JP6921912B2

JP6921912B2 - フレーム同期装置、光通信装置およびフレーム同期方法

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Publication number: JP6921912B2
Application number: JP2019160161A
Authority: JP
Inventors: 光輝吉田; 靖行遠藤; 勝一大山; 将之池田; 勉竹谷; 山崎　悦史; 悦史山崎; 木坂　由明; 由明木坂; 富沢　将人; 将人富沢
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2018-06-07
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2038-06-07
Also published as: JP2019213218A

Description

本発明は、データ通信において受信信号に含まれる同期パターンを検出することにより、フレーム同期を確立するフレーム同期装置に関する。

コヒーレント光通信では、受信側において、タイミングの正確な同期により伝送特性の補償を行い大容量化を図っている。タイミング同期においては、受信信号のフレーム毎に予め挿入されたフレーム同期パターン（ＳＰ信号）が使用され、このＳＰ信号を正確かつ高速に検出できるかどうかが大容量化の性能を左右する。また、光通信では偏波分散等でシンボル誤り率が高くなり伝送特性が劣化するので、このような状況においても、正確にＳＰ信号を検出して同期を確立し、且つ同期状態を維持することが重要である。さらに、位相変調システムにおいては、位相スリップによる同期外れへの対応も必要となる。

特許文献１には、フレームの同期確立を行う手段として、同期検査位置のビットストリームと同期フラグの既定のビットパターンとをビット毎に比較し、一致しているビット数を閾値と比較し、その比較結果により同期検査位置のビットストリームが真正の同期フラグかどうかを判定する方法が記載されている。また、特許文献１では、必ずしも最適ではない閾値を設定して同期確立の成功確率を低化させてしまう問題を解決する方法として、エラーパターンの特徴量を基にした同期判定方法が提案されている。

特許文献２には、フレーム内の情報ビットの一部を参照信号として符号化して同期パターンとして扱うことにより、差動符号化を用いずに、位相スリップによる伝送品質劣化を回避し、冗長信号の低減により伝送品質を向上させる方法が記載されている。また、特許文献３には、相互相関からフレーム同期を確立する方法が記載され、特許文献４には、互いに反転した同期パターンとの相関値を算出することで、位相スリップが発生しても同期パターンを検出しフレーム同期を確立する方法が記載されている。

また、上述したフレーム同期よりも長周期の構造を有するマルチフレーム構成においては、マルチフレームの先頭を検出してマルチフレーム同期を確立する必要がある。非特許文献１では、ＯＴＵ（Optical-channel Transport Unit）フレームの一部の領域に対して、マルチフレーム番号であるＭＦＡＳ(Multi-Frame Alignment Signal)という信号を挿入する仕組みが標準化されている。マルチフレーム同期においては、マルチフレーム番号を正しく判定して、マルチフレームを正しい時間位置で同期確立して、その同期状態を保持し、さらに、マルチフレーム位置がずれた場合には、マルチフレーム同期外れとして検出する必要がある。

ＩＴＵ−Ｔ勧告Ｇ．７０９

特開２００１−１８９７１６号公報特開２０１４−３５０７号公報特開２０１１−１７６４７０号公報特開２０１７−５４６７号公報

しかしながら、従来のフレーム同期方法では、受信シンボルの誤り率が高い場合に、受信シンボルと同期パターンとの一致・不一致の判定に誤りが発生して、同期状態にも関わらず同期外れと判定する場合や、同期外れ状態にも関わらず同期状態と判定する等同期状態の判定を誤るという問題があった。

また、マルチフレーム同期においては、受信シンボルに対して硬判定して得られたビット情報は誤りを含んでおり、誤りを含む情報に基づいてマルチフレームの先頭位置の一致・不一致を判定するため、受信シンボルの誤り率が高い状態では、マルチフレーム位置がずれた場合に、正しくマルチフレーム同期外れを検出することができないという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、受信シンボルの誤り率が高い場合においても、正しく同期状態を判定するフレーム同期装置を提供し、また、マルチフレーム同期において、正しく同期確立をするとともに、正しく同期外れを検出するフレーム同期装置を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明のフレーム同期装置は、複数のフレームから成るマルチフレーム信号の所定の同期パターンを検出することにより、フレーム同期を確立するフレーム同期装置であって、前記複数のフレームの各フレームに、それぞれが複数シンボルで構成される２種類以上の同期パターンの少なくとも１種類の同期パターンを少なくとも１つ挿入し、前記マルチフレーム信号の先頭から複数のフレームに渡って、少なくとも１種類の前記同期パターンの少なくとも１つを所定の系列でマルチフレーム同期系列として挿入するマルチフレーム用同期パターン挿入部と、前記同期パターンに対応する受信信号と前記同期パターンとのシンボル毎の距離を信号空間ダイアグラム上の座標で計算し、前記距離の平均値が最小となる前記同期パターンの種類を判定する同期パターン判定部と、前記判定した前記複数のフレームにおける前記同期パターンの系列が、前記マルチフレーム同期系列と、所定の判定条件の範囲内で一致するか否かを判定するマルチフレーム同期系列判定部とを含む。

また、前記同期パターンは、マークパターンとスペースパターンとを有し、前記マークパターンは、前記スペースパターンに対して、信号空間ダイアグラム上における原点対象となるように構成されてもよい。

上述したような課題を解決するために、本発明の光通信装置は、上記フレーム同期装置を備える。

上述したような課題を解決するために、本発明のフレーム同期方法は、複数のフレームから成るマルチフレーム信号の所定の同期パターンを検出することにより、フレーム同期を確立するフレーム同期装置におけるフレーム同期方法であって、前記複数のフレームの各フレームに、それぞれが複数シンボルで構成される２種類以上の同期パターンの少なくとも１種類の同期パターンを少なくとも１つ挿入し、前記マルチフレーム信号の先頭から複数のフレームに渡って、少なくとも１種類の前記同期パターンの少なくとも１つを所定の系列でマルチフレーム同期系列として挿入するマルチフレーム用同期パターン挿入ステップと、前記同期パターンに対応する受信信号と前記同期パターンとのシンボル毎の距離を信号空間ダイアグラム上の座標で計算し、前記距離の平均値が最小となる前記同期パターンの種類を判定する同期パターン判定ステップと、前記判定した前記複数のフレームにおける前記同期パターンの系列が、前記マルチフレーム同期系列と、所定の判定条件の範囲内で一致するか否かを判定するマルチフレーム同期系列判定ステップとを含む。

本発明によれば、受信シンボルの誤り率が高い場合においても、正しく同期状態を判定するフレーム同期装置を提供し、また、マルチフレーム同期において、正しく同期確立をするとともに、正しく同期外れを検出するフレーム同期装置を提供することが可能となる。

図１は、本発明の第１の参考の形態に係るフレーム構成例を示す図である。図２は、本発明の第１の参考の形態に係るフレーム同期装置の構成例を示す図である。図３は、本発明の第１の参考の形態に係る同期パターン受信時の動作例を示す図である。図４は、本発明の第１の参考の形態に係る同期パターン以外の受信時の動作例を示す図である。図５は、本発明の第１の参考の形態に係る同期パターンの一致判定方法を示す図である。図６は、本発明の第１の参考の形態に係る位相スリップ時の同期パターンの一致判定方法を示す図である。図７は、本発明の第２の参考の形態に係るフレーム同期装置の構成例を示す図である。図８は、本発明の第２の参考の形態に係る同期パターン受信時の動作例を示す図である。図９は、本発明の第２の参考の形態に係る同期パターン以外の受信時の動作例を示す図である。図１０は、本発明の第２の参考の形態に係る同期パターンの一致判定方法を示す図である。図１１は、本発明の第２の参考の形態に係る１８０度位相スリップ時の同期パターンの一致判定方法を示す図である。図１２は、本発明の第２の参考の形態に係る９０度位相スリップ時の同期パターンの一致判定方法を示す図である。図１３は、本発明のフレーム同期装置における雑音抑制効果を説明するための図である。図１４は、本発明のフレーム同期装置における雑音抑制効果を説明するための図である。図１５は、本発明の実施の形態に係るマルチフレーム同期装置の構成例を示す図である。図１６は、本発明の実施の形態に係るマルチフレーム信号の構成例を示す図である。図１７は、本発明の実施の形態に係るマルチフレームにおけるマークパターンＭとスペースパターンＳの一例を示す図である。図１８は、本発明の実施の形態に係る受信信号とマークパターンＭ及びスペースパターンＳとの距離を示す図である。図１９は、本発明の実施の形態に係るフレーム同期装置を備えたコヒーレント光通信装置の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

＜第１の参考の形態＞
図１は、本発明の第１の参考の形態に係るフレーム構成例を示す図である。

本参考の形態における受信信号は、複数のフレームで構成され、各フレームには、フレームの先頭を示す同期パターンが付加されている。図１には、受信信号がＱＰＳＫ変調信号で、同期パターンが３２シンボルである場合が例示されている。図１では、複数のフレーム信号を受信した場合に、同期パターンとの一致性をフレーム毎に判定し、複数のフレーム信号での一致性の判定の結果を総合して、同期状態を判定する。例えば、同期パターン３２シンボルにおいて、８シンボル毎に４回の一致性判定を行い、さらに、１６フレーム信号での一致性の判定の結果に基づき同期状態を判定（総合同期判定）する。

＜フレーム同期装置の構成＞
図２は、本発明の第１の参考の形態に係るフレーム同期装置の構成例を示す図である。フレーム同期装置１０は、受信信号と、信号空間ダイアグラム上の所定の信号点に対する同期パターンの逆複素数とを、受信信号の複数のシンボル毎に乗算する乗算部１１と、受信信号の複数のシンボルにおける乗算部の出力を加算平均する加算平均部１２と、加算平均部の出力が、所定の信号点の所定の一致判定範囲内であるか否かの一致判定を行い、一致判定の結果に基づいて、フレーム同期の同期状態を判定する同期判定部１３、信号空間ダイアグラム上の所定の信号点に対する同期パターンの逆複素数を算出する逆複素数算出部１４とを備える。

受信信号は、以下の式（１）で表され、信号空間ダイアグラム上のＩ成分とＱ成分とで決まる信号点で表される。Ｉ成分は、同位相成分（In-Phase Component）を表し、Ｑ成分は、直交位相成分（Quadrature-Phase Component）を表す。ｎは、受信信号のシンボルの順番を表す。

また、フレームの先頭の同期パターンは予め定められており、以下の式（２）で表すことができる。同期パターンも、受信信号と同様に信号空間ダイアグラム上のＩ成分とＱ成分とで決まる信号点で表される。ｎは、同期パターンのシンボルの順番を表す。

次に、逆複素数算出部１４では、信号空間ダイアグラム上に信号点（１＋ｊ）、（Ｉ＝１、Ｑ＝１）を定義し、この信号点（１＋ｊ）に対する同期パターンの逆複素数を、以下の式（３）により算出する。なお、信号点は、（１＋ｊ）に限定されず、信号空間ダイアグラム上の任意の値を選定することができる。

乗算部１１では、受信信号と、同期パターンの逆複素数とを、受信信号の複数のシンボル毎に乗算する。乗算部１１における受信信号と同期パターンの逆複素数との乗算結果は、以下の式（４）で表される。同期パターンのシンボル数分、計算される。

加算平均部１２においては、複数シンボルにおける乗算結果が加算平均され、同期判定部１３は、加算平均部１２の出力が、所定の信号点（１＋ｊ）の所定の一致判定範囲内であるか否かの一致判定を行い、一致判定の結果に基づいて、フレーム同期の同期状態を判定する。

ここで、受信信号が同期パターンに一致した場合、すなわちｘ_R（ｎ）＝ｘ_S（ｎ）の場合には、それぞれのシンボルにおける乗算結果は、信号点（１＋ｊ）に等しくなるので、乗算部１１の乗算結果が信号点（１＋ｊ）に等しいか否かにより、受信信号と同期パターンのシンボル毎の一致・不一致を判定することができる。

＜同期パターン受信時の動作＞
図３は、本発明の第１の参考の形態に係る同期パターン受信時の動作例を示す図である。図３では、受信信号として、雑音を伴ったＱＰＳＫ変調信号を受信した場合を想定しており、５つのシンボルを受信した時の信号空間ダイアグラム上の信号点が例示されている。これらの受信信号の信号点が、同期パターンの信号点に一致する場合は、逆複素数を乗算することにより、乗算結果が信号点（１＋ｊ）の付近に移される。

ここで、雑音が全く無い場合は、乗算結果が信号点（１＋ｊ）にほぼ一致することになるが、雑音を伴ったＱＰＳＫ変調信号の場合、図３に示すように、Ｉ成分、Ｑ成分の乗算結果は、信号点（１＋ｊ）に一致せず、値がばらついている。この雑音成分によるばらつきは、複数のシンボルにおける乗算結果を加算平均することで抑制することができる。

なお、受信信号の振幅は、必ずしも送信信号の振幅と一致しないが、受信側における受信振幅調整機能、例えば、自動利得制御によって受信信号の振幅を合わせることは可能である。

＜同期パターン以外受信時の動作＞
図４は、本発明の第１の参考の形態に係る同期パターン以外の受信時の動作例を示す図である。図３と同様に、受信信号として、雑音を伴ったＱＰＳＫ変調信号を受信した場合を想定しており、５つのシンボルを受信した時の信号空間ダイアグラム上の信号点が例示されている。

図４では、同期パターン以外の５つのシンボルを受信した時の信号空間ダイアグラム上の信号点が描かれている。受信した同期パターン以外のシンボルに対して同期パターンの逆複素数を乗算すると、図３とは異なり、乗算結果は信号点（１＋ｊ）に集中せず、信号空間ダイアグラム上の４つの信号点（１、１）、（−１、１）、（−１、−１）、（１、−１）に分散され、これらの加算平均は、ゼロ点に近づくこととなる。理想的には、受信信号が同期パターンの場合、複数シンボルにおける加算平均結果は、信号点（１＋ｊ）付近に集まり、一方、受信信号が同期パターン以外の場合、複数シンボルの加算平均結果は、ゼロ点に集まることとなる。

＜同期状態の判定方法＞
図５は、本発明の第１の参考の形態に係る同期パターンの一致判定方法を示す図である。図３、４で説明したように、雑音を伴ったＱＰＳＫ変調信号の場合、加算平均により雑音成分を抑制したとしても、加算平均の結果は、信号点（１＋ｊ）、あるいはゼロ点に一致しない。そこで、本参考の形態では、図５に示すように、信号点（１＋ｊ）の周囲に所定の一致判定範囲を設けて、加算平均の結果が所定の一致判定範囲内であるかにより、一致状態か否かを判定する。

本参考の形態では、図１に示すようなフレーム信号が含まれる信号を受信した場合、１つのフレームにおいて、既知の３２シンボルの同期パターンと受信信号の同期パターンに対応する信号が比較される。具体的には、８シンボルずつ４回の一致状態の判定を行い、さらに、ｎフレーム分の一致判定結果に基づいて総合的に同期判定を行う。例えば、４回の一致判定の結果が全て一致判定範囲内である状況が、ｎフレーム（例えば、ｎ＝１６）続く場合には同期と判定し、ｎフレーム続かない場合に同期外れと判定する。

ここで、４回の一致状態の判定のうち１回が一致判定範囲外である場合を許容するような判定を行ってもよい。例えば、１６フレーム中の６フレームが、４回の一致判定のうち１回が一致判定範囲外であった場合でも、総合的には同期が確立したと判定するようにしてもよい。

＜位相スリップ時の同期パターンの一致判定方法＞
図６は、本発明の第１の参考の形態に係る位相スリップ時の同期パターンの一致判定方法を示す図である。ＰＳＫ変調信号の場合、一般的に受信側では、キャリア信号の同期において９０度の不確定性が生じる。９０度の不確定性がある状態で、フレーム同期を実現するには、その不確定性（位相スリップ）が発生した場合でもフレーム同期を判定し、維持する必要がある。

本参考の形態では、フレーム同期時に位相スリップが発生した場合、受信信号と同じ同期パターンの逆複素数との乗算結果の信号点は、象限移動するだけで複数の象限に分散されることはない。これを利用して、加算平均化後の一致判定の際に、信号点（１＋ｊ）だけでなく、その９０度位相回転、１８０度位相回転、２７０度位相回転した信号点を加えた合計４つの信号点（１＋ｊ、−１＋ｊ、−１−ｊ、１−ｊ）において、一致判定をすることで位相スリップに対処することができる。具体的には、複数シンボルにおける加算平均結果と上述した４つの信号点との距離の最小値が、一致判定範囲内か否かで一致判定を行うことにより、位相スリップが発生した場合でも同期状態を判定することができる。

例えば、複数シンボルの加算平均結果が第１象限の信号点（１＋ｊ）の一致判定範囲に含まれている状態で、＋９０度の位相回転が発生した場合、複数シンボルの加算平均結果は、第２象限の信号点（−１＋ｊ）付近に移動する。この場合、複数シンボルの加算平均結果と４つの信号点との距離は、第２象限の信号点（−１＋ｊ）の場合に最小になるので、この最小距離が属する第２象限の信号点（−１＋ｊ）の周囲に設定した一致判定範囲内に含まれる場合は、一致していると判定され、一致判定範囲外である場合は不一致と判定すればよい。

図６の表は、説明を簡易化するため、受信信号として、雑音のないＱＰＳＫ変調信号を受信した場合を想定している。位相同期が＋９０度スリップした場合の複数シンボルの加算平均結果は、第２象限の信号点（−１＋ｊ）と一致しており、位相スリップが発生した場合でも同期状態を判定することができていることがわかる。１８０度位相回転、２７０度位相回転が発生した場合でも同様に第３象限、第４象限の信号点との一致判定により、同期状態を判定することができる。

このように、第１の参考の形態では、受信信号と所定の信号点に対する同期パターンの逆複素数との乗算結果の加算平均が、所定の信号点と一致するか否かに基づいて、フレーム同期の同期状態を判定するように構成したので、受信信号のビット誤り率が高い場合においても、正しく同期状態を判定することが可能となる。さらに、複素平面における複数の象限における信号点との一致判定を行うことで、受信信号に位相スリップが発生した場合でも正しい同期状態の判定が可能となる。

＜第２の実施の形態＞
図７は、本発明の第２の実施の形態に係るフレーム同期装置の構成例を示す図である。第２の実施の形態では、受信信号と同期パターンの符号の乗算結果の加算平均の出力が所定の一致判定範囲内であるか否かに基づいて同期状態の判定を行う。

＜フレーム同期装置の構成＞
第２の実施の形態のフレーム同期装置１０は、受信信号と、同期パターンの符号とを、受信信号の複数のシンボル毎に乗算する乗算部１１と、受信信号の複数のシンボルにおける乗算部１１の出力を加算平均する加算平均部１２と、加算平均部１２の出力が、所定の信号点の所定の一致判定範囲内であるか否かの一致判定を行い、一致判定の結果に基づいて、フレーム同期の同期状態を判定する同期判定部１３と、同期パターンの符号を検出する符号検出部１５を備える。

受信信号は、第１の参考の形態と同様に以下の式（６）で表され、信号空間ダイアグラム上のＩ成分とＱ成分とで決まる信号点で表される。

また、第１の参考の形態と同様に、同期パターンは予め定められており、以下の式（７）で表すことができる。第２の実施の形態では、同期パターンとして、Ｉ_S（ｎ）＝Ｑ_S（ｎ）で表されるＢＰＳＫ変調信号が使用される。

本参考の形態のフレーム同期装置では、同期パターンの正負を意味する符号を使用する。同期パターンの符号は符号検出部１５において検出される。原則的には、符号は＋１或いは−１で表されるが、これに限定されず任意の大きさの符号を選定することができる。

乗算部１１では、受信信号と、符号検出部１５において検出された同期パターンの符号とを、受信信号の複数のシンボル毎に乗算する。

加算平均部１２においては、複数シンボルにおける乗算結果が加算平均され、同期判定部１３は、加算平均部１２の出力が、所定の信号点の所定の一致判定範囲内であるか否かの一致判定を行い、一致判定の結果に基づいて、フレーム同期の同期状態を判定する。

＜同期パターン受信時の動作＞
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る同期パターン受信時の動作例を示す図である。図８では、受信信号として、雑音を伴ったＱＰＳＫ変調信号を受信した場合を想定しており、５つのシンボルを受信した時の信号空間ダイアグラム上の信号点が例示されている。第２の実施の形態では、同期パターンがＢＰＳＫ変調信号であるため、同期パターンの受信信号は２つの信号点（１＋ｊ）及び（−１−ｊ）に集まっている。

受信信号が同期パターンである場合、シンボル毎の乗算結果は、第１象限に集約され、複数シンボルの加算平均結果は、理想的な信号点（１＋ｊ）に近づく。第２の実施の形態では、受信信号に同期パターンの符号を乗算することによって、複数のシンボルにおける乗算結果を１つの象限に集約することができる。雑音が全く無い場合は、乗算結果が信号点（１＋ｊ）にほぼ一致することになる。ここで、図８に示すように、Ｉ成分、Ｑ成分の乗算結果は、信号点（１＋ｊ）に一致せず、値がばらついているが、複数のシンボルにおける乗算結果を加算平均することで、雑音成分によるばらつきを抑制することができる。

＜同期パターン以外受信時の動作＞
図９は、本発明の第２の実施の形態に係る同期パターン以外の受信時の動作例を示す図である。図８と同様に、受信信号として、雑音を伴ったＱＰＳＫ変調信号を受信した場合を想定しており、５つのシンボルを受信した時の信号空間ダイアグラム上の信号点が例示されている。

図９では、同期パターン以外の５つのシンボルを受信した時の信号空間ダイアグラム上の信号点が描かれている。ここで、受信信号は、同期パターンに相当しないＱＰＳＫ変調信号であるため、４つの信号点を取りうる。このような受信信号のＩ成分及びＱ成分に、同期パターンのＩ成分の符号及びＱ成分の符号を乗算しても、複数のシンボルにおける乗算結果が１つの象限に集約されることはない。図９では、シンボル毎の乗算結果は、３つの象限に分散しており、これらの複数のシンボルにおける加算平均結果は、理想的な信号点（１＋ｊ）には近づかないので、同期パターン以外の受信信号であると判定することができる。

＜同期状態の判定方法＞
図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る同期パターンの一致判定方法を示す図である。第２の実施の形態においても、第１の参考の形態と同様に、乗算部出力の加算平均が信号点の一致判定範囲内であるかに基づいて、一致判定を行う。

第２の実施の形態では、受信信号の同期パターンとの一致性を判定する際に以下の判定条件を用いる。少なくとも以下の判定条件の一つを満たす場合に一致と判定することができる。
（１）Ｉ成分、Ｑ成分の加算平均の両方が、所定値範囲内の場合（一致判定範囲に入った場合）
（２）Ｉ成分、Ｑ成分の加算平均のいずれか一方が、所定値範囲内の場合
（３）Ｉ成分、Ｑ成分の加算平均の和が、所定値範囲内の場合
（４）Ｉ成分、Ｑ成分の加算平均の積が、所定値範囲内の場合

図９の例では、受信信号のＱ成分の加算平均値は、同期パターンのＱ成分の加算平均値と比較的近いので、Ｑ成分だけでは、正しく一致を判定できない場合がある。このような場合に、Ｉ成分、Ｑ成分の両方の成分の判定結果を用いることにより、正しく一致・不一致を判定することができる。例えば、（３）の判定条件では、Ｉ成分、Ｑ成分の加算平均の和が２に近いか否かで一致状態を判定すればよい。

第２の実施の形態においても、第１の参考の形態と同様に、フレーム毎に同期パターンとの一致判定を行い、さらに、複数フレームにおける一致判定の結果に基づいて、総合的に同期判定を行う。

第１の参考の形態と同様に、図１に示すようなフレーム信号が含まれる信号を受信した場合、１つのフレームにおいて、３２シンボルの同期パターンにおいて、８シンボルずつ４回の一致状態か否かの判定を行い、さらに、ｎフレーム分の判定結果に基づいて総合的に同期判定を行う。例えば、４回の一致判定の結果が全て一致判定範囲内である状況が、ｎフレーム（例えば、ｎ＝１６）続く場合には同期と判定し、ｎフレーム続かない場合に同期外れと判定する。ここで、４回の一致判定のうち１回が一致判定範囲外である場合を許容するような判定を行ってもよい。

＜位相スリップ時の同期パターンの一致判定方法＞
第１の参考の形態においても説明したように、ＰＳＫ変調信号の場合、受信側では、キャリア信号の同期において９０度の不確定性が生じる。９０度不確定性がある状態で、フレーム同期を実現したい場合は、その不確定性（位相スリップ）が発生してもフレーム同期を維持する必要がある。第２の実施の形態では、加算平均の絶対値を用いることで、位相スリップが発生した場合でも同期状態を判定することができる。

図１１は、本発明の第２の実施の形態に係る１８０度位相スリップ時の同期パターンの一致判定方法を示す図である。図１１における受信信号は、図８で示した受信信号に対して、１８０度位相がスリップしている。この受信信号に、同期パターンのＩ成分及びＱ成分の符号をそれぞれ乗算すると、シンボル毎の乗算結果は、第３象限に集約され、複数のシンボルの加算平均は、信号点（−１−ｊ）に近づく。そして、この値の絶対値は、信号点（１＋ｊ）に近づくので、加算平均の絶対値が信号点（１＋ｊ）の一致範囲内に含まれるか否かにより、同期パターンとの一致・不一致を判定することができる。

図１２は、本発明の第２の実施の形態に係る９０度位相スリップ時の同期パターンの一致判定方法を示す図である。図１２に示す受信信号は、図８で示した受信信号に対して、９０度位相がスリップしている。この受信信号に、同期パターンのＩ成分及びＱ成分の符号をそれぞれ乗算すると、シンボル毎の乗算結果は、第２象限に集約され、その複数のシンボルの加算平均は、信号点（−１＋ｊ）に近づく。そして、この値の絶対値は、信号点（１＋ｊ）に近づくので、図８と同様に、この絶対値が信号点（１＋ｊ）の一致範囲内に含まれるか否かにより、同期パターンとの一致・不一致を判定することができる。

このように、第２の実施の形態では、受信信号と同期パターンの符号との乗算結果の加算平均が、所定の信号点と一致するか否かに基づいて、フレーム同期の同期状態を判定するように構成したので、受信信号のビット誤り率が高い場合においても、正しく同期状態を判定することが可能となる。さらに、複数シンボルの加算平均の絶対値を用いることで、位相スリップが発生した場合でも同期状態を判定することができる。

＜フレーム同期装置の適用効果＞
図１３は、本発明のフレーム同期装置における雑音抑制効果を説明するための図である。横軸は、受信信号に雑音が付加された場合のビット誤り率（以下、「RAWBER」という。）を示し、縦軸は、RAWBERを有する８シンボルにおける乗算結果を加算平均した後のビット誤り率を示している。

例えば、RAWBER＝0.1において、加算平均した後のビット誤り率は、0.02である。これは、８シンボルの加算平均を実行することによって、雑音成分が平均化され、BER=0.1となる雑音レベルから、BER=0.02となる雑音レベルに抑圧されたことを示している。

このように、本参考の形態におけるフレーム同期装置によれば、シンボル毎の乗算結果の加算平均を行うことによって、同期パターンを判定する際の誤り率が低減できるので、高い誤り率状況下でも同期状態を正確に判定し、同期維持の耐性を向上することができる。

図１４は、本発明のフレーム同期装置における雑音抑制効果を説明するための図である。横軸は、図１３と同じくRAWBERを示し、縦軸は、同期パターン以外の信号で同期判定する確率を示している。

例えば、RAWBER＝0.1において、同期パターン以外の信号で同期判定する確率は、0.06である。本発明におけるシンボル毎の乗算結果の加算平均を行うことによって、誤って同期と判定する確率を低減することができる。これは、シンボル毎の乗算結果の加算平均によって、雑音成分が抑制され、誤って同期判定する確率が低減されることを示している。

このように、本参考の形態のフレーム同期装置によれば、シンボル毎の乗算結果の加算平均を行うことによって、同期パターンを誤って検出する確率を低減できるので、高いビット誤り率状況下でも同期状態を正確に判定し、同期維持の耐性を向上させることができる。

＜発明の実施の形態＞
図１５は、本発明の実施の形態に係るマルチフレーム同期装置の構成例を示す図である。本実施の形態では、複数のフレームから成るマルチフレーム信号の所定の同期パターンを検出することにより、マルチフレーム同期を確立する。

＜フレーム同期装置の構成＞
マルチフレーム信号においてマルチフレーム同期を確立するには、マルチフレームの先頭を検出する必要がある。マルチフレームの先頭を検出するためのマルチフレーム用同期パターンは、送信側のマルチフレーム用同期パターン挿入部２１において送信信号に挿入され、受信側の同期パターン判定部２４においてマルチフレーム用同期パターンを判定し、マルチフレーム同期系列判定部２５においてマルチフレームの同期判定が行われる。

＜マルチフレーム信号の構成＞
図１６は、本発明の実施の形態に係るマルチフレーム信号の構成例を示す図である。本実施の形態では、各フレームの先頭領域に複数のシンボルで構成される２種類のマルチフレーム用同期パターンをマルチフレーム信号の先頭から複数のフレームに渡ってフレームの先頭に挿入する。図１６の例では、マルチフレーム用同期パターンとして、複数のシンボルから構成される２種類のマークパターンＭとスペースパターンＳを定義する。受信側では、マルチフレームの同期判定のために、各フレームにおいてマークパターンＭとスペースパターンＳが検出される。

図１６の例では、マルチフレーム信号の先頭から４フレームに渡ってマークパターンＭが挿入されており、マルチフレームの先頭は、マークパターンＭが４つ連続したマルチフレーム同期系列として定義されている。マルチフレーム同期系列としては、これに限定されず、その他の系列をマルチフレーム同期系列とすることもできる。例えば、４以上のフレームに挿入した同期パターンを用いてもよいし、２種類以上の同期パターンや２つ以上の同期パターンをフレームの先頭に挿入してマルチフレーム同期系列を構成してもよい。

＜マークパターンおよびスペースパターン＞
図１７は、本発明の実施の形態に係るマルチフレーム信号のマークパターンＭとスペースパターンＳの一例を示す図である。各パターンは、シンボル毎に信号空間ダイアグラム上の座標（Ｉ、Ｑ）で表される。

マークパターンＭは、（１、１）、（−１、１）、（−１、−１）、（１、−１）の４シンボルで、スペースパターンＳは、（−１、−１）、（１、−１）、（１、１）、（−１、１）の４シンボルで表される。これらは、各シンボルで見ると、マークパターンＭの信号点とスペースパターンＳの信号点とは、対角線上（原点対象）に位置し、十分な距離が取られている。なお、図１７では４シンボルのパターン長の例を示したが、これに限定されず、例えば、８シンボルで構成することもできる。

＜マルチフレーム同期判定＞
マルチフレームの同期判定は、図１５の同期パターン判定部２４とマルチフレーム同期系列判定部２５において行われる。図１８は、本発明の実施の形態に係る受信信号とマークパターンＭ及びスペースパターンＳとの距離を示す図である。図１８では、受信信号がマークパターンＭの場合を示している。

受信側では、同期パターン判定部２４において、受信信号の各シンボルとマークパターンＭの各シンボルとの距離、及び受信信号の各シンボルとスペースパターンＳの各シンボルとの距離が計算される。マークパターンＭ及びスペースパターンＳの座標は、送信側で設定した座標に基づいて予め受信側において設定される。この時、マークパターンＭとスペースパターンＳのパターン長Ｎ（上述の例では４シンボル）において、計算した距離を平均化し、受信したパターンがその距離が小さい方のパターンであると判定する尤度判定を行う。

なお、受信シンボルとパターンとの距離は、Ｉ軸における差分の二乗とＱ軸における差分の二乗の和のルートによって求められるが、Ｉ軸、およびＱ軸における差分の二乗の和のままで距離の大小判定が可能である。また、平均値は、累積値を累積数で除することで求められるが、累積数が同じなので、累積値同志を比較することで平均値の大小判定が可能である。

受信信号の各シンボルとマークパターンＭの各シンボルとの距離の累積値は、以下の式（８）で表される。また、受信信号の各シンボルとスペースパターンＳの各シンボルとの距離の累積値は、以下の式（９）で表される。ＲｃｖＸｉ及びＲｃｖＸｑは、Ｘ偏波側の受信信号の座標値（Ｉ、Ｑ）、ＲｅｆＭＸｉ及びＲｅｆＭＸｑは、Ｘ偏波側のマークパターンＭの座標値（Ｉ、Ｑ）、及びＲｅｆＳＸｉ及びＲｅｆＳＸｑは、Ｘ偏波側のスペースパターンＳの座標値（Ｉ、Ｑ）である。

なお、上述したマルチフレームの同期判定においては、位相変調における位相スリップに対する補償が事前に行われていることが前提であり、位相スリップに対する処理は記載していない。

図１５のマルチフレーム同期系列判定部２５において、同期パターン判定部２４で判定したマークパターンが４フレーム連続して検出されるか否かを判定する。４フレーム連続して検出した場合、マルチフレームの先頭部分と判定する。なお、判定の条件として、所定の不一致条件（例えば、８フレーム中１フレームは不一致）は許容してもよい。この不一致条件は、データの伝送における誤り率状況から適宜設定し最適化可能である。

一般的な伝送路では、受信信号には雑音が相加され、受信信号のばらつきはガウス分布に似た分布となる。そのため、マルチフレームの同期状態では、受信信号の各シンボルとマークパターンＭの各シンボルとの距離もガウス分布に似た分布となる。このガウス分布の平均をμ、分散をσ²とした場合、この要素をＮ個平均化すると、中心極限定理によりその平均値はμに近づき、その分布幅は、σ／√Ｎとなる。距離の二乗値については、その平均化後の分布幅は平均化前と比べて１／√Ｎとなる。

この平均化によって雑音抑圧効果が得られ、高い誤り率の条件下であっても、マークパターンＭとスペースパターンＳを判定する際の誤り率を低くすることができる。これにより、高いビット誤り率の条件下でマルチフレームの先頭正しく判定することが可能となる。

また、Ｙ偏波側の受信信号も考慮に入れる場合は、Ｘ偏波及びＹ偏波の受信信号の各シンボルとマークパターンＭの各シンボルとの距離の平均値は、以下の式（１０）で表される。また、Ｘ偏波及びＹ偏波の受信信号の各シンボルとスペースパターンＳの各シンボルとの距離の平均値は、以下の式（１１）で表される。ＲｃｖＹｉ及びＲｃｖＹｑは、Ｙ偏波側の受信信号の座標値（Ｉ、Ｑ）、ＲｅｆＭＹｉ及びＲｅｆＭＹｑは、Ｙ偏波側のマークパターンＭの座標値（Ｉ、Ｑ）、及びＲｅｆＳＹｉ及びＲｅｆＳＹｑは、Ｙ偏波側のスペースパターンＳの座標値（Ｉ、Ｑ）である。

なお、上述したマルチフレームの同期判定においては、位相変調における位相スリップに対する補償が事前に行われているのが前提である。従って、この判定シーケンスでは、位相スリップへの対応はない。

このように、Ｙ偏波を考慮した場合も同様に、平均化によって雑音抑圧効果が得られ、高い誤り率の条件下であっても、マークパターンＭとスペースパターンＳを判定する際の誤り率を低くすることができる。従って、高いビット誤り率の条件下で、マルチフレームの先頭を正しく判定することが可能となる。
＜その他の実施の形態＞

図１９は、本発明の実施の形態に係るフレーム同期装置を備えたコヒーレント光通信装置の構成例を示す図である。コヒーレント光通信装置１００は送信側の装置と受信側の装置から構成され、送信側のデジタル信号処理部３０に、同期パターン挿入部が実装され、受信側の検波部４６の後にフレーム同期装置４０が実装されている。コヒーレント光通信装置に本実施の形態のフレーム同期装置を実装することにより、受信信号のビット誤り率が高い場合においても、正しく同期を確立し、その同期状態を維持し、正確に同期状態を判定することが可能となる。

本発明は、コヒーレント光通信の光通信装置において、フレーム同期の状態を判定するフレーム同期装置として利用することができる。

１０…フレーム同期装置、１１…乗算部、１２…加算平均部、１３…同期判定部、１４…逆複素数算出部、１５…符号検出部、２０…フレーム同期装置（マルチフレーム）、２１…マルチフレーム用同期パターン挿入部、２２…光送信部、２３…光受信部、２４…同期パターン判定部、２５…マルチフレーム同期系列判定部、３０…デジタル信号処理部、４０…フレーム同期装置（光通信装置）、１００…コヒーレント光通信装置。

Claims

複数のフレームから成るマルチフレーム信号の所定の同期パターンを検出することにより、フレーム同期を確立するフレーム同期装置であって、
前記複数のフレームの各フレームに、それぞれが複数シンボルで構成される２種類以上の同期パターンの少なくとも１種類の同期パターンを少なくとも１つ挿入し、前記マルチフレーム信号の先頭から複数のフレームに渡って、少なくとも１種類の前記同期パターンの少なくとも１つを所定の系列でマルチフレーム同期系列として挿入するマルチフレーム用同期パターン挿入部と、
前記同期パターンに対応する受信信号と前記同期パターンとのシンボル毎の距離を信号空間ダイアグラム上の座標で計算し、前記距離の平均値が最小となる前記同期パターンの種類を判定する同期パターン判定部と、
前記判定した前記複数のフレームにおける前記同期パターンの系列が、前記マルチフレーム同期系列と、所定の判定条件の範囲内で一致するか否かを判定するマルチフレーム同期系列判定部と
を含むフレーム同期装置。
前記同期パターンは、マークパターンとスペースパターンとを有し、前記マークパターンは、前記スペースパターンに対して、信号空間ダイアグラム上における原点対象となるように構成されること
を特徴とする請求項１記載のフレーム同期装置。
請求項１または２に記載のフレーム同期装置を備えた光通信装置。
複数のフレームから成るマルチフレーム信号の所定の同期パターンを検出することにより、フレーム同期を確立するフレーム同期装置におけるフレーム同期方法であって、
前記複数のフレームの各フレームに、それぞれが複数シンボルで構成される２種類以上の同期パターンの少なくとも１種類の同期パターンを少なくとも１つ挿入し、前記マルチフレーム信号の先頭から複数のフレームに渡って、少なくとも１種類の前記同期パターンの少なくとも１つを所定の系列でマルチフレーム同期系列として挿入するマルチフレーム用同期パターン挿入ステップと、
前記同期パターンに対応する受信信号と前記同期パターンとのシンボル毎の距離を信号空間ダイアグラム上の座標で計算し、前記距離の平均値が最小となる前記同期パターンの種類を判定する同期パターン判定ステップと、
前記判定した前記複数のフレームにおける前記同期パターンの系列が、前記マルチフレーム同期系列と、所定の判定条件の範囲内で一致するか否かを判定するマルチフレーム同期系列判定ステップと
を含むフレーム同期方法。