JP2007228564A - データ送信装置及びデータ受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】情報データ１１と付加情報１４とを安全に伝送するためのデータ通信装置１を提供する。
【解決手段】データ送信装置１０１において、乱数列生成部１１１は、鍵情報１１から乱数列１２を生成する。拡散部１１２は、付加情報１４を時間拡散し、拡散付加情報１４を生成する。多値信号生成部１１３は、情報データ１３と乱数列１２と拡散付加情報１４とに基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値信号１６を生成する。データ受信装置２０１において、乱数列生成部２１１は、鍵情報２１から乱数列２２を生成する。情報データ復号化２１３は、乱数列２２に基づいて多値信号２６から情報データ２３及び付加情報２４を復号する。
【選択図】図１

Description

本発明は、第三者による不法な盗聴・傍受を防ぐ秘密通信を行う装置に関する。より特定的には、正規の送受信者間で、特定の符号化／復号化（変調／復調）方式を選択・設定してデータ通信を行うデータ送信及びデータ受信装置に関する。

従来、特定者同志でのみ通信を行うためには、送信／受信間で符号化／復号化のための元情報（鍵情報）を共有し、当該元情報に基づいて、伝送すべき情報データ（平文）を数学的に演算／逆演算することにより秘密通信を実現する構成が一般的に採用されている。これに対して、近年、伝送路における物理現象を積極的に利用した暗号方式がいくつか提案されている。その中の１つとして、光伝送路で発生する量子雑音を利用して暗号通信を行うＹ−００プロトコルと呼ばれる方式がある。特許文献１には、Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置が開示されている。

図１０は、Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置９の構成例を示すブロック図である。図１０において、従来のデータ通信装置９は、送信部９０１と、受信部９０２とが、光伝送路９１０を介して接続された構成である。送信部９０１は、乱数列生成部９１１と、スクランブル部９１２と、変調部９１３とを備える。受信部９０２は、復調部９１５と、乱数列生成部９１４と、情報データ復号部９１６とを備える。なお、送信部９０１と受信部９０２とは、同じ内容の鍵情報９１、９６を予め共有しているものとする。

送信部９０１において、乱数列生成部９１１は、鍵情報９１に基づいて、乱数列９２を生成する。スクランブル部９１２は、情報データ９０と乱数列９２とのパターンの組合せに対応したレベルを有する信号を、スクランブル情報データ９３として生成する。具体的には、スクランブル部９１２は、例えば、図１１に示す信号フォーマットを用いて、強度変調信号であるスクランブル情報データ９３を生成する。すなわち、スクランブル部９１２は、乱数列９２を２Ｍ通りのパターンに分け、これらのパターンを２個ずつＭ個の組み合わせ（以下、この組み合わせを基底と記す）とし、各基底の一方のレベルに情報データ９０の“０”を、他方のレベルに“１”を割り当てる。このとき、スクランブル部９１２は、情報データ９０の“０”と“１”とに相当するレベルが偏らないように、各基底に対して“０”と“１”とを均等に割り当てる。図１１の例では、“０”と“１”とがスクランブル情報データ９３のレベル増加方向に対して交互に割り当てられている。

なお、特許文献１には、乱数列９１１が「送信用擬似乱数発生部」として、スクランブル部９１２が「変調方式指定部」及び「レーザ変調駆動部」として、変調部９１３が「レーザダイオード」として、復調部９１５が「フォトディテクタ」として、乱数列生成部９１４が「受信用擬似乱数発生部」として、情報データ復号部９１６が「判定回路」として記載されている。

図１２は、従来のデータ通信装置９で用いられる信号形態を説明するための模式図である。乱数列のパターン数が４（すなわち、Ｍ＝４、パターン＃０：”００”、パターン＃１：”０１”、パターン＃２：”１０”、パターン＃３：”１１”）である場合の信号形態の変化の例を、図１２（ａ）〜（ｇ）に示す。例えば、情報データ９０の値が“０１１１”（図１２（ａ）参照）、乱数列９２のパターンが”００”、”１１”、”１０”、”０１”（図１２（ｂ）参照）のように変化する場合、スクランブル情報データ９３のレベルは、図１２（ｃ）に示すように“０３６１”と変化する。変調部９１３は、スクランブル情報データ９３を光強度変調信号である変調信号９４に変換し、光伝送路９１０を介して送信する。

また、受信部９０２において、復調部９１５は、光伝送路９１０を介して伝送されてきた変調信号９４を光電変換し、スクランブル情報データ９５として出力する。乱数列生成部９１４は、鍵情報９６に基づいて、送信部９０１の乱数列９２と同じ乱数列９７を生成する。情報データ復号部９１６は、乱数列９７のパターンに基づいて、図１１に示すスクランブル情報データのレベルの組み合わせのうちどちらが用いられているかを識別し、当該識別結果に基づいて情報データ９８を復号する。

具体的には、情報データ復号部９１６は、図１２（ｅ）に示すように、乱数列９７のパターンに基づいて識別レベルを設定し、スクランブル情報データ９５のレベルが識別レベルよりも高いか、あるいは低いかを識別する。この例では、情報データ復号部９１６は、スクランブル情報データ９５のレベルが識別レベルよりも“低、低、高、低”と識別している。次に、情報データ復号部９１６は、乱数列９７のパターン＃（番号）が偶数の場合は、低が“０”、高が“１”、奇数の場合は、低が“１”、高が“０”と判定し、判定した値を情報データ９８として出力する。この例では、乱数列９７のパターン番号は、＃０、＃３、＃２、＃１となり、すなわち、“偶数、奇数、偶数、奇数”となっているため、情報データ９８は“０１１１”となる。なお、スクランブル情報データ９５には、雑音が含まれているが、信号レベルを適切に設定することで、２値識別における誤りの発生を無視できる程度に抑えることができる。

次に、想定される盗聴について説明する。盗聴者は、送信者と受信者とが共有する鍵情報を持たない状態で、変調信号９４から情報データ９０または鍵情報９１の解読を試みる。盗聴者は、正規受信者と同様の２値識別を行う場合、鍵情報を持っていないため、鍵情報が取り得る全ての値に対して、スクランブル情報データ９５の識別を試みる必要がある。このような方法は、試行回数が鍵情報の長さに対して指数関数的に増大するため、鍵情報の長さが十分長い場合には現実的ではない。

そこで、より効率的な方法として、盗聴者は、図１０に示すような盗聴受信部９０３を用いて、変調信号９４から情報データ９０又は鍵情報９１の解読を試みることが考えられる。盗聴受信部９０３において、復調部９２１は、光伝送路９１０から分岐して得られる変調信号９４から多値信号８１を復調する。多値識別部９２２は、多値信号８１を多値識別し、識別によって得られた情報を受信系列８２として出力する。解読処理部９２３は、受信系列８２に対して解読処理を行い、情報データ９０又は鍵情報９１の特定を試みる。このような解読方法を用いた場合、盗聴受信部９０３は、もし多値信号８１を誤り無く多値識別することができれば、識別によって得られた受信系列８２から１回の試行で、情報データ９０または鍵情報９１の解読を行うことが可能となる。

しかし、復調部９２１で変調信号９４を光電変換する際に、ショット雑音が発生し、多値信号８１に重畳される。このショット雑音は、量子力学の原理により必ず発生することが知られている。ここで、多値信号８１の信号レベルの間隔をショット雑音のレベルよりも十分に小さくしておけば、識別誤りによって受信した多値信号８１が正しい信号レベル以外の様々な多値レベルを取る可能性が無視できなくなる。よって盗聴者は、多値信号８１の正しい信号レベルが、識別によって得られた信号レベル以外の値である可能性を考慮して、受信系列８２の解読処理を行う必要があるため、識別誤りが無い場合と比較して解読処理に要する試行回数（受信可能性数）、すなわち計算量が増大し、結果として盗聴に対する安全性が向上する。
特開２００５−５７３１３号公報

しかしながら、復調部９２１において発生するショット雑音のレベルは有限であるので、受信系列８２の解読処理に要する試行回数はある程度限定されてしまう。そのため、従来のデータ通信装置９は、盗聴者による受信系列８２の解読が成功し、情報データ９０または鍵情報９１が特定されてしまうという危険性を根本的に解決できないという課題を有していた。

それ故に、本発明の目的は、上記課題を解決するものであり、鍵更新による安全性の確保を目指して、情報データと共に付加情報（新しい鍵情報など）を安全に伝送するためのデータ送信装置及びデータ受信装置を提供することである。

本発明は、所定の鍵情報を用いて情報データを暗号化し、受信装置との間で秘密通信を行うデータ送信装置に向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明のデータ送信装置は、所定の鍵情報に基づいて、乱数列を生成する乱数列生成部と、乱数列に基づいて、所定の付加情報を時間拡散し、拡散付加情報を生成する拡散部と、情報データと乱数列と拡散付加情報とに基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する信号を生成し、当該生成した信号に所定の変調処理を施し、変調信号として出力する多値信号変調部とを備える。

多値信号変調部は、情報データと乱数列と拡散付加情報とに基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値信号を生成する多値信号生成部と、多値信号に所定の変調処理を施し、変調信号を出力する変調部とを含む。

好ましくは、多値信号生成部は、情報データと乱数列とに基づいて、信号レベルが多値にスクランブルされたスクランブル情報データを生成するスクランブル部と、スクランブル情報データに拡散付加情報を重畳することにより、多値信号を生成する付加情報重畳部とを有する。

また、多値信号生成部は、情報データと乱数列と拡散付加情報とを、所定の方法に従ってデジタル加算した値をアナログ値に変換することによって、多値信号を生成してもよい。

好ましくは、所定の鍵情報は、第１の鍵情報と第２の鍵情報とを少なくとも含む。このような場合、乱数列生成部は、第１の鍵情報に基づいて、第１の乱数列を生成する第１の乱数列生成部と、第２の鍵情報に基づいて、第２の乱数列を生成する第２の乱数列生成部とを含む。拡散部は、第２の乱数列に基づいて、付加情報を時間拡散することで拡散付加情報を生成する。多値信号生成部は、情報データと第１の乱数列と拡散付加情報とに基づいて、多値信号を生成する。

多値信号変調部は、情報データと乱数列とに基づいて、信号レベルが多値にスクランブルされたスクランブル情報データを生成するスクランブル部と、スクランブル情報データに所定の変調処理を施し、第１の変調信号を生成する第１の変調部と、拡散付加情報に所定の変調処理を施し、第２の変調信号を生成する第２の変調部と、第１の変調信号と第２の変調信号とを加算し、当該加算した信号を変調信号として出力する加算部とを含む。

好ましくは、所定の鍵情報は、第１の鍵情報と第２の鍵情報とを少なくとも含んでいる。このような場合、乱数列生成部は、第１の鍵情報に基づいて、第１の乱数列を生成する第１の乱数列生成部と、第２の鍵情報に基づいて、第２の乱数列を生成する第２の乱数列生成部とを含む。スクランブル部は、情報データと第１の乱数列とに基づいて、信号レベルが多値にスクランブルされたスクランブル情報データを生成する。拡散部は、第２の乱数列に基づいて、付加情報を時間拡散することで拡散付加情報を生成する。

好ましくは、拡散付加情報の信号電力は、拡散付加情報のチップレートに相当する信号帯域内に含まれる雑音電力よりも小さい。また、拡散付加情報の信号レベルは、多値信号の信号レベルが、スクランブル情報データが取り得るいずれかの信号レベルとなるように調整される。また、拡散付加情報の信号レベルは、スクランブル情報データの隣接信号点間距離の整数倍となる。

好ましくは、拡散付加情報のチップレートは、多値信号のシンボルレートの整数倍である。また、拡散付加情報のチップレートは、スクランブル情報データのシンボルレートの整数倍であってよい。

好ましくは、拡散部に入力される乱数列は、所定の区間が略周期的に間引かれた上で、付加情報の時間拡散に用いられる。

また、本発明は、所定の鍵情報を用いて暗号化された情報データを受信し、送信装置との間で秘密通信を行うデータ受信装置にも向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明のデータ受信装置は、所定の鍵情報に基づいて、乱数列を生成する乱数列生成部と、送信装置から受信した変調信号に所定の復調処理を施し、信号レベルが略乱数的に変化する多値信号を出力する復調部と、多値信号を２つの経路に分離する分離部と、乱数列に基づいて、一方の経路に分離された多値信号から情報データを復号する情報データ復号部と、情報データと乱数列とに基づいて、信号レベルが多値にスクランブルされたスクランブル情報データを生成するスクランブル部と、他方の経路に分離された多値信号からスクランブル情報データを除去することによって、乱数列に基づいて所定の付加情報が時間拡散された拡散付加情報を出力するスクランブル情報データ除去部と、乱数列を用いて、拡散付加情報に逆拡散処理を施し、付加情報を復号する逆拡散部とを備える。

好ましくは、所定の鍵情報は、第１の鍵情報と第２の鍵情報とを少なくとも含んでいる。このような場合、乱数列生成部は、第１の鍵情報に基づいて、第１の乱数列を生成する第１の乱数列生成部と、第２の鍵情報に基づいて、第２の乱数列を生成する第２の乱数列生成部とを含む。情報データ復号化部は、第１の乱数列に基づいて、一方の経路に分離された多値信号から情報データを復号する。スクランブル部は、情報データと第１の乱数列とに基づいて、信号レベルが多値にスクランブルされたスクランブル情報データを生成する。スクランブル情報データ除去部は、他方の経路に分離された多値信号からスクランブル情報データを除去することによって、第２の乱数列に基づいて所定の付加情報が時間拡散された拡散付加情報を出力する。逆拡散部は、第２の乱数列を用いて、拡散付加情報に逆拡散を施し、付加情報を復号する。

好ましくは、拡散付加情報の信号電力は、拡散付加情報のチップレートに相当する信号帯域内に含まれる雑音電力よりも小さい。また、拡散付加情報の信号レベルは、多値信号の信号レベルが、スクランブル情報データが取り得るいずれかの信号レベルとなるように調整される。また、拡散付加情報の信号レベルは、スクランブル情報データの隣接信号点間距離の整数倍となる。

好ましくは、拡散付加情報のチップレートは、多値信号のシンボルレートの整数倍である。また、拡散付加情報のチップレートは、スクランブル情報データのシンボルレートの整数倍であってよい。

好ましくは、拡散部に入力される乱数列は、所定の区間が略周期的に間引かれた上で、付加情報の時間拡散に用いられる。

また、上述したデータ送信装置が備える乱数列生成部と、拡散部と、多値信号変調部とが行うそれぞれの処理は、一連の処理手順を与えるデータ送信方法としても捉えることができる。すなわち、所定の鍵情報に基づいて、乱数列を生成する乱数列生成ステップと、乱数列に基づいて、所定の付加情報を時間拡散し、拡散付加情報を生成する拡散ステップと、情報データと乱数列と拡散付加情報とに基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する信号を生成し、当該生成した信号に所定の変調処理を施し、変調信号として出力する多値信号変調ステップとを備える、データ送信方法である。

また、上述したデータ受信装置が備える乱数列生成部と、復調部と、分離部と、情報データ復号部とが行うそれぞれの処理は、一連の処理手順を与えるデータ受信方法としても捉えることができる。すなわち、所定の鍵情報に基づいて、乱数列を生成する乱数列生成ステップと、送信装置から受信した変調信号に所定の復調処理を施し、信号レベルが略乱数的に変化する多値信号を出力する復調ステップと、多値信号を２つの経路に分離する分離ステップと、乱数列に基づいて、一方の経路に分離された多値信号から情報データを復号する情報データ復号ステップと、情報データと乱数列とに基づいて、信号レベルが多値にスクランブルされたスクランブル情報データを生成するステップと、他方の経路に分離された多値信号からスクランブル情報データを除去することによって、乱数列に基づいて所定の付加情報が時間拡散された拡散付加情報を出力するスクランブル情報データ除去ステップと、乱数列を用いて、拡散付加情報に逆拡散処理を施し、付加情報を復号する逆拡散ステップとを備える、データ受信方法である。

以上のように本発明に係るデータ送信装置及びデータ受信装置によれば、時間拡散した付加情報をスクランブル情報データに多重して多値信号を生成することで、通信の秘匿性を高めることができる。また、通信の秘匿性を確保しながら、情報データと共に付加情報も伝送するので、付加情報で更新用の鍵情報を伝送することが可能となる。従って、データ送信装置及びデータ受信装置は、鍵情報を定期的に更新することが可能となり、解読に対する耐性をさらに向上させることができる。

本発明のこれらおよび他の目的、特徴、局面、効果は、添付図面と照合して、以下の詳細な説明から一層明らかになるであろう。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る通信装置１の構成の一例を示すブロック図である。図１において、データ通信装置１は、データ送信装置１０１と、データ受信装置２０１とが、伝送路１１０を介して接続された構成である。データ送信装置１０１とデータ受信装置２０１とは、同じ内容の鍵情報１１、２１を予め共有している。伝送路１１０には、ＬＡＮケーブルや同軸ケーブル等の金属路線や、光ファイバケーブル等の光導波路が用いられる。また、伝送路１１０は、ＬＡＮケーブル等の有線ケーブルに限られず、無線信号を伝搬することが可能な自由空間であってもよい。

まず、データ送信装置１０１について説明する。データ送信装置１０１は、乱数列生成部１１１と、拡散部１１２と、多値信号生成部１１３と、変調部１１４とを備える。乱数列生成部１１１は、予め定められた鍵情報１１に基づいて乱数列１２を生成する。拡散部１１２は、この乱数列１２を用いて付加情報１４を時間拡散し、拡散付加情報１５を生成する。付加情報１４には、例えば、更新用の鍵情報１１、２１が用いられる。このような場合、データ通信装置１は、付加情報１４を用いて鍵情報１１，２１を更新することができるので、より安全なデータ通信を実現することができる。なお、付加情報１４には、更新用の鍵情報１１，２１に限らず、どのような情報を用いてもよい。

多値信号生成部１１３は、情報データ１３と乱数列１２と拡散付加情報１５とに基づいて、略乱数的に変化する多値信号１６を生成する。変調部１１４は、多値信号１６に所定の変調処理を施して変調信号１７を生成し、生成した変調信号１７を伝送路１１０を介して伝送する。なお、多値信号生成部１１３と変調部１１４とは、多値信号１６を生成し、生成した多値信号１６を変調するための構成であるので、まとめて多値信号変調部と記すこともできる。

図２は、本発明の第１の実施形態に係るデータ送信装置１０１の詳細な構成の一例を示すブロック図である。図２において、多値信号生成部１１３以外の構成は、図１と同様である。多値信号生成部１１３は、スクランブル部１１５と、付加情報重畳部１１６とを含む。スクランブル部１１５は、情報データ１３と乱数列１２とに基づいて、信号レベルが多値にスクランブルされたスクランブル情報データ１８を生成する。付加情報重畳部１１６は、スクランブル情報データ１８に拡散付加情報１５を重畳することにより、多値信号１６を生成する。

続いて、上述した多値信号生成部１１３の具体的な動作について図３を用いて説明する。図３は、本発明の第１の実施形態に係るデータ送信装置１０１の各部で生成される信号の一例を示す模式図である。図３を参照して、スクランブル部１１５は、例えば、情報データ１３の値がＡ（Ａは、０或いは１である）、乱数列１２のパターン数が４（すなわち、Ｍ＝４）である場合、乱数列１２のパターン番号Ｂに対して、Ｂが偶数の場合は“ＡＭ＋Ｂ”、Ｂが奇数の場合は“（１−Ａ）Ｍ＋Ｂ”のレベルを有するスクランブル情報データ１８を生成する。具体例として、情報データ１３が”０１１１”（図３（ａ））、乱数列１２のパターン数が４、乱数列１２が”００：パターン＃０”、”１１：パターン＃３”、”１０：パターン＃２”、”０１：パターン＃１”（図３（ｂ））である場合、スクランブル情報データ１８のレベルは、”０３６１”となる（図３（ｃ））。

拡散部１１２は、乱数列１２を用いて付加情報１４を時間拡散し、拡散付加情報１５を生成する。例えば、付加情報１４が”０１０１”（図３（ｄ））であり、乱数列１２”００１１１００１”である場合、拡散付加情報１５は、”１１１１０１０１”（図３（ｅ））となる。付加情報重畳部１１６は、スクランブル情報データ１８に拡散付加情報１５を重畳して、多値信号１６を生成する。例えば、付加情報重畳部１１６は、拡散付加情報１５の０，１の値に応じて、振幅レベルが−Ｃ、＋Ｃの信号をスクランブル情報データ１８に加算することにより、多値信号１６を生成する（図３（ｆ））。なお、振幅レベルＣの大きさ（すなわち、拡散付加情報１５の信号電力）は、拡散付加情報１５のチップレートに相当する信号帯域内に含まれる雑音電力よりも小さくなるように設定されることが望ましい。最後に、変調部１１４は、この多値信号１６に所定の変調処理を施し、変調信号１７を生成する。変調信号１７としては、例えば、光偏波変調信号、光強度変調信号、振幅変調信号、周波数変調信号、位相変調信号などが挙げられるが、これらに限定されるものではなく、信号を伝送可能あればいかなる種類の変調信号であってもよい。

なお、スクランブル情報データ１８に重畳される拡散付加情報１５の振幅レベルＣは、多値信号１６のレベルが、スクランブル情報データ１８が取り得るいずれかの信号レベルとなるように調整されることが望ましい。これにより、スクランブル情報データ１８に拡散付加情報１５を重畳した信号（すなわち、多値信号１６）が、他の区間のスクランブル情報データ１８のレベルと重なり、拡散付加情報１５のみに依存した多値信号１６の信号レベルの発生を防ぐことができる。従って、盗聴者が多値信号１６の解読を行う際に、拡散付加情報１５の存在を検知しにくくなり、多値信号１６の解読が困難になる。このような効果は、スクランブル情報データ１８の信号レベルが等間隔で配置されている場合には、拡散付加情報１５の振幅レベルＣをスクランブル情報データ１８の隣接信号点間距離の整数倍とすることによっても得られる。

さらに、拡散付加情報１５のチップレートは、多値信号１６或いはスクランブル情報データ１８のシンボルレートの整数倍であることが望ましい。例えば、拡散部１１２は、付加情報１４の時間拡散に、所定の区間が略周期的に間引かれた乱数列１２を用いることよって、拡散付加情報１５のチップレートを多値信号１６のシンボルレートの整数倍とすることができる。具体例として、拡散部１１２は、乱数列１２”００１１１００１”から偶数番目を間引いた間引き後乱数列列１２ａ”０１１０”（図３（ｇ））により、付加情報１４”０１０１”を時間拡散し（この例では、間引き後乱数列１２ａと付加情報１４とを排他的論理和演算し）、拡散付加情報１５ａ”１１００”（図３（ｈ））を生成する。これによって、多値信号１６ａ（図３（ｉ））は、各シンボル区間内で、拡散付加情報１５ａによるレベル変動の発生が抑止された信号となる。従って、盗聴者が多値信号１６ａの解読を行う際に、拡散付加情報１５ａの存在を検知しにくくなり、解読がより困難になる。

なお、多値信号生成部１１３は、入力される乱数列１２、情報データ１３、及び拡散付加情報１５が全てデジタル信号である場合には、これらをデジタル処理（演算）することによって、上記同様に多値信号１６のレベルを計算し、ＤＡコンバータなどを用いてアナログ値に変換することによって多値信号１６を生成してもよい。すなわち、多値信号生成部１１３は、情報データ１３と乱数列１２と拡散付加情報１５とを、所定の方法に従ってデジタル加算し、デジタル加算した信号をアナログ値に変換することによって、多値信号１６を生成してもよい。

次に、データ受信装置２０１について説明する。図１において、データ受信装置２０１は、復調部２１４と、分岐部２１７と、乱数列生成部２１１と、情報データ復号部２１３と、スクランブル部２１５と、スクランブル情報データ除去部２１６と、逆拡散部２１２とを備える。復調部２１４は、所定の復調処理を変調信号１７に施し、多値信号２６を出力する。分岐部２１７は、多値信号２６を情報データ復号部２１３と、スクランブル情報データ除去部２１６とに分岐する。乱数列生成部２１１は、鍵情報２１に基づいて乱数列２２を生成する。情報データ復号部２１３は、乱数列２２に基づいて、多値信号２６から情報データ２３を復号する。スクランブル部２１５は、乱数列２２と情報データ２３とに基づいて、スクランブル情報データ２８を生成する。スクランブル情報データ除去部２１６は、多値信号２６からスクランブル情報データ２８を除去することにより、拡散付加情報２５を出力する。拡散付加情報２５は、送信側において乱数列２２と同様の乱数列１２に基づいて、付加情報２４と同様の付加情報１４が時間拡散されることによって生成された情報である。逆拡散部２１２は、乱数列２２を用いて、拡散付加情報２５に逆拡散処理を施し、付加情報２４を復号する。

続いて、データ受信装置２０１の具体的な動作について図４を用いて説明する。図４は、本発明の第１の実施形態に係るデータ受信装置２０１の各部で生成される信号の一例を示す模式図である。図４を参照して、復調部２１４は、データ送信装置１０１における変調方式に対応した復調処理を変調信号１７に施すことにより、多値信号２６を出力する（図４（ａ））。情報データ復号部２１３は、乱数列２２のパターン番号Ｂに対して、“Ｂ＋（Ｍ／２）”のレベルを判定閾値とし、判定閾値を用いた多値信号２６の２値識別を行う。例えば、乱数列２２が”００：パターン＃０”、”１１：パターン＃３”、”１０：パターン＃２”、”０１：パターン＃１”（図４（ｂ））である場合、判定閾値は”２５４３”となる。これにより、多値信号２６を識別した結果は、”低、低、高、低”となる。

ここで、情報データ復号化部２１３は、乱数列２２のパターン番号Ｂが偶数の場合には、識別結果の高を“０”、低を”１”、奇数の場合には、識別結果の高を”１”、低を”０”に割当てることにより、情報データ”０１１１”を復号する（図４（ｃ））。スクランブル部２１５は、データ送信装置１０１と同様に、乱数列２２と情報データ２３とから、スクランブル情報データ２８を生成する（図４（ｄ））。スクランブル情報データ除去部２１６は、多値信号２６からスクランブル情報データ２８のレベルを除去し、拡散付加情報２５”１１１１０１０１”を出力する（図４（ｅ））。最後に、逆拡散部２１２は、乱数列２２を用いて、拡散付加情報２５に逆拡散処理を行うことにより、付加情報２４”０１０１”を復号する（図４（ｆ））。

また、データ送信装置１０１において、拡散付加情報１５のチップレートが多値信号１６のシンボルレートの整数倍に設定されている場合には、逆拡散部２１２は、データ送信装置１０１と同様に、所定の区間が略周期的に間引かれた乱数列２２を用いて、拡散付加情報２５に逆拡散処理を行うことで、付加情報２４を復号することが可能となる。

以上のように、本発明の第１の実施形態に係るデータ送信装置１０１及びデータ受信装置２０１によれば、時間拡散した付加情報１４をスクランブル情報データ１８に多重して多値信号１６を生成することで、通信の秘匿性を高めることができる。また、通信の秘匿性を確保しながら、情報データ１３と共に付加情報１４も伝送するので、付加情報１４で更新用の鍵情報１１，２１を伝送することが可能となる。従って、データ送信装置１０１及びデータ受信装置２０１は、鍵情報１１，２１を定期的に更新することが可能となり、解読に対する耐性をさらに向上させることができる。

なお、本実施例では、付加情報１４と情報データ１３の伝送レートが同一の場合を示したが、これに限定されるものではなく、拡散／逆拡散処理によって十分な信号品質を得るための拡散率となるように、付加情報１４の伝送レートを情報データ１３のレートより小さくすることも可能である。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係るデータ送信装置１０２の構成の一例を示すブロック図である。図５において、第２の実施形態に係るデータ送信装置１０２は、乱数列生成部１１１ａの構成が第１の実施形態と異なる。乱数列生成部１１１ａは、互いに異なる第１の鍵情報２１−１と、第２の鍵情報２１−２とを用いて、第１の乱数列１２−１と第２の乱数列１２−２とを生成する。

具体的には、乱数列生成部１１１ａは、第１の乱数列生成部１１１−１と、第２の乱数列生成部１１１−２とを含む。第１の乱数列生成部１１１−１は、第１の鍵情報１１−１に基づいて、第１の乱数列１２−１を生成する。第２の乱数列生成部１１１−２は、第２の鍵情報１１−２に基づいて、第２の乱数列１２−２を生成する。拡散部１１２は、第２の乱数列１１−２を用いて付加情報１４を時間拡散し、拡散付加情報１５を生成する。多値信号生成部１１３は、情報データ１３と第１の乱数列１２−１と拡散付加情報１５とに基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値信号１６を生成する。変調部１１４は、多値信号１６に所定の変調処理を施し、変調信号１７を生成する。

図６は、本発明の第２の実施形態に係るデータ送信装置１０２の詳細な構成の一例を示すブロック図である。図６において、多値信号生成部１１３以外の構成は、図５と同様である。多値信号生成部１１３は、スクランブル部１１５と、付加情報重畳部１１６とを含む。スクランブル部１１５は、情報データ１３と第１の乱数列１２−１とに基づいて、信号レベルが多値にスクランブルされたスクランブル情報データ１８を生成する。付加情報重畳部１１６は、スクランブル情報データ１８に拡散付加情報１５を重畳することにより、多値信号１６を生成する。

図７は、本発明の第２の実施形態に係るデータ受信装置２０２の構成の一例を示すブロック図である。図７において、第２の実施形態に係るデータ受信装置２０２は、乱数列生成部２１１ａの構成が第１の実施形態と異なる。乱数列生成部２１１ａは、第１の乱数列生成部２１１−１と、第２の乱数列生成部２１１−２とを含む。第１の乱数列生成部２１１−１は、第１の鍵情報２１−１に基づいて、第１の乱数列２２−１を生成する。第２の乱数列生成部２１１−２は、第２の鍵情報２１−２に基づいて、第２の乱数列２２−２を生成する。情報データ復号化部２１３は、第１の乱数列２２−１に基づいて、多値信号２６から情報データ２３を復号する。

スクランブル部２１５は、情報データ２３と第１の乱数列２２−１とに基づいて、信号レベルが多値にスクランブルされたスクランブル情報データ２８を生成する。スクランブル情報データ除去部２１６は、多値信号２６からスクランブル情報データ２８を除去することで、拡散付加情報２５を出力する。拡散付加情報２５は、送信側において第２の乱数列２２−２と同様の乱数列１２−２に基づいて、付加情報２４と同様の付加情報１４が時間拡散されることによって生成された情報である。逆拡散部２１２は、第２の乱数列２２−２を用いて、拡散付加情報２５に逆拡散処理を施し、付加情報２４を復号する。これ以外の構成は、第１の実施形態に係るデータ受信装置２０２と同様であるので説明を省略する。

以上のように、本発明の第２の実施形態に係るデータ送信装置１０２及びデータ受信装置２０２によれば、情報データ１３と付加情報１４との暗号化に用いる鍵情報をそれぞれ別個のものとすることで、より安全性を高めた暗号通信を実現することが可能となる。

（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態に係るデータ送信装置１０３の構成の一例を示すブロック図である。図８において、第３の実施形態に係るデータ送信装置１０３は、乱数列生成部１１１と、スクランブル部１１５と、第１の変調部１１４−１と、拡散部１１２と、第２の変調部１１４−２と、加算部１１８とを備える。乱数列生成部１１１は、所定の鍵情報１１に基づいて乱数列１２を生成する。スクランブル部１１５は、情報データ１３と乱数列１２とに基づいて、信号レベルが多値にスクランブルされたスクランブル情報データ１８を生成する。第１の変調部１１４−１は、スクランブル情報データ１８に所定の変調処理を施し、第１の変調信号１７−１を生成する。拡散部１１２は、乱数列１２を用いて付加情報１４を時間拡散し、拡散付加情報１５を生成する。第２の変調部１１４−２は、拡散付加情報１５に所定の変調処理を施し、第２の変調信号１７−２を生成する。加算部１１８は、第１の変調信号１７−１と第２の変調信号１７−２とを加算し、第３の変調信号１７−３を生成する。なお、スクランブル１１５と、第１の変調部１１４−１と、第２の変調部１１４−２と、加算部１１８とは、まとめて多値信号変調部と記すこともできる。

また、本発明の第３の実施形態に係るデータ送信装置１０３は、図８に示すデータ送信装置１０３ａのように異なる構成にすることも可能である。図９は、本発明の第３の実施形態に係るデータ送信装置１０３ａの構成の一例を示すブロック図である。図９において、データ送信装置１０３ａは、乱数列生成部１１１ａの構成が、図７に示すデータ送信装置１０３と異なる。乱数列生成部１１１ａは、第１の乱数列生成部１１１−１と、第２の乱数列生成部１１１−２とを含む。第１の乱数列生成部１１１−１は、第１の鍵情報１１−１に基づいて、第１の乱数列１２−１を生成する。第２の乱数列生成部１１１−２は、第２の鍵情報１１−２に基づいて、第２の乱数列１２−２を生成する。

スクランブル部１１５は、情報データ１３と第１の乱数列１２−１とに基づいて、信号レベルが多値にスクランブルされたスクランブル情報データ１８を生成する。第１の変調部１１４−１は、スクランブル情報データ１８に所定の変調処理を施し、第１の変調信号１７−１を生成する。拡散部１１２は、第２の乱数列１２−２を用いて付加情報１４を時間拡散し、拡散付加情報１５を生成する。第２の変調部１１４−２は、拡散付加情報１５に所定の変調処理を施し、第２の変調信号１７−２を生成する。加算部１７−３は、第１の変調信号１７−１と第２の変調信号１７−２とを加算し、第３の変調信号１７−３を生成する。

以上のように、本発明の第３の実施形態に係るデータ送信装置１０３によれば、スクランブル情報データ１８と拡散付加情報１５とをそれぞれ光強度変調後に加算することでも、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上、本発明を詳細に説明してきたが、前述の説明はあらゆる点において本発明の例示にすぎず、その範囲を限定しようとするものではない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。

本発明に係るデータ通信装置は、盗聴・傍受等を受けない安全な秘密通信装置等として有用である。

本発明の第１の実施形態に係る通信装置１の構成の一例を示すブロック図 本発明の第１の実施形態に係るデータ送信装置１０１の詳細な構成の一例を示すブロック図 本発明の第１の実施形態に係るデータ送信装置１０１の各部で生成される信号の一例を示す模式図 本発明の第１の実施形態に係るデータ受信装置２０１の各部で生成される信号の一例を示す模式図 本発明の第２の実施形態に係るデータ送信装置１０２の構成の一例を示すブロック図 は、本発明の第２の実施形態に係るデータ送信装置１０２の詳細な構成の一例を示すブロック図 本発明の第２の実施形態に係るデータ受信装置２０２の構成の一例を示すブロック図 本発明の第３の実施形態に係るデータ送信装置１０３の構成の一例を示すブロック図 本発明の第３の実施形態に係るデータ送信装置１０３ａの構成の一例を示すブロック図 Ｙ−００プロトコルを用いた従来のデータ通信装置９の構成例を示すブロック図 Ｙ−００プロトコルで使用する信号フォーマットを示す図 従来のデータ通信装置９で用いられる信号形態を説明するための模式図

符号の説明

１０１〜１０３、９０１ データ送信装置
２０１、９０２ データ受信装置
１１０、９１０ 伝送路
１１１ 乱数列生成部
１１２ 拡散部
１１３ 多値信号生成部
１１４ 変調部
１１５ スクランブル部
１１６ 付加情報重畳部
２１１ 乱数列生成部
２１２ 逆拡散部
２１３ 情報データ復号化部
２１４ 復調部
２１５ スクランブル部
２１６ スクランブル情報データ除去部
２１７ 分岐部

Claims (23)

1. 所定の鍵情報を用いて情報データを暗号化し、受信装置との間で秘密通信を行うデータ送信装置であって、
   前記所定の鍵情報に基づいて、乱数列を生成する乱数列生成部と、
   前記乱数列に基づいて、所定の付加情報を時間拡散し、拡散付加情報を生成する拡散部と、
   前記情報データと前記乱数列と前記拡散付加情報とに基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する信号を生成し、当該生成した信号に所定の変調処理を施し、変調信号として出力する多値信号変調部とを備えることを特徴とする、データ送信装置。
2. 前記多値信号変調部は、
   前記情報データと前記乱数列と前記拡散付加情報とに基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値信号を生成する多値信号生成部と、
   前記多値信号に所定の変調処理を施し、前記変調信号を出力する変調部とを含むことを特徴する、請求項１に記載のデータ送信装置。
3. 前記多値信号生成部は、
   前記情報データと前記乱数列とに基づいて、信号レベルが多値にスクランブルされたスクランブル情報データを生成するスクランブル部と、
   前記スクランブル情報データに前記拡散付加情報を重畳することにより、前記多値信号を生成する付加情報重畳部とを有することを特徴とする、請求項２に記載のデータ送信装置。
4. 前記多値信号生成部は、前記情報データと前記乱数列と前記拡散付加情報とを、所定の方法に従ってデジタル加算した値をアナログ値に変換することによって、前記多値信号を生成することを特徴とする、請求項２に記載のデータ送信装置。
5. 前記所定の鍵情報は、第１の鍵情報と第２の鍵情報とを少なくとも含んでおり、
   前記乱数列生成部は、
   前記第１の鍵情報に基づいて、第１の乱数列を生成する第１の乱数列生成部と、
   前記第２の鍵情報に基づいて、第２の乱数列を生成する第２の乱数列生成部とを含み、
   前記拡散部は、前記第２の乱数列に基づいて、前記付加情報を時間拡散することで前記拡散付加情報を生成し、
   前記多値信号生成部は、前記情報データと前記第１の乱数列と前記拡散付加情報とに基づいて、前記多値信号を生成することを特徴とする、請求項２に記載のデータ送信装置。
6. 前記多値信号変調部は、
   前記情報データと前記乱数列とに基づいて、信号レベルが多値にスクランブルされたスクランブル情報データを生成するスクランブル部と、
   前記スクランブル情報データに所定の変調処理を施し、第１の変調信号を生成する第１の変調部と、
   前記拡散付加情報に所定の変調処理を施し、第２の変調信号を生成する第２の変調部と、
   前記第１の変調信号と前記第２の変調信号とを加算し、当該加算した信号を前記変調信号として出力する加算部とを含むことを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
7. 前記所定の鍵情報は、第１の鍵情報と第２の鍵情報とを少なくとも含んでおり、
   前記乱数列生成部は、
   前記第１の鍵情報に基づいて、第１の乱数列を生成する第１の乱数列生成部と、
   前記第２の鍵情報に基づいて、第２の乱数列を生成する第２の乱数列生成部とを含み、
   前記スクランブル部は、前記情報データと前記第１の乱数列とに基づいて、信号レベルが多値にスクランブルされたスクランブル情報データを生成し、
   前記拡散部は、前記第２の乱数列に基づいて、前記付加情報を時間拡散することで前記拡散付加情報を生成することを特徴とする、請求項６に記載のデータ送信装置。
8. 前記拡散付加情報の信号電力は、前記拡散付加情報のチップレートに相当する信号帯域内に含まれる雑音電力よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
9. 前記拡散付加情報の信号レベルは、前記多値信号の信号レベルが、前記スクランブル情報データが取り得るいずれかの信号レベルとなるように調整されることを特徴とする、請求項３に記載のデータ送信装置。
10. 前記拡散付加情報の信号レベルは、前記スクランブル情報データの隣接信号点間距離の整数倍となることを特徴とする、請求項３に記載のデータ送信装置。
11. 前記拡散付加情報のチップレートは、前記多値信号のシンボルレートの整数倍であることを特徴とする、請求項２に記載のデータ送信装置。
12. 前記拡散付加情報のチップレートは、前記スクランブル情報データのシンボルレートの整数倍であることを特徴とする、請求項６に記載のデータ送信装置。
13. 前記拡散部に入力される乱数列は、所定の区間が略周期的に間引かれた上で、前記付加情報の時間拡散に用いられることを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
14. 所定の鍵情報を用いて暗号化された情報データを受信し、送信装置との間で秘密通信を行うデータ受信装置であって、
    前記所定の鍵情報に基づいて、乱数列を生成する乱数列生成部と、
    前記送信装置から受信した変調信号に所定の復調処理を施し、信号レベルが略乱数的に変化する多値信号を出力する復調部と、
    前記多値信号を２つの経路に分離する分離部と、
    前記乱数列に基づいて、一方の経路に分離された前記多値信号から前記情報データを復号する情報データ復号部と、
    前記情報データと前記乱数列とに基づいて、信号レベルが多値にスクランブルされたスクランブル情報データを生成するスクランブル部と、
    他方の経路に分離された前記多値信号から前記スクランブル情報データを除去することによって、前記乱数列に基づいて所定の付加情報が時間拡散された拡散付加情報を出力するスクランブル情報データ除去部と、
    前記乱数列を用いて、前記拡散付加情報に逆拡散処理を施し、前記付加情報を復号する逆拡散部とを備えることを特徴とする、データ受信装置。
15. 前記所定の鍵情報は、第１の鍵情報と第２の鍵情報とを少なくとも含んでおり、
    前記乱数列生成部は、
    前記第１の鍵情報に基づいて、第１の乱数列を生成する第１の乱数列生成部と、
    前記第２の鍵情報に基づいて、第２の乱数列を生成する第２の乱数列生成部とを含み、
    前記情報データ復号化部は、前記第１の乱数列に基づいて、一方の経路に分離された前記多値信号から前記情報データを復号し、
    前記スクランブル部は、前記情報データと前記第１の乱数列とに基づいて、信号レベルが多値にスクランブルされたスクランブル情報データを生成し、
    前記スクランブル情報データ除去部は、他方の経路に分離された前記多値信号から前記スクランブル情報データを除去することによって、前記第２の乱数列に基づいて所定の付加情報が時間拡散された拡散付加情報を出力し、
    前記逆拡散部は、前記第２の乱数列を用いて、前記拡散付加情報に逆拡散を施し、前記付加情報を復号することを特徴とする、請求項１４に記載のデータ受信装置。
16. 前記拡散付加情報の信号電力は、前記拡散付加情報のチップレートに相当する信号帯域内に含まれる雑音電力よりも小さいことを特徴とする、請求項１４に記載のデータ受信装置。
17. 前記拡散付加情報の信号レベルは、前記多値信号の信号レベルが、前記スクランブル情報データが取り得るいずれかの信号レベルとなるように調整されることを特徴とする、請求項１４に記載のデータ受信装置。
18. 前記拡散付加情報の信号レベルは、前記スクランブル情報データの隣接信号点間距離の整数倍となることを特徴とする、請求項１４に記載のデータ受信装置。
19. 前記拡散付加情報のチップレートは、前記多値信号のシンボルレートの整数倍であることを特徴とする、請求項１４に記載のデータ受信装置。
20. 前記拡散付加情報のチップレートは、前記スクランブル情報データのシンボルレートの整数倍であることを特徴とする、請求項１４に記載のデータ受信装置。
21. 前記逆拡散部に入力される乱数列は、所定の区間が略周期的に間引かれた上で、前記拡散付加情報の逆拡散処理に用いられることを特徴とする、請求項１４に記載のデータ受信装置。
22. データ送信装置が、所定の鍵情報を用いて情報データを暗号化し、受信装置との間で秘密通信を行うデータ送信方法であって、
    前記所定の鍵情報に基づいて、乱数列を生成する乱数列生成ステップと、
    前記乱数列に基づいて、所定の付加情報を時間拡散し、拡散付加情報を生成する拡散ステップと、
    前記情報データと前記乱数列と前記拡散付加情報とに基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する信号を生成し、当該生成した信号に所定の変調処理を施し、変調信号として出力する多値信号変調ステップとを備えることを特徴とする、データ送信方法。
23. データ受信装置が、所定の鍵情報を用いて暗号化された情報データを受信し、送信装置との間で秘密通信を行うデータ受信方法であって、
    前記所定の鍵情報に基づいて、乱数列を生成する乱数列生成ステップと、
    前記送信装置から受信した変調信号に所定の復調処理を施し、信号レベルが略乱数的に変化する多値信号を出力する復調ステップと、
    前記多値信号を２つの経路に分離する分離ステップと、
    前記乱数列に基づいて、一方の経路に分離された前記多値信号から前記情報データを復号する情報データ復号ステップと、
    前記情報データと前記乱数列とに基づいて、信号レベルが多値にスクランブルされたスクランブル情報データを生成するステップと、
    他方の経路に分離された前記多値信号から前記スクランブル情報データを除去することによって、前記乱数列に基づいて所定の付加情報が時間拡散された拡散付加情報を出力するスクランブル情報データ除去ステップと、
    前記乱数列を用いて、前記拡散付加情報に逆拡散処理を施し、前記付加情報を復号する逆拡散ステップとを備えることを特徴とする、データ受信方法。

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