JP5549755B1 - 光ネットワーク、送信装置、受信装置及び通信方法 - Google Patents

光ネットワーク、送信装置、受信装置及び通信方法 Download PDF

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Abstract

【課題】大きな周波数オフセットが発生する場合であっても、周波数オフセットを検出し、補償を可能にする。
【解決手段】送信装置は、送信側基準周波数ftcの連続光を、OFDM電気信号により変調したOFDM光信号と、OFDMシンボル周期TOFDMのn倍(nは2以上の整数)のトレーニングシンボル周期TTSごとに、OFDMシンボル周期TOFDMの間生成される、送信側基準周波数ftcの連続光信号を通信信号として生成する。受信装置は、受信側基準周波数frcの連続光と、通信信号とを干渉させた結果得られる光信号を光電変換してOFDM電気信号を生成し、OFDM電気信号に対して、受信側基準周波数frcと送信側基準周波数ftcの差に応じて定まる周波数オフセットを補償する。
【選択図】図1

Description

この発明は、コヒーレント光直交周波数分割多重(CO−OFDM:Coherent Optical−Orthogonal Frequency Division Multiplexing)を用いる光ネットワークと、この光ネットワークで用いて好適な送信装置及び受信装置と、この光ネットワークで実行される通信方法に関し、特に、周波数オフセットを補償する技術に関する。
近年、インターネットの普及や、スマートフォン等で用いられるモバイルアプリケーションの発達により、通信需要が急速に増大している。この通信需要の増大に対応して、光ファイバを用いた高速かつ大容量の光ネットワークが整備されつつある。
通信事業者の所有する建物(局)と加入者宅を結ぶ光ネットワークは、加入者系光ネットワーク又はアクセス系光ネットワークと呼ばれる。加入者系光ネットワークでは、既存及び新設のシステムが混在しており、サービスごとに光ネットワークに要求される条件が異なる。このため、サービスごとに性質が異なるトラヒックを収容でき、かつ、サービスの変更や新たなサービスの追加が容易に行える光ネットワークが求められる。
OFDMは、複数のサブキャリアを通じて、送信側から受信側に情報を転送する技術である。OFDMでは、変調、多重化、復調などの一連の処理は、離散フーリエ変換などを用いてディジタル的に実行される。このため、サブキャリア数の増減や、新たなチャネルのサブキャリアへの割当は容易に行える。従って、OFDMを用いた光ネットワークは上述の要求を満足する光ネットワークとして期待される。
CO−OFDMを用いる光ネットワークでの送受信方法は、インコヒーレント通信とコヒーレント通信の、大きく2つに分類される。
インコヒーレント通信は、光の強度検波に基づいており、強度変調―直接検波とも呼ばれる。インコヒーレント通信は、電気−光−電気の変換過程が非線形であることが特徴の一つである。現在商用化されている光ネットワークではインコヒーレント通信が多く用いられている。
コヒーレント通信は、光の同期検波に基づいている。コヒーレント通信では、送信側において、光の振幅、周波数又は位相、もしくはこれらの複数に情報をマッピングして送出し、受信側において、局部発振器から出力される連続光を信号光に干渉させる。干渉の結果得られる光を、光電変換するとそのビート成分が検出され、その結果所望の情報を含んだ電気信号が得られる。コヒーレント通信は、電気−光−電気の変換過程が線形であることが特徴の一つである。
このため、電気通信で用いられる伝達関数に基づく線形等化を応用することにより、伝送路で生じる波長分散、偏光分散等の波形歪みを補償することができる。また、同期検波であるので、同条件のインコヒーレント通信に比べて信号雑音比(SN比)が高く、伝送路損失に対する耐性が高い。従って、加入者、サービスの追加や変更、長距離化、多分岐化に対して、コヒーレント通信は好都合である。
近年、コヒーレント通信において、上述の補償をディジタル的に処理するディジタルコヒーレント通信が、さかんに研究されている。また、OFDMとディジタルコヒーレント通信を組み合わせたCO−OFDM技術の研究もなされている(例えば、非特許文献1参照)。
CO−OFDMの送受信において、ホモダイン検波を用いる場合、信号光の搬送波周波数(送信側基準周波数)ftcと、受信側の局部発振器の周波数(受信側基準周波数)frcが一致する必要がある。これらの周波数ftc及びfrcが不一致の場合、OFDM信号の復調の際、復元される情報に誤りが生じる原因となる。この周波数の不一致が生じる一因は、信号光と局部発振光を発生させるための光源装置の出力周波数が、装置ごとにばらつくことにある。さらに、環境温度変動等の影響で、光源装置の稼働中に出力周波数が変動することもある。
この送信側基準周波数ftcと、受信側基準周波数frcの差である周波数オフセットを検出する方法として、ガードインターバル(GI)を利用して位相の時間変化を求める方法がある(例えば、非特許文献2参照)。なお、このガードインターバルは、サイクリックプレフィクス(CP:Cyclic Prefix)と称される場合もある。
このガードインターバルを用いる方法では、OFDMシンボル周期TOFDMの逆数で与えられる周波数fの範囲の周波数オフセットを検出することができる。また、無線LANの規格であるIEEE802.11aによれば、ヘッダを工夫することによりOFDMシンボル周期の逆数の2倍の周波数範囲の周波数オフセットを検出することができる。
S.L.Jansen, et al.,"Coherent Optical 25.8−Gb/s OFDM Transmission Over 4160−km SSMF", J.Lightwave Technol., vol.26, no.1、pp.6−15、Jan.1,2008 伊丹誠著「わかりやすいOFDM技術」オーム社
しかしながら、上述の非特許文献2に開示されている技術では、OFDMシンボル周期TOFDMの逆数を超える周波数オフセットを検出することができない。また、無線LANの規格であるIEEE802.11aの技術では、ヘッダを工夫する必要があり、それでもなお、OFDMシンボル周期TOFDMの逆数の2倍の周波数範囲を超える周波数オフセットを検出することができない。
例えば、10Gbit/sのビットレートで、64QAMの変調を行い、FFTの標本数が256のシステムでは、検出できる周波数オフセットは数10MHz程度である。これに対し、市販の光源装置では、±1.5GHz程度の変動が想定される。従って、従来の技術では、周波数オフセットを検出することができない。
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、OFDMシンボル周期TOFDMの逆数を超えるような大きな周波数オフセットが発生する場合であっても、周波数オフセットを検出し、補償を可能にする光ネットワークと、この光ネットワークで用いて好適な送信装置及び受信装置と、この光ネットワークで実行される通信方法を提供することにある。
上述した目的を達成するために、この発明のCO−OFDMを用いる光ネットワークは、送信装置と、受信装置とを備えて構成される。
送信装置は、送信側基準周波数ftcの連続光をOFDM電気信号により変調したOFDM光信号、及び、OFDMシンボル周期TOFDMのn倍(nは2以上の整数)のトレーニングシンボル周期TTSごとに、OFDMシンボル周期TOFDMの間生成される、送信側基準周波数ftcの連続光信号を含む通信信号を生成する。受信装置は、受信側基準周波数frcの連続光、及び、通信信号に含まれる連続光信号を干渉させた後、光電変換して得られる連続電気信号から周波数オフセットを検出する。また、受信側基準周波数frcの連続光、及び、通信信号に含まれるOFDM光信号を干渉させた後、光電変換して得られるOFDM電気信号に対して、周波数オフセットを補償する。
また、この発明の、CO−OFDMを用いる光ネットワークで用いられる送信装置は、入力されたビット列から、同相成分及び直交成分を含むOFDM電気信号を生成する送信側電気信号生成手段と、送信側基準周波数ftcの連続光を生成する送信側連続光源を備え、OFDM電気信号に基づいて、OFDM光信号と連続光信号を含む送信信号を生成する光信号生成手段と、同相バイアス電圧及び直交バイアス電圧を第1のレベルとし、トレーニングシンボル周期TTSごとに、OFDMシンボル周期TOFDMの間、同相バイアス電圧及び直交バイアス電圧のいずれか一方又は双方を第2のレベルに変更するバイアス電圧設定手段とを備えて構成される。
光信号生成手段は、同相バイアス電圧が第1レベルのとき、連続光をOFDM電気信号の同相成分で変調することによりOFDM光信号の同相成分を生成し、同相バイアス電圧が第2レベルのとき、連続光信号を生成し、直交バイアス電圧が第1レベルのとき、連続光をOFDM電気信号の直交成分で変調することによりOFDM光信号の直交成分を生成し、直交バイアス電圧が第2レベルのとき、連続光信号を生成する。
また、この発明の、CO−OFDMを用いる光ネットワークで用いられる、OFDM光信号と、トレーニングシンボル周期TTSごとに、OFDMシンボル周期TOFDMの間生成される、送信側基準周波数ftcの連続光信号を含む通信信号を受信する受信装置は、受信側基準周波数frcの連続光を生成する受信側連続光源を備え、OFDM光信号から、同相成分及び直交成分を含むOFDM電気信号を生成し、連続光信号から連続電気信号を生成する受信側電気信号生成手段と、OFDM電気信号から、ビット列を生成するビット列生成手段と、周波数オフセット生成手段とを備えて構成される。
ビット列生成手段は、OFDM電気信号及び連続電気信号をディジタル信号に変換するアナログ−ディジタル変換手段と、ディジタル信号に対して、周波数オフセット生成手段で生成されたシフト量の位相シフトを施す位相シフト手段と、ディジタル信号からOFDMシンボル周期ごとにOFDMシンボルタイミングを抽出するOFDMシンボル同期手段と、ディジタル信号を、直列/並列変換する、直並列変換手段と、直列/並列変換されたディジタル信号に対して、離散フーリエ変換を施す離散フーリエ変換器と、離散フーリエ変換されたディジタル信号を並列/直列変換する、並直列変換手段と、並列/直列変換されたディジタル信号からビット列を生成するシンボルデマッパとを備える。周波数オフセット生成手段は、離散フーリエ変換されたディジタル信号の周波数スペクトルから最大値と該最大値を得る周波数を取得し、最大値が、予め設定された閾値よりも大きいときに、最大値を与える周波数を周波数オフセットとし、周波数オフセットに2πとADCサンプリング周期を積算した後、2πで剰余算を施してシフト量を取得する。
また、この発明のCO−OFDMを用いる光ネットワークにおける通信方法は、以下の過程を実施する。先ず、送信装置が、送信側基準周波数ftcの連続光を、OFDM電気信号により変調したOFDM光信号と、トレーニングシンボル周期TTSごとに、OFDMシンボル周期TOFDMの間生成される、送信側基準周波数ftcの連続光信号を通信信号として生成する。次に、受信装置が、受信側基準周波数frcの連続光、及び、通信信号に含まれる連続光信号を干渉させた後、光電変換して得られる連続電気信号から周波数オフセットを検出し、受信側基準周波数frcの連続光、及び、通信信号に含まれるOFDM光信号を干渉させた後、光電変換して得られるOFDM電気信号に対して、周波数オフセットを補償する。
この発明の光ネットワークによれば、送信側から送られる通信信号にトレーニングシンボル周期TTSごとに連続光信号が含まれている。このため、受信側において、この連続光信号と受信側基準周波数frcの連続光とを干渉させることにより、OFDMシンボル周期TOFDMの逆数fを超える周波数オフセットであっても、容易に検出することができる。
また、この周波数オフセットに対応する位相シフトを、ディジタル信号に与えることにより、受信側連続光源の周波数を調整することなく周波数オフセットを補償できる。
CO−OFDMを用いる光ネットワークの概略図である。 光信号生成手段の動作を説明するための模式図であり、信号波形を示す。 DFTの出力の周波数スペクトルを示す模式図である。 最大値検出について説明するための模式図である。
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
図1を参照して、この発明の光ネットワークについて説明する。図1は、光ネットワークの概略図である。
光ネットワーク10は、送信装置100、伝送路200及び受信装置300を備えて構成されている。送信装置100で生成されたOFDM光信号は、伝送路200を経て受信装置300に送られる。図1及び図2では、送信装置100及び受信装置300が1つずつ設けられている1対1の光ネットワークの例を示しているが、1対多や多対多の光ネットワークにしても良い。
(送信装置)
送信装置100は、送信側電気信号生成手段110、光信号生成手段150及びバイアス電圧設定手段170を備えて構成される。
送信側電気信号生成手段110は、入力された送信情報であるビット列から、OFDM電気信号を生成する。OFDM電気信号は、同相(I:Inphase)成分及び直交(Q:Quadrature)成分を含んでいる。
送信側電気信号生成手段110は、シンボルマッパ112、直並列変換手段(S/P)114、逆離散フーリエ変換器(IDFT:Inverse Discrete Fourier Transformer)116、CP付加手段118、並直列変換手段(P/S)120、ディジタル−アナログ変換器(DAC:Digital−to−Analog Converter)122を直列に備えている。
シンボルマッパ112は、複数ビットのデータを対応する複素シンボルに変換する。すなわち、シンボルマッパ112は、1系統のビット列をI成分及びQ成分からなる2系統のシンボル列に変換する。シンボルマッパ112で変換されたシンボル列は、S/P114に送られる。
S/P114は、NDFT個のシンボル列を蓄積する。蓄積されたNDFT個のシンボル列は、直並列変換されて、IDFT116に送られる。S/P114へは2系統のシンボル列が入力されるが、S/P114からは、2NDFT系統のシンボル列が出力される。
IDFT116は、NDFT個のシンボル列に対して、一括して逆離散フーリエ変換を施し、NDFT個のOFDMシンボルを生成する。OFDMシンボルは、CP付加手段118に送られる。
伝送路200における歪として典型的なマルチパスの影響を補償するために、サイクリックプレフィクス(CP:Cyclic Prefix)を送信信号に付加することが通常行われる。このために、この例では、IDFT116とP/S120の間に、CP付加手段118を備えている。
CP付加手段118は、OFDMシンボルに、NCP個のシンボル列のCPを付加した後、P/S120に送る。CP付加手段118へは2NDFT系統のシンボル列が入力されるが、CP付加手段118からは、2(NDFT+NCP)系統のシンボル列が出力される。この付加されたCPは、受信装置300においてシンボル同期を行うために用いられる。なお、この光ネットワーク10では、CPは搬送波周波数の補償の際にも用いられる。
P/S120は、2(NDFT+NCP)系統のシンボル列であるOFDMシンボルを並直列変換して、2系統のシンボル列であるディジタル連続信号を生成し、DAC122に送る。
DAC122は、ディジタル連続信号をアナログ信号に変換する。
このアナログ信号は、第1及び第2のキャパシタ124及び126でのAC結合により、直流成分が除去され、I成分及びQ成分を含むOFDM電気信号RFtI及びRFtQとして光信号生成手段150に送られる。
光信号生成手段150は、送信側基準周波数ftcの連続光をOFDM電気信号により変調したOFDM光信号と、OFDMシンボル周期TOFDMのn倍(nは2以上の整数)のトレーニングシンボル周期TTSごとに、OFDMシンボル周期TOFDMの間生成される、送信側基準周波数ftcの連続光信号を含む通信信号を生成する。光信号生成手段150は、例えば、送信側連続光源152とIQ変調器154を備えて構成される。
送信側連続光源152は、送信側基準周波数ftcの連続光を生成する。IQ変調器154は、例えばマッハツェンダ干渉計の2本の内部導波路にそれぞれ1つずつのLN変調器を配置して構成される。一方のLN変調器(I用LN変調器)には、OFDM電気信号のI成分RFtIが印加され、マッハツェンダ干渉計の内部導波路に入力される連続光を変調して、OFDM光信号のI成分を生成する。また、他方のLN変調器(Q用LN変調器)には、OFDM電気信号のQ成分RFtQが印加され、マッハツェンダ干渉計の内部導波路に入力される連続光を変調して、OFDM光信号のQ成分を生成する。また、例えばQ用LN変調器の直後に移相器が設けられている。移相器は、Q成分の位相をπ/2ラジアンシフトさせて、I成分とQ成分の位相差をπ/2ラジアン(90度)にする。IQ変調器154からは、これらOFDM光信号のI成分及びQ成分の電界和となるOFDM光信号が出力される。
ここで、IQ変調器154が備える2つのLN変調器には、バイアス電圧設定手段170により設定されるバイアス電圧が印加される。例えば、I用LN変調器に印加されるI用バイアス電圧が第1のレベルのとき、このI用LN変調器は、OFDM電気信号のI成分に対応するOFDM光信号のI成分を出力する。一方、I用バイアス電圧が第2のレベルの時、I用LN変調器の透過率が最大となり、I用LN変調器は、連続光を出力する。
Q用LN変調器も同様であり、Q用バイアス電圧が第1のレベルのとき、OFDM電気信号のQ成分に対応するOFDM光信号のQ成分を出力し、Q用バイアス電圧が第2のレベルの時、連続光を出力する。なお、I用及びQ用バイアス電圧の第1のレベル及び第2のレベルは、I用及びQ用LN変調器により好適な値に設定される。この実施形態では、I用及びQ用バイアス電圧のいずれについても、第1のレベルを0とし、第2のレベルをVとする。なお、IQ変調器154の構成によっては、第1及び第2のレベルが、I用バイアス電圧及びQ用バイアス電圧とで異なる場合もある。
バイアス電圧設定手段170は、I用及びQ用バイアス電圧を第1のレベル(0)とし、トレーニングシンボル周期TTSごとに、OFDMシンボル周期TOFDMの間、I用及びQ用バイアス電圧のいずれか一方又は双方を第2のレベル(V)に変更する。
バイアス電圧設定手段170は、周期的に出力電圧を変更可能な直流電源を用いて構成できる。I相及びQ相バイアス電圧の双方を第2のレベルに変更する場合は、直流電源の出力を2分岐し、2つのLN変調器に印加されるバイアス電圧が同期する構成にするのが良い。また、必要に応じて、LN変調器のいずれか一方のバイアス電圧を変更するようにスイッチを設けても良い。上記機能は、当業者により実現可能であり、ここでは、図示及び詳細な説明を省略する。
図2を参照して、光信号生成手段150の動作を説明する。図2(A)〜(F)は、信号波形を示す模式図である。ここでは、I成分に連続光を含める構成例を示している。Q成分に連続光を含める構成も同様であるので、ここでは、説明を省略する。図2(A)〜(D)は横軸に時間を取って示し、図2(E)及び(F)は横軸に周波数を取って示している。
図2(A)は、シンボルマッパ112の動作速度を決めるクロック信号を示している。このクロック信号は、シンボル周期TSYMでクロックパルスを生成する。
図2(B)は、I用バイアス電圧を示している。I用バイアス電圧は、第1のレベルである電圧0の状態から、トレーニングシンボル周期TTSごとに、OFDMシンボル周期TOFDMの間だけ、第2のレベルである電圧Vに変更される。
図2(C)は、DACを動作させるクロック信号を示している。このクロック信号は、図2(A)に示されるシンボルマッパを動作させるクロック信号と同期したクロック信号であるが、トレーニングシンボル周期TTSごとに、少なくともOFDMシンボル周期TOFDMの間、クロックパルスを生成しない。このクロックパルスを生成しない間は、OFDM電気信号は生成されない。
図2(D)は、送信信号を示す。図2(B)に示すI用バイアス電圧が電圧Vとなる時間と、図2(C)に示すクロック信号が直流となる時間とを同期させることで、OFDM光信号と連続光信号を交互に含む送信信号が得られる。なお、I用バイアス電圧が電圧Vとなる時間と、DAC122を動作させるクロック信号の直流となる時間とを同期させるためには、シンボルマッパ112を動作させるクロック信号と、I用バイアス電圧との論理積をDACを動作させるクロック信号とすればよい。なお、通常、I用バイアス電圧と各クロック信号とは電圧スケールが異なるので、この場合は、正規化を行う必要がある。
図2(E)は、連続光信号の周波数スペクトルである。連続光では、送信側基準周波数ftcの成分のみをもつ輝線スペクトルとなる。
図2(F)は、OFDM光信号の周波数スペクトルである。OFDM光信号では、周波数スペクトルが、送信側基準周波数ftcの両側に現れる。BPSK、QPSK、QAMを用いた変調が行われ、全シンボルの発生確率が等しい場合、その両側帯波の位相は反転している。このため、OFDM光信号では周波数スペクトルに送信側基準周波数ftcの成分が現れない。
従って、このOFDM光信号をコヒーレント受信した場合、その受信後の電気信号の周波数スペクトルには、特別の尖頭が得られない。これに対し、連続光信号をコヒーレント受信した場合、その受信後の電気信号の周波数スペクトルには、送信側基準周波数ftcの尖頭が得られる。
一般に、OFDM信号の周波数スペクトルは、図2(F)に示されるように矩形に近い形をしている。このため、光信号から送信側基準周波数ftcの抽出が容易ではない。
これに対し、この送信装置100は、トレーニングシンボル周期TTSごとに、送信側基準周波数ftcの連続光を、OFDMシンボル周期TOFDMの間、送信する。この結果、受信装置300において、容易に送信側基準周波数ftcを抽出できる。なお、受信装置300における送信側基準周波数ftcの抽出については後述する。
(受信装置)
受信装置300は、受信側電気信号生成手段310、ビット列生成手段330及び周波数オフセット生成手段370を備えて構成される。
受信側電気信号生成手段310は、例えば受信側連続光源312、コヒーレントレシーバ314を備えて構成される。受信側連続光源312は、受信側基準周波数frcの連続光を生成する。
コヒーレントレシーバ314は、従来周知のコヒーレントレシーバを用いることができ、例えば、90°ハイブリッドカプラ、第1及び第2のバランス検波器を備えて構成される。
90°ハイブリッドカプラは、受信する光信号である通信信号と、連続光を合波することにより、第1の干渉信号を得るとともに、受信光信号と、連続光をπ/2だけ移相した連続光とを合波することにより、第2の干渉信号を得る。これら干渉信号は第1及び第2のバランス検波器に送られる。第1及び第2のバランス検波器は、内部にフォトディテクタを備えている。第1のバランス検波器は、第1の干渉信号からOFDM電気信号の同相(I)成分を生成する。一方、第2のバランス検波器は、第2の干渉信号からOFDM電気信号の直交(Q)成分を生成する。
OFDM電気信号は、キャパシタ316及び318においてAC結合により直流成分が除去された後、ビット列生成手段330に送られる。ビット列生成手段330は、OFDM電気信号からビット列を生成する。
この構成例では、ビット列生成手段330は、アナログ−ディジタル変換器(ADC:Analog−to−Digital Converter)332、位相シフト手段334、OFDMシンボル同期手段336、搬送波周波数同期手段338、直並列変換手段(S/P)340、CP削除手段342、離散フーリエ変換器(DFT)344、トレーニングシンボル(TS)削除手段346、等化器348、並直列変換手段(P/S)350及びシンボルデマッパ352を備えて構成される。従来のOFDM受信装置と同様に構成できる要素の詳細な説明は省略することもある。
ADC332は、サンプリング周期TADで、OFDM電気信号をディジタル信号に変換する。このディジタル信号は、位相シフト手段334に送られる。
位相シフト手段334は、周波数オフセット生成手段370で生成されたシフト量θの位相シフトを、ディジタル信号に対して施す。位相シフト手段334に入力される前後の、k番目のADC出力に対応するディジタル信号をそれぞれx(k)、y(k)としたとき、位相シフト手段334は、以下の演算に対応する処理を行う。
y(k)=x(k)×exp(−ikθ)
ここで、iは虚数単位である。
このように、位相シフト手段334は、位相シフトを行い、周波数オフセットを補償する。
OFDMシンボル同期手段336は、従来周知の技術を用いてディジタル信号からOFDMシンボル周期TOFDMごとにOFDMシンボルタイミングを抽出し、シンボル同期を行う。送信装置100において、CPが付加されている場合は、ディジタル信号に対して、1OFDMシンボル周期TOFDMの遅延干渉をおこなうことで、シンボル同期を行うことができる。なお、CPとは別に送信信号にシンボルタイミング抽出用の信号が含まれる場合は、それを利用してシンボル同期を行っても良い。なお、この実施形態では、OFDMシンボル同期手段336は、抽出したOFDMシンボルタイミングを示す信号を、周波数オフセット生成手段370に送る。また、シンボル同期が行われたディジタル信号は、搬送波周波数同期手段338に送られる。
搬送波周波数同期手段338は、従来周知の技術を用いて搬送波周波数同期を行う。なお、非特許文献2に開示されている従来技術と同様に構成される場合、搬送波周波数同期手段338では、−f/2〜f/2の範囲での周波数同期が可能である。この範囲を超える周波数オフセットについては、位相シフト手段334において補償される。
なお、位相シフト手段334、OFDMシンボル同期手段336及び搬送波周波数同期手段338の配置は、この順に限られない。しかし、位相シフト手段334と、搬送波周波数同期手段338は、周波数オフセット補償において、粗調整と微調整に対応する。従って、前段に粗調整に対応する位相シフト手段334を設け、後段に、微調整に対応する搬送波周波数同期手段338を設けるのが良い。また、位相シフト手段334による位相シフトにより、搬送波周波数同期手段338が不要となる場合は、搬送波周波数同期手段336を設けない構成にしても良い。
位相シフト手段334、OFDMシンボル同期手段336及び搬送波周波数同期手段338により、搬送波周波数のオフセットが補償され、かつ、シンボル同期されたディジタル信号は、直並列変換手段(S/P)340において、直列/並列変換される。その後、CP削除手段342が、CPを削除する。CPが削除された信号は、離散フーリエ変換器(DFT)344に送られる。DFT344は、ディジタル信号に対して離散フーリエ変換を施す。
離散フーリエ変換されたディジタル信号は、トレーニングシンボル(TS)削除手段346において、トレーニングシンボルが削除される。このTS削除手段346では、周波数オフセット生成手段370で生成される、TSタイミング信号に応じて、連続光に対応する信号を削除する。
さらに、等化器348において伝送路の歪等が補償された後、並直列変換手段(P/S)350において、並列/直列変換され、その後、シンボルデマッパ352において、ビット列が生成される。
この受信装置300は、OFDMシンボル同期手段336が、OFDMシンボルタイミングを周波数オフセット生成手段370に送る点、位相シフト手段334及びTS削除手段346を備える点、並びに、DFT344の出力が、ビット列生成に用いられるだけでなく、周波数オフセット生成手段370にも送られる点が、従来の受信装置と異なっている。他の構成については、従来の受信装置と同様に構成することができるので、詳細な説明を省略する。
なお、従来の受信装置と同様に構成できる部分については、ここで説明した例に限定されない。例えば、送信側でCPが付加されない場合は、受信装置300がCP削除手段342を備えない構成にしても良い。
また、TS削除手段346は、DFT344の後段に設けられていればよく、この例の配置に限定されない。並直列変換手段350の後段に設けても良いし、シンボルデマッパ352において、シンボル列からビット列を生成する際に、連続光に対応する点を除去するなどしても良い。なお、トレーニングシンボルの除去に、周波数オフセット生成手段370で生成されるTSタイミング信号を用いるには、TS削除手段346は、並直列変換手段350の前段に設けるのが良い。
周波数オフセット生成手段370は、例えば、トレーニングシンボル(TS)タイミング生成手段372、最大値検出手段374、閾値判定手段376、周波数オフセット検出手段378、積算手段380、加算手段382、2π剰余算手段384及び記憶手段386を備えて構成される。
TSタイミング生成手段372は、OFDMシンボル同期手段336で生成されるOFDMシンボルタイミングを計数する計数器を備えて構成され、TSタイミング信号を生成する。送信側で設定されるトレーニングシンボル周期が、OFDMシンボル周期のn倍の光ネットワークでは、OFDMシンボルタイミングをn回計数する都度、TSタイミング信号として、クロックパルスを出力する。
このTSタイミング信号は、最大値検出手段374に送られる。また、TSタイミング信号は、上述した、TS削除手段346にも送られる。TS削除手段346は、このTSタイミング信号に応答して、TSの削除を行う。
最大値検出手段374は、DFT344の出力の周波数スペクトルから、強度の最大値とその最大値を与える周波数を取得する。
図3及び図4を参照してDFT344の出力の周波数スペクトルと、最大値検出について説明する。ここでは、受信側基準周波数frcと、送信側基準周波数ftcとの周波数差Δfを、frc=ftc+Δfとして説明する。図3は、周波数スペクトルを示す模式図であり、横軸に周波数を取って示している。
図3(A)〜(D)では、それぞれ、左側に受信側基準周波数が大きい(Δf>0)場合を示し、右側に、受信側基準周波数が小さい(Δf<0)場合を示している。
図3(A)は、連続信号の周波数スペクトルである。連続光信号に対しては、送信側基準周波数ftcに輝線スペクトルが現れる。
図3(B)は、受信側連続光源で生成された連続光についての周波数スペクトルである。この連続光に対しては、受信側基準周波数frcに輝線スペクトルが現れる。
図3(C)は、連続信号光と受信側連続光を干渉させて得られる周波数スペクトルである。Δf>0の場合、干渉させて得られる周波数スペクトルは、−ΔfとΔfの両側スペクトルとなる。一方、Δf<0の場合、干渉させて得られる周波数スペクトルは、−|Δf|と|Δf|の両側スペクトルとなる。
図3(D)は、DFT344の周波数スペクトルを示している。
I成分及びQ成分のいずれか一方、例えばI成分のみにトレーニングシンボルが含まれる場合は、I成分の周波数スペクトルの強度の絶対値又は2乗を計算し、その最大値を取得する。I成分及びQ成分の双方にトレーニングシンボルが含まれる場合は、I成分及びQ成分の周波数スペクトルの縦軸の2乗和を計算し、その最大値を取得する。
図4は、最大値検出を説明するための模式図であり、DFT出力の周波数スペクトルを示している。図4では横軸に周波数を取って示している。
ここで、送信側基準周波数ftcと、受信側基準周波数frcとが異なる場合、DFT344の出力は、−ΔfとΔfの両側スペクトルが得られる。このため、最大値検出手段では、0からNDFT/2−1番目の周波数範囲で、最大値を検出する。これにより、両側スペクトルの一方が最大値として得られる。そして、最大値検出手段374は、この最大値を与える周波数を取得する。
次に、閾値判定手段376において、この最大値検出手段374で得られた強度の最大値が、予め定められた閾値と比較される。最大値が、予め設定された閾値以上のときに、周波数オフセット検出手段378は、この最大値を与える周波数を周波数オフセットとする。一方、閾値未満のときは、周波数オフセットを0とする。送信側基準周波数ftcと、受信側基準周波数frcが一致している場合、これらのビート成分は直流となる。この直流成分は、ADCに入力される前のAC結合により除去されるので、周波数オフセットが検出されない。
次に、積算手段380は、周波数オフセットに2πとADCのサンプリング周期TADを積算する。積算された信号は、加算手段382において記憶手段386に保存されていたシフト量と加算された後、2π剰余算手段384に送られる。
2π剰余算手段384は、加算手段382から受け取った加算信号に対して、2πの剰余算を施す。その結果が、シフト量として、記憶手段386に保存される。この記憶手段386に保存されるシフト量は、上述した位相シフト手段334に送られ、周波数オフセットの補償に用いられる。
ここで、周波数オフセットが完全に補償された場合、周波数オフセットΔfが0になる。この場合、記憶手段386に保存されているシフト量は変化しない。すなわち、周波数オフセットが変化しない限りは、シフト量は同じである。
以上説明したように、この光ネットワークでは、送信側から送られる通信信号にトレーニングシンボル周期TTSごとに連続光信号が含まれている。このため、受信側において、この連続光信号と受信側基準周波数frcの連続光とを干渉させることにより、OFDMシンボル周期TOFDMの逆数fを超える周波数オフセットであっても、容易に検出することができる。
また、この周波数オフセットに対応する位相シフトを、ディジタル信号に与えることにより、受信側連続光源の周波数を調整することなく周波数オフセットを補償できる。
さらに、OFDMで通常用いられるDFTの出力を利用して周波数オフセット量を検出するので、周波数オフセット検出に別途必要な部品点数を少なくすることができる。
10 光ネットワーク
100 送信装置
110 送信側電気信号生成手段
112 シンボルマッパ
114、340 直並列変換手段(S/P)
116 逆離散フーリエ変換器(IDFT)
118 CP付加手段
120、350 並直列変換手段(P/S)
122 ディジタル−アナログ変換器(DAC)
124、126、316、318 キャパシタ
150 光信号生成手段
152 送信側連続光源
154 IQ変調器
170 バイアス電圧設定手段
200 伝送路
300 受信装置
310 受信側電気信号生成手段
312 受信側連続光源
314 コヒーレントレシーバ
330 ビット列生成手段
332 アナログ−ディジタル変換器(ADC)
334 位相シフト手段
336 OFDMシンボル同期手段
338 搬送波周波数同期手段
342 CP削除手段
344 離散フーリエ変換器(DFT)
346 TS削除手段
348 等化器
352 シンボルデマッパ
370 周波数オフセット生成手段
372 TSタイミング生成手段
374 最大値検出手段
376 閾値判定手段
378 周波数オフセット検出手段
380 積算手段
382 加算手段
384 2π剰余算手段
386 記憶手段

Claims (6)

  1. コヒーレント光直交周波数分割多重(CO−OFDM:Coherent Optical−Orthogonal Frequency Division Multiplexing)を用いる光ネットワークであって、
    送信側基準周波数ftcの連続光をOFDM電気信号により変調したOFDM光信号、及び、OFDMシンボル周期TOFDMのn倍(nは2以上の整数)のトレーニングシンボル周期TTSごとに、前記OFDMシンボル周期TOFDMの間生成される、前記送信側基準周波数ftcの連続光信号を含む通信信号を生成する送信装置と、
    受信側基準周波数frcの連続光、及び、前記通信信号に含まれる連続光信号を干渉させた後、光電変換して得られる連続電気信号から周波数オフセットを検出し、並びに受信側基準周波数frcの連続光、及び、前記通信信号に含まれるOFDM光信号を干渉させた後、光電変換して得られるOFDM電気信号に対して、前記周波数オフセットを補償する受信装置と
    を備えることを特徴とする光ネットワーク。
  2. コヒーレント光直交周波数分割多重(CO−OFDM:Coherent Optical−Orthogonal Frequency Division Multiplexing)を用いる光ネットワークにおける送信装置であって、
    入力されたビット列から、同相成分及び直交成分を含むOFDM電気信号を生成する送信側電気信号生成手段と、
    送信側基準周波数ftcの連続光を生成する送信側連続光源を備え、OFDM光信号と、連続光信号を含む送信信号を生成する光信号生成手段と、
    同相バイアス電圧及び直交バイアス電圧を第1のレベルとし、OFDMシンボル周期TOFDMのn倍(nは2以上の整数)のトレーニングシンボル周期TTSごとに、前記OFDMシンボル周期TOFDMの間、前記同相バイアス電圧及び直交バイアス電圧のいずれか一方又は双方を第2のレベルに変更するバイアス電圧設定手段と
    を備え、
    前記光信号生成手段は、2つの変調器を備え、
    一方の変調器は、前記同相バイアス電圧が第1レベルのとき、前記連続光を前記OFDM電気信号の同相成分で変調することによりOFDM光信号の同相成分を生成し、前記同相バイアス電圧が第2レベルのとき、連続光信号を生成し、
    他方の変調器は、前記直交バイアス電圧が第1レベルのとき、前記連続光を前記OFDM電気信号の直交成分で変調することによりOFDM光信号の直交成分を生成し、前記直交バイアス電圧が第2レベルのとき、連続光信号を生成する
    ことを特徴とする送信装置。
  3. コヒーレント光直交周波数分割多重(CO−OFDM:Coherent Optical−Orthogonal Frequency Division Multiplexing)を用いる光ネットワークにおいて、OFDM光信号と、OFDMシンボル周期TOFDMのn倍(nは2以上の整数)のトレーニングシンボル周期TTSごとに、前記OFDMシンボル周期TOFDMの間生成される、送信側基準周波数ftcの連続光信号を含む通信信号を受信する受信装置であって、
    受信側基準周波数frcの連続光を生成する受信側連続光源を備え、OFDM光信号から、同相成分及び直交成分を含むOFDM電気信号を生成し、連続光信号から連続電気信号を生成する受信側電気信号生成手段と、
    前記OFDM電気信号から、ビット列を生成するビット列生成手段と、
    周波数オフセット生成手段と
    を備え、
    前記ビット列生成手段は、
    OFDM電気信号及び連続電気信号をディジタル信号に変換する、サンプリング周期TADで動作するアナログ−ディジタル変換器と、
    前記ディジタル信号に対して、前記周波数オフセット生成手段で生成されたシフト量の位相シフトを施す位相シフト手段と、
    前記ディジタル信号を、直列/並列変換する、直並列変換手段と、
    前記直列/並列変換されたディジタル信号に対して、離散フーリエ変換を施す離散フーリエ変換器と、
    前記離散フーリエ変換されたディジタル信号を並列/直列変換する、並直列変換手段と、
    前記並列/直列変換されたディジタル信号からビット列を生成するシンボルデマッパと
    を備え、
    前記周波数オフセット生成手段は、
    前記連続電気信号に対応するディジタル信号を離散フーリエ変換して得られる周波数スペクトルから強度の最大値と該最大値を得る周波数を取得し、
    前記最大値が、予め設定された閾値よりも大きいときに、前記最大値を与える周波数を周波数オフセットとし、
    前記周波数オフセットに2πとADCサンプリング周期を積算した後、2πで剰余算を施して前記シフト量を取得する
    ことを特徴とする受信装置。
  4. 前記ビット列生成手段は、
    前記ディジタル信号からOFDMシンボル周期TOFDMごとにOFDMシンボルタイミングを抽出するOFDMシンボル同期手段
    をさらに備え、
    前記周波数オフセット生成手段は、
    前記シフト量が保存された記憶手段、
    前記OFDMシンボルタイミングをn回計数して、トレーニングシンボルタイミングを生成するトレーニングシンボルタイミング生成手段、
    前記トレーニングシンボルタイミングに応答して、前記連続電気信号に対応するディジタル信号を前記離散フーリエ変換して得られる周波数スペクトルから強度の最大値と該最大値を得る周波数を取得する最大値検出手段、
    前記最大値を予め設定された閾値と比較する閾値判定手段、
    前記最大値が、予め設定された閾値よりも大きいときに、前記最大値を与える周波数を周波数オフセットとする周波数オフセット検出手段、
    前記周波数オフセットに2πとADCサンプリング周期を積算する積算手段、
    前記積算手段の出力と、前記記憶手段に保存されたシフト量を加算する加算手段、
    前記加算手段の出力を2πで剰余算して新たにシフト量を得る剰余算手段
    をさらに備え、
    前記記憶手段は、新たに得られたシフト量を前記ビット列生成手段に送るとともに、当該記憶手段に保存する
    ことを特徴とする請求項3に記載の受信装置。
  5. 前記ビット列生成手段は、
    前記トレーニングシンボルタイミングに応答して、前記連続電気信号に対応するディジタル信号を削除するトレーニングシンボル削除手段
    をさらに備える
    ことを特徴とする請求項4に記載の受信装置。
  6. コヒーレント光直交周波数分割多重(CO−OFDM:Coherent Optical−Orthogonal Frequency Division Multiplexing)を用いる光ネットワークにおける通信方法であって、
    送信装置が行う、
    送信側基準周波数ftcの連続光を、OFDM電気信号により変調したOFDM光信号、及び、OFDMシンボル周期TOFDMのn倍(nは2以上の整数)のトレーニングシンボル周期TTSごとに、前記OFDMシンボル周期TOFDMの間生成される、前記送信側基準周波数ftcの連続光信号を含む通信信号を生成する過程と、
    受信装置が行う、
    受信側基準周波数frcの連続光、及び、前記通信信号に含まれる連続光信号を干渉させた後、光電変換して得られる連続電気信号から周波数オフセットを検出する過程と、
    受信側基準周波数frcの連続光、及び、前記通信信号に含まれるOFDM光信号を干渉させた後、光電変換して得られるOFDM電気信号に対して、前記周波数オフセットを補償する過程と
    を備えることを特徴とする通信方法。
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