JP2019041285A - 光伝送特性補償システム及び光伝送特性補償方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回路規模の増大を抑えつつ精度の高い送受信機歪み補償を行うこと。【解決手段】光伝送特性補償システムは、光送受信機の送信部から受信部に第１の既知信号を伝送した時に受信部が取得した第１のデータと光受信機の仮の逆伝達関数とから光送信機の逆伝達関数を推定する送信機伝達関数推定部と、送信部から受信部に第２の既知信号を伝送した時に受信部が取得した第２のデータと推定した光送信機の逆伝達関数とから光受信機の逆伝達関数を推定する受信機伝達関数推定部と、推定した光送信機の逆伝達関数を用いて光送信機の伝送特性を補償する送信機補償部と、推定した光受信機の逆伝達関数を用いて光受信機の伝送特性を補償する受信機補償部とを備え、送信機補償部及び受信機補償部は、デジタルフィルタのタップ係数が最大値となる位置がタップ係数列の中央からずれた位置となるタップ係数列を用いて補償する。【選択図】図１０

Description

本発明は、光通信における光送受信機の伝送特性を補償する光伝送特性補償システム及び光伝送特性補償方法に関する。

通信トラヒックの増大に対応するために、光送受信機の高速・大容量化が求められている。近年、導入が進む光送受信機は、デジタル信号処理（ＤＳＰ）とコヒーレント検波を組み合わせたデジタルコヒーレント技術を用いている。

１チャネルあたり１００Ｇｂ／ｓの光送受信機では、Ｂａｕｄ ｒａｔｅ（ボーレート）と変調方式は、例えば３２Ｇｂａｕｄ ＰＤＭ−ＱＰＳＫ（Polarization Division Multiplexing−Quadrature Phase Shift Keying；偏波多重−４位相偏移変調）である。光送信機は直交した直線偏光（Ｘ偏波とＹ偏波）を、それぞれＱＰＳＫのベースバンド信号で変調することでＰＤＭ−ＱＰＳＫ光信号を生成する。光受信機は受信した光信号と局発光をコヒーレント検波することで光信号をベースバンド信号に変換し、デジタル信号処理（ＤＳＰ）によってＱＰＳＫを復調し送信データを再生する。

１チャネルあたりの伝送容量を増やすために、４００Ｇｂ／ｓの光送受信機では、Ｂａｕｄ ｒａｔｅと変調方式は例えば６４Ｇｂａｕｄ ＰＤＭ−１６ＱＡＭ（ＰＤＭ−16Quadrature amplitude modulation；偏波多重−１６直角位相振幅変調）、又は４３Ｇｂａｕｄ ＰＤＭ−６４ＱＡＭである。このように、今後の光送受信機では、１チャネルあたりの伝送容量を拡大させるためにＢａｕｄ ｒａｔｅの増加と変調方式の多値化が進む。

Ｂａｕｄ ｒａｔｅの増加と変調方式の多値化に伴い、光送受信機には広帯域に良好な伝送特性が求められる。この光送受信機内の伝送信号の伝送特性は伝達関数で表現され、一般に光送受信機は複数のレーン（Ｘ偏波の同相成分ＸＩ、Ｘ偏波の直交成分ＸＱ、Ｙ偏波の同相成分ＹＩ、Ｙ偏波の直交成分ＹＱ）を有し、レーン間の伝達関数の差はシステムの総合伝送特性劣化を引き起こすため、レーン間の伝達関数の差を十分抑えることも求められる。光送受信機の伝達関数の周波数特性が不十分な場合又はレーン間に差がある場合は、例えばＤＳＰによって伝送特性又はそのレーン間差を補償する必要がある。これに対して、光伝送路の波長分散又は受信側のレーン間の差を受信側で補償する方法（例えば、非特許文献１，２参照）、及び、送信側のレーン間の差を送信側で補償する方法（例えば、特許文献１及び非特許文献３参照）が提案されている。

光送受信機の伝達関数をＤＳＰで補償する場合、光送受信機を構成する光回路又はアナログ電気回路などの伝達関数を予め把握し、それらをもとに必要に応じて補償値を設定する必要がある。光送信機と光受信機はそれぞれＢａｕｄ ｒａｔｅに応じて補償が必要な範囲の伝達関数の周波数特性がある。従来の光送受信機において上記の伝達関数を補償するための補償値を設定する場合、例えば、光回路又はアナログ電気回路ベンダが示す伝達関数の仕様値又は予め測定した代表個体の伝達関数の評価結果などに基づいて送信機補償部と受信機補償部に対して補償値を設定することで、十分な総合伝送特性を得ることができた。

しかし、４００Ｇｂ／ｓなどの高速伝送システムではＢａｕｄ ｒａｔｅの上昇と多値化に伴い、光回路又はアナログ電気回路の伝達関数の個体バラつきが原因で、ベンダの示す仕様値又は代表個体の評価結果に基づいた補償値設定では十分な総合伝送特性が得られないことがある。これに対し、既知パタン（既知信号）を送受することによって、個体ごとに、光送受信機を構成する光回路又はアナログ電気回路などの伝達関数を高精度に把握することが可能になる。

特許第６０７７６９６号公報

R. R. Muller, J. Renaudier, and Gabriel Charlet, "Blind Receiver Skew Compensation and Estimation for Long-Haul Non-Dispersion Managed Systems Using Adaptive Equalizer", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.33, NO.7, pp.1315-1318, APRIL 1, 2015. J. C. M. Diniz, E. P da Silva, M. Piels, and D. Zibar, "Joint IQ Skew and Chromatic Dispersion Estimation for Coherent Optical Communication Receivers", Advanced Photonics Congress 2016. Ginni Khanna, Bernhard Spinnler, Stefano Calabro, Erik De Man, and Norbert Hanik, "A Robust Adaptive Pre-Distortion Method for Optical Communication Transmitters", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol.28, No.7, pp.752-755, APRIL 1, 2016.

しかしながら、上述した従来技術によって伝送特性を向上させるためには、光送受信機を構成する光回路又はアナログ電気回路などの伝達関数の逆伝達関数に相当するＦＩＲ（Finite Impulse Response；有限インパルス応答）フィルタのパラメータ（タップ数）を多くする必要がある。これにより、ＤＳＰの回路規模が増大し、装置の製造コストや消費電力が高くなるという課題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、回路規模の増大を抑えつつ精度の高い送受信機歪み補償を行うことができる光伝送特性補償システム及び光伝送特性補償方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、光送受信機の送信部から受信部に第１の既知信号を伝送した時に前記受信部が取得した第１のデータと、前記受信部の光受信機の仮の伝達関数又は仮の逆伝達関数とから、前記送信部の光送信機の伝達関数又は逆伝達関数を推定する送信機伝達関数推定部と、前記送信部から前記受信部に第２の既知信号を伝送した時に前記受信部が取得した第２のデータと、推定した前記光送信機の伝達関数又は逆伝達関数とから、前記光受信機の伝達関数又は逆伝達関数を推定する受信機伝達関数推定部と、推定した前記光送信機の伝達関数又は逆伝達関数を用いて前記光送信機の伝送特性を補償する送信機補償部と、推定した前記光受信機の伝達関数又は逆伝達関数を用いて前記光受信機の伝送特性を補償する受信機補償部と、を備え、前記送信機補償部及び前記受信機補償部のうち少なくとも一方は、デジタルフィルタのタップ係数が最大値となる位置がタップ係数列の中央の位置からずれた位置となる前記タップ係数列を用いて補償する光伝送特性補償システムである。

また、本発明の一態様は、上述の光伝送特性補償システムであって、前記送信機補償部は、前記タップ係数が最大値となる位置が、前記タップ係数列の中央の位置から、信号に対してより先に畳み込まれるタップ側にずれた位置となるタップ係数列を用いて補償し、前記受信機補償部は、前記タップ係数が最大値となる位置が、前記タップ係数列の中央の位置から、信号に対してより後に畳み込まれるタップ側にずれた位置となるタップ係数列を用いて補償する。

また、本発明の一態様は、上述の光伝送特性補償システムであって、前記タップ係数列の中央の位置と前記タップ係数列の中央の位置からずれた位置との間のずれ量は、配線長に基づいて計算されたずれ量である。

また、本発明の一態様は、光送受信機の送信部から受信部に第１の既知信号を伝送した時に前記受信部が取得した第１のデータと、前記受信部の光受信機の仮の伝達関数又は仮の逆伝達関数とから、前記送信部の光送信機の伝達関数又は逆伝達関数を推定する第１のステップと、前記送信部から前記受信部に第２の既知信号を伝送した時に前記受信部が取得した第２のデータと、推定した前記光送信機の伝達関数又は逆伝達関数とから、前記光受信機の伝達関数又は逆伝達関数を推定する第２のステップと、推定した前記光送信機の伝達関数又は逆伝達関数と前記光受信機の伝達関数又は逆伝達関数とを用いて前記光送信機及び前記光受信機の伝送特性を補償するとき、デジタルフィルタのタップ係数が最大値となる位置がタップ係数列の中央の位置からずれた位置となる前記タップ係数列を用いて補償する第３のステップと、を有する光伝送特性補償方法である。

本発明により、回路規模の増大を抑えつつ精度の高い送受信機歪み補償を行うことできる。

本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムを備える光送受信機の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムによる光送受信機の伝達関数又は逆伝達関数の推定処理を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムによる光受信機の仮の伝達関数の推定処理を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムの第１の受信機伝達関数推定部の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムの受信機補償部の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムの送信機伝達関数推定部の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムによる光送信機の伝達関数又は逆伝達関数の推定処理を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムの第２の受信機伝達関数推定部の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムによる光受信機の真の伝達関数又は逆伝達関数の推定処理を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムの送信機補償部及び受信機補償部を構成するＦＩＲフィルタの構成を示す図である。 通常のＦＩＲフィルタのタップ係数を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムの送信機補償部を構成するＦＩＲフィルタのタップ係数を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムによる受信Ｑ値改善量を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システム及び光伝送特性補償方法について図面を参照しながら説明する。同じ又は対応する構成要素には同一の符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。なお、以下で使用する「伝達関数」という用語は、装置、部品、伝搬路などの伝送特性を表す関数、数式、回路、あるいは線路などであればどのようなものでもよい。また、伝達関数は線形に限らず、非線形な特性を表す関数などでもよい。さらに、「伝送」と「伝達」については、本発明の範囲内では基本的に同意として捉える。

＜実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムを備える光送受信機の構成を示す図である。送信部１は伝送路２を介して光信号を受信部３に送信する。伝送路２は例えば光ファイバと光増幅器からなる。

送信部１は、送信信号処理部４、既知信号挿入部５、送信機補償部６、及び光送信機７を備える。送信信号処理部４と既知信号挿入部５と送信機補償部６の一部又は全部は、例えばＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit；特定用途向け集積回路）又はＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などのハードウェアで構成できる。また、これらの一部又は全部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）などのプロセッサが、記憶部に記憶されたプログラムを実行することにより機能するソフトウェアでも構成できる。

既知信号挿入部５は、送信信号処理部４が生成したＸＩレーン（第１レーン）、ＸＱレーン（第２レーン）、ＹＩレーン（第３レーン）、ＹＱレーン（第４レーン）の変調対象信号系列に、それぞれ既知信号の系列を挿入する。既知信号の系列は、送信部１と受信部３との間で共有されている。既知信号は、所定のビット又はシンボルで構成できるが、例えば２０００シンボル程度の信号系列で構成される。既知信号の系列の長さは、最低限、算出するＦＩＲフィルタ長より長いことが求められる。

送信信号処理部４は、送信データ系列に基づいてフレームデータを生成する。フレームデータは、光送信機７において変調処理を施すための信号系列（変調対象信号系列）である。送信信号処理部４は、既知信号系列が挿入されたフレームデータを送信機補償部６に送信する。

送信機補償部６は、光送信機７の伝達関数の推定結果を後述する受信部３の送信機伝達関数推定部８から取得する。送信機補償部６は、その推定結果に基づいて光送信機７のＸＩレーン、ＸＱレーン、ＹＩレーン、及びＹＱレーンの伝達関数と、そのレーン間差を補償する。送信機補償部６は、例えば、ＦＩＲフィルタなどのデジタルフィルタにより構成できる。また、送信機補償部６は、個別に４レーン間の遅延時間差を補償する機能を持つ機能部を備えてもよい。

光送信機７は、補償されたフレームデータで直交した直交変更を変調することで、変調対象信号系列の光信号を生成する。光送信機７はドライバアンプ７ａ、レーザモジュール７ｂ（信号ＬＤ）、９０°合成器７ｃ、及び偏波合成器７ｄを備える。ドライバアンプ７ａは、補償されたフレームデータの電気信号を適切な振幅になるように増幅して９０°合成器７ｃに送信する。９０°合成器７ｃは、マッハツェンダ型ベクトル変調器であり、レーザモジュール７ｂから送信された直線偏光のＣＷ（Continuous Wave；無変調連続波）光を直交した直線偏光に分離し、それぞれの直線偏光に対してフレームデータで変調することで、変調対象信号系列の光信号を生成する。水平偏波による光信号と垂直偏波による光信号が、偏波合成器７ｄで合成され、伝送路２を介して受信部３に供給される。

受信部３は、光受信機９、データバッファ１０、受信機補償部１１、受信信号処理部１２、第１及び第２の受信機伝達関数推定部１３，１４、及び送信機伝達関数推定部８を備える。第１及び第２の受信機伝達関数推定部１３，１４及び送信機伝達関数推定部８が、光送受信機の光伝送特性を推定する光伝送特性推定システムを構成する。この光伝送特性推定システムと送信機補償部６及び受信機補償部１１が、光送受信機の光伝送特性を補償する光伝送特性補償システムを構成する。なお、図１では送信機補償部６と受信機補償部１１を個別のブロックで表現しているが、送信機補償部６は送信信号処理部４の一部であってもよく、受信機補償部１１は受信信号処理部１２の一部であってもよい。

光受信機９は、偏波分離機９ａ、レーザモジュール９ｂ（局発ＬＤ）、偏波ダイバーシティ９０°ハイブリッド９ｃ、フォトダイオード（ＰＤ；Photo Diode）（図示せず）、ＴＩＡ９ｄ（Transimpedance Amplifier；トランスインピーダンスアンプ）、及びＡ／Ｄ変換器９ｅを備える。

レーザモジュール９ｂは、直線偏光のＣＷ光を偏波ダイバーシティ９０°ハイブリッド９ｃに送る。偏波ダイバーシティ９０°ハイブリッド９ｃは受信した光信号とＣＷ光を干渉させる。フォトダイオードがそれを光電変換する。ＴＩＡ９ｄがその電流信号を電圧信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器９ｅがその電圧信号をＡ／Ｄ変換する。これらにより、受信した光信号をベースバンドのデジタル信号に変換する。

光受信機９のＡ／Ｄ変換器９ｅ、データバッファ１０、受信機補償部１１、受信信号処理部１２、第１及び第２の受信機伝達関数推定部１３，１４、及び送信機伝達関数推定部８の一部又は全部は、例えばＡＳＩＣ又はＦＰＧＡなどのハードウェアで構成できる。また、これらの一部又は全部は、ＣＰＵなどのプロセッサが、記憶部に記憶されたプログラムを実行することにより機能するソフトウェアでも構成できる。また、第１及び第２の受信機伝達関数推定部１３，１４及び送信機伝達関数推定部８は、光送受信機とは独立した外部装置、例えばＰＣ（Personal Computer；パーソナルコンピュータ）又はそれに相当する装置によって構成することができる。また、受信信号処理部１２も、第１及び第２の受信機伝達関数推定部１３，１４及び送信機伝達関数推定部８と同様の機能を有することができ、それらとの共用化も可能である。

データバッファ１０は、一般的にはメモリ回路（ＲＡＭ（Random Access Memory；読み書き可能なメモリ））で構成でき、光受信機９で受信した信号をＡ／Ｄ変換したデータを一時的に蓄えておく。データバッファ１０に蓄えられたデータは、順次的に後段の受信機補償部１１と受信信号処理部１２へ送られる。それらのデータを第１及び第２の受信機伝達関数推定部１３，１４及び送信機伝達関数推定部８が取得することも可能である。なお、データバッファ１０を使用せず、第１及び第２の受信機伝達関数推定部１３，１４及び送信機伝達関数推定部８がＡ／Ｄ変換されたデータをリアルタイムで直接的に取得してもよい。以降、データバッファ１０のデジタルデータを用いて説明する全ての例は、受信データをリアルタイムで直接的に取得する方法も含んでいる。

受信機補償部１１は、光受信機９の伝達関数の推定結果を第２の受信機伝達関数推定部１４から取得し、その推定結果に基づいて光受信機９のＸＩレーン、ＸＱレーン、ＹＩレーン、ＹＱレーンの伝達関数とそのレーン間差を補償する。受信機補償部１１は、例えばＦＩＲフィルタなどのデジタルフィルタにより構成できる。また、受信機補償部１１は、個別に４レーン間の遅延時間差を補償する機能を持つ機能部を持ってもよい。

受信信号処理部１２には、受信機補償部１１からデジタル信号が入力される。伝送路２では例えば波長分散、偏波モード分散、偏波変動又は非線形光学効果によって光信号に波形歪みが生じる。受信信号処理部１２は伝送路２において生じた波形歪みを補償する。また、受信信号処理部１２は、光送信機７のレーザモジュール７ｂの光の周波数と光受信機９のレーザモジュール９ｂの局発光の周波数との差を補償する。さらに、受信信号処理部１２は、光送信機７のレーザモジュール７ｂの光の線幅と光受信機９のレーザモジュール９ｂの局発光の線幅とに応じた位相雑音を補償する。

第１の受信機伝達関数推定部１３は、光受信機９の入力端に、白色雑音に相当するＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）信号を入力した時に受信部３が取得したデジタルデータから、光受信機９の仮の伝達関数又は逆伝達関数を推定する。ＡＳＥ信号は光アンプから発生させることができる。ＡＳＥのみを出力する場合は、何も入力しない状態で光アンプを用いる。この光アンプは別途用意してもよいが、伝送路２の光アンプを用いることもできる。ＡＳＥ信号のスペクトラム（周波数特性）は均一であるため、それを通すことで周波数特性を取得することができる。従って、ＡＳＥ信号を入力した状態で、データバッファ１０に保存されたデータを、第１の受信機伝達関数推定部１３が取得することで、周波数特性を推定することができる。これらは、レーンごとに推定可能である。第１の受信機伝達関数推定部１３の構成例は後ほど示す。

周波数特性の推定は、デジタルデータをフーリエ変換することで伝達関数として得られる。更に逆伝達関数を求める手法としては、逆数を計算する他に、適応フィルタの解を求める方法がある。適応フィルタの解を求める方法として、一般的にウィナー解を求める方法、及び、ＬＭＳ（Least Mean square；最小二乗平均）アルゴリズム又はＲＬＳ（Recursive Least square；再帰的最小二乗法）アルゴリズムなどによっても求める方法がある。ここで、伝達関数は時間的には比較的変化しないため、「適応」は時間的な対応を意味しない。以降、「適応」は、収束解を求めるためのフィードバック回路に対する適応を意味することとする。第１の受信機伝達関数推定部１３の詳細な構成例は後ほど示す。なお、上記の説明ではＡＳＥ信号を使用したが、ＡＳＥ信号には限定されず、スペクトラムが既知な信号であればどのような試験信号でも使用可能である。

送信機伝達関数推定部８は、送信部１から受信部３に第１の既知信号を伝送した時に受信部３が取得した第１のデジタルデータ（第１のデータ）と、受信部３の光受信機９の仮の伝達関数又は逆伝達関数とから、光送信機７の伝達関数又は逆伝達関数を推定する。推定方法としては、例えば適応フィルタを用いて光送信機７の伝達関数を推定する。適応フィルタは、例えばＬＭＳアルゴリズムに基づくフィルタ又はＲＭＳアルゴリズムに基づくフィルタである。

第２の受信機伝達関数推定部１４は、送信部１から受信部３に第２の既知信号を伝送した時に受信部３が取得した第２のデジタルデータ（第２のデータ）と、推定した光送信機７の伝達関数又は逆伝達関数とから、光受信機９の真の伝達関数又は逆伝達関数を推定する。推定方法としては、例えば適応フィルタを用いて光受信機９の逆伝達関数を推定する。適応フィルタは、例えばＬＭＳアルゴリズムに基づくフィルタ又はＲＬＳアルゴリズムに基づくフィルタである。この場合もレーンごとに推定可能である。

続いて、本実施形態に係る光伝送特性推定システムが光送受信機の光伝送特性を推定する方法について図面を用いて説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムによる光送受信機の伝達関数又は逆伝達関数の推定処理を示すフローチャートである。

まず、第１の受信機伝達関数推定部１３にて、光受信機９の仮の伝達関数又は逆伝達関数を推定する（ステップＳ１）。
次に、送信機伝達関数推定部８にて、光送信機７の伝達関数又は逆伝達関数を推定する（ステップＳ２）。
次に、第２の受信機伝達関数推定部１４にて、光受信機９の真の伝達関数又は逆伝達関数を推定する（ステップＳ３）。

次に、それぞれのステップの詳細な動作について説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムによる光受信機の仮の伝達関数の推定処理を示すフローチャートである。

まず、光受信機９の入力にＡＳＥ信号を挿入する（ステップＳ１０１）。
ＡＳＥ信号のスペクトラムは均一であることが既知であるため、それを通すことで周波数特性を取得することができる。次に、ＡＳＥ信号を入力した状態で、データバッファ１０が受信データを取得する（ステップＳ１０２）。
次に、第１の受信機伝達関数推定部１３がデータバッファ１０からデジタルデータを取得してＦＦＴ処理し、仮の伝達関数を取得する（ステップＳ１０３）。
次に、取得した仮の伝達関数から仮の逆伝達関数を計算する（ステップＳ１０４）。
次に、計算した仮の逆伝達関数を受信機補償部１１に設定する（ステップＳ１０５）。

図４は、本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムの第１の受信機伝達関数推定部の構成を示す図である。第１の受信機伝達関数推定部１３は、Ｘ偏波の受信信号とＹ偏波の受信信号をそれぞれＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理するＦＦＴと、それらの出力をそれぞれ１／伝達関数処理して逆伝達関数を計算する回路とを備える。なお、Ｘ偏波の受信信号をＸＩ＋ｊＸＱ、Ｙ偏波の受信信号をＹＩ＋ｊＹＱとしているが、ＸＩとＸＱの間、及びＹＩとＹＱの間に遅延差がない場合を想定している。遅延差がある場合は、ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、ＹＱを個別にフーリエ変換及び１／伝達関数処理することが可能である。なお、フーリエ変換できればＦＦＴ処理に限定する必要はなく、その他の方法でもよい。以降の「ＦＦＴ」の表記はフーリエ変換の機能を意味する。

データバッファ１０にて取得したデジタルデータは、時間領域のデータのため、Ｘ偏波及びＹ偏波のレーンで、それぞれＦＦＴ処理によって周波数領域のデータに変換される。

Ｘ_Ｒ（ｎ）はデータバッファ１０にて取得したデジタルデータ、Ｘ_Ｒ（ｋ）はＦＦＴ処理したデータである。ＦＦＴはＤＦＴ（Discrete Furrier Transfer；離散フーリエ変換）の高速処理を意味する。なお、連続信号に対する一般的なＦＦＴ処理では、有限のデータ数Ｎごとに行うが、隣接する処理との間でデータをオーバーラップして処理することは言うまでもない（オーバーラップＡｄｄ、オーバーラップＳａｖｅなどの方法がある）。以降のＦＦＴ処理においても同様である。Ｘ_Ｒ（ｋ）の絶対値は振幅情報を示し、これを仮の伝達関数として得る。その逆数を計算することで仮の逆伝達関数を得ることができる。この逆伝達関数は受信機補償部１１に設定することができる。また、逆伝達関数は光送信機７の伝達関数を推定する際にも使用される。この場合は、必ずしも仮の伝達関数の逆伝達関数を受信機補償部１１に設定する必要はない。

図５は、本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムの受信機補償部の構成を示す図である。受信機補償部１１はＩＱベクトル処理（時間領域処理）を行う。即ち、Ｘ偏波及びＹ偏波を、それぞれＸＩ＋ｊＸＱ、及びＹＩ＋ｊＹＱと複素ベクトル信号表示して、ＦＩＲフィルタによって伝送特性を補償する。ステップＳ１０４で計算された逆伝達関数は、図示していないＩＦＦＴ処理によって時間応答信号に変換され、ＦＩＲフィルタのタップ係数として設定される。

なお、受信機補償部１１は、上述した構成に限定されず、伝達関数を補償できればどのような構成でもよい。受信機補償部１１による周波数領域での補償は以下の式で示される。ただし、それぞれＩＦＦＴによって時間領域でＦＩＲフィルタを用いて補償できることは言うまでもない。

ここで、Ｘ_ｏｕｔ及びＹ_ｏｕｔは、それぞれＸ_ｉｎ＝ＸＩ＋ｊＸＱ、Ｙ_ｉｎ＝ＹＩ＋ｊＹＱの補償後のデータである。ＸＩ_ｏｕｔ、ＸＱ_ｏｕｔ、ＹＩ_ｏｕｔ、及びＹＱ_ｏｕｔは、それぞれＸＩ_ｉｎ、ＸＱ_ｉｎ、ＹＩ_ｉｎ、及びＹＱ_ｉｎの補償後のデータである。Ｈ１〜Ｈ１６はその場合の逆伝達関数を示す。

また、図示しないが、ＩＱベクトル処理とＩＱ個別処理を組み合わせることも可能である。例えば、以下に示すように、一度ＩＱベクトルとして複素フィルタでフィルタリング処理をした後、実数部と虚数部に分け、それぞれについて実数フィルタでフィルタリングを行う。

・Ｘ＊複素フィルタ⇒ＸＩ＊実数フィルタ、ＸＱ＊実数フィルタ（タップ係数は個別設定可能）
・Ｙ＊複素フィルタ⇒ＹＩ＊実数フィルタ、ＹＱ＊実数フィルタ（タップ係数は個別設定可能）

ここで、Ｘ、Ｙはそれぞれ複素ベクトル表示、ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、ＹＱはそれぞれ実数表示、「＊」は処理、「⇒」は処理の流れを示す。

なお、Ｘ又はＹなどの複素信号の複素フィルタリングは、周波数領域で一括で処理（ＦＦＴ⇒伝達関数乗算⇒ＩＦＦＴ）する方が、個別に処理するよりも回路規模は小さくできる。また、実数フィルタリングは、時間領域での処理（ＦＩＲフィルタ（畳み込み演算））で処理する方が回路規模上効率がよい。以上により、周波数特性及び遅延差を補償することが可能となる。

図６は、本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムの送信機伝達関数推定部の構成を示す図である。送信機伝達関数推定部８は、既知信号同期部８ａ、種々の伝送特性補償部８ｂ、受信機補償部８ｃ、及びＦＩＲフィルタ８ｄ及び二乗誤差最小化部８ｅを有する適応フィルタを備える。種々の伝送特性補償部８ｂは、波長分散補償、周波数オフセット補償、偏波分散・偏波回転補償、クロック位相補償、位相雑音補償などの伝送時の歪みを補償する種々の補償回路を含む。なお、既知信号同期部８ａは、デジタルデータから既知信号を抽出する機能を有し、抽出した既知信号の状態から後段の種々の伝送特性補償に設定する補償データを各種推定ブロックにて推定する。即ち、光送信機７の伝達関数又は逆伝達関数の推定は伝送路２の伝送特性を推定する処理を含む。なお、受信機補償部８ｃは種々の伝送特性補償部８ｂの前段に配置することも可能である。

波長分散補償部は既知信号同期部８ａの前段に配置することも可能である。種々の伝送特性補償部の各補償部の順番は入れ替え可能である。また、偏波分散・偏波回転補償の（１ＴＡＰ ２×２ＭＩＭＯ（Multi Input Multi Output））の意味は、フィルタのタップ数を１にして、光送受信機の帯域特性をこのブロックで補償せず、偏波回転のみ行うことを示している（一般的な複数タップの２×２ＭＩＭＯフィルタでは帯域についても補償する。）。

また、送信機伝達関数推定部８は、図４の第１の受信機伝達関数推定部１３と同様に、Ｘ偏波及びＹ偏波のそれぞれについて複素ベクトル信号として処理しているが、ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、及びＹＱのそれぞれのレーンについて独立的に処理することも可能である。この場合、レーン間の遅延差についても抽出及び補償することが可能となる。Ｘ偏波について複素ベクトル信号として処理することは、ＸＩとＸＱとの間に遅延差（Skew；スキュー）がゼロとみなしている。遅延差が無視できない場合はレーンごとに伝達関数の抽出及び補償を行う必要がある。Ｙ偏波についても同様である。

図７は、本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムによる光送信機の伝達関数又は逆伝達関数の推定処理を示すフローチャートである。

まず、送信信号処理部４の入力に既知信号を入力し、光送信機７から光変調信号を送信する（ステップＳ２０１）。
この時、送信機補償部６はバイパスする。なお、送信機補償部６は、図５に示した受信機補償部１１と同じ構成を取ることができる。
次に、受信側においてデータバッファ１０で受信データが取得される（ステップＳ２０２）。
次に、送信機伝達関数推定部８は、データバッファ１０からデジタルデータを取得する（ステップＳ２０３）。既知信号同期部８ａは、取得したデジタルデータから既知信号を抽出する。抽出した既知信号に対して、種々の伝送特性の補償及び光受信機補償が行われる。光受信機補償は、ステップＳ１で推定された光受信機９の仮の逆伝達関数を用いて行われる。図６ではデータバッファ１０の後段で受信機補償部１１において仮の逆伝達関数で補償する構成が示されているが、この補償は上述の送信機伝達関数推定部８の処理には特に必要ない。

種々の伝送特性の補償及び光受信機補償が処理された既知信号には、光送信機７の伝達関数の影響が残されている。従って、その信号に、その逆特性を設定したＦＩＲフィルタ８ｄを適応フィルタとして適用し、その出力と既知信号との差分の二乗が最小になるように再び逆特性を修正する。この処理によって、適応フィルタを構成するＦＩＲフィルタ８ｄのタップ係数を、逆伝達関数の時間応答として求めることができる。この逆伝達関数を求める手法は、一般的に下記に示すウィナー解又はＬＭＳアルゴリズムとして知られている。

ここで、ｓ（ｎ）は既知信号、ｙ（ｎ）は適応フィルタの出力、ｅ（ｎ）はｓ（ｎ）とｙ（ｎ）の差、ｈ（ｎ）は適応フィルタの時間応答である。

上記の例では、適応等化の回路によって光送信機７の逆伝達関数を直接求めることができるため、ステップＳ２０３とステップＳ２０４は一体として処理できる。一方、一度光送信機７の伝達関数が求められる場合は逆伝達関数を計算する（ステップＳ２０４）。

次に、推定された光送信機７の逆伝達関数を送信機補償部６に設定する（ステップＳ２０５)。設定方法は、ステップＳ１０５で示した方法と同じである。この時、前述したように、ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、及びＹＱのそれぞれのレーンについて独立的に処理することも可能である。この場合、レーン間の遅延差についても抽出及び補償することが可能となる。

図８は、本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムの第２の受信機伝達関数推定部の構成を示す図である。第２の受信機伝達関数推定部１４は、既知信号同期部１４ａ、波長分散補償、周波数オフセット補償、偏波分散・偏波回転付加、クロック位相付加、位相雑音付加などの伝送時の歪みを模擬する回路１４ｂ、適応等化用のＦＩＲフィルタ１４ｃ、二乗誤差最小化回路１４ｄを有する。既知信号同期部１４ａは、デジタルデータから既知信号を抽出する機能を有し、抽出した既知信号の状態から後段の歪みを模擬する回路に設定する付加データを各種推定ブロックにて推定する。即ち、光受信機９の伝達関数又は逆伝達関数の推定は伝送路２の伝送特性を推定する処理を含む。なお、波長分散補償、周波数オフセット補償、偏波分散・偏波回転付加、クロック位相付加、位相雑音付加などの伝送時の歪みを模擬する回路１４ｂの順番は入れ替え可能である。

第２の受信機伝達関数推定部１４では、図４の第１の受信機伝達関数推定部１３の場合と同様に、Ｘ偏波及びＹ偏波のそれぞれについて複素ベクトル信号として処理しているが、ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、及びＹＱのそれぞれのレーンについて独立的に処理することも可能である。この場合、レーン間の遅延差についても抽出及び補償することが可能となる。Ｘ偏波について複素ベクトル信号として処理することは、ＸＩとＸＱとの間に遅延差がゼロとみなしている。遅延差が無視できない場合は、レーンごとに伝達関数の抽出及び補償を行う必要がある。Ｙ偏波についても同様である。

図９は、本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムによる光受信機の真の伝達関数又は逆伝達関数の推定処理を示すフローチャートである。

まず、送信信号処理部４の入力に既知信号を入力し、送信部１の光送信機７から受信部３に光変調信号を伝送する（ステップＳ３０１）。この時、図２のステップＳ２にて推定した光送信機７の逆伝達関数を送信機補償部６に設定して、光送信機７の伝送特性を補償する。なお、送信機補償部６は、図５に示した受信機補償部１１と同じ構成を取ることができる。

次に、受信側においてデータバッファ１０で受信データが取得される（ステップＳ３０２）。
第２の受信機伝達関数推定部１４は、データバッファ１０からデジタルデータを取得する（ステップＳ３０３）。既知信号同期部１４ａは、取得したデジタルデータから既知信号を抽出する。抽出した既知信号は、適応フィルタとしてのＦＩＲフィルタ１４ｃに供給される。一方、既知信号に対して、伝送路歪みとして推定される波長分散、周波数オフセット、偏波分散・偏波回転、クロック位相、位相雑音が付加され、適応フィルタの出力と比較される。波長分散、周波数オフセット、偏波分散・偏波回転、クロック位相、位相雑音の付加量は、既知信号の状態から種々の推定ブロックにて推定される。

ここで、適応フィルタの出力において、光送信機７の伝達関数は送信機補償部６で補償されているとみなされる。光受信機９の伝達関数が適応フィルタによって補償されれば、適応フィルタの出力は伝送路歪みの影響のみ受ける。この信号が、伝送路歪みが付加された既知信号と比較され、その差分（二乗誤差）が最小化されることで、適応フィルタであるＦＩＲフィルタ１４ｃのタップ係数を光受信機９の逆伝達関数の時間応答として求めることができる。この逆伝達関数を求める手法は、一般的に下記に示すウィナー解又はＬＭＳアルゴリズムとして知られている。

ここで、ｄ（ｎ）は既知信号、ｙ（ｎ）は適応フィルタの出力、ｅ（ｎ）はｄ（ｎ）とｙ（ｎ）の差、ｈ（ｎ）は適応フィルタの時間応答である。

上記の例では、適応等化の回路によって、光送信機７の真の逆伝達関数を直接求めることができたため、ステップＳ３０３とステップＳ３０４は一体として処理できる。一方、光受信機９の真の伝達関数が求められる場合は、その伝達関数から真の逆伝達関数を計算する（ステップＳ３０４）。

次に、推定された光受信機９の真の逆伝達関数を受信機補償部１１に設定する（ステップＳ３０５）。設定方法は、ステップＳ１０５で示した方法と同じである。この時、前述したように、ＸＩ、ＸＱ、ＹＩ、及びＹＱのそれぞれのレーンについて独立的に処理することも可能である。この場合、レーン間の遅延差についても抽出及び補償することが可能となる。

以上説明した構成により、光送信機７の伝達関数又は逆伝達関数と光受信機９の伝達関数又は逆伝達関数がそれぞれ推定可能となる。即ち、光送信機７及び光送信機９の伝送特性を推定することができる。それらの伝達関数又は逆伝達関数を送信機補償部６及び受信機補償部１１に設定することによって、光送信機７における伝達関数と光受信機９における伝達関数を個別に補償することができる。

上述した光伝送特性補償システムの構成によって伝送特性を向上させるためには、従来は上述したように、光送受信機を構成する光回路又はアナログ電気回路などの伝達関数の逆伝達関数に相当するＦＩＲフィルタのパラメータ（タップ数）を多くする必要があった。

本実施形態に係る光伝送特性補償システムは、通常は補償用パラメータ（タップ係数）の最大値がタップ係数列の中央にくるのに対して、意図的に最大値の位置をずらすようなパラメータ系列を持つ。タップ中心をずらすことにより、電気配線等などの反射の影響による信号歪みを補償することが可能となり、少ない回路規模にもかかわらずより高い精度の補償が可能になる。

図１０は、本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムの送信機補償部及び受信機補償部を構成するＦＩＲフィルタの構成を示す図である。図示するように、本実施形態においては、歪みを補償するＦＩＲフィルタのタップ中心をずらすように構成される。なお、ここでいうタップ中心とは、ＦＩＲフィルタのタップ係数の最大値である。

具体的には、送信機補償部６側においてはタップ中心を左寄りに、受信機補償部１１側においてはタップ中心を右寄りにずらすように構成される。図１０において、Ｘ（ｔ）は補償前の信号、ｈ（ｔ−τ）はタップ係数、τはタップ中心からずらす時間量、Ｚ^−１は遅延量τに対応するブロック、Ｙ（ｔ）は補償後の信号である。

以下、送信機補償部６側の歪み補償ＦＩＲフィルタを例として、さらに詳しく説明する。送信側の場合、タップ中心の右側のタップ（右側タップ）がデバイス間の反射などによる歪みを補償しているため、高精度な補償をするためにタップを長くする必要がある。なお、図１０に示したように、右側タップはｈ_ｎにおけるｎの値がより大きいタップ（信号に対してより後から畳み込まれるタップ）であり、一方、その反対である左側タップはｈ_ｎにおけるｎの値がより小さいタップ（信号に対してより先に畳み込まれるタップ）である。同じタップ長のＦＩＲフィルタを使う場合、送受信側それぞれタップ中心を最適な位置にずらすことによって、補償効果を最大化することができる。

図１１は、通常のＦＩＲフィルタのタップ係数を示す図である。図１１に示すグラフの縦軸はタップ係数を表し、横軸はタップ位置を表す。図示するように、通常のＦＩＲフィルタにおいては、タップ係数のピーク値（タップ中心）はタップ係数列の中央（以下、「タップ中央」とも言う）にある。

図１２は、本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムの送信機補償部を構成するＦＩＲフィルタのタップ係数を示す図である。図１２に示すグラフの縦軸はタップ係数を表し、横軸はタップ位置を表す。図示するように、本実施形態に係る光伝送特性補償システムの送信機補償部６を構成するＦＩＲフィルタでは、タップ係数のピーク値（タップ中心）をタップ中央から左側にずらすように構成される。なお、本実施形態に係る光伝送特性補償システムの受信機補償部１１を構成するＦＩＲフィルタでは、タップ係数のピーク値（タップ中心）をタップ中央から右側にずらすように構成される。

なお、タップ中心をタップ中央からずらす量（ずらし量）を決定する方法としては、例えば、ずらし量をスイープしながら最も伝送特性が良くなる位置となるずらし量に決定する方法が考えられる。または、配線長からの理論計算により反射による補償を行う範囲を決定して、その範囲に基づいてずらし量を決定する方法などが考えられる。

なお、タップ中心をずらす具体的な方法としては、例えば、上述した式３において、参照信号系列ｓ（ｎ）をあらかじめｓ（ｎ−τ）などと時間遅延を与えた状態でフィルタを算出する方法などが考えられる。なお、τはタップ中心からずらす時間量である。

図１３は、本発明の一実施形態に係る光伝送特性補償システムによる受信Ｑ値改善量を示す図である。図１３に示すグラフにおいて、縦軸は受信Ｑ値改善量（単位：ｄＢ（デシベル））を表し、横軸はタップ中心の位置を表す。図１３に示すグラフは、通常の（タップ中心をずらさない）ＦＩＲフィルタに対して、本実施形態に係る（タップ中心をずらした）ＦＩＲフィルタを用いた場合に改善される受信Ｑ値の改善量を表した実験結果を示したものである。

上記の実験においては、６５タップＦＩＲフィルタが用られたため、タップ中央の位置は横軸においておよそ３３の位置である。この位置は通常の（タップ中心をずらさない）ＦＩＲフィルタのタップ中央の位置に相当するため、図１３に図示するように、受信Ｑ値改善量は０ｄＢとなる（図１３のｒ１）。

図１３に図示するように、タップ中心の位置がタップ中央からずらされ、５０の位置を超えて６０の位置へ近づけられた場合に、０．８ｄＢを超える受信Ｑ値改善量となった。このように、通常の（タップ中心をずらさない）ＦＩＲフィルタに対して、本実施形態に係る（タップ中心をずらした）ＦＩＲフィルタを用いた場合に、受信Ｑ値が改善されるという実験結果が得られた。

以上説明したように、本実施形態に係る光伝送特性補償システムは、通常は補償用パラメータ（タップ係数）の最大値がタップ係数列の中央にくるのに対して、意図的に最大値の位置をずらすようなパラメータ系列を持つ。タップ中心をずらすことにより、電気配線等などの反射の影響による信号歪みを補償することが可能となり、少ない回路規模にもかかわらずより高い精度の補償が可能になる。

これにより、本実施形態に係る光伝送特性補償システム及び光伝送特性補償方法は、回路規模の増大を抑えつつ精度の高い送受信機歪み補償を行うことができる。また、これにより、本実施形態に係る光伝送特性補償システム及び光伝送特性補償方法は、用いるＦＩＲフィルタのタップ数を削減し、ＦＩＲフィルタの構成を簡易化することができるため、ＤＳＰの回路規模を削減し、低消費電力で高精度な光送受信機の歪み補償を実現することができる。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

上述した実施形態における光伝送特性補償システムの一部の機能をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。
なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。
さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。

１ 送信部、２ 伝送路、３ 受信部、６ 送信機補償部、７ 光送信機、８ 送信機伝達関数推定部、９ 光受信機、１１ 受信機補償部、１３ 第１の受信機伝達関数推定部、１４ 第２の受信機伝達関数推定部

Claims (4)

1. 光送受信機の送信部から受信部に第１の既知信号を伝送した時に前記受信部が取得した第１のデータと、前記受信部の光受信機の仮の伝達関数又は仮の逆伝達関数とから、前記送信部の光送信機の伝達関数又は逆伝達関数を推定する送信機伝達関数推定部と、
   前記送信部から前記受信部に第２の既知信号を伝送した時に前記受信部が取得した第２のデータと、推定した前記光送信機の伝達関数又は逆伝達関数とから、前記光受信機の伝達関数又は逆伝達関数を推定する受信機伝達関数推定部と、
   推定した前記光送信機の伝達関数又は逆伝達関数を用いて前記光送信機の伝送特性を補償する送信機補償部と、
   推定した前記光受信機の伝達関数又は逆伝達関数を用いて前記光受信機の伝送特性を補償する受信機補償部と、
   を備え、
   前記送信機補償部及び前記受信機補償部のうち少なくとも一方は、デジタルフィルタのタップ係数が最大値となる位置がタップ係数列の中央の位置からずれた位置となる前記タップ係数列を用いて補償する
   光伝送特性補償システム。
2. 前記送信機補償部は、前記タップ係数が最大値となる位置が、前記タップ係数列の中央の位置から、信号に対してより先に畳み込まれるタップ側にずれた位置となるタップ係数列を用いて補償し、
   前記受信機補償部は、前記タップ係数が最大値となる位置が、前記タップ係数列の中央の位置から、信号に対してより後に畳み込まれるタップ側にずれた位置となるタップ係数列を用いて補償する
   請求項１に記載の光伝送特性補償システム。
3. 前記タップ係数列の中央の位置と前記タップ係数列の中央の位置からずれた位置との間のずれ量は、配線長に基づいて計算されたずれ量である
   請求項１または請求項２に記載の光伝送特性補償システム。
4. 光送受信機の送信部から受信部に第１の既知信号を伝送した時に前記受信部が取得した第１のデータと、前記受信部の光受信機の仮の伝達関数又は仮の逆伝達関数とから、前記送信部の光送信機の伝達関数又は逆伝達関数を推定する第１のステップと、
   前記送信部から前記受信部に第２の既知信号を伝送した時に前記受信部が取得した第２のデータと、推定した前記光送信機の伝達関数又は逆伝達関数とから、前記光受信機の伝達関数又は逆伝達関数を推定する第２のステップと、
   推定した前記光送信機の伝達関数又は逆伝達関数と前記光受信機の伝達関数又は逆伝達関数とを用いて前記光送信機及び前記光受信機の伝送特性を補償するとき、デジタルフィルタのタップ係数が最大値となる位置がタップ係数列の中央の位置からずれた位置となる前記タップ係数列を用いて補償する第３のステップと、
   を有する光伝送特性補償方法。

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