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随着高清电视、云计算、云存储和视频会议的兴起和移动通信4G-LTE的迅速发展，城域网和骨干网的通信容量需求呈爆炸式增长。传统强度调制直接检测(IM-DD)的光纤通信系统已经无法满足这样的需求。高速相干光通信系统再一次被提出来，并且迅速发展成高速率大容量通信系统的主流。高阶QAM不仅具有比较高的频谱效率，还能够显著提高相干光通信系统的通信容量，已成为下一代光通信的候选调制格式之一。高阶QAM很容易受到激光相位噪声的影响，严重降低了系统的性能。因此，载波相位恢复算法是本文的主要研究内容。 首先，本文介绍了相干光通信系统的结构及其工作流程，还介绍了相干接收端的数字信号处理(DSP)算法模块。对光纤链路中存在的几种主要损伤机理作了分析，主要包括光纤损耗、光纤色散、光纤非线性和相位噪声。其中，相干光通信系统中的相位噪声主要是由激光线宽产生。 其次，回顾了几种经典的载波相位恢复算法，包括面向判决反馈(DD)算法、盲相位搜寻(BPS)算法和M次幂相位恢复算法等，分析了它们各自的优缺点。 最后，介绍了我们所做的主要工作: 1)提出了一种改进的基于64-QAM系统的QPSK分割算法，并对其进行了仿真分析，结果表明该算法很好地兼顾了激光线宽容忍性能和计算复杂度。 2)提出了一种新的改进型最大似然估计(EML)算法。该算法的设计初衷是降低错误判决的影响，进而提高激光线宽的容忍性能。仿真的结果表明，相比传统的最大似然估计(ML)算法，这个改进型最大似然估计算法在激光线宽噪声比较大的时候能够取得更好的性能。 3)在以上两种改进型算法的基础上，我们提出了一个新的激光线宽容忍性能较好的两级载波相位恢复算法——VVPEc1&c3+EML。通过仿真分析，在1dB信噪比(SNB)的代价下，目标误码率(BER)为1E-2时，该算法在64-QAM系统中能够取得的联合线宽符号周期乘积为5.6E-4。这就意味着，在标准通信传输速率为32GBaud时，这个算法能够容忍的联合激光线宽高达1.7MHz。进一步，在系统存在残余频偏的时候，该算法依然能够取得出色的误码率性能。在联合线宽符号周期乘积设为5.6E-4时，它在64-QAM系统中能够容忍的最大残余频偏高达9MHz。