(57)【要約】【課題】光送信出力電力の制限のもとで情報伝送の高速化を図り得る光無線通信システムおよびこの光無線通信システムで用いられる光受信装置を提供する。【解決手段】送信信号Ｉ１〜Ｉｎを要素として配列したベクトルＩと、受光信号Ｓ１〜Ｓｍを要素として配列したベクトルＳとを、信号処理部２２における伝達係数行列Ｈを用いてＳ＝Ｈ＊Ｉなる式により互いに関係づける。また、受信信号Ｏ１〜Ｏｎを要素として配列したベクトルＯとベクトルＳとを、送信部１２から受信部２１に伝達される伝達係数行列Φを用いてＯ＝Φ＊Ｓなる式により互いに関係づける。そして、Ｏ＝Φ＊Ｈ＊Ｉなる式においてΦ＊Ｈを対角化することにより、空間を介して伝送される光信号の空間的な重なりをキャンセルし、各光信号から受信信号Ｏ１〜Ｏｎを独立して再生する。【選択図】    図２
2005006017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝送情報をｎ（ｎは２以上の自然数）系統の送信信号に分配する分配手段と、
前記ｎ系統の送信信号をそれぞれ電気／光変換してｎ系統の光信号を空間に送出する送信手段と、
前記ｎ系統の光信号を光／電気変換してｍ（ｍは２以上の自然数）系統の受光信号を生成する受光手段と、
前記ｍ系統の受光信号からｎ系統の受信信号を生成する信号処理手段と、
前記ｎ系統の受信信号から前記伝送情報を再生する再生手段と、
前記ｎ系統の送信信号を要素として配列したベクトルをＩとし、前記ｍ系統の受光信号を要素として配列したベクトルをＳとした場合にＳ＝Ｈ＊Ｉなる式によりベクトルＩおよびベクトルＳを互いに関係づける行列Ｈと、前記ｎ系統の受信信号を要素として配列したベクトルをＯとした場合にＯ＝Φ＊Ｓなる式によりベクトルＯおよび前記ベクトルＳを互いに関係づける行列Φとを定義した場合に、Ｏ＝Φ＊Ｈ＊Ｉなる式により表される前記ベクトルＯを、行列Φ＊Ｈを対角化して前記ベクトルＩから算出する演算手段とを具備することを特徴とする光無線通信システム。
【請求項２】
前記送信手段は、
前記ｎ系統の送信信号をそれぞれ電気／光変換するｎ個の光源と、
これらのｎ個の光源から出力される光信号を平行化するレンズとを備えることを特徴とする請求項１に記載の光無線通信システム。
【請求項３】
前記受光手段は、
前記空間を介して到来する前記ｎ系統の光信号を集光するレンズと、
このレンズにより集光された前記ｎ系統の光信号をそれぞれ光／電気変換するｍ個の受光素子と備えることを特徴とする請求項１に記載の光無線通信システム。
【請求項４】
送信装置と受信装置との間で光信号を空間分割多重して伝送する光無線通信システムであって、
前記送信装置は、
伝送情報をｎ（ｎは２以上の自然数）系統の送信信号に分配する分配手段と、
前記ｎ系統の送信信号をそれぞれ電気／光変換してｎ系統の光信号を空間に送出する送信手段とを備え、
前記受信装置は、
前記空間を介して到来する前記ｎ系統の光信号を光／電気変換してｍ（ｍは２以上の自然数）系統の受光信号を生成する受光手段と、
前記ｍ系統の受光信号からｎ系統の受信信号を生成する信号処理手段と、
前記ｎ系統の受信信号から前記伝送情報を再生する再生手段と、
前記ｎ系統の送信信号を要素として配列したベクトルをＩとし前記ｍ系統の受光信号を要素として配列したベクトルをＳとした場合にＳ＝Ｈ＊Ｉなる式によりベクトルＩおよびベクトルＳを互いに関係づける行列Ｈと、前記ｎ系統の受信信号を要素として配列したベクトルをＯとした場合にＯ＝Φ＊Ｓなる式によりベクトルＯおよび前記ベクトルＳを互いに関係づける行列Φとを定義した場合に、Ｏ＝Φ＊Ｈ＊Ｉなる式により表される前記ベクトルＯを、行列Φ＊Ｈを対角化して前記ベクトルＩから算出する演算手段とを備えることを特徴とする光無線通信システム。
【請求項５】
送信装置と受信装置との間で光信号を空間分割多重して伝送する光無線通信システムであって、
前記送信装置は、
伝送情報をｎ（ｎは２以上の自然数）系統の分配信号に分配する分配手段と、
前記ｎ系統の分配信号からｍ（ｍは２以上の自然数）系統の送信信号を生成する信号処理手段と、
前記ｍ系統の送信信号をそれぞれ電気／光変換してｍ系統の光信号を空間に送出する送信手段とを備え、
前記受信装置は、
前記空間を介して到来する前記ｍ系統の光信号を光／電気変換してｎ系統の受光信号を生成する受光手段と、
前記ｎ系統の受信信号から前記伝送情報を再生する再生手段と、
前記ｎ系統の分配信号を要素として配列したベクトルをＩとし前記ｍ系統の送信信号を要素として配列したベクトルをＳとした場合にＳ＝Ｈ＊Ｉなる式によりベクトルＩおよびベクトルＳを互いに関係づける行列Ｈと、前記ｎ系統の受信信号を要素として配列したベクトルをＯとした場合にＯ＝Φ＊Ｓなる式によりベクトルＯおよび前記ベクトルＳを互いに関係づける行列Φとを定義した場合に、Ｏ＝Φ＊Ｈ＊Ｉなる式により表される前記ベクトルＯを、行列Φ＊Ｈを対角化して前記ベクトルＩから算出する演算手段とを備えることを特徴とする光無線通信システム。
【請求項６】
光信号を空間分割多重して伝送する光無線通信システムに用いられ、伝送情報をｎ（ｎは２以上の自然数）系統の送信信号に分配する分配手段と、前記ｎ系統の送信信号をそれぞれ電気／光変換してｎ系統の光信号を空間に送出する送信手段とを備える光送信装置から出力される前記ｎ系統の光信号を受信する光受信装置であって、
前記ｎ系統の光信号を光／電気変換してｍ（ｍは２以上の自然数）系統の受光信号を生成する受光手段と、
前記ｍ系統の受光信号からｎ系統の受信信号を生成する信号処理手段と、
前記ｎ系統の受信信号から前記伝送情報を再生する再生手段と、
前記ｎ系統の送信信号を要素として配列したベクトルをＩとし、前記ｍ系統の受光信号を要素として配列したベクトルをＳとした場合にＳ＝Ｈ＊Ｉなる式によりベクトルＩおよびベクトルＳを互いに関係づける行列Ｈと、前記ｎ系統の受信信号を要素として配列したベクトルをＯとした場合にＯ＝Φ＊Ｓなる式によりベクトルＯおよび前記ベクトルＳを互いに関係づける行列Φとを定義した場合に、Ｏ＝Φ＊Ｈ＊Ｉなる式により表される前記ベクトルＯを、行列Φ＊Ｈを対角化して前記ベクトルＩから算出する演算手段とを具備することを特徴とする光受信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ビームにより自由空間を介して情報を伝送する光無線通信システムと、この光無線通信システムで用いられる光受信装置に関する。特に本発明は、空間分割多重技術を応用する光無線通信システムおよび光受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自由空間を介して光信号を送受信する光無線通信システム（または光無線）は、局開設免許が不要である。このため変調帯域を自由に設定することができ、大容量データを無線により高速に伝送するための有効な手段であると考えられている。また光無線は見通し通信であり、電波で問題となる盗聴が困難であるため、セキュアな通信が可能である。
【０００３】
屋内における光無線として良く知られているものに、家庭用オーディオ・ビデオ機器の制御、テレビ受像機のチャネル選択などのリモートコントロール装置がある。この種の装置に必要とされるデータ伝送速度は１Ｍｂｉｔ／ｓ以下と比較的低速であるため、送信装置から送出される光ビームの広がり角度を広くしても、受信側で十分なＳＮ比を保つことが可能である。
【０００４】
ところで、近年の光無線通信システムにおいてはデータ伝送の大容量化のニーズが有る。例えば、チューナ部と表示部とが別体である壁掛けテレビジョンにおいてチューナ部から表示部に映像データを送信するといったアプリケーションにおいては、１００Ｍｂｉｔ／ｓ程度の伝送容量が必要となる。
【０００５】
伝送容量は、受信側で確保し得るＳＮ比（Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ）に主に左右される。ＳＮ比を確保するためには受信光電力を大きくできれば良く、最も簡単な方法は光送信出力電力を大きくすることと言える。しかしながら光送信出力電力はユーザの安全を確保するために厳しく制限されており、ＩＥＣやＪＩＳなどから頒布される安全基準に、その上限が厳格に定められている。よって既存の大容量型光無線通信システムでは、送信光ビーム広がり角度を小さくして受信側での光パワー密度を稼ぐことにより高ＳＮ比を得て、伝送速度を高めるようにしている。
【０００６】
しかしながら光ビーム広がり角度を小さくすると、送信装置と受信器との間の光軸を厳密に合わせることが求められる。また、高速伝送用の光受光素子はその寄生容量を小さくする必要が有るために受光部の口径を大きくとることができない。これらのことから、光送信出力電力を抑えつつ高速大容量通信を実現するためには、送信装置から出力される光ビームの方向と光受信器の受光部の方向とを微妙に調整し、調整後の状態を保つことが要求される。
【０００７】
この要求は、特に家庭用の用途においては、達成することが困難である。例えばユーザの歩行で生じる振動により、簡単に伝送不能に陥る。光軸の自動調整機構をシステム内に盛り込むことでこのような事態に対処し得るが、構成が非常に複雑となるため、コストアップに繋がる懸念が有る。さらに、光軸合わせにシビアな精度を求められることは、送信装置および光受信器の設置位置が制限されることを意味する。このことも、家庭用の用途においては好ましくない。
【０００８】
なおこの種のシステムに関連する技術が、下記特許文献１に開示されている。この文献には、偏波多重による空間分割多重伝送方式において、複数の信号に重み付け処理を施すことによりクロスチャネル干渉を除去し、伝送の信頼性を向上させた多重偏波センシティブ検出構成が記載されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平６−７５１３８号公報（段落番号［０００７］〜［００１１］、図２）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように既存の光無線通信システムには、光送信出力電力の制限のもとでは、送信装置〜光受信器間の光軸調整の困難さ、および、コストの面の制約などから、高速かつ大容量の通信を実現することが困難であるという不具合がある。
本発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、光送信出力電力の制限のもとで情報伝送の高速化を図り得る光無線通信システムおよびこの光無線通信システムで用いられる光受信装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、伝送情報をそれぞれｎ（ｎは２以上の自然数）系統の送信信号に分配する分配手段（例えば分配処理部１１）と、前記ｎ系統の送信信号をそれぞれ電気／光変換して互いに同じ波長のｎ系統の光信号を空間に送出する送信手段（例えば送信部１２）と、前記ｎ系統の光信号を光／電気変換してｍ（ｍは２以上の自然数）系統の受光信号を生成する受光手段（例えば受信部２１）と、前記ｍ系統の受光信号からｎ系統の受信信号を生成する信号処理手段（例えば信号処理部２２）と、前記ｎ系統の受信信号から前記伝送情報を再生する再生手段（例えば再生処理部２３）と、前記ｎ系統の送信信号を要素として配列したベクトルをＩとし前記ｍ系統の受光信号を要素として配列したベクトルをＳとした場合にＳ＝Ｈ＊Ｉなる式によりベクトルＩおよびベクトルＳを互いに関係づける行列Ｈと、前記ｎ系統の受信信号を要素として配列したベクトルをＯとした場合にＯ＝Φ＊Ｓなる式によりベクトルＯおよび前記ベクトルＳを互いに関係づける行列Φとを定義した場合に、Ｏ＝Φ＊Ｈ＊Ｉなる式により表される前記ベクトルＯを、行列Φ＊Ｈを対角化して前記ベクトルＩから算出する演算手段（例えば演算処理部２４ａ）とを具備する。
【００１２】
このような手段を講じることにより、例えば１００Ｍｂｉｔ／ｓの伝送速度を持つ伝送情報は、それぞれ１０Ｍｂｉｔ／ｓの伝送速度を持つ１０（＝ｎ）系統の送信信号に分配され、それぞれ同じ波長の光信号として空間に送出される。この１０系統の光信号は、例えば１２（＝ｍ）個の受光素子を備える受光手段の各受光素子のそれぞれに到来し、各系統の光信号が混在する状態の信号が各受光素子において光電変換される。すなわち１２系統の受光信号が生成され、信号処理手段によりこれらの受光信号から１０系統の受信信号が生成される。そして、これらの受信信号から伝送情報が再生手段により再生される。
【００１３】
その際、１０系統の送信信号を要素として配列したベクトルＩと１２系統の受光信号を要素として配列したベクトルＳとをＳ＝Ｈ＊Ｉなる式により互いに関係づける行列Ｈと、１０系統の受信信号を要素として配列したベクトルＯとベクトルＳとをＯ＝Φ＊Ｓなる式により互いに関係づける行列Φとを定義すると、ベクトルＯはＯ＝Φ＊Ｈ＊Ｉなる式により表される。ベクトルＩは既知であるので、Φ＊Ｈを対角化することによりベクトルＯ、すなわち１０系統の受信信号を生成できるはずであり、この処理が演算手段により実施される。なお行列Φは送信手段から受光手段に伝達される伝達係数行列であり、行列Ｈは信号処理手段における伝達係数行列である。
【００１４】
Φ＊Ｈを対角化することにより、空間を介して伝送される１０系統の光信号の空間的な重なりがキャンセルされる。従って空間分割多重伝送が実現される。その際、各光信号のビットレートは伝送すべき伝送情報の１／ｎとなる。ｎを増やすほどに、各光信号のビットレートを自在に低下させることが可能になる。これにより、光軸合わせなどに関する諸要求を緩和しつつも信号伝送に係わるＳＮ比を向上させることが可能となる。従って、光送信出力電力の制限のもとで情報伝送の高速化を図ることが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明に関わる光無線通信システムの第１の実施の形態を示すブロック図である。このシステムは、送信装置１０と、送信装置から空間を介して送信される光信号を受信する受信装置２０と、送信装置１０および受信装置２０との間の各種制御情報の授受を仲介するデータリンク処理部３０とを備える。
【００１６】
図１において、送信装置１０に導入される伝送情報は、分配処理部１１により複数系統の送信信号に分配される。分配された各送信信号のビットレートは伝送情報のそれよりも低い。各送信信号は送信部においてそれぞれ光電変換され、互いに同じ波長の光信号として空間に送出される。
【００１７】
各光信号は受信装置の受信部２１に到来し、光／電気変換されて受光信号が生成される。受光信号は信号処理部２２に導入され、複数系統の受信信号が生成される。この受信信号は再生処理部２３に入力され、伝送情報が再生される。
【００１８】
送信装置１０において、送信制御部１３により分配処理部１１、および送信部１２に対する各種制御が実施される。また受信装置２０において、受信制御部２４により受信部２１、信号処理部２２、および再生処理部２３に対する各種制御が実施される。送信制御部１３および受信制御部２４は、データリンク処理部３０を介して互いに情報を授受し合う。
【００１９】
ところで、受信制御部２４は演算処理部２４ａを備える。演算処理部２４ａは、受信部２１からの受光信号から受信信号を分離するための係数を算出する。すなわち演算処理部２４ａは、送信部１２から受信部２１に伝達される伝達係数行列Φと、信号処理部２２における伝達係数行列Ｈとの行列積Φ＊Ｈを対角化するための行列Φの各要素を算出する。
【００２０】
図２は、図１の送信装置１０および受信装置２０の要部構成を示すブロック図である。図１の分配処理部１１により生成されるｎ（ｎは自然数）系統の送信信号Ｉ１〜Ｉｎは、それぞれ光源１０１、１０３、１０５により光信号に変換される。光源としては、ＬＥＤ（発光ダイオード）あるいはＬＤ（半導体レーザ）を使用でき、印加電流をオン／オフすることにより、論理２値の電気信号が光信号に変換される。なおＬＤはレーザ発振しきい値を有するので、適切なバイアス電流を予め流すようにする。各光源１０１、１０３、１０５から送出される光信号は、自由空間に放射される。なおレンズを用いて放射角度を小さくするようにしても良い。
【００２１】
各光信号は、受光器１０２、１０４、１０６により電気信号Ｓ１、Ｓ２、〜、Ｓｍに変換される。本実施形態では、受光器の数を、ｎよりも多い自然数であるｍ個とする。受光器１０２、１０４、１０６は、フォトダイオード、なだれ増倍フォトダイオード、あるいは、フォトコンダクターなど、光信号を電気信号に変換できるものであればどのようなものでも良い。
【００２２】
ｍ個の受光器からそれぞれ出力される受光信号Ｓ１、Ｓ２、〜、Ｓｍは、信号処理部２２に入力される。信号処理部２２は、光源の数と同数のｎ系統の受信信号Ｏ１、Ｏ２、〜、Ｏｎを出力する。
【００２３】
図２において、ｎ個の光源に入力される送信信号Ｉ１、Ｉ２、〜、Ｉｎと、ｍ個の受光器から出力される受光信号Ｓ１、Ｓ２、〜、Ｓｍとの関係は、ｈ１１〜ｈｍｎを要素とする行列Ｈを用いて次式（１）のように示すことができる。
【数１】
2005006017.tif 000003
【００２４】
式（１）の左辺のベクトルは、Ｓ１、Ｓ２、〜、Ｓｍを要素として配列したベクトルであり、これをＳで示す。右辺のベクトルは、Ｉ１、Ｉ２、〜、Ｉｎ要素として配列したベクトルであり、これをＩで示す。
【００２５】
また、信号処理部２２に入力されるｍ個の受光信号Ｓ１、Ｓ２、〜、Ｓｍと、信号処理部２２から出力されるｎ個の受信信号Ｏ１、Ｏ２、〜、Ｏｎとの関係は、φ１１〜φｎｍを要素とする行列Φを用いて次式（２）のように示すことができる。
【数２】
2005006017.tif 000004
【００２６】
式（２）の左辺のベクトルは、Ｏ１、Ｏ２、〜、Ｏｎを要素として配列したベクトルであり、これをＯで示す。
【００２７】
従って、受信信号Ｏ１、Ｏ２、〜、Ｏｎと送信信号Ｉ１、Ｉ２、〜、Ｉｎとの関係は、次式（３）で示される。
【数３】
2005006017.tif 000005
【００２８】
すなわち、Ｏ＝Φ＊Ｈ＊Ｉと書くことができる。式（３）の右辺Φ＊Ｈは、ｎ行ｎ列の正方行列となり、行列Φを適切に決めることにより対角化することが可能である。すなわち、送信部１２から受信部２１に伝達される伝達係数行列Φと、信号処理部２２における伝達係数行列Ｈとの行列積Φ＊Ｈを、行列Φの各要素φ１１〜φｎｍを適切に決めることにより対角化することができる。
【００２９】
以下に、Φを求める手順の例につき説明する。行列Φの要素φ１１〜φｎｍの値はそれぞれ制御することができる。そこで、まず、信号処理部２２の伝達行列Ｈの要素を、次式（４）に示すように、要素φｉ，ｊ＝１（ｉ＝ｊ）で、φｉ，ｊ＝０（ｉ≠ｊ）となるように設定する。また、送信側の送信信号Ｉｉ（ｉ＝１…ｎ）を、一つを残してすべてゼロになるように設定する。
【００３０】
【数４】
2005006017.tif 000006
【００３１】
式（４）においては、送信信号Ｉ１以外が全てゼロである場合を示す。式（４）から、ｈｉ，１＝Ｏｉ／Ｉ１（ｉ＝１…ｎ）を求めることができる。次に、送信信号Ｉ２以外をゼロとすることにより、ｈｉ，２＝Ｏｉ／Ｉ２（ｉ＝１…ｎ）を求めることができる。これを繰り返すことにより、最終的にｈｉ，ｊ＝Ｏｉ／Ｉｊ（ｉ＝１…ｎ，ｊ＝１…ｎ）を求めることができる。
【００３２】
次に、ｈｉ，ｊ（ｉ＝ｎ＋１…ｍ，ｊ＝１…ｎ）を求めるには、φｉ，ｊ＝１｛（ｉ＝１，ｊ＝ｎ＋１），（ｉ＝２，ｊ＝ｎ＋２）…（ｉ＝ｍ−ｎ，ｊ＝ｍ）｝、かつ、φｉ，ｊ＝０｛その他｝とし、送信信号Ｉを、一つを残してすべてゼロになるように設定すればよい。その結果、ｈｎ＋ｉ，ｊ＝Ｏｉ／Ｉｊ（ｉ＝１…ｍ−ｎ，ｊ＝１…ｎ）を得ることができる。
【００３３】
以上より、信号処理部２２の伝達行列Ｈを特定の値とし、さらに、送信信号Ｉを一つを除きゼロに設定することにより、送信装置１０から光受信部へ伝達される伝達係数行列Φの各要素を算出することができる。
【００３４】
次に、行列Φと行列Ｈとの行列積は正方行列である。従って逆行列が存在し、これを（Φ・Ｈ）−１・（Φ・Ｈ）＝Ｅと書くことができる。なお行列Ｅは単位行列である。従って、（Φ・Ｈ）−１・Φを新しくΨと書くことにより、Ψ・Ｈ＝Ｅとすることができる。すなわち、Ｏ＝Ψ・Ｈ・Ｉ＝Ｅ・Ｉであり、送信装置１０から受信装置２０に伝達される伝達係数行列Φに依存せず、各送信信号Ｉ１〜Ｉｎを完全に独立した状態で伝送することが可能となる。
行列Ψを求めるには、Φを仮に設定し、Φ・Ｈの逆行列を求める。求めた逆行列とΦとの行列積を取ることで、（Φ・Ｈ）−１・Φを求めることができる。
【００３５】
図３は、図２の構成をより詳細に示すブロック図である。図３に示されるように、送信部１２（図１）はそれぞれ送信信号Ｉ１〜Ｉ４が入力される光源２０１、２０３、２０５、２０７と、各光源ごとに設けられるレンズ２０２、２０４、２０６、２０８とを備える。各光源とレンズとの組を、投光器と称する。各レンズは各光源から出力される光信号を集束させる。
【００３６】
受信部２１は、空間を介して到来する複数系統の光信号を集光するレンズ２０９と、集積化された６個のフォトダイオード２１０、２１１、２１２、２１３、２１４、２１５とを備える。各フォトダイオードから出力される受光信号Ｓ１〜Ｓ６は信号処理部２２に入力され、４系統の受信信号Ｏ１〜Ｏ４が出力される。
【００３７】
図３において、光源２０１、２０３、２０５、２０７から出力される光信号はレンズ２０２，２０４，２０６，２０８によりその出力光ビーム広がり角を小さくされ、レンズ２０９に到達する。レンズ２０９は受信した光ビームをフォトダイオード上に集光させる。各フォトダイオード２１０、２１１、２１２，２１３、２１４、２１５の受光信号Ｓ１〜Ｓ６は、信号処理部２２に入力される。
【００３８】
図３に示すように、４個の光源から出力された光ビームは、それぞれフォトダイオード２１１、２１２、２１３、２１４により電気信号に変換される。フォトダイオード２１０、２１５上には、殆ど光信号が集光しないものとする。
【００３９】
フォトダイオード２１０、２１５に光信号が入力されない場合には、伝達係数行列Ｈを次式（５）のように記すことができる。
【数５】
2005006017.tif 000007
【００４０】
式（５）は、それぞれ４つの投光器からの光信号が、独立にフォトダイオードに入力されたという仮定に基づく。
【００４１】
次に、信号処理部２２の伝達係数行列Ｈは、式（６）に示すようにΦを設定することにより行列Φとの行列積が単位行列になることが容易に分かる。
【数６】
2005006017.tif 000008
【００４２】
行列Ｈと行列Φとの行列積を式（７）に示す。
【数７】
2005006017.tif 000009
【００４３】
式（７）に示されるように、Ｏｉ＝Ｉｉ（ｉ＝１，２，３，４）となり、信号処理部２２の処理により、送信信号Ｉ１〜Ｉ４を受信装置２０側においてそれぞれ独立して再現できることが分かる。
【００４４】
図４は、図３の受信装置２０が一方の方向（図中上方向）に傾いた状態を示す図である。図４に示すように、レンズ２０９を含む受信装置２０全体が上向きに傾いた場合を考える。この場合、レンズ２０９により絞り込まれた光ビームは、フォトダイオード２１０、２１１、２１２、２１３で受光され、フォトダイオード２１４、２１５には光が入射されない。この場合、伝達係数行列Ｈは次式（８）のように表すことができる。
【００４５】
【数８】
2005006017.tif 000010
【００４６】
すなわち、この場合も、それぞれ４つの投光器からの光信号が独立にフォトダイオードに入力されたことになる。ただし、フォトダイオードに入射する光ビームが図３に比べて一つずつずれたことが示される。
【００４７】
次に、信号処理部２２の伝達係数行列Ｈは、式（９）に示すようにΦを設定することにより行列Φとの行列積を単位行列とすることができる。
【数９】
2005006017.tif 000011
【００４８】
行列Ｈと行列Φの行列積を次式（１０）に示す。
【数１０】
2005006017.tif 000012
【００４９】
式（１０）に示されるように、Ｏｉ＝Ｉｉ（ｉ＝１，２，３，４）となり、信号処理部２２の処理により、送信信号Ｉ１〜Ｉ４を受信装置２０側においてそれぞれ独立して再現できることが分かる。また受信装置２０が上向きに傾いていても、信号処理部２２の出力Ｏｉ（ｉ＝１，２，３，４）には、受信装置２０が傾いていない場合（図３）と同じ信号が出力されることが分かる。
【００５０】
図５は、図３の受信装置が他方の方向（図中下方向）に傾いた状態を示す図である。図５に示すように、レンズ２０９を含む受信装置２０全体が下向きに傾いた場合を考える。この場合、レンズ２０９により絞り込まれた光ビームは、フォトダイオード２１２、２１３、２１４、２１５で受光され、フォトダイオード２１０、２１１には光が入射されない。この場合、伝達係数行列Ｈは次式（１１）のように表すことができる。
【００５１】
【数１１】
2005006017.tif 000013
【００５２】
すなわち、この場合も、それぞれ４つの投光器からの光信号が独立にフォトダイオードに入されたことになる。ただし、フォトダイオードに入射する光ビームが、図４から逆方向に一つずれたことを示している。
【００５３】
次に、信号処理部２２の伝達係数行列Ｈは、式（１２）に示すようにΦを設定することにより行列Φとの行列積を単位行列とすることができる。
【数１２】
2005006017.tif 000014
【００５４】
行列Ｈと行列Φとの行列積を式（１３）に示す。
【数１３】
2005006017.tif 000015
【００５５】
式（１３）に示されるように、Ｏｉ＝Ｉｉ（ｉ＝１，２，３，４）となり、信号処理部２２の処理により、送信信号Ｉ１〜Ｉ４を受信装置２０側においてそれぞれ独立して再現できることが分かる。また受信装置２０が下向きに傾いていても、信号処理部２２の出力Ｏｉ（ｉ＝１，２，３，４）には、受信装置２０が傾いていない場合（図３）と同じ信号が出力されることが分かる。
【００５６】
図３〜図５においては、送信装置１０から送出される光信号が受信装置２０のフォトダイオードにおいて独立して受信される場合が示される。このほか各フォトダイオードには、送信装置１０の複数の投光器出力が混在して入力される場合もある。このような場合でも信号処理部２２は、送信装置１０入力信号を独立して再現することができる。
【００５７】
図６は、信号処理部２２の一構成例を示す図である。図６において、受光信号Ｓ１〜Ｓ６はそれぞれ４系統に分岐され、いずれも乗算器３０１により行列Φの要素φｉｊ（ｉ＝１…４，ｊ＝１…６）と個別に乗算されたのち、系統ごとに加算器３０２により互いに加算される。このような構成により行列演算が実施される。
【００５８】
このように本実施形態では、送信信号Ｉ１〜Ｉｎを要素として配列したベクトルＩと、受光信号Ｓ１〜Ｓｍを要素として配列したベクトルＳとを、信号処理部２２における伝達係数行列Ｈを用いてＳ＝Ｈ＊Ｉなる式により互いに関係づける。また、受信信号Ｏ１〜Ｏｎを要素として配列したベクトルＯとベクトルＳとを、送信部１２から受信部２１に伝達される伝達係数行列Φを用いてＯ＝Φ＊Ｓなる式により互いに関係づける。そして、Ｏ＝Φ＊Ｈ＊Ｉなる式においてΦ＊Ｈを対角化することにより、空間を介して伝送される光信号の空間的な重なりをキャンセルし、各光信号から受信信号Ｏ１〜Ｏｎを独立して再生するようにしている。
【００５９】
このようにしたので、受信装置２０側において伝送信号を完全に再生することができ、しかも、伝送信号を分配した光信号のビットレートをもとの伝送信号よりも遅くすることができる。従って、伝送すべき伝送情報のビットレートが比較的高速であっても、送信ビームの広がり角度を大きくすることができるとともに、受信装置２０の方向精度を緩和することが可能となる。すなわち、高速信号を複数の光源を用いて並列に伝送することにより光ビーム１本あたりの伝送データ速度を低速とし、所定の受信ＳＮ比を得る受光電力を下げることができ、これにより送信装置１０からの出力ビーム広がりを大きくすることができる。従って、光送信出力電力の制限のもとで情報伝送の高速化を図り得る光無線通信システムおよびこの光無線通信システムで用いられる光受信装置を提供することができる。
【００６０】
（第２の実施形態）
図７は、本発明に関わる光無線通信システムの第２の実施の形態における要部構成を示すブロック図である。図７においては、信号処理部２２が送信装置１０側に設置される。図７において、ｎ系統の送信信号Ｉ１〜Ｉｎは信号処理部２２に入力され、ｍ系統の送信信号Ｓ１〜Ｓｍが生成される。各送信信号Ｓ１〜Ｓｍは、それぞれ光源４０２，４０４，４０６により光信号に変換される。各光源４０２，４０４，４０６から送出される光信号は、自由空間に放射されたのちｎ個の受光器４０３、４０５、４０７に到達し、受光信号Ｏ１、Ｏ２、〜、Ｏｎに変換される。
【００６１】
図７において、送信信号Ｓ１、Ｓ２、〜、Ｓｍと、受光信号Ｏ１、Ｏ２、〜、Ｏｎとの関係は次式（１４）のように示すことができる。
【数１４】
2005006017.tif 000016
【００６２】
また、信号処理部２２に関わるｎ個の送信信号Ｉ１、Ｉ２、〜、Ｉｎと、ｍ個の送信信号Ｓ１、Ｓ２、〜、Ｓｍとの関係とから、受信装置２０における出力信号Ｏ１、Ｏ２、〜、Ｏｎと送信装置１０における入力信号Ｉ１、Ｉ２、〜、Ｉｎとの関係は、次式（１５）で示される。
【数１５】
2005006017.tif 000017
【００６３】
すなわち、第１の実施形態と同様に、行列式によりＯ＝Ｈ＊Φ＊Ｉと書くことができる。式（１５）の右辺Ｈ＊Φは、ｎ行ｎ列の正方行列となり、行列Φを適切に決めることにより、Ｈ＊Φを対角化することが可能である。
【００６４】
以下に、本実施形態においてΦを求める手順の例につき説明する。行列Φの要素φ１１〜φｎｍの値はそれぞれ制御することができる。そこで、まず、信号処理部２２の伝達行列Ｈの要素を、次式（１６）に示すように、要素φｉ，ｊ＝１（ｉ＝ｊ）で、φｉ，ｊ＝０（ｉ≠ｊ）となるように設定する。また、送信側の送信信号Ｉｉ（ｉ＝１…ｎ）を、一つを残してすべてゼロになるように設定する。
【００６５】
【数１６】
2005006017.tif 000018
【００６６】
式（１６）においては、送信信号Ｉ１以外が全てゼロである場合を示す。式（１６）より、ｈｉ，１＝Ｏｉ／Ｉ１（ｉ＝１…ｎ）を求めることができる。次に、送信信号Ｉ２以外をゼロとすることにより、ｈｉ，２＝Ｏｉ／Ｉ２（ｉ＝１…ｎ）を求めることができる。これを繰り返すことにより、最終的にｈｉ，ｊ＝Ｏｉ／Ｉｊ（ｉ＝１…ｎ，ｊ＝１…ｎ）を求めることができる。
【００６７】
次に、ｈｉ，ｊ（ｉ＝１…ｎ，ｊ＝ｎ＋１…ｍ）を求めるには、φｉ，ｊ＝１｛（ｉ＝ｎ＋１，ｊ＝１），（ｉ＝ｎ＋２，ｊ＝２）…（ｉ＝ｍ，ｊ＝ｍ−ｎ）｝、かつ、φｉ，ｊ＝０｛その他｝とし、送信信号Ｉを、一つを残してすべてゼロになるように設定すればよい。その結果、ｈｉ，ｎ＋ｊ＝Ｏｉ／Ｉｊ（ｉ＝１…ｎ，ｊ＝１…ｍ−ｎ）を得ることができる。
【００６８】
以上より、信号処理部２２の伝達行列Ｈを特定の値とし、さらに、送信信号Ｉを一つを除きゼロに設定することにより、送信装置１０から光受信部へ伝達される伝達係数行列Φの各要素を算出することができる。
【００６９】
次に、行列Φと行列Ｈとの行列積は正方行列である。従って逆行列が存在し、これを（Ｈ・Φ）・（Ｈ・Φ）−１＝Ｅと書くことができる。よってΦ・（Ｈ・Φ）−１＝ξと置くと、Ｈ・ξ＝Ｅとすることができる。すなわち、Ｏ＝Ｈ・ξ・Ｉ＝Ｅ・Ｉであり、送信装置１０から受信装置２０に伝達される伝達係数行列Φに依存せず、各送信信号Ｉ１〜Ｉｎを完全に独立した状態で伝送することが可能となる。
【００７０】
行列ξを求めるには、Φを仮に設定し、Ｈ・Φの逆行列を求める。求めた逆行列とΦとの行列積を取ることで、ξ＝Φ・（Ｈ・Φ）−１から求めれば良い。
【００７１】
図８は、図７の構成をより詳細に示すブロック図である。図８に示されるように、送信信号Ｉ１、Ｉ２は信号処理部２２により処理され、送信信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が生成出力される。各送信信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、光源５０２、５０４、５０６、５０８とレンズ５０３、５０５、５０７、５０９とをそれぞれ組み合わせた投光器により光信号に変換され、送信装置１０から出力される。
【００７２】
送信装置１０から出力された光ビームはレンズ５１０により集光され、フォトダイオード５１１、５１２により受光信号Ｏ１、Ｏ２に変換される。受信装置２０における受信信号Ｏ１、Ｏ２と、送信装置１０における送信信号Ｉ１、Ｉ２との関係を式（１７）に示す。
【数１７】
2005006017.tif 000019
【００７３】
第１の実施形態と同様に、Ｈは送信装置１０から受信装置２０への伝達係数行列、Φは信号処理部２２の伝達係数行列である。式（１７）に示すようにΦを設定することにより、Ｏ１＝Ｉ１、Ｏ２＝Ｉ２が得られる。
【００７４】
図９は、図８の受信装置２０が一方の方向（図中上方向）に傾いた状態を示す図である。図９に示すように、レンズ５１０を含む受信装置２０全体が上向きに傾いた場合を考える。この場合、図８の状態から行列Ｈが変化する。しかしながらこの場合においても、式（１８）に示すように行列Φを変化させることにより、Ｏ１＝Ｉ１、Ｏ２＝Ｉ２なる結果を得られる。
【数１８】
2005006017.tif 000020
【００７５】
図１０は、図８の受信装置２０が他方の方向（図中下方向）に傾いた状態を示す図である。この場合においても、行列Ｈは図８の状態から変化する。しかしながらこの場合においても、式（１９）に示すように行列Φを変化させることにより、Ｏ１＝Ｉ１、Ｏ２＝Ｉ２なる結果を得られる。
【数１９】
2005006017.tif 000021
【００７６】
式（１７）、式（１８）、式（１９）に示すように、受信装置２０が送信装置１０からの光ビームの光軸に対して傾いていても、信号処理部２２の伝達係数行列Φを変化させることにより、受信装置２０おいて同一の受信信号を得ることができる。
【００７７】
図１１は、本実施形態に関わる信号処理部２２の構成例を示す図である。この構成においては、各送信信号Ｉ１，Ｉ２ごとに４系統のスイッチ６０１を設ける。そして、受信装置２０の傾きに応じて各スイッチ６０１を切り替えることにより、各送信信号Ｉ１，Ｉ２ごとに適用すべき伝達係数行列Φの要素φｉｊ（ｉ＝１…４，ｊ＝１…２）を変化させるようにしている。各送信信号Ｉ１，Ｉ２は各要素ごとに乗算されたのち加算器６０２において加算され、送信信号Ｓ１〜Ｓ４が得られる。なおスイッチ６０１をどのような切替状態に設定するかは、送信装置１０と受信装置２０との間でのデータリンク処理部３０（図１）を介した情報の授受により決定される。このような構成においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７８】
（第３の実施の形態）
図１２は、本発明に関わる光無線通信システムの第３の実施の形態における要部構成を示すブロック図である。図１２においては、信号処理部が送信装置１０側と受信装置２０側とに設置される。図１２において、ｎ系統の送信信号Ｉ１〜Ｉｎは信号処理部７０１に入力され、ｐ系統の送信信号Ｓ１〜Ｓｐが生成される。ここではｐをｎ以上の自然数とする。送信信号Ｓ１〜Ｓｐは光源７０２，７０４，７０６により光信号に変換される。各光源７０２，７０４，７０６から送出される光信号は、自由空間に放射されたのちｍ個の受光器７０３、７０５、７０７に到達し、受光信号Ｔ１、Ｔ２、〜、Ｔｍに変換される。ここでは、ｍをｎ以上の自然数とする。受光信号Ｔ１、Ｔ２、〜、Ｔｍは第２の信号処理部７０８に入力され、ｎ個の受信信号Ｏ１、Ｏ２、〜、Ｏｎが生成出力される。
【００７９】
図１２において、送信信号Ｓ１〜Ｓｐと受光信号Ｔ１〜Ｔｍとの関係は、式（２０）のように示すことができる。
【数２０】
2005006017.tif 000022
【００８０】
また、信号処理部７０１に入力されるｎ個の送信信号Ｉ１、Ｉ２、〜、Ｉｎと、ｐ個の出力信号とＳ１、Ｓ２、〜、Ｓｐとの関係、および、信号処理部７０８に入力される受光信号Ｔ１、Ｔ２、〜、Ｔｍとｎ個の受信信号Ｏ１、Ｏ２、〜、Ｏｎとの関係とから、受信信号Ｏ１、Ｏ２、〜、Ｏｎと、送信信号Ｉ１、Ｉ２、〜、Ｉｎとの関係は次式（２１）で示される。
【数２１】
2005006017.tif 000023
【００８１】
すなわち、行列式によりＯ＝α＊Ｈ＊β＊Ｉと書くことができる。行列αはα１１〜αｎｍを要素とする行列であり、行列βはβ１１〜βｐｎを要素とする行列である。式（２１）の右辺α＊Ｈ＊βはｎ行ｎ列の正方行列となり、行列αとβを適切に決めることにより、α＊Ｈ＊βを対角化することが可能である。ここで、行列αは第２の信号処理部７０８の伝達係数行列であり、行列βは第１の信号処理部７０１の伝達係数行列である。
【００８２】
行列βの要素が、βｉ，ｊ＝１（ｉ＝ｊ）｛ｉ＝１…ｐ，ｊ＝１…ｎ，ｐ＞＝ｎ｝の場合と、βｉ，ｊ＝０｛ｉ，ｊはその他｝の場合と、βｉ，ｊ＝１（ｉ＝ｊ＋ｐ−ｎ）｛ｉ＝ｐ−ｎ＋１…ｐ，ｊ＝１…ｎ，ｐ＞＝ｎ｝の場合と、βｉ，ｊ＝０｛ｉ，ｊはその他｝の場合とに分け、対角成分のみが１でありそれ以外の要素が０であるとすると、第１の実施の形態と同様に考えることができる。
【００８３】
第２の実施例にも記したように、送信側に配置される信号処理部は、その伝達係数行列の要素が対角成分のみ１となる場合のみを考えればよい。すなわち、送信側の第１の信号処理部７０１に入力される入力信号同士を合成すると、光信号が電力加算される。電力加算された光信号は、受信側で分離することは困難である。これは、光信号に生じる干渉を考慮しないことによる。逆に言えば、複数の光源で干渉を起こすことは避けるようにする必要がある。具体的には、複数の光源の波長をそれぞれ分離したり、ＬＥＤなどのコヒーレンシーの低い光源を使う必要がある。以下に、その具体例につき説明する。
【００８４】
図１３は、図１２の構成をより詳細に示すブロック図である。図１３に示されるように、送信信号Ｉ１、Ｉ２は信号処理部８０１により処理され、送信信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が生成出力される。各送信信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、光源８０２、８０４、８０６、８０８とレンズ８０３、８０５、８０７、８０９とをそれぞれ組み合わせた投光器により光信号に変換され、送信装置１０から出力される。
【００８５】
送信装置１０から出力された光ビームはレンズ８１０により集光され、フォトダイオード８１１、８１２、８１３、８１４により受光信号Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４に変換されて出力される。受光信号Ｔ１〜Ｔ４は信号処理部８１５により処理されて受信信号Ｏ１、Ｏ２が生成出力される。受信装置２０の受信信号Ｏ１、Ｏ２と、送信装置１０の送信信号Ｉ１、Ｉ２との関係を式（２２）に示す。
【数２２】
2005006017.tif 000024
【００８６】
式（２２）において、行列Ｈは送信装置１０から受信装置２０への伝達係数行列、行列αは第２の信号処理部８１５の伝達係数行列、βは第１の信号処理部８０１の伝達係数行列である。式（２２）に示すように、αとβとを適切に設定することにより、Ｏ１＝Ｉ１、Ｏ２＝Ｉ２が得られる。
【００８７】
図１４は、図１３の受信装置２０が一方の方向（図中上方向）に傾いた状態を示す図である。この場合、図１３の状態から行列Ｈが変化する。しかしながらこの場合においても、式（２３）に示すように行列αを変化させることにより、Ｏ１＝Ｉ１、Ｏ２＝Ｉ２なる結果を得られる。
【００８８】
【数２３】
2005006017.tif 000025
【００８９】
一方、式（２４）に示すように、行列αは変化させずに行列βを変化させることにより、Ｏ１＝Ｉ１、Ｏ２＝Ｉ２なる関係を得ることも可能である。
【００９０】
【数２４】
2005006017.tif 000026
【００９１】
図１５は、図１３の受信装置２０が他方の方向（図中下方向）に傾いた状態を示す図である。この場合においても、式（２３）または式（２４）に示すように行列αまたは行列βを変化させることにより、Ｏ１＝Ｉ１、Ｏ２＝Ｉ２なる結果を得ることができる。
【００９２】
以上のように本実施形態においても、式（２２）、式（２３）、式（２４）に示されるように各信号処理部の伝達係数行列を変化させることにより、受信装置２０において同一の受信結果を得ることができる。従って本実施形態においても第１および第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００９３】
なお本発明は、上記第１〜第３の実施形態そのままに限定されるものではない。例えば上記各実施形態においては、光源とレンズとを組み合わせたものを投光器とした。すなわち光源ごとに個別にレンズ用意したが、これに代えて、複数の光源からの光ビームを一つのレンズにより集束させるようにしても良い。また、受信装置２０において一つのレンズと複数の受光器の構成を示したが、複数のレンズと複数の受光器により受信装置２０を構成することも可能である。さらに信号処理部の例として乗算器と加算器とを備える構成を記したが、これに代えて、例えばディジタル処理を用いるなどの種々の変形例が考えられる。
【００９４】
また本発明は、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００９５】
【発明の効果】
以上詳しく述べたように本発明によれば、光送信出力電力の制限のもとで情報伝送の高速化を図り得る光無線通信システムおよびこの光無線通信システムで用いられる光受信装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関わる光無線通信システムの第１の実施の形態を示すブロック図。
【図２】図１の送信装置１０および受信装置２０の要部構成を示すブロック図。
【図３】図２の構成をより詳細に示すブロック図。
【図４】図３の受信装置が一方の方向（図中上方向）に傾いた状態を示す図。
【図５】図３の受信装置が他方の方向（図中下方向）に傾いた状態を示す図。
【図６】信号処理部２２の一構成例を示す図。
【図７】本発明に関わる光無線通信システムの第２の実施の形態における要部構成を示すブロック図。
【図８】図７の構成をより詳細に示すブロック図。
【図９】図８の受信装置２０が一方の方向（図中上方向）に傾いた状態を示す図。
【図１０】図８の受信装置２０が他方の方向（図中下方向）に傾いた状態を示す図。
【図１１】信号処理部２２の他の構成例を示す図。
【図１２】本発明に関わる光無線通信システムの第３の実施の形態における要部構成を示すブロック図。
【図１３】図１２の構成をより詳細に示すブロック図。
【図１４】図１３の受信装置２０が一方の方向（図中上方向）に傾いた状態を示す図。
【図１５】図１３の受信装置２０が他方の方向（図中下方向）に傾いた状態を示す図。
【符号の説明】
１０…送信装置、１１…分配処理部、１２…送信部、１３…送信制御部、２０…受信装置、２１…受信部、２２…信号処理部、２３…再生処理部、２４…受信制御部、２４ａ…演算処理部、３０…データリンク処理部、１００…送信装置、１０１，１０３…光源、１０２，１０４…受光器、２０１，２０３…光源、２０２，２０４，２０９…レンズ、２１０〜２１５…フォトダイオード、３０１…乗算器、３０２…加算器、４０２，４０４…光源、４０３，４０５…受光器、５０２，５０４…光源、５０３，５０５，５１０…レンズ、５１１，５１２…フォトダイオード、６０１…スイッチ、６０２…加算器、７０１…第１の信号処理部、７０２，７０４…光源、７０３，７０５…受光器、７０８…第２の信号処理部、８０１…第１の信号処理部、８０２，８０４…光源、８０３，８０５，８１０…レンズ、８１１，８１２…フォトダイオード、８１５…第２の信号処理部
【図１】
2005006017.tif 000027
【図２】
2005006017.tif 000028
【図３】
2005006017.tif 000029
【図４】
2005006017.tif 000030
【図５】
2005006017.tif 000031
【図６】
2005006017.tif 000032
【図７】
2005006017.tif 000033
【図８】
2005006017.tif 000034
【図９】
2005006017.tif 000035
【図１０】
2005006017.tif 000036
【図１１】
2005006017.tif 000037
【図１２】
2005006017.tif 000038
【図１３】
2005006017.tif 000039
【図１４】
2005006017.tif 000040
【図１５】
2005006017.tif 000041