JPH0654896B2 - ヘテロダイン検波方式の空間伝搬通信用光信号受信装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ヘテロダイン検波方式の空間伝搬通信用光信
号受信装置に関する。

［従来の技術］ 衛星間等の空間伝搬方式の光受信機は、受信すべき信号
光以外に、光検波器の空間及び周波数領域内に存在する
例えば太陽光等の不必要な背景光も受信する。この受信
された背景光は必要な信号光ととともに処理されるの
で、この光受信機で検波されるベースバンド信号に対し
て伝送特性の大きな劣化を与えることになる。この背景
雑音光源のスペクトル輝度関数をＮ(f)とすると、周波
数f[Hz]を中心とする帯域幅Ｂ[Hz]において受信される
背景光電力Pb[W]は次式で表される。

(1)第１１図(A)に示すように受信機の視野の立体角Ωfv
［ステラジアン］が受信機から見た場合の雑音光源の立
体角Ωs［ステラジアン］に含まれ、Ωfv＜Ωsであると
き、 Pb＝N(f)BArΩfv …(1) であり、 (2)第１１図(B)に示すように受信機から見た場合の雑音
光源の立体角Ωs［ステラジアン］が受信機の視野の立
体角Ωfv［ステラジアン］に含まれ、Ωfv≦Ωsである
とき、 Pb＝N(f)BArΩs …(2) である。ここで、Arは受信アンテナの面積[m²]であり、
例えば、光衛星間通信で特に問題となる背景光の光源は
太陽であって、そのとき受信される背景光電力は上記
(1)式となる。

第１２図は従来例のＦＳＫヘテロダイン検波方式の光受
信機のブロック図である。ここで、信号光は、６５０[M
Hz]を中心として±２００[MHz]でＦＳＫ変調された信号
である。

第１２図において、受信される信号光は、例えばカセグ
レンアンテナで構成される光受信アンテナ１を介して光
合波器２に入力され、局部発振器１０から出力される局
部発信光と合波されて、光検波器３に入力される。光検
波器３は、入力された光信号を光・電気変換（以下、Ｏ
／Ｅ変換という。）し、電気信号を中間周波フィルタ
（以下、ＩＦフィルタという。）４に出力する。ＩＦフ
ィルタ４は、３００MHzから１GHzまでの帯域の信号だけ
を抽出し、中間周波数６５０MHzの中間周波増幅器（以
下、ＩＦ増幅器という。）５を介して周波数弁別器６に
出力する。周波数弁別器６は中間周波数を中心とする信
号の周波数の変化を電圧の変化に変換して、この電圧の
変化を示す電気信号を、局部発振器１０に出力するとと
もに、ベースバンドフィルタ７を介して信号処理回路８
に出力する。ここで、上記電気信号はＦＳＫ復調された
ディジタル信号であり、該ディジタル信号が信号処理回
路８において波形整形等の公知の処理がなされた後、出
力端子にディジタル信号として出力される。

一方、局部発振器１０は入力される電気信号に応答し
て、局部発振光の周波数が、上記光検波器３から出力さ
れる信号の平均周波数が上記中間周波数の６５０MHzと
なるように制御して、該局部発振光を光合波器２に出力
する。

以上のように構成されたＦＳＫヘテロダイン検波方式の
光受信機は、局部発振器１０を備えない直接検波方式の
光受信機に比較して、公知のように、安定であって高利
得であり、しかも受信される信号の信号対雑音比が大き
いという利点を有する。

［発明が解決しようとする問題点］ 上述の第１２図の光受信機の光受信アンテナ１に上記背
景光が入力した場合、信号光の信号対雑音比が大幅に低
下するという問題点があった。

上述のように、背景光が太陽である場合の受信背景光電
力は上記(1)式となる。従って、太陽からの背景光電力
を低減させるためには、上記帯域幅Ｂ、受信アンテナの
面積Ar、又は受信機の視野の立体角Ωfvを小さくすれば
よいが、これらのパラメータを低減させると信号光の劣
化をもたらすという問題点があった。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、信号光を劣化さ
せることなく背景光雑音を低減させ、従来例に比較して
信号光の信号対雑音比を改善することができるヘテロダ
イン検波方式の空間伝搬通信用光信号受信装置を提供す
ることにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明に係るヘテロダイン検波方式の空間伝搬通信用光
信号受信装置は、空間伝搬通信中に相手局から送信され
た信号光を受信した後、上記受信した信号光と局部発振
光とを合波し所定の周波数の電気信号に変換して復調を
行なうヘテロダイン検波方式の空間伝搬通信用光信号受
信装置において、上記信号光とともに受信される背景光
のレベルを検出し上記背景光のレベルに比例する検出信
号を出力する検出手段と、上記検出手段から出力される
検出信号が大きくなるにしたがって上記局部発振光のビ
ーム径を小さくして上記光信号受信装置の受信視野を小
さくする制御手段とを備えたことを特徴とする。

［作用］ 以上のように構成することにより、上記検出手段は、信
号光とともに受信される背景光のレベルを検出し上記背
景光のレベルに比例する検出信号を出力し、上記制御手
段は、上記検出手段から出力される検出信号が大きくな
るにしたがって上記局部発振光のビーム径を小さくして
上記光信号受信装置の受信視野を小さくする。これによ
って、信号光を劣化させることなく、背景光のレベルに
応じて背景光を低減させることができる。

［実施例］ 第１の実施例 第１図は本発明の第１の実施例であるＦＳＫヘテロダイ
ン検波方式の光受信機のブロック図であり、第１図にお
いて上述の図面と同一のものについては同一の符号を付
している。

この光受信機が従来例の第１２図の光受信機と異なるの
は、第１２図の光受信機に加えて、ＩＦフィルタ１１、
ＩＦ増幅器１２、検波器１３、制御器１４、駆動装置１
５及び偏向器１６を備えたことであり、光検波器３で受
信される背景光雑音の電力レベルに応じて偏向器１６に
よって局部発振器１０から出力される局部発振光のビー
ム径を制御し、これによって、局部発振光の光検波器３
上の面積を制御し、等価的に受信機の視野を制御するこ
とにより、背景光を低減することを特徴としている。以
下、上記相異点について詳細に説明する。なお、信号光
は、従来例と同様に、６５０[MHz]を中心として±２０
０[MHz]でＦＳＫ変調された信号である。

第１図において、受信される信号光は、光受信アンテナ
１を介して光合波器２に入力され、局部発振器１０から
出力される局部発信光と合波されて、光検波器３に入力
される。光検波器３は、入力された光信号をＯ／Ｅ変換
し、該電気信号を、ＩＦフィルタ１１に出力するととも
に、ＩＦフィルタ４及びＩＦ増幅器５を介して周波数弁
別器６に出力する。周波数弁別器６は中間周波数を中心
とする信号の周波数の変化を電圧に変換して、この電圧
の変化を示す電気信号を、局部発振器１０に出力すると
ともに、ベースバンドフィルム７を介して信号処理回路
８に出力する。ここで、上記電気信号はＦＳＫ復調され
たディジタル信号であり、該信号が信号処理回路８にお
いて波形整形等の公知の処理がなされた後、出力端子に
ディジタル信号として出力される。

一方、局部発振器１０は入力される電気信号に応答し
て、局部発振光の周波数が、上記光検波器３から出力さ
れる信号の平均周波数が上記中間周波数の６５０MHzと
なるように制御して、該局部発振光を偏向器１６を介し
て光合波器２に出力する。ここで、局部発振器１０は、
ＦＳＫ信号の周波数変化による上記電気信号の変化に対
して追従しないように構成される。

さらに、ＩＦフィルタ１１は入力された電気信号から、
第７図に示すように1.2GHzから1.5GHzの帯域成分を抽出
し、該帯域成分を、1.2GHzから1.5GHzの帯域の信号を増
幅する帯域増幅器であるＩＦ増幅器１２を介して検出器
１３に出力する。ここで、第７図は光検波器３の出力信
号のスペクトルを示す図であり、光検波器３の出力とし
ては、６５０MHzの平均周波数を有し約３００MHzから約
１GHzまでの帯域を有する信号光６０と、概略平坦な周
波数成分を有し局部発振光が光検波器３に入力されると
きに生じるショット雑音６２がある。また、光受信アン
テナ１に背景光が入力されるとき、光検波器３の出力に
は、上記に加えて、概略平坦な周波数成分を有する背景
光雑音６１が存在する。従って、検出器１３には、上記
背景光雑音６１、ショット雑音６２及びＩＦ増幅器１２
で発生する熱雑音が入力されることになる。ここで、上
記ショット雑音６２及び熱雑音は概略一定のレベルであ
るが、上記背景光雑音６１は、光受信アンテナ１に入力
される背景光の光量に応じて変化し、したがって、検出
器１３で検出される電力レベルは、背景光の光量に応じ
て変化する。

検出器１３は入力される帯域成分の電力レベルを検出し
該電力レベルに比例する検出信号を、制御器１４に出力
する。これに応答して制御器１４は入力される検出信号
に応じて駆動装置１５を駆動して、局部発振器１０から
出力される局部発振光を通過させる偏向器１６のビーム
径を変化させる。ここで、偏向器１６のビーム径は、検
出器１３で検出される電力レベルが高くなるにしたがっ
て、小さくなるように制御され、ただし、該ビーム径は
光検波器３上で信号光のビーム径よりも小さくならない
ように制御される。

例えば、直接検波方式の光受信機の視野の立体角Ωfv
［ステラジアン］は、第８図に示すように光検波器３の
焦点距離をfc[m]とし、該光検波器３の受光面積をAd
[m²]とすると、公知の通り次式で表すことができる。

Ωfv≒Ad/fc² ……(3) 一方、本実施例のヘテロダイン検波方式の光受信機の視
野の立体角Ωfv［ステラジアン］は、第９図に示すよう
に光検波器３上の局部発振光の受光面積をAc[m²]とする
と、公知の通り次式で表すことができる。

Ωfv≒Ac/fc² ……(4) 従って、直接検波方式の光受信機においては、光検波器
３の受光面積Adを制御することにより、等価的に受信機
の視野の立体角Ωfvを制御することができる。一方、本
実施例のヘテロダイン検波方式の光受信機においては、
局部発振光の光検波器３上の面積Acを制御することによ
り、等価的に受信機の視野の立体角Ωfvを制御すること
ができる。この受信機の視野の立体角Ωfvの制御によ
り、上記(1)式に示すように、受信背景光電力Pbを変化
させることができる。

第１図の光受信機では、上述のように背景光雑音の電力
レベルの変化を検出し、検出器１３で検出される電力レ
ベルが高くなるにしたがって、すなわち背景光雑音の電
力レベルが高くなるにしたがって、偏向器１６のビーム
径を小さくするように制御される。

すなわち、背景光を受信していないときは、第１０図
(A)に示すように、局部発振光のビーム径を大きくし
て、光検波器３上の局部発振光のエリア４２を、光検波
器３の検出エリア４０よりもやや小さくしかつ該検出エ
リア４０に含まれるように制御して、受信機の視野を広
げておく。これによって、信号光４１を追尾する追尾装
置の追尾精度を低下させることが可能となる。一般に、
背景光である太陽を受信する時間は比較的短いので、追
尾装置の追尾精度を長時間にわたって低下させることが
できるという利点がある。

一方、背景光を受信しているときは、第１０図(B)に示
すように、該背景光４３がほぼ光検波器３の検出エリア
４０全体に入射するので、局部発振光のビーム径を小さ
くして、光検波器３上の局部発振光のエリア４２を、信
号光のエリア４１よりもやや大きくかつ該信号光のエリ
ア４１が上記局部発振光のエリア４２に含まれるように
制御して、受信機の視野を小さくして絞る。これによっ
て、光検波器３上における背景光と局部発振光との空間
整合面積を減少させることにより、背景光雑音を低減さ
せる。なお、このとき、信号光４１を追尾する追尾装置
の追尾精度を高くする必要がある。

以上説明したように、この光受信機においては、背景光
雑音の電力レベルが高くなるにしたがって、光検波器３
上の局部発振光の受光面積Acを小さくして該光受信機の
視野を絞ることができ、これによって、信号光を劣化さ
せることなく背景光雑音を低減させることができる。こ
の結果、復調される信号光の信号対雑音比を向上させる
ことができるとともに、これによって復調されたディジ
タル信号のビット誤り率を大幅に低下させることができ
るという利点がある。

第２の実施例 第２図は本発明の第２の実施例であるＦＳＫヘテロダイ
ン検波方式の光受信機のブロック図であり、第２図にお
いて上述の図面と同一のものについては同一の符号を付
している。

この光受信機が第１図の第１の実施例の光受信機と異な
るのは、第１図の駆動装置１５及び偏向器１６がそれぞ
れ、駆動装置２１および空間フィルタ２０にとって代わ
ったことであり、他の構成は同様である。以下、上記相
異点について詳細に説明する。

制御１４は上記検出器１３から入力される検出信号に応
じて駆動装置２１を駆動して、空間フィルタ２０のピン
フォールの孔径を変化させて局部発振器１０から出力さ
れる局部発振光のビーム径を変化させる。ここで、局部
発振光のビーム径は、検出器１３で検出される電力レベ
ルが高くなるにしたがって、小さくなるように制御さ
れ、ただし、該ビーム径は光検波器３上で信号光のビー
ム径よりも小さくならないように制御される。

以上のように構成された第２図の光受信機は、第１図の
第１の実施例と同様に動作し、第１の実施例の光受信機
と同様の作用と効果を有する。

第３の実施例 第３図は本発明の第３の実施例であるＦＳＫヘテロダイ
ン検波方式の光受信機のブロック図であり、第３図にお
いて上述の図面と同一のものについては同一の符号を付
している。

この光受信機が第１図の第１の実施例の光受信機と異な
るのは、第１図の駆動装置１５及び偏向器１６がそれぞ
れ、駆動装置２５並びに、局部発振光用コリメートレン
ズ２２、局部発振光用集光レンズ２３、及び該レンズ２
３の位置を光軸方向に移動させる位置制御装置２４にと
って代わったことであり、他の構成は同様である。以
下、上記相異点について詳細に説明する。

局部発振器１０から出力される局部発振光は局部発振光
用コリメートレンズ２２及び局部発振光用集光レンズ２
３を介して光合波器２に出力される。一方、制御器１４
は上記検出器１３から入力される検出信号に応じて駆動
装置２５を駆動して、局部発振光用集光レンズ２３の位
置を位置制御装置２４により光軸方向に移動させ、これ
によって、光検波器３上の局部発振光のビーム径を変化
させる。ここで、光検波器３上の局部発振光のビーム径
は、検出器１３で検出される電力レベルが高くなるにし
たがって小さくなるように制御され、ただし、該ビーム
径は光検波器３上で信号光のビーム径よりも小さくなら
ないように制御される。以上のように構成された第３図
の光受信機は、第１図の第１の実施例と同様に動作し、
第１の実施例の光受信機と同様の作用と効果を有する。

第４の実施例 第４図は本発明の第４の実施例であるＦＳＫヘテロダイ
ン検波方式の光受信機のブロック図であり、第４図にお
いて上述の図面と同一のものについては同一の符号を付
している。

この光受信機が第１図の第１の実施例の光受信機と異な
るのは、第１図のＩＦフィルタ１１、ＩＦ増幅器１２、
及び検出器１３を設けず、増幅器３０、検出器３１、及
び演算器３２を設けたことであり、他の構成は同様であ
る。以下、上記相異点について詳細に説明する。

第４図において、光検波器３の出力は、ＩＦフィルタ４
に出力されるとともに、概ね1.5GHzまで広帯域の増幅を
行なう増幅器３０を介して検出器３１に出力される。検
出器３１は、入力された帯域成分の各スペクトルの電力
レベルを検出して、該電力レベルに比例する検出信号を
演算器３２に出力し、これに応答して演算器３２は入力
された検出信号から全帯域における平均電力レベルを演
算し、該平均電力レベルに比例するレベル信号を制御器
１４に出力する。これに応答して制御器１４は、第１の
実施例と同様に、入力される検出信号に応じて駆動装置
１５を駆動して、偏向器１６のビーム径を変化させる。

以上のように構成された第４図の光受信機は、第１図の
第１の実施例と同様に動作し、第１の実施例の光受信機
と同様の作用と効果を有する。

第５の実施例 第５図は本発明の第５の実施例であるＦＳＫヘテロダイ
ン検波方式の光受信機のブロック図であり、第５図にお
いて上述の図面と同一のものについては同一の符号を付
している。

この光受信機が第２図の第２の実施例の光受信機と異な
るのは、第４の実施例と同様に、第２図のＩＦフィルタ
１１、ＩＦ増幅機１２、及び検出器１３を設けず、増幅
器３０、検出器３１、及び演算器３２を設けたことであ
り、他の構成は同様である。

以上のように構成された第５図の光受信機は、第２図の
第２の実施例と同様に動作し、第２の実施例の光受信機
と同様の作用と効果を有する。

第６の実施例 第６図は本発明の第６の実施例であるＦＳＫヘテロダイ
ン検波方式の光受信機のブロック図であり、第６図にお
いて上述の図面と同一のものについては同一の符号を付
している。

この光受信機が第３図の第３の実施例の光受信機と異な
るのは、第４及び第５の実施例と同様に、第３図のＩＦ
フィルタ１１、ＩＦ増幅器１２、及び検出器１３を設け
ず、増幅器３０、検出器３１、及び演算器３２を設けた
ことであり、他の構成は同様である。

以上のように構成された第６図の光受信機は、第３図の
第３の実施例と同様に動作し、第３の実施例の光受信機
と同様の作用と効果を有する。

他の実施例 以上の実施例においては、ＦＳＫ信号を受信するヘテロ
ダイン検波方式の光受信機について述べているが、これ
に限らず、本発明は他の種類の変調信号を受信するヘテ
ロダイン検波方式の光受信機に容易に適用することがで
きる。

以上の実施例においては、背景光雑音の電力レベルが高
くなるにしたがって、光検波器３上の局部発振光の受光
面積Acを小さくして該光受信機の視野を絞り、背景光雑
音を低減させているが、これに限らず、背景光雑音の電
力レベルを検出するしきい値を設け、受信される背景光
雑音の電力レベルが上記しきい値を超えるか否かを検出
し、これにより、背景光の有無を検出して、背景光を受
信していないとき、光検波器３上の局部発振光の受光面
積Acが第１０図(A)に示すように比較的大きくなるよう
に上述の装置で制御し、一方、背景光を受信していると
き、光検波器３上の局部発振光の受光面積Acが第１０図
(B)に示すように比較的小さくなるように上述の装置で
制御するようにしてもよい。

以上の第４ないし第６の実施例において、増幅器３０の
入力を光検波器３の出力から得ているが、これに限ら
ず、ＩＦフィルタ４又はＩＦ増幅器５の出力から得るよ
うにしてもよい。増幅器３０の入力をＩＦフィルタ４の
出力から得る場合、増幅器３０はＩＦ増幅器５と同様の
増幅帯域を有するように構成され、一方、増幅器３０の
入力をＩＦ増幅器５の出力から得る場合、増幅器３０を
省略してもよい。

以上の実施例で述べたヘテロダイン検出方式の光受信機
は、ヘテロダイン検出方式により信号帯域以外の光を除
去して、周波数フィルタとして動作し、一方、受信機に
視野を制御することにより特に受信背景光電力を低減さ
せ、等価的に空間フィルタとして動作する。従って、本
発明の光受信機は、上記２つの周波数フィルタと空間フ
ィルタとして動作するので、従来例に比較して信号光の
信号対雑音比を大幅に改善することができるという利点
がある。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、ヘテロダイン検波
方式の空間伝搬通信用光信号受信装置において、信号光
とともに受信される背景光のレベルを検出し、検出され
た背景光のレベルが高くなるにしたがって上記局部発振
光のビーム径を小さくして上記信号光及び局部発振光を
受信するための視野を小さくするようにしたので、信号
光を劣化させることなく、背景光のレベルに応じて背景
光を低減させることができる。従って、復調される信号
光の信号対雑音比を向上させることができるとともに、
これによって、復調されたディジタル信号のビット誤り
率を大幅に低下させることができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は第１ないし第６の実施例であるＦ
ＳＫヘテロダイン検波方式の光受信機のブロック図、 第７図は第１図ないし第６図の光検波器３の出力のスペ
クトルを示す図、 第８図は直接検波方式の光受信機の焦点距離と視野の立
体角を示す図、 第９図はヘテロダイン検波方式の光受信機の焦点距離と
視野の立体角を示す図、 第１０図(A)及び(B)は第１図ないし第６図の光検波器３
の受光エリアにおける信号光、局部発振光及び背景光の
各エリアを示す平面図、 第１１図(A)及び(B)は光受信機の視野の立体角Ωfvと雑
音光源の立体角Ωsとの関係を示す図、 第１２図は従来例であるＦＳＫヘテロダイン検波方式の
光受信機のブロック図である。 １……光受信アンテナ、 ２……光合波器、 ３……光検波器、 ４，１１……中間周波フィルタ（ＩＦフィルタ）、 ５，１２……中間周波増幅器（ＩＦ増幅器）、 ６……周波数弁別器、 ７……ベースバンドフィルタ、 ８……信号処理回路、 １０……局部発振器、 １３，３１……検出器、 １４……制御器、 １５，２１，２５……駆動装置、 １６……偏向器、 ２０……空間フィルタ、 ２２……局部発振光用コリメートレンズ、 ２３……局部発振光用集光レンズ、 ２４……位置制御装置、 ３０……増幅器、 ３２……演算器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 樫木 勘四郎 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷５ 番地 株式会社エイ・ティ・アール光電波 通信研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−165536（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空間伝搬通信中に相手局から送信された信
   号光を受信した後、上記受信した信号光と局部発振光と
   を合波し所定の周波数の電気信号に変換して復調を行な
   うヘテロダイン検波方式の空間伝搬通信用光信号受信装
   置において、 上記信号光とともに受信される背景光のレベルを検出し
   上記背景光のレベルに比例する検出信号を出力する検出
   手段と、 上記検出手段から出力される検出信号が大きくなるにし
   たがって上記局部発振光のビーム径を小さくして上記光
   信号受信装置の受信視野を小さくする制御手段とを備え
   たことを特徴とするヘテロダイン検波方式の空間伝搬通
   信用光信号受信装置。