(57)【要約】【課題】光ヘテロダイン受信機におけるノイズを効果的に低減または除去するための手段を提供する。【解決手段】カルマンフィルタを使用して、ＦＩＲフィルタの係数を推定し、平衡光ヘテロダイン受信機とそれに関連する受信機構成におけるノイズ除去を最適化する。カルマンフィルタは、静的にも動的にも使用される。【選択図】図２
2004069696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　光ヘテロダイン受信機システム（例えば９００）であって、
　第１及び第２の光入力を受信し、前記第１及び第２の光入力に応答して、それぞれ第１及び第２の電気的出力を出力する平衡光受信機（例えば２１０）と、
　前記平衡光受信機（例えば２１０）に結合され、前記第２の電気的出力に実質的に等しい、フィルタ処理された第１の電気的出力を出力可能な第１のＦＩＲフィルタ（例えば２５５）
とを備える、光ヘテロダイン受信機システム。
【請求項２】
　前記第１及び第２の電気的出力は、それぞれ、強度雑音を有する、請求項１記載の光ヘテロダイン受信機システム。
【請求項３】
　カルマンフィルタ（例えば２５０）を使用して、前記強度雑音に基づいて前記第１のＦＩＲフィルタ（例えば２５５）の係数値を推定する、請求項２記載の光ヘテロダイン受信機システム。
【請求項４】
　前記フィルタ処理された第１の電気的出力と前記第２の電気的出力は、それぞれ、前記強度雑音及びヘテロダイン信号を有する、請求項１記載の光ヘテロダイン受信機システム。
【請求項５】
　第２のＦＩＲフィルタ（例えば１０８０）が、前記フィルタ処理された第１の電気的出力を受信するために、前記第１のＦＩＲフィルタに選択的に結合されるようイネーブルにされる、請求項４記載の光ヘテロダイン受信機システム。
【請求項６】
　動的カルマンフィルタ（例えば１０７６）が、前記強度雑音及びヘテロダイン信号に基づいて前記第２のＦＩＲフィルタ（例えば１０８０）の単一係数値を推定するようイネーブルにされる、請求項５記載の光ヘテロダイン受信機システム。
【請求項７】
　前記単一係数値を使用して、前記第２のＦＩＲフィルタ（例えば１０８０）を前記第１のＦＩＲフィルタ（例えば１０５５）にいつ結合するかを決定する、請求項６記載の光ヘテロダイン受信機システム。
【請求項８】
　前記第１のＦＩＲフィルタ（７８０）は、前記平衡受信機（７１０）に選択的に結合されるようイネーブルにされる動的ＦＩＲフィルタである、請求項１記載の光ヘテロダイン受信機システム。
【請求項９】
　前記フィルタ処理された第１の電気的出力と前記第２の電気的出力の差を計算して、前記強度雑音をキャンセルするための減算ユニット（９７５）を更に備える、請求項４記載の光ヘテロダイン受信機システム。
【請求項１０】
　前記減算ユニット（９７５）に結合された信号処理ユニット（９８８）を更に備える、請求項９記載の光ヘテロダイン受信機システム。
【請求項１１】
　前記信号処理ユニット（９８８）は光スペクトル分析器を備える、請求項１０記載の光ヘテロダイン受信機システム。
【請求項１２】
　光ヘテロダイン受信機システム（１１００）であって、
　第１の光入力を受信するためにイネーブルにされる光コンバイナ（１１１５）と、
　前記光コンバイナ（１１１５）に結合されて、前記第１の光入力の第１の部分に応答して第１の電気的出力を出力するためにイネーブルにされる第１の光受信機と、
　前記光コンバイナ（１１１５）に結合されて、前記第１の光入力の第２の部分に応答して第２の電気的出力を出力するためにイネーブルにされる第２の光受信機と、
　前記光コンバイナ（１１１５）に結合されて、前記第１の光入力の第３の部分に応答して第３の電気的出力を出力するためにイネーブルにされる第３の光受信機と、
　前記第２の光受信機に結合されて、前記第１の電気的出力と実質的に等しいフィルタ処理された第２の電気的出力を出力するためにイネーブルにされる第１のＦＩＲフィルタ（１１５５）と、
　前記第３の光受信機に結合されて、前記第２の電気的出力と実質的に等しいフィルタ処理された第３の電気的出力を出力するためにイネーブルにされる第２のＦＩＲフィルタ（１１６０）
とを備える、光ヘテロダイン受信機システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、一般に、光ヘテロダインスペクトル分析器の受信機に適用する光ヘテロダイン受信機における光強度雑音の低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
　光ヘテロダイン受信機の信号対雑音比は、ヘテロダイン信号を倍加すると共に強度雑音（または強度ノイズ。以下同じ）の減算が可能な平衡受信機を使用することによって改善することができる。本明細書において説明する強度雑音には、局部発信器（ＬＯ）のスペクトル成分又は計測信号の混合による伝統的な強度雑音と、情報を伝送するための手段として意図的に導入された光信号の強度変調によるものの両方が含まれている。ヘテロダイン光スペクトル分析器の受信機においては、計測量がヘテロダインビート信号に含まれている光スペクトルであるため、同一周波数範囲に表れる強度雑音とヘテロダインビート信号を区別しなければならない。
【０００３】
　図１は、カプラー／コンバイナ１１５の出力において使用されている２つのフォトダイオード１０５及び１１０を有する平衡受信機１０１を示している。試験対象のレーザー（図示されていない）の強度雑音は分割され、同一位相で両方のフォトダイオード１０５及び１１０に表れるが、この強度雑音は、試験対象のレーザーの特性（スペクトル成分の混合によるランダムな変調）、または強度変調の結果（情報を伝送するべく導入された変調）である可能性がある。同様に、局部発信器の強度雑音（ランダムな変調）も分割され、同一位相で両方のフォトダイオード１０５及び１１０に表れる。ヘテロダイン信号は、試験対象のレーザーと局部発信器（図示されていない）の周波数差ωｏ−ωｓにおける混合の結果生成されるものであり、カプラー／コンバイナ１１５において交差結合波に作用する位相シフトのために、検出器１０５及び１１０に入射するヘテロダイン信号の位相はずれる。スペクトルに関する情報はヘテロダイン信号に含まれているため、強度雑音項を抑制するのが有利であり、これは、フォトダイオード１１０が受信した信号からフォトダイオード１０５が受信した信号を減算することによって実行することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
　減算を行えば、理論的にはフォトダイオード１０５及び１１０において反対の位相を有するヘテロダイン信号を倍加すると共に強度雑音項をキャンセルする（除去する）ことができる。しかしながら、実際には、カプラー／コンバイナ１１５の分割比が５０：５０ではなく、且つフォトダイオード１０５及び１１０の応答が２つの信号経路に関連するその他の側面と共に完全に同一のものにはなっていないため、雑音を完全にキャンセルすることができない。更に、フォトダイオード１０５及び１１０から出力される電気信号は、振幅及び位相応答が完全に同一のものにはなっていないプリアンプ１３０及び１３５によって増幅される。従って、プリアンプ１３０及び１３５から出力される電気信号を調整し、経路差を補償して強度雑音の減算効果を改善することが望ましく、更には、波長、偏波状態、及びその他の変化によるシステム内のドリフトを補償することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
　再帰型カルマンフィルタは、適応可能な較正方法と動的な調節を提供するフィルタである。カルマンフィルタを使用すれば、強度雑音の直接サンプリングに基づき、光ヘテロダイン平衡受信機システムにおける強度雑音の減算を較正することができる。強度雑音とヘテロダイン信号は、通常、周波数帯がオーバーラップしているため、ヘテロダイン信号を正確に計測するには強度雑音を除去することが望ましい。
【０００６】
　本発明によれば、動作波長、偏波状態、又は電子機器のドリフトなどの計測システムの変化に対する動的な補償を実行することができる。光信号の特性が時間と共に変化したり、または、光ヘテロダインスペクトル分析器の単一掃引内などでの光信号間で光信号の特性が変化する（これは、複数のＤＷＤＭチャネルが異なる偏波状態及び異なる光周波数を有している場合に生じることがある）ときに強度雑音の減算が動的に調節される。
【発明の効果】
【０００７】
　本発明によれば、光ヘテロダイン受信機におけるノイズを効果的に低減または除去することができる。
【実施例】
【０００８】
　図２は、本発明による平衡受信機２１０の１実施形態を示している。この平衡受信機２１０においては、カプラー／コンバイナ２１５の分割比とフォトダイオード２２０及び２２５並びにプリアンプ２３０及び２３５の異なる応答性による不平衡を較正し、雑音の減算を最適化する必要がある。強度雑音を含む試験対象のレーザー（図示されていない）からの光入力ｅｓは、カプラー／コンバイナ２１５を介してフォトダイオード２２０及び２２５に分配され、これらのフォトダイオードにおいて強度雑音が電気的出力に変換された後に、それぞれプリアンプ２３０及びプリアンプ２３５に供給される。そして、この強度雑音ｉｓは増幅され、平衡受信機の両方のチャネル上に現れる。強度雑音をキャンセルするための減算を最適化するには、それぞれのチャネルにおける電気的出力ｘ（ｔ）及びｙ（ｔ）に含まれる強度雑音を等しくする必要がある。実質的にｙ（ｔ）をｘ（ｔ）と等しくするべく、サンプリングした強度雑音ｙｋをフィルタ係数ｇｋを有するＦＩＲフィルタ２５５によってフィルタ処理する。このＦＩＲフィルタ２５５は、カルマンフィルタ２５０を用いて、係数ｇｋを推定することができる。これらのカルマンフィルタ２５０及びＦＩＲフィルタ２５５は、ハードウェア又はソフトウェアによって実施可能であり、例えば、カルマンフィルタ２５０をソフトウェアで実施する場合には、カルマンフィルタ２５０は、メモリ又はその他のコンピュータ読み取り可能媒体に格納されたコンピュータ読み取り可能命令を含む。通常、再帰型カルマンフィルタ２５０は、プロセッサを使用して以下のように実施される。
【０００９】
　ｘｋは数学的に次のように表される。
【００１０】
【数１】
2004069696.tif 000003
【００１１】
　ここで、ｋは、ｋ番目のサンプル又は推定されるＦＩＲフィルタ２５５の係数を含むベクトルＧのｋ番目の推定値を表している。ベクトルＧの要素は、雑音の影響を除き、推定値間で一定である。プロセス（処理）雑音と測定雑音をそれぞれ表す雑音の項ｗｋ及びｖｋを追加することにより、カルマンフィルタに必要なプロセス方程式に合致する次の１組の式（２）及び（３）が得られる。
【００１２】
Ｇｋ＝Ｇｋ−１＋ｗｋ　　　 （２）
【００１３】
ｘｋ＝Ｙｋ・Ｇｋ＋ｖｋ　　（３）
【００１４】
　カルマンフィルタとは、ベクトルＧｋに含まれている状態変数ｇｉ（ｋ）を効率的に計算するための（再帰型）最小二乗法ソリューションを提供する１組の数式である。式（２）及び（３）において、ベクトルＹｋは一定ではなく、スライドするデータポイントｙｋから構成されており、このタイプのプロセス方程式の定式化は、制御システムにおいては、システム識別（system identification）として知られている。１組の式（２）及び（３）についてのカルマン解は、一定のベクトルＹを有するプロセス方程式に対するものと同様の方法で得ることができる。ベクトルＧの長さは、１〜２ｎ＋１の間で変化可能であり、ｎの値が大きいほど優れた補正が提供されるが、計算オーバーヘッドが大きくなる。
【００１５】
　図３ａは、前述の式（２）及び（３）と同一のブロック３１０におけるプロセス方程式用のカルマンフィルタ２５０の実施を示している。ステップ３２０において、プロセス雑音と測定雑音をそれぞれ表す共分散行列Ｑ及びＲを定義すると共に、行列Ｐの初期条件と求めるベクトルＧの初期推定値を提供する。これらの初期条件を使用して時間ステップｋ＝１におけるＰｋ−及びＧｋ−を決定する。そして、ステップ３３０において、Ｐｋ−１とプロセス雑音共分散Ｑの値に基づいてＰｋ−の値を更新する。尚、Ｐｋ−は事前推定誤差共分散（a priori estimate error covariance）であり、Ｐｋは事後推定誤差共分散（posteriori estimate error covariance）である。ステップ３４０において、次の時間ステップＧｋ−に対して前の状態
【００１６】
【数２】
2004069696.tif 000004
【００１７】
を推定する。そして、ステップ３５０において、ｋ番目の時間ステップにおけるカルマン利得Ｋｋを次のように算出する。
【００１８】
Ｋｋ＝Ｐｋ−ＹｋＴ（ＹｋＰｋ−ＹｋＴ＋Ｒ）−１　　（４）
【００１９】
　ここで、Ｙｋはｋ番目の時間ステップにおけるサンプリングされた強度雑音ベクトルであり（式（１）を参照）、Ｒは測定共分散である。ステップ３６０において、測定値を用いて、次の式に従ってベクトルＧによって数学的に表されるＦＩＲフィルタ２５５用の推定値を更新する。
【００２０】
【数３】
2004069696.tif 000005
【００２１】
　ここで、（ｘｋ−ＹｋＧｋ−）は残余であり、予測値ＹｋＧｋ−と実際の強度雑音測定値ｘｋの差を反映している。そして、最後にステップ３７０において、次の式に従って共分散誤差（または誤差共分散）を更新する。
【００２２】
Ｐｋ＝（Ｉ−ＫｋＹｋ）Ｐｋ−　　（６）
【００２３】
　ステップ３８０において、時間ステップｋを増分し、更新された値を入力としてステップ３３０から始まる時間と測定値の更新を繰り返す。
【００２４】
　図４のグラフ４００は、例示的な５００ＭＨｚの擬似ランダム・バイナリ・シーケンス（ＰＲＢＳ）被変調ＤＦＢレーザースペクトルのパワー（単位：ｄＢ）対波長（単位：ｎｍ）をプロットしたものである。プロット４１０は、雑音の減算を行わない（即ち、Ｇ＝０）と、スペクトルが見れないことを示している。プロット４２０は、測定スペクトルに対して１係数ＦＩＲフィルタを使用した場合の雑音減算効果を示している。プロット４３０は、測定スペクトルに対して２係数ＦＩＲフィルタを使用した場合の雑音減算効果を示している。プロット４４０は、測定スペクトルに対して４係数ＦＩＲフィルタを使用した場合の雑音減算効果を示しており、プロット４５０は、測定スペクトルに対して１６係数ＦＩＲフィルタを使用した場合の雑音減算効果を示している。１６係数ＦＩＲフィルタの場合には、この例のシステムの雑音フロア（ノイズフロア）に到達するのに十分な雑音減算が行われている。
【００２５】
　図５には、ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）を含む両方の出力チャネルの補正を伴う本発明による１実施形態が示されている。平衡受信機５１０においては、カプラー／コンバイナ５１５の分割比とフォトダイオード５２０及び５２５並びにプリアンプ５３０及び５３５の異なる応答性による不平衡を較正して強度雑音の減算を最適化しなければならない。強度雑音を含む測定対象のレーザー（図示されていない）からの光入力ｅｓは、カプラー／コンバイナ５１５を介してフォトダイオード５２０及び５２５に分配され、電気的出力に変換された後に、プリアンプ５３０及び５３５にそれぞれ供給される。強度雑音をキャンセルするための強度雑音の減算を最適化するには、電気的出力ｘ（ｔ）及びｙ（ｔ）に含まれている強度雑音を等しくする必要がある。平衡構成においては、ＦＩＲフィルタ５６５及び５６０用のフィルタ係数ａｋ及びｂｋをそれぞれ使用して両方の出力チャネルを補正することにより、強度雑音ｙ（ｔ）をｘ（ｔ）と等しくすることができる。電気的出力ｘ（ｔ）及びｙ（ｔ）に含まれる強度雑音が実質的に等しくなるよう、電気的出力ｘｋをＦＩＲフィルタ５６５によってフィルタ処理し、電気的出力ｙｋをＦＩＲフィルタ５６０によってフィルタ処理する。フィルタ係数ａｋ及びｂｋを有する適切なベクトルＧｋは、カルマンフィルタ５５０を使用して実現することができる。これらカルマンフィルタ５５０とＦＩＲフィルタ５６０及び５６５は、ハードウェア又はソフトウェアによって実施することが可能である。例えば、カルマンフィルタ５５０をソフトウェアで実施する場合には、カルマンフィルタ５５０はメモリ又はその他のコンピュータ読み取り可能媒体に格納されたコンピュータ読み取り可能命令を含み、通常、プロセッサを使用して再帰型カルマンフィルタ５５０を以下のように実施する。
【００２６】
　自己回帰移動平均（ＡＲＭＡ）モデルについてのｙｋは、数学的には次のように表される。
【００２７】
ｙｋ＝ｂ１ｙｋ−１＋ｂ２ｙｋ−２＋・・・＋ｂｎｙｋ−ｎ＋ａ０ｘｋ−１＋・・・＋ａｎｘｋ−ｎ＋ｖｋ　　（７）
【００２８】
　ここで、ｖｋは雑音項であり、ａｋ及びｂｋはＦＩＲフィルタ係数であり、ｘｋ及びｙｋはそれぞれプリアンプ５３０及びプリアンプ５３５の出力である。雑音減算問題に適用するべく式（７）を書き直すと、次のようになる。
【００２９】
【数４】
2004069696.tif 000006
【００３０】
　ベクトル表記では、次のようになる。
【００３１】
ｙｋ＝Ｈｋ・Ｇｋ　　（９）
【００３２】
　ここで、Ｈｋは次のとおりである。
【００３３】
Ｈｋ＝［ｙｋ−１，ｙｋ−２，・・・，ｙｋ−ｎ，ｘｋ，ｘｋ−１，・・・，ｘｋ−ｎ］　　（１０）
【００３４】
　又、Ｇｋは次のとおりである。
【００３５】
Ｇｋ＝［ｂ１（ｋ），ｂ２（ｋ），・・・，ｂｎ（ｋ），・・・，ａ０（ｋ），ａ１（ｋ），・・・，ａｎ（ｋ）］　　（１１）
【００３６】
　（ｋ）は、ｋ番目の推定値であり、ＦＩＲフィルタ５６５は、畳込みａ０ｘｋ＋ａ１ｘｋ−１＋・・・＋ａｎｘｋ−ｎを実施し、ＦＩＲフィルタ５６０は、畳込みｙｋ−ｂ１ｙｋ−１−ｂ２ｙｋ−２−・・・−ｂｎｙｋ−ｎを実施する。プロセス方程式とカルマンフィルタ５５０は、前述とほぼ同じように規定される。前述のｙサンプルのみを含むベクトルＹｋとは異なり、ベクトルＨｋには平衡構成におけるｘ及びｙの両方のサンプルが含まれている。
【００３７】
　図６は、ブロック６１０における以下のプロセス方程式用のカルマンフィルタ５５０の実施を示している。
【００３８】
Ｇｋ＝Ｇｋ−１＋ｗｋ　　（１２）
【００３９】
ｙｋ＝ＨｋＧｋ＋ｖｋ　　（１３）
【００４０】
　ここで、ｗｋ及びｖｋは、それぞれプロセス雑音及び測定雑音を表す雑音項である。ステップ６２０において、それぞれプロセス雑音と測定雑音を表す共分散行列Ｑ及びＲを定義すると共に、行列Ｐ用の初期条件と、求めるベクトルＧ用の初期推定値とを提供し、これらの初期条件を使用して時間ステップｋ＝１におけるＰｋ−及びＧｋ−を決定する。そして、ステップ６３０において、Ｐｋ−１の値とプロセス雑音共分散Ｑに基づいてＰｋ−の値を更新する。尚、Ｐｋ−は、事前推定誤差共分散であり、Ｐｋは事後推定誤差共分散である。ステップ６４０において、次の時間ステップＧｋ−に対して前の状態
【００４１】
【数５】
2004069696.tif 000007
【００４２】
を推定する。そして、ステップ６５０において、ｋ番目の時間ステップにおけるカルマン利得Ｋｋを次のように算出する。
【００４３】
Ｋｋ＝Ｐｋ−ＨｋＴ（ＨｋＰｋ−ＨｋＴ＋Ｒ）−１　　（１４）
【００４４】
　ここで、Ｈｋには、ｋ番目の時間ステップにおけるサンプリングされた強度雑音ベクトルｘｋ及びｙｋが含まれており（式（１０）を参照）、Ｒは測定共分散である。ステップ６６０において、測定値を用いて、次の式に従ってＦＩＲフィルタＧについての推定値を更新する。
【００４５】
【数６】
2004069696.tif 000008
【００４６】
　ここで、（ｙｋ−ＨｋＧｋ−）は残余であり、予測値ＨｋＧｋ−と実際の測定値ｙｋとの差を反映している。そして、最後にステップ６７０において、次の式に従って共分散誤差（または誤差共分散）を更新する。
【００４７】
Ｐｋ＝（Ｉ−ＫｋＨｋ）Ｐｋ−　　（１６）
【００４８】
　ステップ６８０では、時間ステップｋを増分し、更新された値を入力としてステップ６３０から始まる時間と測定値の更新を繰り返す。
【００４９】
　通常、例えば、ヘテロダイン光スペクトル分析器と共に平衡受信機を使用する場合には、局部発信器信号と、特性が解明されるレーザー信号の両方が存在する状態で強度雑音を動的に減算できることが望ましい。この動的な減算とは、ｘ又はｙに対して実行される補正を時間と共に変化させることができ、且つ、その補正に、偏波状態や波長による変化、または、単純に電気的な受信機特性の経時ドリフトによる変化を反映することを意味している。局部発信器信号とレーザー信号の両方が存在する状態においては、
【００５０】
【数７】
2004069696.tif 000009
【００５１】
及び、
【００５２】
【数８】
2004069696.tif 000010
【００５３】
であって、ここで、ｎｋは、同位相の強度雑音項であり、ｓｋは、位相のずれたヘテロダイン信号項である。動的な減算は、波長及び偏波の変化に対して適切なＦＩＲフィルタ係数を動的に推定するカルマンフィルタを備えることによって実行することができる。複数の係数を推定することにより、振幅の変化のみならず、電気的周波数に依存した振幅及び／又は位相の変化にも対処することができる（但し、計算の複雑性は増加する）。平衡受信機システムにおいて強度雑音が支配的な場合には、
【００５４】
【数９】
2004069696.tif 000011
【００５５】
であり、ヘテロダインビート信号が支配的な場合には、
【００５６】
【数１０】
2004069696.tif 000012
【００５７】
である。
【００５８】
　図７は、動的カルマンフィルタ７７０を使用して単一チャネル構成のＦＩＲフィルタ７８０用の単一係数を推定する本発明による平衡受信機システム７１０の１実施形態を示している。ＦＩＲフィルタ７８０により、光信号の特性が時間と共に変化するときに振幅を調節することができる。局部発信器からの光入力ｅｏとレーザーからの光入力ｅｓがカプラー／コンバイナ７１５に供給され、ヘテロダインビート信号と強度雑音がフォトダイオード７２０及び７２５によって受信されて電気的出力に変換される。このフォトダイオード７２０及び７２５からの電気的出力がプリアンプ７３０及び７３５によって増幅され、プリアンプ７３０及び７３５からの電気的出力（それぞれｘｋ及びｙｋ）が動的カルマンフィルタ７７０によってサンプリングされて強度雑音の減算を改善するための単一係数が推定される。これらカルマンフィルタ７７０及びＦＩＲフィルタ７８０は、ハードウェア又はソフトウェアによって実施することができる。例えば、カルマンフィルタ７７０をソフトウェアによって実施する場合には、カルマンフィルタ７７０は、メモリ又はその他のコンピュータ読み取り可能媒体に格納されたコンピュータ読み取り可能命令と、典型的には、再帰型カルマンフィルタを以下のように実施するためのプロセッサとを含む。単一係数カルマンフィルタ７７０に必要なプロセス方程式は、前述の式（１）及び（２）である。
【００５９】
　平衡受信機システム７１０において強度雑音が支配な場合には、
【００６０】
【数１１】
2004069696.tif 000013
【００６１】
で、
【００６２】
【数１２】
2004069696.tif 000014
【００６３】
であり、高い相関を示す。一方、平衡受信機システム７１０においてヘテロダインビート信号が支配的な場合には、
【００６４】
【数１３】
2004069696.tif 000015
【００６５】
で、
【００６６】
【数１４】
2004069696.tif 000016
【００６７】
であり、高い反相関を示す。従って、動的カルマンフィルタ７７０は、ＦＩＲフィルタ係数ｇｏ（ｋ）を継続的に計算して（ｋは、ｋ番目の推定値であることを意味している）雑音が支配的なスペクトル領域とヘテロダイン信号が支配的なスペクトル領域を区別し、ＦＩＲフィルタ７８０は、チャネルにおいて強度雑音が支配的なときにのみ適用される。雑音フラグ７８５は、ｇｏ（ｋ）が、通常、例えば、約０．８を超えているときに、スイッチ７７５を、ｙｋがＦＩＲフィルタ７８０を通過するように設定するために機能する。そして、超えていない場合には、ｙｋは変更されない。ヘテロダインビート信号において雑音が支配的な領域では、フィルタが作動して（すなわち、イネーブルにされて）雑音の減算が改善され、例えば、波長、偏波状態、又は電子機器のドリフトなどにおける変化が動的に補償される。
【００６８】
　本発明によれば、通常、カルマンフィルタ２５０などの第１のカルマンフィルタは、典型的には、カプラー／コンバイナ、プリアンプ、及びフォトダイオードによる不平衡に対するＦＩＲフィルタ２５５用のＦＩＲフィルタ係数を推定する。一方、単一係数カルマンフィルタ７７０などの第２のカルマンフィルタは、典型的には、波長及び偏波状態の変化によるドリフトに対する単一係数ＦＩＲフィルタ７８０用のＦＩＲフィルタ係数を動的に推定するために使用される。図９では、これを簡単なブロック図で示しているが、この図では、９５０が第１のカルマンフィルタブロックを表し、９７０が第２のカルマンフィルタブロックを表している。
【００６９】
　図８ａは、本発明の１実施形態による平衡受信機構成における非常に雑音の多い信号を示している。ｇｏ（ｋ）が１に近い場合には、測定システムは、強度雑音８１０が支配的であり、ヘテロダインビート信号８２０は、大部分、強度雑音に埋もれている。一方、図８ｂは、動的カルマンフィルタ７７０の継続的な適用の効果を示すものであり、図８ａの信号のスペクトル測定を最適化して生成された回復スペクトル８７５が示されている。
【００７０】
　波長及び偏波に関連する振幅変化の大部分を補正するのに十分な単一係数カルマンフィルタに関して動的減算の概念を説明したが、受信機の電気的帯域幅における振幅や位相の不均一な変化に対処する更に高次の補正を提供する更に複雑なＦＩＲフィルタについても、本発明に従って同様の実施が可能である。強度雑音領域の識別を、例えば、出力チャネルの中の１つを補正する構成における
【００７１】
【数１５】
2004069696.tif 000017
【００７２】
　または、両方の出力チャネルを補正する構成における
【００７３】
【数１６】
2004069696.tif 000018
【００７４】
などの、フィルタ係数の１つと結びつけることができる。
【００７５】
　図９は、光ヘテロダイン受信機システム９００を簡単なブロック図で示したものである。光入力ｅｓ及び光入力（局部発信器の信号）ｅｏが平衡受信機９１０に供給され、静的カルマンフィルタブロック９５０がカプラー／コンバイナ９１５、フォトダイオード９２０及び９２５、並びにプリアンプ９３０及び９３５における不平衡を較正及び補正するべく機能する。このカルマンフィルタブロック９５０には、静的カルマンフィルタ２５０などの静的カルマンフィルタとＦＩＲフィルタ２５５などのＦＩＲフィルタの両方が含まれている。較正は、局部発信器信号が存在しない状態で静的カルマンフィルタのみを使用して行う。波長や偏波などの入力光信号の特性が変化した場合には、動的カルマンフィルタブロック９７０によって信号の減算を調節することができる。動的カルマンフィルタブロック９７０には、動的カルマンフィルタ５５０などの動的カルマンフィルタとＦＩＲフィルタなどの単一係数ＦＩＲフィルタ５６０の両方が含まれている。尚、カルマンフィルタブロック９５０及びカルマンフィルタブロック９７０は、ハードウェアによって、またはプロセッサを使用してソフトウェアによって実施することができる。強度雑音の減算は、典型的には、例えば、信号処理ユニット９８８にヘテロダインビート信号を供給する前に、ハードウェア又はソフトウェアによる減算動作（または減算ユニット）９７５によって実行される。
【００７６】
　図１０は、本発明による別の例示的な実施形態を示している。図１０に示す実施形態は、単一受信機構成１０１０において強度雑音の減算を可能にするものである。図１０には単一出力のヘテロダイン受信機構成が示されており、強度雑音を含むレーザー（図示されていない）からの光入力は、タップ１００１においてフォトダイオード１０２０によって検出され、電気的出力に変換された後に、プリアンプ１００３に供給される。典型的には、タップ１００１は、光入力の一部をフォトダイオード１０２０に導く。レーザー（図示されていない）からの光入力ｅｓの残りの部分は、ｙ−コンバイナ１０１５に供給されてフォトダイオード１０２５によって検出され、電気的出力に変換された後に、プリアンプ１００４に供給される。タップの効率とフォトダイオード１０２０及び１０２５並びにプリアンプ１００３及び１００４の異なる応答性に起因する不平衡のため、強度雑音の減算を最適化するには、それぞれのチャネルの電気的出力ｘ（ｔ）及びｙ（ｔ）に含まれている強度雑音を較正して等しくする必要がある。尚、この較正の際には、局部発信器からの光入力ｅｏは存在しないことに留意されたい。この等化処理は、サンプリングした強度雑音ｙｋをＦＩＲフィルタ１０５５でフィルタ処理することによって実行可能である。前述のプロセス方程式（２）及び（３）に従って４ＦＩＲフィルタ係数ｇｋを決定する。静的カルマンフィルタ１０７０を使用して適切なＦＩＲフィルタ係数ｇｋを推定するが、この静的カルマンフィルタは、ＦＩＲフィルタ１０５５と共にハードウェア又はソフトウェアによって実施することができる。例えば、静的カルマンフィルタ１０７０をソフトウェアで実施する場合には、カルマンフィルタ１０７０は、メモリ又はその他のコンピュータ読み取り可能媒体に格納されたコンピュータ読み取り可能命令と再帰型カルマンフィルタを実施するためのプロセッサを含む。
【００７７】
　静的カルマンフィルタ１０７０を使用して２つのチャネルの較正と等化が完了した後に、単一係数カルマンフィルタ１０７６により、光信号の特性が時間と共に変化するときの減算調節用のＦＩＲフィルタ係数を推定する。ｘｋ及びｇｋ＊ｙｋの両方に含まれているヘテロダイン信号と強度雑音が動的カルマンフィルタ１０７６によってサンプリングされ、単一係数ＦＩＲフィルタ１０８０用のＦＩＲフィルタ係数ｇｏ（ｋ）が最適化される。単一係数ＦＩＲフィルタは振幅の調節のみを可能にするが、計算上のオーバーヘッドがほとんどないという利点を有している。静的カルマンフィルタ１０７０及び単一係数ＦＩＲフィルタ１０８０は、ハードウェア又はソフトウェアによって実施することができる。例えば、カルマンフィルタ１０７６をソフトウェアによって実施する場合には、カルマンフィルタ１０７６は、メモリ又はその他のコンピュータ読み取り可能媒体に格納されたコンピュータ読み取り可能命令と、典型的には、以下のような再帰型カルマンフィルタを実施するためのプロセッサとを含む。単一係数カルマンフィルタ１０７６に必要なプロセス方程式は、前述の式（１）及び（２）である。
【００７８】
　単一係数動的カルマンフィルタ１０７６は、ＦＩＲフィルタ係数ｇｏ（ｋ）を連続的に推定して雑音が支配的なスペクトル領域とヘテロダインビート信号が支配的なスペクトル領域を区別する。ＦＩＲフィルタ１０８０は、チャネルにおいて強度雑音が支配的なときにのみ適用される。雑音フラグ１０８５は、ｇｏ（ｋ）が、例えば、±０．２などのある許容値内で１に近づいた場合にスイッチ１０７５を、ｙｋ＊ｇｋがＦＩＲフィルタ１０８０を通過するように設定するために機能する。そうでない場合には、ｙｋ＊ｇｋは変更されない。ヘテロダインビート信号において雑音が支配的な領域では、ＦＩＲフィルタ１０８０が作動して（すなわち、イネーブルにされて）雑音の減算が改善され、例えば、波長、偏波状態、又は電子機器のドリフトにおける変化が動的に補償される。
【００７９】
　図１１は、光ヘテロダイン受信機１１００の動作の際に、３つのすべての信号がヘテロダイン信号と強度雑音の両方を含んでいる構成を示している。ヘテロダイン信号はそれぞれのフォトダイオードにおいて１２０度の位相差で分離され、強度雑音はそれぞれのフォトダイオード１１２０、１１３０、１１４０において同位相である。レーザーからの光入力ｅｓと局部発信器からの光入力ｅｏが３ｘ３カプラー／コンバイナ（または光コンバイナ）１１１５に供給される。ヘテロダイン信号と強度雑音がフォトダイオード（又は光検出器）１１２０、１１３０、及び１１４０によって検出されて電気的出力に変換され、それぞれプリアンプ１１０３、１１０４、及び１１０５を通過する。光ヘテロダイン受信機１１００の較正には光入力ｅｓのみを使用する。この結果、受信機の較正プロセスにおいては、フォトダイオード１１２０、１１３０、及び１１４０で強度雑音のみを受信することになる。強度雑音をキャンセルするための減算を最適化するには、それぞれのチャネルの電気的出力ｘ（ｔ）及びｙ（ｔ）並びにｙ（ｔ）及びｚ（ｔ）に含まれている強度雑音を等しくする必要がある。ｙ（ｔ）を実質的にｘ（ｔ）と等しくするべく、サンプリングした強度雑音ｙｋをＦＩＲフィルタ１１５５でフィルタ処理し、ｚ（ｔ）を実質的にｙ（ｔ）と等しくするべく、サンプリングした強度雑音ｚｋをＦＩＲフィルタ１１６０でフィルタ処理する。カルマンフィルタ１１７０及び１１７５を使用して適切なフィルタ係数ｇｋ及びｈｋを推定するが、これらのフィルタは、ＦＩＲフィルタ１１５５及び１１６０と共にハードウェア又はソフトウェアによって実施可能である。例えば、カルマンフィルタ１１７０及び１１７５をソフトウェアによって実施する場合には、カルマンフィルタ１１７０及び１１７５は、メモリ又はその他のコンピュータ読み取り可能媒体に格納されたコンピュータ読み取り可能命令と、再帰型カルマンフィルタ１１７０及び１１７５を実施するためのプロセッサを含む。
【００８０】
　光ヘテロダイン受信機１１００の動作中、電気的出力ｘｋ、ｙｋ、及びｚｋには強度雑音とヘテロダイン信号の両方が含まれており、動的カルマンフィルタ１１８０及び１１８５は連続的にＦＩＲフィルタ係数ｇｏ（ｋ）及びｈｏ（ｋ）を推定し、雑音が支配的なスペクトル領域とヘテロダインビート信号が支配的なスペクトル領域を区別する。補正は、チャネルにおいて強度雑音が支配的なときにのみ適用される。雑音フラグ１１８１及び１１８２は、ｇｏ（ｋ）及び／又はｈｏ（ｋ）が、例えば、±０．２などのある許容値内で１に近づいたときにスイッチ１１９２及び１１９３を、ＦＩＲフィルタ１１９０及びＦＩＲフィルタ１１９５によってフィルタ処理するためにｙｋ＊ｇｋ及びｚｋ＊ｈｋがブロック１１９０及び１１９５を通過するように設定するために機能する。そうでない場合には、ｙｋ＊ｇｋ及びｚｋ＊ｈｋは変更されない。ヘテロダインビート信号において雑音が支配的な領域では、フィルタが作動して（すなわち、イネーブルにされて）雑音の減算が改善され、例えば、波長、偏波状態、又は電子機器のドリフトなどにおける変化が動的に補償される。
【００８１】
　特定の実施形態に関連して本発明を説明したが、上述の説明から多くの代替形態、修正形態、及び変更形態が明らかとなることは当業者には明白である。従って、特許請求の範囲の思想と範囲に入るそのようなすべての他の代替、修正、及び変更形態も本発明に含まれる。
【００８２】
　本発明では、カルマンフィルタを使用して、ＦＩＲフィルタの係数を推定し、平衡光ヘテロダイン受信機とそれに関連する受信機構成におけるノイズ除去を最適化する。カルマンフィルタは、静的にも動的にも使用される。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】従来技術による平衡受信機を示す。
【図２】本発明による平衡受信機の１実施形態を示す。
【図３】本発明による、カルマンフィルタでＦＩＲフィルタの係数を推定するための処理ステップを示す。
【図４】本発明の１実施形態を使用した、５００ＭＨｚ　ＰＲＢＳ被変調ＤＦＢレーザースペクトルにおける改善効果を示す。
【図５】本発明による平衡受信機の１実施形態を示す。
【図６】本発明による、カルマンフィルタでＦＩＲフィルタの係数を推定するための処理ステップを示す。
【図７】本発明による平衡受信機の１実施形態を示す。
【図８】ａは、ある平衡受信機構成における非常に雑音の多いヘテロダイン信号を示し、ｂは、本発明の１実施形態を使用してその信号を改善した例を示す。
【図９】本発明による平衡受信機の１実施形態を示す。
【図１０】本発明による単一受信機の１実施形態を示す。
【図１１】本発明による１実施形態を示す。
【符号の説明】
【００８４】
２１０、７１０　平衡光受信機
２５０　カルマンフィルタ
２５５、７８０、１０８０、１０５５、１１６０　ＦＩＲフィルタ
９００、１１００　光ヘテロダイン受信機システム
９７５　減算ユニット
９８８　信号処理ユニット
１０７６　カルマンフィルタ
１１１５　光コンバイナ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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