JP6770495B2 - 光受信器及び周波数オフセット量推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光受信器及び周波数オフセット量推定方法に関する。

デジタルコヒーレント方式の光通信システムは、光信号の位相情報を用いて通信する。このため、光通信システムは、伝送路において光信号に生じた周波数オフセット及び波長分散を補償する必要がある（特許文献１参照）。

国際公開第２０１５／１４１６５８号

光通信システムの光受信器は、伝送路において光信号に生じた周波数オフセット及び波長分散を補償するために、周波数オフセット量を正確に推定する必要がある。しかしながら、従来の光受信器は、周波数オフセット量を正確に推定することができないという問題があった。

上記事情に鑑み、本発明は、周波数オフセット量を正確に推定することが可能である光受信器及び周波数オフセット量推定方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、時間方向に特定周期で配置された複数の特定信号系列を含む既知信号系列を取得する取得部と、前記特定信号系列同士の自己相関係数の成分量を周期ごとに取得する自己相関取得部と、前記周期ごとの前記自己相関係数の成分量のうちから、前記特定周期の前記自己相関係数の成分量を取得する特定周期成分取得部と、前記特定周期の前記自己相関係数の最大成分を検出する最大成分検出部と、前記自己相関係数の最大成分の回転量に基づいて周波数オフセット量を推定するオフセット量推定部とを備える光受信器である。

本発明の一態様は、上記の光受信器であって、前記オフセット量推定部は、前記自己相関係数の最大成分の複素平面上の値に基づいて、前記自己相関係数の最大成分の回転量を推定する。

本発明の一態様は、上記の光受信器であって、前記周波数オフセット量の推定値の候補のうちで、前記周波数オフセット量の粗推定値に近い推定値を、前記周波数オフセット量の推定値と決定する粗推定部を更に備える。

本発明の一態様は、光受信器が実行する周波数オフセット量推定方法であって、時間方向に特定周期で配置された複数の特定信号系列を含む既知信号系列を取得するステップと、前記特定信号系列同士の自己相関係数の成分量を周期ごとに取得するステップと、前記周期ごとの前記自己相関係数の成分量のうちから、前記特定周期の前記自己相関係数の成分量を取得するステップと、前記特定周期の前記自己相関係数の最大成分を検出するステップと、前記自己相関係数の最大成分の回転量に基づいて周波数オフセット量を推定するステップとを有する周波数オフセット量推定方法である。

本発明により、周波数オフセット量を正確に推定することが可能である。

第１実施形態における、光通信システムの構成の例を示す図である。 第１実施形態における、既知信号系列の例を示す図である。 第１実施形態における、第１推定回路の例を示す図である。 第１実施形態における、特定パターンを有する既知信号系列の自己相関の出力の例を示す図である。 第１実施形態における、自己相関係数の最大成分の複素平面上の分布の例を示す図である。 第１実施形態における、周波数オフセット量の推定可能範囲の例を示す図である。 第１実施形態における、第２推定回路の例を示す図である。 第２実施形態における、光通信システムの構成の例を示す図である。 第２実施形態における、重心検出部の構成の例を示す図である。 第２実施形態における、受信信号のスペクトルの例を示す図である。

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。
（第１実施形態）
図１は、光通信システム１ａの構成の例を示す図である。光通信システム１ａは、光送信器２と、伝送路３と、光受信器４ａと、局発光部５とを備える。光送信器２は、レーザ発振器（光源）を備える。光送信器２は、既知信号系列及びデータが付加されたフレームを光信号に変換する。光送信器２は、既知信号系列及びデータが付加されたフレームに応じた光信号を、伝送路３を介して光受信器４ａに送信する。局発光部５は、レーザ発振器（光源）を備える。局発光部５は、レーザを光受信器４ａに出力する。

図２は、既知信号系列の構成の例を示す図である。光送信器２は、フレームにおける任意の位置に、既知信号系列を付加する。既知信号系列は、特定信号系列を含むＮ個のサンプルを複数回繰り返すという特定パターンの信号系列である。特定信号系列は、所定間隔で配置されたＭ個のサンプルから構成される。特定信号系列を構成するサンプルは、所定の信号処理によってシンボルに変換される。特定信号系列は、シンボル単位の周期（以下「シンボル周期」という。）のうちの特定の周期（以下「特定周期」という。）ごとに検出される。つまり、特定信号系列は、Ｎシンボルごとに検出される。既知信号系列において、特定信号系列は、１種類でもよいし２種類以上でもよい。

図１に示された伝送路３は、例えば光ファイバである。伝送路３は、例えば光スプリッタを更に備えてもよい。伝送路３は、光送信器２から送信された光信号を、光受信器４ａに伝送する。

光受信器４ａは、光フロントエンド部４０と、ＡＤＣ４１（アナログ・デジタル変換部）と、固定フィルタ４２と、推定部４３ａと、適応等化フィルタ４４と、位相補償部４５と、復号部４６とを備える。

光フロントエンド部４０は、伝送路３を介して、光信号を光送信器２から取得する。光フロントエンド部４０は、局発光部５から出力されたレーザを用いて、多重分離処理及び復調処理を光信号に施す。光フロントエンド部４０は、多重分離処理及び復調処理を光信号に施した結果として、既知信号系列が付加されたフレームを含む受信信号を取得する。

ＡＤＣ４１は、受信信号をデジタル信号に変換する。ＡＤＣ４１は、デジタル信号である受信信号を、固定フィルタ４２に出力する。

固定フィルタ４２は、受信信号に印加された周波数オフセット量の推定値（FOE: Frequency Offset Estimation）を、推定部４３ａから取得する。固定フィルタ４２は、受信信号に印加された周波数オフセット量の推定値に応じて、受信信号に固定フィルタ処理を施す。すなわち、固定フィルタ４２は、周波数オフセット量の推定値だけ周波数オフセットを戻して、受信信号に固定フィルタ処理を施す。これによって、固定フィルタ４２は、受信信号における波長分散による遅延特性を補償することができる。固定フィルタ４２は、固定フィルタ処理が施された結果として得られた特定の周波数の受信信号を、推定部４３ａ及び適応等化フィルタ４４に出力する。

推定部４３ａは、既知信号系列を用いて、受信信号の周波数オフセット量及び波長分散を推定する。推定部４３ａは、既知信号系列の自己相関の出力に基づくブロック同期を用いて、受信信号の周波数オフセット量を推定する。推定部４３ａは、既知信号系列の相互相関の出力に基づくサンプル同期を用いて、受信信号の周波数オフセット量を更に推定してもよい。

推定部４３ａは、既知信号系列が付加されたフレームの自己相関係数を算出する。推定部４３ａは、自己相関係数のピーク（電力のピーク成分）を検出する。推定部４３ａは、自己相関係数のピークに基づいて、受信信号の位相回転量を算出する。推定部４３ａは、受信信号の位相回転量に基づいて、受信信号の周波数オフセット量を算出する。

推定部４３ａは、固定フィルタ処理が施されたデジタル信号である受信信号を、固定フィルタ４２の出力から取得する。推定部４３ａは、固定フィルタ処理が施されたデジタル信号である受信信号を用いて、伝送路パラメータを推定する。すなわち、推定部４３ａは、受信信号の周波数オフセット量を推定する。推定部４３ａは、受信信号の周波数オフセット量の推定値を、固定フィルタ４２に出力する。

周波数オフセット量は、光通信システムごとに規定される。光通信では、レーザの周波数オフセット量の範囲は、＋／−２．５ＧＨｚと規定されている。このため、光送信器２のレーザと局発光部５のレーザとで、＋／−５ＧＨｚが基準例となる。光通信システムごとに規定される周波数オフセット量の範囲（以下「所要推定範囲」という。）は、光送信器２のレーザ発振器（光源）と局発光部５のレーザ発振器との各性能に応じて異なる。

適応等化フィルタ４４は、固定フィルタ処理が施されたデジタル信号である受信信号に、適応等化フィルタ処理を施す。
位相補償部４５は、適応等化フィルタ処理が施された受信信号の位相を補償する。
復号部４６は、位相が補償された受信信号に復号処理を施す。

次に、推定部４３ａの詳細を説明する。
推定部４３ａは、第１推定回路４７（ブロック同期回路）と、第２推定回路４８（サンプル同期回路）とを備える。第１推定回路４７は、受信信号にブロック同期処理を施すことによって、受信信号における周波数オフセット量を推定する。

所要推定範囲は、既知信号系列の特定パターンに応じて、第１推定回路４７が推定可能である周波数オフセット量の範囲（以下「推定可能範囲」という。）を超える場合がある。すなわち、推定可能範囲は、既知信号系列に基づく特定周期に依存する。

第１推定回路４７は、所要推定範囲が推定可能範囲を超えていない場合、周波数オフセット量の推定値を決定することができる。第１推定回路４７は、周波数オフセット量の推定値を決定することができた場合、決定された周波数オフセット量の推定値を、固定フィルタ４２に出力する。

第１推定回路４７は、所要推定範囲が推定可能範囲を超えている場合、周波数オフセット量の推定値の候補を第２推定回路４８に出力する。すなわち、第１推定回路４７は、周波数オフセット量の推定値を決定することができない場合、周波数オフセット量の推定値の候補を第２推定回路４８に出力する。自己相関係数のピーク成分の位相が１８０度以上回転している場合、第１推定回路４７は、位相回転量を正しく推定できない。例えば、自己相関係数のピーク成分の位相が１９０度回転している場合、第１推定回路４７は、自己相関係数のピーク成分の位相が−１７０度回転していると推定する。

第１推定回路４７は、受信信号のフレームを複数のブロックに分割する。第１推定回路４７は、自己相関処理をブロックごとに実行する。第１推定回路４７は、自己相関処理によって特定周期「Ｎシンボル」の成分を特定パターンから抽出する。すなわち、第１推定回路４７は、周期ごとの自己相関の出力として特定周期の自己相関係数の成分を出力する。

第１推定回路４７は、単一のフレームに対して施される処理（内部ループ処理）において、フレームにおける既知信号系列の時間方向の位置（時刻）を検出する。ここで、第１推定回路４７は、単一のフレームにおいて特定周期の自己相関係数の成分量（電力）が多いブロックを特定する。第１推定回路４７は、特定されたブロックに既知信号系列が含まれていると判定する。

ブロックごとの特定周期の自己相関係数の成分量を第１推定回路４７が平均化できるように、時間方向に関して同じ位置関係で、毎フレームは第１推定回路４７に到来する。第１推定回路４７は、時間的に隣接する複数のフレームに対して施される処理（外部ループ処理）において、ブロックごとの特定周期の自己相関係数の成分量を平均化する。すなわち、第１推定回路４７は、ブロックごとの特定周期の自己相関係数の成分量を、バッファに蓄積された複数のフレームについて平均化する。

第１推定回路４７は、単一のフレームにおいて、時間方向で偶数番目のブロックと時間方向で奇数番目のブロックとのうちの少なくとも一方に基づいて、第１推定回路４７における信号処理を実行する。偶数番目のブロックと奇数番目のブロックとのうちのいずれか一方に基づいて第１推定回路４７が信号処理を実行する場合、第１推定回路４７の回路規模は、偶数番目のブロックと奇数番目のブロックとの両方に基づいて第１推定回路４７が信号処理を実行する場合と比較して小さくてもよい。

第１推定回路４７は、受信信号のＸ偏波及びＹ偏波のうちの少なくとも一方に基づいて、第１推定回路４７における信号処理を実行する。第１推定回路４７は、受信信号のＸ偏波及びＹ偏波を加算した結果に基づいて、第１推定回路４７における信号処理を実行してもよい。これによって、第１推定回路４７は、受信信号の偏波が回転している場合でも、信号処理のタイミングに受信信号をサンプル単位で同期させることができる。

図３は、第１推定回路４７の例を示す図である。第１推定回路４７は、サンプル加算回路４７０と、自己相関回路４７１と、特定周期成分取得回路４７２と、バッファ４７３と、フレーム平均化回路４７４と、最大位置検出回路４７５と、オフセット量推定回路４７６とを備える。各機能部のうち一部又は全部は、例えば、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェア機能部である。また、各機能部のうち一部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサが、メモリに記憶されたプログラムを実行することにより機能するソフトウェア機能部でもよい。

サンプル加算回路４７０（取得部）は、受信信号のフレームを複数のブロックに分割する。サンプル加算回路４７０は、サンプル同士を加算する処理（以下「サンプル加算処理」という。）を、各フレームに施す。これによって、サンプル加算回路４７０は、自己相関回路４７１が自己相関処理を施す受信信号のサンプルの数を削減することができる。サンプル加算回路４７０は、加算されるサンプルの数を、送信信号のオーバーサンプリング数に応じて決定する。例えば、オーバーサンプリング数が２である場合、サンプル加算処理の出力におけるフレームのサンプル数は、サンプル加算処理の入力におけるフレームのサンプル数の（２分の１）である。

自己相関回路４７１は、サンプル加算処理されたフレームにおける既知信号系列の周期性を、自己相関に基づいて検出する。すなわち、自己相関回路４７１は、サンプル加算処理されたフレームにおける既知信号系列の周期性を、自己相関の出力として取得する。自己相関回路４７１は、既知信号系列同士の自己相関に基づいて、既知信号系列の周期性を検出する。自己相関回路４７１は、時間軸上の演算を含む自己相関関数である式（１）に基づいて、既知信号系列の周期性を検出する。Ｒ_ｆｆ（ｔ）は、自己相関係数（自己相関の出力）を表す。ｆ（τ）及びｆ（ｔ−τ）は受信信号を表す。

自己相関回路４７１は、逆高速フーリエ変換（IFFT: Inverse Fast Fourier Transform）と高速フーリエ変換（FFT: Fast Fourier Transform）とを用いる演算を含む自己相関関数としての式（２）に基づいて、既知信号系列の周期性を検出してもよい。Ｒ_ｆｆ（ｔ）は、自己相関係数（自己相関の出力）を表す。ｉｆｆｔは、逆高速フーリエ変換を表す。ｆｆｔは、高速フーリエ変換を表す。ｆ（ｔ）は受信信号を表す。

自己相関回路４７１は、式（１）及び式（２）に表されているように、受信信号の周波数成分とその周波数成分の複素共役（ｃｏｎｊ）の成分とを乗算する。これによって、自己相関回路４７１は、伝送路３において光信号に生じた線形の歪み成分を打ち消すことができる。したがって、自己相関係数は、伝送路３において光信号に生じた線形の歪み成分の影響を受け難い。

図４は、特定パターンを有する既知信号系列の自己相関の出力の例を示す図である。
横軸は、シンボル周期のインデックス（ｉ）を表す。縦軸は、特定周期の自己相関係数の成分量（受信信号の電力）を表す。仮に、既知信号系列が特定パターンを有しない場合、特定周期の自己相関係数の成分量のピーク値は、インデックス「０番目」のシンボル周期の位置に現れる。既知信号系列は、既知信号系列が特定パターンを有しているので、特定パターンに応じたシンボル周期の位置に特定周期の自己相関係数の成分量のピーク値が現れる。

自己相関回路４７１は、既知信号系列が複数種類の特定信号系列を有する場合、一部の種類の特定信号系列を用いる同期特性が劣化したとしても、他の種類の特定信号系列により同期特性を維持することが可能である。

特定周期成分取得回路４７２は、特定周期の自己相関係数の成分量のピーク値と受信信号の電力の折り返し周期の自己相関係数の成分量とを加算した結果を出力する。例えば、特定周期成分取得回路４７２は、特定周期の自己相関係数の成分量のピーク値と受信信号の電力の折り返し周期の自己相関係数の成分量とについて、自己相関係数Ｒ_ｆｆ同士を加算する。特定周期成分取得回路４７２は、特定周期の成分量のピーク値と受信信号の電力の折り返し周期の自己相関係数の成分量とについて複素数を考慮して、自己相関係数Ｒ_ｆｆ同士を加算してもよい。例えば、特定周期成分取得回路４７２は、式（３）に表されているように、特定周期の自己相関係数の成分量のピーク値と受信信号の電力の折り返し周期の自己相関係数の成分量とを加算する。特定周期成分取得回路４７２は、複数のフレームについて、加算結果をバッファ４７３に記録する。

ここで、Ｐ_ｐｅａｋは、インデックス（ｉ）が示すシンボル周期の位置における特定周期の自己相関係数の成分量（電力）を表す。Ｒ_ｆｆは、自己相関係数を表す。ｉ_ｐｅａｋは、特定周期の自己相関係数の成分量（電力）のピーク値を示すシンボル周期のインデックスを表す。ｉ_ｆｌａｐは、折り返し周期のシンボル周期のインデックスを表す。

バッファ４７３は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）やレジスタなどの揮発性の記憶媒体を有する。バッファ４７３は、磁気ハードディスク装置や半導体記憶装置等の不揮発性の記憶媒体（非一時的な記録媒体）を有する記憶装置を有してもよい。バッファ４７３は、特定周期成分取得回路４７２による加算結果を、複数のフレームについて記憶する。

フレーム平均化回路４７４（平均化部）は、時間的に隣接する複数のフレームに対して施される処理（外部ループ処理）において、ブロックごとの特定周期の自己相関係数の成分量（自己相関の出力）を平均化する。すなわち、フレーム平均化回路４７４は、ブロックごとの特定周期の自己相関係数の成分量を、バッファに蓄積された複数のフレームについて平均化する。例えば、フレーム平均化回路４７４は、ブロックごとの特定周期の自己相関係数の成分量を複数のフレームについて加算した結果をフレームの個数で除算することによって、ブロックごとの特定周期の自己相関係数の成分量を平均化する。例えば、フレーム平均化回路４７４は、忘却係数を用いて、ブロックごとの特定周期の自己相関係数の成分量を平均化してもよい。

最大位置検出回路４７５（最大成分検出部）は、特定周期成分取得回路４７２による加算結果に基づいて、特定周期の自己相関係数の成分量が最大値を示す時刻を、既知信号系列の受信時刻として検出する。すなわち、最大位置検出回路４７５は、既知信号系列を含むフレームにおいて、平均化された特定周期の自己相関係数の成分量が最大となる位置を検出する。最大位置検出回路４７５は、特定周期の自己相関係数の最大成分（ピーク成分）を検出する。最大位置検出回路４７５は、第１推定回路４７の信号処理に、受信信号をサンプル単位（シンボル単位）で同期させる。

オフセット量推定回路４７６（オフセット量推定部）は、自己相関係数の複素数の成分量に基づいて、周波数オフセット量を推定する。光信号に周波数オフセットが印加された場合、位相回転θは、式（４）のように表される。

ここで、Ｎは、特定周期を表す。Ｓ_ｐｅａｋは、図４に示されているような特定周期の自己相関係数の最大成分量（ピーク値）を表す。周波数オフセット量の推定に用いられる値は、自己相関の出力（自己相関係数）の複素平面上の値である。図４では、理解しやすいように、自己相関の出力は絶対値で表現されている。Ｒ_ｓは、変調速度を表す。

図２に示されている既知信号系列の自己相関の例では、特定周期「Ｎシンボル」ごとに自己相関係数の成分量にピークが生じる。周波数オフセットが光信号に付加された場合、自己相関係数の最大成分の位相は、「Ｎシンボル」回転する。このため、オフセット量推定回路４７６は、自己相関係数の最大成分の回転量を推定する。オフセット量推定回路４７６は、自己相関係数の最大成分の回転量を１秒あたりの量に変換することによって、周波数オフセット量の推定値を算出する。

図５は、自己相関係数の最大成分（ピーク成分の加算後の複素数値）の複素平面上の分布の例を示す図である。図５における自己相関係数の最大成分の周波数オフセット量の範囲は、−５ＧＨｚから５ＧＨｚまでの範囲である。第１推定回路４７が推定可能である周波数オフセット量の最大値ＦＯＥ_ｍａｘは、式（５）のように表される。

ここで、Ｒ_ｓは、変調速度を表す。Ｎは、特定周期(シンボル単位)を表す。したがって、推定可能範囲は、式（６）のように表される。

図６は、周波数オフセット量の推定可能範囲の例を示す図である。所要推定範囲は、送信器の光源と受信器の光源との各性能に応じて定められる。周波数オフセット量の推定値の候補の個数は、推定可能範囲の集合が所要推定範囲を含むように定められる。図６では、（ＦＯＥ−４ＦＯＥ_ｍａｘ）の推定可能範囲と、（ＦＯＥ−２ＦＯＥ_ｍａｘ）の推定可能範囲と、（ＦＯＥ_ｍａｘ）の推定可能範囲と、（ＦＯＥ＋２ＦＯＥ_ｍａｘ）の推定可能範囲と、（ＦＯＥ＋４ＦＯＥ_ｍａｘ）の推定可能範囲との集合が、所要推定範囲を含む。式（６）に表されているように、周波数オフセット量の推定値の候補同士の間隔は、２ＦＯＥ_ｍａｘである。例えば、（ＦＯＥ＋４ＦＯＥ_ｍａｘ）の推定可能範囲内の（ＦＯＥ）と（ＦＯＥ＋２ＦＯＥ_ｍａｘ）の推定可能範囲内の（ＦＯＥ）との間隔は、２ＦＯＥ_ｍａｘである。

受信信号に付加される周波数オフセット量（ＦＯ）が単一の推定可能範囲を超える場合、第２推定回路４８は、周波数オフセット量の推定値の候補のうちから推定値を決定（選択）するために、周波数オフセット量の粗推定値を算出する。すなわち、単一の推定可能範囲を所要推定範囲が超えている場合、第２推定回路４８は、周波数オフセット量の推定値の候補のうちから推定値を決定するために、周波数オフセット量の粗推定値を算出する。

例えば、周波数オフセット量の真値が１ＧＨｚである場合、第１推定回路４７は、周波数オフセット量の推定値の候補の例として、−５ＧＨｚと、−２ＧＨｚと、１ＧＨｚと、４ＧＨｚとを得る。第２推定回路４８は、周波数オフセット量の粗推定値として、例えば、１．８ＧＨｚを得る。第２推定回路４８は、周波数オフセット量の推定値の候補である−５ＧＨｚと−２ＧＨｚと１ＧＨｚと４ＧＨｚとのうち粗推定値（１．８ＧＨｚ）に近い１ＧＨｚを、周波数オフセット量の推定値と決定する。

第２推定回路４８は、第１推定回路４７によって検出されたブロック（以下「検出ブロック」という。）を、第１推定回路４７から取得する。第２推定回路４８は、検出ブロックにおける既知信号系列と待受信号の信号系列との相互相関係数（相互相関の出力）を取得する。第２推定回路４８は、ブロックごとの相互相関係数を、バッファに蓄積された複数のフレームについて平均化する。第２推定回路４８は、第２推定回路４８の信号処理に受信信号をサンプル単位で同期させる。

第２推定回路４８は、時間的に隣接する複数のフレームに対して施される処理（外部ループ処理）において、ブロックごとの特定周期の自己相関係数の成分量を平均化する。第２推定回路４８は、同期特性を改善するために，既知信号系列に加えて他の種類の既知信号系列を使用してもよい。第２推定回路４８は、既知信号系列と既知信号系列１３及び１４との少なくとも一方をフレームが有する場合、一部の種類の既知信号系列を用いる同期特性が劣化したとしても、光信号に生じた線形の歪み成分を他の種類の既知信号系列を用いて補償することができる。

第２推定回路４８は、サンプル加算回路４８０と、差動処理回路４８１と、差動成分加算回路４８２と、偏波間成分加算回路４８３と、待受信号部４８４と、相互相関取得回路４８５と、バッファ４８６と、フレーム平均化回路４８７と、隣接サンプル加算回路４８８と、最大位置検出回路４８９と、第１粗推定回路４９０とを備える。なお、第２推定回路４８は、隣接サンプル加算回路４８８を備えなくてもよい。

サンプル加算回路４８０は、検出ブロックを第１推定回路４７から取得する。サンプル加算回路４８０は、検出ブロックにサンプル加算処理を施す。サンプル加算回路４８０は、加算されるサンプルの数を、送信信号のオーバーサンプリング数に関わらず決定する。決定されたサンプルの数に応じて、サンプル加算回路４８０は、サンプル加算処理が施された既知信号系列と待受信号とが同系列の信号となるように、待受信号部４８４が保持する待受信号の系列にもサンプル加算処理を施す。

差動処理回路４８１は、サンプル加算処理が施されたブロックをサンプル加算回路４８０から取得する。差動処理回路４８１は、選択されたシンボル（自シンボル）から０個以上先のシンボルと選択されたシンボルとを乗算する。

差動成分加算回路４８２は、差動成分加算回路４８２によって複数のシンボルについて生成された差動成分を加算する。差動成分加算回路４８２は、差動成分加算回路４８２によって複数のシンボルについて一度に生成された差動成分を加算してもよい。

偏波間成分加算回路４８３は、信号のＸ偏波及びＹ偏波を加算する。これによって、第２推定回路４８は、受信信号の偏波が回転している場合でも、信号処理のタイミングに受信信号をサンプル単位で同期させることができる。
待受信号部４８４は、待受信号を相互相関取得回路４８５に出力する。待受信号（待受パターン）は、既知信号系列と同系列の信号である。

自己相関回路４７１は、既知信号系列同士の自己相関に基づいて既知信号系列の周期性を検出し、検出された周期性に基づいて受信信号をブロック同期させる。これに対して、相互相関取得回路４８５は、既知信号系列と待受信号との相互相関に基づいて既知信号系列と受信信号の一致性を検出し、検出された一致性に基づいて受信信号をサンプル同期する。相互相関取得回路４８５は、式（２）に基づいて同期を取得する場合、式（２）における（ｆｆｔ）の信号系列のうちの一方を受信信号とする。相互相関取得回路４８５は、式（２）に基づいて同期を取得する場合、式（２）における（ｆｆｔ）の信号系列のうちの他方を待受信号とする。

相互相関取得回路４８５は、既知信号系列と待受信号との相互相関の出力を、バッファ４８６に記録する。相互相関取得回路４８５は、逆高速フーリエ変換と高速フーリエ変換とを用いる演算を含む相互相関関数としての式（２）に基づいて、相互相関の出力としてサンプル（シンボル）ごとの相互相関係数を取得する。

バッファ４８６は、ＲＡＭやレジスタなどの揮発性の記憶媒体を有する。バッファ４８６は、磁気ハードディスク装置や半導体記憶装置等の不揮発性の記憶媒体（非一時的な記録媒体）を有する記憶装置を有してもよい。バッファ４８６は、サンプルごとの相互相関の出力としての相互相関係数を記憶する。
フレーム平均化回路４８７は、時間的に隣接する複数のフレームに対して施される処理（外部ループ処理）において、サンプルごとの相互相関の出力を平均化する。

隣接サンプル加算回路４８８は、平均化されたサンプルごとの相互相関の出力を、隣り合う任意のサンプル同士で加算する。これによって、隣接サンプル加算回路４８８は、相互相関の出力の最大値を大きくすることができる。

最大位置検出回路４８９は、フレーム平均化回路４８７によって平均化されたサンプルごとの相互相関の出力に基づいて、サンプルごとの相互相関の出力が最大値を示す時刻を、既知信号系列の受信時刻として検出する。

第１粗推定回路４９０（粗推定部）は、サンプル（シンボル）ごとの相互相関係数に基づいて、式（７）のように周波数オフセット量の粗推定値を算出する。

ここで、Ｓ_ｐｅａｋは、特定周期の相互相関係数の最大成分量を表す。Ｒ_ｓは、変調速度を表す。第１粗推定回路４９０は、第１推定回路４７によって検出された周波数オフセット量の推定値の候補のうちで、周波数オフセット量の粗推定値に近い推定値を、周波数オフセット量の推定値と決定する。第１粗推定回路４９０は、周波数オフセット量の推定値を固定フィルタ４２に出力する。

以上のように、第１実施形態の光受信器４ａは、取得部としてのサンプル加算回路４７０と、自己相関取得部としての自己相関回路４７１と、特定周期成分取得部としての特定周期成分取得回路４７２と、最大成分検出部としての最大位置検出回路４７５と、オフセット量推定部としてのオフセット量推定回路４７６とを備える。サンプル加算回路４７０は、時間方向に特定周期で配置された複数の特定信号系列を含む既知信号系列を取得する。自己相関回路４７１は、特定信号系列同士の自己相関係数の成分量を周期ごとに取得する。特定周期成分取得回路４７２は、周期ごとの自己相関係数の成分量のうちから、特定周期の自己相関係数の成分量を取得する。最大位置検出回路４７５は、特定周期の自己相関係数の最大成分を検出する。オフセット量推定回路４７６は、自己相関係数の最大成分の回転量に基づいて周波数オフセット量を推定する。

これによって、第１実施形態の光受信器４ａは、周波数オフセット量を正確に推定することが可能である。第１実施形態の光受信器４ａは、簡易な回路でも、周波数オフセット量を正確に推定することが可能である。

第１実施形態の光受信器４ａは、第１粗推定回路４９０を更に備えてもよい。第１粗推定回路４９０は、周波数オフセット量の推定値の候補のうちで、サンプル同期に基づいて得られた周波数オフセット量の粗推定値に近い推定値を、周波数オフセット量の推定値と決定する。

（第２実施形態）
第２実施形態では、受信信号のスペクトルの重心に基づいて推定部が周波数オフセット量を推定する点が、第１実施形態と相違する。第２実施形態では、第１実施形態との相違点についてのみ説明する。

図８は、光通信システム１ｂの構成の例を示す図である。光通信システム１ｂは、光送信器２と、伝送路３と、光受信器４ｂと、局発光部５とを備える。光送信器２は、レーザ発振器（光源）を備える。光送信器２は、既知信号系列及びデータが付加されたフレームを、光信号に変換する。光送信器２は、既知信号系列及びデータが付加されたフレームに応じた光信号を、伝送路３を介して光受信器４ｂに送信する。局発光部５は、レーザを光受信器４ｂに出力する。

光受信器４ｂは、光フロントエンド部４０と、ＡＤＣ４１（アナログ・デジタル変換部）と、固定フィルタ４２と、推定部４３ｂと、適応等化フィルタ４４と、位相補償部４５と、復号部４６とを備える。推定部４３ｂは、既知信号系列を用いて、受信信号の周波数オフセット量及び波長分散を推定する。推定部４３ｂは、第１推定回路４７（ブロック同期回路）と、第２推定回路４８としての重心検出部４９とを備える。

第１推定回路４７は、所要推定範囲が推定可能範囲を超えている場合、周波数オフセット量の推定値の候補を重心検出部４９に出力する。すなわち、第１推定回路４７は、周波数オフセット量の推定値を決定することができない場合、周波数オフセット量の推定値の候補を重心検出部４９に出力する。

図９は、重心検出部４９の構成の例を示す図である。重心検出部４９は、ＦＦＴ回路４９１と、重心算出回路４９２と、第２粗推定回路４９３とを備える。ＦＦＴ回路４９１は、高速フーリエ変換によって、受信信号のスペクトルを生成する。

図１０は、受信信号のスペクトルの例を示す図である。横軸は周波数を表す。縦軸は電力（Ｐ）を表す。重心算出回路４９２は、受信信号のスペクトルの重心ｘ_Ｇを、式（８）のように検出する。

ここで、Ｐ_ｎは、各ビンにおける電力を表す。ｆ_ｎは、各ビンの周波数を表す。重心算出回路４９２は、受信信号のスペクトルの重心ｘ_Ｇに基づいて、周波数オフセット量を推定する。すなわち、重心算出回路４９２は、受信信号のスペクトルの重心ｘ_Ｇと予め定められた重心との間の周波数差に基づいて、周波数オフセット量を推定する。

第２粗推定回路４９３（粗推定部）は、第１推定回路４７によって検出された周波数オフセット量の推定値の候補のうちで、周波数オフセット量の粗推定値に近い推定値を、周波数オフセット量の推定値と決定する。第２粗推定回路４９３は、決定された周波数オフセット量の推定値を、固定フィルタ４２に出力する。

以上のように、第２実施形態の光受信器４ｂは、取得部としてのサンプル加算回路４７０と、自己相関取得部としての自己相関回路４７１と、特定周期成分取得部としての特定周期成分取得回路４７２と、最大成分検出部としての最大位置検出回路４７５と、オフセット量推定部としてのオフセット量推定回路４７６とを備える。

これによって、第２実施形態の光受信器４ｂは、周波数オフセット量を正確に推定することが可能である。第２実施形態の光受信器４ｂは、簡易な回路でも、周波数オフセット量を正確に推定することが可能である。

第２実施形態の光受信器４ｂは、第２粗推定回路４９３を更に備えてもよい。第２粗推定回路４９３は、周波数オフセット量の推定値の候補のうちで、受信信号のスペクトルの重心位置に基づいて得られた周波数オフセット量の粗推定値に近い推定値を、周波数オフセット量の推定値と決定する。

上述した実施形態における光受信器、光通信システムの少なくとも一部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

本発明は、光受信器、光通信システムに適用可能である。

１ａ，１ｂ…光通信システム、２…光送信器、３…伝送路、４ａ，４ｂ…光受信器、５…局発光部、４０…光フロントエンド部、４１…ＡＤＣ、４２…固定フィルタ、４３ａ，４３ｂ…推定部、４７…第１推定回路、４８…第２推定回路、４９…重心検出部、４７０…サンプル加算回路、４７１…自己相関回路、４７２…特定周期成分取得回路、４７３…バッファ、４７４…フレーム平均化回路、４７５…最大位置検出回路、４７６…オフセット量推定回路、４８０…サンプル加算回路、４８１…差動処理回路、４８２…差動成分加算回路、４８３…偏波間成分加算回路、４８４…待受信号部、４８５…相互相関取得回路、４８６…バッファ、４８７…フレーム平均化回路、４８８…隣接サンプル加算回路、４８９…最大位置検出回路、４９０…第１粗推定回路、４９１…ＦＦＴ回路、４９２…重心算出回路、４９３…第２粗推定回路

Claims (4)

1. 時間方向に特定周期で配置された複数の特定信号系列を含む既知信号系列を前記既知信号系列の周期で取得する取得部と、
   前記特定信号系列同士の自己相関係数の成分量を前記既知信号系列の周期ごとに算出する自己相関算出部と、
   前記既知信号系列の周期ごとの前記自己相関係数の成分量のうちから、前記特定周期の前記自己相関係数の成分量を取得する特定周期成分取得部と、
   前記特定周期の前記自己相関係数の最大成分を検出する最大成分検出部と、
   前記自己相関係数の最大成分の回転量に基づいて周波数オフセット量を推定するオフセット量推定部と、
   前記既知信号系列を含むフレームであって時間的に隣接する複数の前記フレームに対して施される処理において、前記既知信号系列に含まれているサンプルごとの相互相関の出力を平均化するフレーム平均化部と、
   平均化された前記サンプルごとの相互相関の出力を、隣り合う任意の前記サンプル同士で加算する隣接サンプル加算部と
   を備える光受信器。
2. 前記オフセット量推定部は、前記自己相関係数の最大成分の複素平面上の値に基づいて、前記自己相関係数の最大成分の回転量を推定する、請求項１に記載の光受信器。
3. 前記周波数オフセット量の推定値の候補のうちで、前記周波数オフセット量の粗推定値に近い推定値を、前記周波数オフセット量の推定値と決定する粗推定部を更に備え、
   前記周波数オフセット量の粗推定値は、前記特定周期の相互相関係数の最大成分の実部と前記特定周期の相互相関係数の最大成分の虚部との比の逆正接に変調速度が乗算された結果に基づいて算出される回転量である、請求項１又は請求項２に記載の光受信器。
4. 光受信器が実行する周波数オフセット量推定方法であって、
   時間方向に特定周期で配置された複数の特定信号系列を含む既知信号系列を前記既知信号系列の周期で取得するステップと、
   前記特定信号系列同士の自己相関係数の成分量を前記既知信号系列の周期ごとに算出するステップと、
   前記既知信号系列の周期ごとの前記自己相関係数の成分量のうちから、前記特定周期の前記自己相関係数の成分量を取得するステップと、
   前記特定周期の前記自己相関係数の最大成分を検出するステップと、
   前記自己相関係数の最大成分の回転量に基づいて周波数オフセット量を推定するステップと、
   前記既知信号系列を含むフレームであって時間的に隣接する複数の前記フレームに対して施される処理において、前記既知信号系列に含まれているサンプルごとの相互相関の出力を平均化するステップと、
   平均化された前記サンプルごとの相互相関の出力を、隣り合う任意の前記サンプル同士で加算するステップと
   を有する周波数オフセット量推定方法。

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