JP5653561B2 - Optical modulation / demodulation method and optical transceiver - Google Patents
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Description
本発明は光変復調方法および光送受信器に関し、特に、デジタルコヒーレント方式を用いた光変復調方法および光送受信器に関する。 The present invention relates to an optical modulation / demodulation method and an optical transceiver, and more particularly, to an optical modulation / demodulation method and an optical transceiver using a digital coherent method.
大容量光伝送のためには、光信号(optical signal)対雑音電力(noise power)の限界の克服と、高密度波長多重化とが、課題である。 For large-capacity optical transmission, overcoming the limitations of optical signal versus noise power and high-density wavelength multiplexing are challenges.
光信号対雑音電力の限界を克服する技術として、従来のオンオフキーイング(On−Off Keying:OOK)の代わりに、2値位相偏移変調(Binary Phase−Shift Keying:BPSK)や4値PSK(Quaternary Phase−Shift Keying:QPSK)が用いられる。 As a technique for overcoming the limitations of optical signal-to-noise power, binary phase-shift keying (BPSK) or quaternary PSK (Quaternary) is used instead of conventional on-off keying (OOK). Phase-Shift Keying (QPSK) is used.
高密度波長多重化のために、直交する2つの偏波成分に独立の信号を割り当てる偏波多重によって、1シンボル当たりの伝送ビット数を2倍に増やす方式が用いられている。あるいは、別の方式として、QPSKや16値直交振幅変調(16 Quadrature Amplitude Modulation:16QAM)のように、信号多重度を上げて、1シンボル当たりの伝送ビット数を増やす方式が知られている。QPSKや16QAMは、光送信器において、同位相軸(In−Phase軸:I軸)と、直交位相軸(Quadrature−Phase軸:Q軸)とに信号を割り当てて伝送する。 For high-density wavelength multiplexing, a system is used in which the number of transmission bits per symbol is doubled by polarization multiplexing in which independent signals are assigned to two orthogonal polarization components. Alternatively, as another method, there is known a method of increasing the signal multiplicity and increasing the number of transmission bits per symbol, such as QPSK or 16-value quadrature amplitude modulation (16 QAM). QPSK and 16QAM are transmitted by assigning signals to the same phase axis (In-Phase axis: I axis) and quadrature phase axis (Quadrature-Phase axis: Q axis) in the optical transmitter.
また、同期検波方式にデジタル信号処理を組み合わせて、これらの光変調信号を受信するデジタルコヒーレント方式が注目されている(例えば、非特許文献1参照)。この方式では、同期検波による線形な光電気変換と、デジタル信号処理による固定的または半固定的、および、適応的な線形等化により、伝送路で生じる波長分散や、偏波モード分散(Polarization−Mode Dispersion:PMD)等に起因する線形な波形歪みに対する優れた等化特性や優れた雑音耐力を実現できる。 Further, a digital coherent system that receives these optical modulation signals by combining digital signal processing with the synchronous detection system has attracted attention (for example, see Non-Patent Document 1). In this method, chromatic dispersion generated in a transmission line and polarization mode dispersion (Polarization-polarization-) are obtained by linear photoelectric conversion by synchronous detection and fixed, semi-fixed, and adaptive linear equalization by digital signal processing. It is possible to achieve excellent equalization characteristics and excellent noise tolerance against linear waveform distortion caused by Mode Dispersion (PMD).
デジタルコヒーレント方式において受信部で搬送波位相オフセット補償を行う方法として、M乗法(例えば、非特許文献2参照)や、仮判定型アルゴリズム(例えば、特許文献1参照)が用いられてきた。これらの方法では、雑音や波形歪みが大きい条件において、搬送波の位相の復元時に、角度(2π/M)×Nのスリップが生じ、大規模連続誤りが生じる可能性がある(M:PSKの位相数を示す自然数、N:自然数)。従来、位相スリップを防ぐ方法として、差動符号化・復号化が一般的に利用されてきた。 As a method for performing carrier phase offset compensation at the receiving unit in the digital coherent method, an M-th power method (for example, see Non-Patent Document 2) or a provisional determination type algorithm (for example, see Patent Document 1) has been used. In these methods, a slip of an angle (2π / M) × N may occur when the carrier phase is restored under conditions where noise and waveform distortion are large, and a large-scale continuous error may occur (M: PSK phase). A natural number indicating a number, N: a natural number). Conventionally, differential encoding / decoding has been generally used as a method for preventing phase slip.
また、差動符号化・復号化を用いずに、位相スリップを回避する方法も検討されている。 Also, a method for avoiding phase slip without using differential encoding / decoding has been studied.
特許文献2では、コヒーレント光受信器の搬送波の位相の推定において、シンボル間の推定搬送波位相の遷移が正もしくは負のしきい値を超えることを条件に、周期カウント(サイクルカウント)値を増減させ、周期カウント値をもとに正確に搬送波位相推定を行うことが開示されている。
In
特許文献3では、コヒーレント光通信において、送信側で、データ信号の合間に参照信号(パイロット信号)を挿入する。受信側で、参照信号から、搬送波位相を推定する。データ信号のうち位相変動が大きいシンボルについては、参照信号に基づいて推定した搬送波位相を線形補間することにより、搬送波位相の推定確度を保証することが開示されている。
In
特許文献4では、コヒーレント光通信において、送信側でデータ信号の合間に参照信号(SYNCバースト)を挿入し、位相スリップにより発生しうる連続誤りは誤り訂正により救済することが開示されている。また、時系列順及び時系列逆順の両方向データ復号を重ね合わせて照合し、その後、各方向で復号される同一シンボルの復号結果に不整合があるかどうかを判定することで、位相スリップの発生を検知し、誤り訂正で認識して訂正することも開示されている。
しかしながら、差動符号化・復号化を用いる従来技術によれば、伝送路での1シンボル誤りが伝搬しておよそ2シンボル誤りになり、符号誤り率を劣化させるため、誤り伝搬により雑音耐力が損われるという課題があった。 However, according to the prior art using differential encoding / decoding, one symbol error in the transmission channel propagates to about two symbol errors, which degrades the code error rate. There was a problem of being.
特許文献2に記載の方法では、位相スリップの検出確度が不十分であり、見逃した位相スリップによる大規模連続誤りが不可避であるという課題があった。
The method described in
特許文献3及び特許文献4に記載の方法では、参照信号の挿入が必要であり、冗長度を増大させ、伝送速度の高速化を招くという課題があった。
In the methods described in
特許文献4に記載の方法では、誤り訂正の連続誤り耐性を高めるために、誤り訂正符号の符号則に制約が加わり、ランダム誤りに対する耐性を低下させてしまうという課題があった。
In the method described in
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、位相スリップによる伝送品質劣化を防止し、伝送品質の向上および雑音耐力の改善を行うことを可能とする、光変復調方法および光送受信器を得ることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problem, an optical modulation / demodulation method capable of preventing transmission quality deterioration due to phase slip, improving transmission quality, and improving noise immunity, and The purpose is to obtain an optical transceiver.
この発明は、光送信部により、X偏波およびY偏波の各直交偏波で非対称となる信号点配置を有する光信号を生成して、それらを多重化するステップと、前記光送信部により、多重化された前記光信号を送信するステップと、光受信部により、多重化された前記光信号を受信するステップと、前記光受信部により、所定の波長で発振する局部発振光を生成するステップと、前記光受信部により、受信した前記光信号と前記局部発振光とを混合して光/電気変換を行うとともに、アナログ/デジタル変換を行って、デジタル信号を出力するステップと、前記光受信部により、前記デジタル信号に基づいて、受信した前記光信号の搬送波周波数及び搬送波位相を前記X偏波および前記Y偏波で同時に推定するステップと、推定された搬送波周波数及び搬送波位相に基づき、シンボル毎にとり得る位相スリップ状態ごとの周波数・位相補償後のデジタル信号を出力するステップと、前記周波数・位相補償後のデジタル信号に基づいて、前記位相スリップ状態ごとの尤度を演算するステップと、前記周波数・位相補償後のデジタル信号を、前記位相スリップ状態ごとに予め設定された閾値に基づいて復号し、前記位相スリップ状態ごとの復号結果を出力するステップと、前記位相スリップ状態ごとの復号結果の中から、前記尤度の中で最大の尤度の位相スリップ状態に対応する復号結果を選択して出力するステップとを備えたことを特徴とする光変復調方法である。 According to the present invention, an optical transmission unit generates an optical signal having a signal point arrangement that is asymmetrical in each of the X polarization and the Y polarization, and multiplexes them. A step of transmitting the multiplexed optical signal; a step of receiving the multiplexed optical signal by an optical receiver; and a local oscillation light that oscillates at a predetermined wavelength by the optical receiver. A step of mixing the received optical signal and the local oscillation light by the optical receiving unit to perform optical / electrical conversion, performing analog / digital conversion, and outputting a digital signal; and A step of simultaneously estimating a carrier frequency and a carrier phase of the received optical signal based on the digital signal by the receiving unit using the X polarization and the Y polarization; and an estimated carrier frequency And a step of outputting a frequency / phase compensated digital signal for each phase slip state that can be taken for each symbol based on the carrier phase, and a likelihood for each phase slip state based on the frequency / phase compensated digital signal Calculating the frequency / phase compensated digital signal based on a preset threshold value for each phase slip state, and outputting a decoding result for each phase slip state, and the phase And a step of selecting and outputting a decoding result corresponding to a phase slip state having the maximum likelihood among the decoding results for each slip state. .
この発明は、光送信部により、X偏波およびY偏波の各直交偏波で非対称となる信号点配置を有する光信号を生成して、それらを多重化するステップと、前記光送信部により、多重化された前記光信号を送信するステップと、光受信部により、多重化された前記光信号を受信するステップと、前記光受信部により、所定の波長で発振する局部発振光を生成するステップと、前記光受信部により、受信した前記光信号と前記局部発振光とを混合して光/電気変換を行うとともに、アナログ/デジタル変換を行って、デジタル信号を出力するステップと、前記光受信部により、前記デジタル信号に基づいて、受信した前記光信号の搬送波周波数及び搬送波位相を前記X偏波および前記Y偏波で同時に推定するステップと、推定された搬送波周波数及び搬送波位相に基づき、シンボル毎にとり得る位相スリップ状態ごとの周波数・位相補償後のデジタル信号を出力するステップと、前記周波数・位相補償後のデジタル信号に基づいて、前記位相スリップ状態ごとの尤度を演算するステップと、前記周波数・位相補償後のデジタル信号を、前記位相スリップ状態ごとに予め設定された閾値に基づいて復号し、前記位相スリップ状態ごとの復号結果を出力するステップと、前記位相スリップ状態ごとの復号結果の中から、前記尤度の中で最大の尤度の位相スリップ状態に対応する復号結果を選択して出力するステップとを備えたことを特徴とする光変復調方法であるので、位相スリップによる伝送品質劣化を防止し、伝送品質の向上および雑音耐力の改善を行うことができる。 According to the present invention, an optical transmission unit generates an optical signal having a signal point arrangement that is asymmetrical in each of the X polarization and the Y polarization, and multiplexes them. A step of transmitting the multiplexed optical signal; a step of receiving the multiplexed optical signal by an optical receiver; and a local oscillation light that oscillates at a predetermined wavelength by the optical receiver. A step of mixing the received optical signal and the local oscillation light by the optical receiving unit to perform optical / electrical conversion, performing analog / digital conversion, and outputting a digital signal; and A step of simultaneously estimating a carrier frequency and a carrier phase of the received optical signal based on the digital signal by the receiving unit using the X polarization and the Y polarization; and an estimated carrier frequency And a step of outputting a frequency / phase compensated digital signal for each phase slip state that can be taken for each symbol based on the carrier phase, and a likelihood for each phase slip state based on the frequency / phase compensated digital signal Calculating the frequency / phase compensated digital signal based on a preset threshold value for each phase slip state, and outputting a decoding result for each phase slip state, and the phase And a step of selecting and outputting a decoding result corresponding to a phase slip state having the maximum likelihood among the decoding results for each slip state. Therefore, transmission quality deterioration due to phase slip can be prevented, and transmission quality can be improved and noise tolerance can be improved.
以下に、本発明に係る光送受信器及び光変復調方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を具体化する際の一形態であって、本発明をその範疇に限定するためのものではない。 Embodiments of an optical transceiver and an optical modulation / demodulation method according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The embodiment described below is an embodiment for embodying the present invention, and is not intended to limit the present invention to its category.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る光送受信器の構成例を示す図である。図1に示すように、本実施の形態1の光送受信器は、光送信部100と、伝送チャネル200と、光受信部300とで構成される。光送信部100は、光源101と、シンボルマッパ102と、光変調部103とで構成される。光受信部300は、光源301と、光復調部302と、波形等化部303と、周波数・位相推定部304(X/Y結合)と、復号部305(X/Y同時)と、位相スリップ状態推定部306と、選択部307とで構成される。光送信部100は伝送チャネル200を介して相手側の光送受信器(図示せず)に光信号を送信する。光受信部300は伝送チャネル200を介して相手側の光送受信器(図示せず)から送信されてきた光信号を受信する。なお、相手側の光送受信器は、図1では図示していないが、図1に示す光送受信器と同じ構成を有しているものとする。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an optical transceiver according to
以下、本実施の形態1に係る光変復調方法および光送受信器について説明する。 Hereinafter, the optical modulation / demodulation method and the optical transceiver according to the first embodiment will be described.
まず、光送信部100について説明する。光源101は、予め設定された所定の波長で発振する搬送波光信号を生成し、光変調部103に出力する。
First, the
シンボルマッパ102は、外部(図示せず)から入力される送信データ(2系列の符号A,B、図4参照)に基づき、信号点配置を行い、4レーンの2値電気信号を出力する。
The
図2は、偏波多重BPSK(DP−BPSK:Dual−Polarization BPSK)方式の偏波位相空間における信号点配置である。横軸は直交偏波多重する際の一方の偏波成分であるX偏波の光位相を示し、縦軸は同じく直交偏波多重する際の他方の偏波成分であるY偏波の光位相を示す。通常のBPSKは、位相0および位相πの2値で表示されるが、図2では、それらをπ/4回転させた位相π/4および位相−3π/4で示す。X偏波、Y偏波それぞれ2値の位相をとるため、図2上で、0、1、2、3の4つの信号点(シンボル)をとり得る。これらの信号点の配置は、X偏波とY偏波とで対称(点対称、線対称)となっている。
FIG. 2 is a signal point arrangement in a polarization phase space of a polarization-multiplexed BPSK (DP-BPSK: Dual-Polarization BPSK) system. The horizontal axis represents the optical phase of X polarization, which is one polarization component when orthogonal polarization multiplexing is performed, and the vertical axis is the optical phase of the Y polarization, which is the other polarization component when orthogonal polarization multiplexing is performed. Indicates. Ordinary BPSK is represented by binary values of
図3は、本発明の実施の形態1に係る、偏波位相空間における信号点配置である。図3に示すように、信号点配置が、X偏波とY偏波とで非対称配置となっており、X偏波とY偏波とで互いに異なる信号点配置となっている。具体的には、図3に示すように、DP−BPSKにおいて、X偏波の位相が−3π/4の場合(信号点1、3)のみ、図2の信号点配置から、Y偏波の位相を+π/2シフトさせる。なお、X偏波の位相がπ/4の場合(信号点0、2)は、図2の信号点配置と同じY偏波の位相である。これにより、各信号点0,1,2,3の配置は、点対称でもなく、線対称でもなくなる。このように、本実施の形態1においては、X/Y偏波の両方の信号点配置が2値位相偏移変調であり、X/Y偏波の一方の2値位相偏移変調の片側位相の場合のみ、X/Y偏波の他方の信号点をπ/2ずらす。こうして、本実施の形態1では、各信号点の配置が、X偏波とY偏波とで、非対称になっている。 FIG. 3 is a signal point arrangement in the polarization phase space according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the signal point arrangement is an asymmetric arrangement between the X polarization and the Y polarization, and the signal point arrangement differs between the X polarization and the Y polarization. Specifically, as shown in FIG. 3, in DP-BPSK, only when the phase of X polarization is −3π / 4 (signal points 1 and 3), from the signal point arrangement of FIG. Shift the phase by + π / 2. When the phase of the X polarization is π / 4 (signal points 0 and 2), the phase of the Y polarization is the same as the signal point arrangement in FIG. As a result, the arrangement of the signal points 0, 1, 2, and 3 is neither point-symmetric nor line-symmetric. As described above, in the first embodiment, the signal point arrangement of both X / Y polarization is binary phase shift keying, and one side phase of one binary phase shift keying of X / Y polarization is performed. Only in this case, the other signal point of the X / Y polarization is shifted by π / 2. Thus, in the first embodiment, the arrangement of the signal points is asymmetric between the X polarization and the Y polarization.
本発明の実施の形態1に係る信号点配置の入出力関係を図4に示す。光送信部100において、シンボルマッパ102は、外部(図示せず)から、2系列の符号Aおよび符号Bが送信データとして入力され、4レーンの2値(+/−)の電気信号XI、XQ、YI、YQを生成し、光変調部103に対して出力する。Y偏波は見かけ上QPSKとなるが、QPSK側をグレイ符号していないのは、図3から分かるように、シンボル0―2間や1―3間よりも、0−1間、0−3間、2−1間、2−3間の方が偏波位相空間距離が遠いので、遠い側のハミング距離を大きくする意図による。ただし、本発明の範疇を、この符号化則に限定するものではない。この処理は、A、Bを入力としてXI、XQ、YI、YQを出力とするテーブル処理により実現可能である。あるいは、以下の論理演算により求めることも可能である。
XI=NOT{B}
XQ=NOT{B}
YI=EXOR{B}
YQ=NOT{A}The input / output relationship of the signal point arrangement according to
XI = NOT {B}
XQ = NOT {B}
YI = EXOR {B}
YQ = NOT {A}
図4に示すように、シンボル0では、符号Aが“0”、符号Bが“0”で、X位相がπ/4、Y位相がπ/4となっている。このとき、シンボルマッパ102は、XIが“+”、XQが“+”、YIが“+”、YQが“+”の4レーンの2値信号を生成する。シンボル1,2,3についても、同様であり、それぞれ、図4に示す符号A,Bが入力され、それらの基づき、図4に示す4レーンの2値信号を生成する。
As shown in FIG. 4, in the
光変調部103は、光源101から入力する搬送波光信号を、シンボルマッパ102から入力する4レーンの2値電気信号(XI、XQ、YI、YQ)で変調し、それらを多重化して、図3に示す信号点配置の光信号を生成する。シンボルマッパ102から入力される信号(2値電気信号)は、一般に、ドライバ(図示せず)で増幅されて、光変調部103を駆動されるが、図1の構成では、ドライバは省略されている。光変調部103は、光源101から入力される搬送波を2系統に分け、それぞれ、シンボルマッパ102からの2値電気信号で直交位相(I/Q)変調し、直交偏波多重化する。また、送信部100に、デジタル・アナログ変換部(図示せず)を備えて、送信端で波形歪みの予補償等のデジタル信号処理を行うようにしてもよい。
The
伝送チャネル200は、光送信部100内の光変調部103から入力される光信号を伝送し、相手側の光送受信器の光受信部300に出力する。伝送チャネル200は、波長合分波装置、光増幅装置、伝送路光ファイバ等、一般に光信号の伝送に用いられる装置および部品を備える。
The
次に、光受信部300について説明する。光受信部300において、光源301は、予め設定された所定の波長で発振する局部発振光信号を生成し、光復調部302に出力する。一般に、局部発振光信号は、光源101で生成される搬送波光信号と概略同一の波長で発振させる。
Next, the
光復調部302は、伝送チャネル200を介して伝送されてきた光信号と、光源301から入力される局部発振光信号とを、直交偏波成分及び直交位相成分に分解する。次に、光復調部302は、分解した光信号と局部発振光信号とを混合して光電気変換を行って、4レーンの電気信号に変換するコヒーレント検波を行う。さらに、それらの電気信号を、アナログ・デジタル変換によりデジタル信号に変換して、量子化・標本化する。そうして得られた4レーンのデジタル信号を波形等化部303に出力する。前記アナログ・デジタル変換は通常6ビット以上の分解能で量子化を行い、ボーレートの2倍以上のサンプリングレートで標本化を行う。
The
波形等化部303は、光復調部302から4レーンのデジタル信号が入力され、伝送チャネル200で生じる波長分散、偏波回転、偏波モード分散、または、ファイバ非線形光学効果等に起因する波形歪みを補償し、直交偏波分離した4レーンのデジタル信号を、周波数・位相推定部304に出力する。
The
周波数・位相推定部304は、波形等化部303から4レーンのデジタル信号が入力され、それらを直交偏波間(X/Y偏波間)で結合して、搬送波周波数・位相を推定して補償する。すなわち、周波数・位相推定部304は、波形等化部303から入力される4レーンのデジタル信号に存在する、前記搬送波光信号と前記局部発振光信号との中心周波数差を補償し、前記M乗法や前記仮判定法等に基づき、搬送波周波数推定および搬送波位相推定を行い、周波数・位相補償後の4レーンのデジタル信号を復号部305及び位相スリップ状態推定部306に出力する。ここで、これらの搬送波周波数推定や搬送波位相推定は、直交偏波間で独立に行うのではなく、直交偏波間(X/Y偏波間)で結合して同時に行うことに特徴がある。
The frequency /
搬送波周波数推定および搬送波位相推定をX/Y偏波で同時に行った場合、位相スリップ状態には、(1)X/Y偏波ともに位相がスリップしていない状態、(2)X/Y偏波ともに+90度スリップした状態、(3)X/Y偏波ともに180度スリップした状態、(4)X/Y偏波ともに−90度スリップした状態の、計4通りの状態があり得る。もし、X/Y偏波で独立に搬送波周波数・位相推定してしまうと、それぞれの偏波でスリップが独立に生じてしまうため、この4通りに収まらず、4の2乗通り(42=16通り)となり、後述する位相スリップ検出が困難となる。When carrier frequency estimation and carrier phase estimation are performed simultaneously with X / Y polarization, the phase slip state includes (1) a state in which the phase is not slipped in both X / Y polarization, and (2) X / Y polarization. There are a total of four states: a state where both slip +90 degrees, a state where (3) both X / Y polarized waves slip 180 degrees, and a state where both (4) X / Y polarized waves slip -90 degrees. If the carrier frequency and phase are estimated independently for X / Y polarization, slips will occur independently for each polarization. Therefore, the slip does not fit in these four ways, but the square of 4 (4 2 = 16), and phase slip detection described later becomes difficult.
X/Y偏波で結合して搬送波周波数・位相推定を同時に行うことにより得られる4通りの位相スリップ状態に対し、周波数・位相補償後の信号点配置は、それぞれ、図5に示す通りとなる。図5において、位相スリップ状態State−0は位相スリップがない場合、位相スリップ状態State−1は位相スリップ+90度の場合、位相スリップ状態State−2は位相スリップ+180度の場合、位相スリップ状態State−3は位相スリップ−90度の場合である。各位相スリップ状態間で信号点に重なりがなく、各位相スリップ状態ごとの固有の信号点配置となることがわかる。また、これらの信号点配置は、位相スリップ無しの場合には、とり得ない信号点配置であるため、位相スリップ状態の検出・補償が可能になる。State−1におけるシンボルZ’(Z’=0’、1’、2’、3’)は、State−0におけるシンボルZ(Z=0、1、2、3)が+90度スリップしたものである。State−2におけるシンボルZ’’(Z’’=0’’、1’’、2’’、3’’)は、シンボルZが180度スリップしたものである。State−3におけるシンボルZ’’’(Z’’’=0’’’、1’’’、2’’’、3’’’)は、シンボルZが−90度スリップしたものである。 FIG. 5 shows signal point arrangements after frequency / phase compensation for four types of phase slip states obtained by combining with X / Y polarization and simultaneously performing carrier frequency / phase estimation. . In FIG. 5, the phase slip state State-0 is when there is no phase slip, the phase slip state State-1 is when the phase slip +90 degrees, the phase slip state State-2 is when the phase slip +180 degrees, and the phase slip state State- 3 is the case of phase slip -90 degrees. It can be seen that the signal points do not overlap between the phase slip states, and the signal point arrangement is unique for each phase slip state. In addition, since these signal point arrangements are signal point arrangements that cannot be taken when there is no phase slip, it is possible to detect and compensate for a phase slip state. Symbol Z ′ (Z ′ = 0 ′, 1 ′, 2 ′, 3 ′) in State-1 is obtained by slipping +90 degrees on symbol Z (Z = 0, 1, 2, 3) in State-0. . A symbol Z ″ (Z ″ = 0 ″, 1 ″, 2 ″, 3 ″) in State-2 is obtained by slipping the symbol Z by 180 degrees. The symbol Z ″ ″ (Z ″ ″ = 0 ″ ″, 1 ″ ″, 2 ″ ″, 3 ″ ″) in State-3 is obtained by slipping the symbol Z by −90 degrees.
復号部305では、シンボル毎にとり得るすべての位相スリップ状態について復号を行う。すなわち、復号部305では、図5の各Stateの信号点配置に点線で示すしきい値に基づき、周波数・位相推定部304から入力される4レーンのデジタル信号を復号し、4通りの復号結果を選択部307に出力する。
Decoding
図6は、復号部305の構成例を図示したものである。復号部305は、4つの二次元位相識別器(2-D Phase Slicer)500、501、502、503で構成される。周波数・位相推定部304から入力される4レーンのデジタル信号は、等しく二次元位相識別器500、501、502、503に入力される。二次元位相識別器500は、State−0に対応して4レーンのデジタル信号の信号毎に復号を行い、復号結果を選択部307(図1参照)に出力する。二次元位相識別器501は、State−1に対応して4レーンのデジタル信号の信号毎に復号を行い、復号結果を選択部307に出力する。二次元位相識別器502は、State−2に対応して4レーンのデジタル信号の信号毎に復号を行い、復号結果を選択部307に出力する。二次元位相識別器503は、State−3に対応して4レーンのデジタル信号の信号毎に復号を行い、復号結果を選択部307に出力する。シンボルZ’,Z’’,Z’’’はそれぞれシンボルZとして復号する。前記復号は、硬判定のみならず、偏波位相空間における信号点中心からの距離に応じて、信頼度情報を付与する軟判定として、軟値を選択部307に渡してもよい。
FIG. 6 illustrates a configuration example of the
位相スリップ状態推定部306は、信号(シンボル)毎にとり得るすべての位相スリップ状態について尤度を演算し、それらを比較し、最大尤度を有する位相スリップ状態がいずれであるかを推定する。すなわち、位相スリップ状態推定部306は、周波数・位相推定部304から入力される4レーンのデジタル信号に基づき、最大尤度の位相スリップ状態を推定し、選択部307に出力する。
The phase slip
図7は、位相スリップ状態推定部306の構成例を図示したものである。位相スリップ状態推定部306は、4つの尤度生成部(Metric Generator)600、601、602、603と、1つの最尤状態推定部(Maximum Likelihood State Estimator)610とで構成される。周波数・位相推定部304(図1参照)から入力される4レーンのデジタル信号は、等しく尤度生成部600、601、602、603に出力される。尤度生成部600では、位相スリップ状態がState−0であることの尤度を計算し、尤度情報を最尤状態推定部610に出力する。尤度生成部601では、位相スリップ状態がState−1であることの尤度を計算し、尤度情報を最尤状態推定部610に出力する。尤度生成部602では、位相スリップ状態がState−2であることの尤度を計算し、尤度情報を最尤状態推定部610に出力する。尤度生成部603では、位相スリップ状態がState−3であることの尤度を計算し、尤度情報を最尤状態推定部610に出力する。最尤状態推定部610は、尤度生成部600、601、602、603から入力される各位相スリップ状態State−0,State−1,State−2,State−3の尤度情報に基づき、位相スリップ状態State−0,State−1,State−2,State−3の中から、最も尤度の高い位相スリップ状態を求めて、選択部307(図7では図示省略)に出力する。
FIG. 7 illustrates a configuration example of the phase slip
図8は、位相スリップ状態推定部306内の尤度生成部600、601、602、603の構成例を図示したものである。尤度生成部600、601、602、603は、それぞれ同様の機能ブロックを備えるため、ここではState−0の尤度を計算する尤度生成部600の場合について説明する。
FIG. 8 illustrates a configuration example of the
尤度生成部600は、4つの偏波位相距離計算部700、701、702、703と、1つの選択部710と、n個の遅延部720A、720B、・・・、720Xと、n個の乗算部721A、721B、・・・、721Xと、1つの加算部(sum)722とで構成される。遅延部720A、720B、・・・、720Xは、図8に示すように、順に、直列に接続されている。乗算部721A、721B、・・・、721Xは、図8に示すように、それぞれ、遅延部720A、720B、・・・、720Xに接続されている。周波数・位相推定部304から入力される4レーンのデジタル信号は、等しく偏波位相距離計算部700、701、702、703に出力される。
The
偏波位相空間距離計算部700は、入力された4レーンのデジタル信号に対し、位相スリップのない状態であるState−0の信号点配置規則に基づき、中心となる信号点0からの偏波位相空間距離を求める。例えば、X偏波方向の位相距離D_ph_x(0)とY偏波方向の位相距離D_ph_y(0)との二乗和((D_ph_x(0))2+(D_ph_y(0))2)をとり、演算結果を選択部710に出力する。偏波位相空間距離計算部701は、4レーンのデジタル信号に対し、位相スリップのない状態であるState−0の信号点配置規則に基づき、信号点1からの偏波位相空間距離を求める。例えば、X偏波方向の位相距離D_ph_x(1)とY偏波方向の位相距離D_ph_y(1)との二乗和((D_ph_x(1))2+(D_ph_y(1))2)をとり、演算結果を選択部710に出力する。偏波位相空間距離計算部702は、4レーンのデジタル信号に対し、位相スリップのない状態であるState−0の信号点配置規則に基づき、信号点2からの偏波位相空間距離を求める。例えば、X偏波方向の位相距離D_ph_x(2)とY偏波方向の位相距離D_ph_y(2)との二乗和((D_ph_x(2))2+(D_ph_y(2))2)をとり、演算結果を選択部710に出力する。偏波位相空間距離計算部703は、4レーンのデジタル信号に対し、位相スリップのない状態であるState−0の信号点配置規則に基づき、信号点3からの偏波位相空間距離を求める。例えば、X偏波方向の位相距離D_ph_x(3)とY偏波方向の位相距離D_ph_y(3)との二乗和((D_ph_x(3))2+(D_ph_y(3))2)をとり、演算結果を選択部710に出力する。The polarization phase space
選択部710は、偏波位相空間距離計算部700、701、702、703から入力される4つの偏波位相空間距離の中から、最小の偏波位相空間距離を選択し、遅延部720Aに出力する。
The
遅延部720Aは、選択部710から入力されるデジタル信号を1シンボル時間保持し、遅延部720B及び乗算部721Aに出力する。
The
乗算部721Aは、遅延部720Aから入力されるデジタル信号に、係数C[0]を掛け合わせた結果を加算部722に出力する。
遅延部720Bは、遅延部720Aから入力されるデジタル信号を1シンボル時間保持し、遅延部720Bに直列接続された遅延部720C(図示せず)及び乗算部721Bに出力する。
The
乗算部721Bは、遅延部720Bから入力されるデジタル信号に、係数C[1]を掛け合わせた結果を加算部722に出力する。
以降、同様の処理を繰り返し、n番目の遅延部720Xは、(n−1)番目の遅延部720W(図示せず)から入力されるデジタル信号を1シンボル時間保持し、乗算部721Xに出力する。
Thereafter, the same processing is repeated, and the n-
乗算部721Xは、遅延部720Xから入力されるデジタル信号に、係数C[n−1]を掛け合わせた結果を加算部722に出力する。
The
加算部722は、乗算部721A、721B、・・・、721Xから入力されるn個の乗算結果の総和をとり、当該総和の値を最尤状態推定部610(図7参照)に出力する。ここで、総和の値が小さいほど尤度が高いことに注意を要する。
The
遅延部720A、720B、・・・、720X、乗算部721A、721B、・・・、721X、および、加算部722は、有限インパルス応答フィルタを構成しており、当該有限インパルス応答フィルタにより、各シンボル時点の瞬時尤度を平均化している。従って、遅延部720A、720B、・・・、720X、乗算部721A、721B、・・・、721X、および、加算部722は、選択部710から出力される信号を平均化する平均化部を構成している。なお、平均化部を構成するフィルタは、有限インパルス応答フィルタに限らず、忘却型の無限インパルス応答フィルタを用いることも可能である。その場合には、より複雑に、最尤系列推定や事後確率最大化を行うことも可能である。
The
尤度生成部601、602、603においても、尤度生成部600における処理と同様の処理を行う。ここでは、その説明は省略する。
The
こうして、尤度生成部600、601、602、603から4つの総和の値が最尤状態推定部610に入力される。最尤状態推定部610は、尤度生成部600、601、602、603から入力される各位相スリップ状態State−0,State−1,State−2,State−3の総和の値の中から、最も総和の値が小さい位相スリップ状態を、「最尤の位相スリップ状態」として求めて、選択部307(図1参照)に出力する。
In this way, four total values are input to the maximum likelihood
選択部307では、位相スリップ状態推定部306が推定する位相スリップ状態に基づき、復号部305から入力される4つの復号結果を比較して、それらの復号結果の中から、当該位相スリップ状態に対応する復号結果を、最大尤度の復号結果として選択し、光送受信器に接続された外部装置(図示せず)に出力する。
The
本実施の形態を用いた場合の符号誤り率特性のシミュレーションを行った。シミュレーション条件を図9に示す。ビットレートを128Gb/sとし、符号系列は11段疑似ランダム2進系列を用いた。シンボル数は16384とし、100回雑音パタンを変えて繰り返し計算した。また、伝送路は、加法性白色ガウス雑音(AWGN:Additive White Gaussian Noise)チャネルとし、光信号電力対雑音電力比を定義する際の雑音帯域幅は0.1nmとした。搬送波光信号及び局部発振光信号の位相雑音は0とし、搬送波光信号及び局部発振光信号の周波数差は0とした。偏波多重分離は理想的に行えるものとした。搬送波位相推定には、4乗法を用い、各偏波で検出された位相誤差を平均化して、それぞれの偏波で等量の位相補償を行った。搬送波位相推定の平均化は、17シンボル移動平均とし、1シンボル前の搬送波位相からの位相変化が±π/4以内となるようUnwrapping処理を行った。位相スリップ状態推定の平均化は17シンボル移動平均により行った。符号誤り率を求めた後、補誤差関数を介してQ値に変換して評価した。 A simulation of the code error rate characteristics when this embodiment is used was performed. Simulation conditions are shown in FIG. The bit rate was 128 Gb / s, and the 11-stage pseudo-random binary sequence was used as the code sequence. The number of symbols was 16384, and the calculation was repeated with the noise pattern changed 100 times. The transmission line was an additive white Gaussian noise (AWGN) channel, and the noise bandwidth when defining the optical signal power to noise power ratio was 0.1 nm. The phase noise between the carrier optical signal and the local oscillation optical signal was 0, and the frequency difference between the carrier optical signal and the local oscillation optical signal was 0. Polarization demultiplexing is ideally performed. For the carrier phase estimation, the fourth power method was used, the phase errors detected in each polarization were averaged, and equal phase compensation was performed for each polarization. The averaging of the carrier phase estimation was a 17-symbol moving average, and an unwrapping process was performed so that the phase change from the carrier phase one symbol before was within ± π / 4. The averaging of the phase slip state estimation was performed by a 17 symbol moving average. After obtaining the code error rate, it was converted into a Q value through a complementary error function and evaluated.
図10にシミュレーション結果を示す。比較のため、DP−QPSK方式に差動符号化・復号化を適用したDP−DE(Differential Encoded)QPSK信号と、DP−QPSK信号で位相スリップのない場合(No Slip)についても計算した。図10において、横軸をOSNRとし、縦軸をQ値(Q-factor)とする。本実施の形態は、図10に示されるように、Q値が9dB以上の領域では、スリップなしの場合と同等のQ値が得られ、良好な特性を示す。Q値が7dB以下の領域では、本実施の形態による位相スリップ推定に誤りが生じるため、本実施の形態のQ値は、位相スリップなしの場合のQ値に比べて低いが、DP−DEQPSK信号に対しては、依然として、0.5dB以上優れたQ値を示す。 FIG. 10 shows the simulation result. For comparison, a DP-DE (Differential Encoded) QPSK signal in which differential encoding / decoding is applied to the DP-QPSK method and a case in which there is no phase slip in the DP-QPSK signal (No Slip) were also calculated. In FIG. 10, the horizontal axis is OSNR, and the vertical axis is Q value (Q-factor). In the present embodiment, as shown in FIG. 10, in the region where the Q value is 9 dB or more, a Q value equivalent to that without slip is obtained, and good characteristics are exhibited. In the region where the Q value is 7 dB or less, an error occurs in the phase slip estimation according to the present embodiment. Therefore, the Q value of the present embodiment is lower than the Q value when there is no phase slip, but the DP-DEQPSK signal However, the Q value still shows an excellent Q value of 0.5 dB or more.
以上のように、本実施の形態では、光送信部100において、図3に示すような直交偏波間で非対称となる信号点配置を行い、受信部300において、直交偏波間で搬送波周波数・位相推定を同時に行うことで、位相スリップを検出できるようにした。これにより、位相スリップ状態を推定することが可能であり、最も尤もらしいスリップ状態を推定できる。また、推定したスリップ状態に応じた復号規則による復号結果を選択することで、位相スリップ補償を行うことが可能になる。このように、本実施の形態によれば、位相スリップが起きたとき、位相スリップ状態に応じて受信信号点が固有の配置をとり、位相スリップ無しの場合には、とり得ない信号点の配置となる。これにより、位相スリップ状態の検出が可能となり、位相スリップ補償を行うことが可能となる。従って、差動符号化・復号化を用いることなく、また、冗長度を増大させることもなく、信号単位で位相スリップ状態を推定することができる。また、推定したスリップ状態に応じた復号を行うことができる。その結果、位相スリップによる伝送品質劣化を回避し、雑音耐力の改善を行い、かつ、伝送品質を向上させることができる。
As described above, in the present embodiment, signal point arrangement that is asymmetrical between orthogonally polarized waves as shown in FIG. 3 is performed in
以上のように、本発明にかかる光変復調方式は、デジタルコヒーレント方式を用いた光伝送システムに有用であり、特に、符号誤り率の悪い光伝送システムに適している。 As described above, the optical modulation / demodulation method according to the present invention is useful for an optical transmission system using a digital coherent method, and is particularly suitable for an optical transmission system with a low code error rate.
100 光送信部、101 光源、102 シンボルマッパ、103 光変調部、200 伝送チャネル、300 光受信部、301 光源、302 光復調部、303 波形等化部、304 周波数・位相推定部、305 復号部、306 位相スリップ状態推定部、307 選択部、500,501,502,503 二次元位相識別器、600,601,602,603 尤度生成部、610 最尤状態推定部、700,701,702,703 偏波位相空間距離計算部、710 選択部、720A,720B,720C,720X 遅延部、721A,721B,721X 乗算部、722 加算部。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記光送信部により、多重化された前記光信号を送信するステップと、
光受信部により、多重化された前記光信号を受信するステップと、
前記光受信部により、所定の波長で発振する局部発振光を生成するステップと、
前記光受信部により、受信した前記光信号と前記局部発振光とを混合して光/電気変換を行うとともに、アナログ/デジタル変換を行って、デジタル信号を出力するステップと、
前記光受信部により、前記デジタル信号に基づいて、受信した前記光信号の搬送波周波数及び搬送波位相を前記X偏波および前記Y偏波で同時に推定するステップと、
推定された搬送波周波数及び搬送波位相に基づき、シンボル毎にとり得る位相スリップ状態ごとの周波数・位相補償後のデジタル信号を出力するステップと、
前記周波数・位相補償後のデジタル信号に基づいて、前記位相スリップ状態ごとの尤度を演算するステップと、
前記周波数・位相補償後のデジタル信号を、前記位相スリップ状態ごとに予め設定された閾値に基づいて復号し、前記位相スリップ状態ごとの復号結果を出力するステップと、
前記位相スリップ状態ごとの復号結果の中から、前記尤度の中で最大の尤度の位相スリップ状態に対応する復号結果を選択して出力するステップと
を備えたことを特徴とする光変復調方法。A step of generating an optical signal having a signal point arrangement that is asymmetrical in each of the orthogonal polarizations of the X polarization and the Y polarization by the optical transmission unit, and multiplexing them;
Transmitting the multiplexed optical signal by the optical transmitter; and
Receiving the multiplexed optical signal by an optical receiver;
Generating local oscillation light that oscillates at a predetermined wavelength by the optical receiver;
The optical receiving unit mixes the received optical signal and the local oscillation light to perform optical / electrical conversion, performs analog / digital conversion, and outputs a digital signal;
Estimating the carrier frequency and the carrier phase of the received optical signal simultaneously with the X-polarized wave and the Y-polarized wave by the optical receiver based on the digital signal;
Outputting a digital signal after frequency / phase compensation for each phase slip state that can be taken for each symbol based on the estimated carrier frequency and carrier phase;
Based on the frequency / phase compensated digital signal, calculating a likelihood for each phase slip state;
Decoding the frequency / phase compensated digital signal based on a preset threshold value for each phase slip state, and outputting a decoding result for each phase slip state;
An optical modulation / demodulation method comprising: selecting a decoding result corresponding to a phase slip state having a maximum likelihood from the decoding results for each phase slip state; .
前記X偏波および前記Y偏波の一方の前記2値位相偏移変調の片側位相の場合のみ、前記X偏波および前記Y偏波の他方の信号点をπ/2ずらす
ことを特徴とする請求項1に記載の光変復調方法。The signal point arrangement of both the X polarization and the Y polarization is binary phase shift keying,
The other signal point of the X polarization and the Y polarization is shifted by π / 2 only in the case of one side phase of the binary phase shift keying of one of the X polarization and the Y polarization. The optical modulation / demodulation method according to claim 1.
前記光送信部は、
光信号を出力する光源と、
外部から入力される符号データに基づき、直交偏波多重化のための電気信号を出力するシンボルマッパと、
前記光源から出力された光信号を前記シンボルマッパから出力された電気信号で変調して直交偏波多重化し、X偏波およびY偏波の各直交偏波で非対称となる信号点配置を有する光信号を生成する光変調部と
を備え、
前記光受信部は、
局部発振光信号を出力する局部発振光源と、
光信号を受信し、受信した前記光信号と前記局部発振光信号とを混合して光/電気変換を行うとともに、アナログ/デジタル変換を行って、デジタル信号を出力する光復調部と、
前記デジタル信号の波形歪みを補償する波形等化部と、
前記光受信部により、前記デジタル信号に基づいて、受信した前記光信号の搬送波周波数及び搬送波位相を前記X偏波および前記Y偏波で同時に推定して補償する搬送波周波数・位相推定部と、
前記周波数・位相補償後のデジタル信号を、前記位相スリップ状態ごとに予め設定された閾値に基づいて復号し、前記位相スリップ状態ごとの復号結果を出力する復号部と、
前記周波数・位相補償後のデジタル信号に基づいて、前記位相スリップ状態ごとの尤度を演算し、前記尤度を比較することにより、最大尤度の位相スリップ状態を推定する位相スリップ状態推定部と、
前記位相スリップ状態推定部が推定する位相スリップ状態に基づき、前記位相スリップ状態ごとの復号結果の中から、前記最大尤度の位相スリップ状態に対応する復号結果を選択して出力する選択部と
を備えている
ことを特徴とする光送受信器。An optical transceiver including an optical transmitter and an optical receiver,
The optical transmitter is
A light source that outputs an optical signal;
A symbol mapper that outputs an electrical signal for orthogonal polarization multiplexing based on code data input from the outside;
Light having a signal point arrangement in which an optical signal output from the light source is modulated with an electric signal output from the symbol mapper and orthogonally polarized, and is asymmetrical in each of the orthogonally polarized waves of X polarization and Y polarization An optical modulation unit for generating a signal,
The optical receiver is
A local oscillation light source that outputs a local oscillation light signal;
An optical demodulator that receives an optical signal, mixes the received optical signal and the local oscillation optical signal to perform optical / electrical conversion, performs analog / digital conversion, and outputs a digital signal;
A waveform equalizer for compensating for waveform distortion of the digital signal;
A carrier frequency / phase estimator for simultaneously estimating and compensating the carrier frequency and the carrier phase of the received optical signal with the X polarization and the Y polarization based on the digital signal by the optical receiver;
Decoding the frequency / phase compensated digital signal based on a preset threshold for each phase slip state, and outputting a decoding result for each phase slip state;
A phase slip state estimator that calculates a likelihood for each phase slip state based on the frequency / phase compensated digital signal and compares the likelihoods to estimate a maximum likelihood phase slip state; ,
A selection unit that selects and outputs a decoding result corresponding to the phase slip state of the maximum likelihood from decoding results for each phase slip state based on the phase slip state estimated by the phase slip state estimation unit; An optical transceiver characterized by comprising.
2系列の2値の電気信号系列が入力され、
出力する4系列の2値の電気信号が、前記X/Y偏波の両方の信号点配置が2値位相偏移変調であり、前記X/Y偏波の一方の前記2値位相偏移変調の片側位相の場合のみ、前記X/Y偏波の他方の信号点をπ/2ずらす
ことを特徴とする請求項3に記載の光送受信器。The symbol mapper is
Two series of binary electrical signal series are input,
The four-sequence binary electric signal to be output is such that the signal point arrangement of both of the X / Y polarizations is binary phase shift keying, and one of the X / Y polarizations is the binary phase shift keying. 4. The optical transceiver according to claim 3, wherein the other signal point of the X / Y polarized wave is shifted by π / 2 only in the case of one side phase.
前記X偏波および前記Y偏波において位相スリップが共にない場合、
前記X偏波および前記Y偏波において位相スリップが共に+90度の場合、
前記X偏波および前記Y偏波において位相スリップが共に+180度の場合、及び、
前記X偏波および前記Y偏波において位相スリップが共に−90度の場合
のそれぞれの位相スリップ状態について復号を行うことで、各位相スリップ状態に対して1つずつの合計4つの復号結果を得る
ことを特徴とする請求項3または4に記載の光送受信器。The decoding unit
When there is no phase slip in the X polarization and the Y polarization,
When the phase slip is both +90 degrees in the X polarization and the Y polarization,
When the phase slip is both +180 degrees in the X polarization and the Y polarization, and
Decoding is performed for each phase slip state when the phase slip is -90 degrees in both the X polarization and the Y polarization, and a total of four decoding results are obtained, one for each phase slip state. The optical transceiver according to claim 3 or 4,
前記X偏波および前記Y偏波において位相スリップが共にない場合、
前記X偏波および前記Y偏波において位相スリップが共に+90度の場合、
前記X偏波および前記Y偏波において位相スリップが共に+180度の場合、及び、
前記X偏波および前記Y偏波において位相スリップが共に−90度の場合
のそれぞれの位相スリップ状態であることの尤度を計算する尤度生成部を備え、
前記尤度に基づいて、最大尤度の位相スリップ状態がいずれであるかを推定する
ことを特徴とする請求項3ないし5のいずれか1項に記載の光送受信器。The phase slip state estimator is
When there is no phase slip in the X polarization and the Y polarization,
When the phase slip is both +90 degrees in the X polarization and the Y polarization,
When the phase slip is both +180 degrees in the X polarization and the Y polarization, and
A likelihood generation unit that calculates the likelihood that each of the X-polarized wave and the Y-polarized wave is in a phase slip state when both phase slips are −90 degrees;
The optical transceiver according to any one of claims 3 to 5, wherein the phase slip state of the maximum likelihood is estimated based on the likelihood.
偏波位相空間におけるシンボル中心からの偏波位相空間距離を計算する偏波位相空間距離計算部と、
前記偏波位相空間距離の最小値を選択する選択部と、
前記選択部から出力される信号を平均化する平均化部と
を備えることを特徴とする請求項6に記載の光送受信器。The likelihood generator is
A polarization phase space distance calculation unit for calculating a polarization phase space distance from the symbol center in the polarization phase space;
A selector for selecting a minimum value of the polarization phase space distance;
The optical transceiver according to claim 6, further comprising: an averaging unit that averages a signal output from the selection unit.
ことを特徴とする請求項7に記載の光送受信器。The optical transceiver according to claim 7, wherein the averaging unit includes a finite impulse response filter or a forgetting type infinite impulse response filter.
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