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无源光网络(PON)技术由于其带宽大、成本低、易维护和灵活性强等优势被认为是最具潜力的宽带光接入技术，在当前的接入网系统中具有广泛的应用。但伴随着大量高带宽业务的快速发展，据预测接入网未来3年需要具备提供50～100-Mb/s/用户带宽的能力。当前基于二进制开关键控(OOK)调制的时分复用无源光网络(TDM-PON)技术由于严重的光纤色散和高速突发难题难以胜任扩展带宽到40-Gb/s或更高速率。基于正交频分复用(OFDM)的无源光网络(OFDM-PON)由于具有良好的抗色散性、灵活的带宽分配能力和先进的数字信号处理能力成为下一代PON的候选方案之一。然而上行无色性问题给OFDM-PON提出了一个巨大的挑战，用户端的成本问题使得其实用性大打折扣。 本文将数字信号处理(DSP)方法与传统的时分复用架构相结合，提出了DSP-enhanced TDM-PON方案。在该方案基础上，为了改善传输性能和节约运维成本，在DSP方法比较和优选、平滑升级和系统扩容三方面对其做了研究。论文的主要创新工作如下: (1)针对当前TDM-PON的速率瓶颈和OFDM-PON中的无色性问题，提出了DSP-enhanced TDM-PON方案，该方案同时具备了TDM架构低成本和DSP方法高性能的优势，并通过26.7公里标准单模光纤(SSMF)传输进行了实验验证。 (2)在DSP方法的比较和优选方面:围绕着传输性能和成本，通过仿真和实验对基于频域均衡的四种DSP方法（OFDM，SCFDE，DFT-S-OFDM和IFDM）进行了计算复杂度、峰均比、灵活性和误码率性能方面的比较。在比较结果的基础上，提出了上行SCFDE、下行OFDM的单载波/多载波混合传输方案。仿真结果显示在光网络单元(ONU)数目为64时，该方案相比于传统的OFDM-PON系统，可以将计算复杂度降低43％。 (3)由于与OFDMA技术相比，交织频分多址(IFDMA)技术发射端具有较低的复杂度和峰均比，所以非常适合作为价格敏感的接入网上行传输方法。本文提出了一种基于IFDMA技术的无源光网络上行传输方案，并通过26.7公里SSMF传输实验验证了该方案的可行性。 (4)在平滑演进方面:提出了从传统TDM-PON到DSP-enhanced TDM-PON的平滑演进方案，该方案只需要改进光线路终端(OLT)侧的收发机即可实现OOK信号和DSP信号的收发，升级过程无需改动当前的光分配网(ODN)并且对当前用户和服务影响小，有效节约了网络建设和维护的成本。该方案成功地通过实验进行了可行性验证。 (5)在系统扩容方面:采用64-QAM（正交幅度调制）高阶调制和0.85-GHz载波信号保护频带成功实现了20-Gb/s双边带100公里传输，联合偏振复用技术即有望实现40-Gb/s传输标准。在扩容传输中，通过仿真和实验研究发现非线性效应将使得光载波和信号边带之间的光功率发生转移，影响载波边带功率比，从而影响接收机灵敏度和系统功率预算。