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本书主要针对高速短距离光纤传输系统的先进数字信号处理技术展开研究，短距离光通信链路由于部署规模大，对成本和器件集成尺寸比较敏感，因此IMDD仍主导着短距离市场。随着数据中心和接入网流量的增加，系统中的带宽限制、光纤传输损伤和光电器件非线性损伤等给短距离传输带来的影响也愈发严重。高速中短距离光传输与光接入系统目前正处于升级换代、速率提升的阶段。本书紧跟当前研究热点和行业标准，围绕高速光互连和宽带光接入系统的先进数字信号处理技术展开。在高速光互连中，对先进调制格式、在器件带宽受限情况下的先进算法、概率整形技术等进行了介绍；在宽带光接入系统中，介绍了接入网标准的演进及基于带宽受限器件接入网系统。本书理论分析和实验研究并重，介绍了一系列前沿性、开拓性和有深度的研究工作，可以为下一代工业界标准制定提供有价值的参考，具有重要的理论意义和工程应用价值。主要内容安排如下。
第1章围绕本书的研究背景和当前研究现状展开。首先介绍了高速短距离光纤通信的研究背景与意义，以及高速数据中心光互连和接入网的国内外研究现状和趋势，然后概述了本书内容安排。
第2章主要围绕高速短距离光纤传输系统基础及其关键问题展开。首先，针对高速短距离光纤传输系统架构，从光发射机、光接收机、光纤信道、光放大器、先进调制格式和数字信号均衡技术等方面进行了介绍。其次，综述了高速短距离光纤传输系统面临的关键问题，介绍了系统带宽受限问题，推导了光纤传输损伤模型和IMDD系统模型，阐述了MZM和DML非线性损伤产生的机理。最后，综述了目前解决高速短距离光纤传输系统中关键问题的主流方法，先进数字信号处理技术和新型编码调制可以有效提升系统性能。本章对短距离光通信系统中关键问题和解决方法的总结，为后续展开采用低成本器件实现高速短距离传输研究提供了方向和指导。
第3章主要围绕基于带宽受限器件的数据中心光互连系统研究展开。在数据中心光互连研究进展中，首先介绍了三大类数据中心光互连网络，即数据中心内光互连、城域网数据中心间光互连和广域网数据中心间光互连；接着介绍了以太网标准的演变和光模块的发展。面向下一代大容量数据中心光互连的需求，需要考虑器件的低功耗、高可靠性、低成本和技术是否易实现，这也是本书研究的方向。为了使用已经部署的带宽受限的商用器件实现更高速率的传输，提出了一种发射端和接收端联合均衡算法。基于该算法，在C波段基于带宽受限的10Gbit/s级DML首次通过实验验证了100Gbit/s PAM4和PAM8信号IMDD传输。接着，基于10Gbit/s级DML发射机和15Gbit/s PIN-TIA接收机演示了50Gbit/s和56Gbit/s PAM4传输120km SSMF。通过该实验验证了基于带宽受限器件和级联SOA辅助的方案可行性，结合低复杂度DSP，可以满足80～120km数据中心光互连的需求。
第4章主要围绕基于高阶PAM的数据中心光互连非线性研究展开。首先针对短距光通信中查找表算法复杂度较高的问题，尤其对于高阶PAM调制信号，首次提出了一种基于改进查找表的高阶PAM非线性预失真技术，在基本不降低算法性能的前提下，降低查找表的复杂度。通过基于改进查找表的PAM8 IMDD系统传输实验验证，与经典的查找表算法相比，对系统性能提升相近，但是改进查找表方法码型的数量减少了一半，在发射端所需要的计算机物理内存和索引复杂度都有极大幅度的降低。接下来为了解决DML自身啁啾效应引起的电平抖动导致的难以判决的问题，提出了一种具有噪声的基于密度空间的聚类（Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise,DBSCAN）算法的高阶PAM非线性判决技术，以提高电平判决准确性，而无须使用任何非线性处理算法。对于基于带宽受限器件的数据中心光互连系统，高阶PAM有着更高的频谱效率，但是，高阶PAM信号对噪声更敏感，受到的非线性损伤要高于PAM4，本书对这一问题的探索研究具有前瞻性意义。
第5章主要围绕基于概率整形的200Gbit/s+数据中心内光互连系统研究展开。在概率整形技术研究中，首先介绍了概率整形技术的基本原理，介绍了概率幅度整形（Probabilistic Amplitude Shaping,PAS）架构；然后给出了广义互信息（Generalized Mutual Information,GMI）和归一化广义互信息（Normalized Generalized Mutual Information,NGMI）表达式推导，以代替前向纠错（Forward Error Correction,FEC）门限实现更高精度预测post-FEC误码率，并且对GMI和NGMI进行了数值模拟。针对基于概率整形技术的高阶PAM数据中心内光互连，首次提出了基于硬限幅的概率整形时域数字预均衡方案。基于该方案，首次验证了利用单个EML实现单通道260Gbit/s PS-PAM8信号传输1km NZ DSF；接着，本章分析了超高速信号SOA大信号增益模型，实验验证了在O波段基于SOA和PS实现了单通道280Gbit/s PS-PAM8传输10km SSMF，这是当前最高最长距离传输纪录；最后，综合提出的改进查找表、概率整形、时域数字预均衡和硬限幅技术等联合均衡技术，首次实验实现了单信道350Gbit/s PS-PAM16数据中心内光互连。本章通过广泛的实验演示了基于概率整形技术的高阶 PAM 信号实现单通道超过200Gbit/s 的数据中心光互连，使PS-PAM成为多通道实现800GbE或1.6TbE数据中心内光互连有潜力的可选方案。
第6章主要围绕基于带宽受限器件的无源光网络传输系统研究展开。在PON研究进展中，首先回顾了ITU-T和IEEE的PON标准化进程；然后，介绍了不同PON标准中最关键的波长规划问题；最后，总结了近5年使用10Gbit/s发射机的IMDD传输实验，从应用场景、调制格式、发射机、色散容限和高效DSP 5个方面介绍了PON发展的关键技术和发展趋势。针对基于受限器件的 PON 传输系统，首次通过使用10Gbit/s 发射机和 SOA 使能的接收机，实验研究了基于PAM4调制的O波段100G-TDM-PON的下行传输，数值模拟分析了50GBaud PAM4信号传输20km G.652光纤时的色散容限；PAM4调制格式与DMT和相干方案相比，有着最低的功率损耗。然后，首次在同一光纤链路中研究了基于带宽受限器件的50G-PON对称传输，通过实验对比了PAM4、DMT和CAP 3种先进调制格式在上下行链路中的性能，分析了它们的接收灵敏度、功率预算、色散容限和DSP复杂度。最后，首次实验研究了基于带宽受限器件的对称50G-PON上行突发传输，采用基于数字滤波平方定时突发时钟数据恢复（Burst Clock Data Recovery,BCDR）算法，成功在上行链路中传输了50Gbit/s PAM4信号。
第7章主要围绕基于强度调制相干检测的200G-PON传输系统研究展开。针对当前零差相干PON系统中光收发机和数字信号处理算法复杂的问题，提出了一种基于MZM的强度调制外差相干检测PAM4 PON的方案。首先，介绍了该方案中强度调制、外差相干探测和数字信号处理算法的基本原理。在发射端采用MZM强度调制避免了使用成本较高的IQ调制器；在接收端，在每个极化的外差相干检测中仅需要一个平衡光电探测器和一个模数转换器，简化了相干接收机。由于调制的信号是PAM4信号，与16QAM信号相比，载波相位估计算法更简单。通过使用优化的 Nyquist 脉冲整形，收发机带宽可以降低在50GHz 范围内。然后，通过实验首次验证了200Gbit/(s·λ)偏振分复用PAM4外差相干检测PON系统，最大链路功率预算可以达到32.5dB，信号光和本振光之间频率偏移10GHz时只带来1dB的功率代价。最后，通过仿真分析了激光器线宽对载波相位估计算法复杂度和容忍性的影响，在不牺牲系统性能的前提下，如果用线宽小于100MHz的DFB激光器来代替外腔激光器（External Cavity Laser,ECL），系统的总成本将会进一步降低。提出的基于强度调制和相干探测的方案展示了低成本实现200Gbit/s 相干 PON的可行性。
第8章主要介绍OFDM和DFT-S OFDM调制格式、信号均衡技术及编码技术的研究工作。首先介绍了光纤通信中一种新的除权预均衡技术。其次介绍和理论推导了光纤系统中的独立单边带生成技术和色散预补偿技术。然后针对光纤通信中的双边带独立信号的非线性串扰问题，我们首次提出了一种新的非线性串扰消除算法，解决了低成本不完美 IQ 函数的 DD-MZM 引入的非线性串扰问题。接下来针对大容量光纤系统的进一步需求以及光电器件的带宽受限问题，我们提出了概率编码 OFDM 技术在直接调制直接检测（以下简称直调直检）系统中的应用，解决在当前调制阶数下信噪比有所冗余，但又不足以升阶的问题，进一步提高频谱效率。我们通过实验实现了基于PS-256QAM、PS-1024QAM和截断PS-16384QAM的光纤直调直检传输平台，并相对应地实现了净速率128.82Gbit/(s·λ)（5km）、28.95Gbit/(s·λ)（40km）和112Gbit/(s·λ)（2.4km）的传输。据我们所知，该实验结果是当时第一个在直调直检系统中使用如此高阶的PS-QAM OFDM信号。该实验也证明了概率编码在短距离传输的可行性和其非线性鲁棒性，考虑低成本要求，固定概率分布的PS可能会是一种最佳选择。
第9章着重介绍DMT调制格式在低成本短距离IMDD系统中的应用。介绍了DMT中的关键技术，包括DFT-S的预编码技术和自适应比特功率加载（Adaptive Bit Power Loading,ABPL）技术。为了进一步提升传输速率，可以采用高阶QAM格式，本章研究了4个波长的WDM 20GHz 64QAM DMT和128QAM DMT在基于10Gbit/s类型器件IMDD系统内的传输效果。为下一代基于DMT的400Gbit/s短距离低成本光互连的研究提供了有利依据。在120Gbit/s的IMDD系统内具体比较了预均衡DFT-S DMT和ABL-DMT的性能。
第10章针对城域网中现有传输的瓶颈因素——非线性损伤，提出了基于神经网络的信道均衡技术。为了对多种神经网络技术进行横向比较，我们分别通过多层感知机（Multilayer Perceptron,MLP）、函数链接神经网络（Functional Link Neural Network,FLANN）、循环神经网络（Recurrent Neural Network,RNN）和深度神经网络（Deep Neural Network,DNN）实现了非线性补偿。我们通过实验实现了基于神经网络均衡器的城域网光纤直接检查传输系统，实现了基于DNN的400km 112Gbit/(s·λ) PAM4传输和基于MLP、FLANN和RNN的320km传输。综合考虑性能与计算复杂度，FLANN有着最好的性价比。针对光纤通信中的CAP复数信号的IQ不平衡问题，首次提出了一种新的级联复数信号实虚部非线性串扰消除算法，解决了中长距离光纤传输引入的非线性导致的IQ不平衡问题。我们通过实验实现了基于中长距CAP信号的光纤大容量传输系统平台，并成功实现了单波长112Gbit/s 480km的传输，相较于其他均衡算法接收灵敏度提高了超过3dB，极大地提高了CAP信号在直接检测系统下的传输容量和传输距离。
第11章对比了PAM8、CAP64和DFT-S OFDM 64QAM这3种调制格式在接入网低成本带宽受限系统下的性能。我们对3种色散预补偿技术和两种调制器进行了比较。在色散预补偿技术与DCF的比较中，我们发现DCF虽然不需要额外的DSP开销，但无法完美匹配实际使用的光纤，所以在性能上劣于色散预补偿技术。而使用SSB技术，则在DD-MZM和IQ调制器中有着截然不同的结果。同时由于 DD-MZM 不完美的 IQ 函数，其无论背靠背还是光纤传输性能都劣于IQ调制器。根据我们的分析，我们认为使用IQ调制器和色散预补偿技术能够很好地在城域网直接检测系统中立足。
第12章对带宽不受限情况下直调直检城域网中的PAM4、CAP16和DFT-S OFDM 16QAM格式进行了详细的分析和比较。我们通过实验实现了一个480km的100Gbit/s传输光纤直调直检系统，针对3种色散补偿技术和两种调制器进行了深入的探究，并同时实现了3种调制格式在480km下100Gbit/s的传输。
第13章对信号-信号间拍频干扰产生的原理进行了阐述，并且对基于发送端非线性预处理的无信号-信号间拍频干扰方案进行分析讨论。我们介绍了针对信号间拍频干扰消除的数字信号处理算法的几个主要方法，包括迭代消除法、多级线性化滤波器、Volterra均衡器以及KK接收机等。我们对各种算法的计算复杂度进行了模拟比较。我们的研究表明，采用基于发射端非线性预处理的无信号间拍频干扰方案、修正的 KK 接收机以及基于相位调制的无信号间拍频干扰方案等，能够有效降低系统的计算复杂度。
第14章研究用于接入网和城域网的40Gbit/s具有成本效益的发射机。该40Gbit/s发射机包括一个标准的直接调制 DFB 激光器和一个后续的光学滤波器。该发射机较大的色散容限是通过线性调频控制实现的，该线性调频控制通过相消比特在相邻比特之间的相位相关性消除“0”比特的功率，同时提高消光比。本章对 DFB 激光器的线性调频模型和光学滤波器的最佳参数进行了数值分析。实验验证了在20km SSMF上没有啁啾管理的42.8Gbit/s传输和集中式光WDM-PON系统。我们还实现了100m渐变折射率塑料光纤（Graded Index-Plastic Optical Fiber,GI-POF）的传输。此外，本章还研究了240km SSMF在城域网中的应用。
第15章从矢量光束的偏振特性角度出发，详细介绍了矢量模式的基本特性与产生方式，简单阐述了矢量波束的应用前景。从模式复用理论出发，对少模光纤中的模式传播理论进行研究与利用，对矢量模式的特性与其在少模光纤中复用传输的原理进行了简要介绍。实验验证了超1.6Tbit/s的WDM MDM在低成本IMDD架构的20m短距离板间光互连传输的通信系统。在采用非线性补偿方案的WDM MDM通信系统中，基于3种模式和4种波长的波分复用技术系统中，净速率为1.84Tbit/s的PAM6信号在传输20m的OM2光纤后成功做到误码率低于3.8×10 -3 。实验结果表明，我们提出的结合MDM和WDM的PAM通信方案是未来1.6Tbit/s短距离板间光数据中心互联的有竞争力的备选方案。