通信中数字信号处理算法原理与应用（第一卷）:单载波调制技术

本书作者团队在高速光传输领域进行了二十余年研究，在大容量、高速率光纤传输方面创造了多项世界纪录。本书概括了光纤通信中的*前沿技术。 

本书主要介绍了高速光纤通信技术中采用单载波调制的数字信号处理技术的原理和在系统中的应用。主要内容包括采用单载波调制技术的线性和非线性补偿算法原理和应用，全光奈奎斯特信号产生与处理，以及提高信号接收灵敏度和传输带宽的几何整形和概率整形技术。
本书适合从事通信领域包括光纤通信、无线通信等研究的工程技术人员，以及高等院校通信工程等相关专业的教师和研究生阅读。

余建军，复旦大学教授，国家“千人计划”专家。长期从事高速光传输技术的研究。发表学术论文500余篇，获得60余项美国专利授权。博士论文被评为“全国优秀博士学位论文”；是教育部“长江学者奖励计划”特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者和美国光学学会会

第一卷目录

第1章绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1国际研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3本书内容和结构安排

1.3.1本书的研究内容和意义

1.3.2本书的结构安排

参考文献

第2章单载波相干光传输系统基本算法

2.1引言

2.2IQ不平衡补偿和正交归一化

2.3光纤色度色散补偿

2.3.1色散补偿概述

2.3.2色散补偿基本结构

2.3.3频域均衡算法

2.3.4时域均衡算法

2.4时钟恢复算法

2.5信道动态均衡算法与偏振解复用

2.5.1盲均衡的基本原理

2.5.2经典CMA算法

2.5.3针对偏振复用信号的CMA算法

2.5.4针对高阶非恒模调制的CMMA算法

2.5.5改进级联多模算法

2.5.6独立成分分析

2.6载波恢复算法

2.6.1频率偏移补偿算法

2.6.2基于VV的频偏估计算法

2.6.3基于FFT的频偏估计算法

2.6.4基于四次方频偏估计算法

2.7相位补偿算法

2.7.1基于VV的相位补偿算法

2.7.2基于前馈的相位旋转相位补偿

2.7.3修正的VV相偏算法与最大似然相结合的恢复算法

2.7.4盲相位搜索算法及其改进算法

2.8算法演示与总结

参考文献

第3章准线性相干光传输系统与数字信号处理

3.1引言

3.2相干光传输系统的理论模型和损伤机理

3.3带限信号时域数字预均衡技术研究

3.3.1基于接收机端自适应均衡器的数字时域预均衡原理

3.3.2相干光通信系统的线性数字预均衡实现方法

3.3.3相干光通信时域数字预均衡仿真结果分析

3.3.4实验结果

3.4小结

参考文献

第4章高谱效率超奈奎斯特波分复用系统研究

4.1引言

4.2超奈奎斯特信号多模盲均衡算法

4.2.1多模盲均衡算法的原理

4.2.2多模盲均衡算法的仿真结果分析

4.2.3多模盲均衡算法的实验对比研究

4.3四载波的数字超奈奎斯特信号产生与400Gbit/s传输

4.3.1数字超奈奎斯特信号产生的原理

4.3.2四载波512Gbit/s的超奈奎斯特WDM信号产生

与传输实验

4.4单载波110Gbaud的超奈奎斯特滤波信号的400Gbit/s

传输实验

4.4.120×440Gbit/s超奈奎斯特 WDM长距离传输实验

4.4.210信道超奈奎斯特 WDM信号在ROADM链路中的

传输实验

4.4.3基于128.8Gbaud PDMQPSK的单载波400Gbit/s

信号在陆地光纤链路中的传输实验

4.5小结

参考文献

第5章全光奈奎斯特信号产生与处理

5.1引言

5.2全光奈奎斯特脉冲产生与信号复用原理

5.2.1高质量Sinc型奈奎斯特脉冲产生基本理论

5.2.2全光奈奎斯特信号复用和相干探测的原理

5.2.3基于MZM和带通滤波器的全光奈奎斯特脉冲

产生原理

5.3单偏振125Gbaud全光奈奎斯特 QPSK信号的产生与相干探测

实验

5.4偏振复用的全光奈奎斯特信号长距离传输实验

5.5小结

参考文献

第6章光纤信道非线性补偿算法研究

6.1引言

6.2DBP光纤非线性补偿算法的原理

6.2.1基于4×160.8Gbit/s波分复用PDMQPSK信号的

非线性补偿实验

6.2.2基于对数步长的改进数字非线性补偿算法

6.3小结

参考文献

第7章概率整形技术研究

7.1引言

7.2概率整形技术的基本原理

7.2.1概率整形技术的定义和实现方法

7.2.2概率整形技术改善误码性能的原因分析

7.2.3概率整形技术的算法

7.3仿真探究概率整形技术的可行性

7.3.1仿真装置

7.3.2仿真结果及分析

7.4实验探究概率整形技术对RoF系统的优化

7.4.1PS16QAM与16QAM的比较

7.4.2在40m无线传输的RoF系统中探究PS性能

7.5小结

参考文献

第8章超高波特率光信号传输技术

8.1引言

8.2110Gbaud 极化复用的QPSK信号传输3000千米

8.2.1实验设置

8.2.2实验结果分析

8.2.3多链路系统性能

8.3128Gbaud 极化复用QPSK信号传输1万千米

8.3.1实验设置

8.3.2实验结果分析

8.4128Gbaud 极化复用的16QAM 信号长距离传输

8.4.1实验设置

8.4.2实验结果分析

8.5小结

参考文献

第9章高阶调制码光信号传输技术

9.1引言

9.2编码开销和带宽限制的权衡

9.334Gbaud PM256QAM信号产生

9.4单载波400Gbit/s PM256QAM信号传输实验

9.5小结

参考文献

第10章无载波幅相调制技术

10.1引言

10.2CAP的调制与解调原理

10.2.1单带CAPmQAM的调制与解调原理

10.2.2多带CAP信号的调制与解调原理

10.3多带多阶CAP用于WDMPON接入网的研究

10.4CAP64QAM在无线接入网的应用

10.5基于DML的60Gbit/s CAP64QAM传输实验

10.6100Gbit/s带电色散补偿的CAP长距离传输

10.6.1无载波幅度相位调制的数字信号处理

10.6.2SSB信号的生成

10.6.3实验装置图和结果

10.6.4基于DDMZM的预色散和色散补偿光纤之间的

比较

10.6.5基于DDMZM的预色散和SSB之间的比较

10.6.6DDMZM和IQ调制器之间的比较

10.6.7结论

10.7小结

参考文献

第11章PAM4信号调制和基于数字信号处理的探测技术

11.1引言

11.2PAM4调制原理与相关算法

11.2.1PAM4调制原理

11.2.2DDLMS算法

11.2.3预色散补偿原理

11.2.4查找表算法

11.3PAM4高速传输系统

11.3.14通道IM/DD 112.5Gbit/s
PAM4传输系统

11.3.250Gbit/s和64Gbit/s
PAM4 PON下行传输系统

11.3.34通道IM/DD 112Gbit/s
PAM4预色散补偿传输

系统

11.3.4极化复用的400Gbit/s PAM4信号产生和相干探测

11.4小结

参考文献

 

第二卷目录

第12章光OFDM原理

第13章直接检测OFDM的基本数字信号处理技术

第14章强度调制直接检测高速光纤接入系统

第15章基于IQ调制直接检测的高速光纤接入系统

第16章前向纠错码

第17章高谱效率光四维调制基本原理与关键技术

第18章光通信系统中的机器学习算法

光纤有上百太(T)比特每秒的传输带宽和小于0.2dB/km的传输损耗，可以实现超宽带信号的长距离传输。但随着传输距离的增加，信噪比的下降限制了信号的传输距离。随着基于相干光通信处理的数字信号处理技术引入到高速光纤传输系统中，光纤通信技术发生了革命性的变化。相干光通信可以极大地提高信号的接收机灵敏度，从而延长传输距离和增加传输容量。采用数字信号处理的先进算法还能够有效地减小或克服光纤通信系统中的各种线性或非线性效应，极大地提高系统性能。而且最近的研究也表明，这些数字信号处理算法在短距离传输系统包括数据中心光互连中也是非常有用的一项技术。

笔者在高速光传输领域进行了二十余年的研究，在大容量、高速率光纤传输方面创造了许多世界纪录。包括最先实现频谱效率达到4bit/s/Hz的相干光传输，最先实现100G的8相移键控(PSK)信号的传输，最先实现从400Gbit/s到1Tbit/s到10Tbit/s的相干光信号的传输和探测。在高波特传输方面最先实现了最高波特率的160Gbaud正交相移键控(QPSK)和128Gbaud 16正交幅度调制(QAM)信号的产生和相干探测，该波特率纪录至今没有被打破。在高波特率传输方面最先实现256QAM信号产生传输速率每信道达400Gbit/s。

笔者先后在北京邮电大学、丹麦技术大学、美国朗讯(Lucent)贝尔实验室、美国佐治亚理工学院、美国NEC研究所、中兴通讯美国光波研究所和复旦大学从事高速光传输技术方面的研究。是国家“千人计划”专家、教育部“长江学者奖励计划”特聘教授和国家杰出青年科学基金获得者；
发表了500余篇学术论文，获得60余项美国专利授权。先后担任Journal  of Optical
Networking(OSA)，Journal of Lightwave Technology(IEEE/OSA)，Journal of
Optical Communications and Networking(OSA/IEEE)和IEEE Photonics
Journal的编委，美国光学学会的会士。

作者迟楠是复旦大学教授，复旦大学通信工程系主任。先后在丹麦技术大学和英国布里斯托大学留学从事高速光通信研究。发表论文300余篇，先后在美国光纤通讯展览会及研讨会(OFC)等国际会议做邀请报告40余次。

高速光纤通信中数字信号处理算法原理与应用分为两卷。第一卷主要讨论单载波调制技术，第二卷则主要介绍基于正交平分复用的多载波调制、四维调制和机器学习人工智能等新技术。

本书以笔者和迟楠教授发表的论文及申请的专利为主要内容，包括了笔者部分博士期间发表的论文、专利和实验结果。在本书撰写过程中得到作者指导的学生张俊文博士、李欣颖博士、董泽博士、李凡博士、曹子峥博士、肖江南、王源泉博士、许育铭博士、陈龙博士、王凯辉、孔淼、燕方、勾鹏琪、王灿、石蒙和赵明明等在章节撰写和文字校准方面的支持和帮助，特此感谢。

 

余建军

 

2017年10月

第1章绪论1.1研究背景和意义近十年来，伴随着视频会议、高清互联网电视、云计算、物联网、社交媒体和移动数据传输为代表的新业务和新技术的迅猛发展，通信传输速率和互联网的数据流量一直处于爆炸式增长中，这对作为整个通信系统基础的物理层——光传输网提出了更高的传输性能要求［114］。光纤通信具有极大的宽带传输能力，而我国97%以上的信息量是通过光纤传送的，从核心骨干网到城域网、光网络交换节点，再到数据中心光互连、城市光纤接入网甚至光纤无线融合接入网，光纤通信网络已成为国家信息建设的基础设施，以及信息传输和交换不可替代的承载平台［1114］。从国际上看，欧美日等主要发达国家均对超宽光传输网技术的发展非常重视。欧盟通过其第七框架计划(FP7)持续关注该领域的研究，并以此为契机推进欧洲大容量传输技术的探索与发展； 美国政府积极推行宽带激励计划以实现全美范围内大容量骨干网的建设，同时也将其列为经济刺激计划的重点。在国际高速互联通信方面，由中美日等多国共建的新一代跨太平洋高速海底光缆“FASTER”于2016年 6月底正式投入使用［15］。该光缆总长9000千米，设计峰值容量高达60Tbit/s(100Gbit/s×100波长×6光纤)。在固定接入网方面，国际电信联盟标准分局(ITUT)于2016年完成了基于时分波分复用技术(TWDM)的40Gbit/s无源光网络(NGPON2)G.989.3标准制定工作［16］，各大运营商也已进入测试甚至实际部署阶段。在此全球背景下，我国也紧紧把握住超宽带光传输技术更新换代的历史机遇，提出“中国制造2025”“中国一带一路的互联互通”等国家战略，并将其作为未来国家信息领域发展的重要着眼点。在各因素的驱动下，从物联网、云计算、大数据、移动社交网络到“互联网 ”、虚拟现实(VR)、增强现实(AR)再到人工智能(AI)等，都显示了信息通信技术的重要性。由此可见，宽带高速光传输网已成为全球信息发展战略的重中之重，而研究超高速大容量的光传输基础理论和实现技术已成为当前全球信息领域的迫切需求。应当认识到，对超高速大容量光传输网络的研究是一个全面而又多层次的技术探索。针对不同的网络传输层次的光纤传输，开展相对应的理论和技术研究非常必要。图11为超高速光通信网络的结构层次图，纵观传输网络的结构，光纤传输从上到下依次覆盖了核心骨干网、城域光交换网、光纤接入网、数据中心光互连，以及光纤无线融合移动接入网。不同的网络又具有不同的技术特点和发展需求，核心骨干网需要传输距离大于1000~2000km，跨洋海底光缆甚至要大于5000~10000km。目前商用的核心网已经开始部署100Gbit/s每信道(波长)，而科研院所已经瞄准400Gbit/s甚至1Tbit/s每信道的研究工作［1114，1719］。此外，核心骨干传输网还要求容量要大于1~10Tbit/s，从而实现超高速超大容量和超长距离光传输［20］。相比较而言，城域网方面则针对的是距离大于100~500km，传输速率在40~100Gbit/s每信道，主要面向的是光网络交换节点的传输网络； 容量方面也比核心骨干网要低一些，需要400G~1Tbit/s的信道容量。

图11超高速光通信网络的结构层次图

城域网之下，接入网和短距离光传输的带宽需求逐年快速增长［18］。一方面，随着云计算时代的来临和大数据中心的普及，大容量高速率的数据中心逐渐成为新一代互联网服务的基础，迫切需要面向数据中心的短距离高速光互连提供传输支持［6，7］； 另一方面，随着用户端数据业务和移动互联的带宽需求不断增加，作为“最后一千米”的光接入网的传输速率也在不断增加［4，5］。数据中心光互连尽管传输距离短（0.5~10km），但速率要求较高，未来预计需要达到50~100Gbit/s的单信道速率。同时，不同于长距离传输的承载网，其技术发展还需要考虑成本、方案复杂度和系统功耗的平衡等问题。考虑到成本、功耗和复杂性，目前强度调制/直接检测(IM/DD)与高阶调制格式相结合是一种较实际的方法。同样的，接入网对成本、带宽和用户数量的综合考虑也同样十分重要。最后，考虑到光纤传输的有线性，尽管其传输速率高，但无法实现可移动、大范围覆盖，而无线通信具有广泛覆盖性和移动性，是贴近用户使用最为方便的通信方式，特别是在某些特殊灾害场景下，无线通信具有快速覆盖的优势。不过其频段资源、通信带宽和传输距离均有限。为了实现广泛、高速且稳定安全的通信接入，业界也早已开始了对高速光纤无线通信的融合接入网的部署和研究。综上所述，研究面向整个光通信网络的超高速大容量光通信基础理论和关键技术，针对不同网络层次的应用场景和技术要求，探索理论基础和创新应用技术，具有重要的科研价值和应用前景。本书所研究的超高速大容量光通信系统的若干关键技术，针对核心骨干网实现大容量、超高速和长距离光传输； 针对城域网实现高谱效率和全光信号处理； 而针对数据中心和接入网等短距离光传输，实现结构简单、低成本的高速光传输和光接入； 针对光通信领域其他研究方向及最新热点，介绍了概率整形技术(PS)、前向纠错码(FEC)、四维调制及机器学习等。以上各项研究满足不同场景的技术需求，是国内外研究的热点和重点。1.2国内外研究现状为实现超高速大容量的光传输网络，针对不同层次光传输网，需要研究多种关键的系统理论基础和实现技术，如为实现大容量需要Tbit/s甚至10Tbit/s的多波长光源，为实现长距离光传输所需的准线性系统和非线性补偿技术，为实现超高速光传输的高谱效率编码与调制技术，还有针对短距离光互连和接入网的新型高效调制格式和信号处理技术，以及高速光无线融合网络,等等。下面将从国际和国内两方面，介绍国内外在不同层次的超高速大容量光传输网络的理论基础和实现技术上的重要研究工作与发展趋势。1.2.1国际研究现状随着数字信号处理技术的迅速发展和日益成熟,为实现超高速大容量信号的长距离光传输，包括针对色散补偿、时钟恢复、信道动态均衡算法、偏振模色散补偿、载波恢复以及相位补偿在内的一系列数字相干算法，均得到了广泛深入的研究和较为系统的发展［1214，2130］。在色散补偿方面，相比于色散补偿光纤，在相干系统中采用基于数字信号处理的色散补偿算法，实现成本更低且对光纤非线性效应的容忍度更高，因此成为数字信号处理流程中必不可少的一环。2009年和2010年美国和英国研究人员相继验证了时域和频域色散补偿算法在相干光通信中的应用［13，30］。在时钟恢复方面，德国亚琛(Aachen)技术大学提出的数字平方滤波平方定时估计算法,受限于平方运算计算复杂度高和采样速率要求高等因素，因而在高速传输系统中的应用有限［31］； 加德纳(Gardner)算法在系统中实现简单且对载波相位不敏感，因此应用非常广泛［32］； 高达(Godard)算法可以有效控制和避免符号频谱交叠引起的干扰，并且仅需以一倍符号速率采样［33］； 穆勒(Muller)算法可以直接通过接收信号的采样值获取对时钟函数的无偏估计［34］。在偏振模色散补偿方面，对于高阶调制格式，如16QAM、32QAM，甚至更高阶QAM，诸多文献均给出了适用于这些调制格式的动态均衡算法［13，24，26，3537］。值得注意的是，由于恒模(CMA)算法本身的误差函数更新针对恒模均衡算法(QPSK)的单一模，对于高阶调制格式如16QAM等，并不能使误差函数趋于零，因此均衡信道时存在较大的误差。2010年，美国电话电报公司（AT&T）提出了一种针对8QAM、16QAM等高阶QAM结构的级联多模盲均衡算法(CMMA)［13，37］，这种算法根据高阶QAM信号不同的模半径选择最佳的判决值，提高了误差函数的精度，理论上误差函数趋于零； 美国贝尔(Bell)实验室也通过实验验证了模半径选择均衡算法(RDE)在16QAM等调制格式中的应用［38］，这种算法在计算误差函数时进行不断地模半径判决，最终选择判决后的模半径作为误差函数计算值。更进一步，改进的级联多模算法(MCMMA)是在星座点的统计规律为方形的调制信号的基础上提出的，它利用星座点分布的统计规律修正了传统的多模算法，将依赖收敛半径的单一误差函数转变成两个正交的误差函数，最终提高均衡器性能［39］。此外，常用的偏振均衡算法还有独立分量分析算法(ICA)等［24］。在载波恢复方面，基于经典维特比(ViterbiViterbi)算法［40］的前馈载波恢复已经在相干光系统中得到广泛应用； 2009年，德国帕德博恩(Paderborn)大学提出了一种硬件实现简单且高效的前馈式相位恢复算法，即盲相位搜寻算法(BPS)［41］。2010年，美国AT&T实验室通过引入最大似然估计算法，提出了一种计算复杂度更低的改进算法［13，37］。在非线性补偿方面，数字后向传播(DBP)被看作是最有前途的一种技术： 2009年，美国中佛罗里达大学提出了采用一种DBP技术对信道间的非线性损伤进行补偿的运算负荷［42］； 2011年，美国中佛罗里达大学研究人员再次提出了一种改进的分步方法用于极化复用波分复用(PDMWDM)系统，一个由马纳科夫(Manakov)方程所推导出的耦合系统的非线性偏微分方程被用在DBP技术的计算过程中［43］； 2012年，日本电气公司美国实验室(NEC)提出了一种色散折叠的DBP技术，用来减少在进行非线性补偿时产生的庞大的计算量［44］。随着波分复用系统(WDM)的广泛应用，考虑到有限的可用带宽，高频谱效率光传输是大容量光通信系统的关键［15，17，26，36，4557］。一方面，高频谱效率光传输可以通过高阶调制格式实现，如2010年日本电报电话公司(NTT)实现了100波特120Gbit/s的偏振复用64QAM信号传输160km［36］； 2011年，美国AT&T实验室实现了64Tbit/s的谱效率高达6bit/s/Hz的64QAM传输320km［46］； 2012年，日本东京大学率先实现了60Gbit/s的1024QAM相干光传输［26］，然而由于高阶调制格式所需的信噪比很高，传输距离非常有限，难以适应长距离传输的要求［36］； 自2016年9月以来，概率整形(PS)技术作为高阶调制格式优化技术凭借其传输容量高、复杂度低的优势受到关注。2016年，欧洲光通讯展览会（ECOC）会议文章中诺基亚贝尔实验室等在德国骨干网中通过四载波超频道的1Tbit/s数据传输，利用概率整形技术，实现了前所未有的传输容量和频谱效率［58］。同年10月，阿尔卡特朗讯和阿尔卡特朗讯诺基亚贝尔实验室用概率整形技术实现了6600km单模光纤65Tbit/s的数据传输［59］。另一方面，近些年来所提出的频谱压缩技术，在不致增加过多系统设备和增加过多信噪比需求的基础上提高原有系统谱效率，已成为国内外研究的热点［15，17，4757］。1990年前后，研究人员提出了常规WDM(符号带宽小于信道间距)［60］，2010年，意大利研究人员首次提出了奈奎斯特（Nyquist）WDM(符号带宽等于信道间距)在光通信里面的应用［61］； 2011年，美国泰科(Tyco)公司首次提出了压缩频谱实现超奈奎斯特WDM(符号带宽小于信道间距)的可能［51］。常规WDM方案中，信道之间有防护频带，因此可消除信道串扰与符号间干扰。但是，在超奈奎斯特系统中，正是由于滤波效应，系统性能受到噪声、信道间串扰和符号间干扰等影响而严重降低［4751，57］。因此，为了在包括FEC开销的长距离传输中解决噪声、串扰和符号间干扰等问题，并实现更高的频谱效率，新型的数字信号处理和恢复算法是亟待解决的核心问题［15，17，47，52，56］。在正交复用方面，迄今为止，高阶调制格式的相干光正交频分复用(OFDM)已经被广泛研究，基于电的和全光的OFDM信号产生都有报道，尤其是全光OFDM，2011年德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)在Nature Photonics上报道了基于16QAM和相干探测，26Tbit/s线速率的超级信道全光OFDM传输系统［62］。与OFDM相比，2010年，意大利研究人员首次提出证实了奈奎斯特信号传输有几个独特的优点，包括低接收机复杂度、低接收机带宽，以及改善光纤非线性损伤的低峰均比［63］。高谱效率大传输容量的方案也已经被报道。同样是德国KIT研究所，于2012年采用12.5Gbaud PDM16QAM和325个光载波的单光源32.5Tbit/s 奈奎斯特 WDM传输，并以截稿日期后接收的文章的形式发表在当年的美国光纤通讯展览会及研讨会(OFC)上［64］。高质量Sinc型奈奎斯特脉冲的全光方案可以由线性相位且频率锁定的光梳产生，此方案最早于2013年由瑞士和德国科学家在Nature Communication上提出［65］。不同于长距离传输的承载网，短距离与接入网的光传输需要考虑成本、方案复杂度和系统功耗等问题，因而短距离传输一般是直调直检的系统。国际上已经有多家研究所和企业对数据中心这种短距离光互连开展了大量的研究［18］。2014年，日本NTT光学实验室使用光学组件和循环阵列波导光栅，实现了400Gbit/s的大容量光纤传输。2013年，丹麦科学技术大学在O波段采用4路多边带无载波幅相调制(CAP)调制技术，实现了客户端的400Gbit/s数据传输，并且基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)实现了速率100Gbit/s的100m多模光纤传输［6］。2014年，贝尔实验室使用新型的接收机电路，不使用均衡技术和数字信号处理，实现了传输速率为100Gbit/s的开关键控(OOK)信号在标准单模光纤中的1km传输［66］。2012年，剑桥大学研究人员重点研究了CAP技术并指出，CAP具有低功耗和低成本的优点，相比于其他调制格式，如非归零码(NRZ)和OFDM等，CAP用于短距离光传输具有巨大的潜力［4］。而脉冲幅度调制（PAM）同样因其简单和低成本受到关注。2016年，OFC会议上Jia提出了一种设计简单的查找表(LUT)预畸变的非线性补偿方法［67］。1.2.2国内研究现状我国在超高速大容量光通信方面的研究仍处于发展阶段，目前尚处于理论研究和基础实验阶段，离国外一流研究水平还有一段距离。然而，也应当看到，在国家科研计划如“973”“863”和国家自然科学基金的支持下，国内已有不少单位开展了相关研究，复旦大学、清华大学、北京邮电大学、北京大学、湖南大学、上海交通大学、华中科技大学、武汉邮电科学研究院等高校和研究所都在这些方面开展了不少工作，而华为、中兴通讯、烽火科技等高科技光通信企业也做了大量的产业化实践。在科技部支持的“973”项目——“超高速超大容量超长距离光传输基础研究(2010CB328300)”就涉及了关于超高速超大容量光传输高谱效率极限的理论研究，在该项目的资助下，复旦大学于2011年实现了创纪录的178条全C波段多载波产生［68］，并于2012至2013年相继提出了多种多载波产生结构，面向Tbit/s和10Tbit/s的多载波信道［6971］。在多维多阶调制格式方面，2011年，中兴通讯实现了单信道超过1Tbit/s的7路PDM64QAM光信号在320km光纤上的传输［10］。2012年，复旦大学与中兴通讯通过产学研方式合作实现了30Tbit/s(3×12.84Tbit/s)的PDM64QAM光信号在320km光纤上的传输［9］。2014年，武汉邮电科学研究院实现了63Tbit/s的C L波段的全波段PDM16QAM信号传输试验［72］。在开展基于光实时数字相干接收的光传输技术的研究方面，2011年12月 5日，武汉邮电科学研究院在国家重点实验室，成功实现240Gbit/s OFDM信号在普通单模光纤上无误码实时传输48km，这是国际上首个用在线实时处理方式上实现的超100Gbit/s超高速光通信传输试验［73］。2014年，中兴通讯与湖南大学等合作，实现了双边带100Gbit/s的16QAMOFDM信号的实时产生与传输。频谱压缩方面，2014年华中科技大学实现了基于偏移16QAM的奈奎斯特波分复用传输和接收［74］。超高速信号全光奈奎斯特信号产生方面，复旦大学于2014年率先实现了完整意义上的全光奈奎斯特信号的产生与相干探测，该项成果利用全光梳状谱，成功实现世界上首个真正意义上的全光奈奎斯特信号相干通信系统，成功产生并相干探测了高达125Gbaud的全光奈奎斯特 QPSK信号。该项成果同时也是目前单载波单个接收机探测的最高波特率纪录。这一重要成果的首次成功实现，对未来超高速光传输网络、全光信号处理具有重要的研究意义，成果发表在Nature旗下期刊Scientific Reports上［75］。清华大学在2014年的美国光纤通讯展览会及研讨会(OFC)上，报道了25条平坦光梳奈奎斯特脉冲的产生，为全光奈奎斯特信号的产生提供了技术支持［76］。短距离光传输与光接入方面，北京邮电大学做了大量的工作，包括正交频分复用无源光网络（OFDMPON）相关研究，从理论和实验多方面进行了研究［77］。清华大学在光纤承载无线信号传输方面做了大量工作，实现了结构简单和性能稳定的光子毫米波的产生与传输。上海交通大学则在光接入方面，如时分复用(TDM)和波分复用无源光网络(WDMPON)方面做了大量的工作，取得了不少成果。2015年，中兴通讯利用残留边带调制和离散傅里叶变换扩频(DFTS)OFDM格式实现了100Gbit/s信号在单模光纤中传输2km［78］； 武汉邮电科学研究院利用偏振特性和IQ调制，成功把100.29Gbit/s的OFDM/交错正交幅度调制(OQAM)信号在单模光纤中传输880km［79］； 华为利用IQ调制和单边带滤波技术实现112Gbit/s信号传输80km［80］。2016年，复旦大学采用1550nm马赫曾德尔调制器(MZM)，实现4×128Gbit/s DFTS单边带离散多音(SSBDMT)信号在320km单模光纤(SMF)上的传输，信道间隔为150GHz［81］。总之，尽管同国外的研究还有一些差距，但仍能欣喜地看到国内各大学和相关研究院所已经在高速大容量光传输方面做了诸多突出的工作，差距正在逐渐缩小。综合国内外的研究现状我们看到如下。第一，高速大容量光传输网是未来通信网络的发展方向，宽带高速光传输网已成为全球信息发展战略的重中之重，研究超高速大容量的光传输基础理论和实现技术已成为当前全球信息领域的迫切需求。国内外研究机构面向不同的网络层次，已经开展了大量富有成效的研究工作。本书的研究工作紧扣国内外的研究趋势，符合未来光传输网络的发展方向。第二，在大容量高速长距离光传输方面，多波长产生、准线性相干光通信、高谱效率光编码与调制是系统的关键实现技术和研究重点。将来的单信道400Gbit/s以及1Tbit/s信号传输，多信道Tbit/s甚至10Tbit/s都需要这些关键技术。国内外科研院所已经开展相应的研究。本书也将介绍作者在这几个关键技术上的研究成果。第三，不论是长距离光传输还是短距离光传输，甚至还有高速光无线融合传输，从骨干网到城域网再到接入网，数字信号处理在不同层次网络传输中的地位和作用越来越大。国内外科研院所针对不同网络传输层次，采用数字信号处理做了大量的工作，本书在研究内容中也体现了这一点。第四，国内外系统方案众多且各有所长，不同的方案和不同的研究持续推动了技术的进步，不断实现了超高速大容量光传输。我国在相关领域也做了许多工作，具有一定的自主知识产权。本书在研究过程中，也非常注重创新，申请了多项具有自主知识产权的专利。1.3本书内容和结构安排1.3.1本书的研究内容和意义
随着社会信息化的迅猛发展和宽带新业务的不断涌现，作为信息建设基础的光通信网络的体系规模、传输容量以及通信速率均呈指数式增长，宽带高速光传输网已成为全球信息发展战略的重中之重，而研究超高速大容量的光传输基础理论和实现技术已成为当前全球信息领域的迫切需求。针对高速光传输网络的发展趋势和迫切需求，本书将主要介绍光通信方面的基础技术、算法、系统及最新研究进展。本书针对光传输的不同层次，深入研究了超高速大容量光通信系统的若干关键技术及其实现原理，包括： 针对长距离光传输及其数字信号处理，研究了相干光传输系统的基本算法和准线性相干光传输系统与数字信号处理； 针对有限带宽及对高谱效率的需求，研究了频谱压缩和高阶调制格式及其优化，主要研究了高谱效率奈奎斯特波分复用系统、全光奈奎斯特信号产生与处理、光纤信道的非线性补偿算法和概率整形技术，还研究了相关的实际实验； 针对短距离传输，主要研究了低成本、低功耗、低复杂度的直接检测系统及其新型调制格式和数字信号处理算法，具体研究了无载波幅度相位调制(CAP)、脉冲幅度调制(PAM)、正交频分复用(OFDM)技术及IQ调制技术； 最后，针对光通信领域其他研究方向及最新热点，研究了前向纠错码(FEC)、四维调制和机器学习等。本书的研究工作紧扣国内外的研究趋势，符合未来光传输网络的发展方向，为未来高速大容量光传输网络奠定了理论与技术基础，有重要的科学意义和应用前景。1.3.2本书的结构安排针对光传输网络的不同层次，本书的研究工作结构安排如下。 第1章，绪论。首先简要介绍了超高速大容量光传输网络的研究意义和国内外研究现状，然后总结了本书的研究内容，并介绍了全书的结构安排。第2章，单载波相干光传输系统基本算法。主要介绍了单载波相干光传输系统的基本算法，包括IQ不平衡补偿、正交归一化、色散补偿、时钟恢复、信道均衡、载波恢复和相位补偿算法。其中针对信道均衡，介绍了基于统计特性的盲均衡算法，从经典的恒模(CMA)算法到能针对偏振复用信号的CMA算法，但CMA算法由于没有恒定幅度并不能对高阶信号做出很好地恢复，于是本书进一步介绍了针对高阶的非恒模调制的级联多模(CMMA)算法，这种算法需要用到角度和模值； CMMA的参考电平过多，于是又有了改进的级联多模(MCMMA)算法，MCMMA需要将多样化的角度和模值变到正交的实部和虚部，减小了参考电平，在高阶信号优化中性能更明显。此外，还介绍了独立成分分析(ICA)算法。本章最后，进行了算法的演示与总结，将本章介绍的基本的数字信号处理算法进行排列比较，展现相关星座图，更直观地表现各算法的作用。第3章，准线性相干光传输系统与数字信号处理。重点介绍了基于先进的数字信号处理技术的准线性相干光探测系统的研究，主要包括前端线性预均衡算法。器件的带宽限制与光纤链路的非线性损伤一直都是限制高速光信号传输的两个重要因素，前者限制了信号产生的带宽和波特率，后者则限制了高速信号的传输距离。本章首先介绍了基本的相干光通信数字信号处理，然后基于此，介绍了一种新型的前端数字时域预均衡方案； 最后，从仿真和实验验证了相干光通信时域数据预均衡的补偿性能。第4章，高谱效率超奈奎斯特波分复用系统研究。针对高谱效率高速光传输，首先将介绍针对超奈奎斯特频谱压缩信号的新型多模盲均衡算法，该算法能有效抑制噪声和信道间串扰，从而实现超奈奎斯特 WDM的信号传输。同时，通过实验验证，该算法比普通的处理均衡算法具有更好的抗噪声、抗滤波和抗信道干扰的性能。在这章中，将介绍基于前端滤波实现的超奈奎斯特信号数字产生和四载波的400Gbaud光传输，以及高达110Gbaud的超高速PDMQPSK相干传输系统实验。利用该系统，成功实现了当时世界首个基于单载波超奈奎斯特的400Gbit/s光传输系统，并创造了世界最高波特率(110Gbaud)的信号传输纪录，载波间隔压缩至100GHz，传输容量达到8.8Tbit/s，实现信号谱效率大于4bit/s/Hz。最后，还通过实验研究了超奈奎斯特滤波信号在多个可重置光分插复用器(ROADM)中的性能。我们也在实验中证实了9QAM超奈奎斯特信号的高抗滤波性。本章内容为实现高频效率光传输提供了有效的理论和技术支持。第5章，全光奈奎斯特信号产生与处理。探索了全光信号处理技术，主要针对全光奈奎斯特信号的产生、传输与信号探测。首先，将介绍全光奈奎斯特信号脉冲产生的原理、信号调制以及复用机制，还给出了基于单个MZM实现频率锁定、线性相位且等幅度的光梳的理论基础； 然后，介绍了首个完整意义上的全光奈奎斯特信号的产生与相干探测系统，利用全光梳状谱，产生并相干探测了高达62.5Gbaud, 75Gbaud和125Gbaud的全光奈奎斯特 QPSK信号。最后，介绍了在偏振复用的全光奈奎斯特信号长距离和高阶调制格式方面的研究工作，包括37.5Gbaud 和62.5Gbaud全光奈奎斯特 PDMQPSK和16QAM信号的产生、传输和全带相干探测的结果。本章内容瞄准全光奈奎斯特信号，不仅能实现高频效率光信号产生与传输，还有望突破电子器件的带宽限制而极大地提高信号产生与处理速率。第6章，光纤信道非线性补偿算法研究。本章将对非线性补偿算法展开介绍，从理论、仿真和实验多方面验证了非线性补偿的性能。接着，还介绍了一种新型基于改进对数步长分布的DBP非线性补偿算法，并对其在奈奎斯特波分复用系统(NWDM)中的补偿效果进行了研究分析。最后，还介绍了基于对数步长的改进数字非线性补偿算法。第7章，概率整形技术研究。本章介绍的概率整形技术是一种对高阶调制格式的优化技术，具有传输容量高、系统复杂度低的优势。本章从概率整形的基本原理出发，分别从算法、仿真及实验的角度探究了概率整形技术对光载无线(radiooverfiber，RoF)系统的优化进行介绍。第8章，超高波特率光信号传输技术。本章对超高波特率光信号传输的实验进行了介绍和分析。主要从实验设置、实验结果分析的角度介绍了三个不同的实验： 第一个是对110Gbaud极化复用QPSK信号传输3000千米的实验； 第二个是128Gbaud极化复用QPSK信号传输1万千米的实验； 第三个是128Gbaud极化复用的16QAM信号长距离传输的实验。本章从实验上证明了超高波特率光传输系统的可行性和前景。第9章，高阶调制码光信号传输技术。本章也从实验角度进行验证，首先验证了34Gbaud极化复用(PM)256QAM信号的产生实验，然后验证了单载波400G PM256QAM信号传输实验。实验结果表明了高阶调制码光信号传输技术的优势和前景。第10章，无载波幅相调制技术。本章主要介绍短距离高速光传输。首先，介绍了新型高效调制格式CAP的调制与解调原理和实现方法，包括单带的CAPmQAM的产生和接收，以及多带多阶的CAP信号的产生与接收方法。其次通过实验研究，介绍了一种基于多阶多带CAP调制的WDMCAPPON多用户接入网络，并验证了其高速接入性能，首次展示了高速多阶多带的CAP信号用于WDMCAPPON实验系统。接着，介绍了基于高阶调制CAP64QAM的无线接入网传输试验。然后，介绍了基于直接调制激光器(DML)的直接检测和数字均衡化技术的高速CAP64QAM系统，利用改进的判决引导的最小均方误差算法（DDLMS）来均衡CAP64QAM。最后，介绍了100G带电色散补偿的CAP长距离传输。其中细致介绍了CAP的数字信号处理、SSB信号的生成、实验装置和结果，此外还比较了并行双电极马赫曾德尔调制器(DDMZM)的预色散、色散补偿光纤、SSB和IQ调制器之间的性能。第11章，PAM4信号调制和基于数字信号处理的探测技术。本章主要介绍了PAM4信号调制及其相应的数字信号处理算法与相关的PAM4高速传输系统实验。首先，介绍了PAM4原理，介绍了DDLMS算法和预色散补偿原理，此外还介绍了操作简单的查找表(LUT)算法，其可以在发送端对信号进行预畸变，抵抗直接检测系统中的各种非线性损伤。然后，介绍了4通道强度调制/直接检测(IM/DD) 112Gbit/s PAM4系统，联合应用了色散预补偿(PreCDC)、预均衡、LUT和DDLMS等一系列算法，实现了400Gbit/s大容量高速系统。最后，介绍了极化复用的400Gbit/s PAM4信号相干系统，该系统通过时分复用(TDM)和极化复用(PDM)，再采用预加重技术克服光电器件的带宽限制，实现了120Gbaud