JP3805372B2 - 非線形伝送媒体用の伝送方式 - Google Patents

Description

本発明は、複数のシーケンスのディジタルシンボルから符号化された複数のシーケンスのディジタルシンボルを得る符号化手段と、該符号化された複数のシーケンスのディジタルシンボルから複数のディジタル式に変調された搬送波信号を得る変調手段と、更に該複数のディジタル式に変調された搬送波信号から結合された信号を得る結合手段とからなり、該結合された信号を非線形の伝送媒体を通じて受信器へ送信するよう配置された送信器を有し、該受信器は受信された信号から少なくとも１つの符号化されたシンボルを得る復調手段と、該ディジタルシンボルのシーケンスからディジタルシンボルのシーケンスを得る復号手段とからなる伝送方式に関する。
本発明はまた、そのような方式において使用される送信器、符号器／復調器、受信器及び信号に関する。
前文による伝送方式は、Electronic letters、１９９２年１月２日、第２８巻、第１号、６５乃至６７ページの中の、J.H.Wu、Y.H.Lee及びJ.Wuによる「Coding to increase number of channels in QAM-SCM-IM/DD lightwave system」によって既知である。
そのような伝送方式の第１の例は、光伝送方式である。ここではその伝送方式は、例えばレーザーである電気−光変換器、光ファイバ又は自由空間といった光伝送路及びフォトダイオードといった光−電気変換器からなると見なされる。普通の光伝送方式では、伝送方式の非線形性は主に電気−光変換器によって引き起こされるが、実質的な非線形性は伝送路の中に存在する光増幅器によって引き起こされることもありうる。
前文による伝送方式の第２の例は、ＣＡＴＶ網といったケーブル伝送網である。ここでは非線形性は、主に網の幾つかの場所で使用される増幅器の非線形性によって起こる。
伝送網では、複数のシーケンスのディジタルシンボルを伝送することがしばしば望まれる。ディジタルシンボルの該シーケンスの夫々は、例えば別々の（ＨＤ）テレビ番組又はデータサービスを表す。既知の伝送方式では、該シーケンスの夫々は符号化されたディジタルシンボルのシーケンスを得るために符号化される。従って符号化されたディジタルシンボルのシーケンスは、変調された搬送波信号を得るための正しい搬送波の上で変調される。最後に異なる搬送波信号は、伝送媒体を通じて伝送される結合された信号へ結合される。受信器では、所望のディジタルシンボルのシーケンスを得るため、少なくとも１つの変調された搬送波信号が選択され、復調され、復号化される。
伝送媒体の非線形性により、結合された信号は幾らかの非線形歪みを受け、高調波及び相互変調積を発生する結果となる。そのような歪み積の存在は、増加された誤りの確率となるような所望の信号に対する幾らかの妨害を引き起こすことになる。
既知の伝送方式では、ディジタルシンボルのシーケンスは、誤りの確率を減少させるため（２５５，２３９）ＢＣＨ誤り修正符号を使用して符号化される。そのような誤り修正符号の使用により、より多くの歪みが許容されえ、従って結合された信号のより大きな信号の振幅が許容されうる。これは伝送方式の増加された容量となる。しかしながら伝送方式の容量をより一層増加させることがまだ望まれている。
本発明は、前文による増加された容量を有する伝送方式を提供することを目的とする。
従って、本発明による伝送方式は、符号化されたシーケンスのディジタルシンボルを得る該符号化手段は、符号化されたシンボルの確率が高いほど、該符号化されたシンボルに対応する変調信号の振幅は小さくなるよう配置されていることを特徴とする。
本発明は、大きな振幅を有する変調された搬送波信号に対応するシンボルの伝送が、非線形の歪みのほとんどを引き起こしていることの認識に基づく。該シンボルの確率を減少させることにより、全ての搬送波によって導入された平均の歪みは減少し、従って誤りの確率もまた減少する。これは更に大きな振幅の使用を可能にし、それにより伝送方式のより大きな容量となる。
本発明の第１の実施例は、非線形伝送媒体は、電気−光変換器、光伝送通信路及び光−電気変換器の直列接続からなることを特徴とする。
光伝送方式では、非線形性は主にレーザダイオードの限定されたバイアス電流による結合された信号の負の信号の偏位のクリッピングによって引き起こされる。非線形の歪みは従って、しばしば「クリッピング雑音」と称される。しかしながら結合された信号の正の偏位において幾らかの飽和が起こることもありうる。
本発明の第２の実施例は、非線形伝送媒体は少なくとも１つの増幅器を通じて相互接続された複数の通信路部分からなることを特徴とする。
増幅器が歪みの主な原因である伝送方式では、歪みは結合された信号の正及び負の偏位の両方で生ずる。
以下、図面を参照して本発明を詳述する。図中、
図１は本発明による伝送方式を示す図であり、
図２は図１の伝送媒体４の他の伝送媒体を示す図であり、
図３は本発明による伝送方式で使用される符号器及び復号器の実施例を示す図であり、
図４は本発明による伝送方式で「１」の値を有するディジタルシンボルの確率の関数としての受信器における振幅対雑音比率を示す図であり、
図５は本発明で使用されるべき１６−ＱＡＭの信号点配置である。
図１の伝送方式によれば、複数のシーケンスのディジタルシンボルは、ここでは符号器１２・・・１６である符号化手段の入力へ供給される。夫々の符号器１２・・・１６の出力は、ここでは変調器１４・・・１８である変調手段の入力へ接続されている。変調器１４・・・１８の出力は結合手段２０の出力へ接続されている。
結合手段２０の出力は、伝送媒体の入力に接続されている。伝送媒体の入力は、電気−光変換器２２の入力によって構成されている。電気−光変換器２２の出力は、ファイバ網２４の入力に接続されている。ファイバ網２４の複数の出力は光−電気変換器の入力に接続されている。これらの変換器のうちの１つは参照番号２６と共に明示的に図示されている。伝送媒体４の出力は、光−電気変換器の出力によって構成されている。
受信器１０では、入力は選択器２８に接続されている。選択器２８の出力は、復調器３０の入力に接続されている。復調器３０の出力は、復号器３２の入力に接続されている。復号器３２の出力では、再構築されたディジタルシンボルのシーケンスが得られる。
図１による伝送方式では、符号器１２・・・１６によって、ディジタルシンボルのＮ個のシーケンスが符号化されたディジタルシンボルのＮ個のシーケンスに変換される。ディジタルシンボルの夫々のシーケンスは、オーディオ信号、ビデオ信号又はデータ信号を表しうる。変調器１４・・・１８では、ディジタル式に変調された搬送波信号は、搬送波信号を少なくとも振幅で変調することによって得られる。適当な変調機構は、例えばＡＳＫ（振幅偏移変調）及びＱＡＭ（直交振幅変調）である。
変調された搬送波信号は、加算器２０で結合される。結合された信号を搬送する加算器２０の出力は、非線形伝送媒体に接続される。非線形性は、主に結合された信号の負の偏位によりレーザー２２によって引き起こされる。レーザー２２のバイアス電流がＩ_bに等しければ、結合された信号を表す電流の振幅Ｉ_cは、歪みのない伝送のためにはＩ_bよりも小さくなくてはならない。変調指数ｍ＝Ｉ_c／Ｉ_bは、従って１よりも小さい。結合された信号がＮ個の変調された搬送波からなるのであれば、夫々の変調された搬送波の変調指数ｍ_iは、歪みのない伝送のためには（ｍ_iが全ての搬送波について等しいならば）１／Ｎに制限される。変調指数をｍ_i＞１／Ｎとすることによる幾らかの歪みを許容することは、伝送方式の伝送容量の増加を引き起こしうる。レーザーダイオード２２の光出力電力Ｐ_optは、以下の関係式、
Ｐ_opt=Ｃ・Ｉ_laser＝Ｃ・ＭＡＸ［（Ｉ_b＋Ｉ_c），Ｉ_th］ （１）
で示されうる。式（１）において、Ｃは比例定数であり、Ｉ_thはレーザーダイオード２２の閾値電流であり、ＭＡＸ［ｘ，ｙ］は値ｘ及びｙから得られる最大値である。電流Ｉ_cは、以下の関係式、

示されうる。式（２）において、ａ_i,jは、ｊ番目のシンボルに対応する変調されたｉ番目の搬送波の標準化された振幅である。レーザーダイオード２２の光電力Ｐ_optはここで、以下の関係式、

で示されうる。
レーザー２２の出力信号は、ファイバ網２４を通じて複数のサブステーション６，．．．，８及び１０へ分配される。サブステーション１０では、伝送媒体４の出力信号は、光−電気変換器２６の出力において得られる。選択器２８は、復調のために変調された搬送波信号のうちの１つを選択する。選択器２８は同調可能な帯域フィルタからなるものでもよいが、選択はまた、調整可能な周波数でローカルの発信器信号と混ぜることにより、入力信号をより低いＩＦ周波数に変換することによって行われることも可能である。
光−電気変換器２６は、受信された光信号の電力と本質的に比例する電気信号を発生する。
所望の電気信号のほかに、光−電気変換器の出力信号の中には幾らかの望ましくない成分も存在する。伝送網の非線形の歪みは、高調波及び相互変調積を発生させる。非線形の伝送媒体によって引き起こされた雑音のような信号のほかに、受信器の入力では、３つの他の雑音成分が存在する。第１の雑音成分は、電気−光変換器の中で発生され、電気−光変換器の出力において一定のレベルを有するいわゆる相対強度雑音（ＲＩＮ）である。受信器の入力では、それは光ファイバの減衰に反比例する。第２及び第３の雑音成分は、電気−光変換器の雑音であり、電気回路によって引き起こされた雑音である。電気−光変換器の雑音は受信された光信号と比例し、電気回路の雑音は標準の環境の下では一定である。
振幅対雑音比は、

という関係式で示されうる。式（４）において、Ａは変調された搬送波信号の振幅であり、Ｎ_RINは相対強度雑音であり、Ｎ_SHOTは光−電気変換器のショット雑音であり、Ｎ_RECは受信器雑音であり、Ｎ_CLIPは非線形伝送媒体によるクリッピング雑音である。式（４）において、Ｎ_RIN，Ｎ_SHOT及びＮ_RECは、変調指数ｍ_iから独立している。Ａはｍ_iと比例して増加し、Ｎ_CLIPはｍ_iと比例するよりも多く増加する。この状態では、ＡＮＲの最大値、従って通信容量の最大値を与えるｍ_iの値がある。シンボルの確率が、それに関連する変調された搬送波信号の増加する振幅と共に減少する通信路符号を使用することにより、平均信号振幅は減少される。
異なる通信路符号を選択することによって変調された搬送波信号の振幅の平均値を減少させることにより、ｍ_iのより大きな値はクリッピング雑音の所与の値で許容されうる。これは最大の振幅対雑音比の増加された値をもたらす。
これは、変調機構のコーナーの数及び／又は信号レベルの数が増加されうることを意味する。
選択器２８の出力において得られる変調された搬送波信号は、復調器３０によって復調される。復調器３０の出力における信号は、符号化されたディジタルシンボルの復調されたシーケンスである。このシーケンスは復号器３２によって復号化される。復号器３２の出力ではディジタルシンボルのシーケンスが得られる。
図２による伝送媒体４では、入力は増幅器３４の入力に接続されている。増幅器３４の出力は電力分割器３５の入力に接続される。電力分割器３５の第１の出力はケーブル部２５を通じて増幅器３６の入力に接続される。電力分割器３５の第２の出力はケーブル部２７を通じて増幅器３８の入力に接続される。電力分割器３５の第３の出力はケーブル部２９を通じて増幅器４０の入力に接続される。増幅器３６の出力は電力分割器３７の入力に接続される。電力分割器３７の３つの出力は２次ステーション用の降下部に接続される。増幅器３８の出力は電力分割器３９の入力に接続される。電力分割器３９の２つの出力は２次ステーション用の降下部に接続される。増幅器４０の出力は電力分割器４１の入力に接続される。電力分割器４１の３つの出力は加入者用の降下部に接続される。
図２による非線形伝送媒体は、例えばＣＡＴＶ方式において見いだすことができる。非線形性は、増幅器３４，３６，３８及び４０によって引き起こされる。増幅器３４の利得は、電力分割器３５による分割及びケーブル部２５，２７及び２９における損失による減衰を補償するよう選択されている。増幅器３６，３８及び４０の利得は、夫々電力分割器３７，２９及び４１による分割及び対応する降下部における損失による減衰を補償するよう選択されている。
図３によれば符号器１２・・・１６の入力は直並列変換器１の入力に接続されている。直並列変換器１のＭ個の出力は読取り専用メモリ３のＭ個の入力に接続されている。読取り専用メモリ３のＮ個の出力は、並直列変換器５に接続されている。並直列変換器５の出力は符号器１２・・・１６の出力を構成する。
符号器１２・・・１６のクロック入力は分周係数Ｎで分周器７の入力に、分周係数Ｍで分周器９の入力に接続される。分周器７の出力は、直並列変換器１のクロック入力に接続される。分周器９の出力は並直列変換器５のクロック入力に接続される。
２元振幅偏移変調が使用される場合、符号器１２・・・１６は、０．５に等しいＰ（１）及びＰ（０）を有する２元シンボルのシーケンスに応答して、Ｐ（１）＜０．５を有し、Ｐ（０）＞０．５を有する２元シンボルのシーケンスを発生する。
同じ量のデータを伝送することが可能であるために、符号化されたシンボルのシーケンスのシンボル率は増加されねばならない。通信路率Ｒ_CHは少なくとも、以下の関係式、

に等しくなくてはならない。式（５）において、Ｒ_SOURCEは源のシンボル率であり、Ｈ_CCは通信路符号のエントロピーである。Ｈ_CCは、以下の関係式、
H_CC=−P(1)・²logP(1)-P(0)・²logP(0) (6)
によって示されうる。図３による符号器では、通信路率Ｒ_CHと源の率Ｒ_SOURCEとの間の比率はＮ／Ｍに等しい。分周器７及び９の入力におけるクロック信号は周波数ｆ_rを有し、分周器７の出力信号は周波数ｆ_r／Ｎを有し、分周器９の出力信号は周波数ｆ_r／Ｍを有すると仮定される。分周器７の出力信号を使用し、信号Ｍの源のシンボルはＭ・Ｍ／ｆ_rの周期の間に直並列変換されクロックされる。これらのシンボルは、次にＲＯＭ３に対して与えられる。
ＲＯＭ３は、Ｍ個の入力シンボルに対してＮ個の符号化されたシンボルを供給する。これらの符号化されたシンボルは並直列変換器５に移される。符号化されたシンボルは、分周器９によって供給された周波数ｆ_r／Ｍのクロック信号によって直並列変換器をクロックすることによって、シンボル率ｆ_r／Ｍの連続的なストリームに変換される。従ってＮ・Ｍ／ｆ_rの周期に、Ｎ個のシンボルは符号器によって並列に伝送される。
３つの入力ビットａ_iを８つの出力ビットｂ_jに変換する第１の有用な符号は、以下の通りである。

この、パルス位置変調とも称される符号は、入力コードの８／３倍の率を有する。シンボル値１の確率は１／８に等しい。「１」の論理値が、論理値「０」に対応する振幅値よりも高い変調された搬送波信号の振幅値に対応すれば、これは変調された搬送波信号の平均電力の減少をもたらす。
本発明で使用されうる更なる符号は、以下の表によって与えられる。

３つのビットａ_iは４つのビットｂ_jに変換される。符号化されたシンボルの率は、符号化されていないシンボルの４／３倍である。シンボル値１の確率は、５／１６に等しい。
図４は、振幅対雑音比を論理値「１」の確率の関数として示す。搬送波のＡＳＫ変調が使用されていると仮定される。更にこれらは２Ｍビット／秒のストリームで変調された６４の搬送波であると仮定される。更に、電気−光変換器の出力電力は０ｄＢｍであり、ファイバ網の（分割による損失を含む）減衰は３４．４ｄＢであると仮定される。またＲＩＮは無視されることができ、ｍ_iは０．４に等しく、光−電気変換器の出力における雑音電流Ｉ_n ²の値は４ｐＡ²／Ｈｚに等しいと仮定される。
図４は、Ｐ（１）＝０．１に対する最大ＡＮＲを示す。０．１よりも小さいＰ（１）の値では、受信器雑音は優位を占める。必要とされる帯域幅の増加により、振幅対雑音比はＰ（１）と共に減少する。０．１よりも大きいＰ（１）の値では、ＡＮＲは、非線形伝送媒体による歪みによって生ずる雑音のような信号の急速に増加する値により、減少する。
図５は、本発明と共に使用されるべきＱＡＭ信号の信号点配置を示す。この場合、符号化された変調の１種が使用される。図４の信号点配置により、４つの連続するビットが２つの連続するシンボルにマップされる。

上記の表による符号の率は０．５である。シンボルＣ_jは定数である振幅の値ａ√２，ａ√１０及び３ａ√２を有しうる。ａ√２の振幅の確率は１８／２１＝９／１６であり、ａ√１０の振幅の確率は１０／３２＝５／１６であり、３ａ√２の振幅の確率は１／８である。これらの確率を使用して、現在の符号に対応する振幅の平均二乗が見いだされうる：

符号化されていないＱＡＭに対しては以下の関係式が容易に見いだされうる。

上述の計算から、符号かにより、＜Ｃ²＞の平均値は実質的に減少されることが明らかである。

Claims (7)

1. 複数のシーケンスのディジタルシンボルから符号化された複数のシーケンスのディジタルシンボルを得る符号化手段と、該符号化された複数のシーケンスのディジタルシンボルから複数のディジタル式に変調された搬送波信号を得る変調手段と、更に該複数のディジタル式に変調された搬送波信号から結合された信号を得る結合手段とを有し、該結合された信号を非線形伝送媒体を通じて受信器へ送信するよう配置された送信器を有し、該受信器は受信された信号から少なくとも１つの符号化されたシンボルのシーケンスを得る復調手段と、該ディジタルシンボルのシーケンスからディジタルシンボルのシーケンスを得る復号化手段とを有する伝送方式であって、
   該符号化手段は、符号化されたシンボルの確立が高いほど、該符号化されたシンボルに対応する変調信号の振幅は小さくなるように、符号化されたシーケンスのディジタルシンボルを得るよう配置されており、
   該結合された信号の変調指数の値は、該結合された信号の振幅対雑音比の最大値に導くことを特徴とする送信器を有する伝送方式。
2. 該非線形伝送媒体は、電気−光変換器、光伝送チャネル及び光−電気変換器の直列接続を有することを特徴とする請求項１記載の伝送方式。
3. 該非線形伝送媒体は、少なくとも１つの増幅器を通じて相互接続された複数のチャネル部分を有することを特徴とする請求項１記載の伝送方式。
4. 複数のシーケンスのディジタルシンボルから符号化された複数のシーケンスのディジタルシンボルを得る符号化手段と、該符号化された複数のシーケンスのディジタルシンボルから複数のディジタル式に変調された搬送波信号を得る変調手段と、更に該複数のディジタル式に変調された搬送波信号から結合された信号を得る結合手段とを有する送信器であって、
   該符号化手段は、符号化されたシンボルの確率が高いほど、該符号化されたシンボルに対応する変調信号の振幅は小さくなるように、符号化されたシーケンスのディジタルシンボルを得るよう配置されており、
   該結合された信号の変調指数の値は、該結合された信号の振幅対雑音比の最大値に導くことを特徴とする送信器。
5. ディジタルシンボルのシーケンスから符号化されたディジタルシンボルのシーケンスを得る符号化手段と、該符号化されたディジタルシンボルのシーケンスからディジタル式に変調された搬送波信号を得る変調手段とを有する符号及び変調器であって、
   該符号化手段は、符号化されたシンボルの確率が高いほど、該符号化されたシンボルに対応する変調信号の振幅は小さくなるように、符号化されたシーケンスのディジタルシンボルを得るよう配置されており、
   複数のディジタル式に変調された搬送波信号から得られた結合された信号の変調指数の値は、該結合された信号の振幅対雑音比の最大値に導くことを特徴とする符号及び変調器。
6. ディジタル式に変調された搬送波を有する少なくとも１つの信号を受信し、該受信された信号から少なくともシーケンスの１つの符号化されたシンボルを得る復調手段と、該符号化されたシンボルのシーケンスからディジタルシンボルのシーケンスを得る復号手段とを有する受信器であって、
   該復号化手段は、符号化されたシンボルの確率が高いほど、該符号化されたシンボルに対応する変調信号の振幅が小さくなるように、ディジタルシンボルのシーケンスを得るよう配置されており、
   該受信された信号の変調指数の値は、該受信された信号の振幅対雑音比の最大値に導くことを特徴とする受信器。
7. ディジタルシンボルのシーケンスと共に少なくとも振幅を変調された搬送波信号を運ぶ伝送媒体であって、
   該変調された搬送波信号の所定の振幅の発生の確率が大きいほど、該振幅が小さくなり、
   該変調された搬送波信号の変調指数の値は、該変調された搬送波信号の振幅対雑音比の最大値に導くことを特徴とする伝送媒体。

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