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技術 デジタル信号処理装置

出願人 日本電信電話株式会社
発明者 濱岡福太郎関剛志松田俊哉那賀明
出願日 2013年7月18日 (7年5ヶ月経過) 出願番号 2014-534161
公開日 2016年8月8日 (4年4ヶ月経過) 公開番号 WO2014-038121
状態 特許登録済
技術分野 直流方式デジタル伝送
主要キーワード 信号累積 平均化数 誤差拡大 移動平均計算 標準偏差計算 信号修正 統計解析処理 時間連続性
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年8月8日)のものです。
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図面 (7)

課題・解決手段

デジタル信号デジタル信号処理を行うデジタル信号処理装置において、デジタル信号から移動平均標準偏差を算出し、デジタル信号がその移動平均および標準偏差から得られる所定の範囲内にあるか否かを統計判定し、当該範囲外にあるデジタル信号を当該範囲内へ修正する統計解析手段を備える。デジタル信号の統計解析を行うことにより、デジタル信号処理において平均化数を増加させることなく、一過性の変動を抑制する。

概要

背景

デジタル信号処理装置では、アナログ信号をAD(Analog to Digital)コンバータデジタル信号に変換した後に、デジタル信号処理を施すことにより、例えば伝送路で歪んだ受信波形デジタル領域補償することができる。このようなデジタル信号処理装置は、画像処理音声処理無線通信光通信等の様々な技術分野で活用されている。

デジタル信号処理を行う場合、デジタル信号処理の過程でデジタル信号にパルスノイズのような一過性の変動が生じると、デジタル信号処理の誤差が増大して出力信号品質劣化してしまう。ただし、このような一過性の変動成分によるデジタル信号処理への影響は、例えばローパスフィルタを用いたデジタル信号の平均化処理により、緩和することができる。

例えば、光通信分野におけるデジタルコヒーレント受信機では、一過性変動の影響を低減するために、FIR(Finite Impulse Response)フィルタを用いて受信波形を等化処理する際に、FIRフィルタタップ数を増やす方法がある。あるいは、位相変調信号位相点からの位相シフト累乗法を用いて推定し、その位相シフトを除去する際に、累乗法の信号累積数(タップ数)を増加させる方法がある。

ここで、コヒーレント光通信技術とデジタル信号処理技術とを組み合わせたデジタルコヒーレント受信機について説明する。

図5は、デジタルコヒーレント送受信システムの構成例を示す(非特許文献1)。
図5において、デジタルコヒーレント送受信システムは、位相変調した光信号を送信する送信機100と、伝送路を介して伝送された光信号を受信して復調するデジタルコヒーレント受信機200から構成される。デジタルコヒーレント受信機200は、コヒーレントレシーバ210、ADコンバータ220、デジタル信号処理装置230から構成される。コヒーレントレシーバ210は、伝送路から受信する光信号とローカル光源301からのローカル光を入力し、コヒーレント検波技術により高感度電気信号に変換する。ADコンバータ220は、コヒーレントレシーバ210から出力される電気信号をデジタル信号に変換する。デジタル信号処理装置230は、ADコンバータ220から出力されるデジタル信号をデジタル信号処理し、伝送路で歪んだ受信波形を補償して復調する。

デジタル信号処理装置230は、等化器231、位相シフト補償器232、復調器233から構成される。等化器231は入力するデジタル信号の波形歪み等化し、波形等化されたデジタル信号の位相シフトを位相シフト補償器232で補償する。復調器233は、位相シフト補償器232から出力される位相シフト補償されたデジタル信号をシンボル列として出力する。このように波形の歪みの補正簡易な構成で行うことができるため、大容量かつ高速な伝送システムが実現可能になっている。

位相シフト補償器232は、例えば、累乗法を用いて位相シフトを推定し修正することができる(非特許文献2)。累乗法における位相シフトの推定範囲は、QPSK(Quadrature Phase Shift Keying )信号の場合、基準点から±π/4の範囲内に制限されるため、この範囲外となる位相シフトは推定できない。位相シフト推定値の時間連続性が保たれない現象は「サイクルスリップ」と呼ばれており、信号品質が劣化してしまう。例えば、デジタル信号にパルスノイズ的な一過性の変動が生じた場合、デジタル信号処理の誤差拡大により時間連続性が保たれなくなり、図6に示すようにサイクルスリップが生じてしまう。

サイクルスリップの対策として、送信信号論理的な差動符号化を施して影響の伝搬を防止する手法などが用いられている(非特許文献3)。しかし、サイクルスリップした瞬間のビットエラーを防止することはできない。また、差動符号化したデータに1つビットエラーが生じた場合、連続した2つのビットエラーとなって差動復号されるため伝送品質が劣化してしまう。

概要

デジタル信号のデジタル信号処理を行うデジタル信号処理装置において、デジタル信号から移動平均標準偏差を算出し、デジタル信号がその移動平均および標準偏差から得られる所定の範囲内にあるか否かを統計判定し、当該範囲外にあるデジタル信号を当該範囲内へ修正する統計解析手段を備える。デジタル信号の統計解析を行うことにより、デジタル信号処理において平均化数を増加させることなく、一過性の変動を抑制する。

目的

本発明は、デジタル信号の統計解析を行うことにより、デジタル信号処理において平均化数を増加させることなく、デジタル信号の一過性の変動を抑制することができるデジタル信号処理装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

デジタル信号デジタル信号処理を行うデジタル信号処理装置において、前記デジタル信号から移動平均標準偏差を算出し、前記デジタル信号がその移動平均および標準偏差から得られる所定の範囲内にあるか否かを統計判定し、当該範囲外にある前記デジタル信号を当該範囲内へ修正する統計解析手段を備えたことを特徴とするデジタル信号処理装置。

請求項2

請求項1に記載のデジタル信号処理装置において、前記統計解析手段は、前記デジタル信号を入力し、前記移動平均を出力する移動平均計算部と、前記デジタル信号と前記移動平均計算部から出力される前記移動平均を入力し、前記標準偏差を出力する標準偏差計算部と、前記デジタル信号、前記移動平均および前記標準偏差を入力し、前記デジタル信号に対する前記統計判定により前記デジタル信号を修正して出力する統計判定/信号修正部とを備えたことを特徴とするデジタル信号処理装置。

請求項3

請求項2に記載のデジタル信号処理装置において、前記移動平均計算部は、nを3以上の整数、Lを2以上の整数としたときに、n−L番目のデジタル信号S(n-L) からn−1番目のデジタル信号S(n-1) の合計L点のデジタル信号を入力して、移動平均A(n-1) を出力し、前記標準偏差計算部は、前記n−1番目までのL点のデジタル信号と前記移動平均計算部から出力される移動平均A(n-1) を入力して、標準偏差σ(n-1) を出力し、前記統計判定/信号修正部は、n番目のデジタル信号S(n) 、前記移動平均計算機から出力される移動平均A(n-1) 、および前記標準偏差計算部から出力される標準偏差σ(n-1) を入力して、任意の正の数をxとして、デジタル信号S(n) がA(n-1)−xσ(n-1) ≦S(n) ≦A(n-1)+xσ(n-1) の範囲内であるか否かを判定する前記統計判定を行い、当該範囲内の場合は前記デジタル信号S(n) をそのまま出力し、当該範囲外の場合はデジタル信号S(n) を当該範囲内へ修正して出力することを特徴とするデジタル信号処理装置。

技術分野

0001

本発明は、デジタル信号一過性の変動を抑制するデジタル信号処理装置に関する。

背景技術

0002

デジタル信号処理装置では、アナログ信号をAD(Analog to Digital)コンバータでデジタル信号に変換した後に、デジタル信号処理を施すことにより、例えば伝送路で歪んだ受信波形デジタル領域補償することができる。このようなデジタル信号処理装置は、画像処理音声処理無線通信光通信等の様々な技術分野で活用されている。

0003

デジタル信号処理を行う場合、デジタル信号処理の過程でデジタル信号にパルスノイズのような一過性の変動が生じると、デジタル信号処理の誤差が増大して出力信号品質劣化してしまう。ただし、このような一過性の変動成分によるデジタル信号処理への影響は、例えばローパスフィルタを用いたデジタル信号の平均化処理により、緩和することができる。

0004

例えば、光通信分野におけるデジタルコヒーレント受信機では、一過性変動の影響を低減するために、FIR(Finite Impulse Response)フィルタを用いて受信波形を等化処理する際に、FIRフィルタタップ数を増やす方法がある。あるいは、位相変調信号位相点からの位相シフト累乗法を用いて推定し、その位相シフトを除去する際に、累乗法の信号累積数(タップ数)を増加させる方法がある。

0005

ここで、コヒーレント光通信技術とデジタル信号処理技術とを組み合わせたデジタルコヒーレント受信機について説明する。

0006

図5は、デジタルコヒーレント送受信システムの構成例を示す(非特許文献1)。
図5において、デジタルコヒーレント送受信システムは、位相変調した光信号を送信する送信機100と、伝送路を介して伝送された光信号を受信して復調するデジタルコヒーレント受信機200から構成される。デジタルコヒーレント受信機200は、コヒーレントレシーバ210、ADコンバータ220、デジタル信号処理装置230から構成される。コヒーレントレシーバ210は、伝送路から受信する光信号とローカル光源301からのローカル光を入力し、コヒーレント検波技術により高感度電気信号に変換する。ADコンバータ220は、コヒーレントレシーバ210から出力される電気信号をデジタル信号に変換する。デジタル信号処理装置230は、ADコンバータ220から出力されるデジタル信号をデジタル信号処理し、伝送路で歪んだ受信波形を補償して復調する。

0007

デジタル信号処理装置230は、等化器231、位相シフト補償器232、復調器233から構成される。等化器231は入力するデジタル信号の波形歪み等化し、波形等化されたデジタル信号の位相シフトを位相シフト補償器232で補償する。復調器233は、位相シフト補償器232から出力される位相シフト補償されたデジタル信号をシンボル列として出力する。このように波形の歪みの補正簡易な構成で行うことができるため、大容量かつ高速な伝送システムが実現可能になっている。

0008

位相シフト補償器232は、例えば、累乗法を用いて位相シフトを推定し修正することができる(非特許文献2)。累乗法における位相シフトの推定範囲は、QPSK(Quadrature Phase Shift Keying )信号の場合、基準点から±π/4の範囲内に制限されるため、この範囲外となる位相シフトは推定できない。位相シフト推定値の時間連続性が保たれない現象は「サイクルスリップ」と呼ばれており、信号品質が劣化してしまう。例えば、デジタル信号にパルスノイズ的な一過性の変動が生じた場合、デジタル信号処理の誤差拡大により時間連続性が保たれなくなり、図6に示すようにサイクルスリップが生じてしまう。

0009

サイクルスリップの対策として、送信信号論理的な差動符号化を施して影響の伝搬を防止する手法などが用いられている(非特許文献3)。しかし、サイクルスリップした瞬間のビットエラーを防止することはできない。また、差動符号化したデータに1つビットエラーが生じた場合、連続した2つのビットエラーとなって差動復号されるため伝送品質が劣化してしまう。

先行技術

0010

S.J.Savory,“Digital filters for coherent optical receivers,” Optics Express, vol.16, no.2, pp.804-814, 2008
S.Tsukamoto, Y.Ishikawa, and K.Kikuchi, “Optical Homodyne Receiver Comprising Phase and Polarization Diversities with Digital Signal Processing, ”Proc. ECOC, 2006
T.Mizuochi, Y.Miyata, K.Kubo, T.Sugihara, K.Onohara and H.Yoshida,“Progress in Soft-Decision FEC,”OSA/OFC/NFOEC, NWC2, 2011

発明が解決しようとする課題

0011

位相変調信号の位相点からの位相シフトのようなデジタル信号の一過性の変動は、デジタル信号の平均化を行うことにより対策できるが、信号処理における遅延量の増大、追従性の低下等の原因となってしまう。

0012

本発明は、デジタル信号の統計解析を行うことにより、デジタル信号処理において平均化数を増加させることなく、デジタル信号の一過性の変動を抑制することができるデジタル信号処理装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0013

本発明は、デジタル信号のデジタル信号処理を行うデジタル信号処理装置において、デジタル信号から移動平均標準偏差を算出し、デジタル信号がその移動平均および標準偏差から得られる所定の範囲内にあるか否かを統計判定し、当該範囲外にあるデジタル信号を当該範囲内へ修正する統計解析手段を備える。

0014

本発明のデジタル信号処理装置において、統計解析手段は、デジタル信号を入力し、移動平均を出力する移動平均計算部と、デジタル信号と移動平均計算部から出力される移動平均を入力し、標準偏差を出力する標準偏差計算部と、デジタル信号、移動平均および標準偏差を入力し、デジタル信号に対する統計判定によりデジタル信号を修正して出力する統計判定/信号修正部とを備える。

0015

本発明のデジタル信号処理装置において、移動平均計算部は、nを3以上の整数、Lを2以上の整数としたときに、n−L番目のデジタル信号S(n-L) からn−1番目のデジタル信号S(n-1) の合計L点のデジタル信号を入力して、移動平均A(n-1) を出力し、標準偏差計算部は、n−1番目までのL点のデジタル信号と移動平均計算部から出力される移動平均A(n-1) を入力して、標準偏差σ(n-1) を出力し、統計判定/信号修正部は、n番目のデジタル信号S(n) 、移動平均計算機から出力される移動平均A(n-1) 、および標準偏差計算部から出力される標準偏差σ(n-1) を入力して、任意の正の数をxとして、デジタル信号S(n) が
A(n-1)−xσ(n-1) ≦S(n) ≦A(n-1)+xσ(n-1)
の範囲内であるか否かを判定する統計判定を行い、当該範囲内の場合はデジタル信号S(n) をそのまま出力し、当該範囲外の場合はデジタル信号S(n) を当該範囲内へ修正して出力する。

発明の効果

0016

本発明は、デジタル信号処理においてデジタル信号に対する統計判定によりデジタル信号の修正を行うことにより、デジタル信号の一過性の変動を抑制し、デジタル信号処理の安定性を向上することができる。

図面の簡単な説明

0017

本発明のデジタル信号処理装置の構成例を示す図である。
統計解析手段234の構成例を示す図である。
位相シフトを修正する統計解析手段234の処理例を示す図である。
本発明における位相シフトの時間変化例を示す図である。
デジタルコヒーレント送受信システムの構成例を示す図である。
従来構成における位相シフトの時間変化例を示す図である。

実施例

0018

図1は、本発明のデジタル信号処理装置の構成例を示す。ここでは、図5に示すデジタルコヒーレント送受信システムのデジタルコヒーレント受信機200に適用した例を示すが、このデジタルコヒーレント受信機200のデジタル信号処理装置230に限定されるものではない。また、本実施例では、位相変調信号の位相点からの位相シフトのようなデジタル信号の一過性の変動を抑制する技術について説明するが、例えば音声信号処理における一過性ノイズを抑制する等、一般的なデジタル信号処理にも同様に適用可能である。

0019

図1において、送信機100、デジタルコヒーレント受信機200、ローカル光源301、デジタルコヒーレント受信機200を構成するコヒーレントレシーバ210、ADコンバータ220およびデジタル信号処理装置230、さらにデジタル信号処理装置230を構成する等化器231、位相シフト補償器232および復調器233は、図5に示す構成と同様の機能を有する。

0020

本実施例のデジタル信号処理装置230の特徴は、位相シフト補償器232に統計解析手段234を接続し、位相変調信号の位相点からの位相シフトのようなデジタル信号の一過性の変動を抑制し、当該位相変調信号の時間連続性を担保するように構成したところにある。すなわち、位相シフト補償器232から出力される位相シフトを示すデジタル信号を統計解析手段234に入力し、統計解析手段234は後述する統計解析処理により位相シフトを無修正または修正したデジタル信号を位相シフト補償器232へ折り返す。位相シフト補償器232は、統計解析手段234から入力する位相シフトを無修正または修正したデジタル信号を用いて、等化器231から入力するデジタル信号の位相シフトを補償して復調器233に出力する。

0021

図2は、統計解析手段234の構成例を示す。
図2において、統計解析手段234は、入力するデジタル信号の移動平均を計算する移動平均計算部11と、入力するデジタル信号と移動平均から標準偏差を計算する標準偏差計算部12と、デジタル信号の移動平均および標準偏差を用いて以下に説明するデジタル信号の統計判定を行い、位相シフトを無修正または修正したデジタル信号を出力する統計判定/信号修正部13から構成される。

0022

移動平均計算部11は、nを3以上の整数、Lを2以上の整数としたときに、n−L番目のデジタル信号S(n-L) からn−1番目のデジタル信号S(n-1) の合計L点のデジタル信号を入力し、移動平均A(n-1) を計算する。

0023

標準偏差計算部12は、n−L番目からn−1番目までのL点のデジタル信号と移動平均計算部11から出力される移動平均A(n-1) を入力し、標準偏差σ(n-1) を計算する。

0024

統計判定/信号修正部13は、n番目のデジタル信号S(n) 、移動平均計算部11から出力される移動平均A(n-1) 、標準偏差計算部12から出力される標準偏差σ(n-1) を入力して、任意の正の数をxとして、デジタル信号S(n) が
A(n-1)−xσ(n-1) ≦S(n) ≦A(n-1)+xσ(n-1)
の範囲内であるか否かを判定する統計判定を行い、当該範囲内の場合はデジタル信号S(n) の位相シフトをそのまま出力し、当該範囲外の場合はデジタル信号S(n) の位相シフトを当該範囲内へ修正して出力する。

0025

ここで、x=2とした場合、上記範囲は、
A(n-1)−2σ(n-1) ≦S(n) ≦A(n-1)+2σ(n-1)
となる。例えば、デジタル信号S(n) がA(n-1)−2σ(n-1) より小さい場合は、
S(n) =A(n-1)−2σ(n-1)
に修正し、A(n-1)+2σ(n-1) より大きい場合は、
S(n) =A(n-1)+2σ(n-1)
に修正する。これにより、デジタル信号の一過性変動を除去することができる。

0026

なお、m番目までのL点のデジタル信号の移動平均A(m) および標準偏差σ(m) は、



でそれぞれ計算できる。

0027

図3は、位相シフトを修正する統計解析手段234の処理例を示す。ここでは、L=15、x=2とし、図6における 0.750μs 〜 0.765μs の範囲の統計解析手段234の処理例を示す。

0028

図3の点Bは、位相シフトの一過性の変動により、点Aの「15点の移動平均−2σ」の範囲外となっており、以降信号処理の誤差拡大により位相シフトの連続性が保たれず、サイクルスリップが生じている。この点Bを、点Aにおける「15点の移動平均±2σ」の範囲内へ上記のように修正して一過性の変動を抑制することにより、図4に示すように位相シフトの時間連続性を担保することができる。なお、図3において、点Bの後の点Cのように「15点の移動平均±2 σ」の範囲外となっている位相シフトは、点Bを点Aにおける「15点の移動平均±2σ」の範囲内へ修正することにより、「15点の移動平均±2σ」の範囲内となる。

0029

図4において、信号はBER(Bit Error Rate)= 1.9×10-3となり、サイクルスリップが生じた場合のBER= 1.4×10-2よりも信号品質が向上した。

0030

なお、本発明は、図1に示すデジタルコヒーレント受信機200のデジタル信号処理装置230において、位相シフト補償器232における位相シフトの時間変化のみならず、時間変化するデジタル信号に対するあらゆるデジタル信号処理へ適用することができる。例えば、本発明は、等化器231におけるFIRフィルタのタップ係数適応制御時における一過性変動の抑制に適用することができる。また、本発明は、音声信号処理における一過性ノイズの抑制にも適用することができる。

0031

10統計解析手段
11移動平均計算部
12標準偏差計算部
13 統計判定/信号修正部
100送信機
200デジタルコヒーレント受信機
210コヒーレントレシーバ
220ADコンバータ
230デジタル信号処理装置
231等化器
232位相シフト補償器
233復調器
234 統計解析手段
301ローカル光源

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