KR101031410B1 - 진폭 및 차동 위상 인코딩된 광신호 생성 방법 및 장치 - Google Patents

진폭 및 차동 위상 인코딩된 광신호 생성 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진폭 및 차동 위상 인코딩된 신호를 생성하고 수신하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 주어진 진폭 레벨에서의 위상 상태의 개수는 보다 높은 진폭 레벨에서의 위상 상태 개수 이하이며, 적어도 두 진폭 레벨은 서로 다른 수의 위상 상태를 갖는다.

Description

진폭 및 차동 위상 인코딩된 광신호 생성 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR THE GENERATION AND DETECTION OF OPTICAL DIFFERENTIAL VARIED-MULTILEVEL PHASE-SHIFT KEYING WITH PULSE AMPLITUDE MODULATION (ODVMPSK/PAM) SIGNALS}
본 발명은 고속 광통신에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 주파수효율 및 전력 효율이 좋은, 진폭 및 차동 위상 인코딩된 신호(amplitude and differential-phase encoded signals)를 생성하고 검출하는 방법과 장치에 대한 것이다.
수신기 감도가 뛰어나며, 주파수 효율이 높은 광통신에 대한 요구를 뒷받침하는 광학적 변조 포맷은 미래의 자유공간 및 지상의 광통신에 매우 유용하다. 광학적 차동 멀티레벨 위상-시프트 키잉(ODMPSK)은 주파수 효율이 높은 변조 포맷이다. 3bits/symbol의 광학적 차동 8-레벨 위상-시프트 키잉(OD8PSK)이 이미 제안된 바 있다. (예컨대, 2004년 발간된 Optics Express Vol. 12의 p. 3415 내지 p. 3421에 게재된 C.Kim 등의 "Direct-detection optical differential 8-level phase-shift keying (OD8PSK) for spectrally efficient transmission" 참조) ODMPSK와 펄스 진폭 변조(PAM)를 결합하여 사용하는 방식 역시 높은 주파수 효율을 얻기 위해 제안된 바 있다. 차동 직교 위상-시프트 키잉(DQPSK)과 4-레벨 펄스 진폭 변조(PAM) 포맷에 기초한 심볼 당 4비트 (즉 16-상태(state)) 변조 포맷도 실현된 바 있다. (예컨대, 2004년 발간된 Proceedings of European Conference on Optical Communication (ECOC’04)의 We3.4.5에 개제된 K.Seine 등의 "Proposal And Demonstration Of 10-G symbol/sec, 16-ary (40Gb/s)Optical Modulation/Demodulation Scheme" 참조) 아쉽게도, 이러한 유형의 변조 포맷들은 여러 약점을 안고 있다.
구체적으로, 이러한 변조 포맷 유형들의 주된 단점은 이들의 비효율적인 심볼 성상도(symbol constellations)에 의한 저조한 수신기 감도이다. 일반적으로, 평균 신호 전력이 주어졌을 때, 신호가 잡음에 대한 높은 면역성을 가질 수 있게 하기 위하여 변조 포맷의 성상 다이어그램에서 심볼간의 최소거리를 최대로 하는 것이 바람직하다. 게다가, ODMPSK와 ODMPSK/PAM의 검출은 매우 복잡하다. ODMPSK의 경우 고도로 안정된 광학적 복조기가 필요하다. 또한 각각의 복조기는 주위의 온도 변화나 신호 캐리어의 주파수 표류로 인한 간섭 팔(interfering arms)들간의 상대적 위상 변화를 보상할 수 있어야 한다.
뛰어난 성상도를 가지며 종래기술의 문제점이 극복된 멀티레벨 위상 및 진폭 변조 신호가 본 발명의 원리에 기한 방법 및 장치에 의해 생성되어, 한 신호에 대해 가능한 복수의 진폭 레벨 각각이 다수의 위상 상태를 갖되, 위상 상태의 수가 진폭 레벨이 클수록 증가하도록 한다. 본 발명의 일 실시예에서는, 전력 효율적인 멀티레벨 위상 및 진폭 변조 신호가 구현되는데, 주어진 진폭 레벨에 할당된 위상 상태의 수가 대략 진폭의 크기에 비례하여 즉, 진폭 레벨이 클수록 더 많은 위상 레벨이 할당된다. 이 변조 포맷을 이하 펄스 진폭 변조를 구비한 광학적 차동 가변-멀티레벨 위상-시프트 키잉(ODVMPSK/PAM)이라 지칭한다.
나아가 본 발명은 ODVMPSK/PAM 신호를 수신하는 방안을 제공하는데, 이는 유용하고 간단히 구현 가능한 것이다.
도 1(a) 내지 1(c)는 각각 신호 평균 전력을 기본단위로 정규화한 경우 OD32PSK, ODQPSK/PAM8, 40-상태 ODVMPSK/PAM4 신호 변조 포맷의 성상도 다이어그램이다.
도 2는 신호 평균 전력을 기본단위로 정규화한 경우 본 발명에 따른 144-상태 ODVMPSK/PAM8 신호 변조 포맷의 성상도 다이어그램이다.
도3은 본 발명에 기한 ODVMPSK/PAM 신호를 변조하는 변조 장치의 실시예의 블록 다이어그램이다.
도4는 본 발명에 기한 ODVMPSK/PAM 신호를 수신하는 수신 장치의 실시예의 블록 다이어그램이다.
다음의 상세한 설명은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것이다. 따라서 당업자라면 여기에 명시적으로 기술되거나 도시되지 않았더라도, 발명의 사상 및 범주에 속하며 발명의 원리를 구체화하는 다양한 구성을 고안할 수 있을 것이다. 나아가, 여기에 기술된 모든 예와 조건을 나타내는 표현은 주로 발명의 기초와 발명자가 기술의 발달에 공언한 바에 대한 독자의 이해를 도우려는 교육적 목적에 의한 것이며, 이러한 명확하게 기술된 예와 조건들로 본 발명을 제한하여 해석하려는 의도는 아니다. 이하 기술된 실시예를 비롯하여 발명의 원리, 특징, 실시예들과 관련된 기준은 구조적 및 기능적 균등물을 포함하는 것이다. 추가적으로 여기서 균등물이란 이미 알려져 있는 균등물은 물론, 미래에 개발 가능한 균등물 등 구조와 무관하게 동일한 기능을 발휘하는 모든 요소를 포함하도록 한다.
별도의 명시적인 언급이 없는 한, 이하 도면들은 실제 축척대로 그려진 것이 아니다. 발명의 상세한 설명 내에서 동일한 번호가 매겨진 구성요소는 다른 도면에 있더라도 같은 구성요소를 의미한다.
도 1(a)와 도 1(b)는 두 가지 예시적인 광학적 차동 멀티레벨 위상-시프트 키잉(ODMPSK) 변조 포맷의 성상도 다이어그램을 나타내며, 각각을 OD32PSK(즉, 32레벨의 ODMPSK)와 ODQPSK/PAM8(레벨8의 펄스 진폭 변조를 수반하는 레벨4의 ODMPSK)이라 한다. 각 신호 변조 포맷은 32가지의 상태 또는 심볼을 가질 수 있다. 32개의 심볼은 5비트의 정보를 나타낼 수 있다. 신호 평균 전력은 기본단위로 정규화한다. 알려져 있듯이 이러한 성상도 다이어그램은 복소평면의 디지털 광변조 방안을 나타낸다. 통상, 허수 축과 실수 축은 일반적으로 각각 동위상, 즉 I 축 및 직교 축, 즉 Q 축을 나타낸다.
도 1(c)는 본 발명에 기한 4레벨의 펄스 진폭 변조를 수반한 40-상태 광학적 차동 가변-멀티레벨 위상-시프트 키잉(ODVMPSK) 변조 포맷인 ODVMPSK/PAM4의 예시적인 성상도 다이어그램이다. 40-상태 ODVMPSK/PAM4 포맷의 심볼들의 위치는 다음과 같다.
Figure 112009003209298-pct00001
이때 [
Figure 112009003209298-pct00002
]는 PAM의 진폭 레벨의 크기를 나타낸다.
PAM-m 포맷의 바람직한 상대적인 진폭은 대략 다음과 같다.
Figure 112009003209298-pct00003
이때 C는 정규화 인자이며 m은 PAM의 진폭 레벨의 수를 뜻한다. 본 명세서에서 "진폭"은 광학계 도메인의 진폭을 의미하며, 이는 광 강도의 제곱근이다. 실시예에서 가장 낮은 진폭 레벨 값인 0.9C는 광학계의 잡음이 랜덤 가우시안이라고 가정할 때, 신호의 비트 오류율(BER)을 최소화하도록 정해진 것이다.
전형적인 40-상태 ODVMPSK/PAM 포맷에서, 진폭 레벨
Figure 112009003209298-pct00004
에서의 위상 상태의 수는 각각 4,8,12,16 이다. 이처럼 각 진폭 레벨의 위상 상태 수는 진폭의 크기에 비례하므로 즉, 진폭이 클수록 그 진폭 레벨은 많은 수의 위상 상태를 갖는다.
실시예를 보면, ODVMPSK/PAM 신호는 m개의 진폭 레벨을 가지며 각 진폭 레벨에서의 위상 상태의 수는 다음과 같다.
Figure 112009003209298-pct00005
심볼 상태의 수인 N은 다음과 같다.
Figure 112009003209298-pct00006
광 잡음이 존재하므로, 신호 성상도 다이어그램에서의 각 심볼의 실제 위치는 시변적이며, 잡음계(noise field)의 강약에 따라 일정한 표준편차로 원위치를 벗어나게 된다. 수신기에서의 두 심볼의 위상차들을 비교하여 여러 위상차 간의 분리는 차감 검출 수신기의 성능에 영향을 미친다. 차동 위상에서 분리된 정도가 클수록 수신기의 성능은 향상된다. 소정의 시점에서 두 개의 비교 심볼 모두 p(i, t)의 가능한 위상 상태들을 갖는 i 번째 진폭레벨에 있다고 가정하면, 아래의 위상 성능 지수
Figure 112009003209298-pct00007
는 가능한 모든 심볼 조합에 대한 수신기 성능을 나타내는 데 사용될 수 있다.
Figure 112009003209298-pct00008
이때,
Figure 112009003209298-pct00009
는 잡음계의 표준 편차를 나타낸다. 서로 다른 진폭 레벨 각각의 위상 상태의 수는, 이미 언급한 바와 같이, 신호가 최고의 전반적인 성능을 발휘하도록 신호 성상도가 최적화된 경우의 것으로 선택한다는 점을 주의한다.
다음의 위상 성능 지수
Figure 112009003209298-pct00010
는, 비교할 심볼 중 첫 번째(선행) 심볼은 p(j, t)의 가능 위상 상태들은 j번째 진폭 레벨인 a(j, t)에 있고, 두 번째(현재) 심볼은 p(i, t)의 가능 위상 상태들은 i번째 진폭 레벨인 a(i, t)에 있다고 가정할 때, 모든 가능한 심볼 조합을 고려한 주어진 시점에서의 수신기의 성능을 측정하는 지표로 사용 가능하다.
Figure 112009003209298-pct00011
수식 4, 5를 비교해 보면, 선행 심볼이 현재의 심볼보다 더 작은 진폭을 가지는 경우 수신기 성능이 그렇지 않은 경우에 비해 나쁘다는 것을 알 수 있다. 따라서, ODVMPSK/PAM 신호의 차감 검출의 감도를 높이기 위해서는, 선행 심볼의 진폭 레벨에 따라, 주어진 심볼의 위상 상태 중 일부를 제하는 것이 효과적일 것이다. 현재 심볼의 진폭이 선행 심볼보다 큰 경우, 현재 심볼의 위상 상태의 개수는 선행 심볼의 그것과 동일한 수만큼 허용될 것이다. 따라서, ODVMPSK/PAM 신호의 심볼 상태의 유효개수인
Figure 112010061921307-pct00012
는 전체 심볼 상태의 수인 N보다 작을 수 있다. 그러므로, 각 진폭 레벨에서의 위상 상태의 가능한 유효 개수는 다음과 같다.
Figure 112009003209298-pct00013
이때 첫 번째 급수의 합은 현재 심볼보다 작은 진폭을 갖게 되는 선행 심볼의 가능한 위상 상태 수를 나타내며, 두 번째 급수의 합은 현재 심볼보다 작지 않은 진폭을 갖게 되는 선행 심볼의 가능한 위상 상태 수를 나타낸다. 전체 상태의 유효 개수
Figure 112009003209298-pct00014
는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009003209298-pct00015
도 1(c)에 있는 40-상태 ODVMPSK/PAM 포맷의 경우, 상태 유효 개수는 34이며, 이에 상응하여 심볼당 유효 비트(bps)는 5.09가 된다.
세 변조 포맷의 심간 최소거리를 비교해보면, 40-상태 ODVMPSK/PAM4 포맷(도 1(c))의 수신기 감도가 OD32PSK 포맷(도 1(a)), ODQPSK/PAM8 포맷(도 1(b))보다 약 5dB 좋을 것으로 예상된다. 40-상태 ODVMPSK/PAM4포맷은, 32 상태 OD32PSK 포맷, ODQPSK/PAM8 포맷과 비교하여 추가로 주어지는 여분 상태들을 통하여, 소정의 비용이 요구되는 강력한 순방향 오류 정정(FEC), 전술한 수신기 성능 향상, 또는 전송 성능을 향상시키기 위한 코드화 변조의 실행이 가능하다.
ODVMPSK/PAM은 심볼당 더 많은 비트를 전송 할 수 있다. 도 2는 본 발명에 따른 144-상태 ODVMPSK/PAM8 변조 포맷의 성상도 다이어그램을 나타낸다. 수식 7에 의하면 이 포맷의 상태 유효 개수는 120이며, 따라서 실제로 약 7bps가 된다.
ODVMPSK/PAM 포맷은 심볼당 비트수가 많을수록 이전의 ODMPSK 포맷, ODMPSK/PAM 포맷보다 수신기 감도가 좋다는 점에 주목해야 한다. 7bps에서 ODVMPSK/PAM4 포맷은 수신기 감도 측면에서 OD128PSK보다 12dB만큼, DQPSK/PAM32보다 10dB 만큼의 우수한 성능을 발휘한다.
도 2의 ODVMPSK/PAM 포맷에는 C·[0.9, 1.9, 2.9, 3.9, 4.9, 5.9, 6.9, 7.9]의 상대적 크기를 갖는 8개의 진폭 레벨이 있으며, 이때 C는 정규화 인자이다. 진 폭 레벨에 대한 위상 레벨의 수는 각각 [4, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 32]이다. 예시적인 변조 포맷에서, 진폭 레벨의 크기가 증가할수록 각 진폭 레벨에서의 위상 상태의 수도 증가한다. 즉 진폭이 클수록 그 진폭 레벨에 더 많은 수의 위상 상태가 배치된다. 그러나 각 진폭 레벨의 위상 상태 수가 진폭 레벨의 크기에 정확하게 비례할 필요는 없다. 예컨대, ODVMPSK/PAM8 포맷에서 8개의 진폭 레벨들에서의 위상 상태의 수는 4, 4, 8, 8, 16, 16, 16, 16이 될 수 있으며, 그 결과 88-상태 변조 포맷이 된다. 당업자라면 알 수 있듯이, 이러한 88-상태 ODVMPSK/PAM8 포맷은 전술한 140-상태 ODVMPSK/PAM 포맷보다 낮은 주파수 효율을 제공한다. 그러나 88-상태 ODVMPSK/PAM8 포맷은 140-상태 ODVMPSK/PAM 8 포맷에 비하여 선형 및 비선형 위상 잡음에 대한 높은 내성을 가질 수 있다. 심볼당 8비트가 넘는 신호는 편광 다중화 (polarization multiplexing)에 의해 적절한 수신기 감도를 유지할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명에 기한 ODVMPSK/PAM 송신기(300)의 실시예의 블록 다이어그램이다. 송신기(300)을 보면 레이저(301)의 출력은 광학 DQPSK 변조기(302)에 입력되며, 광학 DQPSK 변조기(302)의 출력은 광분할기(303)에 의해 분할되며 광분할기(303)는
Figure 112010061921307-pct00016
개의 출력 팔(arm)들을 포함하는데, 이때 m은 PAM의 진폭레벨 수를 의미한다. 본 명세서에서 그 전체가 참조로서 인용되는 2005년 9월 25일에 미국 출원된 "Multilevel Amplitude And Phase Encoded Signal Generation"라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 제 11/162.830호에 기술된 바와 같이, 원하는 분할된 전력의 상대적 분포는 각 (0.4+m/2), (m/4), (m/8), …, (1), (1/2)가 된다.
상대적 전력 (0.4+m/2)를 갖는 분할기(303)의 첫 번째 출력은 위상 제어 유닛(304)에 공급되지만 어떠한 데이터에 의해서도 변조되지는 않는 반면, 나머지 분할된 신호 출력들은 PAM과 관련된 데이터 트리뷰터리(tributary)들에 의해 변조된다. 위상 변조기 어레이(305)는 PAM 변조와 연관된
Figure 112010061921307-pct00017
개의 데이터 트리뷰터리에 따라 분할된 신호들을 변조한다. 데이터 트리뷰터리들은 데이터 소스(308)에 의해 제공된다.
일 실시예에서, 위상 변조기 어레이(305)는 0으로 편향(biased at null)된 마하 젠더 변조기(Mach-Zehnder Modulator)의 어레이를 포함하며, 이 어레이는 데이터 소스(308)로 부터 제공된 데이터를 기반으로
Figure 112010061921307-pct00018
개의 분할 신호들 각각에 대해 0 또는 π 위상 시프트를 실행한다.
또 다른 광분할기(303)는 변조된 모든 분배 신호들을 결합한다. 분할기(306)는 광분할기(303)의 미러 이미지인 것이 바람직하며, 둘은 동일한 분할 분포(splitting distribution)를 갖는다. 신호 광출력은 신호 광학계의 진폭의 제곱에 비례하므로, 동일한 분할율을 갖는 광분할기(303)과 (306)의 직렬 구성은 원하는 전력 레벨을 생성하게 된다. 위상 제어 유닛(304)는 제 1 분할 신호의 광학계가 변조된 분할 신호들과 동위상으로 정렬되도록 보장하는 역할을 한다. 사실상 m-레벨 PAM선상의 모든 진폭 레벨들인 C·(0.9+[0,1,2, ..., m])은 다음의
Figure 112010061921307-pct00019
개 항들, 즉 C＊(m/4), C＊(m/8), …, C＊(1/2)항에 평균값인 C＊(0.4+m/2)을 더한 값들 사이의 가산 및 감산에 의하여 얻을 수 있다. 예컨대, 8-레벨 PAM 포맷의 진폭 레벨인 0.9+[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]은 4.4 ±2 ±1 ±0.5에 의하여 얻을 수 있다. 더 자세히 설명하자면, 첫 번째 데이터 트리뷰터리는 (±2) 성분을 제공하는 최상의 변조 팔(most significant modulation arm)에 의하여 인코딩되며, 두 번째 데이터 트리뷰터리는 (±1) 성분을 제공하는 차상의 변조 팔(second most significant modulation arm)에 의해 인코딩되고, 세 번째 데이터 트리뷰터리는 (±0.5) 성분을 제공하는 최하의 변조 팔(least significant modulation arm)에 의하여 인코딩된다.
광학 분할기(306)에서 출력되는 신호는 실제로 ODQPSK/PAM 신호이며, 부가적 위상 변조기(307)에 입력된다. 위상 변조기(307)은 각 심볼 주기마다 ODQPSK/PAM 신호 성상도를 적절히 "회전"하여, 데이터 소스(308)에서 제공된 데이터를 기초로 고진폭 레벨에서의 여분의 위상 상태들(적어도 4개)을 전달하는 ODVMPSK/PAM신호를 생성한다. 예를 들면 PAM의 진폭 레벨이 주어진 경우, DPQSK변조와 더불어, 0과 3π/8 사이에서 π/8의 조밀도를 갖는 4-상태 부가적 위상 변조는 총 16개의 위상 상태를 생성한다. 이는 4-레벨 신호로 단일상태 위상 변조기를 구동하거나,
Figure 112010061921307-pct00020
즉, 2개의 데이터 트리뷰터리들로 구동된 다중상태 위상 변조기를 구동하여 달성할 수 있다.
당업자라면 알 수 있듯이, 요소들의 선형적 특성에 의해 DQPSK(블록(302)), PAM(블록(303)-306), 부가적 변조(블록(307))의 실행 순서는 바뀔 수 있으며, 즉, 블록(302),(303)-306,(307)은 도 3에서 보인 바와 같이 재배열 가능하다.
추가적인 실시예에서 DQPSK 변조(블록(302))는 부가적 위상 변조(블록(307))와 결합 가능하다. 이렇게 구현한 경우, 수개의 중첩적 직렬구조의 위상 변조기들은 가능한 모든 ODVMPSK/PAM 신호의 위상 상태를 얻는데 사용 가능하다. 위상 변조 과정이 현재의 심볼의 진폭이 선행 심볼의 그것보다 큰 경우 현재의 심볼의 가능한 위상 상태 수가 선행 심볼의 그것과 같아야 한다는 위에 기술된 조건을 만족시키는 것이 바람직하다.
실시예를 보면 광변조기는 ODVMPSK/PAM신호를 영복귀(RZ:return to zero) 펄스 포맷으로 전환하는데 사용가능하며, 이는 부호간 간섭에 대한 신호의 내성을 향상시킨다. RZ 펄스 포맷 전환은 전자영역에서도 이루어진다.
본 발명의 변조 방법은 잡음 면역성을 높이기 위하여 하나 또는 그 이상의 하위 데이터 트리뷰터리들을 변조하지 않는 옵션을 허용한다. 생성된 멀티레벨 신호의 전반적 데이터 레이트는 감소하나, 잡음에 대한 신호의 면역은 향상된다. 이는 데이터 레이트 가변 전송에 유연성을 제공하여, 신호의 전반적 데이터 레이트는 전송 링크의 품질에 따라 달라진다. 예를 들어, 링크의 품질이 나쁠수록 적당한 전송 성능을 보장하기 위해 데이터 레이트가 낮아진다. 이러한 데이터 레이트 가변 전송은 본 발명을 통하여 쉽게 실현 가능하다.
ODVMPSK/PAM 신호를 검출하기 위해서, 멀티레벨 강도검출을 사용하여 진폭 변조와 관련된 데이터 트리뷰터리를 복원할 수 있으며, 이러한 검출은 ECOC’04에서 발간한 We3.4.5.의 K.Seine 등의 "Proposal And Demonstration Of 10-G symbol/sec, 16-ary (40Gb/s)Optical Modulation/Demodulation Scheme”에 기술되어 있다. 이외의 차동 위상 인코딩과 연관된 데이터 트리뷰터리들은 별도의 기술을 사용하여 복원 가능하다. 예컨대, 고정 위상 상태의 ODMPSK 신호는 두 팔(arm)사이 의 위상차가 미리 결정된 다중 광시간 지연 간섭계(ODIs)들과 이진 결정회로가 뒤따르는 다중 균형 검출기를 포함하는 수신기에 의하여 복조 및 검출 가능한데, 이는 2004년 발간된 Optics Express Vol. 12의 p.3415 내지 p.3421에 기재된 C.Kim 등의 "Direct-detection opticaldifferential 8-level phase-shift keying (OD8PSK) for spectrally efficient transmission"에 기술된 바와 같다. 이러한 수신기가 필요로 하는 ODI들의 수는 위상 상태 수의 절반과 같다. 예컨대, ODI16PSK는 8개의 ODI가 필요하다. 이러한 구현은 복잡하며 고가다.
대안으로 두 개의 ODI들과 다단계 결정 회로가 뒤따르는 두 개의 균형 검출기가 ODMPSK 신호를 수신하는데 사용될 수 있으나 수신기 감도가 떨어지게 된다. 2005년 발간된 Optics Express Vol. 13의 p. 371 내지 p. 376에 기재된 H.Yoon 등의 "Performance comparison of optical 8-ary differential phase-shift keying systems with different electrical decision schemes"를 보면 알 수 있다.
위상 상태의 개수가 진폭에 따라 가변하는 ODVMPSK/PAM 신호의 경우, 주먹구구식 검출 방법(a brute force detection scheme)을 사용하면 진폭의 차이에 대응하는 여러 멀티레벨의 경우에 모두 적용 가능하고, 복원된 진폭 데이터를 기초로 의미 있는 데이터를 선택하도록 하기 위해서는, ODI들과 균형 검출기를 반복적으로 거치는 과정을 수반한다.
도 4는 본 발명에 따라 ODVMPSK/PAM 신호를 수신하는 수신기 장치(400)의 실시예를 나타내는 블록 다이어그램이다. ODVMPSK/PAM 입력신호는 1x3 커플러(401)에 의하여 세 개의 광경로로 나뉜다. 첫 번째 광경로는
Figure 112009003209298-pct00021
의 위상차를 갖는 ODI(402)와 이에 후속하는 균형 검출기(404)를 포함한다. 두 번째 광경로는
Figure 112009003209298-pct00022
의 위상차를 갖는 ODI(403)과 그에 후속하는 균형 검출기(405)로 구성된다. ODI(402), ODI(403) 각각의 두 팔(arm)사이의 지연은 △T이며 이는 대략 한 심볼 주기다.
커플러(401)에서 나오는 세 번째 광경로는 광검출기(406)로 직접 연결된다. 검출기(404),(405),(406)에서 나온 신호들은 "연판정" 블록(410)으로 보내진다. 연판정 블록(410)은 아날로그-디지털 변환기(ADCs)(414),(415),(416)를 포함하며 각 변환기는 검출된 신호를 하나씩 입력받게 된다. 각 신호는 ADC에 앞서 자동 이득 제어(AGC) 요소(411-413)를 선택적으로 거치게 된다.
ADC(411-416)의 디지털화된 출력신호는 데이터 복원 유닛(417)에 입력되며, 데이터 복원 유닛은 모든 판정 변수들을 계산하고, ODVMPSK/PAM 신호에 담겨 있는 N개의 데이터 트리뷰터리들 모두를
Figure 112009003209298-pct00023
로서 출력한다.
균형 검출기(404),(405)에 의해 검출된 두 신호들은 각각
Figure 112009003209298-pct00024
로 나타내며, 다음과 같이 표현된다.
Figure 112009003209298-pct00025
이때 y(t)는 수신기에 입력되는 정규화된 신호 필드이며, Re{x}와 Im{x}는 복소변수 x의 실수 부분과 허수 부분을 의미한다.
ODMPSK 신호의 위상 상태와 관련된 데이터 트리뷰터리를 복원하기 위해서는, 두 비교 심볼의 진폭 레벨에 기하여 주어진 시점에서 다중 판정 변수를 얻을 수 있어야 한다. 예를 들어, ODVMPSK/PAM 신호가 m개의 진폭 레벨을 가지며, 가장 높은 진폭 레벨이 위상 상태의 최대값인 M=P(m)을 갖는 경우, 필요한 판정 변수의 최대값은 M/2이 되어야 한다. 이는
Figure 112009003209298-pct00026
의 위상차 (△Φ)를 갖는 M개의 ODI를 통하여 얻을 수 있다. 후술한 바와 같이, M/2개의 판정 변수는 각각 단 두 개의 ODI에서 출력된 검출 신호인
Figure 112009003209298-pct00027
로부터 얻을 수 있다. 보다 구체적으로 위상차가 △Φ로 주어진 ODI와 관련된 판정 변수는 다음과 같다.
Figure 112009003209298-pct00028
이는 다음과 같이 검출 신호
Figure 112009003209298-pct00029
의 함수로 표현 가능하다.
Figure 112009003209298-pct00030
M=
Figure 112009003209298-pct00031
(이때 n은 2보다 큰 정수다)인 경우, M/2개의 판정 변수들은 위상 상태와 연관된 아래의 n개의 데이터 트리뷰터리들을 복원하는 것에 사용 가능하다.
Figure 112009003209298-pct00032
이때
Figure 112009003209298-pct00033
는 배타적 논리합 연산(XOR)을 의미한다.
디코딩된 데이터 트리뷰터리들이 원본과 같도록 보장하기 위해 송신기에서의 광변조에 선행하는 원래 데이터 트리뷰터리들의 적절한 프리코딩을 사용 할 수 있다는 점을 주목한다. 프리코딩 기능은 이미 사용된 광변조 방안과 광복조 및 디코딩 방안을 기반으로 결정될 수 있다.
ODVMPSK/PAM의 검출 시, 주어진 시간에서 판정 변수들은 제각기 현재의 심볼과 이전 심볼의 세기 레벨인 I(n), I(n-1)에 좌우된다. 수식 8 내지 10에 의하면 검출기(406)이 제공하는 I(n), I(n-1)을 사용하여 데이터 복원 유닛(417)이 위상 변조와 관련하여 필요한 판정 변수들을 산출할 수 있다. 요컨대 위상 변조와 관련된 원래의 데이터 트리뷰터리들은 판정 변수의 심볼단위 세기의존형 산출방법(a symbol-by-symbol intensity-dependent deriation)에 기하여 복원된다. PAM과 관련된 판정 변수들은 광검출기(406)가 측정한 신호 세기 프로파일 I(t)을 사용하여 간단히 얻을 수 있다. 끝으로, 데이터 내용은 판정 변수로부터 직접, 또는 (송신기에 코드화 변조가 적용된 경우) 추가적 디코딩 후에 추출된다.
일 실시예에서 데이터 복원 유닛(417)은 이를테면 주문형 반도체(ASIC)나, 현장 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA)와 같은 디지털 신호 처리(DSP)를 사용하여 구현 가능하다.
위에 기술된 실시예들은 본 발명의 적용예를 나타낼 수 있는 극히 일부의 가능한 특정 실시예에 불과하며, 본 발명의 사상과 범주에 속하는 다양한 변경된 구성이 당업자에 의해서 이루어질 수 있다.

Claims (10)

  1. 진폭 및 차동 위상 인코딩된 광신호(amplitude and differential-phase encoded optical signals)를 생성하는 방법으로서,
    펄스 진폭 변조를 수반하는 광학적 차동 가변-멀티레벨 위상-시프트 키잉(ODVMPSK/PAM; optical differential varied-multilevel phase-shift keying with pulse amplitude modulation) 신호를 생성하기 위해 광 캐리어를 진폭 변조 및 위상 변조하는 단계를 포함하되,
    소정의 진폭 레벨에서의 위상 상태의 수는 상기 소정의 진폭 레벨보다 높은 진폭 레벨에서의 위상 상태 수보다 적거나 같으며,
    적어도 두 진폭 레벨이 서로 다른 수의 위상 상태를 갖는
    진폭 및 차동 위상 인코딩된 광신호 생성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변조 단계는, 현재의 심볼의 진폭이 선행 심볼의 진폭보다 클 때 상기 현재의 심볼의 허용된 위상 상태의 수가 상기 선행 심볼의 허용된 위상 상태의 수와 같도록, 상기 현재의 심볼의 진폭 레벨과 상기 선행 심볼의 진폭 레벨에 따라서 상기 광 캐리어를 위상 변조하는 단계를 포함하는
    진폭 및 차동 위상 인코딩된 광신호 생성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 진폭 변조 단계는,
    상기 광 캐리어를 각각이 서로 다른 광 파워를 갖는 복수의 광신호로 분할하는 단계와,
    상기 복수의 광신호 중 적어도 하나를 위상 변조하는 단계와,
    상기 위상 변조된 광신호를 결합하는 단계를 포함하는
    진폭 및 차동 위상 인코딩된 광신호 생성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광 캐리어는 각각 (0.4+2N-1), (2N-2), (2N-3), ..., (1), (0.5)의 전력 분할 분포를 갖는 N+1개의 광신호들로 분할되는
    진폭 및 차동 위상 인코딩된 광신호 생성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    진폭 레벨들이 오름차순으로 배열된 경우, 상기 ODVMPSK/PAM 신호의 각 진폭 레벨에서의 위상 상태의 수는 해당 진폭 레벨의 순서에 비례하는
    진폭 및 차동 위상 인코딩된 광신호 생성 방법.
  6. 진폭 및 차동 위상 인코딩된 광신호를 생성하는 장치로서,
    진폭 변조기와,
    위상 변조기를 포함하되,
    펄스 진폭 변조를 수반하는 광학적 차동 가변-멀티레벨 위상-시프트 키잉(ODVMPSK/PAM) 신호를 생성하도록 상기 진폭 변조기와 상기 위상 변조기가 광 캐리어를 진폭 변조 및 위상 변조하고,
    소정의 진폭 레벨에서의 위상 상태의 수는 상기 소정의 진폭 레벨보다 높은 진폭 레벨에서의 위상 상태 수보다 적거나 같으며,
    적어도 두 진폭 레벨이 서로 다른 수의 위상 상태를 갖는
    진폭 및 차동 위상 인코딩된 광신호 생성 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 위상 변조기는 현재의 심볼의 진폭이 선행 심볼의 진폭보다 클 때 상기 현재의 심볼의 허용된 위상 상태의 수가 상기 선행 심볼의 허용된 위상 상태의 수와 같도록, 상기 현재의 심볼의 진폭 레벨과 상기 선행 심볼의 진폭 레벨에 따라서 상기 광 캐리어를 위상 변조하는
    진폭 및 차동 위상 인코딩된 광신호 생성 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 진폭 변조기는
    상기 광 캐리어를 각각이 서로 다른 광 파워를 갖는 복수의 광신호로 분할하는 분할기와,
    상기 복수의 광신호 중 적어도 하나를 위상 변조하는 위상 변조기와,
    상기 위상 변조된 광신호들을 결합하는 결합기를 포함하는
    진폭 및 차동 위상 인코딩된 광신호 생성 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 광 캐리어는 각각 (0.4+2N-1), (2N-2), (2N-3), ..., (1), (0.5)의 전력 분할 분포를 갖는 N+1개의 광신호들로 분할되는
    진폭 및 차동 위상 인코딩된 광신호 생성 장치.
  10. 제 6 항에 있어서,
    진폭 레벨들이 오름차순으로 배열된 경우, 상기 ODVMPSK/PAM 신호의 각 진폭 레벨에서의 위상 상태의 수는 해당 진폭 레벨의 순서에 비례하는
    진폭 및 차동 위상 인코딩된 광신호 생성 장치.
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