JP2014072824A - Received signal processing apparatus and received signal processing method - Google Patents

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崇 井上
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a received signal processing apparatus which is capable of removing influences of code interference of a received signal having a band-limited arbitrary spectrum waveform and maximizing a signal-to-noise ratio and is practical, and a received signal processing method.SOLUTION: The received signal processing apparatus comprises: transfer function determining means for detecting a symbol function represented by a spectrum shape of a symbol constituting a digitized received signal from a spectrum waveform of the received signal and for determining a transfer function represented by a product of an inverse function of the symbol function and a function meeting a Nyquist first reference; and filtering means which shapes the spectrum waveform of the received signal into a waveform meeting the Nyquist first reference on the basis of the transfer function and outputs the shaped waveform.

Description

本発明は、通信分野、特に光ファイバ通信分野に用いられる受信信号処理装置及び受信信号処理方法に関する。   The present invention relates to a received signal processing apparatus and a received signal processing method used in the communication field, particularly in the optical fiber communication field.

光ファイバ通信等一般のデジタル通信装置において、限られた周波数帯域を有効に使うための方法が種々提案されている。広く用いられている方法は、送信信号の帯域幅を制限し、周波数領域で高密度に信号を多重する方法であるが、信号の帯域幅を大きく制限すると、符号間干渉が発生して信号の波形が歪み、受信信号誤りの数が増大して問題となる。   Various methods for effectively using a limited frequency band have been proposed in general digital communication apparatuses such as optical fiber communication. A widely used method is to limit the bandwidth of the transmission signal and multiplex the signals with high density in the frequency domain. However, if the bandwidth of the signal is greatly limited, intersymbol interference occurs and the signal The waveform is distorted, and the number of received signal errors increases, which is a problem.

信号の符号間干渉が発生しない波形の条件として、ナイキストの第一基準が知られている。この基準は、信号のシンボルレートをB、スペクトルをS(f)としたときに、下記式(1)が成立すれば、時間t軸上での信号振幅がt=0を除いてT=1/Bの間隔でゼロ交差し、符号間干渉が発生しないというものである。なお、下記式(1)の右辺は、定数であればよく、他の形式で表されることがある。   Nyquist's first standard is known as a condition of a waveform that does not cause intersymbol interference of signals. This criterion is that when the following symbol (1) is satisfied when the symbol rate of the signal is B and the spectrum is S (f), the signal amplitude on the time t-axis is T = 1 except for t = 0. Zero crossing occurs at the interval of / B, and no intersymbol interference occurs. In addition, the right side of following formula (1) should just be a constant, and may be represented with another form.

前記ナイキストの第一基準を満たす信号スペクトル波形としては、下記式(2)で表されるレイズドコサイン関数が知られている。   As a signal spectrum waveform satisfying the Nyquist first criterion, a raised cosine function represented by the following equation (2) is known.

前記式(2)中、αは、0以上1以下の値を取るロールオフ係数を示し、α=0のとき、レイズドコサイン関数のスペクトル形状が矩形となる。なお、前記式(2)で表されるレイズドコサイン関数を伝達関数とするフィルタは、ロールオフフィルタと呼ばれる。送信信号のスペクトルをレイズドコサイン関数にすることで、任意のロールオフ係数αに対してナイキストの第一基準を満たし、符号間干渉は発生しなくなる。このときの信号スペクトルの占有帯域はB(1+α)であり、αが0に近い方が占有帯域は狭くなるが、スペクトルが矩形に近づいて急峻となり、時間波形の裾が長く振動する波形となり、発生や検出に困難を伴う場合がある。   In the formula (2), α represents a roll-off coefficient that takes a value of 0 or more and 1 or less, and when α = 0, the spectrum shape of the raised cosine function is rectangular. Note that a filter that uses the raised cosine function expressed by the equation (2) as a transfer function is called a roll-off filter. By making the spectrum of the transmission signal a raised cosine function, Nyquist's first criterion is satisfied for an arbitrary roll-off coefficient α, and intersymbol interference does not occur. The occupied bandwidth of the signal spectrum at this time is B (1 + α), and the closer the α is to 0, the narrower the occupied bandwidth becomes, but the spectrum approaches a rectangle and becomes steep, and the time waveform has a long and oscillating waveform. Occurrence and detection may be difficult.

一般に受信信号の品質は、受信信号の波形歪みと受信信号に付加された雑音の量に左右され、受信機には信号の誤りの数を最小にして受信する性能が求められる。そのため、受信機内では受信信号に付加された雑音の量を減らして信号品質を向上するフィルタを適用する等の様々な方策が取られている。例えば、累積した雑音が信号品質劣化の最大の要因である場合、高周波成分の雑音電力を抑圧して信号対雑音比を向上するようなフィルタが用いられる。信号対雑音比を最大化するフィルタは整合フィルタと呼ばれ、受信信号スペクトルと同じ形状の伝達関数を有するフィルタであり、このようなフィルタを用いることで信号対雑音比が最大化されることが数学的に示される。   In general, the quality of a received signal depends on the waveform distortion of the received signal and the amount of noise added to the received signal, and the receiver is required to have the performance of receiving signals with a minimum number of signal errors. For this reason, various measures are taken in the receiver, such as applying a filter that improves the signal quality by reducing the amount of noise added to the received signal. For example, when the accumulated noise is the largest cause of signal quality deterioration, a filter that suppresses noise power of high frequency components and improves the signal-to-noise ratio is used. A filter that maximizes the signal-to-noise ratio is called a matched filter, and has a transfer function that has the same shape as the received signal spectrum. By using such a filter, the signal-to-noise ratio may be maximized. Shown mathematically.

受信時に符号間干渉が発生せず、更に信号対雑音比を最大化させる方法として、送信時の信号スペクトル波形を、前記式(2)で表されるレイズドコサイン関数の平方根で与えられる波形(ルートロールオフ波形という)とするとともに、更に受信時の整合フィルタの伝達関数波形もルートロールオフ波形とする方法が知られている。この方法によると、受信フィルタが整合フィルタの条件を満たすため信号対雑音比が最大化し、更に整合フィルタ出力後の信号スペクトル波形がレイズドコサイン関数に一致するため、符号間干渉が発生しなくなる(以上につき、例えば、非特許文献1,2参照)。   As a method for maximizing the signal-to-noise ratio without causing intersymbol interference at the time of reception, the signal spectrum waveform at the time of transmission is a waveform (root) given by the square root of the raised cosine function expressed by the above equation (2). In addition, a method is known in which the transfer function waveform of the matched filter at the time of reception is also a root roll-off waveform. According to this method, the signal-to-noise ratio is maximized because the reception filter satisfies the conditions of the matched filter, and further, the signal spectrum waveform after the output of the matched filter matches the raised cosine function, so intersymbol interference does not occur (above). For example, see Non-Patent Documents 1 and 2).

しかしながら、光通信システムのように信号の速度が非常に高速で、特にシンボルレートが数十GHzに及ぶ場合、信号のデジタル・アナログ変換処理を行うことが一般に困難であり、前記方法に基づいて、デジタルフィルタによって送信信号波形をルートロールオフ波形に整形することは現実的ではない。
また、仮に送信時に信号波形をルートロールオフ波形に整形できたとしても、伝送路において信号スペクトルが整形されてしまうような状況においては、受信機におけるルートロールオフフィルタは整合フィルタの条件を満たさず、延いてはフィルタ後の信号スペクトル波形が一般にレイズドコサイン波形から崩れてナイキストの第一基準を満たさなくなるため、受信信号に符号間干渉が発生してしまう。このような状況に関して、例えば、光ネットワークにおいては、光信号を電気信号に変換せずに、光のままでスイッチングあるいはルーティング処理を行う。これを実現する一つの手段としては、波長多重されている信号の独立した波長をチャネルの単位として、単一チャネル又は波長軸上で連続した複数のチャネルを、波長選択性スイッチと呼ばれる合分波器により分離あるいは合成することで、スイッチングあるいはルーティング処理を行うことが挙げられる(例えば、非特許文献3,4参照)。このとき、波長選択性スイッチはある種の光フィルタとして動作するが、波長又は周波数軸上の伝達特性が理想的な矩形ではなく、山形、台形、あるいはスーパーガウシアン関数に代表されるような伝達特性を持つため、信号通過帯域の端の波長成分は意図しない大きな損失を受けることになる。その結果、信号は波長選択性スイッチを通過する度に、波長選択性スイッチの伝達特性に応じた波形整形効果(フィルタリングによる帯域狭窄化)を受けてスペクトル波形が整形されることになる。また、その効果は、ネットワークの中の伝送経路に依存するため、仮に送信場所と受信場所が同一であっても、信号が通過する経路が異なれば、異なる波形の信号を受信することになる。
However, when the signal speed is very high as in an optical communication system, especially when the symbol rate reaches several tens of GHz, it is generally difficult to perform digital-to-analog conversion processing of the signal. It is not realistic to shape the transmission signal waveform into a root roll-off waveform by a digital filter.
Even if the signal waveform can be shaped into a root roll-off waveform at the time of transmission, the root roll-off filter in the receiver does not satisfy the matching filter conditions in a situation where the signal spectrum is shaped in the transmission path. As a result, the signal spectrum waveform after filtering generally collapses from the raised cosine waveform and does not satisfy the Nyquist's first standard, so that intersymbol interference occurs in the received signal. Regarding such a situation, for example, in an optical network, an optical signal is not converted into an electrical signal, and switching or routing processing is performed as it is. As one means for realizing this, a single channel or a plurality of continuous channels on the wavelength axis is used as a wavelength selective switch, with independent wavelengths of wavelength-multiplexed signals as channel units. Switching or routing processing may be performed by separating or synthesizing with a device (see, for example, Non-Patent Documents 3 and 4). At this time, the wavelength selective switch operates as a kind of optical filter, but the transfer characteristic on the wavelength or frequency axis is not an ideal rectangle, but a transfer characteristic represented by a mountain, trapezoid, or super Gaussian function. Therefore, the wavelength component at the end of the signal pass band suffers an unintended large loss. As a result, every time the signal passes through the wavelength selective switch, the spectrum waveform is shaped by receiving a waveform shaping effect (band narrowing by filtering) according to the transfer characteristic of the wavelength selective switch. In addition, since the effect depends on the transmission path in the network, even if the transmission place and the reception place are the same, if the path through which the signal passes is different, a signal having a different waveform is received.

ところで、帯域制限された信号に対して、「Maximum−likelihood sequence estimation/detection(MLSE or MLSD)」(最尤系列推定/判定)を適用し、受信機で符号間干渉の影響を除去する方法が提案されている(例えば、非特許文献5〜7参照)。
しかしながら、この方法では、データを保持しておくメモリと、多くの計算処理が必要となることから、光通信のような高速処理が必要とされる場合に適用することが困難であり、光通信にも適用できる実用的な信号の最適受信方法としては、満足できるものがないというのが現状である。
By the way, there is a method in which “Maximum-likelihood sequence estimation / detection (MLSE or MLSD)” (maximum likelihood sequence estimation / determination) is applied to a band-limited signal, and the influence of intersymbol interference is removed at the receiver. It has been proposed (see, for example, non-patent documents 5 to 7).
However, since this method requires a memory for storing data and a lot of calculation processing, it is difficult to apply when high-speed processing such as optical communication is required. However, there is no satisfactory practical signal optimum receiving method that can be applied to the current situation.

また、適応等化と呼ばれる方法を用いることで、誤りを最小にするようなフィルタを自動的に構成して、信号を受信する方法が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。具体的には、最小二乗誤差を基準とする適応等化器のうち、リアルタイム処理が可能な手法の一例として、Decision−Directed Least Mean Square(DD−LMS)と呼ばれるアルゴリズムに基づき、1シンボルを受信するごとにFIRフィルタのタップ係数を更新していく手法がよく用いられている。
しかしながら、この方法を適用するためには、タップ係数及びフィルタ伝達特性を最適化するために数多くの受信シンボルとそれに対する繰り返し計算が必要となり、受信機が所望の性能を発揮するまでに比較的長い時間がかかる。その結果、前記光ネットワークの例のように、受信信号波形が経路によって変化するような状況では、繰り返し計算の処理が過多となり、経路変更後、受信機が最適動作を開始するまでに著しい信号処理の遅延を招くことになる。
In addition, a method of receiving a signal by automatically configuring a filter that minimizes an error by using a method called adaptive equalization has been proposed (for example, see Non-Patent Document 1). Specifically, as an example of a technique capable of real-time processing among adaptive equalizers based on least square errors, one symbol is received based on an algorithm called Decision-Directed Last Mean Square (DD-LMS). A method of updating the tap coefficient of the FIR filter each time is often used.
However, in order to apply this method, a large number of received symbols and iterative calculations are required to optimize tap coefficients and filter transfer characteristics, and it takes a relatively long time until the receiver achieves a desired performance. take time. As a result, in the situation where the received signal waveform changes depending on the path as in the case of the optical network described above, iterative calculation processing becomes excessive, and after the path change, significant signal processing is required until the receiver starts optimum operation. Will cause a delay.

J. G. Proakis et al., Digital Communications,McGraw-Hill (2008).J. G. Proakis et al., Digital Communications, McGraw-Hill (2008). 岡育生「ディジタル通信の基礎」第1版 森北出版, p94-p107, (2009)Ikuo Oka "Basics of Digital Communication" 1st edition Morikita Publishing, p94-p107, (2009) R. Ramaswami et al., “Routing and wavelength assignment inall-optical networks,” IEEE/ACM Trans. Networking 3, 489-500 (1995).R. Ramaswami et al., “Routing and wavelength assignment inall-optical networks,” IEEE / ACM Trans. Networking 3, 489-500 (1995). F. Heismann, “Systemrequirements for WSS filter shape incascaded ROADM networks,” in Optical Fiber Communication Conference,OSATechnical Digest (Optical Society of America, 2010), paper OThR1.F. Heismann, “Systemrequirements for WSS filter shape incascaded ROADM networks,” in Optical Fiber Communication Conference, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2010), paper OThR1. K. Horikoshi et al., “Spectrumnarrowing tolerant 171-Gbit/s PDM-16QAM transmissionover 1200 km using maximum likelihood sequence estimation,”presented at theEur. Conf. Exhib. Opt. Commun., Geneva, Switzerland, Sep. 2011,PaperWe.10.P1.73.K. Horikoshi et al., “Spectrumnarrowing tolerant 171-Gbit / s PDM-16QAM transmissionover 1200 km using maximum likelihood sequence estimation,” presented at theEur. Conf. Exhib. Opt. Commun., Geneva, Switzerland, Sep. 2011, PaperWe .10.P1.73. J.-X. Cai et al., “20 Tbit/s transmission over 6860 km withsub-Nyquist channel spacing,” J.Lightwave Technol. 30, 651-657 (2012).J.-X. Cai et al., “20 Tbit / s transmission over 6860 km withsub-Nyquist channel spacing,” J. Lightwave Technol. 30, 651-657 (2012). J. Li et al., “Approaching Nyquist limit in WDM systems by low-complexity receiver-sideduobinary shaping,” J. Lightwave Technol. 30, 1664-1676 (2012)J. Li et al., “Approaching Nyquist limit in WDM systems by low-complexity receiver-sideduobinary shaping,” J. Lightwave Technol. 30, 1664-1676 (2012)

本発明は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、帯域制限された任意のスペクトル波形を有する受信信号の符号間干渉の影響を除去するとともに、信号対雑音比を最大化可能で実用的な受信信号処理装置及び受信信号処理方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above-described problems and achieve the following objects. That is, the present invention eliminates the influence of intersymbol interference of a received signal having an arbitrary spectrum waveform whose band is limited, and at the same time maximizes the signal-to-noise ratio, and provides a practical received signal processing apparatus and received signal processing method. The purpose is to provide.

前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
<1> デジタル化された受信信号のスペクトル波形から前記受信信号を構成するシンボルのスペクトル形状で表されるシンボル関数を検出し、該シンボル関数の逆関数とナイキストの第一基準を満たす関数との積で表される伝達関数を決定する伝達関数決定手段と、前記伝達関数に基づき、前記受信信号の前記スペクトル波形を前記ナイキストの第一基準を満たす波形に整形して出力するフィルタリング手段と、を有することを特徴とする受信信号処理装置。
<2> デジタル化された受信信号のスペクトル波形から前記受信信号を構成するシンボルのスペクトル形状で表されるシンボル関数を検出し、該シンボル関数の逆関数とナイキストの第一基準を満たす関数との積で表される伝達関数を決定する伝達関数決定手段と、前記伝達関数を初期条件として用い、前記受信信号中の誤差信号を少なくするタップ係数を前記受信信号のシンボルの検出に応じて繰り返し更新し、更新された前記タップ係数に基づくフィルタ処理信号を出力する適応等化手段と、を有することを特徴とする受信信号処理装置。
<3> 伝達関数決定手段が、経時変化する受信信号のスペクトル波形に対し、前記シンボル関数を経時的に繰り返し検出する手段である前記<1>から<2>のいずれかに記載の受信信号処理装置。
<4> 伝達関数決定手段が、受信信号のスペクトル波形の自己相関波形を取得する自己相関波形取得手段と、前記自己相関波形から時間軸τ上のτ=0時を中心とするメインローブ波形のみを取得するメインローブ波形取得手段と、前記メインローブ波形をフーリエ変換して得られる電力密度スペクトルの平方根を算出し、その平方根で表される関数をシンボル関数として決定するシンボル関数決定手段と、を有する前記<1>から<3>のいずれかに記載の受信信号処理装置。
<5> ナイキストの第一基準を満たす関数が、レイズドコサイン関数である前記<1>から<4>のいずれかに記載の受信信号処理装置。
<6> 伝達関数決定手段が、受信信号の信号対雑音比を最大とする数値を含む数値範囲内でレイズドコサイン関数のロールオフ係数を決定するロールオフ係数決定手段を有し、前記ロールオフ係数で伝達関数が決定される前記<5>に記載の受信信号処理装置。
<7> 受信信号を光信号とする前記<1>から<6>のいずれかに記載の受信信号処理装置。
<8> デジタル化された受信信号のスペクトル波形から前記受信信号を構成するシンボルのスペクトル形状で表されるシンボル関数を検出し、該シンボル関数の逆関数とナイキストの第一基準を満たす関数との積で表される伝達関数を決定する伝達関数決定工程と、前記伝達関数に基づき、前記受信信号の前記スペクトル波形を前記ナイキストの第一基準を満たす波形に整形して出力するフィルタリング工程と、を有することを特徴とする受信信号処理方法。
<9> デジタル化された受信信号のスペクトル波形から前記受信信号を構成するシンボルのスペクトル形状で表されるシンボル関数を検出し、該シンボル関数の逆関数とナイキストの第一基準を満たす関数との積で表される伝達関数を決定する伝達関数決定工程と、前記伝達関数を初期条件として用い、前記受信信号中の誤差信号を少なくするタップ係数を前記受信信号のシンボルの検出に応じて繰り返し更新し、更新された前記タップ係数に基づくフィルタ処理信号を出力する適応等化工程と、を有することを特徴とする受信信号処理方法。
<10> 伝達関数決定工程が、経時変化する受信信号のスペクトル波形に対し、シンボル関数を経時的に繰り返し検出する工程である前記<9>に記載の受信信号処理方法。
<11> 伝達関数決定工程が、受信信号のスペクトル波形の自己相関波形を取得する自己相関波形取得工程と、前記自己相関波形から時間軸τ上のτ=0時を中心とするメインローブ波形のみを取得するメインローブ波形取得工程と、前記メインローブ波形をフーリエ変換して得られる電力密度スペクトルの平方根を算出し、その平方根で表される関数をシンボル関数として決定するシンボル関数決定工程と、を有する前記<9>から<10>のいずれかに記載の受信信号処理方法。
<12> ナイキストの第一基準を満たす関数が、レイズドコサイン関数である前記<8>から<11>のいずれかに記載の受信信号処理方法。
<13> 伝達関数決定工程が、受信信号の信号対雑音比を最大とする数値を含む数値範囲内でレイズドコサイン関数のロールオフ係数を決定するロールオフ係数決定工程を有し、前記ロールオフ係数で伝達関数が決定される前記<12>に記載の受信信号処理方法。
Means for solving the problems are as follows. That is,
<1> A symbol function represented by a spectrum shape of a symbol constituting the received signal is detected from a digitized spectrum waveform of the received signal, and an inverse function of the symbol function and a function satisfying the first Nyquist criterion Transfer function determining means for determining a transfer function represented by a product, and filtering means for shaping and outputting the spectrum waveform of the received signal into a waveform satisfying the first standard of the Nyquist based on the transfer function, A received signal processing apparatus comprising:
<2> A symbol function represented by a spectrum shape of a symbol constituting the received signal is detected from a digitized spectrum waveform of the received signal, and an inverse function of the symbol function and a function satisfying the first Nyquist criterion Transfer function determining means for determining a transfer function represented by a product, and using the transfer function as an initial condition, a tap coefficient for reducing an error signal in the received signal is repeatedly updated according to detection of a symbol of the received signal And an adaptive equalization means for outputting a filtered signal based on the updated tap coefficient.
<3> The received signal processing according to any one of <1> to <2>, wherein the transfer function determining unit is a unit that repeatedly detects the symbol function over time with respect to a spectrum waveform of the received signal that changes with time. apparatus.
<4> An autocorrelation waveform acquisition unit that obtains an autocorrelation waveform of a spectrum waveform of a received signal, and a main lobe waveform centered around τ = 0 on the time axis τ from the autocorrelation waveform. A main lobe waveform acquiring means for acquiring a symbol function determining means for calculating a square root of a power density spectrum obtained by Fourier transforming the main lobe waveform and determining a function represented by the square root as a symbol function, The received signal processing device according to any one of <1> to <3>.
<5> The received signal processing apparatus according to any one of <1> to <4>, wherein the function that satisfies the Nyquist first criterion is a raised cosine function.
<6> The transfer function determining means includes roll-off coefficient determining means for determining a roll-off coefficient of the raised cosine function within a numerical range including a numerical value that maximizes the signal-to-noise ratio of the received signal, and the roll-off coefficient The received signal processing apparatus according to <5>, wherein a transfer function is determined by:
<7> The received signal processing apparatus according to any one of <1> to <6>, wherein the received signal is an optical signal.
<8> A symbol function represented by a spectrum shape of a symbol constituting the received signal is detected from a digitized spectrum waveform of the received signal, and an inverse function of the symbol function and a function satisfying the first Nyquist criterion A transfer function determining step for determining a transfer function represented by a product, and a filtering step for shaping and outputting the spectrum waveform of the received signal into a waveform satisfying the first standard of the Nyquist based on the transfer function, A received signal processing method comprising:
<9> A symbol function represented by a spectrum shape of a symbol constituting the received signal is detected from the digitized spectrum waveform of the received signal, and an inverse function of the symbol function and a function satisfying the first criterion of Nyquist A transfer function determining step for determining a transfer function represented by a product, and using the transfer function as an initial condition, a tap coefficient for reducing an error signal in the received signal is repeatedly updated according to detection of a symbol of the received signal And an adaptive equalization step of outputting a filter processing signal based on the updated tap coefficient.
<10> The received signal processing method according to <9>, wherein the transfer function determining step is a step of repeatedly detecting a symbol function over time with respect to a spectrum waveform of the received signal that changes with time.
<11> The transfer function determination step includes an autocorrelation waveform acquisition step of acquiring an autocorrelation waveform of the spectrum waveform of the received signal, and only a main lobe waveform centered on τ = 0 on the time axis τ from the autocorrelation waveform. A main lobe waveform acquisition step of acquiring a symbol function, and a symbol function determination step of calculating a square root of a power density spectrum obtained by Fourier transforming the main lobe waveform and determining a function represented by the square root as a symbol function. The received signal processing method according to any one of <9> to <10>.
<12> The received signal processing method according to any one of <8> to <11>, wherein the function that satisfies the Nyquist first criterion is a raised cosine function.
<13> The transfer function determining step includes a roll-off coefficient determining step of determining a roll-off coefficient of the raised cosine function within a numerical range including a numerical value that maximizes the signal-to-noise ratio of the received signal, and the roll-off coefficient The received signal processing method according to <12>, wherein a transfer function is determined by:

本発明によれば、従来技術における前記諸問題を解決することができ、帯域制限された任意のスペクトル波形を有する受信信号の符号間干渉の影響を除去するとともに、信号対雑音比を最大化可能で実用的な受信信号処理装置及び受信信号処理方法を提供することができる。   According to the present invention, the above-mentioned problems in the prior art can be solved, and the influence of intersymbol interference of a received signal having an arbitrary band-limited spectrum waveform can be removed and the signal-to-noise ratio can be maximized. Thus, a practical received signal processing apparatus and received signal processing method can be provided.

第1実施形態に係る受信信号処理装置を有する通信システムを説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the communication system which has a received signal processing apparatus which concerns on 1st Embodiment. 伝達関数G(f)決定のために行う一連の信号処理の例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the example of a series of signal processing performed for transfer function G (f) determination. FIRフィルタで実行される一連の信号処理の例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the example of a series of signal processing performed with a FIR filter. DD−LMSアルゴリズムを用いた適応等化器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the adaptive equalizer using a DD-LMS algorithm. 実験装置の概要を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the outline | summary of an experimental apparatus. 第1の光バンドパスフィルタ(OBPF1)の伝達関数測定波形を示す図である。It is a figure which shows the transfer function measurement waveform of a 1st optical band pass filter (OBPF1). 第1の光バンドパスフィルタ(OBPF1)を通過した信号の信号スペクトル測定結果を示す図である。It is a figure which shows the signal spectrum measurement result of the signal which passed the 1st optical bandpass filter (OBPF1). 受信信号の電力密度スペクトルと、検出されたシンボルの電力密度スペクトル|SRX(f)|を示す図である。It is a figure which shows the power density spectrum of a received signal, and the power density spectrum | SRX (f) | 2 of the detected symbol. ロールオフ係数αに対する規格化利得gを計算した結果を示す図である。Is a diagram illustrating the results of calculating the normalized gains g N for rolloff factor alpha. 伝達関数G(f)から|G(f)|を計算してプロットした図である。It is the figure which computed and plotted | G (f) | 2 from transfer function G (f). G(f)を伝達関数として有するフィルタリング手段から出力される信号の電力密度スペクトルとレイズドコサイン関数を示す図である。It is a figure which shows the power density spectrum and raised cosine function of the signal output from the filtering means which has G (f) as a transfer function. 本発明に係る受信信号処理を適用しない場合の復調された信号のコンスタレーションを示す図である。It is a figure which shows the constellation of the demodulated signal when not receiving signal processing which concerns on this invention is applied. 本発明に係る受信信号処理を適用しない場合の復調された信号のアイパターンを示す図である。It is a figure which shows the eye pattern of the demodulated signal when not receiving signal processing concerning the present invention is applied. 本発明に係る受信信号処理を適用して決定された伝達関数G(f)を持つフィルタを適用した後で復調された信号のコンスタレーションを示す図である。It is a figure which shows the constellation of the signal demodulated after applying the filter with the transfer function G (f) determined by applying the received signal processing which concerns on this invention. 本発明に係る受信信号処理を適用して決定された伝達関数G(f)を持つフィルタを適用した後で復調された信号のアイパターンを示す図である。It is a figure which shows the eye pattern of the signal demodulated after applying the filter with the transfer function G (f) determined by applying the received signal processing which concerns on this invention. BER特性について、本発明に係る受信信号処理を適用しない場合の結果を示す図である。It is a figure which shows the result at the time of not applying the received signal processing which concerns on this invention about a BER characteristic. BER特性について、本発明に係る受信信号処理を適用した場合の結果を示す図である。It is a figure which shows the result at the time of applying the received signal processing which concerns on this invention about a BER characteristic. 規格化帯域幅Δを変化させてQ値を測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured standardization bandwidth (DELTA) and measuring Q value. FIRフィルタのタップ係数の初期値cを0として受信信号処理を行った場合の出力信号に含まれる誤差信号の相対強度Iを測定した結果を示す図である。The initial value c 0 of the tap coefficients of the FIR filter is a diagram showing the results of measurement of the relative intensity I k of the error signal contained in the output signal when the received signal processing as 0. FIRフィルタのタップ係数の初期値cを伝達関数G(f)の逆フーリエ変換値として受信信号処理を行った場合の出力信号に含まれる誤差信号の相対強度Iを測定した結果を示す図である。Shows a result of measuring the relative intensities I k of the error signal contained in the output signal when the received signal processing as the inverse Fourier transform value of the transfer the initial value c 0 of the tap coefficients of the FIR filter function G (f) It is.

(受信信号処理装置及び受信信号処理方法)
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態に係る受信信号処理装置は、伝達関数決定手段と、フィルタリング手段と、必要に応じて、その他の手段を有する。
また、本発明の第1実施形態に係る受信信号処理方法は、伝達関数決定工程と、フィルタリング工程と、必要に応じて、その他の手段を有する。
(Received signal processing apparatus and received signal processing method)
<First Embodiment>
The received signal processing apparatus according to the first embodiment of the present invention includes a transfer function determining unit, a filtering unit, and other units as necessary.
In addition, the received signal processing method according to the first embodiment of the present invention includes a transfer function determining step, a filtering step, and other means as necessary.

−伝達関数決定手段及び伝達関数決定工程−
前記伝達関数決定手段は、デジタル化された受信信号のスペクトル波形から前記受信信号を構成するシンボルのスペクトル形状で表されるシンボル関数を検出し、該シンボル関数の逆関数とナイキストの第一基準を満たす関数との積で表される伝達関数を決定する手段である。
また、前記伝達関数決定工程は、デジタル化された受信信号のスペクトル波形から前記受信信号を構成するシンボルのスペクトル形状で表されるシンボル関数を検出し、該シンボル関数の逆関数とナイキストの第一基準を満たす関数との積で表される伝達関数を決定する工程である。
このような伝達関数決定手段及び工程で決定される前記伝達関数に基づく信号処理を適用することで、前記受信信号が帯域制限され、符号間干渉による波形歪みを有していても、前記出力信号のスペクトル波形が前記ナイキストの第一基準を満たす関係となり、前記出力信号が符号間干渉が発生しない波形に整形されることから、波形歪みを抑圧することができる。
-Transfer function determining means and transfer function determining step-
The transfer function determining means detects a symbol function represented by a spectrum shape of a symbol constituting the received signal from the digitized spectrum waveform of the received signal, and determines an inverse function of the symbol function and a first reference of Nyquist. It is a means for determining a transfer function represented by the product of the function to be satisfied.
In the transfer function determining step, a symbol function represented by a spectrum shape of a symbol constituting the received signal is detected from a digitized spectrum waveform of the received signal, and an inverse function of the symbol function and a first Nyquist function are detected. It is a step of determining a transfer function represented by a product with a function that satisfies a criterion.
By applying the signal processing based on the transfer function determined in the transfer function determining means and step, the output signal is limited even if the received signal is band-limited and has waveform distortion due to intersymbol interference. Since the output waveform is shaped into a waveform that does not generate intersymbol interference, the waveform distortion can be suppressed.

前記ナイキストの第一基準を満たす関数としては、この基準を満たす限り、任意の関数で構わないが、前記式(2)で表されるレイズドコサイン関数が好ましい。また、前記伝達関数により、前記式(2)において、α=0として得られる矩形フィルタ成分を引き、残りの成分について、周波数をfとしたときに、f>0とf<0の成分のそれぞれがf=±B/2において奇対称となる関数であれば、前記ナイキストの第一基準を満たすことから、このような関数も含まれる。   The function that satisfies the Nyquist's first criterion may be any function as long as this criterion is satisfied, but the raised cosine function represented by the formula (2) is preferable. In addition, when the rectangular filter component obtained by α = 0 in the equation (2) is subtracted from the transfer function and the frequency is set to f for the remaining components, each of the components of f> 0 and f <0. Is a function that is oddly symmetric at f = ± B / 2, the first criterion of the Nyquist is satisfied, and such a function is also included.

前記受信信号としては、特に制限はなく、帯域制限された任意のスペクトル波形を有する信号が挙げられるが、有線又は無線の電磁波信号、特に光信号が好適に挙げられる。
また、前記受信信号としては、前記伝達関数決定手段への入力前に、適宜デジタル化される。
また、前記受信信号の変調形式としては、特に制限はなく、例えば、OOK,BPSK、QPSK、QAMなど種々の形式の変調信号を対象とすることができる。
The received signal is not particularly limited, and may be a signal having an arbitrary spectrum waveform with a limited band, and a wired or wireless electromagnetic wave signal, particularly an optical signal is preferably exemplified.
The received signal is appropriately digitized before being input to the transfer function determining means.
Further, the modulation format of the received signal is not particularly limited, and various types of modulation signals such as OOK, BPSK, QPSK, and QAM can be targeted.

前記伝達関数決定手段の構成としては、特に制限はないが、前記シンボル関数及びその逆関数を正しく検出する観点から、前記受信信号のスペクトル波形の自己相関波形を取得する自己相関波形取得手段と、前記自己相関波形から時間軸τ上のτ=0時を中心とするメインローブ波形のみを取得するメインローブ波形取得手段と、前記メインローブ波形をフーリエ変換して得られる電力密度スペクトルの平方根を算出し、その平方根で表される関数を前記シンボル関数として決定するシンボル関数決定手段と、を有する構成が好ましい。
また、前記伝達関数決定工程も同様に、前記受信信号のスペクトル波形の自己相関波形を取得する自己相関波形取得工程と、前記自己相関波形から時間軸τ上のτ=0時を中心とするメインローブ波形のみを取得するメインローブ波形取得工程と、前記メインローブ波形をフーリエ変換して得られる電力密度スペクトルの平方根を算出し、その平方根で表される関数を前記シンボル関数として決定するシンボル関数決定工程と、を有することが好ましい。
このような構成とすれば、自己相関関数の余分なサイドローブ波形を除去し、前記受信信号のスペクトル波形の復元に必要な前記メインローブ波形のみを対象として、前記シンボル関数が決定可能となることから、より高品質な前記受信信号の出力信号を得ることができる。
The configuration of the transfer function determining means is not particularly limited, but from the viewpoint of correctly detecting the symbol function and its inverse function, an autocorrelation waveform acquiring means for acquiring an autocorrelation waveform of the spectrum waveform of the received signal; Main lobe waveform acquisition means for acquiring only the main lobe waveform centered on τ = 0 on the time axis τ from the autocorrelation waveform, and the square root of the power density spectrum obtained by Fourier transforming the main lobe waveform And a symbol function determining unit that determines a function represented by the square root as the symbol function.
Similarly, in the transfer function determination step, an autocorrelation waveform acquisition step of acquiring an autocorrelation waveform of the spectrum waveform of the received signal, and a main function centered on τ = 0 on the time axis τ from the autocorrelation waveform A main lobe waveform acquisition step for acquiring only a lobe waveform, a symbol function determination for calculating a square root of a power density spectrum obtained by Fourier transforming the main lobe waveform, and determining a function represented by the square root as the symbol function It is preferable to have a process.
With such a configuration, it is possible to remove the excessive sidelobe waveform of the autocorrelation function and determine the symbol function only for the main lobe waveform necessary for restoring the spectrum waveform of the received signal. Therefore, it is possible to obtain an output signal of the received signal with higher quality.

前記ナイキストの第一基準を満たす関数として、前記レイズドコサイン関数を用いる場合、前記伝達関数決定手段としては、更に、前記受信信号の信号対雑音比を最大とする数値を含む数値範囲内で前記レイズドコサイン関数の前記ロールオフ係数を決定するロールオフ係数決定手段を有することが好ましい。
また、前記伝達関数決定工程としても同様に、前記受信信号の信号対雑音比を最大とする数値を含む数値範囲内で前記レイズドコサイン関数の前記ロールオフ係数を決定するロールオフ係数決定工程を有することが好ましい。
前記ロールオフ係数を決定する具体的な方法としては、例えば、前記受信信号の雑音電力が最小となるように前記ロールオフ係数を計算する手法が挙げられる。
このようなロールオフ係数決定手段及びロールオフ係数決定工程を有することで、前記ロールオフ係数の最適な値を決定することができ、前記受信信号の信号対雑音比を最大化させることが可能となる。
When the raised cosine function is used as a function that satisfies the Nyquist's first criterion, the transfer function determining means further includes the raised value within a numerical range including a numerical value that maximizes a signal-to-noise ratio of the received signal. It is preferable to have roll-off coefficient determining means for determining the roll-off coefficient of the cosine function.
Similarly, the transfer function determining step includes a roll-off coefficient determining step for determining the roll-off coefficient of the raised cosine function within a numerical range including a numerical value that maximizes the signal-to-noise ratio of the received signal. It is preferable.
As a specific method for determining the roll-off coefficient, for example, there is a method of calculating the roll-off coefficient so that the noise power of the received signal is minimized.
By having such a roll-off coefficient determination means and a roll-off coefficient determination step, it is possible to determine the optimum value of the roll-off coefficient, and to maximize the signal-to-noise ratio of the received signal. Become.

前記ロールオフ係数決定手段及び前記ロールオフ係数決定工程としては、前記フィルタリング手段及び前記フィルタリング工程のフィルタ処理前に、予め前記ロールオフ係数が決定された前記伝達関数を計算しておき、この伝達関数を前記フィルタ処理に適用させる処理として実施されることが好ましい。   As the roll-off coefficient determining means and the roll-off coefficient determining step, the transfer function in which the roll-off coefficient is determined in advance is calculated before the filtering process of the filtering means and the filtering step, and this transfer function is calculated. Is preferably implemented as a process for applying the above to the filter process.

前記伝達関数決定手段及び前記伝達関数決定工程としては、後述する実施例においてオフラインでの処理として説明されるが、実用的な受信信号処理として、リアルタイムでの処理であることが好ましく、この場合、経時変化する前記受信信号のスペクトル波形に対し、前記シンボル関数を経時的に繰り返し検出する手段及び工程として適用される。   The transfer function determining means and the transfer function determining step are described as off-line processing in the embodiment described later, but as a practical received signal processing, it is preferable to be real-time processing, in this case, The symbol function is applied as means and process for repeatedly detecting the symbol function over time with respect to the spectrum waveform of the received signal that changes with time.

前記伝達関数決定手段の具体的な構築方法としては、前記伝達関数を決定するように回路化されたIC,LSI,FPGA等の集積回路を用いた構築方法が挙げられる。
また、前記伝達関数決定工程としては、前記伝達関数決定手段に基づき、実行することができる。
As a specific construction method of the transfer function determining means, there is a construction method using an integrated circuit such as an IC, LSI, FPGA, etc. that is circuitized so as to determine the transfer function.
The transfer function determining step can be executed based on the transfer function determining means.

−フィルタリング手段及びフィルタリング工程−
前記フィルタリング手段は、前記伝達関数に基づき、前記受信信号の前記スペクトル波形を前記ナイキストの第一基準を満たす波形に整形して出力する手段である。
また、前記フィルタリング工程は、前記伝達関数に基づき、前記受信信号の前記スペクトル波形を前記ナイキストの第一基準を満たす波形に整形して出力する工程である。
-Filtering means and filtering step-
The filtering means is means for shaping and outputting the spectral waveform of the received signal into a waveform that satisfies the Nyquist first criterion based on the transfer function.
The filtering step is a step of shaping the spectrum waveform of the received signal into a waveform satisfying the first Nyquist criterion based on the transfer function and outputting the waveform.

前記フィルタリング手段としては、例えば、有限インパルス応答(FIR)フィルタが挙げられる。前記FIRフィルタのタップ係数としては、前記伝達関数G(f)を逆フーリエ変換して決定される。
また、前記FIRフィルタを用いない場合には、周波数領域で信号スペクトルに前記伝達関数G(f)を掛け合わせ、逆フーリエ変換を実施する手段が挙げられる。
An example of the filtering means is a finite impulse response (FIR) filter. The tap coefficient of the FIR filter is determined by inverse Fourier transform of the transfer function G (f).
Further, when the FIR filter is not used, there is a means for multiplying the signal spectrum in the frequency domain by the transfer function G (f) and performing inverse Fourier transform.

前記フィルタリング手段の具体的な構築方法としては、そのフィルタ処理を実行するように回路化されたIC,LSI,FPGA等の集積回路を用いた構築方法が挙げられる。
なお、前記フィルタリング工程としては、前記フィルタリング手段により実行することができる。
As a specific construction method of the filtering means, there is a construction method using an integrated circuit such as an IC, LSI, FPGA or the like circuitized to execute the filtering process.
The filtering step can be executed by the filtering means.

−その他の手段及びその他の工程−
なお、前記受信信号処理装置としては、必要に応じて、その他の手段を有していてもよく、例えば、光ファイバ通信システムに用いられる場合には、従来用いられている、光バンドパスフィルタ、減衰器、増幅器、光スペクトルアナライザ、デジタルコヒーレント受信機等の手段を有していてもよい。
また、前記受信信号処理方法としては、必要に応じて、その他の工程を有していてもよく、前記その他の手段を用いた種々の信号処理工程を有していてもよい。
-Other means and other processes-
The received signal processing device may have other means as required. For example, when used in an optical fiber communication system, a conventionally used optical bandpass filter, Means such as an attenuator, an amplifier, an optical spectrum analyzer, and a digital coherent receiver may be included.
Further, the received signal processing method may include other steps as necessary, and may include various signal processing steps using the other means.

以下に、本発明の第1実施形態に係る前記受信信号処理装置及び前記受信信号処理方法の例を挙げ、より具体的に説明する。
図1(a)は、本発明の第1実施形態に係る受信信号処理装置を有する通信システムを説明する説明図である。送信機1からは、スペクトル波形がSTX(f)である送信シンボルに情報が付加されて、シンボルレートがBである信号が送信される。信号は、伝達関数がH(f)である伝送路(チャネル)を伝搬し、加法性白色ガウス雑音(AWGN)が付加された後、受信信号処理装置2で受信される。
受信時のシンボルのスペクトル波形SRX(f)は、送信時のそれにチャネル伝達関数H(f)が掛け合わされたSRX(f)=STX(f)H(f)により与えられる。
受信信号が大きく帯域制限されている場合、波符号間干渉が発生して波形劣化が著しくなるが、スペクトル波形をナイキストの第一基準を満たす形状に受信信号処理装置2で整形できれば、符号間干渉は発生しなくなる。
Hereinafter, examples of the received signal processing apparatus and the received signal processing method according to the first embodiment of the present invention will be described in more detail.
Fig.1 (a) is explanatory drawing explaining the communication system which has a received signal processing apparatus concerning 1st Embodiment of this invention. From the transmitter 1, information is added to a transmission symbol having a spectrum waveform of S TX (f), and a signal having a symbol rate of B is transmitted. The signal propagates through a transmission line (channel) whose transfer function is H (f), and is added with additive white Gaussian noise (AWGN), and then received by the received signal processing device 2.
The spectrum waveform S RX (f) of the symbol at the time of reception is given by S RX (f) = S TX (f) H (f) multiplied by the channel transfer function H (f) at the time of transmission.
When the received signal is largely band-limited, intersymbol interference occurs and waveform degradation becomes significant. However, if the received signal processing apparatus 2 can shape the spectrum waveform into a shape that satisfies the Nyquist criterion, the intersymbol interference will occur. Will no longer occur.

そのため、受信信号処理装置2のフィルタリング手段において、下記式(3)で表される伝達関数G(f)により、フィルタリング処理を実施する。なお、下記式(3)中のRα(f)は、前記式(2)に定義を示したレイズドコサイン関数であるが、Rα(f)の代わりにナイキストの第一基準を満たす任意の関数を選んでもよい。 Therefore, the filtering means of the received signal processing device 2 performs the filtering process using the transfer function G (f) expressed by the following equation (3). In addition, R α (f) in the following formula (3) is a raised cosine function whose definition is shown in the formula (2), but any one that satisfies the Nyquist first criterion instead of R α (f) You may choose a function.

このようなフィルタリング処理を実施すれば、受信信号の帯域が制限されていて、符号間干渉による波形劣化を有していたとしても、フィルタ出力後のスペクトル波形が前記レイズドコサイン関数に一致することから、信号は符号間干渉が発生しない波形を持つことになり、波形劣化を抑圧することができる。   If such a filtering process is performed, even if the band of the received signal is limited and waveform deterioration due to intersymbol interference occurs, the spectrum waveform after the filter output matches the raised cosine function. The signal has a waveform that does not cause intersymbol interference, and waveform deterioration can be suppressed.

ところで、前記レイズドコサイン関数は、前述の通りパラメータとして前記ロールオフ係数αを持ち、最適なαの値を選ぶことで、信号対雑音比(SN比)を最大化することができる。
スペクトルとして前記レイズドコサイン関数を持つシンボルの時間波形rα(t)は、下記式(4)で与えられる。
By the way, the raised cosine function has the roll-off coefficient α as a parameter as described above, and the signal-to-noise ratio (S / N ratio) can be maximized by selecting an optimal value of α.
A time waveform r α (t) of a symbol having the raised cosine function as a spectrum is given by the following equation (4).

前記式(4)より、シンボルの時間波形振幅のピーク値は、時間t=0で得られ、ロールオフ係数αに依存しないことがわかる。
次に雑音電力Pは、下記式(5)から計算される。
From the equation (4), it can be seen that the peak value of the time waveform amplitude of the symbol is obtained at time t = 0 and does not depend on the roll-off coefficient α.
Next, the noise power PN is calculated from the following equation (5).

前記式(5)中、N(f)は、雑音の電力密度スペクトルを示し、AWGNを考える場合、N(f)は定数となる。前記式(5)により計算される雑音電力Pの値が最小となるように前記ロールオフ係数αを選べば、前記伝達関数G(f)のフィルタを通過後の信号の信号対雑音比が最大化される。 In the equation (5), N (f) represents a power density spectrum of noise, and when considering AWGN, N (f) is a constant. Wherein if you choose rolloff factor α such that the value of the noise power P N which is calculated by the equation (5) is minimized, the signal-to-noise ratio of the signal after passing through the filter of the transfer function G (f) is Maximized.

前記式(3)に示した前記伝達関数G(f)を決定するためには、前記受信信号のシンボルが持つスペクトル波形SRX(f)を正しく得る必要がある。しかしながら、受信信号時間波形dRX(t)を単純にフーリエ変換しただけでは、所望のSRX(f)は得られない。なぜなら信号は、データにより変調されていて、更に雑音が付加されているため、dRX(t)の単純なフーリエ変換は周波数領域で大きな雑音を含んだ形となるためである(この点についての説明を、図5(a)を用いて後述する)。 In order to determine the transfer function G (f) shown in the equation (3), it is necessary to correctly obtain the spectrum waveform S RX (f) possessed by the symbol of the received signal. However, the desired S RX (f) cannot be obtained by simply Fourier transforming the received signal time waveform d RX (t). This is because the signal is modulated by data and added with noise, so that the simple Fourier transform of d RX (t) has a large noise in the frequency domain. The description will be given later with reference to FIG.

そこで、ここでは、受信信号時間波形dRX(t)から高品質に受信シンボルスペクトル波形SRX(f)を得る手法として、dRX(t)の自己相関波形を用いたシンボル関数の取得手段を提案する。
先ず、定義式aRX(τ)=∫−∞ +∞RX (t)dRX(t+τ)dt又はdRX(t)の電力密度スペクトルの逆フーリエ変換を計算することにより、dRX(t)の自己相関波形aRX(τ)を求める。
次に、遅延時間τ軸上でτ=0を中心とするメインローブ波形だけを切り出す。この切り出しには、dRX(t)に付加された変調信号や雑音成分を除去する効果がある。こうして切り出された自己相関波形をフーリエ変換すると、受信シンボルの電力密度スペクトル|SRX(f)|が得られる。チャネル伝達関数が実数で書ける場合は、その電力密度スペクトルの平方根|SRX(f)|が所望する受信シンボルスペクトル波形(シンボル関数)に相当する。なお、例えば、光ファイバの群速度分散や偏波モード分散などのように、チャネル伝達関数が複素数であっても既知の線形な関数であれば、前記受信信号処理の実施に先立って既存の信号処理方法によって、あらかじめ複素成分を補償しておくことで、受信シンボルのスペクトルとして実数だけを考えることが可能である。
Therefore, here, as a technique for obtaining the reception symbol spectrum waveform S RX (f) with high quality from the reception signal time waveform d RX (t), a symbol function acquisition means using the autocorrelation waveform of d RX (t) is used. suggest.
First, by calculating the inverse Fourier transform of the power density spectrum of the definition formula a RX (τ) = ∫ −∞ + ∞ d RX * (t) d RX (t + τ) dt or d RX (t), d RX ( The autocorrelation waveform a RX (τ) of t) is obtained.
Next, only the main lobe waveform centered on τ = 0 is extracted on the delay time τ axis. This clipping has an effect of removing the modulation signal and noise component added to d RX (t). When the autocorrelation waveform thus cut out is subjected to Fourier transform, a power density spectrum | S RX (f) | 2 of the received symbol is obtained. When the channel transfer function can be written as a real number, the square root | S RX (f) | of the power density spectrum corresponds to a desired received symbol spectrum waveform (symbol function). For example, if the channel transfer function is a complex number, such as group velocity dispersion or polarization mode dispersion of an optical fiber, but is a known linear function, the existing signal is processed prior to the reception signal processing. By compensating the complex component in advance by the processing method, it is possible to consider only the real number as the spectrum of the received symbol.

このように検出された受信シンボルスペクトル波形としての前記シンボル関数SRX(f)及びその逆関数を用いて、前記式(3)から、あるαに対する前記伝達関数G(f)を求めることができる。
そして、前述の通り、前記式(5)を計算して得られる雑音出力が最小となる前記ロールオフ係数αを0≦α≦1の範囲から決定することで、最適な前記伝達関数G(f)を決定できる。
Using the symbol function S RX (f) as the received symbol spectrum waveform thus detected and its inverse function, the transfer function G (f) for a given α can be obtained from the equation (3). .
Then, as described above, the optimum transfer function G (f) is determined by determining the roll-off coefficient α that minimizes the noise output obtained by calculating the equation (5) from the range of 0 ≦ α ≦ 1. ) Can be determined.

この際、前記式(5)の計算処理に基づくロールオフ係数の決定手法の一例として、雑音の電力密度スペクトルN(f)を1とし、前記式(5)により算出される雑音電力PをG(f)の全帯域幅(1+α)Bで割って規格化した、下記式(6)で表される前記伝達関数G(f)に関する雑音AWGNの規格化利得gから、前記ロールオフ係数を決定する方法が挙げられる。 In this case, as an example of a method of determining the roll-off factor based on the computation processing of the equation (5), the noise power density spectrum N (f) is set to 1, the noise power P N, which is calculated by the equation (5) normalized by dividing the total bandwidth of the G (f) (1 + α ) B, from the normalized gain g N noise AWGN relating to the transfer function G of the following formula (6) (f), the roll-off factor The method of determining is mentioned.

即ち、前記式(6)で定義されたgが1より大きければ、前記レイズドコサイン関数の帯域内における雑音電力Pが増幅されることになるため、gが1より小さくなるようなαを選ぶことで、出力信号における信号対雑音比が最大となる前記ロールオフ係数を決定することができる。
以上に説明した伝達関数G(f)決定のために行う一連の信号処理の例を図1(b)にブロック図として示す。
なお、以上の処理を繰り返し実施することで、仮に受信信号のスペクトル波形が時間的に変化したとしても、波形変化にリアルタイムに適応した受信信号処理を行うことができる。
That is, larger than g N 1 defined by the formula (6), this means that the noise power P N in a band of the raised cosine function is amplified, g N such that less than 1 alpha By selecting, the roll-off coefficient that maximizes the signal-to-noise ratio in the output signal can be determined.
An example of a series of signal processing performed for determining the transfer function G (f) described above is shown as a block diagram in FIG.
By repeatedly performing the above processing, even if the spectrum waveform of the received signal changes with time, received signal processing adapted to the waveform change in real time can be performed.

次いで、前記FIRフィルタを用いたフィルタ処理を行う。ここでは、前記受信信号に対する前記FIRフィルタのフィルタ処理に先行して、前記ロールオフ係数が決定された前記伝達関数G(f)を逆フーリエ変換して得られる前記タップ係数を決定してFIRフィルタに予め入力させることで、前記FIRフィルタ処理を迅速に実行させることができる。
前記FIRフィルタで実行される一連の信号処理の例を図1(c)にブロック図として示す。
Next, filter processing using the FIR filter is performed. Here, prior to the filter processing of the FIR filter for the received signal, the tap coefficient obtained by inverse Fourier transform of the transfer function G (f) for which the roll-off coefficient has been determined is determined to determine the FIR filter. By inputting in advance, the FIR filter processing can be executed quickly.
An example of a series of signal processing executed by the FIR filter is shown as a block diagram in FIG.

<第2実施形態>
本発明の第2実施形態に係る受信信号処理装置は、伝達関数決定手段と、適応等化手段と、必要に応じて、その他の手段を有する。
また、本発明の第2実施形態に係る受信信号処理方法は、伝達関数決定工程と、適応等化工程と、必要に応じて、その他の工程を有する。
前記伝達関数決定手段及び前記伝達関数決定工程、並びに、前記その他の手段及び前記その他の工程は、前記本発明の第1実施形態に係る受信信号処理装置及び受信信号処理方法と同様であるため、ここでは、前記適応等化手段及び前記適応等化工程について説明する。
Second Embodiment
The received signal processing apparatus according to the second embodiment of the present invention includes a transfer function determining unit, an adaptive equalizing unit, and other units as necessary.
In addition, the received signal processing method according to the second embodiment of the present invention includes a transfer function determination step, an adaptive equalization step, and other steps as necessary.
Since the transfer function determining means and the transfer function determining step, and the other means and the other steps are the same as those of the received signal processing apparatus and received signal processing method according to the first embodiment of the present invention, Here, the adaptive equalization means and the adaptive equalization step will be described.

−適応等化手段及び適応等化工程−
前記適応等化手段は、前記伝達関数を初期条件として用い、前記受信信号中の誤差信号を少なくするタップ係数を前記受信信号のシンボルの検出に応じて繰り返し更新し、更新された前記タップ係数に基づくフィルタ処理信号を出力する手段である。
また、前記適応等化工程は、前記伝達関数を初期条件として用い、前記受信信号中の誤差信号を少なくするタップ係数を前記受信信号のシンボルの検出に応じて繰り返し更新し、更新された前記タップ係数に基づくフィルタ処理信号を出力する工程である。
適応等化処理は、FIRフィルタのタップ係数を最適化させるために、数多くの受信シンボルと繰り返し計算を必要とするため(非特許文献1参照)、受信信号処理方法として実用的でないのが現状である。
しかしながら、前記伝達関数決定工程で決定された前記伝達関数を初期条件に選ぶことで、前記FIRフィルタのフィルタ特性を最適値に収束させるまでの繰り返し計算処理が劇的に削減され、実用的な適応等化処理を提供することが可能となる。また、前記伝達関数G(f)を初期条件として用いることで、動作を開始した直後より前記受信信号の符号間干渉の影響を除去するとともに、信号対雑音比を最大化することが可能となる。
-Adaptive equalization means and adaptive equalization process-
The adaptive equalization means uses the transfer function as an initial condition, repeatedly updates a tap coefficient for reducing an error signal in the received signal according to detection of a symbol of the received signal, and sets the updated tap coefficient as the tap coefficient. A means for outputting a filtered signal based thereon.
Further, the adaptive equalization step uses the transfer function as an initial condition, repeatedly updates a tap coefficient for reducing an error signal in the received signal according to detection of a symbol of the received signal, and updates the updated tap. This is a step of outputting a filter processing signal based on the coefficient.
Since adaptive equalization processing requires many received symbols and repeated calculation in order to optimize the tap coefficient of the FIR filter (see Non-Patent Document 1), it is not practical as a received signal processing method at present. is there.
However, by selecting the transfer function determined in the transfer function determination step as an initial condition, iterative calculation processing until the filter characteristic of the FIR filter converges to an optimum value is dramatically reduced, and practical adaptation is achieved. It is possible to provide equalization processing. Further, by using the transfer function G (f) as an initial condition, it is possible to remove the influence of intersymbol interference of the received signal immediately after the operation is started and to maximize the signal-to-noise ratio. .

前記適応等化手段としては、例えば、従来用いられているDD−LMS、CMA(Constant−Modulus Algorithm)等の適応等化器の構成を利用した手段が挙げられる。また、前記適応等化工程としては、前記適応等化手段により実行することができる。
なお、前記適応等化器の具体的な構築方法としては、前記タップ係数を最適に更新するように回路化されたIC,LSI,FPGA等の集積回路を用いた構築方法が挙げられる。
ここでは、DD−LMSアルゴリズムを用いた適応等化器を利用した前記適応等化手段及び前記適応等化工程の信号処理の例を図を用いて詳細に説明する。
Examples of the adaptive equalization means include means using a configuration of an adaptive equalizer such as DD-LMS and CMA (Constant-Modulus Algorithm) that are conventionally used. The adaptive equalization step can be executed by the adaptive equalization means.
As a specific construction method of the adaptive equalizer, a construction method using an integrated circuit such as an IC, LSI, FPGA or the like circuitized so as to optimally update the tap coefficient can be cited.
Here, an example of signal processing of the adaptive equalization means using the adaptive equalizer using the DD-LMS algorithm and the adaptive equalization process will be described in detail with reference to the drawings.

図2にFIRフィルタにDD−LMSアルゴリズムを適用した適応等化器の構成を示す。
入力信号Sは、受信信号をシンボルレートのm倍のサンプリングレートで離散化したデジタルデータであり、あるタイミングnにおける離散データである。mは、1以上の整数であり、例えば、時間軸上で1シンボルにつき4点のサンプリングがなされていれば、m=4となる。なお、nがmの整数倍の時のデータが復調すべき信号データとなるよう、タイミングが調整され、nがmの整数倍以外のタイミングでは、シンボル間を遷移している点の信号データとなる(例えば、後述の図6(a)及び(c)における黒線参照)。また、図2において、z−1で表されるブロックは、1サンプル分の時間遅延を表しており、1つのブロックを通過するごとに、1サンプル分だけ過去の入力信号が得られるものとする。
FIG. 2 shows a configuration of an adaptive equalizer in which the DD-LMS algorithm is applied to the FIR filter.
The input signal S n is digital data obtained by discretizing a received signal at a sampling rate m times the symbol rate, and is discrete data at a certain timing n. m is an integer equal to or greater than 1. For example, if four points are sampled per symbol on the time axis, m = 4. Note that the timing is adjusted so that the data when n is an integer multiple of m is the signal data to be demodulated, and at timings other than the integer multiple of m, the signal data at the point of transition between symbols (For example, see the black line in FIGS. 6A and 6C described later). In FIG. 2, a block represented by z −1 represents a time delay for one sample, and a past input signal for one sample is obtained each time one block is passed. .

入力信号Sは、タップ数がN+1のFIRフィルタに入力される(Nは、0以上の整数である)が、この時のタップ係数cは、初期値cが与えられた後、nがmの整数倍となる時に更新され、その時のタイミングn=mkに対して、c=[ck,0k,1 ・・・ck,Nである。ただし、kは、繰り返しの計算処理回数を示す0以上の整数であり、k=0の時初期値を表すものとする。また、Tは、ベクトルの転置を表す。 The input signal S n is input to an FIR filter having N + 1 taps (N is an integer greater than or equal to 0 ). At this time, the tap coefficient ck is given by an initial value c 0 and then n Is updated when m is an integral multiple of m, and for the timing n = mk at that time, c k = [c k, 0 c k, 1 ... C k, N ] T. However, k is an integer greater than or equal to 0 indicating the number of repeated calculation processes, and represents an initial value when k = 0. T represents vector transposition.

出力信号xは、タップ係数cと入力信号sの畳み込み演算の結果として得られ、具体的には、過去のタイミングの入力を含む入力信号s=[sn−1 ・・・sn−Nのベクトル信号とタップ係数cのベクトル信号との内積x=c で与えられる。
n=mkの時にタップ係数cが更新されるが、この時の出力信号xmkに対して、復調のための判定(Decision)を実施し、その判定結果を所望の信号dとおく。具体例として、QPSK信号の場合には、複素平面において出力信号xmkが第一象限、第二象限、第三象限、第四象限のいずれかにある場合、判定結果をそれぞれA(1+i)、A(−1+i)、A(−1−i)、A(1−i)とする。ただし、Aは適当な定数、iは虚数単位である。
そして、誤差信号ε=d−xmkを求めてから、ベクトル演算式ck+1=c+με mkにしたがって、タップ係数cのベクトル信号を随時更新する。なお、ここでμは、ステップサイズパラメータ(Step−size parameter)と呼ばれる正の定数である。
The output signal x n is obtained as a result of the convolution operation of the tap coefficient c k and the input signal s n . Specifically, the input signal s n = [s n s n−1. S n−N ] It is given by the inner product x n = c k T s n of the vector signal of T and the vector signal of the tap coefficient ck .
Although the tap coefficient c k when n = mk is updated, the output signal x mk at this time, to implement the decision (Decision) for demodulation, placing the determination result with the desired signal d k. As a specific example, in the case of a QPSK signal, when the output signal x mk is in one of the first quadrant, the second quadrant, the third quadrant, and the fourth quadrant in the complex plane, the determination result is A (1 + i), Let A (-1 + i), A (-1-i), and A (1-i). However, A is an appropriate constant and i is an imaginary unit.
Then, after obtaining the error signal ε k = d k −x mk , the vector signal of the tap coefficient ck is updated at any time according to the vector arithmetic expression c k + 1 = c k + με k s * mk . Here, μ is a positive constant called a step size parameter (Step-size parameter).

このような構成からなる適応等化器において、タップ係数cを決定して更新するための初期値cとして、前記伝達関数G(f)を逆フーリエ変換して得られるベクトル値を用いると、任意の初期値cからn=mkとなる条件を繰り返し計算するよりも、劇的に計算処理を削減することができ、より実用的な受信信号処理とすることができる。 In the adaptive equalizer having such a configuration, as an initial value c o to update to determine the tap coefficients c k, the use of vector value obtained the transfer function G (f) is then inverse Fourier transform , than repeatedly calculating a condition comprising an arbitrary initial value c o and n = mk, can dramatically reduce the calculation process can be made more practical reception signal processing.

(実施例1)
実施例1として、帯域制限された信号に対して本発明の前記受信信号処理装置及び方法を適用した実験の内容と、該実験から確認された効果を説明する。
図3に、前記実験装置の概要を示す。該図3に示すように、本実験系は、送信機(T)11と、第1の光バンドパスフィルタ(OBPF1)13と、受信信号処理装置12とで構成され、受信信号処理装置12は、可変光減衰器(VOA)14と、エルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)15と、第2の光バンドパスフィルタ(OBPF2)16と、光スペクトルアナライザ(OSA)17と、コヒーレント受信機18と、オフラインのデジタル信号処理機(DSP)19とで構成される。
Example 1
As Example 1, the contents of an experiment in which the received signal processing apparatus and method of the present invention are applied to a band-limited signal and the effects confirmed from the experiment will be described.
FIG. 3 shows an outline of the experimental apparatus. As shown in FIG. 3, this experimental system is composed of a transmitter (T x ) 11, a first optical bandpass filter (OBPF 1) 13, and a received signal processing device 12. Includes a variable optical attenuator (VOA) 14, an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) 15, a second optical bandpass filter (OBPF2) 16, an optical spectrum analyzer (OSA) 17, a coherent receiver 18, And an off-line digital signal processor (DSP) 19.

送信機(T)11からは、中心波長が1,552.52nmであり、単一偏波でシンボルレートがB=21.5[Gbaud]のQPSK(四値位相シフトキーイング)信号が生成され、該QPSK信号は、データとして長さが215−1の疑似ランダムビット系列により変調されている。
送信機(T)11より出力された信号は、帯域幅が可変である光バンドパスフィルタ(OBPF1)13を通過することで、帯域が制限される。図4(a)に光バンドパスフィルタ(OBPF1)13の伝達関数測定波形を示し、図4(b)に光バンドパスフィルタ(OBPF1)13を通過した信号の信号スペクトル測定結果を示す。ただし、図4(b)の点線は、光バンドパスフィルタ(OBPF1)13を通過する前の信号スペクトルである。
ここで、光バンドパスフィルタ(OBPF1)13における伝達関数の通過帯域幅Wを、挿入損失がピーク値から0.1dB小さい点での全幅で定義すると、図4(a)に示された結果については、帯域幅が大きい順からW=32.0,28.0,22.3,16.8,11.3,8.25,5.50,3.50[GHz]である。
また、信号のシンボルレートB=21.5[Gbaud]を用いて光バンドパスフィルタ(OBPF1)13の通過帯域幅Wを規格化し、規格化帯域幅ΔをΔ=W/Bのように定義すると、Δ=1.49,1.30,1.03,0.78,0.52,0.38,0.26,0.16である。
The transmitter (T x ) 11 generates a QPSK (quaternary phase shift keying) signal having a center wavelength of 1,552.52 nm, a single polarization, and a symbol rate of B = 21.5 [Gbaud]. The QPSK signal is modulated as a data by a pseudo random bit sequence having a length of 2 15 −1.
The band of the signal output from the transmitter (T x ) 11 is limited by passing through an optical bandpass filter (OBPF1) 13 having a variable bandwidth. 4A shows a transfer function measurement waveform of the optical bandpass filter (OBPF1) 13, and FIG. 4B shows a signal spectrum measurement result of a signal that has passed through the optical bandpass filter (OBPF1) 13. However, the dotted line in FIG. 4B is a signal spectrum before passing through the optical bandpass filter (OBPF1) 13.
Here, when the pass band width W of the transfer function in the optical bandpass filter (OBPF1) 13 is defined by the full width at a point where the insertion loss is 0.1 dB smaller than the peak value, the result shown in FIG. Are W = 32.0, 28.0, 22.3, 16.8, 11.3, 8.25, 5.50, 3.50 [GHz] in descending order of bandwidth.
Further, when the passband width W of the optical bandpass filter (OBPF1) 13 is normalized using the signal symbol rate B = 21.5 [Gbaud], and the normalized bandwidth Δ is defined as Δ = W / B. Δ = 1.49, 1.30, 1.03, 0.78, 0.52, 0.38, 0.26, 0.16.

光バンドパスフィルタ(OBPF1)13によって帯域制限された信号は、受信信号処理装置12に入力される。受信信号処理装置12では、可変光減衰器(VOA)14とエルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)15を用いて、信号検出時の信号光パワーと光信号対雑音比(OSNR)を所望の値に調整し、光スペクトラムアナライザ(OSA)17により、その値を測定することとしている。なお、受光時に雑音を含む総光パワーが大きくなりすぎないよう、エルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)15通過後に通過帯域幅を7.5nmとする光バンドパスフィルタ(OBPF2)を用いているが、このフィルタは、信号品質に影響を及ぼすものではない。   The signal band-limited by the optical bandpass filter (OBPF1) 13 is input to the reception signal processing device 12. The received signal processing device 12 uses a variable optical attenuator (VOA) 14 and an erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) 15 to set the signal light power and optical signal-to-noise ratio (OSNR) at the time of signal detection to desired values. The value is adjusted and measured by an optical spectrum analyzer (OSA) 17. Note that an optical bandpass filter (OBPF2) having a passband width of 7.5 nm after passing through the erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) 15 is used so that the total optical power including noise does not become too large when receiving light. This filter does not affect the signal quality.

本発明に係る受信信号処理装置及び方法では、受信信号をリアルタイム処理することが可能であるが、本実施例に係る受信信号処理装置及び方法では、オフライン処理することとしている。
即ち、光パワーとOSNRを調整された信号は、コヒーレント受信機18によって受光され、そのリアルタイムオシロスコープによってデジタルデータとして取得される。取得されたデジタルデータをオフラインのデジタル信号処理機(DSP)19としてのパソコンに取り込み、パソコン内で稼働する計算ソフトであるMatlab上に構築された各種信号処理プログラムを実行することによって、オフラインデジタル信号処理を実施する。
In the received signal processing apparatus and method according to the present invention, the received signal can be processed in real time, but in the received signal processing apparatus and method according to the present embodiment, offline processing is performed.
That is, the signal whose optical power and OSNR are adjusted is received by the coherent receiver 18 and acquired as digital data by the real-time oscilloscope. The obtained digital data is taken into a personal computer as an off-line digital signal processor (DSP) 19 and an off-line digital signal is executed by executing various signal processing programs built on Matlab, which is calculation software that operates in the personal computer. Perform the process.

各種信号処理の内容としては、先ず、サンプリングレート変換を実施し、サンプリングレートを80Gsample/sからシンボルレート(21.5Gbaud)の4倍(整数倍であればよく、ここでは4倍を採用)である86GSample/sに変換する。
次に、本発明に係る受信信号処理を実施する。具体的には、先ず、信号の複素振幅時間波形をフーリエ変換して絶対値の二乗を取り、電力密度スペクトルを求める。これを逆フーリエ変換して自己相関波形を求め、時間軸τ=0を中心とするメインローブ波形だけを切り出す処理を行う。次いで、切り出された自己相関波形を再びフーリエ変換してサイドローブ波形が除去されたメインローブ波形における電力密度スペクトルを得た後、その平方根を取って受信シンボルのスペクトル形状を表すシンボル関数SRX(f)とその逆関数SRX −1(f)を取得する。
これから、前記式(3)を用いて任意のロールオフ係数αに対して、伝達関数G(f)を計算すると同時に、前記式(6)から規格化利得gを計算する。得られた規格化利得gが最小値となるロールオフ係数α、即ち、信号対雑音比が最大となるロールオフ係数αを決定し、伝達関数G(f)のスペクトル波形を確定する(伝達関数決定工程)。伝達関数G(f)を逆フーリエ変換して得られるインパルス応答から、伝達関数がG(f)となるようなFIRフィルタのタップ係数を導出し、信号データとの畳み込みを計算することで、スペクトル波形がレイズドコサイン関数Rα(f)に整形されるようにフィルタリングされた出力信号を得る(フィルタリング工程)。
As the contents of various signal processing, first, sampling rate conversion is performed, and the sampling rate is changed from 80 Gsample / s to 4 times the symbol rate (21.5 Gbaud) (integer multiple may be used here, 4 times is adopted). Convert to 86 GSample / s.
Next, the received signal processing according to the present invention is performed. Specifically, first, the complex amplitude time waveform of the signal is Fourier-transformed to take the square of the absolute value to obtain a power density spectrum. This is subjected to inverse Fourier transform to obtain an autocorrelation waveform, and only the main lobe waveform centered on the time axis τ = 0 is cut out. Next, the extracted autocorrelation waveform is subjected to Fourier transform again to obtain a power density spectrum in the main lobe waveform from which the side lobe waveform is removed, and then the square function is taken to obtain the symbol function S RX ( f) and its inverse function S RX −1 (f) are obtained.
From this, the transfer function G (f) is calculated for an arbitrary roll-off coefficient α using the equation (3), and at the same time, the normalized gain g N is calculated from the equation (6). The obtained roll-off coefficient α at which the normalized gain g N becomes the minimum value, that is, the roll-off coefficient α at which the signal-to-noise ratio is maximized is determined, and the spectrum waveform of the transfer function G (f) is determined (transfer) Function determination step). By deriving tap coefficients of the FIR filter such that the transfer function is G (f) from the impulse response obtained by inverse Fourier transform of the transfer function G (f), and calculating the convolution with the signal data, the spectrum is obtained. An output signal filtered so that the waveform is shaped into a raised cosine function R α (f) is obtained (filtering step).

その後、信号のクロックを抽出してタイミング補正を行い、コヒーレント受信機18で用いられる局所発振光との位相誤差を補正し、QPSK信号としての四値位相情報からビット系列を復元し、最後に送信信号に設定した疑似ランダム系列との比較を行って、受信信号のビット誤り率を得る。また、波形データの統計的な処理からQ値を得る。   After that, the signal clock is extracted and the timing is corrected, the phase error from the local oscillation light used in the coherent receiver 18 is corrected, the bit sequence is restored from the quaternary phase information as the QPSK signal, and finally transmitted. The bit error rate of the received signal is obtained by comparing with a pseudo-random sequence set in the signal. The Q value is obtained from statistical processing of the waveform data.

実施例1に係る受信信号処理装置の基本的な動作を確認するために、規格化帯域幅Δが0.26の第1の光バンドパスフィルタ(OBPF1)13通過後の信号に対して、本発明に係る受信信号処理を適用した結果を示す。なお、コヒーレント受信機18受光時における信号のOSNRは、30dBに調整されている。
図5(a)は、受信信号の電力密度スペクトルを示す図であり、受信した光信号の複素振幅をフーリエ変換して得られたものである。この電力密度スペクトルを逆フーリエ変換して受信信号の自己相関波形を導出し、そのサイドローブ波形を除去するように遅延時間τ=0を中心とするメインローブ波形のみを切り出してフーリエ変換すると、受信シンボルの電力密度スペクトルの平方根、|SRX(f)|が図5(a)の点線のように検出された。この点線から、シンボル関数SRX(f)及びその逆関数SRX −1(f)を取得した。なお、図5(a)中の点線以外に示されるように、電力密度スペクトルは、大きな雑音を含むものとして、上下にギザギザの波形となり、単純にフーリエ変換を行っても、所望のSRX(f)が得られない。そのため、自己相関波形を用いた処理を行うこととしている。
In order to confirm the basic operation of the received signal processing apparatus according to the first embodiment, the signal after passing through the first optical bandpass filter (OBPF1) 13 having a normalized bandwidth Δ of 0.26 is The result of applying the received signal processing according to the invention is shown. Note that the OSNR of the signal when receiving the coherent receiver 18 is adjusted to 30 dB.
FIG. 5A is a diagram showing a power density spectrum of a received signal, which is obtained by performing Fourier transform on the complex amplitude of the received optical signal. This power density spectrum is inverse Fourier transformed to derive the autocorrelation waveform of the received signal, and only the main lobe waveform centered on the delay time τ = 0 is cut out and Fourier transformed so as to remove the sidelobe waveform. The square root of symbol power density spectrum, | S RX (f) | 2, was detected as shown by the dotted line in FIG. The symbol function S RX (f) and its inverse function S RX −1 (f) were obtained from this dotted line. 5A, the power density spectrum is assumed to include a large noise and has a jagged waveform at the top and bottom, and the desired S RX ( f) cannot be obtained. Therefore, processing using an autocorrelation waveform is performed.

このSRX(f)を用いて、前記式(3)における0以上1以下の範囲のロールオフ係数αに対して、前記式(6)により規格化利得gを計算した結果を図5(b)に示す。この結果より、0<α<0.55でg<1となっていることがわかる。α=0.23のときgが最小となり、信号対雑音比が最大となるため、この値を最適値として採用する。 Using this S RX (f), the result of calculating the normalized gain g N by the equation (6) with respect to the roll-off coefficient α in the range of 0 to 1 in the equation (3) is shown in FIG. Shown in b). From this result, it can be seen that 0 <α <0.55 and g N <1. Since g N is minimized and the signal-to-noise ratio is maximized when α = 0.23, this value is adopted as the optimum value.

図5(c)は、α=0.23としたときに得られる伝達関数G(f)から|G(f)|を計算してプロットしたものである。このように決定したG(f)を伝達関数として有するフィルタリング手段から出力される信号の電力密度スペクトルと、α=0.23としたときのレイズドコサイン関数(点線で示される)を図5(d)に示す。該図5(d)から確認されるように、両者はよく一致しており、ナイキストの第1基準を満たす信号スペクトル波形として符号間干渉の抑圧を期待することができる。 FIG. 5C is a plot of | G (f) | 2 calculated from the transfer function G (f) obtained when α = 0.23. The power density spectrum of the signal output from the filtering means having G (f) determined in this way as a transfer function and the raised cosine function (indicated by a dotted line) when α = 0.23 are shown in FIG. ). As can be seen from FIG. 5 (d), both agree well, and suppression of intersymbol interference can be expected as a signal spectrum waveform satisfying the first Nyquist criterion.

本発明に係る受信信号処理を適用しない場合に、復調された信号のコンスタレーションとアイパターンの結果を図6(a)及び(b)にそれぞれ示す。規格化帯域幅がΔ=0.26の第1の光バンドパスフィルタ(OBPF1)13によって信号の帯域が大きく制限された結果、コンスタレーションとアイパターンの双方に符号間干渉が発生していることがわかる。
一方、本発明に係る受信信号処理を適用し、前述のように決定された伝達関数G(f)を持つフィルタを適用した後で復調された信号の同様の結果を図6(c)及び(d)にそれぞれ示す。この結果から、本発明に係る受信信号処理により、受信信号の符号間干渉が大きく改善されたことがわかる。
When the received signal processing according to the present invention is not applied, the results of the constellation and eye pattern of the demodulated signal are shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), respectively. Intersymbol interference occurs in both the constellation and the eye pattern as a result of the signal band being largely limited by the first optical bandpass filter (OBPF1) 13 having a normalized bandwidth Δ = 0.26. I understand.
On the other hand, similar results of the demodulated signal after applying the received signal processing according to the present invention and applying the filter having the transfer function G (f) determined as described above are shown in FIGS. d) respectively. From this result, it is understood that the intersymbol interference of the received signal is greatly improved by the received signal processing according to the present invention.

次に、第1の光バンドパスフィルタ(OBPF1)13の規格化帯域幅Δとコヒーレント受信機18受光時における信号のOSNRを変化させたときのビットエラーレート(BER)特性について、本発明に係る受信信号処理の効果を検証する。
規格化帯域幅をΔ=1.03,0.52,0.38,0.26とした場合のBER特性について、本発明に係る受信信号処理を適用しない場合とした場合の結果を、それぞれ図7(a)及び(b)に示す。
該図7(a)及び(b)から確認されるように、本発明に係る受信信号処理を適用したことでBERが劇的に改善され、更にその改善量は、規格化帯域幅Δが小さい場合、即ち、信号がより大きな帯域制限を受けた場合に顕著であることがわかる。
なお、規格化帯域幅Δが大きい場合は、符号間干渉がそれほど発生していないにもかかわらず、やはりBERが改善している。これは、前記式(6)に基づく処理により、信号対雑音比が向上したためである。
Next, the bit error rate (BER) characteristics when the normalized bandwidth Δ of the first optical bandpass filter (OBPF1) 13 and the OSNR of the signal at the time of receiving the light of the coherent receiver 18 are changed according to the present invention. Verify the effect of received signal processing.
Regarding the BER characteristics when the normalized bandwidth is Δ = 1.03, 0.52, 0.38, 0.26, the results when the received signal processing according to the present invention is not applied are respectively shown in FIG. 7 (a) and (b).
As confirmed from FIGS. 7A and 7B, the BER is dramatically improved by applying the received signal processing according to the present invention, and the amount of the improvement is small in the normalized bandwidth Δ. It can be seen that this is the case when the signal is subject to a greater band limitation.
Note that when the standardized bandwidth Δ is large, the BER is improved even though the intersymbol interference does not occur so much. This is because the signal-to-noise ratio has been improved by the processing based on Equation (6).

受信信号に対する帯域制限の量と、本発明に係る受信信号処理の効果との関係を明らかにするため、コヒーレント受信機18受光時における信号のOSNRを13dBに固定し、第1の光バンドパスフィルタ(OBPF1)13の規格化帯域幅Δを変化させてQ値を測定した結果を図8に示す。
該図8から確認されるように本発明に係る受信信号処理を適用しない場合では、規格化帯域幅Δを小さくしていくとQ値が急速に劣化するのに対して、適用する場合では、劣化の度合いが緩やかである。この結果、本発明に係る受信信号処理を適用することで、帯域制限に対する信号の耐性が増していることがわかる。実際、規格化帯域幅Δ=1.49のときと比較して、Q値が1dB劣化するときの規格化帯域幅Δの値は、本発明に係る受信信号処理を適用しない場合が規格化帯域幅Δ=0.51のときで、適用する場合が規格化帯域幅Δ=0.31である。更に、本発明に係る受信信号処理を適用した場合のQ値の改善量は、規格化帯域幅Δ=1.49のとき、0.31dBであるのに対し、規格化帯域幅Δ=0.16のとき、3.79dBとなる。
このことは、本発明に係る受信信号処理を適用することにより、信号がより大きな帯域制限に対応できることを意味している。
In order to clarify the relationship between the amount of band limitation on the received signal and the effect of the received signal processing according to the present invention, the OSNR of the signal at the time of receiving light of the coherent receiver 18 is fixed to 13 dB, and the first optical bandpass filter FIG. 8 shows the result of measuring the Q value by changing the normalized bandwidth Δ of (OBPF1) 13.
As can be seen from FIG. 8, in the case where the received signal processing according to the present invention is not applied, the Q value rapidly deteriorates as the normalized bandwidth Δ is reduced, whereas in the case where it is applied, The degree of deterioration is moderate. As a result, it can be seen that by applying the received signal processing according to the present invention, the tolerance of the signal to the band limitation is increased. Actually, compared with the normalized bandwidth Δ = 1.49, the normalized bandwidth Δ when the Q value deteriorates by 1 dB is the normalized bandwidth when the received signal processing according to the present invention is not applied. When the width Δ = 0.51, the standardized bandwidth Δ = 0.31 is applied. Furthermore, when the received signal processing according to the present invention is applied, the improvement amount of the Q value is 0.31 dB when the normalized bandwidth Δ = 1.49, whereas the normalized bandwidth Δ = 0. At 16, it is 3.79 dB.
This means that by applying the received signal processing according to the present invention, the signal can cope with a larger band limitation.

以上に示したように、本発明に係る受信信号処理装置及び方法を用いることで、信号が大きく帯域制限されている場合に、信号品質を改善できることが確認できた。この受信信号処理装置及び方法は、一般の受信機に適用させることが可能で、受信信号処理装置及び方法が適用された受信機を用いることで、通信システムの性能が向上する。例えば、光ファイバ通信の場合を考えると、送信時に信号の帯域をより大きく制限して周波数利用効率を高めるか、或いは、光ネットワークにおいて通過帯域幅の狭い光フィルタ又は波長選択性スイッチを通過する経路を含む通信システムの実現が可能となる。   As described above, it was confirmed that the signal quality can be improved by using the received signal processing apparatus and method according to the present invention when the signal is largely band-limited. The received signal processing apparatus and method can be applied to a general receiver, and the performance of the communication system is improved by using a receiver to which the received signal processing apparatus and method are applied. For example, when considering the case of optical fiber communication, the bandwidth of a signal is more greatly limited at the time of transmission to increase the frequency utilization efficiency, or the path through an optical filter or wavelength selective switch having a narrow pass bandwidth in an optical network A communication system including the above can be realized.

(実施例2)
次に、実施例2に係る受信信号処理を適用した実験の内容と、該実験から確認された効果を説明する。
本実施例2に係る受信信号処理装置では、実施例1におけるフィルタリング手段に代えて適応等化器を用いることとし、ここでは、図2に示したDD−LMS適応等化器を用いて受信信号の処理を行うこととした。
具体的には、OSNRが13dBであり、規格化帯域幅Δが0.26であるOBPF1によって帯域制限された受信信号に対し、実施例1と同様に伝達関数G(f)を決定し、DD−LMS適応等化器において、この伝達関数G(f)の逆フーリエ変換値をFIRフィルタのタップ係数の初期値cとして用いた受信信号処理を行った。
また、実施例2に係る受信信号処理装置の性能確認のため、FIRフィルタのタップ係数の初期値cを0として、同様の受信信号処理を行った。
(Example 2)
Next, the contents of the experiment to which the received signal processing according to the second embodiment is applied and the effects confirmed from the experiment will be described.
In the received signal processing apparatus according to the second embodiment, an adaptive equalizer is used instead of the filtering means in the first embodiment. Here, the received signal is processed using the DD-LMS adaptive equalizer shown in FIG. It was decided to perform the process.
Specifically, the transfer function G (f) is determined for the received signal band-limited by the OBPF 1 having an OSNR of 13 dB and a normalized bandwidth Δ of 0.26, as in the first embodiment. in -LMS adaptive equalizer, it was received signal processing using an inverse Fourier transform value of the transfer function G (f) as the initial value c 0 of the tap coefficients of the FIR filter.
Also, for performance check of the received signal processing apparatus according to the second embodiment, the initial value c 0 of the tap coefficients of the FIR filter as 0, were subjected to the same reception signal processing.

FIRフィルタのタップ係数の初期値cを0として受信信号処理を行った場合の出力信号に含まれる誤差信号の相対強度I=|ε/dを測定した結果を図9(a)に示す。
また、FIRフィルタのタップ係数の初期値cを伝達関数G(f)の逆フーリエ変換値として受信信号処理を行った場合の出力信号に含まれる誤差信号の相対強度Iを測定した結果を図9(b)に示す。
なお、測定は、FIRフィルタの繰り返し処理回数k=n/mに対して、誤差信号の相対強度Iが変化する様子を測定することで行った。その測定結果に関し、Iが一定値に収束すれば、フィルタの伝達特性が最適値に収束したとみなすことができる。
FIG. 9 shows the result of measuring the relative strength I k = | ε k / d k | 2 of the error signal included in the output signal when the received signal processing is performed with the initial value c 0 of the tap coefficient of the FIR filter set to 0. Shown in a).
In addition, the result of measuring the relative intensity I k of the error signal included in the output signal when the received signal processing is performed using the initial value c 0 of the tap coefficient of the FIR filter as the inverse Fourier transform value of the transfer function G (f). As shown in FIG.
Note that the measurement was performed by measuring how the relative intensity I k of the error signal changes with respect to the number of FIR filter iterations k = n / m. Regarding the measurement result, if I k converges to a constant value, it can be considered that the transfer characteristic of the filter has converged to the optimum value.

該図9(a)から確認されるように、FIRフィルタのタップ係数の初期値cを0として受信信号処理を行った場合では、8,000回以上の繰り返し計算処理を経て、FIRフィルタのフィルタ特性が最適値に収束している。
一方、図9(b)から確認されるように、FIRフィルタのタップ係数の初期値cを伝達関数G(f)の逆フーリエ変換値として受信信号処理を行った場合では、わずか1,000回程度の繰り返し計算処理で、FIRフィルタのフィルタ特性が最適値に収束していることがわかる。また、受信動作を開始直後よりIの小さい値が得られており、伝達関数の最適化を待つことなく、すぐに受信機として使用することが可能である。
したがって、本発明によれば、適応等化器を用いる場合であっても、受信信号の符号間干渉の影響を除去するとともに、信号対雑音比を最大化可能で、高速処理を可能とする実用的な受信信号処理装置とすることができる。
As it confirmed from figure 9 (a), in the case of performing the reception signal processing the initial value c 0 of the tap coefficients of the FIR filter as 0, through the repetitive calculation process more than 8,000 times, the FIR filter The filter characteristics have converged to the optimum value.
On the other hand, as can be seen from FIG. 9B, when the received signal processing is performed using the initial value c 0 of the tap coefficient of the FIR filter as the inverse Fourier transform value of the transfer function G (f), it is only 1,000. It can be seen that the filter characteristic of the FIR filter has converged to the optimum value after repeated calculation processing about once. Further, a is obtained small value I k immediately after starting the reception operation, without waiting for the optimization of the transfer function, it is possible to immediately use as a receiver.
Therefore, according to the present invention, even when an adaptive equalizer is used, it is possible to eliminate the influence of intersymbol interference of a received signal, maximize the signal-to-noise ratio, and enable high-speed processing. A typical received signal processing apparatus.

本発明に係る受信信号処理装置及び方法は、受信信号の品質を著しく向上させる信号処理を実用的に行うことができることから、通信分野、特に光ファイバ通信分野に好適に利用することができる。   The received signal processing apparatus and method according to the present invention can be practically used for signal processing that remarkably improves the quality of received signals, and therefore can be suitably used in the communication field, particularly the optical fiber communication field.

1,11 送信機
2,12 受信信号処理装置
13 第1の光バンドパスフィルタ(OBPF1)
14 可変光減衰器(VOA)
15 エルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)
16 第2の光バンドパスフィルタ(OBPF2)
17 光スペクトルアナライザ(OSA)
18 コヒーレント受信機
19 デジタル信号処理機(DSP)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,11 Transmitter 2,12 Received signal processing apparatus 13 1st optical band pass filter (OBPF1)
14 Variable optical attenuator (VOA)
15 Erbium-doped fiber amplifier (EDFA)
16 Second optical bandpass filter (OBPF2)
17 Optical Spectrum Analyzer (OSA)
18 Coherent receiver 19 Digital signal processor (DSP)

Claims (13)

デジタル化された受信信号のスペクトル波形から前記受信信号を構成するシンボルのスペクトル形状で表されるシンボル関数を検出し、該シンボル関数の逆関数とナイキストの第一基準を満たす関数との積で表される伝達関数を決定する伝達関数決定手段と、
前記伝達関数に基づき、前記受信信号の前記スペクトル波形を前記ナイキストの第一基準を満たす波形に整形して出力するフィルタリング手段と、
を有することを特徴とする受信信号処理装置。
A symbol function represented by a spectrum shape of a symbol constituting the received signal is detected from the digitized spectrum waveform of the received signal, and expressed by a product of an inverse function of the symbol function and a function satisfying the Nyquist first criterion. Transfer function determining means for determining a transfer function to be performed;
Filtering means for shaping and outputting the spectrum waveform of the received signal into a waveform satisfying the first standard of the Nyquist based on the transfer function;
A received signal processing apparatus comprising:
デジタル化された受信信号のスペクトル波形から前記受信信号を構成するシンボルのスペクトル形状で表されるシンボル関数を検出し、該シンボル関数の逆関数とナイキストの第一基準を満たす関数との積で表される伝達関数を決定する伝達関数決定手段と、
前記伝達関数を初期条件として用い、前記受信信号中の誤差信号を少なくするタップ係数を前記受信信号のシンボルの検出に応じて繰り返し更新し、更新された前記タップ係数に基づくフィルタ処理信号を出力する適応等化手段と、
を有することを特徴とする受信信号処理装置。
A symbol function represented by a spectrum shape of a symbol constituting the received signal is detected from the digitized spectrum waveform of the received signal, and expressed by a product of an inverse function of the symbol function and a function satisfying the Nyquist first criterion. Transfer function determining means for determining a transfer function to be performed;
Using the transfer function as an initial condition, a tap coefficient for reducing an error signal in the received signal is repeatedly updated according to detection of a symbol of the received signal, and a filtered signal based on the updated tap coefficient is output. Adaptive equalization means;
A received signal processing apparatus comprising:
伝達関数決定手段が、経時変化する受信信号のスペクトル波形に対し、前記シンボル関数を経時的に繰り返し検出する手段である請求項1から2のいずれかに記載の受信信号処理装置。   3. The received signal processing apparatus according to claim 1, wherein the transfer function determining means is means for repeatedly detecting the symbol function over time with respect to a spectrum waveform of the received signal that changes with time. 伝達関数決定手段が、受信信号のスペクトル波形の自己相関波形を取得する自己相関波形取得手段と、前記自己相関波形から時間軸τ上のτ=0時を中心とするメインローブ波形のみを取得するメインローブ波形取得手段と、前記メインローブ波形をフーリエ変換して得られる電力密度スペクトルの平方根を算出し、その平方根で表される関数をシンボル関数として決定するシンボル関数決定手段と、を有する請求項1から3のいずれかに記載の受信信号処理装置。   The transfer function determining means acquires autocorrelation waveform acquiring means for acquiring the autocorrelation waveform of the spectrum waveform of the received signal, and acquires only the main lobe waveform centered on τ = 0 on the time axis τ from the autocorrelation waveform. A main lobe waveform acquisition unit; and a symbol function determination unit that calculates a square root of a power density spectrum obtained by Fourier transforming the main lobe waveform and determines a function represented by the square root as a symbol function. The received signal processing apparatus according to any one of 1 to 3. ナイキストの第一基準を満たす関数が、レイズドコサイン関数である請求項1から4のいずれかに記載の受信信号処理装置。   5. The received signal processing apparatus according to claim 1, wherein the function that satisfies the Nyquist first criterion is a raised cosine function. 伝達関数決定手段が、受信信号の信号対雑音比を最大とする数値を含む数値範囲内でレイズドコサイン関数のロールオフ係数を決定するロールオフ係数決定手段を有し、前記ロールオフ係数で伝達関数が決定される請求項5に記載の受信信号処理装置。   The transfer function determining means has roll-off coefficient determining means for determining a roll-off coefficient of the raised cosine function within a numerical range including a numerical value that maximizes the signal-to-noise ratio of the received signal, and the transfer function is determined by the roll-off coefficient. The received signal processing apparatus according to claim 5, wherein: 受信信号を光信号とする請求項1から6のいずれかに記載の受信信号処理装置。   The received signal processing apparatus according to claim 1, wherein the received signal is an optical signal. デジタル化された受信信号のスペクトル波形から前記受信信号を構成するシンボルのスペクトル形状で表されるシンボル関数を検出し、該シンボル関数の逆関数とナイキストの第一基準を満たす関数との積で表される伝達関数を決定する伝達関数決定工程と、
前記伝達関数に基づき、前記受信信号の前記スペクトル波形を前記ナイキストの第一基準を満たす波形に整形して出力するフィルタリング工程と、
を有することを特徴とする受信信号処理方法。
A symbol function represented by a spectrum shape of a symbol constituting the received signal is detected from the digitized spectrum waveform of the received signal, and expressed by a product of an inverse function of the symbol function and a function satisfying the Nyquist first criterion. A transfer function determining step for determining a transfer function to be performed;
A filtering step of shaping and outputting the spectral waveform of the received signal into a waveform that satisfies the Nyquist first criterion based on the transfer function;
A received signal processing method.
デジタル化された受信信号のスペクトル波形から前記受信信号を構成するシンボルのスペクトル形状で表されるシンボル関数を検出し、該シンボル関数の逆関数とナイキストの第一基準を満たす関数との積で表される伝達関数を決定する伝達関数決定工程と、
前記伝達関数を初期条件として用い、前記受信信号中の誤差信号を少なくするタップ係数を前記受信信号のシンボルの検出に応じて繰り返し更新し、更新された前記タップ係数に基づくフィルタ処理信号を出力する適応等化工程と、
を有することを特徴とする受信信号処理方法。
A symbol function represented by a spectrum shape of a symbol constituting the received signal is detected from the digitized spectrum waveform of the received signal, and expressed by a product of an inverse function of the symbol function and a function satisfying the Nyquist first criterion. A transfer function determining step for determining a transfer function to be performed;
Using the transfer function as an initial condition, a tap coefficient for reducing an error signal in the received signal is repeatedly updated according to detection of a symbol of the received signal, and a filtered signal based on the updated tap coefficient is output. An adaptive equalization process;
A received signal processing method.
伝達関数決定工程が、経時変化する受信信号のスペクトル波形に対し、シンボル関数を経時的に繰り返し検出する工程である請求項9に記載の受信信号処理方法。   10. The received signal processing method according to claim 9, wherein the transfer function determining step is a step of repeatedly detecting a symbol function over time with respect to a spectrum waveform of the received signal that changes with time. 伝達関数決定工程が、受信信号のスペクトル波形の自己相関波形を取得する自己相関波形取得工程と、前記自己相関波形から時間軸τ上のτ=0時を中心とするメインローブ波形のみを取得するメインローブ波形取得工程と、前記メインローブ波形をフーリエ変換して得られる電力密度スペクトルの平方根を算出し、その平方根で表される関数をシンボル関数として決定するシンボル関数決定工程と、を有する請求項9から10のいずれかに記載の受信信号処理方法。   The transfer function determining step acquires an autocorrelation waveform acquisition step of acquiring the autocorrelation waveform of the spectrum waveform of the received signal, and acquires only the main lobe waveform centering on τ = 0 on the time axis τ from the autocorrelation waveform. A main lobe waveform acquisition step, and a symbol function determination step of calculating a square root of a power density spectrum obtained by Fourier transforming the main lobe waveform and determining a function represented by the square root as a symbol function. The received signal processing method according to any one of 9 to 10. ナイキストの第一基準を満たす関数が、レイズドコサイン関数である請求項8から11のいずれかに記載の受信信号処理方法。   The received signal processing method according to claim 8, wherein the function that satisfies the Nyquist first criterion is a raised cosine function. 伝達関数決定工程が、受信信号の信号対雑音比を最大とする数値を含む数値範囲内でレイズドコサイン関数のロールオフ係数を決定するロールオフ係数決定工程を有し、前記ロールオフ係数で伝達関数が決定される請求項12に記載の受信信号処理方法。   The transfer function determining step includes a roll-off coefficient determining step for determining a roll-off coefficient of the raised cosine function within a numerical range including a numerical value that maximizes the signal-to-noise ratio of the received signal, and the transfer function is determined by the roll-off coefficient. The received signal processing method according to claim 12, wherein: is determined.
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