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相干光正交频分复用(CO-OFDM)技术不仅拥有相干光接收技术的高灵敏度、长距离传输等特点，而且也有效保留了无线正交频分复用技术的大容量、高速率、高频谱效率、抗色散和偏振膜色散等优点。相关研究表明，CO-OFDM系统与现行的光传输系统有很强的兼容性，并能成功应用于下一代高速率、大容量、长距离、低成本的光传输网络。 本篇论文以CO-OFDM传输系统为研究对象，从CO-OFDM系统原理及关键技术入手，基于Matlab软件搭建了完整的CO-OFDM仿真平台，深入探究了CO-OFDM系统的定时同步技术及物理层安全机制，详细工作内容如下: 1.结合目前国内外的研究现状，详细介绍了CO-OFDM系统的优劣势及发展前景，并重点分析了相干光接收技术和OFDM的关键技术，推导出了完整的CO-OFDM基本数学模型。 2.基于Matlab软件搭建了CO-OFDM系统仿真平台，分析了经典定时同步算法(S&C算法、Minn算法)在光纤信道和无线信道中的联系和区别，并对其在仿真平台环境下进行性能分析，总结出S&C算法和Minn算法在光通信系统中的缺陷。针对CO-OFDM系统中的残留光载波干扰问题提出了基于训练的改进同步算法，针对训练算法带宽利用率低问题提出了基于叠加训练的改进同步算法。 3.对CO-OFDM系统的物理层安全机制进行必要性和可行性分析，提出了基于跳频技术提高CO-OFDM系统的物理层安全性的方法，并对其进行性能仿真，总结出基于跳频算法的CO-OFDM系统具有很强的抗侦听和抗干扰性能。