WO2019131396A1

WO2019131396A1 - 信号処理装置及び信号処理方法

Info

Publication number: WO2019131396A1
Application number: PCT/JP2018/046851
Authority: WO
Inventors: 学有川; 俊治伊東
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2019-07-04

Abstract

光受信機のデジタル信号処理に要求される回路リソースを低減するために、信号処理装置は、受信信号からドップラーシフト量の検出を行い、その検出結果に基づいて受信信号のドップラーシフトを補償するドップラーシフト補償部と、ドップラーシフト補償部においてドップラーシフトが補償された受信信号のダウンサンプリングを行うリサンプリング部と、リサンプリング部においてリサンプリングされた受信信号を処理する受信信号処理部と、受信信号処理部で処理された受信信号を外部へ出力するための第１の通信部と、を備える。

Description

信号処理装置及び信号処理方法

　本発明は、光空間通信システムにおける信号処理装置及び信号処理方法に関し、特に、人工衛星－地上間の光空間通信システムにおける地上システムの受信機で用いられる信号処理装置及び信号処理方法に関する。

　人工衛星からの地上観測データを活用した災害監視など、宇宙利用への期待が高まっている。このため、膨大な観測データを地上に送る通信システムの大容量化が重要となっている。そこで、マイクロ波に比べて周波数が格段に高いために事実上帯域制約のない、光信号を使用した光空間通信が注目を集めている。光空間通信は、波長が短く指向性の高い光を利用するため、送受信機装置の小型化や軽量化も期待できる。光空間通信は、さらに、通信システム間の干渉が小さいことや、盗聴が困難であるという特長を有する。

　光空間通信の利点の１つは、光ファイバ通信で実用化されている高速送受信技術が利用できることである。特に、コヒーレント検波と柔軟なデジタル信号処理を活用したデジタルコヒーレント受信方式によって、多様な変調方式や多様な変調速度に対して高い受信感度が得られる。

　図６は、非特許文献１に記載されたデジタルコヒーレント受信方式を、人工衛星－地上間の光空間通信システムに適用した場合の、地上局９０の構成を示す。地上局９０に到達した光信号９３は、光受信機９１が備えるアンテナ９１１（結合光学系）によって光ファイバに結合する。光ファイバに結合した光信号は、局部発振光源（Local Oscillator、ＬＯ）９１３で生成された局部発振光（ＬＯ光）とともにコヒーレント受信機９１２に入力され、コヒーレント検波されて電気信号に変換される。

　コヒーレント受信機９１２の出力は、アナログ－デジタル変換器（Analog-Digital Converter、ＡＤＣ）９１４によってサンプリングされ、デジタル信号処理が施される。デジタル信号処理では、例えば、クロック抽出部９１５におけるクロック抽出、等化フィルタ９１６におけるフィルタリング、キャリア補償部９１７におけるキャリア周波数補償及び位相補償、誤り訂正部９１８における復号及び誤り訂正などの処理が行われる。抽出されたクロックの周波数及び位相はＡＤＣ９１４に入力され、キャリア周波数の情報はＬＯ９１３に入力され、フィードバック制御が行われる。

　人工衛星が地上局９０へ送信したデータは、上記のデジタル信号処理によって復元される。復元されたデータは、データ保存部９１９に保存される。保存されたデータは通信部９２０及び９２１を介してサーバ９２に送信される。サーバ９２は、光受信機９１の通信部９２０と通信する通信部９２１及びデータを保存するデータ保存部９２２を備える。データがデータ保存部９２２に保存されると、データを利用するユーザはデータにアクセス可能となる。サーバ９２は、地上局９０から離れた場所に配置される場合もある。

特開２０１６－１００６８４号公報

S. J. Savory, "Digital filters for coherent optical receivers," Opt. Express Vol. 16, No. 2, pp. 804-817 (January 2008). A. Wiesel et al., "SNR Estimation in Time-Varying Fading Channels", IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL. 54, NO. 5, pp. 841-848, MAY 2006 細川他、「大気揺らぎを克服するためのＳＤＭ型光空間通信受信技術」、第５９回宇宙科学技術連合講演会、１Ｈ１６　（２０１５）

　宇宙から地上を観測する人工衛星は、主に、地表からの高度が数１００ｋｍ程度の低軌道と呼ばれる軌道に投入される。太陽同期準回帰軌道上の低軌道衛星は、経度を変えながら地球を９０分程度で１周し、数日の周期で同一地点の上空に戻る。例えば、ある地上局９０から見た低軌道衛星は、１０分程度で上空を通過し、この間にデータの転送を行う。光空間通信は、基本的に見通し内通信であり、通信には地上局９０から低軌道衛星が視認できることが必要となる。

　図７及び図８は、低軌道衛星を視認可能な期間について説明する図である。図７を参照すると、地上局９０が極に位置する場合、９０分程度ごとに低軌道衛星が地上局９０から約１０分間視認可能となる。しかしながら、図８に示すように、地上局９０の位置が低緯度となると、視認可能となる頻度（視認頻度）は低下する。これは、太陽同期準回帰軌道上の低軌道衛星は経度を変えながら地球上空を周回するからである。従って、特に通信先となる人工衛星の数が少ない場合には、低緯度にある地上局９０が実質的に稼働している時間の割合は小さい。一方で、デジタル信号処理のための機器はスループットの短時間のピークに合わせて設計される必要がある。さらに、デジタル信号処理の中には、高性能な誤り訂正符号であるLow-Density Parity-Check（ＬＤＰＣ）符号の復号における繰り返し処理のような、高スループットを実現するために大きな回路リソースを要求するものもある。これらの要因は地上局構築のコストを増加させる。

　このように、人工衛星からのデータを地上に転送する人工衛星－地上間光空間通信システムの地上局において、地上局が備える光受信機が人工衛星との通信を行う実質的な時間の割合は小さい。その一方で、地上局が備えるデジタル信号処理機能は、短時間のスループットの最大値に合わせて設計される必要がある。その結果、人工衛星の数が少なく光受信機の稼働率が低い場合でも、光受信機に要求される回路リソースが大きいという課題があった。

　（発明の目的）
　本発明の目的は、地上システムが備える光受信機のデジタル信号処理に要求される回路リソースを低減する方法を提供することにある。

　本発明の信号処理装置は、受信信号からドップラーシフト量の検出を行い、その検出結果に基づいて受信信号のドップラーシフトを補償するドップラーシフト補償手段と、
　前記ドップラーシフト補償手段においてドップラーシフトが補償された前記受信信号のダウンサンプリングを行うリサンプリング手段と、
　前記リサンプリング手段においてリサンプリングされた前記受信信号を処理して第１のデータ保存手段に出力する受信信号処理手段と、
　前記受信信号処理手段で処理された前記受信信号を保存する前記第１のデータ保存手段と、
　前記第１のデータ保存手段に保存された前記受信信号を外部へ出力するための第１の通信手段と、
を備える。

　本発明の信号処理方法は、受信信号からドップラーシフト量の検出を行い、その検出結果に基づいて受信信号のドップラーシフトを補償し、
　ドップラーシフトが補償された前記受信信号のダウンサンプリングを行い、
　リサンプリングされた前記受信信号を処理して第１のデータ保存手段に出力し、
　処理された前記受信信号を保存し、
　保存された前記受信信号を外部へ出力する、
手順を含む。

　本発明は、地上システムが備える光受信機のデジタル信号処理に要求される回路リソースを低減できる。

第１の実施形態の光空間通信システム１０の構成例を示す図である。地上システム１２の構成例を示すブロック図である。地上システム１３の構成例を示すブロック図である。第２の実施形態の地上システム１４の構成例を示すブロック図である。第３の実施形態の地上システム１５の構成例を示すブロック図である。非特許文献１に記載されたデジタルコヒーレント受信方式を適用した地上局９０の構成を示した図である。低軌道衛星を視認可能な期間について説明する図である。低軌道衛星を視認可能な期間について説明する図である。

　（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態の光空間通信システム１０の構成例を示す図である。光空間通信システム１０は、衛星１１、地上システム１２及びユーザ装置１４０を備える。衛星１１は、太陽同期準回帰軌道上の低軌道衛星であり、地上システム１２との間で光空間通信を行う。地上システム１２は、アンテナ１２０１、光受信機１２０及びサーバ１３０を備える。アンテナ１２０１は、光受信機１２０に含まれてもよい。サーバ１３０は、通信回線によりユーザ装置１４０に接続される。ユーザ装置１４０はユーザの端末あるいは通信装置である。ユーザはユーザ装置１４０を介してサーバ１３０に保存されたデータにアクセスできる。以降の実施形態では衛星１１がデータを含む光信号２０を送信し、光受信機１２０が光信号２０を受信する手順について説明する。すなわち、地上システム１２は地上局に備えられた受信機としての機能を備える。なお、光空間通信システム１０は、地上システム１２が光信号を送信し、衛星１１が光信号を受信するための機能及び構成をさらに備えてもよい。

　図２は、地上システム１２の構成例を示すブロック図である。光受信機１２０は衛星１１が送信した光信号２０又はその一部を受信する。アンテナ１２０１とコヒーレント受信機１２０２との間は光ファイバで接続されている。アンテナ１２０１は、望遠鏡等を含む結合光学系によって、受信した光信号２０を光ファイバへ結合させる。ここで、光ファイバ中の偏波の変動は、コヒーレント受信機１２０２において光信号が好適に受信されるように制御されているとする。

　光ファイバに結合した光信号２０は、局部発振光源（ＬＯ）１２０３で生成された局部発振光（ＬＯ光）とともにコヒーレント受信機１２０２に入力され、コヒーレント検波されて受信信号に変換される。受信信号は電気信号である。通常、位相ダイバーシティ型コヒーレント受信機の出力は、同相（Inphase、Ｉ）成分、直交（Quadrature、Ｑ）成分の２つとなる。これらは１つの複素数で表すことができるため、図２のブロック間では１本の直線（すなわち１つの信号）として記載される。コヒーレント受信機１２０２から出力された受信信号は、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）１２０４によってサンプリングされ、デジタル信号に変換されて、以降の機能ブロックにおいてデジタル信号処理が施される。

　ＡＤＣ１２０４のサンプリングレートは、地上システム１２と対向する人工衛星が送信する光信号２０のうち、最大のシンボルレートに合わせて設計される。ここでは、１Ｇｂ／ｓ（Gigabit per second）のＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）信号を送出する衛星１１と、１０Ｇｂ／ｓのＢＰＳＫ信号を送出する他の人工衛星と、の２つからの光信号２０を地上システム１２が処理可能であることを想定する。ＡＤＣ１２０４のサンプリングレートは２０ＧＳ／ｓ（Giga Sample per Second）、分解能を８ｂｉｔとする。これは、１０Ｇｂ／ｓのＢＰＳＫ信号に対しては高精度な等化を行うことのできる２倍のオーバーサンプリングであり、１Ｇｂ／ｓのＢＰＳＫ信号に対しては冗長な２０倍のオーバーサンプリングとなる。

　ＡＤＣ１２０４においてサンプリングされた受信信号に対して、デジタル信号処理が行われる。本実施形態においては、光受信機１２０は光信号２０の全ての復調処理及び復号処理を行わず、限られた前処理のみを行う。まず、ドップラーシフト補償部１２０５は、受信信号からドップラーシフト量の検出を行い、その検出結果に基づいて受信信号のドップラーシフトを補償する。このドップラーシフト量の検出及び補償には、受信信号を周波数領域へ変換して、周波数領域での強度ピークを検出し、それをゼロ周波数となるようシフトする方法を用いることができる。

　ドップラーシフト補償部１２０５が検出するドップラーシフト量は、厳密である必要はなく、粗いドップラーシフト量でよい。これは、わずかに残ったドップラーシフトの影響は、最終的にキャリア周波数・位相補償処理によって補償されるためである。例えば、ドップラーシフト補償部１２０５は、キャリア周波数・位相補償処理が要求する所定の値以下となる範囲でドップラーシフト量（粗いドップラーシフト量）を求める。すなわち、ドップラーシフト補償部１２０５は、ドップラーシフト量を所定の値以下に制限する。

　ドップラーシフト補償部１２０５は、検出されたドップラーシフト量をＬＯ１２０３へフィードバックしてその光周波数を制御してもよい。なお、人工衛星－地上システム間で生じ得るドップラーシフト量がＡＤＣ１２０４の帯域内に収まらない可能性がある場合には、ＬＯ光の光周波数掃引を最初に行うことによって周波数引き込みを行う必要がある。

　リサンプリング部１２０６は、ドップラーシフトが補償された受信信号の帯域を検出して、オーバーサンプリングが必要最低限となるようにダウンサンプリングを行う。リサンプリング部１２０６は、帯域の検出に代えてクロック抽出を行い、サンプリングのタイミングを調整した上で２倍のオーバーサンプリングのリサンプリングを行ってもよい。例えば、１Ｇｂ／ｓのＢＰＳＫ信号を衛星１１から受信する場合、リサンプリング処理によって受信信号のデータ量は１／１０に減少する。

　続いて、ビット丸め部１２０７は、リサンプリングされた受信信号をある時間ごとに区切り、それに対して信号対雑音比（Signal to Noise Ratio、ＳＮＲ）推定を行う。ＳＮＲ推定では、復調を行う前の受信信号に対してＳＮＲが推定される。そのような場合に使用可能なＳＮＲ推定の一例として、２次と４次のモーメントを利用した方法が、非特許文献２に記載されている。ビット丸め部１２０７は、さらに、ＳＮＲ推定の結果に基づいて、ビット丸め処理を行う。ここで、ビット丸め処理後のビット分解能は、受信信号の復号に必要最低限のビット数とする。受信信号に対するＳＮＲ推定結果をρ_ｉｎ［ｄＢ］、ｍビットへ丸め処理を行うことによるＳＮＲの劣化分をΔρ（ｍ）［ｄＢ］、復号に必要な受信信号のＳＮＲをρ_ｒｅｑ［ｄＢ］、確保するマージンをρ_ｍａｒ［ｄＢ］とする。そして、例えば、ρ_ｉｎ－Δρ（ｍ）＞ρ_ｒｅｑ＋ρ_ｍａｒとなるような、最小のｍを選ぶ。ここで、ｍは自然数である。丸め誤差の影響を示すΔρ（ｍ）については、シミュレーションや実機評価によって求めることができる。Δρ（ｍ）を予め精度よく求めておくことにより、確保すべきマージンを小さくできる。また、受信信号のＩＱの直交座標での表現を、強度－位相の極座標の表現に変換してから、座標成分ごとに個別のビット丸めを行ってもよい。ビット丸め処理によって、受信信号のデータ量は削減されたビット数の割合だけ減少する。

　ドップラーシフト補償部１２０５からビット丸め部１２０７までによる一連のデジタル信号処理が施された後に、受信信号はデータ保存部１２０８へ保存される。

　通信部１２０９は、データ保存部１２０８に保存された受信信号を光受信機１２０の外部へ出力するためのインタフェースである。サーバ１３０の通信部１３０１は、外部から入力される受信信号をサーバ１３０のデータ保存部１３０２に保存するためのインタフェースである。データ保存部１２０８に保存された受信信号は通信部１２０９及び１３０１を介して、データ保存部１３０２に保存される。サーバ１３０は外部のデータセンタに配置されてもよい。

　サーバ１３０に保存された受信信号は、適切な時間に読み出され、サーバ１３０内で以下の復調処理及び復号処理が行われる。

　等化フィルタ１３０３は、２倍のオーバーサンプリングとなっている受信信号に対して、送受信デバイスの帯域制限による符号間干渉などを補償する。キャリア補償部１３０４は、等化フィルタ１３０３から出力された受信信号に対して、ドップラーシフト補償部１２０５において除去しきれなかった、ＬＯ光とのキャリア周波数差及び位相差を補償する。その後、誤り訂正部１３０５は復号及び誤り訂正処理を行い、衛星１１から送信されたデータを復元する。誤り訂正部１３０５から出力された受信信号は再びデータ保存部１３０２に保存される。サーバ１３０は、誤り訂正部１３０５において処理された受信信号を必要に応じてユーザ装置１４０に送信する。

　サーバ１３０におけるこれらのデジタル信号処理は、光受信機１２０が人工衛星との通信を行う実際の時間以外の時間に行うことができる。すなわち、サーバ１３０における処理は、リアルタイムで高スループットの処理能力が必要とされない。従って、サーバ１３０として、データセンタなどの計算リソースを利用できる。

　このように、光受信機１２０は限られた前処理のみを行い、必要最低限のデータをデータ保存部１２０８に保存する。また、サーバ１３０が誤り訂正部１３０５を備える。その結果、光受信機１２０のデジタル信号処理に要求される回路リソースを低減することが可能となる。

　以上説明したように、第１の実施形態の地上システム１２は、光受信機１２０が人工衛星との通信を行う時間の割合が小さい場合でも、光受信機１２０に要求されるデジタル信号処理の回路リソースを低減することが可能となる。

　この効果は次のような理由によって得られる。光受信機１２０は、ドップラーシフト補償、リサンプリング、ＳＮＲ検出、及びビット丸め処理までのデジタル信号処理機能のみを備える。そして、多くの回路リソースを要求する誤り訂正符号の復号処理の機能はサーバ１３０が持つ。このため、光受信機１２０に要求される処理能力が低減される。

　また、これは単純に受信信号をそのまま保存する場合と比べても、データ保存部１２０８へデータを高速で書き込む必要がなくなる利点がある。例えば、受信信号のシンボルレートをＲ［Ｈｚ］、ＡＤＣ１２０４のオーバーサンプリングレートをＮ、ビット分解能をＭ［ｂｉｔ］とすると、これをそのまま保存する場合には、データ保存部１２０８はＲ×Ｎ×Ｍ［ｂ／ｓ］の速度でデータを書き込む必要がある。これは回路リソースの新たなボトルネックとなる可能性がある。しかし、本実施形態の光受信機１２０は、リサンプリング処理及びビット丸め処理によりデータ量を削減できるため、データ保存部１２０８へのデータの書き込み速度を低下させることができる。

　光受信機１２０及びサーバ１３０は、それぞれ、中央処理装置（Central Processing Unit、ＣＰＵ）５０１及びメモリ５０３、ＣＰＵ５０２及びメモリ５０４を備えてもよい。ＣＰＵ５０１は、メモリ５０３に記録されたプログラムにより、光受信機１２０を制御する。ＣＰＵ５０２は、メモリ５０４に記録されたプログラムにより、サーバ１３０を制御する。

　（第１の実施形態の変形例）
　図３は、第１の実施形態の変形例の地上システム１３の構成例を示すブロック図である。地上システム１３は、複数の光受信機１２１及び１台のサーバ１３１を備える。光受信機１２１は、第１の実施形態の光受信機１２０と同様の光受信機であり、３台には限定されない。それぞれの光受信機１２１が備える通信部１２０９は、いずれもサーバ１３１の通信部１３１１に接続されている。それぞれの光受信機１２１は、第１の実施形態で説明したデジタル信号処理を行い、通信部１２０９を介して受信信号をサーバ１３１のデータ保存部１３１２に保存する。

　サーバ１３１は、第１の実施形態のサーバ１３０と同様の機能を備える。ただし、通信部１３１１は３台の光受信機１２１のそれぞれから受信信号を受信できる。また、データ保存部１３１２は、３台の光受信機の受信信号を保存できる。すなわち、地上システム１３では、サーバ１３１の回路リソースが複数の光受信機で共有される。サーバ１３１は、データ保存部１３１２に保存された受信信号を、受信信号の処理の優先度などを加味した適切な時間に読み出し、等化フィルタ１３０３から誤り訂正部１３０５において復号処理及び誤り訂正処理を行う。

　第１の実施形態の変形例の地上システム１３は、各光受信機１２１の稼働率が低い場合でも、一部の処理をサーバ１３１に集約して処理することで、地上システム１３の回路リソースを有効活用することが可能となる。

　なお、光受信機１２０及び１２１における、ＡＤＣ１２０４以降、通信部１２０９までの受信信号の処理の一部又は全部は、電気回路によって行われてもよい。あるいは、光受信機１２０及び１２１におけるこれらの処理の機能の一部又は全部は、ＣＰＵ５０１がメモリ５０３に記録されたプログラムを実行することにより実現されてもよい。サーバ１３０及び１３１における受信信号の処理の一部又は全部は、電気回路によって行われてもよい。あるいは、サーバ１３０及び１３１におけるこれらの処理の機能の一部又は全部は、ＣＰＵ５０２がメモリ５０４に記録されたプログラムを実行することにより実現されてもよい。

　（第２の実施形態）
　図４は、本発明の第２の実施形態の地上システム１４の構成例を示すブロック図である。地上システム１４は、光受信機１２２及びサーバ１３２を含む。以降の実施形態では、既出の構成要素には同一の名称を付して、必要に応じて相違点について説明する。

　光受信機１２２は、ドップラーシフト補償部１２０５、リサンプリング部１２０６に加えて、等化フィルタ１２１０、キャリア補償部１２１１、軟判定部１２１２を含む。すなわち、光受信機１２２のデジタル信号処理は、ドップラーシフト及び帯域（又はクロック）の検出、ドップラーシフト補償、ダウンサンプリングの手順を含む。これらに加えて、光受信機１２２のデジタル信号処理は、等化フィルタによるフィルタリング、キャリア周波数及び位相補償による通常の復調処理、誤り訂正符号復号のための軟判定の各手順を含む。

　光受信機１２２の構成では、第１の実施形態と比べて、光受信機１２２におけるデジタル信号処理に必要な回路リソースが増加する場合がある。しかし、光受信機１２２の構成はデータ保存部１２０８及び１３０２に保存されるデータ量をさらに小さくすることが可能となるため、データ保存部１２０８及び１３０２の書き込みに必要な回路リソースを低減することができる。なお、第１の実施形態で用いられたＳＮＲの検出とビット丸め処理は、本実施形態における軟判定によるビット幅削減が同様の効果をもたらすので、これらを省略することができる。

　光受信機１２２が備えるアンテナ１２０１、コヒーレント受信機１２０２、ＬＯ１２０３、ＡＤＣ１２０４、ドップラーシフト補償部１２０５、及びリサンプリング部１２０６は、は、第１の実施形態の光受信機１２０の対応する各部と同様の機能を備える。すなわち、コヒーレント受信機１２０２は、アンテナ１２０１で受信した光信号２０を受信信号に変換する。ＡＤＣ１２０４は、受信信号をサンプリングし、ドップラーシフト補償部１２０５は、サンプリングされた受信信号に対して、粗いドップラーシフト量の検出及び補償を行う。リサンプリング部１２０６は、ドップラーシフトが補償された受信信号の帯域又はクロックを検出して、必要最低限のオーバーサンプリングとなるようダウンサンプリングを行う。

　等化フィルタ１２１０及びキャリア補償部１２１１は、第１の実施形態のサーバ１３０が備える等化フィルタ１３０３及びキャリア補償部１３０４と同様の機能を備える。すなわち、等化フィルタ１２１０は、受信信号に対して、送受信デバイスの帯域制限による符号間干渉などを補償する。キャリア補償部１２１１は、等化フィルタ１２１０から出力された受信信号に残存する、ＬＯ光とのキャリア周波数差及び位相差を補償する。

　軟判定部１２１２は、誤り訂正符号復号のための軟判定を行う。軟判定が行われた後の受信信号は、データ保存部１２０８に保存される。サーバ１３２は、軟判定後の受信信号を通信部１２０９及び１３０１を介して読み出した後、誤り訂正部１３０５において高精度な復号処理及び誤り訂正処理を行う。

　このように、本実施形態の地上システム１４は、第１の実施形態の地上システム１２と同様に、サーバ１３２が誤り訂正部１３０５を備えることで、光受信機１２２に要求されるデジタル信号処理の回路リソースを低減することが可能となる。本実施形態では、さらに、光受信機１２２及びサーバ１３２においてデータ保存部１２０８及び１３０２へのデータの書き込みに必要な回路リソースを低減することもできる。

　（第３の実施形態）
　図５は、本発明の第３の実施形態の地上システム１５の構成例を示すブロック図である。地上システム１５では、ダイバーシティ受信方式が適用される。ダイバーシティ受信方式は、光空間通信において大気揺らぎへの対策として重要である。ここでは、非特許文献３に記載されたモードダイバーシティ受信を使用した構成について説明する。

　光受信機１２３は、第１及び第２の実施形態と同様に、低軌道衛星である衛星１１で変調されて送信された一つの光信号２０を受信する。光信号又はその一部は、アンテナ１２１３によってコヒーレント受信機１２１４へ接続される。アンテナ１２１３は第１及び第２の実施形態のアンテナ１２０１と同様に結合光学系であるが、モードダイバーシティ受信機能をさらに備える。例えば、アンテナ１２１３は、望遠鏡、数モードファイバ（Few Mode Fiber、ＦＭＦ）、モード分離器を含む。

　モードダイバーシティ受信方式では、数モードファイバが持つ直交する複数の伝搬モードのそれぞれに結合した光信号を、モード分離器によって分離して光ファイバ（シングルモードファイバ）へ結合して受信する。図５の光受信機１２３では、３モードファイバとそれに対応するモード分離器が使用される。そして、アンテナ１２１３の出力は、３つの信号を並列に処理可能なコヒーレント受信機１２１４へ接続される。なお、本実施形態において、名称が第１の実施形態と同一で参照番号のみが異なる機能ブロックは、本実施形態において複数の受信信号を処理する機能を備える他は、第１の実施形態と同様の機能を備える。

　コヒーレント受信機１２１４の３つの出力は、それぞれ、ＡＤＣ１２１５によってサンプリングされ、デジタル信号処理が施される。ドップラーシフト補償部１２１６は、それぞれのコヒーレント受信機の出力に対して、ドップラーシフト検出と補償を行う。この際、３つのコヒーレント受信機に、位相同期したＬＯ光（例えば１つのＬＯから分岐した出力）が供給されていれば、それぞれの信号で検出されるドップラーシフト量は一致するはずである。リサンプリング部１２１７は、クロック又は帯域抽出とリサンプリングを行い、それぞれの受信信号に対してある時間ごとに区切ってＳＮＲ推定を行う。

　ダイバーシティ受信方式が適用された光受信機１２３は、複数の受信信号を合成し、一つの受信信号を得る。複数の受信信号に対する大気揺らぎの影響に相関が小さければ、適切に合成された信号に対する大気揺らぎの影響は確率的に小さくなる。合成後の受信信号のＳＮＲを最大化する合成手法として、最大比合成が知られており、この場合、合成後のＳＮＲは合成前のそれぞれの受信信号のＳＮＲの総和となる。これらの事情に基づいて、信号選択部１２１８は、それぞれの受信信号に対して推定されたＳＮＲに基づいて、ＳＮＲの大きい信号から順に、それまでのＳＮＲの総和が基準値を超えるまで、受信信号を選択する。光受信機１２３は、このようにして選択された受信信号のみを、データ保存部１２１９に保存する。推定されたＳＮＲの全ての受信信号の和をとっても基準値に満たない場合は、データ保存部１２１９は、全ての受信信号を保存してもよい。あるいは、データ保存部１２１９は、その時間区間では復号不可である旨のアラームだけを残し受信信号を保存しなくてもよい。

　サーバ１３３は、データ保存部１２１９に保存された、選択された受信信号を通信部１２０９及び１３０１を介して読み出し、データ保存部１３１３に保存する。遅延補償部１３１４及び位相補償部１３１５は、それぞれ、複数の受信信号の相対遅延又は相対位相を補償して取り除く。等化フィルタ１３１６は、第１の実施形態の等化フィルタ１３０３と同様に、送受信デバイスの帯域制限による符号間干渉などを補償する。キャリア補償部１３１７は、第１の実施形態のキャリア補償部１３０４と同様に、等化フィルタ１３１６から出力された受信信号に対して、ドップラーシフト補償部１２１６において除去しきれなかった、ＬＯ光とのキャリア周波数差及び位相差を補償する。

　合成部１３１８は、キャリア補償部１３１７から出力された各受信信号を合成する。合成部１３１８では、推定されたＳＮＲを用いた最大比合成が利用できる。誤り訂正部１３０５は、合成された受信信号に対し、復号処理及び誤り訂正処理を行う。

　このように、本実施形態の地上システム１５は、サーバ１３３が合成部１３１８及び誤り訂正部１３０５を備えるため、光受信機１２３に要求されるデジタル信号処理の回路リソースを低減することが可能となる。

　なお、第２及び第３の実施形態に記載された光受信機１２２及び１２３における、ＡＤＣ１２０４又は１２１５以降、通信部１２０９までの受信信号の処理の一部又は全部は、電気回路によって行われてもよい。あるいは、光受信機１２２及び１２３におけるこれらの処理の機能の一部又は全部は、ＣＰＵ５０１がメモリ５０３に記録されたプログラムを実行することにより実現されてもよい。

　また、サーバ１３２及び１３３における受信信号の処理の一部又は全部は、電気回路によって行われてもよい。あるいは、サーバ１３２及び１３３におけるこれらの処理の機能の一部又は全部は、ＣＰＵ５０２がメモリ５０４に記録されたプログラムを実行することにより実現されてもよい。

　光受信機１２０－１２３及びサーバ１３０－１３３のプログラムは、固定された、一時的でない記録媒体に記録される。記録媒体としては半導体のメモリ５０３及び５０４が用いられるが、これらには限定されない。また、ＣＰＵ５０１及び５０２は、光受信機１２０－１２３及びサーバ１３０－１３３とは独立した装置に備えられてもよい。

　（第４の実施形態）
　デジタル信号処理に必要な回路リソースを低減するという光受信機１２０の効果は、図２のドップラーシフト補償部１２０５、リサンプリング部１２０６、ビット丸め部１２０７、データ保存部１２０８、通信部１２０９のみを含む構成によっても得られる。すなわち、受信信号に対して、ドップラーシフト補償部１２０５からビット丸め部１２０７までの処理を行ってデータ保存部１２０８に保存させ、通信部１２０９から出力することで、光受信機１２０に要求される処理能力を低減させることができる。ドップラーシフト補償部１２０５、リサンプリング部１２０６、ビット丸め部１２０７、データ保存部１２０８、通信部１２０９のみを備える構成は、信号処理装置と呼ぶことができる。

　また、光受信機１２２は、図４のドップラーシフト補償部１２０５、リサンプリング部１２０６、等化フィルタ１２１０、キャリア補償部１２１１、軟判定部１２１２、データ保存部１２０８、通信部１２０９のみによっても同様の効果を奏する。すなわち、受信信号に対して、ドップラーシフト補償部１２０５から軟判定部１２１２までの処理を行ってデータ保存部１２０８に保存させ、通信部１２０９から出力することで、光受信機１２２に要求される処理能力を低減させることができる。ドップラーシフト補償部１２０５、リサンプリング部１２０６、等化フィルタ１２１０、キャリア補償部１２１１、軟判定部１２１２、データ保存部１２０８、通信部１２０９のみを備える装置も、信号処理装置と呼ぶことができる。

　さらに、デジタル信号処理に必要な回路リソースを低減するという光受信機１２３の効果は、図５のドップラーシフト補償部１２１６、リサンプリング部１２１７、信号選択部１２１８、データ保存部１２１９、通信部１２０９のみを含む構成によっても得られる。すなわち、受信信号に対して、ドップラーシフト補償部１２１６から信号選択部１２１８までの処理を行ってデータ保存部１２１９に保存させ、通信部１２０９から出力することで、光受信機１２３に要求される処理能力を低減させることができる。ドップラーシフト補償部１２１６、リサンプリング部１２１７、信号選択部１２１８、データ保存部１２１９、通信部１２０９のみを備える構成も、信号処理装置と呼ぶことができる。

　ここで、「ビット丸め部１２０７」、「等化フィルタ１２１０、キャリア補償部１２１１及び軟判定部１２１２」及び「信号選択部１２１８」は、いずれも受信信号を処理する。従って、これらは、いずれも受信信号処理部と呼ぶことができる。

　すなわち、ドップラーシフト補償部１２０５、リサンプリング部１２０６、データ保存部１２０８、通信部１２０９に加えて受信信号処理部を備える装置も、信号処理装置と呼ぶことができる。

　なお、本発明の実施形態は以下の付記のようにも記載されうるが、これらには限定されない。

　（付記１）
　受信信号からドップラーシフト量の検出を行い、その検出結果に基づいて受信信号のドップラーシフトを補償するドップラーシフト補償手段と、
　前記ドップラーシフト補償手段においてドップラーシフトが補償された前記受信信号のダウンサンプリングを行うリサンプリング手段と、
　前記リサンプリング手段においてリサンプリングされた前記受信信号を処理する受信信号処理手段と、
　前記受信信号処理手段で処理された前記受信信号を外部へ出力するための第１の通信手段と、
を備える信号処理装置。

　（付記２）
　前記ドップラーシフト補償手段は、前記ドップラーシフト量を求める際の計算量を所定の値以下に制限する、付記１に記載された信号処理装置。

　（付記３）
　前記受信信号処理手段で処理された前記受信信号を保存する第１のデータ保存手段をさらに備え、
　前記第１の通信手段は、前記第１のデータ保存手段に保存された前記受信信号を外部へ出力する、
付記１又は２に記載された信号処理装置。
　（付記４）
　前記受信信号処理手段は、リサンプリングされた前記受信信号の信号対雑音比を求め、前記信号対雑音比に基づいて前記受信信号のビット丸め処理を行うビット丸め手段を備える、付記１乃至３のいずれかに記載された信号処理装置。

　（付記５）
　前記受信信号処理手段は、
　　リサンプリングされた前記受信信号の符号間干渉を補償する等化フィルタ、
　　前記等化フィルタから出力された前記受信信号の、局部発振光との周波数差及び位相差を補償するキャリア補償手段、及び
　　前記キャリア補償手段から出力された前記受信信号の軟判定を行う軟判定手段
を備える、付記１乃至３のいずれかに記載された信号処理装置。

　（付記６）
　受信した光信号を光ファイバへ結合させるアンテナと、
　前記アンテナから入力された前記光信号をコヒーレント検波して受信信号に変換するコヒーレント受信機と、
　前記受信信号をサンプリングしてデジタル信号に変換するアナログ－デジタル変換器と、
　前記アナログ－デジタル変換器においてデジタル信号に変換された前記受信信号が入力される付記１乃至５のいずれか１項に記載された信号処理装置と、
を備える光受信機。

　（付記７）
　受信した光信号を複数の光ファイバへ結合させる、モードダイバーシティ受信機能を備えるアンテナと、
　複数の前記光ファイバから入力された複数の前記光信号をコヒーレント検波して複数の受信信号に変換するコヒーレント受信機と
　複数の前記受信信号をそれぞれサンプリングしてデジタル信号に変換するアナログ－デジタル変換器と、
　前記アナログ－デジタル変換器においてデジタル信号に変換された複数の前記受信信号が入力される付記１乃至３のいずれかに記載された信号処理装置と、
を備え、
　前記受信信号処理手段は、複数の前記受信信号のそれぞれに対して推定された信号対雑音比に基づいて、前記信号対雑音比の大きい前記受信信号から順に、前記信号対雑音比の総和が基準値を超えるまで、前記受信信号を選択する信号選択手段を備える、
光受信機。

　（付記８）
　前記光信号は太陽同期準回帰軌道上の低軌道衛星が送信した信号である、付記６又は７に記載された光受信機。

　（付記９）
　付記６乃至８のいずれか１項に記載された光受信機の前記第１の通信手段から前記受信信号を受信する第２の通信手段と、
　前記第２の通信手段が受信した前記受信信号に対して復号処理及び誤り訂正処理を行う誤り訂正手段と、
　前記誤り訂正処理を行った前記受信信号を保存し、前記誤り訂正を行った前記受信信号を出力する第２のデータ保存手段と、
を備える復号装置。

　（付記１０）
　付記６乃至８のいずれか１項に記載された光受信機と、付記９に記載された復号装置とを備え、前記第１の通信手段と前記第２の通信手段とが接続されている、地上システム。

　（付記１１）
　受信信号からドップラーシフト量の検出を行い、その検出結果に基づいて受信信号のドップラーシフトを補償し、
　ドップラーシフトが補償された前記受信信号のダウンサンプリングを行い、
　リサンプリングされた前記受信信号を処理し、
　処理された前記受信信号を外部へ出力する、
信号処理方法。

　（付記１２）
　前記ドップラーシフト量を求める際の計算量を所定の値以下に制限する、付記１１に記載された信号処理方法。

　（付記１３）
　処理された前記受信信号を保存する、付記１１又は１２に記載された信号処理方法。
　（付記１４）
　前記リサンプリングされた前記受信信号の処理は、前記受信信号の信号対雑音比を求め、前記信号対雑音比に基づいて前記受信信号のビット丸め処理を行うことを含む、付記１１乃至１３のいずれかに記載された信号処理方法。

　（付記１５）
　前記リサンプリングされた前記受信信号の処理は、
　　リサンプリングされた前記受信信号の符号間干渉を補償すること、
　　符号間干渉が補償された前記受信信号の、局部発振光との周波数差及び位相差を補償すること、及び
　　周波数差及び位相差が補償された前記受信信号の軟判定を行うこと
を含む、付記１１乃至１３のいずれかに記載された信号処理方法。

　（付記１６）
　受信した光信号をコヒーレント検波して受信信号に変換し、
　前記受信信号をサンプリングしてデジタル信号に変換し、
　デジタル信号に変換された前記受信信号に対して付記１１乃至１５のいずれか１項に記載された信号処理方法を実施する、
光受信方法。

　（付記１７）
　モードダイバーシティ受信機能を備えるアンテナから入力された複数の光信号をコヒーレント検波して複数の受信信号に変換し、
　複数の前記受信信号をそれぞれサンプリングしてデジタル信号に変換し、
　デジタル信号に変換された複数の前記受信信号に対して付記１１乃至１３のいずれかの信号処理方法を実施する、
信号処理方法であって、
　リサンプリングされた前記受信信号の処理において、複数の前記受信信号のそれぞれに対して推定された信号対雑音比に基づいて、前記信号対雑音比の大きい前記受信信号から順に、前記信号対雑音比の総和が基準値を超えるまで、前記受信信号を選択する、
信号処理方法。

　（付記１８）
　信号処理装置のコンピュータに、
　受信信号からドップラーシフト量の検出を行い、その検出結果に基づいて受信信号のドップラーシフトを補償する手順、
　ドップラーシフトが補償された前記受信信号のダウンサンプリングを行う手順、
　リサンプリングされた前記受信信号を処理する手順、
　処理された前記受信信号を外部へ出力する手順、
を実行させるための信号処理プログラム。

　以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記の実施形態に限定されない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

　また、それぞれの実施形態に記載された構成は、必ずしも互いに排他的なものではない。本発明の作用及び効果は、上述の実施形態の全部又は一部を組み合わせた構成によって実現されてもよい。この出願は、２０１７年１２月２７日に出願された日本出願特願２０１７－２５１５４９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。

　１０　光空間通信システム
　１１　衛星
　１２－１５　地上システム
　２０、９３　光信号
　９０　地上局
　１２０－１２３、９１　光受信機
　１３０－１３３、９２　サーバ
　１４０　ユーザ装置
　５０１、５０２　中央処理装置（ＣＰＵ）
　５０３、５０４　メモリ
　９１５　クロック抽出部
　１２０１、１２１３、９１１　アンテナ
　１２０２、１２１４、９１２　コヒーレント受信機
　１２０３、９１３　局部発振光源（ＬＯ）
　１２０４、１２１５、９１４　アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）
　１２０５、１２１６　ドップラーシフト補償部
　１２０６、１２１７　リサンプリング部
　１２０７　ビット丸め部
　１２０８、１２１９、１３０２、１３１２、１３１３　データ保存部
　９１９、９２２　データ保存部
　１２０９、１３０１、１３１１、９２０、９２１　通信部
　１２１０、１３０３、１３１６、９１６　等化フィルタ
　１２１１、１３０４、１３１７、９１７　キャリア補償部
　１２１２　軟判定部
　１２１８　信号選択部
　１３０５、９１８　誤り訂正部
　１３１４　遅延補償部
　１３１５　位相補償部
　１３１８　合成部

Claims

　受信信号からドップラーシフト量の検出を行い、その検出結果に基づいて受信信号のドップラーシフトを補償するドップラーシフト補償手段と、
　前記ドップラーシフト補償手段においてドップラーシフトが補償された前記受信信号のダウンサンプリングを行うリサンプリング手段と、
　前記リサンプリング手段においてリサンプリングされた前記受信信号を処理する受信信号処理手段と、
　
　前記受信信号処理手段で処理された前記受信信号を外部へ出力するための第１の通信手段と、
を備える信号処理装置。
　前記ドップラーシフト補償手段は、前記ドップラーシフト量を求める際の計算量を所定の値以下に制限する、請求項１に記載された信号処理装置。
　前記受信信号処理手段で処理された前記受信信号を保存する第１のデータ保存手段をさらに備え、
　前記第１の通信手段は、前記第１のデータ保存手段に保存された前記受信信号を外部へ出力する、
請求項１又は２に記載された信号処理装置。
　前記受信信号処理手段は、リサンプリングされた前記受信信号の信号対雑音比を求め、前記信号対雑音比に基づいて前記受信信号のビット丸め処理を行うビット丸め手段を備える、請求項１乃至３のいずれかに記載された信号処理装置。
　前記受信信号処理手段は、
　　リサンプリングされた前記受信信号の符号間干渉を補償する等化フィルタ、
　　前記等化フィルタから出力された前記受信信号の、局部発振光との周波数差及び位相差を補償するキャリア補償手段、及び
　　前記キャリア補償手段から出力された前記受信信号の軟判定を行う軟判定手段
を備える、請求項１乃至３のいずれかに記載された信号処理装置。
　受信した光信号を光ファイバへ結合させるアンテナと、
　前記アンテナから入力された前記光信号をコヒーレント検波して受信信号に変換するコヒーレント受信機と、
　前記受信信号をサンプリングしてデジタル信号に変換するアナログ－デジタル変換器と、
　前記アナログ－デジタル変換器においてデジタル信号に変換された前記受信信号が入力される請求項１乃至５のいずれか１項に記載された信号処理装置と、
を備える光受信機。
　受信した光信号を複数の光ファイバへ結合させる、モードダイバーシティ受信機能を備えるアンテナと、
　複数の前記光ファイバから入力された複数の前記光信号をコヒーレント検波して複数の受信信号に変換するコヒーレント受信機と
　複数の前記受信信号をそれぞれサンプリングしてデジタル信号に変換するアナログ－デジタル変換器と、
　前記アナログ－デジタル変換器においてデジタル信号に変換された複数の前記受信信号が入力される請求項１乃至３のいずれかに記載された信号処理装置と、
を備え、
　前記受信信号処理手段は、複数の前記受信信号のそれぞれに対して推定された信号対雑音比に基づいて、前記信号対雑音比の大きい前記受信信号から順に、前記信号対雑音比の総和が基準値を超えるまで、前記受信信号を選択する信号選択手段を備える、
光受信機。
　前記光信号は太陽同期準回帰軌道上の低軌道衛星が送信した信号である、請求項６又は７に記載された光受信機。
　請求項６乃至８のいずれか１項に記載された光受信機の前記第１の通信手段から前記受信信号を受信する第２の通信手段と、
　前記第２の通信手段が受信した前記受信信号に対して復号処理及び誤り訂正処理を行う誤り訂正手段と、
　前記誤り訂正処理を行った前記受信信号を保存し、前記誤り訂正を行った前記受信信号を出力する第２のデータ保存手段と、
を備える復号装置。
　請求項６乃至８のいずれか１項に記載された光受信機と、請求項９に記載された復号装置とを備え、前記第１の通信手段と前記第２の通信手段とが接続されている、地上システム。
　受信信号からドップラーシフト量の検出を行い、その検出結果に基づいて受信信号のドップラーシフトを補償し、
　ドップラーシフトが補償された前記受信信号のダウンサンプリングを行い、
　リサンプリングされた前記受信信号を処理し、
　処理された前記受信信号を外部へ出力する、
信号処理方法。
　前記ドップラーシフト量を求める際の計算量を所定の値以下に制限する、請求項１１に記載された信号処理方法。
　処理された前記受信信号を保存する、請求項１１又は１２に記載された信号処理方法。
　前記リサンプリングされた前記受信信号の処理は、前記受信信号の信号対雑音比を求め、前記信号対雑音比に基づいて前記受信信号のビット丸め処理を行うことを含む、請求項１１乃至１３のいずれかに記載された信号処理方法。
　前記リサンプリングされた前記受信信号の処理は、
　　前記リサンプリングされた前記受信信号の符号間干渉を補償すること、
　　符号間干渉が補償された前記受信信号の、局部発振光との周波数差及び位相差を補償すること、及び
　　周波数差及び位相差が補償された前記受信信号の軟判定を行うこと
を含む、請求項１１乃至１３のいずれかに記載された信号処理方法。
　受信した光信号をコヒーレント検波して受信信号に変換し、
　前記受信信号をサンプリングしてデジタル信号に変換し、
　デジタル信号に変換された前記受信信号に対して請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載された信号処理方法を実施する、
光受信方法。
　モードダイバーシティ受信機能を備えるアンテナから入力された複数の光信号をコヒーレント検波して複数の受信信号に変換し、
　複数の前記受信信号をそれぞれサンプリングしてデジタル信号に変換し、
　デジタル信号に変換された複数の前記受信信号に対して請求項１１乃至１３のいずれかの信号処理方法を実施する、
信号処理方法であって、
　リサンプリングされた前記受信信号の処理において、複数の前記受信信号のそれぞれに対して推定された信号対雑音比に基づいて、前記信号対雑音比の大きい前記受信信号から順に、前記信号対雑音比の総和が基準値を超えるまで、前記受信信号を選択する、
信号処理方法。
　信号処理装置のコンピュータに、
　受信信号からドップラーシフト量の検出を行い、その検出結果に基づいて受信信号のドップラーシフトを補償する手順、
　ドップラーシフトが補償された前記受信信号のダウンサンプリングを行う手順、
　リサンプリングされた前記受信信号を処理する手順、
　処理された前記受信信号を外部へ出力する手順、
を実行させるための信号処理プログラムが記録された記録媒体。