WO2014167897A1

WO2014167897A1 - 信号処理装置及び信号処理方法

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Publication number: WO2014167897A1
Application number: PCT/JP2014/053853
Authority: WO
Inventors: 和佳子安田; 安部　淳一
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2014-10-16
Also published as: JPWO2014167897A1; US20160036554A1; US9853765B2; JP6206487B2

Abstract

　光受信装置（２０）は、電気信号生成部（２００）、線形補償部（３０１）、非線形補償部（３００）、及び第２係数設定部（４００）を備えている。電気信号生成部（２００）は、伝送路（３０）を介して受信した光信号に基づいて、電気信号を生成する。線形補償部（３０１）は、電気信号に対して、伝送路（３０）において信号光に生じた分散を、第１フィルタ係数を用いて補償する処理を行う。第２係数設定部（４００）は、伝送路（３０）において信号光に生じた非線形効果を補償するための第２フィルタ係数を、伝送路（３０）で生じた分散の大きさを用いて定める。非線形補償部（３００）は、第２係数設定部（４００）が定めた第２フィルタ係数を用いて、電気信号に対して非線形効果を補償する処理を行う。

Description

信号処理装置及び信号処理方法

　本発明は、信号処理装置及び信号処理方法に関する。

　インターネットの普及に伴い、通信されるデータの量が増大している。これに対応するためには、伝送路の容量を増大させる必要がある。大容量化を実現するための技術の一つとして、多値変調方式（Quadrature Amplitude Modulation：ＱＡＭ）がある。送信器でＱＡＭ方式の変調を施された光信号は、デジタルコヒーレント方式の光受信器で復調される。

　ＱＡＭ方式の光通信においては、光信号が伝送路を伝播する際に受ける非線形効果が大きな問題となる。光信号が伝送路中で非線形効果を受けると、光信号の位相が回転する。ＱＡＭ方式は複雑な位相情報を取り扱うため、非線形効果による位相回転を受けると、受信時に正しい位相情報を復調できなくなる。

　これに対して非特許文献１には、Back Propagationと呼ばれる非線形補償方式が記載されている。この補償方式は、分散補償を小刻みに行うとともに、各分散補償の直後で非線形補償を行うことで、受信側から送信側へ伝播波形を遡りながら波形歪を補償する方式である。

　しかし、Back Propagationでは、分散補償機能と非線形補償機能を組み合わせて１つの非線形補償ステージとしたとき、非線形補償ステージの段数を多くする必要がある。分散補償機能は線形歪補償回路によって実現され、非線形補償機能は非線形歪補償回路によって実現される。線形歪補償回路は、周波数領域で分散補償を行うために、ＦＦＴ／ＩＦＦＴ回路を含んでいる。ＦＦＴ／ＩＦＦＴ回路は回路規模が大きいため、ＬＳＩの実装面積や消費電力を考慮すると、一つの信号処理装置には、数個のＦＦＴ／ＩＦＦＴ回路しか実装できない。

　これに対して非特許文献１には、Filtered Back Propagationと呼ばれる補償方式も記載されている。Filtered Back Propagationは、信号強度から算出される位相回転量の時間平均量を非線形補償に用いることで、非線形補償ステージの段数を削減するものである。また非特許文献１において、位相回転量の時間平均にはLow Pass Filterが用いられている。

　さらに、非特許文献２には、上記したLow Pass Filterの係数設定手法が記載されている。非特許文献２においては、受信した光信号に対して非線形補償を行わないで復調する。そして復調したシンボル位置とその信号の理想シンボル位置の差をモニタすることにより、Low Pass Filterの係数を決定している。

Liang B. Du and Arthur J. Lowery, "Improved single channel backpropagation for intra-channel fiber nonlinearity compensation in long-haul optical communication systems", OPTICS EXPRESS, Vol. 18, No. 16, pp17075-17088, 2010 Lei Li et al., "Implementation Efficient Nonlinear Equalizer Based on Correlated Digital Backpropagation", Proc. Conf. OFC OWW3, 2011

　非特許文献２に記載の方法では、受信信号を非線形補償せずに復調できることが前提となっている。このため、復調するためには非線形補償を行うことが必須である低品質の受信信号には適用できない。

　本発明の目的は、偏波多重かつ多値変調された信号光を受信して復調する場合において、復調を行わなくても非線形補償の係数を設定できるようにすることである。

　本発明によれば、偏波多重かつ多値変調されていて伝送路を介して送信された信号光に基づいて電気信号を生成する電気信号生成手段と、
　前記電気信号に対して、前記伝送路において前記信号光に生じた分散を、第１フィルタ係数を用いて補償する処理を行う線形補償手段と、
　前記伝送路において前記信号光に生じた非線形効果を補償するときに考慮すべき時間軸上の幅を定める第２フィルタ係数を、前記分散の大きさを用いて定める第２係数設定手段と、
　前記電気信号に対して、前記非線形効果を、前記第２フィルタ係数を用いて補償する非線形補償手段と、
を備える信号処理装置が提供される。

　本発明によれば、偏波多重かつ多値変調されていて伝送路を介して送信された信号光に基づいて電気信号を生成し、
　前記電気信号に対して、前記伝送路において前記信号光に生じた分散を、第１フィルタ係数を用いて補償する処理を行い、
　前記伝送路において前記信号光に生じた非線形効果を補償するときに考慮すべき時間軸上の幅を定める第２フィルタ係数を、前記分散の大きさを用いて定め、
　前記電気信号に対して、前記非線形効果を、前記第２フィルタ係数を用いて補償する信号処理方法が提供される。

　本発明によれば、偏波多重かつ多値変調された信号光を受信して復調する場合において、復調を行わなくても非線形補償の係数を設定できる。

　上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

第１の実施形態に係る光通信システムの構成を示す図である。光受信装置の機能構成の一例を示す図である。第２の実施形態に係る光受信装置の機能構成を示す図である。歪補償部の機能構成を説明する図である。非線形補償部の機能構成の一例を示す図である。タップ数算出部及び第２係数算出部による処理の詳細を説明するための図である。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態に係る光通信システムの構成を示す図である。本実施形態に係る光通信システムは、光送信装置１０及び光受信装置２０を備えている。光送信装置１０及び光受信装置２０は、伝送路３０を介して互いに接続されている。伝送路３０は、光ファイバなどを用いて構成されている。この光通信システムは、例えばＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）方式で通信を行うシステムである。

　光送信装置１０（信号処理装置）は、送信すべき複数の信号を用いて光を変調することにより、偏波多重且つ多値変調された光信号を生成する。生成された光信号は、伝送路３０を介して光受信装置２０に送信される。光受信装置２０は、受信した光信号を復調する。光信号は伝送路３０を伝播する際、線形効果（分散効果）と非線形効果を受ける。光受信装置２０は、これらの効果を補償するための処理も行う。

　図２は、光受信装置２０の機能構成の一例を示す図である。光受信装置２０は、電気信号生成部２００、線形補償部３０１、非線形補償部３００、及び第２係数設定部４００を備えている。電気信号生成部２００は、伝送路３０を介して受信した光信号に基づいて、電気信号を生成する。線形補償部３０１は、電気信号に対して、伝送路３０において信号光に生じた分散を、第１フィルタ係数を用いて補償する処理を行う。第２係数設定部４００は、伝送路３０において信号光に生じた非線形効果を補償するための第２フィルタ係数を、伝送路３０で生じた分散の大きさを用いて定める。非線形補償部３００は、第２係数設定部４００が定めた第２フィルタ係数を用いて、電気信号に対して非線形効果を補償する処理を行う。

　光信号はパルス信号である。そして伝送路３０を伝送している間に光信号が受ける非線形効果は、時間軸上においてあるパルスが自分自身とその隣に位置するパルスの影響を受けることにより、生じる。このため、パルスの幅の広がりによって、そのパルスが受ける非線形効果が定まる。一方、パルスの幅の広がりは、光信号の分散の大きさで定まる。従って、第２フィルタ係数を、伝送路３０で生じた分散の大きさを用いて定めると、高い精度で非線形効果を補償することができる。このため、復調を行わなくても非線形補償の係数を設定できる。

　伝送路３０で生じる分散の大きさは、光通信システム及び伝送路３０の構成が定まれば、ほぼ一意に定まる。従って、本実施形態によれば、光送信装置１０及び光受信装置２０を設置した上で、伝送路３０で生じる分散の大きさを測定すると、第２フィルタ係数を定めることができる。

（第２の実施形態）
　本実施形態に係る光通信システムは、光受信装置２０の構成を除いて、第１の実施形態に係る光通信システムと同様の構成である。

　図３は、光受信装置２０の機能構成を示す図である。光受信装置２０は、局所光源（ＬＯ）２１０、光９０°ハイブリッド２２０（干渉部）、光電（Ｏ／Ｅ）変換部２３０、ＡＤ（アナログ・デジタル）変換部（ＡＤＣ）２４０、および信号処理部１００を備えている。信号処理部１００は、一つの半導体装置で構成されている。

　光９０°ハイブリッド２２０は、信号光と、局所光源２１０からの局所光が入力される。光９０°ハイブリッド２２０は、光信号と局所光とを位相差０で干渉させて第１光信号（Ｉ_ｘ）を生成し、光信号と局所光とを位相差π／２で干渉させて第２光信号（Ｑ_ｘ）を生成する。また光９０°ハイブリッド２２０は、光信号と局所光とを位相差０で干渉させて第３光信号（Ｉ_ｙ）を生成し、光信号と局所光とを位相差π／２で干渉させて第４光信号（Ｑ_ｙ）を生成する。第１光信号及び第２光信号は、一組の信号を形成し、また第３光信号及び第４光信号も、一組の信号を形成する。

　光電変換部２３０は、光９０°ハイブリッド２２０が生成した４つの光信号（出力光）を光電変換して、４つのアナログ信号を生成する。

　ＡＤ変換部２４０は、光電変換部２３０が生成した４つのアナログ信号を、それぞれデジタル信号に変換する（量子化）。

　信号処理部１００は、ＡＤ変換部２４０が生成した４つのデジタル信号を処理することにより、光信号を復調した復調信号を生成する。具体的には、信号処理部１００は、偏波信号生成部１１０、歪補償部１０２、偏波分離部１０４、及び復調部１０６を備えている。

　偏波信号生成部１１０は、加算部１１２，１１４を備えている。加算部１１２は、第１光信号（Ｉ_ｘ）から生成されたデジタル信号と第２光信号（Ｑ_ｘ）から生成されたデジタル信号とを加算処理することにより、第１の偏波信号（Ｅ_ｘ）を生成する。加算部１１４は、第３光信号（Ｉ_ｙ）から生成されたデジタル信号と第４光信号（Ｑ_ｙ）から生成されたデジタル信号とを加算処理することにより、第２の偏波信号（Ｅ_ｙ）を生成する。具体的には、Ｅｘ及びＥｙは、以下の式（１），（２）に従っている。

　歪補償部１０２は、光信号が伝送路３０を伝播する際に受けた線形効果及び非線形効果を補償するための処理を行う。歪補償部１０２の詳細については、後述する。

　偏波分離部１０４は、偏波ごとにフィルタ演算を行う。復調部１０６は、光信号と局所光の間の周波数差および位相差を補償することにより、送信されてきた信号を復調する。

　図４は、歪補償部１０２の機能構成を説明する図である。歪補償部１０２は、線形補償部３０１及び非線形補償部３００からなる処理ステージを少なくとも１段有している。なお、処理ステージの数が少ない場合（例えば５ステージ以下）、歪補償部１０２の最終段は、線形補償部３０１（第２分散補償部）であるのが好ましい。ただし処理ステージの数が例えば１０段以上の場合は、歪補償部１０２の最終段は線形補償部３０１でなくても良い。

　なお、歪補償部１０２の最終段が線形補償部３０１である場合及び非線形補償部３００である場合のいずれであっても、歪補償部１０２が有する線形補償部３０１による分散補償量の和は、伝送路３０において信号光が受ける分散量に等しい。

　線形補償部３０１は、光信号が伝送路３０で受けた線形効果を補償する。線形補償部３０１は、例えば、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）部、フィルタ部、及びＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform）部を備えている。ＦＦＴ部は入力された信号をＦＦＴ演算する。フィルタ部は、光信号が伝送路中で受けた分散効果を補償するための第１フィルタ係数を用いて、信号をフィルタ演算する。ＩＦＦＴ部は、フィルタ処理された信号をＩＦＦＴ演算する。

　非線形補償部３００は、光信号が伝送路３０で受けた非線形効果を、第２フィルタ係数を用いて補償する。

　また、歪補償部１０２は、第１係数設定部４２０及び第２係数設定部４００を備えている。第１係数設定部４２０は、線形補償部３０１に第１フィルタ係数を設定する。第１フィルタ係数は、第１係数設定部４２０が、信号光が伝送路３０で受ける分散を用いて算出しても良いし、外部から第１係数設定部４２０に直接入力されても良い。

　第２係数設定部４００は、タップ数算出部４０２及び第２係数算出部４０４を備えている。タップ数算出部４０２は、信号光が伝送路３０で受ける分散を用いてタップ数を定める。第２係数算出部４０４は、予め定められた関数を等間隔でタップ数と同じ回数区切り、複数の前記区切りのそれぞれにおける関数の値を第２フィルタ係数とする。そして第２係数算出部４０４は、算出した第２フィルタ係数を非線形補償部３００に設定する。第２係数設定部４００による第２係数の設定処理の詳細については、後述する。

　なお、信号光が伝送路３０で受ける分散は、分散設定部５００から入力される。

　図５は、非線形補償部３００の機能構成の一例を示す図である。本図に示す例において、非線形補償部３００は、Filtered Back Propagationに従った補償処理を行う。ただし、非線形補償部３００は他の方式に従った処理に従った処理を行っても良い。

　非線形補償部３００は、強度算出部３０２，３０４、加算部３０５、フィルタ部３０６、位相変調部３０８、遅延部３１０，３１４、及び乗算部３１２，３１６を備えている。強度算出部３０２は、偏波信号Ｅ_ｘの強度を算出し、この強度に基づいた位相回転量を算出する。強度算出部３０４は偏波信号Ｅ_ｙの強度を算出し、この強度に基づいた位相回転量を算出する。加算部３０５は、強度算出部３０２が算出した位相回転量と強度算出部３０４が算出した位相回転量を加算する。フィルタ部３０６は、加算部３０５が出力した位相回転量に、時間平均するための係数（上記した第２フィルタ係数：ｈ（ｎ））を乗ずる。位相変調部３０８は、フィルタ部３０６によって処理された後の位相回転量を用いることにより、位相回転を補償するための係数を算出する。そしてこの係数は、乗算部３１２によって、遅延部３１０によって遅延された後の偏波信号Ｅ_ｘに乗算され、かつ、乗算部３１６によって、遅延部３１４によって遅延された後の偏波信号Ｅ_ｙに乗算される。なお、遅延部３１０，３１４は、偏波信号Ｅ_ｘ，Ｅ_ｙを係数の算出タイミングに同期させるために設けられている。

　なお、図５に示す非線形補償部３００は、以下の式（３），（４）に従った処理を行う。

　図６は、タップ数算出部４０２及び第２係数算出部４０４による処理の詳細を説明するための図である。

　第１の実施形態において説明したように、伝送路３０を伝送している間に光信号が受ける非線形効果は、時間軸上においてあるパルスが自分自身とその隣に位置するパルスの影響を受けることにより、生じる。このため、パルスの幅の広がりによって、そのパルスが受ける非線形効果が定まる。従って、分散が大きいほど、パルス幅が広がり、非線形効果による位相回転量を算出するときに考慮すべき時間幅が大きくなる。

　一方、第２係数算出部４０４は、予め定められた関数を等間隔でタップ数と同じ回数区切り、複数の前記区切りのそれぞれにおける関数の値を第２フィルタ係数とする。

　そしてタップ数算出部４０２は、分散の大きさに比例係数を乗じることにより、タップ数を算出する。このようにすると、分散が大きくなるにつれてタップ数が大きくなり、その結果、第２係数算出部４０４で設定される時間幅が大きくなる。

　なお、この比例係数は、第２係数算出部４０４が用いる関数及び分散に基づいて、例えば光通信システムの管理者によって設定される。

　また本図に示す例において、第２係数算出部４０４が用いる関数は、中央に位置するタップにおいて最大値をとり、両端に位置するタップで最小値を取るように定められている。本図に示す例では、中央に位置するタップと両端に位置するタップは直線で結ばれているが、曲線で結ばれていてもよい。

　また、第２係数算出部４０４が用いる関数は、最大値、最小値、及び最大値と最小値を結ぶ線の形状は固定されているが、最大値から最小値までのタップ数は固定されていない。そして、各タップに対応する第２フィルタ係数は、最大値と最小値を結ぶ線（すなわち関数）を、タップ数の半分の数で分割し、複数の区切りのそれぞれにおける関数の値として定められる。このため、タップ数算出部４０２によって算出されるタップ数が増えた場合、互いに隣り合うタップに対応する２つの第２フィルタ係数の差分は小さくなる。

　本実施形態によっても、復調を行わなくても、非線形補償で用いる第２フィルタ係数を設定することができる。

　以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

　この出願は、２０１３年４月９日に出願された日本出願特願２０１３－０８１３９５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims

　偏波多重かつ多値変調されていて伝送路を介して送信された信号光に基づいて電気信号を生成する電気信号生成手段と、
　前記電気信号に対して、前記伝送路において前記信号光に生じた分散を、第１フィルタ係数を用いて補償する処理を行う線形補償手段と、
　前記伝送路において前記信号光に生じた非線形効果を補償するときに考慮すべき時間軸上の幅を定める第２フィルタ係数を、前記分散の大きさを用いて定める第２係数設定手段と、
　前記電気信号に対して、前記非線形効果を、前記第２フィルタ係数を用いて補償する非線形補償手段と、
を備える信号処理装置。
　請求項１に記載の信号処理装置において、
　前記第２係数設定手段は、
　　前記分散の大きさを用いてタップ数を定め、
　　予め定められた関数を等間隔で前記タップ数と同じ回数区切り、複数の前記区切りのそれぞれにおける前記関数の値を前記第２フィルタ係数とする信号処理装置。
　請求項２に記載の信号処理装置において、
　前記関数は、中央に位置する前記タップにおいて最大値をとり、両端に位置する前記タップで最小値を取るように定められている信号処理装置。
　請求項２又は３に記載の信号処理装置において、
　前記第２係数設定手段は、前記分散の大きさに比例係数を乗じることにより、前記タップ数を算出する信号処理装置。
　請求項４に記載の信号処理装置において、
　前記比例係数は前記関数及び前記分散に基づいて設定される信号処理装置。
　請求項１～５のいずれか一項に記載の信号処理装置において、
　前記電気信号生成手段は、
　　前記信号光と局所光とを干渉させることにより４つの出力光を生成する干渉手段と、
　　前記４つの信号光を光電変換して４つのアナログ信号を生成する光電変換手段と、
　　前記４つのアナログ信号を４つのデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換手段と、
　　前記４つのデジタル信号から、前記信号光の２つの偏波成分に対応する２つの偏波信号を、前記電気信号として生成する偏波信号生成手段と、
を有する信号処理装置。
　偏波多重かつ多値変調されていて伝送路を介して送信された信号光に基づいて電気信号を生成し、
　前記電気信号に対して、前記伝送路において前記信号光に生じた分散を、第１フィルタ係数を用いて補償する処理を行い、
　前記伝送路において前記信号光に生じた非線形効果を補償するときに考慮すべき時間軸上の幅を定める第２フィルタ係数を、前記分散の大きさを用いて定め、
　前記電気信号に対して、前記非線形効果を、前記第２フィルタ係数を用いて補償する信号処理方法。
　請求項７に記載の信号処理方法において、
　前記第２フィルタ係数を定めるとき、
　　前記分散の大きさを用いてタップ数を定め、
　　予め定められた関数を等間隔で前記タップ数と同じ回数区切り、複数の前記区切りのそれぞれにおける前記関数の値を前記第２フィルタ係数とする信号処理方法。
　請求項８に記載の信号処理方法において、
　前記関数は、中央に位置する前記タップにおいて最大値をとり、両端に位置する前記タップで最小値を取るように定められている信号処理方法。
　請求項８又は９に記載の信号処理方法において、
　前記タップ数は、前記分散の大きさに比例係数を乗じることにより算出される信号処理方法。
　請求項１０に記載の信号処理方法において、
　前記比例係数は前記関数及び前記分散に基づいて設定される信号処理方法。