JP6384282B2 - 光受信機及び光受信方法 - Google Patents

Description

本発明は光受信機、光受信方法及び光受信機の制御プログラムに関し、特に、光空間通信システムで用いられる光受信機、光受信方法及び光受信機の制御プログラムに関する。

近年、航空機や人工衛星に搭載された観測機器の性能向上に伴い、これらの移動体から地上への通信の伝送容量の拡大が求められている。このような要求に応えるために、マイクロ波を用いた無線通信システムに比べて格段に伝送容量を拡大可能な、光空間通信システムの研究開発が行われている。

一般的な光空間通信システムでは、送信されるデジタル信号の「１」と「０」をそのまま光信号のオンとオフに対応させ、その光強度の変化を受光素子で検波する強度変調直接検波方式が用いられる。さらに、非特許文献１に記載されているように、パルス位置変調を用いた通信方式が用いられる場合がある。そして、光ファイバ通信システムで用いられているデジタルコヒーレント通信技術（例えば、非特許文献２参照）の光空間通信システムへの応用も研究されている。

光空間通信システムでは、主として、光ファイバ通信システムで使用される、波長１．０６μｍや１．５５μｍの光を大気中に伝搬させて通信が行われる。光空間通信システムは大気による光の揺らぎの影響を受けやすく、マイクロ波通信と比較して通信が不安定となりやすいという課題がある。この大気による光の揺らぎは大気揺らぎと呼ばれる。特に、ファイバのコア径が小さいシングルモードファイバへ受信光を結合させる際には、大気揺らぎにより結合効率が大きく変動する。

大気揺らぎによる上記の問題を解決するために、特許文献１には、ファイバのコア径が充分に大きなマルチモードファイバを利用することにより、ファイバ結合効率の低下を回避する方法が記載されている。この方法では、マルチモードファイバで伝搬可能な固有伝搬モードが分離され、分離された各モードの光信号が、それぞれシングルモードファイバと結合されて処理される。シングルモードファイバに結合された各光信号は、光ファイバ通信システムのデジタルコヒーレント通信技術と同様の手順で光電変換された後、Ａ／Ｄ（analog to digital）変換されて復号される。

図１０は、一般的なデジタルコヒーレント光学系１０６の構成を示すブロック図である。デジタルコヒーレント光学系１０６は、レーザ光源（Laser）２０１、ビームスプリッタ（beam splitter、ＢＳ）２０２、偏波ビームスプリッタ（polarization beam splitter、ＰＢＳ）２０３を備える。デジタルコヒーレント光学系１０６は、さらに、２台の９０度ハイブリッド２０４、４台のバランスドフォトダイオード（balanced photo diode、ＢＰＤ）２０５及び４台の増幅器（transimpedance amplifier、ＴＩＡ）２０６を備える。

レーザ光源２０１は、光信号１００とほぼ同じ周波数の局部発振光を出力する。ビームスプリッタ２０２は、局部発振光を２分岐して、９０度ハイブリッド２０４へ出力する。偏波ビームスプリッタ２０３は、光信号１００を偏波分離して、９０度ハイブリッド２０４へ出力する。９０度ハイブリッド２０４は、光信号と局部発振光とを干渉させ、ビート信号をバランスドフォトダイオード２０５に出力する。バランスドフォトダイオード２０５は、ビート信号から電気信号を生成する。増幅器２０６は、バランスドフォトダイオード２０５から出力された電気信号を増幅する。増幅された電気信号は、図示されないＡ／Ｄ変換部に入力される。デジタルコヒーレント通信で用いられる、このようなデジタルコヒーレント光学系１０６の構成はよく知られているため、詳細な説明は省略する。

ここで、デジタルコヒーレント光学系１０６から出力された信号をＡ／Ｄ変換してデジタルデータに変換した後、デジタルデータをオシロスコープで蓄積し、その後計算機を用いて受信データが処理される手順が用いられることがある。このような手順はオフライン処理方式と呼ばれ、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit、特定用途向け集積回路）などの専用の集積回路が用意されない場合にも受信データを処理できる。

なお、本発明に関連して、特許文献２には、捕捉追尾機能を備えた空間光伝送装置が記載されている。

特表２０１３−５３５８７１号公報（［００３４］段落、図５） 特許第３０５２９０６号

Bryan S. Robinson, et al., "781 Mbit/s photon-counting optical communications using a superconducting nanowire detector," OPTICS LETTERS, Vol.31, No.4, pp. 444-446, Optical Society of America, 2006. 鈴木他、「光通信ネットワークの大容量化に向けたデジタルコヒーレント信号処理技術の研究開発」、電子情報通信学会誌、 Vol. 95, No. 12, pp. 1100-1116, 2012.

低軌道衛星と地上局との間の１回の通信時間は約１０分である。これは、低軌道衛星は地球を周回しており、受信局の上空を飛ぶ間しか通信できないからである。このような場合でも、光空間通信システムにデジタルコヒーレント技術を適用し、受信された信号をオフライン処理する場合には、大容量のデータを格納する必要がある。

例えば、１０Ｇｂｐｓ（ギガビット毎秒）のデータを１０分間受信して８ビットの分解能を持つＡ／Ｄ変換器でデジタルデータに変換すると、そのデータ量Ｄは以下のように計算される。

Ｄ＝１０（Gbps）×２（サンプル／シンボル）×４（ch）×８（bit）×６００（秒）÷８（bit/Byte）
＝４８（TB)
ここで、２（サンプル／シンボル）はサンプリング定理による係数、４（ch）は図１０の増幅器２０６から出力される４つのデータ、８（bit）はＡ／Ｄ変換部の分解能である。このように、１０Ｇｂｐｓのデータをデジタルコヒーレント光学系１０６で受信して８ビットのデジタルデータに変換すると、１モードあたり４８ＴＢ（テラバイト）のストレージが必要になる。特許文献１に記載された構成では少なくとも数モード〜数十モードのモードが通信に用いられるため、デジタルコヒーレント光学系１０６で受信された信号をオフライン処理するためにはペタバイト級のストレージが必要となる。

さらに、データを受信する場所と受信データを処理する場所とが物理的に離れている場合は、受信した場所から処理を行う場所にこれらのペタバイト級のデータを伝送する必要も生じる。この場合には、データを伝送するためのネットワークの帯域が大量に消費されるだけでなく、長い転送時間を要するといった課題も生じる。

（発明の目的）
本発明の目的は、上述した課題であるオフライン処理の際のデータ量を削減するという課題を解決する光受信機及び光受信方法を提供することにある。

本発明の光受信機は、移動体から送信された光信号を光電変換手段に受信させる制御を行う捕捉追尾手段と、前記光信号をマルチモードファイバに結合させ、結合された前記光信号をモード毎に分離し、前記分離された光信号の各々を電気信号に変換する光電変換手段と、前記電気信号をデジタルデータである受信データに変換するアナログデジタル変換手段と、前記受信データが記録される記録手段と、前記捕捉追尾手段が前記光信号を受信している間、前記受信データを前記記録手段に書き込むデータ書込手段と、前記記録手段に記録された受信データを復号して復号データを生成する計算手段と、を備え、前記計算手段は、前記復号に成功した場合には、前記復号に使用した前記受信データのモードと同一のモードの受信データを前記記録手段から取得して前記復号を継続し、前記復号が失敗した場合には、前記復号が失敗した前記受信データのモードとは異なるモードである遷移先モードが規定されたモード遷移情報に基づいて、前記遷移先モードを前記復号を行う前記受信データのモードとし、前記遷移先モードの前記受信データを前記復号が失敗した時刻から取得して前記復号を再開する、ことを特徴とする。

本発明の光受信方法は、移動体から送信された光信号を光電変換手段に受信させる捕捉追尾制御を行い、前記光信号をマルチモードファイバに結合させ、結合された前記光信号をモード毎に分離し、前記分離された光信号の各々を電気信号に変換し、前記電気信号をデジタルデータである受信データに変換し、前記捕捉追尾制御により前記光信号を受信している間、前記受信データを記録手段に書き込み、前記記録手段に記録された受信データを復号して復号データを生成し、さらに、前記復号に成功した場合には、前記復号に使用した前記受信データのモードと同一のモードの前記受信データを前記記録手段から取得して前記復号を継続し、前記復号が失敗した場合には、前記復号が失敗した前記受信データのモードとは異なるモードである遷移先モードが規定されたモード遷移情報に基づいて、前記遷移先モードを前記復号を行う前記受信データのモードとし、前記遷移先モードの前記受信データを前記復号が失敗した時刻から取得して前記復号を再開する、ことを特徴とする。

本発明の光受信機の制御プログラムは、光受信機のコンピュータに、移動体から送信された光信号を光電変換手段に受信させる捕捉追尾制御を行う手順、前記光信号をマルチモードファイバに結合させ、結合された前記光信号をモード毎に分離し、前記分離された光信号の各々を電気信号に変換する手順、前記電気信号をデジタルデータである受信データに変換する手順、前記捕捉追尾制御により前記光信号を受信している間、前記受信データを記録手段に書き込む手順、前記記録手段に記録された受信データを復号して復号データを生成する手順、前記復号に成功した場合には、前記復号に使用した前記受信データのモードと同一のモードの前記受信データを前記記録手段から取得して前記復号を継続する手順、前記復号が失敗した場合には、前記復号が失敗した前記受信データのモードとは異なるモードである遷移先モードが規定されたモード遷移情報に基づいて、前記遷移先モードを前記復号を行う前記受信データのモードとし、前記遷移先モードの前記受信データを前記復号が失敗した時刻から取得して前記復号を再開する手順、を実行させる。

本発明は、光空間通信システムにおいて、オフライン処理の際のデータ量を削減できるという効果を奏する。

第１の実施形態の光空間通信システムの構成を示すブロック図である。 光送信部の構成を示すブロック図である。 光電変換部の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態における光受信機の動作を示すフローチャートである。 各モードの受信データのパワーの時間変化を示す例である。 第２の実施形態の光空間通信システムの構成を示すブロック図である。 第３の実施形態の光空間通信システムの構成を示すブロック図である。 第３の実施形態における光受信機の動作を示すフローチャートである。 第４の実施形態の光空間通信システムの構成を示すブロック図である。 一般的なデジタルコヒーレント光学系の構成を示すブロック図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の光空間通信システム１０の構成を示すブロック図である。光空間通信システム１０は、移動体３００と、データ記録部３２０及び復号部３３０を備える光受信機３１０と、により構成される。

光送信部３０１は移動体３００に搭載される。光送信部３０１は、送信データで変調された光信号１００を光受信機３１０へ送信する。光受信機３１０は、光信号１００を受信し、送信データを復号する。光受信機３１０は、データ記録部３２０と復号部３３０とから構成される。

データ記録部３２０は、捕捉追尾部３２１、光電変換部３２２、Ａ／Ｄ変換部３２３、データ書込部３２４、記録部３２５を備える。捕捉追尾部３２１は、光信号１００を受信する際に光電変換部３２２の光学系と光信号１００との光軸を合わせる機能を備える。光電変換部３２２は、受信された光信号１００を電気信号に変換する。Ａ／Ｄ変換部３２３は、光電変換部３２２が出力した電気信号をデジタル信号に変換する。データ書込部３２４は、捕捉追尾部３２１の捕捉結果に基づいて、Ａ／Ｄ変換部３２３が出力したデジタル信号を受信データとして記録部３２５に記録する。記録部３２５は、データ書込部３２４の制御により、Ａ／Ｄ変換部３２３が出力したデジタル信号を記録する。

復号部３３０は、データ読込部３３１及び計算部３３２を備える。データ読込部３３１は、記録部３２５に記録されたデジタル信号を読み出す。計算部３３２は、記録部３２５に記録されたデジタル信号をデータ読込部３３１を介して取得する。計算部３３２は、復号プログラム３３３及びモード遷移情報３３５に従って、記録部３２５から読み出された受信データを復号し、その結果生成される復号データ３３４を出力する。復号データ３３４は、光送信部３０１において光信号１００の変調に用いられた送信データに対応する。復号部３３０は、受信データを処理するための記憶装置を備える。記憶装置は、半導体メモリやハードディスクであるが、これらには限定されない。復号プログラム３３３及びモード遷移情報３３５は、復号部３３０内の記憶装置に記憶される。

光受信機３１０は、さらに、ＣＰＵ（central processing unit、中央処理装置）３４１及びメモリ３４２を備えていてもよい。メモリ３４２は、例えば不揮発性の半導体メモリであるが、これには限定されない。メモリ３４２は、ＣＰＵ３４１において実行されるプログラムを記憶する。ＣＰＵ３４１は、メモリ３４２に記憶されたプログラムを実行することで、データ記録部３２０及び復号部３３０の機能を含む、光受信機３１０の機能を実現してもよい。ＣＰＵ３４１及びメモリ３４２は、データ記録部３２０又は復号部３３０に含まれていてもよい。また、計算部３３２はＣＰＵ３４１の機能の一部又は全部を含んでもよい。

次に光空間通信システム１０の各部の動作について詳細に説明する。移動体３００は、光送信部３０１を搭載する移動体である。移動体３００としては、静止衛星、低軌道衛星、宇宙探査機などの人工衛星や、ロケット、飛行機、ヘリコプター、気球、無人航空機（ＵＡＶ、unmanned aerial vehicle）などが挙げられる。

図２は、光送信部３０１の構成を示すブロック図である。光送信部３０１は、レーザ光源４０１、外部変調器４０２、光増幅器４０３を備える。外部変調器４０２は、送信データによって、レーザ光源４０１から出力された光の位相、振幅、偏波面などを変調する。光増幅器４０３は、外部変調器４０２で変調された光信号を増幅する。光増幅器４０３で増幅された光信号は、光信号１００として光受信機３１０へ送信される。

移動体３００から送信された光信号１００は、伝搬中の大気から様々な影響を受ける。例えば、光信号１００は、先述した大気揺らぎの他に、光が分子や塵粒子と衝突あるいは相互作用することによって起こる散乱（レイリー散乱やミー散乱）による影響を受ける。光受信機３１０は、これらの影響を補償して、送信データを復号する。

図１において、捕捉追尾部３２１は、移動体３００との間で安定した光リンクを構築するための捕捉機能を備える。光空間通信システム１０では、一般的に、極めて狭い角度の光ビームが使用される。さらに、移動体３００も移動する。このため、移動体３００と光受信機３１０との間の光軸の不一致により、光信号１００のリンクが不安定になりやすい。さらに、移動体３００が航空機である場合などには、移動体３００は常に振動しており、このような振動もリンクを不安定にさせる。捕捉追尾部３２１は、移動体３００の移動や振動による光軸のぶれを吸収し、移動体３００と光受信機３１０との間で光軸を安定して一致させる。捕捉追尾部３２１は、特許文献２に記載された捕捉追尾機能を備えていてもよい。なお、捕捉追尾部３２１における光軸の制御動作の詳細は本実施形態とは直接関係しないため詳細な説明は省略する。

図３は、光電変換部３２２の構成を示すブロック図である。図３は、マルチモードファイバ及びデジタルコヒーレント技術を利用した光空間通信システムで用いられる光電変換部の構成の一例である。

光電変換部３２２は、移動体３００から送信された光信号１００をマルチモードファイバで受信し、電気信号に変換する。光電変換部３２２は、光学レンズ１００、マルチモードファイバ（multi-mode fiber、ＭＭＦ）１０２、光増幅器１０３、モード分離部（Mode DEMUX）１０４、シングルモードファイバ（single-mode fiber、ＳＭＦ）１０５、デジタルコヒー
レント光学系１０６を備える。

光学レンズ１０１は、大気揺らぎを受けた光信号１００をマルチモードファイバ１０２に集光する。光増幅器１０３は、エルビウム添加ファイバ増幅器（erbium doped fiber amplifier、ＥＤＦＡ）に代表される光増幅器であり、マルチモードファイバ１０２を伝搬した光信号を増幅する。モード分離部１０４は、光増幅器で増幅された複数モードの光信号をモード毎に分離し、シングルモードファイバ１０５に出力する。シングルモードファイバ１０５は、モード分離部１０４で分離された各モードの信号を伝搬させる。

デジタルコヒーレント光学系１０６はモード毎に備えられ、モード分離部１０４で分離された光信号をモード毎に処理する。デジタルコヒーレント光学系１０６は、図１０で説明した構成を備える。マルチモードファイバのモード数をｍ（ｍは自然数）とした場合、４×ｍ個の電気信号がＡ／Ｄ変換部３２３に出力される。すなわち、実際には１つのモードにつき４つのＡ／Ｄ変換部３２３が必要となる。モード数ｍは数モードの場合もある一方、１００以上のモードが使用される場合もある。

Ａ／Ｄ変換部３２３は、デジタルコヒーレント光学系１０６において光電変換されたアナログ電気信号をデジタル信号に変換する。このとき、Ａ／Ｄ変換部３２３は、送信データを復調するために必要なサンプリングレート及び分解能（ｂｉｔ数）を満たす必要がある。デジタルコヒーレント通信では、サンプリングレートは復号に必要な最低の周波数の２倍以上でサンプリングする必要がある。なお、図３には図示されていないが、Ａ／Ｄ変換部１０７の前にエイリアスを防ぐためのローパスフィルタが挿入されてもよい。

図１に示されたデータ書込部３２４は、捕捉追尾部３２１が光信号１００を捕捉している間、Ａ／Ｄ変換部３２３が出力するデジタルデータを、受信データとして記録部３２５に書き込む。つまり、データ書込部３２４は、捕捉追尾部３２１が光信号１００を捕捉するとＡ／Ｄ変換部３２３の出力の記録部３２５への記録を開始し、捕捉追尾部３２１における光信号１００の捕捉状態が失われると記録を停止する。

計算部３３２は、復号プログラム３３３及びモード遷移情報３３５に従い、復号に必要となるモードのデータのみをデータ読込部３３１を通じて記録部３２５から取得し、復号する。より具体的な動作はフローチャートを用いて後述する。復号部３３０の一般的な実現例は、パーソナルコンピュータ、ワークステーションあるいはスーパーコンピュータなどの、ソフトウェアで動作する計算機である。計算部３３２はそれらのコンピュータが備えるＣＰＵやＧＰＧＰＵ（general purpose computing on graphics processing units）などに相当する。もちろん、復号部３３２はパーソナルコンピュータやワークステーションで構成されなくてもよい。処理速度が問題とならなければ、通常のマイクロコンピュータやＤＳＰなどによって復号部３３０あるいは計算部３３２が構成されてもよい。

復号プログラム３３３は、記録部３２５に格納された受信データを処理し、大気揺らぎなどの影響を補償し、送信データを復号するためのプログラムである。復号プログラム３３３は、計算部３３２によって実行される。復号プログラム３３３の記述言語は制限されない。復号プログラム３３３の記述言語としては、最もプリミティブなアセンブラだけでなく、Ｃ言語やＣ＋＋言語、さらに抽象度の高いＪＡＶＡ（登録商標）、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）などが用いられてもよい。

モード遷移情報３３５には、計算部３３２が一つ又は複数のモードを使用した復号に失敗した場合に、次に復号に使用されるデータのモード（以下、「遷移先モード」という。）を決定するための情報が含まれる。すなわち、モード遷移情報３３５には、あるモードを使用して復号を失敗したときに、現在のモードとは異なる、次の遷移先モードの情報が格納される。モード遷移情報３３５は、使用するマルチモードファイバ１０２の特性を考慮して決定されてもよい。

データ読込部３３１は、記録部３２５からデータを読み込み、読み込んだデータを計算部３３２に渡す。復号部３３０がパソコンやワークステーションなどで実現され、記録部３２５が物理的に離れたネットワークストレージである場合には、データ読込部３３１は記録部３２５と接続するためのネットワークインタフェースを備えてもよい。データ読込部３３１は、記録部３２５に記録された受信データを復号部３３０のハードディスクや主記憶などの記録装置に格納する。

次に、本実施形態の光受信機３１０の動作についてフローチャートを用いて説明する。図４は、光受信機３１０の動作を示すフローチャートである。ステップＳ５０１は捕捉追尾が実行されるステップである。ステップＳ５０１では、光送信部３０１から送信された光信号１００と光電変換部３２２の光学部分（例えば光学レンズ１０１）との光軸を一致させる制御が行われる。ステップＳ５０１において、当初はまだ光軸が一致していないため光受信機３１０は光信号１００を正常に受信できない。この場合には、Ａ／Ｄ変換部３２３からは無効なデータが出力される。このため、データ書込部３２４はＡ／Ｄ変換部３２３から出力されたデータを記録部３２５に記録しない。その結果、記録部３２５で必要とされる容量が削減される。また、ステップＳ５０１では記録部３２５に有効なデータが存在しないため、復号部３３０は動作しない。

捕捉追尾部３２１が光信号１００を捕捉すると、ステップＳ５０２へ移動する。データ書込部３２４は、捕捉追尾部３２１が光信号１００を捕捉するとＡ／Ｄ変換部３２３の出力の記録部３２５への記録を開始する。捕捉追尾部３２１は、光信号１００を捕捉したと判断すると、データ書込部３２４に対して記録部３２５への記録を開始する指示を行ってもよい。

ステップＳ５０２は、Ａ／Ｄ変換部３２３が生成した受信データを、データ書込部３２４が記録部３２５に書き込むステップである。このとき、捕捉追尾部３２１は、移動体３００が移動しても光信号１００を捕捉し続けるように動作する。一方、ステップＳ５０２では、データ読込部３３１は、記録部３２５の受信データを読み込まない。従って、計算部３３２は、ステップＳ５０１と同じく、復号する受信データが記録部３２５に存在しないため動作しない。

捕捉追尾部３２１において、光信号１００の捕捉状態が失われる（すなわち、捕捉追尾部３２１が光信号１００を捕捉できなくなる）と、ステップＳ５０３へ移動する。例えば、光送信部３０１が光信号１００の送信を停止した場合、移動体３００が光受信機３１０と通信できるエリアから外れた場合、ユーザが捕捉追尾部３２１に捕捉停止を指示した場合に、捕捉追尾部３２１の捕捉状態が失われる。

ステップＳ５０３においては、捕捉追尾部３２１は光信号１００を受信していないため、データ書込部３２４はＡ／Ｄ変換部３２３が出力する受信データの記録部３２５への書き込みを停止する。データ書込部３２４は、捕捉追尾部３２１からの指示により記録部３２５への書き込みを停止してもよい。このような動作によっても、記録部３２５に必要となる容量が削減される。ステップＳ５０３以降は計算部３３２の動作であり、ステップＳ５０３以降では捕捉追尾部３２１及びデータ書込部３２４は動作を停止している。

図５は、受信データのパワーの時間変化をモード毎に示す例である。図５は、例として、図３のＭＭＦ１０２から分離された３つのモード（モード１〜３）について、時間と平均信号パワーとの関係の例を示す。図５において、各区間は間隔Ｔで区切られる。図４のステップＳ５０３において、計算部３３２は、図５の区間１（最初のデータ）の全モード（モード１〜３）の受信データをデータ読込部３３１から取得し、復号に使用するモードを決定する。平均信号パワーが大きい受信データのモードが復号に使用される場合には、図５の例では、復号に使用されるモードとしてモード１が選択される。また、復号に際しては、１つのモードだけでなく複数のモードの信号が利用されてもよい。複数のモードの信号が復号に利用される場合には、複数のモードが選択される。

ステップＳ５０４では、計算部３３２が、ステップＳ５０３、Ｓ５０６又はＳ５０８で取得した受信データを用いて、該当区間の復号処理を行う。

ステップＳ５０５では、計算部３３２は、該当区間のすべての時刻において受信データが復号できたかどうか判定する。全てのデータが復号できた場合はステップＳ５０７へ進み、復号できなかったデータがある場合はステップＳ５０６に進む。

ステップＳ５０６では、計算部３３２は、モード遷移情報３３５に基づいて遷移先モードを決定し、復号中の区間の復号が失敗した時刻から当該区間の最後の時刻までの受信データを取得し、ステップＳ５０４に進み復号を再開する。

ステップＳ５０７では、計算部３３２は、全区間の復号処理を終わったか判断し、終了した場合は復号動作を停止し、そうでない場合はステップＳ５０８に進む。

ステップＳ５０８では、計算部３３２は、次の区間の受信データを取得する。このステップでは、計算部３３２は、直前のステップＳ５０４で復号に使用したモードの受信データを記録部３２５から取得し、ステップＳ５０４に進む。

光信号１００の受信状態の変化により、モード毎のパワーが時間の経過とともに変動する場合がある。図５に示された例では、区間４以降の区間において、モード１〜３のパワーが変動している。区間５では、モード１のパワーが区間４以前よりも低下しているため、引き続きモード１の受信データを復号しようとすると、復号に失敗する恐れがある。ステップＳ５０４において、区間５のモード１の受信データの復号に失敗すると（ステップＳ５０５：Ｎｏ）、計算部３３２は、モード遷移情報３３５に基づいて次に復号に使用するモードを決定する。ここで、あらかじめ、例えば統計的な情報により、モード１のパワーが低下した後はモード３のパワーが上昇することが多い場合は、モード遷移情報３３５に、モード１の遷移先モードとしてモード３が設定されてもよい。このような設定により、区間５の復号においてモード１の復号に失敗すると、計算部３３２は、直ちに復号の対象をモード３に変更する。復号の対象がモード３に決定されると、計算部３３２は、復号が失敗した時刻から該当区間の最後の時刻までのモード３の受信データを、データ読込部３３１を介して記録部３２５から取得する。

区間７では、モード３のパワーが区間７の途中で低下している。このため、計算部３３２は、区間７の復調中にモード３のデータの復号に失敗する恐れがある。このような場合も、ステップＳ５０４において、区間７のモード３の受信データの復号が失敗すると（ステップＳ５０５：Ｎｏ）、計算部３３２は、モード遷移情報３３５に基づいて、モード３の遷移先モードを決定する。

なお、モード遷移情報３３５に基づくモードの変更が所定の回数行われても復号に失敗する場合は、計算部３３２は、復号が不可能であるとして復号を停止してもよい。あるいは、モード遷移情報３３５に基づくモードの変更は、所定の複数のモードに対して繰り返し試みられてもよい。

次に、本実施の形態の効果について説明する。

第１の実施形態の第１の効果は、復号動作を行う計算部３３２が記録部３２５から読み出すデータ量を削減できることである。その理由は、復号に利用するモードのデータのみを取得するように計算部３３２が読み出すデータのモードを決定するからである。また、復号の対象となるデータのモードを他のモードに変更する必要がある場合も、計算部３３２はモード遷移情報３３５を使用して次に使用するモードを決定する。このため、計算部３３２が不要なモードのデータを取得する確率が低くなり、結果としてデータを読み出す量が削減される。

第１の実施形態の第２の効果は、記録部３２５に必要な容量を削減できることである。その理由は、捕捉追尾部３２１が光信号１００を捕捉しているときのみ、データ書込部３２４は受信データを記録部３２５に書き込むからである。

このように、第１の実施形態の光空間通信システム１０は、オフライン処理の際のデータ量を削減できるという効果を奏する。

（第１の実施形態の最小構成）
第１の実施形態の光空間通信システム１０の効果は、以下の構成を備える光受信機によってももたらされる。

すなわち、光受信機は、捕捉追尾部３２１、光電変換部３２２、Ａ／Ｄ変換部３２３、記録部３２５、データ書込部３２４及び計算部３３２を備える。

捕捉追尾部３２１は、移動体３００から送信された光信号１００を光電変換部３２２に受信させる制御を行う。光電変換部３２２は、光信号１００をマルチモードファイバに結合させ、結合された光信号をモード毎に分離し、分離された光信号の各々を電気信号に変換する。Ａ／Ｄ変換部３２３は、電気信号をデジタルデータである受信データに変換する。記録部３２５には、受信データが記録される。データ書込部３２４は、捕捉追尾部３２１が光信号１００を受信している間、受信データを記録部３２５に書き込む。計算部３３２は、記録部３２５に記録された受信データを復号して復号データを生成する。

そして、計算部３３２は、復号に成功した場合には、復号に使用した受信データのモードと同一のモードのデータを記録部３２５から取得して復号を継続する。復号が失敗した場合には、復号が失敗した受信データのモードとは異なるモードである遷移先モードが規定されたモード遷移情報３３５に基づいて、遷移先モードを復号を行うデータのモードとし、遷移先モードのデータを復号が失敗した時刻から取得して前記復号を再開する。

すなわち、光受信機は、捕捉追尾部３２１が光信号１００を受信している間のみ受信データを記録部３２５に書き込むとともに、計算部３３２は復号に利用するモードのデータのみを取得する。従って、このような構成を備える光受信機も、オフライン処理の際のデータ量を削減できるという効果を奏する。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態の光空間通信システム２０の構成を示すブロック図である。光空間通信システム２０は、第１の実施形態の光空間通信システム１０と比較して、補助情報計算部７０１を備える点で相違する。光空間通信システム２０の、その他の部分の構成及び機能は光空間通信システム１０と同様である。なお、図６〜図９では、既出の要素及びステップには同一の名称及び参照符号を用い、重複する説明は省略する。

補助情報計算部７０１は、各モードの平均パワーやＳ／Ｎ比（信号電力対雑音電力比）といった信号品質を計算し、記録部３２５にＡ／Ｄ変換部３２３が出力した受信データに対応させて記録する。

光空間通信システム２０の動作は、図４のステップＳ５０６を除き、第１の実施形態の光空間通信システム１０と同様である。第２の実施形態では、図４のステップＳ５０６において、モード遷移情報３３５の他に、補助情報計算部７０１が計算した各モードの平均パワーやＳ／Ｎ比などに基づいて、次に読み出すべきモードを計算部３３２が決定する。例えば、モード遷移情報３３５があるモード（Ａ）を遷移先モードに指定している場合に、記録部３２５に記録されたモード（Ａ）の平均パワーが所定の値よりも小さい場合には、計算部３３２は、遷移先モードを、他のモード（Ｂ）とする。

このようにモード遷移情報３３５だけでなく、実データの平均パワーやＳ／Ｎ比などに基づいて、遷移先モード（すなわち復号が失敗したときに取得すべきデータのモード）を決定することで、復号が失敗する確率を低減できる。つまり、第２の実施形態の光空間通信システム２０は、第１の実施形態の光空間通信システム１０の効果に加えて、データ記録部３２０から復号部３３０へのデータ転送量をさらに削減できるという効果を奏する。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態の光空間通信システム３０の構成を示すブロック図である。光空間通信システム３０は、第１の実施形態の光空間通信システム１０と比較して、簡易計算部８０１を備える点で相違する。

簡易計算部８０１は、データ記録部３２０に備えられ、その機能は計算部３２２と同様である。そして、簡易計算部８０１は、ある区間において遷移先モードへのモードの変更が生じると、計算部３３２からの指示に従い、該当区間の受信データを復号する。この場合の復号は、データ記録部３２０側で行われる。簡易計算部８０１における復号は、計算部３３２で復号が失敗したときのみ行われる。このため、簡易計算部８０１としては、それほど性能の高くない計算機を利用できる。光空間通信システム３０の、その他の部分の構成及び機能は、光空間通信システム１０と同様である。

図８は、第３の実施形態における光受信機３２０の動作を示すフローチャートである。図８に示される動作は、図４と比較して、ステップＳ５０６に代えてステップＳ９０１を備える点で相違する。ステップＳ９０１以外の手順は図４と同様である。ステップＳ９０１において、光空間通信システム３０の計算部３３２は、復号が失敗した場合には、簡易計算部８０１に該当区間の復号を依頼する。計算部３３２からの依頼により、簡易計算部８０１は該当区間の受信データの復号を行う。復号が完了すると、簡易計算部８０１は復号結果を計算部３３２へ転送するとともに、次に復号すべきモードを計算部３３２に通知する。

このような構成を備える光空間通信システム３０は、復号部３３０で復号が失敗したときに、復号部３３０が他のモードの受信データを記録部３２５から取得することなく、受信データを復号できる。このため、第３の実施形態の光空間通信システム３０は、第１の実施形態の光空間通信システム１０の効果に加えて、データ記録部３２０と復号部３３０との間で転送されるデータ量をさらに削減できる効果がある。

（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態の光空間通信システム４０の構成を示すブロック図である。光空間通信システム４０は、第１の実施形態の光空間通信システム１０と比較して、データ記録部３２０が書込閾値情報１００１を保持する点で相違する。光空間通信システム４０の、その他の部分の構成及び機能は光空間通信システム１０と同様である。

第１の実施形態とは異なり、データ書込部３２４は、Ａ／Ｄ変換部３２３の出力値の平均パワーなどの値を計算し、書込閾値情報１００１を参照する。Ａ／Ｄ変換部３２３の出力値から計算された値が書込閾値情報１００１以下であれば、データ書込部３２４は、該当するＡ／Ｄ変換部１２３の出力値を記録部３２５へ書き込まない。

このような構成を備える光空間通信システム４０は、例えば、マルチモードファイバのモード数が多いためにほとんどのモードの受信データのパワーがゼロ又は極小であるような場合に、そのような受信データを記録部３２５へ書き込まない。その結果、光空間通信システム４０は、記録部３２５へ書き込むデータ量を大幅に削減できる。このため、第４の実施形態の光空間通信システム４０は、第１の実施形態の光空間通信システム１０の効果に加えて、記録部３２５に必要とされる容量をさらに削減できるという効果がある。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。例えば、第１乃至第４の実施形態の構成は排他的ではなく、これらの実施形態の構成を組み合わせた実施形態も許容される。

本発明は、光空間通信システムに適用できる。特に、通信期間が間欠的である光空間通信システム（例えば、地球を回る低軌道静止衛星との通信システム）に適用可能である。

１０、２０、３０、４０ 光空間通信システム
１００ 光信号
１０１ 光学レンズ
１０２ マルチモードファイバ
１０３ 光増幅器
１０４ モード分離部
１０５ シングルモードファイバ
１０６ デジタルコヒーレント光学系
１０７ Ａ／Ｄ変換部
２０１ レーザ光源
２０２ ビームスプリッタ
２０３ 偏波ビームスプリッタ
２０４ ９０度ハイブリッド
２０５ バランスドフォトダイオード
２０６ 増幅器
３００ 移動体
３０１ 光送信部
３１０ 光受信機
３２０ データ記録部
３２１ 捕捉追尾部
３２２ 光電変換部
３２３ Ａ／Ｄ変換部
３２４ データ書込部
３２５ 記録部
３３０ 復号部
３３１ データ読込部
３３２ 計算部
３３３ 復号プログラム
３３４ 復号データ
３３５ モード遷移情報
３４１ ＣＰＵ
３４２ メモリ
４０１ レーザ光源
４０２ 外部変調器
４０３ 光増幅器
７０１ 補助情報計算部
８０１ 簡易計算部
１００１ 書込閾値情報

Claims (9)

1. 移動体から送信された光信号を光電変換手段に受信させる制御を行う捕捉追尾手段と、
   前記光信号をマルチモードファイバに結合させ、結合された前記光信号をモード毎に分離し、前記分離された光信号の各々を電気信号に変換する光電変換手段と、
   前記電気信号をデジタルデータである受信データに変換するアナログデジタル変換手段と、
   前記受信データが記録される記録手段と、
   前記捕捉追尾手段が前記光信号を受信している間、前記受信データを前記記録手段に書き込むデータ書込手段と、
   前記記録手段に記録された受信データを復号して復号データを生成する計算手段と、
   を備え、
   前記計算手段は、
   前記復号に成功した場合には、前記復号に使用した前記受信データのモードと同一のモードの受信データを前記記録手段から取得して前記復号を継続し、
   前記復号が失敗した場合には、前記復号が失敗した前記受信データのモードとは異なるモードである遷移先モードが規定されたモード遷移情報に基づいて、前記遷移先モードを前記復号を行う前記受信データのモードとし、前記遷移先モードの前記受信データを前記復号が失敗した時刻から取得して前記復号を再開する、ことを特徴とする光受信機。
2. 前記受信データの前記モード毎の信号品質を算出し、前記記録手段に前記受信データと対応させて記録させる補助情報計算手段をさらに備え、
   前記計算手段は、前記復号が失敗した場合には、前記信号品質に基づいて前記復号を行うデータのモードを決定する、ことを特徴とする請求項１に記載された光受信機。
3. 前記信号品質は、前記受信データの平均パワー及び信号対雑音比の少なくとも一方の情報を含むことを特徴とする請求項２に記載された光受信機。
4. 前記計算手段と同一の機能を備える簡易計算手段をさらに備え、
   前記計算手段は、前記復号が失敗した場合には、前記簡易計算手段に復号を指示することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載された光受信機。
5. 前記簡易計算手段は、前記記録手段の近傍に備えられることを特徴とする、請求項４に記載された光受信機。
6. 前記データ書込手段は前記受信データのパワーの平均値を求め、前記平均値が所定の閾値以下である場合は、前記データ書込手段は前記受信データを前記記録手段に書き込まない、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載された光受信機。
7. 送信データで変調された光信号を送信する光送信手段を備える移動体と、
   前記光信号を受信する請求項１乃至６のいずれかに記載された光受信機と、
   を備えることを特徴とする光空間通信システム。
8. 移動体から送信された光信号を光電変換手段に受信させる捕捉追尾制御を行い、
   前記光信号をマルチモードファイバに結合させ、結合された前記光信号をモード毎に分離し、前記分離された光信号の各々を電気信号に変換し、
   前記電気信号をデジタルデータである受信データに変換し、
   前記捕捉追尾制御により前記光信号を受信している間、前記受信データを記録手段に書き込み、
   前記記録手段に記録された受信データを復号して復号データを生成し、
   さらに、
   前記復号に成功した場合には、前記復号に使用した前記受信データのモードと同一のモードの前記受信データを前記記録手段から取得して前記復号を継続し、
   前記復号が失敗した場合には、前記復号が失敗した前記受信データのモードとは異なるモードである遷移先モードが規定されたモード遷移情報に基づいて、前記遷移先モードを前記復号を行う前記受信データのモードとし、前記遷移先モードの前記受信データを前記復号が失敗した時刻から取得して前記復号を再開する、ことを特徴とする光受信方法。
9. 光受信機のコンピュータに、
   移動体から送信された光信号を光電変換手段に受信させる捕捉追尾制御を行う手順、
   前記光信号をマルチモードファイバに結合させ、結合された前記光信号をモード毎に分離し、前記分離された光信号の各々を電気信号に変換する手順、
   前記電気信号をデジタルデータである受信データに変換する手順、
   前記捕捉追尾制御により前記光信号を受信している間、前記受信データを記録手段に書き込む手順、
   前記記録手段に記録された受信データを復号して復号データを生成する手順、
   前記復号に成功した場合には、前記復号に使用した前記受信データのモードと同一のモードの前記受信データを前記記録手段から取得して前記復号を継続する手順、
   前記復号が失敗した場合には、前記復号が失敗した前記受信データのモードとは異なるモードである遷移先モードが規定されたモード遷移情報に基づいて、前記遷移先モードを前記復号を行う前記受信データのモードとし、前記遷移先モードの前記受信データを前記復号が失敗した時刻から取得して前記復号を再開する手順、
   を実行させるための光受信機の制御プログラム。

Images