JP2015005803A - デジタル信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位相変調信号の位相点配置を目標点へ線形変換することにより、信号品質を向上させることができるデジタル信号処理装置を提供する。【解決手段】位相変調信号の線形変換を行うデジタル信号処理装置において、位相変調信号ｓ＝ [Ｉ Ｑ]Tを、変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを含む線形変換式を用いて、位相変調信号ｓ’＝ [Ｉ' Ｑ']Tに線形変換する線形変換手段を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、波形等化してシンボル判定を行う前に位相変調信号の位相点配置を線形変換するデジタル信号処理装置に関する。

位相変調信号を用いた通信技術は、光通信や無線通信分野で広く用いられている（非特許文献１）。通信の大容量・高速化を実現するために、位相変調信号としてＭ値のＰＳＫ（Phase Shift Keying）信号や、Ｍ値のＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation ）信号が用いられる。位相変調信号は、受信後にデジタル信号処理により波形等化された後に、シンボル判定される。この時、受信した位相変調信号の位相点配置が歪んでいる場合には、シンボル判定において信号品質を低下させてしまう。

美野真司，山崎裕史，山田貴，郷隆司，才田隆志，都築健，石井元速，土居芳行，福満高雄，"ＰＬＣ−ＬＮハイブリッド集積技術を用いた高速多値光変調器"，ＮＴＴ技術ジャーナル，pp.57-61，2011.3.

例えば、光通信分野において位相変調信号を送信する場合、光変調器に印加するバイアス電圧Ｖ_B を適切な動作点に調整して位相変調信号を出力している。位相変調時にバイアス電圧Ｖ_B が動作点からずれた場合、位相変調信号の位相点配置が歪んでしまう。この現象はＩＱインバランスと呼ばれており、ＱＰＳＫ信号や16ＱＡＭ信号の位相点配置が歪んでしまい、受信後のシンボル判定時に伝送品質を劣化させる要因となっている。

本発明は、位相変調信号の位相点配置を目標点へ線形変換することにより、信号品質を向上させることができるデジタル信号処理装置を提供することを目的とする。

本発明は、位相変調信号の線形変換を行うデジタル信号処理装置において、位相変調信号ｓ＝ [Ｉ Ｑ]^T を、変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを含む線形変換式

を用いて、位相変調信号ｓ’＝ [Ｉ' Ｑ']^T に線形変換する線形変換手段を備える。

本発明のデジタル信号処理装置において、線形変換手段は、位相変調信号ｓを入力し、３つのシンボルに該当する位相変調信号ｓの平均値を計算し、それを代表点ｓ₁ ＝ [Ｉ₁ Ｑ₁]^T 、ｓ₂ ＝ [Ｉ₂ Ｑ₂]^T 、ｓ₃ ＝ [Ｉ₃ Ｑ₃]^T として出力する代表点計算部と、代表点ｓ₁ ，ｓ₂ ，ｓ₃ と、目標点ｓ₁'＝ [Ｉ₁' Ｑ₁']^T 、ｓ₂'＝ [Ｉ₂' Ｑ₂']^T 、ｓ₃'＝ [Ｉ₃' Ｑ₃']^T を入力し、線形変換式に代入して変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを計算して出力する変換係数計算部と、位相変調信号ｓと変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを入力し、線形変換式を用いて線形変換した位相変調信号ｓ’を出力する線形変換部とを備える。

本発明のデジタル信号処理装置において、線形変換手段は、位相変調信号ｓを入力し、４つのシンボルに該当する位相変調信号ｓの平均値を計算し、それを代表点ｓ₁ ＝ [Ｉ₁ Ｑ₁]^T 、ｓ₂ ＝ [Ｉ₂ Ｑ₂]^T 、ｓ₃ ＝ [Ｉ₃ Ｑ₃]^T 、ｓ₄ ＝ [Ｉ₄ Ｑ₄]^T として出力する代表点計算部と、代表点ｓ₁ ，ｓ₂ ，ｓ₃ ，ｓ₄ と、目標点ｓ₁'＝ [Ｉ₁' Ｑ₁']^T 、ｓ₂'＝ [Ｉ₂' Ｑ₂']^T 、ｓ₃'＝ [Ｉ₃' Ｑ₃']^T 、ｓ₄'＝ [Ｉ₄' Ｑ₄']^T を入力し、代表点３点および目標点３点からなる４通りの組み合わせについて、線形変換式に代入して４通りの変換係数ａ₁ 〜ａ₄ 、ｂ₁ 〜ｂ₄ 、ｃ₁ 〜ｃ₄ 、ｄ₁ 〜ｄ₄ 、ｅ₁ 〜ｅ₄ 、ｆ₁ 〜ｆ₄ を計算し、それぞれの変換係数の平均値を計算して変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆとして出力する変換係数計算部と、位相変調信号ｓと変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを入力し、線形変換式を用いて線形変換した位相変調信号ｓ’を出力する線形変換部とを備える。

本発明のデジタル信号処理装置において、線形変換手段は、位相変調信号ｓを入力し、４つのシンボルに該当する位相変調信号ｓの平均値を計算し、それを代表点ｓ₁ ＝ [Ｉ₁ Ｑ₁]^T 、ｓ₂ ＝ [Ｉ₂ Ｑ₂]^T 、ｓ₃ ＝ [Ｉ₃ Ｑ₃]^T 、ｓ₄ ＝ [Ｉ₄ Ｑ₄]^T として出力する代表点計算部と、代表点ｓ₁ ，ｓ₂ ，ｓ₃ ，ｓ₄ と、目標点ｓ₁'＝ [Ｉ₁' Ｑ₁']^T 、ｓ₂'＝ [Ｉ₂' Ｑ₂']^T 、ｓ₃'＝ [Ｉ₃' Ｑ₃']^T 、ｓ₄'＝ [Ｉ₄' Ｑ₄']^T を入力し、最小二乗法により変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを計算して出力する変換係数計算部と、位相変調信号ｓと変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを入力し、線形変換式を用いて線形変換した位相変調信号ｓ’を出力する線形変換部とを備える。

本発明は、位相変調信号の位相点配置を目標点へ線形変換することにより、位相変調信号の信号品質を向上させることができる。

本発明のデジタル信号処理装置の構成例を示す図である。 線形変換手段２２の第１の構成例を示す図である。 線形変換手段２２の第２の構成例を示す図である。 波形等化したデジタル信号（位相変調信号) の位相点配置、代表点、線形変換後の目標点を示す図である。 線形変換後のデジタル信号（位相変調信号）の位相点配置を示す図である。

図１は、本発明のデジタル信号処理装置の構成例を示す。ここでは、光通信分野におけるデジタルコヒーレント送受信システムのデジタルコヒーレント受信機に適用した例を示すが、このデジタルコヒーレント受信機のデジタル信号処理装置に限定されるものではない。

図１において、デジタルコヒーレント送受信システムは、位相変調信号を送信する送信機１と、伝送路を介して伝送された位相変調信号を受信して復調するデジタルコヒーレント受信機１０から構成される。デジタルコヒーレント受信機１０は、伝送路からの位相変調信号とローカル光源２からのローカル光をコヒーレント受信器１１に入力し、コヒーレント検波技術により高感度に電気信号に変換し、それをＡＤコンバータ１２でデジタル信号に変換し、デジタル信号処理装置２０へ入力する。デジタル信号処理装置２０は、等化器２１のデジタル信号処理により伝送路で生じたデジタル信号（位相変調信号）の歪みを等化し、波形等化されたデジタル信号ｓを線形変換手段２２に入力して線形変換し、シンボル判定器２３で線形変換されたデジタル信号ｓ’をシンボル判定してシンボルを出力する。

本実施例のデジタル信号処理装置２０の特徴は、等化器２１とシンボル判定器２３の間に線形変換手段２２を接続し、波形等化されたデジタル信号（位相変調信号) ｓを目標点へ線形変換した後にシンボル判定を行うところにある。
すなわち、位相変調信号ｓ＝ [Ｉ Ｑ]^T ([Ｉ Ｑ]^T は行列[Ｉ Ｑ] の転置行列を示す）を、変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを含む線形変換式

を用いて、位相変調信号ｓ’＝ [Ｉ' Ｑ']^T へ線形変換した後に、シンボル判定器２３へ入力してシンボル判定を行う。

図２は、線形変換手段２２の第１の構成例を示す。
図２において、線形変換手段２２は、代表点計算部２２１と、変換係数計算部２２２と、線形変換部２２３により構成される。代表点計算部２２１は、デジタル信号ｓを入力し、３つのシンボルに該当するデジタル信号の平均値を計算し、それを代表点
ｓ₁ ＝ [Ｉ₁ Ｑ₁]^T
ｓ₂ ＝ [Ｉ₂ Ｑ₂]^T
ｓ₃ ＝ [Ｉ₃ Ｑ₃]^T
として出力する。

変換係数計算部２２２は、代表点ｓ₁ ，ｓ₂ ，ｓ₃ と、線形変換後の目標点
ｓ₁'＝ [Ｉ₁' Ｑ₁']^T
ｓ₂'＝ [Ｉ₂' Ｑ₂']^T
ｓ₃'＝ [Ｉ₃' Ｑ₃']^T
を入力し、上記の線形変換式に代入して六連連立方程式を解くことにより、変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆとして出力する。

線形変換部２２３は、デジタル信号ｓと変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを入力し、上記の線形変換式により線形変換したデジタル信号ｓ’を出力する。

図３は、線形変換手段２２の第２の構成例を示す。
図３において、線形変換手段２２は、代表点計算部２２４と、変換係数計算部２２５と、線形変換部２２３により構成される。代表点計算部２２４は、デジタル信号ｓを入力し、４つのシンボルに該当するデジタル信号の平均値を計算し、それを代表点
ｓ₁ ＝ [Ｉ₁ Ｑ₁]^T
ｓ₂ ＝ [Ｉ₂ Ｑ₂]^T
ｓ₃ ＝ [Ｉ₃ Ｑ₃]^T
ｓ₄ ＝ [Ｉ₄ Ｑ₄]^T
として出力する。

変換係数計算部２２５は、代表点ｓ₁ ，ｓ₂ ，ｓ₃ ，ｓ₄ と、線形変換後の目標点
ｓ₁'＝ [Ｉ₁' Ｑ₁']^T
ｓ₂'＝ [Ｉ₂' Ｑ₂']^T
ｓ₃'＝ [Ｉ₃' Ｑ₃']^T
ｓ₄'＝ [Ｉ₄' Ｑ₄']^T
を入力する。そして、代表点３点および目標点３点からなる４通りの組み合わせ
（ｓ₁ ,ｓ₂, ｓ₃, ｓ₁', ｓ₂', ｓ₃'）
（ｓ₂ ,ｓ₃, ｓ₄, ｓ₂', ｓ₃', ｓ₄'）
（ｓ₃ ,ｓ₄, ｓ₁, ｓ₃', ｓ₄', ｓ₁'）
（ｓ₄ ,ｓ₁, ｓ₂, ｓ₄', ｓ₁', ｓ₂'）
について、上記の線形変換式に代入して六連連立方程式を解くことにより、４通りの変換係数ａ₁ 〜ａ₄ 、ｂ₁ 〜ｂ₄ 、ｃ₁ 〜ｃ₄ 、ｄ₁ 〜ｄ₄ 、ｅ₁ 〜ｅ₄ 、ｆ₁ 〜ｆ₄ を計算し、それぞれの変換係数の平均値を求め、変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆとして出力する。このように、４つの変換係数の平均値をとることにより、代表点４点からなる平行四辺形が歪んでいる場合でも、変換係数の誤差を抑えることができる。

線形変換部２２３は、デジタル信号ｓと変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを入力し、上記の線形変換式により線形変換したデジタル信号ｓ’を出力する。

また、変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは、代表点４点と目標点４点について、最小二乗法を用いて以下のとおり計算してもよい。

図４は、波形等化したデジタル信号（位相変調信号) の位相点配置、代表点、線形変換後の目標点を示す。

ここでは、図１の送信機１から16ＱＡＭ信号を送信し、デジタルコヒーレント受信機１０のデジタル信号処理装置２０の等化器２１で波形等化した16ＱＡＭ信号の位相点配置と、線形変換手段２２の代表点計算部２２１で算出した代表点ｓ₁ ，ｓ₂ ，ｓ₃ ，ｓ₄ と、線形変換後の目標点ｓ₁', ｓ₂', ｓ₃'，ｓ₄'を示す。ＩＱインバランスにより、16ＱＡＭ信号の位相点配置が歪んでおり、ＢＥＲ（Bit Error Rate）は5.13×10^-4となった。

図５は、線形変換後のデジタル信号（位相変調信号）の位相点配置を示す。
ここでは、図４の16ＱＡＭ信号の位相点配置において、図３に示す線形変換手段２２の変換係数計算部２２５により、代表点ｓ₁ ，ｓ₂ ，ｓ₃ ，ｓ₄ と線形変換後の目標点ｓ₁', ｓ₂', ｓ₃'，ｓ₄'から、変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを求め、この変換係数を用いて線形変換部２２３で線形変換した16ＱＡＭ信号の位相点配置を示す。線形変換により、位相点配置のＩＱインバランスが解消し、ＢＥＲは5.38×10^-5となり伝送品質が向上した。

本実施例では、代表点と目標点を16ＱＡＭ信号の最も外側の位相点としたが、平行四辺形となる位相点であれば、任意の代表点と目標点から変換係数を求め、デジタル信号（位相変調信号) を線形変換してもよい。

本実施例では、16ＱＡＭ信号に対して本発明のデジタル信号処理を用いたが、いかなる位相変調方式の信号にも適用することができる。また、光通信分野におけるデジタルコヒーレント受信機において、本発明のデジタル信号処理装置を用いたが、無線通信における位相変調信号の受信機においても適用することができる。

１ 送信機
２ ローカル光源
１０ デジタルコヒーレント受信機
１１ コヒーレント受信器
１２ ＡＤコンバータ
２０ デジタル信号処理装置
２１ 等化器
２２ 線形変換手段
２３ シンボル判定器
２２１，２２４ 代表点計算部
２２２，２２５ 変換係数計算部
２２３ 線形変換部

Claims (4)

1. 位相変調信号の線形変換を行うデジタル信号処理装置において、
   前記位相変調信号ｓ＝ [Ｉ Ｑ]^T ([Ｉ Ｑ]^T は行列[Ｉ Ｑ] の転置行列を示す）を、変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを含む線形変換式
   

   

   を用いて、位相変調信号ｓ’＝ [Ｉ' Ｑ']^T に線形変換する線形変換手段を備えた
   ことを特徴とするデジタル信号処理装置。
2. 請求項１に記載のデジタル信号処理装置において、
   前記線形変換手段は、
   前記位相変調信号ｓを入力し、３つのシンボルに該当する前記位相変調信号ｓの平均値を計算し、それを代表点ｓ₁ ＝ [Ｉ₁ Ｑ₁]^T 、ｓ₂ ＝ [Ｉ₂ Ｑ₂]^T 、ｓ₃ ＝ [Ｉ₃ Ｑ₃]^T として出力する代表点計算部と、
   前記代表点ｓ₁ ，ｓ₂ ，ｓ₃ と、目標点ｓ₁'＝ [Ｉ₁' Ｑ₁']^T 、ｓ₂'＝ [Ｉ₂' Ｑ₂']^T 、ｓ₃'＝ [Ｉ₃' Ｑ₃']^T を入力し、前記線形変換式に代入して前記変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを計算して出力する変換係数計算部と、
   前記位相変調信号ｓと前記変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを入力し、前記線形変換式を用いて線形変換した位相変調信号ｓ’を出力する線形変換部と
   を備えたことを特徴とするデジタル信号処理装置。
3. 請求項１に記載のデジタル信号処理装置において、
   前記線形変換手段は、
   前記位相変調信号ｓを入力し、４つのシンボルに該当する前記位相変調信号ｓの平均値を計算し、それを代表点ｓ₁ ＝ [Ｉ₁ Ｑ₁]^T 、ｓ₂ ＝ [Ｉ₂ Ｑ₂]^T 、ｓ₃ ＝ [Ｉ₃ Ｑ₃]^T 、ｓ₄ ＝ [Ｉ₄ Ｑ₄]^T として出力する代表点計算部と、
   前記代表点ｓ₁ ，ｓ₂ ，ｓ₃ ，ｓ₄ と、目標点ｓ₁'＝ [Ｉ₁' Ｑ₁']^T 、ｓ₂'＝ [Ｉ₂' Ｑ₂']^T 、ｓ₃'＝ [Ｉ₃' Ｑ₃']^T 、ｓ₄'＝ [Ｉ₄' Ｑ₄']^T を入力し、代表点３点および目標点３点からなる４通りの組み合わせについて、前記線形変換式に代入して４通りの変換係数ａ₁ 〜ａ₄ 、ｂ₁ 〜ｂ₄ 、ｃ₁ 〜ｃ₄ 、ｄ₁ 〜ｄ₄ 、ｅ₁ 〜ｅ₄ 、ｆ₁ 〜ｆ₄ を計算し、それぞれの変換係数の平均値を計算して前記変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆとして出力する変換係数計算部と、
   前記位相変調信号ｓと前記変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを入力し、前記線形変換式を用いて線形変換した位相変調信号ｓ’を出力する線形変換部と
   を備えたことを特徴とするデジタル信号処理装置。
4. 請求項１に記載のデジタル信号処理装置において、
   前記線形変換手段は、
   前記位相変調信号ｓを入力し、４つのシンボルに該当する前記位相変調信号ｓの平均値を計算し、それを代表点ｓ₁ ＝ [Ｉ₁ Ｑ₁]^T 、ｓ₂ ＝ [Ｉ₂ Ｑ₂]^T 、ｓ₃ ＝ [Ｉ₃ Ｑ₃]^T 、ｓ₄ ＝ [Ｉ₄ Ｑ₄]^T として出力する代表点計算部と、
   前記代表点ｓ₁ ，ｓ₂ ，ｓ₃ ，ｓ₄ と、目標点ｓ₁'＝ [Ｉ₁' Ｑ₁']^T 、ｓ₂'＝ [Ｉ₂' Ｑ₂']^T 、ｓ₃'＝ [Ｉ₃' Ｑ₃']^T 、ｓ₄'＝ [Ｉ₄' Ｑ₄']^T を入力し、最小二乗法により前記変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを計算して出力する変換係数計算部と、
   前記位相変調信号ｓと前記変換係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを入力し、前記線形変換式を用いて線形変換した位相変調信号ｓ’を出力する線形変換部と
   を備えたことを特徴とするデジタル信号処理装置。

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