JPH024077A - 光通信方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光通信方式、特に信号光を送信部および受信部
の間で送受してデジタルデータを伝送する光通信方式に
関するものである。

［従来の技術］ 光信号の空中伝播を利用する光空間通信においては、開
放空間という伝送路の特性上外乱の影響を受けやすいた
め、信号をそのままの形態で伝送するよりも、何らかの
変調を行って伝送するのが一般的である。

従来デジタル信号を変調して伝送する方式として、２つ
の異なる周波数を用意しておＪ、これを２値デジタル信
号の「１」、「０」に対応させて周波数変化の形で送信
する周波数変調方式（ＦＳＫ）や、搬送波の位相変化に
デジタル信号の「１」、ｒＱＪを対応させる位相変調方
式（ＰＳＫ）などが広く用いられている。

［発明が解決しようとする課題］ デジタル通信の通信品質は通常符号誤り率で評価される
が、これらの変調方式では符号誤り率は搬送波電力＝３
１音電力の比（Ｃ／Ｎ比）に依存し、信号が微弱になる
あるいは雑音が太きどなってＣ／Ｎ比が小さくなると、
符号誤り率が急激に劣化する。光空間通信の場合、屋外
などで長距離の伝送を行なうと、降雨などの気象条件に
応して信号光が大きな減衰を受けるため、微弱な信号を
検出する必要があり、従来の変調方式では通信圧着が限
定され、信頼性の点でも問題があった。

また、短距離の光空間通信において、１対１の通信では
なく受信可能な空間範囲を拡大するため信号光を拡散さ
せることが考えられるが、このような場合にも信号光が
微弱になるので従来の伝送方式では同様に通信の信頼性
の確保が困難である。

本発明の課題は以上の問題を解決することである。

［課題を解決するための手段］ 以上の課題を解決するために、本発明においてｔ±、信
号光を送信部および受信部の間で送受してデジタルデー
タを伝送する光通信方式において送信部においては送信
デジタル信号を表現するパルスで所定周波数の搬送波を
変調し、この変調信壮のスペクトル成分を詩間軸方向に
伸長したチャープ信号により光変調を行ない信号光を形
成ｊ２これを出力し、一方受信部では受信した信号光を
光電変換して得たチャープ信号のスペクトルを詩間輛方
向に圧縮した後検波してデジタルデータをＰｆ生する構
成を採用した。

［作　用］ 以１−の構成によれば、デジタル信号の光空間伝送にお
いてデジタル信号をチャープ信号に変換して光伝送する
。チャープ信号では、受信信号の圧縮変換の際に送信エ
ネルギーの尖頭値が増大するため、Ｓ／Ｎ比を向上させ
、通信の信頼性が向トされる。

し実施例コ 以下、図面に示す実施例に基づき、本発明の詳細な説明
する。

第１図に本発明を採用した空間光ビーム伝送によるデジ
タル通信装置の送信部および受信部のブロフク図をそれ
ぞれ示す。

第１図（ａ）において、図中符号１はパルス発生器で、
送信すべきデジタル信号に応じて後述のような単一波長
成分のパルスを発生する。このパルスは平衡変調器２に
入力され、不図示の搬送波を平衡変調する。この変調出
力はスペクトルを時間的に伸長する伸長用チャープ変換
素子３に入力され、チャープ信号に変換された後、増幅
器４を介してレーザーダイオード（ＬＤ）駆動回路５に
入力される。ＬＤ駆動回路５は入力信号を光信号に変換
し、光学系５ａを介して空中に発射する。

一方、第１図（ｂ）の受信部においては、符号６はＰＩ
Ｎフォトダイオードなどからなる光受信部で、受信信号
は増幅器７で増幅され、スペクトルを時間的に圧縮する
圧縮用チャープ変換素子８に入力される。圧縮用チャー
プ変換素子８の圧縮変換出力は包路線検波あるいは同期
検波方式による検波回路９により検波され、送信デジタ
ル信号が再生される。

第１図（ａ）の送信部では、入力デジタル信号より適当
な波形のパルスを生成して伸長用チャープ変換素子によ
ってチャープ信号に変換する。このチャープ信号ｆＬＤ
を変調して光ビームの形で送出する。

第１図（ｂ）の受信部では光学系６ａにより光ビームを
集光してチャープ光信号を検出し、増幅した後圧縮用チ
ャープ変換素子によって圧縮パルスに逆変換し、さらに
検波回路を通して元のデジタル信号に復調する。

第２図および第３図に、本実施例に使用するチャープ変
換素子の例として弾性表面波素子により構成したチャー
プ変換素子の動作原理を示す。

第２図（ａ）は第１図（ａ）における伸長用チャープ変
換素子３を示し、第３図（１）は第１図（ｂ）における
圧縮用チャープ変換素子８を示すものとする。

伸長用チャープ変換素子３は第２図（ａ）に示すように
ピエゾ効果を有する圧電基板３ｃの上に櫛形電極（以下
ＩＤＴという）３ａ、３ｂを配置した構造であり、信号
入力部のＩＤＴ３ａに電気信号を印加すると圧電効果に
よって機械的振動が発生し、振動の表面波が基板３Ｃ上
を伝播する。

この表面波は出力部のＩＤＴ３ｂに達すると再び電気信
号に変換される。出力側ＩＤＴ３ｂは電極間隔で決まる
振動周波数に同調して電気信号を発生するが、図のよう
に出力部ＩＤＴの間隔は入力ＩＤＴより離れるに従って
密に変化しているため、周波数によって出力信号の遅延
時間が異なる。

すなわち、信号中の異なる周波数成分は時間的に分離さ
れる。この伸長用チャープ変換素子の入力周波数に対す
る出力の振幅と遅延の特性は第２図（ｂ）および（Ｃ）
のようになっている。すなわち、少なくとも周波数ｆＯ
を中心とするｈ鴫ｆｌからｆ２までの領域（帯域幅Ｂ）
において周波数特性はフラットで、一方前記の電極配置
により周波数ｆ１からｆ２に向かって直線的に遅延時間
が増大（ｔｌ−ｔ２）する。

従って、伸長用チャープ変換素子３にｆｌからｆ２の間
に広がるスペクトル成分を持つ高周波成分を含む第２図
（ｄ）のようなパルス状の信号を入力すると、第２図（
ｅ）のように時間間隔ｊｌからｔ２の間に周波数がｆｌ
からｆ２に連続的に変化する波形（チャープ信号）に伸
長されて出力される。

第４図は第２図（ｄ）のパルス波形の詳細を示すもので
、時間半値幅１．／Ｂの単一パルス波形（：第４図のよ
うに）に周波数ｆＯの信号を乗算したような波形で近似
的に第２図（ｂ）のようなスペクトルの条件を満足して
いる。第１図の伸長用チャープ変換素子３への入力波形
１オ平衡変調器２の振幅変調により形成される６ 一方、圧縮用チャープ変換素子８は第３図表 （ａ）に示すように、伸琳用チャープ変換素子３とはＩ
ＤＴ８ａ、８ｂの粗密が逆の構造となっているので、第
３図（ｂ）に示すように伸長用チャープ変換素子と振幅
特性は同じだが、第３図（Ｃ）に示すように周波数ｆｌ
からｆ２の間で遅延特性は逆になっている。

従って、伸長用チャープ変換素子３で発生させた第３図
（ｄ）のような時間間隔ｔｉがらｔ２の間に周波数がｆ
ｌからｆ２に連続的に変化するチャープ信号の入力に対
しては第３図（ｅ）（詳細には第４図の波形）のような
パルス信号が再生される。

このチャープ信号からパルス信号への変換利得はチャー
プ信号の継続時間と帯域幅の積（ＢＴ積）で評価できる
。ＢＴ積は通常１よりもはるかに大きく、例えばＢ＝　
１０ＭＨｚ、Ｔ＝　２０ｐ、ｓとするとＢＴ＝　２００
となり、チャープ信号はその電力のＢＴ倍の尖頭電力を
持つパルス信号に圧縮されることになる。

従って、チャープ変換の方式を用いることによって受信
のＳ／Ｎ比を大幅に改善することができる。また、チャ
ープ変換素子は素子の特性と同一のパターンを持つチャ
ープ信号以外には応答しないので、ランダムな雑音やイ
ンパルス状の雑音が受信器に入ってきても変換素子のパ
ターンに一致しないので応答せず、影響を受けない。こ
のため、従来の方式では困難であったような雑音に埋も
れた微弱な信号の検出・再生も可能になる。また、通常
チャープ信号の継続時間よりもパルスの繰り返し周期の
方が小さいためチャープ信号が互いに重なり合うが、パ
ターンの一致を検出するのであるからチャープ信号の重
なりは何ら支障にはならない。

次に、第１図実施例の各部の動作を説明する。

第１図には各部の波形を同時に示しである。

入力されたデジタル信号はパルス発生器ｌによって時間
半値１ｔ＠ｌ／Ｂを持つパルス信号に変換された後、平
衡変調器２によって振幅変調が行なわれ第４図に示すよ
うな周波数ｆＯの成分を含んだパルス信号に変換される
。

このようにスペクトルを時間軸方向に伸長された信号は
第２図の特性を持つ伸長用チャープ変換素子３によって
前述したような時間ｔ１がらｔ２の間に、周波数がｆｌ
からｆ２に変化するチャープ信号に変換される。このチ
ャープ信号は増幅器４によってＬＤ駆動回路５を駆動す
るのに充分な電圧に増幅され、ＬＤ駆動回路５でＬＤ放
射光を輝度変調することで光信号に変換され、光学系５
ａを介して空中に発射される。

この光信号を含むＬＤ放射光は光学系５ａで平行ビーム
光とされ、空中へ放射される。空中を伝送されて減衰し
た光ビームは受光部６の光学系６ａで集光され、受光部
６により光信号が電気信号に変換される。

この信号は増幅器７によって増幅された後第３図の特性
を持つ圧縮用チャープ変換素子８を通すことにより、前
述したように時間圧縮されて周波ａｆＯの成分を含んだ
パルス信号に戻る。

このパルス信号は検波回路９によって検波・整形され、
元のデジタル信号に復調されて出力される。検波は包路
線検波もしくはｆＯ酸成分抽出して同期検波によって行
う。

通常、光信号の空中伝搬を利用する長距離光ビーム通信
では、伝送路として空間を利用するため、前述のように
降雨などの気象条件や大気の揺らぎ、外乱光の変動など
による信号の減衰や変動などの影響を強く受けるという
欠点がある。

そのため、伝送距離が長ぐなると降雨や降雪、霧などの
悪条件下では減衰が大きくなって通信が不可能になる。

これに対して、チャープ信号を伝送する本方式では前述
のように外乱雑音の影響を軽減することができ、従来方
式のＢＴ倍のＳ／Ｎ比が得られるために大きな減衰を受
けた微弱信号を検出することも可能であるため、信頼性
の向上と伝送の長距離化が実現できる。

また、上記実施例では、チャープ信号への変換およびチ
ャープ信号からの逆変換を弾性表面波素子による分散型
遅延手段により行なっている。このような変換素子は構
造が簡単であり、装置の構成を簡単安価かつ小型軽量に
できるという利点がある。

第１図の実施例における長距離光ビーム通信方式は、１
つの送信部に対して１つの受信部という１対１の通信で
あるが、比較的短距離での光空間通信では第５図に示す
よさに拡散光学系１０ａにより送信部１０の光ビームの
放射角を広げて１つの送信部に対して複数（ｎ）の場所
に受信部１１を設けるというｌ対ｎの方式が考えられる
。

この方式では受信可能な範囲を広げるために光を拡散さ
せるため、従来方式では各受信部での光信号が微弱にな
り、高速のデジタル伝送を広い範囲で行うために必要な
受信感度を実現することは困難であったが、上記のよう
にチャープ信号を用いて生成した光信号を拡散して送信
すれば、雑音に埋もれた微弱なチャープ信号でも再生す
ることが可能であるため、広範囲な伝送が可能となる。

なお、開放空間での伝送以外に、光フアイバ中などでの
光信号伝送にも本発明を実施できるのは勿論である。

［発明の効果］ データを伝送する光通信方式において、送信部において
は送信デジタル信号を表現するパルスで所定周波数の搬
送波を変調し、この変調信号のスペクトル成分を時間軸
方向に伸長したチャープ信号により光変調を行ない信号
光を形成しこれを出力し、一方受信部では受信した信号
光を光電変換して得たチャープ信号のスペクトルを時間
軸方向に圧縮した後検波してデジタルデータを再生する
構成を採用しているので、受信側でのチャープ信号圧縮
の際に送信エネルギーを増大させたのと同じ効果が発生
し、みかけ上のＳ／Ｎ比を向上できるので、従来のＦＳ
ＸやＰＳＫ変調方式では検出・再生が困難であるような
微弱な信号であっても検出・再生を可能とし、通信の信
頼性を向上させることができる。このため、長距離通信
のみならず、多数の受信部が受信できるように信号光を
拡散させる方式においても確実な通信が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明による送信部の構造を示すブロッ
ク図、第１図（ｂ）は受信部の構造を示すブロック図、
第２図（ａ）〜（ｅ）は伸長用チャープ変換素子の構造
と特性を示す説明図、第３図（ａ）〜（ｅ）は圧縮用チ
ャープ変換素子の構造と特性を示す説明図、第４図は伸
長用チャープ変換素子の入力パルス波形を示す波形図、
第５図は本発明による他の実施例を示すブロック図であ
る。 １・・・パルス発生器　　２・・・平衡変調器３・・・
伸長用チャープ変換素子 ４・・・増幅器　　　　　５・・・ＬＤ駆動回路６・・
・光受信器　　　　７・・・増幅器８・・・圧縮用チャ
ープ変換素子 ９・・・検波回路　　　　１０・・・送信器１１・・・
受信器 才系看交ン【［て９犬哨ビルｆｆ１＝自−１１ａｙ）′
口、７ノ７斤］第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）信号光を送信部および受信部の間で送受してデジタ
   ルデータを伝送する光通信方式において、送信部におい
   ては送信デジタル信号を表現するパルスで所定周波数の
   搬送波を変調し、この変調信号のスペクトル成分を時間
   軸方向に伸長したチャープ信号により光変調を行ない信
   号光を形成しこれを出力し、一方受信部では受信した信
   号光を光電変換して得たチャープ信号のスペクトルを時
   間軸方向に圧縮した後検波してデジタルデータを再生す
   ることを特徴とする光通信方式。 ２）前記チャープ信号への時間軸伸長およびチャープ信
   号の時間軸圧縮は弾性表面波分散型遅延素子を用いて行
   なうことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の光
   通信方式。