JP4541971B2

JP4541971B2 - 光−無線融合通信システム用光送信器

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Publication number: JP4541971B2
Application number: JP2005157450A
Authority: JP
Inventors: 友宏谷口; 尚也桜井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2025-05-30
Also published as: JP2006333347A

Description

本発明は、広帯域信号光を利用した光−無線融合通信システムにおける光送信器、特に単一の光送信器から複数の無線基地局にミリ波のような高周波の無線信号を光信号で送信する光送信器に関する。

図１、図２、図３はそれぞれ光送信器から無線基地局まで信号を伝送する場合の従来の光−無線融合通信システムにおける光送信器、無線基地局、無線加入者端末の一例を示したものであり、図４は従来の光−無線融合通信システムにおける信号スペクトルの一例を示したものである（特許文献１参照）。

光送信器１０１により光信号（０ｆ）が光伝送路を経て無線基地局１０９へ伝送される。ここで、電気発振器１０４からの出力信号が無線信号の周波数の半値に等しい周波数の電気搬送波信号（０ｂ）となり、また、電気発振器１０５からの出力信号が中間周波数信号の周波数の半値に等しい周波数の電気搬送波信号（０ｄ）となるようにし、このうち出力電気搬送波信号（０ｄ）に対して、電気位相変調器１０６で入力端子１０２に入力されたＭ個の値を取り得るディジタル信号を基に電気ディジタル信号（ｍ＋１）に対する出力電気位相変調信号（０ｅ）の位相と、電気ディジタル信号ｍに対する出力電気位相変調信号（０ｅ）の位相との位相差がπ／Ｍとなるように位相変調を施す。さらに、単一スペクトル光源１０３からの出力光信号（０ａ）に対して光変調器１０７で電気搬送波信号（０ｂ）にて搬送波抑圧両側波帯光変調を施し（０ｃ）、最後に、光変調器１０７からの出力光信号に対して光変調器１０８で電気位相変調信号（０ｅ）にて搬送波抑圧両側波帯光変調を施して送信する（０ｆ）。

ここで、伝送する光信号（０ｆ）の電界Ｅ_optは、次の数式で表すことできる。

Ｅ_opt＝Ａcos｛２π（ｆ_c＋ｆ_RF／２＋ｆ_IF／２）ｔ＋φ_m＋φ(t)｝
＋Ａcos｛２π（ｆ_c＋ｆ_RF／２−ｆ_IF／２）ｔ−φ_m＋φ(t)｝
＋Ａcos｛２π（ｆ_c−ｆ_RF／２＋ｆ_IF／２）ｔ＋φ_m＋φ(t)｝
＋Ａcos｛２π（ｆ_c−ｆ_RF／２−ｆ_IF／２）ｔ−φ_m＋φ(t)｝ …（１）
但し、ここで、Ａは電界振幅、ｆ_cは光周波数、ｆ_RFは無線信号の周波数、ｆ_IFは中間周波数信号の周波数、ｍはＭ値（Ｍは２のｎ乗（ｎは自然数）であり、Ｍ値信号はｎビットの信号である）の入力ディジタル信号（ｍ＝１，２，…，Ｍ）、φ(t)は単一スペクトル光源の位相雑音を表し、φ_mはφ＝φ_m+1−φ_m＝π／Ｍを満たすものとする。

無線基地局１０９においては、このような光信号（０ｆ）を１つの受光素子１１０で自乗検波することによりミリ波（０ｇ）が得られ、必要に応じて増幅した後にアンテナ１１１から電波として送出することで、ミリ波帯の電気信号を直接伝送せず、また無線基地局にミリ波帯の電気発振器を用意することなく、ミリ波帯無線信号を伝送することが可能となる。

この光信号（０ｆ）を受光素子で自乗検波して得られるミリ波帯無線信号（０ｇ）の電界Ｅ_RFは、次の数式で表すことができる。

Ｅ_RF∝Ａ²cos｛２π（ｆ_RF＋ｆ_IF）ｔ＋２φ_m｝＋２Ａ²cos｛２πｆ_RFｔ｝
＋Ａ²cos｛２π（ｆ_RF−ｆ_IF）ｔ−２φ_m｝ …（２）
（２）式においては、（１）式の光信号電界において存在していた単一スペクトル光源１０３の位相雑音成分が相殺されており、周波数安定性の高い無線信号が得られることとなる。また、無線信号として、入力端子１０２に入力された電気ディジタル信号のＭ値の信号に対する位相差φ’（＝２φ_m+1−２φ_m）が２π／Ｍとなる位相変調信号が得られることとなる。また、受光素子の出力として、（２）式で表される所望のミリ波帯信号のみが生成され、不要な信号が発生しないため、ミリ波帯フィルタが不要になる。

前記無線基地局１０９から送出された無線信号（０ｇ）を受信する無線加入者端末１１２においては、アンテナ１１３で受信した無線信号（０ｇ）を乗算器１１４に入力し、乗算器１１４の出力（０ｈ）をフィルタ１１５に通すことで、ミリ波帯の局部発振器を用いることなく、中間周波数信号として入力端子１０２に入力された電気ディジタル信号のＭ値の信号に対する位相差φ’（＝２φ_m+1−２φ_m）が２π／Ｍとなる位相変調信号（０ｉ）が得られる。

この中間周波数帯信号（０ｉ）の電界Ｅ_IFは、次式のように表すことができる。

Ｅ_IF∝４Ａ⁴cos｛２πｆ_IFｔ＋２φ_m｝ …（３）
このように、無線加入者端末においてミリ波帯無線信号を中間周波数帯信号に変換する際に、ミリ波帯局部発振器が不要であるため、無線加入者端末の構成を安価かつ簡易にできる。
特開２００５−７３０６５号公報

図１、図２、図３、図４に挙げた従来例の場合は、両側波帯に変調成分を有する無線信号により中間周波数信号をサブキャリア伝送するため、広い占有帯域幅を必要とし、周波数利用効率が低くなってしまう。そのため、従来例において広帯域ディジタル信号を伝送する場合には、無線信号の占有帯域幅を電波法規制等の所定の値以下に抑えるために４値位相変調等の多値変調を用いる必要が生じ、無線加入者端末の復調回路構成が複雑になる。

本発明は、このような背景に行われたものであって、無線伝送において周波数利用効率の高いサブキャリア伝送を実現し、広帯域ディジタル信号を伝送する場合にも複雑な復調回路を必要としない単純な変調方式を用いることで、無線加入者端末の構成を安価かつ簡易にできる光送信器を提供することを目的とする。

本発明では、前記目的を達成するため、請求項１では、無線基地局に光信号を送信する光送信器において、単一スペクトルの光信号を発生する単一スペクトル光源と、各々の中心周波数の和が所望の無線信号の周波数に等しく、各々の中心周波数の差が所望の中間周波数信号の周波数に等しい電気搬送波信号をそれぞれ発生する第１及び第２の電気発振器と、前記第１または第２の電気発振器のいずれか一方から出力された電気搬送波信号に対し、２つの値を取り得る電気ディジタル信号にて位相変調を施して電気位相変調信号を出力する電気位相変調器であって、前記２つの値のうちの一方の値の電気ディジタル信号に対する出力電気位相変調信号の位相と、前記２つの値のうちの他方の値の電気ディジタル信号に対する出力電気位相変調信号の位相との位相差がπとなるように位相変調を施す電気位相変調器と、前記第１または第２の電気発振器のいずれか他方から出力された電気搬送波信号と、前記電気位相変調器から出力された前記電気位相変調信号とを合波して電気帯域信号を出力する電気合波器と、前記単一スペクトル光源から出力された光信号に対し、前記電気合波器からの出力電気帯域信号にて光変調を施す光変調器とを備えたことを特徴とする光送信器をもって解決手段とする。

請求項１の発明によれば、光変調による１次成分として位相変調成分を含む４波の光信号を生成でき、この光信号を無線基地局の受光素子で自乗検波することで、ミリ波帯において、中間周波数信号を両側波帯サブキャリアとして有する３波の無線信号を得ることができる。

請求項１の発明において、伝送する光信号の電界Ｅ_optは、次式のように表すことができる。

Ｅ_opt＝Ａcos（２πｆ_cｔ＋φ(t)）
＋ｍＡcos｛２π（ｆ_c＋（ｆ_RF＋ｆ_IF）／２）ｔ＋φ(t)｝
＋ｍαＡcos｛２π（ｆ_c＋（ｆ_RF−ｆ_IF）／２）ｔ＋πａ_i＋φ(t)｝
＋ｍＡcos｛２π（ｆ_c−（ｆ_RF＋ｆ_IF）／２）ｔ＋φ(t)｝
＋ｍαＡcos｛２π（ｆ_c−（ｆ_RF−ｆ_IF）／２）ｔ−πａ_i＋φ(t)｝
…（４）
ここで、Ａは電界振幅、ｍは光変調度、αは電気合波器出力の２波の電気信号の電圧振幅比、ｆ_cは光周波数、ｆ_RFは無線信号周波数、ｆ_IFは中間周波数、ａ_iは２値（０，１）の入力電気ディジタル信号、φ(t)は単一スペクトル光源の位相雑音を表すものとする。

この光信号を受光素子で自乗検波して得られる無線信号の電界Ｅ_RFは、次式のように表すことができる。

Ｅ_RF∝ｍ²Ａ²cos｛２π（ｆ_RF＋ｆ_IF）ｔ｝＋２ｍ²αＡ²cos｛２πｆ_RFｔ＋πａ_i｝
＋ｍ²α²Ａ²cos｛２π（ｆ_RF−ｆ_IF）ｔ｝ …（５）
（５）式から、本発明においては、１波の位相変調信号が２波の搬送波信号に挟まれた３波のミリ波無線信号により中間周波数信号をサブキャリア伝送しており、両側波帯に変調信号を有する通常のサブキャリア伝送における信号と比べて占有帯域幅が小さく、周波数利用効率の高いサブキャリア伝送を実現していることが分かる。

無線加入者端末では、アンテナで受信した（５）式の無線信号をダイオードなどの非線形素子により自乗検波した後にフィルタを通すことで、ミリ波帯局部発振器を用いることなく、中間周波数帯信号として、光送信器の入力端子に入力された２値のディジタル信号に対する位相差がπとなる低周波数帯の電気位相信号を得ることができる。

中間周波数帯信号の電界Ｅ_IFは、次式のように表すことができる。

Ｅ_IF∝４ｍ⁴αＡ⁴cos｛２πｆ_IFｔ＋πａ_i｝ …（６）
また、請求項２では、前記光変調器として、前記単一スペクトル光源から出力された光信号に対し、前記電気合波器からの出力電気帯域信号にて搬送波抑圧両側波帯光変調を施す光変調器を備えたことを特徴とする請求項１記載の光送信器をもって解決手段とする。

請求項２の発明によれば、単一スペクトル光源の出力光信号に対しての電気合波器の出力電気帯域信号を用いた光変調において、光変調度ｍが最大となる搬送波抑圧両側波帯光変調を施すことで、１次成分として得られる所望の４波の光信号の電力を最大にできる。これにより、受光素子の自乗検波において、一定の光信号電力から抽出される（５）式の無線信号の電力を最大化することができるため、通信品質の向上が見込める。

また、請求項３では、前記第１または第２の電気発振器のいずれか他方から出力された前記電気搬送波信号の電圧振幅と前記電気位相変調器から出力された前記電気位相変調信号の電圧振幅とが等しくなるように、当該第１または第２の電気発振器のいずれか他方から出力された電気搬送波信号の電圧振幅及び当該電気位相変調器から出力された電気位相変調信号の電圧振幅をそれぞれ制御して前記電気合波器へ出力する第１及び第２の電気出力制御部を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の光送信器をもって解決手段とする。

光変調の１次成分として生成される４波の光信号の電力Ｐ_optは、比例定数Ｒを用いて次の式で表すことができる。

Ｐ_opt＝Ｒｍ²（α²＋１）Ａ² …（７）
一方、（７）式の４波の光信号を受光素子で自乗検波することで得られるミリ波帯無線信号の電力Ｐ_RFは、次の式で表すことができる。

Ｐ_RF∝（α⁴＋４α²＋１）ｍ⁴Ａ⁴ …（８）
（７）式を（８）式に代入することで、ある一定の電力の光信号（Ｐ_opt）を受光素子で自乗検波して得られるミリ波帯無線信号の電力を次の式で表すことができる。

Ｐ_RF∝｛（α⁴＋４α²＋１）／（α²＋１）²｝Ｐ_opt ² …（９）
（９）式の右辺は、α＝１において最大になることから、請求項３の発明により、光変調器に入力する電気搬送波信号の電圧振幅と電気位相変調信号の電圧振幅が等しくなるようそれぞれ制御することで、一定の電力の光信号を受光素子の自乗検波して得られる無線信号の電力を最大化できることが分かる。これにより、通信品質の向上が見込める。

以上説明したように、無線基地局に光信号を送信する広帯域光−無線融合通信システムにおいて、本発明の光送信器により、無線伝送において周波数利用効率の高いサブキャリア伝送が可能になり、広帯域ディジタル信号の伝送時でも、無線加入者端末で複雑な多値復調回路を用いることなく受信することができる。これにより、無線加入者端末を安価かつ単純なハードウェア構成にすることが可能となる。

＜実施の形態１＞
本発明の第１の実施の形態について、図５、図６、図７のブロック構成図と、図８の電気周波数及び光周波数の信号スペクトル図を参照して説明する。

図５は本発明の第１の実施の形態の光送信器１を示すブロック構成図であるが、２は伝送する２値（０，１）の電気ディジタル信号を入力する入力端子、３は単一スペクトルの光信号を発生する単一スペクトル光源、４，５は電気搬送波信号（１ｂ，１ｄ）をそれぞれ発生する第１及び第２の電気発振器、６は第１の電気発振器４または第２の電気発振器５のいずれか一方、ここでは電気発振器４から出力された電気搬送波信号（１ｂ）を前記電気ディジタル信号にて位相変調、特に一方の値（０）の電気ディジタル信号に対する出力電気位相変調信号の位相と、他方の値（１）の電気ディジタル信号に対する出力電気位相変調信号の位相との位相差がπとなるように位相変調を施す電気位相変調器、７は第１の電気発振器４または第２の電気発振器５のいずれか他方、ここでは電気発振器５から出力された電気搬送波信号（１ｄ）と、電気位相変調器６から出力された電気位相変調信号（１ｃ）とを合波して電気帯域信号（１ｅ）を出力する電気合波器、８は単一スペクトル光源３から出力された光信号（１ａ）に対し、電気合波器７からの出力電気帯域信号（１ｅ）にて光強度変調もしくは搬送波抑圧両側波帯光変調を施す光変調器である。図８では光変調器８により搬送波抑圧両側波帯光変調を施した場合の出力光信号スペクトル（１ｆ）を示している。

この光送信器１において、電気発振器４，５で発生する電気搬送波信号の中心周波数を各々の中心周波数の和が所望の無線信号の周波数に等しく、各々の中心周波数の差が所望の中間周波数信号の周波数に等しくなるようにする、具体的には、電気発振器４からの出力電気搬送波信号（１ｂ）の中心周波数が、ミリ波帯などの無線信号の周波数（ｆ_RF）と中間周波数信号の周波数（ｆ_IF）との差の半値の周波数（（ｆ_RF−ｆ_IF）／２）に等しく、さらに、電気発振器５からの出力電気搬送波信号（１ｄ）の中心周波数が、ミリ波帯などの無線信号の周波数（ｆ_RF）と中間周波数信号の周波数（ｆ_IF）との和の半値の周波数（（ｆ_RF＋ｆ_IF）／２）に等しくなるようにする。

上記のようにして光送信器１から送信された光信号（１ｆ）は、図６に示す無線基地局９で受信される。

無線基地局９は、光信号（１ｆ）を自乗検波して電気信号に変換する受光素子１０と、この受光素子１０からの出力電気信号（１ｇ）であるミリ波帯無線信号を電波として送出するアンテナ１１とによって構成される。ここで、光送信器１において、電気発振器４，５からの出力電気搬送波信号（１ｂ，１ｄ）の中心周波数を前記のように設定しておくことで、受光素子１０の出力として、１波の位相変調信号（ｆ_RF）と２波の搬送波信号（ｆ_RF＋ｆ_IF，ｆ_RF−ｆ_IF）との計３波のミリ波帯無線信号（１ｇ：ｆ_RF＋ｆ_IF，ｆ_RF，ｆ_RF−ｆ_IF）を得ることができる。

図７は本発明の第１の実施の形態の無線加入者端末１２を示すブロック構成図である。無線基地局９から送出されたミリ波帯無線信号（１ｇ）はアンテナ１３により受信された後、ミキサダイオードなどの非線形素子を用いた乗算器１４により自乗検波され、さらにこの乗算器１４からの出力電気信号（１ｈ）をフィルタ１５に通すことで、ミリ波帯の電気発振器を用いることなく、中間周波数帯の電気位相変調信号（１ｉ）を得ることができる。

＜実施の形態２＞
本発明の第２の実施の形態について、図６、図７、図９のブロック構成図と、図１０の電気周波数及び光周波数の信号スペクトル図を参照して説明する。

図９は本発明の第２の実施の形態の光送信器２１を示すブロック構成図であり、２２は伝送する２値（０，１）の電気ディジタル信号を入力する入力端子、２３は単一スペクトルの光信号を発生する単一スペクトル光源、２４，２５は電気搬送波信号（２ｂ，２ｄ）をそれぞれ発生する第１及び第２の電気発振器、２６は第１の電気発振器２４または第２の電気発振器２５のいずれか一方、ここでは電気発振器２４から出力された電気搬送波信号（２ｂ）を前記電気ディジタル信号にて位相変調、特に一方の値（０）の電気ディジタル信号に対する出力電気位相変調信号の位相と、他方の値（１）の電気ディジタル信号に対する出力電気位相変調信号の位相との位相差がπとなるように位相変調を施す電気位相変調器、２７，２８は第１の電気発振器２４または第２の電気発振器２５のいずれか他方、ここでは電気発振器２５から出力された電気搬送波信号（２ｄ）の電圧振幅と電気位相変調器２６から出力された電気位相変調信号（２ｃ）の電圧振幅とが等しくなるように、当該電気発振器２５から出力された電気搬送波信号（２ｄ）の電圧振幅及び電気位相変調器２６から出力された電気位相変調信号（２ｃ）の電圧振幅をそれぞれ制御する第１及び第２の電気出力制御部、２９は電気出力制御部２７，２８からの出力電気信号を合波して電気帯域信号（２ｅ）を出力する電気合波器、３０は単一スペクトル光源２３から出力された光信号（２ａ）に対し、電気合波器２９からの出力電気帯域信号（２ｅ）にて光強度変調もしくは搬送波抑圧両側波帯光変調を施す光変調器である。図１０では光変調器３０により搬送波抑圧両側波帯光変調を施した場合の出力光信号スペクトル（２ｆ）を示している。

この光送信器２１において、電気発振器２４，２５で発生する電気搬送波信号の中心周波数を各々の中心周波数の和が所望の無線信号の周波数に等しく、各々の中心周波数の差が所望の中間周波数信号の周波数に等しくなるようにする、具体的には、電気発振器２４からの出力電気搬送波信号（２ｂ）の中心周波数が、ミリ波帯などの無線信号の周波数（ｆ_RF）と中間周波数信号の周波数（ｆ_IF）との差の半値の周波数（（ｆ_RF−ｆ_IF）／２）に等しく、さらに、電気発振器２５からの出力電気搬送波信号（２ｄ）の中心周波数が、ミリ波帯などの無線信号の周波数（ｆ_RF）と中間周波数信号の周波数（ｆ_IF）との和の半値の周波数（（ｆ_RF＋ｆ_IF）／２）に等しくなるようにする。

上記のようにして光送信器１から送信された光信号（２ｆ）は、第１の実施の形態の場合と同様に、図６に示す無線基地局９の受光素子１０で自乗検波され、１波の位相変調信号（ｆ_RF）と２波の搬送波信号（ｆ_RF＋ｆ_IF，ｆ_RF−ｆ_IF）との計３波のミリ波帯無線信号（２ｇ：ｆ_RF＋ｆ_IF，ｆ_RF，ｆ_RF−ｆ_IF）を得ることができる。

ここで、光送信器２１において、電気出力制御部２７，２８を用いて電気帯域信号（２ｅ）における２波の信号の電圧振幅が等しくなるよう制御しているため、一定の電力の光信号（２ｆ）から受光素子の自乗検波で得られるミリ波帯無線信号（２ｇ）の電力を最大化することができる。

ミリ波帯無線信号（２ｇ）はアンテナ１１から送出され、第１の実施の形態の場合と同様に、図７に示す無線加入者端末１２において自乗検波され、中間周波数帯信号に変換された後、中間周波数帯において復調される。

従来の光送信器の一例を示すブロック構成図従来の無線基地局の一例を示すブロック構成図従来の無線加入者端末の一例を示すブロック構成図従来の光−無線融合通信システムにおける信号スペクトルの一例を示す図本発明の第１の実施の形態に係る光送信器を示すブロック構成図本発明の第１及び第２の実施の形態に係る無線基地局を示すブロック構成図本発明の第１及び第２の実施の形態に係る無線加入者端末を示すブロック構成図本発明の第１の実施の形態に係る信号スペクトルの一例を示す図本発明の第２の実施の形態に係る光送信器を示すブロック構成図本発明の第２の実施の形態に係る信号スペクトルの一例を示す図

符号の説明

１，２１，１０１：光送信器、２，２２，１０２：入力端子、３，２３，１０３：単一スペクトル光源、４，５，２４，２５，１０４，１０５：電気発振器、６，２６，１０６：電気位相変調器、７，２９：電気合波器、８，３０，１０７，１０８：光変調器、９，１０９：無線基地局、１０，１１０：受光素子、１１，１３，１１１，１１３：アンテナ、１２，１１２：無線加入者端末、１４，１１４：乗算器、１５，１１５：フィルタ、１６，１１６：復調器、１７，１１７：出力端子、２７，２８：電気出力制御部。

Claims

無線基地局に光信号を送信する光送信器において、
単一スペクトルの光信号を発生する単一スペクトル光源と、
各々の中心周波数の和が所望の無線信号の周波数に等しく、各々の中心周波数の差が所望の中間周波数信号の周波数に等しい電気搬送波信号をそれぞれ発生する第１及び第２の電気発振器と、
前記第１または第２の電気発振器のいずれか一方から出力された電気搬送波信号に対し、２つの値を取り得る電気ディジタル信号にて位相変調を施して電気位相変調信号を出力する電気位相変調器であって、前記２つの値のうちの一方の値の電気ディジタル信号に対する出力電気位相変調信号の位相と、前記２つの値のうちの他方の値の電気ディジタル信号に対する出力電気位相変調信号の位相との位相差がπとなるように位相変調を施す電気位相変調器と、
前記第１または第２の電気発振器のいずれか他方から出力された電気搬送波信号と、前記電気位相変調器から出力された前記電気位相変調信号とを合波して電気帯域信号を出力する電気合波器と、
前記単一スペクトル光源から出力された光信号に対し、前記電気合波器からの出力電気帯域信号にて光変調を施す光変調器とを備えた
ことを特徴とする光送信器。
前記光変調器として、
前記単一スペクトル光源から出力された光信号に対し、前記電気合波器からの出力電気帯域信号にて搬送波抑圧両側波帯光変調を施す光変調器を備えた
ことを特徴とする請求項１記載の光送信器。
前記第１または第２の電気発振器のいずれか他方から出力された前記電気搬送波信号の電圧振幅と前記電気位相変調器から出力された前記電気位相変調信号の電圧振幅とが等しくなるように、当該第１または第２の電気発振器のいずれか他方から出力された電気搬送波信号の電圧振幅及び当該電気位相変調器から出力された電気位相変調信号の電圧振幅をそれぞれ制御して前記電気合波器へ出力する第１及び第２の電気出力制御部を備えた
ことを特徴とする請求項１または２記載の光送信器。