CN102812651B - 发送装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供在作为声波传递信息的环境中可使人耳难以发觉用于传递信息的声波的发送装置。发送装置(10)是将已编码的各种信息变换为可听音频带的声波发出的装置，其具备：麦克风(16)，其将发出声波的场所的环境音作为环境音信号输入；峰值频率检测部(107)，其从环境音信号中检测以环境音为主构成的峰值频率；载波生成部(108)，其生成相对于环境音获得遮掩效果的作为峰值频率的自然数倍的多个频率的载波；以及调制部(115)，其利用基带信号来调制多个载波。

Description

发送装置及方法
技术领域
本发明涉及用于通过声波对终端提供各种信息的信息提供系统，尤其涉及这样的信息提供系统的发送装置。 
背景技术
一直以来提出了对终端提供各种信息的系统。例如，在无线电或电视广播中，在广播信号中重叠（复用）文字代码、图形信息或与节目相关的信息等，并进行对电视接收机或无线电接收机附加通常的节目内容来提供各种信息的文字复用广播。 
但是，文字复用广播的系统需要在电视或无线电的电波中重叠数字信息进行载送，所以需要大型的广播站设备，从而导致成本上升，无法对终端容易地提供信息。另外，采用移动电话的照相机来拍摄QR代码的方法在没有安装照相机的终端中无法使用，并且对于初学者或者对机械设备不习惯的人来说是非常困难的作业。 
鉴于这样的问题点，作为新的信息提供方法，开发出了将各种信息作为以空气为介质的声波提供给终端的方法，例如下述专利文献1至4所公开的。这样，根据将信息作为声波进行传递的方法，可通过使用现有的扬声器和安装于终端的麦克风来低成本且容易地传递信息。 
专利文献1所公开是如下的信息传递系统：通过采用将传递对象信息变换为声音的信息编码装置，经由使用现有声音的音响设备的输入输出接口，将传递对象信息作为声音进行传递，并根据信息解码装置所接收到的声音再现传递对象信息。另外，在专利文献1中采用以使含有被编码的信息的声音成为人类向往听到的舒适音乐为目的的编码方式。 
另外，专利文献2以及3所公开的信息提供系统是由本发明人开发的，在将各种信息编码为包含用于使定时同步的前导码的以毫秒为单位的数据帧之后，将信息作为声波提供。 
另外，专利文献4所公开的信息提供系统也是由本发明人开发的，在将各种信息 作为声压振动的信息进行发送时，将该发送频率设为平均率音阶中各个音的间隙的频率。 
现有技术文献 
专利文献 
专利文献1:日本特开2003-186500号公报 
专利文献2:日本专利第3822224号公报 
专利文献3:日本专利第3834579号公报 
专利文献4:日本专利第4295781号公报 
发明内容
发明所要解决的问题 
这里，如上述专利文献2至4所公开的那样在使用传递信息作为声波的系统时，因为传递信息的声波是可听音，因此还存在由于环境导致人耳厌烦且听起来不愉快的情况。这样，在店铺中发出用于传递信息的声波时有可能导致感觉不快的顾客离开的情况。 
本发明是鉴于这样的课题而作出，其目的在于，提供一种在信息被作为声波传递的环境中能够使人耳难以感知到用于传递信息的声波的发送装置。 
用于解决问题的手段 
为了解决上述课题，本发明的发送装置将已编码的各种信息变换为可听音频带的声波进行发送，其特征在于，该发送装置具备：麦克风，其输入发出所述声波的场所的环境音作为环境音信号；峰值频率检测部，其从所述环境音信号中检测以所述环境音为主构成的峰值频率；载波生成部，其生成作为所述峰值频率的自然数倍的多个频率的载波；以及调制部，其利用基带信号调制所述多个载波并进行合成。 
另外，本发明的发送程序用于使计算机将已编码的各种信息变换为可听音频带的声波后从扬声器发出，该发送程序的特征在于，使所述计算机执行以下步骤：峰值频率检测步骤，从发出经由麦克风输入的所述声波的场所的环境音信号中检测以所述环境音为主构成的峰值频率；载波生成步骤，生成作为所述峰值频率的自然数倍的多个频率的载波；以及调制步骤，利用基带信号调制所述多个载波并进行合成。 
发明效果 
根据本发明，能够提供可将用于传递信息的声波作为人耳难以知觉的声音发出的发送装置。 
附图说明
图1是概括性示出本实施方式的信息提供系统的结构的示意图。 
图2是示出在本实施方式的发送装置中用于实现生成声音代码（sound code）的功能的概念性电路的框图。 
图3是示出本实施方式的基带信号的数据结构的图。 
图4是用于说明利用本实施方式的环境音对声音代码进行遮掩（masking）的遮掩效果的图。 
图5是示出在本实施方式的移动电话中用于实现接收声音代码的功能的概念性电路的框图。 
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。本实施方式的信息提供系统将消息或URL等各种信息作为以空气为介质的声波从发送装置向接收装置发送，发送装置从扬声器发送声波，接收装置利用麦克风接收该声波并进行解码，由此来识别发送的信息。 
本实施方式的特征在于，采用考虑了存在于设置有发送装置以及接收装置的场所（即，发出作为声波的声压振动信息（以下，称为“声音代码（sound code）”）的场所）的环境音的载波来发送声音代码。这里，所谓环境音是指发出小汽车或电车的声音、风的声音等周围的噪声或人的声音或音乐等的声音代码的场所周围的声音。 
图1是概括性示出本实施方式的信息提供系统1的结构的图。如该图所示，信息提供系统1具备将各种信息作为声音代码发送的发送装置10和作为接收声音代码的接收装置的移动电话20。 
发送装置10具备：PC（个人计算机）主体11、作为显示单元的显示器12、由鼠标以及键盘构成的输入设备13、用于发出作为声音的声音代码的扬声器15、用于输入环境音的麦克风16。PC主体11内置有进行各种运算的处理器等运算装置和存储装置，该存储装置由预先存储程序等各种信息的HDD（Hard Disc Drive:硬盘驱动 器）及作为运算处理的工作区域使用的RAM（Random Access Memory:随机存储器）等构成。 
移动电话20具备：用于采集从扬声器15发出的声音代码的麦克风21和显示各种信息的显示器22。另外，移动电话20内置有进行各种运算的处理器等运算装置和存储器，该存储器存储程序等各种信息或者被用作运算处理的工作区域。 
上述信息提供系统1的发送装置10设置于百货店、超市、商店街、电影院、游乐场等商业设施、娱乐设施等处。另外，在本实施方式中，假定作为接收装置的移动电话20是造访这种设施的用户所有的终端，用户可在终端接收到作为声波的声音代码，获得各种信息。 
作为各种信息，例如向终端提供与商品、事件、设施导引等相关的消息或关联的互联网主页的URL等文字信息。造访该设施的客人如果经由声音代码在终端中取得URL，则不需使用输入键进行文字输入就能够使用终端访问互联网，获得进一步的信息或者阅读详细的商品说明。 
当然，设置发送装置10的场所是信息提供者的自由，可适当地设置在其它场所。所提供的信息内容也不仅限于文字信息，可提供图像信息等。 
接着，详细说明在发送装置10中生成向移动电话20发送的声音代码的处理。图2是示出在本实施方式的发送装置中用于实现生成声音代码的功能的概念性电路的框图。如后所述，在本实施方式中，采用频率为环境音的峰值频率的自然数倍的多个载波进行调制。 
此外，图2所示的各部分的功能可以通过发送装置10的运算单元执行存储装置所存储的程序以软件的方式实现，也可以通过设置用于进行这种处理的专用电路以硬件的方式实现。 
如该图所示，发送装置10具备A/D变换部103、FFT(Fast Fourier Transform:快速傅里叶变换)部104、峰值频率检测部107、载波生成部108、调制部115，D/A变换部120。 
A/D变换部103将从发送装置10的麦克风16输入的环境音101的模拟电信号变换为数字信号。该环境音101是存在于发送装置10所设置的环境的声音，例如，电车或小汽车的声音、风的声音等噪声相对于环境音。 
FFT部104利用高速傅里叶变换将时间轴上的信号变换为频率轴上的信号。峰值 频率检测部107从该环境音信号的频率轴上的成分中检测音压等级最大的频率，并决定以环境音101为主构成的峰值频率fp。 
峰值频率检测部107进行的峰值频率fp的检测在声音代码150的发送之前进行，在本实施方式中，以10ms为单位反复进行10次环境音101的取入，根据将它们相乘所得的音压等级来检测峰值频率fp。 
载波生成部108利用PLL（Phase locked Loop:锁相环）电路生成频率为峰值频率fp的m倍（m是自然数）的载波。在本实施方式中，生成具有1倍、2倍、3倍、4倍频率的四个载波。 
调制部115是利用基带信号110分别对上述四个载波进行调制的部件，其具有用于将四个调制波进行合成的加法器118。调制部115利用完全相同的基带信号110调制四个载波。即，发送装置10利用四个载波并行发送相同的信息，能够大幅提高接收装置侧的接收精度。 
调制部115在利用PSK（Phase shift keying:相移键控）调制各个载波之后，在加法器118中将这四个调制波进行合成，并向D/A变换部120发送。另外，调制部115是利用滤波器截取仅采用上侧的单边带（USB:Upper Sideband:上边带）的SSB（Single Sideband，单边带）。 
这里，参照图3来说明基带信号110的数据帧结构。图3是示出基带信号的数据结构的图。该图所示的数据帧在用于使定时同步的前导码之后依次设置有用于识别文件开头的SOF（Start Of File，文件的起始）、数据的类型（type）、表示数据的长度（length）。然后，设置有由data1、data2、…、data7、CRC（Cyclic Redundancy Code:循环冗余校验码）构成的16列数据列，在该一帧中可使用112字节的数据。 
type可用于信息提供者的识别或者将接收者限定为特定的对象等的情况。另外，length表示声音代码的长度，构成为该图所示的帧最大可使用16帧即2048字节的数据。 
为了纠错而附加CRC。所谓CRC就是用于数据的检错及纠错的多项循环码，在发送数据前附加纠错信号代码（CRC），在接收时进行错误校正。这里，不是按照每帧进行处理，而是按照每7字节附加CRC来进行纠错，并能够以列为单位使数据量适当可变。 
D/A变换部120将从调制部115接收到的合成调制信号变换为模拟信号，发送到 扬声器15。该模拟信号作为声波即声音代码150从扬声器15发出。 
在这样的结构中，当发送声音代码150时，首先，从麦克风16输入的环境音101通过A/D变换部103进行数字变换。该环境音101的数字信号在FFT部104中进行高速傅里叶变换，时间轴上的信号被变换为频率轴上的信号。 
峰值频率检测部107从该环境音信号的频率轴上的成分中检测音压等级最大的频率，设为以环境音为主而构成的峰值频率fp。接着，载波生成部108生成频率位峰值频率fp的1～4倍的四个子载波(载波)。例如，当峰值频率fp为1kHz时，载波生成部108生成频率1kHz、2kHz、3kHz、4kHz的载波。 
接着，调制部115利用同一基带信号110来调制该多个载波并进行合成。该合成的调制信号在D/A变换部120中被变换为模拟信号，作为声音代码150从扬声器15发出。作为通信方式例如可使用CDMA(Collision Detection Multiple Access，冲突检测多址接入)。 
以上详细说明了发送声音代码150的发送装置10，由于利用同一基带信号调制声音代码150的四个载波，因此可通过四个载波并行发送相同的信息，从而大幅提高接收精度。
另外，在本实施方式中，检测环境音的峰值频率fp，根据该峰值频率fp生成多个载波，由这样的载波构成的声音代码150与环境音重叠，利用环境音的遮掩效果，成为人耳难以知觉的声音。 
另外，在环境音是乐器演奏等音乐时，即使重叠声音代码，环境音也仅改变音色，从而几乎不对听到音乐的人带来声音代码流过所引起的不协调感。 
这里，还详细说明了环境音对声音代码150的遮掩效果。图4是用于说明本实施方式的环境音对声音代码的遮掩效果的图。该图的横轴表示频率[kHz]，纵轴表示遮掩量[dB]。图中的实线表示频率400Hz、音压等级80dB SPL的纯音的遮掩量，以没有遮掩音时的感觉水平来表示利用作为遮掩音的纯音（第1音）进行遮掩而难以听到的声音（第2音）的最小可听限。 
因此，在图3所示的实线下侧的范围，第2音被遮掩而仅能听到第1音（纯音）。另一方面，图中的单点划线表示当遮掩音是中心频率为410Hz的带宽为90Hz的80dB窄带噪音（噪声）时的遮掩量。
这里，在设置有声音代码的发送装置10的屋外等通常环境中，认为会产生具有 某程度带宽的声音。因此，当观察第1音是窄带噪音时的单点划线所示的遮掩量时，在从噪音的中心频率到低音以及高音双方的宽范围内可获得遮掩效果。因此，如本实施方式那样，即使是在可听音域的宽范围内存在的多个载波也能够充分地获得遮掩效果。 
另外，当观察第1音是纯音时的实线所表示的遮掩量时，在第1音（纯音）的自然数倍的频率附近（倍音）遮掩效果增大。因此，如本实施方式那样，当使用频率为环境音的峰值频率的1～4倍的载波时，将遮掩效果大的倍音（峰值频率的自然数倍的频率的声音）部分用作载波，能够获得更大的遮掩效果。 
此外，上述发送装置的结构在不脱离本发明主旨的范围内可进行各种变形。例如，载波生成部108所生成的载波数不限于四个，可适当进行变更。 
其中，优选载波数为三个以上。其原因是，在本实施方式中，利用相同的基带信号110来调制合成的多个载波，当采用三个以上的不同频率的载波时，接收装置仅在二个以上的载波中解调出一致的基带信号时采用作为正确信号，由此能够可靠地接收正确的信息。 
另外，载波生成部108所生成的载波的频率优选设定为12kHz以下。这是因为，如果是12kHz以下的声波，则可以利用大部分的扬声器或麦克风来进行发送或接收。另外，同样考虑到扬声器或麦克风的频率特性，优选载波的频率为800Hz以上。 
另外，在本实施方式中，使载波的频率为峰值频率fp的1～4倍，不言而喻也可以是5倍或10倍等的频率。即，作为载波的频率，只要是峰值频率的自然数倍的频率、且为上述800Hz～12kHz范围内的频率，则可以适当选择期望的频率。 
另外，在本实施方式中，采用PLL电路来生成载波，但也可以利用PLL电路以外的电路来生成。 
另外，峰值频率fp并非一定要是最大音压的频率，只要是构成环境音的频率成分中的具有某程度大小并与其它频率成分一起主要构成环境音的频率即可。这是因为当将以环境音为主构成的声音的倍音用作载波时可充分获得遮掩效果。另外，峰值频率检测部107的峰值频率fp的检测定时或次数等也可以适当变更。 
另外，当峰值频率检测部107难以检测环境音的峰值频率fp时，可将预先设定的频率规定为峰值频率。作为设定频率，例如可以采用880Hz（“拉（la）”音）、1047Hz（“发（fa）”音）。 
另外，在本实施方式中说明了将PC主体11与扬声器15设置在同一场所的情况，但也可以在与PC主体11分离的场所设置扬声器15。在此情况下，为了测定发送声音代码150的场所的环境音，麦克风16也需要设置在与扬声器15相同的场所。 
接着，详细说明在移动电话20中接收声音代码150的处理。图5是示出在本实施方式的移动电话中用于实现接收声音代码的功能的概念性电路的框图。此外，图5所示的各部分的功能可通过移动电话20的运算单元执行存储装置所存储的程序以软件的方式实现，也可以通过设置用于进行这种处理的专用电路以硬件的方式实现。 
如该图所示，移动电话20具备A/D变换部203、FFT部204、环境音蓄积部210、环境音减法部213、解调部215。环境音蓄积部210在规定的时间内蓄积不存在声音代码的状态的环境音信号。 
环境音减法部213从重叠有声音代码的环境音中减去环境音蓄积部210中蓄积的环境音信号，提取声音代码成分。即，环境音蓄积部210以及环境音减法部213进行自适应降噪处理。 
解调部215进行傅里叶变换后的各个载波的解调，其具有最大似然法运算部218，该最大似然法运算部利用最大似然法(MLM:Maximum-likelihood method)从多个解调信号中确定出基带信号。 
解调部215在将频率轴上的声音代码成分分解到各个载波后，分别进行高速逆傅里叶变换(IFFT)而返回至时间轴，利用PSK方式进行解调。最大似然法运算部218从解调出的各载波的解调信号中利用最大似然法确定出基带信号。在本实施方式中，设定为仅在二个以上的载波中解调出一致的基带信号时采用作为正确信号。 
在这样的结构中，将由移动电话20的麦克风21采集到的声音向A/D变换部203发送。A/D变换部203对所输入的模拟信号进行采样，变换为数字信号，数字信号被发送给FFT部204。FFT部204进行高速傅里叶变换，将数字信号变换为频率轴上的成分。 
这里，环境音蓄积部210在声音代码的接收之前，在规定的时间蓄积作为FFT部203的输出的环境音信号。然后，当输入重叠有声音代码150的环境音时，由FFT部204将其变换为频率轴上的信号。接着，环境音减法部213从频率轴上的接收信号中减去环境音蓄积部210中蓄积的环境音信号，提取声音代码成分，即从发送装置10发送的信号成分。 
声音代码分量被输入至解调部215。解调部215利用PSK方式对频率轴上的各个载波进行解调，在最大似然法运算部218中决定基带信号，由此能够取出各种信息。 
以上，对本实施方式的信息提供系统进行了说明，根据本信息提供系统，根据环境音的峰值频率选择相对于环境音可获得遮掩效果的频率作为声音代码的发送频率，从而能够避免人耳厌烦听到声音代码的情况。 
此外，本发明的实施方式不仅限于上述实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内可进行各种变形。例如，接收侧的终端不限于移动电话，只要是具备麦克风的终端，则可以是任意的终端。例如，PDA、IC录音机、便携收音机、便携电视、笔记本电脑、收录音机、游戏机等。另外，也可提供用于应用本发明的专用终端。 
标号说明 
1     信息提供系统 
10    发送装置 
11    PC主体 
12    显示器 
13    输入设备 
15    扬声器 
16    麦克风 
20    移动电话 
21    麦克风 
22    显示器 
103   A/D变换部 
104   FFT部 
107   峰值频率检测部 
108   载波生成部 
115   调制部 
118   加法器 
120   D/A变换部 
203   A/D变换部 
204   FFT部 
210    环境音蓄积部 
213    环境音减法部 
215    解调部 
218    最大似然法运算部 

Claims (6)

1.一种发送装置，其将已编码的各种信息变换为可听音频带的声波进行发送，其特征在于，该发送装置具备：
麦克风，其输入发出所述声波的场所的环境音作为环境音信号；
峰值频率检测部，其从所述环境音信号中检测以所述环境音为主构成的峰值频率；
载波生成部，其生成作为所述峰值频率的自然数倍的多个频率的载波；以及
调制部，其利用基带信号调制所述多个载波并进行合成。
2.根据权利要求1所述的发送装置，其特征在于，
所述载波生成部所生成的载波的频率是800Hz～12kHz。
3.根据权利要求1或2所述的发送装置，其特征在于，
所述调制部利用同一基带信号调制所述多个载波。
4.根据权利要求1或2所述的发送装置，其特征在于，
所述载波生成部生成三个以上的载波。
5.根据权利要求3所述的发送装置，其特征在于，
所述载波生成部生成三个以上的载波。
6.一种发送方法，用于将已编码的各种信息变换为可听音频带的声波后从扬声器发出，该发送方法的特征在于，包括以下步骤：
峰值频率检测步骤，从发出经由麦克风输入的所述声波的场所的环境音信号中检测以所述环境音为主构成的峰值频率；
载波生成步骤，生成作为所述峰值频率的自然数倍的多个频率的载波；以及
调制步骤，利用基带信号调制所述多个载波并进行合成。
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