JP4902557B2

JP4902557B2 - 光受信方法、光受信装置及びビート雑音推定器

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Publication number: JP4902557B2
Application number: JP2008007621A
Authority: JP
Inventors: 誉人桐原; 準基三鬼
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Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2028-01-17
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Description

本発明は、光信号受信時に発生するビート雑音の影響を低減する光受信方法、光受信装置及びこれに備えられるビート雑音推定器に関するものである。

複数の光を同時に光電変換した場合、それぞれの光の周波数差（波長間隔）に依存して周期的に変動するビート雑音が発生する。この変動は、光の位相差をパラメータとする正弦波の形で表せる。また、３つ以上の複数の光を同時に光電変換した場合には、その光位相差に応じて複数のビート雑音が発生することになる。ビート雑音の振幅は、信号成分の振幅以上の値をとることもあり、ビット誤り率（ＢｉｔＥｒｒｏｒＲａｔｅ、以下、「ＢＥＲ」と呼ぶ）を大幅に増加させる。

現在の光アクセスシステムにおいては、光信号を受信する際、硬判定受信技術が多く用いられている。この信号判定技術は、受信信号レベルに合わせて閾値を設け、受信信号が閾値より大きい場合を１、小さい場合を０と判定する方式である。この方式においては、高価な光源やフィルタを用いることにより複数の光を同時に受信しないように波長間隔を広げるなどして、ビート雑音の影響増大を防いでいる。あるいは、ビート雑音の位相が異なる複数の経路を設けその経路の中から最大尤度判定する方法により、ビート雑音の影響を抑圧し判定性能を向上する方法も知られている。

また、カルマンフィルタを用いてフェージングによる位相雑音の推定を行い、同期検波の性能向上が図られたことが報告されている（例えば、非特許文献１を参照。）。さらに、周波数軸において符号化する光符号分割多重（ＣｏｄｅＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＣＤＭ）方式についての検討が非特許文献２にて報告されている。
電子情報通信学会信学技報ＲＣＳ２００５−１７０小牧慎一郎他、「フェージング通信路で同期検波を実現する位相同期回路」ＥＣＯＣ２００７，Ｐ０８８，Ｓ．Ｋａｎｅｋｏ，ｅｔａｌ．"１−ｂｉｔ／ｓ／ＨｚＳｐｅｃｔｒａｌＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＯＣＤＭＴｅｃｈｎｉｑｕｅＢａｓｅｄｏｎＭｕｌｔｉ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙＨｏｍｏｄｙｎｅＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＯｐｔｉｃａｌＯＦＤＭ"

前記硬判定技術は、ガウス雑音に対して有効であるが、ビート雑音の場合、ビート雑音が信号成分以上の値を取る場合もあり、判定性能が大きく劣化する。特に、光ＣＤＭ方式においては、１つの周波数を複数ユーザで共有することからビート雑音が発生する。この方式において硬判定を行うと、ビート雑音によりＢＥＲが大幅に劣化する。特にユーザ多重数が増加すると、複数のビート雑音が発生するため、ビート雑音の影響を抑圧できる技術の開発が課題となっている。

例えば、ビート雑音の影響を抑圧する手段として、２×２の３ｄＢカプラ等を用い、一つのビート雑音に対してその位相が異なる複数の経路を設け最大尤度判定していた。しかし、ｎ×１カプラを用いて１本のファイバを複数ユーザで共用する光アクセスシステム系へは適用できないという課題があった。また、３ｄＢカプラを用いる手段は一つのビート雑音が発生した場合については有効であるが、複数のビート雑音が同時に発生した場合には、判定性能を向上させることが難しいという課題もあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、複数のビート雑音が同時に発生した場合でも判定性能を向上させることができる光受信方法、光受信装置及びこれに備えられるビート雑音推定器を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明に係る光受信方法及び光受信装置は、最大尤度判定の際に、ビート雑音推定器によってビート雑音成分を推定し、それを基に信号成分、ガウス雑音成分及びビート雑音の和の確率密度分布から事後確率を求め、送信光信号のビットパターンの中から事後確率が最大のものを選ぶこととした。

具体的には、本発明に係る光受信方法は、光電変換器が、受信した送信光信号を光電変換して受信電気信号を出力し、ビート雑音推定器が、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれるビート雑音を推定し、推定したビート雑音をビート雑音推定値として出力し、最尤判定器が、前記光電変換器からの受信電気信号と前記ビート雑音推定器からのビート雑音推定値とから、事後確率が最大となるビットパターンを前記送信光信号のビットパターンであると最大尤度判定し、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値として出力する、光受信方法であって、前記ビート雑音推定器は、前記光電変換器からの受信電気信号と前記最尤判定器からの信号成分推定値とから前記ビート雑音推定値を推定することを特徴とする。

また、本発明に係る光受信装置は、受信した送信光信号を光電変換して受信電気信号を出力する光電変換器と、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれるビート雑音を推定し、推定したビート雑音をビート雑音推定値として出力するビート雑音推定器と、前記光電変換器からの受信電気信号と前記ビート雑音推定器からのビート雑音推定値とから、事後確率が最大となるビットパターンを前記送信光信号のビットパターンであると最大尤度判定し、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値として出力する最尤判定器と、を備える光受信装置であって、前記ビート雑音推定器は、前記光電変換器からの受信電気信号と前記最尤判定器からの信号成分推定値とから前記ビート雑音推定値を推定することを特徴とする。

ビート雑音推定器がビート雑音成分を推定し、推定したビート雑音成分を基に最尤判定器が信号成分、ガウス雑音成分及びビート雑音の和の確率密度分布から事後確率を求め、送信光信号のビットパターンの中から事後確率が最大のものを選ぶという最大尤度判定する。最尤判定器の判定とビート雑音推定器の推定との組み合わせにより、受信した受信電気信号に対するビート雑音の影響を低減することができる。送信光信号の各ビットパターンの事後確率の大小関係を知ることができれば、ビットパターン全てについて事後確率を演算する必要はない。また、最尤判定器が、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれるガウス雑音に対する確率密度分布と前記光電変換器からの前記受信電気信号に含まれるビート雑音に対する確率密度分布とを用いてビットパターン全ての事後確率を演算し、最大の事後確率のビットパターンを前記送信光信号のビットパターンであると最大尤度判定することとしてもよい。さらに、複数のビート雑音が発生する場合は、発生するビート雑音の数のビート雑音推定器を用意して全てのビート雑音を推定する。

従って、複数のビート雑音が同時に発生した場合でも判定性能を向上させることができる光受信方法及び光受信装置を提供することができる。また、本発明は、ビート雑音成分を推定し、確率密度分布に基づいて事後確率を求め最大尤度判定を行うため、一つの経路しかない光アクセスシステム系にも適用することができる。このため、本発明に係る光受信方法及び光受信装置は従来の光受信方法及び光受信装置よりも優れたＢＥＲ特性を得ることができる。

本発明に係る光受信方法は、前記ビート雑音推定器が、遅延子、減算器及び相関器を有しており、前記遅延子は、前記光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与え、前記減算器は、前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から前記最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力し、前記相関器は、前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値との相関関係からビート雑音を推定して前記ビート雑音推定値として出力する。

本発明に係る光受信装置は、前記光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与える遅延子と、前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から前記最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力する減算器と、前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値との相関関係からビート雑音を推定し、ビート雑音推定値として出力する相関器と、を有するビート雑音推定器を備える。

相関器が、受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号と最尤判定器が出力する信号成分推定値との相関関係からビート雑音を推定することで、ビート雑音の影響を低減できるビート雑音推定器を用いた最大尤度判定技術を提供することができる。このビート雑音推定器を用いることで判定性能を向上させた光受信方法及び光受信装置を提供することができる。

本発明に係る光受信方法は、前記ビート雑音推定器が、遅延子、減算器及びカルマンフィルタを有しており、前記遅延子は、前記光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与え、前記減算器は、前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から前記最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力し、前記カルマンフィルタは、前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値からビート雑音を推定してビート雑音推定値として出力する。

本発明に係る光受信装置は、前記光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与える遅延子と、前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から前記最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力する減算器と、前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値からビート雑音を推定し、ビート雑音推定値として出力するカルマンフィルタと、を有するビート雑音推定器を備える。

ビート雑音中の位相分布は、ガウス雑音と同様の分布（ガウス分布）になっている。このため、ビート雑音に対してｃｏｓ^−１を適用して位相成分をモデル化する。これにカルマンフィルタを使用することでビート雑音の位相成分を推定することができる。すなわち、カルマンフィルタが、受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号と最尤判定器が出力する信号成分推定値とからビート雑音を推定することで、高精度にビート雑音を推定できるビート雑音推定器を提供することができる。このビート雑音推定器を用いることで判定性能を向上させた光受信方法及び光受信装置を提供することができる。

本発明に係る光受信方法の前記送信光信号は、送信側からの送信データが周波数領域にて符号化する光符号分割多重方式で多重化されており、光分離器が、前記送信光信号を周波数成分毎に複数の光信号に分離し、前記光分離器で分離された光信号の数だけ備えられた前記光電変換器が、分離された光信号毎に光電変換して受信電気信号を出力し、前記ビート雑音推定器が、受信電気信号のビート雑音を推定し、前記最尤判定器が、受信電気信号の復号と最大尤度判定を行うことを特徴とする。

本発明に係る光受信方法は、周波数領域において符号化する光ＣＤＭ方式によって光多重伝送が行われる場合でもビート雑音の影響を低減することができる。

本発明は、ビート雑音成分を推定し、確率密度分布に基づいて事後確率を求め最大尤度判定を行うことにより、従来よりも優れたＢＥＲ特性が得られ、ビート雑音の影響を低減することが可能である。

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施の形態１）
図１に本実施形態の光受信装置の機能を説明するブロック図を示す。図１の光受信装置は、受信した送信光信号９０を光電変換して受信電気信号９１を出力する光電変換器１１と、光電変換器１１からの受信電気信号９１に含まれるビート雑音を推定し、推定したビート雑音をビート雑音推定値９３として出力するビート雑音推定器１３と、光電変換器１１からの受信電気信号９１とビート雑音推定器１３からのビート雑音推定値９３とから、事後確率が最大となるビットパターンを送信光信号９０のビットパターンであると最大尤度判定し、光電変換器１１からの受信電気信号９１に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値９２として出力する最尤判定器１２と、を備える。ビート雑音推定器１３は、光電変換器１１からの受信電気信号９１と最尤判定器１２からの信号成分推定値９２とからビート雑音推定値１３を推定する。

図１の光受信装置は、光電変換器１１が、受信した送信光信号９０を光電変換して受信電気信号９１を出力し、ビート雑音推定器１３が、光電変換器１１からの受信電気信号９１に含まれるビート雑音を推定し、推定したビート雑音をビート雑音推定値９３として出力し、最尤判定器１２が、光電変換器１１からの受信電気信号９１とビート雑音推定器１３からのビート雑音推定値９３とから、事後確率が最大となるビットパターンを送信光信号９０のビットパターンであると最大尤度判定し、光電変換器１１からの受信電気信号９１に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値９２として出力する受信方法を行う。

図１の光受信装置の動作を説明する。光通信路より伝送されてきた送信光信号９０は、光電変換器１１にて受信電気信号９１に変換される。光電変換器１１には一般的なフォトダイオード（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ：ＰＤ）などが適用される。受信電気信号９１は分離され最尤判定器１２及びビート雑音推定器１３に入力される。受信電気信号９１には信号成分の他にガウス雑音及びビート雑音が含まれる。最尤判定器１２ではこれら雑音が含まれる受信電気信号９１を、事後確率を用いて正しい信号成分だけ取り出すように最大尤度判定する。

最大尤度判定は、ガウス雑音に対する確率密度分布とビート雑音推定器１３によって推定されるビート雑音に対する確率密度分布を用いて事後確率を演算し、最も事後確率が大きくなるビットパターンを選択する判定方法である。最尤判定器１２は、選択されたビットパターンを受信電気信号９１に含まれる信号成分を推定し、信号成分推定値９２を出力する。例えば、最尤判定器１２が、光電変換器１１からの受信電気信号９１に含まれるガウス雑音に対する確率密度分布と光電変換器１１からの受信電気信号９１に含まれるビート雑音に対する確率密度分布とを用いてビットパターン全ての事後確率を演算し、最大の事後確率のビットパターンを送信光信号９０のビットパターンであると最大尤度判定することとしてもよい。

ビート雑音推定器１３は、光電変換器１１にて出力される受信電気信号９１と最尤判定器１２にて出力される信号成分推定値９２を基に、所定の方法によりビート雑音の推定を行う。図１の光受信装置は、最尤判定器１２の最大尤度判定とビート雑音推定器１３の推定との組み合わせにより、受信電気信号９１に対するビート雑音の影響を低減する。なお、複数のビート雑音が発生する場合、発生した全てのビート雑音を推定する必要があるため、受信装置は発生するビート雑音の数の分だけビート雑音推定器３１を備える。

最尤判定器１２とビート雑音推定器１３とは、各々互いの推定情報を利用しているため、初期状態では推定精度が低い、あるいは発散してしまう可能性がある。そこで初期状態の最尤判定器１２は、通信開始時に送信される固定のプリアンブルパターンを出力するものとし、ビート雑音推定器１３の精度が高くなった時点で、最大尤度判定結果の出力に切り替えるものとしてもよい。

ビート雑音推定器１３がビート雑音成分を推定し、その推定値を用いて事後確率を求め最大尤度判定するため、最尤判定器１２は受信信号が有する多くの尤度情報を事後確率の演算に取り入れることができ、高い最大尤度判定性能を有する。

次に、ビート雑音推定器１３が行うビート雑音の推定方法について説明する。図２は、図１の光受信装置のビート雑音推定器１３について詳細に示したブロック図の一例である。ビート雑音推定器１３は、光電変換器１１が出力する受信電気信号９１に時間遅延を与える遅延子２１と、遅延子２１が時間遅延した受信電気信号９１から最尤判定器１２が出力する信号成分推定値９２を減算して受信電気信号９１から信号成分を除去した雑音信号９５を出力する減算器２２と、減算器２２が出力する雑音信号９５と最尤判定器１２が出力する信号成分推定値９２との相関関係からビート雑音を推定し、ビート雑音推定値９３として出力する相関器２３と、を有する。

ビート雑音推定器１３において、遅延子２１は、光電変換器１１が出力する受信電気信号９１に時間遅延を与え、減算器２２は、遅延子２１が時間遅延した受信電気信号９１から最尤判定器１２が出力する信号成分推定値９２を減算して受信電気信号１１から信号成分を除去した雑音信号９５を出力し、相関器２３は、減算器２２が出力する雑音信号９５と最尤判定器１２が出力する信号成分推定値９２との相関関係からビート雑音を推定してビート雑音推定値９３として出力する。

さらに、ビート雑音推定器１３が有する相関器２３について説明する。図３は、図２のビート雑音推定器１３が有する相関器２３の一例を説明する接続ブロック図である。相関器２３は、最尤判定器１２から出力される信号成分推定値９２に対し、特定のビート雑音成分を取り出すために所定の方法で信号を分類する演算回路３１と、演算回路３１で分類された信号に対し、所定の条件の下で振幅を変換する信号変換器３２と、減算器２２からの雑音信号９５と信号変換器３２から出力される信号との相関を取るための乗算器３３と、乗算器３３の出力を平均化することによって、乗算器３３から出力される信号に含まれる特定のビート雑音以外の雑音成分を低減するＬＰＦ（ＬｏｗＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）３４と、を含む。

次に、最尤判定器１２で判定される信号成分の推定値が４チャネルある場合を例として相関器２３の説明をする。まず相関器２３の出力を特定のビート雑音だけにするために、演算回路３１は、発生するビート雑音の種類に基づいて、入力される信号成分推定値９２のビットパターンを３種に分類する。そして、信号変換器３２は、特定のビート雑音成分以外の雑音成分の平均が０になるよう、信号に乗算する係数を設定する。

ここで、ビート雑音成分を推定する場合について説明する。チャネルｐとチャネルｑによって発生するビート雑音をｂｐｑと表すことにする。例えば、ｂ１２は、チャネル１とチャネル２から発生するビート雑音を示している。具体的に、特定のビート雑音成分ｂ１２を推定する場合を説明する。なお、この例では強度変調を前提とし、｛１｝は光あり、｛０｝は光なしとする。４ビット信号の組み合わせのうち、ビート雑音が発生する場合を解析すると、ビート雑音は｛１｝の信号が２つ以上のチャネルで同時に存在する場合に発生するため、｛１｝の数が２、３、４と増えるごとにビート雑音の数もその相互関係より１（ｂ１２）、３（ｂ１２，ｂ１３，ｂ２３）、６（ｂ１２，ｂ１３，ｂ１４，ｂ２３，ｂ２４，ｂ３４）と増える。推定する特定のビート雑音（ｂ１２）と信号成分の推定値の相関を取るために、以下の動作ルール例を導入する。

（１）ビットパターンが｛１，１，０，０｝の場合、パターン１とする。
（２）ビットパターンが｛１，１，１，１｝の場合、パターン２とする。
（３）ビットパターンが上記（１）（２）以外の場合、パターン３とする。
（４）ビート雑音成分ｂ１２だけを取り出すために、パターン１，２，３に応じ、信号変換器３２で数式１の乗算係数に従い、振幅値を変換する。

上記のルール例を４ビット信号パターンに適用した場合、減算器２２、信号変換器３２、乗算器３３の各出力は表１のように表せる。ｘはビート雑音以外の雑音を表す。ビート雑音以外の雑音とは、例えば、ガウス雑音である。乗算器３３の出力全パターンの合計は、１６×ｂ１２となることから、｛０，１｝信号が等確率に発生することを前提として乗算器出力を平均化すると、特定のビート雑音成分ｂ１２のみが取り出され、ｂ１２以外の雑音成分は全てキャンセルされ０になる。

このように、信号成分、ガウス雑音成分、ビート雑音成分を含む信号は、ビート雑音推定器１３によってビート雑音成分のみを有する信号に変換され、ビート雑音推定が達成される。上記説明は、４チャネルの場合であるが、ｎ（ｎ≧５）チャネルの場合でも信号変換器３２の乗算係数を適切に設定することにより、特定のビート雑音を推定することができる。

次に、ビート雑音推定器１３の別の構成を説明する。図４は、図１の光受信装置におけるビート雑音推定器１３の他の構成例である。図４のビート雑音推定器１３は、光電変換器１１が出力する受信電気信号９１に時間遅延を与える遅延子２１と、遅延子２１が時間遅延した受信電気信号９１から最尤判定器１２が出力する信号成分推定値９２を減算して受信電気信号９１から信号成分を除去した雑音信号９５を出力する減算器２２と、減算器２２が出力する雑音信号９５と最尤判定器１２が出力する信号成分推定値９２からビート雑音を推定し、ビート雑音推定値９３として出力するカルマンフィルタ４１と、を有する。図４のビート雑音推定器１３と図２のビート雑音推定器１３との違いは、相関器２３の代替としてカルマンフィルタ（ＫａｌｍａｎＦｉｌｔｅｒ）４１を有することである。

カルマンフィルタ４１は、モデル化が可能な雑音に対する推定性能が高く、これを用いてビート雑音を推定することで最尤判定器１２での最大尤度判定が可能になる。例えば、非特許文献１には、カルマンフィルタでフェージングによる位相雑音の推定を行い、同期検波の性能向上が図られたことが報告されている。ここでは、ビート雑音に対してｃｏｓ^−１を適用して位相成分を取り出し、位相変動をガウス雑音でモデル化する。これにより、カルマンフィルタ４１を使用することが可能になり、ビート雑音の位相成分を高精度に推定することができる。カルマンフィルタ４１は、減算器２２から得られる信号成分を基にビート雑音成分をモデル化し、ビート雑音成分の推定値を出力する。なお、上記説明は、カルマンフィルタによるビート雑音推定の一例であり、カルマンフィルタを用いて他の方法によるビート雑音推定をすることも可能である。

（実施の形態２）
図５に第２の実施形態の受信装置を説明する接続ブロック図を示す。図５の受信装置と図１の受信装置との違いは、送信光信号９０を周波数成分毎に複数の光信号に分離する光分離器５１と、光分離器５１で分離された光信号の数の光電変換器を備えていることである。図５の受信装置では、光分離器５１が送信光信号９０を３つの光信号に分離するため、光電変換器５２ａ、光電変換器５２ｂ及び光電変換器５２ｃを備えている。

図５の受信装置は、光ＣＤＭ方式を前提とし、なかでも周波数領域において符号化する方式において、ユーザあるいはチャネル間で同一周波数を共有することから発生するビート雑音の影響低減を目的としている。

具体的には、図５の受信装置の受信方法は、送信光信号９０は、送信側からの送信データが周波数領域にて符号化する光符号分割多重方式で多重化されており、光分離器５１が、送信光信号９０を周波数成分毎に複数の光信号に分離し、光分離器５１で分離された光信号の数だけ備えられた光電変換器５２ａ〜５２ｃが、分離された光信号毎に光電変換して受信電気信号９１を出力し、ビート雑音推定器１３が、受信電気信号９１のビート雑音を推定し、最尤判定器５３が、受信電気信号９１の復号と最大尤度判定を行う。ここで、ビート雑音推定器１３は全ての受信電気信号９１のビート雑音を推定してもよく、最尤判定器５３が、全ての受信電気信号９１の復号と最大尤度判定を行ってもよい。

ここでは、例としてユーザ数を２、使用周波数の数を３とした場合について考え、送信側では、多波長光源により複数の周波数成分をもつ光を発生させ、符号器により符号に基づく周波数の光信号を透過し、変調器により強度変調された光信号が多重化され、送信されるものとする。なお、周波数軸において符号化する光ＣＤＭ方式の一例が非特許文献２にて報告されている。

光通信路より伝送されてきた送信光信号９０は、光分離器５１にて所定の周波数（波長）成分毎に分離される。光分離器５１は一般的にＷＤＭ（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）フィルタやＡＷＧ（ＡｒｒａｙＷａｖｅｇｕｉｄｅＧｒａｔｉｎｇｓ）が適用され、送信光信号９０を周波数成分毎に分離する。

送信光信号９０が周波数成分毎に分離された光信号は、光電変換器５２ａ、光電変換器５２ｂ及び光電変換器５２ｃにてそれぞれ受信電気信号９１に変換される。光電変換器５２ａ、光電変換器５２ｂ及び光電変換器５２ｃは、図１で説明した光電変換器１１と同様である。光電変換器５２ａ、光電変換器５２ｂ及び光電変換器５２ｃは二乗平均をとることで直接検波を行う。使用周波数の数をｍ、ユーザ数をｎとした場合、送信信号Ｓ_ｎ（ｔ）は数式２のように表せる。

ａ_ｎ（ｔ）はマーク｛１｝、スペース｛０｝の信号、Ａ_ｎは搬送波の電界強度、Ｃ_ｆは符号多重する際の直交符号、ω_ｉは周波数、φ_ｎは光の初期位相である。

例えば、ａ_ｎ（ｔ）Ａ_ｎをＥ_ｎとおき、使用周波数の数をｍ＝３、ユーザ数をｎ＝２として前述した二乗検波をすると、周波数成分ω_１、ω_２、ω_３の受信信号α、β、γは数式３のように表せる。

αの第１、２項、β、γの第１項は強度情報成分、αの第３項はビート雑音成分、各ｘ_ｊはガウス雑音成分である。ビート雑音は光の位相差θ_１（＝φ_２−φ_１）に依存する。また、ガウス雑音成分ｘ_ｊは、確率密度分布が下記に示すガウス関数に従うものとする。

一般的な光ＣＤＭ方式は、復号器において符号に基づき信号成分が復号され、その復号信号から判定信号を得ることができる。本実施例では、最尤判定器５３が最大尤度復号判定器であり、復号と判定を同時に行う。

光電変換器５２ａ〜５２ｃによって変換された電気信号α〜γを入力信号とする最尤判定器５３において、送信光信号として送信される送信ビットパターンに対する事後確率を演算する。ここでは、ユーザ数を２としていることから、送信ビットパターンは（０、０）、（０、１）、（１、０）、（１、１）の４種類となる。各送信ビットパターンに対する受信信号α、β、γは表２のようになり、この値から事後確率を求める。

事後確率は、ガウス雑音の確率密度分布とビート雑音の確率密度分布に基づいて計算されるが、ここではビート雑音推定器による推定値が正確であると仮定して演算を行っている。ビート雑音推定器１３の構成は相関器２３やカルマンフィルタ４１が適用できる。信号ｂ_ｊを受信したとき、信号ａ_ｉを送信している確率（事後確率）を数式５で表し、

前記ガウス関数Ｐ_ｒ（ｘ）を用いると、各送信ビットパターンに対する事後確率は数式６のように表せる。

この中から最大となるパターンを選択して判定値とする。この場合、数式７のようになる。

数式７のように、Ｐ（ｓｕｍ）は共通であることから、各パターンに対する事後確率の大小関係は表３における最大値比較項の大小関係に帰着される。この中から最大値を求めることは、表４における最小値比較項の中から最小値を求めることと同一である。その最小値パターンを判定値とする方法が本発明の受信アルゴリズムである。上記受信方法は、事後確率が最大となるビットパターンを全ての組み合わせより選択しているため、最尤判定器５３で出力される信号成分推定値が最大尤度判定されたデータとなる。結果的に、ビート雑音の影響が低減され、ＢＥＲの特性を改善することができる。

図６は、図５の光受信装置を用いた場合の、データ系列のＢＥＲ特性を示した図である。発明の効果を示すために、従来の受信方法である硬判定により信号判定した結果も合わせて示す。ビート雑音の影響を考えない場合、硬判定によるＢＥＲ特性は破線Ｒ１のようになる。ビート雑音の影響を考慮した場合、ＢＥＲ特性は破線Ｒ２のようになる。破線Ｒ１に比べＢＥＲ特性は劣化し、ビート雑音の影響が非常に大きい。一方、図５の光受信装置で説明した光受信方法を適用すると実線Ｒ３のようになる。実線Ｒ３のＢＥＲ特性は大幅に改善され、ビート雑音の影響が低減される。

このように、図５の光受信装置は、周波数領域において符号化する光ＣＤＭ方式によって光多重伝送が行われる場合でも、ビート雑音の影響を低減することが可能である。なお、本実施形態においては、ユーザ数を２、使用周波数の数を３としているが、これらの数に限定されるということはない。よって、光電変換器５２ａ〜５２ｃの数も使用周波数の数に対応して変わることになる。

複数の光信号を同時に受信する光受信装置であれば、公衆通信網、専用網、ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）等に適用することができる。

本発明に係る本実施形態の光受信装置の機能を説明するブロック図である。本発明に係る光受信装置のビート雑音推定器について詳細に示したブロック図の一例である。図２のビート雑音推定器が有する相関器の一例を説明する接続ブロック図である。本発明に係る光受信装置のビート雑音推定器について詳細に示したブロック図の他の例である。本発明に係る本実施形態の光受信装置の機能を説明するブロック図である。図５の光受信装置におけるデータ系列のＢＥＲ特性を示した図である。

符号の説明

１１：光電変換器
１２、５３：最尤判定器
１３：ビート雑音推定器
２１：遅延子
２２：減算器
２３：相関器
３１：演算回路
３２：信号変換器
３３：乗算器
３４：ＬＰＦ
４１：カルマンフィルタ
５１：光分離器
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ：光電変換器
９０：送信光信号
９１：受信電気信号
９２：信号成分推定値
９３：ビート雑音推定値
９５：雑音信号
Ｒ１、Ｒ２：破線
Ｒ３：実線

Claims

光電変換器が、受信した送信光信号を光電変換して受信電気信号を出力し、
ビート雑音推定器が、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれるビート雑音を推定し、推定したビート雑音をビート雑音推定値として出力し、
最尤判定器が、前記光電変換器からの受信電気信号と前記ビート雑音推定器からのビート雑音推定値とを用いて、前記受信電気信号に含まれる信号成分、ガウス雑音成分及びビート雑音成分の和の確率密度分布に基づく事後確率を演算し、前記事後確率が最大となるビットパターンを前記送信光信号のビットパターンであると最大尤度判定し、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値として出力する、
光受信方法であって、
前記ビート雑音推定器は、前記光電変換器からの受信電気信号と前記最尤判定器からの信号成分推定値とから前記ビート雑音推定値を推定することを特徴とする光受信方法。
前記ビート雑音推定器が、遅延子、減算器及び相関器を有しており、
前記遅延子は、前記光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与え、
前記減算器は、前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から前記最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力し、
前記相関器は、前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値との相関関係からビート雑音を推定して前記ビート雑音推定値として出力することを特徴とする請求項１に記載の光受信方法。
前記ビート雑音推定器が、遅延子、減算器及びカルマンフィルタを有しており、
前記遅延子は、前記光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与え、
前記減算器は、前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から前記最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力し、
前記カルマンフィルタは、前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値からビート雑音を推定してビート雑音推定値として出力することを特徴とする請求項１に記載の光受信方法。
前記送信光信号は、送信側からの送信データが周波数領域にて符号化する光符号分割多重方式で多重化されており、
光分離器が、前記送信光信号を周波数成分毎に複数の光信号に分離し、
前記光分離器で分離された光信号の数だけ備えられた前記光電変換器が、分離された光信号毎に光電変換して受信電気信号を出力し、
前記ビート雑音推定器が、受信電気信号のビート雑音を推定し、
前記最尤判定器が、受信電気信号の復号と最大尤度判定を行うことを特徴とする請求項１から３に記載のいずれかの光受信方法。
受信した送信光信号を光電変換して受信電気信号を出力する光電変換器と、
前記光電変換器からの受信電気信号に含まれるビート雑音を推定し、推定したビート雑音をビート雑音推定値として出力するビート雑音推定器と、
前記光電変換器からの受信電気信号と前記ビート雑音推定器からのビート雑音推定値とを用いて、前記受信電気信号に含まれる信号成分、ガウス雑音成分及びビート雑音成分の和の確率密度分布に基づく事後確率を演算し、前記事後確率が最大となるビットパターンを前記送信光信号のビットパターンであると最大尤度判定し、前記光電変換器からの受信電気信号に含まれる信号成分を推定して信号成分推定値として出力する最尤判定器と、
を備える光受信装置であって、
前記ビート雑音推定器は、前記光電変換器からの受信電気信号と前記最尤判定器からの信号成分推定値とから前記ビート雑音推定値を推定することを特徴とする光受信装置。
請求項５に記載する光受信装置が備えるビート雑音推定器であって、
前記光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与える遅延子と、
前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から前記最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力する減算器と、
前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値との相関関係からビート雑音を推定し、ビート雑音推定値として出力する相関器と、
を有することを特徴とするビート雑音推定器。
請求項５に記載する光受信装置が備えるビート雑音推定器であって、
前記光電変換器が出力する受信電気信号に時間遅延を与える遅延子と、
前記遅延子が時間遅延した受信電気信号から前記最尤判定器が出力する信号成分推定値を減算して受信電気信号から信号成分を除去した雑音信号を出力する減算器と、
前記減算器が出力する雑音信号と前記最尤判定器が出力する信号成分推定値からビート雑音を推定し、ビート雑音推定値として出力するカルマンフィルタと、
を有することを特徴とするビート雑音推定器。