JP7351673B2

JP7351673B2 - 光ファイバ無線通信の受信モジュールおよび光ファイバ無線通信システム

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Publication number: JP7351673B2
Application number: JP2019150326A
Authority: JP
Inventors: 裕紀安田; 孝充相葉; 聡田中; 敏訓鈴木
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2023-09-27
Anticipated expiration: 2039-08-20
Also published as: JP2021034792A

Description

本発明は、光ファイバ無線通信の受信モジュールおよび光ファイバ無線通信システムに関する。

光ファイバ無線通信を用いてＲＦ（Radio frequency）信号を伝送する場合には、光信号を電気信号に変換する受信モジュールとして、ＰＤ（Photo Diode）とＰＤから出力された信号を増幅する増幅器を含む構成が一例として挙げられる。しかし、増幅器を単純に含む構成では増幅器のひずみ特性等の影響によって、光ファイバ無線通信のダイナミックレンジが小さい場合がある。

光ファイバ無線通信のダイナミックレンジを拡大する技術として、特許文献１の技術が挙げられる。

特許文献１の開示によれば、光信号を伝送する送信装置の無線信号の受信レベル検出部にて、アンテナが受信した無線信号の受信レベルが所定のレベルＩ、ＩＩ、ＩＩＩのいずれに該当するかを検出する。信号制御部は、検出されたレベルに従って受信された無線信号の増幅または減衰処理を行う。制御情報送出部は、検出されたレベルを示す制御情報を、増幅または減衰処理をした後の主信号に重畳させる。当該制御情報が重畳された信号は、電気／光変換部で光信号に変換されて受信装置に伝送される。光／電気変換部は、送信装置から受信する光信号を電気信号に変換する。制御情報抽出部は、主信号に重畳された制御情報からレベルを抽出する。信号制御部は、抽出されたレベルに従って、主信号の増幅または減衰処理を行う。

特開２００５－１７５８２６号公報

しかし、特許文献１の技術によれば、検出したＲＦ信号の信号レベルを示す制御情報を主信号に重畳させて送信モジュールにフィードバックさせる構成となるので、複雑な処理を行う回路が必要になり、光ファイバ無線通信システムが高価になるという課題がある。

また、光ファイバ無線通信の送信モジュールが受信モジュールの信号レベルの制御に関与するので、温度変化による光出力の変動および光結合部の損失変化などの光伝送部での損失変化の影響によって、受信モジュールの信号品質が悪化するという課題がある。
そこで、本発明はこのような課題を解決する手段を提供することを目的とする。

本発明の態様に係る受信モジュールは、光ファイバ無線通信システムにおいて、光ファイバを伝送した光信号を電気信号に変換し、前記電気信号の利得を制御した可変増幅信号を出力する受信モジュールであって、前記光信号を前記電気信号に変換する光／電気変換部と、前記電気信号の電圧または電力を検出し、前記電圧または前記電力の大きさを示す指標を電圧として示す受信信号強度信号を出力する受信信号強度検出部と、前記受信信号強度信号のピーク電圧をホールドするピークホールド部と、前記ピークホールド部から出力されるピークホールド信号を含む信号を利得制御信号として入力し、前記電気信号の利得を制御する可変増幅部とを含み、前記可変増幅部は、前記ピークホールド信号の電圧が高いときは前記利得が低くなり、前記ピークホールド信号の電圧が低いときは前記利得が高くなり、所定の範囲の前記電圧または前記電力を有する前記電気信号の入力時に前記可変増幅部の出力信号である可変増幅信号の電圧レベルがあらかじめ定められた範囲内に収まるように制御し、前記可変増幅信号に含まれる多値化信号を区別する。

前記電圧または前記電力を有する前記電気信号の前記所定の範囲は、前記可変増幅信号の電圧レベルの前記あらかじめ定められた範囲において、前記可変増幅信号のＥＶＭ（Error Vector Magnitude）の値があらかじめ定められた値以下となる範囲であることが好ましい。

前記光／電気変換部は、前記光信号を電流信号に変換する光／電流変換部と、前記電流信号を電圧信号に変換する電流／電圧変換部と、を含み、前記電圧信号は前記電気信号であることが好ましい。

前記受信信号強度信号に前記電気信号の電圧または電力の直流成分を含む場合には、前記受信信号強度検出部と前記ピークホールド部との間に直流成分除去部を含むことが好ましい。

前記ピークホールド部はピークホールド用コンデンサ及び放電用抵抗を備え、ピークホールド時間は、前記ピークホールド用コンデンサ及び前記放電用抵抗の時定数によって決定され、前記ピークホールド時間は前記電気信号に含まれる多値化された信号が前記可変増幅信号によって識別可能な時間であることが好ましい。

前記ピークホールド時間はマイクロ秒からミリ秒のオーダーであることが好ましい。

前記ピークホールド信号を受信して反転増幅し、反転増幅信号を出力する反転増幅部と、前記電気信号のレベルが０の場合の前記可変増幅部の前記利得を決定する基準信号を生成し、出力する電源部と、前記反転増幅信号および前記基準信号を加算演算し、加算信号を出力する加算部と、を含み、前記可変増幅部は前記加算信号を前記利得制御信号として入力することが好ましい。

前記加算部にアノードが接続され、前記可変増幅部の前記利得制御信号が入力される利得制御端子にカソードが接続されるダイオードを含むことが好ましい。

前記光／電気変換部の出力部と、前記可変増幅部の入力部および前記受信信号強度検出部の入力部との間の信号線がインピーダンスマッチングされ、前記受信信号強度検出部の出力部と、前記ピークホールド部の入力部との間の信号線もインピーダンスマッチングされていることが好ましい。

本発明の他の態様に係る光ファイバ無線通信システムは、本発明の態様に係る受信モジュールと、前記受信モジュールに入力される光信号を伝送する光ファイバと、受信された無線信号を電気信号に変換し、当該電気信号を前記光ファイバに入力される前記光信号に変換する送信モジュールと、を含む。

本発明によれば、複雑な処理を行う回路を入れることなく安価にＲＦ信号伝送におけるダイナミックレンジを拡大した光ファイバ無線通信システムを実現できる。また、光信号の受信側だけで利得の制御を行うことができる。したがって、光ファイバに入ってくる無線信号の振幅の変化だけでなく、例えば、温度変化による光出力の低下や光結合部での損失変化など光伝送部での損失変化に対しても利得を制御でき、高い信頼性を確保することが可能となる。

本実施形態に係る光ファイバ無線通信システムの構成の一例を示す模式図である。本実施形態に係る光ファイバ無線通信システムの受信モジュールの構成の一例を示すブロック図である。本実施形態に係る光ファイバ無線通信システムの受信モジュールの構成の他の一例を示すブロック図である。本実施形態に係る受信モジュールの入力信号振幅の大きさと出力信号のイメージの一例を示す模式図である。本実施形態に係る受信モジュールの入力信号振幅に対する利得と出力信号振幅のイメージの一例を示す模式図である。（ａ）利得固定時の入力信号振幅が変化したときのＥＶＭ（Error Vector Magnitude）の変化の一例を示す模式図である。（ｂ）入力信号振幅が変化したときに利得を変化させてダイナミックレンジを拡大した一例を示す模式図である。本実施形態に係るピークホールド部の出力信号の一例を示す模式図である。ピークホールド時間が短い場合のピークホールド部の出力信号の一例を示す模式図である。

（光ファイバ無線通信システムの概要）
以下、図面を用いて本実施形態に係る光ファイバ無線通信システム１０００および受信モジュール１３００について説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる場合がある。図１に示す本実施形態に係る光ファイバ無線通信システム１０００は、受信された無線信号をアンテナで電気信号に変換し、当該電気信号を光信号に変換する送信モジュール１１００を含む。また、光ファイバ無線通信システム１０００は、送信モジュール１１００より出力された光信号を伝送する光ファイバ１２００を含む。さらに、光ファイバ無線通信システム１０００は、光ファイバ１２００により伝送された光信号を電気信号に変換し、当該電気信号の利得を制御する受信モジュール１３００を含む。

受信モジュール１３００は、入力される光信号の入力振幅の変化に対応して、可変増幅部の利得を変化させることでＥＶＭ（Error Vector Magnitude）曲線を移動させる。その結果、受信モジュール１３００があらかじめ定められた所定の範囲の入力振幅に対して、ＥＶＭが良好な状態である、ＥＶＭがあらかじめ定められた値よりも小さい状態を維持することで、ダイナミックレンジを拡大することが可能になる。以下、受信モジュール１３００の詳細について説明する。

（光ファイバ無線通信システムの受信モジュール）
図２は、図１に示す光ファイバ無線通信システム１０００の受信モジュール１３００の構成の一例を示す図である。

受信モジュール１３００は、光ファイバ１２００から出力された光信号３９を、電圧を振幅とする電気信号４１に変換する光／電気変換部３１０と、光／電気変換部３１０の出力信号である電気信号４１の電圧または電力を検出する受信信号強度検出部３２０を含む。また、受信モジュール１３００は、受信信号強度検出部３２０の出力信号である受信信号強度信号４２のピーク電圧を所定の時間ホールドするピークホールド部３３０、ピークホールド信号４３を反転増幅する反転増幅部３４０を含む。さらに、受信モジュール１３００は、電源部３６０と、電源部３６０から出力される基準信号４５と反転増幅部３４０から出力される反転増幅信号４４を加算演算する加算部３５０を含む。さらに、受信モジュール１３００は、加算部３５０から出力される加算信号４６の電圧レベルに対応して利得を制御する可変増幅部３７０を含む。

光／電気変換部３１０は、光ファイバ１２００から受信された光信号３９を電流信号４０に変換する光／電流変換部３１１と、光／電流変換部３１１にバイアス電圧を供給する逆電圧部３１２を含む。光／電流変換部３１１の一例にはＰＤ（Photo Diode）が挙げられる。さらに、光／電気変換部３１０は、光／電流変換部３１１から出力された電流信号４０を電圧信号としての電気信号４１に変換する電流／電圧変換部３１３を含んで構成される。電流／電圧変換部３１３は帰還回路に抵抗を有する演算増幅器が一例として挙げられる。光／電流変換部３１１に入力される光信号３９は無線信号の周波数特性を有するために、光／電流変換部３１１および電流／電圧変換部３１３はギガヘルツ帯域においても平坦な周波数利得特性を有することが好ましい。なお、光／電流変換部３１１、光／電流変換部３１１にバイアス電圧を供給する逆電圧部３１２および電流／電圧変換部３１３は従来技術によって構成することができるので詳細な説明はここでは省略する。

受信信号強度検出部３２０は、光／電気変換部３１０の出力信号としての電気信号４１の電圧または電力を検出する機能を有する。受信信号強度検出部３２０の一例として無線受信信号の電圧または電力の大きさ示す受信信号強度信号４２としてＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator）信号を出力するＲＳＳＩ回路が挙げられる。ＲＳＳＩ信号が電力の大きさを示す場合には、ＲＳＳＩ信号は入力信号の電力の対数に比例する電圧信号として出力される場合がある。ＲＳＳＩ信号が電圧の大きさを示す場合には、ＲＳＳＩ信号は入力信号の電圧に比例する電圧信号として出力される場合がある。受信信号強度検出部３２０にＲＳＳＩ回路を用いた場合には、受信信号強度検出部３２０は光／電気変換部３１０の出力信号としての電気信号４１の電圧または電力を示すＲＳＳＩ信号である受信信号強度信号４２を電圧信号として出力する。

ピークホールド部３３０は受信信号強度信号４２のピーク電圧を所定の時間ホールドする機能を有する。ピークホールド部３３０によって、ピーク電圧をホールドするピークホールド時間は、無線信号から変換された電圧信号としての電気信号４１において多値化されている信号を区別できる時間に設定される。ピークホールド部３３０の一例には、ピークホールド用コンデンサ及び放電用抵抗を備えるパッシブ回路が挙げられる。また、ピークホールド部３３０の他の一例には、ピークホールド時間の間隔でピークホールド用コンデンサの充電電圧を瞬時に放電するアクティブ回路が挙げられる。また、ピークホールド部３３０にアクティブ回路を使用した場合には、放電用抵抗に接続される回路の入力インピーダンスを高くして、ピークホールド用コンデンサの充電電圧をピークホールド時間の間、略一定に保持することが可能になる。

例えば、ピークホールド部３３０にピークホールド時間が短すぎるパッシブ回路を使用した場合を図８の期間Ｔ３において説明する。図８の期間Ｔ３に入力される受信信号強度信号４２の電圧振幅は、期間Ｔ４に入力される受信信号強度信号４２の電圧振幅よりも小さい。ピークホールド部３３０は期間Ｔ３の間に入力された受信信号強度信号４２のピークＰ５およびピークＰ６を検出し、ピークＰ５およびピークＰ６の電圧レベルをホールドする。しかし、ピークホールド時間が短い場合には、受信信号強度信号４２に含まれる信号情報を示す振幅変動を追随しようとして、ピークホールド信号４３のレベルが低減し、期間Ｔ３の間における可変増幅部３７０の利得が変動してしまう。期間Ｔ３の間の可変増幅部３７０の利得が変動すると、期間Ｔ３の間に入力される電流／電圧変換部３１３の出力である電気信号４１の増幅度が変動するので、電気信号４１に含まれる多値化されている信号を可変増幅信号４７では区別できない場合が発生する。

同様に、ピークホールド時間が短すぎるパッシブ回路を使用した場合を図８の期間Ｔ４においても説明する。図８の期間Ｔ４に入力される受信信号強度信号４２の電圧振幅は、期間Ｔ３に入力される受信信号強度信号４２の電圧振幅よりも大きい。ピークホールド部３３０は期間Ｔ４の間に入力された受信信号強度信号４２のピークＰ７およびピークＰ８を検出し、ピークＰ７およびピークＰ８の電圧レベルをホールドする。しかし、受信信号強度信号４２の電圧振幅が大きい場合にも、ピークホールド時間が短い場合には、ピークホールド部３３０は受信信号強度信号４２に含まれる信号情報を示す振幅変動に追随しようとする。その結果、ピークホールド部３３０のピークホールド信号４３のレベルが低減し、期間Ｔ４における可変増幅部３７０の利得が変動する。可変増幅部３７０の利得が変動すると、期間Ｔ４の間に入力される電流／電圧変換部３１３の電気信号４１の増幅度が変動するので、電気信号４１に含まれる多値化されている信号を可変増幅信号４７では区別できない場合が発生する。

次に、ピークホールド部３３０のピークホールド時間が長すぎる場合を検討する。例えば、ピークホールド部３３０が期間Ｔ３の間に入力された受信信号強度信号４２のピークＰ６を検出した場合には、ピークＰ６の電圧レベルをホールドする。しかし、例えば、期間Ｔ４に入力される受信信号強度信号４２の電圧振幅が、期間Ｔ３に入力される受信信号強度信号４２の電圧振幅よりも小さい場合を想定する。この場合には、ピークＰ６よりもピークＰ７の電圧が低くなるが、ピークホールド時間が長すぎる場合には、ピークホールド部３３０は期間Ｔ４のピークＰ７を検出せずにピークＰ６の電圧レベルをホールドし続ける場合がある。ピークホールド信号４３の電圧レベルが期間Ｔ３および期間Ｔ４で同一になると、可変増幅部３７０の利得が一定になる。その結果、可変増幅部３７０は振幅が変動した電気信号４１の増幅度を期間Ｔ３および期間Ｔ４との間で変更することができないので、電気信号４１に含まれる多値化されている信号を可変増幅信号４７では区別できない場合が発生する。したがって、受信モジュール１３００のダイナミックレンジを拡大することができない場合が発生する。

次に、ピークホールド部３３０のピークホールド時間が電気信号４１の周波数に合わせて適正に設定されている場合について図７を参照して説明する。

例えば、ピークホールド部３３０にピークホールド時間が適正なパッシブ回路を使用した場合を図７の期間Ｔ１において説明する。図７の期間Ｔ１に入力される受信信号強度信号４２の電圧振幅は、期間Ｔ２に入力される受信信号強度信号４２の電圧振幅よりも小さい。ピークホールド部３３０は期間Ｔ１の間に入力された受信信号強度信号４２のピークＰ１およびピークＰ２を検出し、ピークＰ１およびピークＰ２の電圧レベルをホールドする。ピークホールド時間が適正な場合には、受信信号強度信号４２に含まれる信号情報を示す振幅変動を追随しないので、ピークホールド信号４３のレベルが一定に維持され、期間Ｔ１の間における可変増幅部３７０の利得が一定になる。期間Ｔ１の間の可変増幅部３７０の利得が一定になると、期間Ｔ１の間に入力される電流／電圧変換部３１３の出力である電気信号４１の増幅度が一定になるので、電気信号４１に含まれる多値化されている信号を可変増幅信号４７で区別することが可能になる。

同様に、ピークホールド時間が適正なパッシブ回路を使用した場合を図７の期間Ｔ２においても説明する。図７の期間Ｔ２に入力される受信信号強度信号４２の電圧振幅は、期間Ｔ１に入力される受信信号強度信号４２の電圧振幅よりも大きい。ピークホールド部３３０は期間Ｔ２の間に入力された受信信号強度信号４２のピークＰ３およびピークＰ４を検出し、ピークＰ３およびピークＰ４の電圧レベルをホールドする。ピークホールド時間が適正な場合には、受信信号強度信号４２に含まれる信号情報を示す振幅変動を追随しないので、ピークホールド信号４３のレベルが一定に維持され、期間Ｔ２の間における可変増幅部３７０の利得が一定になる。期間Ｔ２の間の可変増幅部３７０の利得が一定になると、期間Ｔ２の間に入力される電流／電圧変換部３１３の出力である電気信号４１の増幅度が一定になるので、電気信号４１に含まれる多値化されている信号を可変増幅信号４７で区別することが可能になる。

なお、可変増幅部３７０の可変利得特性は、ピークホールド信号４３の電圧レベルが小さいほど利得が大きくなり、ピークホールド信号４３の電圧レベルが大きくなるほど利得が小さくなる特性を有する。したがって、可変増幅部３７０の利得を制御する利得制御信号の電圧レベルが小さいほど利得が大きくなり、利得制御信号の電圧レベルが大きくなるほど利得が小さくなる場合には、ピークホールド信号４３を利得制御信号に使用できる。この場合には、図２に示される反転増幅部３４０、加算部３５０、電源部３６０を省略することも可能である。また、この場合には、所定の範囲のピークホールド信号４３の変動に対して、可変増幅信号４７の変化範囲が一定の範囲に収まる可変利得特性を可変増幅部３７０は有する（図４および図５を参照）。なお、図４および図５の詳細については、後述する。

以下の説明においては、可変増幅部３７０の利得を制御する利得制御信号の電圧レベルが小さいほど利得が小さくなり、利得制御信号の電圧レベルが大きくなるほど利得が大きくなる場合について説明する。

次に、反転増幅部３４０について説明する。反転増幅部３４０はピークホールド部３３０から出力されるピークホールド信号４３を反転増幅する機能を有する。上述したように、可変増幅部３７０に入力される利得制御電圧の電圧レベルが高いほど利得が大きくなる特性を可変増幅部３７０が有する場合に反転増幅部３４０が必要になる。例えば、可変増幅部３７０に入力される電気信号４１の振幅が小さい場合には、ピークホールド部３３０のピークホールド信号４３の電圧レベルも小さくなる。反転増幅部３４０がない場合には、ピークホールド信号４３の電圧レベルが小さくなると、可変増幅部３７０に入力される利得制御電圧の電圧レベルも小さくなるので、可変増幅部３７０の利得が小さくなり、電気信号４１の振幅を大きくすることができない。しかし、ピークホールド信号４３の電圧レベルが小さくなった場合に、反転増幅部３４０はピークホールド信号４３の電圧レベルを反転増幅することによって可変増幅部３７０に入力される利得制御電圧の電圧レベルを大きくすることが可能になる。この場合には、反転増幅信号４４を電源部３６０から出力される基準信号４５と加算部３５０で加算演算する必要がある。なお、加算部３５０と基準信号４５を生成する電源部３６０の詳細については後述する。

また、例えば、可変増幅部３７０に入力される電気信号４１の振幅が大きい場合には、ピークホールド部３３０のピークホールド信号４３の電圧レベルも大きくなる。反転増幅部３４０がない場合には、ピークホールド信号４３の電圧レベルが大きくなると、可変増幅部３７０に入力される利得制御電圧の電圧レベルも大きくなるので、可変増幅部３７０の利得が大きくなり、電気信号４１の振幅を小さくすることができない。しかし、ピークホールド信号４３の電圧レベルが大きくなった場合に、反転増幅部３４０はピークホールド信号４３の電圧レベルを反転増幅することによって可変増幅部３７０に入力される利得制御電圧の電圧レベルを小さくすることが可能になる。この場合にも、反転増幅信号４４を電源部３６０から出力される基準信号４５と加算部３５０で加算演算する必要がある。なお、加算部３５０と基準信号４５を生成する電源部３６０の詳細については後述する。

以上説明したように、反転増幅部３４０等を用いることによって、可変増幅部３７０の入力信号の振幅が小さいときには、可変増幅部３７０に入力される利得制御電圧の電圧レベルが高くなるようにし、可変増幅部３７０の利得を高くすることが可能になる。また、反転増幅部３４０等を用いることによって、可変増幅部３７０の入力信号の振幅が大きいときには、可変増幅部３７０に入力される利得制御電圧の電圧レベルが小さくなるようにし、可変増幅部３７０の利得を低くすることが可能になる。したがって、反転増幅部３４０の利得を制御することによって、可変増幅部３７０の入力信号の振幅が変動した場合に、可変増幅部３７０の出力信号の振幅が一定になるように調節することが可能になる。

加算部３５０は、電源部３６０から出力される基準信号４５と反転増幅部３４０から出力される反転増幅信号４４を加算演算する機能を有する。また、加算部３５０から出力される加算信号４６は可変増幅部３７０の利得を制御する利得制御信号として機能する。したがって、加算信号４６は可変増幅部３７０に印加可能な電圧範囲である必要がある。そのために、電源部３６０から出力される基準信号４５と反転増幅部３４０から出力される反転増幅信号４４は、加算信号４６が可変増幅部３７０に印加可能な電圧範囲であるように調節される。

電源部３６０は、可変増幅部３７０の利得制御電圧の電圧レベルを調整するように機能する。一例として、電源部３６０の出力の基準信号４５は直流であり、基準信号４５の直流電圧レベルは、可変増幅部３７０に入力可能な利得制御電圧の上限値以下に設定される。また、反転増幅信号４４はマイナスの値を有するので、ピークホールド信号４３の電圧レベルが小さいほど、利得制御電圧は大きくなり、可変増幅部３７０の利得が大きくなるように機能する。また、反転増幅信号４４はマイナスの値を有するので、ピークホールド信号４３の電圧レベルが大きいほど、利得制御電圧は小さくなり、可変増幅部３７０の利得が小さくなるように機能する。

図３は、図１に示す光ファイバ無線通信システム１０００の受信モジュール１３００の構成の他の一例を示す図である。

図３においては、加算部３５０と可変増幅部３７０との間にダイオード３８０が設けられる。ダイオード３８０は、可変増幅部３７０の利得制御電圧の電圧レベルが逆極性となるような電圧レベルを有する電気信号４１が可変増幅部３７０に印加された場合に、可変増幅部３７０を保護する機能を有する。例えば、光ファイバ１２００を伝搬する光信号３９の電圧レベルが非常に大きくなった場合に、受信モジュール１３００の光／電気変換部３１０の電気信号４１の電圧または電力も大きくなり、反転増幅部３４０から出力される反転増幅信号４４が大きくなる。反転増幅信号４４があらかじめ定められた変化範囲を超えると、加算部３５０の出力である加算信号４６の極性が反転し、可変増幅部３７０に流れる電流が逆方向になり、可変増幅部３７０を破壊する可能性がある。しかし、ダイオード３８０を設けておくことによって、可変増幅部３７０を保護することが可能になる。一例として、ダイオード３８０のアノードが加算部３５０に接続され、ダイオード３８０のカソードが可変増幅部３７０に接続される。

また、図３においては、受信信号強度信号４２に電気信号４１の電圧または電力の直流成分を含む場合には、受信信号強度検出部３２０とピークホールド部３３０との間に直流成分除去部３９０を含む。受信信号強度信号４２の直流成分を含めた全体的な電圧レベルの変動を除き、受信信号強度信号４２の振幅変動のみをモニターすることで、精度よく受信信号強度を検出することが可能となる。直流成分除去部３９０の一例には、直流付近にカットオフ周波数を有するハイパスフィルタ回路やコンデンサを直結する構成が挙げられる。しかし、直流成分除去部３９０の構成はこれらに限定されず、既存の回路技術で構成することが可能である。

さらに、電流／電圧変換部３１３の出力部と、受信信号強度検出部３２０および可変増幅部３７０の入力部との間の信号線はインピーダンスマッチングされていることが好ましい。さらに、受信信号強度検出部３２０の出力部とピークホールド部３３０の入力部との間の信号線はインピーダンスマッチングされていることが好ましい。電気信号４１および受信信号強度信号４２はギガヘルツレベルの周波数特性を有する場合もある。当該周波数特性においてインピーダンスマッチングが取れていないと、電気信号４１および受信信号強度信号４２が歪んで信号に含まれる情報を正確に伝送することが困難になる場合がある。

図４に入力信号としての電気信号４１の電力が大きい場合（－２０ｄＢｍ）の可変増幅部３７０の出力信号の可変増幅信号４７の振幅と、電気信号４１の電力が小さい場合（－５０ｄＢｍ）の可変増幅部３７０の出力信号の可変増幅信号４７の振幅の模式図を示す。

図４の上段に示す一例において、電気信号４１の振幅が－２０ｄＢｍである場合には、可変増幅部３７０の利得は抑えられて、可変増幅信号４７の振幅が－１０ｄＢｍになる。

すなわち、電気信号４１の振幅が大きい場合には、受信信号強度信号４２の振幅も大きくなるので、ピークホールド信号４３も大きくなるが、反転増幅部３４０で反転増幅信号４４の反転レベルが大きくなり、加算信号４６のレベルが小さくなる。加算信号４６のレベルが小さくなると、可変増幅部３７０の利得が小さくなるので、可変増幅信号４７の振幅の増幅度が抑制される。

図４の下段に示す一例において、電気信号４１の振幅が－５０ｄＢｍである場合には、可変増幅部３７０の利得は大きくなり、可変増幅信号４７の振幅が－１０ｄＢｍになる。

すなわち、電気信号４１の振幅が小さい場合には、受信信号強度信号４２の振幅も小さくなるので、ピークホールド信号４３も小さくなるが、反転増幅部３４０で反転増幅信号４４の反転レベルが小さくなり、加算信号４６のレベルが大きくなる。加算信号４６のレベルが大きくなると、可変増幅部３７０の利得が大きくなるので、可変増幅信号４７の振幅の増幅度が大きくなる。

次に、図４の入力信号振幅である電気信号４１の振幅と出力信号振幅である可変増幅信号４７の振幅との関係、および、図４の入力信号振幅である電気信号４１の振幅と可変増幅部３７０の利得との関係の模式図を図５に示す。

図５において、電気信号４１の振幅が小さい方から大きい方へ変化すると、受信信号強度信号４２も小さい方から大きい方へ変化する。受信信号強度信号４２が小さい方から大きい方へ変化すると、ピークホールド信号４３も小さい方から大きい方へ変化する。ピークホールド信号４３が小さい方から大きい方へ変化すると、反転増幅信号４４は負の電圧で絶対値が小さい方から大きい方へ変化する。正の電圧を有する基準信号４５によって反転増幅信号４４のレベルが移動された加算信号４６が利得制御信号として可変増幅部３７０に入力される。したがって、電気信号４１の振幅が小さい方から大きい方へ変化すると利得制御信号は大きい方から小さい方へ比例して変化する。また、可変増幅部３７０の利得は利得制御信号の変化に対して比例して変化するので、可変増幅部３７０の出力信号振幅である可変増幅信号４７の振幅はほぼ一定の範囲に収まるように制御される。

なお、可変増幅部３７０の利得が線形に変化する範囲は、電気信号４１の周波数範囲に対応する。電気信号４１の周波数範囲は搬送周波数をギガヘルツとして、ベースバンド信号の周波数範囲をメガヘルツからキロヘルツまでカバーできる周波数範囲としている。したがって、ピークホールド時間は、電気信号４１の周波数範囲に合わせてマイクロ秒からミリ秒のオーダーで設定されることが好ましい。

次に、図６（ａ）および図６（ｂ）を参照して、電気信号４１の入力振幅に合わせて可変増幅部３７０の利得を変化させることによって、ＥＶＭ曲線も移動し、所定の電気信号４１の入力振幅の範囲において、ＥＶＭが良好な領域を確保できる様子を説明する。電気信号４１の入力振幅の範囲において、ＥＶＭが良好な領域を確保できると、電気信号４１に含まれる多値化信号を良好に区別できるので、受信モジュール１３００のダイナミックレンジを拡大することが可能になる。

図６（ａ）は、可変増幅部３７０の利得が大きい場合と、可変増幅部３７０の利得が小さい場合の電気信号４１の入力振幅の範囲と、受信モジュール１３００のダイナミックレンジの範囲を示している。可変増幅部３７０の利得が大きい場合のダイナミックレンジＤ１および可変増幅部３７０の利得が小さい場合のダイナミックレンジＤ２はともに同じ程度である。したがって、可変増幅部３７０の利得が一つに固定されている場合にはダイナミックレンジを拡大することができない。ダイナミックレンジＤ１およびダイナミックレンジＤ２の一例として、実験結果からおおよそ６ｄＢ程度が挙げられる。ダイナミックレンジは、電気信号４１に含まれる多値化信号を区別する指標であるＥＶＭの値によって決定される範囲であり、ＥＶＭの値が小さいほど、多値化信号を良好に区別することが可能になる。

図６（ｂ）は、電気信号４１の入力振幅が変化するにつれて、可変増幅部３７０の利得が変化していくため、電気信号４１の入力振幅の変化に追随してＥＶＭ曲線が変化する様子を図示している。

例えば、電気信号４１の入力振幅が大きい場合にはＥＶＭ曲線Ｅ１を使用する。ＥＶＭ曲線Ｅ１は可変増幅部３７０の利得によって決定される特性曲線であり、ＥＶＭ曲線Ｅ１は可変増幅部３７０の利得が比較的小さい場合の特性曲線である。また、電気信号４１の入力振幅が小さい場合にはＥＶＭ曲線Ｅ５を使用する。ＥＶＭ曲線Ｅ５は可変増幅部３７０の利得によって決定される特性曲線であり、ＥＶＭ曲線Ｅ５は可変増幅部３７０の利得が比較的大きい場合の特性曲線である。実際には、可変増幅部３７０の利得は利得制御信号としての加算信号４６の電圧レベルの変化によって連続的に変化するので、ＥＶＭ曲線も電気信号４１の入力振幅の変化によって連続的に変化する。一例として、図６（ｂ）では、電気信号４１の入力振幅が変化するにつれて、可変増幅部３７０の利得が変化していくため、電気信号４１の入力振幅の変化に追随してＥＶＭ曲線が連続的に変化する。そのために、可変増幅部３７０の利得が変化することによって、受信モジュール１３００のダイナミックレンジＤ３はダイナミックレンジＤ１およびダイナミックレンジＤ２にくらべて拡大される。一例として、おおよそ６ｄＢ程度のダイナミックレンジＤ１およびダイナミックレンジＤ２に対して、ダイナミックレンジＤ３はおおよそ２０～３０ｄＢに拡大される。なお、ダイナミックレンジはＥＶＭの値によっても変動するので、選択されるＥＶＭの値によってダイナミックレンジも変動する場合がある。

以上の説明による本実施形態に係わる光ファイバ無線通信システム１０００は車両等の移動体に搭載されることができる。この場合には、通信データは、移動体の状況を検知するセンサーの情報、移動体を制御する情報、移動体に搭載された電子機器の情報等の情報である場合がある。

以上のような本実施形態による構成によれば、複雑な処理を行う回路を入れることなく安価にＲＦ信号伝送におけるダイナミックレンジを拡大した光ファイバ無線通信システムを実現できる。また、光信号の受信側だけで利得の制御を行うことができる。したがって、光ファイバに入ってくる無線信号の振幅の変化だけでなく、例えば、温度変化による光出力の低下や光結合部での損失変化など光伝送部での損失変化に対しても利得を制御でき、高い信頼性を確保することが可能となる。さらに、パッシブな回路で利得制御を行うことができるため、信号の遅延がほとんど生じることがない。

なお、光ファイバ１２００の種類は特に制限されることがないので、シングルモード光ファイバであっても、マルチモード光ファイバであっても本実施形態に適用することが可能である。また、光ファイバ１２００の材質に制限はなく、ガラスおよびプラスチックで形成される光ファイバであっても本実施形態に適用することが可能である。

また、光／電流変換部３１１、逆電圧部３１２および電流／電圧変換部３１３は１つのモジュールで構成されてもよい。さらに、受信信号強度検出部３２０、ピークホールド部３３０、反転増幅部３４０、加算部３５０、電源部３６０、可変増幅部３７０、ダイオード３８０および直流成分除去部３９０も１つのモジュールで構成されてもよい。また、上記２つのモジュールが一体となって受信モジュール１３００を構成してもよい。また、各構成要素は、単体または複数の構成要素をモジュール化して構成されてもよい。

また電気／光変換部として機能する送信モジュール１１００に含まれるレーザの種類にはＤＦＢ（Distributed Feed Back）、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が挙げられる。しかし、送信モジュール１１００に含まれるレーザの種類はこれらに限定されるわけではない。また、変調方式は、直接変調方式でもＬＮ変調器等を使用した外部変調方式であっても本実施形態に適用することが可能である。

以下に、本実施形態に係る受信モジュール１３００および光ファイバ無線通信システム１０００の特徴について記載する。

本実施形態の第１の態様に係る受信モジュール１３００は、光ファイバ無線通信システム１０００において、光ファイバ１２００を伝送した光信号３９を電気信号４１に変換し、電気信号４１の利得を制御した可変増幅信号４７を出力する。
受信モジュール１３００は、光信号３９を電気信号４１に変換する光／電気変換部３１０を含む。
また、受信モジュール１３００は、電気信号４１の電圧または電力を検出し、電圧または電力の大きさを示す指標を電圧として示す受信信号強度信号４２を出力する受信信号強度検出部３２０を含む。
さらに、受信モジュール１３００は、受信信号強度信号４２のピーク電圧をホールドするピークホールド部３３０を含む。
さらに、受信モジュール１３００は、ピークホールド部３３０から出力されるピークホールド信号４３を含む信号を利得制御信号として入力し、電気信号４１の利得を制御する可変増幅部３７０を含む。
可変増幅部３７０は、ピークホールド信号４３の電圧が高いときは前記利得が低くなり、ピークホールド信号４３の電圧が低いときは利得が高くなる。可変増幅部３７０は、所定の範囲の電圧または電力を有する電気信号４１の入力時に可変増幅部３７０の出力信号である可変増幅信号４７の電圧レベルがあらかじめ定められた範囲内に収まるように制御し、可変増幅信号４７に含まれる多値化信号を区別する。

上記構成によれば、複雑な処理を行う回路を入れることなく安価にＲＦ信号伝送におけるダイナミックレンジを拡大した光ファイバ無線通信システムを実現できる。また、光信号の受信側だけで利得の制御を行うことができる。したがって、光ファイバに入ってくる無線信号の振幅の変化だけでなく、例えば、温度変化による光出力の低下や光結合部での損失変化など光伝送部での損失変化に対しても利得を制御でき、高い信頼性を確保することが可能となる。さらに、パッシブな回路で利得制御を行うことができるため、信号の遅延がほとんど生じることがない。

本実施形態の第２の態様に係る受信モジュール１３００は、電圧または電力を有する電気信号４１の所定の範囲は、可変増幅信号４７の電圧レベルのあらかじめ定められた範囲において以下の特性を有する。すなわち、可変増幅信号４７の電圧レベルのあらかじめ定められた範囲において、可変増幅信号４７のＥＶＭ（Error Vector Magnitude）の値があらかじめ定められた値以下となる。

上記構成によれば、入力信号である電気信号４１の電圧振幅に合わせて利得を変更することで、ＥＶＭ特性曲線が移動するので、入力信号の所定の範囲の変動に対して、ＥＶＭが小さい良好な部分を利用することで、ダイナミックレンジを拡大することが可能になる。

本実施形態の第３の態様に係る受信モジュール１３００における光／電気変換部３１０は、光信号３９を電流信号４０に変換する光／電流変換部３１１と、電流信号４０を電圧信号に変換する電流／電圧変換部３１３を含み、電圧信号は電気信号４１である。

上記構成によれば、光信号３９を歪ませることなく精度よく電気信号４１に変換することが可能になる。

本実施形態の第４の態様に係る受信モジュール１３００は、受信信号強度信号４２に電気信号４１の電圧または電力の直流成分を含む場合には、受信信号強度検出部３２０とピークホールド部３３０との間に直流成分除去部３９０を含む。

上記構成によれば、受信信号強度信号４２の直流成分を含めた全体的な電圧レベルの変動を除き、受信信号強度信号４２の振幅変動のみをモニターすることで、精度よく受信信号強度を検出可能となる。

本実施形態の第５の態様に係る受信モジュール１３００は、ピークホールド部３３０はピークホールド用コンデンサ及び放電用抵抗を備え、ピークホールド時間は、ピークホールド用コンデンサ及び放電用抵抗の時定数によって決定される。また、ピークホールド時間は電気信号４１に含まれる多値化された信号が可変増幅信号４７によって識別可能な時間である。

上記構成によれば、ピークホールド部３３０はパッシブな簡易な構成で実現することが可能になるので、信号の遅延がほとんど生じない、安価なシステムを構築することが可能になる。また、上記構成によれば、ピークホールド時間は可変増幅信号４７から電気信号４１に含まれる多値化された信号が識別可能な時間に設定されるので、光ファイバ無線通信システム１０００としての機能を発揮することが可能になる。

本実施形態の第６の態様に係る受信モジュール１３００は、ピークホールド時間はマイクロ秒からミリ秒のオーダーである。

上記構成によれば、電気信号４１の搬送波がギガヘルツオーダーの周波数であっても、ベースバンド信号に含まれる多値化された信号を識別することが可能となる。

本実施形態の第７の態様に係る受信モジュール１３００は、ピークホールド信号４３を受信して反転増幅し、反転増幅信号４４を出力する反転増幅部３４０を含む。また、受信モジュール１３００は、電気信号４１の電圧レベルが０の場合の可変増幅部３７０の利得を決定する基準信号４５を生成し、出力する電源部３６０を含む。さらに、受信モジュール１３００は、反転増幅信号４４および基準信号４５を加算演算し、加算信号４６を出力する加算部３５０を含み、可変増幅部３７０は加算信号４６を利得制御信号として入力する。

上記構成によれば、可変増幅部３７０に入力される利得制御信号としての加算信号４６の電圧レベルを調節することが可能になるので、可変増幅部３７０の特性に適合した利得制御信号を生成することが可能になる。

本実施形態の第８の態様に係る受信モジュール１３００は、加算部３５０にアノードが接続され、可変増幅部３７０の利得制御信号が入力される利得制御端子にカソードが接続されるダイオード３８０を含む。

上記構成によれば、受信信号強度信号４２およびピークホールド信号４３が想定以上に大きくなり、加算信号４６がマイナス電圧を有する状況になっても、可変増幅部３７０に逆電圧が印加されることを防ぐことが可能になる。したがって、ダイオード３８０は可変増幅部３７０が損傷されることを防ぐことが可能になる。

本実施形態の第９の態様に係る受信モジュール１３００は、光／電気変換部３１０の出力部と、可変増幅部３７０の入力部および受信信号強度検出部３２０の入力部との間の信号線がインピーダンスマッチングされている。また、受信モジュール１３００は、受信信号強度検出部３２０の出力部と、ピークホールド部３３０の入力部との間の信号線もインピーダンスマッチングされている。

電気信号４１および受信信号強度信号４２はギガヘルツレベルの周波数特性を有する場合もある。したがって、上記構成によれば、信号経路においてインピーダンスマッチングが取れているので、電気信号４１および受信信号強度信号４２が歪まずに当該信号に含まれる情報を正確に伝送することが可能になる。

本実施形態の第１０の態様に係る光ファイバ無線通信システム１０００は、本実施形態の第１の態様から第９の態様のいずれかの態様に記載の受信モジュール１３００と、受信モジュールに入力される光信号３９を伝送する光ファイバ１２００とを含む。さらに、光ファイバ無線通信システム１０００は、受信された無線信号を電気信号に変換し、電気信号を光ファイバ１２００に入力される光信号３９に変換する送信モジュール１１００を含む。

本実施形態につき、図面を参照しつつ詳細に説明したが、以上の本実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、上記に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、上記に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

３１０光／電気変換部
３１１光／電流変換部
３１２逆電圧部
３１３電流／電圧変換部
３２０受信信号強度検出部
３３０ピークホールド部
３４０反転増幅部
３５０加算部
３６０電源部
３７０可変増幅部
３８０ダイオード
１０００光ファイバ無線通信システム
１１００送信モジュール
１２００光ファイバ
１３００受信モジュール

Claims

光ファイバ無線通信システムにおいて、光ファイバを伝送した光信号を電気信号に変換し、前記電気信号の利得を制御した可変増幅信号を出力する受信モジュールであって、
前記光信号を前記電気信号に変換する光／電気変換部と、
前記電気信号の電圧または電力を検出し、前記電圧または前記電力の大きさを示す指標を電圧として示す受信信号強度信号を出力する受信信号強度検出部と、
前記受信信号強度信号のピーク電圧をホールドするピークホールド部と、
前記ピークホールド部から出力されるピークホールド信号を含む信号を利得制御信号として入力し、前記電気信号の利得を制御する可変増幅部と、
前記ピークホールド信号を受信して反転増幅し、反転増幅信号を出力する反転増幅部と、
前記電気信号のレベルが０の場合の前記可変増幅部の前記利得を決定する基準信号を生成し、出力する電源部と、
前記反転増幅信号および前記基準信号を加算演算し、加算信号を出力する加算部と、を含み、
前記可変増幅部は前記加算信号を前記利得制御信号として入力し、
前記可変増幅部は、前記ピークホールド信号の電圧が高いときは前記利得が低くなり、前記ピークホールド信号の電圧が低いときは前記利得が高くなり、所定の範囲の前記電圧または前記電力を有する前記電気信号の入力時に前記可変増幅部の出力信号である可変増幅信号の電圧レベルがあらかじめ定められた範囲内に収まるように制御し、前記可変増幅信号に含まれる多値化信号を区別する受信モジュール。
前記電圧または前記電力を有する前記電気信号の前記所定の範囲は、前記可変増幅信号の電圧レベルの前記あらかじめ定められた範囲において、前記可変増幅信号のＥＶＭ（Error Vector Magnitude）の値があらかじめ定められた値以下となる範囲である請求項１に記載の受信モジュール。
前記光／電気変換部は、
前記光信号を電流信号に変換する光／電流変換部と、
前記電流信号を電圧信号に変換する電流／電圧変換部と、を含み、前記電圧信号は前記電気信号である請求項１または２に記載の受信モジュール。
前記受信信号強度信号に前記電気信号の電圧または電力の直流成分を含む場合には、前記受信信号強度検出部と前記ピークホールド部との間に直流成分除去部を含む請求項１から３のいずれか一項に記載の受信モジュール。
前記ピークホールド部はピークホールド用コンデンサ及び放電用抵抗を備え、ピークホールド時間は、前記ピークホールド用コンデンサ及び前記放電用抵抗の時定数によって決定され、前記ピークホールド時間は前記電気信号に含まれる多値化された信号が前記可変増幅信号によって識別可能な時間である請求項１から４のいずれか一項に記載の受信モジュール。
前記ピークホールド時間はマイクロ秒からミリ秒のオーダーである請求項５に記載の受信モジュール。
前記加算部にアノードが接続され、前記可変増幅部の前記利得制御信号が入力される利得制御端子にカソードが接続されるダイオードを含む請求項１に記載の受信モジュール。
前記光／電気変換部の出力部と、前記可変増幅部の入力部および前記受信信号強度検出部の入力部との間の信号線がインピーダンスマッチングされ、
前記受信信号強度検出部の出力部と、前記ピークホールド部の入力部との間の信号線もインピーダンスマッチングされている請求項１から７のいずれか一項に記載の受信モジュール。
請求項１から８のいずれか一項に記載の受信モジュールと、
前記受信モジュールに入力される光信号を伝送する光ファイバと、
受信された無線信号を電気信号に変換し、当該電気信号を前記光ファイバに入力される前記光信号に変換する送信モジュールと、を含む光ファイバ無線通信システム。