JP2004166231A - 光通信システムにおいて受信信号を等化するための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】光通信システムにおいて受信信号を等化する。
【解決手段】受信信号がアナログ遅延線内を伝送され、アナログ遅延線３１０にはタップが設けられ、受信信号の１組の遅延された信号が生成される。１組のアナログ乗算器３０２において、受信信号のそれぞれ遅延された信号が対応する重みによって乗算されて、１組の重み付けされた信号が生成され、その後、その信号は加算されて出力信号が生成される。出力信号は閾値処理され、さらに出力信号から減算されて誤差信号が生成され、定期的にサンプリングされる。デジタル重み更新回路３５０において、サンプリングされた誤差信号と、受信信号の遅延された信号のサンプルとのデジタル化された信号から重みが生成される。
【選択図】図３

Description

本発明は全般に光通信システムの分野に関し、より詳細には、光チャンネルを介して受信される信号を等化することに関する。

図１は、本発明を用いることができる光通信システム１００を示す。そのシステム１００は、所定のビット速度のビットストリームｍ（ｔ）１０１を光のアナログパルス１０２に変換するためのレーザおよび変調器１１０を具備する。光ファイバ１２０が光パルスをフォトダイオード１３０に搬送し、フォトダイオード１３０が光パルスを変換して信号１０３に戻す。増幅器／受信機１４０が信号１０３を増幅およびフィルタリングし、広帯域雑音が除去され、受信信号ｘ（ｔ）１０４が生成される。ビットストリームはビット速度でサンプリングされる。そのサンプルはサンプリング閾値と比較される。ｘ（ｔ）のサンプルが閾値よりも大きい場合には、それは１であり、閾値以下である場合には０である。これにより、入力ビットストリーム１０１が再生される。

実際のシステムでは、受信信号１０４は時間および形状に関して歪んでおり、それにより、パルスが互いに重なり合うか、別の態様で干渉し合うときに、シンボル間干渉（ＩＳＩ）として知られる劣化が生じる。ＩＳＩは、システム１００内のビット誤り率（ＢＥＲ）を増加する。ＩＳＩが激しい場合には、等化器が受信信号ｘ（ｔ）１０４内の歪みを補償することができる。理想的には、分散による影響を完全に除去し、元のビットストリーム１０１を最小限の誤りの数で再生することが望ましい。

実現可能な一解決手法では、受信機１４０は、一般的に等化器と呼ばれる補償器を用いてＩＳＩを低減する。最尤（ＭＬ）推定を利用する等化器、係数を調整可能な線形フィルタリング、判定帰還等化器（ＤＦＥ）などの数多くのタイプの等化器が、実際の光通信システムにおいて用いられる。Proakis著Digital Communications第４版（ニューヨーク、マグローヒル社、2001年）を参照されたい。未知のチャンネルに対して用いられるようにするために、等化器はチャンネルインパルス応答、およびチャンネルインパルス応答の時間変動に対して自動的に調整される。この技法は適応等化と呼ばれる。

適応等化器は、受信電気信号１０４の量子化されたサンプルで動作するデジタルフィルタとして実施することができる。デジタル等化の難しさは、フィルタリングできるようにするために、受信信号がデジタル形式に変換される必要があり、その後、デジタル信号がシンボル周期当たり少なくとも一度サンプルリングされ、等化される必要があることである。

光通信システムは、１０ギガビット／秒より速いビット速度で動作することができる。これは高速のアナログ／デジタルコンバータおよび超高速のデジタル等化器を必要とし、問題である。

図２は、重み係数を調整することができる線形有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ２１０と、判定装置２２０とを具備する一般的な従来の適応等化器２００を示す。等化器２００への入力信号２０１は、ＩＳＩの影響で歪み、雑音を含む送信信号である。加算器２３０によって生成される誤差信号ｅ（ｎ）２０４に従って重みが調整される。加算器２３０は信号の入力として、ＦＩＲ２１０の出力ｙ（ｎ）と判定装置２２０の入力ｄ（ｎ）とを取り込む。

歪みを最小限に抑えるようにしてフィルタ２１０の重みを適応的に調整するために、種々の技法が開発されてきた。一般的に用いられる一誤り測定基準は、ピーク歪み誤差である。これは、Ｐｒｏａｋｉｓによって説明されるゼロフォーシング等化器としてよく知られている。この誤り測定基準はＩＳＩを低減するが、雑音を著しく増加させる。

雑音の増加を軽減するために、平均二乗誤差（ＭＳＥ）に基づく測定基準を用いることができる。この場合には、その誤り測定基準はＥ［ｄ（ｔ）−ｙ（ｔ）^２］と定義される。演算子Ｅ［］は期待値演算子であり、ｄ（ｔ）は等化器２１０の所望の応答であり、ｙ（ｔ）はＦＩＲフィルタ２１０の出力において見られる実際の応答である。最小平均二乗誤差（ＬＭＳ）を用いて、ＭＳＥを最小限に抑えるフィルタパラメータを決定することができる。ＬＭＳタイプの等化器の場合、等化器のタップ重み係数は、以下の式により再帰的に調整される。
ｗ_ｉ（ｎ＋１）＝ｗ_ｉ（ｎ）＋μｅ（ｎ）・ｘ_ｉ（ｎ） ｉ＝１、．．．、Ｎ （１）
ただし、Ｎは等化器長であり、ｗ＝［ｗ_０、ｗ_１．．．ｗ_Ｎ］は長さＮのタップ重みベクトルであり、ｎは時間指標であり、μは収束速度を制御するステップサイズパラメータであり、ｅ（ｎ）は誤差信号２０４であり、ｘ_ｉは入力信号２０１を遅延した信号である。誤差信号２０４は以下の式によって定義される。
ｅ（ｎ）＝ｄ（ｎ）−ｙ（ｎ） （２）
ただし、ｙ（ｎ）は適応等化器の出力信号２０２であり、ｄ（ｎ）は判定装置の出力である。

一般的に、判定装置２２０の出力には、数多くの複合レベルのうちの１つを用いることができる。大部分の光通信システムは、オン・オフキーイングとして知られる、簡単な２レベルの振幅変調技法を利用する。その場合に、判定装置の出力は２つのレベルのうちの１つであり、高レベルはビット１を表し、低レベルはビット０を表す。しかしながら、光通信システムは１０ギガビット／秒より速いビット速度で動作することができるので、高速のアナログ／デジタルコンバータおよび超高速のデジタル等化器が問題になる。

本発明の目的は、光通信システムによって送信されるデータ内のシンボル間干渉を低減するための方法および装置を提供することである。

ＩＳＩはハイブリッド適応等化器によって低減される。その等化器は、タップ付きのアナログ遅延線と、そのタップを調整するための１組のデジタル制御式の乗算器とを備える。重みはデジタル回路で決定される。さらに、その等化器は、電気領域に変換された後の受信信号で動作する。これにより、コストがかかる光補償器が不要になる。

その重みは、等化器の出力と、ビット１あるいはビット０のいずれかを表す電圧値との間の平均二乗誤差（ＭＳＥ）を最小限に抑えるように適合される。判定装置の出力から等化器の出力を減算することにより誤差信号が生成される。これは、その等化器が、ビット判定を用いて誤差信号が生成される、判定導出モードで動作することと同じである。

また本発明は、各遅延素子の出力の信号から、正負いずれかの符号を生成するための方法も提供する。その符号のみを用いることにより、等化器の複雑な構成を大きく簡略化することができる。その際、誤差信号および符号を用いて、タップのための重みが更新される。光チャンネルは時間的にゆっくりと変動するので、重みを頻繁に更新する必要はなく、たとえば、システムのビット速度よりはるかに遅い速度で更新することができる。

より詳細には、１つの方法を用いて光通信システム内の受信信号を等化する。受信信号はアナログ遅延線を通して伝送され、アナログ遅延線にタップを設けることにより、１組の遅延した受信信号が生成される。１組のアナログ乗算器において、それぞれ遅延された受信信号が対応する重みによって乗算され、１組の重み付けされた信号が生成され、その後、それらの信号が加算されて出力信号が生成される。

出力信号が閾値処理され、出力信号から減算されて誤差信号が生成され、その誤差信号が定期的にサンプリングされる。デジタル重み更新回路において、サンプリングされた誤差信号のデジタル信号と、遅延された受信信号のサンプルとから重みが生成される。

システム構造
図３は、アナログ部品およびデジタル部品の両方を含む本発明によるハイブリッド適応等化器３００を示す。等化器３００のアナログ部品は、一連のＮ個のアナログタップ付き遅延素子３１０と、１組のＮ＋１個のアナログ乗算器３２０と、２つのアナログ加算器３３０、３３１と、アナログ判定装置３４０、たとえばコンパレータとを具備する。これらのアナログ部品はアナログタップ付き遅延線フィルタを提供する。

デジタル部品は、１組のタップの重みｗを調整するために用いられる重み更新回路３５０を具備する。その重みは、最小平均二乗（ＬＭＳ）誤差、符号付きＬＭＳ誤差、あるいは再帰的最小二乗誤差に従って調整されることができる。他の変形形態については、Proakis著Digital Communications第４版（ニューヨーク、マグローヒル社、2001年）を参照されたい。重み更新回路３５０への入力は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ３６１、３６２を介して渡される。

システム動作
ハイブリッド適応等化器への入力は、図１に示される受信信号ｘ（ｔ）１０４であり、具体的には、増幅器／受信機１４０の電気アナログ出力である。この信号は、一連のＮ個のアナログタップ付き遅延素子３１０を通って伝送され、各遅延素子がＴ秒の遅延を導入する。通常、Ｔは送信されるビットストリームのシンボル周期に等しくなるように選択される。

遅延線３１０は、ｘ（ｔ−Ｔ）、ｘ（ｔ−２Ｔ）、．．．、ｘ（ｔ−ＮＴ）で示される、それぞれ遅延されたＮ個の入力信号を生成する。遅延された各信号は、元の信号ｘ（ｔ）とともに、Ｎ＋１個の対応するアナログ乗算器３３０のうちの１つに渡され、重みｗ_０、．．．、ｗ_Ｎによってスケーリングされる。その重みは、フィルタ出力ｙ（ｔ）３０９と、１および０レベルとの間のＭＳＥを最小限に抑えるように決定される。Ｎ＋１個の乗算器３２０の出力３２１は加算され（３３０）、等化器出力ｙ（ｔ）３０９が生成される。

タップ付き遅延線において用いられる重みを適応するために、光通信システム１００の２つの特性が考慮される。第１に、パルスは時間をかけてゆっくりと変動する。すなわち、送信機１１０、光ファイバ１２０、フォトダイオード１３０および受信機１４０は、時間をかけて変動するインパルス応答を有するが、そのインパルス応答は、シンボル速度と比べて一定であるとみなすことができる。Fiber-Optic Communications Systems第２版(Wiley&Sons社、1997年）を参照されたい。

光チャンネルはゆっくりと変動するので、タップが更新される必要がある速度は、性能に大きな影響を及ぼすことなく、ビット速度未満まで良好に低減することができる。第２に、大部分の光システムは、１０^−１２未満のビット誤り率（ＢＥＲ）で動作するように設計される。したがって、受信信号は、平均１および０レベルとは大きく異ならない。それゆえ、等化器は判定導出モードにおいて動作することができ、トレーニングシーケンスが不要になる。

判定導出モードでは、加算された出力ｙ（ｔ）３０９がコンパレータ３４０を通して定期的に送信される。コンパレータでは、出力３０９信号が閾値と比較され、２つのレベルのうちの一方が生成される。たとえば、ｙ（ｔ）が閾値よりも大きい場合には、第１（正）の電圧レベル＋Ｖが生成され、閾値以下である場合には、第２（負）の電圧レベル−Ｖが生成される。

判定装置３４０の出力が出力信号ｙ（ｔ）３０９から減算され（３３１）、上記の式（２）に従って誤差信号ｅ３４１が生成される。誤差信号は周期Ｔｅで定期的にサンプリングされる。ただしＴｅはシンボル周期Ｔよりもはるかに大きい。チャンネル変動が遅いので、サンプリング周期は、シンボル周期の１００倍（２桁）よりも大きくすることができる。

デジタル化されたサンプリング誤差信号３５２が新たなタップ重みを計算するための１つの入力を形成する。他の入力３５１は、式（１）による遅延されたタップ信号ｘ（ｔ）、ｘ（ｔ−Ｔ）、ｘ（ｔ−２Ｔ）、．．．、ｘ（ｔ−ＮＴ）をデジタル化した信号である。これらの信号は、サンプリング誤差信号３５２と同時にサンプリングされる。一手法では、その信号は量子化されたサンプルであり、すなわちその信号はＡ／Ｄコンバータ３６１、３６２を介して渡される。より簡単な方式では、各信号の符号（１ビット）のみが用いられる。

２つのデジタル入力３５１、３５２を用いて、タップ重みｗのベクトルを決定するために、回路３５０において式（１）の数値を求めることができる。回路３５０には、マイクロコントローラあるいはＡＳＩＣを用いることができる。そしてその新たな重みは、タップ付き遅延線フィルタの乗算器３２０に適用される。

図４（ａ）および（ｂ）は、等化されていない信号と、本発明に従って等化された信号とを比較する。その波形はアイ・ダイヤグラムとして表示される。シンボル周期はＴ＝１０^−１０秒であり、それは１０Ｇｂｐｓのビット速度に相当する。図４（ａ）の等化されていない信号のためのＢＥＲは３．２０５ｅ^−４であり、一方、等化された波形の場合には、ＢＥＲは７．２９８２ｅ^−１０であると推定され、５桁の改善が見られる。

本発明によるハイブリッド適応等化器は、光学的および電気的な構成要素によって生成されるＩＳＩを低減する。その等化器は、アナログタップ付き遅延線を用いてフィルタを実施し、デジタル方式を用いて、アナログタップに加えられる重みを適応的に決定することにより、１０Ｇｂｐｓより速いデータ速度で動作することができる。その方法は、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）システム、およびシングルモードファイバ（ＳＭＦ）システムのような、ＩＳＩを受ける任意の光学システムに適用されることができる。

本発明が好ましい実施形態の例によって例示されてきたが、本発明の精神および範囲内で種々の他の適応形態および変更形態を実施できることは理解されたい。それゆえ、添付の特許請求項の目的は、本発明の真の精神および範囲内に入る全てのそのような変形形態および変更形態を網羅することである。

本発明を利用する光通信システムのブロック図である。 従来技術の適応等化器のブロック図である。 本発明によるハイブリッド適応等化器のブロック図である。 未等化および等化信号のアイ・ダイヤグラム(eye diagram)である。

Claims (7)

1. 光通信システムにおいて受信信号を等化するための方法であって、
   アナログ遅延線を介して前記受信信号を伝送することと、
   前記アナログ遅延線にタップを設けることであり、それにより前記受信信号の１組の遅延された信号を生成することと、
   １組のアナログ乗算器において、前記受信信号の遅延された各信号を、１組の重みのうちの対応する重みにより乗算することであり、それにより１組の重み付けされた信号を生成することと、
   前記重み付けされた信号を加算することであり、それにより出力信号を生成することと、
   前記出力信号を閾値処理することと、
   前記閾値処理された出力信号を前記出力信号から減算することであり、それにより誤差信号を生成することと、
   前記誤差信号と前記受信信号の前記遅延された信号とを定期的にサンプリングすることと、
   デジタル重み更新回路において、前記サンプリングされた誤差信号および前記受信信号の前記遅延された信号のデジタル化された信号から前記１組の重みを決定することと
   を含む方法。
2. 前記受信信号の前記遅延された信号の前記デジタル化された信号は符号ビットである
   請求項１に記載の方法。
3. 前記サンプリングの速度は前記受信信号のビット速度よりも実質的に小さい
   請求項１に記載の方法。
4. 前記サンプリングの速度は前記受信信号の前記ビット速度より２桁小さい
   請求項３に記載の方法。
5. 前記アナログ遅延線はＮ個のタップ付き遅延素子を含む
   請求項１に記載の方法。
6. 前記重みは最小平均二乗誤差によって調整される
   請求項１に記載の方法。
7. 光通信システムにおいて受信信号を等化するためのシステムであって、
   前記受信信号に接続されるアナログ遅延線と、
   前記受信信号の１組の遅延された信号を生成するためのタップと、
   各乗算器がそれぞれ重み付けされた信号を生成する１組の乗算器と、
   前記重み付けされた信号を加算して出力信号を生成する加算器と、
   前記出力信号を閾値処理するコンパレータと、
   前記閾値処理された出力信号を該出力信号から減算して誤差信号を生成するための手段と、
   前記誤差信号と前記受信信号の前記遅延された信号とを定期的にサンプリングするための手段と、
   前記サンプリングされた誤差信号および前記受信信号の前記遅延された信号のデジタル化された信号から前記乗算器のための前記重みを決定する重み更新回路と
   を備えるシステム。

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