JP2013016979A

JP2013016979A - 光直交周波数分割多重伝送方式による受信装置および受信方法

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Publication number: JP2013016979A
Application number: JP2011147475A
Authority: JP
Inventors: wei-ren Peng; ペンウエイレン; Itsuro Morita; 逸郎森田
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2011-07-01
Publication date: 2013-01-24

Abstract

【課題】パイロット信号を抽出するための信号処理を軽減し、現実的な回路規模・処理時間で高速光ＯＦＤＭ信号伝送における位相雑音の影響を抑圧することが可能な受信装置を提供する。
【解決手段】受信装置は、送信情報に対応する第１の電気信号に、所定周波数のパイロット信号を加えた第２の電気信号で光信号を変調することにより生成した変調光信号を受信し、受信した変調光信号と局発光とを結合して光電気変換し、これにより得た第３の電気信号に含まれるパイロット信号を移動平均フィルタにより抽出し、該パイロット信号に基づき、前記第３の電気信号に含まれる、前記第２の電気信号の位相雑音を補償する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）方式を用いた受信装置および受信方法に関するものである。

ＯＦＤＭ方式は、送信データを複数のサブキャリアを用いて並列に伝送する方式であり（非特許文献１）、各サブキャリアのシンボル・レートが比較的低くなるためシンボル間干渉に強く、デジタル地上波放送や、無線ＬＡＮ（Local Area Network）システムで既に使用されており、光通信システムへの適用についても検討されている。

光ＯＦＤＭ方式では、光源の周波数揺らぎ等による位相雑音の影響を抑圧することが不可欠である。このような位相雑音の補償方法として、特許文献１および非特許文献２のように、送信装置において、ＯＦＤＭ信号と共にパイロット信号を挿入する方式がある。本方式では、受信装置において受信されたパイロット信号を用いて位相雑音を推定し、ＯＦＤＭ信号への位相雑音の影響を抑圧する。

図１は、既存の受信装置におけるＯＦＤＭ位相雑音補償の概略を示す。送信装置は、パイロット信号Ａと、送信すべき情報に対応する電気信号Ｓ（ｔ）を加算して、Ａ＋Ｓ（ｔ）を送信する。受信した生の信号は、位相雑音φ（ｔ）の影響を受け、［Ａ＋Ｓ（ｔ）］ｅ^{ｊφ（ｔ）}で表される（ｊ＝√（−１））。位相雑音φの影響を抑圧するため、受信装置は、受信信号を分波部で２つの経路に分ける。上部の経路に対して何も処理は行わないが、下部の経路について、デジタルフィルタにより、パイロット信号のみを抽出する。フィルタ後の信号は、Ａｅ^{ｊφ（ｔ）}と表される。共役部で複素共役が取られ、信号は、Ａ^＊ｅ^{−ｊφ（ｔ）}になる。なお、Ａ^＊はＡの複素共役を示す。乗算部において、上部の経路の信号と下部の経路との積が実行され、信号は、［｜Ａ｜^２＋Ａ^＊Ｓ（ｔ）］となり、位相雑音φ（ｔ）が補償される。

特開２００８−２７１５２７号公報

伊丹誠、「わかりやすいＯＦＤＭ技術」、オーム社、２００５ Sander L. Jansen et al, " JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.26, NO. 1, JANUARY 1, 2008.

しかしながら、従来、受信信号からパイロット信号を抽出するフィルタについて、デジタルフィルタを用いていた。このデジタルフィルタは、より急峻な周波数弁別特性を得るため、多量のバッファメモリにより多数のデータを蓄積して用いた処理を行う方法が用いられている。このような方法では、大量の計算を必要とするため、回路規模が大きくなることや、計算処理による遅延時間が大きくなることが、１００Ｇｂｉｔ／ｓ級以上の高速伝送システムに適用する場合の課題であった。

したがって、本発明は、パイロット信号を抽出するための信号処理を軽減し、現実的な回路規模・処理時間で高速光ＯＦＤＭ信号伝送における位相雑音の影響を抑圧することが可能な受信装置および受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受信装置は、送信情報に対応する第１の電気信号に、所定周波数のパイロット信号を加えた第２の電気信号で光信号を変調することにより生成した変調光信号を受信する受信装置において、局発光を生成する手段と、受信した変調光信号と局発光とを結合する手段と、結合する手段が出力する光信号を光電気変換して第３の電気信号を出力する手段と、前記第３の電気信号に含まれるパイロット信号を移動平均フィルタにより抽出し、該パイロット信号に基づき、前記第３の電気信号に含まれる、前記第２の電気信号の位相雑音を補償する手段とを備える。

また、前記補償する手段は、前記第３の電気信号を第４の電気信号と第５の電気信号とに分岐する手段と、前記第５の電気信号から移動平均フィルタによりパイロット信号を抽出する手段と、前記抽出したパイロット信号の複素共役を行う手段と、前記複素共役されたパイロット信号と前記第４の電気信号とを積算する手段とを備えることも好ましい。

また、前記移動平均フィルタは、時間領域で、入力された信号のサンプルの移動平均を取り、出力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受信方法は、送信情報に対応する第１の電気信号に、所定周波数のパイロット信号を加えた第２の電気信号で光信号を変調することにより生成した変調光信号を受信する受信装置において、局発光を生成するステップと、受信した変調光信号と局発光とを結合するステップと、結合した光信号を光電気変換して第３の電気信号を出力するステップと、前記第３の電気信号に含まれるパイロット信号を移動平均フィルタにより抽出し、該パイロット信号に基づき、前記第３の電気信号に含まれる、前記第２の電気信号の位相雑音を補償するステップとを有する。

本発明は、パイロット信号を用いて位相雑音の影響を抑圧する光直交周波数分割多重伝送において、移動平均を用いたフィルタリング処理を用いることにより、計算処理のための回路規模や処理時間を低減し、現実的な回路規模・処理時間で高速光ＯＦＤＭ信号伝送における位相雑音の影響を抑圧することを可能とする。

既存の受信装置におけるＯＦＤＭ位相雑音補償の概略を示す。本発明の受信装置のブロック図を示す。本発明の位相雑音補償部のブロック図を示す。移動平均フィルタの動作概念を示す。本発明が適用可能なフォーマットを示す。本発明と既存技術でのＢＥＲとＯＳＮＲ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、本発明の受信装置のブロック図を示す。受信装置１は、光信号生成部１１と、光ハイブリッド１２と、光電気変換部１３と、位相雑音補償部１４と、復調部１５とを備えている。

なお、本発明の受信装置は、正弦波信号であるパイロット信号と送信すべき情報に対応する電気信号とが加算された信号を受信する。電気信号は、例えば、矩形波信号、副搬送波多重（ＳＣＭ：Sub-Carrier Multiplexing）方式における各副搬送波を多重した電気信号、無線周波数（ＲＦ：Radio
Frequency）帯の信号に周波数変換された直交周波数分割多重信号であり、パイロット信号の周波数は、電気信号の妨害とならないもの、例えば、帯域外となるものを使用する。なお、電気信号に影響を与えない範囲で、電気信号に近い周波数を利用することが好ましいが、その他の周波数であっても良く、さらには、パイロット信号は直流信号であっても良い。また、パイロット信号は、電気信号と同期する必要はなく、電気信号とは無関係に生成することができる。

光信号生成部１１は、例えば、分布帰還型レーザダイオードであり、送信側の光信号生成部とは異なる周波数の連続光、いわゆる局発光を生成する。光ハイブリッド１２は、送信側の光通信装置から受信した変調光信号と局発光を結合して出力する。光電気変換部１３は、例えば、フォトダイオードであり、光ハイブリッド１２が出力する光信号を電気信号に変換、つまり、ヘテロダイン検波を行い、電気信号を出力する。

本発明において、受信側の光信号生成部１１が生成する局発光は、受信する変調光信号により制御を行わない、つまり、受信側の光信号生成部１１は、送信側の光信号生成部と非同期であり、両信号生成部が生成する光信号の周波数差は一定ではなく変動している。また、局発光には雑音成分も含まれている。したがって、光電気変換部１３が出力する電気信号は、両光信号間の周波数差の揺らぎや雑音による位相雑音を含んだものであり、位相雑音補償部１４は、この変動を検出して、電気信号の位相雑音を補償し、補償後の電気信号を復調部１５に出力する。

図３は、本発明の位相雑音補償部のブロック図を示す。位相雑音補償部１４は、分波部１４１と、移動平均フィルタ１４２と、共役部１４３と、積算部１４４とを備えている。

本発明の位相雑音補償部１４は、既存装置の位相雑音補償部と異なりデジタルフィルタを用いず、移動平均フィルタ１４２を用いて、受信信号［Ａ＋Ｓ（ｔ）］ｅ^{ｊφ（ｔ）}からパイロット信号の信号Ａｅ^{ｊφ（ｔ）}を抽出する。

移動平均フィルタ１４２は、時間領域で、入力された信号のサンプルの移動平均を取り出力する。この処理は、

で表される。ここでｒ［ｋ］は、ｋ番目の入力のサンプルを示し、ｙ［ｎ］は、ｎ番目の出力を示す。Ｎは、移動平均を取るサンプルの個数である。例えば、ｒ［１］からｒ［Ｎ］が入力されると、これらの和を取り、この結果をＮで割り、ｙ［１］が出力され、次にｒ［Ｎ＋１］が入力されると、ｒ［２］からｒ［Ｎ＋１］の和を取り、この結果をＮで割り、ｙ［２］が出力される。

図４は、移動平均フィルタの動作概念を示す。移動平均は、

と表される。時間領域Ｔ＝Ｔ１の移動平均を行うと、周波数領域で図４の左下のようになる。また、時間領域Ｔ＝Ｔ２（＞Ｔ１）の移動平均を行うと、周波数領域で図４の右下のようになる。周波数領域の図より、移動平均フィルタは、パイロット信号の外側をフィルタする周波数フィルタとなることが分かる。また、Ｔを大きくすると周波数領域での中心の幅が小さくなることが分かる（ＢＷ２＜ＢＷ１）。このようにＴは、フィルタの帯域幅に直接に関連している。適切なＴ（数１ではＮ）の選択することで、周波数領域でのフィルタリングを、時間領域で直接実行することができる。なお、本実施形態では、Ｎの値として例えば、１００から１０００を取る。

本発明の移動平均フィルタは、多くの複雑な乗算を含むデジタルフィルタと異なり、電気信号を除去するために加算と減算のみを用いている。これにより、パイロット信号を抽出するための信号処理を高速に実現し、位相雑音の影響を高速に抑圧することが可能になる。

図５は、本発明が適用可能なフォーマットを示す。本発明の移動平均フィルタは、パイロット信号を用いて位相雑音の影響を抑圧するＯＦＤＭに提供でき、図５（ａ）のコヒーレント光ＯＦＤＭ（coherent optical OFDM：ＣＯ−ＯＦＤＭ）、図５（ｂ）の直接光検出光ＯＦＤＭ（direct detection optical：ＤＤＯ−ＯＦＤＭ）、および図５（ｃ）の無線ＯＦＤＭ等で用いることができる

図６は、本発明と既存技術でのＢＥＲとＯＳＮＲとの関係を示す。本図は、ＢＥＲ（符号誤り率）対ＯＳＮＲ（光信号対雑音比）の特性を示す。ここで、従来法１は、非特許文献１に記載された従来技術によるＯＦＤＭ方式による光通信システムを示し、従来法２は、特許文献１による光通信システムを示す。図６より、本発明の方式は、従来法１よりも優れた特性を有し、さらにデジタルフィルタを用いた特許文献１による従来法２と同程度の特性を有することが分かる。

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受信装置
１１光信号生成部
１２光ハイブリッド
１３光電気変換部
１４位相雑音補償部
１５復調部
１４１分波部
１４２移動平均フィルタ
１４３共役部
１４４積算部

Claims

送信情報に対応する第１の電気信号に、所定周波数のパイロット信号を加えた第２の電気信号で光信号を変調することにより生成した変調光信号を受信する受信装置において、
局発光を生成する手段と、
受信した変調光信号と局発光とを結合する手段と、
結合する手段が出力する光信号を光電気変換して第３の電気信号を出力する手段と、
前記第３の電気信号に含まれるパイロット信号を移動平均フィルタにより抽出し、該パイロット信号に基づき、前記第３の電気信号に含まれる、前記第２の電気信号の位相雑音を補償する手段と、
を備えることを特徴とする受信装置。
前記補償する手段は、
前記第３の電気信号を第４の電気信号と第５の電気信号とに分岐する手段と、
前記第５の電気信号から移動平均フィルタによりパイロット信号を抽出する手段と、
前記抽出したパイロット信号の複素共役を行う手段と、
前記複素共役されたパイロット信号と前記第４の電気信号とを積算する手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の受信装置。
前記移動平均フィルタは、時間領域で、入力された信号のサンプルの移動平均を取り、出力することを特徴とする請求項１または２に記載の受信装置。
送信情報に対応する第１の電気信号に、所定周波数のパイロット信号を加えた第２の電気信号で光信号を変調することにより生成した変調光信号を受信する受信装置において、
局発光を生成するステップと、
受信した変調光信号と局発光とを結合するステップと、
結合した光信号を光電気変換して第３の電気信号を出力するステップと、
前記第３の電気信号に含まれるパイロット信号を移動平均フィルタにより抽出し、該パイロット信号に基づき、前記第３の電気信号に含まれる、前記第２の電気信号の位相雑音を補償するステップと、
を有することを特徴とする受信方法。