波分复用（WDM）光网络具有波长和节点数目众多、传输路径动态重构、业务/资源动态调度等特点，亟须发展低成本、高可靠的在线监测技术，以保障光网络的安全稳定运行。本文提出了一种基于四进制脉冲幅度调制（PAM4）数字光标签的低成本、高可靠、高效率监测方案，并创新设计了PAM4光标签加载、探测和处理等整套机制与方法，配合所提出的基于PAM4光标签序列特征的光功率监测误差修正方法以及基于频谱峰值的功率计算方法，所提方案可以准确高效地监测波长通道光功率、估计光信噪比（OSNR）并恢复数字标签信息等。搭建了16 GBaud偏振复用QPSK/16QAM WDM光传输仿真系统和离线实验平台，验证结果表明所提方案在25跨段长距离传输后的通道光功率监测误差不超过0.65 dB，OSNR估计误差不超过0.6 dB，性能略优于传统的基于差分相移键控（DPSK）低阶调制格式的光标签监测方案。

提出一种基于训练序列相位差+调频Z变换（CZT）的两级频偏估计算法。该方案采用设计的时域训练序列块并结合块内和块间多次平均平滑噪声影响，以较低开销实现频偏的稳定粗估计，并进一步基于第一级频偏粗估计设定第二级CZT估计范围，以较低计算复杂度完成最终高精度频偏估计。三载波128 GBaud 偏振复用十六进制正交幅度调制（PM-16QAM）超奈奎斯特（FTN）波分复用（WDM）系统的仿真结果表明，加速因子为0.95、0.90、0.85时，所提算法训练开销仅为1.56%，即可实现-8~8 GHz范围内的稳定频偏估计，残余频偏分别为2、2.5、3 MHz左右。与估计精度基本相当的传统盲四次方FFT频偏估计算法相比，所提算法的总体计算复杂度显著降低，约为传统算法的8%。