デジタルコヒーレント受信器および受信方法
【課題】受信品質を向上させること。
【解決手段】フロントエンド１０は、信号光と局発光とを用いて光電変換する。ＡＤ変換器１４１，１４２は、フロントエンド１０の出力をデジタル信号に変換する。デジタル信号処理部１５０は、ＡＤ変換器１４１，１４２によって変換されたデジタル信号のスペクトラム重心を算出する。デジタル信号処理部１５０は、算出したスペクトラム重心に基づいてデジタル信号の周波数オフセットを推定する。デジタル信号処理部１５０は、推定した周波数オフセットに基づいてデジタル信号の周波数オフセットを小さくする。
【解決手段】フロントエンド１０は、信号光と局発光とを用いて光電変換する。ＡＤ変換器１４１，１４２は、フロントエンド１０の出力をデジタル信号に変換する。デジタル信号処理部１５０は、ＡＤ変換器１４１，１４２によって変換されたデジタル信号のスペクトラム重心を算出する。デジタル信号処理部１５０は、算出したスペクトラム重心に基づいてデジタル信号の周波数オフセットを推定する。デジタル信号処理部１５０は、推定した周波数オフセットに基づいてデジタル信号の周波数オフセットを小さくする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を受信するデジタルコヒーレント受信器および受信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットにおけるトラフィックの増大により、幹線系の光通信システムの大容量化が求められており、１波長あたり１００［Ｇｂｉｔ／ｓ］を超える信号を伝送可能な光送受信器の研究開発が行われている。１波長あたりのビットレートを大きくすると、ＯＳＮＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ：光信号対雑音比）耐力の低下や、伝送路の波長分散、偏波モード分散もしくは非線形効果などによる波形歪による信号品質の劣化が大きくなる。
【０００３】
このため、近年、ＯＳＮＲ耐力および伝送路の波形歪耐力があるデジタルコヒーレント受信方式が検討されている。従来の光強度のオン／オフを２値信号に割り当てて直接検波する方式に対して、デジタルコヒーレント受信方式では、光強度と位相情報をコヒーレント受信方式により抽出する。そして、抽出された強度と位相情報をＡＤ（Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ）変換器により量子化し、デジタル信号処理部によって復調を行う。
【０００４】
デジタルコヒーレント受信器の利点の一つとして、送信光源と局部発信光源の周波数および位相を受信光に対して同期させるメカニズムをデジタル信号処理として実装できるという利点が挙げられる。これにより、実現難度の高い光ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）を実装しなくても送信光源と局部発信光源の周波数および位相を受信光に対して同期させることができる。
【０００５】
一般的な波長多重用光源を用いる場合は、送信器側の光源と受信器側のＬＯ光源（Ｌｏｃａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）との間には、波長確度の範囲内で光周波数のズレ（周波数オフセット）が発生し得る。一般的な波長多重用光源の場合は、この周波数オフセットは最大で数［ＧＨｚ］程度となる可能性がある。
【０００６】
一例として、ＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ：四位相偏移変調）の信号を受信する場合について説明する。周波数オフセットが十分小さい場合は、ある短時間にわたって観測した信号コンスタレーションには、位相ズレによる静的回転のみが観測される。一方、周波数オフセットが大きい場合は、周波数オフセットによって観測時間内にコンスタレーションが回転するため、そのままではＱＰＳＫ信号の処理および識別が困難になる。このため、周波数オフセットの補償が用いられる。以後、送信光源とＬＯ光源の周波数差だけでなく、周波数オフセットに起因する位相回転も周波数オフセットと呼ぶ。
【０００７】
周波数オフセットの補償のためには、たとえば、オフセット推定回路により周波数オフセットを推定し、推定した周波数オフセットの分だけコンスタレーションをデジタル回路内で逆回転させる。オフセット推定回路の例としては、たとえばｍ値のＰＳＫ信号をｍ乗することにより、複素電界情報から符号化成分と雑音成分を除去し、周波数オフセットの成分を抽出する技術が知られている（たとえば、下記非特許文献１参照。）。また、信号の仮判定を行い、仮判定の結果を差し引いて符号化成分を除去し、周波数オフセットの推定範囲を拡大する技術が知られている（たとえば、下記非特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ａ．Ｌｅｖｅｎ ｅｔ ａｌ．“Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｉｎ Ｉｎｔｒａｄｙｎｅ Ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ”，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．６，ｐ．５６６−３６８，２００７年３月
【非特許文献２】Ｈ．Ｎａｋａｓｈｉｍａ ｅｔ ａｌ．“Ｎｏｖｅｌ Ｗｉｄｅ−ｒａｎｇｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｆｆｓｅｔ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ Ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｗｉｔｈ Ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ”，３４ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（ＥＣＯＣ２００８），Ｍｏ．３．Ｄ．４，２００８年９月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した従来技術では、周波数オフセットの推定回路には引き込みレンジの制限があり、引き込みレンジ外の周波数オフセットを精度よく推定することができない。このため、周波数オフセットを精度よく補償することができず、受信品質が低下するという問題がある。これに対して、差動デコードを用いることが考えられるが、差動デコードを用いると受信雑音耐力が低下するという問題がある。
【００１０】
開示のデジタルコヒーレント受信器および受信方法は、上述した問題点を解消するものであり、受信品質を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、開示技術は、信号光と局発光とを用いて光電変換するフロントエンドと、前記フロントエンドの出力をデジタル信号に変換する変換部と、前記変換部によって変換されたデジタル信号のスペクトラム重心を算出する算出部と、前記算出部によって算出されたスペクトラム重心に基づいて前記デジタル信号の周波数オフセットを推定する推定部と、前記推定部によって推定された周波数オフセットに基づいて前記デジタル信号の周波数オフセットを小さくする調整部と、を備えることを要件とする。
【発明の効果】
【００１２】
開示のデジタルコヒーレント受信器および受信方法によれば、受信品質を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１にかかるデジタルコヒーレント受信器の構成例を示す図である。
【図２】実施の形態１にかかる光位相ハイブリッド回路の概念図である。
【図３】実施の形態１にかかるデジタル信号処理部の構成例を示す図である。
【図４】信号のスペクトラムの一例を示す図である。
【図５】実施の形態１にかかるオフセット推定部の構成例を示す図である。
【図６】周波数オフセットとオフセット推定値の関係を示すグラフである。
【図７】実施の形態２にかかるオフセット推定部の構成例を示す図である。
【図８】実施の形態２にかかるオフセット推定部の変形例を示す図である。
【図９】実施の形態３にかかるデジタル信号処理部の構成例を示す図である。
【図１０】電気帯域が信号帯域に比べて十分広い場合のスペクトラムの一例を示す図である。
【図１１】電気帯域が信号帯域に比べて狭い場合のスペクトラムの一例を示す図である。
【図１２】周波数オフセットとオフセット推定値との関係を示すグラフである。
【図１３】記憶部に記憶される補正情報の一例を示す図である。
【図１４】実施の形態４にかかるデジタル信号処理部の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照して、開示技術の好適な実施の形態を詳細に説明する。開示技術は、デジタルコヒーレント受信器において、デジタル変換した信号のスペクトラム重心を用いることで、信号光と局発光との間の周波数オフセットを精度よく補償し、受信品質を向上させる。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかるデジタルコヒーレント受信器の構成例を示す図である。図１に示すように、実施の形態１にかかるデジタルコヒーレント受信器１００は、局発光源１１０と、光位相ハイブリッド回路１２０と、光電変換素子１３１，１３２と、ＡＤ変換器１４１，１４２と、デジタル信号処理部１５０と、を備えている。デジタルコヒーレント受信器１００は、たとえばＱＰＳＫの信号光を受信する。
【００１６】
局発光源１１０、光位相ハイブリッド回路１２０および光電変換素子１３１，１３２を含むフロントエンド１０は、デジタルコヒーレント受信器１００が受信する信号光と、局発光と、を混合して光電変換するフロントエンドである。具体的には、局発光源１１０は、局発光を生成し、生成した局発光を光位相ハイブリッド回路１２０へ出力する。局発光源１１０は、たとえばＩＴＬＡである。
【００１７】
光位相ハイブリッド回路１２０は、信号光と、局発光源１１０から出力された局発光と、を混合することによって、光信号の光強度や位相を示す複素電界を抽出する。光位相ハイブリッド回路１２０は、抽出した複素電界の実部に応じた強度の光（Ｉ信号）を光電変換素子１３１へ出力する。また、光位相ハイブリッド回路１２０は、抽出した複素電界の虚部に応じた強度の光（Ｑ信号）を光電変換素子１３２へ出力する。光位相ハイブリッド回路１２０の構成については、たとえば図２によって後述する。
【００１８】
光電変換素子１３１は、光位相ハイブリッド回路１２０から出力された光Ｉ信号を光電変換し、光電変換したＩ信号をＡＤ変換器１４１へ出力する。光電変換素子１３２は、光位相ハイブリッド回路１２０から出力されたＱ信号を光電変換し、光電変換したＱ信号をＡＤ変換器１４２へ出力する。光電変換素子１３１および光電変換素子１３２のそれぞれは、たとえばフォトダイオード（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）である。
【００１９】
ＡＤ変換器１４１，１４２は、フロントエンド１０の出力をデジタル信号に変換する変換部である。具体的には、ＡＤ変換器１４１は、光電変換素子１３１から出力されたＩ信号を、所定のサンプリング周波数によって標本化することでデジタル信号に変換する。ＡＤ変換器１４２は、光電変換素子１３２から出力されたＱ信号を、所定のサンプリング周波数によって標本化することでデジタル信号に変換する。ＡＤ変換器１４１，１４２のそれぞれは、デジタル信号に変換した信号をデジタル信号処理部１５０へ出力する。
【００２０】
デジタル信号処理部１５０は、ＡＤ変換器１４１，１４２から出力されたＩ信号およびＱ信号のデジタル処理を行うことで信号光を識別する。デジタル信号処理部１５０は、信号光の識別結果を出力する。デジタル信号処理部１５０の構成については、たとえば図３によって後述する。
【００２１】
図２は、実施の形態１にかかる光位相ハイブリッド回路の概念図である。図２に示すように、光位相ハイブリッド回路１２０は、分岐部１２１，１２２と、９０°位相シフト部１２３と、干渉部１２４，１２５と、を備えている。分岐部１２１には光信号が入力される。分岐部１２１は入力された信号光を分岐し、分岐した各信号光をそれぞれ干渉部１２４および干渉部１２５へ出力する。
【００２２】
分岐部１２２には局発光源１１０からの局発光が入力される。分岐部１２２は、入力された局発光を分岐し、分岐した各局発光をそれぞれ干渉部１２４および９０°位相シフト部１２３へ出力する。９０°位相シフト部１２３は、分岐部１２２から出力された局発光の位相を９０°シフトさせる。９０°位相シフト部１２３は、位相をシフトさせた局発光を干渉部１２５へ出力する。
【００２３】
干渉部１２４は、分岐部１２１から出力された信号光と、分岐部１２２から出力された局発光と、を干渉させる。干渉部１２４は、干渉させた光をＩ信号として光電変換素子１３１へ出力する。干渉部１２５は、分岐部１２１から出力された信号光と、９０°位相シフト部１２３から出力された局発光と、を干渉させる。干渉部１２５は、干渉させた光をＱ信号として光電変換素子１３２へ出力する。
【００２４】
図３は、実施の形態１にかかるデジタル信号処理部の構成例を示す図である。図３に示すように、デジタル信号処理部１５０は、フーリエ変換部１５１と、重心算出部１５２と、オフセット推定部１５３と、オフセット補償部１５４と、位相推定部１５５と、識別判定部１５６と、を備えている。デジタル信号処理部１５０には、たとえば、ＡＤ変換器１４１から出力されたＩ信号を実部とし、ＡＤ変換器１４２から出力されたＱ信号を虚部とした複素数の信号が入力される。
【００２５】
フーリエ変換部１５１および重心算出部１５２は、ＡＤ変換器１４１，１４２によって変換された信号のスペクトラム重心を算出する算出部である。具体的には、フーリエ変換部１５１は、デジタル信号処理部１５０へ入力された信号をフーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）する。フーリエ変換部１５１は、フーリエ変換により得られたスペクトラムを重心算出部１５２へ出力する。
【００２６】
重心算出部１５２は、フーリエ変換部１５１から出力されたスペクトラムの重心であるスペクトラム重心を算出する。スペクトラム重心は、たとえば、スペクトラムにおいて信号が分布している周波数範囲の中央の周波数である。重心算出部１５２は、たとえば下記（１）式によってスペクトラム重心を算出する。
【００２７】
【数１】
【００２８】
上記（１）式において、ｉは、スペクトラムの周波数を示すインデックスである。Ｐ（ｉ）は、インデックスｉが示す周波数におけるスペクトラムのパワーである。Ｎは、フーリエ変換部１５１におけるフーリエ変換のＦＦＴサイズである。Δは、ｆｓ／（Ｎ−１）である。ｆｓは、ＡＤ変換器１４１，１４２におけるサンプリング周波数である。ｆｂは、デジタルコヒーレント受信器１００が受信する信号光のボーレートである。重心算出部１５２は、算出したスペクトラム重心をオフセット推定部１５３へ出力する。
【００２９】
オフセット推定部１５３は、重心算出部１５２から出力されたスペクトラム重心に基づいて、デジタル信号処理部１５０へ入力された信号の周波数オフセットを推定する。オフセット推定部１５３は、周波数オフセットの推定結果を示すオフセット推定値をオフセット補償部１５４へ出力する。オフセット推定部１５３の構成については、たとえば図５によって後述する。
【００３０】
オフセット補償部１５４（調整部）は、オフセット推定部１５３から出力されたオフセット推定値に基づいて、デジタル信号処理部１５０へ入力された信号の周波数オフセットを補償する。たとえば、オフセット補償部１５４は、オフセット推定部１５３から出力されたオフセット推定値の逆特性を与えることで信号の周波数オフセットの補償を行う。ただし、オフセット補償部１５４による周波数オフセットの補償は、周波数オフセットを０にする場合に限らず、周波数オフセットを小さくするものであればよい。オフセット補償部１５４は、周波数オフセットを補償した信号を位相推定部１５５へ出力する。
【００３１】
位相推定部１５５は、オフセット補償部１５４から出力された信号に対して、デジタルコヒーレント受信器１００が受信した信号光と、局発光源１１０の局発光と、の間の位相差を推定して補償する。位相推定部１５５は、位相差を補償した信号を識別判定部１５６へ出力する。識別判定部１５６は、位相推定部１５５から出力された信号を識別する。識別判定部１５６は、識別結果を出力する。
【００３２】
図４は、信号のスペクトラムの一例を示す図である。図４の横軸は、周波数およびインデックスｉを示している。インデックスｉは、周波数に対応するインデックスである。具体的には、インデックスｉの−Ｎ／２＋１〜Ｎ／２は、それぞれ周波数−ｆｓ／２＋Δ〜ｆｓ／２に対応している。図４の縦軸は、周波数成分のパワーＰを示している。スペクトラム４００は、フーリエ変換部１５１から出力されたスペクトラムである。
【００３３】
スペクトラム重心４０１は、重心算出部１５２によって算出されるスペクトラム重心である。スペクトラム重心４０１は、周波数オフセットの大きさに応じて０からずれる。したがって、オフセット推定部１５３は、スペクトラム重心４０１に基づいて周波数オフセットを推定することで、周波数オフセットを効率良く推定することができる。
【００３４】
図５は、実施の形態１にかかるオフセット推定部の構成例を示す図である。図５に示すように、オフセット推定部１５３は、偏角算出部５０１と、減算部５０２と、仮判定部５０３と、減算部５０４と、遅延部５０５と、減算部５０６と、ループフィルタ５０７と、加算部５０８と、遅延部５０９と、初期値設定部５１０と、を備えている。
【００３５】
図５に示すオフセット推定部１５３は、入力された信号の周波数オフセットを再帰的に推定する。すなわち、オフセット推定部１５３は、周波数オフセットの算出結果（ループフィルタ５０７の出力）をフィードバックしながら周波数オフセットを推定する。
【００３６】
オフセット推定部１５３へ入力された信号は、偏角算出部５０１へ入力される。偏角算出部５０１は、入力された複素数の信号が示す位相角を算出する。偏角算出部５０１は、算出した位相角を示す信号を減算部５０２および減算部５０４へ出力する。減算部５０２は、偏角算出部５０１から出力された信号から、遅延部５０９から出力された信号を減算する。減算部５０２は、減算結果を仮判定部５０３へ出力する。
【００３７】
仮判定部５０３は、減算部５０２から出力された減算結果に基づいて信号を仮判定（識別）する。仮判定部５０３は、仮判定結果を示す信号を減算部５０４へ出力する。減算部５０４は、偏角算出部５０１から出力された信号から、仮判定部５０３から出力された信号を減算する。減算部５０４は、減算結果を示す信号を、遅延部５０５、減算部５０６および加算部５０８へ出力する。
【００３８】
遅延部５０５は、減算部５０４から出力された信号を１シンボル遅延させる。遅延部５０５は、遅延させた信号を減算部５０６へ出力する。減算部５０６は、遅延部５０５から出力された信号から、減算部５０４から出力された信号を減算する。減算部５０６は、減算結果を示す信号をループフィルタ５０７へ出力する。
【００３９】
ループフィルタ５０７は、減算部５０６から出力される信号を平均化する。たとえば、ループフィルタ５０７は、たとえば無限インパルス応答を有するＩＩＲ（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタである。ループフィルタ５０７は、平均化した信号をオフセット推定値として出力する。また、ループフィルタ５０７は、平均化した信号を加算部５０８へ出力する。
【００４０】
加算部５０８は、減算部５０４から出力された信号と、ループフィルタ５０７から出力された信号と、を加算する。加算部５０８は、加算結果を示す信号を遅延部５０９へ出力する。遅延部５０９は、加算部５０８から出力された信号を１シンボル遅延させる。遅延部５０９は、遅延させた信号を減算部５０２へ出力する。
【００４１】
初期値設定部５１０は、重心算出部１５２から出力されたスペクトラム重心を、ループフィルタ５０７から出力される信号の初期値として設定する。このように、オフセット推定部１５３は、重心算出部１５２によって算出されたスペクトラム重心を初期値として、入力された信号の周波数オフセットを再帰的に推定する。
【００４２】
偏角算出部５０１から出力される時刻ｔ＋１の信号は位相角θ（ｔ＋１）を示す。位相角θ（ｔ＋１）は、θｄ（ｔ＋１）＋θｆｏ（ｔ＋１）＋θＰＮ（ｔ＋１）によって示すことができる。θｄ（ｔ＋１）は変調成分を示している。θｆｏ（ｔ＋１）は周波数オフセットに起因する位相回転量を示している。θＰＮ（ｔ＋１）は位相雑音を示している。
【００４３】
また、仮判定部５０３から出力される信号は、変調成分の仮判定結果を示しているため、ほぼθｄ（ｔ＋１）となる。このため、減算部５０４から出力される信号は、θｆｏ（ｔ＋１）＋θＰＮ（ｔ＋１）によって示すことができる。また、遅延部５０５から出力される信号は、θｆｏ（ｔ）＋θＰＮ（ｔ）によって示すことができる。
【００４４】
したがって、減算部５０６から出力される信号は、θｆｏ（ｔ＋１）−θｆｏ（ｔ）＋θＰＮ（ｔ＋１）−θＰＮ（ｔ）によって示すことができる。θＰＮ（ｔ＋１）＝θＰＮ（ｔ）と見なすと、減算部５０６から出力される信号は、Δｆｏ＝θｆｏ（ｔ＋１）−θｆｏ（ｔ）によって示すことができる。Δｆｏは、シンボル間の位相回転量の変化量であるため、周波数オフセットを示す。ループフィルタ５０７は、周波数オフセットΔｆｏを平均化することによってオフセット推定値を得ることができる。
【００４５】
また、加算部５０８から出力される信号は、θｆｏ（ｔ＋１）＋θＰＮ（ｔ＋１）＋Δｆｏとなる。したがって、遅延部５０９から出力される信号は、θｆｏ（ｔ）＋θＰＮ（ｔ）＋Δｆｏとなる。ここで、θｆｏ（ｔ）＝θｆｏ（ｔ＋１）−Δｆｏである。また、θＰＮ（ｔ）＝θＰＮ（ｔ＋１）と見なすことができる。このため、遅延部５０９から出力される信号は、θｆｏ（ｔ＋１）＋θＰＮ（ｔ＋１）となる。したがって、減算部５０２から出力される信号は、変調成分θｄ（ｔ＋１）となる。
【００４６】
図６は、周波数オフセットとオフセット推定値の関係を示すグラフである。図６において、横軸は実際の周波数オフセット［ＧＨｚ］を示している。縦軸はオフセット推定部１５３から出力されるオフセット推定値を示している。関係６０１は、ループフィルタ５０７の出力の初期値が固定値（たとえば０）と仮定した場合における、実際の周波数オフセットとオフセット推定値の関係を参考として示している。
【００４７】
ループフィルタ５０７の出力の初期値を固定値とした場合（図６では０ＧＨｚとした）は、初期値と実際の周波数オフセットの差が大きくなると、周波数オフセットによる位相変化が位相変調による値の変化として誤認識される。このため、オフセット推定部１５３から出力されるオフセット推定値は、実際の周波数オフセットに対して周期的に変化する。このため、実際の周波数オフセットを正確に推定することができない。
【００４８】
関係６０２は、ループフィルタ５０７の出力の初期値にスペクトラム重心を設定した場合における、実際の周波数オフセットに対するオフセット推定値の特性を示している。ループフィルタ５０７の出力の初期値にスペクトラム重心を設定することで、初期値を常に引き込みレンジ内にすることができるため、オフセット推定部１５３から出力されるオフセット推定値によって実際の周波数オフセットを得ることができる。
【００４９】
このように、実施の形態１にかかるデジタルコヒーレント受信器１００によれば、信号のスペクトラム重心を用いて周波数オフセットを推定することができる。具体的には、周波数オフセットを再帰的に推定するオフセット推定部１５３において信号のスペクトラム重心を初期値として設定することで、信号光の受信時の周波数オフセットによらず、周波数オフセットを精度よく推定することができる（たとえば図６の関係６０２を参照）。
【００５０】
このため、周波数オフセットを精度よく補償し、受信品質を向上させることができる。また、周波数オフセットの引き込みレンジを拡大することができる。たとえば、差動デコードを用いなくても周波数オフセットの引き込みレンジを拡大することができる。このため、受信雑音耐力特性の低下を抑えつつ、受信品質を向上させることができる。
【００５１】
また、周波数オフセットを再帰的に推定するオフセット推定部１５３において信号のスペクトラム重心を初期値として設定することで、周波数オフセットの推定結果を短時間で収束させることができる。このため、デジタルコヒーレント受信器１００の立ち上げ時間を短縮することができる。
【００５２】
（実施の形態２）
実施の形態２にかかるデジタルコヒーレント受信器１００において、実施の形態１にかかるデジタルコヒーレント受信器１００と同様の部分については説明を省略する。
【００５３】
図７は、実施の形態２にかかるオフセット推定部の構成例を示す図である。図７に示すように、実施の形態２にかかるデジタルコヒーレント受信器１００のオフセット推定部１５３は、遅延部７０１と、複素共役算出部７０２と、乗算部７０３と、累乗部７０４と、平均化部７０５と、偏角算出部７０６と、変換部７０７と、商演算部７０８と、演算部７０９と、加算部７１０と、を備えている。図７に示すオフセット推定部１５３は、入力された信号に基づいて算出した周波数オフセットを、重心算出部１５２によって算出されたスペクトラム重心に基づいて補正することで周波数オフセットを推定する。
【００５４】
オフセット推定部１５３へ入力された信号（複素数）は、遅延部７０１および乗算部７０３へ入力される。遅延部７０１は、入力された信号を１シンボル遅延させ、遅延させた信号を複素共役算出部７０２へ出力する。複素共役算出部７０２は、遅延部７０１から出力された信号の複素共役を算出し、算出した複素共役を乗算部７０３へ出力する。
【００５５】
乗算部７０３は、オフセット推定部１５３へ入力された信号と、複素共役算出部７０２から出力された複素共役と、を乗算する。乗算部７０３による乗算結果は、オフセット推定部１５３へ入力された信号のシンボル間の位相差（位相回転量）を示す。ただし、乗算部７０３による乗算結果が示す位相回転量には、信号の変調成分による位相回転量と、周波数オフセットによる位相回転量と、が含まれている。乗算部７０３は、乗算結果を示す信号を累乗部７０４へ出力する。
【００５６】
累乗部７０４は、乗算部７０３から出力された信号をｍ乗する。ｍは、信号の１シンボルが示す値の数である。たとえば信号の変調方式がＱＰＳＫである場合は、累乗部７０４は信号を４乗する。これにより、乗算部７０３から出力された信号が示す位相回転量から、信号の変調成分による位相回転量を除去することができる。このため、累乗部７０４がｍ乗した信号は、周波数オフセットによる位相回転量（実際の位相回転量のｍ倍）を示す。累乗部７０４は、ｍ乗した信号を平均化部７０５へ出力する。
【００５７】
平均化部７０５は、累乗部７０４から出力された信号をＮサンプルずつ加算する。これにより、累乗部７０４から出力された信号の雑音を除去することができる。平均化部７０５は、加算結果を示す信号を偏角算出部７０６へ出力する。偏角算出部７０６は、平均化部７０５から出力された複素数の信号の偏角を算出し、算出した偏角をｍで除算する。これにより、周波数オフセットを得ることができる。偏角算出部７０６は、算出した周波数オフセットをオフセット推定値として加算部７１０へ出力する。
【００５８】
変換部７０７には、重心算出部１５２から出力されたスペクトラム重心が入力される。変換部７０７は、入力されたスペクトラム重心を１シンボル時間の位相回転量に変換する。変換部７０７は、変換した位相回転量ｘを商演算部７０８へ出力する。商演算部７０８は、変換部７０７から出力された位相回転量ｘにπ／ｍを加算した値を２π／ｍによって除算した商の整数部を演算する（ＦＬＯＯＲ（（ｘ＋π／ｍ）／（２π／ｍ）））。商演算部７０８は、演算結果を示す信号ｉを演算部７０９へ出力する。
【００５９】
演算部７０９は、商演算部７０８から出力された信号ｉに基づいて、−１＊（２π／ｍ）＊ｉを演算する。演算部７０９は、演算結果をオフセット推定値の補正値として加算部７１０へ出力する。加算部７１０は、偏角算出部７０６から出力されたオフセット推定値と、偏角算出部７０６から出力された補正値と、を加算する。加算部７１０は、補正値を加算したオフセット推定値を出力する。
【００６０】
これにより、オフセット推定部１５３は、ｍ値のＰＳＫにおいて、スペクトラム重心によって推定される周波数オフセットに基づいて推定したオフセット推定値を補正することができる。このため、実際の周波数オフセットが推定範囲よりも大きくなり、実際の周波数オフセットに対してオフセット推定値が周期的に変化しても（たとえば図６の関係６０１を参照）、正確に周波数オフセットを推定することができる。
【００６１】
図８は、実施の形態２にかかるオフセット推定部の変形例を示す図である。図８において、図５，図７に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図８に示すように、オフセット推定部１５３は、図５に示したオフセット推定部１５３の構成に加えて、変換部７０７と、商演算部７０８と、演算部７０９と、加算部７１０と、を備えていてもよい。この場合は、図５に示した初期値設定部５１０は省いてもよい。
【００６２】
ループフィルタ５０７はオフセット推定値を加算部７１０へ出力する。加算部７１０は、ループフィルタ５０７から出力されたオフセット推定値と、演算部７０９から出力された補正値と、を加算する。これにより、オフセット推定部１５３は、ｍ値のＰＳＫにおいて、スペクトラム重心によって推定される周波数オフセットに基づいて推定したオフセット推定値を補正することができる。
【００６３】
このように、実施の形態２にかかるデジタルコヒーレント受信器１００によれば、信号のスペクトラム重心を用いて周波数オフセットを推定することができる。具体的には、入力された信号に基づいて算出した周波数オフセットを、信号のスペクトラム重心に基づいて補正することで、信号光の受信時の周波数オフセットによらず、周波数オフセットを精度よく推定することができる。
【００６４】
このため、周波数オフセットを精度よく補償し、受信品質を向上させることができる。また、周波数オフセットの引き込みレンジを拡大することができる。たとえば、差動デコードを用いなくても周波数オフセットの引き込みレンジを拡大することができる。このため、受信雑音耐力特性の低下を抑えつつ受信品質を向上させることができる。
【００６５】
（実施の形態３）
実施の形態３にかかるデジタルコヒーレント受信器１００において、実施の形態１にかかるデジタルコヒーレント受信器１００と同様の部分については説明を省略する。
【００６６】
図９は、実施の形態３にかかるデジタル信号処理部の構成例を示す図である。図９において、図３に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図９に示すように、実施の形態３にかかるデジタル信号処理部１５０は、図３に示した構成に加えて、設定部９０１と、記憶部９０２と、補正部９０３と、を備えている。
【００６７】
重心算出部１５２は、算出したスペクトラム重心を補正部９０３へ出力する。オフセット推定部１５３には、たとえば図５、図７または図８に示したオフセット推定部１５３を適用することができる。
【００６８】
設定部９０１は、たとえばユーザの操作により、デジタルコヒーレント受信器１００の電気帯域を設定する設定部である。デジタルコヒーレント受信器１００の電気帯域は、フロントエンド１０の出力における電気帯域であり、たとえば、光電変換素子１３１，１３２とＡＤ変換器１４１，１４２との間の電気回路における電気帯域である。設定部９０１は、設定された電気帯域を補正部９０３へ出力する。
【００６９】
記憶部９０２は、スペクトラム重心の補正情報をデジタルコヒーレント受信器１００の電気帯域ごとに記憶している。補正情報は、たとえば、補正前のスペクトラム重心と、補正後のスペクトラム重心と、を対応付ける対応情報である。または、補正情報は、補正前のスペクトラム重心から補正後のスペクトラム重心を算出する計算式などでもよい。
【００７０】
補正部９０３は、設定部９０１から出力された電気帯域に対応する補正情報を記憶部９０２から読み出す。そして、補正部９０３は、読み出した補正情報に基づいて、重心算出部１５２から出力されたスペクトラム重心を補正する。補正部９０３は、補正したスペクトラム重心をオフセット推定部１５３へ出力する。
【００７１】
図１０は、電気帯域が信号帯域に比べて十分広い場合のスペクトラムの一例を示す図である。図１０において、横軸は周波数を示し、縦軸はパワーを示している。図１０に示すスペクトラム１００１は、デジタルコヒーレント受信器１００に電気帯域が広い場合にフーリエ変換部１５１から出力されるスペクトラムを示している。
【００７２】
電気帯域が広い場合は、スペクトラム１００１のように、電気帯域によるスペクトラムの歪みがない。このため、スペクトラム１００１のスペクトラム重心は実際の周波数オフセットに近くなる。たとえば、スペクトラム１００１のスペクトラム重心が示すオフセット推定値は０．０５［Ｈｚ／シンボルレート］となる。
【００７３】
図１１は、電気帯域が信号帯域に比べて狭い場合のスペクトラムの一例を示す図である。図１１において、横軸は周波数を示し、縦軸はパワーを示している。図１１に示すスペクトラム１１０１は、デジタルコヒーレント受信器１００に０．６５［Ｈｚ／シンボルレート］の電気帯域がある場合にフーリエ変換部１５１から出力されるスペクトラムを示している。
【００７４】
電気帯域が狭い場合は、スペクトラム１１０１のように、電気帯域によってスペクトラムの狭窄化が起こる。このため、スペクトラム１１０１のスペクトラム重心は実際の周波数オフセットからずれる。たとえば、スペクトラム１１０１のスペクトラム重心が示すオフセット推定値は０．１［Ｈｚ／シンボルレート］となり、実際の値（たとえば図１０を参照）と異なるオフセット推定値となる。
【００７５】
図１２は、周波数オフセットとオフセット推定値との関係を示すグラフである。図１２において、横軸は実際の周波数オフセット［Ｈｚ／シンボルレート］を示している。縦軸は、重心算出部１５２によって算出されるスペクトラム重心が示すオフセット推定値［Ｈｚ／シンボルレート］を示している。
【００７６】
関係１２０１は、デジタルコヒーレント受信器１００に帯域制限がない場合の周波数オフセットとオフセット推定値との関係を示している。関係１２０２は、０．９３［Ｈｚ／シンボルレート］の帯域制限がある場合の周波数オフセットとオフセット推定値との関係を示している。関係１２０３は、０．６５［Ｈｚ／シンボルレート］の帯域制限がある場合の周波数オフセットとオフセット推定値との関係を示している。
【００７７】
関係１２０１〜１２０３に示すように、周波数オフセットとオフセット推定値との関係は、デジタルコヒーレント受信器１００の帯域制限ごとに異なる。これに対して、オフセット推定部１５３の記憶部９０２には、帯域制限ごとに異なる補正情報を記憶しておく。これにより、重心算出部１５２によって算出されるスペクトラム重心が示すオフセット推定値を補正し、精度の高いオフセット推定値を得ることができる。
【００７８】
図１３は、記憶部に記憶される補正情報の一例を示す図である。図９に示した記憶部９０２は、たとえば図１３に示す補正情報１３０１〜１３０３を記憶している。補正情報１３０１は、帯域制限がない場合における、補正前のスペクトラム重心Ａ１１〜Ａ１ｎと補正後のスペクトラム重心Ｂ１１〜Ｂ１ｎとを対応付ける対応情報である。補正情報１３０１は、たとえば図１２に示した関係１２０１に基づいて決定される。
【００７９】
補正情報１３０２は、０．９３［Ｈｚ／シンボルレート］の帯域制限がある場合における、補正前のスペクトラム重心Ａ２１〜Ａ２ｎと補正後のスペクトラム重心Ｂ２１〜Ｂ２ｎとを対応付ける対応情報である。補正情報１３０２は、たとえば図１２に示した関係１２０２に基づいて決定される。
【００８０】
補正情報１３０３は、０．６５［Ｈｚ／シンボルレート］の帯域制限がある場合における、補正前のスペクトラム重心Ａ３１〜Ａ３ｎと補正後のスペクトラム重心Ｂ３１〜Ｂ３ｎとを対応付ける対応情報である。補正情報１３０３は、たとえば図１２に示した関係１２０３に基づいて決定される。
【００８１】
補正部９０３は、設定部９０１から出力された電気帯域に対応する補正情報を記憶部９０２から読み出す。そして、補正部９０３は、読み出した補正情報に基づいて、重心算出部１５２から出力された補正前のスペクトラム重心に対応する補正後のスペクトラム重心を取得する。補正部９０３は、取得したスペクトラム重心を出力する。
【００８２】
このように、実施の形態３にかかるデジタルコヒーレント受信器１００によれば、算出したスペクトラム重心を電気帯域に応じて補正することで、電気帯域によって信号のスペクトラムが歪んでもオフセット推定値を精度よく得ることができる。このため、受信品質をさらに向上させることができる。
【００８３】
たとえば、図５に示したオフセット推定部１５３を用いる場合は、電気帯域に応じて補正したスペクトラム重心を初期値として設定することで、周波数オフセットをさらに精度よく推定することができる。また、オフセット推定値を精度よく示すスペクトラム重心を初期値として設定することで、デジタルコヒーレント受信器１００の立ち上げ時間をさらに短縮することができる。また、図７または図８に示したオフセット推定部１５３を用いる場合は、入力された信号に基づいて算出した周波数オフセットを精度よく補正し、周波数オフセットをさらに精度よく推定することができる。
【００８４】
（実施の形態４）
実施の形態４にかかるデジタルコヒーレント受信器１００において、実施の形態１にかかるデジタルコヒーレント受信器１００と同様の部分については説明を省略する。
【００８５】
図１４は、実施の形態４にかかるデジタル信号処理部の構成例を示す図である。図１４において、図３に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図１４に示すように、実施の形態４にかかるデジタル信号処理部１５０は、図３に示した構成に加えて、制御部１４０１と、周波数制御部１４０２と、を備えている。
【００８６】
重心算出部１５２は、算出したスペクトラム重心を制御部１４０１へ出力する。制御部１４０１は、重心算出部１５２から出力されたスペクトラム重心を周波数制御部１４０２およびオフセット推定部１５３へ出力する。たとえば、重心算出部１５２は、デジタル信号処理部１５０の初期動作時にスペクトラム重心を周波数制御部１４０２へ出力する。また、制御部１４０１は、重心算出部１５２から出力されたスペクトラム重心が閾値以下になると、スペクトラム重心の出力先をオフセット推定部１５３に切り替える。
【００８７】
周波数制御部１４０２は、制御部１４０１から出力されるスペクトラム重心が小さくなるように、局発光源１１０が生成する局発光の周波数を制御する。局発光源１１０は、周波数制御部１４０２の制御にしたがって、生成する局発光の周波数を変化させる周波数可変光源とする。オフセット推定部１５３は、制御部１４０１から出力されるスペクトラム重心に基づいて周波数オフセットを推定する。オフセット推定部１５３には、たとえば図５、図７または図８に示したオフセット推定部１５３を適用することができる。
【００８８】
以上の構成により、制御部１４０１から周波数制御部１４０２へスペクトラム重心を出力することで、周波数オフセットをデジタル信号処理部１５０の前段で補償することができる。そして、スペクトラム重心が閾値以下になってから制御部１４０１からオフセット推定部１５３へスペクトラム重心を出力することで、周波数オフセットが小さい状態で周波数オフセットの推定および補償を行うことができる。
【００８９】
また、図１４に示した構成において、重心算出部１５２がスペクトラム重心を周波数制御部１４０２へ出力する構成としてもよい。この場合は、制御部１４０１を省いてもよい。また、この場合は、図５に示したオフセット推定部１５３の初期値設定部５１０を省いてもよい。また、この場合は、図７，図８に示したオフセット推定部１５３のループフィルタ５０７、加算部５０８、遅延部５０９および初期値設定部５１０を省いてもよい。この場合も、信号のスペクトラム重心を用いて局発光の周波数を制御することで、周波数オフセットが小さい状態で周波数オフセットの推定および補償を行うことができる。
【００９０】
このように、実施の形態４にかかるデジタルコヒーレント受信器１００によれば、信号のスペクトラム重心を用いて局発光の周波数を制御することで、周波数オフセットが小さい状態で周波数オフセットの推定および補償を行うことができる。これにより、周波数オフセットの引き込みレンジが狭くても周波数オフセットが引き込みレンジ内に収まるようにし、周波数オフセットを精度よく推定し補償することができる。
【００９１】
このため、受信品質を向上させることができる。また、たとえば差動デコードを用いて引き込みレンジを拡大しなくても、周波数オフセットを精度よく推定することができる。このため、受信雑音耐力特性の低下を抑えつつ受信品質を向上させることができる。また、周波数オフセットが小さい状態で周波数オフセットの推定を行うことで、周波数オフセットの推定結果を短時間で収束させることができる。このため、デジタルコヒーレント受信器１００の立ち上げ時間を短縮することができる。
【００９２】
以上説明したように、デジタルコヒーレント受信器および受信方法によれば、受信品質を向上させることができる。
【符号の説明】
【００９３】
１２１，１２２ 分岐部
１２４，１２５ 干渉部
１３１，１３２ 光電変換素子
１５１ フーリエ変換部
４００，１００１，１１０１ スペクトラム
４０１ スペクトラム重心
５０１，７０６ 偏角算出部
５０２，５０４，５０６ 減算部
５０５，５０９，７０１ 遅延部
５０８，７１０ 加算部
７０２ 複素共役算出部
７０３ 乗算部
７０４ 累乗部
７０５ 平均化部
７０８ 商演算部
７０９ 演算部
１３０１〜１３０３ 補正情報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を受信するデジタルコヒーレント受信器および受信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットにおけるトラフィックの増大により、幹線系の光通信システムの大容量化が求められており、１波長あたり１００［Ｇｂｉｔ／ｓ］を超える信号を伝送可能な光送受信器の研究開発が行われている。１波長あたりのビットレートを大きくすると、ＯＳＮＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ：光信号対雑音比）耐力の低下や、伝送路の波長分散、偏波モード分散もしくは非線形効果などによる波形歪による信号品質の劣化が大きくなる。
【０００３】
このため、近年、ＯＳＮＲ耐力および伝送路の波形歪耐力があるデジタルコヒーレント受信方式が検討されている。従来の光強度のオン／オフを２値信号に割り当てて直接検波する方式に対して、デジタルコヒーレント受信方式では、光強度と位相情報をコヒーレント受信方式により抽出する。そして、抽出された強度と位相情報をＡＤ（Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ）変換器により量子化し、デジタル信号処理部によって復調を行う。
【０００４】
デジタルコヒーレント受信器の利点の一つとして、送信光源と局部発信光源の周波数および位相を受信光に対して同期させるメカニズムをデジタル信号処理として実装できるという利点が挙げられる。これにより、実現難度の高い光ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）を実装しなくても送信光源と局部発信光源の周波数および位相を受信光に対して同期させることができる。
【０００５】
一般的な波長多重用光源を用いる場合は、送信器側の光源と受信器側のＬＯ光源（Ｌｏｃａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）との間には、波長確度の範囲内で光周波数のズレ（周波数オフセット）が発生し得る。一般的な波長多重用光源の場合は、この周波数オフセットは最大で数［ＧＨｚ］程度となる可能性がある。
【０００６】
一例として、ＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ：四位相偏移変調）の信号を受信する場合について説明する。周波数オフセットが十分小さい場合は、ある短時間にわたって観測した信号コンスタレーションには、位相ズレによる静的回転のみが観測される。一方、周波数オフセットが大きい場合は、周波数オフセットによって観測時間内にコンスタレーションが回転するため、そのままではＱＰＳＫ信号の処理および識別が困難になる。このため、周波数オフセットの補償が用いられる。以後、送信光源とＬＯ光源の周波数差だけでなく、周波数オフセットに起因する位相回転も周波数オフセットと呼ぶ。
【０００７】
周波数オフセットの補償のためには、たとえば、オフセット推定回路により周波数オフセットを推定し、推定した周波数オフセットの分だけコンスタレーションをデジタル回路内で逆回転させる。オフセット推定回路の例としては、たとえばｍ値のＰＳＫ信号をｍ乗することにより、複素電界情報から符号化成分と雑音成分を除去し、周波数オフセットの成分を抽出する技術が知られている（たとえば、下記非特許文献１参照。）。また、信号の仮判定を行い、仮判定の結果を差し引いて符号化成分を除去し、周波数オフセットの推定範囲を拡大する技術が知られている（たとえば、下記非特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ａ．Ｌｅｖｅｎ ｅｔ ａｌ．“Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｉｎ Ｉｎｔｒａｄｙｎｅ Ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ”，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．６，ｐ．５６６−３６８，２００７年３月
【非特許文献２】Ｈ．Ｎａｋａｓｈｉｍａ ｅｔ ａｌ．“Ｎｏｖｅｌ Ｗｉｄｅ−ｒａｎｇｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｆｆｓｅｔ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ Ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｗｉｔｈ Ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ”，３４ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（ＥＣＯＣ２００８），Ｍｏ．３．Ｄ．４，２００８年９月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した従来技術では、周波数オフセットの推定回路には引き込みレンジの制限があり、引き込みレンジ外の周波数オフセットを精度よく推定することができない。このため、周波数オフセットを精度よく補償することができず、受信品質が低下するという問題がある。これに対して、差動デコードを用いることが考えられるが、差動デコードを用いると受信雑音耐力が低下するという問題がある。
【００１０】
開示のデジタルコヒーレント受信器および受信方法は、上述した問題点を解消するものであり、受信品質を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、開示技術は、信号光と局発光とを用いて光電変換するフロントエンドと、前記フロントエンドの出力をデジタル信号に変換する変換部と、前記変換部によって変換されたデジタル信号のスペクトラム重心を算出する算出部と、前記算出部によって算出されたスペクトラム重心に基づいて前記デジタル信号の周波数オフセットを推定する推定部と、前記推定部によって推定された周波数オフセットに基づいて前記デジタル信号の周波数オフセットを小さくする調整部と、を備えることを要件とする。
【発明の効果】
【００１２】
開示のデジタルコヒーレント受信器および受信方法によれば、受信品質を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１にかかるデジタルコヒーレント受信器の構成例を示す図である。
【図２】実施の形態１にかかる光位相ハイブリッド回路の概念図である。
【図３】実施の形態１にかかるデジタル信号処理部の構成例を示す図である。
【図４】信号のスペクトラムの一例を示す図である。
【図５】実施の形態１にかかるオフセット推定部の構成例を示す図である。
【図６】周波数オフセットとオフセット推定値の関係を示すグラフである。
【図７】実施の形態２にかかるオフセット推定部の構成例を示す図である。
【図８】実施の形態２にかかるオフセット推定部の変形例を示す図である。
【図９】実施の形態３にかかるデジタル信号処理部の構成例を示す図である。
【図１０】電気帯域が信号帯域に比べて十分広い場合のスペクトラムの一例を示す図である。
【図１１】電気帯域が信号帯域に比べて狭い場合のスペクトラムの一例を示す図である。
【図１２】周波数オフセットとオフセット推定値との関係を示すグラフである。
【図１３】記憶部に記憶される補正情報の一例を示す図である。
【図１４】実施の形態４にかかるデジタル信号処理部の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照して、開示技術の好適な実施の形態を詳細に説明する。開示技術は、デジタルコヒーレント受信器において、デジタル変換した信号のスペクトラム重心を用いることで、信号光と局発光との間の周波数オフセットを精度よく補償し、受信品質を向上させる。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかるデジタルコヒーレント受信器の構成例を示す図である。図１に示すように、実施の形態１にかかるデジタルコヒーレント受信器１００は、局発光源１１０と、光位相ハイブリッド回路１２０と、光電変換素子１３１，１３２と、ＡＤ変換器１４１，１４２と、デジタル信号処理部１５０と、を備えている。デジタルコヒーレント受信器１００は、たとえばＱＰＳＫの信号光を受信する。
【００１６】
局発光源１１０、光位相ハイブリッド回路１２０および光電変換素子１３１，１３２を含むフロントエンド１０は、デジタルコヒーレント受信器１００が受信する信号光と、局発光と、を混合して光電変換するフロントエンドである。具体的には、局発光源１１０は、局発光を生成し、生成した局発光を光位相ハイブリッド回路１２０へ出力する。局発光源１１０は、たとえばＩＴＬＡである。
【００１７】
光位相ハイブリッド回路１２０は、信号光と、局発光源１１０から出力された局発光と、を混合することによって、光信号の光強度や位相を示す複素電界を抽出する。光位相ハイブリッド回路１２０は、抽出した複素電界の実部に応じた強度の光（Ｉ信号）を光電変換素子１３１へ出力する。また、光位相ハイブリッド回路１２０は、抽出した複素電界の虚部に応じた強度の光（Ｑ信号）を光電変換素子１３２へ出力する。光位相ハイブリッド回路１２０の構成については、たとえば図２によって後述する。
【００１８】
光電変換素子１３１は、光位相ハイブリッド回路１２０から出力された光Ｉ信号を光電変換し、光電変換したＩ信号をＡＤ変換器１４１へ出力する。光電変換素子１３２は、光位相ハイブリッド回路１２０から出力されたＱ信号を光電変換し、光電変換したＱ信号をＡＤ変換器１４２へ出力する。光電変換素子１３１および光電変換素子１３２のそれぞれは、たとえばフォトダイオード（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）である。
【００１９】
ＡＤ変換器１４１，１４２は、フロントエンド１０の出力をデジタル信号に変換する変換部である。具体的には、ＡＤ変換器１４１は、光電変換素子１３１から出力されたＩ信号を、所定のサンプリング周波数によって標本化することでデジタル信号に変換する。ＡＤ変換器１４２は、光電変換素子１３２から出力されたＱ信号を、所定のサンプリング周波数によって標本化することでデジタル信号に変換する。ＡＤ変換器１４１，１４２のそれぞれは、デジタル信号に変換した信号をデジタル信号処理部１５０へ出力する。
【００２０】
デジタル信号処理部１５０は、ＡＤ変換器１４１，１４２から出力されたＩ信号およびＱ信号のデジタル処理を行うことで信号光を識別する。デジタル信号処理部１５０は、信号光の識別結果を出力する。デジタル信号処理部１５０の構成については、たとえば図３によって後述する。
【００２１】
図２は、実施の形態１にかかる光位相ハイブリッド回路の概念図である。図２に示すように、光位相ハイブリッド回路１２０は、分岐部１２１，１２２と、９０°位相シフト部１２３と、干渉部１２４，１２５と、を備えている。分岐部１２１には光信号が入力される。分岐部１２１は入力された信号光を分岐し、分岐した各信号光をそれぞれ干渉部１２４および干渉部１２５へ出力する。
【００２２】
分岐部１２２には局発光源１１０からの局発光が入力される。分岐部１２２は、入力された局発光を分岐し、分岐した各局発光をそれぞれ干渉部１２４および９０°位相シフト部１２３へ出力する。９０°位相シフト部１２３は、分岐部１２２から出力された局発光の位相を９０°シフトさせる。９０°位相シフト部１２３は、位相をシフトさせた局発光を干渉部１２５へ出力する。
【００２３】
干渉部１２４は、分岐部１２１から出力された信号光と、分岐部１２２から出力された局発光と、を干渉させる。干渉部１２４は、干渉させた光をＩ信号として光電変換素子１３１へ出力する。干渉部１２５は、分岐部１２１から出力された信号光と、９０°位相シフト部１２３から出力された局発光と、を干渉させる。干渉部１２５は、干渉させた光をＱ信号として光電変換素子１３２へ出力する。
【００２４】
図３は、実施の形態１にかかるデジタル信号処理部の構成例を示す図である。図３に示すように、デジタル信号処理部１５０は、フーリエ変換部１５１と、重心算出部１５２と、オフセット推定部１５３と、オフセット補償部１５４と、位相推定部１５５と、識別判定部１５６と、を備えている。デジタル信号処理部１５０には、たとえば、ＡＤ変換器１４１から出力されたＩ信号を実部とし、ＡＤ変換器１４２から出力されたＱ信号を虚部とした複素数の信号が入力される。
【００２５】
フーリエ変換部１５１および重心算出部１５２は、ＡＤ変換器１４１，１４２によって変換された信号のスペクトラム重心を算出する算出部である。具体的には、フーリエ変換部１５１は、デジタル信号処理部１５０へ入力された信号をフーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）する。フーリエ変換部１５１は、フーリエ変換により得られたスペクトラムを重心算出部１５２へ出力する。
【００２６】
重心算出部１５２は、フーリエ変換部１５１から出力されたスペクトラムの重心であるスペクトラム重心を算出する。スペクトラム重心は、たとえば、スペクトラムにおいて信号が分布している周波数範囲の中央の周波数である。重心算出部１５２は、たとえば下記（１）式によってスペクトラム重心を算出する。
【００２７】
【数１】
【００２８】
上記（１）式において、ｉは、スペクトラムの周波数を示すインデックスである。Ｐ（ｉ）は、インデックスｉが示す周波数におけるスペクトラムのパワーである。Ｎは、フーリエ変換部１５１におけるフーリエ変換のＦＦＴサイズである。Δは、ｆｓ／（Ｎ−１）である。ｆｓは、ＡＤ変換器１４１，１４２におけるサンプリング周波数である。ｆｂは、デジタルコヒーレント受信器１００が受信する信号光のボーレートである。重心算出部１５２は、算出したスペクトラム重心をオフセット推定部１５３へ出力する。
【００２９】
オフセット推定部１５３は、重心算出部１５２から出力されたスペクトラム重心に基づいて、デジタル信号処理部１５０へ入力された信号の周波数オフセットを推定する。オフセット推定部１５３は、周波数オフセットの推定結果を示すオフセット推定値をオフセット補償部１５４へ出力する。オフセット推定部１５３の構成については、たとえば図５によって後述する。
【００３０】
オフセット補償部１５４（調整部）は、オフセット推定部１５３から出力されたオフセット推定値に基づいて、デジタル信号処理部１５０へ入力された信号の周波数オフセットを補償する。たとえば、オフセット補償部１５４は、オフセット推定部１５３から出力されたオフセット推定値の逆特性を与えることで信号の周波数オフセットの補償を行う。ただし、オフセット補償部１５４による周波数オフセットの補償は、周波数オフセットを０にする場合に限らず、周波数オフセットを小さくするものであればよい。オフセット補償部１５４は、周波数オフセットを補償した信号を位相推定部１５５へ出力する。
【００３１】
位相推定部１５５は、オフセット補償部１５４から出力された信号に対して、デジタルコヒーレント受信器１００が受信した信号光と、局発光源１１０の局発光と、の間の位相差を推定して補償する。位相推定部１５５は、位相差を補償した信号を識別判定部１５６へ出力する。識別判定部１５６は、位相推定部１５５から出力された信号を識別する。識別判定部１５６は、識別結果を出力する。
【００３２】
図４は、信号のスペクトラムの一例を示す図である。図４の横軸は、周波数およびインデックスｉを示している。インデックスｉは、周波数に対応するインデックスである。具体的には、インデックスｉの−Ｎ／２＋１〜Ｎ／２は、それぞれ周波数−ｆｓ／２＋Δ〜ｆｓ／２に対応している。図４の縦軸は、周波数成分のパワーＰを示している。スペクトラム４００は、フーリエ変換部１５１から出力されたスペクトラムである。
【００３３】
スペクトラム重心４０１は、重心算出部１５２によって算出されるスペクトラム重心である。スペクトラム重心４０１は、周波数オフセットの大きさに応じて０からずれる。したがって、オフセット推定部１５３は、スペクトラム重心４０１に基づいて周波数オフセットを推定することで、周波数オフセットを効率良く推定することができる。
【００３４】
図５は、実施の形態１にかかるオフセット推定部の構成例を示す図である。図５に示すように、オフセット推定部１５３は、偏角算出部５０１と、減算部５０２と、仮判定部５０３と、減算部５０４と、遅延部５０５と、減算部５０６と、ループフィルタ５０７と、加算部５０８と、遅延部５０９と、初期値設定部５１０と、を備えている。
【００３５】
図５に示すオフセット推定部１５３は、入力された信号の周波数オフセットを再帰的に推定する。すなわち、オフセット推定部１５３は、周波数オフセットの算出結果（ループフィルタ５０７の出力）をフィードバックしながら周波数オフセットを推定する。
【００３６】
オフセット推定部１５３へ入力された信号は、偏角算出部５０１へ入力される。偏角算出部５０１は、入力された複素数の信号が示す位相角を算出する。偏角算出部５０１は、算出した位相角を示す信号を減算部５０２および減算部５０４へ出力する。減算部５０２は、偏角算出部５０１から出力された信号から、遅延部５０９から出力された信号を減算する。減算部５０２は、減算結果を仮判定部５０３へ出力する。
【００３７】
仮判定部５０３は、減算部５０２から出力された減算結果に基づいて信号を仮判定（識別）する。仮判定部５０３は、仮判定結果を示す信号を減算部５０４へ出力する。減算部５０４は、偏角算出部５０１から出力された信号から、仮判定部５０３から出力された信号を減算する。減算部５０４は、減算結果を示す信号を、遅延部５０５、減算部５０６および加算部５０８へ出力する。
【００３８】
遅延部５０５は、減算部５０４から出力された信号を１シンボル遅延させる。遅延部５０５は、遅延させた信号を減算部５０６へ出力する。減算部５０６は、遅延部５０５から出力された信号から、減算部５０４から出力された信号を減算する。減算部５０６は、減算結果を示す信号をループフィルタ５０７へ出力する。
【００３９】
ループフィルタ５０７は、減算部５０６から出力される信号を平均化する。たとえば、ループフィルタ５０７は、たとえば無限インパルス応答を有するＩＩＲ（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタである。ループフィルタ５０７は、平均化した信号をオフセット推定値として出力する。また、ループフィルタ５０７は、平均化した信号を加算部５０８へ出力する。
【００４０】
加算部５０８は、減算部５０４から出力された信号と、ループフィルタ５０７から出力された信号と、を加算する。加算部５０８は、加算結果を示す信号を遅延部５０９へ出力する。遅延部５０９は、加算部５０８から出力された信号を１シンボル遅延させる。遅延部５０９は、遅延させた信号を減算部５０２へ出力する。
【００４１】
初期値設定部５１０は、重心算出部１５２から出力されたスペクトラム重心を、ループフィルタ５０７から出力される信号の初期値として設定する。このように、オフセット推定部１５３は、重心算出部１５２によって算出されたスペクトラム重心を初期値として、入力された信号の周波数オフセットを再帰的に推定する。
【００４２】
偏角算出部５０１から出力される時刻ｔ＋１の信号は位相角θ（ｔ＋１）を示す。位相角θ（ｔ＋１）は、θｄ（ｔ＋１）＋θｆｏ（ｔ＋１）＋θＰＮ（ｔ＋１）によって示すことができる。θｄ（ｔ＋１）は変調成分を示している。θｆｏ（ｔ＋１）は周波数オフセットに起因する位相回転量を示している。θＰＮ（ｔ＋１）は位相雑音を示している。
【００４３】
また、仮判定部５０３から出力される信号は、変調成分の仮判定結果を示しているため、ほぼθｄ（ｔ＋１）となる。このため、減算部５０４から出力される信号は、θｆｏ（ｔ＋１）＋θＰＮ（ｔ＋１）によって示すことができる。また、遅延部５０５から出力される信号は、θｆｏ（ｔ）＋θＰＮ（ｔ）によって示すことができる。
【００４４】
したがって、減算部５０６から出力される信号は、θｆｏ（ｔ＋１）−θｆｏ（ｔ）＋θＰＮ（ｔ＋１）−θＰＮ（ｔ）によって示すことができる。θＰＮ（ｔ＋１）＝θＰＮ（ｔ）と見なすと、減算部５０６から出力される信号は、Δｆｏ＝θｆｏ（ｔ＋１）−θｆｏ（ｔ）によって示すことができる。Δｆｏは、シンボル間の位相回転量の変化量であるため、周波数オフセットを示す。ループフィルタ５０７は、周波数オフセットΔｆｏを平均化することによってオフセット推定値を得ることができる。
【００４５】
また、加算部５０８から出力される信号は、θｆｏ（ｔ＋１）＋θＰＮ（ｔ＋１）＋Δｆｏとなる。したがって、遅延部５０９から出力される信号は、θｆｏ（ｔ）＋θＰＮ（ｔ）＋Δｆｏとなる。ここで、θｆｏ（ｔ）＝θｆｏ（ｔ＋１）−Δｆｏである。また、θＰＮ（ｔ）＝θＰＮ（ｔ＋１）と見なすことができる。このため、遅延部５０９から出力される信号は、θｆｏ（ｔ＋１）＋θＰＮ（ｔ＋１）となる。したがって、減算部５０２から出力される信号は、変調成分θｄ（ｔ＋１）となる。
【００４６】
図６は、周波数オフセットとオフセット推定値の関係を示すグラフである。図６において、横軸は実際の周波数オフセット［ＧＨｚ］を示している。縦軸はオフセット推定部１５３から出力されるオフセット推定値を示している。関係６０１は、ループフィルタ５０７の出力の初期値が固定値（たとえば０）と仮定した場合における、実際の周波数オフセットとオフセット推定値の関係を参考として示している。
【００４７】
ループフィルタ５０７の出力の初期値を固定値とした場合（図６では０ＧＨｚとした）は、初期値と実際の周波数オフセットの差が大きくなると、周波数オフセットによる位相変化が位相変調による値の変化として誤認識される。このため、オフセット推定部１５３から出力されるオフセット推定値は、実際の周波数オフセットに対して周期的に変化する。このため、実際の周波数オフセットを正確に推定することができない。
【００４８】
関係６０２は、ループフィルタ５０７の出力の初期値にスペクトラム重心を設定した場合における、実際の周波数オフセットに対するオフセット推定値の特性を示している。ループフィルタ５０７の出力の初期値にスペクトラム重心を設定することで、初期値を常に引き込みレンジ内にすることができるため、オフセット推定部１５３から出力されるオフセット推定値によって実際の周波数オフセットを得ることができる。
【００４９】
このように、実施の形態１にかかるデジタルコヒーレント受信器１００によれば、信号のスペクトラム重心を用いて周波数オフセットを推定することができる。具体的には、周波数オフセットを再帰的に推定するオフセット推定部１５３において信号のスペクトラム重心を初期値として設定することで、信号光の受信時の周波数オフセットによらず、周波数オフセットを精度よく推定することができる（たとえば図６の関係６０２を参照）。
【００５０】
このため、周波数オフセットを精度よく補償し、受信品質を向上させることができる。また、周波数オフセットの引き込みレンジを拡大することができる。たとえば、差動デコードを用いなくても周波数オフセットの引き込みレンジを拡大することができる。このため、受信雑音耐力特性の低下を抑えつつ、受信品質を向上させることができる。
【００５１】
また、周波数オフセットを再帰的に推定するオフセット推定部１５３において信号のスペクトラム重心を初期値として設定することで、周波数オフセットの推定結果を短時間で収束させることができる。このため、デジタルコヒーレント受信器１００の立ち上げ時間を短縮することができる。
【００５２】
（実施の形態２）
実施の形態２にかかるデジタルコヒーレント受信器１００において、実施の形態１にかかるデジタルコヒーレント受信器１００と同様の部分については説明を省略する。
【００５３】
図７は、実施の形態２にかかるオフセット推定部の構成例を示す図である。図７に示すように、実施の形態２にかかるデジタルコヒーレント受信器１００のオフセット推定部１５３は、遅延部７０１と、複素共役算出部７０２と、乗算部７０３と、累乗部７０４と、平均化部７０５と、偏角算出部７０６と、変換部７０７と、商演算部７０８と、演算部７０９と、加算部７１０と、を備えている。図７に示すオフセット推定部１５３は、入力された信号に基づいて算出した周波数オフセットを、重心算出部１５２によって算出されたスペクトラム重心に基づいて補正することで周波数オフセットを推定する。
【００５４】
オフセット推定部１５３へ入力された信号（複素数）は、遅延部７０１および乗算部７０３へ入力される。遅延部７０１は、入力された信号を１シンボル遅延させ、遅延させた信号を複素共役算出部７０２へ出力する。複素共役算出部７０２は、遅延部７０１から出力された信号の複素共役を算出し、算出した複素共役を乗算部７０３へ出力する。
【００５５】
乗算部７０３は、オフセット推定部１５３へ入力された信号と、複素共役算出部７０２から出力された複素共役と、を乗算する。乗算部７０３による乗算結果は、オフセット推定部１５３へ入力された信号のシンボル間の位相差（位相回転量）を示す。ただし、乗算部７０３による乗算結果が示す位相回転量には、信号の変調成分による位相回転量と、周波数オフセットによる位相回転量と、が含まれている。乗算部７０３は、乗算結果を示す信号を累乗部７０４へ出力する。
【００５６】
累乗部７０４は、乗算部７０３から出力された信号をｍ乗する。ｍは、信号の１シンボルが示す値の数である。たとえば信号の変調方式がＱＰＳＫである場合は、累乗部７０４は信号を４乗する。これにより、乗算部７０３から出力された信号が示す位相回転量から、信号の変調成分による位相回転量を除去することができる。このため、累乗部７０４がｍ乗した信号は、周波数オフセットによる位相回転量（実際の位相回転量のｍ倍）を示す。累乗部７０４は、ｍ乗した信号を平均化部７０５へ出力する。
【００５７】
平均化部７０５は、累乗部７０４から出力された信号をＮサンプルずつ加算する。これにより、累乗部７０４から出力された信号の雑音を除去することができる。平均化部７０５は、加算結果を示す信号を偏角算出部７０６へ出力する。偏角算出部７０６は、平均化部７０５から出力された複素数の信号の偏角を算出し、算出した偏角をｍで除算する。これにより、周波数オフセットを得ることができる。偏角算出部７０６は、算出した周波数オフセットをオフセット推定値として加算部７１０へ出力する。
【００５８】
変換部７０７には、重心算出部１５２から出力されたスペクトラム重心が入力される。変換部７０７は、入力されたスペクトラム重心を１シンボル時間の位相回転量に変換する。変換部７０７は、変換した位相回転量ｘを商演算部７０８へ出力する。商演算部７０８は、変換部７０７から出力された位相回転量ｘにπ／ｍを加算した値を２π／ｍによって除算した商の整数部を演算する（ＦＬＯＯＲ（（ｘ＋π／ｍ）／（２π／ｍ）））。商演算部７０８は、演算結果を示す信号ｉを演算部７０９へ出力する。
【００５９】
演算部７０９は、商演算部７０８から出力された信号ｉに基づいて、−１＊（２π／ｍ）＊ｉを演算する。演算部７０９は、演算結果をオフセット推定値の補正値として加算部７１０へ出力する。加算部７１０は、偏角算出部７０６から出力されたオフセット推定値と、偏角算出部７０６から出力された補正値と、を加算する。加算部７１０は、補正値を加算したオフセット推定値を出力する。
【００６０】
これにより、オフセット推定部１５３は、ｍ値のＰＳＫにおいて、スペクトラム重心によって推定される周波数オフセットに基づいて推定したオフセット推定値を補正することができる。このため、実際の周波数オフセットが推定範囲よりも大きくなり、実際の周波数オフセットに対してオフセット推定値が周期的に変化しても（たとえば図６の関係６０１を参照）、正確に周波数オフセットを推定することができる。
【００６１】
図８は、実施の形態２にかかるオフセット推定部の変形例を示す図である。図８において、図５，図７に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図８に示すように、オフセット推定部１５３は、図５に示したオフセット推定部１５３の構成に加えて、変換部７０７と、商演算部７０８と、演算部７０９と、加算部７１０と、を備えていてもよい。この場合は、図５に示した初期値設定部５１０は省いてもよい。
【００６２】
ループフィルタ５０７はオフセット推定値を加算部７１０へ出力する。加算部７１０は、ループフィルタ５０７から出力されたオフセット推定値と、演算部７０９から出力された補正値と、を加算する。これにより、オフセット推定部１５３は、ｍ値のＰＳＫにおいて、スペクトラム重心によって推定される周波数オフセットに基づいて推定したオフセット推定値を補正することができる。
【００６３】
このように、実施の形態２にかかるデジタルコヒーレント受信器１００によれば、信号のスペクトラム重心を用いて周波数オフセットを推定することができる。具体的には、入力された信号に基づいて算出した周波数オフセットを、信号のスペクトラム重心に基づいて補正することで、信号光の受信時の周波数オフセットによらず、周波数オフセットを精度よく推定することができる。
【００６４】
このため、周波数オフセットを精度よく補償し、受信品質を向上させることができる。また、周波数オフセットの引き込みレンジを拡大することができる。たとえば、差動デコードを用いなくても周波数オフセットの引き込みレンジを拡大することができる。このため、受信雑音耐力特性の低下を抑えつつ受信品質を向上させることができる。
【００６５】
（実施の形態３）
実施の形態３にかかるデジタルコヒーレント受信器１００において、実施の形態１にかかるデジタルコヒーレント受信器１００と同様の部分については説明を省略する。
【００６６】
図９は、実施の形態３にかかるデジタル信号処理部の構成例を示す図である。図９において、図３に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図９に示すように、実施の形態３にかかるデジタル信号処理部１５０は、図３に示した構成に加えて、設定部９０１と、記憶部９０２と、補正部９０３と、を備えている。
【００６７】
重心算出部１５２は、算出したスペクトラム重心を補正部９０３へ出力する。オフセット推定部１５３には、たとえば図５、図７または図８に示したオフセット推定部１５３を適用することができる。
【００６８】
設定部９０１は、たとえばユーザの操作により、デジタルコヒーレント受信器１００の電気帯域を設定する設定部である。デジタルコヒーレント受信器１００の電気帯域は、フロントエンド１０の出力における電気帯域であり、たとえば、光電変換素子１３１，１３２とＡＤ変換器１４１，１４２との間の電気回路における電気帯域である。設定部９０１は、設定された電気帯域を補正部９０３へ出力する。
【００６９】
記憶部９０２は、スペクトラム重心の補正情報をデジタルコヒーレント受信器１００の電気帯域ごとに記憶している。補正情報は、たとえば、補正前のスペクトラム重心と、補正後のスペクトラム重心と、を対応付ける対応情報である。または、補正情報は、補正前のスペクトラム重心から補正後のスペクトラム重心を算出する計算式などでもよい。
【００７０】
補正部９０３は、設定部９０１から出力された電気帯域に対応する補正情報を記憶部９０２から読み出す。そして、補正部９０３は、読み出した補正情報に基づいて、重心算出部１５２から出力されたスペクトラム重心を補正する。補正部９０３は、補正したスペクトラム重心をオフセット推定部１５３へ出力する。
【００７１】
図１０は、電気帯域が信号帯域に比べて十分広い場合のスペクトラムの一例を示す図である。図１０において、横軸は周波数を示し、縦軸はパワーを示している。図１０に示すスペクトラム１００１は、デジタルコヒーレント受信器１００に電気帯域が広い場合にフーリエ変換部１５１から出力されるスペクトラムを示している。
【００７２】
電気帯域が広い場合は、スペクトラム１００１のように、電気帯域によるスペクトラムの歪みがない。このため、スペクトラム１００１のスペクトラム重心は実際の周波数オフセットに近くなる。たとえば、スペクトラム１００１のスペクトラム重心が示すオフセット推定値は０．０５［Ｈｚ／シンボルレート］となる。
【００７３】
図１１は、電気帯域が信号帯域に比べて狭い場合のスペクトラムの一例を示す図である。図１１において、横軸は周波数を示し、縦軸はパワーを示している。図１１に示すスペクトラム１１０１は、デジタルコヒーレント受信器１００に０．６５［Ｈｚ／シンボルレート］の電気帯域がある場合にフーリエ変換部１５１から出力されるスペクトラムを示している。
【００７４】
電気帯域が狭い場合は、スペクトラム１１０１のように、電気帯域によってスペクトラムの狭窄化が起こる。このため、スペクトラム１１０１のスペクトラム重心は実際の周波数オフセットからずれる。たとえば、スペクトラム１１０１のスペクトラム重心が示すオフセット推定値は０．１［Ｈｚ／シンボルレート］となり、実際の値（たとえば図１０を参照）と異なるオフセット推定値となる。
【００７５】
図１２は、周波数オフセットとオフセット推定値との関係を示すグラフである。図１２において、横軸は実際の周波数オフセット［Ｈｚ／シンボルレート］を示している。縦軸は、重心算出部１５２によって算出されるスペクトラム重心が示すオフセット推定値［Ｈｚ／シンボルレート］を示している。
【００７６】
関係１２０１は、デジタルコヒーレント受信器１００に帯域制限がない場合の周波数オフセットとオフセット推定値との関係を示している。関係１２０２は、０．９３［Ｈｚ／シンボルレート］の帯域制限がある場合の周波数オフセットとオフセット推定値との関係を示している。関係１２０３は、０．６５［Ｈｚ／シンボルレート］の帯域制限がある場合の周波数オフセットとオフセット推定値との関係を示している。
【００７７】
関係１２０１〜１２０３に示すように、周波数オフセットとオフセット推定値との関係は、デジタルコヒーレント受信器１００の帯域制限ごとに異なる。これに対して、オフセット推定部１５３の記憶部９０２には、帯域制限ごとに異なる補正情報を記憶しておく。これにより、重心算出部１５２によって算出されるスペクトラム重心が示すオフセット推定値を補正し、精度の高いオフセット推定値を得ることができる。
【００７８】
図１３は、記憶部に記憶される補正情報の一例を示す図である。図９に示した記憶部９０２は、たとえば図１３に示す補正情報１３０１〜１３０３を記憶している。補正情報１３０１は、帯域制限がない場合における、補正前のスペクトラム重心Ａ１１〜Ａ１ｎと補正後のスペクトラム重心Ｂ１１〜Ｂ１ｎとを対応付ける対応情報である。補正情報１３０１は、たとえば図１２に示した関係１２０１に基づいて決定される。
【００７９】
補正情報１３０２は、０．９３［Ｈｚ／シンボルレート］の帯域制限がある場合における、補正前のスペクトラム重心Ａ２１〜Ａ２ｎと補正後のスペクトラム重心Ｂ２１〜Ｂ２ｎとを対応付ける対応情報である。補正情報１３０２は、たとえば図１２に示した関係１２０２に基づいて決定される。
【００８０】
補正情報１３０３は、０．６５［Ｈｚ／シンボルレート］の帯域制限がある場合における、補正前のスペクトラム重心Ａ３１〜Ａ３ｎと補正後のスペクトラム重心Ｂ３１〜Ｂ３ｎとを対応付ける対応情報である。補正情報１３０３は、たとえば図１２に示した関係１２０３に基づいて決定される。
【００８１】
補正部９０３は、設定部９０１から出力された電気帯域に対応する補正情報を記憶部９０２から読み出す。そして、補正部９０３は、読み出した補正情報に基づいて、重心算出部１５２から出力された補正前のスペクトラム重心に対応する補正後のスペクトラム重心を取得する。補正部９０３は、取得したスペクトラム重心を出力する。
【００８２】
このように、実施の形態３にかかるデジタルコヒーレント受信器１００によれば、算出したスペクトラム重心を電気帯域に応じて補正することで、電気帯域によって信号のスペクトラムが歪んでもオフセット推定値を精度よく得ることができる。このため、受信品質をさらに向上させることができる。
【００８３】
たとえば、図５に示したオフセット推定部１５３を用いる場合は、電気帯域に応じて補正したスペクトラム重心を初期値として設定することで、周波数オフセットをさらに精度よく推定することができる。また、オフセット推定値を精度よく示すスペクトラム重心を初期値として設定することで、デジタルコヒーレント受信器１００の立ち上げ時間をさらに短縮することができる。また、図７または図８に示したオフセット推定部１５３を用いる場合は、入力された信号に基づいて算出した周波数オフセットを精度よく補正し、周波数オフセットをさらに精度よく推定することができる。
【００８４】
（実施の形態４）
実施の形態４にかかるデジタルコヒーレント受信器１００において、実施の形態１にかかるデジタルコヒーレント受信器１００と同様の部分については説明を省略する。
【００８５】
図１４は、実施の形態４にかかるデジタル信号処理部の構成例を示す図である。図１４において、図３に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図１４に示すように、実施の形態４にかかるデジタル信号処理部１５０は、図３に示した構成に加えて、制御部１４０１と、周波数制御部１４０２と、を備えている。
【００８６】
重心算出部１５２は、算出したスペクトラム重心を制御部１４０１へ出力する。制御部１４０１は、重心算出部１５２から出力されたスペクトラム重心を周波数制御部１４０２およびオフセット推定部１５３へ出力する。たとえば、重心算出部１５２は、デジタル信号処理部１５０の初期動作時にスペクトラム重心を周波数制御部１４０２へ出力する。また、制御部１４０１は、重心算出部１５２から出力されたスペクトラム重心が閾値以下になると、スペクトラム重心の出力先をオフセット推定部１５３に切り替える。
【００８７】
周波数制御部１４０２は、制御部１４０１から出力されるスペクトラム重心が小さくなるように、局発光源１１０が生成する局発光の周波数を制御する。局発光源１１０は、周波数制御部１４０２の制御にしたがって、生成する局発光の周波数を変化させる周波数可変光源とする。オフセット推定部１５３は、制御部１４０１から出力されるスペクトラム重心に基づいて周波数オフセットを推定する。オフセット推定部１５３には、たとえば図５、図７または図８に示したオフセット推定部１５３を適用することができる。
【００８８】
以上の構成により、制御部１４０１から周波数制御部１４０２へスペクトラム重心を出力することで、周波数オフセットをデジタル信号処理部１５０の前段で補償することができる。そして、スペクトラム重心が閾値以下になってから制御部１４０１からオフセット推定部１５３へスペクトラム重心を出力することで、周波数オフセットが小さい状態で周波数オフセットの推定および補償を行うことができる。
【００８９】
また、図１４に示した構成において、重心算出部１５２がスペクトラム重心を周波数制御部１４０２へ出力する構成としてもよい。この場合は、制御部１４０１を省いてもよい。また、この場合は、図５に示したオフセット推定部１５３の初期値設定部５１０を省いてもよい。また、この場合は、図７，図８に示したオフセット推定部１５３のループフィルタ５０７、加算部５０８、遅延部５０９および初期値設定部５１０を省いてもよい。この場合も、信号のスペクトラム重心を用いて局発光の周波数を制御することで、周波数オフセットが小さい状態で周波数オフセットの推定および補償を行うことができる。
【００９０】
このように、実施の形態４にかかるデジタルコヒーレント受信器１００によれば、信号のスペクトラム重心を用いて局発光の周波数を制御することで、周波数オフセットが小さい状態で周波数オフセットの推定および補償を行うことができる。これにより、周波数オフセットの引き込みレンジが狭くても周波数オフセットが引き込みレンジ内に収まるようにし、周波数オフセットを精度よく推定し補償することができる。
【００９１】
このため、受信品質を向上させることができる。また、たとえば差動デコードを用いて引き込みレンジを拡大しなくても、周波数オフセットを精度よく推定することができる。このため、受信雑音耐力特性の低下を抑えつつ受信品質を向上させることができる。また、周波数オフセットが小さい状態で周波数オフセットの推定を行うことで、周波数オフセットの推定結果を短時間で収束させることができる。このため、デジタルコヒーレント受信器１００の立ち上げ時間を短縮することができる。
【００９２】
以上説明したように、デジタルコヒーレント受信器および受信方法によれば、受信品質を向上させることができる。
【符号の説明】
【００９３】
１２１，１２２ 分岐部
１２４，１２５ 干渉部
１３１，１３２ 光電変換素子
１５１ フーリエ変換部
４００，１００１，１１０１ スペクトラム
４０１ スペクトラム重心
５０１，７０６ 偏角算出部
５０２，５０４，５０６ 減算部
５０５，５０９，７０１ 遅延部
５０８，７１０ 加算部
７０２ 複素共役算出部
７０３ 乗算部
７０４ 累乗部
７０５ 平均化部
７０８ 商演算部
７０９ 演算部
１３０１〜１３０３ 補正情報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光と局発光とを用いて光電変換するフロントエンドと、
前記フロントエンドの出力をデジタル信号に変換する変換部と、
前記変換部によって変換されたデジタル信号のスペクトラム重心を算出する算出部と、
前記算出部によって算出されたスペクトラム重心に基づいて前記デジタル信号の周波数オフセットを推定する推定部と、
前記推定部によって推定された周波数オフセットに基づいて前記デジタル信号の周波数オフセットを小さくする調整部と、
を備えることを特徴とするデジタルコヒーレント受信器。
【請求項２】
前記推定部は、前記算出部によって算出されたスペクトラム重心を初期値として、前記周波数オフセットを再帰的に推定することを特徴とする請求項１に記載のデジタルコヒーレント受信器。
【請求項３】
前記推定部は、前記デジタル信号に基づいて算出した周波数オフセットを、前記算出部によって算出されたスペクトラム重心に基づいて補正することで前記周波数オフセットを推定することを特徴とする請求項１または２に記載のデジタルコヒーレント受信器。
【請求項４】
前記算出部によって算出されたスペクトラム重心を電気帯域に応じて補正する補正部を備え、
前記推定部は、前記補正部によって補正されたスペクトラム重心に基づいて前記周波数オフセットを推定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のデジタルコヒーレント受信器。
【請求項５】
信号光と局発光とを用いて光電変換するフロントエンドと、前記フロントエンドの出力をデジタル信号に変換する変換部と、を備えるデジタルコヒーレント受信器による受信方法において、
前記変換部によって変換されたデジタル信号のスペクトラム重心を算出する算出工程と、
前記算出工程によって算出されたスペクトラム重心に基づいて前記デジタル信号の周波数オフセットを推定する推定工程と、
前記推定工程によって推定された周波数オフセットに基づいて前記デジタル信号の周波数オフセットを小さくする調整工程と、
を含むことを特徴とする受信方法。
【請求項６】
信号光と局発光とを用いて光電変換するフロントエンドと、
前記フロントエンドの出力をデジタル信号に変換する変換部と、
前記変換部によって変換されたデジタル信号のスペクトラム重心を算出する算出部と、
前記算出部によって算出されたスペクトラム重心に基づいて前記局発光の周波数を制御する制御部と、
前記デジタル信号の周波数オフセットを推定する推定部と、
前記推定部によって推定された周波数オフセットに基づいて前記デジタル信号の周波数オフセットを小さくする調整部と、
を備えることを特徴とするデジタルコヒーレント受信器。
【請求項７】
信号光と局発光とを用いて光電変換するフロントエンドと、前記フロントエンドの出力をデジタル信号に変換する変換部と、を備えるデジタルコヒーレント受信器による受信方法において、
前記変換部によって変換されたデジタル信号のスペクトラム重心を算出する算出工程と、
前記算出工程によって算出されたスペクトラム重心に基づいて前記局発光の周波数を制御する制御工程と、
前記デジタル信号の周波数オフセットを推定する推定工程と、
前記推定工程によって推定された周波数オフセットに基づいて前記デジタル信号の周波数オフセットを小さくする調整工程と、
を含むことを特徴とする受信方法。
【請求項１】
信号光と局発光とを用いて光電変換するフロントエンドと、
前記フロントエンドの出力をデジタル信号に変換する変換部と、
前記変換部によって変換されたデジタル信号のスペクトラム重心を算出する算出部と、
前記算出部によって算出されたスペクトラム重心に基づいて前記デジタル信号の周波数オフセットを推定する推定部と、
前記推定部によって推定された周波数オフセットに基づいて前記デジタル信号の周波数オフセットを小さくする調整部と、
を備えることを特徴とするデジタルコヒーレント受信器。
【請求項２】
前記推定部は、前記算出部によって算出されたスペクトラム重心を初期値として、前記周波数オフセットを再帰的に推定することを特徴とする請求項１に記載のデジタルコヒーレント受信器。
【請求項３】
前記推定部は、前記デジタル信号に基づいて算出した周波数オフセットを、前記算出部によって算出されたスペクトラム重心に基づいて補正することで前記周波数オフセットを推定することを特徴とする請求項１または２に記載のデジタルコヒーレント受信器。
【請求項４】
前記算出部によって算出されたスペクトラム重心を電気帯域に応じて補正する補正部を備え、
前記推定部は、前記補正部によって補正されたスペクトラム重心に基づいて前記周波数オフセットを推定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のデジタルコヒーレント受信器。
【請求項５】
信号光と局発光とを用いて光電変換するフロントエンドと、前記フロントエンドの出力をデジタル信号に変換する変換部と、を備えるデジタルコヒーレント受信器による受信方法において、
前記変換部によって変換されたデジタル信号のスペクトラム重心を算出する算出工程と、
前記算出工程によって算出されたスペクトラム重心に基づいて前記デジタル信号の周波数オフセットを推定する推定工程と、
前記推定工程によって推定された周波数オフセットに基づいて前記デジタル信号の周波数オフセットを小さくする調整工程と、
を含むことを特徴とする受信方法。
【請求項６】
信号光と局発光とを用いて光電変換するフロントエンドと、
前記フロントエンドの出力をデジタル信号に変換する変換部と、
前記変換部によって変換されたデジタル信号のスペクトラム重心を算出する算出部と、
前記算出部によって算出されたスペクトラム重心に基づいて前記局発光の周波数を制御する制御部と、
前記デジタル信号の周波数オフセットを推定する推定部と、
前記推定部によって推定された周波数オフセットに基づいて前記デジタル信号の周波数オフセットを小さくする調整部と、
を備えることを特徴とするデジタルコヒーレント受信器。
【請求項７】
信号光と局発光とを用いて光電変換するフロントエンドと、前記フロントエンドの出力をデジタル信号に変換する変換部と、を備えるデジタルコヒーレント受信器による受信方法において、
前記変換部によって変換されたデジタル信号のスペクトラム重心を算出する算出工程と、
前記算出工程によって算出されたスペクトラム重心に基づいて前記局発光の周波数を制御する制御工程と、
前記デジタル信号の周波数オフセットを推定する推定工程と、
前記推定工程によって推定された周波数オフセットに基づいて前記デジタル信号の周波数オフセットを小さくする調整工程と、
を含むことを特徴とする受信方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−２２８８１９（Ｐ２０１１−２２８８１９Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９４４３６（Ｐ２０１０−９４４３６）
【出願日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、総務省、「超高速光伝送システム技術の研究開発（デジタルコヒーレント光送受信技術）」研究開発委託契約に基づく開発項目「デジタルコヒーレント偏波処理技術」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、総務省、「超高速光伝送システム技術の研究開発（デジタルコヒーレント光送受信技術）」研究開発委託契約に基づく開発項目「デジタルコヒーレント偏波処理技術」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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