JP5796888B2

JP5796888B2 - 光直交周波数分割多重伝送方式による受信装置および受信方法

Info

Publication number: JP5796888B2
Application number: JP2011147476A
Authority: JP
Inventors: ペンウェイレン; 森田　逸郎; 逸郎森田
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2011-07-01
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2031-07-01
Also published as: JP2013016980A

Description

本発明は、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）変調信号を、光搬送波と共に伝送する光通信システムの受信装置および受信方法に関する。より詳細には、非線形光学効果耐力を向上した光ＯＦＤＭ通信システムの受信装置および受信方法に関する。

ＯＦＤＭ変調技術は、送信データを複数のサブキャリアを用いて並列に伝送する方式であり、各サブキャリアのシンボルレートが比較的低くなるためシンボル間干渉に強く、デジタル地上波放送や、無線ＬＡＮ（Local Aera Network）システムで既に使用されており、光通信システムへの適用についても検討されている（例えば、非特許文献１）。

ＯＦＤＭ変調技術を長距離光通信システムへ適用する場合、その伝送距離を制限する主要因は光ファイバ伝搬中の非線形光学効果となる。これは、多数のサブキャリアを重ね合わせた時間波形は、サブキャリア信号の重ね合わさり方により変化し、瞬間的に大きなピークが発生する可能性が高くなるためである。一般的に、多数のサブキャリアを有するＯＦＤＭ信号は、単一キャリア方式と比較して、時間波形における、ピークパワーと平均パワーの比、ピーク・アベレージ・パワー比（ＰＡＰＲ：Peak Average Power Ratio）が高くなり、平均パワーを同一とした場合でも、非線形光学効果による影響が大きくなり、安定した信号特性が得られないという問題がある。

光ファイバ伝搬中の非線形光学効果の影響を低減するためには、光信号のピークパワーを低減する必要がある。また、受信装置において所望の信号特性を得るためには、受信光信号の平均パワーをある一定値以上に大きくする必要がある。信号のピークパワーと平均パワーは無関係でないため、「ピークパワーの低減」と「平均パワーの増加」の間にはトレードオフの関係がある。

信号のピークパワーと平均パワーの関係は、ＰＡＰＲで示される。平均パワーを所望値以上に維持しつつ、ピークパワーを低減するためには、ＰＡＰＲを低減する必要がある。ＰＡＰＲを低減する方法としては、波形クリッピングを用いる方法が提案されている。本方法では、出力振幅が一定値以下に制限されたフィルタ等を用いることで、信号振幅を一定値以下とする。これにより、時間波形の変化が低減され、ＰＡＰＲが低減される。しかし、信号の時間波形の一部をクリッピングすることにより、信号特性の劣化が避けらない。

一方、光ファイバ伝送路のパラメータを用いた逆スプリットステップフーリエ法を用いて、非線形光学効果の影響を抑圧する方法も提案されている（例えば、非特許文献２）。

図１は、逆スプリットステップフーリエ法を用いた既存の受信装置のブロック図を示す。ここでは、ＯＡ−ＦＦＴ（Overlap-add FFT）、分散補償部、ＯＡ−ＩＦＦＴ（Overlap-add IFFT）、および非線形補償部を繰り返すことにより、逆伝搬法で非線形光学効果の影響を抑圧していた。

Arthur JamesLowery、et al.、"Orthogonal-frequency-division multiplexing for dispersioncompensation of long-haul optical systems"、2006 Optical Society of America、OPTICSEXPRESS 2079、Vol.14 No.6、2006年3月 Liang Du、et al.、"EfficientDigital Backpropagation for PDM-CO-OFDM Optical Transmission Systems"、OpticalFiber Communications (OFC 2010), 23rd March 2010, San Diego, CA, paper OTuE2

しかしながら、既存技術では、サイクリックプリフィックス（ＣＰ）を除去する前に逆伝搬法を適用していたため、逆伝搬法のための専用のＦＦＴブロック（ＯＡ−ＦＦＴ）が必要となり、回路規模、計算量の増大が避けられなかった。

したがって、本発明は、回路規模、計算量を大幅に増加させることなく、光ファイバ伝搬中の非線形光学効果の影響を抑圧することが可能な受信装置および受信方法を提供することを目的とする。

上記目的を実現するため本発明による受信装置は、逆伝搬法を用いて非線形光学効果の影響を抑圧する光伝送システムにおける受信装置であって、受信した変調光信号を光電気変換して第１の電気信号を出力する手段と、前記第１の電気信号からサイクリックプリフィックスを除去した後の信号に対して規定の回数の逆伝搬法を適用して第２の電気信号を出力する手段と、前記第２の電気信号をＦＦＴにより周波数領域の電気信号に変換し、該電気信号からデータを復調する手段とを備え、前記逆伝搬法は前記復調する手段のＦＦＴを用いる。

また、前記第２の電気信号を出力する手段は、波長分散の補償を行う分散補償部と、ＩＦＦＴと、非線形光学効果を補償する非線形補償部とを備え、前記第１の電気信号を前記復調する手段のＦＦＴで周波数領域の電気信号に変換し、前記分散補償部で波長分散の補償を行い、前記ＩＦＦＴで時間領域の電気信号に変換し、非線形補償部で非線形光学効果を補償することを規定の回数繰り返す手段であることも好ましい。

また、前記規定の回数は、２以上であり、前記光伝送システム内のファイバのスパン数以下であることも好ましい。

上記目的を実現するため本発明による受信方法は、逆伝搬法を用いて非線形光学効果の影響を抑圧する光伝送システムにおける受信方法において、受信した変調光信号を光電気変換して第１の電気信号を出力するステップと、前記第１の電気信号からサイクリックプリフィックスを除去した後の信号に対して規定の回数の逆伝搬法を適用して第２の電気信号を出力するステップと、前記第２の電気信号をＦＦＴにより周波数領域の電気信号に変換し、該電気信号からデータを復調するステップとを備え、前記逆伝搬法は前記復調するステップのＦＦＴを用いる。

本発明は、光ＯＦＤＭ伝送システムにおける受信装置でのＣＰ除去の後に非線形光学効果の影響を抑圧する逆伝搬法を適用する。これにより、本来、光ＯＦＤＭ信号受信のために必要なＦＦＴブロックと逆伝搬計算に必要なＦＦＴブロックを共通化することが可能となり、回路規模・計算量の減少することを可能とする。

逆スプリットステップフーリエ法を用いた既存の受信装置のブロック図を示す。本発明の受信装置のブロック図を示す。本発明の受信装置の有効性を評価する実験系を示す。図３の実験系において、従来法と本発明の効果を比較した結果を示す。

本発明を実施するための最良の実施形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。図２は、本発明の受信装置のブロック図を示す。本発明の受信装置は、同期部１１と、位相雑音補償部１２と、ＣＰ除去部１３と、ＦＦＴ１４と、分散補償部１５と、ＩＦＦＴ１６と、非線形補償部１７と、Ｃｈ推定部１８と、ＭＩＭＯ等化器１９とを備えている。

同期部１１は、ＯＦＤＭシンボル同期を行い、受信信号から復調を行う箇所を検出する。位相雑音補償部１２は、光源の周波数揺らぎ等により発生する位相雑音を補償する。ＣＰ除去部１３は、マルチパスフェージングの影響を避けるため設けられ、ＣＰ（サイクリックプリフィックス）を除去する。

ＦＦＴ１４は、受信信号を時間領域から周波数領域に変換する。これは、以下の波長分散（ＣＤ）の補償は、周波数領域で行った方が効率的であるためである。分散補償部１５は、波長分散の補償を行う。ＩＦＦＴ１６は信号を再度時間領域に戻す。非線形補償部１７は、非線形光学効果を補償する。

本実施形態では、ＣＰ除去部１３によるＣＰ除去後に、ＦＦＴ１４と、分散補償部１５と、ＩＦＦＴ１６と、非線形補償部１７による逆伝搬法が繰り返し適用される。光ファイバ伝送路のパラメータを用いた逆スプリットステップフーリエ法を用いて、非線形光学効果の影響を抑圧するため、光ファイバのスパン数分繰り返しが行われることが望ましい。しかしながら、計算量を減少させるために、繰り返し回数を制限することも可能である。例えば、１０スパンの光ファイバで構成される通信システムでは、光ファイバ伝送路のパラメータを用いて、逆伝搬法を１０回繰り返し、非線形光学効果の影響を抑圧することが望ましいが、繰り返し回数を２回に制限することもできる。

ＦＦＴ１４から非線形補償部１７の繰り返しによる逆伝搬法が行われた後、再度ＦＦＴ１４を用いて周波数領域のデータへと戻され、このデータが復調器により２進数のデータへと変換される。

本実施形態では、偏波多重ＯＦＤＭを用いているため、Ｃｈ推定部１８は、偏波の混合比を示すチャネル伝達関数を推定し、チャネル伝達関数を用いて、ＭＩＭＯ等化器１９が偏波分散を行う。

図３は、本発明の受信装置の有効性を評価する実験系を示す。送信装置から送信された光信号は、３スパンの８０ｋｍのシングルモード光ファイバをスイッチにより４回ループさせ、９６０ｋｍ伝送後、受信装置に送られる。６ＧＨｚの信号帯域幅で１６ＱＡＭを用いているため、伝送速度は１つの偏波で２１．４Ｇｂ／ｓになる。本実験系では、偏波多重分離方式により、２つの偏波を用いるため、全体の伝送速度は４２．８Ｇｂ／ｓになる。

図４は、図３の実験系において、従来法と本発明の効果を比較した結果を示す。本図は、ファイバ入力パワー（Launch Power）対信号特性（Ｑ値）の特性を示す。Ｑ値は、値が大きいほど信号品質がよい（符号誤りが少ない）ことを示す。なお、Ｓ／ｓは１秒間のサンプル数を表す。多い方がアナログ波形を忠実に再現する。例えば、本実験系の２１．４Ｇｂ／ｓ（１偏波）では、２０ＧＳ／ｓが最適なサンプル数である。

図４でＮｏＢＰは、非線形光学効果に対する対処を行わない場合を示す。この場合、ファイバ入力パワーを大きくしていくとある段階（−２ｄＢｍ）までは、Ｑ値も同時に大きくなるが、−２ｄＢｍを超えると、非線形光学効果による影響により、Ｑ値が急激に下がる。

図４（ａ）は、逆伝搬をファイバのスパン数分１２回繰り返した結果を示す。非線形光学効果に対する対処を行った従来法および本発明では、０ｄＢｍまでＱ値が大きくなり、さらに０ｄＢｍを超えても、急激に下がらない。また、従来法と本発明を比べると、本発明は従来法よりわずかにＱ値が低いだけで、本発明の構成で非線形光学効果の影響を十分抑圧できることが分かる。

図４（ｂ）は、逆伝搬の繰り返し回数を変化させた場合の結果を示す。繰り返し回数を２回に制限した場合（４８０ｋｍ／ｓｔｅｐ）では、従来法および本発明の両方とも１２回繰り返した結果（８０ｋｍ／ｓｔｅｐ）とほぼ同じＱ値を示し、逆伝搬を２回適用するだけでも非線形光学効果の影響を十分抑圧できることが分かる。ただし、１回に制限した場合（９６０ｋｍ／ｓｔｅｐ）では、従来法および本発明の両方ともＱ値の大幅な低下が見られる。

以上のように、本発明では、従来法のようにＦＦＴを２つ用いることなく、ＦＦＴを共通利用することにより、１つにして回路規模を減少させているが、従来法と同程度に非線形光学効果の影響を抑圧できる。

上記実施形態は、ＯＦＤＭ変調方式について説明したが、ＦＦＴを使用する変調方式であれば、他の信号変調方式にも適用可能である。

また、以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様および変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲およびその均等範囲によってのみ規定されるものである。

１１同期部
１２位相雑音補償部
１３ＣＰ除去部
１４ＦＦＴ
１５分散補償部
１６ＩＦＦＴ
１７非線形補償部
１８Ｃｈ推定部
１９ＭＩＭＯ等化器

Claims

逆伝搬法を用いて非線形光学効果の影響を抑圧する光伝送システムにおける受信装置であって、
受信した変調光信号を光電気変換して第１の電気信号を出力する手段と、
前記第１の電気信号からサイクリックプリフィックスを除去した後の信号に対して規定の回数の逆伝搬法を適用して第２の電気信号を出力する手段と、
前記第２の電気信号をＦＦＴにより周波数領域の電気信号に変換し、該電気信号からデータを復調する手段と、
を備え、前記逆伝搬法は前記復調する手段のＦＦＴを用いることを特徴とする受信装置。
前記第２の電気信号を出力する手段は、
波長分散の補償を行う分散補償部と、ＩＦＦＴと、非線形光学効果を補償する非線形補償部とを備え、
前記第１の電気信号を前記復調する手段のＦＦＴで周波数領域の電気信号に変換し、前記分散補償部で波長分散の補償を行い、前記ＩＦＦＴで時間領域の電気信号に変換し、非線形補償部で非線形光学効果を補償することを規定の回数繰り返す手段であることを特徴とする請求項１に記載の受信装置。
前記規定の回数は、２以上であり、前記光伝送システム内のファイバのスパン数以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の受信装置。
逆伝搬法を用いて非線形光学効果の影響を抑圧する光伝送システムにおける受信方法において、
受信した変調光信号を光電気変換して第１の電気信号を出力するステップと、
前記第１の電気信号からサイクリックプリフィックスを除去した後の信号に対して規定の回数の逆伝搬法を適用して第２の電気信号を出力するステップと、
前記第２の電気信号をＦＦＴにより周波数領域の電気信号に変換し、該電気信号からデータを復調するステップと、
を備え、前記逆伝搬法は前記復調するステップのＦＦＴを用いることを特徴とする受信方法。