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随着宽带视频、多媒体业务等新兴数据业务的发展，人们对带宽需求的快速增长推动着光传输网的不断发展，大容量、高速率的光通信系统已经成为下一代通信网络的重要支撑之一。光正交频分复用系统有很高的频谱效率、较强的抗光纤色散和偏振模色散的能力，结合相干检测技术后，还可大幅提高接收灵敏度，对于高阶调制格式和信道均衡的实现也更加灵活和简单。许多研究表明，相干光正交频分复用(CO-OFDM)是实现超100Gbit/s光传输的一种十分有竞争力的解决方案。 然而OFDM信号对于同步误差和相位噪声较为敏感，且其较高的峰均功率比(PAPR)会导致传输过程中的非线性损伤严重。本论文也是基于对这些损伤的补偿展开，对同步技术及PAPR降低技术进行研究，并重点针对时序同步和相位噪声估计展开深入的分析研究并提出改进方案。论文的主要工作和创新点如下: (1)分析了CO-OFDM系统的基本原理，包括OFDM的数学描述、信号的调制/解调、循环前缀等。并且分析了相干接收系统的基本原理和结构，介绍了两种常见的接收方案。 (2)给出了CO-OFDM系统的整体实现方案，并搭建了112Gb/s的偏分复用CO-OFDM仿真系统。 (3)分析了CO-OFDM系统的信号处理流程，实现了系统的频率同步及信道估计，并分析了OFDM的PAPR特性，对几种PAPR降低技术进行了比较研究。 (4)提出了两种改进的时序同步算法，并在PDM-CO-OFDM仿真系统中与传统算法进行比较分析，证明了改进算法能够实现更高的定时精度，并且提高了对CD和PMD的容忍度。 (5)分析了CO-OFDM系统中的相位噪声理论及几种传统相位估计算法，针对传统算法的不足，提出了基于判决引导和判决反馈的盲相位估计算法，并通过112Gbit/s的PDM-CO-OFDM仿真系统的测试，在估计性能、导频开销、对激光器线宽的容忍度等方面对几种算法进行了比较，验证了所提出算法的优越性。