光接收装置和相位周跳减少方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及通信系统，并且设及使载波同步电路中的周跳（cycleslip)的发生减 少的技术。
[0002] 本申请基于在2013年1月25日向日本申请的特愿2013-12403号和在2013年2 月26日向日本申请的特愿2013-36126号要求优先权，将其内容援引于此。
【背景技术】
[0003] 在骨干光传输系统中，要求经济地收容高速的客户端信号并传输大容量的信息。 针对前述目的的实现，从频率利用效率提高的观点出发，讨论组合了相干检波和数字信号 处理的数字相干传输方式，期待通过使用前述传输方式的波长复用传输来实现高速大容量 的信息传输。在前述传输方式中，通过数字信号处理而建立了载波相位同步。关于载波相 位同步电路（CPRCarrier化aseRecovery,载波相位恢复)的结构，考虑电路规模、调制格 式而讨论了各种算法/安装法。
[0004] 另一方面，在应用了相干检波的光传输系统中，由于使用振幅和振幅的信息，所W 显著地受到作为相位方向的噪声的相位噪声的影响。作为主要的原因，可举出起因于在 收发端中使用的激光的线宽度的相位噪声、由于收发端的激光的频率所造成的频率偏移 (offset)、W及由于非线性光学效果所造成的相位噪声等。作为在接收侧盲（blind)进行 载波相位同步的算法，例如，存在维特比/维特比算法(非专利文献1)。
[0005] 图38是示出应用了维特比/维特比算法的载波相位同步电路（CPR)的结构的框 图。在此，说明了将QPSK(Qua化ature化aseShiftIfeying，正交相移键控）用作调制格 式的情况。该情况对应于M=4。此外，输入符号表示为具有同相分量I和正交分量Q的复数 值。
[0006] CPR由载波相位估计部150和载波相位补偿部160构成。载波相位估计部150由 M乘方电路151、平均化电路152、角度计算电路153、展开（unwrap)电路巧图示)、除法电路 154、W及复数计算电路155构成。载波相位补偿部160具备延迟电路161和乘法电路162。
[0007] 依次输入到CPR的输入符号由式（1)表不。
[0008] [数式 1]
在此，k为时刻，慶叩Oaj为发送符号、Wk为加性噪声、(i)k为相位噪声。在维特比 /维特比算法中，假定调制方式为M-PSK(M-aryPhaseShiftIfeying，多进制相移键控)， 由此，利用Ak为一定的并且0k表示为2n址/M的情况。其中，址为0至M-1的整数。
[0009] 所输入的符号fk输入到M乘方电路151和延迟电路161。M乘方电路151对输入 符号进行M乘方。通过针对输入符号的M乘方的运算，在Wk> 0时，输出为式（2)。
[0010] [数式引
实际上，由于Wk声0,所WM乘方电路151的输出被输入到平均化电路152来减少噪声 的影响。平均化电路152例如通过将由M乘方电路151所计算的输入符号的M乘方值按照 包括前后的输入符号的M乘方值的每L个平均化窗口宽度在复平面上进行合计来平均化而 使噪声分量降低。接着，平均化电路152的输出输入到角度计算电路153。
[0011] 角度计算电路153计算在平均化电路152中平均化后的符号(复数)的偏角。只要 通过平均化电路152使噪声充分降低，则角度计算电路153的输出为关于计算方法， 例如计算平均化电路152的输出的同相分量（I)和正交分量（Q)来计算arctan(Q^ )，由此， 符号变换为角度。展开电路对在角度计算电路153计算的角度中残留的任意性（360°Xn， n为整数)进行校正。具体而言，展开电路W针对一个前的输入符号的角度与现在的角度之 差变小的方式对角度进行校正。
[001引除法电路154使在展开电路中校正后的角度为（1AO倍来计算载波相位估计值。 复数计算电路155计算将由除法电路154计算的载波相位估计值作为偏角的大小1的复 数，并输出到乘法电路162。
[0013] 延迟电路161对输入符号施加从M乘方电路151到复数计算电路155的运算所需 要的时间量的延迟，将输入符号在与该输入符号所对应的大小1的复数相同的定时输出到 乘法电路162。乘法电路162将由延迟电路161施加了延迟的输入符号乘W由复数计算电 路155所计算的复数，与输入符号的载波相位同步。
[0014] 现有技术文献 专利文献 非专利文献1;4.J.Viterbi,A.M.Viterbi，^NonlinearEstimationofPSK-Modu latedCarrierPhasewithApplicationtoBurstDigitalTransmission, "IEEE Trans.OnInfo.Theory,vol.IT-29, 1983 年 7 月。
【发明内容】
[0015] 发明要解决的课题 关于利用上述的算法所估计的载波相位估计值，由于使符号相位为4倍（QPSK的情 况)，所W只能在0度至90度的范围内估计。因此，估计的结果存在包括于0度至90度、90 度至180度、180度至270度、W及270度至360度中的任一个角度的4种可能性，不能按照 每个输入符号从4种之中正确地估计。假设作为初始值而已知正确的相移量并且完成了按 照每个符号连续地进行载波相位估计，在对相位方向突然施加大的噪声、由于非线性光学 效果等所造成的干扰的情况下，在估计相位量中也会产生不正确的不连续。当产生该样的 不连续时，不能对之后的输入符号正确地进行载波相位估计。该样的现象已知为相位周跳。
[0016] 作为向相位周跳的对策，例如认为差动编码方式和利用导频符号的校正方式是有 效的。差动编码方式用光相位调制信号来传输相邻的符号间的相位之差，由此，即使产生相 位周跳，也能够使影响留在其前后的符号内的比特误差。但是，当将应用差分编码方式的情 况和不应用的情况相比较时，存在误比特率变为2倍该样的缺点。存在该样的问题；该缺点 使为了利用前向纠错技术来建立可靠的通信所需要的传输路径的信号对噪声功率比上升 1. 11~1.4地左右。
[0017] 另一方面，利用导频符号的校正方式是通过传输已知信号模式来检测并校正相位 周跳的方式。但是，在产生了相位周跳的情况下，在到之后再次使用已知信号模式来使绝对 相位同步的期间发生突发错误。当为了使突发错误发生的期间变短而使插入已知信号模式 的周期变短时，存在开销变大、传输效率降低该样的问题。
[0018] 本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于提供能够在不使误比特率增加或不使传 输效率降低的情况下使相位周跳的发生频度减少的相位周跳减少系统和相位周跳减少方 法。
[0019] 用于解决课题的方案 为了解决上述问题，本发明的一个方式是相位周跳减少系统，其接收从使用相位调制 或正交幅度调制而调制的电信号生成的光信号，使用相干检波来将所接收的光信号变换为 电信号，对将电信号变换为数字信号后的接收信号进行相位补偿，所述相位周跳减少系统 具备对CPR的输入符号的振幅和相位进行利用倍增和乘幕的增益调整的增益调整部，具备 使用从载波相位估计部输出的载波相位估计值来判定相位周跳的跳变（slip)判定部，具备 基于相位周跳判定部的判定结果来补偿相位周跳的跳变补偿部。
[0020] 发明效果 根据本发明，即使产生了相位周跳，也能够通过在相位周跳判定/补偿部中检测相位 周跳并进行补偿，从而减少相位周跳的频度。进而，通过增益调整电路来提高载波相位估计 部的载波相位估计值的估计精度，由此，能够提高相位周跳判定/补偿部的检测精度，进一 步减少相位周跳的频度。
[0021] 因此，即使不发送事前施行了处理的符号，也能够高精度地估计相位，因此，能够 在不使误比特率增加或不使传输效率降低的情况下减少相位周跳的发生频度。
【附图说明】
[0022] 图1是示出本发明的第一实施方式的载波相位同步电路（CPR)的框图。
[0023] 图2是示出图1所示的增益调整电路的框图。
[0024] 图3是示出本发明的实施方式的相位周跳率的减少效果的图表。
[00巧]图4是示出本发明的第二实施方式的接收装置的框图。
[0026] 图5是示出本发明的第S实施方式的相位补偿电路的框图。
[0027] 图6是示出本发明的第四实施方式的相位补偿电路的结构的框图。
[002引图7是示出图6所示的载波相位估计部输出的估计误差相位的一个例子的图表。
[0029] 图8是示出本发明的第五实施方式的光通信系统的结构例的框图。
[0030] 图9是示出第五实施方式的光信号接收装置的结构例的框图。
[0031] 图10是示出第五实施方式的相位补偿电路的结构例的框图。
[0032] 图11是示出第五实施方式的载波相位估计电路的结构例的框图。
[0033] 图12是示出第五实施方式的相位m倍增电路的结构例的框图。
[0034] 图13是示出第五实施方式的K符号平均化电路的结构例的框图。
[0035] 图14是示出第五实施方式的延迟差分电路的结构例的框图。
[0036] 图15是示出第五实施方式的跳变判定电路进行的跳变判定处理的流程图。
[0037] 图16是示出在光传输实验数据的取得中使用的实验装置的结构的概略框图。
[0038] 图17是示出进行了通过图16所示的实验装置而得到的光传输实验数据的离线解 调的结果的图表。
[0039] 图18是示出本发明的第六实施方式的相位补偿块的结构的框图。
[0040] 图19是示出第六实施方式的阔值计算电路的结构例的框图。
[0041] 图20A是示出在第六实施方式中使检测阔值为固定值的情况下的误比特率和符 号跳变率与频率偏移的关系的图表。
[0042] 图20B是示出在第六实施方式中根据延迟差分值来确定检测阔值的情况下的误 比特率和符号跳变率与频率偏移的关系的图表。
[0043] 图21是示出本发明的第^;：实施方式的相位补偿块的结构的框图。
[0044] 图22是示出本发明的第八实施方式的相位补偿块的结构的框图。
[0045] 图23是示出本发明的第九实施方式的接收装置的结构例的框图。
[0046] 图24是示出第九实施方式的相位补偿部的结构例的框图。
[0047] 图25是示出在第九实施方式的N乘方电路中对符号进行了N乘方之后的星座图 的一个例子的图表。
[004引图26是示出第九实施方式的抽头系数计算电路的结构例的框图。
[0049] 图27是示出本发明的第十实施方式的抽头系数计算电路的结构例的框图。
[0050] 图28是示出本发明的第十一实施方式的抽头系数计算电路的结构例的框图。
[0051] 图29是示出本发明的第十二实施方式的抽头系数计算电路的结构的框图。
[0052] 图30是示出本发明的第十S实施方式的抽头系数计算电路的结构的框图。
[0053] 图31是示出本发明的第十四实施方式的抽头系数计算电路的结构的框图。
[0054] 图32是示出本发明的第十五实施方式的相位补偿部的结构的框图。
[0055] 图33是示出本发明的第十五实施方式的抽头系数计算电路的结构的框图。
[0056] 图34是示出变形例的前处理电路的结构的框图。
[0057] 图35是示出本发明的第十六实施方式的相位补偿部的结构的框图。
[0058] 图36是示出在光传输实验数据的取得中使用的实验装置的概略的图。
[0059] 图37是示出与第十五实施方式的相位补偿部对应的相位周跳率的评价结果的图 表。
[0060] 图38是示出W往的载波相位同步电路的框图。
【具体实施方式】
[0061] W下，参照附图来说明本发明的实施方式的相位周跳减少系统和相位周跳减少方 法。
[0062](第一实施方式） 图1是示出本发明的实施方式的载波相位同步电路（CPR)、相位周跳判定/补偿部的结 构的框图。
[0063] 输入到CPR的符号分路到载波相位估计部50和载波相位补偿部60。在载波相位 估计部50中，输入的符号被输入到增益调整电路51。
[0064] 增益调整电路51如图2所示那样由计算并分离所输入的符号的振幅值和相位值 的振幅/相位分离电路511、输入由振幅/相位分离电路511所分离的振幅值的振幅增益调 整电路512、输入由振幅/相位分离电路511所分离的相位值的相位增益调整电路513、W 及将振幅增益调整电路512的输出和相位增益调整电路513的输出结合并变换为复数的振 幅/相位结合电路514。
[0065] 例如，如果在振幅增益调整电路512中对振幅进行M乘方并在相位增益调整电路 513中使相位为M倍，则为与应用了维特比/维特比算法的CPR中的M乘方电路等效的工 作。在本实施例中，在振幅增益调整电路512中例如保持振幅值并且在相位增益调整电路 513中使相位为M倍，由此，提高后述的相位周跳判定/补偿部70的检测精度。目P，本实施 例与前述应用了维特比/维特比算法的CPR中的M乘方电路的工作不同。
[0066] 在此，增益调整电路51的设定值不仅限定于前述的设定值。振幅增益调整电路 512和相位增益调整电路513的增益的设定值基于平均化电路52的平均化窗口宽度、相位 周跳判定/补偿电路70的低通滤波器（LPF)71的抽头长度和带宽、W及延迟差分部的延迟 宽度来设定。
[0067] 增益调整电路51的输出被输入到平均化电路52。在平均化电路52中，例如，通过 按照包括由增益调整电路51所计算的符号和在该符号的前后所计算的符号的每L个平均 化窗口宽度在复平面上进行合计来平均化而使噪声分量降低。
[006引接着，平均化电路52的输出被输入到角度计算电路53。角度计算电路53计算在 平均化电路52中平均化后的符号（复数）的偏角。如果通过平均化电路52使噪声充分降 低，则角度计算电路53的输出为
[0069] 关于由角度计算电路53进行的计算方法，例如，计算平均化电路52输出的同相分 量（I)、正交分量（Q)来计算arctan(9八），由此，符号被变换为角度。展开电路对在角度计 算电路53所计算的角度中残留的任意性（360°Xn，n为整数）进行校正。具体而言，展开 电路W针对一个前的输入符号的角度与现在的角度之差变小的方式对角度进行校正。
[0070] 除法电路54使在展开电路中校正后的角度为（1AO倍来计算载波相位估计值。复 数计算电路55计算将由除法电路54所计算的载波相位估计值作为偏角的大小1的复数， 并输出到乘法电路62。
[0071] 延迟电路61对输入符号施加从增益调整电路51到复数计算电路55的运算所需 要的时间量的延迟，将输入符号在与该输入符号所对应的大小1的复数相同的定时输出到 乘法电路62。乘法电路62将由延迟电路61施加了延迟的输入符号乘W由复数计算电路 55所计算的复数，与输入符号的载波相位同步。
[0072] 另一方面，由除法电路54所计算的估计误差相位经由LP巧1输入到延迟差分电路 72。延迟差分电路72计算估计误差相位的时间变动。跳变判定部73基于由延迟差分部72 所计算的估计误差相位的时间变动来判定针对输入信号是否发生了相位周跳。相位周跳的 判定存在90度、-90度、180度度3种，而该些能够通过时间变动的极性和绝对值来判定。
[0073] 在跳变判定部73中判定为发生了相位周跳的情况下，跳变补偿部75针对由载波 相位补偿部60减少了相位误差的输入信号进行相位周跳的补偿。
[0074] 相位周跳补偿在90度跳变判定时对相位周跳发生时W后的相位估计值进行90度 的减法运算。在-90度跳变判定时，对相位估计值进行90度的加法运算。在180度跳变判 定时，对相位估计值进行180度的加法(或减法）运算。
[0075] 跳变补偿部75将对输入信号进行相位周跳的补偿而得到的信号作为输出信号进 行输出。此外，在跳变判定部73中判定为未发生相位周跳的情况下，跳变补偿部75将由载 波相位补偿部60减少了相位误差的输入信号作为输出信号进行输出。
[0076] 在图3中示出了本实施例的效果。图3示出了对CPR的W往结构应用了本发明的 情况下的相位周跳率的减少效果。
[0077] 与应用了维特比/维特比算法的W往结构相比较，通过具备增益调整电路51，从 而提高载波相位估计部50的载波相位估计值的估计精度，因此，跳变率降低。此外，在不具 备增益调整电路而具备相位周跳判定/补偿部70的情况下，对产生的相位周跳进行补偿， 由此，跳变率降低。
[0078] 在本实施例中，具备增益调整电路51并具备相位周跳判定/补偿部70,由此，能够 提高载波相位估计部50的估计精度，进而提高相位周跳判定部73的相位周跳的检测精度， 因此，相对于W往结构，能够减少到约100分之一左右的跳变率。
[0079] (第二实施方式） 图4是示出第二实施方式的接收装置的结构例的框图。该图所示的接收装置80在数 字相干传输系统中应用了本发明。
[0080] 向接收装置80输入由光纤传输路径所传输的光信号。接收装置80取得包含于所 输入的光信号的数据，将取得的数据输出到连接于后级的装置等。接收装置80具备；本振 激光发生器81、光90度混合器（hybrid)82、光电变换部83、AD转换器84、波长色散补偿部 85、自适应均衡部86、频率偏移补偿部87、相位周跳减少部88、相位补偿部89、纠错/判定 部90W及客户端接口 91。
[0081] 输入到接收装置80的光信号被输入到光90度混合器82,与本振激光发生器81输 出的本地振荡激光在光90度混合器82中混合并进行零差检波或外差检波。通过检波得到 的光信号在光电变换部83中被变换为基带的模拟电信号。该模拟电信号在AD转换器84 中被数字化，并输出到波长色散补偿部85。从AD转换器84输出的数字信号是示出由具有 同相分量I和正交分量Q的复数