JP2017175326A - デジタルコヒーレント受信装置、光空間通信システム及びそのドップラーシフト捕捉方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大きなドップラーシフト量に対しても常にデジタル信号処理に有意なサンプル列を入力し、デジタル信号処理によるドップラーシフト補償の初期捕捉や、信号断からの復旧を高速かつ安定して行う。【解決手段】デジタルコヒーレント受信部１は、受信した光信号を、ローカルオシレータ光を用いてコヒーレント検波して生成された電気信号をＡＤ変換するＡＤＣ１５と、ＡＤＣ１５の出力する信号の強度を検出する強度モニタ１７と、信号の強度が閾値を下回っている場合に、ローカルオシレータ光にＡＤＣの帯域に応じた周波数間隔で、起こり得るドップラーシフトの範囲をカバーする数で設定された複数の周波数成分を生成する複数周波数生成部１３を有している。【選択図】 図１

Description

本発明は、光空間通信システム及びそのドップラーシフト捕捉方法に関し、特に人工衛星間、人工衛星−地上間などを結ぶ光空間通信システムでの、信号光周波数のドップラーシフトを捕捉する光空間通信システム及びそのドップラーシフト捕捉方法に関する。

近年のデータ処理技術の発展により、人工衛星や航空機などの上空の飛行体から取得した豊富な地上観測データから、有意な情報を抽出して防災や資源探索などに活用する試みに期待が集まっている。こういった背景から、飛行体に搭載する地上観測用のセンサの解像度などの性能向上への要求の高まりと共に、飛行体が生成するデータ量は増加する傾向にあり、これを余すことなく活用するために取得したデータを地上に送る通信システムの容量増大が重要となっている。

上空にある人工衛星や航空機などの生成するデータを地上に送るための方法は、大きく分けて２つの方法が考えられている。一つは、人工衛星や航空機が直接、地上に設置した地上局と通信を行う方法である。ただし、地上観測を行う低軌道衛星や航空機は高速で移動しているため、地上局を直接視認可能な時間は限られる。もう一つは、地上局から常に通信可能な静止軌道衛星に低軌道衛星や航空機から一度データを送り、それを経由して地上にデータを送る方法である。いずれの方法にせよ、一般に用いられるマイクロ波通信では帯域利用の制約が大きいため、帯域制約が事実上なく大容量化が達成可能な光空間通信システムが注目されている。

これまで光通信技術が活躍してきた光ファイバ通信システムに目を向けると、コヒーレント検波とデジタル信号処理を組み合わせたデジタルコヒーレント技術が現在大きな成功を収めている。受信した微弱な光信号をローカルオシレータ光と干渉させて受信するコヒーレント検波により高い受信感度が達成され、デジタル信号処理は柔軟な等化処理を可能とする。このような利点を享受するため、光空間通信システムにもデジタルコヒーレント技術を適用することが考えられる。

人工衛星間、人工衛星−地上間などの光空間通信システムにおいては、人工衛星が高速で移動することによる信号光のドップラーシフトが発生する。高速で移動する低軌道衛星と静止軌道衛星間の光通信で生じるドップラーシフトの大きさは数ＧＨｚ、変動速度は数ＭＨｚ／ｓに達する。

デジタルコヒーレント技術において、信号光のドップラーシフト、すわなち、キャリア周波数とローカルオシレータ光との間の相対的な周波数差を補償する方法は、大きく分けて３つの方法がある。一つ目は、ローカルオシレータ光の周波数をドップラーシフト量に合わせて調整する光学的な方法である。非特許文献１には、光位相同期ループを用いてローカルオシレータ光の周波数を制御し、ドップラーシフトを補償する方法が記載されている。二つ目は、コヒーレント検波により電気信号へ変換された後に、ドップラーシフト量に合わせた周波数の正弦波とミキシングすることによる電気的な方法である。三つ目はアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ：Ａｎａｌｏｇ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）でサンプリングされた後に、デジタル信号処理によって周波数差を補償するデジタル的な方法である。非特許文献２には、ドップラーシフトに相当する周波数オフセットを補償するＭ乗法の方法が述べられている。非特許文献２に述べられている方法は、ＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）信号を受信した１サンプル／シンボルのサンプル列に対し、２つの連続するサンプル間の位相差を４乗する。このことでデータ変調の影響が取り除かれ、さらにそれを平均化して雑音の影響が抑制されて周波数差が推定され、ドップラーシフトに相当する周波数オフセットが補償される。
デジタル信号処理を用いた方法では、高速で柔軟な補償が可能である。

図８は、光信号をコヒーレント受信し、デジタル信号処理によってドップラーシフトを補償して復号を行う一般的な構成のブロック図である。受信した光信号は、ローカルオシレータ光と共に９０度光ハイブリッドに入力し、合波された信号はそれぞれバランス型光検出器で電気信号に変換され、Ｉ（同相）成分とＱ（直交）成分の信号を得る。電気信号は、トランスインピーダンスアンプ、ローパスフィルタなどを通過した後に、ＡＤＣによってサンプリングされて、サンプル列を得る。サンプル列に対して、デジタル信号処理により、強度規格化、リサンプリング、直流成分の除去、整合フィルタなどを含む等化フィルタ処理が行われ、非特許文献２に記載されるようなドップラーシフト補償部によってドップラーシフト量が推定されて補償される。最後に、シンボル判定、差動復号化、前方誤り訂正などの復号処理を行って受信データが得られる。

デジタル信号処理を用いた方法では、高速で柔軟な補償が可能であるものの、ドップラーシフト量が非常に大きい場合には、次のようにデジタル領域で信号が全く検出できないという問題が生じる。図９は、一般的な構成においてドップラーシフトが大きい場合の信号光とローカルオシレータ光の光周波数との関係を示す図である。信号光のキャリア周波数はｆ_ｓで、ローカルオシレータ光の光周波数はｆ_ＬＯである。１５５０ｎｍ付近の波長を使用すると仮定すると、ｆ_ｓ、ｆ_ＬＯは共に１９３ＴＨｚ程度となるが、送信側に備えたレーザーと、ローカルオシレータ光となるレーザーの周波数差や信号光のドップラーシフトによって、２つは一致しない。図１０は、一般的な構成において信号光をローカルオシレータ光によってコヒーレント検波した後の電気信号の持つ周波数成分とＡＤＣの帯域幅ｆ_ＡＤＣとの関係を示す図である。信号光とローカルオシレータ光の干渉により、信号はダウンコンバートされて、｜ｆ_ｓ−ｆ_ＬＯ｜を中心とした周波数成分を持つこととなる。信号の持つ周波数成分の周波数幅は変調方式などによって決まり、ＡＤＣの帯域幅ｆ_ＡＤＣではこれを受信するのに必要十分なように選択されることが一般的である。ｆ_ｓ−ｆ_ＬＯが大きい場合には、ＡＤＣの帯域幅の中に信号の持つ周波数成分が全く入らない。したがって、このような場合には、デジタル信号処理に有意な信号が入力しないため、ドップラーシフト量の推定ができないのは元より、受信機に信号光が入力しているかどうかさえ判別することができない。仮に、低軌道衛星と静止軌道衛星間の光通信を想定して、信号光の変調のシンボルレートを２．５ＧＨｚ、ＡＤＣの帯域幅を１．２５ＧＨｚ、ドップラーシフト量を５ＧＨｚとすると、このような状況が起こる。同じドップラーシフト量に対しても、信号光のデータレートが小さく、ＡＤＣ帯域幅が小さいほど、このような問題が起こりやすい。

これを回避するために考えられる一つの方法は、非特許文献１に記載されるような、初期周波数捕捉段階でのローカルオシレータ光の光周波数の掃引である。ただし、ドップラーシフト補償に要求される数ＧＨｚといった範囲での安定した光周波数の掃引には非常に時間がかかる。また、掃引中のローカルオシレータ光の光周波数と信号光のキャリア周波数との相対周波数がドップラーシフト量に近い値を取らないタイミングでは、デジタル領域に有意な信号が入力しないことには変わりがない。そのため、特に受信機に入力する信号光強度の変動が大きい場合には、特定のローカルオシレータ光周波数の下で、人工衛星の振動などに伴う受信信号光強度の変動によって有意な信号が入力しないことを、誤ってドップラーシフトによる影響と判別しないために、信号光強度の変動を十分に平均化可能な程の観測時間を設ける必要が生じる。これらの影響により、ドップラーシフトの初期捕捉や信号断からの復旧を高速かつ安定して行うことが難しくなっている。

またこの他関連する技術として、特許文献１には、衛星からの送信周波数がドップラー効果を受け変化する場合に衛星捕捉を行う衛星受信機が開示されている。特許文献１に開示されている衛星受信機は、衛星のダウンリンクチャンネル±ドップラー周波数範囲で、１００Ｈｚステップ毎にローカル周波数発生部の発信周波数を切り替えながら衛星からの同期信号が検出できる周波数点を探す。復調データの振幅レベルを測定してピークを検出するとともにこのピークが得られる周波数で同期信号が確認できるかどうかを調査し、最も大きなピーク点の周波数点をロック点と見なして受信信号追随動作へ移行させる。

特開平８−１４８９７４号公報

原口他、「次世代光衛星間通信機器の開発（２）−光ホモダイン受信機の通信性能評価−」、信学技報、ＳＡＮＥ２０１１−３９ Ａ． Ｌｅｖｅｎ ｅｔ ａｌ．， "Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｉｎ Ｉｎｔｒａｄｙｎｅ Ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ，" ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．， Ｖｏｌ．１９， Ｎｏ．６， ３６６ （２００７）．

人工衛星間、人工衛星−地上間などを結ぶ光空間通信システムでは、送受信局の相対位置が高速で変化することにより発生するドップラーシフトの影響が生じる。大きなドップラーシフト量が生じた場合、デジタル信号処理に入力するサンプル列が有意な信号とならないことがある。特許文献１や非特許文献１に記載のように初期捕捉時には常にレーザー光源の周波数を掃引しておき、それを信号光とローカルオシレータ光の干渉成分がＡＤＣ帯域内に入るまで続ける方法では、広いドップラーシフトに対応するための広範な掃引範囲と低速な周波数掃引速度が初期捕捉に要する時間を律してしまう。

本発明の目的は、大きなドップラーシフト量に対しても常にデジタル信号処理に有意なサンプル列を入力し、デジタル信号処理によるドップラーシフト補償の初期捕捉や、信号断からの復旧を高速かつ安定して行う方法を提供することにある。

本発明の１側面による光空間通信システムは、受信した光信号を、ローカルオシレータ光を用いてコヒーレント検波して生成された電気信号をＡＤ変換するＡＤ変換部と、前記ＡＤ変換部の出力する信号の強度を検出する強度モニタと、前記信号の強度が閾値を下回っている場合に、前記ローカルオシレータ光に前記ＡＤ変換部の帯域に応じた周波数間隔で、起こり得るドップラーシフトの範囲をカバーする数で設定された複数の周波数成分を生成する複数周波数生成部と、を有している。

本発明の他の側面による光空間通信システムのドップラーシフト捕捉方法は、受信した光信号を、ローカルオシレータ光を用いてコヒーレント検波し、生成された電気信号をＡＤ変換部によりＡＤ変換する光空間通信システムのドップラーシフト捕捉方法であって、前記ＡＤ変換部の出力する信号の強度を検出し、前記信号の強度が閾値を下回っている場合に、前記ローカルオシレータ光に前記ＡＤ変換部の帯域に応じた周波数間隔で、起こり得るドップラーシフトの範囲をカバーする数で設定された複数の周波数成分を生成する。

本発明により、大きなドップラーシフト量に対してもデジタル信号処理によるドップラーシフト補償の初期捕捉を高速かつ安定して行うことが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態である光空間通信システムのデジタルコヒーレント受信部のブロック図である。 図２は、信号光及びローカルオシレータ光の複数の周波数成分の一例を示す図である。 図３は、信号光を、図２の複数の周波数成分をもつローカルオシレータ光によってコヒーレント検波した場合の電気信号の持つ周波数成分と、ＡＤＣの帯域幅ｆ_ＡＤＣとの関係を示す図である。 図４は、複数周波数生成部の構成の一例を示すブロック図である。 図５は、レーザー光源から出力された光を複数の周波数成分を持つ光に変換するための強度変調の時間波形の一例を示す図である。 図６は、本実施形態によるドップラーシフト量と強度モニタ出力との関係を示すグラフである。 図７は、本実施形態の２分法による周波数成分探索動作を示すフローチャートである。 図８は、光信号をコヒーレント受信し、デジタル信号処理によってドップラーシフトを補償して復号を行う一般的な構成のブロック図である。 図９は、一般的な構成においてドップラーシフトが大きい場合の信号光とローカルオシレータ光の光周波数との関係を示す図である。 図１０は、一般的な構成において信号光をローカルオシレータ光によってコヒーレント検波した後の電気信号の持つ周波数成分とＡＤＣの帯域幅ｆ_ＡＤＣとの関係を示す図である。

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態である光空間通信システムのデジタルコヒーレント受信部のブロック図である。本実施形態は、受信した信号光の変調方式を２．５Ｇｂ／ｓ ＢＰＳＫ（Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）とした例である。

デジタルコヒーレント受信部１は、図１に示すように、９０度光ハイブリッド１１、レーザー光源１２、複数周波数生成部１３、光検出器１４、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１５、デジタル信号処理部１６、強度モニタ１７及び生成周波数制御部１８を備えている。

デジタルコヒーレント受信部１が受信した信号光は、ローカルオシレータ光と共に９０度光ハイブリッド１１に入力される。

レーザー光源１２は、単一の光周波数のレーザー光を生成する。レーザー光源１２の出力は、複数周波数生成部１３に入力される。

複数周波数生成部１３は、受信データがうまく復調されている通常の受信状態では、何もしないか、単一の光周波数のレーザー光を所定の光周波数だけシフトする役割を果たす。複数周波数生成部１３の出力は、光空間通信システムのデジタルコヒーレント受信部が受信した信号光とともに、９０度光ハイブリッド１１に入力される。

９０度光ハイブリッド１１は、コヒーレント検波を行う。すなわち９０度光ハイブリッド１１は、信号光とローカルオシレータ光を混合し、両者により発生するＩ（同相）成分とＱ（直交）成分のそれぞれに相当する２つの干渉信号（ビート信号）を出力する。９０度光ハイブリッド１１によってコヒーレント検波されたＩ成分とＱ成分の信号光は、それぞれバランス型光検出器１４に入力される。

光検出器１４は、それぞれコヒーレント検波され入力されたＩ成分又はＱ成分のビート信号の強度を電気信号に変換する。変換されたＩ成分とＱ成分の電気信号は、図示しないトランスインピーダンスアンプやローパスフィルタで増幅、雑音の低減が行われた後、ＡＤＣ１５に入力される。

ＡＤＣ１５は、例えば２．５Ｇｂ／ｓ ＢＰＳＫ信号を受信するのに必要十分な帯域幅と、サンプリング速度を持つ。ＡＤＣ１５の帯域幅は、例えば、１．２５ＧＨｚとし、ＡＤＣ１５のサンプリング速度は、例えば、５ＧＳ／ｓとする。ＡＤＣ１５は、サンプリングした結果、得られたサンプル列をデジタル信号処理部１６及び強度モニタ１７に出力する。

デジタル信号処理部１６は、強度規格化、リサンプリング、直流成分の除去、整合フィルタなどを含む等化フィルタ処理を行い、歪みと雑音を最小化する。その後、デジタル信号処理部１６は、ドップラーシフト補償処理を行い、ドップラーシフト量が推定されて補償される。このドップラー補償処理には、前述したＭ乗法を使用した周波数オフセット推定・補償や、判定指向デジタル位相同期ループなどを用いることができる。ドップラーシフトが補償されたサンプル列に対して、デジタル信号処理部１６は、最後に、シンボル判定、差動復号化、前方誤り訂正などの復号処理を行って、受信データを出力する。

強度モニタ１７は、２つのＡＤＣ１５から入力されたＩ成分とＱ成分の信号光のサンプリング結果であるサンプル列からモニタ強度を生成し、生成周波数制御部１８に出力する。

生成周波数制御部１８には、モニタ強度に対し閾値が設定されている。生成周波数制御部１８は、強度モニタ１７で生成されたモニタ強度が閾値以下となった場合、複数周波数生成部１３が複数周波数の生成を開始するよう制御する。例えば、初期周波数捕捉時、ドップラーシフトが大きい場合にこのような状態となる。

複数周波数生成部１３は、ローカルオシレータ光となるレーザー光源１２の元々の光周波数ｆ_ＬＯの上下に特定の周波数間隔Δｆで並んだ複数の周波数成分を持つローカルオシレータ光を生成する。周波数間隔Δｆは、予め定められ、複数周波数生成部１３に設定されている。

図２は、信号光及びローカルオシレータ光の複数の周波数成分の一例を示す図である。複数周波数生成部１３は、例えば、図２に示すように、信号光のキャリア周波数ｆ_ｓの付近の、ｆ_ＬＯ及びｆ_ＬＯ±Δｆの３つの周波数成分をもつローカルオシレータ光を生成する。

図３は、信号光を、図２の複数の周波数成分をもつローカルオシレータ光によってコヒーレント検波した場合の電気信号の持つ周波数成分と、ＡＤＣ１５の帯域幅ｆ_ＡＤＣとの関係を示す図である。信号光とローカルオシレータ光の周波数ｆ_ＬＯの周波数成分との干渉は、中心周波数ｆ_ｓ−ｆ_ＬＯにダウンコンバートされる。同様に、信号光とローカルオシレータ光の周波数ｆ_ＬＯ±Δｆの周波数成分との干渉は、中心周波数ｆ_ｓ−（ｆ_ＬＯ±Δｆ）にダウンコンバートされる。図３に示すように、中心周波数ｆ_ｓ−ｆ_ＬＯ＋Δｆ、ｆ_ｓ−ｆ_ＬＯにダウンコンバートされた信号はＡＤＣ１５の帯域幅ｆ_ＡＤＣ内にはないが、中心周波数ｆ_ｓ−ｆ_ＬＯ−Δｆにダウンコンバートされた、信号光とローカルオシレータ光の周波数ｆ_ＬＯ＋Δｆの周波数成分との干渉成分は、ＡＤＣ１５の帯域幅ｆ_ＡＤＣ内に入っている。したがって、ＡＤＣ１５によってサンプリングされたサンプル列は信号に関して有意な情報を含み、強度モニタ１７でも検出できる。

本実施形態の生成周波数制御部１８は、複数周波数生成部１３が生成する周波数成分の周波数間隔Δｆを、ＡＤＣ帯域の２倍程度に設定する。また、生成周波数制御部１８は、この周波数間隔で生成する複数の周波数成分の周波数範囲がドップラーシフトの起こりうる範囲をカバーするように周波数成分の生成数を設定する。すなわち生成周波数制御部１８は、複数周波数生成部１３が生成する複数の周波数成分の最大と最小の周波数差が、起こり得るドップラーシフトの範囲と同じか、それを上回るように周波数成分の生成数を設定する。

このように設定することにより、信号光と、ローカルオシレータ光のいずれかの周波数成分との間の周波数差が、ＡＤＣ１５の帯域幅ｆ_ＡＤＣの範囲内になる。したがって、いずれかの干渉成分はＡＤＣ１５の帯域幅ｆ_ＡＤＣ内にダウンコンバートされて、有意なサンプル列がデジタル信号処理に入力される状態を保つことができる。

図４は、複数周波数生成部１３の構成の一例を示すブロック図である。

レーザー光源１２は、生成した周波数ｆ_ＬＯのローカルオシレータ光をＩＱ変調器１３１に出力する。

生成周波数制御部１８は、ＩＱ変調器１３１に生成する複数の周波数成分の強度を制御するための電気波形を、デジタル的に生成し、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）１３２に出力する。

ＤＡＣ１３２は、生成周波数制御部１８がデジタル的に生成したデータをデジタル−アナログ変換により電気波形に変換してＩＱ変調器１３１に出力する。

ＩＱ変調器１３１は、レーザー光源１２から出力された光に、デジタル−アナログ変換器１３２から入力された電気波形によって光変調を行う。

図５は、レーザー光源１２から出力された光を複数の周波数成分を持つ光に変換するための強度変調の時間波形の一例を示す図である。図５に示す波形は、レーザー光源１２から出力された周波数ｆ_ＬＯの光を、ｆ_ＬＯ、ｆ_ＬＯ±Δｆの３つの周波数成分を持つ光に変換するための波形の例である。生成周波数制御部１８は、図５に示すような電気波形がＤＡＣ１３２からＩＱ変調器１３１に出力されるようデジタルデータを生成し、ＤＡＣ１３２に出力する。図５に示す波形のデジタルデータは、３つの周波数成分ｆ_ＬＯ、ｆ_ＬＯ±Δｆに相当する関数ｅｘｐ（２πｉ×０×ｔ）、ｅｘｐ（２πｉ×Δｆ×ｔ）、ｅｘｐ（２πｉ×（−Δｆ）×ｔ）に基づいて生成周波数制御部１８が作成する。生成周波数制御部１８は、例えば、３つの関数にそれぞれ係数を乗算し、足し合わせ、強度規格化を行って図５に示す波形のデジタルデータを生成する。生成周波数制御部１８は、各周波数成分に乗算する係数に差を持たせることで、特定の周波数成分のみの相対強度を増加させることも可能である。例えば、ｅｘｐ（２πｉ×０×ｔ）、ｅｘｐ（２πｉ×Δｆ×ｔ）、ｅｘｐ（２πｉ×（−Δｆ）×ｔ）に乗算する係数をＡ、Ｂ、Ｃとすると、Ｂ及びＣに対しＡを大きくすることで、ローカルオシレータ光における周波数ｆ_ＬＯの周波数成分の相対強度を増加することができる。

ＩＱ変調器１３１の出力は、光増幅器１３３に入力され、光変調に伴う光損失が補償される。なお９０度光ハイブリッド１１に入力するローカルオシレータ光に、特定の偏波状態の光が想定されている場合、光増幅器１３３は、入力する光の偏波状態を保持し、かつそれに直交する偏波成分に生じる自然放射増幅光を偏光子により除去する。

複数周波数生成部１３が生成する周波数成分の数に依らず、光増幅器１３３は、総光強度が同じローカルオシレータ光を９０度光ハイブリッド１１に入力することを想定する。

本実施形態の効果を具体的な例に基づいて説明する。信号光を２．５Ｇｂ／ｓ ＢＰＳＫ信号、ＡＤＣの帯域幅を１．２５ＧＨｚ、サンプリング速度を５ＧＳ／ｓ、９０度光ハイブリッドに入力するローカルオシレータ光の光強度はその周波数成分の数に依らず一定とした条件で、シミュレーションを行った。図６は、本実施形態によるドップラーシフト量と強度モニタ出力との関係を示すグラフである。図６に示す例は、生成する複数周波数の周波数間隔をΔｆ＝２ＧＨｚとし、ローカルオシレータ光が単一周波数の場合、ｆ_ＬＯ及びｆ_ＬＯ±Δｆの３つの周波数成分の場合、ｆ_ＬＯ、ｆ_ＬＯ±Δｆ及びｆ_ＬＯ±２Δｆの５つの周波数成分の場合、ｆ_ＬＯ、ｆ_ＬＯ±Δｆ、ｆ_ＬＯ±２Δｆ、及びｆ_ＬＯ±３Δｆの７つの周波数成分の場合、のそれぞれについて、信号光にドップラーシフトを与えた場合についてシミュレーションした結果である。なお受信する信号光のキャリア周波数は１９３．３ＴＨｚ、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏは−２ｄＢ／０．１ｎｍ、ローカルオシレータ光となるレーザーの周波数は同じく１９３．３ＴＨｚ、レーザーの線幅は送信側と共に０とした。

ローカルオシレータ光が単一周波数の場合には、ドップラーシフト量の大きさが増えるにしたがって、強度モニタの出力は低下していき、ドップラーシフトの大きさが５ＧＨｚ程度に達すると、それ以上の領域ではほとんど変化がない。これは、前述したように、この領域ではＡＤＣ１５の帯域幅ｆ_ＡＤＣの中に信号の持つ周波数成分が全く入らず、したがって、デジタル信号処理に有意な信号が入力していないことを意味する。

それに対し、ローカルオシレータ光がｆ_ＬＯ、ｆ_ＬＯ±Δｆ、ｆ_ＬＯ±２Δｆ及びｆ_ＬＯ±３Δｆの７つの周波数成分を持つ場合、ドップラーシフトが０の場合の強度モニタ出力は、ローカルオシレータ光が単一周波数の場合のそれよりも低下しているものの、ドップラーシフトの大きさが５ＧＨｚ程度まで一定の出力を保っている。すなわち、ローカルオシレータ光のいずれかの周波数成分によってＡＤＣ１５の帯域幅ｆ_ＡＤＣ内にダウンコンバートされた有意なサンプル列が、デジタル信号処理で検出されている。

このように本実施形態によれば、複数周波数生成部１３によって複数の周波数成分を持つローカルオシレータ光を生成して使用することにより、想定するドップラーシフトの範囲内において、常にデジタル信号処理に有意なサンプル列が入力する状態を保持することが可能となっている。

図７は、本実施形態の２分法による周波数成分探索動作を示すフローチャートである。まず生成周波数制御部１８が、強度モニタの出力が閾値以下であるか判断し（ステップＳ１）、強度モニタの出力が閾値以下であることを検出すると、生成周波数制御部１８は所定の周波数間隔Δｆ及び生成数Ｎ個の周波数成分を生成するためのデジタルデータを生成し複数周波数生成部１３に出力する。それに基づいて複数周波数生成部１３は、デジタルデータに基づいて予め設定された周波数間隔ΔｆのＮ個の周波数成分を持つローカルオシレータ光を生成する（ステップＳ２）。

これによって、常にデジタル信号処理に有意なサンプル列が入力する状態が保持される。

次に、生成周波数制御部１８は、いわゆる２分法を用いて、Ｎ個の周波数成分の中から、信号光のキャリア周波数に最も近い一つの周波数成分を探索する。まず、生成周波数制御部１８は、Ｎ個の周波数成分の中から半数を周波数候補として絞り込む（ステップＳ３）。なお周波数候補の数は、全体の半数に近い数であれば、半数でなくてもかまわない。

生成周波数制御部１８は、全ての周波数成分の相対強度を均一化する。その後、生成周波数制御部１８は、周波数候補となった周波数成分の相対強度を一括して増加させる（ステップＳ４）。すなわち生成周波数制御部１８は、周波数候補となった周波数成分に対応する係数を増加させたデジタルデータを生成し、複数周波数生成部１３に出力する。

そして、生成周波数制御部１８は、強度モニタ１７の出力が増加するか判断する（ステップＳ５）。

強度モニタ１７の出力が増加した場合、生成周波数制御部１８は、現在の周波数候補をそのまま維持する（ステップＳ６）。すなわち、他の周波数は周波数候補でないとして棄却する。

逆に減少したならば、生成周波数制御部１８は、現在の周波数候補を棄却し、候補とされていない残りの周波数成分を周波数候補として選び直す。

残った周波数候補が一つか判断し（ステップＳ６）、１つならば、それを所望の信号光のキャリア周波数に最も近い最適周波数成分として保持して探索を終了する（ステップＳ９）。１つでない場合、ステップＳ４に戻り、ステップＳ４からステップＳ８を候補が一つになるまで繰り返す。

探索が終了したならば、残った周波数候補は所望の信号光のキャリア周波数に最も近い最適周波数成分なので、複数周波数生成部１３は、この最適周波数成分の単一周波数のローカルオシレータ光を生成し、初期周波数捕捉を完了する。そして、デジタルコヒーレント受信部１は、この最適周波数成分によりドップラーシフトを捕捉する。

以上説明したように、本実施形態によれば、複数周波数生成部１３によって複数の周波数成分を持つローカルオシレータ光を生成して使用することにより、レーザー光の掃引を必要としないため、初期捕捉に必要な時間を抑えることができる。

また、生成周波数制御部１８は、複数周波数生成部１３が生成する周波数成分の周波数間隔Δｆを、ＡＤＣ１５の帯域幅ｆ_ＡＤＣの２倍程度に設定し、複数周波数生成部１３が生成する複数の周波数成分の最大と最小の周波数差が、起こり得るドップラーシフトの範囲と同じか、それを上回るように周波数成分の数を設定する。この構成により、信号光のドップラーシフト量が大きくとも、常に信号光とローカルオシレータ光のいずれかの周波数成分との間の周波数差はＡＤＣ１５の帯域幅ｆ_ＡＤＣの範囲内にすることができる。したがって、この２つの干渉成分はＡＤＣ１５の帯域幅ｆ_ＡＤＣ内にダウンコンバートされて有意なサンプル列がデジタル信号処理に入力される。

またローカルオシレータ光の複数周波数成分のそれぞれの強度の制御によって、常に有意なデジタル信号処理に入力される状態を保ったまま、最適なローカルオシレータ光周波数の探索ができる。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

例えば、１つのレーザー光源１２から出力された光を、複数周波数生成部１３が複数の周波数成分を持つ光に変換するとして説明したが、これに限らず、周波数の異なる複数のレーザー光源を備える構成としてもよい。この場合、生成周波数制御部は、複数のレーザー光源からの光の強度又は遮断を制御する信号を複数周波数生成部に出力し、複数周波数生成部は、生成周波数制御部から出力された信号に基づいて、複数のレーザー光源からのコヒーレント光の強度を制御又は遮断して、それらを光カプラなどで合成した後に出力する。

このような構成とすれば、複数周波数生成部は、光変調器やDACなどの複雑な構成要素の代わりに、光減衰器や光増幅器などのより単純な要素で構成することができる。

１ デジタルコヒーレント受信部
１１ ９０度光ハイブリッド
１２ レーザー光源
１３ 複数周波数生成部
１４ 光検出器
１５ ＡＤＣ
１６ デジタル信号処理部
１７ 強度モニタ
１８ 生成周波数制御部
１３１ ＩＱ変調器
１３２ デジタル−アナログ変換器
１３３ 光増幅器

Claims (10)

1. 受信した光信号を、ローカルオシレータ光を用いてコヒーレント検波して生成された電気信号をＡＤ変換するＡＤ変換部と、
   前記ＡＤ変換部の出力する信号の強度を検出する強度モニタと、
   前記信号の強度が閾値を下回っている場合に、前記ローカルオシレータ光に前記ＡＤ変換部の帯域に応じた周波数間隔で、起こり得るドップラーシフトの範囲をカバーする数に設定された複数の周波数成分を生成する複数周波数生成部と、
   を有するデジタルコヒーレント受信装置。
2. 前記ローカルオシレータ光の前記複数の周波数成分の前記周波数間隔、前記数及び強度を制御する生成周波数制御部と、
   を有する請求項１に記載のデジタルコヒーレント受信装置。
3. 前記生成周波数制御部は、前記周波数間隔を前記ＡＤ変換部の帯域幅の２倍に設定する、請求項２に記載のデジタルコヒーレント受信装置。
4. 単一の周波数成分をもつレーザー光を生成するレーザー光源を有し、
   前記生成周波数制御部は、前記複数の周波数成分の強度に応じたデジタルデータを生成し、
   前記複数周波数生成部は、前記デジタルデータに基づいて前記レーザー光を変調して前記ローカルオシレータ光を生成する変調部を有する、
   請求項２又は３に記載のデジタルコヒーレント受信装置。
5. 前記生成周波数制御部は、前記複数の周波数成分を表す関数に前記強度を乗算し足し合わせて前記デジタルデータを生成する、
   請求項４に記載のデジタルコヒーレント受信装置。
6. 前記周波数成分制御部は、２分法を用いて前記複数の周波数成分の強度を一括して変化させ、前記光信号の強度に基づいて前記ドップラーシフトに近い周波数成分を探索する、請求項２から５のいずれかに記載のデジタルコヒーレント受信装置。
7. 前記生成周波数制御部は、
   前記複数の周波数成分の半数を周波数候補として絞り込み、
   前記周波数候補の強度を一括して増加させ、
   前記光信号の強度が増加したならば、未だ候補として棄却されていない残りの周波数成分を棄却して前記周波数候補の半数を新たな周波数候補として絞り込み、
   前記光信号の強度が減少したならば、前記周波数候補を棄却して未だ候補として棄却されていない残りの周波数成分を新たな周波数候補として選び直す、
   請求項６に記載のデジタルコヒーレント受信装置。
8. 受信した光信号を、ローカルオシレータ光を用いてコヒーレント検波して生成された電気信号をＡＤ変換するＡＤ変換部と、
   前記ＡＤ変換部の出力する信号の強度を検出する強度モニタと、
   前記信号の強度が閾値を下回っている場合に、前記ローカルオシレータ光に前記ＡＤ変換部の帯域に応じた周波数間隔で、起こり得るドップラーシフトの範囲をカバーする数に設定された複数の周波数成分を生成する複数周波数生成部と、
   を有する光空間通信システム。
9. 受信した光信号を、ローカルオシレータ光を用いてコヒーレント検波し、生成された電気信号をＡＤ変換部によりＡＤ変換する光空間通信システムのドップラーシフト捕捉方法において、
   前記ＡＤ変換部の出力する信号の強度を検出し、
   前記信号の強度が閾値を下回っている場合に、前記ローカルオシレータ光に前記ＡＤ変換部の帯域に応じた周波数間隔で、起こり得るドップラーシフトの範囲をカバーする数に設定された複数の周波数成分を生成する、
   光空間通信システムのドップラーシフト捕捉方法。
10. 前記複数の周波数成分の半数を周波数候補として絞り込み、
    前記周波数候補の強度を一括して増加させ、
    前記光信号の強度が増加したならば、前記周波数候補とされていない残りの周波数成分を棄却し、
    前記光信号の強度が減少したならば、前記周波数候補とされた周波数成分を棄却し、
    残った周波数成分が一つならば、前記残った周波数成分によりドップラーシフトを捕捉する
    請求項９に記載の光空間通信システムのドップラーシフト捕捉方法。

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