JP2007173908A - バースト光信号受信装置及びその利得設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バースト光信号受信装置及びその利得設定方法に関し、バースト光信号の信号フレームの先頭領域での信号不定区間を無くし、高速通信でも実効スループットを落とすことなくバースト光信号を伝送可能にする。
【解決手段】ＰＯＮシステムに子局を接続したときの初期段階に、子局からのバースト光信号フレーム（＃１，＃２，＃３，・・・＃ｎ）の遅延測定と共に、該光バースト信号の光検出信号を増幅する増幅器の利得レベルを、「小」→「中」→「大」の順に設定して、各子局からの信号フレームがどの利得レベルで受信可能かを識別し、その識別結果をメモリに記憶する。実運用時に、入力される子局毎のバースト光信フレームに合わせて、メモリに記憶保持された利得レベルを読み出し、該読み出した利得レベルを、増幅器の利得として設定する。更に、該利得レベルに従って、光信号を検出するアバランシェフォトダイオードの印加電圧を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バースト光信号受信装置及びその利得設定方法に関し、特に、ＰＯＮ（Passive Optical Network）光伝送ネットワークシステムにおいて、広範囲な光レベルのバースト光信号を最適に光／電気信号変換する親局側光受信器に適用されるバースト光信号受信装置及びその利得設定方法に関する。

ＰＯＮ光伝送ネットワークシステムは、光ファイバーによる家庭向けのデータ通信サービスであるＦＴＴＨ（Fiber To The Home）の主流的なネットワークシステムであり、図５に示すように、親局（電話局）５−１から子局（加入者宅）へ延びる光ファイバー５−２の途中に、スターカプラ(光スプリッタ)と呼ばれる光分岐装置５−３を挿入し、更にその先に光分岐装置５−３を挿入して分岐し、複数の子局（加入者宅）５−４へ光ファイバー５−２を引き込む方式である。

親局５−１から各子局５−４への下り光信号については、各子局５−４は一つの親局５−１の光送信部５−１１からの送信信号を受信するため、各信号の受信レベルは一定であるが、各子局５−４から親局５−１への上りバースト光信号については、それぞれ距離の異なる複数の子局５−４から送信された光信号を親局５−１の光受信部５−１２で受信するため、親局５−１の光受信部５−１２では、受信レベルが広範囲に亘って異なる光信号を受信することとなる。

受信レベルが広範囲に亘る光信号を受信する従来の光受信部の構成例を図６に示す。図６において、６−１はフォトダイオード等の光検出器（ＰＤ）、６−２は電流を電圧に変換する電流電圧（Ｉ／Ｖ）変換器、６−３は前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）、６−４はピーク（又は平均）検出器、６−５は主増幅器（Ｍａｉｎ−ＡＭＰ）である。

上記構成の光受信部において、複数の各子局からのバースト光信号が入力されると、該バースト光信号レベルを光検出器（ＰＤ）６−１により検出して電流レベルに変換し、電流電圧（Ｉ／Ｖ）変換器６−２により該電流レベルを電圧レベルに変換し、前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）６−３により該電圧レベルを増幅する。

前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）６−３の出力は、ピーク（又は平均）検出器６−４に入力され、ピーク（又は平均）検出器６−４は所定の期間に亘る受信信号からピーク値（又は平均値）を検出し、そのピーク値（又は平均値）に応じて前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）６−３の利得を制御し、前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）６−３から一定レベルの出力電圧信号が得られるようフィードバック制御を行う。

広範囲な光レベルのバースト光信号の受信において、上述のような受信信号の入力レベルのピーク値（又は平均値）に応じた利得制御をフィードバック制御により行うバースト光受信回路は、例えば下記の特許文献１及び２等に記載されている。
特開平８−１０２７１６号公報 特許第２６１６４８０号公報

図６に示すような従来の光受信装置は、バースト光信号のフレーム毎にその光入力レベルに応じて前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）６−３の利得を切り替えるフィードバック制御を行うため、光入力レベルのピーク値又は平均値を受信感知して該光入力レベルに応じた最適な利得制御を行って電気出力を再生することが可能である。

しかし、光受信入力レベルのピーク値又は平均値を検出する際に、必ず所定の時間を要し、また、フィードバック時定数（フィードバック制御の遅延時間）が発生することから、バースト光信号のフレーム先頭では、どうしても信号不定区間が生じ、高速通信を実現する際にはデータ区間が制限され、実効的なスループットが落ちてしまうという問題がある。

上述のフィードバック制御による信号不定区間発生の具体例を図７に示す。同図に示すように、光信号入力（ａ）の各信号フレームに対して、前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）の利得（ｂ）の設定には、各信号フレームの先頭部に利得制御区間を必要とし、該利得制御区間は、前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）の電信信号出力（ｃ）は信号不定区間となってしまう。

上記の信号不定区間は、低速通信の場合、図７の（ｄ）に示すように、信号フレームのデータ区間にまで達することなく影響はないが、高速通信の場合、同図の（ｅ）に示すように、信号フレームのデータ区間にまで達し、データ区間のデータを削ってしまうため、データ区間を縮減しなければならず、実効スループットが低下してしまう。

本発明は、バースト光信号の信号フレームの先頭領域での信号不定区間を無くし、データ区間の制限を無くし、高速通信でも実効スループットを落とすことなくバースト光信号を伝送することができるバースト光信号受信装置及びその利得設定方法を提供することを目的とする。

本発明のバースト光信号受信装置は（１）、入力光レベルに応じた電流信号を出力する光検出器と、該光検出器が出力する電流信号を変換して電圧信号を出力する電流電圧変換手段と、該電流電圧変換手段の出力電圧を増幅する増幅器と、を備えたバースト光信号受信装置において、バースト光信号を送出する各子局からの広範囲の入力光レベルに対して、前記増幅器から略一定の電圧レベルが出力される利得レベルとして、複数の段階の利得レベルの中から各子局対応に最適な利得レベルを予めメモリに記憶保持する利得レベル記憶手段と、入力される子局毎のバースト光信号のフレームに合わせて、前記利得レベル記憶手段に記憶された利得レベルを読み出し、該読み出した利得レベルを前記増幅器の利得として設定する手段と、を備えたことを特徴とする。

また、（２）入力光レベルに応じた電流信号を出力するアバランシェフォトダイオードと、該アバランシェフォトダイオードが出力する電流信号を変換して電圧信号を出力する電流電圧変換手段と、該電流電圧変換手段の出力電圧を増幅する増幅器と、を備えたバースト光信号受信装置において、バースト光信号を送出する各子局からの広範囲の入力光レベルに対して、前記増幅器から略一定の電圧レベルが出力される利得レベルとして、複数の段階の利得レベルの中から各子局対応に最適な利得レベルを予めメモリに記憶保持する利得レベル記憶手段と、入力される子局毎のバースト光信号のフレームに合わせて、前記利得レベル記憶手段に記憶された利得レベルを読み出し、該読み出した利得レベルに対応した電圧レベルを、前記アバランシェフォトダイオードの印加電圧として印加する手段と、を備えたことを特徴とする。

また、（３）入力光レベルに応じた電流信号を出力するアバランシェフォトダイオードと、該アバランシェフォトダイオードが出力する電流信号を変換して電圧信号を出力する電流電圧変換手段と、該電流電圧変換手段の出力電圧を増幅する増幅器と、を備えたバースト光信号受信装置において、バースト光信号を送出する各子局からの広範囲の入力光レベルに対して、前記増幅器から略一定の電圧レベルが出力される利得レベルとして、複数の段階の利得レベルの中から各子局対応に最適な利得レベルを予めメモリに記憶保持する利得レベル記憶手段と、入力される子局毎のバースト光信号のフレームに合わせて、前記利得レベル記憶手段に記憶された利得レベルを読み出し、該読み出した利得レベルを前記増幅器の利得として設定するとともに、該読み出した利得レベルに対応した電圧レベルを、前記アバランシェフォトダイオードの印加電圧として印加する手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明のバースト光信号受信装置の利得設定方法は、（４）入力光レベルに応じた電流信号を出力する光検出器と、該光検出器が出力する電流信号を変換して電圧信号を出力する電流電圧変換手段と、該電流電圧変換手段の出力電圧を増幅する増幅器と、を備えたバースト光信号受信装置の利得設定方法において、バースト光信号を送出する各子局からの広範囲の入力光レベルに対して、前記増幅器から略一定の電圧レベルが出力される利得レベルとして、複数の段階の利得レベルの中から各子局対応に最適な利得レベルを、該子局を接続した初期段階の遅延測定と共に測定して予めメモリに記憶保持する過程と、入力される子局毎のバースト光信号のフレームに合わせて、前記メモリに記憶保持された利得レベルを読み出し、該読み出した利得レベルを前記増幅器の利得として設定する過程と、を含むことを特徴とする。

また、（５）入力光レベルに応じた電流信号を出力するアバランシェフォトダイオードと、該アバランシェフォトダイオードが出力する電流信号を変換して電圧信号を出力する電流電圧変換手段と、該電流電圧変換手段の出力電圧を増幅する増幅器と、を備えたバースト光信号受信装置の利得設定方法において、バースト光信号を送出する各子局からの広範囲の入力光レベルに対して、前記増幅器から略一定の電圧レベルが出力される利得レベルとして、複数の段階の利得レベルの中から各子局対応に最適な利得レベルを、該子局を接続した初期段階の遅延測定と共に測定して予めメモリに記憶保持する過程と、入力される子局毎のバースト光信号のフレームに合わせて、前記メモリに記憶保持された利得レベルを読み出し、該読み出した利得レベルを前記増幅器の利得として設定するとともに、該読み出した利得レベルに対応した電圧レベルを、前記アバランシェフォトダイオードの印加電圧として印加する過程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、ＰＯＮネットワーク接続の初期段階に必ず実施する子局毎のバースト光信号フレームの遅延測定時間を利用して、各子局のバースト光信号フレーム毎の利得レベルを測定してメモリに記憶保存しておき、光受信部の利得制御を従来のようなフィードバック制御ではなく、各子局のバースト光信号フレームの受信に合わせて、記憶保持された利得レベルを読み出して設定するフィードフォワード制御を行うことにより、バースト光信号のフレーム先頭領域での信号不定区間を無くし、データ区間の制限を無くすことができ、高速通信でも実効スループットを落とすことなく、バースト光信号の伝送が可能となる。

図５に示したような一つの親局にｎ個の子局が接続される１対ｎのＰＯＮネットワークシステムにおいて、距離の異なるｎ個の子局が接続されるため、親局の光受信部では広範囲の光レベルのバースト光信号に対して光電気変換を行い、一定レベルの波形を再生しなければならない。

このため本発明では、まず、各子局をネットワーク接続した初期段階で、各子局からのバースト光信号フレームの遅延時間を測定するための識別区間（ディスカバリーウインド）毎に、予め決めておいた利得レベル（３段階以上）を順に増加させながら設定し、この識別区間での受信測定を繰り返し行うことにより、各子局からのバースト光信号フレームの遅延時間の測定と最適利得レベルとを同時に識別する。この識別結果はメモリにテーブル形式で記憶しておく。

そして、実運用時に、このメモリに記憶された利得レベルの識別結果情報を基に、制御部より受信フレーム毎に利得レベルを指示するフィードフォワード制御を行うことにより、光受信部に入力される全てのバースト光信号フレームが先頭ビットから最適な利得レベルで増幅され、略一定レベルの出力波形再生することができる。

図１は本発明による初期段階の受信利得レベル測定の具体例を示している。同図（ａ）は各子局（＃１〜＃ｎ）からのバースト光信号フレームの入力波形を示し、同図（ｂ）は前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）の利得レベルを示し、同図（ｃ）は前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）の電気信号出力を示している。

図１に示すように、第１の子局フレーム識別区間では、前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）の利得レベルを「小」に設定し、それに続く第２の子局フレーム識別区間では、前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）の利得レベルを「中」に設定し、それに続く第３の子局フレーム識別区間では、前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）の利得レベルを「大」に設定する。このように、識別区間毎に受信利得レベルを順に増加させながら設定していく。

図１に示す例では、利得レベルを「小」に設定した第１の子局フレーム識別区間では、各子局＃１〜＃ｎからのフレーム信号で受信されたのは子局＃１からの信号のみであり、それによって、同図（ｄ）に示すように、子局＃１の識別結果として遅延伝送「Ｔ１（ｓ）」と共に利得レベル「小」を識別結果テーブルに記憶保持する。

同様に、利得レベルを「中」に設定した第２の子局フレーム識別区間では、各子局＃１〜＃ｎからのフレーム信号で受信されたのは子局＃１，＃２，＃３からの信号であり、それによって、子局＃２，＃３の識別結果として遅延伝送「Ｔ２（ｓ）」，「Ｔ３（ｓ）」と共に利得レベル「中」をそれぞれ識別結果テーブルに記憶保持する。なお、子局＃１の識別結果は既に記憶保持済みであり、既に記憶保持済みの子局に対してはこの識別区間での識別結果の書き込みを行わない。

また、同様に利得レベルを「大」に設定した第３の子局フレーム識別区間では、各子局＃１〜＃ｎからのフレーム信号で受信されたのは子局＃１〜＃ｎからの信号であり、それによって、子局＃４〜＃ｎの識別結果として遅延伝送「Ｔ４（ｓ）」〜「Ｔｎ（ｓ）」と共に利得レベル「大」をそれぞれ識別結果テーブルに記憶保持する。この場合も、子局＃１〜＃３の識別結果は既に記憶保持済みであり、既に記憶保持済みの子局に対してはこの式別区間での識別結果の書き込みを行わない。

図２は本発明によるバースト光信号を受信する光受信部の第１の実施形態を示す。同図において、受信した光入力レベルに応じて電流信号を出力するフォトダイオード（ＰＤ）２−１と、フォトダイオード（ＰＤ）２−１から出力される電流を電圧に変換する電流電圧（Ｉ／Ｖ）信号変換器２−２と、帰還抵抗値の変化により利得が変化する前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）２−３と、制御部からの利得制御信号によって前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）２−３の帰還抵抗値を変化させる可変抵抗器２−４と、前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）２−３の出力電圧を増幅する主増幅器（Ｍａｉｎ−ＡＭＰ）２−５と、入力光レベルが受信可能であったか否かを識別する信号識別器２−６と、を備える。

子局をネットワークに接続した初期段階では、前述のとおり、第１〜第３の子局フレーム識別区間で漸次増大する利得レベルとなるように、図示省略の制御部から指示される利得制御信号に応じて、可変抵抗器２−４の抵抗値を変化させる。そして、第１〜第３の子局フレーム識別区間で、各子局からのバースト光信号が受信されたか否かを信号識別器２−６によって識別し、その識別結果を図示省略の識別結果テーブルに記憶保持する。

また、通常運用時において、図示省略の制御部では、前述の識別結果テーブルに記憶保持した各子局対応の利得レベルを読み出し、該利得レベルに対応した利得制御信号を可変抵抗器２−４に送出する。可変抵抗器２−４は、該利得制御信号に従ってリアルタイムに前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）２−３の帰還抵抗値を変化させ、前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）２−３の利得を制御する。

図３は本発明によるバースト光信号を受信する光受信部の第２の実施形態を示す。この第２の実施形態は、前述の第１の実施形態におけるフォトダイオード（ＰＤ）２−１として、増幅作用を有するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）３−１を使用し、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）３−１に印加する電圧値を、前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）２−３の利得制御と同時に変化させ、よりダイナミックレンジの大きいバースト光受信を可能にしたものである。

なお、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）３−１は、印加する電圧値に応じて増幅率が変化する。図示省略の制御部からの利得制御信号を、可変抵抗器２−４に入力すると共に、ディジタル信号をアナログ電圧信号に変換するＤ／Ａ変換器３−２に入力し、Ｄ／Ａ変換器３−２の出力電圧をアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）３−１の高電圧回路３−３に印加することにより、制御部からの利得制御信号に応じた電圧を、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）３−１に印加する。

なお、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）３−１の印加電圧を制御する際、高電圧を印加した状態で大きな光レベルの受信信号を入力してしまうと、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）３−１が壊れてしまうため、子局のネットワーク接続の初期段階に行うフレーム信号遅延及び利得レベルの識別の際に、利得レベルの設定順序は必ず小さい方から行うことが必要である。

図４に本発明による実運用中の利得レベル設定の具体例を示している。同図において、（ａ）は受信されるバースト光信号の入力を示し、（ｂ）は前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）の利得レベルを示し、（ｃ）は前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）の電気信号出力を示している。

同図に示すように、入力レベルが中程度の信号フレーム＃２，＃３の光信号入力に対して、前もって記憶保持した「中」の利得レベルを識別結果テーブルから読み出して設定し、入力レベルが大きい信号フレーム＃１の光信号入力に対して、前もって記憶保持した「小」の利得レベルを識別結果テーブルから読み出して設定し、入力レベルが小さい信号フレーム＃４，＃ｎの光信号入力に対して、前もって記憶保持した「大」の利得レベルを識別結果テーブルから読み出して設定する。

これによって、バースト光信号のフレームの先頭から最適な利得レベルを設定して、同図（ｃ）に示すように、出力レベルが略一定の信号波形を再生することができ、同図（ｄ）に示すように、データ区間に信号不定区間が無く、高速通信時でも実行スループットを落とすことなく、光バースト信号を伝送することができる。

本発明による初期段階の受信利得レベル測定の具体例を示す図である。 本発明によるバースト光信号を受信する光受信部の第１の実施形態を示す図である。 本発明によるバースト光信号を受信する光受信部の第２の実施形態を示す図である。 本発明による実運用中の利得レベル設定の具体例を示す図である。 ＰＯＮ光伝送ネットワークシステムの構成例を示す図である。 従来の光受信部の構成例を示す図である。 フィードバック制御による信号不定区間発生の具体例を示す図である。

符号の説明

２−１ フォトダイオード（ＰＤ）
２−２ 電流電圧（Ｉ／Ｖ）信号変換器
２−３ 前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）
２−４ 可変抵抗器
２−５ 主増幅器（Ｍａｉｎ−ＡＭＰ）
２−６ 信号識別器
３−１ アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）
３−２ Ｄ／Ａ変換器
３−３ 高電圧回路

Claims (5)

1. 入力光レベルに応じた電流信号を出力する光検出器と、該光検出器が出力する電流信号を変換して電圧信号を出力する電流電圧変換手段と、該電流電圧変換手段の出力電圧を増幅する増幅器と、を備えたバースト光信号受信装置において、
   バースト光信号を送出する各子局からの広範囲の入力光レベルに対して、前記増幅器から略一定の電圧レベルが出力される利得レベルとして、複数の段階の利得レベルの中から各子局対応に最適な利得レベルを予めメモリに記憶保持する利得レベル記憶手段と、
   入力される子局毎のバースト光信号のフレームに合わせて、前記利得レベル記憶手段に記憶された利得レベルを読み出し、該読み出した利得レベルを前記増幅器の利得として設定する手段と、
   を備えたことを特徴とするバースト光信号受信装置。
2. 入力光レベルに応じた電流信号を出力するアバランシェフォトダイオードと、該アバランシェフォトダイオードが出力する電流信号を変換して電圧信号を出力する電流電圧変換手段と、該電流電圧変換手段の出力電圧を増幅する増幅器と、を備えたバースト光信号受信装置において、
   バースト光信号を送出する各子局からの広範囲の入力光レベルに対して、前記増幅器から略一定の電圧レベルが出力される利得レベルとして、複数の段階の利得レベルの中から各子局対応に最適な利得レベルを予めメモリに記憶保持する利得レベル記憶手段と、
   入力される子局毎のバースト光信号のフレームに合わせて、前記利得レベル記憶手段に記憶された利得レベルを読み出し、該読み出した利得レベルに対応した電圧レベルを、前記アバランシェフォトダイオードの印加電圧として印加する手段と、
   を備えたことを特徴とするバースト光信号受信装置。
3. 入力光レベルに応じた電流信号を出力するアバランシェフォトダイオードと、該アバランシェフォトダイオードが出力する電流信号を変換して電圧信号を出力する電流電圧変換手段と、該電流電圧変換手段の出力電圧を増幅する増幅器と、を備えたバースト光信号受信装置において、
   バースト光信号を送出する各子局からの広範囲の入力光レベルに対して、前記増幅器から略一定の電圧レベルが出力される利得レベルとして、複数の段階の利得レベルの中から各子局対応に最適な利得レベルを予めメモリに記憶保持する利得レベル記憶手段と、
   入力される子局毎のバースト光信号のフレームに合わせて、前記利得レベル記憶手段に記憶された利得レベルを読み出し、該読み出した利得レベルを前記増幅器の利得として設定するとともに、該読み出した利得レベルに対応した電圧レベルを、前記アバランシェフォトダイオードの印加電圧として印加する手段と、
   を備えたことを特徴とするバースト光信号受信装置。
4. 入力光レベルに応じた電流信号を出力する光検出器と、該光検出器が出力する電流信号を変換して電圧信号を出力する電流電圧変換手段と、該電流電圧変換手段の出力電圧を増幅する増幅器と、を備えたバースト光信号受信装置の利得設定方法において、
   バースト光信号を送出する各子局からの広範囲の入力光レベルに対して、前記増幅器から略一定の電圧レベルが出力される利得レベルとして、複数の段階の利得レベルの中から各子局対応に最適な利得レベルを、該子局を接続した初期段階の遅延測定と共に測定して予めメモリに記憶保持する過程と、
   入力される子局毎のバースト光信号のフレームに合わせて、前記メモリに記憶保持された利得レベルを読み出し、該読み出した利得レベルを前記増幅器の利得として設定する過程と、
   を含むことを特徴とするバースト光信号受信装置の利得設定方法。
5. 入力光レベルに応じた電流信号を出力するアバランシェフォトダイオードと、該アバランシェフォトダイオードが出力する電流信号を変換して電圧信号を出力する電流電圧変換手段と、該電流電圧変換手段の出力電圧を増幅する増幅器と、を備えたバースト光信号受信装置の利得設定方法において、
   バースト光信号を送出する各子局からの広範囲の入力光レベルに対して、前記増幅器から略一定の電圧レベルが出力される利得レベルとして、複数の段階の利得レベルの中から各子局対応に最適な利得レベルを、該子局を接続した初期段階の遅延測定と共に測定して予めメモリに記憶保持する過程と、
   入力される子局毎のバースト光信号のフレームに合わせて、前記メモリに記憶保持された利得レベルを読み出し、該読み出した利得レベルを前記増幅器の利得として設定するとともに、該読み出した利得レベルに対応した電圧レベルを、前記アバランシェフォトダイオードの印加電圧として印加する過程と、
   を含むことを特徴とするバースト光信号受信装置の利得設定方法。

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