JP2013016978A - 光通信システムおよび光通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】最適な多値変調信号の信号帯域幅を周波数間隔に合わせた最適値に設定することにより、光通信システムの周波数利用効率を向上させた光通信システムを提供する。
【解決手段】多値変調方式によりデータを変調する光通信システムは、多値変調方式の順番が記載されているマッピングテーブルに従い、入力データを複素シンボルにマッピングし、複素シンボルの実数部と虚数部を、それぞれデジタル信号からアナログ信号に変換し、アナログ変換された信号を変調する送信装置と、受信したアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換されたデジタル信号をどの多値変調方式で変調されたかを判断し、該判断に基づき複素シンボルを決定し、出力バイナリを回復する受信装置とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、多値変調方式を用いて周波数利用効率を向上化した光通信システムおよび光通信方法に関するものである。

単一キャリアを用いた光通信システムにおいては、多値変調方式を用いることにより、信号帯域の狭窄化による周波数利用効率の向上が可能である。例えば、４つの位相状態を用いた４相位相変調方式（４ＱＡＭ）では１シンボルで２ビットの情報を伝送することが可能となるため、光通信システムで従来から用いられてきた２値強度変調方式と比較して、信号帯域幅を１／２に低減可能である。また、８つの位相状態を用いた８相位相変調方式（８ＱＡＭ）では１シンボルで３ビットの情報を伝送することが可能となる。これらの多値変調方式では２のべき乗の信号点配置が一般に用いられるため、その場合、１シンボルで伝送するビット数は整数となり、設定可能な信号帯域幅は離散的な値となる。

また、偏波多重分離方式（ＰＤＭ）を用いることにより、さらに周波数利用効率の向上が可能である。例えば、直交する２つの偏波を用いて送信し、受信時にＭＩＭＯ技術等を用いて偏波分離することで、周波数利用効率を２倍にすることができる。

しかしながら、多値変調方式は、上述した通り、多値変調における信号点配置に制限があるため、信号帯域幅を連続的に変化させることはできなかった。そのため、標準的な周波数間隔で波長多重する場合、絶対的な信号帯域幅に設定することができない。

例えば、２５ＧＨｚの信号帯域幅で１１２Ｇｂ／ｓ（１００ＧｂＥ）のデータを伝送することを考える。４ＱＡＭとＰＤＭを用いる場合、１１２／（２×２）＝２８ＧＨｚとなり、２５ＧＨｚを超えてしまう。一方、８ＱＡＭとＰＤＭを用いる場合、１１２／（３×２）＝１８．７ＧＨｚとなり、２５ＧＨｚ以下となる。

図１は、従来のＱＡＭとＰＤＭによる伝送シンボルと信号スペクトルスペクトラムを示す。図１（ａ）は４ＱＡＭとＰＤＭによる場合を示し、図１（ｂ）は８ＱＡＭとＰＤＭによる場合を示す。これらは、２５ＧＨｚの信号帯域幅で、高密度波長分割多重方式（ＵＤ−ＷＤＭ）による１１２Ｇｂ／ｓの３チャンネルの伝送を示す。図１（ａ）の場合、大きな帯域幅（＞２５ＧＨｚ）を必要とするため、近接チャネルと干渉し、クロストーク等が発生する。このため、高周波帯域を除去するフィルタリングが必要になる。しかしながら、フィルタリングによる信号の歪みが大きく、信号の特性が劣化する。図１（ｂ）の場合、小さい待機幅（＜２５ＧＨｚ）しか必要しないため、近接チャネルから干渉は発生しない。しかしながら、８ＱＡＭは、４ＱＡＭと比較して、少なくとも２ｄＢの感度が低下することが知られている。

このように、多値変調信号の制限により、４ＱＡＭでは帯域幅が大きすぎるため、信号の特性が劣化し、また、８ＱＡＭでは帯域幅が十分小さいが感度が低下し、最適な信号帯域幅を設定することができないという課題があった。

したがって、本発明は、最適な多値変調信号の信号帯域幅を周波数間隔に合わせた最適値に設定することにより、光通信システムの周波数利用効率を向上させた光通信システムおよび光通信方法を提供することを目的とする。

上記目的を実現するため本発明による光通信システムは、多値変調方式によりデータを変調する光通信システムにおいて、多値変調方式の順番が記載されているマッピングテーブルに従い、入力データを複素シンボルにマッピングするハイブリッドマッピング手段と、前記複素シンボルの実数部と虚数部を、それぞれデジタル信号からアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換手段と、アナログ変換された信号を変調する変調手段とを備える送信装置と、受信したアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換手段と、変換されたデジタル信号をどの多値変調方式で変調されたかを判断し、該判断に基づき複素シンボルを決定し、出力バイナリを回復する決定手段とを備える受信装置とを備える。

また、前記ハイブリッドマッピング手段と同じマッピングテーブルを有し、該マッピングテーブルに従い、信号がどの多値変調方式でマッピングされたか判断し、伝送路の歪みを補償する等化器をさらに備えるも好ましい。

また、前記多値変調方式は位相変調方式であり、前記マッピングテーブルは４ＱＡＭ、４ＱＡＭ、８ＱＡＭの順序で入力データをマッピングさせることも好ましい。

また、前記決定手段は、入力されたデータ信号の振幅により、４ＱＡＭ、または８ＱＡＭで変調されたかを判断することも好ましい。

上記目的を実現するため本発明による光通信方法は、多値変調方式によりデータを変調する光通信方法において、多値変調方式の順番が記載されているマッピングテーブルに従い、入力データを複素シンボルにマッピングするハイブリッドマッピングステップと、前記複素シンボルの実数部と虚数部を、それぞれデジタル信号からアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換ステップと、アナログ変換された信号を変調する変調ステップと、前記変調された信号を送信するステップと、受信したアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換ステップと、変換されたデジタル信号をどの多値変調方式で変調されたかを判断し、該判断に基づき複素シンボルを決定し、出力バイナリを回復する決定ステップとを有する。

本発明は、変調方式をシンボル毎に変化させることにより、実効的な信号帯域幅を連続的な値に設定する。これにより、光通信システムの周波数利用効率を向上させ、信号品質を向上させることが可能になる。

従来のＱＡＭとＰＤＭによる伝送シンボルと信号スペクトルスペクトラムを示す。 本発明による光通信システムの機能構成を示す。 ハイブリッドＱＡＭの処理例を示す。 単一チャネルの出力信号スペクトラムとアイダイアグラムを示す。 ３チャンネルＵＤ−ＷＤＭの中心チャネルでのＢＥＲとＯＳＮＲ（光ＳＮ比）との関係を示す。

本発明を実施するための最良の実施形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。図２は、本発明による光通信システムの機能構成を示す。光通信システムは、送信装置１および受信装置２から構成される。送信装置１は、ハイブリッドＱＡＭマッピング１１、２つのデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）１２、ＩＱ変調器１３、および光源（ＬＤ）１４を備える。受信装置２は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）２１、等化器（イコライザ）２２、および決定回路２３を備える。

送信装置１は、入力されたバイナリデータから、ハイブリッドＱＡＭ光信号を生成し、受信装置２に送信する。本発明の送信装置１は、従来の送信装置のように、１つのＱＡＭでマッピングするのではなく、異なったＱＡＭでマッピングする。このため、ハイブリッドＱＡＭマッピング１１は、ＱＡＭマッピングテーブルを備え、ＱＡＭマッピングテーブルには、入力されたデータをマッピングするＱＡＭの順番が記載されている。このテーブルにしたがって、入力データは、異なったＱＡＭフォーマットにマッピングされる。ハイブリッドＱＡＭマッピング１１の出力は、複素シンボルであるため、実数部と虚数部を有する。それぞれがデジタルアナログ変換器１２に入力され、アナログ変換された後、光源１４からの光がＩＱ変調器１３で変調され、ハイブリッドＱＡＭ光信号が生成される。

受信装置２は、ハイブリッドＱＡＭ光信号を受信し、バイナリデータを出力する。ハイブリッドＱＡＭ光信号が電気信号に変換された後、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）２１でデジタル信号に変換される。このデジタル信号は、等化器２２に入力される。等化器２２は、ハイブリッドＱＡＭマッピング１１と同じＱＡＭマッピングテーブルを備える。等化器２２は、このテーブルにより、信号がどのＱＡＭでマッピングされたか判断し、伝送路の歪みを補償する。決定回路２３は、複素シンボルの決定を行い出力バイナリを回復する。なお、４ＱＡＭは４つの信号点（１＋ｉ、１−ｉ、−１＋ｉ、−１−ｉ）にマッピングし、８ＱＡＭは８つの信号点（１＋ｉ、１−ｉ、−１＋ｉ、−１−ｉ、１＋√３、（１＋√３）ｉ、−（１＋√３）、−（１＋√３）ｉ）にマッピングするため、８ＱＡＭの方が信号の最大振幅が大きい。このため、決定回路２３は、入力データをメモリに記憶して、信号の振幅によって、４ＱＡＭであるか８ＱＡＭであるかどうか判断し、この判断に基づき、４ＱＡＭまたは８ＱＡＭで信号点から複素シンボルの決定を行う。

図３は、ハイブリッドＱＡＭの処理例を示す。図３（ａ）は送信装置１の処理を示す。本例のＱＡＭマッピングテーブルでは、１番目と２番目の出力シンボルは４ＱＡＭにマッピングされ、３番目の出力シンボルは８ＱＡＭにマッピングすることが記載される。ハイブリッドＱＡＭマッピング１１の出力で示されるように、異なったＱＡＭが、時分割で混合される。本例の場合、（２×２×２＋３×２）／３＝４．６６・・・より、１シンボルで平均４．６７ビットのデータを伝送することが可能となる。本例の場合、１１２／４．６７＝２４ＧＨｚとなり、２５ＧＨｚの信号帯域幅に適合する。

図３（ｂ）は送信装置２の処理を示す。決定回路２３は、入力データをＱＡＭマッピングテーブルに基づいて、４ＱＡＭであるか８ＱＡＭであるか判断し、マッピングを行いバイナリデータを復元する。

なお、本ＱＡＭマッピングテーブルは一例であり、最適な信号帯域幅に合わせ変更可能である。例えば、１番目から３番目の出力シンボルは４ＱＡＭに、４番目の出力シンボルは８ＱＡＭのように、変更することができる。

次に、本発明の効果をシミュレーションで確かめた結果を示す。シミュレーションは、２５ＧＨｚの信号帯域幅で、高密度波長分割多重方式（ＵＤ−ＷＤＭ）による１１２Ｇｂ／ｓの３チャンネルの伝送を示す。送信装置の光源および受信装置のローカル光の線幅は１００ｋＨｚとする。適切な信号帯域幅（２５ＧＨｚ）内にするため、信号の高周波のサイドローブを除去する１２ＧＨｚの帯域幅を有するスーパガウス型フィルタが用いられる。

図４は、単一チャネルの出力信号スペクトラムとアイダイアグラムを示す。図４（ａ）は４ＱＡＭを示し、図４（ｂ）は８ＱＡＭを示し、図４（ｃ）は、４ＱＡＭが６７％、８ＱＡＭが３３％の本発明によるハイブリッドＱＡＭを示す。左側の図は、フィルタリング前の出力スペクトラムを示す。これらの図に、中心チャネルに対する２５ＧＨの周波数スロットが示される。フィルタリングの前、４ＱＡＭは最も大きい帯域幅を有し、８ＱＡＭは最も小さい帯域幅を有する。ハイブリッドＱＡＭはこれらの中間の帯域幅である。右側の図は、フィルタリング後の出力スペクトラムを示す。それぞれの場合のアイダイアグラムから、４ＱＡＭは、フィルタリングによって強くゆがめられていることが分かる。一方、８ＱＡＭとハイブリッドＱＡＭは、帯域幅が小さいためほとんど影響を受けていないことが分かる。

図５は、３チャンネルＵＤ−ＷＤＭの中心チャネルでのＢＥＲとＯＳＮＲとの関係を示す。この結果は、フィルタリング後の結果であるため、同じＢＥＲ（ビット誤り率）に対して、必要なＯＳＮＲは、４ＱＡＭが最も大きい値を示し、次に８ＱＡＭが続き、ハイブリッドＱＡＭは、もっとも小さい値を示す。また、ＢＥＲ＝１０^−３の箇所では、ハイブリッドＱＡＭは、８ＱＡＭより、約０．９ｄＢの利得を有することが分かる。このように本願発明の実施形態のハイブリッドＱＡＭ（４ＱＡＭ：６７％、８ＱＡＭ：３３％）は、既存の４ＱＡＭおよび８ＱＡＭよりもの、信号品質を向上させることが分かる。

以上のように、変調方式をシンボル毎に変化させることにより、実効的な信号帯域幅を連続的な値に設定する本発明では、光通信システムの周波数利用効率を向上させ、信号品質を向上させることが可能になる。

また、以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様および変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲およびその均等範囲によってのみ規定されるものである。

１ 送信装置
１１ ハイブリッドＱＡＭマッピング
１２ デジタルアナログ変換器
１３ ＩＱ変調器
１４ 光源
２ 受信装置
２１ アナログデジタル変換器
２２ 等化器
２３ 決定回路

Claims (5)

1. 多値変調方式によりデータを変調する光通信システムにおいて、
   多値変調方式の順番が記載されているマッピングテーブルに従い、入力データを複素シンボルにマッピングするハイブリッドマッピング手段と、
   前記複素シンボルの実数部と虚数部を、それぞれデジタル信号からアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換手段と、
   アナログ変換された信号を変調する変調手段と
   を備える送信装置と、
   受信したアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換手段と、
   変換されたデジタル信号をどの多値変調方式で変調されたかを判断し、該判断に基づき複素シンボルを決定し、出力バイナリを回復する決定手段と
   を備える受信装置と
   を備えることを特徴とする光通信システム。
2. 前記ハイブリッドマッピング手段と同じマッピングテーブルを有し、該マッピングテーブルに従い、信号がどの多値変調方式でマッピングされたか判断し、伝送路の歪みを補償する等化器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
3. 前記多値変調方式は位相変調方式であり、
   前記マッピングテーブルは４ＱＡＭ、４ＱＡＭ、８ＱＡＭの順序で入力データをマッピングさせることを特徴とする請求項１または２に記載の光通信システム。
4. 前記決定手段は、入力されたデータ信号の振幅により、４ＱＡＭ、または８ＱＡＭで変調されたかを判断することを特徴とする請求項３に記載の光通信システム。
5. 多値変調方式によりデータを変調する光通信方法において、
   多値変調方式の順番が記載されているマッピングテーブルに従い、入力データを複素シンボルにマッピングするハイブリッドマッピングステップと、
   前記複素シンボルの実数部と虚数部を、それぞれデジタル信号からアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換ステップと、
   アナログ変換された信号を変調する変調ステップと、
   前記変調された信号を送信するステップと、
   受信したアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換ステップと、
   変換されたデジタル信号をどの多値変調方式で変調されたかを判断し、該判断に基づき複素シンボルを決定し、出力バイナリを回復する決定ステップと
   を有することを特徴とする光通信方法。

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