JP6949267B2 - Received signal processing device, received signal processing method and optical receiver - Google Patents
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Description
この発明は、偏波信号に含まれている位相雑音を除去する受信信号処理装置、受信信号処理方法及び光受信器に関するものである。 The present invention relates to a received signal processing device, a received signal processing method, and an optical receiver that removes phase noise contained in a polarized signal.
以下の特許文献1には、変調された受信信号の位相オフセットを補償する受信信号処理装置が開示されている。
特許文献1に開示されている受信信号処理装置は、カルマンフィルタを用いて、受信信号の位相オフセットを推定している。The following
The received signal processing device disclosed in
特許文献1に開示されている受信信号処理装置は、判定フィードバックを備えるため、シンボル判定の誤り伝搬が生じることがある。
特許文献1に開示されている受信信号処理装置では、シンボル判定の誤り伝搬によって受信信号の位相オフセットである位相雑音が変化しても、カルマンフィルタのカルマンゲインが適切に更新されないため、受信信号に含まれている位相雑音が除去されないことがあるという課題があった。Since the received signal processing device disclosed in
In the received signal processing device disclosed in
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、シンボル判定の誤り伝搬によって受信信号に含まれている位相雑音が変化しても、位相雑音を除去することができる受信信号処理装置、受信信号処理方法及び光受信器を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and even if the phase noise contained in the received signal changes due to the error propagation of symbol determination, the phase noise can be removed. The purpose is to obtain an apparatus, a received signal processing method and an optical receiver.
この発明に係る受信信号処理装置は、カルマンフィルタを用いて、シンボル時系列が重畳されている受信信号の偏波状態を示す偏波信号に含まれている位相雑音をベイズ推定し、位相雑音の推定値を用いて、偏波信号に含まれている位相雑音を除去するベイズ推定部と、ベイズ推定部により位相雑音がベイズ推定されると、位相雑音の推定値を累積し、累積した推定値である累積位相雑音に基づいて算出された確率密度関数を前記カルマンフィルタのカルマンゲインに乗算することにより、前記カルマンゲインをベイズ推定部に更新させる重み更新部とを備えるようにしたものである。
The received signal processing device according to the present invention uses a Kalman filter to perform Bayesian estimation of the phase noise contained in the polarization signal indicating the polarization state of the received signal on which the symbol time series is superimposed, and estimates the phase noise. When the phase noise is estimated by the Bayesian estimation unit and the Bayesian estimation unit that removes the phase noise contained in the polarization signal using the values, the estimated values of the phase noises are accumulated and the accumulated estimated values are used. By multiplying the Kalman gain of the Kalman filter by a probability density function calculated based on a certain cumulative phase noise, the Kalman gain is provided with a weight updating unit for updating the Kalman gain to the Bayesian estimation unit.
この発明によれば、ベイズ推定部により位相雑音がベイズ推定されると、位相雑音の推定値を累積し、累積した推定値である累積位相雑音に基づいて、カルマンフィルタのカルマンゲインをベイズ推定部に更新させる重み更新部を備えるように、受信信号処理装置を構成した。したがって、この発明に係る受信信号処理装置は、シンボル判定の誤り伝搬によって受信信号に含まれている位相雑音が変化しても、位相雑音を除去することができる。 According to the present invention, when the phase noise is Bayesian estimated by the Bayesian estimation unit, the estimated value of the phase noise is accumulated, and the Kalman gain of the Kalman filter is transferred to the Bayesian estimation unit based on the accumulated phase noise which is the accumulated estimated value. The received signal processing device was configured to include a weight updating unit to be updated. Therefore, the received signal processing device according to the present invention can remove the phase noise even if the phase noise contained in the received signal changes due to the error propagation of the symbol determination.
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。 Hereinafter, in order to explain the present invention in more detail, a mode for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る受信信号処理装置43を含む光伝送装置を示す構成図である。
図2は、実施の形態1に係る受信信号処理装置43のハードウェアを示すハードウェア構成図である。
図1において、光伝送装置は、光送信器1、伝送路2、局発光源3及び光受信器4を備えている。
光送信器1は、送信信号処理部10、送信光源14及び電光変換部15を備えている。
送信信号処理部10は、変調部11、送信歪み補償部12及びデジタルアナログ変換器(以下、「D/A変換器」と称する)13を備えている。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an optical transmission device including a received signal processing device 43 according to the first embodiment.
FIG. 2 is a hardware configuration diagram showing the hardware of the received signal processing device 43 according to the first embodiment.
In FIG. 1, the optical transmission device includes an
The
The transmission
変調部11は、外部からビット時系列が入力されると、ビット時系列を多値変調することで、多値変調信号であるシンボル時系列を送信歪み補償部12に出力する。
多値変調としては、QPSK(Quadrature Phase Shift Keying:四値位相変調)、16−QAM(Quadrature Amplitude Modulation:直角位相振幅変調)、64−QAM及び256−QAM等が考えられる。
図1に示す光伝送装置では、説明の便宜上、外部からビット時系列として、水平偏波(以下、「X偏波」と称する)と垂直偏波(以下、「Y偏波」と称する)とが、変調部11に入力されるものとする。
変調部11は、外部からX偏波が入力されると、X偏波を多値変調して、X偏波の多値変調信号を送信歪み補償部12に出力する。
変調部11は、外部からY偏波が入力されると、Y偏波を多値変調して、Y偏波の多値変調信号を送信歪み補償部12に出力する。When the bit time series is input from the outside, the modulation unit 11 multi-values the bit time series and outputs the symbol time series, which is a multi-value modulation signal, to the transmission
As the multi-level modulation, QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation), 64-QAM, 256-QAM and the like can be considered.
In the optical transmission device shown in FIG. 1, for convenience of explanation, horizontally polarized waves (hereinafter referred to as “X polarized waves”) and vertically polarized waves (hereinafter referred to as “Y polarized waves”) are referred to as bit time series from the outside. Is input to the modulation unit 11.
When the X polarization is input from the outside, the modulation unit 11 multivalues the X polarization and outputs the multivalue modulation signal of the X polarization to the transmission
When the Y polarization is input from the outside, the modulation unit 11 multivalues the Y polarization and outputs the Y polarization multivalue modulation signal to the transmission
送信歪み補償部12は、変調部11から出力されたシンボル時系列であるX偏波の多値変調信号の歪みを補償し、歪みを補償した後のX偏波の多値変調信号をD/A変換器13に出力する。
また、送信歪み補償部12は、変調部11から出力されたシンボル時系列であるY偏波の多値変調信号の歪みを補償し、歪みを補償した後のY偏波の多値変調信号をD/A変換器13に出力する。
送信歪み補償部12におけるシンボル時系列の歪み補償処理としては、複数のシンボルの間の干渉を低減するローパスフィルタリング処理等が考えられる。The transmission
Further, the transmission
As the symbol time-series distortion compensation processing in the transmission
D/A変換器13は、送信歪み補償部12から出力されたX偏波の多値変調信号をデジタル信号からアナログ信号に変換する。
D/A変換器13は、アナログ信号の同相成分であるIX信号を電光変換部15に出力し、アナログ信号の直交成分であるQX信号を電光変換部15に出力する。
また、D/A変換器13は、送信歪み補償部12から出力されたY偏波の多値変調信号をデジタル信号からアナログ信号に変換する。
D/A変換器13は、アナログ信号の同相成分であるIY信号を電光変換部15に出力し、アナログ信号の直交成分であるQY信号を電光変換部15に出力する。The D /
D /
Further, the D /
The D / A converter 13 outputs an I Y signal, which is an in-phase component of the analog signal, to the
送信光源14は、連続光を生成し、連続光を電光変換部15に出力する。
電光変換部15は、D/A変換器13から出力されたIX信号、QX信号、IY信号及びQY信号のそれぞれを送信光源14から出力された連続光に重畳することで、変調した光信号である光変調信号を生成し、光変調信号を伝送路2に出力する。
伝送路2は、光ファイバーケーブルによって実現される。
光変調信号は、伝送路2によって、光受信器4まで伝送される。
局発光源3は、送信光源14により生成される連続光の周波数と同じ周波数の局部発振光を生成し、局部発振光を光受信器4に出力する。The
The transmission line 2 is realized by an optical fiber cable.
The optical modulation signal is transmitted to the optical receiver 4 by the transmission line 2.
The local emission source 3 generates locally oscillating light having the same frequency as the continuous light generated by the transmitting
光受信器4は、光電変換部41、アナログデジタル変換器(以下、「A/D変換器」と称する)42及び受信信号処理装置43を備えている。
光電変換部41は、伝送路2によって伝送された光変調信号を受信する。
光電変換部41は、局発光源3から出力された局部発振光を用いて、受信信号である光変調信号から、IX信号、QX信号、IY信号及びQY信号のそれぞれを抽出する。
光電変換部41により抽出されたIX信号、QX信号、IY信号及びQY信号のそれぞれには雑音が含まれている。
光電変換部41により抽出されたIX信号は、D/A変換器13から出力されたIX信号と区別するために、IX’信号のように表記する。光電変換部41により抽出されたQX信号は、D/A変換器13から出力されたQX信号と区別するために、QX’信号のように表記する。
光電変換部41により抽出されたIY信号は、D/A変換器13から出力されたIY信号と区別するために、IY’信号のように表記する。光電変換部41により抽出されたQY信号は、D/A変換器13から出力されたQY信号と区別するために、QY’信号のように表記する。
光電変換部41は、IX’信号を電気信号に変換し、電気信号である電気IX’信号をA/D変換器42に出力する。
光電変換部41は、QX’信号を電気信号に変換し、電気信号である電気QX’信号をA/D変換器42に出力する。
光電変換部41は、IY’信号を電気信号に変換し、電気信号である電気IY’信号をA/D変換器42に出力する。
光電変換部41は、QY’信号を電気信号に変換し、電気信号である電気QY’信号をA/D変換器42に出力する。The optical receiver 4 includes a
The
The
I X signal extracted by the
I X signal extracted by the
I Y signal extracted by the
The
The
The
The
A/D変換器42は、光電変換部41から出力された電気IX’信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号であるデジタルIX’信号を受信信号処理装置43の偏波分離部44に出力する。
A/D変換器42は、光電変換部41から出力された電気QX’信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号であるデジタルQX’信号を偏波分離部44に出力する。
A/D変換器42は、光電変換部41から出力された電気IY’信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号であるデジタルIY’信号を偏波分離部44に出力する。
A/D変換器42は、光電変換部41から出力された電気QY’信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号であるデジタルQY’信号を偏波分離部44に出力する。A /
The A /
The A /
The A /
受信信号処理装置43は、偏波分離部44、周波数誤差補償部45、位相雑音補償部46及び復調部49を備えている。
偏波分離部44は、例えば、図2に示す偏波分離回路51によって実現される。
偏波分離部44は、A/D変換器42から出力されたデジタルIX’信号及びデジタルQX’信号の双方を含む信号をX’偏波信号として周波数誤差補償部45に出力する。
偏波分離部44は、A/D変換器42から出力されたデジタルIY’信号及びデジタルQY’信号の双方を含む信号をY’偏波信号として周波数誤差補償部45に出力する。
X’偏波信号及びY’偏波信号のそれぞれは、受信信号の偏波状態を示しており、X’偏波信号が示す偏波状態とY’偏波信号が示す偏波状態とは、互いに直交している。
X’偏波信号及びY’偏波信号のそれぞれには、送信光源14から出力された連続光の周波数と、局発光源3から出力された局部発振光の周波数との間の誤差である周波数誤差が含まれている。
また、X’偏波信号及びY’偏波信号のそれぞれには、送信光源14及び局発光源3のそれぞれで生じた位相雑音が含まれている。The reception signal processing device 43 includes a
The
The polarization separation unit 44 outputs a signal including both a digital I Y'signal and a digital Q Y'signal output from the A /
Each of the X'polarization signal and the Y'polarization signal indicates the polarization state of the received signal, and the polarization state indicated by the X'polarization signal and the polarization state indicated by the Y'polarization signal are They are orthogonal to each other.
Each of the X'polarization signal and the Y'polarization signal is a frequency that is an error between the frequency of the continuous light output from the
Further, each of the X'polarized signal and the Y'polarized signal contains phase noise generated by each of the
周波数誤差補償部45は、例えば、図2に示す周波数誤差補償回路52によって実現される。
周波数誤差補償部45は、偏波分離部44から出力されたX’偏波信号及びY’偏波信号のそれぞれに含まれている周波数誤差を除去する。
周波数誤差補償部45は、周波数誤差を除去したX’偏波信号及び周波数誤差を除去したY’偏波信号のそれぞれを位相雑音補償部46に出力する。The frequency
The frequency
The frequency
位相雑音補償部46は、ベイズ推定部47及び重み更新部48を備えている。
位相雑音補償部46は、周波数誤差補償部45から出力されたX’偏波信号に含まれている位相雑音を除去し、周波数誤差補償部45から出力されたY’偏波信号に含まれている位相雑音を除去する。The phase
The phase
ベイズ推定部47は、例えば、図2に示すベイズ推定回路53によって実現される。
ベイズ推定部47は、カルマンフィルタを用いて、周波数誤差補償部45から出力されたX’偏波信号に含まれている位相雑音をベイズ推定し、位相雑音の推定値を用いて、周波数誤差補償部45から出力されたX’偏波信号に含まれている位相雑音を除去する。
また、ベイズ推定部47は、カルマンフィルタを用いて、周波数誤差補償部45から出力されたY’偏波信号に含まれている位相雑音をベイズ推定し、位相雑音の推定値を用いて、周波数誤差補償部45から出力されたY’偏波信号に含まれている位相雑音を除去する。
ベイズ推定部47は、位相雑音を除去したX’偏波信号及び位相雑音を除去したY’偏波信号のそれぞれを復調部49に出力する。The
The
Further, the
The
重み更新部48は、例えば、図2に示す重み更新回路54によって実現される。
重み更新部48は、ベイズ推定部47によって、X’偏波信号に含まれている位相雑音がベイズ推定されると、位相雑音の推定値を累積する。重み更新部48は、累積した推定値である累積位相雑音に基づいて、X’偏波信号に含まれている位相雑音のベイズ推定に用いられるカルマンフィルタのカルマンゲインをベイズ推定部47に更新させる。
また、重み更新部48は、ベイズ推定部47によって、Y’偏波信号に含まれている位相雑音がベイズ推定されると、位相雑音の推定値を累積する。重み更新部48は、累積した推定値である累積位相雑音に基づいて、Y’偏波信号に含まれている位相雑音のベイズ推定に用いられるカルマンフィルタのカルマンゲインをベイズ推定部47に更新させる。The
When the
Further, the
復調部49は、例えば、図2に示す復調回路55によって実現される。
復調部49は、ベイズ推定部47により位相雑音が除去されたX’偏波信号及びベイズ推定部47により位相雑音が除去されたY’偏波信号のそれぞれをビット時系列に変換する。
復調部49は、それぞれのビット時系列を外部に出力する。The
The
The
図1では、受信信号処理装置43の構成要素である偏波分離部44、周波数誤差補償部45、ベイズ推定部47、重み更新部48及び復調部49のそれぞれが、図2に示すような専用のハードウェアによって実現されるものを想定している。即ち、受信信号処理装置43が、偏波分離回路51、周波数誤差補償回路52、ベイズ推定回路53、重み更新回路54及び復調回路55によって実現されるものを想定している。
ここで、偏波分離回路51、周波数誤差補償回路52、ベイズ推定回路53、重み更新回路54及び復調回路55のそれぞれは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field−Programmable Gate Array)、又は、これらを組み合わせたものが該当する。In FIG. 1, each of the
Here, each of the
受信信号処理装置43の構成要素は、専用のハードウェアによって実現されるものに限るものではなく、受信信号処理装置が、ソフトウェア、ファームウェア、又は、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現されるものであってもよい。
ソフトウェア又はファームウェアは、プログラムとして、コンピュータのメモリに格納される。コンピュータは、プログラムを実行するハードウェアを意味し、例えば、CPU(Central Processing Unit)、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、あるいは、DSP(Digital Signal Processor)が該当する。The components of the received signal processing device 43 are not limited to those realized by dedicated hardware, but the received signal processing device is realized by software, firmware, or a combination of software and firmware. You may.
The software or firmware is stored as a program in the memory of the computer. A computer means hardware that executes a program, and corresponds to, for example, a CPU (Central Processing Unit), a central processing unit, a processing unit, an arithmetic unit, a microprocessor, a microcomputer, a processor, or a DSP (Digital Signal Processor). do.
図3は、受信信号処理装置43が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。
受信信号処理装置43が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される場合、偏波分離部44、周波数誤差補償部45、ベイズ推定部47、重み更新部48及び復調部49の処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムがメモリ61に格納される。そして、コンピュータのプロセッサ62がメモリ61に格納されているプログラムを実行する。
図4は、受信信号処理装置43の処理手順である受信信号処理方法を示すフローチャートである。
また、図2では、受信信号処理装置43の構成要素のそれぞれが専用のハードウェアによって実現される例を示し、図3では、受信信号処理装置43がソフトウェア又はファームウェア等によって実現される例を示している。しかし、これは一例に過ぎず、受信信号処理装置43における一部の構成要素が専用のハードウェアによって実現され、残りの構成要素がソフトウェア又はファームウェア等によって実現されるものであってもよい。FIG. 3 is a hardware configuration diagram of a computer when the received signal processing device 43 is realized by software, firmware, or the like.
When the received signal processing device 43 is realized by software, firmware, or the like, the computer is made to execute the processing procedures of the
FIG. 4 is a flowchart showing a received signal processing method which is a processing procedure of the received signal processing device 43.
Further, FIG. 2 shows an example in which each of the components of the received signal processing device 43 is realized by dedicated hardware, and FIG. 3 shows an example in which the received signal processing device 43 is realized by software, firmware, or the like. ing. However, this is only an example, and some components in the received signal processing device 43 may be realized by dedicated hardware, and the remaining components may be realized by software, firmware, or the like.
図5は、実施の形態1に係る受信信号処理装置43の位相雑音補償部46を示す構成図である。
位相雑音補償部46において、X’偏波信号に含まれている位相雑音θ(k)を除去するための構成と、Y’偏波信号に含まれている位相雑音θ(k)を除去するための構成とが同じであり、位相雑音補償部46は、双方の構成を備えている。
図5に示す構成図は、X’偏波信号に含まれている位相雑音θ(k)を除去するための構成、又は、Y’偏波信号に含まれている位相雑音θ(k)を除去するための構成を示している。
以下、説明の便宜上、周波数誤差補償部45から出力されたX’偏波信号及びY’偏波信号のそれぞれが、偏波信号r(k)であるとして説明する。
図5において、乗算器71は、周波数誤差補償部45から出力された偏波信号r(k)と複素共役演算器80から出力された複素共役値exp[−j・θハット(k|k−1)]とを乗算する。kは、光受信器4により受信された光変調信号である受信信号のサンプル番号である。
乗算器71は、偏波信号r(k)と複素共役値exp[−j・θハット(k|k−1)]との乗算結果m1(k)を判定部72に出力する。
明細書の文章中では、電子出願の関係上、θの文字の上に“^”の記号を付することができないので、「θハット」のように表記している。FIG. 5 is a configuration diagram showing a phase
The phase
The configuration diagram shown in FIG. 5 shows a configuration for removing the phase noise θ (k) included in the X'polarized signal, or a phase noise θ (k) included in the Y'polarized signal. The configuration for removal is shown.
Hereinafter, for convenience of explanation, each of the X'polarization signal and the Y'polarization signal output from the frequency
In FIG. 5, the
The multiplier 71 outputs the multiplication result m 1 (k) of the polarization signal r (k) and the complex conjugate value exp [−j · θ hat (k | k-1)] to the
In the text of the specification, the symbol "^" cannot be added above the character θ due to the electronic application, so it is written as "θ hat".
判定部72は、乗算器71から出力された乗算結果m1(k)に対するシンボル判定処理を実施する。
判定部72は、シンボル判定処理の判定結果を示す判定シンボルd(k)を乗算器73及びカルマンゲイン更新部75のそれぞれに出力する。
乗算器73は、判定部72から出力された判定シンボルd(k)と冪演算器79から出力された冪演算値exp[j・θハット(k|k−1)]とを乗算する。
乗算器73は、判定シンボルd(k)と冪演算値exp[j・θハット(k|k−1)]との乗算結果m2(k)を減算器74に出力する。The
The
The
The multiplier 73 outputs the multiplication result m 2 (k) of the determination symbol d (k) and the exponentiation value exp [j · θ hat (k | k-1)] to the
減算器74は、偏波信号r(k)から、乗算器73から出力された乗算結果m2(k)を減算することで、偏波信号r(k)と乗算結果m2(k)との誤差であるイノベーション変数e(k)を算出する。
減算器74は、算出したイノベーション変数e(k)をカルマンゲイン更新部75に出力する。The
The
カルマンゲイン更新部75は、判定部72から出力された判定シンボルd(k)、誤差共分散P(k|k−1)及び状態雑音の共分散Rを用いて、カルマンフィルタのカルマンゲインG(k)を算出する。状態雑音の共分散Rは、固定値であり、カルマンゲイン更新部75の内部メモリに格納されている。状態雑音の共分散Rは、図1に示す光受信器4の外部からカルマンゲイン更新部75に与えられるものであってもよい。誤差共分散P(k|k−1)の詳細は後述する。
カルマンゲイン更新部75は、確率密度関数算出部93から出力された確率密度関数p[φ(k)]をカルマンフィルタのカルマンゲインG(k)に乗算することで、カルマンゲインG(k)を更新する。
カルマンゲイン更新部75は、更新後のカルマンゲインG’(k)と減算器74から出力されたイノベーション変数e(k)とを乗算し、更新後のカルマンゲインG’(k)とイノベーション変数e(k)との乗算結果m3(k)を加算器76に出力する。The Kalman
The Kalman
The Kalman
加算器76は、遅延部78から出力された位相雑音の事前推定値θハット(k|k−1)とカルマンゲイン更新部75から出力された乗算結果m3(k)とを加算することで、位相雑音の事後推定値θハット(k|k)を算出する。
位相雑音の事前推定値θハット(k|k−1)は、サンプル番号が(k−1)の時点で予測される、サンプル番号がkの時点の位相雑音の事前確率に相当する。
位相雑音の事後推定値θハット(k|k)は、サンプル番号がkの時点の位相雑音の推定値である。
加算器76は、算出した位相雑音の事後推定値θハット(k|k)を冪演算器77及び総和演算器91のそれぞれに出力する。The
The pre-estimated value θ hat (k | k-1) of the phase noise corresponds to the prior probability of the phase noise at the time when the sample number is k, which is predicted when the sample number is (k-1).
The ex post facto estimated value θ hat (k | k) of the phase noise is an estimated value of the phase noise at the time when the sample number is k.
The
冪演算器77は、加算器76から出力された位相雑音の事後推定値θハット(k|k)に対して、ネイピア数がeで、冪指数がjの冪演算を実施する。
冪演算器77は、冪演算の演算結果である冪演算値exp[j・θハット(k|k)]を複素共役演算器81に出力する。
また、冪演算器77は、加算器76から出力された位相雑音の事後推定値θハット(k|k)を遅延部78に出力する。The
The
Further, the
遅延部78は、冪演算器77から出力された位相雑音の事後推定値θハット(k|k)を1サンプル時間だけ保持する。
遅延部78は、1サンプル時間だけ保持した位相雑音の事後推定値θハット(k|k)を位相雑音の事前推定値θハット(k|k−1)として加算器76及び冪演算器79のそれぞれに出力する。
冪演算器79は、遅延部78から出力された位相雑音の事前推定値θハット(k|k−1)に対して、ネイピア数がeで、冪指数がjの冪演算を実施する。
冪演算器79は、冪演算の演算結果である冪演算値exp[j・θハット(k|k−1)]を乗算器73及び複素共役演算器80のそれぞれに出力する。The
The
The
The
複素共役演算器80は、冪演算器79から出力された冪演算値exp[j・θハット(k|k−1)]に対する複素共役演算を実施し、複素共役の演算結果である複素共役値exp[−j・θハット(k|k−1)]を乗算器71に出力する。
複素共役演算器81は、冪演算器77から出力された冪演算値exp[j・θハット(k|k)]に対する複素共役演算を実施し、複素共役の演算結果である複素共役値exp[−j・θハット(k|k)]を乗算器82に出力する。The complex conjugate
The complex conjugate
乗算器82は、周波数誤差補償部45から出力された偏波信号r(k)と複素共役演算器81から出力された複素共役値exp[−j・θハット(k|k)]とを乗算する。
乗算器82は、偏波信号r(k)と複素共役値exp[−j・θハット(k|k)]との乗算結果r(k)・exp[−j・θハット(k|k)]を、位相雑音を除去した偏波信号sハット(k)として復調部49に出力する。The
The
累積位相雑音算出部90は、総和演算器91及び平均演算器92を備えている。
累積位相雑音算出部90は、ベイズ推定部47により位相雑音θハット(k)がベイズ推定されると、位相雑音θハット(k)の推定値を累積することで、累積した推定値である累積位相雑音φ(k)を算出する。
累積位相雑音算出部90は、算出した累積位相雑音φ(k)を確率密度関数算出部93に出力する。The cumulative phase
When the phase noise θ hat (k) is Bayesian estimated by the
The cumulative phase
総和演算器91は、加算器76から出力された位相雑音の事後推定値θハット(k|k)を1サンプル時間だけ保持し、1サンプル時間だけ保持した位相雑音の事後推定値θハット(k|k)を位相雑音の事前推定値θハット(k|k−1)とする。
総和演算器91は、位相雑音の事前推定値θハット(k|k−1)に対して、ネイピア数がeで、冪指数がjの冪演算を実施する。
総和演算器91は、サンプル番号が、(k−N)〜(k−1)の冪演算の演算結果である冪演算値exp[j・θハット(k|k−i)]の総和を算出する。i=1,・・・,Nである。Nは、2以上の整数である。
総和演算器91は、算出した総和を平均演算器92に出力する。The
The
The sum
The sum
平均演算器92は、総和演算器91から出力された総和をNで除算することで、冪演算値exp[j・θハット(k|k−i)]の平均値を算出する。
平均演算器92は、算出した平均値を、累積位相雑音φ(k)として確率密度関数算出部93に出力する。
確率密度関数算出部93は、平均演算器92から出力された累積位相雑音φ(k)の確率密度関数p[φ(k)]を算出する。
確率密度関数算出部93は、算出した確率密度関数p[φ(k)]をカルマンゲイン更新部75に出力する。The
The
The probability density
The probability density
次に、図1に示す光伝送装置の動作について説明する。
変調部11は、外部からX偏波が入力されると、X偏波を多値変調して、X偏波の多値変調信号を送信歪み補償部12に出力する。
また、変調部11は、外部からY偏波が入力されると、Y偏波を多値変調して、Y偏波の多値変調信号を送信歪み補償部12に出力する。
図1に示す光伝送装置では、外部からX偏波とY偏波とが変調部11に入力されている。しかし、これは一例に過ぎず、外部から1つの偏波が変調部11に入力されるものであってもよい。Next, the operation of the optical transmission device shown in FIG. 1 will be described.
When the X polarization is input from the outside, the modulation unit 11 multivalues the X polarization and outputs the multivalue modulation signal of the X polarization to the transmission
Further, when the Y polarization is input from the outside, the modulation unit 11 multivalues the Y polarization and outputs the Y polarization multivalue modulation signal to the transmission
In the optical transmission device shown in FIG. 1, X-polarized light and Y-polarized wave are input to the modulation unit 11 from the outside. However, this is only an example, and one polarization may be input to the modulation unit 11 from the outside.
送信歪み補償部12は、変調部11からX偏波の多値変調信号を受けると、X偏波の多値変調信号の歪みを補償し、歪みを補償した後のX偏波の多値変調信号をD/A変換器13に出力する。
また、送信歪み補償部12は、変調部11からY偏波の多値変調信号を受けると、Y偏波の多値変調信号の歪みを補償し、歪みを補償した後のY偏波の多値変調信号をD/A変換器13に出力する。When the transmission
Further, when the transmission
D/A変換器13は、送信歪み補償部12から、歪みを補償した後のX偏波の多値変調信号を受けると、歪みを補償した後のX偏波の多値変調信号をデジタル信号からアナログ信号に変換する。
D/A変換器13は、当該アナログ信号の同相成分であるIX信号を電光変換部15に出力し、当該アナログ信号の直交成分であるQX信号を電光変換部15に出力する。
また、D/A変換器13は、送信歪み補償部12から、歪みを補償した後のY偏波の多値変調信号を受けると、歪みを補償した後のY偏波の多値変調信号をデジタル信号からアナログ信号に変換する。
D/A変換器13は、当該アナログ信号の同相成分であるIY信号を電光変換部15に出力し、当該アナログ信号の直交成分であるQY信号を電光変換部15に出力する。When the D /
D /
Further, when the D /
The D / A converter 13 outputs an I Y signal, which is an in-phase component of the analog signal, to the
送信光源14は、連続光を生成し、連続光を電光変換部15に出力する。
電光変換部15は、D/A変換器13から出力されたIX信号、QX信号、IY信号及びQY信号のそれぞれを送信光源14から出力された連続光に重畳することで光変調信号を生成する。
電光変換部15は、生成した光変調信号を伝送路2に出力する。
光変調信号は、伝送路2によって、光受信器4の光電変換部41まで伝送される。
伝送路2では、例えば、加法性白色ガウス雑音(AWGN:Additive White Gaussian Noise)が光変調信号に付加されることがある。
局発光源3は、局部発振光を生成し、局部発振光を光電変換部41に出力する。The
The
The optical modulation signal is transmitted to the
In the transmission line 2, for example, additive white Gaussian noise (AWGN) may be added to the optical modulation signal.
The local emission source 3 generates locally oscillating light and outputs the locally oscillating light to the
光電変換部41は、局発光源3から出力された局部発振光を用いて、伝送路2によって伝送された光変調信号から、IX’信号、QX’信号、IY’信号及びQY’信号のそれぞれを抽出する。
光電変換部41は、抽出したIX’信号を電気信号に変換し、電気信号である電気IX’信号をA/D変換器42に出力する。
光電変換部41は、抽出したQX’信号を電気信号に変換し、電気信号である電気QX’信号をA/D変換器42に出力する。
光電変換部41は、抽出したIY’信号を電気信号に変換し、電気信号である電気IY’信号をA/D変換器42に出力する。
光電変換部41は、抽出したQY’信号を電気信号に変換し、電気信号である電気QY’信号をA/D変換器42に出力する。The
The
The
The
The
A/D変換器42は、光電変換部41から電気IX’信号を受けると、電気IX’信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号であるデジタルIX’信号を偏波分離部44に出力する。
A/D変換器42は、光電変換部41から電気QX’信号を受けると、電気QX’信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号であるデジタルQX’信号を偏波分離部44に出力する。
A/D変換器42は、光電変換部41から電気IY’信号を受けると、電気IY’信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号であるデジタルIY’信号を偏波分離部44に出力する。
A/D変換器42は、光電変換部41から電気QY’信号を受けると、電気QY’信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号であるデジタルQY’信号を偏波分離部44に出力する。A /
A /
When the A / D converter 42 receives an electric I Y'signal from the
When the A / D converter 42 receives the electric Q Y'signal from the
偏波分離部44は、A/D変換器42からデジタルIX’信号及びデジタルQX’信号を受けると、デジタルIX’信号及びデジタルQX’信号の双方を含む信号をX’偏波信号として周波数誤差補償部45に出力する(図4のステップST1)。
偏波分離部44は、A/D変換器42からデジタルIY’信号及びデジタルQY’信号を受けると、デジタルIY’信号及びデジタルQY’信号の双方を含む信号をY’偏波信号として周波数誤差補償部45に出力する(図4のステップST1)。
X’偏波信号及びY’偏波信号のそれぞれには、送信光源14から出力された連続光の周波数と、局発光源3から出力された局部発振光の周波数との間の誤差である周波数誤差Δfが含まれている。
また、X’偏波信号及びY’偏波信号のそれぞれには、送信光源14及び局発光源3のそれぞれで生じた位相雑音の総和である位相雑音θ(k)が含まれている。
Each of the X'polarization signal and the Y'polarization signal is a frequency that is an error between the frequency of the continuous light output from the
Further, each of the X'polarization signal and the Y'polarization signal includes a phase noise θ (k) which is the sum of the phase noises generated by the
周波数誤差補償部45は、偏波分離部44からX’偏波信号及びY’偏波信号のそれぞれを受けると、X’偏波信号及びY’偏波信号のそれぞれに含まれている周波数誤差Δfを除去する(図4のステップST2)。
偏波信号に含まれている周波数誤差Δfを除去する処理自体は、公知の技術であるため、詳細な説明を省略する。例えば、以下の非特許文献1には、偏波信号に含まれている周波数誤差Δfを除去する処理が開示されている。
[非特許文献1]
A. Leven et al.,“Frequency Estimation in Intradyne Reception” IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 19, No. 6, pp. 366-368, (2007).
周波数誤差補償部45は、周波数誤差Δfを除去したX’偏波信号及び周波数誤差Δfを除去したY’偏波信号のそれぞれを位相雑音補償部46に出力する。When the frequency
Since the process itself for removing the frequency error Δf included in the polarization signal is a known technique, detailed description thereof will be omitted. For example, the following
[Non-Patent Document 1]
A. Leven et al., “Frequency Estimation in Intradyne Reception” IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 19, No. 6, pp. 366-368, (2007).
The frequency
位相雑音補償部46のベイズ推定部47は、周波数誤差補償部45からX’偏波信号を受けると、カルマンフィルタを用いて、X’偏波信号に含まれている位相雑音θ(k)をベイズ推定する。ベイズ推定部47は、位相雑音θ(k)の推定値を用いて、X’偏波信号に含まれている位相雑音θ(k)を除去する(図4のステップST3)。
また、ベイズ推定部47は、周波数誤差補償部45からY’偏波信号を受けると、カルマンフィルタを用いて、Y’偏波信号に含まれている位相雑音θ(k)をベイズ推定する。ベイズ推定部47は、位相雑音θ(k)の推定値を用いて、Y’偏波信号に含まれている位相雑音θ(k)を除去する(図4のステップST3)。
以下、X’偏波信号及びY’偏波信号のそれぞれが、偏波信号r(k)で表されるものとして、ベイズ推定部47による位相雑音θ(k)の除去処理を具体的に説明する。When the
Further, when the
Hereinafter, the process of removing the phase noise θ (k) by the
まず、周波数誤差補償部45から出力される偏波信号r(k)は、以下の式(1)に示すように、位相雑音θ(k)と、判定部72により求められる判定シンボルd(k)とを用いて、表される。
式(1)において、n(k)は、状態雑音であり、状態雑音n(k)は、位相雑音θ(k)と異なる雑音である。
式(2)において、w(k)は、観測雑音である。観測雑音w(k)は、位相雑音θ(k)に含まれている。First, the polarization signal r (k) output from the frequency
In the equation (1), n (k) is a state noise, and the state noise n (k) is a noise different from the phase noise θ (k).
In equation (2), w (k) is the observed noise. The observed noise w (k) is included in the phase noise θ (k).
乗算器71は、周波数誤差補償部45から偏波信号r(k)を受けると、以下の式(3)に示すように、偏波信号r(k)と複素共役演算器80から出力された複素共役値exp[−j・θハット(k|k−1)]とを乗算する。
乗算器71は、偏波信号r(k)と複素共役値exp[−j・θハット(k|k−1)]との乗算結果m1(k)を判定部72に出力する。When the
The multiplier 71 outputs the multiplication result m 1 (k) of the polarization signal r (k) and the complex conjugate value exp [−j · θ hat (k | k-1)] to the
判定部72は、乗算器71から乗算結果m1(k)を受けると、乗算結果m1(k)に対するシンボル判定処理を実施する。
判定部72は、シンボル判定処理の判定結果を示す判定シンボルd(k)を乗算器73及びカルマンゲイン更新部75のそれぞれに出力する。
例えば、X偏波の多値変調信号及びY偏波の多値変調信号のそれぞれがQPSK信号である場合、判定部72は、QPSK信号における4つのシンボル“11”、“01”、“00”、“10”のそれぞれと、乗算結果m1(k)とのユークリッド距離を算出する。
判定部72は、QPSK信号における4つのシンボル“11”、“01”、“00”、“10”のうち、乗算結果m1(k)とのユークリッド距離が最小のシンボルを判定シンボルd(k)とする。Determining
The
For example, when each of the X-polarized multi-value modulation signal and the Y-polarized multi-value modulation signal is a QPSK signal, the
The
乗算器73は、判定部72から判定シンボルd(k)を受けると、以下の式(4)に示すように、判定シンボルd(k)と冪演算器79から出力された冪演算値exp[j・θハット(k|k−1)]とを乗算する。
乗算器73は、判定シンボルd(k)と冪演算値exp[j・θハット(k|k−1)]との乗算結果m2(k)を減算器74に出力する。When the
The multiplier 73 outputs the multiplication result m 2 (k) of the determination symbol d (k) and the exponentiation value exp [j · θ hat (k | k-1)] to the
減算器74は、乗算器73から乗算結果m2(k)を受けると、以下の式(5)に示すように、偏波信号r(k)から乗算結果m2(k)を減算することで、イノベーション変数e(k)を算出する。
減算器74は、算出したイノベーション変数e(k)をカルマンゲイン更新部75に出力する。
The
カルマンゲイン更新部75の内部メモリは、1サンプル前の位相雑音の事後推定値θハット(k−1|k−1)に係る誤差共分散P(k−1|k−1)を保持している。
カルマンゲイン更新部75は、誤差共分散P(k−1|k−1)を以下の式(6)に代入することで、位相雑音の事前推定値θハット(k|k−1)に係る誤差共分散P(k|k−1)を算出する。
式(6)において、Qは、観測雑音w(k)の共分散であり、固定値である。観測雑音w(k)の共分散Qは、例えば、カルマンゲイン更新部75の内部メモリに格納されている。観測雑音w(k)の共分散Qは、図1に示す光受信器4の外部からカルマンゲイン更新部75に与えられるものであってもよい。The internal memory of the Kalman
The Kalman
In equation (6), Q is the covariance of the observed noise w (k) and is a fixed value. The covariance Q of the observed noise w (k) is stored in, for example, the internal memory of the Kalman
カルマンゲイン更新部75は、算出した誤差共分散P(k|k−1)、判定部72から出力された判定シンボルd(k)及び状態雑音n(k)の共分散Rのそれぞれを以下の式(7)に代入することで、カルマンフィルタのカルマンゲインG(k)を算出する。
式(7)において、*は、共役を示す数学記号である。
カルマンゲイン更新部75は、1サンプル後において、カルマンゲインG(k)を算出できるようにするため、算出した誤差共分散P(k|k−1)を以下の式(8)に代入することで、誤差共分散P(k|k)を算出する。
カルマンゲイン更新部75の内部メモリは、誤差共分散P(k|k)を、1サンプル前の誤差共分散P(k−1|k−1)として保持する。The Kalman
In equation (7), * is a mathematical symbol indicating conjugation.
The Kalman
The internal memory of the Kalman
カルマンゲイン更新部75は、確率密度関数算出部93から確率密度関数p[φ(k)]を受けると、以下の式(9)に示すように、算出したカルマンゲインG(k)に確率密度関数p[φ(k)]を乗算することで、カルマンゲインG(k)を更新する。
カルマンゲイン更新部75は、以下の式(10)に示すように、更新後のカルマンゲインG’(k)と減算器74から出力されたイノベーション変数e(k)とを乗算する。
カルマンゲイン更新部75は、更新後のカルマンゲインG’(k)とイノベーション変数e(k)との乗算結果m3(k)を加算器76に出力する。When the Kalman
The Kalman
The Kalman gain update unit 75 outputs the multiplication result m 3 (k) of the updated Kalman gain G'(k) and the innovation variable e (k) to the
加算器76は、カルマンゲイン更新部75から乗算結果m3(k)を受けると、以下の式(11)に示すように、遅延部78から出力された位相雑音の事前推定値θハット(k|k−1)と乗算結果m3(k)とを加算することで、位相雑音の事後推定値θハット(k|k)を算出する。
加算器76は、算出した位相雑音の事後推定値θハット(k|k)を冪演算器77及び総和演算器91のそれぞれに出力する。 When the adder 76 receives the multiplication result m 3 (k) from the Kalman
The
冪演算器77は、加算器76から位相雑音の事後推定値θハット(k|k)を受けると、位相雑音の事後推定値θハット(k|k)に対して、ネイピア数がeで、冪指数がjの冪演算を実施する。
冪演算器77は、冪演算の演算結果である冪演算値exp[j・θハット(k|k)]を複素共役演算器81に出力する。
また、冪演算器77は、加算器76から出力された位相雑音の事後推定値θハット(k|k)を遅延部78に出力する。When the
The
Further, the
遅延部78は、冪演算器77から位相雑音の事後推定値θハット(k|k)を受けると、位相雑音の事後推定値θハット(k|k)を1サンプル時間だけ保持する。
遅延部78は、1サンプル時間だけ保持した位相雑音の事後推定値θハット(k|k)を位相雑音の事前推定値θハット(k|k−1)として加算器76及び冪演算器79のそれぞれに出力する。When the
The
冪演算器79は、遅延部78から位相雑音の事前推定値θハット(k|k−1)を受けると、位相雑音の事前推定値θハット(k|k−1)に対して、ネイピア数がeで、冪指数がjの冪演算を実施する。
冪演算器79は、冪演算の演算結果である冪演算値exp[j・θハット(k|k−1)]を乗算器73及び複素共役演算器80のそれぞれに出力する。When the
The
複素共役演算器80は、冪演算器79から冪演算値exp[j・θハット(k|k−1)]を受けると、冪演算値exp[j・θハット(k|k−1)]に対する複素共役演算を実施する。
複素共役演算器80は、複素共役の演算結果である複素共役値exp[−j・θハット(k|k−1)]を乗算器71に出力する。When the complex conjugate
The complex conjugate
複素共役演算器81は、冪演算器79から冪演算値exp[j・θハット(k|k)]を受けると、冪演算値exp[j・θハット(k|k)]に対する複素共役演算を実施する。
複素共役演算器81は、複素共役演算の演算結果である複素共役値exp[−j・θハット(k|k)]を乗算器82に出力する。When the complex conjugate
The complex conjugate
乗算器82は、複素共役演算器81から複素共役値exp[−j・θハット(k|k)]を受けると、以下の式(12)に示すように、周波数誤差補償部45から出力された偏波信号r(k)と複素共役値exp[−j・θハット(k|k)]とを乗算する。
乗算器82は、偏波信号r(k)と複素共役値exp[−j・θハット(k|k)]との乗算結果r(k)・exp[−j・θハット(k|k)]を、位相雑音を除去した偏波信号sハット(k)として復調部49に出力する。When the
The
復調部49は、ベイズ推定部47により位相雑音が除去された偏波信号X及びベイズ推定部47により位相雑音が除去された偏波信号Yのそれぞれをビット時系列に変換する。
復調部49は、それぞれのビット時系列を外部に出力する。
例えば、X偏波の多値変調信号及びY偏波の多値変調信号のそれぞれがQPSK信号である場合、復調部49は、QPSK信号における4つのシンボル“11”、“01”、“00”、“10”のそれぞれと、偏波信号sハット(k)とのユークリッド距離を算出する。
復調部49は、QPSK信号における4つのシンボル“11”、“01”、“00”、“10”のうち、偏波信号sハット(k)とのユークリッド距離が最小のシンボルをビット時系列として外部に出力する。The
The
For example, when each of the X-polarized multi-value modulation signal and the Y-polarized multi-value modulation signal is a QPSK signal, the
The
重み更新部48は、ベイズ推定部47によって、偏波信号r(k)で表されるX’偏波信号に含まれている位相雑音θハット(k)がベイズ推定されると、位相雑音θハット(k)を累積する。重み更新部48は、累積した推定値である累積位相雑音φ(k)の確率密度関数p[φ(k)]を算出する。
重み更新部48は、確率密度関数p[φ(k)]に基づいて、X’偏波信号に含まれている位相雑音のベイズ推定に用いられるカルマンフィルタのカルマンゲインG(k)をカルマンゲイン更新部75に更新させる(図4のステップST4)。
また、重み更新部48は、ベイズ推定部47によって、偏波信号r(k)で表されるY’偏波信号に含まれている位相雑音θハット(k)がベイズ推定されると、位相雑音θハット(k)の推定値を累積する。重み更新部48は、累積した推定値である累積位相雑音φ(k)の確率密度関数p[φ(k)]を算出する。
重み更新部48は、確率密度関数p[φ(k)]に基づいて、Y’偏波信号に含まれている位相雑音のベイズ推定に用いられるカルマンフィルタのカルマンゲインG(k)をカルマンゲイン更新部75に更新させる(図4のステップST4)。
カルマンゲイン更新部75がカルマンゲインG(k)を更新することで、ベイズ推定部47における位相雑音θハット(k)の除去精度が向上する。
以下、重み更新部48による確率密度関数p[φ(k)]の算出処理を具体的に説明する。When the
The
Further, when the
The
When the Kalman
Hereinafter, the calculation process of the probability density function p [φ (k)] by the
総和演算器91は、加算器76から位相雑音の事後推定値θハット(k|k)を受けると、位相雑音の事後推定値θハット(k|k)を1サンプル時間だけ保持する。
総和演算器91は、1サンプル時間だけ保持した位相雑音の事後推定値θハット(k|k)を位相雑音の事前推定値θハット(k|k−1)とする。
総和演算器91は、位相雑音の事前推定値θハット(k|k−1)に対して、ネイピア数がeで、冪指数がjの冪演算を実施する。
総和演算器91は、サンプル番号が、(k−N)〜(k−1)の冪演算の演算結果である冪演算値exp[j・θハット(k|k−i)]の総和を算出する。i=1,・・・,Nである。Nは、2以上の整数である。
総和演算器91は、算出した総和を平均演算器92に出力する。Upon receiving the post-estimation value θ hat (k | k) of the phase noise from the
The sum
The
The sum
The sum
平均演算器92は、総和演算器91から総和を受けると、以下の式(13)に示すように、総和をNで除算することで、総和演算器91により算出された冪演算値exp[j・θハット(k|k−i)]の絶対値の平均値を算出する。
平均演算器92は、算出した平均値を、累積位相雑音φ(k)として確率密度関数算出部93に出力する。When the
The
確率密度関数算出部93は、平均演算器92から累積位相雑音φ(k)を受けると、以下の式(14)に示す近似式に、累積位相雑音φ(k)を代入することで、確率密度関数p[φ(k)]を算出する。
式(14)において、min{x,y}は、xとyのうち、小さい方を選択する旨を示す数学記号である。
確率密度関数算出部93は、算出した確率密度関数p[φ(k)]をカルマンゲイン更新部75に出力する。When the probability density
In the equation (14), min {x, y} is a mathematical symbol indicating that the smaller of x and y is selected.
The probability density
確率密度関数p[φ(k)]は、以下の式(15)のように表されるため、1サンプル前の確率密度関数p[φ(k−1)]から算出することも可能である。しかし、図1に示す受信信号処理装置では、確率密度関数p[φ(k)]の計算負荷を軽減するため、確率密度関数算出部93が、式(14)に示す近似式によって、確率密度関数p[φ(k)]を算出している。
Since the probability density function p [φ (k)] is expressed by the following equation (15), it can also be calculated from the probability density function p [φ (k-1)] one sample before. .. However, in the received signal processing device shown in FIG. 1, in order to reduce the calculation load of the probability density function p [φ (k)], the probability density
図6は、式(15)によって算出された確率密度関数p[φ(k)]と、式(14)に示す近似式によって算出された確率密度関数p[φ(k)]とを示す説明図である。
図6では、N=20である場合の確率密度関数p[φ(k)]を示している。図6の横軸は、正規化した累積位相雑音φ(k)を示し、図6の縦軸は、確率密度を示している。
式(15)によって算出された確率密度関数p[φ(k)]と、式(14)に示す近似式によって算出された確率密度関数p[φ(k)]との誤差は、図6に示すように、ほとんどなく、当該誤差は、カルマンゲインG(k)を更新する上でほとんど影響を与えないものである。FIG. 6 shows an explanation showing the probability density function p [φ (k)] calculated by the equation (15) and the probability density function p [φ (k)] calculated by the approximate equation shown in the equation (14). It is a figure.
FIG. 6 shows the probability density function p [φ (k)] when N = 20. The horizontal axis of FIG. 6 shows the normalized cumulative phase noise φ (k), and the vertical axis of FIG. 6 shows the probability density.
The error between the probability density function p [φ (k)] calculated by the equation (15) and the probability density function p [φ (k)] calculated by the approximate equation shown in the equation (14) is shown in FIG. As shown, there is little and the error has little effect on updating the Kalman gain G (k).
カルマンゲイン更新部75は、上述したように、確率密度関数算出部93から出力された確率密度関数p[φ(k)]をカルマンフィルタのカルマンゲインG(k)に乗算することで、カルマンゲインG(k)を更新する。
位相雑音θハット(k)の影響によって、判定部72から乗算器73に出力された判定シンボルd(k)に誤りが生じている場合、イノベーション変数e(k)の絶対値が大きくなる。
イノベーション変数e(k)の絶対値が大きくなることで、累積位相雑音算出部90により算出される累積位相雑音φ(k)が小さくなり、確率密度関数算出部93により算出される確率密度関数p[φ(k)]が小さくなる。
確率密度関数p[φ(k)]が小さくなることで、カルマンゲイン更新部75による更新後のカルマンゲインG’(k)が小さくなる。
更新後のカルマンゲインG’(k)が小さくなることで、式(11)に示す位相雑音の事後推定値θハット(k|k)では、イノベーション変数e(k)の項の重みが小さくなる。したがって、位相雑音θハット(k)の影響によるシンボル判定の誤り伝搬が抑えられる。As described above, the Kalman
When the determination symbol d (k) output from the
As the absolute value of the innovation variable e (k) increases, the cumulative phase noise φ (k) calculated by the cumulative phase
As the probability density function p [φ (k)] becomes smaller, the Kalman gain G'(k) updated by the Kalman
As the updated Kalman gain G'(k) becomes smaller, the weight of the term of the innovation variable e (k) becomes smaller in the ex post facto estimation value θ hat (k | k) of the phase noise shown in the equation (11). .. Therefore, the error propagation of the symbol determination due to the influence of the phase noise θ hat (k) is suppressed.
図7は、位相雑音補償部46から復調部49に出力される偏波信号sハット(k)の位相をシミュレーションした結果を示す説明図である。
偏波信号sハット(k)の位相のシミュレーションでは、変調部11が、多値変調信号として、線幅シンボルレート積が1×10−5の256−QAM信号を出力するものとしている。また、偏波信号sハット(k)の位相のシミュレーションでは、光受信器4により受信された256−QAM信号の信号対雑音比(SNR:Signal−to−Noise Ratio)が27dBであるものとしている。
図7において、実線は、図1に示す位相雑音補償部46から復調部49に出力された偏波信号sハット(k)の位相を示している。
一点鎖線は、重み更新部48を備えずに、ベイズ推定部47のみを備えている位相雑音補償部から復調部49に出力された偏波信号sハット(k)の位相を示している。
点線は、偏波信号sハット(k)の位相の真値である。FIG. 7 is an explanatory diagram showing the result of simulating the phase of the polarization signal s hat (k) output from the phase
In the phase simulation of the polarization signal s hat (k), the modulation unit 11 outputs a 256-QAM signal having a line width symbol rate product of 1 × 10 −5 as a multi-level modulation signal. Further, in the phase simulation of the polarization signal s hat (k), it is assumed that the signal-to-noise ratio (SNR: Signal-to-Noise Ratio) of the 256-QAM signal received by the optical receiver 4 is 27 dB. ..
In FIG. 7, the solid line shows the phase of the polarization signal s hat (k) output from the phase
The alternate long and short dash line indicates the phase of the polarization signal s hat (k) output to the
The dotted line is the true value of the phase of the polarization signal s hat (k).
重み更新部48を備えていない位相雑音補償部から復調部49に出力された偏波信号sハット(k)の位相は、図7に示すように、例えば、サンプル番号が700付近で、位相の真値と大きく異なっている。
したがって、重み更新部48を備えずに、ベイズ推定部47のみを備えている位相雑音補償部を有する光受信器では、位相雑音θハット(k)の影響によるシンボル判定の誤り伝搬が生じている。
図1に示す位相雑音補償部46から復調部49に出力された偏波信号sハット(k)の位相は、図7に示すように、位相の真値とほぼ一致している。
したがって、図1に示す光受信器4では、位相雑音の影響によるシンボル判定の誤り伝搬がほとんど生じていない。As shown in FIG. 7, the phase of the polarization signal s hat (k) output from the phase noise compensation unit not provided with the
Therefore, in an optical receiver having a phase noise compensating unit having only the
As shown in FIG. 7, the phase of the polarization signal s hat (k) output from the phase
Therefore, in the optical receiver 4 shown in FIG. 1, erroneous propagation of symbol determination due to the influence of phase noise hardly occurs.
図8は、変調部11から出力される多値変調信号がQPSK信号である場合の線幅シンボルレート積に対するSNRペナルティを示す説明図である。
図9は、変調部11から出力される多値変調信号が16−QAM信号である場合の線幅シンボルレート積に対するSNRペナルティを示す説明図である。
図10は、変調部11から出力される多値変調信号が64−QAM信号である場合の線幅シンボルレート積に対するSNRペナルティを示す説明図である。
図11は、変調部11から出力される多値変調信号が128−QAM信号である場合の線幅シンボルレート積に対するSNRペナルティを示す説明図である。
図8から図10において、実線は、図1に示す光受信器4のSNRペナルティを示し、一点鎖線は、重み更新部48を備えずに、ベイズ推定部47のみを備えている位相雑音補償部を有する光受信器のSNRペナルティを示している。
点線は、カルマンフィルタを用いる代わりに、ブラインド位相探索(BPS:Blind Phase Search)アルゴリズムを実施することで、位相雑音を推定している光受信器(非特許文献2を参照)のSNRペナルティを示している。
SNRペナルティは、小さいほど、SNRが良好である旨を示す指標である。
[非特許文献2]
T. Pfau et al.,“Hardware-efficient coherent digital receiver concept with feedforward carrier recovery for M-QAM constellations,” J. Lightw. Technol., vol. 27, no. 8, pp. 989-999, (2009).FIG. 8 is an explanatory diagram showing an SNR penalty for the line width symbol rate product when the multi-value modulation signal output from the modulation unit 11 is a QPSK signal.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing an SNR penalty for the line width symbol rate product when the multi-level modulation signal output from the modulation unit 11 is a 16-QAM signal.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing an SNR penalty for the line width symbol rate product when the multi-level modulation signal output from the modulation unit 11 is a 64-QAM signal.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing an SNR penalty for the line width symbol rate product when the multi-level modulation signal output from the modulation unit 11 is a 128-QAM signal.
8 to 10, the solid line shows the SNR penalty of the optical receiver 4 shown in FIG. 1, and the alternate long and short dash line has a phase noise compensation unit having only the
The dotted line shows the SNR penalty of the optical receiver (see Non-Patent Document 2) that estimates the phase noise by performing a blind phase search (BPS) algorithm instead of using a Kalman filter. There is.
The SNR penalty is an index indicating that the smaller the SNR is, the better the SNR is.
[Non-Patent Document 2]
T. Pfau et al., “Hardware-efficient coherent digital receiver concept with feedforward carrier recovery for M-QAM constellations,” J. Lightw. Technol., Vol. 27, no. 8, pp. 989-999, (2009) ..
図1に示す光受信器4のSNRペナルティは、図8から図11に示すように、変調部11から出力される多値変調信号にかかわらず、重み更新部48を備えずに、ベイズ推定部47のみを備えている位相雑音補償部を有する光受信器のSNRペナルティよりも小さくなっている。
また、図1に示す光受信器4のSNRペナルティは、図8から図11に示すように、BPSアルゴリズムを実施することで、位相雑音を推定している光受信器のSNRペナルティよりも、小さくなっている。As shown in FIGS. 8 to 11, the SNR penalty of the optical receiver 4 shown in FIG. 1 is a Bayesian estimation unit without the
Further, the SNR penalty of the optical receiver 4 shown in FIG. 1 is smaller than the SNR penalty of the optical receiver estimating the phase noise by executing the BPS algorithm as shown in FIGS. 8 to 11. It has become.
以上の実施の形態1では、ベイズ推定部47により位相雑音がベイズ推定されると、位相雑音の推定値を累積し、累積した推定値である累積位相雑音に基づいて、カルマンフィルタのカルマンゲインをベイズ推定部47に更新させる重み更新部48を備えるように、受信信号処理装置43を構成した。したがって、受信信号処理装置43は、シンボル判定の誤り伝搬によって受信信号に含まれている位相雑音が変化しても、位相雑音を除去することができる。
In the above-described first embodiment, when the phase noise is Bayesian-estimated by the
実施の形態2.
実施の形態2では、累積位相雑音算出部90により累積された累積位相雑音φ(k)と閾値φthとの比較結果に対応する値を返す単位ステップ関数U[φ(k)−φth]を、確率密度関数p[φ(k)]として算出する確率密度関数算出部94を備える受信信号処理装置43について説明する。Embodiment 2.
In the second embodiment, the accumulated phase accumulation phase noise accumulated by the
実施の形態2に係る受信信号処理装置43を含む光伝送装置を示す構成図は、実施の形態1と同様に、図1である。
図12は、実施の形態2に係る受信信号処理装置43の位相雑音補償部46を示す構成図である。図12において、図5と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
確率密度関数算出部94は、平均演算器92から出力された累積位相雑音φ(k)と閾値φthとの比較結果に対応する値を返す単位ステップ関数U[φ(k)−φth]を、累積位相雑音φ(k)の確率密度関数p[φ(k)]として算出する。
確率密度関数算出部94は、算出した確率密度関数p[φ(k)]をカルマンゲイン更新部75に出力する。
確率密度関数算出部94の内部メモリは、閾値φthを記憶している。しかし、これは一例に過ぎず、閾値φthは、図1に示す光受信器4の外部から確率密度関数算出部94に与えられるものであってもよい。The configuration diagram showing the optical transmission device including the received signal processing device 43 according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment.
FIG. 12 is a configuration diagram showing a phase
The probability density
The probability density
The internal memory of the probability density
次に、光伝送装置の動作について説明する。
確率密度関数算出部94以外は、図1に示す光伝送装置と同様であるため、ここでは、確率密度関数算出部94の動作のみを説明する。
確率密度関数算出部94は、平均演算器92から累積位相雑音φ(k)を受けると、累積位相雑音φ(k)と、閾値φthとを以下の式(16)に代入することで、単位ステップ関数U[φ(k)−φth]を算出する。
Next, the operation of the optical transmission device will be described.
Since the parts other than the probability density
When the probability density
確率密度関数算出部94は、単位ステップ関数U[φ(k)−φth]を算出すると、単位ステップ関数U[φ(k)−φth]を確率密度関数p[φ(k)]としてカルマンゲイン更新部75に出力する。When the probability density
カルマンゲイン更新部75は、確率密度関数算出部94から確率密度関数p[φ(k)]を受けると、確率密度関数p[φ(k)]をカルマンフィルタのカルマンゲインG(k)に乗算することで、カルマンゲインG(k)を更新する。
位相雑音θハット(k)の影響によって、判定部72から乗算器73に出力された判定シンボルd(k)に誤りが生じている場合、イノベーション変数e(k)の絶対値が大きくなる。
イノベーション変数e(k)の絶対値が大きくなることで、累積位相雑音算出部90により算出される累積位相雑音φ(k)が小さくなり、確率密度関数算出部94により算出される確率密度関数p[φ(k)]が零になる確率が高くなる。
確率密度関数p[φ(k)]が零になることで、式(11)に示す位相雑音の事後推定値θハット(k|k)では、イノベーション変数e(k)の項がなくなる。したがって、位相雑音θハット(k)の影響によるシンボル判定の誤り伝搬が抑えられる。When the Kalman
When the determination symbol d (k) output from the
As the absolute value of the innovation variable e (k) increases, the cumulative phase noise φ (k) calculated by the cumulative phase
When the probability density function p [φ (k)] becomes zero, the term of the innovation variable e (k) disappears in the ex post facto estimated value θ hat (k | k) of the phase noise shown in the equation (11). Therefore, the error propagation of the symbol determination due to the influence of the phase noise θ hat (k) is suppressed.
以上の実施の形態2では、累積位相雑音算出部90により累積された累積位相雑音φ(k)と閾値φthとの比較結果に対応する値を返す単位ステップ関数U[φ(k)−φth]を、確率密度関数p[φ(k)]として算出する確率密度関数算出部94を備えるように、受信信号処理装置43を構成した。したがって、受信信号処理装置43は、実施の形態1と同様に、受信信号に含まれている位相雑音が変化しても、位相雑音を除去することができるほか、実施の形態1よりも、確率密度関数p[φ(k)]の算出負荷を軽減することができる。In the second above embodiment, the cumulative phase accumulation phase noise accumulated by the
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, within the scope of the invention, it is possible to freely combine each embodiment, modify any component of each embodiment, or omit any component in each embodiment. ..
この発明は、偏波信号に含まれている位相雑音を除去する受信信号処理装置、受信信号処理方法及び光受信器に適している。 The present invention is suitable for a received signal processing device, a received signal processing method, and an optical receiver that removes phase noise contained in a polarized signal.
1 光送信器、2 伝送路、3 局発光源、4 光受信器、10 送信信号処理部、11 変調部、12 送信歪み補償部、13 D/A変換器、14 送信光源、15 電光変換部、41 光電変換部、42 A/D変換器、43 受信信号処理装置、44 偏波分離部、45 周波数誤差補償部、46 位相雑音補償部、47 ベイズ推定部、48 重み更新部、49 復調部、51 偏波分離回路、52 周波数誤差補償回路、53 ベイズ推定回路、54 重み更新回路、55 復調回路、61 メモリ、62 プロセッサ、71 乗算器、72 判定部、73 乗算器、74 減算器、75 カルマンゲイン更新部、76 加算器、77 冪演算器、78 遅延部、79 冪演算器、80 複素共役演算器、81 複素共役演算器、82 乗算器、90 累積位相雑音算出部、91 総和演算器、92 平均演算器、93,94 確率密度関数算出部。 1 Optical transmitter, 2 transmission path, 3 station light emitting source, 4 optical receiver, 10 transmission signal processing unit, 11 modulator, 12 transmission distortion compensation unit, 13 D / A converter, 14 transmission light source, 15 lightning converter , 41 photoelectric conversion unit, 42 A / D converter, 43 reception signal processing device, 44 polarization separation unit, 45 frequency error compensation unit, 46 phase noise compensation unit, 47 bays estimation unit, 48 weight update unit, 49 demodulation unit. , 51 polarization separation circuit, 52 frequency error compensation circuit, 53 Bayes estimation circuit, 54 weight update circuit, 55 demodulation circuit, 61 memory, 62 processor, 71 multiplier, 72 judgment unit, 73 multiplier, 74 subtractor, 75 Kalman gain updater, 76 adder, 77 adder, 78 delay, 79 冪 math, 80 complex conjugate math, 81 complex conjugation, 82 multiplier, 90 cumulative phase noise math, 91 total math , 92 Average calculator, 93,94 Probability density function calculation unit.
Claims (8)
前記ベイズ推定部により位相雑音がベイズ推定されると、前記位相雑音の推定値を累積し、累積した推定値である累積位相雑音に基づいて算出された確率密度関数を前記カルマンフィルタのカルマンゲインに乗算することにより、前記カルマンゲインを前記ベイズ推定部に更新させる重み更新部と
を備えた受信信号処理装置。 The Kalman filter is used to Bayesi estimate the phase noise contained in the polarization signal indicating the polarization state of the received signal on which the symbol time series is superimposed, and the polarization signal is estimated using the estimated value of the phase noise. Bayesian estimation unit that removes the phase noise contained in
When the phase noise is Bayesian estimated by the Bayesian inference unit, the estimated values of the phase noises are accumulated, and the probability density function calculated based on the accumulated estimated values, which is the accumulated phase noises, is multiplied by the Kalman gain of the Kalman filter. A received signal processing device including a weight updating unit that causes the Bayesian estimation unit to update the Kalman gain.
前記ベイズ推定部により位相雑音がベイズ推定されると、前記位相雑音の推定値を累積することで、前記累積位相雑音を算出する累積位相雑音算出部と、
前記累積位相雑音算出部により算出された累積位相雑音の確率密度関数を算出する確率密度関数算出部とを備え、
前記ベイズ推定部は、
前記確率密度関数算出部により算出された確率密度関数を前記カルマンフィルタのカルマンゲインに乗算することで、前記カルマンゲインを更新するカルマンゲイン更新部を備えていることを特徴とする請求項1記載の受信信号処理装置。 The weight update unit
When the phase noise is Bayesian estimated by the Bayesian estimation unit, the cumulative phase noise calculation unit that calculates the cumulative phase noise by accumulating the estimated values of the phase noise, and the cumulative phase noise calculation unit.
It is provided with a probability density function calculation unit for calculating the probability density function of the cumulative phase noise calculated by the cumulative phase noise calculation unit.
The Bayesian inference unit
The reception according to claim 1, further comprising a Kalman gain update unit that updates the Kalman gain by multiplying the Kalman gain of the Kalman filter by the probability density function calculated by the probability density function calculation unit. Signal processing device.
前記累積位相雑音算出部により算出された累積位相雑音であるφ(k)を以下の近似式に代入することで、前記確率密度関数であるp[φ(k)]を算出することを特徴とする請求項3記載の受信信号処理装置。
[近似式]
近似式において、kは、前記受信信号のサンプル番号である。min{x,y}は、xとyのうち、小さい方を選択する旨を示す数学記号である。 The probability density function calculation unit
By substituting φ (k), which is the cumulative phase noise calculated by the cumulative phase noise calculation unit, into the following approximate expression, the probability density function p [φ (k)] is calculated. The received signal processing device according to claim 3.
[Approximate formula]
In the approximate expression, k is a sample number of the received signal. min {x, y} is a mathematical symbol indicating that the smaller of x and y is selected.
前記ベイズ推定部により位相雑音がベイズ推定されると、前記位相雑音の推定値を累積することで、前記累積位相雑音を算出する累積位相雑音算出部と、
前記累積位相雑音算出部により算出された累積位相雑音と閾値との比較結果に対応する値を返す単位ステップ関数を、前記累積位相雑音の確率密度関数として算出する確率密度関数算出部とを備え、
前記ベイズ推定部は、
前記確率密度関数算出部により算出された確率密度関数を前記カルマンフィルタのカルマンゲインに乗算することで、前記カルマンゲインを更新するカルマンゲイン更新部を備えていることを特徴とする請求項1記載の受信信号処理装置。 The weight update unit
When the phase noise is Bayesian estimated by the Bayesian estimation unit, the cumulative phase noise calculation unit that calculates the cumulative phase noise by accumulating the estimated values of the phase noise, and the cumulative phase noise calculation unit.
It is provided with a probability density function calculation unit that calculates a unit step function that returns a value corresponding to a comparison result between the cumulative phase noise calculated by the cumulative phase noise calculation unit and a threshold value as a probability density function of the cumulative phase noise.
The Bayesian inference unit
The reception according to claim 1, further comprising a Kalman gain update unit that updates the Kalman gain by multiplying the Kalman gain of the Kalman filter by the probability density function calculated by the probability density function calculation unit. Signal processing device.
前記累積位相雑音算出部により算出された累積位相雑音であるφ(k)と、前記閾値であるφthを以下の算出式に代入することで、前記単位ステップ関数であるU[φ(k)−φth]を算出することを特徴とする請求項5記載の受信信号処理装置。
[算出式]
算出式において、kは、前記受信信号のサンプル番号である。 The probability density function calculation unit
By substituting φ (k), which is the cumulative phase noise calculated by the cumulative phase noise calculation unit, and φ th , which is the threshold value, into the following calculation formula, U [φ (k), which is the unit step function, is used. The received signal processing apparatus according to claim 5, wherein −φ th] is calculated.
[Calculation formula]
In the calculation formula, k is a sample number of the received signal.
重み更新部が、前記ベイズ推定部により位相雑音がベイズ推定されると、前記位相雑音の推定値を累積し、累積した推定値である累積位相雑音に基づいて算出された確率密度関数を前記カルマンフィルタのカルマンゲインに乗算することにより、前記カルマンゲインを前記ベイズ推定部に更新させる
受信信号処理方法。 The Bayesian estimation unit Bayes estimates the phase noise contained in the polarization signal indicating the polarization state of the received signal on which the symbol time series is superimposed by using the Kalman filter, and uses the estimated value of the phase noise. , The phase noise contained in the polarization signal is removed,
When the weight update unit Bayesian estimates the phase noise by the Bayesian estimation unit, the weight update unit accumulates the estimated values of the phase noise, and the Kalman filter calculates a probability density function based on the accumulated phase noise which is the accumulated estimated value. A received signal processing method for causing the Bayesian inference unit to update the Kalman gain by multiplying the Kalman gain of.
前記電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、
カルマンフィルタを用いて、前記デジタル信号の偏波状態を示す偏波信号に含まれている位相雑音をベイズ推定し、前記位相雑音の推定値を用いて、前記偏波信号に含まれている位相雑音を除去するベイズ推定部と、
前記ベイズ推定部により位相雑音がベイズ推定されると、前記位相雑音の推定値を累積し、累積した推定値である累積位相雑音に基づいて算出された確率密度関数を前記カルマンフィルタのカルマンゲインに乗算することにより、前記カルマンゲインを前記ベイズ推定部に更新させる重み更新部と、
前記ベイズ推定部により位相雑音が除去された偏波信号をビット時系列に変換する復調部と
を備えた光受信器。 A photoelectric conversion unit that converts a received signal on which a symbol time series is superimposed from an optical signal to an electrical signal,
An analog-to-digital converter that converts the electrical signal from an analog signal to a digital signal,
The Kalman filter is used to Bayesi estimate the phase noise contained in the polarization signal indicating the polarization state of the digital signal, and the estimated value of the phase noise is used to estimate the phase noise contained in the polarization signal. Bayesian estimation unit to remove
When the phase noise is Bayesian estimated by the Bayesian inference unit, the estimated values of the phase noise are accumulated, and the probability density function calculated based on the accumulated estimated value is multiplied by the Kalman gain of the Kalman filter. By doing so, the weight update unit that causes the Bayesian estimation unit to update the Kalman gain, and
An optical receiver including a demodulation unit that converts a polarized signal from which phase noise has been removed by the Bayesian estimation unit into a bit time series.
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