JP5169913B2 - Data superimposing apparatus, communication system, and acoustic communication method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a communication system for improving reliability of data transmission without degrading voice quality of a voice signal by utilizing human auditory characteristics. <P>SOLUTION: A communication system includes a transmission device and a receiving device. The transmission device includes a data superposing device including: a voice signal input section for inputting the voice signal; a gap forming section for forming a gap section which is a time missing section in the voice signal; and a noise combining section for combining a noise signal modulated by a data code in the gap section of the voice signal, and a sounding section for sounding the voice signal in which the noise signal is combined by the data superposing device into a medium. The receiving device includes: a sound collecting section for collecting a voice signal which is transmitted through the medium; and a decoding section for decoding the data signal from the noise signal included in the voice signal collected the sound collecting section. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

信頼性の高い音響通信を実現することができるデータ重畳装置、通信システムおよび音響通信方法に関する。   The present invention relates to a data superimposing apparatus, a communication system, and an acoustic communication method capable of realizing highly reliable acoustic communication.

空気等の媒質中を伝搬する音波を用いてデータを伝達する音響通信技術として、データ信号をスペクトル拡散して拡散信号化して放音する技術が提案されている(特許文献1参照)。拡散信号は人間にとって不快なノイズにとなるため、特許文献1の技術では、拡散信号を楽音信号等の音声信号とミキシングし、且つ、拡散信号の信号レベルをマスキングしきい値以下になるように制御している。   As an acoustic communication technique for transmitting data using a sound wave propagating in a medium such as air, a technique has been proposed in which a data signal is spectrum-spread and converted into a spread signal to emit sound (see Patent Document 1). Since the spread signal becomes unpleasant noise for human beings, in the technique of Patent Document 1, the spread signal is mixed with an audio signal such as a musical tone signal, and the signal level of the spread signal is set to be equal to or less than the masking threshold value. I have control.

国際公開第02/45286号パンフレットInternational Publication No. 02/45286 Pamphlet

しかし、上記通信方式では、拡散信号を聴衆に気づかせないようにするために、拡散信号の信号レベルを音声信号によるマスキングしきい値以下の低レベルに制御する必要があるため、受信装置で受信される拡散信号の波形が劣化し、高信頼度のデータ伝送が困難であるという問題点があった。   However, in the above communication method, in order to prevent the spread signal from being noticed by the audience, it is necessary to control the signal level of the spread signal to a level lower than the masking threshold value by the audio signal. However, there is a problem that the waveform of the spread signal deteriorates and it is difficult to transmit data with high reliability.

また、拡散信号の信号レベルをマスキングしきい値以下にしたとしても、聴衆には拡散信号(ノイズ)がミキシングされた音声信号が聞き取られるため、音声信号の音質が劣化することは否めなかった。   Further, even if the signal level of the spread signal is set to be equal to or less than the masking threshold value, it is undeniable that the sound quality of the sound signal is deteriorated because the audience can hear the sound signal in which the spread signal (noise) is mixed.

この発明は、人間の聴覚の特性を利用し、音声信号の音質を劣化させず、且つ、データ伝送の信頼度を高くすることができるデータ重畳装置、通信システムおよび音響通信方法を提供することを目的とする。   The present invention provides a data superimposing device, a communication system, and an acoustic communication method capable of utilizing the characteristics of human hearing, not deteriorating the sound quality of an audio signal, and increasing the reliability of data transmission. Objective.

この発明のデータ重畳装置は、音声信号を入力する音声信号入力部と、前記音声信号の低音域成分を取り出すローパスフィルタと、前記音声信号に時間的欠落部であるギャップ区間を形成するギャップ形成部と、前記音声信号のギャップ区間に、データ符号によって変調されたノイズ信号を合成するノイズ合成部と、前記音声信号のギャップ区間に、前記ローパスフィルタによって取り出された低音域成分をさらに合成する低音域合成部と、を備えたことを特徴とする。 The data superimposing device according to the present invention includes an audio signal input unit that inputs an audio signal, a low-pass filter that extracts a low frequency range component of the audio signal, and a gap forming unit that forms a gap section that is a temporal omission in the audio signal A noise synthesizer that synthesizes a noise signal modulated by a data code in the gap interval of the audio signal, and a low frequency range that further synthesizes the low frequency component extracted by the low-pass filter in the gap interval of the audio signal And a combining unit .

請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記ノイズ合成部は、前記ギャップ区間または前記ギャップ区間前後の前記音声信号の信号レベルに応じて、前記ノイズ信号の信号レベルを制御することを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the noise synthesizer controls the signal level of the noise signal according to the signal level of the audio signal before or after the gap section or the gap section. Features.

この発明の音響通信方法は、音声信号に時間的欠落部であるギャップ区間を形成し、このギャップ区間にデータ符号によって変調されたノイズ信号を合成するとともに、このギャップ区間に前記音声信号の低音域成分さらに合成し、この合成された音声信号を放音することを特徴とする。 According to the acoustic communication method of the present invention , a gap section which is a time missing portion is formed in a voice signal, a noise signal modulated by a data code is synthesized in the gap section, and the low frequency range of the voice signal is synthesized in the gap section. The components are further combined, and the synthesized voice signal is emitted.

請求項の発明は、上記発明において、前記ノイズ信号の信号レベルを、前記ギャップ区間または前記ギャップ区間前後の前記音声信号の信号レベルに応じて制御することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the above invention, the signal level of the noise signal is controlled according to the signal level of the audio signal before or after the gap section or the gap section.

請求項の発明は、請求項1または請求項2に記載のデータ重畳装置と、該データ重畳装置によってノイズ信号が合成された音声信号を媒質中に放音する放音部と、を備えた送信装置と、媒質中を伝搬する音声信号を収音する収音部と、該収音部が収音した音声信号に含まれるノイズ信号からデータ信号を復調する復調部と、を備えた受信装置と、からなることを特徴とする。 The invention according to claim 5 includes the data superimposing device according to claim 1 or 2 , and a sound emitting unit that emits an audio signal synthesized with a noise signal by the data superimposing device into a medium. A receiving device comprising: a transmitting device; a sound collecting unit that collects an audio signal propagating in a medium; and a demodulating unit that demodulates a data signal from a noise signal included in the audio signal collected by the sound collecting unit It is characterized by comprising.

上記の発明は、聴覚的誘導という聴覚心理学効果を用い、音声信号に形成したギャップ区間にデータ符号で変調されたノイズ信号を合成することにより、聴取者に気づかれずに音響を用いたデータ伝送を実現するものである。なお、本発明は音響通信に限定されず、アナログ音声信号の有線・無線の伝達を用いた通信やデジタル音声信号のストリーミング、ファイル転送を用いた通信にも適用が可能である。   The above invention uses the psychoacoustic effect of auditory guidance and synthesizes a noise signal modulated with a data code in a gap section formed in a speech signal, thereby transmitting data using sound without the listener's awareness. Is realized. The present invention is not limited to acoustic communication, and can also be applied to communication using wired / wireless transmission of analog audio signals, streaming of digital audio signals, and communication using file transfer.

以上のようにこの発明によれば、聴衆に気づかれないように音声信号中にデータを埋め込んで伝送する場合に、音声信号の音質を劣化させることなく信頼度の高いデータ伝送が可能になる。   As described above, according to the present invention, when data is embedded and transmitted in an audio signal so as not to be noticed by the audience, highly reliable data transmission is possible without deteriorating the sound quality of the audio signal.

この発明の実施形態である音響通信方式に用いられる音声信号および擬似ノイズ信号の例を示す図The figure which shows the example of the audio | voice signal and pseudo noise signal which are used for the acoustic communication system which is embodiment of this invention この発明の実施形態である合成部の基本構成を示すブロック図The block diagram which shows the basic composition of the synthetic | combination part which is embodiment of this invention 同合成部の各部の信号波形を示す図The figure which shows the signal waveform of each part of the composition part この発明の実施形態である音響通信システムの構成図The block diagram of the acoustic communication system which is embodiment of this invention 同音響通信システムの送信装置が備える合成部のブロック図The block diagram of the synthetic | combination part with which the transmitter of the acoustic communication system is provided 同合成部が出力する合成信号の波形を示す図The figure which shows the waveform of the synthetic signal which the synthetic | combination part outputs 前記音響通信システムの受信装置が備える復調部のブロック図The block diagram of the demodulation part with which the receiver of the said acoustic communication system is provided 同復調部の整合フィルタの構成図Configuration diagram of matched filter of demodulator 同復調部のピーク検出部の出力波形の例を示す図The figure which shows the example of the output waveform of the peak detection part of the demodulation part

≪データ通信方式の説明≫
まず、図面を参照して本発明の音響通信方式について説明する。図1(A)は本音響通信方式に用いられる音声信号の例を示す図である。また、同図(B)は、本音響通信方式に用いられる擬似ノイズ信号(擬似ノイズ信号)の例を示す図である。本実施形態では、データ符号で同図(B)の擬似ノイズ信号を変調し、この変調された擬似ノイズ信号を、同図(A)の音声信号に埋め込む。音声信号に埋め込むとは、音声信号に短時間のギャップ(時間的欠落)区間を形成し、このギャップ区間にデータ符号で変調された擬似ノイズ信号を合成することである。
≪Description of data communication system≫
First, the acoustic communication system of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A is a diagram illustrating an example of an audio signal used in this acoustic communication method. FIG. 5B is a diagram showing an example of a pseudo noise signal (pseudo noise signal) used in the present acoustic communication system. In the present embodiment, the pseudo noise signal of FIG. 5B is modulated with the data code, and the modulated pseudo noise signal is embedded in the audio signal of FIG. To embed in the audio signal is to form a short gap (temporal omission) interval in the audio signal, and to synthesize a pseudo noise signal modulated with a data code in this gap interval.

同図(A)の音声信号は、人間の可聴周波数帯域の成分を含む信号である。同図(B)の擬似ノイズ信号は、M系列(Maximal length sequence) 多項式に基づいて発生される1ビット数列の信号である。なお1ビット数列の信号は、通常1/0の値を取るが、ここではデータ符号による変調および伝搬を容易化するために1/−1の値に変換されている。   The audio signal in FIG. 3A is a signal including a component of a human audible frequency band. The pseudo noise signal in FIG. 5B is a 1-bit sequence signal generated based on an M-sequence (Maximal length sequence) polynomial. Note that a 1-bit sequence signal usually takes a value of 1/0, but here it is converted to a value of 1 / -1 in order to facilitate modulation and propagation by a data code.

なお、本実施形態では、データの変調方式として擬似ノイズ信号をデータ符号で位相変調する直接スペクトラム拡散変調方式を用いているが、変調方式はこれに限定されない。すなわち、音声信号のギャップ区間に埋め込まれる信号が、データ符号を含むノイズ信号であればよい。また、ノイズ信号は、完全にフラットな周波数特性を有するものである必要はなく、聴取者にノイズ(周波数を特定できない音)として聞こえるものであればよい。   In the present embodiment, a direct spread spectrum modulation method in which a pseudo noise signal is phase-modulated with a data code is used as a data modulation method, but the modulation method is not limited to this. That is, the signal embedded in the gap section of the audio signal may be a noise signal including a data code. Further, the noise signal does not need to have a completely flat frequency characteristic, and may be anything that can be heard as noise (a sound whose frequency cannot be specified) by the listener.

本発明の擬似ノイズ信号の埋め込みは、人間の聴覚の特性を利用したものである。ここで、本発明が利用している人間の聴覚の特性である聴覚心理学効果について説明する。通常の音声(たとえば連続的に周波数が変化する正弦波など)の途中にギャップ(時間的欠落)がある場合、聴取者には、音声が途切れて聴こえる。しかし、このギャップ区間に白色ノイズを挿入すると、聴取者には、欠落している音声が補完されて連続した音声として聴こえる。この現象は「聴覚的誘導 (auditoryinduction)」とよばれる聴覚心理学効果である。また、連続するメロディーの一部の音符をノイズに置換しても、メロディーが繋がって聴こえるという現象も報告されている。さらに、言語音声の場合でも、音声の一部が欠落しても、聴取者は、欠落部分の前後の文脈から、その欠落部分を補完して聞き取る「音韻的復元」という現象が知られている。このように、人の聴覚は、音声のうち数十ms程度の短い区間(ギャップ区間)が雑音で置き換えられていても、その前後の音声からギャップ区間の音声を復元して知覚する、すなわち、連続した音声を聴いているように錯覚することにより、音声信号にギャップ区間が存在することを知覚しない。   The embedding of the pseudo noise signal of the present invention utilizes human auditory characteristics. Here, the psychoacoustic effect which is the characteristic of human hearing utilized by the present invention will be described. When there is a gap (temporal omission) in the middle of normal sound (for example, a sine wave whose frequency changes continuously), the sound can be heard by the listener. However, if white noise is inserted into the gap section, the listener can hear the missing voice as a continuous voice with the missing voice being supplemented. This phenomenon is an auditory psychological effect called “auditoryinduction”. It has also been reported that even if some notes of a continuous melody are replaced with noise, the melody is connected and heard. Furthermore, even in the case of verbal speech, even if a part of the speech is missing, a phenomenon called “phonological restoration” is known in which the listener can listen to the missing part by complementing it from the context before and after the missing part. . In this way, even when a short interval (gap interval) of about several tens of ms is replaced with noise, human hearing perceives the audio in the gap interval by reconstructing the audio in the gap interval from that before and after that, that is, The illusion of listening to continuous speech does not perceive the existence of a gap interval in the speech signal.

本発明の音響通信方式は、この聴覚心理学効果を利用し、音声信号に時間的なギャップ区間を形成し、このギャップ区間に、データ符号で変調された白色ノイズ的な周波数特性を持つ信号(擬似ノイズ信号)を埋め込むことにより、音声を用いてデータを伝送し、且つ、聴取者には連続した音声が聴こえてデータが伝送されていることが気付かれないようにしたものである。   The acoustic communication system of the present invention uses this psychoacoustic effect to form a temporal gap section in the audio signal, and a signal having white noise frequency characteristics modulated by a data code in this gap section ( By embedding a pseudo-noise signal), data is transmitted using voice, and the listener is made aware that continuous voice is heard and data is transmitted.

≪データ重畳部の基本構成≫
図面を参照して本発明の実施形態であるデータ重畳装置の基本構成を説明する。データ重畳装置は、音声信号にギャップ区間を形成し、このギャップ区間にデータ符号で変調されたノイズ信号を埋め込む装置である。図2は同データ重畳部の基本構成を示すブロック図、図3は、同データ重畳装置の各部の信号波形を示す図である。
≪Basic configuration of data superimposition part≫
A basic configuration of a data superimposing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The data superimposing device is a device that forms a gap section in an audio signal and embeds a noise signal modulated by a data code in the gap section. FIG. 2 is a block diagram showing a basic configuration of the data superimposing unit, and FIG. 3 is a diagram showing signal waveforms of respective units of the data superimposing device.

図2において、音声信号入力部13から入力された音声信号Sは窓関数乗算部32に入力される。窓関数乗算部32には、窓関数発生部31により発生された窓関数W1が入力され、この窓関数W1が音声信号Sに乗算されることにより、音声信号Sに時間的なギャップ区間が形成される。ここで、音声信号Sは、上述した図1(A)、および、図3(A)に示すような波形の信号である。また、窓関数W1は図3(B)に示すような波形の信号である。   In FIG. 2, the audio signal S input from the audio signal input unit 13 is input to the window function multiplier 32. The window function multiplier 32 receives the window function W1 generated by the window function generator 31, and the window function W1 is multiplied by the audio signal S, thereby forming a temporal gap section in the audio signal S. Is done. Here, the audio signal S is a signal having a waveform as shown in FIG. 1 (A) and FIG. 3 (A) described above. The window function W1 is a signal having a waveform as shown in FIG.

すなわち、窓関数W1は、音声信号を通常どおりに出力する区間は“1”、音声信号にギャップを形成する区間は“0”の値をとる信号である。また、窓関数W1は、“1”の区間と“0”の区間の過渡区間にハニング窓の半波波形が用いられ、音声信号の歪みによるノイズ発生が防止されている。図3(B)では、窓関数W1の1つのギャップ区間の波形を図示しているが、窓関数W1は所定の間隔でギャップ区間が繰り返される信号である。ギャップ幅、ギャップ間隔は任意であるが、たとえば、ギャップ幅(width)17ms、ギャップ間隔(interval)1秒程度に設定される。   That is, the window function W1 is a signal that takes a value of “1” during a period in which the audio signal is output as usual, and “0” during a period in which a gap is formed in the audio signal. Further, the window function W1 uses a half-wave waveform of the Hanning window in the transitional section between “1” and “0”, thereby preventing noise generation due to distortion of the audio signal. In FIG. 3B, the waveform of one gap section of the window function W1 is shown. The window function W1 is a signal in which the gap section is repeated at a predetermined interval. The gap width and gap interval are arbitrary, but are set to, for example, a gap width (width) of 17 ms and a gap interval (interval) of about 1 second.

図3(B)の窓関数W1を同図(A)の音声信号Sに乗算することにより、窓関数乗算部32は、同図(C)のようなギャップ区間を有する音声信号を出力する。   By multiplying the audio signal S shown in FIG. 3A by the window function W1 shown in FIG. 3B, the window function multiplier 32 outputs an audio signal having a gap section as shown in FIG.

一方、擬似ノイズ信号発生部30は、図1(B)のような擬似ノイズ信号PNを発生し、発生した擬似ノイズ信号PNを変調部34に入力する。変調部34には、擬似ノイズ信号PNとともに、送信すべきデータをシリアルのビット列に変換したデータ符号Dが入力される。変調部34は、擬似ノイズ信号PNをデータ符号Dのビット列で位相制御することにより、擬似ノイズ信号PNを変調する。   On the other hand, the pseudo noise signal generation unit 30 generates a pseudo noise signal PN as shown in FIG. 1B and inputs the generated pseudo noise signal PN to the modulation unit 34. A data code D obtained by converting data to be transmitted into a serial bit string is input to the modulator 34 together with the pseudo noise signal PN. The modulation unit 34 modulates the pseudo noise signal PN by controlling the phase of the pseudo noise signal PN with the bit string of the data code D.

変調部34は、たとえば、擬似ノイズ信号発生部30が発生した擬似ノイズ信号PNおよびデータ符号Dの両方を−1/1の2値に変換し、これらを乗算する。擬似ノイズ信号PN、データ符号Dが、ともに−1/1の2値データであるため、データ符号Dが“1”であれば、擬似ノイズ信号PNはそのままの位相で出力され、データ符号Dが“−1”(ビットデータとしては“0”)であれば、擬似ノイズ信号PNは逆位相で出力される。このように、重畳されるデータ符号Dに応じて、擬似ノイズ信号PNは、0°または180°に位相変調されることになる。   For example, the modulation unit 34 converts both the pseudo noise signal PN and the data code D generated by the pseudo noise signal generation unit 30 into binary values of −1/1, and multiplies them. Since the pseudo noise signal PN and the data code D are both binary data of −1/1, if the data code D is “1”, the pseudo noise signal PN is output with the same phase, and the data code D is If it is “−1” (“0” as bit data), the pseudo noise signal PN is output in the opposite phase. As described above, the pseudo noise signal PN is phase-modulated at 0 ° or 180 ° according to the data code D to be superimposed.

この変調された擬似ノイズ信号PNMは、窓関数乗算部35に入力される。窓関数乗算部35には、窓関数発生部31から、同図(B)の窓関数W1を1から減算することにより、窓関数W1を上下反転した窓関数W2が入力される。すなわち、窓関数W2は、音声信号を通常どおりに出力する区間は“0”で、ギャップ区間のみ“1”の値をとる信号である。この窓関数W2を、変調された擬似ノイズ信号PNMに乗算することにより、窓関数乗算部35は、同図(D)のような波形の擬似ノイズ信号PNMを出力する。   The modulated pseudo noise signal PNM is input to the window function multiplier 35. The window function multiplier 35 receives the window function W2 obtained by subtracting the window function W1 from 1 by subtracting the window function W1 of FIG. In other words, the window function W2 is a signal that takes a value of “1” only in the gap section when the section in which the audio signal is output as usual is “0”. By multiplying the modulated pseudo noise signal PNM by the window function W2, the window function multiplier 35 outputs a pseudo noise signal PNM having a waveform as shown in FIG.

図3(C)のギャップ区間を有する音声信号Sおよび図3(D)の窓関数W2で制限された擬似ノイズ信号PNMはともに加算器33に入力される。加算器33は、これら音声信号S(図3(C))と擬似ノイズ信号PNM(図3(D))を加算合成することにより、同図(E)に示すような合成信号を形成する。   Both the audio signal S having the gap interval in FIG. 3C and the pseudo noise signal PNM limited by the window function W2 in FIG. 3D are input to the adder 33. The adder 33 adds and synthesizes the audio signal S (FIG. 3C) and the pseudo noise signal PNM (FIG. 3D) to form a synthesized signal as shown in FIG.

このように、音声信号Sに短いギャップ区間を形成し、このギャップ区間にデータ符号で変調された擬似ノイズ信号PNMを埋め込んだ合成信号を形成することにより、この合成信号が放音されても、聴取者には、聴覚心理学効果により、通常の楽音として聞こえ、(データ符号で変調された)ノイズが含まれていることに気づかれない。また、音声信号Sとデータ符号Dで変調された擬似ノイズ信号PNMとが時間的に分割されており、両者が同じタイミングで混ざった状態で放音されないため、音声信号Sの音質が良い上に、擬似ノイズ信号PNMの波形が崩れることがなく、高品質のデータ伝送を実現することができる。   In this way, by forming a short gap section in the audio signal S and forming a synthesized signal in which the pseudo noise signal PNM modulated with the data code is embedded in the gap section, even if this synthesized signal is emitted, The listener is unaware that due to the psychoacoustic effect, it is heard as a normal musical tone and contains noise (modulated with a data code). In addition, since the sound signal S and the pseudo noise signal PNM modulated by the data code D are divided in time, and the sound signal S is not emitted in a state where both are mixed at the same timing, the sound quality of the sound signal S is good. In addition, the waveform of the pseudo noise signal PNM does not collapse, and high-quality data transmission can be realized.

≪通信システムの説明≫
次に、上記データ通信方式が適用された音響通信システムについて説明する。図4は上記音響通信システムの構成を示す図である。この音響通信システムは、送信装置1、受信装置2で構成される。
≪Description of communication system≫
Next, an acoustic communication system to which the data communication method is applied will be described. FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the acoustic communication system. This acoustic communication system includes a transmission device 1 and a reception device 2.

送信装置1は、データ重畳部10、アナログ回路部11およびスピーカ12を有している。データ重畳部10は図2に示したデータ重畳装置を基本としてゲイン制御等の機能が付加されたものである。データ重畳部10は、DSP等のデジタル信号処理装置で構成される。   The transmission device 1 includes a data superimposing unit 10, an analog circuit unit 11, and a speaker 12. The data superimposing unit 10 is provided with a function such as gain control based on the data superimposing apparatus shown in FIG. The data superimposing unit 10 includes a digital signal processing device such as a DSP.

アナログ回路部11は、D/Aコンバータおよびオーディオアンプを含み、データ重畳部10から出力されたデジタルの合成信号をアナログ信号に変換し、増幅してスピーカ12に供給する。スピーカ12は、アナログ回路部11から入力された合成信号を音響として放音する。放音された合成信号音は空間を伝搬して受信装置2のマイク22へ到達する。   The analog circuit unit 11 includes a D / A converter and an audio amplifier. The analog circuit unit 11 converts the digital composite signal output from the data superimposing unit 10 into an analog signal, amplifies the signal, and supplies the analog signal to the speaker 12. The speaker 12 emits the synthesized signal input from the analog circuit unit 11 as sound. The emitted synthesized signal sound propagates through the space and reaches the microphone 22 of the receiving device 2.

受信装置2は、マイク22、アナログ回路部23、復調部21を有している。アナログ回路部23は、マイク22が収音した音声信号を増幅するアンプ、オーディオ信号をデジタル信号に変換するA/Dコンバータを有している。復調部21は、収音した音声信号に含まれている擬似ノイズ信号PNMを検出して、その擬似ノイズ信号PNMに重畳されているデータ符号Dを復調する回路部である。復調部21の構成および動作の詳細は後述する。   The receiving device 2 includes a microphone 22, an analog circuit unit 23, and a demodulation unit 21. The analog circuit unit 23 includes an amplifier that amplifies the audio signal picked up by the microphone 22 and an A / D converter that converts the audio signal into a digital signal. The demodulator 21 is a circuit unit that detects the pseudo noise signal PNM included in the collected audio signal and demodulates the data code D superimposed on the pseudo noise signal PNM. Details of the configuration and operation of the demodulator 21 will be described later.

≪送信装置の説明≫
図5は送信装置1のデータ重畳部10の構成を示すブロック図である。このデータ重畳部10の基本的構成は、図2に示したデータ重畳装置と同様であり、図2のデータ重畳装置にさらに以下の機能を付加したものである。
(1)音声信号Sのうち擬似ノイズ信号PNが分布しない低音域の信号成分は、ギャップ区間においても出力する。
(2)ギャップ区間で抑制する高音域の信号成分のレベルを検出し、この検出されたレベルで擬似ノイズ信号PNMのレベルを制御する。
なお本図のデータ重畳部10の構成において、図2のデータ重畳装置と同一構成の部分は同一符号を付して説明を省略する。
≪Description of transmitting device≫
FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of the data superimposing unit 10 of the transmission device 1. The basic configuration of the data superimposing unit 10 is the same as that of the data superimposing apparatus shown in FIG. 2, and the following functions are further added to the data superimposing apparatus of FIG.
(1) Of the audio signal S, the signal component in the low range where the pseudo noise signal PN is not distributed is output even in the gap section.
(2) The level of the high frequency signal component to be suppressed in the gap section is detected, and the level of the pseudo noise signal PNM is controlled based on the detected level.
In the configuration of the data superimposing unit 10 in this figure, the same components as those in the data superimposing apparatus in FIG.

音声信号入力部13から入力された音声信号Sは、窓関数乗算部32に入力されるとともに、ローパスフィルタ(LPF)42、ハイパスフィルタ(HPF)43に入力される。LPF42は、音声信号Sのうち、擬似ノイズ信号発生部30が発生する擬似ノイズ信号PNの成分が分布しない低音域成分SLを通過させるフィルタである。逆に、HPF43は、音声信号Sのうち、擬似ノイズ信号発生部30が発生する擬似ノイズ信号の成分が分布する高音域成分SHを通過させるフィルタである。   The audio signal S input from the audio signal input unit 13 is input to the window function multiplication unit 32 and also input to the low pass filter (LPF) 42 and the high pass filter (HPF) 43. The LPF 42 is a filter that allows the low sound region component SL, in which the components of the pseudo noise signal PN generated by the pseudo noise signal generator 30 to be distributed, of the audio signal S to pass through. On the other hand, the HPF 43 is a filter that passes the high-frequency component SH in which the components of the pseudo noise signal generated by the pseudo noise signal generator 30 are distributed in the audio signal S.

ここで、LPF42、HPF43のカットオフ周波数は、使用する拡散符号のチップレート、巡回周期で決定すればよい。例えば、巡回周期511ビットのM系列拡散符号の場合、同一ビットが9個を超えて連続することはない。したがって、巡回周期511ビットのM系列拡散符号列で形成された擬似ノイズ信号の最長周期は9ビット(上半波)+9ビット(下半波)=18ビットとなる。したがって、このM系列拡散符号列でチップレート44.1kHzの擬似ノイズ信号を形成すると、基音周波数は、2.45kHz(=44.1kHz÷18)となり、擬似ノイズ信号はこの基音周波数より高域側に分布する。この基音周波数をLPF42、HPF43のカットオフ周波数として採用する。   Here, the cut-off frequency of the LPF 42 and the HPF 43 may be determined by the chip rate of the spreading code to be used and the cyclic period. For example, in the case of an M-sequence spreading code having a cyclic period of 511 bits, the same bit does not continue beyond nine. Therefore, the longest period of the pseudo noise signal formed by the M-sequence spread code string having a cyclic period of 511 bits is 9 bits (upper half wave) +9 bits (lower half wave) = 18 bits. Therefore, when a pseudo-noise signal having a chip rate of 44.1 kHz is formed with this M-sequence spreading code string, the fundamental frequency becomes 2.45 kHz (= 44.1 kHz ÷ 18), and the pseudo-noise signal is higher than the fundamental frequency. Distributed. This fundamental tone frequency is adopted as the cutoff frequency of the LPF 42 and HPF 43.

LPF42を通過した音声信号Sのうち低音域の信号成分SLは、窓関数乗算部45で擬似ノイズ信号PNに乗算されるものと同じ窓関数W2が乗算される。窓関数W2によりギャップ区間のみに時間的に制限された低音域の信号成分SLは、ゲイン乗算部47に入力される。ゲイン乗算部47は低音域の信号成分SLにゲインGainLを乗算して加算器33に出力する。これにより、音声信号Sが遮断されているギャップ区間でも音声信号Sのうち低音域成分SLのみは出力され、ギャップ区間の違和感を低減することができる。   Of the audio signal S that has passed through the LPF 42, the low-frequency signal component SL is multiplied by the same window function W2 that is multiplied by the pseudo noise signal PN by the window function multiplier 45. The signal component SL in the low frequency range that is limited in time only to the gap section by the window function W2 is input to the gain multiplier 47. The gain multiplication unit 47 multiplies the low-frequency signal component SL by the gain GainL and outputs the result to the adder 33. Thereby, even in the gap section in which the audio signal S is cut off, only the low-frequency component SL in the audio signal S is output, and the sense of incongruity in the gap section can be reduced.

また、HPF43を通過した高音域成分SHは、レベル検出部44に入力される。レベル検出部44は、入力された高音域成分SHの信号レベルHLを検出する。検出された信号レベルHLは、ゲイン乗算部48においてゲインGainHが乗算されたのち、乗算器50に入力される。   The high frequency range component SH that has passed through the HPF 43 is input to the level detection unit 44. The level detection unit 44 detects the signal level HL of the input high range component SH. The detected signal level HL is multiplied by the gain GainH in the gain multiplier 48 and then input to the multiplier 50.

なお、図2において説明したように、擬似ノイズ信号発生部30は擬似ノイズ信号PNを発生し変調部34に入力する。変調部34には、さらにデータ符号Dが入力される。データ符号Dはデータ符号読出部40によって適宜読み出されて変調部34に入力される。データ符号読出部40によるデータ符号Dの読み出しは、ギャップタイミング制御部41によって制御される。   As described with reference to FIG. 2, the pseudo noise signal generation unit 30 generates the pseudo noise signal PN and inputs it to the modulation unit 34. A data code D is further input to the modulation unit 34. The data code D is appropriately read by the data code reading unit 40 and input to the modulation unit 34. Reading of the data code D by the data code reading unit 40 is controlled by the gap timing control unit 41.

ギャップタイミング制御部41は、音声信号Sに形成するギャップ区間の幅(width) および間隔(interval)を制御する。ギャップタイミング制御部41は、ギャップ区間の開始タイミングおよび終了タイミングを窓関数発生部31およびデータ符号読出部40に指示する。窓関数発生部31は、この開始タイミングおよび終了タイミングの幅の窓を有する窓関数W1,W2を発生して出力する。また、データ符号読出部40はこの開始タイミングおよび終了タイミングの間のみデータ符号Dを読み出して変調部34に入力する。   The gap timing control unit 41 controls the width and interval of the gap section formed in the audio signal S. The gap timing control unit 41 instructs the window function generating unit 31 and the data code reading unit 40 to start timing and end timing of the gap section. The window function generator 31 generates and outputs window functions W1 and W2 having a window with a width of the start timing and end timing. In addition, the data code reading unit 40 reads the data code D and inputs it to the modulation unit 34 only during the start timing and the end timing.

変調部34は、擬似ノイズ信号PNをデータ符号Dのビット列で位相制御することにより、擬似ノイズ信号PNを変調する。変調された擬似ノイズ信号PNMは、窓関数乗算部35において窓関数W2が乗算される。これにより、擬似ノイズ信号PNMは、音声信号Sのギャップ区間のみに制限される。窓関数W2でギャップ区間のみに制限された擬似ノイズ信号PNMはゲイン乗算部49においてゲインGainNが乗算され、さらに、乗算器50において、音声信号Sの高音域成分SHのレベルHLが乗算される。   The modulation unit 34 modulates the pseudo noise signal PN by controlling the phase of the pseudo noise signal PN with the bit string of the data code D. The modulated pseudo noise signal PNM is multiplied by the window function W2 in the window function multiplier 35. Thereby, the pseudo noise signal PNM is limited only to the gap section of the audio signal S. The pseudo noise signal PNM limited to the gap section only by the window function W2 is multiplied by the gain GainN in the gain multiplier 49, and further multiplied by the level HL of the high-frequency component SH of the audio signal S in the multiplier 50.

擬似ノイズ信号PNMに音声信号Sの高音域成分SHのレベルHLが乗算されることにより、擬似ノイズ信号PNMの信号レベルが、音声信号Sの高音域成分SHの信号レベルに応じて制御されることになり、音声信号Sが出力される区間とギャップ区間の音量変化が抑制されて聴感上の違和感を少なくすることができる。   By multiplying the pseudo noise signal PNM by the level HL of the high-frequency component SH of the audio signal S, the signal level of the pseudo-noise signal PNM is controlled according to the signal level of the high-frequency component SH of the audio signal S. Thus, the volume change between the section in which the audio signal S is output and the gap section is suppressed, and the sense of discomfort in hearing can be reduced.

なお、擬似ノイズ信号PNMの信号レベルの制御は、高音域成分SHに限定されず、音声信号S全帯域の音量レベルに基づいてもよい。また、信号レベルを参照する区間はギャップ区間に限定されず、ギャップ区間の直前の区間や直後の区間であってもよい。   The control of the signal level of the pseudo noise signal PNM is not limited to the high-frequency component SH, but may be based on the volume level of the entire band of the audio signal S. Further, the section that refers to the signal level is not limited to the gap section, and may be a section immediately before or after the gap section.

上記ゲインGainN,レベルHLが乗算された擬似ノイズ信号PNMが加算器33に入力される。   The pseudo noise signal PNM multiplied by the gain GainN and the level HL is input to the adder 33.

加算器33は、ギャップ区間を有する音声信号S(図3(C)参照)のギャップ区間に、変調された擬似ノイズ信号PNMおよび音声信号の低音域成分SLを埋め込むことにより、図6に示すような合成信号を形成する。図6の合成信号では、擬似ノイズ信号PNMに音声信号の高音域成分SHのレベルHLが乗算されてレベル制御されているため、擬似ノイズ信号PNMのレベルが音声信号の高音域成分SHのレベルに合わせて変動しており、聴感上の違和感が低減されている。また、ギャップ区間でも音声信号の低音域成分SLが出力されているため、擬似ノイズ信号PNMに低音域成分SLのバイアスが掛かっており、聴感上の違和感が低減されている。なお、この低音域成分SLは受信側の装置でHPFを用いることにより容易に除去することができる。   The adder 33 embeds the modulated pseudo noise signal PNM and the low-frequency component SL of the audio signal in the gap interval of the audio signal S (see FIG. 3C) having the gap interval, as shown in FIG. A simple composite signal. In the synthesized signal shown in FIG. 6, the level of the pseudo noise signal PNM is controlled by multiplying the pseudo noise signal PNM by the level HL of the high frequency range component SH of the audio signal, so that the level of the pseudo noise signal PNM becomes the level of the high frequency range component SH of the audio signal. It fluctuates together, and the sense of incongruity on hearing is reduced. In addition, since the low-frequency component SL of the audio signal is output even in the gap section, the pseudo-noise signal PNM is biased with the low-frequency component SL, which reduces the sense of discomfort in hearing. Note that this low-frequency component SL can be easily removed by using HPF in the receiving device.

なお、キャップ幅、ギャップ間隔、および、上記ゲイン乗算部47,48,49で乗算するGainL,GainH,GainNは、聴取者に違和感を感じさせない範囲の適当な値を聴感評価で決定すればよい。   For the cap width, the gap interval, and Gain L, Gain H, and Gain N multiplied by the gain multipliers 47, 48, and 49, appropriate values in a range that does not make the listener feel uncomfortable may be determined by auditory evaluation.

また、音声信号Sとして人声を用いた場合など、周波数成分が低音域に集中し、HPF43の高音域成分SHの出力レベルがほぼ0になってしまう場合がある。このような場合には、レベル検出部44が、出力値を所定値(たとえば“1”)に固定し、高音域成分SHのレベルによる制御を行わないようにすればよい。   Further, when a human voice is used as the audio signal S, the frequency component is concentrated in the low frequency range, and the output level of the high frequency range component SH of the HPF 43 may become almost zero. In such a case, the level detection unit 44 may fix the output value to a predetermined value (for example, “1”) and not perform the control based on the level of the high-frequency component SH.

≪受信装置の説明≫
図7は受信装置2に設けられている復調部21の詳細構成を示す図である。復調部21には、マイク22で収音されアナログ回路部23でデジタル信号に変換された合成信号が入力される。合成信号は、上述したように音声信号Sに変調された擬似ノイズ信号PNMが埋め込まれた信号である。復調部21は、合成信号から擬似ノイズ信号PNMを抽出して、参照信号である元の擬似ノイズ信号(符号列)PNとの相関値(ピーク値)を求め、変調信号PNMのピーク値の符号(正/負)が参照信号PNの符号(正/負)と一致するか逆かに基づいてデータ符号Dを復調する。
<< Description of receiver >>
FIG. 7 is a diagram illustrating a detailed configuration of the demodulation unit 21 provided in the receiving device 2. The demodulating unit 21 receives a composite signal collected by the microphone 22 and converted into a digital signal by the analog circuit unit 23. The synthesized signal is a signal in which the pseudo noise signal PNM modulated in the audio signal S is embedded as described above. The demodulator 21 extracts the pseudo noise signal PNM from the combined signal, obtains a correlation value (peak value) with the original pseudo noise signal (code string) PN as a reference signal, and codes the peak value of the modulation signal PNM. The data code D is demodulated based on whether (positive / negative) matches or reverses the sign (positive / negative) of the reference signal PN.

復調部21は、ハイパスフィルタ(HPF)61、波形整形部62、整合フィルタ63、ピーク検出部64および符号判定部65を備えている。以下、これら各機能部の構成および機能について説明する。   The demodulator 21 includes a high-pass filter (HPF) 61, a waveform shaping unit 62, a matched filter 63, a peak detection unit 64, and a code determination unit 65. Hereinafter, the configuration and function of each functional unit will be described.

ハイパスフィルタ(HPF)61は、受信した合成信号から擬似ノイズ信号PNMが含まれている高音域成分を抽出する機能部である。このHPF61のカットオフ周波数は、送信装置1の変調部10に使用されているHPF43のカットオフ周波数(2.45kHz)と同じに設定すればよい。   The high-pass filter (HPF) 61 is a functional unit that extracts a high-frequency component including the pseudo noise signal PNM from the received synthesized signal. The cut-off frequency of the HPF 61 may be set to be the same as the cut-off frequency (2.45 kHz) of the HPF 43 used in the modulation unit 10 of the transmission device 1.

HPF61で取り出された高音域成分の音声信号は、波形整形部62で2値信号に変換される。すなわち、デジタル化された音声信号は、たとえば8ビット(256段階)、16ビット(65536段階)の多値に量子化された信号であるが、復調対象である擬似ノイズ信号PNMは1/−1の2値信号である。この擬似ノイズ信号PNMに波形を近づけるため、HPF61で取り出された高音域成分の信号をコンパレータを用いて2値信号に変換する。この2値化されたデジタル音声信号が整合フィルタ63に入力される。   The sound signal of the high frequency range component extracted by the HPF 61 is converted into a binary signal by the waveform shaping unit 62. That is, the digitized audio signal is, for example, a signal quantized to 8 bits (256 steps) and 16 bits (65536 steps), but the pseudo noise signal PNM to be demodulated is 1 / -1. This is a binary signal. In order to approximate the waveform to the pseudo noise signal PNM, the high frequency component signal extracted by the HPF 61 is converted into a binary signal using a comparator. This binarized digital audio signal is input to the matched filter 63.

なお、図7の点線のように、波形整形部62を省略して、HPF61を通過した高音域成分の信号を直接整合フィルタ63に入力してもよい。   Note that, as indicated by the dotted line in FIG. 7, the waveform shaping unit 62 may be omitted, and the high-frequency component signal that has passed through the HPF 61 may be directly input to the matched filter 63.

整合フィルタ63は、入力されたデジタル音声信号と参照信号との相関値を検出するフィルタであり、FIRフィルタで構成される。図8に整合フィルタ63の構成例を示す。整合フィルタ63は、511段のFIRフィルタで構成されており、各段のフィルタ係数(参照信号)として、送信側の擬似ノイズ信号発生部30が発生する擬似ノイズ信号PNと同じ符号列が設定されている。なお、擬似雑音符号列は1/0のビット列であるが、整合フィルタ63のフィルタ係数は、擬似ノイズ信号PNと同様に1/−1に変換したものが設定される。これにより、入力されるデジタル音声信号中に含まれる擬似ノイズ信号PNMの成分を検出する。   The matched filter 63 is a filter that detects a correlation value between the input digital audio signal and the reference signal, and is configured by an FIR filter. FIG. 8 shows a configuration example of the matched filter 63. The matched filter 63 is composed of 511 stages of FIR filters, and the same code string as the pseudo noise signal PN generated by the pseudo noise signal generator 30 on the transmission side is set as the filter coefficient (reference signal) of each stage. ing. The pseudo-noise code string is a 1/0 bit string, but the filter coefficient of the matched filter 63 is set to 1 / -1 as with the pseudo-noise signal PN. Thereby, the component of the pseudo noise signal PNM included in the input digital audio signal is detected.

整合フィルタ63は、入力されるデジタル音声信号中に含まれる擬似ノイズ信号PNMと参照信号PNとの相関値を出力し、擬似ノイズ信号PNMの参照信号との位相が同期したとき大きい相関値(ピーク値)を出力する。変調信号PNMはデータ符号により位相変調されているため、データ符号Dが“1”のときは正のピーク値を出力し、データ符号Dが“0”のときは負のピーク値を出力する。   The matched filter 63 outputs a correlation value between the pseudo noise signal PNM and the reference signal PN included in the input digital audio signal, and has a large correlation value (peak) when the phase of the pseudo noise signal PNM is synchronized with the reference signal. Value). Since the modulation signal PNM is phase-modulated by the data code, a positive peak value is output when the data code D is “1”, and a negative peak value is output when the data code D is “0”.

図9(A)は、上記整合フィルタ63の出力波形の例を示す図であり、正のピーク値のの波形の例を示す図である。なお、HPF61の出力信号を波形整形部62を通さずに直接整合フィルタ63に入力した場合の、整合フィルタ63の出力波形は、図9(B)のような形状になる。   FIG. 9A is a diagram illustrating an example of an output waveform of the matched filter 63, and is a diagram illustrating an example of a waveform having a positive peak value. When the output signal of the HPF 61 is directly input to the matched filter 63 without passing through the waveform shaping unit 62, the output waveform of the matched filter 63 has a shape as shown in FIG.

ピーク検出部64は、整合フィルタ63が出力する相関値からピークを検出する。符号判定部47は、ピーク検出部64が検出したピーク値に基づいてデータ符号を判定し、データ符号Dを復調して出力する。これにより、送信装置1から放音された合成信号に含まれるデータ符号Dを復調することができる。   The peak detector 64 detects a peak from the correlation value output from the matched filter 63. The code determination unit 47 determines the data code based on the peak value detected by the peak detection unit 64, demodulates and outputs the data code D. Thereby, it is possible to demodulate the data code D included in the combined signal emitted from the transmission device 1.

≪尚書き≫
上記実施形態は、音声を空気中に放音して音響通信を行うシステムについて説明したが、音響を伝搬する媒質は空気に限定されない。たとえば、固体や液体を伝搬する音響通信に本発明を適用することも可能である。また、本発明は音響通信に限定されず、音声信号を電気信号として電気的または電磁的に伝搬させる有線通信・無線通信に適用することも可能である。さらに、音声信号をデジタルオーディオ信号化してストリーミング、ファイル転送する場合に適用することも可能である。
≪Read more≫
Although the said embodiment demonstrated the system which emits sound in the air and performs acoustic communication, the medium which propagates a sound is not limited to air. For example, the present invention can be applied to acoustic communication that propagates a solid or liquid. The present invention is not limited to acoustic communication, and can also be applied to wired communication / wireless communication in which an audio signal is propagated electrically or electromagnetically as an electric signal. Further, the present invention can be applied to the case where an audio signal is converted into a digital audio signal for streaming and file transfer.

また、上記実施形態では、可聴周波数帯域(サンプリングレート44.1kHz)の擬似ノイズ信号を用いているが、より高い周波数帯域(超音波領域)の擬似ノイズ信号を用いてもよい。   In the above embodiment, a pseudo noise signal in the audible frequency band (sampling rate 44.1 kHz) is used, but a pseudo noise signal in a higher frequency band (ultrasonic region) may be used.

なお、上記実施形態では、データ符号の変調方式としてM系列の擬似ノイズ信号を位相変調する直接スペクトラム拡散方式を用いているが、変調方式はこれに限定されない。たとえば、OFDM方式等であってもよい。   In the above-described embodiment, the direct spread spectrum method for phase-modulating the M-sequence pseudo noise signal is used as the data code modulation method, but the modulation method is not limited to this. For example, the OFDM method may be used.

音声信号に形成するギャップ区間の幅、間隔は任意である。音声信号の内容に基づきギャップ幅やギャップ間隔を適宜決定してもよく、音声信号の適当な箇所を探してギャップ区間を挿入するようにしてもよい。   The width and interval of the gap section formed in the audio signal are arbitrary. The gap width and gap interval may be appropriately determined based on the content of the audio signal, or a gap section may be inserted by searching for an appropriate location in the audio signal.

1 送信装置
2 受信装置
10 データ重畳部
21 復調部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transmission apparatus 2 Reception apparatus 10 Data superimposition part 21 Demodulation part

Claims (5)

音声信号を入力する音声信号入力部と、
前記音声信号の低音域成分を取り出すローパスフィルタと、
前記音声信号に時間的欠落部であるギャップ区間を形成するギャップ形成部と、
前記音声信号のギャップ区間に、データ符号によって変調されたノイズ信号を合成するノイズ合成部と、
前記音声信号のギャップ区間に、前記ローパスフィルタによって取り出された低音域成分をさらに合成する低音域合成部と、
を備えたデータ重畳装置。
An audio signal input unit for inputting an audio signal;
A low pass filter for extracting a low frequency component of the audio signal;
A gap forming part for forming a gap section which is a time missing part in the audio signal;
A noise synthesizing unit that synthesizes a noise signal modulated by a data code in a gap section of the audio signal;
A low frequency range synthesizer that further synthesizes a low frequency range component extracted by the low-pass filter in the gap section of the audio signal;
A data superimposing apparatus.
前記ノイズ合成部は、前記ギャップ区間または前記ギャップ区間前後の前記音声信号の信号レベルに応じて、前記ノイズ信号の信号レベルを制御する請求項1に記載のデータ重畳装置。   The data superimposing apparatus according to claim 1, wherein the noise synthesis unit controls a signal level of the noise signal in accordance with a signal level of the audio signal before or after the gap section. 音声信号に時間的欠落部であるギャップ区間を形成し、このギャップ区間にデータ符号によって変調されたノイズ信号を合成するとともに、このギャップ区間に前記音声信号の低音域成分さらに合成し、この合成された音声信号を放音することを特徴とする音響通信方法。 A gap section, which is a time missing portion, is formed in the audio signal, and a noise signal modulated by the data code is synthesized in the gap section. Further, a low frequency component of the audio signal is further synthesized in the gap section, and the synthesized signal is synthesized. An acoustic communication method characterized by emitting a sound signal . 前記ノイズ信号の信号レベルを、前記ギャップ区間または前記ギャップ区間前後の前記音声信号の信号レベルに応じて制御することを特徴とする請求項3に記載の音響通信方法。   The acoustic communication method according to claim 3, wherein the signal level of the noise signal is controlled according to the signal level of the audio signal before or after the gap section or the gap section. 請求項1または請求項2に記載のデータ重畳装置と、該データ重畳装置によってノイズ信号が合成された音声信号を媒質中に放音する放音部と、を備えた送信装置と、
媒質中を伝搬する音声信号を収音する収音部と、該収音部が収音した音声信号に含まれるノイズ信号からデータ信号を復調する復調部と、を備えた受信装置と、
からなる通信システム。
A transmission device comprising: the data superimposing device according to claim 1 or claim 2 ; and a sound emitting unit that emits an audio signal synthesized with a noise signal by the data superimposing device into a medium;
A receiving device comprising: a sound collection unit that collects an audio signal propagating in the medium; and a demodulation unit that demodulates a data signal from a noise signal included in the audio signal collected by the sound collection unit;
A communication system comprising:
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