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高带宽网络需求的业务增长,通信多样化的发展趋势,以及方便快捷、绿色健康的生活理念,促使着人们对光接入网的升级需求不断增长。近年来,新一代光接入技术在学术及产业界得到了大量与深入的研究。其一,在高速光纤接入方面,为满足日益增长的宽带业务需求,下一代无源光网络(PON)的研究,引起了广泛重视。其二,新型可见光通信顺应着绿色健康的生活理念而出现,逐渐成为下一代室内高速接入的最具发展潜力的技术之一,目前成为学术界一大研究热点。其三,从单纯的光纤通信,到光纤、无线电通信的无缝融合,再到光纤、无线电及自由空间光通信的多重融合,这些新型光纤无线混合通信方面的研究,被视为未来室内外接入技术的发展方向。然而,在以上所提及的研究中,有关调制格式及关键数字信号处理(DSP)算法的提出与验证,均是基于离线实验,其并未考虑算法的硬件实现形式、实现复杂度,实现过程中的数据精度,及所需的片上资源开销与实现后的功率消耗等一系列问题。本论文针对这一系列问题,搭建了面向新型光接入网的实时通信实验平台,研究并提出了多种适合于硬件实现的高效数字信号处理算法,以推动新型光接入网的规范化及实用化进程。另外,从理论方面展开研究,提出了若干有效方案以解决新型光接入通信系统中的相关关键问题。本论文主要研究内容及取得的相关成果如下:第一,面向下一代PON的直接检测(IMDD)光纤通信系统,开展的研究工作如下:1)提出了一种适用于实时实现的精确符号同步算法及一种基于导频的实时信道估计方案,在基于16路并行1024点快速傅里叶变换/逆变换(FFT/IFFT)的直接检测光正交频分复用(DDO-OFDM)实时系统中进行实验验证。实验结果验证了所提出的算法的有效性,并首次验证了基于多路并行大尺寸FFT/IFFT实现光OFDM系统的可行性,证明了基于导频的信道估计方案可以抵抗实时DDO-OFDM系统中的采样频偏所带来的影响。2)基于归零模式(RTZ)数模转换器(DAC),实验实现了一个25 Gb/s的直检双频带离散傅里叶变换扩展(DFT-Spread)OFDM半实时传输系统。首次证明了采用采样RTZ-DAC及双频带传输技术提高DDO-OFDM速率的可行性,该项工作有利于推动25G OFDM-PON的发展进程。3)基于超奈奎斯特(super-Nyquist)采样技术,实验实现了一个基于欠采样模数转换器(ADC)的双频带奈奎斯特四电平脉冲幅度调制(Nyquist PAM-4)半实时IMDD光传输系统。尽管系统中所利用的ADC采样速率仅为5 GSa/s,该系统的传输速率却高达20 Gb/s,它首次证明了基于super-Nyquist采样技术的双频带传输方案的有效性。第二,面向室内新型可见光接入,开展的若干理论及实时实验研究工作如下:1)实验研究了自适应DFT-Spread-OFDM应用于基于发光二极管(LED)的可见光通信系统中的可行性。结果表明,自适应DFT-spread-OFDM可同时抵抗LED可见光通信中的非线性效应及高频衰落效应。2)提出了一种基于串行IFFT的周期性噪声消除算法,在LED可见光通信系统中进行实验验证。从理论上分析了该算法的有效性,实验结果表明该算法可有效消除因非理想放大元件中的自激效应而产生的周期性噪声以改善系统性能。3)提出了一种简单的基于训练序列(TS)的采样频偏(SFO)估计与消除算法,实验实现一个基于激光二极管(LD)的吉比特实时OFDM可见光通信系统,并首次演示了一个基于可见光通信的1.485Gb/s高清串行数字接口(HD-SDI)视频信号传输。另外,提出了一种实时易实现的低复杂度预编码方案,相关实验表明,该编码方案可有效抵抗可见光通信中高频衰减所带来的影响。第三,面向新型光纤无线混合接入,展开了若干理论及实时系统研究,开展的研究工作如下:1)首次搭建并展示了一个软件自定义的直接检测光纤通信与激光可见光通信融合的光纤无线混合通信实时实验系统,实验结果表明,在无采样频偏补偿的情况下,该系统仍可取得超2 Gb/s的传输速率,初步证明了激光可见光通信与直检光纤通信的融合可应用于未来室内外光接入的潜在可能性。2)提出了一种简化的实时可实现的多模盲均衡算法,实验实现了一个实时Q波段(36-41 GHz Q-band)PAM-4光载无线(RoF)通信系统,同时,在系统中研究了交织里所(RS)纠错编码的性能,研究结果表明了所提出与所采用的算法的有效性。3)首次采用光子四倍频及平衡预编码技术,实现了一个W波段(75-110GHz W-band)的光纤无线混合通信系统,从理论与实验的角度分别证明了所采用技术的有效性。4)首次将Twin-SSB-OFDM传输技术用于光载无线通信,实现了一个基于电滤波器的双单边带OFDM外差式W波段光纤无线混合系统,并提出了一种面向外差式光纤无线混合系统的实时可实现的载波恢复算法,通过离线实验与实时研究相结合的方式,验证了该算法的效果,同时初步证明了基于电滤波器的Twin-SSB-OFDM传输方案应用于未来高速光纤无线混合接入中的可行性。