JP5351080B2 - 受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、受信装置に係り、特にＹｕｅｎ量子暗号に代表される光強度多値変調を用いた暗号通信システムにおける受信感度の改善に関する。

Ｙｕｅｎ量子暗号は光通信量子暗号通信とも呼ばれ、光の量子ゆらぎ（量子ショット雑音）を変調によって拡散させ、盗聴者によって光信号を正確に受信できなくする通信技術であり、共通鍵量子暗号へ適用することが提唱されている。この共通鍵量子暗号は、２値の送信データを搬送する２値の光信号を１つのセット（基底という）とし、この基底を複数Ｍ個用意し、何れの基底を使ってデータを送るかは暗号鍵に従う擬似乱数によって不規則に決める。現実的には光Ｍ値信号は量子ゆらぎによって識別ができないほど信号間距離が小さく設計されているため、結局、盗聴者は全く受信信号からデータ情報を読みとることができない。

正規の送受信者の光変復調装置は、２値のＭ個の基底を共通の擬似乱数にしたがって切り換えて通信するため、正規の受信者は信号間距離の大きな２値の信号判定によってデータを読みとることができる。量子ゆらぎによるエラーは無視でき、正規の送受信者間では正確な通信が可能となる。この光変調方式による暗号は、Ｙｕｅｎ−２０００暗号通信プロトコル（Ｙ−００プロトコルと略称される）によるＹｕｅｎ量子暗号と呼ばれる。

Ｙｕｅｎ量子暗号における多値信号とは、一般的な０と１の２つのレベルを用いた信号ではなく、さらに細かくレベルを設け多くの情報を一度に表現可能である。２値信号の場合、一度に表現可能な情報量が１ビットなのに対し、多値数２^Mの多値信号を用いた場合、一度に表現可能な情報量はＭビットとなる。送信側では、送信する情報を予め決められた法則に従って２^M個の多値レベル中から１値選択する。一方、受信側では、２^M個のレベルを識別するために、各レベル間に識別閾値を設定し各識別閾値の識別状況から、受信した信号のレベルを求める。これにより２値信号を用いた通信と比べて、大容量の通信を行うことができる。Ｙｕｅｎ量子暗号を用いた通信の原理、及び受信装置の構成については、例えば、特許文献１に開示されている。

Ｙｕｅｎ量子暗号を用いた通信は大容量の通信が可能であるが、一方で、受信側において受信データを識別するために小さな振幅での識別を要求されるため、誤りが発生しやすいという問題がある。この問題に対処するために、特許文献２には、多値信号振幅値に応じた振幅を有するリファレンスクロックを用いて受信感度を改善する受信装置が開示されている。

特開２００６−３０３９２７公報 特開２００７−８１８０８公報

特許文献２に開示された手法は、伝送前後の多値信号とリファレンスクロックの振幅が同様の減少傾向の場合、受信感度の改善に対して有効である。しかし、信号伝送には高周波信号は伝送による振幅減少度合いは大きく、低周波信号は減少度合いが小さくなる傾向がある。多値信号において考えると、多値レベルが頻繁に変化する場合と変化が少ない時とでは振幅の減少度合いが異なってくる。この様な信号の遷移状態に依存する振幅の減少に対して、リファレンスクロックの様な常に一定の遷移を繰り返す信号を基準とした閾値信号の補正は効果が低いと考えられる。

また、送信装置及び受信装置にリファレンスクロックの生成、検出回路が必要となる。また光伝送への応用を想定した場合、多値信号とリファレンスクロックを同時に送信及び受信する機能が必要となり、低コスト化及び装置の開発期間の短縮化の点で問題がある。

本発明の目的は、受信装置において多値信号を識別するための閾値信号を補正して用いて、受信感度を向上させることにある。

本発明による受信装置は、好ましくは、受信し多値信号に対して、所定の閾値信号を用いて２値の識別を行って受信データを得る受信装置において、基準となる第１の閾値信号を生成する基準閾値生成部と、受信した多値信号と一定時間前に受信した多値信号の遷移量から変化量を求める変化量算出部と、該変化量算出部で算出された該変化量を用いて、該基準閾値生成部で生成された該第１の閾値信号を補正して複数の第２の閾値信号を生成する調整部と、該調整部によって生成された複数の該第２の閾値信号を用いて、該多値信号を識別する２値識別部と、該２値識別部で識別された複数の識別信号を基に、多値レベル信号の変化の境界を検出して受信した多値レベル信号の多値レベルを得る多値レベル判別部を有することを特徴とする受信装置として構成される。

好ましい例では、前記変化量算出部は、あるタイミングで受信した多値信号と、該タイミングよりも１ビット前に受信した多値信号とを比較する比較器を有し、該比較器の比較結果に応じて、１ビット間の多値信号の変化量を求める。
また、好ましくは、前記２値識別部は、前記第２の閾値信号を得るに要した時間だけ保持された、複数の多値信号に対して、該第２の閾値信号を用いて識別する。

本発明によれば、多値信号を識別するための閾値信号を調整することにより、識別対象となる受信信号と識別閾値との間隔を一定に保つことができる。これにより、受信感度を向上させることが可能となる。

アイ開口率の説明に供する図。 多値信号における信号遷移の特徴を示す図。 多値信号識別時の減少を示す図。 光強度変調方式によるＹｕｅｎ量子暗号を用いた一般的な通信システムの構成を示す図。 一実施形態における受信装置における多値レベル制御ブロックを示す図。 一実施形態の受信装置における２値識別回路の出力結果より多値信号α_tの多値レベルを判別する概念を示す図。

まず、図１を参照して、アイ開口率について説明する。
多値信号通信を行う場合、アイ開口率が問題となる。アイ開口率とは、信号全振幅に対するアイ開口振幅の割合を示す。導出式は、アイ開口率(％)＝（信号全振幅／アイ開口振幅）＊１００ で表す。
一般的に信号のビットレートが高くなるほどアイ開口率が下がり、見かけ上信号間距離が狭まるため、受信感度が悪化する原因となる。

アイ開口率は送信信号の全振幅によらず一定であるため、信号レベルの遷移量によってアイ開口が変わってくる。図２に示す様に、多値レベル０から多値レベル２に信号が遷移する場合と、多値レベル１から多値レベル２に遷移する場合とでは、実際に送信される信号レベルは異なる。

例えば図３の様に、閾値レベルβとして固定閾値を用いた場合、識別ポイントＰを持つ同じ多値レベル２の信号を識別する時、多値レベル０から１へ遷移する信号の場合、識別誤りが発生しやすくなる。

これに対処するため、全ての遷移パターンを算出し、閾値設定を行うことも可能であるが、多値信号の様にレベル間の振幅が小さい信号の場合、閾値信号と信号レベルとの差が小さくなることにより識別誤りが発生しやすくなる。本発明はこの問題を解決するものである。

最初に、図４を参照して、光強度変調方式によるＹｕｅｎ量子暗号の通信システムの一般的な構成例について説明する。光ファイバーの伝送路１００を介して、送信装置（左側）と受信装置（右側）が接続される。
送信装置は、暗号鍵Ｋの入力により擬似乱数を発生しＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生する送信用擬似乱数発生部１０２と、１または０の送信データを発生する送信データ発生部１０４と、送信データに対してＲｕｎｎｉｎｇ鍵の値に応じて多値レベルのアナログ信号（多値レベル信号）を生成する多値光生成部１０６を有する。送信側では、送信データ発生部１０４で発生した送信データは、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の値に従い多値光生成部１０６で多値光信号として生成され、伝送路１００を通って受信装置へ送信される。

受信装置は、伝送路１００を通過した光信号を受信して光電変換を行うフォトダイオード１０５と、暗号鍵Ｋの入力により送信側疑似乱数発生部１０２と、同期がとられた同一のＲｕｎｎｉｎｇ鍵を発生する受信側の擬似乱数発生部１０３と、閾値制御部１０７とを有して構成される。閾値制御部１０７は、フォトダイオード１０５で受信した光信号を受信用擬似乱数発生部１０３から生成されたＲｕｎｎｉｎｇ鍵に従って多値信号判定用の受信閾値を制御し、この受信閾値を用いて、２値（１と０）の判定（弁別）を行って、２値データである受信データを出力する。

次に、図５を参照して、一実施形態による受信装置における多値レベル制御について説明する。
受信装置は、識別対象となる多値信号α_tを受信する。受信装置は、受信した多値信号α_tを３つ分割する信号分割部５０１、分割された１つの多値信号α_tを保持する保持部５０２、比較器５０３、信号分割部５０４、基準閾値信号を生成する基準閾値電圧生成部５０５、複数Ｍ個の調整部５０６、分割された１つの多値信号α_tを保持する保持部５０７、信号分割部５０８、複数Ｍ個の２値識別部５０９、多値レベル判別部５１０を有して構成される。この構成により、基準閾値電圧生成部５０５で生成されるＭ個の各基準閾値信号を、Ｍ個の信号分割部５０４出力の補正量に応じてレベル変更して、その変更された閾値信号β１´〜βM´を用いて、Ｍ個の多値信号を識別し、多値レベル判別部５１０で判別されたレベルの変化点を当該判別レベルとして出力する。

ここで、信号分割部５０１、５０４、５０８、は、１つの信号を複数に分割する一般的な回路である。
比較器５０３は、例えば多値信号α_tを基準電圧としたコンパレータ回路、又はＡＤ変換器を用いた減算回路などで構成され、現在入力された多値信号α_tと、保持部５０２で保持されていた１ビット前の多値信号α_t-１とを比較する。この比較器５０３により１ビット間の多値信号の変化量Ｌi（振幅差の遷移より求めた閾値信号補正量）を求め、この変化量を元に閾値信号の振幅を制御する補正量信号Ｓ１を算出する。ここで、振幅差より求めた閾値信号の補正量とは、例えば、あるタイミング（α）でのレベルＬとその一周期前（α−１）のレベルの差である（図３）。

調整部５０６は、それぞれの基準閾値信号を変更する回路であり、基準閾値電圧生成部５０５で生成された、Ｍ個の補正前の閾値信号β１〜βMを、比較器５０３で生成された閾値信号補正量Ｌiに従って増減させ、補正後閾値信号β１´〜βM´を生成する。調整部５０６は、例えば、閾値信号補正量Ｌiに一定値γを乗算しその乗算結果を元の値Ｌiから加減算する、乗算器及び加減算器の機能を有する演算器である。即ち、演算器で（Ｌi−Ｌi＊γ）を計算した結果のレベルとなる補正後閾値信号を生成する。

多値信号の識別は、複数Ｍ個の２値識別部５０９、多値レベル判別部５１０において、信号分割部５０８からの分割された多値信号と、各調整器５０６からの補正後閾値信号β１´〜βM´を用いて行われる。識別対象となる多値信号は、信号分割部５０１で分割された後、補正後閾値信号β１´〜βM´を生成するまでに要した時間分ｔ´だけ、保持部５０７で保持された後、信号分割部５０８で多値数に応じて分割されたＭ個の、多値信号α_t１´〜α_tM´である。

２値識別部５０９は、Ｍ個の多値信号α_t１´〜α_tM´に対して、補正後閾値信号β１´〜βM´を用いて識別する。識別結果として、例えば、Highレベル信号(多値信号振幅>閾値信号レベル)もしくはLowレベル信号(多値信号振幅<閾値信号レベル)から成るＭ個の２値識別信号１〜Ｍを得る。２値識別部５０９で得られた識別結果を基に、多値レベル判別部５１０は、Highレベル信号（“１”）からLowレベル信号（“０”）に変化(もしくはLow信号からHigh信号へ変化)する境界を検出し、受信した多値信号α_tの多値レベルを出力する。

図６は、受信装置における２値識別回路の出力結果より多値信号α_tの多値レベルを判別する概念を示す。
図示の例によれば、２値識別部５０９の識別結果より、多値信号α_tは、閾値信号β２´よりも小さい値で、閾値信号β３´よりも大きい値であることがわかる。この結果より、多値レベルと閾値信号が、多値レベル判別部５１０内に示す多値レベル１〜Ｍの関係を持っていたとすると、多値信号α_tは多値レベル３であると判別できる。

以上のように、本実施例によれば、信号の遷移量とアイ開口率を用いて、信号遷移量の違いから生じる多値レベルの変動を補正することができ、受信感度の悪化を防止することができる。

５０１：信号分割部、５０２：保持部、５０３：比較器、５０４：信号分割部、５０５：調整部、５０６：基準閾値電圧生成部、５０７：保持部、５０８：信号分割部、５０９：２値識別部、５１０：多値レベル判別部。

Claims (3)

1. 受信し多値信号に対して、所定の閾値信号を用いて２値の識別を行って受信データを得る受信装置において、
   基準となる第１の閾値信号を生成する基準閾値生成部と、
   受信した多値信号と一定時間前に受信した多値信号の遷移量から変化量を求める変化量算出部と、
   該変化量算出部で算出された該変化量を用いて、該基準閾値生成部で生成された該第１の閾値信号を補正して複数の第２の閾値信号を生成する調整部と、
   該調整部によって生成された複数の該第２の閾値信号を用いて、該多値信号を識別する２値識別部と、
   該２値識別部で識別された複数の識別信号を基に、多値レベル信号の変化の境界を検出して受信した多値レベル信号の多値レベルを得る多値レベル判別部と、
   を有することを特徴とする受信装置。
2. 前記変化量算出部は、あるタイミングで受信した多値信号と、該タイミングよりも一周期前に受信した多値信号とを比較する比較器を有し、該比較器の比較結果に応じて、周期間の多値信号の変化量を求めることを特徴とする請求項１の受信装置。
3. 前記２値識別部は、前記第２の閾値信号を得るに要した時間だけ保持された、複数の多値信号に対して、該第２の閾値信号を用いて識別することを特徴とする請求項１又は２の受信装置。

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