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随着高清视频等大宽带互联网业务的不断普及，发展可实现超大容量接入的宽带接入技术已经成为必然。无源光网络(PON, Passive Optcial Network)以其容量大、传输距离长、成本低、全业务支持等优势成为研究焦点。无载波振幅相位调制(CAP, Carrierless Amplitude and Phase modulation)作为一种先进的调制技术，在1975年首次被提出并应用于铜线缆传输中。它作为正交振幅调制技术(QAM, Quadrature Amplitude Modulation)的变种，以相互正交的时域波形为载体，可实现多维度和多电平调制。同时，不同于QAM技术需要产生高频的正弦载波和混频器，CAP技术只需要使用设计好的固化滤波器实现波形调制解调。因此其系统架构简单，成本较低。基于这些特点，研究CAP技术在PON系统中的应用，具有极高的理论与实用价值。 本论文介绍了CAP技术的基本原理和分析了CAP调制信号在光纤中传输所面临的问题。在此基础上，对基于CAP技术的PON进行了理论与实验研究，并取得了若干创新性成果。 在设计多维CAP滤波器时，我们通过理论分析和实验验证相结合的方式，优化了CAP滤波器的设计算法，将多带Multi-Band表达式法与传统Minmax最优化算法结合，提出了最优表达式Optimization Expression算法，提升了CAP技术的频谱效率和传输性能。 在探索CAP技术的应用前景时，我们理论分析了CAP技术应用于PON的可行性，并通过比较证实 CAP技术在光接入网中有明显的降低成本和减少能耗的优势。在时分复用无源光接入网(TDM-PON, Time Division Multiplexing-PON)充分商用化的基础上，进一步提出基于多维CAP技术的TDM-PON架构，对光线路终端(OLT, Optical Line Terminal)和光网络单元(ONU, Optical Network Unit)结构原理和上下行数据传输控制过程进行了介绍，为CAP技术应用于PON的实际商用化奠定了理论基础。 传统 CAP技术有其对时间抖动敏感等不足之处，而将正交频分复用（OFDM, orthogonal frequency division multiplexing）调制技术与多维CAP调制技术结合起来，利用OFDM成熟的均衡算法可有效弥补CAP信号在光纤信道中受到的损伤。在此基础上，本论文通过实验证实了这种组合调制技术的可行性，并且实现了25km距离的5Gbit/s的PON系统下行传输实验。 利用CAP技术的优点，文章设计了一种多维CAP-PON系统架构，实验验证了强度调制-直接探测(IMDD, Intensity Modulation Direct Detection)方式下的下行过程；理论分析了上行过程ONU之间的拍频噪声问题的严重性，并实验验证通过载波抑制-相干接收的方式可以消除拍频噪声的影响；进一步仿真验证了 CAP技术在长距离相干PON中的可行性，验证了数字信号处理(DSP, Digital Signal Processing)算法对色散和相位噪声的消除作用。 不同于上文正交CAP技术的情况，我们对CAP技术进行了非正交情况的探索，研究了非正交CAP滤波器的性能，将CAP滤波器的正交性条件放宽，并进一步的降低滤波器的带宽。非正交性滤波器的引入会给各路信号带来干扰，因此提出一种新的干扰消除均衡算法(ICCA, Interference Cancellation Algorithm)可以用来消除码间串扰(ISI, Inter Symbol Interference)和信道间串扰(CCI, Cross Channel Interference)。通过理论分析与实验验证了ICCA均衡算法能将非正交CAP-PON下行方向的频谱利用率从3.85 bit/s/Hz提高到4.35bit/s/Hz。