JP4927617B2 - データ伝送装置および伝送符号の生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、データ通信路を通じてデータ伝送を送信機、および受信機に関し、更に詳しくは、光位相変調伝送において、受信機での誤り発生を低減する符号化／復号化器に関する。

光伝送においては、１シンボルで１ビットの情報を伝送するＢＰＳＫ（Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）が主流であるが、伝送容量増加の要求にこたえるためには、１シンボルあたりの時間を短くする以外の方法がなく、高速化が困難になってきた。そこで伝送容量増加の方策として、１シンボルあたりの情報量増加が考えられ、４値位相変調（ＱＰＳＫ；Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）や、ｎ値振幅変調（ｎＡＳＫ；ｎ−ａｒｙ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）などの様々な伝送方式が示されてきた。

４値位相変調（ＱＰＳＫ）伝送は、光の多値位相変調伝送の一つであり、１シンボルの信号を示す複素平面Ｉ−Ｑ上に、同一振幅、かつ搬送波の１周期（２πラジアン）の中に、π／２ラジアンの位相間隔で信号点（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）を配置する伝送方式である（非特許文献１参照）。これから更に多値化することにより、８値位相変調（８ＰＳＫ）や、１６値位相変調（１６ＰＳＫ）などが考案されている。

上記の光多値伝送も含めた光伝送においては、伝送すべきデータに対して伝送符号化を行うのが一般的である。この伝送符号化により、０と１の出現数を等しくすることでＤＣバランスを保障し、かつビットの連続数を有限個に保障する（有限ランレングス保障）ことで、伝送路上での信号品質の劣化を抑えることができるなどの利点がある。たとえば、ネットワーク装置やパーソナルコンピュータなどにおける通信インタフェースや高速シリアルインタフェースを用いたデータ伝送技術として、８Ｂ１０Ｂ伝送符号を用いたものがある（特許文献１参照）。これは、０や１の出現数、および連続個数が不確定なシリアルデータが入力されたとき、そのデータを８ビット間隔に分割し、前記の０と１の出現数を比較的短いビット間隔（数十ビット）で等しくし、且つ連続個数を最大５個までに保障する技術である。

また、上記と異なる伝送符合として、６４Ｂ６６Ｂ伝送符号がある（非特許文献２参照）。これは、入力されたシリアルデータを６４ビット間隔に分割し、６４ビットそれぞれに２ビットのヘッダ情報を付与し、ヘッダ情報以外の６４ビットのデータをデータ攪拌（スクランブル）することで、０と１の出現数を確率的に等しくしており、伝送路でのＤＣバランスを保障できる。また、ヘッダ情報を示す２ビットを、「０１」および「１０」だけを使用することで、ビットの同値連続を有限個に保障できる。

ＯＦＣ／ＮＦＯＥＣ ２００６，ＰＤＰ３６，１００Ｇｂｉｔ／ｓ ＤＱＰＳＫ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗｉｔｈｏｕｔ ＯＴＤＭ ｆｏｒ １００Ｇ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ 米国特許第４，４８６，７３９号明細書 ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．３−２００５，Ｃｌａｕｓｅ ４９

ところが、光の位相変調伝送においては、上記のような伝送符号によるデータ伝送技術では、次のような問題点があることが本発明者により見い出された。

光多値伝送においては、送信機において２進数のビットデータを位相情報に変換し、更に電気信号から光信号に変換して送信し、受信機においては、受信した光信号に対して１シンボル遅延型のマッハツェンダ干渉計による遅延検波を実施し、２進数のビットデータに変換する。このとき、送信機の変調回路に入力されるレーザー光源の光位相ゆらぎ（位相雑音）が生じる。前記位相雑音はレーザー発信機の自然放出光により生じ、周波数特性は、ピコ秒オーダーの短周期雑音である。

光位相変調伝送においては、その受信機の復調において、１シンボル遅延型のマッハツェンダ干渉計による遅延検波を行うが、その際に信号点間の位相差はフォトダイオードの出力電圧振幅に変換されるため、光源の位相雑音は、出力電圧の振幅雑音となる。従って、位相方向の信号点が増加するほど信号点同士の判別が困難と成り、多値位相変調における信号点の増加の妨げとなる。

尚、本課題は光多値位相変調に特有である。無線及び有線の電気伝送では、搬送波の位相雑音が無視できるほど少さく、また受信機での位相同期の簡易さから同期検波を用いるため、本問題は発生しない。逆に無線では、伝播路の影響により、全信号点が同一の位相変動を持つことが問題となる。無線での位相変動は送信機、受信機が移動した際に生じる、周波数特性が短周期な位相雑音である。しかしながら、光伝送では伝播路である光ファイバは特性が安定しているため、同様の問題は発生しない。

前述した特許文献１および非特許文献２における８Ｂ１０Ｂ符号および６４Ｂ６６Ｂ符号では、光位相変調伝送の位相雑音を考慮しておらず、多値数を増やした際には、位相雑音の影響による誤り率の上昇が顕著である。本発明の目的は、光位相変調伝送における多値数（信号数）を増加した際に、光源の位相雑音の影響を低減し、かつ受信機での誤り検出及び訂正を可能とする実現する技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明においては、光の多値位相変調伝送での１シンボルの信号を示す複素平面Ｉ−Ｑ上に、同一振幅、かつ搬送波の１周期（２πラジアン）の中に、等しい位相間隔で配置された信号点がＮ個（Ｐ１、Ｐ２・・・ＰＮ）あるとする。これをＮ値位相変調と呼ぶ。以下説明を簡略化するために、信号点の間隔は位相方向に等間隔とするが、本発明は信号点の間隔配分には限定されない。

本発明は、伝送路で接続された送信機、および受信機により構成され、送信データを光信号に変換して伝送するデータ伝送装置であって、該送信機は、入力された２進数のデータを光位相変調の信号点（即ち送信位相情報）に変換する位相符号化部と、前記送信位相の差動符号化を行う差動プリコーダ部と、ある単一波長のレーザー発信を行い搬送波を出力するレーザー発信部と、前記搬送波と電気信号の前記送信位相とを元に位相変調された光信号を出力する位相変調器とを備え、該受信機は、受信した光信号からシンボル間の位相差を検出して電気信号の位相情報に変換する遅延検波器と、受信した前記位相情報から２進数のデータに変換する位相復号化部とを備えたものである。

本発明による送信機では、時間軸方向に、現在送信したシンボルを基準に、次シンボルで送信する信号点を限定して送信する。即ち、ある時点で信号点Ｐ１を送信した場合、次の時点では、Ｐ１乃至ＰＮの何れかの送信を禁止する。より具体的には、ある信号点において、所望のシンボル誤り率（例えば１０^−１２以下）に対応する光源による搬送波に含まれる位相雑音の分散値（例えば７σ）が、位相の信号点間隔の１／２より大きい場合は、信号点間隔が誤差確率分布の分散値より大きくなる信号点のみを使用するよう限定する。本発明は以上により、２つの信号点での誤差確率分布が重なる領域を低減し、結果として受信機での復調器（即ち検波器）及び位相復号器におけるシンボル誤り率の低減を可能とするものである。これを以下、信号点遷移の限定と呼ぶ。

具体的に、８値位相変調伝送（Ｎ＝８）を例に、信号点遷移の限定について説明する。８値位相変調（８ＰＳＫ；８−ａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）では信号点はＰ１乃至Ｐ８の８つである。信号点Ｐ１乃至Ｐ８は、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７，Ｐ８の順に、位相方向に隣接して複素平面に配置される。このとき、Ｐ１とＰ８は、周期が一周することにより隣接する。例えば、所望のシンボル誤り率に対応する位相方向の誤差確率分布の分散が、信号点の最小間隔（この例ではπ／４ラジアン）の１／２（即ちπ／８ラジアン）よりも大きく、信号点間隔１つ分（即ちπ／４ラジアン）よりも小さいと仮定する。すると、信号点間隔は最小間隔の２倍とすればよい。ただし、全ての信号点間隔を最小間隔２倍とすると、全く使用しない信号点が生じる。そのため、一つ以上は最小間隔３倍以上の信号点間隔を含むようにする。また、使用信号点の全信号点間隔の総和は、１周期（２πラジアン）となるようにする。上記限定方法に従えば、現在送信した信号点をＰ１としたときは、次に送信できる信号点の信号点間隔は、｛３×π／４，２×π／４，３×π／４｝の組合せとなり、使用できる信号点はＰ１，Ｐ４，Ｐ６の３つである（以下、便宜上｛３×π／４，２×π／４，３×π／４｝を｛３，２，２｝と表記する）。ただし上記信号点間隔の組合せの制約はなく、｛２，３，３｝や｛３，３，２｝などの組合せとしてもよい。

さらに同様に、１６値位相変調に適用するならば、使用できる信号点個数を最も多くする信号点間隔の組合せは、｛３，２，２，２，２，２，３｝であり、現シンボルが信号点Ｐ１の場合に使用できる次シンボルの信号点はＰ１，Ｐ４，Ｐ６，Ｐ８，Ｐ１０，Ｐ１２，Ｐ１４である。また８値位相変調と同様に、信号点間隔の組合せに制約はない。

即ち上記限定方法に従えば、Ｎ値位相変調信号（Ｎは自然数）において、使用できる信号点の最大数Ｍは、

となる。

本発明による送信機の位相符号化部では、送信する２進数のビットデータを、位相変調の位相情報へ変換する。具体的な例としては、３ビットの２進数データを、２シンボルの８値位相情報に変換可能であり、例えば表１のように対応付ける。同様に受信機の位相復号化部では、受信した位相情報から、対応する２進数のビットデータへの逆変換を行う。

本発明による送信機では、８値位相変調伝送の８信号点のうち、３点のみを使用しており、使用可能な信号点同士の間隔は、少なくとも最小信号点間隔の２倍、乃至３倍である。即ち、前記遅延検波器が光信号から位相情報の電気信号に変換した際に、誤った位相に変換した場合、前記の最小信号点間隔が２倍の点であれば誤り検出が可能であり、同３倍の点であれば誤り訂正が可能となる。具体的な例として、送信機が信号点Ｐ４で送信した位相情報が、受信機の遅延検波器で信号点Ｐ５として検出した場合、信号点Ｐ５の信号は本来使用不可能であるため、誤りとして検出可能である。同様に、送信機が信号点Ｐ４で送信した位相情報が、受信機の遅延検波器で信号点Ｐ３として検出した場合、誤った位相情報であると検出でき、且つ信号点Ｐ４からのハミング距離が１、信号点Ｐ１からのハミング距離が２であることから、信号点Ｐ４へと誤り訂正が可能である。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

（１）受信機の復調器でのビット誤り率を低減することができる。

（２）また、受信機での位相情報からビットデータへの変換において、位相情報の誤りを訂正可能にすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

実施例１のデータ伝送装置は、図１に示すように、送信機１、伝送路２、および受信機３から構成されている、送信機１は、伝送路２を介して受信機３と接続されている。

送信すべき送信データ１０は、送信機１に入力された後、所望のデータ変換を行われ、伝送路２に出力される。受信機３は受信したデータに対して所望のデータ変換を行った後、受信データ３３として出力する。この送信データ１０および受信データ３３は、伝送路において生じる伝送誤りが誤り訂正能力の範囲内で生じていれば、全く同一の値となる。

送信機１は、位相符号化部１１、差動プリコーダ部１２、レーザー発信器１３、位相変調器１４により構成されている。送信機１において、送信データ１０は位相符号化部１１に入力され、位相符号化部１１の出力は差動プリコーダ部１２に接続される。差動プリコーダ部１２の出力、およびレーザー発信器１３の出力は、位相変調器１４に接続され、位相変調器１４の出力は、伝送路２に接続される。

受信機３は、遅延検波器３０、位相復号化部３２により構成されている。受信機３において、伝送路２は、遅延検波器３０に接続されており、該遅延検波器３０の出力は位相復号化部３２に接続されている。そして位相復号化部３２は、受信データ３３を出力する。

送信データ１０は、時間連続的な２進数のビットデータからなっている。

送信データ１０は、まず位相符号化部１１に入力される。位相符号化部１１では時間連続するビット列である送信データ１０を、均等なビット数からなるブロックに分割し、ブロック毎に対応する位相情報に変換する。このとき位相情報は位相変調器１４が出力可能な全信号点を用いず、限定して用いる。前記変換方法の一例として、送信データ１０を３ビット毎のブロックに分割し、該ブロックの値から一意に決定される２シンボルの位相情報への変換方法を示す。位相変調器１４が８値位相変調を行う場合、図２に示すように、１シンボルには位相方向に連接する８個の信号点（Ｐ１乃至Ｐ８）が存在し、そのうち３個の信号点（Ｐ１，Ｐ４，Ｐ６）のみを使用することとする。前記送信データ１０の３ビットは２^３＝８値の情報を持つことに等しく、また前記２シンボルの位相情報（１シンボル中３個の信号点のみを使用）は３^２＝９値の情報を持つことに等しいため、これらを一対一対応させることにより、２進数のビット列から位相情報への変換を実施する。このときの対応付けには表１などを使用する。位相符号化部１１は変換後の位相情報を連続するシンボル毎に出力する。

前記位相符号化部１１が出力する位相情報は、差動プリコーダ部１２に入力される。差動プリコーダ部１２では、１シンボル前に出力した位相情報と、入力された位相情報との差分を計算する差動符号化を実施し、位相差分情報として出力する。差動プリコーダ部１２の要否は、受信機３での検波方法に依存する。前記検波方法が、１シンボル遅延型のマッハツェンダ干渉計による遅延検波方式である場合、送信機においては１シンボル単位の差動符号化を実施する必要がある。差動符号化には複数の方法が存在するが、本発明では一例として、次の式に基づく差動符号化を実施する。時間ｎに入力された位相情報φ（ｎ）と、１シンボル前の出力位相θ（ｎ−１）により、出力位相θ（ｎ）は、

で表す。ここでｍｏｄ２πとはｍｏｄｕｌｏ−２π（２πでの剰余）を求める関数である。

前記差動プリコーダ部１２が出力した位相差分情報は、位相変調器１４に入力される。位相変調器１４には、同時にレーザー発信器１３が出力する波長λのレーザー光が搬送波として入力される。位相変調器１４では、入力された前記搬送波を基準に、８相の位相を持つ搬送波を作成し、入力された位相差分情報によって一意に決定される位相を持つ前記搬送波のみを出力する。これにより電気信号と光信号への変調が実施される。本発明では、位相変調器１４での変調方式を限定しない。

位相変調器１４が出力する前記光信号は送信機１の出力となり、光ファイバである伝送路２を伝播して受信機２に入力される。

受信機２では、受信した光信号が遅延検波器３０に入力される。遅延検波器３０は、所謂１シンボル遅延型のマッハツェンダ干渉計による遅延検波を実施する。入力信号から、１シンボル時間＋π／８、１シンボル時間−π／８、１シンボル時間＋３π／８、１シンボル時間−３π／８、の４つの信号との合波信号を作成する。遅延検波器３０では、前記合波信号をフォトダイオードにて光−電気信号変換することで、伝送された位相情報を再生し、位相復号化部３２へ出力する。このとき、伝送路及び光−電気信号変換において誤りが生じていなければ、送信時と同一の信号点（Ｐ１，Ｐ４，Ｐ６）のみが出現するが、誤りが生じた場合は、使用の許されていない信号点（Ｐ２，Ｐ３，Ｐ５，Ｐ７，Ｐ８）が出現する。

位相復号化部３２では、入力した前記位相情報を、表１に基づいて、２進数３ビットのデータに変換し、受信データ３３として出力する。位相復号化部３２では、使用の許可されていない信号点（Ｐ２，Ｐ３，Ｐ５，Ｐ７，Ｐ８）を受信した場合は、誤り訂正が可能な信号点（Ｐ２，Ｐ８）、信号点Ｐ３、及び信号点Ｐ７であれば、それぞれ信号点Ｐ１、信号点Ｐ４、信号点Ｐ６へと訂正し、信号点Ｐ５であれば誤り検出のみを実施し、誤り検出結果３４を通知する。

実施例２においては、実施例１と同様に、データ伝送装置は、図１に示すように、送信機１、伝送路２、および受信機３から構成されている、送信機１は、伝送路２を介して受信機３と接続されている。

送信機１の位相変調器１４、及び受信機３の遅延検波器３０が１６値位相変調を行う場合、図３に示すように、１シンボルには位相方向に連接する１６個の信号点（Ｐ１乃至Ｐ１６）が存在し、そのうち７個の信号点（Ｐ１，Ｐ４，Ｐ６，Ｐ８，Ｐ１０，Ｐ１２，Ｐ１４）のみを使用することとする。前記送信データ１０は８ビット単位に分割する。前記８ビットは２^８＝２５６値の情報を持つため、また３シンボルの位相情報の３４３値（７^３）の何れかに対応付けることにより、２進数のビット列から位相情報への変換を実施する。その点以外は実施例１と同様である。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明は、通信インタフェース、およびデータ伝送回路に属し、ネットワーク装置（ルータやスイッチ、伝送装置、メディアコンバータ、リピータ、ゲートウェイ等）に適している。

本発明の実施例１、実施例２に共通なデータ伝送装置の構成を示すブロック図である。 実施例１のデータ伝送装置に用いられる８値位相変調伝送の信号点配置と、遷移可能な信号点を示す図である。 実施例２のデータ伝送装置に用いられる１６値位相変調伝送の信号点配置と、遷移可能な信号点を示す図である。

符号の説明

１：送信機、３：受信機、１１：位相符号化部、１２：差動プリコーダ、１３：レーザー発信器、１４：位相変調器、３０：遅延検波器、３２：位相復号化部

Claims (5)

1. 伝送路で接続された送信機、および受信機により構成され、送信データを光信号に変換して伝送するデータ伝送装置であって、
   前記送信機は、
   波長λの光源であるレーザー発信器と、
   １シンボル中に設定した、４以上の自然数であるＮ種の位相の信号点のうち、所望のシンボル誤り率に対応する、前記レーザー発信器による搬送波に含まれる位相雑音の分散値が重なる信号点を除外することで使用可能な信号点を選定し、前記使用可能な信号点のみに使用を制限して、入力された一つまたは複数のビットデータから一つまたは複数シンボルを組とする信号点へ変換し、位相情報として出力する位相符号化部と、
   前記位相情報と、１シンボル前に出力した信号点との位相差を求め、位相差情報として出力する差動プリコーダ部と、
   前記レーザー発信器の出力光からＮ相の搬送波を生成し、前記位相差情報に対応する位相の光信号を１シンボル毎に出力する位相変調器とを備え、
   前記受信機は、
   受信した光信号から、位相差を検出して位相情報として出力する検波器と、
   一つまたは複数のシンボルにより構成される前記位相情報から、一つまたは複数のビットデータへ変換する位相復号化部とを備えたことを特徴とするデータ伝送装置。
2. 請求項１記載のデータ伝送装置において、
   前記位相符号化部は、
   位相角方向に隣接して配置された信号点Ｐ１乃至ＰＮからなる前記Ｎ種の位相の信号点を持つ位相変調伝送において、所望のシンボル誤り率に対応する、前記レーザー発信器による搬送波に含まれる位相雑音の分散値が、全信号点の最小間隔の１／２よりも大きく、且つ前記最小間隔よりも小さい場合、前記使用可能な信号点が、信号点間隔は最小間隔の２倍以上とし、且つ一つ以上は最小間隔の３倍以上の信号点間隔を含み、且つ使用信号点の全信号点間隔の位相角の総和が２πラジアンの１周期である条件を満たすように、使用する信号点を制限することを特徴とするデータ伝送装置。
3. 請求項１記載のデータ伝送装置において、
   前記位相復号化部は、
   受信した位相情報に使用を制限した信号点以外の第１の信号点が含まれ、前記第１の信号点からハミング距離が最も近い使用を制限した第２の信号点と、前記第１の信号点からハミング距離が二番目に近い使用を制限した第３の信号点と、のハミング距離が２以上である場合、誤り検出を通知し、
   前記受信した位相情報に前記第１の信号点が含まれ、前記第２の信号点と前記第３の信号点とのハミング距離が３以上である場合、前記第１の信号点を前記第２の信号点に変更することで誤り訂正を実施することを特徴とするデータ伝送装置。
4. 伝送路で接続された送信機、および受信機により、送信データを光信号に変換して伝送する伝送符号であって、１シンボル中に設定した信号点Ｐ１乃至ＰＮからなる、５以上の自然数であるＮ値の位相の信号点を用いるＮ位相変調伝送の伝送符号の生成方法において、
   入力される連続ビットデータをＸビットずつのデータに分割し、
   前記Ｘビットのデータが示す２^X値を、Ｙシンボルの（Ｎ／２−１）^Y値の信号に一意に対応付けて変換し、
   Ｎが５以上の自然数である場合、前記Ｎ値の信号点のうち、位相角０である信号点Ｐ１と、１≦ｎ＜Ｎ／２−１である場合のＮ／２−１個の信号点Ｐ（２ｎ＋２）とのみに使用を限定することを特徴とする伝送符号の生成方法。
5. 請求項４記載の生成方法にて生成された伝送符号を受信し、
   使用を許可された前記信号点Ｐ１と前記信号点Ｐ（２ｎ＋２）と以外の信号点を受信した場合には誤り検出を通知し、
   且つ、前記信号点Ｐ１と信号点Ｐ（２ｎ＋２）と以外の信号点を、当該信号点からのハミング距離が最も近い前記信号点Ｐ１又は前記信号点Ｐ（２ｎ＋２）に変更することで誤り訂正をすることを特徴とする伝送符号の誤り検出・訂正方法。

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