JP2021190787A - 適応等化器、適応等化方法及び光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】高い等化性能を得つつ、低消費電力化を図ることができる適応等化器、適応等化方法及び光通信システムを得る。【解決手段】タップ係数制御回路１２は、第２タップ係数更新器１１で更新したタップ係数を第１タップ係数更新器１４により更新される第１デジタルフィルタ１３のタップ係数の初期値として設定し、第２タップ係数更新器１１で更新したタップ係数について第１タップ係数更新器１４の計算に寄与する度合が大きい順に並べ、上位の指定数以上のタップ係数を有効、指定数未満のタップ係数を無効と判定し、無効と判定したタップ係数に対応する第１デジタルフィルタ１３のタップ係数を次の判定結果が出るまでゼロに設定して第１タップ係数更新器１４の計算に使用されないようにする。【選択図】図３

Description

本開示は、データ通信において伝送路の特性を補償する適応等化器、適応等化方法及び光通信システムに関する。

コヒーレント光通信では、受信側において伝送信号の歪をデジタル信号処理により補償することで、数十Ｇｂｉｔ／ｓ以上の大容量伝送を実現している。デジタル信号処理では、主に、波長分散補償、周波数制御・位相調整、偏波多重分離及び偏波分散補償等の処理を行っている。

偏波多重分離及び偏波分散補償の処理は、主に適応等化によって行われる。デジタル信号処理における適応等化器には、一般的にデジタルフィルタが使用される。伝送信号の歪が相殺されるように計算されたタップ係数をそのデジタルフィルタに設定することで、伝送信号を補償できる。デジタルフィルタのタップ係数は、フィルタ特性のインパルス応答に相当する。タップ係数は時間的に変化する状況に適応して逐次更新され、適応等化器は偏波状態ＳＯＰ（State of Polarization）の変動に追従した補償を行う。

適応等化器を構成するデジタルフィルタのタップ係数更新には、一般的には定包絡線基準アルゴリズム（CMA: Constant Modulus Algorithm）のような逐次更新アルゴリズムが用いられる。タップ係数は、このアルゴリズムに従って制御され所定値に収束する。このため、適応等化器では、タップ数が多いほど演算量が増加する。さらに、演算量の増加に伴って消費電力が増加する。タップ数を減少させれば演算量が減少するため、適応等化器の消費電力を低減できる。

従来は、性能劣化を引き起こさない動的制御の方法が確立されていなかったため、タップ中心からのタップ数を制限して低消費電力化を図っていた。即ち、両端のタップ係数から削減していた。しかし、両端のタップ係数はＤＧＤ（Differential Group Delay）負荷が大きい時に必要となる。ＤＧＤ負荷とは、水平偏波信号と垂直偏波信号の遅延差を示す。従って、タップ中心からのタップ数を制限することで補償精度が劣化していた。

適応等化器の等化性能に応じて最適なタップ数を決定する方法がこれまでに提案されている。例えば、偏波多重光の各偏波間の群遅延時間差を検出し、その群遅延時間差に応じて適応等化器のタップ数を決定する方法（例えば、特許文献１参照）、受信したパイロット信号と元のパイロット信号との誤差に基づいてタップ数を制御する方法（例えば、特許文献２参照）等が提案されている。

特開２０１８−１８２６２０号公報 特開２０１０−１１８８１７号公報

しかし、所望の等化性能に応じてタップ数を決定する方法では、高い等化性能を得つつ、タップ数を減少させて低消費電力化を図ることは難しいという問題があった。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は高い等化性能を得つつ、低消費電力化を図ることができる適応等化器、適応等化方法及び光通信システムを得るものである。

本開示に係る適応等化器は、入力信号の歪を補償する第１デジタルフィルタと、前記第１デジタルフィルタのタップ係数を前記入力信号の波形状態に応じて適応的に更新する第１タップ係数更新器とを有する適応フィルタと、前記入力信号の歪を補償する第２デジタルフィルタと、前記第２デジタルフィルタのタップ係数を前記入力信号の波形状態に応じて適応的に更新する第２タップ係数更新器と、前記第２タップ係数更新器で更新したタップ係数を前記第１タップ係数更新器により更新される前記第１デジタルフィルタのタップ係数の初期値として設定し、前記第２タップ係数更新器で更新したタップ係数について前記第１タップ係数更新器の計算に寄与する度合が大きい順に並べ、上位の指定数以上のタップ係数を有効、前記指定数未満のタップ係数を無効と判定し、無効と判定したタップ係数に対応する前記第１デジタルフィルタのタップ係数を次の判定結果が出るまでゼロに設定して前記第１タップ係数更新器の計算に使用されないようにするタップ係数制御回路とを備えることを特徴とする。

本開示により、高い等化性能を得つつ、低消費電力化を図ることができる。

実施の形態に係る光通信システムの送信側の構成を示すブロック図である。 実施の形態に係る光通信システムの受信側の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る適応等化器を示す構成図である。 第１デジタルフィルタを示す構成図である。 各ＦＩＲフィルタの詳細を示す図である。 実施の形態１に係る適応等化器の実施例を示す図である。 タップ係数制御回路のタップ係数有効／無効判定アルゴリズムのフローチャートである。 実施の形態１に係る適応等化器の動作タイミングを示す図である。 実施の形態２に係る適応等化器を示す構成図である。 実施の形態２の適応等化器の実施例を示す図である。

実施の形態に係る適応等化器、適応等化方法及び光通信システムについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態に係る光通信システムの送信側の構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る光通信システムは、送信側に、送信信号処理器１と光送信機２を備えている。

送信信号処理器１は、入力データに対して所定の処理を施す回路である。具体的には、送信信号処理器１は、入力データを水平偏波用データと垂直偏波用データに分け、それぞれのデータに対して誤り訂正用符号化、帯域制限フィルタリング、及び変調用マッピング等の処理を行う。このような処理を施された水平偏波用信号及び垂直偏波用信号が、光送信機２に出力される。

光送信機２は、水平偏波用信号及び垂直偏波用信号を光信号に変換し、変換された光信号を送信する回路である。この光送信機２は、信号光源２ａ（信号ＬＤ）、２つの９０゜合成器２ｂ，２ｃ、及び偏波合成器２ｄを含んでいる。９０゜合成器２ｂ，２ｃは、信号光源２ａの出力光をそれぞれ水平偏波用信号及び垂直偏波用信号で変調することによって、これらの信号を光信号に変換する。偏波合成器２ｄは、光信号に変換された水平偏波用信号と垂直偏波用信号を合成する。合成された光信号は、光ファイバ伝送路３を通して受信側に伝送される。

図２は、実施の形態に係る光通信システムの受信側の構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る光通信システムは、受信側に、光受信機４、ＡＤ変換器５、波長分散補償器６、適応等化器７、及び復号器８を備えている。

光受信機４は、光信号を受信し、受信した光信号を電気信号に変換して出力する回路である。この光受信機４は、偏波分離器４ａ、局部発振光源４ｂ（局発ＬＤ）、２つの９０゜ハイブリッド回路４ｃ，４ｄ、及び光電変換器４ｅを含んでいる。偏波分離器４ａは、光信号を２つの直交偏波成分、即ちＸ偏波（水平偏波）とＹ偏波（垂直偏波）に分離する。９０゜ハイブリッド回路４ｃ，４ｄは、偏波分離器４ａから出力された光信号の各偏波に局部発振光源４ｂの出力光を合成させ、光信号の各偏波を更に同相（Ｉ）成分と直交（Ｑ）成分に分離する。光電変換器４ｅは、９０゜ハイブリッド回路４ｃ，４ｄから出力された光信号の各成分を電気信号に変換し、この電気信号をＸ偏波信号及びＹ偏波信号として出力する。以下、Ｘ偏波信号及びＹ偏波信号を受信信号と呼ぶ。なお、Ｘ偏波信号及びＹ偏波信号を得る上記の構成は、一例であり上記の構成に限定されない。

ＡＤ変換器５は、光受信機４から出力された受信信号をデジタル信号に変換する。光信号が光ファイバ伝送路３を伝搬する際に、波長分散によって信号波形が歪む。波長分散補償器６は、その歪の大きさをＡＤ変換器５から出力された受信信号から推定し、波長分散による受信信号の歪みを補償する。

また、送信側においてＸ偏波信号とＹ偏波信号を合成して送信し、受信側においてＸ偏波信号とＹ偏波信号を分離する際に、偏波モード分散によって偏波変動が生じ、信号波形が歪む。適応等化器７は、波長分散補償器６から出力された受信信号の偏波変動による歪みを補償する等化処理を行う。なお、偏波分離は最初に光受信機４で行われるが、適応等化器７でより完全に偏波分離が処理される。復号器８は、適応等化器７から出力された受信信号を復号し、元のデータ（即ち、送信信号処理器１の入力データ）を再生する。

図３は、実施の形態１に係る適応等化器を示す構成図である。適応等化器７は、適応フィルタ９、第２デジタルフィルタ１０、第２タップ係数更新器１１、及びタップ係数制御回路１２を備えている。適応フィルタ９は、第１デジタルフィルタ１３と第１タップ係数更新器１４を有する。

第１デジタルフィルタ１３は入力信号を補償する。補償した結果は、第１タップ係数更新器１４に供給される。入力信号の偏波状態は時間的に変化する。そこで、第１タップ係数更新器１４は、第１デジタルフィルタ１３のタップ係数をＣＭＡにより入力信号の偏波状態に応じて適応的に更新する。更新されたタップ係数は、第１デジタルフィルタ１３に設定される。ＣＭＡでは、第１デジタルフィルタ１３の出力が本来あるべき値になるように、タップ係数が逐次更新され所定値に収束する。

第１デジタルフィルタ１３の出力は、補償された受信信号として、図２に示す復号器８に供給される。入力信号は水平偏波信号と垂直偏波信号の両方でもよいし、どちらか一方でもよい。以下の説明では、コヒーレント光通信の一般的構成として水平偏波信号及び垂直偏波信号で伝送する場合について説明するが、本実施の形態は片方の信号だけの場合についても適用可能である。

なお、適応フィルタ９のタップ係数は一般的には行列方程式を立ててウィナー解として一度に求めることができる。しかし、これは大変複雑な計算を要するので、簡易に求める手法として逐次更新アルゴリズムが一般的に用いられる。適応フィルタ９のタップ係数を求めるアルゴリズムは、ＣＭＡに限定されず、各種の逐次更新アルゴリズム、例えば、その他のブラインド等化方式（ＲＤＥ（Radius directed equalization）等）でもよい。更に、ＲＬＳ（Recursive Least-Squares）又はＬＭＳ（Least Mean Square）等のように、送信側でトレーニング信号又はパイロット信号等の既知信号を光信号に挿入し、伝送されてきた既知信号とこの既知信号の真値（送信側で設定された値）との誤差を最小化するようにタップ係数をステップサイズ毎に更新して求める逐次更新アルゴリズムを用いることもできる。なお、ＣＭＡにおいても、デジタルフィルタの出力と本来あるべき値（「あるべき値」は、定包絡線の場合、振幅の所望値として容易に推定できる）との誤差を最小化するようにタップ係数を更新する。

第２デジタルフィルタ１０が第１デジタルフィルタ１３と並列に接続されている。第２デジタルフィルタ１０も第１デジタルフィルタ１３と同様に入力信号を補償する。また、第２タップ係数更新器１１も第１タップ係数更新器１４と同様に動作し、第２デジタルフィルタ１０のタップ係数をＣＭＡにより入力信号の偏波状態に応じて適応的に更新する。更新されたタップ係数は更新ごとに第２デジタルフィルタ１０に設定される。この更新を繰り返してタップ係数は所定値に収束する。しかし、第２デジタルフィルタ１０の出力は、第１デジタルフィルタ１３の出力と異なり、補償された受信信号として復号器８に供給されることはない。第２デジタルフィルタ１０の出力は、第１デジタルフィルタ１３のタップ係数を算出するためだけに使用される。

タップ係数制御回路１２は、第２タップ係数更新器１１で収束したタップ係数を、第１タップ係数更新器１４により更新される第１デジタルフィルタ１３のタップ係数の初期値として設定する。その際、収束したタップ係数について、タップごとに有効（valid）か又は無効（invalid）かを判定し、無効と判定したタップ係数に対応する第１デジタルフィルタのタップ係数を強制的にゼロに設定する。さらに、次の判定結果が出るまで第１タップ係数更新器１４の更新動作の間、そのタップ係数をゼロに設定し続ける。タップ係数がゼロに設定されたタップに関しては、第１デジタルフィルタ１３で乗算処理を行わないようにする。

図４は、第１デジタルフィルタを示す構成図である。第１デジタルフィルタ１３は、バタフライ型に構成されたＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタＦＩＲ＿Ａ，ＦＩＲ＿Ｂ，ＦＩＲ＿Ｃ，ＦＩＲ＿Ｄを有する。各ＦＩＲフィルタはＮ個のタップを備える。ただし、ＦＩＲフィルタのタップ数が互いに異なっていてもよい。なお、第２デジタルフィルタ１０も第１デジタルフィルタ１３と同様に構成することができる。

図５は、各ＦＩＲフィルタの詳細を示す図である。ＦＩＲ＿Ａは、水平偏波信号に対するフィルタであり、タップ係数Ｗ_ＨＨ＿１〜Ｗ_ＨＨ＿Ｎを有する。ＦＩＲ＿Ｂは、垂直偏波信号から水平偏波信号への影響に対するフィルタであり、タップ係数Ｗ_ＶＨ＿１〜Ｗ_ＶＨ＿Ｎを有する。ＦＩＲ＿Ｃは、水平偏波信号から垂直偏波信号への影響に対するフィルタであり、タップ係数Ｗ_ＨＶ＿１〜Ｗ_ＨＶ＿Ｎを有する。ＦＩＲ＿Ｄは、垂直偏波信号に対するフィルタであり、タップ係数Ｗ_ＶＶ＿１〜Ｗ_ＶＶ＿Ｎを有する。Ｎはタップ数である。各タップ係数は、順次的に遅延された入力信号と乗算され、それらの合計値がフィルタ結果として出力される。Ｚ＾（−１）は、順次的な遅延を示す。

第１デジタルフィルタ１３は、水平偏波信号に対するＦＩＲ＿Ａのフィルタリング結果と垂直偏波信号に対するＦＩＲ＿Ｂのフィルタリング結果との加算値を水平偏波信号の補償出力とし、水平偏波信号に対するＦＩＲ＿Ｃのフィルタリング結果と垂直偏波信号に対するＦＩＲ＿Ｄのフィルタリング結果との加算値を垂直偏波信号の補償出力とする。なお、第１デジタルフィルタ１３はバタフライ型の構成には限定されず、ＦＩＲ＿Ｂ及びＦＩＲ＿Ｃを有さない構成でもよい。

また、第１デジタルフィルタ１３と第１タップ係数更新器１４は適応フィルタ９を構成する。その際、ＦＩＲ＿Ａ、ＦＩＲ＿Ｂ、ＦＩＲ＿Ｃ及びＦＩＲ＿Ｄのタップ係数は以下の式で示される。
Ｗ_ＨＨ（ｎ＋１）＝Ｗ_ＨＨ（ｎ）＋μｅ_Ｈ（ｎ）Ｈ_ｏｕｔ（ｎ）・Ｈｉｎ^＊（ｎ）
Ｗ_ＶＨ（ｎ＋１）＝Ｗ_ＶＨ（ｎ）＋μｅ_Ｖ（ｎ）Ｈ_ｏｕｔ（ｎ）・Ｖｉｎ^＊（ｎ）
Ｗ_ＨＶ（ｎ＋１）＝Ｗ_ＨＶ（ｎ）＋μｅ_Ｈ（ｎ）Ｖ_ｏｕｔ（ｎ）・Ｈｉｎ^＊（ｎ）
Ｗ_ＶＶ（ｎ＋１）＝Ｗ_ＶＶ（ｎ）＋μｅ_Ｖ（ｎ）Ｖ_ｏｕｔ（ｎ）・Ｖｉｎ^＊（ｎ）
ここで、ｎは、逐次更新アルゴリズムにおける更新順を示す値である。タップ係数Ｗ_ＨＨ（ｎ）は、更新順ｎの場合のタップ係数Ｗ_ＨＨ＿１〜Ｗ_ＨＨ＿Ｎを示す。タップ係数Ｗ_ＶＨ（ｎ）は、更新順ｎの場合のタップ係数Ｗ_ＶＨ＿１〜Ｗ_ＶＨ＿Ｎを示す。タップ係数Ｗ_ＨＶ（ｎ）は、更新順ｎの場合のタップ係数Ｗ_ＨＶ＿１〜Ｗ_ＨＶ＿Ｎを示す。タップ係数Ｗ_ＶＶ（ｎ）は、更新順ｎの場合のタップ係数Ｗ_ＶＶ＿１〜Ｗ_ＶＶ＿Ｎを示す。μは更新アルゴリズムのステップサイズを示す。ｅ_Ｈ（ｎ）は水平偏波におけるフィルタ出力での所望値との誤差を示す。ｅ_Ｖ（ｎ）は垂直偏波におけるフィルタ出力での所望値との誤差を示す。Ｈ_ｏｕｔ（ｎ）は水平偏波におけるフィルタ出力を示す。Ｈｉｎ（ｎ）は水平偏波におけるフィルタ入力を示す。Ｖ_ｏｕｔ（ｎ）は垂直偏波におけるフィルタ出力を示す。Ｖｉｎ（ｎ）は垂直偏波におけるフィルタ入力を示す。＊は共役又は複素共役を示す。なお、図４，５において、第１タップ係数更新器１４へ入力信号の入力の線は省略している。また、信号及びタップ係数は複素数で表される。

なお、上記の式は逐次更新アルゴリズムを表す式の一例であり、逐次更新アルゴリズムを表す式は上記に限定されない。ステップサイズによって値が更新されることが表される式であればよい。このステップサイズは、上記のタップ係数の適応制御において、デジタル信号処理の追従性と雑音耐性を決定する。ステップサイズが大きくなると、デジタル信号処理の追従性が向上して高速な偏波状態変動に対する受信耐力が向上するが、低速な偏波変動状態の変動時に雑音に対する影響を受けて伝送特性が悪化する。

上記の逐次更新アルゴリズムによって、タップ係数の更新が更新順ｎで順次的に行われ、最終的にタップ係数が収束する。収束の条件は、更新順ｎの回数、又はフィルタ出力と所望値との誤差等で判定される。そして、上記のアルゴリズムの収束によって、各ＦＩＲフィルタのタップ係数Ｗ_ＨＨ＿１〜Ｗ_ＨＨ＿Ｎ、Ｗ_ＶＨ＿１〜Ｗ_ＶＨ＿Ｎ、Ｗ_ＨＶ＿１〜Ｗ_ＨＶ＿Ｎ、及びＷ_ＶＶ＿１〜Ｗ_ＶＶ＿Ｎが求まる。

第２デジタルフィルタ１０及び第２タップ係数更新器１１においても、上記と同様に各ＦＩＲフィルタのタップ係数Ｗ_ＨＨ＿１〜Ｗ_ＨＨ＿Ｎ、Ｗ_ＶＨ＿１〜Ｗ_ＶＨ＿Ｎ、Ｗ_ＨＶ＿１〜Ｗ_ＨＶ＿Ｎ、及びＷ_ＶＶ＿１〜Ｗ_ＶＶ＿Ｎが求まる。なお、第１タップ係数更新器１４と第２タップ係数更新器１１の更新順ｎの間隔は互いに異なってもよく、シンボルの周期（データの値が変更或いは更新される周期）と一致する必要はない。さらに、第１タップ係数更新器１４と第２タップ係数更新器１１の収束条件も互いに異なってもよい。また、シンボルの周期は、ＦＩＲフィルタの順次的な遅延のタイミングＺ＾（-１）とは異なる。

図６は、実施の形態１に係る適応等化器の実施例を示す図である。この実施例では、図３に示す適応等化器７の第１デジタルフィルタ１３、第２デジタルフィルタ１０、及びそれらの間の配線が詳細化されている。

以下、実施の形態１に係る適応等化器の動作について説明する。第２デジタルフィルタ１０及び第２タップ係数更新器１１のＣＭＡで求められたタップ係数は、タップ係数制御回路１２に供給される。それらのタップ係数は、Ｗ_ＨＨ＿１〜Ｗ_ＨＨ＿Ｎ、Ｗ_ＶＨ＿１〜Ｗ_ＶＨ＿Ｎ、Ｗ_ＨＶ＿１〜Ｗ_ＨＶ＿Ｎ、及びＷ_ＶＶ＿１〜Ｗ_ＶＶ＿Ｎである。

タップ係数制御回路１２では、後に述べるアルゴリズムに基づいて、上記の全タップに対して有効か無効かの判定を行う。無効と判定とされたタップについては、ゼロに変更して、第１デジタルフィルタ１３のタップに第１タップ係数更新器１４のＣＭＡ動作の初期値として設定される。

設定後は、第１デジタルフィルタ１３と第１タップ係数更新器１４とでタップ係数更新動作がＣＭＡによって行われる。実施の形態１では、タップ係数更新動作が行われている間、即ち収束途中の第１デジタルフィルタ１３の値も出力される。さらに、タップ係数制御回路１２がゼロとして設定したタップについては、第１タップ係数更新器１４の更新結果に関わらず、次の収束結果が出るまでゼロに設定し続ける。ゼロに設定されたタップ係数は第１タップ係数更新器１４の計算に使用されないように設定する。また仮に使用されても電力消費が限りなくゼロになるような回路設計にする。

例えば、第１デジタルフィルタ１３のＦＩＲ＿Ａの出力は、ｎ回目の更新時、以下の式で示される。
Ｈ_ｏｕｔ（ｎ）＝Ｈ_ｉｎ＿１（ｎ）・Ｗ_ＨＨ＿１（ｎ）＋Ｈ_ｉｎ＿２（ｎ）・Ｗ_ＨＨ＿２（ｎ）＋Ｈ_ｉｎ＿３（ｎ）・Ｗ_ＨＨ＿３（ｎ）＋・・・・Ｈ_ｉｎ＿Ｎ（ｎ）・Ｗ_ＨＨ＿Ｎ（ｎ）
ここで、Ｈ_ｉｎ＿１（ｎ）〜Ｈ_ｉｎ＿Ｎ（ｎ）は、水平偏波信号Ｈ_ｉｎ（ｎ）のＦＩＲ＿Ａにおける順次的に遅延した信号である。初期値においてはｎ＝０回となる。

ここで、タップ係数制御回路１２から、第１デジタルフィルタ１３へ初期値として、Ｗ_ＨＨ＿１（０）〜Ｗ_ＨＨ＿Ｎ（０）が設定された場合について考える。この時に、仮に、ＦＩＲ＿Ａの２番目のタップ係数が、実数部及び虚数部共にゼロ、即ちＷ_ＨＨ＿２（０）＝０＋ｊ・０に設定された場合、
Ｈ_ｏｕｔ（０）＝Ｈ_ｉｎ＿１（０）・Ｗ_ＨＨ＿１（０）＋Ｈ_ｉｎ＿２（０）・Ｗ_ＨＨ＿２（０）＋Ｈ_ｉｎ＿３（０）・Ｗ_ＨＨ＿３（０）＋・・・・Ｈ_ｉｎ＿Ｎ（０）・Ｗ_ＨＨ＿Ｎ（０）
＝Ｈ_ｉｎ＿１（０）・Ｗ_ＨＨ＿１（０）＋０＋Ｈ_ｉｎ＿３（０）・Ｗ_ＨＨ＿３（０）＋・・・・Ｈ_ｉｎ＿Ｎ（０）・Ｗ_ＨＨ＿Ｎ（０）
となる。

次に、ＣＭＡのアルゴリズムによって、Ｗ_ＨＨ＿１（１）〜Ｗ_ＨＨ＿Ｎ（１）が計算される。この時、Ｗ_ＨＨ＿２（１）の値として、有限の値が算出されても、Ｗ_ＨＨ＿２（ｎ）＝０＋ｊ・０として、ＦＩＲ＿Ａのタップ係数の計算は行われる。即ち、２番目のタップでは実数部の乗算及び虚数部の乗算共に最初から結果をゼロに設定する。これは、タップ係数制御回路１２から次の初期値が設定されるまで続けられる。なお、タップ係数のゼロ設定は、４つのＦＩＲフィルタ、実数部、虚数部で、それぞれ独立に行われる。

次に、タップ係数制御回路１２のタップ係数有効／無効判定アルゴリズムについて説明する。図７は、タップ係数制御回路のタップ係数有効／無効判定アルゴリズムのフローチャートである。

タップ係数有効／無効判定アルゴリズムとは、算出されたタップ係数に対して、有効か、無効かを判定するアルゴリズムである（以降、有効／無効の判定と記載する）。また、タップ係数制御回路１２のタップ係数の有効／無効の判定は、第２デジタルフィルタ１０及び第２タップ係数更新器１１によってタップ係数の逐次更新アルゴリズムの収束動作が完了しタップ係数が求められる毎に行われる。

以下に、各ステップの動作を説明する。まず、ステップ１として、第２デジタルフィルタ１０と第２タップ係数更新器１１によって、逐次更新アルゴリズムに基づいて第２デジタルフィルタ１０の全タップ係数Ｗ_ＨＨ＿１〜Ｗ_ＨＨ＿Ｎ、Ｗ_ＶＨ＿１〜Ｗ_ＶＨ＿Ｎ、Ｗ_ＨＶ＿１〜Ｗ_ＨＶ＿Ｎ、及びＷ_ＶＶ＿１〜Ｗ_ＶＶ＿Ｎ、が求められる。これらの値は、逐次更新アルゴリズムの収束動作の完了後の値である。各タップ係数は、ＩＱ平面上の座標（Ｉ値＋ｊＱ値）で表記される。Ｉ＋ｊＱは、所謂複素数である。

次に、ステップ２として、ステップ１で求められた第２デジタルフィルタ１０の全タップ係数について、ＩＱ平面上のＩ値とＱ値をまとめて絶対値が大きい順に並べる。この場合、Ｉ値だけに対しての有効／無効の判定、及びＱ値だけに対しての有効／無効判定を行うことも可能である。しかし、実験的検証において、Ｉ値とＱ値をまとめて行う有効／無効判定の方が、別々に行う判定よりも、高い性能が得られた。また、図６に示すように、水平偏波信号と垂直偏波信号の両者について処理を行う場合、４つのＦＩＲフィルタのＩ値とＱ値をまとめて有効／無効判定を行うことができる。この場合も、４つのＦＩＲフィルタをまとめて行う判定の方が、フィルタ個別に行う判定よりもより高い性能が得られる。

次に、ステップ３（第１判定）として、絶対値順に並べられたタップ係数に対して、上位の指定数Ｍ以上のタップ係数を有効、指定数Ｍ未満のタップ係数を無効と仮判定する。ここで、絶対値の大きいタップ係数ほど、第１タップ係数更新器１４のタップ係数更新の計算に寄与する度合いが大きい。従って、第２タップ係数更新器１１で更新したタップ係数について第１タップ係数更新器１４の計算に寄与する度合が大きい順に並べ、上位の指定数以上のタップ係数を有効、指定数未満のタップ係数を無効と判定することになる。

ステップ４−１（第２判定）として、ステップ３で有効と仮判定されたタップ係数について、前回の第２判定時に有効Ａ又は有効Ｂであれば有効Ａと最終判定する（最終有効Ａ判定（Final validity “A” judgment））。一方、前回の第２判定時に無効とされた場合、ステップ５−１に進む。

ステップ４−２（第２判定）として、ステップ３で無効と仮判定されたタップ係数について、前回の第２判定時にも無効とされた場合、無効と最終判定する（最終無効判定（Final invalidity judgment））。一方、前回の第２判定時に有効とされた場合、ステップ５−２に進む。

ステップ５−１（第２判定）として、ステップ４−１で前回の第２判定時に無効とされたタップ係数について、その絶対値が閾値Ｔ１以上の場合は有効Ｂと最終判定する（最終有効Ｂ判定（Final validity “B” judgment））。一方、その絶対値が閾値Ｔ１未満の場合は無効と最終判定する（最終無効判定）。

次に、ステップ５−２（第２判定）として、ステップ４−２で前回の第２判定時に有効Ａ又は有効Ｂとされたタップ係数について、その絶対値が閾値Ｔ２以上の場合は有効Ａと最終判定する（最終有効Ａ判定）。一方、その絶対値が閾値Ｔ２未満の場合は無効と最終判定する（最終無効判定）。なお、ステップ５−１における閾値Ｔ１とステップ５−２における閾値Ｔ２は互いに異なってもよいし同じでもよい。以上のアルゴリズムにより、全てのタップ係数について有効／無効の判定が行われる。

ステップ６−１として、タップ係数制御回路１２は、有効Ａと最終判定したタップ係数は使用せず、その代わりに第１タップ係数更新器１４の前回の更新結果を、第１タップ係数更新器１４により更新される第１デジタルフィルタ１３のタップ係数の初期値として設定する。前回は有効と判定されているので、設定されている係数はゼロではない。従って、第２のタップ係数更新の新たな結果を初期値に設定する必要はないとした。

ステップ６−２として、タップ係数制御回路１２は、有効Ｂと最終判定したタップ係数を、第１タップ係数更新器１４により更新される第１デジタルフィルタ１３のタップ係数の初期値として設定する。前回は無効と判定されているので、設定されている係数はゼロである。従って、今回、新たに設定を行うため、初期値を設定する必要がある。

ステップ６−３として、タップ係数制御回路１２は、無効と判定したタップ係数に対応する第１デジタルフィルタ１３のタップ係数の初期値をゼロに設定する。さらに、次の判定が行われ新たな初期値が設定されるまでゼロ設定を維持する。なお、タップ係数をゼロに設定した場合、そのタップ係数の乗算と乗算結果の加算は実行しないようにする。これは、フィルタの計算式に予めゼロを設定した式を作成し、その式に更新したタップ係数を入力することで可能となる。

上述したように、タップ係数有効／無効判定アルゴリズムは、１回前の判定結果と、任意に設定した閾値とで、タップ係数の有効／無効を判定する。しかし、判定方法は上記の方法に限定されない。過去の判定結果と複数の閾値とを組み合わせることで種々の判定アルゴリズムが構成可能である。

図８は、実施の形態１に係る適応等化器の動作タイミングを示す図である。（ａ）は、受信信号のシンボルタイミングを示す。（ｂ）は、第２タップ係数更新器１１の動作タイミングを示す。（ｃ）は、タップ係数制御回路１２の有効／無効の判定タイミングを示す。（ｄ）は、第１タップ係数更新器１４の動作タイミングを示す。ここで言うシンボルとは、受信信号のデータが変化或いは更新される周期を言う。

（ａ）及び（ｂ）に示すように、受信信号のシンボルｐ１〜ｐ２まで、第２タップ係数更新器１１の収束動作２−１が行われる。同様に、シンボルｐ２〜ｐ３まで、第２タップ係数更新器１１の収束動作２−２が行われ、シンボルｐ３〜ｐ４まで、第２タップ係数更新器１１の収束動作２−３が行われる。これらの収束動作ごとに求められた第２デジタルフィルタ１０のタップ係数は、（ｃ）に示すように、タップ係数制御回路１２で有効／無効の判定が行われる。それぞれの判定結果は、（ｄ）に示すように、第１タップ係数更新器１４の収束動作に反映される。

例えば、第２タップ係数更新器１１の収束動作２−１で求められたタップ係数は、タップ係数制御回路１２において判定２として判定される。判定２として判定されたタップ係数は、第１タップ係数更新器１４の収束動作１−２に反映される。第１タップ係数更新器１４の収束動作１−２が収束した後は、その収束結果が次の収束動作１−３が開始されるまで継続して使用される。

上記の動作の中で、収束動作２−１で求められたタップ係数が、その前の収束動作で求められたタップ係数と同じ場合は、タップ係数制御回路１２の制御（有効／無効の判定を含む）を行う必要はなく、第１タップ係数更新器１４の収束動作１−１の結果を更に次の判定（判定３）が出るまで継続できる（図示していない）。また、判定２が判定１と同じ場合でも、それ以上の制御は行われず、第１タップ係数更新器１４の収束動作１−１の結果が更に次の判定（判定３）が出るまで継続される（図示していない）。

また、タップ係数制御回路１２の有効／無効の判定結果は、判定３から収束動作１−３に示すように、即時的に反映する必要はない。回路遅延などを考慮して多少遅延させることも可能である。
また、第２タップ係数更新器１１が係数更新に使用するシンボルは１シンボル目、１１シンボル目、２１シンボル目だが、第１タップ係数更新器１４が使用するシンボルは２シンボル目、１２シンボル目、２２シンボル目でも構わない。

以上説明したように、本実施の形態では、第２タップ係数更新器１１で収束したタップ係数について有効か又は無効かを判定し、無効と判定したタップ係数に対応する第１デジタルフィルタ１３のタップ係数を次の判定結果が出るまでゼロに設定して第１タップ係数更新器１４の計算に使用されないようにする。このため、消費電力が低減される。また、第２タップ係数更新器１１で更新したタップ係数について第１タップ係数更新器１４の計算に寄与する度合が大きい順に並べ、上位の指定数以上のタップ係数を有効、指定数未満のタップ係数を無効と判定する。このようにしてタップ係数の値が等化処理への寄与が小さいと判断したタップの計算を行わないようにする。これにより、高い等化性能を得つつ、低消費電力化を図ることができる。

実施の形態２．
図９は、実施の形態２に係る適応等化器を示す構成図である。本実施の形態に係る適応等化器７は、第１デジタルフィルタ１３と同じ構成を有する第３のデジタルフィルタ１５が第１デジタルフィルタ１３に並列に接続されている点が図３に示す実施の形態１に係る適応等化器７とは異なる。

実施の形態１では、第１デジタルフィルタ１３の出力は、第１タップ係数更新器１４に供給されると共に、適応フィルタ９の出力として図２に示す復号器８に供給される。これに対して、本実施の形態では、第３のデジタルフィルタ１５の出力が適応フィルタ９の出力となり、第１デジタルフィルタ１３の出力は第１タップ係数更新器１４のみに供給される。

この時、第３のデジタルフィルタ１５のタップ係数には、第１デジタルフィルタ１３のタップ係数と同じ値が設定される。しかし、第１タップ係数更新器１４が収束動作中は、前回の収束動作の結果が維持され、収束動作終了後に新たな収束結果が設定される。これにより、第１デジタルフィルタ１３と第１タップ係数更新器１４が収束動作中、第３のデジタルフィルタ１５のタップ係数は変動しないため、安定的な補償出力が得られる。その他、第２デジタルフィルタ１０、第２タップ係数更新器１１、及びタップ係数制御回路１２の構成及び動作は実施の形態１と同じである。

図１０は、実施の形態２の適応等化器の実施例を示す図である。この実施例では、図９に示した適応等化器７の第１デジタルフィルタ１３、第２デジタルフィルタ１０、第３のデジタルフィルタ１５、及びそれらの間の配線が詳細化されている。

以下、実施の形態２に係る適応等化器の動作について説明する。第２デジタルフィルタ１０及び第２タップ係数更新器１１のＣＭＡで求められたタップ係数は、タップ係数制御回路１２に供給される。それらのタップ係数は、Ｗ_ＨＨ＿１〜Ｗ_ＨＨ＿Ｎ、Ｗ_ＶＨ＿１〜Ｗ_ＶＨ＿Ｎ、Ｗ_ＨＶ＿１〜Ｗ_ＨＶ＿Ｎ、及びＷ_ＶＶ＿１〜Ｗ_ＶＶ＿Ｎである。

タップ係数制御回路１２は、前述したアルゴリズムに基づいて、上記の全タップに対して有効か無効かの判定を行う。そして、タップ係数制御回路１２は、無効と判定とされたタップをゼロに変更し、第１デジタルフィルタ１３のタップに第１タップ係数更新器１４のＣＭＡ動作の初期値として設定する。

設定後は、第１デジタルフィルタ１３と第１タップ係数更新器１４においてタップ係数更新動作がＣＭＡによって行われる。タップ係数制御回路１２がゼロとして設定したタップについては、第１タップ係数更新器１４の更新結果に関わらず、次の収束結果が出るまでゼロに設定し続ける。タップ係数をゼロに設定したタップにおいては、乗算・加算が行われないように設定する。また仮に行われても電力消費が限りなくゼロになるような回路設計にする。

なお、この構成では、タップ係数更新動作が行われている間、第３のデジタルフィルタ１５は前回の収束動作で求められたタップ係数で動作を継続し、その出力が適応等化器７の出力となる。第１デジタルフィルタ１３と第１タップ係数更新器１４による収束動作が終了した後、それによって求められたタップ係数が第３のデジタルフィルタ１５に設定される。以降、第３のデジタルフィルタ１５は第１タップ係数更新器１４から次の収束結果（タップ係数）が設定されるまで先のタップ係数で動作を継続する。

以上説明したように、実施の形態２に係る適応等化器７においても、タップ係数の絶対値が小さいタップの計算を行わない。これにより、高い等化性能を得つつ、低消費電力化を図ることができる。さらに、主信号が通る第３のデジタルフィルタ１５のタップ係数が収束動作中に変動することがないので、安定した補償出力を得ることができる。

また、上述した逐次更新アルゴリズムにおいては、タップ係数の更新の幅の指標となるステップサイズを定義している。第２タップ係数更新器１１により更新された全体のタップ係数の数に対する無効と判定されたタップ係数の数の割合に応じて、第１タップ係数更新器１４の逐次更新アルゴリズムのステップサイズを変更してもよい。例えば、無効と判定されたタップ係数の数が全体のタップ係数の数の半分になるような状態では、フィルタ出力と所望値との誤差も半分になるので、ステップサイズを倍にして追従速度を保つ必要がある。従って、全体のタップ係数の数に対する無効と判定されたタップ係数の数の割合が大きくなるに従って、タップ係数に足し込む誤差が小さく見えるので、その分ステップサイズを大きくする必要がある。

また、上述の通り、無効と判定されたタップ係数にゼロを設定する場合、第１デジタルフィルタ１３において、次の判定が行われるまで乗算を行わない。その具体的な方法として、第１タップ係数更新器１４からその無効と判定されたタップ係数の番号にはフィードバックしない方法、フィードバック値をゼロに設定する方法、フィードバック後にゼロに設定する方法などがある。

また、第１及び第２タップ係数更新器１４，１１の係数更新タイミングは１シンボル毎に行うことも可能である。この場合、係数更新は、１シンボル毎に行い、有効／無効の判定は、数十シンボル毎にすることも可能である。

４ 光受信機、５ ＡＤ変換器、７ 適応等化器、９ 適応フィルタ、１０ 第２デジタルフィルタ、１１ 第２タップ係数更新器、１２ タップ係数制御回路、１３ 第１デジタルフィルタ、１４ 第１タップ係数更新器、１５ 第３のデジタルフィルタ

本開示に係る適応等化器は、入力信号の歪を補償する第１デジタルフィルタと、前記第１デジタルフィルタのタップ係数を収束動作により前記入力信号の偏波状態に応じて適応的に更新する第１タップ係数更新器とを有する適応フィルタと、前記入力信号の歪を補償する第２デジタルフィルタと、前記第２デジタルフィルタのタップ係数を収束動作により前記入力信号の偏波状態に応じて適応的に更新する第２タップ係数更新器と、前記第２タップ係数更新器で収束したタップ係数を前記第１タップ係数更新器により更新される前記第１デジタルフィルタのタップ係数の初期値として設定し、前記第２タップ係数更新器で収束したタップ係数について前記第１タップ係数更新器のタップ係数更新の収束動作に寄与する度合が大きい順に並べ、上位の指定数以上のタップ係数を有効、前記指定数未満のタップ係数を無効と判定し、無効と判定したタップ係数に対応する前記第１デジタルフィルタのタップ係数を次の判定結果が出るまでゼロに設定して前記第１タップ係数更新器の計算に使用されないようにするタップ係数制御回路とを備えることを特徴とする。

Claims (10)

1. 入力信号の歪を補償する第１デジタルフィルタと、前記第１デジタルフィルタのタップ係数を前記入力信号の波形状態に応じて適応的に更新する第１タップ係数更新器とを有する適応フィルタと、
   前記入力信号の歪を補償する第２デジタルフィルタと、
   前記第２デジタルフィルタのタップ係数を前記入力信号の波形状態に応じて適応的に更新する第２タップ係数更新器と、
   前記第２タップ係数更新器で更新したタップ係数を前記第１タップ係数更新器により更新される前記第１デジタルフィルタのタップ係数の初期値として設定し、前記第２タップ係数更新器で更新したタップ係数について前記第１タップ係数更新器の計算に寄与する度合が大きい順に並べ、上位の指定数以上のタップ係数を有効、前記指定数未満のタップ係数を無効と判定し、無効と判定したタップ係数に対応する前記第１デジタルフィルタのタップ係数を次の判定結果が出るまでゼロに設定して前記第１タップ係数更新器の計算に使用されないようにするタップ係数制御回路とを備えることを特徴とする適応等化器。
2. 前記タップ係数制御回路は、第１判定として、前記第２タップ係数更新器で更新した複数のタップ係数をＩＱ平面上のＩ値とＱ値をまとめて絶対値が大きい順に並べ、上位の前記指定数以上のタップ係数を有効、前記指定数未満のタップ係数を無効と判定することを特徴とする請求項１に記載の適応等化器。
3. 前記タップ係数制御回路は、第２判定として、前記第１判定で有効と判定されたタップ係数について前回の第２判定時に有効Ａ又は有効Ｂであれば有効Ａと判定し、第１の閾値以上かつ前回の第２判定時に無効であれば有効Ｂと判定し、前記第１の閾値未満かつ前回の第２判定時に無効であれば無効と判定し、前記第１判定で無効と判定されたタップ係数について前回の第２判定時も無効であれば無効と判定し、第２の閾値以上かつ前回の第２判定時に有効Ａ又は有効Ｂであれば有効Ａと判定し、前記第２の閾値未満かつ前回の第２判定時に有効Ａ又は有効Ｂであれば無効と判定することを特徴とする請求項２に記載の適応等化器。
4. 前記タップ係数制御回路は、前記有効Ａと判定したタップ係数の代わりに前記第１タップ係数更新器の前回の更新結果を前記第１タップ係数更新器により更新される前記第１デジタルフィルタのタップ係数の初期値として設定し、前記有効Ｂと判定したタップ係数を前記第１タップ係数更新器により更新される前記第１デジタルフィルタのタップ係数の初期値として設定することを特徴とする請求項３に記載の適応等化器。
5. 前記第１タップ係数更新器は前記第１デジタルフィルタのタップ係数を逐次更新アルゴリズムにより更新し、
   前記第２タップ係数更新器は前記第２デジタルフィルタのタップ係数を逐次更新アルゴリズムにより更新することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の適応等化器。
6. 前記適応フィルタは、前記第１タップ係数更新器による更新動作が収束して得られたタップ係数により前記入力信号の歪を補償する第３のデジタルフィルタを更に有することを特徴とする請求項５に記載の適応等化器。
7. 前記第２タップ係数更新器により更新された全体のタップ係数の数に対する無効と判定されたタップ係数の数の割合に応じて、前記第１タップ係数更新器の逐次更新アルゴリズムのステップサイズを変更することを特徴とする請求項５又は６に記載の適応等化器。
8. 前記割合が大きくなるに従って、前記ステップサイズを大きくすることを特徴とする請求項７に記載の適応等化器。
9. 第１デジタルフィルタが入力信号の歪を補償するステップと、
   第１タップ係数更新器が前記第１デジタルフィルタのタップ係数を前記入力信号の波形状態に応じて適応的に更新するステップと、
   第２デジタルフィルタが前記入力信号の歪を補償するステップと、
   第２タップ係数更新器が前記第２デジタルフィルタのタップ係数を前記入力信号の波形状態に応じて適応的に更新するステップと、
   タップ係数制御回路が、前記第２タップ係数更新器で更新したタップ係数を前記第１タップ係数更新器により更新される前記第１デジタルフィルタのタップ係数の初期値として設定するステップとを備え、
   前記タップ係数制御回路は、前記第２タップ係数更新器で更新したタップ係数について前記第１タップ係数更新器の計算に寄与する度合が大きい順に並べ、上位の指定数以上のタップ係数を有効、前記指定数未満のタップ係数を無効と判定し、無効と判定したタップ係数に対応する前記第１デジタルフィルタのタップ係数を次の判定結果が出るまでゼロに設定して前記第１タップ係数更新器の計算に使用されないようにすることを特徴とする適応等化方法。
10. 光信号を受信し、受信した前記光信号を電気信号に変換する光受信機と、
    前記光受信機から出力された信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、
    前記ＡＤ変換器から出力された信号の偏波変動による歪みを補償する等化処理を行う請求項１〜８の何れか１項に記載の適応等化器とを備えることを特徴とする光通信システム。

Images