JP2014187525A - 光送受信システム、送信器、受信器および光送受信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光送受信システムにおいて、主信号を劣化させることなく、かつ主信号の復調の状態に依存することなく、制御情報を送受信する。
【解決手段】送信器１０は、制御情報を差動符号化して差動符号化信号を生成し、差動符号化信号によって特定周波数に電力が集中する信号系列を変調し、２つの偏波成分の一方の偏波の主信号に時分割多重し、他の偏波の主信号には特定周波数に電力が集中する信号系列をそのまま時分割多重する。次に、送信器１０は、時分割多重化した双方の偏波を偏波多重した信号光を受信器２０に送信する。受信器２０は、受信した信号光を偏波分割し、２つの偏波信号を生成する。そして、受信器２０は、２つの偏波信号から特定周波数に電力が集中する信号系列を抽出し、その抽出した信号系列を差動検波して、制御情報を復調する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光送受信システムにおいて、主信号の復調の状態に依存することなく制御情報を送受信する技術に関する。

近年、光ファイバ伝送では、受信器に局部発振用レーザを備えて、受信した信号光と電界とをミキシングするコヒーレント受信が用いられるようになっている。その光ファイバ伝送では、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）や１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）といった多値位相変調を用いて、１シンボル当り２ビットや４ビットの送受信が可能となっている。

送信器のレーザと受信器の局部発振用レーザとは相対位相がランダムに変化する。そのため、コヒーレント受信した信号をアナログデジタル変換器（以降、ＡＤ変換器と称す。）によってデジタル信号に変換し、デジタル信号処理デバイスを用いてデジタル信号処理を行って、送信器のレーザおよび受信器のレーザ間の相対位相のランダムな変動を除去し、位相変調信号を抽出する技術が開示されている。

ところで、デジタル信号処理デバイスを用いてデジタル信号処理が簡単に実行できることから、送信すべき主となる情報を示す主信号の伝送を正常に行うための補助的な制御情報を送信して、様々な伝送劣化への対処が可能になっている。
例えば、光ファイバ伝送路の波長分散等の線形な波形歪みおよび伝送路の非線形な波形歪み等の補償を、受信器側だけでなく、送信器でも実行可能になっている。具体的には、波形歪みの中で波長分散について説明すると、送信器および受信器それぞれにおいて補償量を最適に調整することによって、送信器または受信器のいずれか一方のみで補償する場合に比べて、主信号の伝送劣化をより改善できる。この場合には、受信器は、補償すべき量を検出し、その検出結果を補助情報として送信器へ送信し、送信器において補償量の算出に役立てることができる。

また、他の一例として、送信器から受信器へ変調方式を制御情報として通知することによって、デジタル信号処理デバイスを用いて伝送劣化の状況に応じて変調方式を切り替えて、切り換え後の変調方式で主信号を受信することができるようになる。

非特許文献１には、主信号に対する補助的な制御情報を送信する場合に、周波数変調した制御情報を主信号に重畳する技術が開示されている。

Takahito Tanimura，et al.，"In-band FSK Supervisory Signaling between Adaptive Optical Transceivers Employing Digital Signal Processing"，ECOC 2011 We.7.A.6 R. Kudo，et al.，"Coherent optical single carrier transmission using overlap frequency domain equalization for long-haul optical systems"，J. Lightw. Technol.，vol. 27，no. 16，p.3721-3728，Aug. 2009

しかしながら、非特許文献１に記載の技術では、周波数変調した制御情報を主信号に重畳することによって、周波数オフセットにともなう信号劣化が主信号に発生する。
そこで、本発明は、光送受信システムにおいて、主信号を劣化させることなく、かつ主信号の復調の状態に依存することなく、制御情報を送受信する技術を提供することを課題とする。
ここで、主信号の復調の状態とは、主信号が復調できている状態だけでなく、例えば、クロック同期が確立していない状態、伝送路の波長分散が補償できていない状態、偏波多重信号の分離ができていない状態もしくは偏波モード分散による波形歪みを補償できていない状態といった、主信号の信号系列の復調が行われていない状態または正しく復調できていない状態を含むものとする。

本発明の光送受信システムは、特定周波数に電力が集中する信号系列を出力する既知信号生成部、制御情報を差動符号化して差動符号化信号を生成し、前記差動符号化信号によって前記特定周波数に電力が集中する信号系列を変調する制御信号変調部、第１の偏波の送信情報を変調した主信号と前記特定周波数に電力が集中する信号系列とを時分割多重する第１の信号多重部、第２の偏波の送信情報を変調した主信号と前記制御信号変調部によって変調された信号とを時分割多重する第２の信号多重部および前記第１の信号多重部の出力信号と前記第２の信号多重部の出力信号それぞれを電気光変換した後の信号を偏波多重して信号光を生成する偏波多重部を有する送信器と、前記送信器から送出された前記信号光を受信して、受信した前記信号光を偏波成分ごとのデジタル受信信号に変換する受信側変換部、前記特定周波数に基づいて、各偏波のデジタル受信信号から前記特定周波数に電力が集中する信号系列の位置を特定する既知信号検出部および前記既知信号検出部によって特定された位置に基づいて、各偏波のデジタル受信信号から前記特定周波数に電力が集中する信号系列を抽出し、その抽出した信号系列を差動検波して、前記制御情報を復調する制御信号復調部を有する受信器と、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、送信器は、制御情報に係る信号を主信号と時分割多重しているので、主信号を劣化させることがない。また、送信器は、制御情報を差動符号化して差動符号化信号を生成し、差動符号化信号によって特定周波数に電力が集中する信号系列を変調している。したがって、受信器は、特定周波数に基づいて、特定周波数に電力が集中する信号系列の位置を特定し、特定された位置に基づいて、特定周波数に電力が集中する信号系列を抽出し、その抽出した信号系列を差動検波して、制御情報を復調することができる。つまり、光送受信システムは、主信号の復調の状態に依存することなく、制御情報を送受信することができる。

また、前記光送受信システムの受信器は、各偏波のデジタル受信信号から前記特定周波数に電力が集中する信号系列を抽出する際、周波数オフセットを補償することを特徴とする。

このような構成によれば、受信器は、周波数オフセットを補償することによって、特定周波数に電力が集中する信号系列における特定周波数のずれを補償できる。したがって、光送受信システムは、周波数オフセット補償後の周波数に基づいて、特定周波数に電力が集中する信号系列を抽出する処理を実行することにより、主信号の復調の状態に依存することなく、制御情報を送受信することができる。

また、前記光送受信システムの受信器は、前記周波数オフセットを補償する際、前記デジタル受信信号を周波数領域の信号に変換し、周波数オフセット量を推定することを特徴とする。また、前記周波数オフセット量を推定する際、前記デジタル受信信号に対してＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を適用して前記周波数領域の信号を求めることを特徴とする。

このような構成によれば、受信器は、周波数オフセット量を推定することができ、特定周波数に電力が集中する信号系列の特定周波数のずれを補償できる。したがって、光送受信システムは、周波数オフセット補償後の周波数に基づいて、特定周波数に電力が集中する信号系列を抽出する処理を実行することにより、主信号の復調の状態に依存することなく、制御情報を送受信することができる。

なお、送信器、受信器および光送受信方法に係る発明については、前記した光送受信システムの一部または全部と同様の技術的特徴を備えており、前記光送受信システムと同様の効果を有しているので、記載を省略する。

本発明によれば、光送受信システムにおいて、主信号を劣化させることなく、かつ主信号の復調の状態に依存することなく、制御情報を送受信することができる。

光送受信システムの構成例を示す図である。 送信器の機能例を示す図である。 送信信号系列の一例を示す図である。 受信器の機能例を示す図である。 第１実施形態における受信器の機能例を示す図である。 第２実施形態における受信器の機能例を示す図である。 第３実施形態における受信器の機能例を示す図である。

本発明を実施するための形態（以降、「本実施形態」と称す。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

（光送受信システム）
はじめに、光送受信システムの構成例について、図１を用いて説明する。
図１は、光ファイバ伝送を行う光送受信システム１００を模式的に表したものである。例えば、図１の光送受信システム１００において、左側の送信器１０は送信情報を変調して信号光を生成し、その信号光を多重装置３に出力する。当該信号光は、多重装置３において不図示の他の信号光と多重化され、光ファイバ５を介して、右側の多重装置３に到達する。なお、多重装置３は、例えば、波長多重や時分割多重等を実行する機能を有する。右側の多重装置３は、当該信号光を多重分離によって取り出して、受信器２０に送信する。受信器２０は、不図示の局部発振用レーザを備えてコヒーレント受信を行うことができ、当該信号光から元の送信情報を取得する。

（送信器）
ここで、送信器１０の機能例について、図２を用いて説明する。図２に示すように、送信器１０は、送信情報を２つの直交する偏波（Ｘ偏波、Ｙ偏波）を利用して並列伝送（もしくはＭＩＭＯ：Multiple-Input Multiple-Output伝送）を実行する機能を有する。送信器１０は、機能として、送信信号変調部１０１ｘ，１０１ｙ、信号多重部１０２ｘ，１０２ｙ、電気光変換部１０３ｘ，１０３ｙ、偏波多重部１０４、制御信号変調部１１０および既知信号生成部１２０を備える。なお、符号にｘを付した場合はＸ偏波の処理機能を表し、符号にｙを付した場合はＹ偏波の処理機能を表している。

送信信号変調部１０１ｘは、バイナリ系列の送信情報を変調し、送信シンボル系列（主信号）を出力する機能を有する。変調方式としては、例えば、ＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）変調やＱＰＳＫ変調、ＱＡＭ変調等が挙げられるが、それ以外の変調方式であっても構わない。なお、送信信号変調部１０１ｙは、送信信号変調部１０１ｘと同様の機能を有する。

既知信号生成部１２０は、２つ以上の特定周波数（または特定周波数を含む狭帯域）に電力が集中する信号系列（以降、特定周波数帯域信号系列とも称す。）を既知信号系列として生成し出力する機能を有する。なお、「既知」とは、送信器１０および受信器２０の双方でこの特定周波数帯域信号系列の信号系列パターンを共有していることを意味している。また、既知信号系列は、基準として参照されるリファレンス信号、パイロット信号、トレーニング信号等としての目的を果たすことができる情報であってもよい。

既知信号系列としては、例えば、ＩＱ平面上で原点に対して点対称となる関係の交番信号を用いることができる。一例として、ＢＰＳＫ信号を生成するためには、−Ｓ，Ｓ，−Ｓ，Ｓ，…，−Ｓ，Ｓのように、２つの信号点を交互に繰り返した交番信号を用いればよい。また、ＱＰＳＫ信号を生成するためには、信号点を（実部，虚部）として表すと、（Ｓ，Ｓ），（−Ｓ，−Ｓ），（Ｓ，Ｓ），（−Ｓ，−Ｓ），…，（Ｓ，Ｓ），（−Ｓ，−Ｓ）または（Ｓ，−Ｓ），（−Ｓ，Ｓ），（Ｓ，−Ｓ），（−Ｓ，Ｓ），…，（Ｓ，−Ｓ），（−Ｓ，Ｓ）のように、２つの信号点を交互に繰り返した交番信号を用いればよい。ここで、Ｓは任意の実数を表す。また、（実部α，虚部β）は、複素数としてα＋ｊβと表すことができる。ただし、ｊは虚数単位である。この交番信号は、２箇所の特定周波数に集中した電力を発生させることができる。

また、−Ｓ，−Ｓ，Ｓ，Ｓ，−Ｓ，−Ｓ，Ｓ，Ｓ，…，−Ｓ，−Ｓ，Ｓ，Ｓのように１つの信号を２回ずつ繰り返した交番信号を用いたり、Ｍ回ずつ（Ｍ＞０の正数）繰り返した交番信号を用いたりしてもよい。このように、複数の繰り返し回数の交番信号を乗算したり、畳み込んだりすることによって、４箇所以上の特定周波数に電力を集中させることができる。また、周期の異なる複数の正弦波を重畳することによって２つ以上の特定周波数に電力が集中する信号を生成することもできる。また、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）方式を用いて特定のサブキャリアにのみ信号を重畳することで特定周波数を有する信号を生成することもできる。

制御信号変調部１１０は、既知信号生成部１２０から出力された既知信号系列と、制御情報とを用いて変調信号を生成し、信号多重部１０２ｘ，１０２ｙに出力する機能を有する。制御信号変調部１１０は、差動符号化部１１１および既知信号系列変調部１１２を備えている。

差動符号化部１１１は、送信する制御情報系列を入力として、１ビットごとに差動符号化し、差動符号化信号を生成する機能を有する。ｎ番目の制御情報をＣ（ｎ）（Ｃ（ｎ）は１か０かの２値）とした時、ｎ番目の差動符号化部１１１の出力Ｄ（ｎ）は、次の式（１）に示すように、Ｃ（ｎ）とＤ（ｎ−１）との排他的論理和で表せる。

ただし、Ｄ（−１）＝１である。

差動符号化部１１１は、生成した差動符号化信号Ｄ（ｎ）を、既知信号系列変調部１１２に出力する。

既知信号系列変調部１１２は、差動符号化部１１１から受信した差動符号化信号によって１ビットごとに、既知信号生成部１２０から受信した既知信号系列を変調し、変調既知信号系列を生成する。具体的には、既知信号系列が−Ｓ，Ｓ，−Ｓ，Ｓ，…，−Ｓ，Ｓであった場合に、既知信号系列変調部１１２は、差動符号化部１１１の出力がＤ（ｎ）＝１であった時、出力として−Ｓ，Ｓ，−Ｓ，Ｓ，…，−Ｓ，Ｓを出力する。また、既知信号系列変調部１１２は、差動符号化部１１１の出力がＤ（ｎ）＝０であった時、符号を反転させてＳ，−Ｓ，Ｓ，−Ｓ，…，Ｓ，−Ｓを出力する。なお、Ｄ（ｎ）＝１とＤ（ｎ）＝０とで符号の反転が前記の場合と逆であっても構わない。

図２では、制御信号変調部１１０は、信号多重部１０２ｘには既知信号系列をそのまま出力し、信号多重部１０２ｙには変調既知信号系列を出力する場合を示している。ただし、それとは逆に、信号多重部１０２ｙには既知信号系列をそのまま出力し、信号多重部１０２ｘには変調既知信号系列を出力するようにしても構わない。

信号多重部１０２ｘは、Ｎｔ個（Ｎｔ≧１、Ｎｔは正数）の既知信号系列をＮｓ個（Ｎｓ≧１、Ｎｓは正数）の送信シンボル系列（主信号）ごとに挿入（時分割多重）して、信号系列１０５ｘを生成する機能を有する。また、信号多重部１０２ｙは、Ｎｔ個の変調既知信号系列をＮｓ個の送信シンボル系列（主信号）ごとに挿入（時分割多重）して、信号系列１０５ｙを生成する機能を有する。

電気光変換部１０３ｘ（１０３ｙ）は、信号系列１０５ｘ（１０５ｙ）の電気光変換を行い、光信号を出力する機能を有する。
そして、偏波多重部１０４は、電気光変調部１０３ｘ，１０３ｙそれぞれから出力された光信号を偏波多重し、信号光を生成して出力する機能を有する。

偏波多重部１０４から出力される送信信号系列１３０は、図３に示すように、Ｎｓ個の主信号（送信シンボル系列）の間にＮｔ個の制御情報（既知信号系列または変調既知信号系列）が時分割多重されて形成される。

（受信器）
次に、受信器２０の機能例について、図４を用いて説明する（適宜、図１参照）。
受信器２０は、偏波分割部（受信側変換部）２０１、光電気変換部（受信側変換部）２０２ｘ，２０２ｙ、ＡＤ変換部（受信側変換部）２０３ｘ，２０３ｙ、波長分散補償部２０４ｘ，２０４ｙ、適応等化部２０５、復調部２０６ｘ，２０６ｙおよび既知信号系列復調部２１０を備える。

偏波分割部２０１は、送信器１０から送出され光ファイバ５および多重装置３を経由してきた信号光を受信する。偏波分割部２０１は、その信号光に対して光領域で偏波分割を行って、２つの直交する偏波（Ｘ偏波、Ｙ偏波）に分割し、偏波それぞれを光電気変換部２０２ｘ，２０２ｙに出力する機能を有する。具体的には、偏波分割部２０１は、例えば、偏波ダイバシティ９０度ハイブリッドカプラおよび局部発振用レーザを備えて偏波分割を実行する。Ｘ偏波は光電気変換部２０２ｘに出力され、Ｙ偏波は光電気変換部２０２ｙに出力される。

光電気変換部２０２ｘは、偏波分割部２０１から受信したＸ偏波を電気信号に変換し、その電気信号をＡＤ変換部２０３ｘに出力する機能を有する。具体的には、光電気変換部２０２ｘは、局部発振用レーザを用いて、受信した信号光の光電界を直交する成分に分離し、電気のアナログ信号に変換する。光電気変換部２０２ｙは、Ｙ偏波に対して光電気変換部２０２ｘと同様の処理を実行する機能を有する。

ＡＤ変換部２０３ｘ（２０３ｙ）は、光電気変換部２０２ｘ（２０２ｙ）から受信した電気のアナログ信号をデジタル信号に変換してデジタル受信信号を生成し、そのデジタル受信信号を出力する機能を有する。

波長分散補償部２０４ｘ（２０４ｙ）は、ＡＤ変換部２０３ｘ（２０３ｙ）からデジタル受信信号を受信し、波長分散による信号の歪みを補償した信号を出力する機能を有する。

適応等化部２０５は、波長分散補償部２０４ｘ，２０４ｙによって補償された信号を入力として、偏波多重信号を分離し、偏波モード分散および送受信や伝送路中で歪んだ信号を補償し、その補償した信号を出力する機能を有する。

復調部２０６ｘは、適応等化部２０５の出力信号を入力として、Ｘ偏波で送信された送信シンボル系列（主信号）を復調し、元の送信情報を出力する機能を有する。復調部２０６ｙは、適応等化部２０５の出力信号を入力として、Ｙ偏波で送信された送信シンボル系列（主信号）を復調し、元の送信情報を出力する機能を有する。

なお、波長分散補償部２０４ｘ，２０４ｙおよび適応等化部２０５それぞれは、非特許文献２に記載の周波数領域等化（ＦＤＥ：Frequency Domain Equalization）および時間領域等化（ＴＤＥ：Time Domain Equalization）の技術を適用することができる。

次に、既知信号系列復調部２１０については、３種類の機能例それぞれを第１、第２、第３実施形態として、図５〜７を用いて説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態における既知信号系列復調部２１０ａ（２１０）について、図５を用いて説明する。図５に示すように、既知信号系列復調部２１０ａは、バッファ部（制御信号復調部）２１１ｘ，２１１ｙ、ＢＰＦ（Band Pass Filter）部２１２ｘ，２１２ｙ、差動復号部（制御信号復調部）２１３、判定部（制御信号復調部）２１４および既知信号検出部２１５を備える。

既知信号検出部２１５は、ＡＤ変換部２０３ｘ，２０３ｙから受信したデジタル受信信号に対して、既知信号系列が挿入されている位置を検出し、その位置をタイミング情報（フレーム同期情報）としてバッファ部２１１ｘ，２１１ｙに出力する機能を有する。

ここで、既知信号系列の挿入位置の検出方法としては、例えば、デジタル受信信号の中で特定周波数（または特定周波数を含む狭帯域）が存在しうる帯域（周波数オフセットによる影響も考慮した帯域）の信号電力を演算し、演算した信号電力が所定の閾値を超えたときまたは所定の閾値超えの範囲中でピークとなったときの位置を既知信号系列の挿入位置として検出することが用いられる。つまり、既知信号検出部２１５は、特定周波数に基づいて、各偏波のデジタル受信信号から特定周波数に電力が集中する信号系列の位置を特定する。または、既知信号検出部２１５は、受信側で記憶している既知信号系列とデジタル受信信号系列との相互相関を取り、相互相関のピーク位置を既知信号系列の挿入位置として検出してもよい。

バッファ部２１１ｘ（２１１ｙ）は、ＡＤ変換部２０３ｘ（２０３ｙ）から出力されるＸ偏波（Ｙ偏波）のデジタル受信信号を一旦バッファに記憶し、既知信号検出部２１５から受信したタイミング情報に基づいて、既知信号系列が含まれる区間を抽出して、その区間の信号を出力する機能を有する。そして、バッファ部２１１ｘ（２１１ｙ）は、切り出した区間以外の系列をバッファから削除する。

なお、バッファ部２１１ｘ，２１１ｙによって切り出された既知信号系列が含まれる区間の長さは、真の既知信号系列の長さより長いことが好ましい。この理由は、光伝送等の送受信過程で種々の歪みの影響を受けることによって、デジタル受信信号内では、既知信号系列の信号波形が元の既知信号系列の区間外にはみ出てしまっているケースがあるためである。また、そのような歪みの影響を受けたデジタル受信信号を用いて、既知信号検出部２１５がタイミング情報を求めることになるため、解析に必要な十分な長さの区間を切り出すためでもある。

ＢＰＦ部２１２ｘ（２１２ｙ）は、バッファ部２１１ｘ（２１１ｙ）によって抽出された既知信号系列が含まれる区間を受信し、真の既知信号系列から生成される電力の集中した各特定周波数のスペクトラムを中心として±Δｆの帯域幅を通過させる処理を行い、その帯域処理後の信号を出力する機能を有する。

一例として、−Ｓ，Ｓ，−Ｓ，Ｓ，…，−Ｓ，Ｓの交番信号によって生成される２つの特定周波数を有する信号を３０Ｇｂａｕｄで伝送した場合について説明する。ＢＰＦ部２１２ｘ，２１２ｙは、１５ＧＨｚおよび−１５ＧＨｚを中心周波数として、それぞれ±Δｆの帯域幅を持つＢＰＦを備えることになる。ここで、Δｆの設定値は、例えば、想定しうる最大の周波数オフセット値が５ＧＨｚの場合には、Δｆ＝５ＧＨｚにすることが望ましい。または、Δｆの設定値は、所望の特定周波数の信号以外を通過させないような値として、例えば、３０Ｇｂａｕｄの１／８に相当する３．７５ＧＨｚ未満（つまり、Δｆ＜３．７５ＧＨｚ）に設定しておくことが望ましい。または、Δｆの設定値は、周波数オフセット補償がＢＰＦ部２１２ｘ，２１２ｙより以前の処理で実行されている場合には、レーザの線幅程度の値として、例えば、Δｆ＝１ＭＨｚ程度に設定し、既知信号成分を切り出す。なお、周波数オフセット補償が実行されていない場合には、周波数オフセット推定を行い、周波数オフセット値ｆ０ＧＨｚに対して(１５＋ｆ０)ＧＨｚおよび(−１５＋ｆ０)ＧＨｚを中心周波数として、それぞれ±Δｆの帯域幅を持つＢＰＦを用いることが望ましい。
また、複数の電力の集中した特定周波数のスペクトラムが存在する場合は、全てＢＰＦを通過させる必要はなく、少なくとも１つ以上の特定周波数のスペクトラムをＢＰＦによって通過させればよい．例えば、上記１５ＧＨｚおよび−１５ＧＨｚにピーク値を持つ既知信号の場合、１５ＧＨｚあるいは−１５ＧＨｚのどちらか少なくとも一方をＢＰＦで通過させればよい。
また、複数の電力の集中した特定周波数のスペクトラムに対して、それぞれの複数の電力の集中した特定周波数のスペクトラムが中心周波数となる複数のＢＰＦを備えてもよい。例えば、上記１５ＧＨｚおよび−１５ＧＨｚにピーク値を持つ既知信号の場合、１５ＧＨｚ±Δｆの帯域幅を持つＢＰＦと−１５ＧＨｚ±Δｆの帯域幅を持つＢＰＦ、合計２つを備えればよいことになる。

差動復号部２１３は、ＢＰＦ部２１２ｘ，２１２ｙの出力信号を入力として差動復号を実行し、差動復号信号を生成する機能を有する。ｎ番目のフレームにおけるＢＰＦ部２１２ｘ，２１２ｙそれぞれの出力信号をＲｘ（ｎ，ｋ）、Ｒｙ（ｎ，ｋ）とすると、差動復号信号Ｚ（ｎ）は次式（２）で表される。

ただし、＊は複素共役を示す。また、Ｋはバッファ部２１１ｘ，２１１ｙに記憶されたデジタル受信信号の長さを表し、Ｋ＞ｋ≧０である。
なお、上記のように、複数の電力の集中した特定周波数のスペクトラムに対して、それぞれの複数の電力の集中した特定周波数のスペクトラムが中心周波数となる複数のＢＰＦを備える場合は、それぞれのＢＰＦ出力結果について、式２の処理を行い、その結果、あるいはその電力値を合成してそれをＺ（ｎ）としてもよい。

判定部２１４は、差動復号部２１３から出力される差動復号信号を入力として、元の制御情報系列を復調する機能を有する。ｎ番目のフレームにおける差動復号信号をＺ（ｎ）とすると、判定結果（制御情報系列）Ｐ（ｎ）は、上記のように既知信号系列が−Ｓ，Ｓ，−Ｓ，Ｓ，…，−Ｓ，Ｓであった場合に、差動符号化部１１１の出力がＤ（ｎ）＝１であった時、既知信号系列変調部１１２が出力として−Ｓ，Ｓ，−Ｓ，Ｓ，…，−Ｓ，Ｓを出力し、差動符号化部１１１の出力がＤ（ｎ）＝０であった時、既知信号系列変調部１１２が、符号を反転させてＳ，−Ｓ，Ｓ，−Ｓ，…，Ｓ，−Ｓを出力した場合、次式（３）で表される。

ただし、Ｐ_ｔｈ（＞０）は判定閾値である。

上記の復調方法は変調方式に依存しない。そのため、送信器１０から送信される信号光の変調方式が受信器２０において識別できていない条件下においても、制御情報の送受信が可能となる。これにより、制御情報によって、変調方式を送信側から受信側に通知することが可能になる。また、逆に、制御情報によって、受信側から送信側に変調方式を通知することも可能である。

また、フレーム周期（図３に示すＮｔ＋Ｎｓに相当）の情報を制御情報の並走クロックとして送信した場合には、既知信号検出部２１５は、制御情報の検出位置をフレーム周期のクロックとして検出することになる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態における既知信号系列復調部２１０ｂ（２１０）について、図６を用いて説明する。図６に示すように、既知信号系列復調部２１０ｂが図５に示す既知信号系列復調部２１０ａと異なる点は、周波数オフセット補償部２１６ｘ，２１６ｙおよび周波数オフセット推定部２１７を備えていることである。なお、バッファ部２１１ｘ，２１１ｙ、ＢＰＦ部２１２ｘ，２１２ｙ、差動復号部２１３、判定部２１４および既知信号検出部２１５は、図５に示すものと同様であるので、同じ符号を付し説明を省略する。したがって、ここでは、周波数オフセット補償部（制御信号復調部）２１６ｘ，２１６ｙおよび周波数オフセット推定部２１７の機能について以下に説明する。

周波数オフセット推定部２１７は、バッファ部２１１ｘ，２１１ｙから既知信号系列が含まれる区間の信号を受信し、その既知信号系列が含まれる区間の信号から、送信器１０のレーザと受信器２０の局部発振用レーザとのずれ等に起因する周波数オフセット量を推定する機能を有する。また、周波数オフセット推定部２１７は、推定した周波数オフセット量を周波数オフセット補償部２１６ｘ，２１６ｙに出力する機能を有する。

具体的には、既知信号系列によって生成される各特定周波数のスペクトラムについて、送信側に対する受信側でのずれを推定する。例えば、−Ｓ，Ｓ，−Ｓ，Ｓ，…，−Ｓ，Ｓの交番信号で生成される２つの特定周波数を有する信号を３０Ｇｂａｕｄで伝送した場合、１５ＧＨｚおよび−１５ＧＨｚが特定周波数のスペクトルとなるはずである。しかし、受信側で３ＧＨｚの周波数オフセットがある場合には、受信側で１８ＧＨｚおよび−１２ＧＨｚにスペクトラムのピーク値が検出されることになる。つまり、周波数オフセット推定部２１７は、検出されたピーク値である（１８−１５）ＧＨｚおよび（−１２―（―１５））ＧＨｚの双方またはいずれかに基づいて、Δｆ＝３ＧＨｚの周波数オフセット量を推定することができる。

周波数オフセット補償部２１６ｘ（２１６ｙ）は、周波数オフセット推定部２１７によって推定された周波数オフセット量を受信し、バッファ部２１１ｘ（２１１ｙ）から受信した既知信号系列が含まれる区間の信号に対して周波数オフセット補償を実行する機能を有する。周波数オフセット補償の方法としては、例えば、時間領域の信号に対して得られた周波数オフセット値から位相回転量を算出し、その逆位相を乗算して補償する方法を適用することが可能である。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態における既知信号系列復調部２１０ｃ（２１０）について、図７を用いて説明する。図７に示すように、既知信号系列復調部２１０ｃが図６に示す既知信号系列復調部２１０ｂと異なる点は、周波数オフセット推定部２１７ａ、ＦＦＴ部２１８ｘ，２１８ｙ、フィルタ部２１９ｘ，２１９ｙおよびＩＦＦＴ（Inverse FFT）部２２０ｘ，２２０ｙを備えていることである。なお、バッファ部２１１ｘ，２１１ｙ、差動復号部２１３、判定部２１４、既知信号検出部２１５および周波数オフセット補償部２１６ｘ，２１６ｙは、図６に示すものと同様であるので、同じ符号を付し説明を省略する。したがって、ここでは、周波数オフセット推定部２１７ａ、ＦＦＴ部２１８ｘ，２１８ｙ、フィルタ部２１９ｘ，２１９ｙおよびＩＦＦＴ部２２０ｘ，２２０ｙの機能を中心に以下に説明する。

ＦＦＴ部２１８ｘ（２１８ｙ）は、バッファ部２１１ｘ（２１１ｙ）から受信した既知信号系列が含まれる区間の信号に対して、ＮポイントＦＦＴ変換（Ｎ≧１）を実行して周波数変換する機能を有する。ＦＦＴ部２１８ｘ（２１８ｙ）は、周波数変換した信号を周波数オフセット補償部２１６ｘ（２１６ｙ）に出力する機能を有する。

周波数オフセット推定部２１７ａは、ＦＦＴ部２１８ｘ，２１８ｙから周波数領域の信号を受信して、周波数オフセット量を推定する機能を有する。
具体的には、既知信号系列によって生成される各特定周波数のスペクトラムについて、送信側に対する受信側でのずれを推定する。例えば、−Ｓ，Ｓ，−Ｓ，Ｓ，…，−Ｓ，Ｓの交番信号で生成される２つの特定周波数を有する信号を３０Ｇｂａｕｄで伝送した場合、１５ＧＨｚおよび−１５ＧＨｚが特定周波数となるはずである。しかし、受信側で３ＧＨｚの周波数オフセットがある場合には、受信側で１８ＧＨｚおよび−１２ＧＨｚにスペクトラムのピーク値が検出されることになる。つまり、周波数オフセット推定部２１７ａは、（１８−１５）ＧＨｚおよび（−１２―（―１５））ＧＨｚの双方またはいずれかに基づいて、Δｆ＝３ＧＨｚの周波数オフセット量を推定することができる。

周波数オフセット補償部２１６ｘ（２１６ｙ）は、周波数オフセット推定部２１７ａから周波数オフセット量を受信して、ＦＦＴ部２１８ｘ（２１８ｙ）の出力信号（周波数領域の信号）に対して周波数領域で周波数オフセットを補償し、補償した信号を出力する機能を有する。例えば、Δｆ＝３ＧＨｚの周波数オフセット量を受信した場合、周波数オフセット補償部２１６ｘ（２１６ｙ）は、周波数領域の信号に対して−３ＧＨｚシフトする処理を実行する。

フィルタ部２１９ｘ（２１９ｙ）は、周波数オフセット補償部２１６ｘ（２１６ｙ）から入力された周波数領域の信号に対して、既知信号系列から生成される電力の集中した各特定周波数を中心として±Δｆの帯域幅を通過させる処理を行い、その帯域処理後の信号を出力する機能を有する。

一例として、−Ｓ，Ｓ，−Ｓ，Ｓ，…，−Ｓ，Ｓの交番信号によって生成される２つの特定周波数を有する信号を３０Ｇｂａｕｄで伝送した場合について説明する。フィルタ部２１９ｘ（２１９ｙ）は、１５ＧＨｚおよび−１５ＧＨｚを中心周波数として、それぞれ±Δｆの帯域幅を持つＢＰＦを備えることになる。ここで、Δｆの設定値は、想定しうる最大のレーザの線幅程度の値として、例えば、Δｆ＝１ＭＨｚ程度に設定し、既知信号系列成分を切り出す。

ＩＦＦＴ部２２０ｘ（２２０ｙ）は、フィルタ部２１９ｘ（２１９ｙ）から受信した周波数領域の信号に対してＮポイントＩＦＦＴ（Ｎ≧１）を実行し、時間系列に変換する機能を有する。

（付加説明）
ここで、（１）交番信号の違いとその効果、（２）フレーム長とフレーム同期の精度、（３）ＢＰＦの特性、（４）周波数オフセット量の推定方法、について、付加説明を行う。

（１）交番信号の違いとその効果
交番信号として−Ｓ，Ｓ，−Ｓ，Ｓ，…，−Ｓ，Ｓのように２つの信号点を交互に用いたパターンを用いた場合、周波数領域ではシンボルレートの半分の正側／負側周波数の位置に、スペクトルが発生する。例えば、シンボルレートが３２Ｇｂａｕｄの場合には、±１６ＧＨｚの位置にスペクトルが発生する。また、交番信号として−Ｓ，−Ｓ，Ｓ，Ｓ，−Ｓ，−Ｓ，Ｓ，Ｓ，…，−Ｓ，−Ｓ，Ｓ，Ｓのような交番パターンを用いた場合には、シンボルレートの１／４の正側／負側周波数の位置にスペクトルが発生する。つまり、シンボルレートが３２Ｇｂａｕｄの場合には、±８ＧＨｚの位置にスペクトルが発生する。

送信側においてナイキスト規範の信号を生成する場合、−Ｓ，Ｓ，−Ｓ，Ｓ，…，−Ｓ，Ｓのような交番パターンでは、ナイキスト規範信号生成のための信号処理において電力が減衰してしまう。それに対して、−Ｓ，−Ｓ，Ｓ，Ｓ，−Ｓ，−Ｓ，Ｓ，Ｓ，…，−Ｓ，−Ｓ，Ｓ，Ｓのような交番パターンであれば、ナイキスト規範の半分の周波数に輝線を有するため、減衰することがない。
したがって、−Ｓ，−Ｓ，Ｓ，Ｓ，−Ｓ，−Ｓ，Ｓ，Ｓ，…，−Ｓ，−Ｓ，Ｓ，Ｓの交番パターンは、−Ｓ，Ｓ，−Ｓ，Ｓ，…，−Ｓ，Ｓの交番パターンに比べて、送受信器に起因する高周波電力減衰にともなう交番パターン電力減衰および位相回転による交番パターンの波形歪みの影響を受けにくいというメリットがある。

（２）フレーム長とフレーム同期の精度
図３に示したＮｔ＋Ｎｓの長さは、送信信号系列１３０のフレーム長１つ分と考えることができる。そのフレーム長を、ＯＴＵ（Optical Transport Unit）フレームに一致させることにより、ＩＴＵ−Ｔ（International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector）勧告Ｇ．７０９に準拠することができる。つまり、受信器２０は、特定周波数に電力が集中するパターンの位置を検出することができれば、当該位置付近の信号系列を用いて制御情報を復調することができる。したがって、受信器２０は、フレーム長の一部の短い信号系列だけをデジタル信号処理すればよいことになるので、１つのフレーム全体の処理を実行する場合に比較して、回路規模を削減することが可能である。また、受信器２０は、主信号のフレーム同期が取れない場合であっても、制御情報の位置に基づいてフレーム同期を取ることが可能である。

なお、ここで説明したフレーム同期は、特定周波数に電力が集中するパターンが含まれる信号をキャプチャできればよいので、シンボル同期程度に高精度の同期は必要なく、ある程度の誤差があっても構わない場合を意味している。また、フレーム同期の方法としては、例えば、国際公開２０１０／１３４３２１号に記載されている方法を用いることが可能である。
また、制御情報によって変調された上記交番信号は、フレーム周期ごとに時間多重されて送信されることから、フレーム周期が制御情報系列のクロックとしても利用可能である。

（３）ＢＰＦの特性
受信器２０は、特定周波数に電力が集中するパターン系列（以降、特殊パターン系列とも称す。）を抽出し、その特定周波数を透過帯域の中心周波数とするＢＰＦ（帯域通過フィルタ）を通過させる。そのＢＰＦを通過後の信号は、特殊パターン系列が大部分の電力を占めることになる。ＢＰＦの特性は、カットオフ周波数において急峻に透過率が下がるような切れのよいものを適用することで、特殊パターン系列のみを通過させることができる。このことによって、特殊パターン系列以外の信号からの電力の漏れこみを抑圧することができるので、特殊パターン系列を抽出する際の他の信号による干渉を低減できる。
例えば、ＢＰＦの特性として、２０ｄＢ程度の減衰比となる透過幅が数十ＭＨｚから数百ＭＨｚ程度であれば、特殊パターン系列の抽出に十分な抑圧比を実現することができる。そのためには、数百から数千シンボルにも及ぶ比較的長い時間タップ係数を持つＢＰＦが必要になるが、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）と逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）とを用いて周波数領域でＢＰＦを適用することにより回路規模を削減できる。

（４）周波数オフセット量の推定方法
光送受信システム１００は、送信器１０および受信器２０に個別のレーザを用いてコヒーレント受信を行っている。そのため、コヒーレント受信によって得られる受信電界は、周波数オフセットを有するのが一般的である。この周波数オフセット量は、例えば、ＯＩＦ（Optical Internetworking Forum）において規定されているレーザの周波数オフセットが２．５ＧＨｚであることから、送受信ではその２倍の５ＧＨｚの周波数オフセットが最大になるものと考えられる。そのため、受信器２０によって受信された特殊パターン系列は周波数オフセットを有し、ＢＰＦの透過帯域の中心周波数が、最大の周波数オフセット量に適応できるように制御される必要がある。

受信器２０は、第３実施形態の場合には、受信電界をフーリエ変換して、周波数領域の信号に変換している。このとき、特殊パターン系列に対しては、周波数スペクトルのピークの周波数位置を検出することで、周波数オフセット量を検出できる。例えば、シンボルレート３２ＧＨｚ、サンプリングレート６４ＧＨｚ、特殊パターン系列が−Ｓ，Ｓ，−Ｓ，Ｓ，…，−Ｓ，Ｓの交番信号、フーリエ変換のためのＦＦＴサイズが４０９６ポイントであった場合には、特殊パターン系列のスペクトルのピーク位置は±１６ＧＨｚになる。つまり、１０２４番目のポイントおよび３０７２番目のポイントが±１６ＧＨｚに相当するので、１０２４番目のポイントおよび３０７２番目のポイントにスペクトルのピークが立つはずである。しかし、周波数オフセットが３ＧＨｚの場合には、１９２ポイント（＝４０９６×３／６４）ずれるため、ピークは１２１６ポイント付近、３２６４ポイント付近に検出される。そして、実際に受信した特殊パターン系列のスペクトルのピーク位置が３２６４ポイントおよび１２１６ポイントとして検出された場合には、１９２ポイントずれていることが分かるので、＋３ＧＨｚずれていることが求まる。そして、ＦＦＴ変換された出力信号を、−１９２ポイントだけ巡回シフトすることで周波数オフセットに対する補償を行うことができる。

以上、本実施形態の送信器１０は、制御情報を差動符号化して差動符号化信号を生成し、差動符号化信号によって特定周波数に電力が集中する信号系列を変調し、２つの偏波成分の一方の偏波の主信号に時分割多重し、他方の偏波の主信号には特定周波数に電力が集中する信号系列をそのまま時分割多重する。そして、送信器１０は、時分割多重化した双方の偏波を偏波多重した信号光を、光ファイバ５を介して受信器２０に送信する。受信器２０は、受信した信号光を偏波分割し、ＡＤ変換して２つの偏波のデジタル受信信号を生成する。受信器２０は、特定周波数に基づいて、２つの偏波のデジタル受信信号において特定周波数に電力が集中する信号系列の位置を特定する。次に、受信器２０は、特定された位置に基づいて、２つの偏波のデジタル受信信号から特定周波数に電力が集中する信号系列を抽出し、その抽出した信号系列を差動検波して、制御情報を復調する。したがって、本実施形態の送信器１０および受信器２０を有する光送受信システム１００は、主信号を劣化させることなく、かつ主信号の復調の状態に依存することなく、制御情報を送受信することができる。

なお、本実施形態では、偏波多重する２つの信号の位相関係を変更することで偏波変調するように説明したが、偏波変調器等の他の偏波変調手段を用いて偏波変調しても良いし、偏波多重していない単一偏波の光送受信に適用しても構わない。

また、反転または非反転の２値で制御情報を送信するように説明したが、２相ＰＳＫがｍ相ＰＳＫに２値からｍ値に拡張するのと同様に、偏波変調を２よりも小さな粒度で変調することで２よりも大きな多値で送受しても構わない。

また、特定周波数として２つの周波数を用いる場合について説明したが、波長分散推定を行わない場合は、１つの特定周波数を用いて制御情報を送受しても構わない。

また、図５では、バッファ部２１１ｘ（２１１ｙ）の処理を行った後、ＢＰＦ部２１２ｘ（２１２ｙ）の処理を行う順で説明したが、ＢＰＦ部２１２ｘ（２１２ｙ）の処理を行った後、バッファ部２１１ｘ（２１１ｙ）の処理を行っても構わない。

また、偏波変調で制御情報を送受信するように説明したが、主信号と時分割多重した制御情報を送受信するための異なる複数の特定周波数に電力が集中する信号系列を切替えることで、ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）により制御情報を送受しても構わない。この場合でも制御情報を主信号に対して時分割多重しているため、主信号を劣化させることなく制御情報を送受できる。

５ 光ファイバ
１０ 送信器
２０ 受信器
１０１ｘ，１０１ｙ 送信信号変調部
１０２ｘ，１０２ｙ 信号多重部
１０３ｘ，１０３ｙ 電気光変換部
１０４ 偏波多重部
１１０ 制御信号変調部
１１１ 差動符号化部
１１２ 既知信号系列変調部
１２０ 既知信号生成部
１３０ 送信信号系列
２０１ 偏波分割部（受信側変換部）
２０２ｘ，２０２ｙ 光電気変換部（受信側変換部）
２０３ｘ，２０３ｙ ＡＤ変換部（受信側変換部）
２０４ｘ，２０４ｙ 波長分散補償部
２０５ 適応等化部
２０６ｘ，２０６ｙ 復調部
２１０，２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ 既知信号系列復調部
２１１ｘ，２１１ｙ バッファ部（制御信号復調部）
２１２ｘ，２１２ｙ ＢＰＦ部
２１３ 差動復号部（制御信号復調部）
２１４ 判定部（制御信号復調部）
２１５ 既知信号検出部
２１６ｘ，２１６ｙ 周波数オフセット補償部（制御信号復調部）
２１７，２１７ａ 周波数オフセット推定部
２１８ｘ，２１８ｙ ＦＦＴ部
２１９ｘ，２１９ｙ フィルタ部
２２０ｘ，２２０ｙ ＩＦＦＴ部

Claims (7)

1. 特定周波数に電力が集中する信号系列を出力する既知信号生成部、
   制御情報を差動符号化して差動符号化信号を生成し、前記差動符号化信号によって前記特定周波数に電力が集中する信号系列を変調する制御信号変調部、
   第１の偏波の送信情報を変調した主信号と前記特定周波数に電力が集中する信号系列とを時分割多重する第１の信号多重部、
   第２の偏波の送信情報を変調した主信号と前記制御信号変調部によって変調された信号とを時分割多重する第２の信号多重部、
   前記第１の信号多重部の出力信号と前記第２の信号多重部の出力信号それぞれを電気光変換した後の信号を偏波多重して信号光を生成する偏波多重部、
   を有する送信器と、
   前記送信器から送出された前記信号光を受信して、受信した前記信号光を偏波成分ごとのデジタル受信信号に変換する受信側変換部、
   前記特定周波数に基づいて、各偏波のデジタル受信信号から前記特定周波数に電力が集中する信号系列の位置を特定する既知信号検出部、
   前記既知信号検出部によって特定された位置に基づいて、各偏波のデジタル受信信号から前記特定周波数に電力が集中する信号系列を抽出し、その抽出した信号系列を差動検波して、前記制御情報を復調する制御信号復調部、
   を有する受信器と、
   を備えることを特徴とする光送受信システム。
2. 前記受信器は、
   各偏波のデジタル受信信号から前記特定周波数に電力が集中する信号系列を抽出する際、周波数オフセットを補償する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光送受信システム。
3. 前記受信器は、
   前記周波数オフセットを補償する際、前記デジタル受信信号を周波数領域の信号に変換し、周波数オフセット量を推定する
   ことを特徴とする請求項２に記載の光送受信システム。
4. 前記受信器は、
   前記周波数オフセット量を推定する際、前記デジタル受信信号に対してＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を適用して前記周波数領域の信号を求める
   ことを特徴とする請求項３に記載の光送受信システム。
5. 請求項１に記載の光送受信システムにおける送信器。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の光送受信システムにおける受信器。
7. 送信器と受信器とを有する光送受信システムの光送受信方法であって、
   前記送信器は、
   特定周波数に電力が集中する信号系列を出力する既知信号生成手順、
   制御情報を差動符号化して差動符号化信号を生成し、前記差動符号化信号によって前記特定周波数に電力が集中する信号系列を変調する制御信号変調手順、
   第１の偏波の送信情報を変調した主信号と前記特定周波数に電力が集中する信号系列とを時分割多重する第１の信号多重手順、
   第２の偏波の送信情報を変調した主信号と前記制御信号変調手順によって変調された信号とを時分割多重する第２の信号多重手順、
   前記第１の信号多重手順の出力信号と前記第２の信号多重手順の出力信号それぞれを電気光変換した後の信号を偏波多重して信号光を生成する偏波多重手順、
   を実行し、
   前記受信器は、
   前記送信器から送出された前記信号光を受信して、受信した前記信号光を偏波成分ごとのデジタル受信信号に変換する受信側変換手順、
   前記特定周波数に基づいて、各偏波のデジタル受信信号から前記特定周波数に電力が集中する信号系列の位置を特定する既知信号検出手順、
   前記既知信号検出手順によって特定された位置に基づいて、各偏波のデジタル受信信号から前記特定周波数に電力が集中する信号系列を抽出し、その抽出した信号系列を差動検波して、前記制御情報を復調する制御信号復調手順、
   を実行することを特徴とする光送受信方法。

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