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随着物联网、高清视频、人工智能等新兴技术的高速发展,以及远程办公、云课堂、云桌面等流量饥渴型业务的快速普及,数据流量持续不断的高速增长,数据中心架构面临快速的更新换代。在容量高速增长的数据中心光互连中,100-G光互连技术已经被普遍采用,400-G规模商用时代正在来临,800-G高速光模块已经发布。具有庞大连接数量的短距离数据中心光互连对成本与功耗十分敏感,倾向于采用低成本、低功耗、小尺寸、高集成度的器件。然而,低成本低功耗的小型器件会导致高速信号受到器件带宽的限制。本论文针对短距离光纤传输系统中的带宽受限问题,在多载波调制及单载波调制的基础上,对带宽受限的正交频分复用(OFDM)、非正交频分复用(NOFDM)和单载波系统的信号调制与干扰消除技术进行了深入研究。论文的主要研究内容和创新点总结如下:一、基于分层非对称剪裁光正交频分复用的干扰消除方案对于OFDM系统,本论文首先将以离散哈特莱变换(DHT)和离散余弦变换(DCT)为代表的实数三角变换应用于分层非对称剪裁光正交频分复用(L-ACO-OFDM)中,提出了基于实数三角变换的L-ACO-OFDM系统。L-ACO-OFDM将多层信号叠加,频谱效率的提升使其更适合于带宽受限系统。基于实数三角变换的L-ACO-OFDM可以实现全实数运算,运算复杂度比基于离散傅里叶变换(DFT)的L-ACO-OFDM 降低一半。针对L-ACO-OFDM中当前层信号的剪裁噪声对后续层信号引入的载波间干扰(ICI)问题,本论文通过分集合并技术,在基于实数三角变换的L-ACO-OFDM系统中提出了改进ICI消除方案,在仿真系统中可以获得2-dB以上的Eb/N0增益,在实验系统中能够在7%前向纠错(FEC)门限处达到约2-dB的接收机灵敏度提升。针对L-ACO-OFDM信号的高峰均功率比(PAPR)问题,本论文首次对可以有效降低PAPR、运算复杂度和高频损伤的分层非对称剪裁光单载波频分复用(L-ACO-SCFDM)方案在短距离带宽受限光互连实验系统中的性能进行了分析。通过搭建3-dB等效带宽约为2-GHz的带宽受限实验系统,传输了 18-Gb/s L-ACO-SCFDM及L-ACO-OFDM 信号,在 7%FEC 门限处 L-ACO-SCFDM 相对 L-ACO-OFDM具有约4-dB的接收机灵敏度提升。同时,针对L-ACO-SCFDM信号提出了去除固定干扰的优化方案提升实验性能,Q因子可以达到约2.3-dB的提升。二、基于超奈奎斯特非正交频分复用的载波间干扰消除方案对于NOFDM系统,当压缩OFDM的子载波间隔至小于每个子载波符号速率的一半,可生成具有更低带宽的超奈奎斯特非正交频分复用(FTN-NOFDM)信号。由于子载波间隔的压缩,FTN-NOFDM中的ICI问题被重点关注。当ICI被性能较好的树形搜索法进行有效消除后,本论文首次对FTN-NOFDM系统在加性高斯白噪声信道下的Mazo极限和容量极限进行了验证。当子载波间隔压缩因子设置为0.802时,采用QPSK调制的FTN-NOFDM与OFDM的误码率性能基本相同。因此,当子载波间隔压缩因子设置在1至0.802的区间时,FTN-NOFDM信号的容量极限能够高于奈奎斯特信号的容量极限。针对ICI消除性能较好的树形搜索法的运算复杂度仍然可以降低的问题,本论文在基于分数阶余弦变换(FrCT)的FTN-NOFDM系统中,提出采用搜索半径辅助的基于QR分解和M算法的最大似然检测(RA-QRM-MLD)、迭代检测级联球形译码(ID-SD)、迭代检测级联基于QR分解和M算法的最大似然检测(ID-QRM-MLD)三种简化的树形搜索法用于ICI的有效消除。通过搭建短距离带宽受限光纤传输实验系统,在3-dB等效带宽约为5.5-GHz的带宽受限实验条件下,对28-Gb/s FTN-NOFDM信号及OFDM信号的传输性能进行分析。在采用简化的树形搜索法对ICI进行有效消除后,具有带宽压缩特性的FTN-NOFDM信号相比OFDM信号在带宽受限系统中具有性能优势,在OFDM的系统性能无法达到FEC门限时,FTN-NOFDM的系统性能可以达到FEC门限。三、基于单载波调制的符号间干扰消除方案对于单载波系统,本论文基于四进制脉冲幅度调制(PAM-4),针对带宽受限信道对单载波信号引入的符号间干扰(ISI)问题,提出了预均衡和后均衡联合算法。其中发送端采用频域上预均衡强度可调的算法,避免PAPR过高导致的信号有效功率下降问题,接收端的后滤波器系数根据预均衡强度进行联合优化。在10-dB等效带宽约为14-GHz的带宽受限光纤传输实验系统中,预均衡和后均衡联合算法可以使112-Gb/s PAM-4信号经过2-km标准单模光纤的传输实验性能在7%FEC门限处达到大约2.5-dB的接收机灵敏度提升。综上所述,本论文针对短距离光纤传输系统中的带宽受限问题,系统深入地研究了三类适用于短距离带宽受限光纤传输系统的信号调制与干扰消除方案。在多载波调制的基础上,针对带宽受限的OFDM调制技术研究了 L-ACO-OFDM及L-ACO-SCFDM系统中的ICI消除方案及干扰消除优化方案;针对带宽受限的NOFDM调制技术研究了 FTN-NOFDM系统中的ICI消除方案。在单载波调制的基础上,针对带宽受限的单载波调制技术研究了 ISI消除方案。将所提出的信号调制与干扰消除方案应用于短距离带宽受限光互连系统,进行了仿真和实验上的充分验证。本论文所研究的信号调制与干扰消除技术为短距离带宽受限光纤传输系统提供了可行方案。