JP2798526B2 - 周波数弁別器 - Google Patents

周波数弁別器

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JP2798526B2 JP3148823A JP14882391A JP2798526B2 JP 2798526 B2 JP2798526 B2 JP 2798526B2 JP 3148823 A JP3148823 A JP 3148823A JP 14882391 A JP14882391 A JP 14882391A JP 2798526 B2 JP2798526 B2 JP 2798526B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的に、入力した信
号をその周波数又は平均周波数に応じたレベルの直流電
圧又は電流に変換する周波数弁別器に関し、特に、コヒ
ーレント光通信用のヘテロダイン受信機に適用可能な周
波数弁別器に関する。
【０００２】コヒーレント光通信方式は、受信感度が従
来の強度変調・直接検波方式に比べて１０〜２０ｄＢ改
善することができ、しかも光周波数多重伝送が容易であ
ることから、高速で且つ長距離の伝送に実用化すること
が期待されている。
【０００３】コヒーレント光通信方式の実施に一般に使
用されるヘテロダイン受信機においては、受信した信号
光に局部発振光が重畳され、これを自乗検波特性を有す
るフォトダイオード等により光検波することによって中
間周波信号が得られる。この中間周波信号はベースバン
ド信号に復調される。
【０００４】中間周波信号の周波数は信号光の周波数と
局部発振光の周波数の差に相当するから、信号光又は局
部発振光の中心周波数が環境条件等によって変動すると
中間周波信号の中心周波数もこれに応じて変動すること
になる。中間周波信号の中心周波数が変動すると、正常
な復調動作が阻害される。
【０００５】従って、ヘテロダイン受信機では、一般
に、中間周波信号の中心周波数を一定に保つような自動
周波数制御（ＡＦＣ）が行われる。自動周波数制御回路
の一つの構成要素として周波数弁別器がある。ヘテロダ
イン受信機の自動周波数制御に適用される周波数弁別器
は、入力した中間周波信号を、その中心周波数に応じた
レベルの直流電圧に変換して出力する。この種の周波数
弁別器に要求される特性は以下のとおりである。
【０００６】 周波数の識別精度が高いこと。換言す
れば、周波数変化に対する出力電圧レベルの変化が大き
いこと。周波数識別精度を高めることにより、自動周波
数制御における周波数安定性が向上する。
【０００７】 一つの制御ループにより自動周波数制
御することができる周波数範囲（以下「引込み可能範
囲」という。）が広いこと。
【０００８】
【従来の技術】図１２は従来の周波数弁別器の構成例を
示すブロック図である。この周波数弁別器は、中間周波
信号その他の周波数弁別すべき信号を分岐する分岐回路
２と、分岐回路２により分岐された信号の一方に所定の
遅延時間τを与えて出力する遅延回路４と、遅延回路４
の出力信号と分岐回路２により分岐された信号の他方と
をミキシングして出力する乗算回路６とを備えている。
【０００９】いま、この周波数弁別器に入力する信号を
ｃｏｓ２πｆｔ（ｆは周波数、ｔは時間）で表すとする
と、周波数弁別器の出力電圧Ｖ0 は次の式で表される。 Ｖ0 ＝cos2πft・cos2πf(t-τ) ＝(1/2) cos2πｆτ+(1/2)cos2πf(2t−τ) …(1) この式の右辺の第１項に相当するＤＣ成分を適当なロー
パスフィルタにより抽出することによって、図１３に示
されるような周波数弁別特性を得ることができる。図１
３に示されたグラフにおいて、縦軸は周波数弁別器の出
力電圧、横軸は周波数を表す。周波数に負の領域がある
のは、この周波数は中間周波信号の周波数を想定したも
のであり、中間周波信号の周波数は信号光の周波数と局
部発振光の周波数の大小関係に応じて正の値も負の値も
とり得るものとしているからである。
【００１０】一般に、このような周波数弁別特性を用い
てＡＦＣを実施する場合、安定化させるべき中間周波信
号の中心周波数は、周波数弁別曲線上において勾配が最
も大きくなる点、即ち出力電圧レベルが零になる点に安
定化される。
【００１１】具体的には、中間周波信号の中心周波数を
ｆIFとするときに、 ｆIF＝(2n+1)/4τ (n=0,1,2, …)…(2) を満足するように中心周波数ｆIFを安定化することがで
きる。逆言すれば、（２）式を満足するように、安定化
すべき周波数に応じて遅延時間τが設定される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】従来の周波数弁別器に
おいて、引込み可能範囲を広くするためには、（２）式
におけるｎの値を小さくしこれに伴って遅延時間τを小
さくするのが有利である。例えば、ｆ＝１／４τとなる
Ａ点に中間周波信号の中心周波数ｆIFを設定した場合に
は、−ｆIF〜３ｆIFの範囲でＡＦＣが可能であり、引込
み可能範囲は４ｆ IFとなる。しかし、この場合には、周
波数の単位変化当りの出力電圧の変化が小さいので、周
波数の識別精度が低いという問題がある。
【００１３】一方、周波数の識別精度を高めるために
は、（２）式のｎの値を大きくし、これに伴って遅延時
間τの値を大きく設定するのが望ましい。例えば、ｆ＝
５／４τとなるＢ点に中間周波信号の中心周波数ｆIFを
安定化する。この場合、周波数の単位変化当りの出力電
圧の変化は比較的大きくなるので、周波数の識別精度は
向上するが、ＡＦＣが可能な範囲は０．６ｆIF〜１．４
ｆIFとなり、引込み可能範囲は０．８ｆIFとなる。
【００１４】このように、従来技術による場合、周波数
の識別精度が低いことを許容して引込み可能範囲を拡げ
るか、或いは、引込み可能範囲が狭いことを許容して周
波数の識別精度を高めるかのいずれか一方を選択する必
要があった。
【００１５】本発明はこのような事情に鑑みて創作され
たもので、周波数の識別精度が高く且つ引込み可能範囲
が広い周波数弁別器を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上述した技術的課題は、
本発明の周波数弁別器の第１乃至第３の構成のいずれか
により解決される。
【００１７】本発明の周波数弁別器の第１の構成は、周
波数弁別すべき信号が入力され、その遮断周波数ｆHPF
は遅延回路の遅延時間τに応じて設定されているハイパ
スフィルタと、該ハイパスフィルタを通過した信号を分
岐する分岐回路と、該分岐回路により分岐された信号の
一方に所定の上記遅延時間τを与えて出力する上記遅延
回路と、該遅延回路の出力信号と上記分岐回路により分
岐された信号の他方とをミキシングして出力する乗算回
路とを備えている。
【００１８】本発明の周波数弁別器の第２の構成は、周
波数弁別すべき信号が入力され、その遮断周波数ｆLPF
は遅延回路の遅延時間τに応じて設定されているローパ
スフィルタと、該ローパスフィルタを通過した信号を分
岐する分岐回路と、該分岐回路により分岐された信号の
一方に所定の上記遅延時間τを与えて出力する上記遅延
回路と、該遅延回路の出力信号と上記分岐回路により分
岐された信号の他方とをミキシングして出力する乗算回
路とを備えている。
【００１９】本発明の周波数弁別器の第３の構成は、周
波数弁別すべき信号が入力され、その高周波側遮断周波
数ｆH 及び低周波側遮断周波数ｆL は遅延回路の遅延時
間τに応じて設定されるバンドパスフィルタと、該バン
ドパスフィルタを通過した信号を分岐する分岐回路と、
該分岐回路により分岐された信号の一方に所定の上記遅
延時間τを与えて出力する上記遅延回路と、該遅延回路
の出力信号と上記分岐回路により分岐された信号の他方
とをミキシングして出力する乗算回路とを備えている。
【００２０】
【作用】本発明の第１、第２又は第３の構成によると、
フィルタを用いて入力信号の周波数帯域を制限している
ので、周波数の識別精度が高い領域で周波数弁別を行っ
たとしても、従来と比べて大幅に引込み可能範囲を拡げ
ることができ、周波数の識別精度が高く且つ引込み可能
範囲の広い周波数弁別器の提供が可能になる。
【００２１】
【実施例】以下本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。具体的には、周波数の識別精度が高いＢ点で周波数
弁別を行った場合にも引込み可能範囲が広い周波数弁別
器の構成及び各種パラメータの設定について説明する。
尚、全図を通して実質的に同一の部分には同一の符号を
付す。
【００２２】図１は本発明の周波数弁別器の第１の構成
の実施例を示すブロック図である。８は所定の遮断周波
数ｆHPF を有するハイパスフィルタであり、このハイパ
スフィルタ８には周波数弁別すべき信号が入力される。
２はハイパスフィルタ８を通過した信号を分岐する分岐
回路である。
【００２３】４は分岐回路２により分岐された信号の一
方が入力される遅延回路であり、この遅延回路４は入力
信号に所定の遅延時間τを与えて出力する。６は遅延回
路４の出力信号と分岐回路２により分岐された信号の他
方とが入力する乗算回路であり、この乗算回路６は入力
した２つの信号をミキシングして出力する。
【００２４】以下の説明（本発明の第１の構成以外の構
成の実施例の説明を含む。）では、周波数弁別すべき信
号が、コヒーレント光通信においてヘテロダイン検波し
て得られた、変調成分を含む中間周波信号であるとす
る。
【００２５】図２において（Ａ）はハイパスフィルタ８
がないとしたときの周波数弁別特性を示すグラフであ
る。この場合、従来技術によるのと同じように、（２）
式を満足するように中間周波信号の中心周波数ｆIF及び
遅延時間τを設定することができる。ただし、ｎ＝０と
すると、前述したように周波数の識別精度を高めること
ができないので、本発明を実施するに際しては、ｎが自
然数であることが望ましい。周波数弁別特性のＢ点に中
間周波信号の中心周波数ｆIFを安定化するようなＡＦＣ
を行う場合には、ｎ＝２となる。
【００２６】この場合、ハイパスフィルタ８の遮断周波
数ｆHPF は、図２の（Ｂ）に示されるように、ｆHPF ＝
３／４τとなるようにする。一般的には、（２）式の条
件のもとでは、 ｆHPF ＝（２ｎ−１）／４τ …(3) を満足するようにする。
【００２７】図２の（Ｃ）は図１に示された構成の周波
数弁別器における周波数弁別特性を示すグラフである。
引込み可能範囲の上限は、従来技術によりＢ点でＡＦＣ
を行う場合と同様に、７／４τであるが、引込み可能範
囲の下限は−５／４τにまで拡大されている。従って、
この周波数弁別器を周波数の識別精度が高い領域で使用
した場合にも、引込み可能範囲を格段に拡げることがで
きる。
【００２８】ハイパスフィルタを用いて入力信号の低周
波成分をカットしているにもかかわらず、図２の（Ｃ）
の周波数弁別特性において、遮断周波数よりも低周波側
で周波数弁別器の出力電圧が正の値をとっているのは次
の理由による。
【００２９】即ち、変調成分を含まない理想的な正弦波
が周波数弁別器に入力した場合には、ハイパスフィルタ
の遮断周波数ｆHPF よりも低い周波数の信号に対しては
周波数弁別器の出力は零になるが、周波数弁別器に入力
する信号が、変調成分を含む中間周波信号である場合に
は、この中間周波信号の中心周波数が遮断周波数ｆHP F
よりも低周波側にあるとしても、中間周波信号の高次の
スペクトル（サイドローブ）が遮断周波数ｆHPFよりも
高周波側に存在し、中間周波信号の中心周波数ｆIFに対
して正の出力電圧が得られるものである。
【００３０】図３は本発明の周波数弁別器の第２の構成
の実施例を示すブロック図である。この実施例では、図
１のハイパスフィルタ８に代えて、所定の遮断周波数ｆ
LPF を有するローパスフィルタ１０が設けられている。
【００３１】図４は図２に対応している。（２）式を満
足するように中間周波信号の中心周波数ｆIFと遅延時間
τが設定されている場合には、ローパスフィルタ１０の
遮断周波数ｆLPF は、 ｆLPF ＝（２ｎ＋３）／４τ …(4) に設定される。
【００３２】（２）式でｎ＝２として、中間周波信号の
中心周波数ｆIFを周波数弁別特性におけるＢ点に安定化
するようなＡＦＣを行う場合には、ローパスフィルタの
遮断周波数ｆLPF は７／４τとなる。
【００３３】この場合、引込み可能範囲の下限は、従来
技術による場合と同様に３／４τであるが、引込み可能
範囲の上限は原理的には消失し、従来技術による場合と
比べて引込み可能範囲が拡大する。また、周波数弁別特
性のＢ点においては、周波数の単位変化当りの周波数弁
別器の出力電圧の変化が大きいので、周波数の識別精度
が高い。
【００３４】図５は本発明の周波数弁別器の第３の構成
を示すブロック図である。この実施例では、図１のハイ
パスフィルタ８又は図３のローパスフィルタ１０に代え
て、所定の高周波側遮断周波数ｆH 及び低周波側遮断周
波数ｆL を有するバンドパスフィルタ１２が設けられて
いる。即ち、この実施例の構成は、図１の構成の特徴と
図３の構成の特徴とを兼ね備えている。
【００３５】図６は図２又は図４に対応している。
（２）式を満足するように中間周波信号の中心周波数ｆ
IFと遅延時間τが設定されている場合には、高周波側遮
断周波数ｆH 及び低周波側遮断周波数ｆL は、それぞ
れ、 ｆH ＝（２ｎ＋３）／４τ …(5) ｆL ＝（２ｎ−１）／４τ …(6) に設定される。例えば、ｎ＝２として中間周波信号の中
心周波数ｆIFをＢ点に安定化するようにＡＦＣを行う場
合には、ｆH ＝７／４τ，ｆL ＝３／４τとなる。
【００３６】この場合、図６の（Ｃ）に示されるよう
に、引込み可能範囲の下限は−５／４τとなり、引込み
可能範囲の上限は原理的には消失し、従来技術による場
合と比較して引込み可能範囲が大幅に広くなる。
【００３７】図７は図５の周波数弁別器に変調された中
間周波信号ではなく正弦波を適用したときの特性の実測
データを示すグラフである。破線１４で示されるのは、
バンドパスフィルタ１２がないとしたとき（従来技術に
対応）の周波数弁別特性を表し、この特性は図６の
（Ａ）に相当している。
【００３８】一点鎖線１６で示されるのは、バンドパス
フィルタ１２の周波数特性であり、これは図６の（Ｂ）
に相当している。尚、ここでは、低周波側遮断周波数ｆ
L は３ＧＨｚに設定され、高周波側遮断周波数ｆH は７
ＧＨｚに設定されている。
【００３９】実線１８で示されるのは、バンドパスフィ
ルタ１２を含む正規の周波数弁別器に正弦波信号を入力
したときの周波数弁別特性である。高周波側遮断周波数
ｆH よりも高い周波数領域で周波数弁別器の出力電圧が
僅かに正の値になっているのは、バンドパスフィルタの
遮断特性があまりよくないことに起因している。
【００４０】図８は図５に示された周波数弁別器にヘテ
ロダイン検波により得られた中間周波信号を入力したと
きの周波数弁別特性の実測データを示すグラフである。
この中間周波信号は、半導体レーザからの周波数変調、
位相変調或いは振幅変調されている信号光を別の半導体
レーザからの局部発振光とミキシングすることによって
ヘテロダイン検波して得られたものである。
【００４１】この場合には、遮断周波数が良好でないバ
ンドパスフィルタを用いているので、高周波側遮断周波
数よりも高い周波数領域で周波数弁別器の出力電圧が正
になり、図６の（Ｃ）に示された理想的な特性と異なる
引込み可能範囲が得られている。
【００４２】ところで、これまでの実施例において、中
間周波信号の中心周波数がハイパスフィルタ、ローパス
フィルタ又はバンドパスフィルタの通過帯域から大きく
はずれた場合、この中心周波数が引込み可能範囲内にあ
る限りにおいては、本発明の原理上ＡＦＣの実施が可能
であるが、上記通過帯域内にある中間周波信号の高次の
スペクトルの電力積分が小さいと、周波数弁別器の出力
電圧の正負が誤って検出されることがあるという問題が
ある。
【００４３】そこで、この問題を解決するために、図９
に示されたような構成を採用することができる。この例
では、ハイパスフィルタ８、ローパスフィルタ１０又は
バンドパスフィルタ１２と分岐回路２の間にリミッタ回
路２０又は利得飽和増幅器２２を設ける。この構成によ
ると、中間周波信号の中心周波数がフィルタの通過帯域
から大きくはずれている場合であっても周波数弁別器の
出力電圧の正負誤検知が防止され、引込み可能範囲の効
果的な拡大が可能になる。
【００４４】図１０に示すように、リミッタ回路２０又
は利得飽和増幅回路２２に代えて自動利得制御回路２４
を設けてもよい。この構成によっても、引込み可能範囲
の効果的な拡大が可能になる。
【００４５】図１１は本発明の周波数弁別器を適用可能
なコヒーレント光通信用受信機のブロック図である。光
伝送路により伝送されてきた変調成分を有する信号光
は、局部発振光源２６からの局部発振光とともに光カプ
ラ２８に入力する。光カプラ２８では信号光と局部発振
光が重畳され、この光はフォトダイオード等を備えてな
る光検波回路３０でヘテロダイン検波され、光検波回路
３０からは中間周波信号が出力される。この中間周波信
号は、復調回路３２においてベースバンド信号に変換さ
れる。
【００４６】光検波回路３０からの中間周波信号はその
一方で本発明に係る周波数弁別器３４に入力される。そ
して、周波数弁別器３４の出力電圧に基づいて、ＡＦＣ
回路３６が局部発振光源２６の発振周波数を制御する。
この制御は、周波数弁別器３４の出力電圧が一定値（望
ましくは零）になるように局部発振回路２６における半
導体レーザのバイアス電流を調整することによって行わ
れる。
【００４７】本発明の周波数弁別器を用いてＡＦＣフィ
ードバックループを構成することによって、中間周波信
号の中心周波数の安定度が高まるとともに、引込み可能
範囲の拡大に伴ってＡＦＣが可能な周波数範囲が拡が
る。
【００４８】図９又は図１０に示された実施例において
は、リミッタ回路２０、利得飽和増幅回路２２及び自動
利得制御回路２４のいずれか１つが設けられているが、
これらのうちの２つ又は３つを組み合わせて直列に設け
てもよい。
【００４９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
周波数の識別精度が高く且つ引込み可能範囲の広い周波
数弁別器の提供が可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の周波数弁別器の第１の構成を示すブロ
ック図である。
【図２】本発明の第１の構成における引込み可能範囲の
説明図である。
【図３】本発明の周波数弁別器の第２の構成を示すブロ
ック図である。
【図４】本発明の第２の構成における引込み可能範囲の
説明図である。
【図５】本発明の周波数弁別器の第３の構成を示すブロ
ック図である。
【図６】本発明の第３の構成における引込み可能範囲の
説明図である。
【図７】正弦波を適用したときの特性の実測データを示
すグラフである。
【図８】ヘテロダイン検波により得られた中間周波信号
を入力したときの特性の実測データを示すグラフであ
る。
【図９】引込み可能範囲の拡大に適した実施例を示す図
である。
【図１０】図９の変形例を示す図である。
【図１１】本発明の周波数弁別器を適用可能なコヒーレ
ント光通信用受信機のブロック図である。
【図１２】従来の周波数弁別器の構成例を示すブロック
図である。
【図１３】従来技術による場合の引込み可能範囲の説明
図である。
【符号の説明】
２ 分岐回路 ４ 遅延回路 ６ 乗算回路 ８ ハイパスフィルタ １０ ローパスフィルタ １２ バンドパスフィルタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−238307（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−83347（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−97421（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−155907（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−199366（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−129911（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭56−43916（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H03D 3/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 周波数弁別すべき信号が入力され、その
    遮断周波数ｆHPF は所定の遅延時間τに応じて設定され
    ているハイパスフィルタと、 該ハイパスフィルタを通過した信号を分岐する分岐回路
    と、 該分岐回路により分岐された信号の一方に上記遅延時間
    τを与えて出力する遅延回路と、 該遅延回路の出力信号と上記分岐回路により分岐された
    信号の他方とをミキシングして出力する乗算回路とを備
    え、 上記周波数弁別すべき信号の中心周波数をｆ IF とすると
    きに、式 ｆ HPF ＝ｆ IF −１／２τ で表される関係を満足する ことを特徴とする周波数弁別
    器。
  2. 【請求項２】 周波数弁別すべき信号が入力され、その
    遮断周波数ｆLPF は所定の遅延時間τに応じて設定され
    ているローパスフィルタと、 該ローパスフィルタを通過した信号を分岐する分岐回路
    と、 該分岐回路により分岐された信号の一方に上記遅延時間
    τを与えて出力する遅延回路と、 該遅延回路の出力信号と上記分岐回路により分岐された
    信号の他方とをミキシングして出力する乗算回路とを備
    え、 上記周波数弁別すべき信号の中心周波数をｆ IF とすると
    きに、式 ｆ LPF ＝ｆ IF ＋１／２τ で表される関係を満足する ことを特徴とする周波数弁別
    器。
  3. 【請求項３】 周波数弁別すべき信号が入力され、その
    高周波側遮断周波数ｆH 及び低周波側遮断周波数ｆL は
    所定の遅延時間τに応じて設定されるバンドパスフィル
    タと、 該バンドパスフィルタを通過した信号を分岐する分岐回
    路と、 該分岐回路により分岐された信号の一方に上記遅延時間
    τを与えて出力する遅延回路と、 該遅延回路の出力信号と上記分岐回路により分岐された
    信号の他方とをミキシングして出力する乗算回路とを備
    え、 上記周波数弁別すべき信号の中心周波数をｆ IF とすると
    きに、式 ｆ H ＝ｆ IF ＋１／２τ 及び ｆ L ＝ｆ IF −１／２τ で表される関係を満足する ことを特徴とする周波数弁別
    器。
  4. 【請求項４】 上記ハイパスフィルタ、上記ローパスフ
    ィルタ又は上記バンドパスフィルタと上記分岐回路の間
    に、リミッタ回路、利得飽和増幅回路及び自動利得制御
    回路のうちから選択される１又は２以上の回路が設けら
    れていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに
    記載の周波数弁別器。
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