JP2007104598A5

JP2007104598A5 -

Info

Publication number: JP2007104598A5
Application number: JP2005295526A
Authority: JP
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2025-10-07

Description

変調装置、変調方法、復調装置、及び復調方法

本発明は、音波で情報を伝達する音波情報通信技術に関するものである。

音波を用いて情報を伝達する通信技術には、超音波を用いるものと可聴音波を用いるものがある。２つの音波のうち可聴音波を利用することにより次のような利点がある。まず、現在市販されているスピーカ及びマイクロフォン等を用いて通信を行うことができることである。また、音波の伝搬は媒質の粘性による吸収減衰が生じる為、この吸収減衰は周波数に比例して大きくなる。よって、可聴音波の方が超音波よりも減衰は小さくなり、可聴音波の方が超音波よりも通信距離を長くすることができる。

しかし、可聴音波で通信する場合は、伝送信号の音が人間に聞こえるため、人間にとっては不快な騒音が発生することとなる。そこで、伝送信号をスペクトル拡散して音声又は音楽に重畳する技術がある（下記特許文献１参照）。この特許文献１に記載された技術では、心理音響モデルを用いて周波数マスキング閾値を計算し、伝送信号に拡散符号系列を乗算して全周波数帯に拡散させた拡散信号をマスキング閾値以下になるようにして重畳している。
国際公開第02/45286号パンフレット

上記特許文献１に記載の方法では、音声・音楽から伝送信号を抽出するため拡散符号の拡散利得を高くする必要がある。しかし、拡散利得を高くすることにより伝送できる情報量が少なくなる。実際に人間の聴覚に知覚できないレベルに伝送信号のレベルを抑えると、上記特許文献１に記載の方法では１秒間で数ビット程度しか情報を伝送できない。

本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、人間の聴覚に不快でないレベルに基づいた可聴音波で情報を伝送すると共に伝送情報のビットレートを向上させることを課題とする。

本発明の変調装置は、可聴音帯域の搬送波の振幅を音響信号のスペクトル包絡に合わせると共に搬送波をベースバンド信号で変調して変調信号を生成する変調手段と、音響信号における搬送波の周波数帯域の成分を変調手段が生成した変調信号と置き換えた合成音響信号を生成する音響信号生成手段と、を備えることを特徴とする。

本発明の変調方法は、変調手段が、可聴音帯域の搬送波の振幅を音響信号のスペクトル包絡に合わせると共に搬送波をベースバンド信号で変調して変調信号を生成する変調ステップと、音響信号生成手段が、音響信号における搬送波の周波数帯域の成分を変調ステップにおいて生成した変調信号と置き換えた合成音響信号を生成する音響信号生成ステップと、を備えることを特徴とする。

本発明の変調装置及び変調方法では、変調手段が可聴音帯域の搬送波の振幅を音響信号のスペクトル包絡に合わせると共に搬送波をベースバンド信号で変調して変調信号を生成するので、音響信号に基づく音を奏でる可聴音波に対応する信号を生成すると共に可聴音波によってベースバンド信号に含まれる情報をより高いビットレートで伝送可能な状態とすることとなる。そして音響信号生成手段が搬送波の周波数帯域を変調信号と置き換えて合成音響信号を生成するので、音響信号に基づく音を奏でると共に伝送情報のビットレートをより向上させて情報を伝送することができる。

また、変調手段は、音響信号のスペクトル包絡において可聴レベルに基づく所定の閾値に満たない周波数がある場合に、該周波数のスペクトルのパワーを閾値まで増幅することも好ましい。

このようにすることにより、伝送中に不快な音を発生することなく伝送信号のＳＮ比を向上させることができる。

また、本発明の変調装置及び変調方法において、変調手段は、OFDM変調方式により変調を行うことが望ましい。

本発明の復調装置は、変調装置にて、可聴音帯域の搬送波の振幅を音響信号のスペクトル包絡に合わせると共に前記搬送波をベースバンド信号で変調して変調信号を生成し、前記音響信号における前記搬送波の周波数帯域の成分を前記生成された前記変調信号に置き換えることで生成された合成音響信号、を復調する復調装置であって、前記合成音響信号から前記変調信号を抽出する抽出手段と、抽出された前記変調信号をフーリエ変換して復調する復調手段と、を備えることを特徴とする。

本発明の復調方法は、変調装置にて、可聴音帯域の搬送波の振幅を音響信号のスペクトル包絡に合わせると共に前記搬送波をベースバンド信号で変調して変調信号を生成し、前記音響信号における前記搬送波の周波数帯域の成分を前記生成された前記変調信号に置き換えることで生成された合成音響信号、を復調する復調方法であって、抽出手段が、前記合成音響信号から前記変調信号を抽出する抽出ステップと、復調手段が、抽出された前記変調信号をフーリエ変換して復調する復調ステップと、を備えることを特徴とする。

また、本発明の復調装置及び復調方法において、復調手段は、OFDM復調方式により復調を行うことが望ましい。

本発明によれば、人間の聴覚に不快でないレベルに基づいた可聴音波で情報を伝送すると共に伝送情報のビットレートを向上させることができる。

本発明に係る第１〜第２実施形態のシステムは、可聴音の音波で情報を伝達する音波情報通信システムである。以下、図面を参照しながら第１〜第２実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１に第１実施形態に係る音響信号送信システムＴＳ１の構成図を示し、図２に第１実施形態に係る音響信号受信システムＲＳ１の構成図を示す。本実施形態の音波情報通信システムは、図１、２に示す音響信号送信システムＴＳ１と音響信号受信システムＲＳ１とを備えて構成される。本実施形態の音波情報通信システムにおいて、音響信号送信システムＴＳ１が、伝達する情報を含む伝送データ信号１Ｔを音波７に乗せて出力する。そして、音響信号受信システムＲＳ１が、音響信号送信システムＴＳ１から出力された音波７を受信して、音波７から伝送データ信号１Ｒを抽出する。

音響信号送信システムＴＳ１は、伝送データ信号１Ｔを誤り訂正符号で符号化する誤り訂正符号装置２と、誤り訂正符号で符号化された符号化伝送信号３（ベースバンド信号）を可聴音帯域の音響信号である送信音響信号５Ａ（音響信号）に変換する変調装置４Ａと、送信音響信号５Ａを可聴音の音波７として再生するスピーカ６と、を備えて構成される。

音響信号受信システムＲＳ１は、音波７を受信して音響信号である受信音響信号９Ａ（音響信号）を生成するマイクロフォン８と、受信音響信号９Ａを復調して受信伝送信号１１を抽出する復調装置１０Ａと、受信伝送信号１１の誤りを訂正して伝送データ信号１Ｒを出力する誤り訂正復号装置１２と、を備えて構成される。

以下、本実施形態に係る変調装置４Ａ及び復調装置１０Ａについて詳細に説明する。

図３に、第１実施形態に係る変調装置４Ａの構成図を示す。変調装置４Ａは、Ｓ／Ｐ変換部４１、変調部５１（変調手段）、ガード時間信号生成部４３、マスカー音生成部４４（マスカー音生成手段）、音響信号生成部５２（音響信号生成手段）、フレーム同期信号生成部４５、及びＤ／Ａ変換部４６を備えて構成される。

Ｓ／Ｐ変換部４１は、符号化伝送信号３を入力して、シングルビットストリームの符号化伝送信号３をパラレルビットストリームに変換する。Ｓ／Ｐ変換部４１は、変換したパラレルビットストリームを変調部５１へ出力する。

変調部５１は、入力したパラレルビットストリームの各パラレル伝送ビットで各周波数の搬送波４２を変調し、変調した搬送波４２の信号を合成し、信号フレーム（変調信号）を形成する。変調部５１は、OFDM変調方式を用いて変調する。すなわち、搬送波４２の周波数（搬送波周波数）は、互いに直交関係にある直交周波数である。また、搬送波４２は、可聴音帯域の音波である。変調部５１は、各パラレル伝送ビットを各搬送波周波数のスペクトル係数として割り当てて、逆フーリエ変換をすることで搬送波４２の変調を行う。そして、変調部５１は、変調した各周波数の搬送波４２を合成して、信号フレームを形成する。変調部５１は、形成した信号フレームをガード時間信号生成部４３へ出力する。

ガード時間信号生成部４３では、入力した信号フレームの後方区間を複製して、複製した後方区間をガード時間信号として信号フレームの前方に連結させる。このガード時間信号によって反射波等のマルチパス干渉を回避することができる。ガード時間信号生成部４３は、信号フレーム及び生成したガード時間信号をマスカー音生成部４４へ出力する。

マスカー音生成部４４は、マスカー信号を生成する。マスカー信号とは、信号フレームおよびガード時間信号と共に音波７として伝送した場合に、信号フレーム及びガード時間信号のマスカー音として出力される信号である。マスカー音は、信号フレーム及びガード時間信号が伝送される際の音をマスキングして人間に聞こえにくくする音である。マスカー音生成部４４は、マスカー音として少なくとも１つの周波数の正弦波を選択してマスカー信号を生成する。

また、マスカー音生成部４４は、各マスカー音のうち少なくとも一部の連続したマスカー音の周波数が所定のパターンとなるようにマスカー信号の周波数を選択する。より具体的には、マスカー音生成部４４は、各信号フレームに含まれる各マスカー音が伝送される際に一連のメロディとなるように、挿入するマスカー音の周波数を選択する。マスカー音生成部４４は、複数の正弦波を合成してマスカー音を生成し、マスカー音の音色を変化させてもよい。更に、マスカー音生成部４４は、マスカー音の周波数として、搬送波４２の周波数帯域と関連付けられた周波数又は周波数パターンが選択される。すなわち、生成されたマスカー信号は、搬送波４２の周波数帯域を示す情報を含むこととなる。マスカー音生成部４４は、生成したマスカー信号、信号フレーム、及びガード時間信号を音響信号生成部５２へ出力する。

音響信号生成部５２は、信号フレームにマスカー信号を付加して音響信号を生成する。音響信号生成部５２は、ガード時間信号の前方および信号フレームの後方にマスカー信号を付加して音響信号を生成する。つまり、音響信号生成部５２は、マスカー信号が挿入された音響信号を生成する。また、音響信号生成部５２は、マスカー音とガード時間および信号フレームが位相不連続になるのを防ぐために、マスカー音区間の前方では、まず前方の信号フレームをフェードアウトさせ、マスカー音をフェードインさせるように音響信号を生成する。そして、音響信号生成部５２は、マスカー音の終端では、マスカー音をフェードアウトさせ、ガード時間をフェードインさせるように音響信号を生成する。

より具体的には、音響信号生成部５２は、前方信号フレームの前方を複製して複製を後方に連結して、前方信号フレームをフェードアウトさせるフェードアウト信号を生成する。また、音響信号生成部５２は、あらかじめガード時間を長く生成して、ガード時間をフェードインさせるフェードイン信号を生成する。音響信号生成部５２は、生成した音響信号をフレーム同期信号生成部４５へ出力する。

フレーム同期信号生成部４５は、フレーム同期信号を生成して音響信号に付加する。フレーム同期信号は、音響信号に含まれる信号フレーム、ガード時間信号、及びマスカー信号のそれぞれの場所を受信側で特定するための信号である。具体的には、フレーム同期信号は、Ｍ系列符号で変調したＰＮ（疑似ノイズ）信号である。フレーム同期信号生成部４５は、フレーム同期信号を付加した音響信号をＤ／Ａ変換部４６へ出力する。

Ｄ／Ａ変換部４６は、音響信号をアナログ信号に変換し、送信音響信号５Ａとしてスピーカ６へ出力する。

図４に、送信音響信号５Ａに含まれる信号フレーム、ガード時間信号、マスカー信号、フレーム同期信号の周波数利用例を示す。フレーム同期信号の先頭は、マスカー音の開始ポイントと一致させる。スペクトル拡散したフレーム同期信号は、環境雑音の多い低音域で伝送される。マスカー音、ガード時間、及び信号フレームは、高音域で伝送される。すなわち、フレーム同期信号は、信号フレーム、ガード時間及びマスカー信号を伝送する周波数帯とは異なる周波数帯で伝送する。

引き続いて、変調装置４Ａにおける変調方法について図５を参照しながら説明する。図５は、第１実施形態に係る変調方法のフローチャートである。

まず、符号化伝送信号３が、Ｓ／Ｐ変換部４１によってシングルビットストリームからパラレルビットストリームに変換される（Ｓ１１）。すると、各搬送波４２が、パラレルビットストリームの各パラレル伝送ビットで変調部５１によって変調（逆フーリエ変換）され、変調された各搬送波４２が合成されて信号フレームが形成される（Ｓ１２）。

形成された信号フレームの後方区間が、ガード時間信号生成部４３によって複製されて前方に連結され、ガード時間信号が生成される（Ｓ１３）。ガード時間が生成されると、マスカー信号が、マスカー音生成部４４によって生成される（Ｓ１４）。生成されたマスカー信号が、音響信号生成部５２によってガード時間の前方および信号フレームの後方に付加され、音響信号が生成される（Ｓ１５）。

音響信号が生成されると、Ｍ系列符号で変調したＰＮ（疑似ノイズ）信号が、フレーム同期信号生成部４５によって生成され、フレーム同期信号として音響信号に付加される（Ｓ１６）。このように生成した音響信号が、Ｄ／Ａ変換部４６によってアナログ信号に変換され、送信音響信号５Ａとして出力される。

このようにして出力された送信音響信号５Ａは、スピーカ６から音波７として出力され、マスカー信号に基づくマスカー音がメロディを奏でると共に空間を信号が伝搬する。そして、音波７がマイクロフォン８によって受信される。マイクロフォン８によって受信された音波７は、受信音響信号９Ａとして復調装置１０Ａへ出力される。

次に復調装置１０Ａについて説明する。図６に、第１実施形態に係る復調装置１０Ａの構成図を示す。復調装置１０Ａは、Ａ／Ｄ変換部１０１、フレーム同期部１０２、マスカー音・ガード時間除去部１０３（除去手段）、復調部１１２（復調手段）、格納部１１３（格納手段）、検出部１１４（検出手段）、及びＰ／Ｓ変換部１０５を備えて構成される。

Ａ／Ｄ変換部１０１は、受信音響信号９Ａをサンプリングし、デジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換部１０１は、変換したデジタル信号をフレーム同期部１０２へ出力する。

フレーム同期部１０２は、入力したデジタル信号を１サンプルおよび数サンプルずつずらしながらM系列符号で変調したＰＮ信号との相関をとり、相関値の最も高いポイントをフレーム同期ポイントと認識し、フレーム単位に分割する。フレーム同期部１０２は、フレーム単位に分割した分割信号をマスカー音・ガード時間除去部１０３へ出力する。

マスカー音・ガード時間除去部１０３は、分割されたフレームごとにマスカー信号及びガード時間を分割信号から除去し、信号フレームを抽出する。マスカー音・ガード時間除去部１０３は、抽出した信号フレームを復調部１１２へ出力する。マスカー音・ガード時間除去部１０３は、信号フレームから除去したマスカー信号を検出部１１４へ出力する。

復調部１１２は、信号フレームを各搬送波１０４で復調する。復調部１１２に入力される信号フレームにおいて、搬送波１０４の周波数帯が異なる信号フレームが混在する場合、復調部１１２は、それぞれの搬送波１０４の周波数帯に対応して復調する。すなわち、復調部１１２は、格納部１１３及び検出部１１４の機能を利用して復調する搬送波１０４の周波数帯を選択する。

格納部１１３は、搬送波１０４の周波数帯とマスカー信号の周波数とを関連付けて格納している。マスカー信号の周波数は、音響信号に含まれる特定のマスカー信号でもよいし、一連のメロディを構成する周波数パターンでもよい。例えば、格納部１１３は、搬送波１０４の周波数帯Ａとマスカー信号の周波数ａとを関連付けて格納する。また、例えば格納部１１３は、搬送波１０４の周波数帯Ｂとマスカー信号の周波数パターンを示す周波数パターン情報ｂとを関連付けて格納する。

検出部１１４は、マスカー音・ガード時間除去部１０３から入力したマスカー信号をフーリエ変換してマスカー信号の周波数を検出する。検出部１１４は、検出したマスカー信号の周波数を示す情報を復調部１１２へ出力する。

復調部１１２は、マスカー信号の周波数を示す情報を入力すると、入力したマスカー信号の周波数と格納部１１３によって関連付けて格納された周波数帯に基づいて、復調する搬送波１０４の周波数帯を決定する。そして、復調部１１２は、決定して周波数帯の搬送波１０４で信号フレームを復調する。

復調部１１２が、例えば、ＯＦＤＭ復調方式で復調する場合は、信号フレームをフーリエ変換する。復調部１１２は復調により得た各搬送波１０４のスペクトル係数をＰ／Ｓ変換部１０５へ出力する。

Ｐ／Ｓ変換部１０５は、入力したスペクトル係数からパラレル伝送ビットを抽出する。そして、Ｐ／Ｓ変換部１０５は、抽出したパラレル伝送ビットをシングルビットストリームに変換し、受信伝送信号１１として出力する。

以上のように構成された復調装置１０Ａは、以下のように動作する。まず、受信音響信号９Ａが入力されると、受信音響信号９ＡがＡ／Ｄ変換部１０１によってデジタル信号に変換される。変換されたデジタル信号が、フレーム同期部１０２によってフレーム単位に分割される。分割された信号が、マスカー音・ガード時間除去部１０３によってフレームごとにマスカー信号及びガード時間信号が除去され、信号フレームが抽出される。また、除去されたマスカー信号は、検出部１１４によってフーリエ変換され、マスカー音の周波数が検出される。

検出したマスカー音の周波数と関連付けて格納部１１３によって格納された周波数帯の搬送波１０４で、抽出されたそれぞれの信号フレームが復調部１１２によって復調される。復調により得られた搬送波１０４のスペクトル係数からパラレル伝送ビットがＰ／Ｓ変換部１０５によって抽出される。抽出されたパラレル伝送ビットは、シングルビットストリームにＰ／Ｓ変換部１０５によって変換されて受信伝送信号１１が生成される。

引き続いて、第１実施形態に係る変調装置４Ａ及び変調方法、並びに、復調装置１０Ａ及び復調方法についての作用効果について説明する。

上記変調装置４Ａ及び変調方法では、変調部５１が、可聴音帯域の搬送波４２をパラレル伝送ビット３で変調して信号フレームを生成するので、可聴音波によってパラレル伝送ビットに含まれる情報をより高いビットレートで伝送可能な状態とすることができる。そして、マスカー音生成部４４が信号フレームの伝送音を聞こえにくくするマスカー音として出力されるマスカー信号を生成し、音響信号生成部５２が信号フレームにマスカー信号を付加して音響信号を生成するので、情報を伝送する可聴音波を聞こえにくい状態で伝送することができる。すなわち、人間の聴覚に不快でないレベルにもとづいた可聴音波で情報を伝送すると共に伝送情報のビットレートを向上させることができる。

また、マスカー音生成部４４は、変調信号に挿入された各マスカー信号を正弦波で構成し、各マスカー音のうち少なくとも一部の連続したマスカー音の周波数が所定のパターンとなるようにマスカー信号の周波数を選択することも好ましい。このようにすることにより、伝送情報のビットレートを維持すると共に、音響信号の伝送中にマスカー音によって奏でる音のパターンを選択することができる。特に、マスカー音生成部４４が、各信号フレームに含まれる各マスカー音が伝送される際に一連のメロディとなるように、マスカー音の周波数を選択することにより、音響信号の伝送中にメロディを奏でることができる。

上記復調装置１０Ａでは、マスカー音・ガード時間除去部１０３が、フレーム単位に分割された受信変調信号からマスカー信号を除去し信号フレームを抽出し、復調部１１２が信号フレームを復調するので、信号フレームとマスカー信号とを含む音響信号から信号フレームに含まれる情報を抽出することができる。

上記復調装置１０Ａでは、搬送波１０４の周波数帯域とマスカー音の周波数とを関連付けて格納部１１３が格納し、検出部１１４がマスカー信号の周波数を検出するので、搬送波の周波数帯域を把握するために必要な情報を提供することができる。よって、復調部１１２が、検出部１１４が検出したマスカー信号の周波数と格納部１１３によって関連付けて格納された周波数帯域において音響信号を復調するので、的確に復調を行うことができる。

（第２実施形態）
本実施形態に係る音波情報伝送システムは、音声・音楽と並列に伝送信号をスピーカから再生させて情報を伝送するシステムである。本実施形態の音波情報伝送システムは、音響信号送信システムと音響信号受信システムとを備えて構成される。図７に、第２実施形態に係る音響信号送信システムＴＳ２の構成図を示す。

本実施形態の音響信号送信システムＴＳ２は、誤り訂正符号装置２、変調装置４Ｂ、及びスピーカ６を備えて構成される。変調装置４Ｂの入力信号は、符号化伝送信号３に加えて音声または音楽等の音響信号１３がある。本実施形態に係る音響信号送信システムＴＳ２と第１実施形態に係る音響信号送信システムＴＳ１との相違点は、変調装置４Ａに換えて変調装置４Ｂを備え、変調装置４Ｂが音響信号１３を入力する点である。

本実施形態の音響信号受信システムは、第１実施形態の音響信号受信システムＲＳ１と同様な構成であり、復調装置１０Ａに換えて復調装置１０Ｂを備える。

変調装置４Ｂは、符号化伝送信号３を音響信号として伝送できるように変換し、音響信号１３と合成して合成音響信号１４Ｂを出力する。合成音響信号１４Ｂは、音響信号受信システムのマイクロフォン８によって受信音響信号９Ｂとして受信される。復調装置１０Ｂは、受信音響信号９Ｂから受信伝送信号１１を抽出する。引き続いて、変調装置４Ｂと復調装置１０Ｂとについて詳細に説明する。

図８に、第２実施形態に係る変調装置４Ｂの構成図を示す。変調装置４Ｂは、Ｓ／Ｐ変換部４１、スペクトル包絡振幅調整部４７、変調部５３（変調手段）、ガード時間信号生成部４３、フレーム同期信号生成部４５、バンドパスフィルタ４８、音響信号生成部５４（音響信号生成手段）、及びＤ／Ａ変換部４６を備えて構成される。Ｓ／Ｐ変換部４１、ガード時間信号生成部４３、フレーム同期信号生成部４５、及びＤ／Ａ変換部４６が有する機能は、第１実施形態に係る変調装置４Ａに含まれる部分と同様なので説明を省略する。

スペクトル包絡振幅調整部４７は、音響信号１３を入力として、入力した音響信号をフーリエ変換し、音響信号１３のスペクトル包絡を計算する。すなわち、スペクトル包絡振幅調整部４７は、音響信号１３の各周波数における振幅を計算する。そして、スペクトル包絡振幅調整部４７は、スペクトル包絡の計算結果を変調部５３へ出力する。また、スペクトル包絡振幅調整部４７は、入力した音響信号１３をバンドパスフィルタ４８へ出力する。

変調部５３は、Ｓ／Ｐ変換部４１から入力したパラレルビットストリームに受信側（復調装置１０Ｂ）で既知の伝送ビットをパイロット信号４９としてパラレルに付加する。次に、変調部５３は、スペクトル包絡振幅調整部４７から出力されたスペクトル包絡の計算結果に基づいて、パイロット信号４９を含めたパラレル伝送ビットの各ビットに、音響信号１３の各周波数の振幅情報をそれぞれ対応させて付加する。そして、変調部５３は、音響信号１３の振幅情報が付加された各伝送ビットで搬送波４２を変調する。

このようにして、変調部５３は、各搬送波４２の振幅を音響信号１３のスペクトル包絡に合わせると共に、パイロット信号４９を含めたパラレル伝送ビットの各ビットで各搬送波４２を変調する。変調部５３は、ＯＦＤＭ変調方式を用いて変調する。すなわち、変調部５３は、搬送波４２の周波数として互いに直交関係にある直交周波数を用い、スペクトル包絡とパラレル伝送ビットを各搬送波周波数のスペクトル係数として割り当て、逆フーリエ変換することで変調する。

また、変調部５３は、計算結果が示すスペクトル包絡において可聴レベルに基づく所定の閾値に満たない周波数がある場合に、その周波数のスペクトルのパワーを閾値まで増幅する。閾値は、例えば、可聴レベル以下又は許容範囲の値以下に設定される。変調部５３は、変調した各搬送波４２の信号を合成し、信号フレームを形成する。変調部５３は、形成した信号フレームをガード時間信号生成部４３へ出力する。

バンドパスフィルタ４８は、入力した音響信号１３における搬送波４２の周波数帯域の成分を除去して音響信号生成部５４へ出力する。

音響信号生成部５４は、フレーム同期信号生成部４５から出力されるフレーム信号とガード時間信号とフレーム同期信号と、バンドパスフィルタ４８から出力される音響信号１３と、を重畳して合成音響信号１４Ｂを生成する。すなわち、音響信号生成部５４は、音響信号１３における搬送波４２の周波数帯域の成分を変調信号と置き換えて合成音響信号１４Ｂを生成することとなる。音響信号生成部５４は、生成した合成音響信号１４ＢをＤ／Ａ変換部４６へ出力する。

合成音響信号の生成方法について図９を参照してより詳細に説明する。図９（ａ）は、音響信号１３のスペクトルの例を示す。バンドパスフィルタ４８は、図９（ｂ）に示すように、図９（ａ）に示す音響信号１３から搬送波４２の周波数帯域Ｄの成分を除去する。図９（ｂ）において、実線部分が周波数帯域Ｄの成分が除去された音響信号１３を示し、点線が除去した周波数帯域Ｄを示す。

変調部５３は、図９（ｃ）に示すように、各搬送波４２の振幅をスペクトル包絡に合わせ、各搬送波４２を変調して変調信号４２Ｆを生成する。音響信号生成部５４は、図９（ｃ）に示すように、変調信号４２Ｆと周波数帯域Ｄの成分が除去された音響信号１３とを重畳して合成変調信号１４Ｂを生成する。

図１０に、合成音響信号１４Ｂに含まれる信号フレーム、ガード時間信号、マスカー信号、フレーム同期信号の周波数利用例を示す。フレーム同期信号の先頭は、ガード時間の開始ポイントと一致させる。スペクトル拡散したフレーム同期信号は、音響信号１３の成分が残っている低音域で伝送される。ガード時間、及び信号フレームは、高音域で伝送される。すなわち、フレーム同期信号は、信号フレーム及びガード時間を伝送する周波数帯とは異なる周波数帯で伝送する。

引き続いて、変調装置４Ｂにおける変調方法について図１１を参照しながら説明する。図１１は、第２実施形態に係る変調方法のフローチャートである。

まず、符号化伝送信号３が、Ｓ／Ｐ変換部４１によってシングルビットストリームからパラレルビットストリームに変換される（Ｓ２１）。また、音響信号１３のスペクトル包絡が、スペクトル包絡振幅調整部４７によって計算される（Ｓ２２）。閾値に満たない音響信号１３の周波数がある場合に、該当する周波数のパワーが変調部５３によって増幅される（Ｓ２３）。

その後、スペクトル包絡の計算結果に示される音響信号１３の各周波数の振幅情報が、パイロット信号４９を含めたパラレル伝送ビットの各ビットに、それぞれ対応させて付加される。そして、音響信号１３の振幅情報が付加された各伝送ビットで搬送波４２が変調される。すなわち、搬送波４２の振幅を音響信号１３がスペクトル包絡に合わせて変調部５３によって調整されると共に各搬送波４２が各伝送ビットで変調（逆フーリエ変換）される。そして、変調された各搬送波４２の信号が合成されて信号フレームが形成される（Ｓ２４）。

形成された信号フレームの後方区間が、ガード時間信号生成部４３によって複製されて前方に連結され、ガード時間信号が生成される（Ｓ２５）。ガード時間が生成されると、Ｍ系列符号で変調したＰＮ（疑似ノイズ）信号が、フレーム同期信号生成部４５によって生成され、フレーム同期信号として信号フレームに付加される（Ｓ２６）。

搬送波４２の周波数帯域が削除された音響信号１３と信号フレームとが、音響信号生成部５４によって重畳されて、合成音響信号が生成される（Ｓ２７）。生成した合成音響信号１４Ｂが、Ｄ／Ａ変換部４６によってアナログ信号に変換されて出力される（Ｓ２８）。

このようにして出力された合成音響信号１４Ｂは、スピーカ６から音波７として出力され、音響信号１３に基づくメロディを奏でると共に空間を信号が伝搬する。そして、音波７が音響信号受信システムに含まれるマイクロフォン８によって受信される。マイクロフォン８によって受信された音波７は、受信音響信号９Ｂとして復調装置１０Ｂへ出力される。

次に復調装置１０Ｂについて説明する。図１２に、第２実施形態に係る復調装置１０Ｂの構成図を示す。復調装置１０Ｂは、Ａ／Ｄ変換部１０１、バンドパスフィルタ１０６、フレーム同期部１０２、ガード時間除去部１１５、復調部１１２、位相補正部１０９、及びＰ／Ｓ変換部１０５を備えて構成される。このうち、Ａ／Ｄ変換部１０１、フレーム同期部１０２、及びＰ／Ｓ変換部１０５は、上述した第１実施形態に係る復調装置１０Ａが備える部分と同様な機能を有するので、説明を省略する。

バンドパスフィルタ１０６は、Ａ／Ｄ変換部１０１によって出力されたデジタル信号を入力し、入力したデジタル信号をフレーム同期信号成分のある帯域と、信号フレーム成分のある帯域に分割する。フレーム同期信号成分のある帯域の信号をフレーム同期信号１０７とし、信号フレーム成分のある帯域の信号をＯＦＤＭ変調信号１０８とする。バンドパスフィルタ１０６は、フレーム同期信号１０７とＯＦＤＭ変調信号１０８とをそれぞれフレーム同期部１０２へ出力する。

フレーム同期部１０２は、フレーム同期信号１０７を１サンプルおよび数サンプルずつずらしながらM系列符号で変調したＰＮ信号との相関をとり、相関値の最も高いポイントをフレーム同期ポイントと認識する。そして、フレーム同期部１０２は、認識したフレーム同期ポイントに応じてＯＦＤＭ変調信号１０８をフレーム単位に分割する。フレーム同期部１０２は、分割したＯＦＤＭ変調信号１０８をガード時間除去部１１５へ出力する。

ガード時間除去部１１５は、分割されたフレームごとにガード時間を除去し、信号フレームを抽出する。ガード時間除去部１１５は、抽出した信号フレームを復調部１１６へ出力する。

復調部１１６は、抽出した信号フレームに対して各搬送波１０４で復調する。復調部１１６は、信号フレームをフーリエ変換してＯＦＤＭ復調方式により復調する。

位相補正部１０９は、復調された搬送波１０４からパイロット信号を抽出する。そして位相補正部１０９は、抽出したパイロット信号のスペクトル係数と既知のパイロット信号４９のスペクトル係数とを比較することにより、パイロット信号の信号変化を検出する。そして位相補正部１０９は、検出した信号変化に基づいて他の搬送波１０４の信号の補正をする。位相補正部１０９は、補正した信号をＰ／Ｓ変換部１０５へ出力する。

Ｐ／Ｓ変換部１０５は、入力した信号からパラレル伝送ビットを抽出する。そして、Ｐ／Ｓ変換部１０５は、抽出したパラレル伝送ビットをシングルビットストリームに変換し、受信伝送信号１１として出力する。

以上のように構成された復調装置１０Ｂは、以下のように動作する。まず、受信音響信号９Ｂが入力されると、受信音響信号９ＢがＡ／Ｄ変換部１０１によってデジタル信号に変換される。変換されたデジタル信号が、フレーム同期信号１０７とＯＦＤＭ変調信号１０８とにバンドパスフィルタ１０６によって分割される。ＯＦＤＭ変調信号１０８がフレーム同期信号１０７に基づいてフレーム同期部１０２によってフレーム単位に分割される。分割されたデジタル信号が、ガード時間除去部１１５によってフレームごとにガード時間信号が除去され、信号フレームが抽出される。

抽出されたそれぞれの信号フレームが搬送波１０４で復調部１１６によって復調される。復調された信号フレームからパイロット信号が位相補正部１０９によって抽出され、抽出されたパイロット信号と既知のパイロット信号４９との変化から他の搬送波１０４の信号が補正される。搬送波１０４の補正後、搬送波１０４のスペクトル係数からパラレル伝送ビットがＰ／Ｓ変換部１０５によって抽出される。抽出されたパラレル伝送ビットは、シングルビットストリームにＰ／Ｓ変換部１０５によって変換されて受信伝送信号１１が生成される。

引き続いて、第２実施形態に係る変調装置４Ｂ、変調方法、及び復調装置１０Ｂについての作用効果について説明する。

上記変調装置４Ｂ及び変調方法では、変調部５３が可聴音帯域の搬送波４２の振幅を音響信号１３のスペクトル包絡に合わせると共に搬送波４２をベースバンド信号で変調して変調信号を生成するので、音響信号１３に基づく音を奏でる可聴音波を生成すると共に可聴音波によってベースバンド信号に含まれる信号をより高いビットレートで伝送可能な状態とすることとなる。そして音響信号生成部５４が搬送波４２の周波数帯域を変調信号と置き換えて合成音響信号を生成するので、音響信号１３に基づく音を奏でると共に伝送情報ビットレートを向上させて情報を伝送することができる。

また、変調部５３は、音響信号１３のスペクトル包絡において可聴レベルに基づく所定の閾値に満たない周波数がある場合に、該周波数のスペクトルのパワーを閾値まで増幅するので、伝送中に不快な音を発生することなく伝送信号のＳＮ比を向上させることができる。

また、位相補正部１０９は、既知の信号（例えば、パイロット信号）で変調された搬送波４２の信号の変化から他の搬送波４２の信号の変化を推定して信号を補正するので、信号伝搬中に生じた信号の振幅又は位相の変化を補正することができる。よって、信号の変化による信号の識別の誤りを低減することができる。

また、上記変調装置４Ａにおいて、信号フレームに含まれる特定の搬送波４２をパイロット信号４９で変調し、上記復調装置１０Ｂにおいて、特定の搬送波４２の信号変化から他の搬送波４２の信号を補正するとした。これに対して、特定の信号フレームの全ての搬送波４２をパイロット信号４９で変調し、その信号フレームの各搬送波４２の信号変化から、他の信号フレームのそれぞれ同じ搬送波４２の信号を補正してもよい。このように、既知の信号で変調されたある時間帯の信号の変化から他の時間帯の信号の変化を推定し、信号を補正してもよい。このようにすることにより、信号の変化による信号の識別の誤りを低減することができる。

第１実施形態に係る音響信号送信システムの構成図である。第１実施形態に係る音響信号受信システムの構成図である。第１実施形態に係る変調装置の構成図である。第１実施形態に係る変調装置から出力される送信音響信号の周波数利用例である。第１実施形態に係る変調方法のフローチャートである。第１実施形態に係る復調装置の構成図である。第２実施形態に係る音響信号送信システムの構成図である。第２実施形態に係る変調装置の構成図である。第２実施形態に係る変調方法を説明するための図である。第２実施形態に係る変調装置から出力される送信音響信号の周波数利用配置の例である。第２実施形態に係る変調方法のフローチャートである。第２実施形態に係る復調装置の構成図である。

１Ｔ…伝送データ信号、１Ｒ…伝送データ信号、２…誤り訂正符号装置、３…符号化伝送信号、４Ａ、４Ｂ…変調装置、５Ａ…送信音響信号、６…スピーカ、７…音波、８…マイクロフォン、９Ａ、９Ｂ…受信音響信号、１０Ａ、１０Ｂ…復調装置、１１…受信伝送信号、１２…誤り訂正復号装置、１３…音響信号、１４Ｂ…合成音響信号、４１…Ｓ／Ｐ変換部、４２…搬送波、４３…ガード時間信号生成部、４４…マスカー音生成部、４５…フレーム同期信号生成部、４６…Ｄ／Ａ変換部、４７…スペクトル包絡振幅調整部、４８…バンドパスフィルタ、４９…パイロット信号、５１…変調部、５２…音響信号生成部、５３…変調部、５４…音響信号生成部、１０１…Ａ／Ｄ変換部、１０２…フレーム同期部、１０３…マスカー音・ガード時間除去部、１０４…搬送波、１０５…Ｐ／Ｓ変換部、１０６…バンドパスフィルタ、１０７…フレーム同期信号、１０８…ＯＦＤＭ変調信号、１０９…位相補正部、１１２…復調部、１１３…格納部、１１４…検出部、１１５…ガード時間除去部、１１６…復調部、ＲＳ１，ＲＳ２…音響信号送信システム、ＴＳ１，ＴＳ２…音響信号送信システム。

Claims

可聴音帯域の搬送波の振幅を音響信号のスペクトル包絡に合わせると共に前記搬送波をベースバンド信号で変調して変調信号を生成する変調手段と、
前記音響信号における前記搬送波の周波数帯域の成分を前記変調手段が生成した前記変調信号と置き換えた合成音響信号を生成する音響信号生成手段と、
を備えることを特徴とする変調装置。
前記変調手段は、前記音響信号のスペクトル包絡において可聴レベルに基づく所定の閾値に満たない周波数がある場合に、該周波数のスペクトルのパワーを前記閾値まで増幅することを特徴とする請求項１に記載の変調装置。
前記変調手段は、OFDM変調方式により前記変調を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の変調装置。
変調手段が、可聴音帯域の搬送波の振幅を音響信号のスペクトル包絡に合わせると共に前記搬送波をベースバンド信号で変調して変調信号を生成する変調ステップと、
音響信号生成手段が、前記音響信号における前記搬送波の周波数帯域の成分を前記変調ステップにおいて生成した前記変調信号と置き換えた合成音響信号を生成する音響信号生成ステップと、
を備えることを特徴とする変調方法。
前記変調ステップでは、前記変調手段は、OFDM変調方式により前記変調を行うことを特徴とする請求項４に記載の変調方法。
変調装置にて、可聴音帯域の搬送波の振幅を音響信号のスペクトル包絡に合わせると共に前記搬送波をベースバンド信号で変調して変調信号を生成し、前記音響信号における前記搬送波の周波数帯域の成分を前記生成された前記変調信号に置き換えることで生成された合成音響信号、
を復調する復調装置であって、
前記合成音響信号から前記変調信号を抽出する抽出手段と、
抽出された前記変調信号をフーリエ変換して復調する復調手段と、
を備えることを特徴とする復調装置。
前記復調手段は、OFDM復調方式により前記復調を行うことを特徴とする請求項６に記載の復調装置。
変調装置にて、可聴音帯域の搬送波の振幅を音響信号のスペクトル包絡に合わせると共に前記搬送波をベースバンド信号で変調して変調信号を生成し、前記音響信号における前記搬送波の周波数帯域の成分を前記生成された前記変調信号に置き換えることで生成された合成音響信号、
を復調する復調方法であって、
抽出手段が、前記合成音響信号から前記変調信号を抽出する抽出ステップと、
復調手段が、抽出された前記変調信号をフーリエ変換して復調する復調ステップと、
を備えることを特徴とする復調方法。
前記復調ステップでは、前記復調手段は、OFDM復調方式により前記復調を行うことを特徴とする請求項８に記載の復調方法。