CN101827064B - 调制装置、调制方法、解调装置及解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种调制装置、调制方法、解调装置及解调方法。本发明的调制装置具有：调制单元，其使可闻音频带的载波的振幅与音响信号的频谱包络一致，并且利用基带信号对所述载波进行调制而生成调制信号；以及音响信号生成单元，其生成将所述音响信号中的所述载波的频带成分与所述调制单元生成的所述调制信号进行了互换的合成音响信号。

Description

调制装置、调制方法、解调装置及解调方法

本发明专利申请是发明名称为“调制装置、调制方法、解调装置及解调方法”、申请日为2006年10月02日、国际申请号为“PCT/JP2006/319669”、国家申请号为“200680025084.8”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及利用声波来传递信息的声波信息通信技术。

背景技术

在利用声波传递信息的通信技术中，有利用超声波的技术和利用可闻声波的技术。利用这两种声波中的可闻声波，存在以下优点。首先，可以利用现在市场上销售的扬声器和麦克风等来进行通信。此外，由于介质的粘性，在声波的传输中产生吸收衰减，因此该吸收衰减与频率成正比地增大。由此，可闻声波比超声波的衰减小，可闻声波的通信距离可以比超声波更长。

但是，在利用可闻声波进行通信的情况下，人能听到传送信号的声音，因此将产生给人带来不快的噪声。于是，存在一种对传送信号进行频谱扩展并将其叠加在语音或音乐上的技术(参照下述的专利文献1)。在该专利文献1记载的技术中，使用心理音响模型来计算频率掩蔽阈值，对传送信号乘以扩展码序列，并以使得扩展到全频带的扩展信号在掩蔽阈值以下的方式进行叠加。

专利文献1：国际公开第02/45286号公报

在上述专利文献1记载的方法中，为了从语音/音乐中提取传送信号，需要将扩展码的扩展增益设定得较高。但是，将扩展增益设定得较高，可传送的信息量就会变少。实际上如果将传送信号的电平抑制到人的听觉无法察觉的级别，则上述专利文献1记载的方法在1秒之内只能传送几比特左右的信息。

发明内容

本发明正是为了消除上述问题点而完成的，其课题在于，利用基于不会给人的听觉带来不快的级别的可闻声波来传送信息，并且提高传送信息的比特速率。

本发明的调制装置的特征在于，所述调制装置具有：调制单元，其使可闻音频带的载波的振幅与音响信号的频谱包络一致，并且利用基带信号对载波进行调制而生成调制信号；以及音响信号生成单元，其生成将音响信号中的载波的频带成分与调制单元生成的调制信号进行了互换的合成音响信号。

本发明的调制方法的特征在于，所述调制方法包括以下步骤：调制步骤，调制单元使可闻音频带的载波的振幅与音响信号的频谱包络一致，并且利用基带信号对载波进行调制而生成调制信号；以及音响信号生成步骤，音响信号生成单元生成将音响信号中的载波的频带成分与在调制步骤中生成的调制信号进行了互换的合成音响信号。

在本发明的调制装置和调制方法中，调制单元使可闻音频带的载波的振幅与音响信号的频谱包络一致，并且利用基带信号对载波进行调制而生成调制信号，因此将成为如下状态：可以生成与奏出基于音响信号的声音的可闻声波对应的信号，并且可以通过可闻声波以更高的比特速率来传送包含在基带信号中的信息。并且，音响信号生成单元将载波的频带与调制信号互换而生成合成音响信号，因此，可以奏出基于音响信号的声音，并且可以进一步提高传送信息的比特速率来传送信息。

此外，优选当在音响信号的频谱包络中存在不足基于可闻级别的规定阈值的频率的情况下，调制单元将该频率的频谱的能量放大至阈值。

由此，可以提高传送信号的SN比，而不会在传送中产生带来不快的声音。

此外，本发明提供一种解调装置，对在调制装置中通过如下方式生成的合成音响信号进行解调：使可闻音频带的载波的振幅与音响信号的频谱包络一致，并且利用基带信号对所述载波进行调制而生成调制信号，将所述音响信号中的所述载波的频带成分与所述生成的所述调制信号进行互换，其特征在于，所述解调装置具有：A/D转换部，其对所述合成音响信号进行采样，并转换为数字信号；带通滤波器，其输入由所述A/D转换部输出的数字信号，将输入的数字信号分割为帧同步信号和调制信号；帧同步部，其根据所述帧同步信号取得帧同步点，按照所述帧同步点将所述调制信号以帧为单位进行分割；保护时间去除部，按照每个分割后的帧去除保护时间，提取信号帧；解调部，利用载波对提取出的信号帧进行傅里叶变换而进行解调。

此外，本发明提供一种解调方法，对在调制装置中通过如下方式生成的合成音响信号进行解调：使可闻音频带的载波的振幅与音响信号的频谱包络一致，并且利用基带信号对所述载波进行调制而生成调制信号，将所述音响信号中的所述载波的频带成分与所述生成的所述调制信号进行互换，其特征在于，所述解调方法包括如下步骤：转换步骤，对所述合成音响信号进行采样，并转换为数字信号；分割步骤，将所述数字信号分割为帧同步信号和调制信号；帧同步步骤，根据所述帧同步信号取得帧同步点，按照所述帧同步点将所述调制信号以帧为单位进行分割；保护时间去除步骤，按照每个分割后的帧去除保护时间，提取信号帧；解调步骤，利用载波对提取出的信号帧进行傅里叶变换而进行解调。

根据本发明，可以利用基于不会给人的听觉带来不快的级别的可闻声波来传送信息，并且提高传送信息的比特速率。

附图说明

图1是第1实施方式的音响信号发送系统的结构图。

图2是第1实施方式的音响信号接收系统的结构图。

图3是第1实施方式的调制装置的结构图。

图4是从第1实施方式的调制装置输出的发送音响信号的频率利用例。

图5是第1实施方式的调制方法的流程图。

图6是第1实施方式的解调装置的结构图。

图7是第2实施方式的音响信号发送系统的结构图。

图8是第2实施方式的调制装置的结构图。

图9是用于说明第2实施方式的调制方法的图。

图10是从第2实施方式的调制装置输出的发送音响信号的频率利用配置例。

图11是第2实施方式的调制方法的流程图。

图12是第2实施方式的解调装置的结构图。

图13是第3实施方式的调制装置的结构图。

图14是从第3实施方式的调制装置输出的发送音响信号的频率利用配置例。

图15是第3实施方式的解调装置的结构图。

图16是用于说明第3实施方式的解调方法的图。

图17是用于说明第3实施方式的解调方法的图。

标号说明

1T：传送数据信号；1R：传送数据信号；2：纠错编码装置；3：编码传送信号；4A～4C：调制装置；5A：发送音响信号；6：扬声器；7：声波；8：麦克风；9A～9C：接收音响信号；10A～10C：解调装置；11：接收传送信号；12：纠错解码装置；13：音响信号；14B、14C：合成音响信号；41：S/P转换部；42：载波；43：保护时间信号生成部；44：掩蔽音生成部；45：帧同步信号生成部；46：D/A转换部；47：频谱包络振幅调节部；48：带通滤波器；49：导频信号；51：调制部；52：音响信号生成部；53：调制部；54：音响信号生成部；101：A/D转换部；102：帧同步部；103：掩蔽音/保护时间去除部；104：载波；105：P/S转换部；106：带通滤波器；107：帧同步信号；108：OFDM调制信号；109：相位校正部；110：OFDM帧连接部；111：副载波选择部；112：解调部；113：存储部；114：检测部；115：保护时间去除部；116：解调部；RS1、RS2：音响信号接收系统；TS1、TS2：音响信号发送系统。

具体实施方式

本发明的第1～第3实施方式的系统是利用可闻音的声波来传递信息的声波信息通信系统。以下，参照附图来说明第1～第3实施方式。

(第1实施方式)

图1示出第1实施方式的音响信号发送系统TS1的结构图，图2示出第1实施方式的音响信号接收系统RS1的结构图。本实施方式的声波信息通信系统构成为具有图1所示的音响信号发送系统TS1和图2所示的音响信号接收系统RS1。在本实施方式的声波信息通信系统中，音响信号发送系统TS1在声波7上载入包含传递信息的传送数据信号1T而进行输出。然后，音响信号接收系统RS1接收从音响信号发送系统TS1输出的声波7，并从声波7中提取传送数据信号1R。

音响信号发送系统TS1构成为具有：纠错编码装置2，其通过纠错编码对传送数据信号1T进行编码；调制装置4A，其将通过纠错编码进行编码后的编码传送信号3(基带信号)转换为作为可闻音频带的音响信号的发送音响信号5A(音响信号)；以及扬声器6，其将发送音响信号5A作为可闻音的声波7进行再现。

音响信号接收系统RS1构成为具有：麦克风8，其接收声波7并生成作为音响信号的接收音响信号9A(音响信号)；解调装置10A，其对接收音响信号9A进行解调并提取接收传送信号11；以及纠错解码装置12，其对接收传送信号11进行纠错并输出传送数据信号1R。

以下，具体地对本实施方式的调制装置4A和解调装置10A进行说明。

图3示出第1实施方式的调制装置4A的结构图。调制装置4A构成为具有：S/P转换部41、调制部51(调制单元)、保护时间信号生成部43、掩蔽音生成部44(掩蔽音生成单元)、音响信号生成部52(音响信号生成单元)、帧同步信号生成部45以及D/A转换部46。

S/P转换部41输入编码传送信号3，并将串行比特流(singlebit-stream)的编码传送信号3转换为并行比特流(parallel bit stream)。S/P转换部41向调制部51输出转换后的并行比特流。

调制部51利用所输入的并行比特流的各并行传送比特来对各频率的载波42进行调制，对调制后的载波42的信号进行合成，形成信号帧(调制信号)。调制部51使用OFDM调制方式进行调制。即，载波42的频率(载波频率)是相互处于正交关系的正交频率。此外，载波42是可闻音频带的声波。调制部51将各并行传送比特作为各载波频率的频谱系数来进行分配，并进行逆傅立叶变换，由此进行载波42的调制。然后，调制部51对调制后的各频率的载波42进行合成，形成信号帧。调制部51向保护时间信号生成部43输出所形成的信号帧。

在保护时间信号生成部43中，复制所输入的信号帧的后方区间，并将复制后的后方区间作为保护时间信号连接在信号帧的前方。可以利用该保护时间信号来避免反射波等的多径干涉。保护时间信号生成部43向掩蔽音生成部44输出信号帧和所生成的保护时间信号。

掩蔽音生成部44生成掩蔽信号。掩蔽信号是指在与信号帧和保护时间信号一起作为声波7传送的情况下，作为信号帧和保护时间信号的掩蔽音输出的信号。掩蔽音是对传送信号帧和保护时间信号时的声音进行掩蔽，使得人难以听到的声音。掩蔽音生成部44选择至少一个频率的正弦波作为掩蔽音，生成掩蔽信号。

此外，掩蔽音生成部44选择掩蔽信号的频率，以使各掩蔽音中至少部分连续的掩蔽音的频率成为规定模式。更加具体地讲，掩蔽音生成部44选择要插入的掩蔽音的频率，以使各信号帧中包含的各掩蔽音在传送时成为一连串的旋律。掩蔽音生成部44还可以合成多个正弦波来生成掩蔽音，并使掩蔽音的音色改变。而且，掩蔽音生成部44选择与载波42的频带相关联的频率或频率模式作为掩蔽音的频率。即，所生成的掩蔽信号包含表示载波42的频带的信息。掩蔽音生成部44向音响信号生成部52输出所生成的掩蔽信号、信号帧以及保护时间信号。

音响信号生成部52对信号帧附加掩蔽信号而生成音响信号。音响信号生成部52在保护时间信号的前方以及信号帧的后方附加掩蔽信号而生成音响信号。即，音响信号生成部52生成插入有掩蔽信号的音响信号。此外，为了防止掩蔽音、保护时间以及信号帧的相位不连续，音响信号生成部52首先以如下方式生成音响信号：在掩蔽音区间的前方，使前方的信号帧逐渐消失(feed out)，使掩蔽音逐渐显出(feed in)。然后，音响信号生成部52再以如下方式生成音响信号：在掩蔽音的末端，使掩蔽音逐渐消失，使保护时间逐渐显出。

更加具体地讲，音响信号生成部52复制前方信号帧的前方并将该复制与后方连接，生成使前方的信号帧逐渐消失的逐渐消失信号。此外，音响信号生成部52预先把保护时间生成得较长，从而生成使保护时间逐渐显出的逐渐显出信号。音响信号生成部52向帧同步信号生成部45输出所生成的音响信号。

帧同步信号生成部45生成帧同步信号并附加给音响信号。帧同步信号是用于在接收侧确定音响信号中包含的信号帧、保护时间信号以及掩蔽信号各自的位置的信号。具体而言，帧同步信号是利用M序列码进行调制后的PN(伪噪声)信号。帧同步信号生成部45向D/A转换部46输出附加有帧同步信号的音响信号。

D/A转换部46将音响信号转换为模拟信号，作为发送音响信号5A输出给扬声器6。

图4表示包含在发送音响信号5A中的信号帧、保护时间信号、掩蔽信号、帧同步信号的频率利用例。使帧同步信号的开头与掩蔽音的开始点一致。频谱扩展后的帧同步信号在环境噪声多的低音域传送。掩蔽音、保护时间以及信号帧在高音域传送。即，帧同步信号在与传送信号帧、保护时间以及掩蔽信号的频带不同的频带传送。

接着，参照图5说明调制装置4A的调制方法。图5是第1实施方式的调制方法的流程图。

首先，编码传送信号3通过S/P转换部41从串行比特流转换为并行比特流(S11)。于是，通过调制部51，利用并行比特流的各并行传送比特对各载波42进行调制(逆傅立叶变换)，对调制后的各载波42进行合成而形成信号帧(S12)。

所形成的信号帧的后方区间被保护时间信号生成部43复制并与前方连接，生成保护时间信号(S13)。生成保护时间后，通过掩蔽音生成部44生成掩蔽信号(S14)。所生成的掩蔽信号被音响信号生成部52附加在保护时间的前方以及信号帧的后方，生成音响信号(S15)。

生成音响信号后，由帧同步信号生成部45生成利用M序列码进行调制后的PN(伪噪声)信号，作为帧同步信号附加给音响信号(S16)。这样生成的音响信号被D/A转换部46转换为模拟信号，并作为发送音响信号5A输出。

这样输出的发送音响信号5A从扬声器6作为声波7输出，基于掩蔽信号的掩蔽音在奏出旋律的同时在空间中传输信号。然后，声波7被麦克风8接收。被麦克风8接收到的声波7作为接收音响信号9A向解调装置10A输出。

接着说明解调装置10A。图6示出第1实施方式的解调装置10A的结构图。解调装置10A构成为具有：A/D转换部101、帧同步部102、掩蔽音/保护时间去除部103(去除单元)、解调部112(解调单元)、存储部113(存储单元)、检测部114(检测单元)以及P/S转换部105。

A/D转换部101对接收音响信号9A进行采样，并转换为数字信号。A/D转换部101向帧同步部102输出转换后的数字信号。

帧同步部102每次错开一次采样或每次错开几次采样地，取输入的数字信号与通过M序列码进行调制后的PN信号之间的相关，把相关值最高的点识别为帧同步点，并以帧为单位进行分割。帧同步部102向掩蔽音/保护时间去除部103输出以帧为单位分割后的分割信号。

掩蔽音/保护时间去除部103从分割信号中按照每个分割后的帧去除掩蔽信号和保护时间，来提取信号帧。掩蔽音/保护时间去除部103向解调部112输出提取出的信号帧。掩蔽音/保护时间去除部103向检测部114输出从信号帧去除的掩蔽信号。

解调部112利用各载波104对信号帧进行解调。当在输入到解调部112的信号帧中混入有载波104的频带不同的信号帧的情况下，解调部112与各载波104的频带对应地进行解调。即，解调部112利用存储部113和检测部114的功能选择要解调的载波104的频带。

存储部113将载波104的频带与掩蔽信号的频率相关联地进行存储。掩蔽信号的频率可以是包含在音响信号中的特定的掩蔽信号的频率，也可以是构成一连串旋律的频率模式。例如，存储部113将载波104的频带A与掩蔽信号的频率a相关联地进行存储。或者，例如存储部113将载波104的频带B与表示掩蔽信号的频率模式的频率模式信息b相关联地进行存储。

检测部114对从掩蔽音/保护时间去除部103输入的掩蔽信号进行傅立叶变换，检测掩蔽信号的频率。检测部114向解调部112输出表示检测出的掩蔽信号的频率的信息。

当输入表示掩蔽信号的频率的信息时，解调部112根据由存储部113与输入的掩蔽信号的频率相关联地存储的频带，确定要解调的载波104的频带。然后，解调部112利用所确定的频带的载波104对信号帧进行解调。

例如在以OFDM解调方式进行解调的情况下，解调部112对信号帧进行傅立叶变换。解调部112向P/S转换部105输出通过解调而得到的各载波104的频谱系数。

P/S转换部105从输入的频谱系数中提取并行传送比特。然后，P/S转换部105将提取出的并行传送比特转换为串行比特流，并作为接收传送信号11输出。

以上这样构成的解调装置10A如下这样动作。首先，当输入接收音响信号9A时，接收音响信号9A被A/D转换部101转换为数字信号。转换后的数字信号被帧同步部102以帧为单位进行分割。分割后的信号被掩蔽音/保护时间去除部103按照每帧去除掩蔽信号和保护时间信号，来提取信号帧。此外，被去除的掩蔽信号被检测部114进行傅立叶变换，检测掩蔽音的频率。

利用由存储部113与检测出的掩蔽音的频率相关联地存储的频带的载波104，提取出的各信号帧被解调部112解调。P/S转换部105从通过解调而得到的载波104的频谱系数中提取并行传送比特。提取出的并行传送比特被P/S转换部105转换为串行比特流，生成接收传送信号11。

接着，说明第1实施方式的调制装置4A和调制方法、以及解调装置10A和解调方法的作用效果。

在上述调制装置4A和调制方法中，调制部51利用并行传送比特3对可闻音频带的载波42进行调制而生成信号帧，因此可以成为如下状态：能够利用可闻声波以更高的比特速率来传送包含在并行传送比特中的信息。并且，掩蔽音生成部44生成作为使信号帧的传送音难以听到的掩蔽音而输出的掩蔽信号，音响信号生成部52对信号帧附加掩蔽信号而生成音响信号，因此，可以在难以听到传送信息的可闻声波的状态下进行传送。即，可以利用基于不会给人的听觉带来不快的级别的可闻声波来传送信息，并且可以提高传送信息的比特速率。

此外，优选插入到调制信号中的各掩蔽信号由正弦波构成，掩蔽音生成部44选择掩蔽信号的频率，以使各掩蔽音中的至少一部分连续的掩蔽音的频率成为规定模式。由此，可以维持传送信息的比特速率，并且可以在音响信号的传送中选择利用掩蔽音奏出的声音模式。特别是掩蔽音生成部44选择掩蔽音的频率，以使在传送各信号帧中包含的各掩蔽音时成为一连串的旋律，由此可以在音响信号的传送中奏出旋律。

在上述解调装置10A中，掩蔽音/保护时间去除部103从以帧为单位分割后的接收调制信号中去除掩蔽信号来提取信号帧，解调部112对信号帧进行解调，因此，可以从包含信号帧和掩蔽信号的音响信号中提取信号帧中包含的信息。

在上述解调装置10A中，存储部113将载波104的频带和掩蔽音的频率相关联地进行存储，检测部114检测掩蔽信号的频率，因此可以提供掌握载波频带所需的信息。因此，解调部112在由存储部113与检测部114检测出的掩蔽信号的频率相关联地存储的频带中对音响信号进行解调，因此可以准确地进行解调。

(第2实施方式)

本实施方式的声波信息传送系统是将传送信号与声音/音乐并行地从扬声器进行再现而传送信息的系统。本实施方式的声波信息通信系统构成为具有音响信号发送系统和音响信号接收系统。图7表示第2实施方式的音响信号发送系统TS2的结构图。

本实施方式的音响信号发送系统TS2构成为具有：纠错编码装置2、调制装置4B以及扬声器6。调制装置4B的输入信号除编码传送信号3之外还存在声音或音乐等的音响信号13。本实施方式的音响信号发送系统TS2和第1实施方式的音响信号发送系统TS1之间的不同之处在于，替代调制装置4A而具有调制装置4B，且调制装置4B输入音响信号13。

本实施方式的音响信号接收系统与第1实施方式的音响信号接收系统RS1结构相同，仅替代解调装置10A而具有解调装置10B。

调制装置4B将编码传送信号3转换为可作为音响信号进行传送，并与音响信号13合成来输出合成音响信号14B。合成音响信号14B被音响信号接收系统的麦克风8作为接收音响信号9B来接收。解调装置10B从接收音响信号9B中提取接收传送信号11。接着，对调制装置4B和解调装置10B具体地进行说明。

图8示出第2实施方式的调制装置4B的结构图。调制装置4B构成为具有：S/P转换部41、频谱包络振幅调节部47、调制部53(调制单元)、保护时间信号生成部43、帧同步信号生成部45、带通滤波器48、音响信号生成部54(音响信号生成单元)以及D/A转换部46。S/P转换部41、保护时间信号生成部43、帧同步信号生成部45以及D/A转换部46具有的功能与第1实施方式的调制装置4A中包含的部分相同，因此省略说明。

频谱包络振幅调节部47把音响信号13作为输入，对输入的音响信号进行傅立叶变换，计算音响信号13的频谱包络。即，频谱包络振幅调节部47计算音响信号13的各频率的振幅。然后，频谱包络振幅调节部47向调制部53输出频谱包络的计算结果。并且，频谱包络振幅调节部47向带通滤波器48输出所输入的音响信号13。

调制部53对从S/P转换部41输入的并行比特流并行地附加在接收侧(解调装置10B)已知的传送比特作为导频信号49。接着，调制部53根据从频谱包络振幅调节部47输出的频谱包络的计算结果，将音响信号13的各频率的振幅信息分别与包含导频信号49在内的并行传送比特的各比特相对应地附加给各比特。然后，调制部53利用附加有音响信号13的振幅信息的各传送比特来对载波42进行调制。

这样，调制部53使各载波42的振幅与音响信号13的频谱包络一致，并且利用包含导频信号49在内的并行传送比特的各比特来对各载波42进行调制。调制部53使用OFDM调制方式进行调制。即，调制部53使用相互处于正交关系的正交频率作为载波42的频率，将频谱包络和并行传送比特作为各载波频率的频谱系数进行分配，并进行逆傅立叶变换，由此来进行调制。

此外，在计算结果所示的频谱包络中存在不足基于可闻级别的规定阈值的频率的情况下，调制部53将该频率的频谱的能量放大至阈值。阈值例如设定为可闻级别以下或允许范围的值以下。调制部53对调制后的各载波42的信号进行合成，形成信号帧。调制部53向保护时间信号生成部43输出所形成的信号帧。

带通滤波器48去除所输入的音响信号13中的载波42的频带成分，并向音响信号生成部54输出。

音响信号生成部54对从帧同步信号生成部45输出的帧信号、保护时间信号和帧同步信号、以及从带通滤波器48输出的音响信号13进行叠加而生成合成音响信号14B。即，音响信号生成部54将音响信号13中的载波42的频带成分和调制信号互换而生成合成音响信号14B。音响信号生成部54向D/A转换部46输出所生成的合成音响信号14B。

参照图9更加具体地说明合成音响信号的生成方法。图9(a)示出音响信号13的频谱示例。带通滤波器48如图9(b)所示，从图9(a)所示的音响信号13中去除载波42的频带D的成分。在图9(b)中，实线部分示出去除了频带D的成分的音响信号13，虚线示出被去除的频带D。

如图9(c)所示，调制部53使各载波42的振幅与频谱包络一致，对各载波42进行调制而生成调制信号42F。音响信号生成部54如图9(c)所示，将调制信号42F与去除了频带D的成分的音响信号13进行叠加而生成合成调制信号14B。

图10表示包含在合成音响信号14B中的信号帧、保护时间信号、掩蔽信号、帧同步信号的频率利用例。使帧同步信号的开头与保护时间的起始点一致。频谱扩展后的帧同步信号在留有音响信号13的成分的低音域传送。保护时间和信号帧在高音域传送。即，帧同步信号在与传送信号帧和保护时间的频带不同的频带传送。

接着，参照图11说明调制装置4B的调制方法。图11是第2实施方式的调制方法的流程图。

首先，编码传送信号3通过S/P转换部41而从串行比特流转换为并行比特流(S21)。并且，通过频谱包络振幅调节部47计算音响信号13的频谱包络(S22)。当存在不足阈值的音响信号13的频率时，利用调制部53对相应频率的能量进行放大(S23)。

然后，频谱包络的计算结果所示的音响信号13的各频率的振幅信息分别对应地附加给包含导频信号49在内的并行传送比特的各比特。然后，利用附加有音响信号13的振幅信息的各传送比特来对载波42进行调制。即，利用调制部53进行调节以使载波42的振幅与音响信号13的频谱包络一致，并且利用各传送比特来对各载波42进行调制(逆傅立叶变换)。然后，对调制后的各载波42的信号进行合成而形成信号帧(S24)。

所形成的信号帧的后方区间被保护时间信号生成部43复制而与前方连接，生成保护时间信号(S25)。当生成了保护时间时，帧同步信号生成部45生成通过M序列码调制后的PN(伪噪声)信号，并作为帧同步信号附加给信号帧(S26)。

音响信号生成部54将信号帧和去除了载波42的频带的音响信号13进行叠加，生成合成音响信号(S27)。所生成的合成音响信号14B通过D/A转换部46转换为模拟信号后输出(S28)。

这样输出的合成音响信号14B从扬声器6作为声波7输出，在奏出基于音响信号13的旋律的同时在空间中传输信号。然后，声波7被音响信号接收系统中包含的麦克风8接收。被麦克风8接收到的声波7作为接收音响信号9B向解调装置10B输出。

接着说明解调装置10B。图12示出第2实施方式的解调装置10B的结构图。解调装置10B构成为具有：A/D转换部101、带通滤波器106、帧同步部102、保护时间去除部115、解调部112、相位校正部109以及P/S转换部105。其中，A/D转换部101、帧同步部102以及P/S转换部105与上述第1实施方式的解调装置10A具备的部分具有相同功能，因此省略说明。

带通滤波器106输入由A/D转换部101输出的数字信号，将输入的数字信号分割为存在帧同步信号成分的频带和存在信号帧成分的频带。将存在帧同步信号成分的频带的信号设为帧同步信号107，将存在信号帧成分的频带的信号设为OFDM调制信号108。带通滤波器106分别向帧同步部102输出帧同步信号107和OFDM调制信号108。

帧同步部102每次错开一次采样或每次错开几次采样地，取帧同步信号107与通过M序列码调制后的PN信号之间的相关，把相关值最高的点识别为帧同步点。然后，帧同步部102按照识别出的帧同步点将OFDM调制信号108以帧为单位进行分割。帧同步部102向保护时间去除部115输出分割后的OFDM调制信号108。

保护时间去除部115按照每个分割后的帧去除保护时间，提取信号帧。保护时间去除部115向解调部116输出提取出的信号帧。

解调部116利用各载波104对提取出的信号帧进行解调。解调部116对信号帧进行傅立叶变换后，通过OFDM解调方式进行解调。

相位校正部109从解调后的载波104中提取导频信号。然后，相位校正部109通过将提取出的导频信号的频谱系数与已知的导频信号49的频谱系数进行比较，来检测导频信号的信号变化。然后，相位校正部109根据检测出的信号变化来校正其它载波104的信号。相位校正部109向P/S转换部105输出校正后的信号。

P/S转换部105从输入的信号中提取并行传送比特。然后，P/S转换部105将提取出的并行传送比特转换为串行比特流，并作为接收传送信号11输出。

以上这样构成的解调装置10B如下这样动作。首先，当被输入接收音响信号9B时，接收音响信号9B被A/D转换部101转换为数字信号。转换后的数字信号被带通滤波器106分割为帧同步信号107和OFDM调制信号108。OFDM调制信号108根据帧同步信号107被帧同步部102以帧为单位进行分割。分割后的数字信号被保护时间去除部115按照每帧去除保护时间信号，提取信号帧。

利用载波104，提取出的各信号帧被解调部116解调。通过相位校正部109从解调后的信号帧中提取导频信号，根据提取出的导频信号和已知的导频信号49之间的变化，来校正其它载波104的信号。在载波104的校正后，P/S转换部105从载波104的频谱系数中提取并行传送比特。提取出的并行传送比特被P/S转换部105转换为串行比特流，生成接收传送信号11。

接着，说明第2实施方式的调制装置4B、调制方法、以及解调装置10B的作用效果。

在上述调制装置4B和调制方法中，调制部53使可闻音频带的载波42的振幅与音响信号13的频谱包络一致，并且利用基带信号对载波42进行调制而生成调制信号，因此将成为如下状态：可以生成奏出基于音响信号13的声音的可闻声波，并且可以利用可闻声波以更高的比特速率来传送包含在基带信号中的信号。并且，音响信号生成部54将载波42的频带与调制信号互换而生成合成音响信号，因此，可以奏出基于音响信号13的声音，并且可以提高传送信息的比特速率来传送信息。

此外，当在音响信号13的频谱包络中存在不足基于可闻级别的规定阈值的频率的情况下，调制部53将该频率的频谱的能量放大至阈值，因此可以提高传送信号的SN比，而不会在传送中产生带来不快的声音。

此外，相位校正部109根据利用已知信号(例如导频信号)调制后的载波42的信号变化来估计其它载波42的信号变化而校正信号，因此，可以校正在信号传输中产生的信号的振幅或相位的变化。由此，可以降低因信号变化引起的信号的识别错误。

此外，在上述调制装置4A中，利用导频信号49对包含在信号帧中的特定载波42进行调制，在上述解调装置10B中，根据特定载波42的信号变化来校正其它载波42的信号。对此，也可以利用导频信号49对特定信号帧的全部载波42进行调制，根据该信号帧的各载波42的信号变化来校正其它信号帧的各相同载波42的信号。这样，也可以根据利用已知信号调制后的某时间段的信号变化，来估计其它时间段的信号变化并校正信号。由此，可以降低因信号变化引起的信号的识别错误。

(第3实施方式)

本实施方式的声波信息传送系统与上述实施方式2同样地，是将传送信号和掩蔽音与声音/音乐并行地从扬声器进行再现而传送的系统。此外，该声波信息传送系统在接收侧校正发送侧和接收侧之间的采样频率的微小偏离。

本实施方式的声波信息通信系统与第2实施方式的声波信息传送系统同样地，构成为具有音响信号发送系统(发送侧)和音响信号接收系统(接收侧)。本实施方式的调制装置4C将编码传送信号3转换为可作为声波进行传送，并与音响信号13进行合成而输出合成音响信号14B。解调装置10C从接收音响信号9C中提取接收传送信号11。

本实施方式的音响信号发送系统与第2实施方式的音响信号发送系统TS2结构相同，不同点仅在于替代调制装置4B而具有调制装置4C。本实施方式的音响信号接收系统与第2实施方式的音响信号接收系统相同，不同点仅在于替代解调装置10B而具有解调装置10C。接着，对调制装置4C和解调装置10C具体地进行说明。

图13示出第3实施方式的调制装置4C的结构图。调制装置4C构成为具有：S/P转换部41、频谱包络振幅调节部47、调制部53、保护时间信号生成部43、掩蔽音生成部44、音响信号生成部52、帧同步信号生成部45、带通滤波器48、音响信号生成部54以及D/A转换部46。这些结构要素与第1实施方式和第2实施方式的调制装置4B、4C中包含的结构要素具有相同功能，因此省略说明。

接着，说明调制装置4C的调制方法。首先，编码传送信号3被输入到S/P转换部41，串行比特流的编码传送信号3被转换为并行比特流。调制部53对转换后的并行比特流并行地附加导频信号49。另一方面，音响信号13被频谱包络振幅调节部47输入而计算频谱包络。

使用计算出的频谱包络，按照音响信号13的频谱包络来调节各载波42的振幅，并且利用包含导频信号49在内的并行传送比特的各比特通过调制部53对各载波42进行调制。调制后的各载波42的信号被调制部53合成而形成信号帧。信号帧的后方区间被保护时间信号生成部43复制而作为保护时间信号与信号帧的前方连接。

通过掩蔽音生成部44生成对该信号帧和保护时间信号进行掩蔽的掩蔽音的掩蔽信号。所生成的掩蔽信号被音响信号生成部52附加在保护时间信号的前方以及信号帧的后方。然后，通过帧同步信号生成部45生成用于在接收侧确定信号帧、保护时间信号以及掩蔽信号的位置的帧同步信号，并附加给信号帧。

另一方面，通过频谱包络振幅调节部47输入的音响信号13被带通滤波器48去除载波频带的成分。音响信号生成部54对信号帧、保护时间信号和掩蔽信号以及去除了载波42的频带的音响信号13进行叠加，生成合成音响信号。所生成的合成音响信号14C被D/A转换部46转换为模拟信号并输出。

图14表示在这样生成的合成音响信号14C中包含的信号帧、保护时间信号、掩蔽信号、帧同步信号以及音响信号13的频率利用配置的示例。帧同步信号以与载波42不同的频带传送。即，频谱扩展后的帧同步信号在留有音响信号13的成分的低音域传送。掩蔽音使用低音域、高音域双方的频率来形成旋律。并且，保护时间和信号帧在高音域传送。并且，使帧同步信号的开头与掩蔽音区间的开头一致。

此外，掩蔽音可以在与载波频带不同的频带内插入任意位置。在该情况下，保护时间信号与之前的信号帧相邻，保护时间信号的相位与之前的信号帧的相位不连续。于是，在之前的信号帧和保护时间信号的边界附近插入掩蔽音，以平滑相位不连续的部分或掩蔽相位不连续的部分。

接着说明解调装置10C。图15示出第3实施方式的解调装置10C的结构。解调装置10C是对以频率复用方式调制后的接收音响信号9C进行解调的装置。在本实施方式中，接收音响信号9C是以OFDM调制方式调制后的信号。解调装置10C构成为具有：A/D转换部101、带通滤波器106、帧同步部102、掩蔽音/保护时间去除部103、OFDM帧连接部110(连接单元)、解调部116、副载波选择部111(检测单元和校正单元)、相位校正部109以及P/S转换部105。解调装置10A和10B中包含的结构要素在解调装置10C中也具有相同功能。

以下，参照图16和图17说明OFDM帧连接部110和副载波选择部111，并且相关联地说明掩蔽音/保护时间去除部103和解调部116。图16和图17是用于说明第3实施方式的解调方法的图。

图16(a)表示合成掩蔽信号、保护时间信号和OFDM信号后的信号。掩蔽音/保护时间去除部103从图16(a)所示的合成后的信号中去除掩蔽信号和保护时间信号，提取信号帧。图16(b)表示一个信号帧。掩蔽音/保护时间去除部103向OFDM帧连接部输出提取出的信号帧。

OFDM帧连接部110复制信号帧，并连接复制出的信号帧。例如，OFDM帧连接部110如图16(c)所示，将一个信号帧复制为4个，并连接复制出的4个信号帧。OFDM帧连接部向解调部116输出所连接的多个信号帧。

解调部116对多个连接的信号帧进行傅立叶变换，利用OFDM方式进行解调。由此，说明对多个连接的信号帧进行傅立叶变换而解调的效果。图17(a)表示以往将信号帧逐个进行傅立叶变换时的信号频谱。图17中的横轴表示频率，粗线刻度表示调制装置4C中的载波42的频率。图17(a)示出识别出信号频谱的载波104的频率(图17的信号频谱的中心频率)与载波42的各频率一致时的理想的信号频谱。

图17(b)表示对复制成4个后进行了连接的信号帧进行傅立叶变换后的信号频谱。图17中的横轴的细线刻度表示识别信号频谱的载波104的频率。此外，图17(b)与图17(a)同样地，示出识别出信号频谱的载波104的频率与载波42的频率一致时的理想的信号频谱。比较图17(a)和图17(b)，图17(b)中的频率分辨率是图17(a)中的频率分辨率的4倍。即，通过对复制成n个后进行了连接的信号帧进行傅立叶变换，可以得到对1个信号帧进行傅立叶变换时的n倍的频率分辨率。即，通过将信号帧复制成多个并连接而增大傅立叶变换的对象时间，由此可以提高频率分辨率。

但是，当发送侧的采样频率和接收侧的采样频率存在微小偏离时，或者当因多普勒效应引起载波42的频率偏离时，通过傅立叶变换，识别信号频谱的载波104的频率将偏离载波42的频率。在该情况下，当如图17(a)所示频率分辨率较低时，识别出偏离信号频谱的载波104的频率对与相邻信号频谱对应的频率产生干扰，因此无法识别各个信号频谱。

图17(c)示出对复制成4个后进行了连接的信号帧进行傅立叶变换时的信号频谱，即示出识别信号频谱的载波104的频率偏离载波42的频率的情况。在该情况下，频率分辨率较高，因此识别出偏离信号频谱的正交频率不会对与相邻信号对应的正交频率产生干扰。由此，可识别各个信号频谱。

如上所述，通过对信号帧进行复制并对多个连接的信号帧进行傅立叶变换，可以提高频率分辨率。频率分辨率较高，因此即使在识别信号频谱的载波104的频率偏离时，也可分别识别各个信号频谱。

返回图15，副载波选择部111检测解调后的信号频谱(传送信号)的载波104的频率的偏离，根据检测出的载波104的频率的偏离，校正信号频谱的载波104的频率。即，当检测出信号频谱的载波104的频率的偏离时，副载波选择部111对距该载波104的频率最近的载波42的频率进行校正。对于每个频率，信号频谱的载波104的频率偏离各不相同，因此优选按照每个信号频谱来进行校正。

此外，优选副载波选择部111从几个载波104的频率偏离中估计偏离的比例，来进行校正。载波104的频率偏离大多根据载波42的频率以固定的比例进行增减，因此该方法是有效的。利用该方法，可以校正更大的频率偏离和多普勒偏离。

以上这样构成的解调装置10C如下这样动作。首先，当被输入模拟接收音响信号9C时，接收音响信号9C被A/D转换部101转换为数字信号。转换后的数字信号被带通滤波器106分割为帧同步信号107和OFDM调制信号108。OFDM调制信号108根据帧同步信号107被帧同步部102以帧为单位进行分割。分割后的数字信号被掩蔽音/保护时间去除部103按照每帧去除掩蔽信号和保护时间信号，提取信号帧。

提取出的信号帧被OFDM帧连接部110复制连接。复制连接后的信号帧被解调部116解调。在解调后的信号中，通过副载波选择部111校正信号频谱的载波104的频率。

通过相位校正部109从解调后的信号帧中提取导频信号，根据导频信号的变化来校正其它载波104的相位。在载波104的校正后，P/S转换部105从载波104的频谱系数中提取并行传送比特。提取出的并行传送比特被P/S转换部105转换为串行比特流，生成接收传送信号11。

接着，说明第3实施方式的调制装置4C、解调装置10C以及解调方法的作用效果。

根据上述调制装置4C，调制部53使载波104的振幅与音响信号13的频谱包络一致，并且利用编码传送信号3对载波104进行调制而生成信号帧，因此将成为如下状态：可以生成奏出基于音响信号的声音的可闻声波，并且可以通过可闻声波以更高的比特速率来传送包含在基带信号中的信号。并且，掩蔽音生成部44生成作为使传送信号帧时的声音难以听到的掩蔽音而输出的掩蔽信号，并附加给信号帧，音响信号生成部54将音响信号13中的载波104的频带成分与调制信号(信号帧)互换而生成合成音响信号，因此，可以在利用掩蔽信号的掩蔽音使包含信息的可闻声波难以听到的状态下来进行传送。即，可以利用基于不会给人的听觉带来不快的级别的可闻声波来传送信息，并且可以提高传送信息的比特速率。

此外，根据上述的解调装置10C和解调方法，对由OFDM帧连接部110复制连接的多个信号帧进行傅立叶变换，因此可以缩窄在解调中使用的正交频率即载波104的频率范围。即，可以提高频率分辨率。通过提高频率分辨率，副载波选择部111可以准确地检测傅立叶变换后的信号帧中的传送信号的载波104的频率偏离，可以校正载波104的频率。

产业上的可利用性

本发明的用途在于利用声波传递信息的声波信息通信技术，用于利用基于不会给人的听觉带来不快的级别的可闻声波来传送信息，并且提高传送信息的比特速率。

Claims (9)

1.一种调制装置，其特征在于，所述调制装置具有：

调制单元，其使可闻音频带的载波的振幅与音响信号的频谱包络一致，并且利用基带信号对所述载波进行调制而生成调制信号；以及

音响信号生成单元，其生成将所述音响信号中的所述载波的频带成分与所述调制单元生成的所述调制信号进行了互换的合成音响信号。

2.根据权利要求1所述的调制装置，其特征在于，当在所述音响信号的频谱包络中存在不足基于可闻级别的规定阈值的频率的情况下，所述调制单元将该频率的频谱的能量放大至所述阈值。

3.根据权利要求1或2所述的调制装置，其特征在于，所述调制单元利用OFDM调制方式进行所述调制。

4.一种调制方法，其特征在于，所述调制方法包括以下步骤：

调制步骤，调制单元使可闻音频带的载波的振幅与音响信号的频谱包络一致，并且利用基带信号对所述载波进行调制而生成调制信号；以及

音响信号生成步骤，音响信号生成单元生成将所述音响信号中的所述载波的频带成分与在所述调制步骤中生成的所述调制信号进行了互换的合成音响信号。

5.根据权利要求4所述的调制方法，其特征在于，在所述调制步骤中，所述调制单元利用OFDM调制方式进行所述调制。

6.一种解调装置，对在调制装置中通过如下方式生成的合成音响信号进行解调：使可闻音频带的载波的振幅与音响信号的频谱包络一致，并且利用基带信号对所述载波进行调制而生成调制信号，将所述音响信号中的所述载波的频带成分与所述生成的所述调制信号进行互换，其特征在于，所述解调装置具有：

A/D转换部，其对所述合成音响信号进行采样，并转换为数字信号；

带通滤波器，其输入由所述A/D转换部输出的数字信号，将输入的数字信号分割为帧同步信号和调制信号；

帧同步部，其根据所述帧同步信号取得帧同步点，按照所述帧同步点将所述调制信号以帧为单位进行分割；

保护时间去除部，按照每个分割后的帧去除保护时间，提取信号帧；

解调部，利用载波对提取出的信号帧进行傅里叶变换而进行解调。

7.根据权利要求6所述的解调装置，其特征在于，所述解调部利用OFDM解调方式进行所述解调。

8.一种解调方法，对在调制装置中通过如下方式生成的合成音响信号进行解调：使可闻音频带的载波的振幅与音响信号的频谱包络一致，并且利用基带信号对所述载波进行调制而生成调制信号，将所述音响信号中的所述载波的频带成分与所述生成的所述调制信号进行互换，其特征在于，所述解调方法包括如下步骤：

转换步骤，对所述合成音响信号进行采样，并转换为数字信号；

分割步骤，将所述数字信号分割为帧同步信号和调制信号；

帧同步步骤，根据所述帧同步信号取得帧同步点，按照所述帧同步点将所述调制信号以帧为单位进行分割；

保护时间去除步骤，按照每个分割后的帧去除保护时间，提取信号帧；

解调步骤，利用载波对提取出的信号帧进行傅里叶变换而进行解调。

9.根据权利要求8所述的解调方法，其特征在于，在所述解调步骤中，利用OFDM解调方式进行所述解调。

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