JP4000372B2

JP4000372B2 - 光ｃｓｋ変調を用いる光ｃｄｍａ通信システム

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Publication number: JP4000372B2
Application number: JP2003336381A
Authority: JP
Inventors: 文人久保田; 尚也和田; 光雄横山; 延明只野
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: JP2005109580A

Description

本発明は、に関する。より詳しくは、バイナリ位相シフトキーイング（ＢＰＳＫ）符号化、符号シフトキーイング（ＣＳＫ）データ変調に基づいた新規の１０Ｇｂｉｔ／ｓ光符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）システムに関する。

現在、超高速光ネットワークを実現するために、光符号分割多重方式(Optical Code Division Multiplexing "OCDM")の研究が盛んに行われている。光ＣＤＭＡは、一時的な波形を通信チャネルとして用いる［Ｐ．Ｐｒｕｃｎａｌ及びＭ．Ｓａｎｔｏｒｏ，Ｊ、光波技術Ｎｏ．４、３０７〜３１４ページ（１９８６）、Ｄ．Ｓａｍｐｓｏｎ、Ｇ．Ｐｅｎｄｏｃｋ及びＲ．Ｇｒｉｆｆｉｎ、Ｆｉｂｅｒと総合光学Ｎｏ．１６、１２９〜１５７ページ（１９９７）］。したがって、光ＣＤＭＡシステムは、時間分割多重化（ＴＤＭ）方法の同じ波長分割多重化（ＷＤＭ）チャネルと同じ時間スロットを共用できる。したがって、光ＣＤＭＡ方法は、ＷＤＭネットワークにオーバーレイし、これによって、ネットワークの汎用性と拡張性を高めることが可能である［北山研一、ＩＥＥＥ通信における選択されたエリアＮｏ．１６、１３０９〜１３１９ページ（１９９８）］。光ＣＤＭＡは、さらにデータ通信ネットワークのセキュリティを増すと考えられている［Ｋ．Ｕｍｅｎｏ、Ｙ．Ａｗａｊｉ及び北山研一、第５回実験カオス会議議事録（ＷｏｒｌｄＳｃｉｅｎｃｅ２０００）］。光ＣＤＭＡは、セルフルーティングフォトニック輸送ネットワークに適用できる［北山研一及び和田尚也、ＩＥＥＥ光子技術文書、１１巻、１２号、１６８９〜１６９１ページ（１９９９）］。

図８は、従来のＯＯＫ（オンオフキーイング）データ変調を用いる光ＣＤＭＡシステムの基本構成を表す概念図である。図８に示されるように、従来の光ＣＤＭＡシステム１７は、送信機２、受信機３、及びそれらを連結するファイバ４を具備する。そして、送信機２は光源５、外部電気光学変調器（ＥＯＭ）などの外部変調器１８、及び光符号器１９を具備し、受信機３は光復号器２０、光検波器２１、そしてデータ判定器（閾値処理装置）１６を具備する。ＯＯＫデータ変調においては、光パルスは、それぞれデータ”１”と”０”によって「オン」と「オフ」に変調される。データ”１”のパルスは、光ＢＰＳＫ符号に符号化される。

以下、従来のＯＯＫ変調に基づく光ＣＤＭＡシステム１７の動作を、図８を参照しつつ説明する。光源５からビット周期で生成される光パルス列は、外部変調器１８によってマーク（デジタルデータの「１」に相当。）、スペース（デジタルデータの「０」に相当）をそれぞれパルスの有無によって対応付けされる。その後、光パルスはマーク用に用意された光符号器１９により符号化される。光符号器１９における符号化は、光パルスを遅延素子によって所望の符号長に分波した後、それぞれのパルスの位相に“０”または“π”の位相シフトを与える。このようにして送信機２において符号化が行われる。

受信機３における光復号器２０の符号系列は、光符号器１９の符号系列を時間反転したものである。受信信号は、光復号器２０により相関演算される。ここで、マーク信号が相関演算されると、ビットの中心に高い頂点を持つ自己相関波形となる。そして、この光信号は、フォトダイオードなどの光検波器２１により、ピーク値Ｐを持つ電気信号に変換される。図９に、従来の光ＣＤＭＡシステムにおける光検波器２１により変換された電気信号の例を示す。データ判定器１６では、例えば判定レベルＰ／２[Ｖ]として、データの判定が行われる。

したがって、従来のＯＯＫデータ変調を用いる光ＣＤＭＡシステムでは、図９に示されるように、データ判定器１０において判定できる判定レンジがＰ［Ｖ］に限られるという問題があった。特に複数ユーザが光ＣＤＭＡシステムを利用する場合、他ユーザからの干渉雑音、検波の際のショット雑音、熱雑音等はデータ判定器の入力電圧を激しく変動させ、データ判定誤りを引き起こすという問題がある。このため、データ判定器の各種雑音に対する耐性を高めるため、判定レンジをより広くすることが望まれた。

また、図９に示されるように、従来のＯＯＫデータ変調を用いる光ＣＤＭＡシステムにおける自己相関波形の包絡線は、頂点の周りにサイドローブを持つ。このサイドローブは、検波の際、雑音としてその性能を大きく劣化させるという問題があった。

従来のＯＯＫデータ変調を用いる光ＣＤＭＡシステムにおいて、スレッショルドレベル（閾値）は、通常ピーク値Ｐの半分の値（Ｐ／２）に設定される。ピーク電圧におけるＰ／２の幅は、比較的狭いので、通信中に、適宜、最適な閾値を修正する必要があった。このため、従来のＯＯＫデータ変調を用いる光ＣＤＭＡシステムでは、通信中に閾値を変更するためのシステムを具備しており、受信機の回路構成が複雑になるという問題があった。

時間ゲーティング（time-gating）検出による一時的整合フィルタリングとサイドローブ抑圧によってＢＰＳＫ符号を用いる１０Ｇｂｉｔ／ｓ光ＣＤＭＡシステムを提案し、光ＣＤＭＡシステムの複数チャネル送信を実験的に示した［下記非特許文献１（和田尚也、外林秀行及び北山研一、ＩＥＥＥ電子工学文書、ＮＯ．３５、８３３〜８３４ページ（１９９９））参照］。また、大容量光符号分割多重化送信が、示された［外林秀行、中條渉及び北山研一、ＩＥＥＥフォトニックス技術文書、１４巻、４号、５５５〜５５７ページ、２００２］。光ＣＭＤＡシステムの性能は、光干渉雑音によって劣化する。サイドローブ抑圧は、高ビットレートの光ＣＤＭＡシステムによっては、干渉雑音を軽減するために必要である［Ｄ．Ｓａｍｐｓｏｎ、和田尚也、北山研一及び中條渉、ＩＥＥ電子工学文書、Ｎｏ．３６、４４５〜４４７ページ（２０００）、和田尚也及び北山研一，Ｊ．光波技術、Ｎｏ．１７、１７５８〜１７６５ページ（１９９９）］。しかしながら、以前の論文で紹介した時間ゲーティングシステムによるサイドローブ抑圧技法は、基本的には、ＴＤＭの復調で用いられるシステムと同様、チップ同期化やクロック修復などのアクティブな動作を必要とするという問題がある。
和田尚也、外林秀行及び北山研一、ＩＥＥＥ電子工学文書、ＮＯ．３５、８３３〜８３４ページ（１９９９）

本発明は、判定レンジの広い光ＣＤＭＡシステム、及びそのような光ＣＤＭＡシステムに用いられる送信機、及び受信機を提供することを目的とする。

本発明は、サイドローブの少ないデータ判定入力電圧スペクトルを与える光ＣＤＭＡシステム及びそのような光ＣＤＭＡシステムに用いられる送信機、及び受信機を提供することを別の目的とする。

本発明は、通信中にデータ判定機の閾値を修正する必要のない光ＣＤＭＡシステム及びそのような光ＣＤＭＡシステムに用いられる送信機、及び受信機を提供することを別の目的とする。

本発明は、バイナリ位相シフトキーイング（ＢＰＳＫ）符号化、符号シフトキーイング（ＣＳＫ）データ変調に基づいた新規の高速（１０Ｇｂｉｔ／ｓ）光符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）システムを提供することを別の目的とする。

（１）上記の課題のうち少なくとも一つ以上を解決するため、本発明の光符号シフトキーイング変調を用いる光ＣＤＭＡ通信などに用いられる送信機は、光源からビット周期で生成される光パルス列をマーク用（デジタルデータの「１」に相当する。）と、スペース用（デジタルデータの「０」に相当する。）」とに振り分ける変調器と、前記変調器によって振り分けられたマーク用の光パルス列をパルスごとの位相を制御した光パルス列として符号化するマーク用光符号器と、前記変調器によって振り分けられたスペース用の光パルス列を前記マーク用光符号器によって符号化された光パルス列とはパルスごとの位相の組み合わせが異なる光パルス列とすることにより符号化するスペース用光符号器と、前記マーク用光符号器により符号化されたパルス列と、前記スペース用光符号器により符号化されたパルス列とを合波するための合波器とを具備する。より具体的には、光源(５)からビット周期で生成される光パルス列を、入力されるマーク又はスペースを表すデータに基づいて、マーク用と、スペース用とに振り分ける変調器(６)と、前記変調器によって振り分けられたマーク用の光パルスをパルスごとの位相を制御した一定の位相の組み合わせを持つ光パルス列として符号化するマーク用光符号器(７)と、前記変調器によって振り分けられたスペース用の光パルスを前記マーク用光符号器によって符号化された光パルス列とはパルスごとの位相の組み合わせが異なる一定の位相の組み合わせを持つ光パルス列とすることにより符号化するスペース用光符号器(８)と、前記マーク用光符号器により符号化された光パルス列と、前記スペース用光符号器により符号化された光パルス列とを合波するための合波器(９)と、を具備する。

すなわち、本発明の送信機では、従来のＯＯＫ変調を用いる光ＣＤＭＡ通信よりも光符号器を多く必要とし、装置が複雑となる。しかしながら、本発明の送信機では、従来の光ＣＤＭＡシステムでは符号化されていなかった「０」信号をも、新たに加えられたスペース用光符号器（光符号器Ｂ）によって、符号化する。これを後述の復号機と組み合わせることで、サイドローブを抑圧でき、またデータ測定の判定レンジを大きくできる。

（２）上記の課題のうち少なくとも一つ以上を解決するため、本発明の光符号シフトキーイング変調を用いる光符号分割多重アクセス通信に用いられる受信機は送信機により送信された光データを分波するための分波器(１０)と、前記分波器(１０)により分波された光データのうち、前記マーク用光符号器が符号化した光データを自己相関波形の光信号として出力する第１の光復号器(１１)と、前記第１の光復号器(１１)が出力した光信号を検波する第１の光検波器(１３)と、前記分波器(１０)により分波された光データのうち、前記スペース用光符号器が符号化した光データを自己相関波形の光信号として出力する第２の光復号器(１２)と、前記第２の光復号器(１２)が出力した光信号を検波する第２の光検波器(１４)と、前記第１の光検波器(１３)と前記第２の光検波器(１４)の検波データの差分を求める計算回路(１５)と、前記計算回路(１５)により求められた検波データの差分に基づき、０[V]を基準としてそれより高い電圧値か低い電圧値かによりマークかスペースかを判定するデータ判定器(１６)と、を具備する。すなわち、従来の受信機に比べ光復号器の数が多く、装置が複雑となるが、前記送信機と併せて用いることで、判定データのサイドローブを抑圧でき、またデータ測定の判定レンジを大きくできる。

このように、従来用いられなかったスペース用からの復号信号についても、自己相関波形の包絡線を出力し、マーク用信号からの復号信号からの自己相関波形の包絡線との差分を採ることで、判定データのサイドローブを抑圧でき、またデータ測定の判定レンジを大きくできるなどの効果がある。

上記の課題のうち少なくともひとつ以上を解決するため、本発明の光符号分割多重アクセス通信システムは、複数の光通信用送信機と、複数の光通信用受信機とを具備した光符号分割多重アクセス通信システムであって、前記複数の光通信用送信機は、それぞれ、光源(５)からビット周期で生成される光パルス列を、入力されるマーク又はスペースを表すデータに基づいて、マーク用と、スペース用とに振り分ける変調器(６)と、前記変調器によって振り分けられたマーク用の光パルスをパルスごとの位相を制御した一定の位相の組み合わせを持つ光パルス列として符号化するマーク用光符号器(７)と、前記変調器によって振り分けられたスペース用の光パルスを前記マーク用光符号器によって符号化された光パルス列とはパルスごとの位相の組み合わせが異なる一定の位相の組み合わせを持つ光パルス列とすることにより符号化するスペース用光符号器(８)と、前記マーク用光符号器により符号化された光パルス列と、前記スペース用光符号器により符号化された光パルス列とを合波するための合波器(９)と、を具備し、前記複数の光通信用受信機は、それぞれ、前記送信機により送信された光データ分波するための分波器(１０)と、前記分波器(１０)により分波された光データのうち、前記マーク用光符号器が符号化した光データを自己相関波形の光信号として出力する第１の光復号器(１１)と、前記第１の光復号器(１１)が出力した光信号を検波する第１の光検波器(１３)と、前記分波器(１０)により分波された光データのうち、前記スペース用光符号器が符号化した光データを自己相関波形の光信号として出力する第２の光復号器(１２)と、前記第２の光復号器(１２)が出力した光信号を検波する第２の光検波器(１４)と、前記第１の光検波器(１３)と前記第２の光検波器(１４)の検波データの差分を求める計算回路(１５)と、前記計算回路(１５)により求められた検波データの差分に基づき、０[V]を基準としてそれより高い電圧値か低い電圧値かによりマークかスペースかを判定するデータ判定器(１６)と、を具備する。

上記の課題のうち少なくともひとつ以上を解決するため、本発明の光符号分割多重アクセス通信方法は、上記の光符号分割多重アクセス通信システムを用いた光符号分割多重アクセス通信方法であって、前記変調器が、入力されるマーク又はスペースを表すデータ信号に基づいて、光源からビット周期で生成される光パルス列をマーク用と、スペース用とに振り分ける工程と、前記マーク用光符号器が、前記変調器によって振り分けられたマーク用の光パルス列を一定の位相の組み合わせを持つ光パルス列に符号化する工程と、前記スペース用光符号器が、前記変調器によって振り分けられたスペース用の光パルス列を前記マーク用光符号器とは異なる一定の位相の組み合わせを持つ光パルス列に符号化する工程と、前記合波器が、前記マーク用光符号器により符号化されたパルス列と前記スペース用光符号器により符号化されたパルス列とを合波する工程と、前記工程で合波された光データを送信する工程と、前記分波器(１０)が、前記送信機により送信された光データ分波する工程と、前記第１の光復号器(１１)が、前記分波器(１０)により分波された光データを受取り、前記マーク用光符号器が符号化した光データを自己相関波形の光信号として出力する工程と、前記第１の光検波器(１３)が、第１の光復号器(１１)の出力信号を検波する工程と、前記第２の光復号器(１２)が、前記分波器(１０)により分波された光データを受取り、前記スペース用光符号器が符号化した光データを自己相関波形の光信号として出力する工程と、前記第２の光検波器(１４)が、第２の光復号器(１２)の出力信号を検波する工程と、前記計算回路(１５)が前記第１の光検波器(１３)と前記第２の光検波器(１４)の検波データの差分を求める工程と、前記データ判定器(１６)が前記計算回路(１５)により求められた検波データの差分に基づき、０[V]を基準としてそれより高い電圧値か低い電圧値かによりマークかスペースかを判定する工程と、を含む。

本発明によれば、データ判定器における判定レンジを従来のＰ［Ｖ］の２倍の２Ｐ［Ｖ］にできるので、判定レンジの広い光ＣＤＭＡシステムを提供できる。このため、本発明によれば、システムのＳＮ比が増加し、システムの雑音に対する耐性が高められるという効果がある。

すなわち、従来の光ＣＤＭＡシステムであるＯＯＫデータ変調方式（図８）においては、信号体雑音電力密度（ＳＮ）比γは、γ＝（Ｐ／σ）^２と定義される。一方、本発明の光ＣＤＭＡシステムでは、信号判定レンジが２Ｐ[Ｖ]となる。そして、光検出器として、デュアル−ピンＰＤからなるバランス検波器を用いた場合、その分散は２σ^２となる。したがって、その標準偏差は２^１／２σとなる。よって、本発明のＳＮ比をγ’とすると、γ’＝２γとなる。したがって、本発明のＣＳＫデータ変調方式では、従来のＯＯＫ変調方式に比べ３ｄＢの性能改善を見込むことができる。

また、本発明によれば、スペース信号受信時に光検波器から出力される相互相関波形が、データ判定器入力電圧のサイドローブを抑圧する。この結果、データ判定のためのサイドローブの少ない電圧スペクトルを与える光ＣＤＭＡシステムを提供できる。さらに、本発明によれば、データ判定機に入力する電圧スペクトルのサイドローブが少ないので、多重化の際のチャネル間干渉を軽減できる。

本発明によれば、データ判定器における判定レンジを２Ｐ［Ｖ］（−Ｐ〜＋Ｐ）にできるので、システムのデータ判定機における判定レベルを、例えば常時０[Ｖ]で固定しても、十分にデータを判定できる。この結果、本発明によれば、通信中にスレッショルドレベルを修正する必要のない光ＣＤＭＡシステムを提供できる。

本発明によれば、ＢＰＳＫ符号化、ＣＳＫデータ変調に基づいた新規なＣＤＭＡシステムを提供できる。

図１に示されるように、本発明の光ＣＤＭＡシステム１は、従来の光ＣＤＭＡシステムと同様に送信機２、受信機３、及びそれらを連結するファイバ４を具備する。図１に示されるように、本発明の光ＣＤＭＡシステムにおける送信機２は、光源からビット周期で生成される光パルス列をマーク用（データ「１」用）とスペース用（データ「０」用）とに振り分けるＬＮ変調器などの変調器６と、前記変調器によって振り分けられたマーク用の光パルス列を符号化するマーク用光符号器（「光符号器Ａ」ともいう。）７と、前記変調器によって振り分けられたスペース用の光パルス列を符号化するスペース用光符号器（「光符号器Ｂ」ともいう。）８と、前記のマーク用光符号器により符号化されたパルス列と、前記のスペース用光符号器により符号化されたパルス列とを合波するための光結合器などの合波器９を具備する。

また、図１に示されるように、本発明の光ＣＤＭＡシステムにおける受信機は、送信機から送信されたパルス列を分波する光結合器などの分波器１０と、マーク用光符号器が符号化した光データを送信機が受信した場合に自己相関波形の包絡線を光検波器から出力するためのマーク用光復号器１１（光復号器Ａ）と、スペース用光符号器が符号化した光データを送信機が受信した場合に自己相関波形の包絡線を光検波器から出力するためのスペース用光復号器（光復号器Ｂ）と、マーク用光復号器によって復号された信号を出力するフォトダイオード１３（光検波器Ａ）と、スペース用光復号器によって復号された信号を出力するフォトダイオード１４（光検波器Ｂ）とを具備する光検波器（バランス検波器）と、光検波器からの出力を計算する計算回路１５と、データ判定器（閾値処理器）１６を具備する。

本発明の光ＣＤＭＡシステムでは、好ましくはコンパティブルな２つの光ＮチップＢＰＳＫ符号をユーザ一人に対して用いる。送信機２では、光符号器Ａ７と光符号器Ｂ８が、それぞれデータ”１”とデータ”０”に対応している。すなわち、送信機の送信データが”１”であれば、変調器６により光パルス列が光符号器Ａ７に伝えられ、光符号器Ａ７は光パルス列を符号化する。一方、送信機の送信データが”０”であれば、変調器６により光パルス列が光符号器Ｂ８に伝えられ、光符号器Ｂ８は光パルス列を符号化する。光符号器Ａ７が符号化した光パルス列と、光符号器Ｂ８が符号化した光パルス列は、合波器９により合波され、光ファイバ４を通じて受信機へ伝達される。

受信機で、光復号器Ａ１１は、データ”１”信号が受信されると、自己相関波形の包絡線を光検波器Ａ１３から出力し、光復号器Ｂ１２は、データ”０”信号が受信されると、自己相関波形の包絡線を光検波器Ｂ１４から出力する。計算回路１５は、光検波器Ｂ１４の出力を光検波器Ａの出力（上の矢印）から減算する。

図２は、受信機内での電気信号波形を説明するための概念図である。図２（ａ）は、光検波器Ａの出力波形の例を表す図である。図２（ｂ）は、光検波器Ｂの出力波形の例を表す図である。図２（ｃ）は、データ判定器の入力波形を表す図である。図２に示されるとおり、それぞれの光復号器からの出力電圧のピーク値はＰ［Ｖ］である。すなわち、デュアル−ピンＰＤなどのバランス検波器（１３、１４）は、データ”１”信号が受信されると、正電圧Ｐを出力し、データ”０”信号が受信されると、負電圧−Ｐを出力する。そして、計算回路では、これらの出力を減算するので、図２（ｃ）に示されるようにデータ判定器に入力されるデータのピーク値は２Ｐ［Ｖ］となる。

データ判定器は、デュアル−ピンＰＤなどのバランス検波器（１３、１４）の出力を閾値レベルと比較することによってデータを判定する。この閾値レベルとしては、例えば電圧０[Ｖ]が用いられる。

（２．ＯＯＫデータ変調とＣＳＫデータ変調との間の関係）
以下、ＯＯＫデータ変調とＣＳＫデータ変調との間の関係を説明する。先に説明したとおりＯＯＫデータ変調においては、光パルスは、それぞれデータ”１”と”０”によって「オン」と「オフ」に変調される。データ”１”のパルスは、光ＢＰＳＫ符号に符号化される。一方、ＣＳＫデータ変調においては、光パルスは、それぞれデータ”１”と”０”によって「オン」と「オン」に変調される。データ”０”のパルスもまた、別の光ＢＰＳＫ符号Ｂに符号化される。したがって、ＣＳＫデータ変調では、符号された信号は、それぞれデータ”１”と”０”に対する符号Ａと符号Ｂから成る。

（２．１．ＯＯＫデータ変調光ＣＤＭＡシステムのＢＥＲ）
図８に示されるように、従来の光ＣＤＭＡシステム１７は、送信機２、受信機３、及びそれらを連結するファイバ４を具備する。そして、送信機２は光源５、外部電気光学変調器（ＥＯＭ）などの外部変調器１８、及び光符号器１９を具備し、受信機３は光復号器２０、光検波器２１、そしてデータ判定器（閾値処理装置）１６を具備する。

Ｋをアクティブユーザの数と仮定すると、送信機２中では、光ＮチップＢＰＳＫ符号は、データ”１”に対してのみ発生される。受信機３中では、Ｋ個の互いに異なったＮチップ光ＢＰＳＫ符号は、光復号器２０を通過することによって整合フィルタリングされる。この入力符号が復号化符号と整合すれば、光復号器２０は、指定されたマークビットのすべての中心で大きいピークを有する自己相関波形を出力する。一方、符号が不整合の場合、光復号器２０は、どのビットにも大きいピークを有しない相互相関波形を出力する。ＯＯＫデータ変調を用いる非同期式光ＣＤＭＡシステムにおいては、望まれないユーザからのこの相互相関によって、ＰＤ（フォトダイオード）などの光検出器２１に干渉雑音が発生し、システムの性能が劣化する。

理論的には、ユーザの数を１と仮定すると、光検出器２１は、データ”１”信号が受信されると正電圧Ｐを出力し、データ”０”信号が受信されると電圧０を出力する。この電圧Ｐは、自己相関波形の大きいピークから検出される。データ判定器１６は、データを、ＰＤの出力を閾値レベルと比較することによって判定される。電圧Ｐ／２を閾値レベルとして用いる。一方、ユーザの数をＫである場合、我々はユーザ１を望まれるユーザと仮定し、非同期動作によってすべてのアクティブユーザの信号を送信し、また、チップは、ユーザ間では同期的であると仮定した。

τ_ｋ∈（Ｔ_ｃ、２Ｔ_ｃ，．．．、２Ｔ_ｂ）は、ユーザｋとユーザ１との間の相対的な時間シフトと定義される。ＴｃとＴｂは、それぞれチップ時間とビット時間である。光検出器２１は、データ"１"信号が受信されると電圧S_１ｍ（τ_２、τ_３，．．．，τ_ｋ）を出力し、データ"０"信号が受信されると電圧S_１Ｓ（τ_２、τ_３，．．．，τ_ｋ）を出力する。これらの電圧は、相対的時間シフトτ_ｋによって変更される

ＢＥＲを求める際には、ＰＤ回路の熱雑音を、σ^２という偏差を有するゼロ平均ガウス雑音と考える。この雑音は、ＰＤの出力に加算される。データ”１”と”０”の信号が、Ｋ人のアクティブユーザにとって等しい確率を有する場合、熱雑音に対してガウス近似式を用いると、ＢＥＲＰ_ｅは次のようになる：

図３は、ビットエラー率（ＢＥＲ）の計算結果を表すグラフである。図３（ａ）は、式（１）からγの関数として計算されたＯＯＫ変調に基づく光ＣＤＭＡシステムのＢＥＲをシミュレーションした結果である。この計算においては、１０Ｇｂｉｔ／ｓの光ＣＤＭＡシステムを８チップＢＰＳＫ符号とＯＯＫデータ変調とに基づきアクティブユーザの最大数を４と仮定し、モンテカルロシミュレーションを行った。また、相対的時間シフトをランダムに変更した。なお、図中chは、チャネル、すなわちユーザ数を表す同時ユーザの数が２人を超える場合、エラーフロアが存在する。これは、非同期的動作は不可能であることを示している。

（２．２．本発明の光ＣＤＭＡシステムのＢＥＲ）
ユーザの数がＫである時の非同期動作と仮定すると、デュアル−ピンＰＤなどのバランス検波器（光検波器Ａ）は、データ"１"が受信されると電圧S_１ ^ｍ（τ_２、τ_３，．．．，τ_ｋ）を出力し、データ"０"信号が受信されるとバランス検波器（光検波器Ｂ）は、電圧S_１ ^ｓ（τ_２、τ_３，．．．，τ_ｋ）を出力する。デュアル−ピンＰＤの熱雑音は、２σ^２という偏差を有するゼロ平均ガウス雑音であると考えた。データ"１"と"０"の信号が、Ｋ人のアクティブユーザにとって等しい確率を有する場合、熱雑音に対してガウス近似式を用いると、ＣＳＫデータ変調を用いる光ＣＤＭＡシステムのＢＥＲ（ビットエラーレート）は次の式（２）のように表される。

図３（ｂ）に、γの関数としての式（２）から計算された本発明の光ＣＤＭＡシステムのＢＥＲ値をシミュレーションした結果を示す。同時ユーザの数を２と仮定すると、ＢＥＲは、８チップＢＰＳＫ符号、ＣＳＫデータ変調に基づいた１０Ｇｂ／ｓ光ＣＤＭＡシステムでは１０^-９未満である。

すなわち、図３（ａ）と図３（ｂ）とから、従来のＯＯＫ変調に比べ、本発明のＣＳＫ変調では、非同期式光ＣＤＭＡシステムの性能が向上することが、シミュレーションにより示された。

以下に、本発明の光符号シフトキーイングシステムについての実施例を示す。図４は、実施例１で用いた、８チップＢＰＳＫ符号、ＣＳＫデータ変調に基づく１０Ｇｂ／ｓ光ＣＤＭＡシステムの基本構成を示す図である。また、図５に各地点での波形、及び実験結果を示す。図４に示されるように、送信機は、光源５と、変調器６としての１×２ＬＮ変調器（スイッチ）と、２つの光符号器Ａ、光符号器Ｂとを具備する。

このシステムでは、繰り返し周波数（１０ＧＨｚ）のＭＬＬＤを光源として用いた。ＭＬＬＤから出力される１０ＧＨｚの２．０−ｐｓパルス列は、１×２ＬＮ変調器６によって２つに分割される。データ”１”に対するパルスとデータ”０”に対するパルスは、それぞれ光符号器ＡとＢとに供給される。モノリシックに集積された全光８チップＢＰＳＫ符号符号器／復号器は、チューニング可能なタップ遅延回線シフターと光位相シフターから成っている。これらは、プレーナー光波回路（ＰＬＣ）技術によって製造される。タップを振幅が等しい８個のパルスを発生するようにチューニングした。各チップパルスの光キャリア位相が、位相シフターによって０だけかπだけシフトされて、８チップ光ＢＰＳＫ符号を発生する。光結合器（コンバイナー）９は、ＰＬＣ３ｄＢカプラから成っている。

図５（ａ）は、光符号器Ａが符号化した符号化シグナルＡを表す。図５（ａ）においては、「１」（左側）のデータがあり、「１」を与える光パルス列の位相は、「００００００００」（８チップのＢＰＳＫ符号）である。図５（ｂ）は、光符号器Ｂが符号化した符号化シグナルＢを表す。図５（ｂ）においては、「０」（右側）のデータがあり、「０」を与える光パルス列の位相は、「０π０π０π０π」（８チップのＢＰＳＫ符号）である。

図４に示されるように受信機は、２つの光復号器Ａ１１、光復号器Ｂ１２と、デュアルピンＰＤ（バランス検波器）１３、１４と、データ判定器（閾値処理装置）１５を具備する。図５（ｃ）は、受信機が受信するシグナルを表す。受信信号は、データ”１０”が送信された場合、復合化された信号からなる。すなわち、受信機が受信するシグナルは、図５（ａ）のシグナルと、図５（ｂ）のシグナルとが合わさったものである。したがって、図５（ｃ）においては、「１」（左側）と「０」（右側）のデータがあり、「１」を与える光パルス列の位相は、「００００００００」であり、「０」を与える光パルス列の位相は、「０π０π０π０π」である。

光復号器Ａ１１が、データ”１”信号を受信した場合、符号Ａの自己相関波形を出力する。図５（ｄ）は、光復号器Ａが復号化した復号化シグナルＡを表す。図５（ｄ）においては、「１」（左側）のデータがあり、「１」を与える光パルス列は、自己相関波形である。

光復号器Ｂ１２が、データ”０”信号を受信すると符号Ｂの自己相関を出力する。図５（ｅ）は、光復号器Ｂが復号化した復号化シグナルＢを表す。図５（ｅ）においては、「０」（右側）のデータがあり、「０」を与える光パルス列は、自己相関シグナルである。

光復号器Ｂ１２と光復号器Ａ１１の出力信号は、上のアームから下のアームを減算することによって、デュアル−ピンＰＤによってバランス検出される。図５（ｆ）は、データ判定器に送られるデータを表す。

図６に、ユーザが一人（Sinle ch.;シングルチャネル）の場合における、１０Ｇｂ／ｓで（２^２３−１）のＰＲＢＳを持つＣＳＫ変調とＯＯＫ変調に基づく光ＣＤＭＡシステムのＢＥＲを測定した結果を表す。測定されたＢＥＲは、１０^−９未満である。図６から、ＢＥＲが１０^−９において、本発明のＣＳＫ変調によれば、従来のＯＯＫ変調に比べて光入力強度が３ｄＢ増加したことがわかる。

図７は、データ判定器に入力される電気信号である。図７（ａ）は、本発明のＣＳＫ変調のものであり、図７（ｂ）は、ＯＯＫ変調のものである。図７において、横軸は時間を表し、縦軸は電圧を表す。横軸の位置は、データ判定器における閾値に対応している。図７（ａ）から、本発明の光ＣＤＭＡシステムでは、閾値を例えば０［Ｖ］とすることができることがわかる。そして、０［Ｖ］において、データを判別できる範囲は、広い。一方、従来のＯＯＫ変調の光ＣＤＭＡ方式では、閾値としてＰ／２［Ｖ］（ピーク値の約半分の電圧位置）を採用するので、データを判別できる範囲は狭い。

本発明の光ＣＤＭＡシステムは、新しい光ＣＤＭＡシステムとして有効に利用され得る。

本発明の光ＣＤＭＡシステムの基本構成を示す概略図である。図２は、受信機内での電気信号波形を説明するための概念図である。図２（ａ）は、光検波器Ａの出力波形の例を表す図である。図２（ｂ）は、光検波器Ｂの出力波形の例を表す図である。図２（ｃ）は、データ判定器の入力波形を表す図である。図３は、ビットエラー率（ＢＥＲ）の計算結果を表すグラフである。図３（ａ）は、式（１）からγの関数として計算されたＯＯＫ変調に基づく光ＣＤＭＡシステムのＢＥＲをシミュレーションした結果である。図３（ｂ）に、γの関数としての式（２）から計算された本発明の光ＣＤＭＡシステムのＢＥＲ値をシミュレーションした結果を示す。図４は、実施例１で用いた、８チップＢＰＳＫ符号、ＣＳＫデータ変調に基づく１０Ｇｂ／ｓ光ＣＤＭＡシステムの基本構成を示す図である。図５は、本発明の光ＣＤＭＡシステムの各点における光パルス列や電気信号の例を表す図面に変る測定データである。図５（ａ）は、光符号器Ａが符号化した符号化シグナルＡを表す。図５（ｂ）は、光符号器Ｂが符号化した符号化シグナルＢを表す。図５（ｃ）は、受信機が受信するシグナルを表す。図５（ｄ）は、光復号器Ａが復号化した復号化シグナルＡを表す。図５（ｅ）は、光復号器Ｂが復号化した復号化シグナルＢを表す。図５（ｆ）は、データ判定器に送られるデータを表す。図６は、ユーザが一人（Sinle ch.;シングルチャネル）の場合における、１０Ｇｂ／ｓで（２^２３−１）のＰＲＢＳを持つＣＳＫ変調とＯＯＫ変調に基づく光ＣＤＭＡシステムのＢＥＲを測定した結果を表すグラフである。図７は、データ判定器に入力される電気信号である。図７（ａ）は、本発明のＣＳＫ変調のものであり、図７（ｂ）は、ＯＯＫ変調のものである。図８は、従来のＯＯＫデータ変調を用いる光ＣＤＭＡシステムの基本構成を表す概念図である。図９に、従来の光ＣＤＭＡシステムにおける光検波器２１により変換された電気信号の例を示す。

符号の説明

１本発明の光ＣＤＭＡシステム
２送信機
３受信機
４ファイバ
５光源
６変調器
７マーク用光符号器（光符号器Ａ）
８スペース用光符号器（光符号器Ｂ）
９合波器
１０分波器
１１マーク用光復号器（光復号器Ａ）
１２スペース用光復号器（光復号器Ｂ）
１３フォトダイオード（光検波器Ａ）
１４フォトダイオード（光検波器Ｂ）
１５計算回路
１６データ判定器（閾値処理器）
１７ＯＯＫ変調に基づく光ＣＤＭＡシステム
１８外部変調器
１９光符号器
２０光復号器
２１光検波器

Claims

光源(５)からビット周期で生成される光パルス列を、入力されるマーク又はスペースを表すデータに基づいて、マーク用と、スペース用とに振り分ける変調器(６)と、
前記変調器によって振り分けられたマーク用の光パルスをパルスごとの位相を制御した一定の位相の組み合わせを持つ光パルス列として符号化するマーク用光符号器(７)と、
前記変調器によって振り分けられたスペース用の光パルスを前記マーク用光符号器によって符号化された光パルス列とはパルスごとの位相の組み合わせが異なる一定の位相の組み合わせを持つ光パルス列とすることにより符号化するスペース用光符号器(８)と、
前記マーク用光符号器により符号化された光パルス列と、前記スペース用光符号器により符号化された光パルス列とを合波するための合波器(９)と、
を具備する光符号シフトキーイング変調を用いる光通信用送信機。
光符号分割多重アクセス通信に用いられる請求項１に記載の送信機。
請求項１又は請求項２に記載の送信機により送信された光データを受信する受信機であって、
前記送信機により送信された光データを分波するための分波器(１０)と、
前記分波器(１０)により分波された光データのうち、前記マーク用光符号器が符号化した光データを自己相関波形の光信号として出力する第１の光復号器(１１)と、
前記第１の光復号器(１１)が出力した光信号を検波する第１の光検波器(１３)と、
前記分波器(１０)により分波された光データのうち、前記スペース用光符号器が符号化した光データを自己相関波形の光信号として出力する第２の光復号器(１２)と、
前記第２の光復号器(１２)が出力した光信号を検波する第２の光検波器(１４)と、
前記第１の光検波器(１３)と前記第２の光検波器(１４)の検波データの差分を求める計算回路(１５)と、
前記計算回路(１５)により求められた検波データの差分に基づき、０[Ｖ]を基準としてそれより高い電圧値か低い電圧値かによりマークかスペースかを判定するデータ判定器(１６)と、
を具備する受信機(３)。
複数の光通信用送信機と、複数の光通信用受信機とを具備した光符号分割多重アクセス通信システムであって、
前記複数の光通信用送信機は、それぞれ、
光源(５)からビット周期で生成される光パルス列を、入力されるマーク又はスペースを表すデータに基づいて、マーク用と、スペース用とに振り分ける変調器(６)と、
前記変調器によって振り分けられたマーク用の光パルスをパルスごとの位相を制御した一定の位相の組み合わせを持つ光パルス列として符号化するマーク用光符号器(７)と、
前記変調器によって振り分けられたスペース用の光パルスを前記マーク用光符号器によって符号化された光パルス列とはパルスごとの位相の組み合わせが異なる一定の位相の組み合わせを持つ光パルス列とすることにより符号化するスペース用光符号器(８)と、
前記マーク用光符号器により符号化された光パルス列と、前記スペース用光符号器により符号化された光パルス列とを合波するための合波器(９)と、
を具備し、
前記複数の光通信用受信機は、それぞれ、
前記送信機により送信された光データ分波するための分波器(１０)と、
前記分波器(１０)により分波された光データのうち、前記マーク用光符号器が符号化した光データを自己相関波形の光信号として出力する第１の光復号器(１１)と、
前記第１の光復号器(１１)が出力した光信号を検波する第１の光検波器(１３)と、
前記分波器(１０)により分波された光データのうち、前記スペース用光符号器が符号化した光データを自己相関波形の光信号として出力する第２の光復号器(１２)と、
前記第２の光復号器(１２)が出力した光信号を検波する第２の光検波器(１４)と、
前記第１の光検波器(１３)と前記第２の光検波器(１４)の検波データの差分を求める計算回路(１５)と、
前記計算回路(１５)により求められた検波データの差分に基づき、０[V]を基準としてそれより高い電圧値か低い電圧値かによりマークかスペースかを判定するデータ判定器(１６)と、
を具備する光符号分割多重アクセス通信システム。
請求項４に記載の光符号分割多重アクセス通信システムを用いた光符号分割多重アクセス通信方法であって、
前記変調器が、入力されるマーク又はスペースを表すデータ信号に基づいて、光源からビット周期で生成される光パルス列をマーク用と、スペース用とに振り分ける工程と、
前記マーク用光符号器が、前記変調器によって振り分けられたマーク用の光パルス列を一定の位相の組み合わせを持つ光パルス列に符号化する工程と、
前記スペース用光符号器が、前記変調器によって振り分けられたスペース用の光パルス列を前記マーク用光符号器とは異なる一定の位相の組み合わせを持つ光パルス列に符号化する工程と、
前記合波器が、前記マーク用光符号器により符号化されたパルス列と前記スペース用光符号器により符号化されたパルス列とを合波する工程と、
前記工程で合波された光データを送信する工程と、
前記分波器(１０)が、前記送信機により送信された光データ分波する工程と、
前記第１の光復号器(１１)が、前記分波器(１０)により分波された光データを受取り、前記マーク用光符号器が符号化した光データを自己相関波形の光信号として出力する工程と、
前記第１の光検波器(１３)が、第１の光復号器(１１)の出力信号を検波する工程と、
前記第２の光復号器(１２)が、前記分波器(１０)により分波された光データを受取り、前記スペース用光符号器が符号化した光データを自己相関波形の光信号として出力する工程と、
前記第２の光検波器(１４)が、第２の光復号器(１２)の出力信号を検波する工程と、
前記計算回路(１５)が前記第１の光検波器(１３)と前記第２の光検波器(１４)の検波データの差分を求める工程と、
前記データ判定器(１６)が前記計算回路(１５)により求められた検波データの差分に基づき、０[V]を基準としてそれより高い電圧値か低い電圧値かによりマークかスペースかを判定する工程と、
を含む
光符号分割多重アクセス通信方法。