KR20130036377A - 신호 성상도를 이용하는 통신 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

일 예시적인 방법은 위상 시프트 키잉(QPSK) 신호 성상도를 이용하여 광학 신호를 변조하는 단계를 포함하고, PSK 신호 성상도의 신호 점들은 적어도 2개의 링들 상에 위치한다. 제 1 링은 제 1 반지름(r1)을 가지며, 제 2 링은 제 2 반지름(r2)을 갖고, 제 1 반지름과 제 2 반지름은 상이하고, 신호 점들은 정규의 n차원 격자 상에는 위치하지 않으며, n은 정수이다. 정규의 n차원 격자는 축의 원점의 한 측 상의 PSK 신호 성상도의 신호 점들 중 하나들을 연결하는 n차원들 각각에 대한 축에 평행한 최소 개수의 선들로부터 형성된다. 제 2 반지름은 제 1 반지름보다 크고, 제 2 반지름은 제 1 링 반지름의 비-정수배이다.

Description

신호 성상도를 이용하는 통신 시스템 및 방법{COMMUNICATION SYSTEM AND METHOD WITH SIGNAL CONSTELLATION}

본 발명은 2008년 12월 16일에 제출된 미국 예비 출원 제 61/201,861호에 대한 우선권을 청구하고, 그 전체가 참조에 의해 여기에 통합된다.

본 명세서에 설명된 본 발명들은 광 통신 장비, 배제적으로는 아니지만 보다 구체적으로, 정보의 수신 및 송신을 위해 신호 성상도들(signal constellations)을 이용하여 신호들을 변조 및 복조하는 장비에 관한 것이다.

정보는 일반적으로 송신을 위해 변조된다. 변조는 이용의 편이를 위해 메시지 신호를 변형시키는 프로세스이고, 통상 하나의 파형을 또 다른 파형에 관련하여 변화시키는 것을 포함한다. 원격통신들에서, 변조는 메시지를 전달하기 위해 이용된다. 예를 들면, 신호의 진폭(예를 들면, 볼륨), 위상(예를 들면, 타이밍), 및 주파수(예를 들면, 피치)가 정보를 전달하기 위해 변할 수 있다.

성상도는 디지털 변조 방식에 의해 변조된 신호의 표현이다. 예를 들면, 신호는 다양한 다른 변조 방식들 이외에, 직교 진폭 변조(QAM) 또는 위상-시프트 키잉(PSK)에 따라 변조될 수 있다. 성상도에서, 신호는 가능한 샘플링되어 매칭된 필터 출력 값들의 세트의 표현으로 생각될 수 있는 복소 평면의 2-차원 산점도(scatter diagram)로 표현된다. 따라서, 성상도는 주어진 변조 방식에 의해 선택될 수 있는 가능한 심볼들을 복소 평면 내의 점들로서 표현한다. 변조된 수신 신호들에 대한 측정된 성상도들은 수신 신호에서의 간섭 및 왜곡의 유형을 알아내기 위해 이용될 수 있다.

송신된 심볼을 복소수로서 표현하고, 코사인 및 사인 반송 신호를 각각 실수 부분 및 허수 부분으로 변조킴으로써, 심볼은 동일한 주파수 상에서 2개의 반송파들에 의해 송신될 수 있다. 이 2개의 반송파들은 종종 직교 반송파들을 의미하고, 간섭성 탐지기에 의해 독립적으로 복조될 수 있다. 2개의 독립적으로 변조된 반송파들을 이용하는 것은 직교 변조의 기본이다. 순수한 위상 변조에서, 변조하는 심볼의 위상은 반송파 자체의 위상이다.

신호 성상도 내의 심볼들은 복소 평면 내의 점들로 가시화될 수 있다. 실수 축과 허수 축은 종종 동상, 또는 I-축 및 직교 위상, 또는 Q-축으로 불린다. 산점도 내에 몇 개의 심볼들의 좌표를 나타냄으로써 성상도가 만들어진다. 성상도 상의 점들은 성상도 점들 또는 신호 점들로 불릴 수 있으며, 변조 알파벳을 포함하는 변조 심볼들의 세트이다. 성상도란 용어는 또한 변조 방식의 신호 성상도 내의 신호 점들의 이상적인 위치들에 대한 다이어그램을 의미하기 위해 이용될 수도 있다. 따라서, 성상도는 변조 방식의 모든 심볼들의 표현이다.

신호를 수신하면, 복조기가 (예를 들면, 추가된 백색 잡음, 왜곡, 위상 잡음, 또는 간섭에 의한) 채널 또는 수신기에 의해 변질될 수 있는 수신된 심볼을 검사한다. 예를 들면, 추가된 가우시안 잡음의 존재에 대한 최대 우도 탐지법(maximun likelihood detection)에 따라, 복조기는 실제로 송신되는 신호의 추정으로서 수신된 심볼의 점에 (유클리드 거리 상) 가장 근접한 성상도 상의 점을 선택한다. 성상도는 이 프로세스에 대한 간단한 가시화를 가능하게 하고; 수신기는 수신된 심볼을 I-Q 평면 내의 이진 점으로 인식하고, 따라서 송신된 심볼이 수신된 신호에 가장 근접한 임의의 성상도 점이라고 결정한다. 따라서, 수신된 심볼이 변질로 인해 실제 송신된 것이 아닌 또 다른 성상도 점에 더욱 근접하게 움직이면, 수신된 신호는 올바르지 않게 복조될 것이다.

수신된 신호 품질을 분석하는 목적을 위해, 변질은 성상도에서 분명할 수 있다. 예를 들면, 가우시안 잡음은 퍼지(fuzzy) 성상도 점들로 나타날 수 있고; 무-간섭성 신호 주파수 간섭은 원형 성상도 점들로 나타날 수 있고; 위상 잡음은 회전하면서 퍼지는 성상도 점들로 나타날 수 있고; 진폭 압축은 모서리 점들이 성상도의 중심으로 움직이게 할 수 있다.

현재의 송신 시스템들은 수신된 심볼이 변질로 인해 송신된 성상도 점이 아닌 또 다른 성상도 점에 근접하게 움직이면, 신호 변질과 수신된 신호를 올바르게 복조할 수 없다는 것으로 인해 범위가 제한된다.

수신된 심볼이 변질(예를 들면, 잡음)로 인해 송신된 성상도 점이 아닌 또 다른 성상도 점에 근접하게 움직이면, 광학 통신 시스템은 수신된 신호를 올바르게 복조할 수 없다. 이러한 변질과 수신된 신호를 올바르게 복조할 수 없다는 것의 결과로서, 현재의 통신 시스템들은 범위가 제한된다.

잡음에 의해 변질된 신호들을 탐지하기에 최적의 성상도는 복소 심볼들을 나타내는 복소 평면 내에 심볼들의 2차원 가우시안 분포로 주어진다. 이산적인 진폭 경우에 대하여, 2차원 가우시안은 동일한 주파수들의 및 진폭이 동일하게 이격된 링들 내의 성상도와 비슷해질 수 있다. 복수의 링 성상도들에 대한 종래의 제약사항들은 정수인 링 반지름들이 내부 링 반지름의 배수라는 것; 및 각각의 링 상에서 동일한 주파수가 점유된다는 것을 포함한다.

본 명세서에 설명된 실시예들은 광섬유들 내에서의 높은 신호 전력에서의 개선된 송신을 위해 일정한 진폭 링 성상도들로부터 바뀐 것이다. 설명된 실시예들에 의해 제공된 신호 성상도들은 비선형성의 영향들을 감소시켜, 광섬유 통신 시스템들의 범위를 확장시킨다. 매우 효율적인 시스템들의 차세대에 매우 필수적인, 송신 거리를 확장시키는 시스템들, 장치들, 및 방법들이 제공된다. 광섬유 비선형성들로부터 신호 왜곡들을 최소화하는 최적의 성상도들의 집합 중 일례는 균일한 링 성상도가 아닌 진폭이 훨씬 근접하게 위치한 점들을 갖는 성상도들에 의해 주어진다. 원점에 가까이 위치한 심볼들이 거의 없거나 아예 없는 성상도들은 또한 개선된 비선형 송신을 실행한다.

본 명세서에 제공된 몇몇의 실시예들은 광학 직교 위상 시프트 키잉(QPSK) 변조 방식들을 통해 송신된 데이터 내의 비선형 영향들에 의해 다르게 발생될 수 있는 오류들을 감소시키도록 구성된다. 이러한 방식들에서, 비선형 광학 영향들은 동상 및 직교 위상 성분들을 통해 전달된 위상 데이터를 왜곡시키는 경향이 있다.

신호 성상도를 이용하여 광학 신호를 형상하는 방법이 제공된다. 이 방법은 위상 시프트 키잉(PSK) 신호 성상도를 이용하여 광학 신호를 변조하는 단계를 포함한다. PSK 신호 성상도의 신호 점들은 적어도 2개의 링들 상에 위치한다. 제 1 링은 제 1 반지름(r1)을 가지며, 제 2 링은 제 2 반지름(r2)을 갖는다. 제 1 반지름과 제 2 반지름은 상이하고, 신호 점들은 정규의 n차원 격자 상에는 위치하지 않으며, n은 정수이다.

정규의 n차원 격자는 축의 원점의 한 측 상의 PSK 신호 성상도의 신호 점들 중 하나들을 연결하는 n차원들 각각에 대한 축에 평행한 최소 개수의 선들로부터 형성된다. 정규의 n차원 격자에서, 신호 점들은 모든 신호 점들을 교차하는 축들에 평행한 최소 개수의 선들로 구성된 격자의 교차점들에 위치한다.

하나의 실시예에서, 제 2 반지름은 제 1 반지름보다 크고, 제 2 반지름은 제 1 링 반지름의 비-정수배(non-integer multiple)이다. 또 다른 실시예에서, 신호 점들은 2개의 링들 상에 위치하는데, 여기서 신호 점들은 2차원(2D) 직사각형 격자 상에는 위치하지 않는다. 또 다른 실시예에서, 제 2 반지름(r2)은 제 1 반지름(r1)의 정수배가 아니다. 또 다른 실시예에서, 제 2 반지름(r2)에 대한 제 1 반지름(r1)의 비는 약 0.5보다 크다.

신호 성상도의 신호 점들은 평면 상의 성분으로 표현될 수 있는데, 평면은 적어도 하나의 축을 가지며, 축은 원점에서 제 1 방향 및 제 2 방향으로 확장하고, 신호 성상도는 적어도 2개의 신호 점들을 포함하고, 제 1 점은 제 1 방향에 있고, 제 2 점은 제 2 방향에 있으며, 제 1 방향의 제 1 신호 점의 진폭은 제 2 방향의 제 2 신호 점의 진폭보다 크다.

하나의 실시예에서, 신호 점들은 나선을 형성한다. 예를 들면, 신호 점들은 4개의 링들 상에 위치할 수 있고, 신호 점들은 2차원(2D) 직사각형 격자 상에는 위치하지 않는다. 또 다른 실시예에서, 신호 성상도의 신호 점들은 복소 평면 상에 표현될 수 있는데, 복소 평면은 제 1 방향 및 제 2 방향으로 확장하는 동상 축을 가지며, 복소 평면은 제 3 방향 및 제 4 방향으로 확장하는 허수 축을 갖고, 각각의 신호 점은 동상 성분 및 허수 성분을 가지는다. 그 실시예에서, 제 1 방향의 신호 점들의 동상 성분의 최대 진폭은 제 2 방향의 신호 점의 동상 성분의 최대 진폭보다 크며; 제 3 방향의 신호 점들의 직교 성분의 최대 진폭은 제 4 방향의 신호 점들의 직교 성분의 최대 진폭보다 크다.

또 다른 실시예에서, 신호 성상도의 신호 점들은 복소 평면 상에 표현될 수 있는데, 복소 평면은 제 1 방향 및 제 2 방향으로 확장하는 동상 축을 갖고, 복소 평면은 제 3 방향 및 제 4 방향으로 확장하는 허수 축을 가지며, 각각의 신호 점은 동상 성분 및 허수 성분을 가지는데, 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 방향 각각의 신호 점들의 최대 진폭은 상이하다.

실시예들은 변조될 신호를 수신하는 것, 변조된 신호를 송신하는 것, 및 그들의 조합을 포함할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 광학 신호를 형상하는 방법은 신호 점들의 세트를 가지는 PSK 신호 성상도를 이용하여 광학 신호를 변조하는 단계를 포함하는데, 신호 점들 각각은 적어도 제 1 성분 및 제 2 성분을 가지는 복소수로 표현되고, PSK 신호 성상도의 신호 점들의 세트의 제 1 성분의 제 1 최대 진폭은 PSK 신호 성상도의 신호 점들의 세트의 제 2 성분의 제 2 최대 진폭과 상이하다.

또 다른 실시예에서, 광학 신호를 형상하는 방법은 복수의 신호 점들을 갖는 PSK 신호 성상도를 이용하여 광학 신호를 변조하는 단계를 포함하는데, 신호 점들은 제 1 축을 따르는 제 1 성분 및 제 2 축을 따르는 제 2 성분으로 표현되고, 복수의 신호 점들의 제 1 성분의 제 1 최대 진폭은 복수의 신호 점들의 제 2 성분의 제 2 최대 진폭과 상이하다.

예를 들면, PSK 신호 성상도의 신호 점들은 복소 평면 내의 적어도 하나의 타원 상에 위치할 수 있다. 또 다른 실시예에서, PSK 신호 성상도의 신호 점들은 복소 평면 내의 적어도 하나의 계란형 곡선 상에 위치할 수 있다.

하나의 실시예에서, 장치는 또한 이진 비트스트림을 수신하도록 구성된 제 1 인코더를 포함하는데, 인코더는 또한 이진 비트스트림을 위상 시프트 키잉(PSK) 신호 성상도에 기초하여 형상함으로써 이진 비트스트림을 인코딩하도록 구성되고, PSK 신호 성상도의 신호 점들은 적어도 2개의 링들 상에 위치하고, 제 1 링은 제 1 반지름(r1)을 갖고 제 2 링은 제 2 반지름(r2)을 갖고, 제 1 반지름과 제 2 반지름은 상이하고, 신호 점들은 정규의 n차원 격자 상에는 위치하지 않는데, 여기서 n은 정수이고, 제 1 인코더는 또한 반송파를 가지는 인코딩된 이진 비트스트림을 변조하도록 구성된다.

장치는 송신될 광학 신호를 표현하는 신호로부터 이진 비트스트림을 분리하도록 구성된 디멀티플렉서를 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 장치는 광학 신호에 의해 전달된 데이터를 복원하도록 적응된 수신기를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 장치는 변조된 신호를 송신하기 위한 송신기이다. 다른 대안적인 실시예들에서, 장치는 광학 신호를 디코딩하기 위한 수신기를 포함할 수 있고, 변조된 신호를 송신하도록 구성될 수 있다.

하나의 실시예에서, 장치는 신호 점들의 세트를 가지는 PSK 신호 성상도를 이용하여 광학 신호를 변조하기 위한 변조기를 포함하고, 신호 점들 각각은 적어도 제 1 성분 및 제 2 성분을 가지는 복소수로 표현되고, PSK 신호 성상도의 신호 점들의 세트의 제 1 성분의 제 1 최대 진폭은 PSK 신호 성상도의 신호 점들의 세트의 제 2 성분의 제 2 최대 진폭과 상이하다.

또 다른 실시예에서, 장치는 복수의 신호 점들을 갖는 PSK 신호 성상도를 이용하여 광학 신호를 변조하기 위한 변조기를 포함하는데, 신호 점들은 제 1 축을 따르는 제 1 성분 및 제 2 축을 따르는 제 2 성분으로 표현되고, 복수의 신호 점들의 제 1 성분의 제 1 최대 진폭은 복수의 신호 점들의 제 2 성분의 제 2 최대 진폭과 상이하다.

본 명세서에서 "하나의 실시예" 또는 "일 실시예"는 실시예에 관련하여 설명된 특정한 특징, 구조, 또는 특성이 적어도 본 발명의 하나의 실시예에 포함될 수 있다는 것을 의미한다. 본 명세서의 여러 곳에 "하나의 실시예"란 어구가 나타나는 것은 모두가 반드시 동일한 실시예를 의미하는 것은 아니며, 다른 실시예들에 반드시 상호 배타적인 별개의 또는 대안적인 실시예들을 의미하는 것은 아니다. "구현"이란 용어에 대해서도 마찬가지이다.

하기에 주어진 상세한 설명 및 첨부된 도면들로부터 예시적인 실시예들이 보다 잘 이해될 것이고, 동일한 요소들은 동일한 도면 부호들로 표시되며, 실시예들은 예시로서 주어진 것일 뿐 본 발명을 제한하는 것은 아니다.

도 1a 및 도 1b는 4-위상 시프트 키잉(QPSK) 신호 점들의 복조 동안 비선형 광학 영향들로 인한 왜곡들이 어떻게 오류들을 발생시킬 수 있는지를 질적으로 나타내는 도면들.
도 2a 및 도 2b는 상이한 진폭의 신호들을 갖는 광학 반송파의 동상 및 직교 위상 성분들을 변조함으로써 복조 오류들을 줄일 수 있는 실시예를 나타내는 도면들.
도 3은 본 발명의 원리들에 따른 신호 성상도의 하나의 실시예를 나타내는 도면.
도 4는 직교 위상 시프트 키잉(QPSK)용 예시적인 송신기 구조를 나타내는 도면.
도 5는 QPSK용 예시적인 수신기 구조를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 원리에 따른 신호 성상도를 이용하는 변조를 이용하는 일 예시적인 광학 송신 시스템의 개략도.

이제 다양한 예시적인 실시예들이 첨부된 도면들을 참조하여 보다 잘 설명될 것이고, 본 명세서에 개시된 구체적인 구조적 및 기능적 세부사항들은 단지 예시적인 실시예들을 설명하는 목적을 위한 것임이 주의된다. 예시적인 실시예들은 많은 대안적인 형태들로 실시될 수 있고 본 명세서에 설명된 실시예들에만 제한되는 것으로 해석되어서는 안된다.

발명의 상세한 설명 및 도면들 전체는 단지 예시적인 것이고, 본 발명을 제한하는 것이 아니라 설명하기 위해 이용된다. 본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 요소들을 설명하기 위해 이용될 수 있지만, 이들 요소들은 이들 용어로 제한되지 않아야 하는데, 그 이유는 이러한 용어들이 단지 하나의 요소를 또 다른 요소로부터 구별하기 위해서만 이용된 것이기 때문이다. 예를 들면, 예시적인 실시예들의 영역으로부터 벗어나지 않으면서, 제 1 성분는 제 2 성분로 칭해질 수 있고, 마찬가지로, 제 2 성분는 제 1 성분로 칭해질 수 있다. 본 명세서에 이용된 바로서, "및"이란 용어는 결합적인 및 분리적인 의미로 이용되며, 하나 이상의 조합되고 나열된 항목들의 임의의 및 모든 조합들을 포함하고, 단수 형태들("a" "an" 및 "the")은 문맥이 명백하게 다르게 나타내지 않는 한 복수의 형태들도 포함하도록 의도된다.

다르게 규정되지 않는 한, (기술적인 및 과학적인 용어들을 포함하는) 본 명세서에 이용되는 모든 용어는 예시적인 실시예들이 속하는 분야의 당업자에 의해 통상 이해되는 것과 같은 의미를 가지는다. 일반적으로 이용되는 사전들에 규정된 것들과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥에서의 그들의 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하고, 본 명세서에서 명확하게 규정되지 않는 한 이상적인 또는 매우 형식적인 의미로 해석되어서는 안된다는 것이 더욱 이해될 것이다.

몇몇 대안적인 구현들에서, 언급되는 기능들/동작들은 도면에 나타낸 순서로 행해질 수 있다는 것도 또한 주의되어야 한다. 예를 들면, 연이어 도시된 2개의 도면들은 실제로 연속하여 실행되거나, 관련 기능성/동작들에 따라 때때로 역순으로 실행될 수 있다.

잡음에 의해 변질된 신호들을 탐지하기 위한 성상도는 복소 심볼들을 나타내는 복소 평면 내의 심볼들의 2차원 가우시안 분포로 주어질 수 있다. 이산적인 진폭의 경우에 대하여, 2차원 가우시안은 동일한 주파수들의 및 진폭이 동일하게 이격된 링들 내의 성상도와 비슷해질 수 있다. 복수의 링 성상도들에 대한 종래의 제약사항들은 정수인 링 반지름들이 내부 링 반지름의 배수라는 것; 및 각각의 링 상에 동일한 주파수가 점유된다는 것이다.

그러나, 수신된 심볼은 변질(예를 들면, 잡음)로 인해 송신된 것이 아닌 또 다른 성상도 점에 근접하게 움직일 수 있다. 이 영향으로 인해, 광 통신 시스템은 수신된 신호를 올바르게 복조할 수 없고, 그 결과, 통신 시스템의 범위가 제한될 수 있다.

광섬유들 내에서 높은 신호 전력에의 개선된 송신이 일정한 진폭 링 성상도들을 이용하지 않는 실시예들에 의해 제공될 수 있다. 본 명에서에 설명된 신호 성상도들은 비선형성의 영향을 감소시켜, 광섬유 통신 시스템들의 범위를 확장시킨다. 따라서, 매우 효율적인 시스템들의 차세대에 매우 중요한, 이러한 통신 시스템들에 대한 송신 거리는 확장될 수 있다. 광섬유 비선형성들로부터 신호 왜곡들을 최소화하는 최적의 성상도들의 집합 중 일례가 균일한 링 성상도가 아닌 진폭이 훨씬 근접하게 위치한 점들을 갖는 성상도들에 의해 주어진다. 원점에 가까이 위치한 심볼들이 거의 없거나 아예 없는 성상도들은 또한 개선된 비선형 송신 실행을 제공한다.

본 명세서에 제공된 몇몇의 실시예들은 광학 직교 위상 시프트 키잉(QPSK) 변조 방식들을 통해 송신된 데이터 내의 비선형 영향들에 의해 다르게 발생될 수 있는 오류들을 감소시키도록 구성된다. 이러한 방식들에서, 비선형 광학 영향들은 동상 및 직교 위상 성분들을 통해 반송된 위상 데이터를 왜곡시키는 경향이 있다. 도 1a 및 도 1b는 4-QPSK 신호 점들의 복조 동안 비선형 광학 영향들로 인한 왜곡들이 어떻게 오류들을 발생시킬 수 있는지를 질적으로 나타낸다. 도 1a에서, 4-QPSK 신호 점들은 복소 평면 내에 나타난다. 신호 점들은 진폭이 동일하게 이격되고 단위 원 상에 있는 것으로 도시된다.

송신 후에 수신된 신호 점들이 도 1b에 나타나있다. 수신된 산점도가 나타내는 바와 같이, 송신된 신호들은 송신 동안 채널 또는 수신기에 의한 잡음(예를 들면, 추가된 백색 잡음, 왜곡, 위상 잡음, 또는 간섭으로 인한)으로 인해 변질된다. 따라서, 수신된 신호 점들은 100의 대역 내에 속한다. 복조기는 수신된 심볼을 검사하고, 수신된 신호에 대해 대응하는 성상도 점을 결정한다. 예를 들면, 최대 우도 탐지법에 따라, 복조기는 실제로 송신된 신호의 추정으로서 수신된 신호의 점에 (유클리드 거리 상) 가장 근접한 성상도 상의 점을 선택한다. 복조기가 송신된 신호와 등가가 아닌 성상도 점을 선택하기에 충분할 정도로 수신된 신호의 변질이 크면, 복조 오류들이 발생한다.

도 2a 및 도 2b는 상이한 진폭의 신호들을 갖는 광학 반송파의 동상 및 직교 위상 성분들을 변조함으로써 복조 오류들을 감소시킬 수 있는 본 발명의 원리들에 따른 실시예를 나타낸다. 도 2a 및 도 2b는 성상도가 4개의 신호 점들을 갖지만(즉, 비선형 광학 영향들에 의한 왜곡들이 존재할 때) 광학 4-QPSK보다 낮은 오류 레이트를 낼 가능성이 있는 구체적인 실시예를 나타낸다.

도 2a에 도시된 바와 같이, PSK 신호 성상도의 신호 점들은 적어도 2개의 링들 상에 위치하고, 제 1 링은 제 1 반지름(r1)을 갖고, 제 2 링은 제 2 반지름(r2)을 갖고, 제 1 반지름과 제 2 반지름은 상이하고, 신호 점들은 정규의 n차원 격자 상에는 위치하지 않는데, 여기서 n은 정수이다. 신호 점들은 2개의 축을 갖는 2차원 평면 상에 나타나 있다.

정규 n-차원 격자는 축의 원점의 한 측 상의 PSK 신호 성상도의 신호 점들 중 하나들을 연결하는 n차원들 각각에 대한 축에 평행한 최대 개수의 선들로부터 형성된다. 정규의 n차원 격자 내에서, 신호 점들은 격자의 교점들에 위치하고, 신호 점들이 주파수가 동일하게 이격되는 제약을 받는다.

하나의 실시예에서, 제 2 반지름은 제 1 반지름보다 크고, 제 2 반지름은 제 1 링 반지름의 비-정수배이다. 또 다른 실시예에서, 신호 점들은 2개의 링들 상에 위치하고, 신호 점들은 2차원(2D) 직사각형 격자 상에 위치하지 않는다. 또 다른 실시예에서, 제 2 반지름(r2)은 제 1 반지름(r1)의 정수배가 아니다(즉, r2!= m(rl), m은 정수). 도 2a에 도시된 바와 같이, 제 1 링의 제 1 반지름(r1)은 1보다 작은 반면, 제 2 링의 제 2 반지름(R2)은 1이다. 또 다른 실시예에서, 신호 변질이 있을 때 복조를 허용하도록 하기 위해 성상도 내의 신호 점들이 충분히 이격되도록, 제 2 반지름(r2)에 대한 제 1 반지름(r1)의 비는 대략 0.5보다 크다.

신호 성상도의 신호 점들은 평면 상의 성분으로 표현될 수 있고, 평면은 적어도 하나의 축을 가지며, 축은 원점에서부터 제 1 방향 및 제 2 방향으로 확장하고, 신호 성상도는 적어도 2개의 신호 점들을 포함하고, 제 1 점은 제 1 방향에 있고, 제 2 점은 제 2 방향에 있고, 제 1 방향의 제 1 신호 점의 진폭은 제 2 방향의 제 2 신호 점의 진폭보다 크다. 즉, 축 상의 양의 방향의 제 1 신호 점의 진폭은 제 1 값이고, 동일한 축 상의 음의 방향의 제 2 신호 점의 진폭은 다른 값일 수 있다.

송신된 신호 점의, 비선형 왜곡을 갖는 도시된, 수신된 신호 점들이 도 2b에 나타나 있다. 수신된 산점도에 의해 도시된 바와 같이, 송신된 신호들은 송신 동안 채널 또는 수신기에 의한 (예를 들면, 추가된 백색 잡음, 왜곡, 위상 잡음, 또는 간섭) 잡음으로 인해 변질된다. 따라서, 수신된 신호 점들은 200의 대역 내에 속한다.

도 3은 본 발명의 원리에 따라 생성된 신호 성상도의 하나의 실시예를 나타낸다. 도시된 신호 점들은 2개의 링들 상에 속한다. 제 1 링은 반지름(r1)을 갖는다. 제 2 링은 반지름(r2)을 갖는다. 제 2 반지름은 제 1 반지름보다 크고, 제 1 링 반지름의 비-정수배이다. 하나의 실시예에서, 신호 성상도들은 외부 링에 대한 내부 링의 진폭의 비가 0.5보다 작은 2개의 링들을 갖는다. 유익하게, 이 실시예에 따라 제공된 신호 성상도는 광학 네트워크들의 투명성을 증가시키고, 몇몇의 시스템들에서 로만 진폭에 대한 필요성을 낮추게 할 수 있다.

도 4는 QPSK용 예시적인 송신기 구조(400)를 나타낸다. 이진 데이터 스트림(402)이 디멀티플렉서(404)에 의해 동상 및 직교-위상 성분들로 나뉜다. 이진 비트 스트림의 브랜치들(Branches)은 그 다음, 2개의 수직 기저 함수들(406) 상으로 개별적으로 변조된다. 이 변조는 이진 비트스트림의 브랜치를 수신하고 위상 시프트 키잉(PSK) 신호 성상도에 기초하여 이진 비트스트림을 형상함으로써 이진 비트스트림의 브랜치를 인코딩하는 인코더에 의해 실행되며, PSK 신호 성상도의 신호 점들은 적어도 2개의 링들 상에 위치하고, 제 1 링은 제 1 반지름(r1)을 갖고, 제 2 링은 제 2 반지름(r2)을 갖고, 제 1 반지름과 제 2 반지름은 상이하고, 신호 점들은 정규의 n차원 격자 상에는 위치하지 않는데, n은 정수이다. 인코더는 수직 기저 함수(406)에 의해 인코딩된 이진 비트스트림을 변화시키는 곱셈기(410)를 추가로 포함한다.

이 도시된 구현에서, 2개의 사인 곡선들이 수직 기저 함수들로서 이용된다. 그 다음,, 브랜치들에 대한 2개의 신호들이 조합기(412)에 의해 적재되고, 결과 신호가 QPSK 신호(414)이다. 극성 NRZ(polar non-return-to-zero) 인코딩의 이용에 주의하자. 이들 인코더들은 디지털 변조에 관련된 디지털 및 아날로그 신호들 간의 개념적인 차이를 나타내기 위해, 이진 데이터 소스 앞에 위치할 수 있지만, 뒤에 위치할 수도 있다.

도 5는 QPSK용 예시적인 수신기 구조(500)를 나타낸다. QPSK 신호(502)는 매칭된 필터들(504)에 전달된다. 매칭된 필터들은 대응하는 송신기의 2개의 수직 기저 함수들에 대응한다. 매칭된 필터들은 상관기들(correlators)로 대체될 수 있다. 필터링된 후, 각각의 성분에 대한 신호는 Ts(506)의 시간 간격으로 샘플링된다. 각각의 성분에 대해 샘플링된 신호가 탐지 디바이스(508)에 제공된다. 각각의 탐지 디바이스는 1 또는 0이 탐지되는지 여부를 결정하기 위해 기준 임계치를 이용한다. 각각의 성분에 대해 탐지된 신호는 결과의 복원된 이진 비트스트림(512)을 생성하기 위해 멀티플렉서(510)에 의해 혼합된다.

성상도 형상은 비선형성들로 인한 위상 잡음, 편광 잡음, 또는 양쪽 모두의 조합을 처리하기 위해 이용된다. 이 형상 프로세스는 비선형성들 및 잡음의 영향을 최소화하고자 한다. 제공된 신호 성상도는 다수의 신호들 각각을 위해 또는 단일 신호를 변조시키기 위해 이용될 수 있다. 예를 들면, 신호 성상도는 OFDM 방식에 이용될 수 있다.

도 6은 본 명세서에 설명된 변조에 따른 신호 성상도를 이용하는 변조를 이용하는 일 예시적인 광학 송신 시스템의 개략도이다. 예시적인 시스템(5)에서, 112-Gb/s PDM-OFDM 송신기(10)는 분산 관리 송신 링크(40)를 통해 112-Gb/s PDM-OFDM 수신기 셋업(50)에 연결된다. 다른 데이터 레이트 신호들도 유사한 방식으로 핸들링될 수 있다.

송신기(10)에서, 본래의 112-Gb/s 데이터(11)는 우선 x- 및 y-편광 브랜치(12, 14)로 나뉘고, 이들은 본 발명의 PSK 방식에 따라 변조된 주파수 부반송파들로 심볼 매핑 모듈(16)에 의해 매핑되고, 부반송파들은 역 고속 퓨리에 변환(IFFT) 모듈(20)에 의해 제공된 역 고속 퓨리에 변환에 의해 시간 도메인으로 변환된다. 예를 들면, 각각의 편광 브랜치(12 또는 14)는 본 명세서에서 설명된 바와 같은 위상 시프트 키잉(PSK)된 1280개의 주파수 부반송파들로 매핑될 수 있고, 부반송파들은 16개의 파일럿 부반송파들과 함께 대략 63%(~63%)의 필링 비로 크기가 2048인 IFFT에 의해 시간 도메인으로 변환된다. 16개의 파일럿 부반송파들은 주파수 도메인으로 균일하게 분포될 수 있다.

광학 송신 링크(40) 내의 색 분산(CD) 및 편광-모드 분산(PMD)에 의해 발생될 수 있는 심볼간 간섭을 수용하도록, 주기적 프리픽스(prefix)가 프리픽스/TS 삽입 확장 모듈(24)에 의해 삽입될 수 있다.

IFFT 알고리즘은 알고리즘을 적용하기 전에 직렬-대-병렬 모듈(26)을 통해 입력 데이터의 병렬화 및 알고리즘을 적용한 후에 병렬-대-직렬 모듈(28)을 통한 직렬화를 필요로 하는, 심볼 기반 상에서 조직된다. 송신기 내에서 데이터를 병렬화한 후, 코더는 이진 온-오프 코딩을 [π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4]의 위상 값들을 갖는, 예를 들면, 4 레벨 위상 모듈 신호로 변환될 필요가 있다.

다수의 주파수 반송파들이 적재되면 시간 도메인 내에 아날로그 신호들이 생성된다. 따라서 송신기 내에서 직렬화 후에 디지털-대-아날로그 컨버터(DAC)(30)가 필요로 되고, 수신기(50) 내에서 디지털 신호 처리 전에 반대의 아날로그-대-디지털 컨버터(ADC)(56)가 필요로 된다. DAC는 주어진 샘플링 레이트에서 동작한다. 예를 들면, PDM-OFDM 신호의 하나의 편광 성분의 실수 부분 및 허수 부분에 대응하는 시간-도메인 샘플들이 직렬화된 후, 그들은 2개의 56-GS/s DAC들에 의해 컨버팅될 수 있다.

2개의 DAC들에 의해 컨버팅된 2개의 아날로그 파형들을 이용하여 I/Q 변조기(32)가 구동되어 PDM-OFDM 신호의 하나의 편광 성분이 형성되는데, 이 하나의 편광 성분은 편광 빔 스플리터(PBS)(34)에 의해 (간단하게 생성되는) PDM-OFDM 신호의 다른 편광 성분과 조합되어 본래의 광학 PDM-OFDM 신호를 형성한다. 2개의 IQ 변조기들(32)의 각각은 레이저(31)에 연결된다. 프리픽스/트레이닝 심볼 삽입 모듈(24)은 또한 채널 평가에 이용되기 위해 트레이닝 심볼들을 삽입할 수 있다.

수직 주파수-분할 다중화(OFDM) 신호는 송신 링크(40)를 통해 112-Gb/s PDM-OFDM 수신기(50)에 전달된다. 광학 링크는 인라인(inline) 분산 보상 송신 링크일 수 있고, 다수의 광섬유 폭들(44)을 통해 신호를 송신하는 동안 신호를 증폭시키고 보상하기 위해 다수의 에르븀-도핑된 광섬유 증폭기들(EDFA)(42) 및 분산 보상 광섬유들(DCF)(43)로 이루어진 대응하는 인라인 분산 보상 모듈들을 포함한다.

수신기(50)에서, 편광 다이버시티(polarization diversity)를 가지는 디지털 간섭성 탐지를 이용하여 수신기 프론트 엔드(front end)(52)에서 수신된 광학 신호의 2개의 수직 성분들의 필드들이 샘플링된다. 따라서, 수신기 프론트 엔드는 편광 다이버시티 광학 하이브리드(54), 광학 로컬 발진기(55), 아날로그-대-디지털 컨버터들(ADC)(56)을 포함한다. ADC는 미리 결정된 샘플링 레이트에서 동작하는데, 이는 DAC(30)의 샘플링 레이트과 동일할 수 있다.

그 다음, 심볼 동기화가 행해지고, 트레이닝 심볼들(training symbols)이, 수신기 디지털 신호 프로세서(DSP)(60)에서 각각의 OFDM 부반송파 상의 PMD 및 CD와 같은 해로운 영향들을 최소화하는 채널 추정을 위해 추출된다. 수신기 DSP는 프리픽스/트레이닝 심볼 제거(62), 병렬-대-직렬 컨버전(66), 고속 퓨리에 변환(FFT)(68), 채널 보상(70), 심볼 매핑(72), 및 직렬-대-병렬 컨버전(74)을 위한 모듈들을 포함하여, 송신기에 제공된 본래 데이터를 재구성한다.

예시적인 방법에 관련하여 위에서 설명된 다양한 기능들은 (예를 들면, 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 또는 이들의 몇몇 조합으로) 실시된 적절한 명령어들 하에서 동작하는 전용 또는 범용 디지털 정보 프로세싱 디바이스들에 의해 용이하게 실행된다. 예를 들면, 요소가 전용 하드웨어로서 구현될 수 있다. 전용 하드웨어 요소들은 "프로세서들", "제어기들", 또는 유사한 용어들로 불릴 수 있다. 프로세서에 의해 제공되면, 기능들은 신호 전용 프로세서, 단일 공유 프로세서, 또는 복수의 개별 프로세서들에 의해 제공될 수 있고, 그들 중 몇몇은 공유될 수 있다. 또한, "프로세서" 또는 "제어기"란 용어의 명확한 이용은 배타적으로 소프트웨어를 실행할 수 있는 하드웨어만을 의미하도록 해석되지 않아야 하고, 암시적으로 제한 없이 디지털 신호 프로세서(DSP) 하드웨어, 네트워크 프로세서, 주문형 반도체(ASIC) 또는 다른 회로, 필드 프로그래밍가능한 게이트 어레이(field programmable gate array)(FPGA), 소프트웨어를 저장하기 위한 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 비휘발성 저장소, 논리부(logic), 또는 몇몇의 다른 물리적 하드웨어 성분 또는 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들면, DSP 및 다른 논리 회로들의 기능적인 모듈들은 반도체 기술로 구성된 주문형 반도체(ASIC)로 구현될 수 있으며, 또한 FPGA 또는 임의의 다른 하드웨어 블럭들로 구현될 수 있다.

또한, 요소는 요소의 기능들을 실행하도록 프로세서 또는 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어들로 구현될 수 있다. 몇몇의 명령어들의 예들은 소프트웨어, 프로그램 코드, 및 펌웨어이다. 명령어들은 프로세서가 요소의 기능들을 실행하도록 명령하기 위해 프로세서에 의해 실행될 때 동작한다. 명령어들은 프로세서에 의해 판독가능한 저장 디바이스들 상에 저장될 수 있다. 몇몇의 저장 디바이스들의 예들에는 디지털 또는 고체-상태 메모리들, 자기 디스크들 및 자기 테이프들과 같은 자기 저장 매체, 하드 드라이브들, 또는 광학적으로 판독가능한 디지털 데이터 저장 매체가 있다.

명백하게 다르게 언급되지 않는 한, 각각의 수치 값 및 범위는, "약(about)" 또는 "대략적으로(approximately)"란 용어가 값 또는 범위의 값 앞에 위치하는 것처럼, 대략적인 것으로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 구체적인 실시예들이 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이들 구체적인 실시예들에 제한되지 않는다. 본 발명의 특성을 설명하기 위해 설명되고 도시된 부분들에 대한 세부사항들, 머티어리얼들(materials), 및 장치들은 다음의 특허 청구 범위에 표현된 바와 같은 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않고 당업자에 의해 행해질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

다음의 방법 청구항들 내의 요소들은 대응하는 라벨링(labeling)으로 특정 순서로 나열되어 있지만, 청구항 나열들이 이들 요소들 중 일부 또는 모두를 구현하기 위한 특정 순서를 다르게 암시하지 않는 한, 이들 요소들은 반드시 그 특정한 순서로 구현되도록 제한되도록 의도되는 것은 아니다.

10: 112-Gb/s PDM-OFDM 송신기
20: 역 고속 퓨리에 변환 모듈 26: 직렬-대-병렬 모듈
28: 병렬-대-직렬 모듈
30: 디지털-대-아날로그 컨버터 32: I/Q 변조기
50: 수신기 55: 광학 로컬 발진기
54: 편광 다이버시티 광학 하이브리드
56: 아날로그-대-디지털 컨버터 410: 곱셈기
508: 탐지 디바이스 510: 멀티플렉서

Claims (15)

1. 광학 신호를 형상하는 방법에 있어서:
   위상 시프트 키잉(PSK) 신호 성상도(signal constellation)를 이용하여 상기 광학 신호를 변조하는 단계를 포함하고,
   상기 PSK 신호 성상도의 신호 점들은 적어도 2개의 링들 상에 위치하고, 제 1 링은 제 1 반지름(r1)을 갖고, 제 2 링은 제 2 반지름(r2)을 갖고, 상기 제 1 반지름과 제 2 반지름은 상이하고, 상기 신호 점들은 정규의 n차원 격자 상에는 위치하지 않고, n은 정수인, 광학 신호를 형상하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 정규의 n차원 격자는 상기 n차원 각각에 대한 축의 원점의 한 측 상의 상기 PSK 신호 성상도의 신호 점들의 하나들을 연결하는 상기 축에 평행한 최소 개수의 선들로부터 형성되는, 광학 신호를 형상하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 반지름은 상기 제 1 반지름보다 크고, 상기 제 2 반지름은 상기 제 1 링 반지름의 비-정수배인, 광학 신호를 형상하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 신호 점들은 2개의 링들 상에 위치하고, 상기 신호 점들은 정규의 2차원(2D) 직사각형 격자 상에는 위치하지 않는, 광학 신호를 형상하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 반지름(r2)은 상기 제 1 반지름(r1)의 정수배가 아닌, 광학 신호를 형상하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 신호 성상도의 신호 점들은 평면 상의 성분으로 표현될 수 있고, 상기 평면은 적어도 하나의 축을 갖고, 상기 축은 원점으로부터 제 1 방향 및 제 2 방향으로 확장하고, 상기 신호 성상도는 적어도 2개의 신호 점들을 포함하고, 제 1 점은 상기 제 1 방향에 있고, 제 2 점은 상기 제 2 방향에 있고, 상기 제 1 방향의 상기 제 1 신호 점의 진폭은 상기 제 2 방향의 상기 제 2 신호 점의 진폭보다 큰, 광학 신호를 형상하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 신호 점들은 4개의 링들 상에 위치하고, 상기 신호 점들은 정규의 2차원(2D) 직사각형 격자 상에는 위치하지 않는, 광학 신호를 형상하는 방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 신호 성상도의 신호 점들은 복소 평면 상에 표시될 수 있고, 상기 복소 평면은 제 1 방향 및 제 2 방향으로 확장하는 동상 축을 갖고, 상기 복소 평면은 제 3 방향 및 제 4 방향으로 확장하는 허수 축을 갖고, 각각의 신호 점은 동상 성분 및 허수 성분을 갖고,
   상기 제 1 방향의 상기 신호 점들의 동상 성분의 최대 진폭은 상기 제 2 방향의 상기 신호 점들의 동상 성분의 최대 진폭보다 크고,
   상기 제 3 방향의 상기 신호 점들의 직교 성분의 최대 진폭은 상기 제 4 방향의 상기 신호 점들의 직교 성분의 최대 진폭보다 큰, 광학 신호를 형상하는 방법.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 신호 성상도의 신호 점들은 복소 평면 상에 표시될 수 있고, 상기 복소 평면은 제 1 방향 및 제 2 방향으로 확장하는 동상 축을 갖고, 상기 복소 평면은 제 3 방향 및 제 4 방향으로 확장하는 허수 축을 갖고, 각각의 신호 점은 동상 성분 및 허수 성분을 갖고,
   상기 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 방향들 각각의 상기 신호 점들의 최대 진폭은 상이한, 광학 신호를 형상하는 방법.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 변조된 신호를 송신하는 단계를 추가로 포함하는, 광학 신호를 형상하는 방법.
11. 비트스트림(bitstream)을 수신하도록 구성된 제 1 인코더를 포함하고,
    상기 인코더는 또한 위상 시프트 키잉(PSK) 신호 성상도에 기초하여 상기 비트스트림을 형상함으로써 상기 비트스트림을 인코딩하도록 구성되고, 상기 PSK 신호 성상도의 신호 점들은 적어도 2개의 링 상에 위치하고, 제 1 링은 제 1 반지름(r1)을 갖고, 제 2 링은 제 2 반지름(r2)을 갖고, 상기 제 1 반지름과 제 2 반지름은 상이하고, 상기 신호 점들은 정규의 n차원 격자 상에는 위치하지 않고, n은 정수이고, 상기 제 1 인코더는 또한 반송파를 가지는 상기 인코딩된 비트스트림을 변조하도록 구성되는, 장치.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 반지름은 상기 제 1 반지름보다 크고, 상기 제 2 반지름은 상기 제 1 반지름의 비-정수배인, 장치.
13. 제 11 항에 있어서,
    상기 신호 성상도의 신호 점들은 평면 상의 성분으로 표현될 수 있고, 상기 평면은 적어도 하나의 축을 갖고, 상기 축은 원점으로부터 제 1 방향 및 제 2 방향으로 확장하고, 상기 신호 성상도는 적어도 2개의 신호 점들을 포함하고, 제 1 점은 상기 제 1 방향에 있고, 제 2 점은 상기 제 2 방향에 있고, 상기 제 1 방향의 상기 제 1 신호 점의 진폭은 상기 제 2 방향의 상기 제 2 신호 점의 진폭보다 큰, 장치.
14. 제 11 항에 있어서,
    신호로부터 송신될 광학 신호를 나타내는 비트스트림을 분리시키도록 구성된 디멀티플렉서를 추가로 포함하는, 장치.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 광학 신호를 디코딩하기 위한 수신기를 추가로 포함하는, 장치.

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