JP2010016827A

JP2010016827A - 位相再生における平均化長を最適化する方法および装置

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Publication number: JP2010016827A
Application number: JP2009157365A
Authority: JP
Inventors: Lei Li; リレイ; Zhenning Tao; タオゼンイング; Hisao Nakajima; 久雄中島
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2029-07-01
Also published as: CN101621335A; US8189718B2; CN101621335B; US20100002810A1; JP4900427B2

Abstract

【課題】位相再生装置において使用される平均化長を自動的に最適化する方法および装置を提供する。
【解決手段】位相再生により得られるデジタルシンボルの現在の位相およびデータ再生により得られるデジタルシンボルのデータ変調位相を受信する。デジタルシンボルの現在の位相とデータ変調位相との差分である残留位相差を計算する。変位がｍ（ｍは、整数）である残留位相差の自己相関値を計算する。残留位相差の自己相関値に基づいて位相再生装置の平均化長を最適化する。
【選択図】図４

Description

本発明は、位相再生のための最適化装置および最適化方法に係わる。また、本発明は、例えば、デジタル信号の平均キャリア位相を利用して位相を再生する位相再生装置に使用される適応的平均化長最適化装置および方法に適用可能である。

通信システムの容量および柔軟性に係る要求が高まるにつれて、コヒーレント通信技術がより重要になってきている。非コヒーレント技術（例えば、ＯＯＫ：on-off-keyingなど）またはセルフコヒーレント技術（例えば、ＤＱＰＳＫ：differential quadrature phase shift keyingなど）と比較して、コヒーレント技術は、以下の利点を有している。すなわち、コヒーレント受信によれば、信号対雑音比（ＳＮＲ）の利得が３ｄＢであり、より効率的な変調方式（例えば、ＱＡＭ：quadrature amplitude modulationなど）を用いて伝送容量を高めることができ、さらに、コストを削減しながらチャネル切替えを容易に行う電子的イコライザ方式を使用することが可能になる、などの利点が得られる。

現在、コヒーレント受信器におけるキャリア位相の再生は、ｍ乗方式などのようなデジタル技術（例えば、非特許文献１）、およびdata pre-decision方式（例えば、非特許文献２）により実現されている。

デジタル位相再生技術では、一般に、複数のデータシンボルにおいてキャリア位相が不変であると仮定されている。これは、複数のシンボルの平均キャリア位相を用いる位相推定におけるチャネル雑音の影響を取り除くためである。しかし、平均化長が最適であることを前提としたこのような仮定の装置は、最適な位相再生を得るためには、チャネル雑音強度とキャリア位相の変動速度との間で妥協することになる。いくつかの試験によれば、不適切な平均化長は、コヒーレント受信器のパフォーマンスに大きな影響を与える。

しかしながら、実際の伝送システムでは、チャネル雑音の強度およびキャリア位相の変動速度は、多くの要因（例えば、レーザおよびチャネルの特性）に依存するが、それらの要因は変化するものであり、リアルタイム検出により測定することは困難である。

コヒーレント受信器を最適な状態で動作させるためには、デジタル位相再生における平均化長は最適化されるべきである。そして、このための技術は、以下の特性を有している。
１．トレーニング（引込み手順）無し：従来のトレーニング手順、またはチャネル／レーザ特性は、不要とする。
２．適用性：チャネル雑音の強度およびキャリア位相の変動速度が変化する場合であっても、自動的に最適化が実現される。
３．簡単な計算：高速受信器で実現できるように、計算の複雑さを低くする。

D.Ly-Gagon, etc. "Coherent detection of optical quadrature phase-shift keying signal with carrier phase estimation", Journal of Lightwave Technology, Vol.24, No.1, January 2006, pp.12-21 Z.Tao etc. "Multiplier-free Phase Recovery for Optical Coherent Receiver", OWT4, OFC2008

本発明は、上記課題を解決し、位相再生装置において使用される平均化長を自動的に最適化する方法および装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの実施形態により解決される課題は、デジタルシンボルのキャリア位相についての平均化によりチャネル雑音の影響を除去する位相再生装置において使用される平均化長を適応的に最適化および調整することにより、適切な平均化長を得るためにチャネル雑音の強度とキャリア位相の変動速度との間のバランスを図り、そのような適切な平均化長で位相を再生することである。

本発明のいくつかの態様の理解のために説明を行う。ただし、以下の記載は、網羅的な記載ではない。以下の記載は、本発明の鍵となる部分または重要な部分を決定するものではなく、また、発明の範囲を定義するものでもない。この記載の目的は、本発明のコンセプトを簡単に提供することであり、後に続く具体的な記載の序文に相当する。この分野の技術者は、以下に記載する本発明のいくつかの態様および特許請求の範囲に記載の独立項により定義されるソリューションは、本発明の任意の実施形態および／または任意の従属項と組み合わせることができる。

本発明の第１の態様は、位相再生に採用される平均化長を最適化する方法であって、位相再生により得られるデジタルシンボルの現在の位相およびデータ再生により得られる前記デジタルシンボルのデータ変調位相を受信して、前記デジタルシンボルの現在の位相とデータ変調位相との差分である前記デジタルシンボルの残留位相差を計算し、変位がｍ（ｍは、整数）である残留位相差の自己相関値を計算し、前記残留位相差の自己相関値に基づいて前記平均化長を最適化する。ここで、前記ｍは、例えば、−１０以上、かつ、１０以下の整数である。

上記方法は、前記平均化長を最適化する手順において、前記残留位相差の自己相関値が正であるか負であるかを判定し、前記残留位相差の自己相関値が正であれば前記位相再生の平均化長を小さくし、前記残留位相差の自己相関値が負であれば前記位相再生の平均化長を大きくするようにしてもよい。

また、上記方法は、前記残留位相差の自己相関値が正であるか負であるかを判定する前に、その自己相関値が予め決められた閾値範囲内であるか判定し、前記残留位相差の自己相関値が前記閾値範囲外であるときに、その自己相関値が正であるか負であるかを判定するようにしてもよい。

さらに、上記方法は、受信した現在の位相およびデータ変調位相に対してダウンサンプリングを実行し、ダウンサンプリングされた現在の位相およびデータ変調位相を用いて前記残留位相差を計算するようにしてもよい。

さらに、上記方法は、前記残留位相差の自己相関値が前記閾値範囲内であるかを判定する前に、その自己相関値を正規化し、正規化された前記自己相関値の絶対値と、予め決められた１よりも小さい閾値とを比較し、前記絶対値が前記閾値よりも大きいときに、前記自己相関値が正であるか負であるかを判定するようにしてもよい。

さらに、上記方法において、前記正規化で使用される正規化係数は
であり、
は、変位がゼロである残留位相差の自己相関値と変位が１である残留位相差の自己相関値との差分であるようにしてもよい。

本発明の第２の態様は、位相再生装置において採用される平均化長を最適化する平均化長最適化装置であって、位相再生により得られるデジタルシンボルの現在の位相およびデータ再生により得られる前記デジタルシンボルのデータ変調位相を受信して、前記デジタルシンボルの現在の位相とデータ変調位相との差分である前記デジタルシンボルの残留位相差を計算する残留位相差計算部と、変位がｍ（ｍは、整数）である残留位相差の自己相関値を計算する自己相関値計算部と、前記残留位相差の自己相関値に基づいて前記平均化長を最適化する最適化部、を有する。ここで、前記ｍは、例えば、−１０以上、かつ、１０以下の整数である。

上記平均化長最適化装置において、前記最適化部は、前記残留位相差の自己相関値が正であるか負であるかを判定し、前記残留位相差の自己相関値が正であれば前記位相再生の平均化長を小さくすることを指示する最適化信号を出力し、前記残留位相差の自己相関値が負であれば前記位相再生の平均化長を大きくすることを指示する最適化信号を出力する正／負判定部、を備えるようにしてもよい。

また、上記平均化長最適化装置において、前記最適化部は、前記残留位相差の自己相関値が正であるか負であるかを判定する前にその自己相関値が予め決められた閾値範囲内であるか判定する閾値判定部をさらに備えるようにしてもよい。この場合、前記正／負判定部は、前記残留位相差の自己相関値が前記閾値範囲外であるときに、その自己相関値が正であるか負であるかを判定する。

さらに、上記平均化長最適化装置は、受信した現在の位相およびデータ変調位相に対してダウンサンプリングを実行するダウンサンンプリング部をさらに備え、前記残留位相差計算部は、前記ダウンサンプリング部により得られる現在の位相およびデータ変調位相を用いて前記残留位相差を計算するようにしてもよい。

さらに、上記平均化長最適化装置は、前記残留位相差の自己相関値を正規化する正規化部をさらに備え、前記閾値判定部は、正規化された前記自己相関値の絶対値と予め決められた１よりも小さい閾値とを比較し、前記絶対値が前記閾値よりも大きいときに、前記正／負判定部は、前記自己相関値が正であるか負であるかを判定するようにしてもよい。

さらに、上記平均化長最適化装置において、前記正規化で使用される正規化係数は
であり、
は、変位がゼロである残留位相差の自己相関値と変位が１である残留位相差の自己相関値との差分であるようにしてもよい。

本発明の第３の態様は、第２の態様として記載した平均化長最適化装置を備えるコヒーレント受信器である。

本発明の第４の態様は、以下の手順をコンピュータに実行させるコンピュータプログラムである。位相再生に採用される平均化長を最適化する方法において、位相再生により得られるデジタルシンボルの現在の位相およびデータ再生により得られる前記デジタルシンボルのデータ変調位相を受信して、前記デジタルシンボルの現在の位相とデータ変調位相との差分である前記デジタルシンボルの残留位相差を計算し、変位がｍ（ｍは、整数）である残留位相差の自己相関値を計算し、前記残留位相差の自己相関値が正であるか負であるかを判定し、前記残留位相差の自己相関値が正であれば前記位相再生の平均化長を小さくし、前記残留位相差の自己相関値が負であれば前記位相再生の平均化長を大きくする。ここで、前記ｍは、例えば、−１０以上、かつ、１０以下の整数である。

本発明の第５の態様は、第４の態様として記載したコンピュータプログラムを格納する記録媒体である。
上述の平均化長最適化方法および装置は、チャネル雑音の強度およびキャリア位相の変動速度を包括的に考慮するものであり、トレーニング手順やチャネル／レーザの特性が不要である。そして、適応的な最適化は、チャネル雑音の強度およびキャリア位相の変動速度が変化する場合でも実現される。また、実施形態の装置および方法は、計算の容易さおよび並列構成を有するので、ハードウェア実装の困難性が大幅に緩和される。

実施形態の装置および方法は、最適な受信を得るために、実際のシステムのデジタル位相再生装置を最適化でき、デジタルシンボルのキャリア位相の平均化によって雑音の影響を除去して位相を再生する全てのデバイス（例えば、コヒーレント受信器、特に、光コヒーレント受信器）で使用可能である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳しく説明する。

本発明の１つの実施形態によれば、位相再生装置において使用される平均化長を自動的に最適化する方法および装置が提供される。

デジタル位相再生装置を使用する受信器の構成の一例を示す図である。デジタル位相再生装置の構成の一例を示す図である。残留位相差の自己相関値と平均化長との関係を示す図である。第１の実施形態の平均化長最適化方法が適用される位相再生手順のフローチャートである。第２の実施形態の平均化長最適化方法が適用される位相再生手順のフローチャートである。第１の実施形態の平均化長最適化装置の構成を示す図である。第２の実施形態の平均化長最適化装置の構成を示す図である。第３の実施形態の平均化長最適化装置の構成を示す図である。平均化長最適化装置において使用可能な正規化係数計算部の構成を示す図である。低速で動作する平均化長最適化装置の実施例である。ダウンサンプリング部の実施例である。平均化長最適化装置を用いて位相再生を実行するコヒーレント受信器の構成を示す図である。

図１は、デジタル位相再生装置を使用する光コヒーレント受信器を示す図である。ここで、光コヒーレント受信器は、一例として採り上げたものであり、本発明は光コヒーレント受信器に限定されるものではない。すなわち、デジタルシンボルのキャリア位相の平均を利用して雑音の影響の除去および位相再生を行う任意の装置は、以下に記載する平均化長最適化装置および方法を使用することができる。

図１において、実施形態に係わる装置は、フロントエンド回路１１４、デジタル位相再生装置１０９、データ再生装置１１１を備える。フロントエンド回路１１４は、光９０°ハイブリッド回路１０２、光／電気コンバータ１０４、１０５、Ａ／Ｄコンバータ１０６、１０７、レーザ１１３を備える。フロントエンド回路１１４は、受信した光信号１０１を、ベースバンド電気信号１０８に変換する。ベースバンド電気信号１０８は、下式で表すことができる。
Ｉ＋ｊＱ＝exp（ｊφ_d＋ｊφ₀）
ここで、通常の条件の下では、ベースバンド電気信号１０８の偏角（argument）は、データ情報φ_dだけなく、キャリアと局発振器（ここでは、例えば、レーザ１１３）との間の位相シフトφ₀も含んでいる。

デジタル位相再生装置１０９は、フロントエンド回路１１４により再生されたベースバンド電気信号１０８を受信し、ベースバンド電気信号１０８から位相シフトφ₀を除去し、データ再生装置１１１へデータ情報φ_dを出力する。データ再生装置１１１は、位相シフトが除去された受信シンボルの位相に基づいて、送信データ１１２を再生する。

デジタル位相再生装置１０９は、コヒーレント受信器において非常に重要である。ここで、デジタル位相再生装置の構成の一例を図２に示す。図２において、位相検出部２０４は、入力されるベースバンド電気信号１０８に基づいて、各データシンボルについて位相シフト
を検出する。ここで、
は、ｋ番目のデジタルシンボルのキャリアと局発振器との間の位相シフトφ₀の推定値である。干渉要因（例えば、雑音）は、チャネルおよび受信器に存在し、
の推定の間、それらの要因の影響は除去されるべきである。通常の条件の下では、キャリアと局発振器との間の位相シフトの変動は、雑音の変動に比べて遅い。このため、通常、雑音等の影響は、デジタルシンボルのキャリア位相の平均値を計算することにより除去可能であり、これにより精度のよい
を得ることができる。

を得た後、偏角取得部２０２から出力されるデジタル信号の位相から
を減算することにより、位相再生が実現される。なお、デジタル信号のキャリア位相の平均化は、上記位相再生において重要な処理である。

一般に、上述の平均化は、セグメント内での算術平均または移動平均によって実現される。ただし、どのようにして平均化が行われたとしても、その平均化長が長すぎる場合は、平均化処理が行われている間に位相シフトが変化してしまうので、位相検出部２０４の出力信号２０７は、現在のデジタルシンボルの位相シフトを正しく反映しないことになる。一方、平均化長が短すぎる場合は、位相シフトの推定に際しての雑音の影響が十分に除去されず、この場合も、位相検出部２０４の出力信号２０７は、現在のデジタルシンボルの位相シフトを正しく反映しないことになる。したがって、選択される平均化長は、雑音の強度と、位相シフトの変動速度との兼ね合いで最適化されなければならない。なお、実際のシステムでは、位相シフトの変動速度および雑音の強度は、いずれも一定ではなく、チャネルの状態の変化に応じて変わってゆく。

位相再生により得られるｋ番目のデジタルシンボルの位相は、下式で表される。

は、ｋ番目のシンボルのデータ変調位相を表す。

は、ｋ番目のシンボルについてのキャリアと局発振器との間の位相シフトを表す。

は、ｋ番目のシンボルの位相に対しての雑音の影響を表す。そして、
は、位相再生装置による
の推定値を表す。データ再生装置１１１は、位相推定値
を判定し、ｋ番目のシンボルのデータ変調位相の推定値
を得る。具体的には、
と考えることができる。ここで、デジタル位相再生装置による位相再生を利用して得られるデジタルシンボルの現在の位相１１０と、データ再生装置によるデータ再生を利用して得られるデータ変調位相１１２との間の差分は、残留位相差として定義される。したがって、ｋ番目のデジタルシンボルの残留位相差は、下式で表される。

は、位相再生誤差であり、以下の説明では
で表される。ここで、理想的な位相再生においては、
はゼロであるべきである。そして、この条件下では、自己相関の定義によれば、変位量がゼロである残留位相差の自己相関値は、下記（１）式で表される。

ここで、残留位相差の統計的特性によれば、平均化長がどのような長さであったとしても下記（２）式は満たされる。

なお、
は、変位量が１である残留位相差の自己相関値であり、下式で表される。

上記（１）式および（２）式に基づいて、
であるときには、理想的な位相再生動作を実現するために、下式が満たされる、すなわち
を得ることができる。

一方、位相再生装置の数学的統計モデルによれば、残留位相差の自己相関値および位相再生装置による位相再生のための平均化長は、図３に示す関係、すなわち、
が、位相再生装置において選択される平均化長に対して単調増加する関係を有している。上述したように、
であるときは、位相再生動作が最適化される。したがって、図３に示すように、隣接する２つのシンボル間の残留位相差の自己相関値
が
を満たすとき、曲線
が横軸と交差する交差点Ａに対応する長さが、最適な平均化長である。

さらに、図３は、位相再生動作を最適化するための平均化長の調整方向を示している。すなわち、
であるときは、平均化長が相対的に小さく、その平均化長を大きくすべきである。一方、
であるときは、平均化長が相対的に大きく、その平均化長を小さくすべきである。このように、平均化長は、
をゼロにする方向に調整される。

なお、上述したように、（２）式は、残留位相差の統計的特性に基づいて得られるが、これは、前提条件
、すなわち２つの隣接するデジタルシンボル位相再生誤差が互いに同じである、という前提に基づくものである。なお、この分野の技術者であれば、このような仮定は、２つの隣接するデジタルシンボルに限定されるものではなく、３以上の隣接するデジタルシンボルの位相再生誤差が互いに同じ、すなわち
であってもよいことが分かる。したがって、下式が得られる。

なお、ｍが大き過ぎると、上述の仮定は維持できなくなり、対応する計算が正しくなくなるので、ｍは、無限であってはならない。したがって、ｍの値は、実際の条件に応じて適切に選択されるべきであり、好ましくは、例えば、−１０≦ｍ≦１０（ｍは、整数）から選択される。

上述の理由より、実施形態の方法は、位相再生により得られるデジタルシンボルの残留位相差の自己相関値を計算することによって位相再生性能を検出し、その検出結果に基づいて、位相再生装置により行われる位相再生のために選択される平均化長を適応的に最適化する。

＜第１の実施形態＞
図４は、第１の実施形態の平均化長最適化方法が適用される位相再生手順のフローチャートである。受信器が起動されたとき、または受信チャネルが変化したとき、位相再生装置は、まずデフォルト平均化長で動作する（ステップＳ４０１）。デフォルト平均化長は、アプリケーション毎に適切な値が選択される。また、位相再生装置は、位相再生装置の出力から得られるシンボルの現在の位相と、データ再生装置の出力から得られるシンボルのデータ変調位相との間の差分、すなわち残留位相差、を計算する（ステップＳ４０２）。次に、位相再生装置は、ｍだけ変位した（すなわち、ｍシンボル分だけ離れた）デジタルシンボルとの間で、ステップＳ４０２で得られる残留位相差の自己相関値を計算する。すなわち、現在のデジタルシンボルに対してｍ番目のシンボルの残留位相差との相関値が計算される（ステップＳ４０３）。なお、ｍは、１，２，３，．．．から選択される整数であり、好ましくは−１０≦ｍ≦１０であるが、図４と後述する図５の例ではｍ＝１の場合について図示している。

ステップＳ４０６では、相関値が正の値であるか、負の値であるのかが判定される。相関値が正であれば、選択された平均化長が相対的に大きいことを表す。この場合、ステップＳ４０８において、平均化長を小さくしてステップＳ４０２に戻る。相関値が負であれば、選択された平均化長が相対的に小さいことを表す。この場合、ステップＳ４０７において、平均化長を大きくしてステップＳ４０２に戻る。相関値がゼロであれば、現在の平均化長が最適であることを表す。この場合、平均化長の調整または最適化は不要であり、最適化動作なしでステップＳ４０２に戻る。

図６は、第１の実施形態の平均化長最適化装置の構成を示す図である。この装置は、図４に示す平均化長最適化方法に対応する。
最適化装置には、２つの信号が入力される。一方は、位相再生により得られて位相再生装置から入力されるシンボル位相１１０である。シンボル位相１１０は、
により表される。他方は、データ再生により得られてデータ再生装置から入力されるデータ変調位相１１２である。データ変調位相１１２は、
により表される。データ変調位相１１２は、例えばＱＰＳＫでは、π／４、３π／４、５π／４、７π／４の中のいずれか１つである。

残留位相差６０３は、引き算器６０２を用いてシンボル位相１１０からデータ変調位相１１２を減算することにより得られる。残留位相差６０３は、レジスタ（Ｚ^-1）６０４および乗算器６０５にそれぞれ与えられる。乗算器６０５は、新たな残留位相差６０３と、レジスタ６０４に保持されている１つ前のシンボルの残留位相差とを乗算する。乗算器６０５の出力は、平均化部６０７に与えられる。平均化部６０７の出力信号６０９は、変位が１である残留位相差の自己相関値である。ここで、残留位相差の自己相関値は、１つ前のシンボルの残留位相差との乗算に限定されるものではなく、２以上前のシンボルの残留位相差との乗算であってもよい。すなわち、レジスタ６０４は、１ビット（すなわち、１シンボル遅延）に限定されるものではなく、「Ｚ^-m」で表される。

正／負判定部６１４は、平均化部６０７から出力される残留位相差自己相関値６０９がゼロよりも大きいのか否かを判定し、その判定結果に基づいて最適化信号６１５を出力する。最適化信号６１５は、位相再生装置における平均化長の調整方向を指示する。具体的には、残留位相差自己相関値６０９がゼロよりも小さいときは、位相再生のために選択されたデータ平均化長が相対的に小さいことを表すので、最適化信号６１５は、平均化長を大きくする旨を指示する。一方、残留位相差自己相関値６０９がゼロよりも大きいときは、位相再生のために選択されたデータ平均化長が相対的に大きいことを表すので、最適化信号６１５は、平均化長を小さくする旨を指示する。なお、残留位相差自己相関値６０９がゼロであるときは、現在の平均化長が最適であることを表しているので、平均化長の調整または最適化は不要である。

＜第２の実施形態＞
図５は、第２の実施形態の平均化長最適化方法が適用される位相再生手順のフローチャートである。

第２の実施形態の方法は、以下の手順が第１の実施形態と異なっている。すなわち、第２の実施形態では、残留位相差の自己相関値を計算した後、ステップＳ４０５において、ステップＳ４０３で得られる残留位相差の自己相関値が、ゼロを中心とする予め決められた閾値範囲（例えば、−５〜＋５）を超えているか否かが判定される。ここで、閾値範囲は、システムの特性に応じて適切に選択することができる。もし、残留位相差の自己相関値が閾値範囲を超えていなければ、最適化処理を実行することなくステップＳ４０２に戻る。反対に、上記相関値が閾値範囲を超えていれば、ステップＳ４０３で得られる残留位相差の自己相関値は、ステップＳ４０６に送られて、さらなる判定処理（例えば、第１の実施形態と同様の判定処理）が行われる。

図７は、第２の実施形態の平均化長最適化装置の構成を示す図である。この装置は、図５に示す平均化長最適化方法に対応する。
第２の実施形態の装置は、以下の構成が第１の実施形態と異なっている。すなわち、第２の実施形態では、正／負判定部６１４による判定の前に、閾値判定部６１２を用いた判定が行われる。閾値判定部６１２は、入力された残留位相差自己相関値６０９の絶対値が予め決められた閾値よりも大きいか否かを判定する。そして、その絶対値が閾値よりも大きければ、閾値判定部６１２は、正／負判定を行うために、残留位相差自己相関値６０９を正／負判定部６１４へ出力する。上記絶対値が閾値以下であれば、最適化信号は出力されず、最適化処理は行われない。

上述したように、正／負判定部６１４は、残留位相差自己相関値６０９がゼロよりも大きいか否かを判定し、最適化信号６１５は、位相再生装置において適用される平均化長の調整方向を指示する。具体的には、残留位相差自己相関値６０９がゼロよりも小さいときは、位相再生のために選択されたデータ平均化長が相対的に小さいことを表すので、最適化信号６１５は、平均化長を大きくする旨を指示する。一方、残留位相差自己相関値６０９がゼロよりも大きいときは、位相再生のために選択されたデータ平均化長が相対的に大きいことを表すので、最適化信号６１５は、平均化長を小さくする旨を指示する。なお、残留位相差自己相関値６０９がゼロであるときは、現在の平均化長が最適であることを表しているので、平均化長の調整または最適化は不要である。

第２の実施形態においては、閾値判定部が設けられているので、最適化処理の実行頻度が制御または抑制される。例えば、残留位相差自己相関値の絶対値が１０よりも小さいときは、最適化を実行しない場合が選択され得る。ここで、値の選択は、システム構成ごとに異なるものであり、要求される位相再生の精度に応じて適切な閾値を選択することが可能である。したがって、第２の実施形態によれば、残留位相差自己相関値が許容範囲内である場合（すなわち、現在の平均化長と最適な平均化長との差が大きくない場合）には、最適化処理を実行しないようにすることができる。これにより、必要以上の頻度で最適化処理が行われることが回避され、最適化処理の頻度と最適化による効果とのバランスを図ることができ、また、要求される位相再生精度が満たされる。したがって、最適化処理の効率が向上し、また、最適化処理の頻度が高くならず、システムの安定性が高くなる。

＜第３の実施形態＞
図８は、第３の実施形態の平均化長最適化装置の構成を示す図である。第３の実施形態の装置は、以下の構成が第２の実施形態と異なっている。すなわち、第３の実施形態では、残留位相差の自己相関値が閾値判定部６１２により判定される前に、残留位相差の自己相関値が正規化される。このため、残留位相差６０３は、３つのルートを介して提供される。第１のルートは、残留位相差の自己相関値の正規化のための正規化係数を計算する正規化係数計算部６０６に入力される。第２および第３のルートは、上述した実施形態と同様に、レジスタ６０４および乗算器６０５にそれぞれ入力される。そして、平均化部６０７は、変位が１（または、ｍ）である残留位相差の自己相関値６０９を出力する。

乗算器６１０は、残留位相差自己相関値６０９と、正規化係数計算部６０６の出力信号６０８とを乗算する。これにより、正規化された残留位相差自己相関値６１１が生成される。正規化された残留位相差自己相関値６１１は、閾値判定部６１２に入力され、閾値判定が行われて最適化信号が出力される。この処理は、第２の実施形態と同じなので説明を省略する。

ここで、最も単純な実施構成として、正規化係数計算部６０６は定数を出力するようにしてもよい。この定数は、例えば、システム（または、受信器）が受信するデジタル信号の最大値Ｒmaxの逆数（すなわち、「１／Ｒmax」）であってもよい。この場合、この定数は、システムの構成によって変わることになる。また、正規化係数計算部６０６は、例えば、図９（ａ）に示す正規化係数計算部６０６Ａであってもよいし、図９（ｂ）に示す正規化係数計算部６０６Ｂであってもよい。

残留位相差自己相関値６０９を正規化するための正規化係数を使用すると、正規化された残留位相差自己相関値６１１はその絶対値が１よりも小さい値になるので、閾値判定部６１２はより容易に閾値判定を行うことができる。このとき、閾値判定部６１２が使用する閾値は、ゼロから１の間の値をとることになる。ただし、この閾値がゼロである場合は、正規化された残留位相差自己相関値６１１の絶対値がいったんゼロよりも大きくなると、最適化処理が実行されることを意味する。また、上記閾値が１である場合は、正規化された残留位相差自己相関値６１１の絶対値が１を超えない限りは、最適化処理が実行されないことを意味する。ここで、正規化された残留位相差自己相関値６１１の絶対値は、常に１よりも小さい。したがって、上記閾値が１である場合は、最適化処理は常に実行されないことになる。

上述の実施例では、正規化係数計算部は、正規化された残留位相差自己相関値６１１を生成するために用いられると共に、その絶対値を１よりも小さい値に制限する。したがって、後続の判定処理が容易になる。

図９（ａ）および図９（ｂ）は、それぞれ、正規化係数計算部６０６の実施例である正規化係数計算部６０６Ａ、６０６Ｂの構成を示している。正規化係数計算部６０６（すなわち、６０６Ａ、６０６Ｂ）への入力は、位相再生装置により推定される位相シフト
およびデータ再生装置により推定されるデータ変調位相
が取り除かれたシンボル位相であり、本発明の実施形態では残留位相差
である。

図９（ａ）では、残留位相差６０３は二乗演算部９０１に入力され、残留位相差６０３の二乗演算結果
が出力される。平均化部９０３は、複数のシンボルの残留位相差の二次平均である平均値
を計算する。そして、逆数演算部９０５は、平均化部９０３により得られる平均値の逆数
を得る。すなわち、
が得られる。この逆数は、正規化係数６０８であり、乗算器６１０は、残留位相差自己相関値６０９にこの正規化係数６０８を乗算することにより、正規化された残留位相差自己相関値６１１を生成する。

図９（ｂ）では、残留位相差６０３は、２つのルートを介して提供される。一方は、上述の平均値
を得るために、二乗演算部９０６、平均化部９０８に与えられる。他方は、レジスタ９１３、乗算器９１４、平均化部９１５に与えられる。図６に示すレジスタ６０４、乗算器６０５、平均化部６０７と同様に、レジスタ９１３、乗算器９１４、平均化部９１５は、変位がｍであるときのカウントされた残留位相差の自己相関を演算する。ここで、ｍは、上述したように、１に限定されない整数であり、好ましくは−１０≦ｍ≦１０の範囲内の整数である。

引き算器９１０は、平均化部９０８の出力信号９０９から平均化部９１５の出力信号９１６を引算する。そして、逆数演算部９１２は、下式で表される正規化係数を得るために、引き算器９１０からの出力値の逆数を計算する。

図９（ａ）に示す正規化係数計算部６０６Ａは、図９（ｂ）に示す構成と異なり、位相再生装置のために図４のステップＳ４０７、Ｓ４０８で平均化長の調整が行われる毎に動作する。一方、図９（ｂ）に示す正規化係数計算部６０６Ｂは、
が定数なので、全最適化処理に渡って１回だけ動作すればよい。したがって、図９（ｂ）に示す正規化係数計算部６０６Ｂによれば、システムの最適化の効率が向上する。

＜第４の実施形態＞
図１０は、低速で動作する第４の実施形態の平均化長最適化装置６００’の実施例である。低速最適化装置６００’は、例えば図６〜図８に示すいずれの構成を採用してもよく、２つのダウンサンプリング部１００１、１００３を備える。

適応的平均化長最適化装置６００’（または、６００）への入力は、位相再生装置の出力信号１１０およびデータ再生装置の出力信号１１２である。適応的平均化長最適化装置６００の出力信号６１５は、位相再生装置において使用される平均化長を最適化するための最適化信号である。この最適化信号に基づいて、デジタル位相再生装置１０９は、位相再生処理において位相再生のために使用するデジタル信号の平均化長を、大きく又は小さくする。

ダウンサンプリング部１００１、１００３は、位相再生装置およびデータ再生装置から出力される高速デジタル信号をそれぞれダウンサンプリングする。これにより、適応的平均化長最適化装置６００への入力信号１００２、１００４のレートは、シンボルレートである位相再生装置およびデータ再生装置の出力信号１１０、１１２のレートに対して十分に低くなる。したがって、適応的平均化長最適化装置６００は、シンボルレートと比較して十分に遅い速度で動作することができ、ハードウェア処理速度に対する要求も大幅に低くなる。

図１１は、ダウンサンプリング部の実施例である。ここでは、入力信号１１０をサンプリングするダウンサンプリング部１００１について説明するが、ダウンサンプリング部１００３の構成および動作は、基本的に、ダウンサンプリング部１００１と同じである。

ダウンサンプリング部１００１は、この実施例では、シリアル／パラレルコンバータ１１０３およびパラレル／シリアルコンバータ１１０４を備える。シリアル／パラレルコンバータ１１０３は、例えば、入力信号１１０を時間分割多重方式で複数の信号１１０５、１１０６、．．．、１１０７、１１０８に分離する。パラレル／シリアルコンバータ１１０４には、複数の信号１１０５、１１０６、．．．、１１０７、１１０８のうちの一部が入力される。そして、パラレル／シリアルコンバータ１１０４は、入力信号をシリアルデータに変換して出力する。

＜各実施形態に適用される構成＞
図１２は、実施形態の適応的平均化長最適化装置６００（または、６００’）を使用するコヒーレント受信器の構成を示す図である。適応的平均化長最適化装置６００は、図６〜図８、図１０のいずれの構成であってもよい。

上記構成のコヒーレント受信器において、適応的平均化長最適化装置６００は、デジタル位相再生装置１０９により得られるシンボル位相１１０およびデータ再生装置１１１により得られるデータ変調位相１１２に基づいて、最適化信号６１５を生成する。この最適化信号６１５は、上述したように、デジタル位相再生装置１０９における位相再生処理で使用するデジタル信号の平均化長を調整する。このとき、デジタル位相再生装置１０９は、特に限定されるものではないが、最適化信号６１５に応じて、図２に示す位相検出部２０４がデジタル信号を平均化する際の平均化長を調整するようにしてもよい。このとき、平均化長は、例えば、平均化演算を行うシンボル数（すなわち、各シンボルの電界情報が１つまたは１組のデジタル値で表される場合は、デジタル値の数）であってもよい。

本発明の平均化長最適化装置および方法は、デジタル信号のキャリア位相平均を用いる位相再生を行う任意のシステムで使用可能であり、特に、コヒーレント受信器において有効である。

この分野の技術者にとっては、上記方法は、ハードウェア回路に実装する構成に限定されるものではなく、コンピュータプログラムを利用して実現してもよいし、ソフトウェアとハードウェアとの組合せで実現することも可能である。また、上記方法による動作手順は、各種の機器で読み取り可能な記録媒体に格納されるコンピュータ実行可能なプログラムで実現されるようにしてもよい。

さらに、本発明の目的は、上述の実行可能プログラムコードを格納する記録媒体を直接的または間接的にシステムまたは装置に提供し、そのシステムまたは装置のコンピュータまたはＣＰＵがそのプログラムを読み込んで実行する構成によっても実現される。

このとき、システムまたは装置がプログラムを実行できる場合、本発明の実施形態は、プログラムに限定されるものではなく、オペレーティングシステムに与えられるオブジェクトプログラム、インタープリタ実行プログラム、スクリプトプログラム等の任意の形式のプログラムであってよい。

上述の読み取り可能な記録媒体は、特に限定されるものではないが、各種メモリ、メモリセル、半導体デバイス、ディスクユニット、その他の情報格納に適した媒体を使用することができる。

また、クライアントコンピュータは、インターネット上の対応するウェブサイトに接続し、上記プログラムをダウンロードし、当該コンピュータにインストールして実行することによって、本発明の実施形態を実施することができる。

本発明の実施形態について図面を参照しながら詳しく記載したが、上記実施形態は、説明のためのものであり、本発明はこれに限定されるものではない。また、この分野の技術者であれば、本発明の本質および範囲を逸脱することなく、上述の実施形態を変更または変形することができる。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載およびそれに均等な方法または構成に及ぶものである。

上述の各実施例を含む実施形態について、下記の付記を開示する。
（付記１）
位相再生に採用される平均化長を最適化する方法であって、
位相再生により得られるデジタルシンボルの現在の位相およびデータ再生により得られる前記デジタルシンボルのデータ変調位相を受信して、前記デジタルシンボルの現在の位相とデータ変調位相との差分である前記デジタルシンボルの残留位相差を計算し、
変位がｍ（ｍは、整数）である残留位相差の自己相関値を計算し、
前記残留位相差の自己相関値に基づいて前記平均化長を最適化する
ことを特徴とする平均化長最適化方法。
（付記２）
付記１に記載の方法であって、
前記ｍは、−１０以上、かつ、１０以下の整数である
ことを特徴とする平均化長最適化方法。
（付記３）
付記１に記載の方法であって、
前記平均化長を最適化する手順において、
前記残留位相差の自己相関値が正であるか負であるかを判定し、
前記残留位相差の自己相関値が正であれば前記位相再生の平均化長を小さくし、前記残留位相差の自己相関値が負であれば前記位相再生の平均化長を大きくする
ことを特徴とする平均化長最適化方法。
（付記４）
付記３に記載の方法であって、
前記残留位相差の自己相関値が正であるか負であるかを判定する前に、その自己相関値が予め決められた閾値範囲内であるか判定し、
前記残留位相差の自己相関値が前記閾値範囲外であるときに、その自己相関値が正であるか負であるかを判定する
ことを特徴とする平均化長最適化方法。
（付記５）
付記１〜４のいずれか１つの付記に記載の方法であって、
受信した現在の位相およびデータ変調位相に対してダウンサンプリングを実行し、
ダウンサンプリングされた現在の位相およびデータ変調位相を用いて前記残留位相差を計算する
ことを特徴とする平均化長最適化方法。
（付記６）
付記４に記載の方法であって、
前記残留位相差の自己相関値が前記閾値範囲内であるかを判定する前に、その自己相関値を正規化し、
正規化された前記自己相関値の絶対値と、予め決められた１よりも小さい閾値とを比較し、
前記絶対値が前記閾値よりも大きいときに、前記自己相関値が正であるか負であるかを判定する
ことを特徴とする平均化長最適化方法。
（付記７）
付記６に記載の方法であって、
前記正規化で使用される正規化係数は
であり、
は、変位がゼロである残留位相差の自己相関値と変位が１である残留位相差の自己相関値との差分である
ことを特徴とする平均化長最適化方法。
（付記８）
位相再生装置において採用される平均化長を最適化する装置であって、
位相再生により得られるデジタルシンボルの現在の位相およびデータ再生により得られる前記デジタルシンボルのデータ変調位相を受信して、前記デジタルシンボルの現在の位相とデータ変調位相との差分である前記デジタルシンボルの残留位相差を計算する残留位相差計算部と、
変位がｍ（ｍは、整数）である残留位相差の自己相関値を計算する自己相関値計算部と、
前記残留位相差の自己相関値に基づいて前記平均化長を最適化する最適化部、
を有する平均化長最適化装置。
（付記９）
付記８に記載の装置であって、
前記ｍは、−１０以上、かつ、１０以下の整数である
ことを特徴とする平均化長最適化装置。
（付記１０）
付記８に記載の装置であって、
前記最適化部は、
前記残留位相差の自己相関値が正であるか負であるかを判定し、前記残留位相差の自己相関値が正であれば前記位相再生の平均化長を小さくすることを指示する最適化信号を出力し、前記残留位相差の自己相関値が負であれば前記位相再生の平均化長を大きくすることを指示する最適化信号を出力する正／負判定部、を備える
ことを特徴とする平均化長最適化装置。
（付記１１）
付記１０に記載の装置であって、
前記最適化部は、前記残留位相差の自己相関値が正であるか負であるかを判定する前にその自己相関値が予め決められた閾値範囲内であるか判定する閾値判定部をさらに備え、
前記正／負判定部は、前記残留位相差の自己相関値が前記閾値範囲外であるときに、その自己相関値が正であるか負であるかを判定する
ことを特徴とする平均化長最適化装置。
（付記１２）
付記８〜１１のいずれか１つの付記に記載の装置であって、
受信した現在の位相およびデータ変調位相に対してダウンサンプリングを実行するダウンサンンプリング部をさらに備え、
前記残留位相差計算部は、前記ダウンサンプリング部により得られる現在の位相およびデータ変調位相を用いて前記残留位相差を計算する
ことを特徴とする平均化長最適化装置。
（付記１３）
付記１１に記載の装置であって、
前記残留位相差の自己相関値を正規化する正規化部をさらに備え、
前記閾値判定部は、正規化された前記自己相関値の絶対値と予め決められた１よりも小さい閾値とを比較し、
前記絶対値が前記閾値よりも大きいときに、前記正／負判定部は、前記自己相関値が正であるか負であるかを判定する
ことを特徴とする平均化長最適化装置。
（付記１４）
付記１３に記載の装置であって、
前記正規化で使用される正規化係数は
であり、
は、変位がゼロである残留位相差の自己相関値と変位が１である残留位相差の自己相関値との差分である
ことを特徴とする平均化長最適化装置。
（付記１５）
付記８〜１４のいずれか１つの付記に記載の平均化長最適化装置を備えることを特徴とするコヒーレント受信器。
（付記１６）
光９０°ハイブリッド回路を利用して受信光信号からベースバンド信号を生成するフロントエンド回路と、
前記ベースバンド信号から各シンボルの位相を表すシンボル位相を再生する位相再生部と、
前記シンボル位相に基づいてデータ変調位相を検出して送信データを再生するデータ再生部と、
前記シンボル位相および前記データ変調位相に基づいて最適化信号を生成する最適化部と、を備え、
前記位相再生部は、
前記ベースバンド信号から各シンボルの偏角を検出する偏角取得部と、
前記ベースバンド信号を平均化することにより前記フロントエンド回路で発生する位相シフトを検出する位相シフト検出部と、
前記偏角から前記位相シフトを差し引くことにより各シンボルの位相を再生する再生部と、を有し、
前記最適化部は、
前記シンボル位相から前記データ変調位相を差し引くことにより残留位相差を計算する第１の計算部と、
前記残留位相差の自己相関値を計算する第２の計算部と、
前記自己相関値に基づいて、前記位相再生部の位相シフト検出部による平均化の長さを調整する前記最適化信号を生成する第３の計算部と、を有する
ことを特徴とする光受信器。

Claims

位相再生に採用される平均化長を最適化する方法であって、
位相再生により得られるデジタルシンボルの現在の位相およびデータ再生により得られる前記デジタルシンボルのデータ変調位相を受信して、前記デジタルシンボルの現在の位相とデータ変調位相との差分である前記デジタルシンボルの残留位相差を計算し、
変位がｍ（ｍは、整数）である残留位相差の自己相関値を計算し、
前記残留位相差の自己相関値に基づいて前記平均化長を最適化する
ことを特徴とする平均化長最適化方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記ｍは、−１０以上、かつ、１０以下の整数である
ことを特徴とする平均化長最適化方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記平均化長を最適化する手順において、
前記残留位相差の自己相関値が正であるか負であるかを判定し、
前記残留位相差の自己相関値が正であれば前記位相再生の平均化長を小さくし、前記残留位相差の自己相関値が負であれば前記位相再生の平均化長を大きくする
ことを特徴とする平均化長最適化方法。
請求項３に記載の方法であって、
前記残留位相差の自己相関値が正であるか負であるかを判定する前に、その自己相関値が予め決められた閾値範囲内であるか判定し、
前記残留位相差の自己相関値が前記閾値範囲外であるときに、その自己相関値が正であるか負であるかを判定する
ことを特徴とする平均化長最適化方法。
請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法であって、
受信した現在の位相およびデータ変調位相に対してダウンサンプリングを実行し、
ダウンサンプリングされた現在の位相およびデータ変調位相を用いて前記残留位相差を計算する
ことを特徴とする平均化長最適化方法。
請求項４に記載の方法であって、
前記残留位相差の自己相関値が前記閾値範囲内であるかを判定する前に、その自己相関値を正規化し、
正規化された前記自己相関値の絶対値と、予め決められた１よりも小さい閾値とを比較し、
前記絶対値が前記閾値よりも大きいときに、前記自己相関値が正であるか負であるかを判定する
ことを特徴とする平均化長最適化方法。
請求項６に記載の方法であって、
前記正規化で使用される正規化係数は
であり、
は、変位がゼロである残留位相差の自己相関値と変位が１である残留位相差の自己相関値との差分である
ことを特徴とする平均化長最適化方法。
位相再生装置において採用される平均化長を最適化する装置であって、
位相再生により得られるデジタルシンボルの現在の位相およびデータ再生により得られる前記デジタルシンボルのデータ変調位相を受信して、前記デジタルシンボルの現在の位相とデータ変調位相との差分である前記デジタルシンボルの残留位相差を計算する残留位相差計算部と、
変位がｍ（ｍは、整数）である残留位相差の自己相関値を計算する自己相関値計算部と、
前記残留位相差の自己相関値に基づいて前記平均化長を最適化する最適化部、
を有する平均化長最適化装置。
光９０°ハイブリッド回路を利用して受信光信号からベースバンド信号を生成するフロントエンド回路と、
前記ベースバンド信号から各シンボルの位相を表すシンボル位相を再生する位相再生部と、
前記シンボル位相に基づいてデータ変調位相を検出して送信データを再生するデータ再生部と、
前記シンボル位相および前記データ変調位相に基づいて最適化信号を生成する最適化部と、を備え、
前記位相再生部は、
前記ベースバンド信号から各シンボルの偏角を検出する偏角取得部と、
前記ベースバンド信号を平均化することにより前記フロントエンド回路で発生する位相シフトを検出する位相シフト検出部と、
前記偏角から前記位相シフトを差し引くことにより各シンボルの位相を再生する再生部と、を有し、
前記最適化部は、
前記シンボル位相から前記データ変調位相を差し引くことにより残留位相差を計算する第１の計算部と、
前記残留位相差の自己相関値を計算する第２の計算部と、
前記自己相関値に基づいて、前記位相再生部の位相シフト検出部による平均化の長さを調整する前記最適化信号を生成する第３の計算部と、を有する
ことを特徴とする光受信器。