JP2009094558A - 変調装置及び変調方法 - Google Patents

Abstract

【課題】音波情報通信システムにおいて、聴取者の不快感を減少させた上で、伝送品質の劣化を低減する変調装置及び変調方法を提供する。
【解決手段】変調装置２は、伝送情報に基づく伝送信号を音響信号に重畳し伝送情報を音波で伝送する音波情報通信システムに用いられる。この変調装置２は、上記伝送情報に応じて搬送波を変調し伝送信号を生成する多値変調部２４、Ｓ／Ｐ変換部２５、及びＩＴＴＦ部２６と、伝送信号の各伝送フレームの端部を平滑化する処理を行うGI生成平滑部２７と、平滑化処理された伝送信号を音響信号に重畳する音響信号多重平滑処理部２９と、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、伝送情報に基づく伝送信号を音響信号に重畳し前記伝送情報を音波で伝送する音波情報通信に用いられる変調装置及び変調方法に関する。

音波で情報を伝送する音波通信技術には、一般的には超音波が用いられる場合も多いが、可聴音を利用する場合もあり、可聴音を利用した場合には以下のような利点がある。まず、オーディオ機器として市販されているスピーカやマイクロホンとして、超音波の再生・録音できるものは少なく、多くの市販オーディオ機器は可聴帯域のみの再生・録音を提供するものである。可聴音を利用する通信技術には、このような市販オーディオ機器を通信に利用できるという利点がある。また、音波の伝搬については、電磁波の伝搬とは異なり、距離減衰だけでなく媒質の粘性による吸収減衰が生じ、この吸収減衰の度合は周波数に比例して大きくなる。したがって、超音波よりも可聴音帯域の音波の方が減衰は少なくなり、通信距離を長くできるという利点もある。

このように音波で情報を伝送する音波情報通信としては、特許文献１や特許文献２に記載の技術がある。可聴音波を利用した音波情報通信の場合には、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、特許文献１では、伝送信号をスペクトル拡散して音声又は音楽に重畳している。この特許文献１の技術では、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。また、特許文献２では、可聴音信号と、該可聴音信号とは異なる別の信号とを、電気的に合成し、電気的に合成した信号を外界に音響信号として出力し、その音響信号を受けて、これを合成電気信号に変換し、その合成電気信号から上記別の信号を抽出している。

以上のような送信側装置及び送信方法において、特に直交周波数分割多重方式（Orthogonal Frequency Division Multiplexing；以下、ＯＦＤＭと称する）で情報を伝送する場合には、以下のような問題が生じる。ＯＦＤＭで位相変調を用いる場合は、ＯＦＤＭフレームごとに異なる位相でサブキャリアを変調する。そのため、図１１（ａ）に示すように、連続するＯＦＤＭフレーム間では、一般的に各サブキャリア（音波Ａ，音波Ｂ）の位相が不連続になり、波形の不連続（位相の不連続部分Ｃ）が生じることで、スペクトルが広がった異音が生じ、音質が劣化する。

ところで、音楽分野においても、パケット伝送で受信パケットに損失が生じたり、異なる楽曲を接続したりする際に、波形の不連続による異音が生じ、音質が劣化することがある。この問題に対して、例えば、特許文献３及び特許文献４では、楽曲（音波Ａ，音波Ｂ）の境界部分を、図１１（ｂ）に示すようにフェードアウト（フェードアウト部分Ａ１）やフェードイン（フェードイン部分Ｂ１）させたり、図１１（ｃ）に示すようにクロスフェードさせたりすることで、音質の劣化を低減するといった対処法が提案されている。
国際公開第０２／４５２８６号パンフレット 特開２００１−１４８６７０号公報 特開平１１−１２６４２４号公報 特開２００４−６４３９０号公報

しかしながら、これら特許文献３及び特許文献４の技術は、音質の劣化を低減する効果を狙ったものであり、情報伝送品質の劣化を抑える工夫は何らなされていないため、この手法を音波情報通信に単純に導入するだけでは、情報伝送品質は劣化する。すなわち、特許文献３や特許文献４の方法を用いた場合、波形の不連続の低減による音質劣化の低減は期待できるが、情報伝送の点では、必要なシンボル部分が欠損したり、シンボル間で相互に干渉しあったりする伝送効率の劣化を招く場合がある。

そこで、本発明は上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、伝送信号による異音の発生を減少させることで、その音を聴取した人が覚える不快感を減少させた上で、伝送品質の劣化を低減する変調装置及び変調方法を提供することにある。

本発明の変調装置は、伝送情報に基づく伝送信号を音響信号に重畳し伝送情報を音波で伝送する音波情報通信システムに用いられる変調装置において、伝送情報に応じて搬送波を変調し伝送信号を生成する伝送信号生成手段と、伝送信号生成手段で生成した伝送信号の各伝送フレームの端部を平滑化する処理を行う平滑化処理手段と、平滑化処理手段で処理された伝送信号を音響信号に重畳する信号重畳手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の変調方法は、伝送情報に基づく伝送信号を音響信号に重畳し伝送情報を音波で伝送する音波情報通信に用いられる変調方法において、伝送情報に応じて搬送波を変調し伝送信号を生成する伝送信号生成ステップと、伝送信号生成ステップで生成した伝送信号の各伝送フレームの端部を平滑化する処理を行う平滑化処理ステップと、平滑化処理ステップで処理された伝送信号を音響信号に重畳する信号重畳ステップと、を備えることを特徴とする。

この変調装置及び変調方法によれば、伝送信号の伝送フレームの端部が平滑化処理されるので、隣接する伝送フレーム同士の境界の部分で波形が滑らかに連続し、波形の不連続に起因する異音の発生が低減し、音質劣化を低減することができる。また、平滑化処理は、伝送フレームの端部に施されるので、伝送情報のシンボルに対する平滑化処理の影響を最小限に抑えることができ、情報伝送品質劣化を低減することができる。

また、上記変調装置及び変調方法では、例えば、音響信号に伝送信号を多重させる方式として直交周波数分割多重（以下、ＯＦＤＭと記述）を利用し、ＯＦＤＭの各搬送波を伝送情報に応じて変調し、逆フーリエ変換処理などにより時間軸上の信号に変換し、ＯＦＤＭのシンボルの端を含む一部分を複製してガード区間（以下、ＧＩと記述）を生成し、シンボルの前端、後端又は前後端の双方に接続して伝送フレームが生成される方式が考えられる。また、上記の伝送フレーム端部の平滑化処理としては、例えば、生成された伝送フレームの前端部をフェードイン処理したり、そのフレームの後端部をフェードアウト処理したり、連続するフレームの端部同士をクロスフェード処理したり、ローパスフィルタやバンドパスフィルタなどのフィルタを重畳処理したりする、などの処理が考えられる。

また、本発明の変調装置は、平滑化処理手段が、伝送信号の各伝送フレームの端部を平滑化する処理として、伝送信号の各伝送フレームの前端部をフェードイン処理し、伝送信号の各伝送フレームの後端部をフェードアウト処理することとしてもよい。

また、本発明の変調方法は、平滑化処理ステップでは、伝送信号の各伝送フレームの端部を平滑化する処理として、伝送信号の各伝送フレームの前端部をフェードイン処理し、伝送信号の各伝送フレームの後端部をフェードアウト処理することとしてもよい。

また、本発明の変調装置は、伝送情報に基づく伝送信号を音響信号に重畳し伝送情報を音波で伝送する音波情報通信システムに用いられる変調装置において、伝送情報に応じて搬送波を変調し伝送信号を生成する伝送信号生成手段と、伝送信号生成手段で生成した伝送信号の隣接する伝送フレーム同士の間にフレーム間挿入信号を挿入する処理を行う挿入信号処理手段と、挿入信号処理手段で処理された伝送信号を音響信号に重畳する信号重畳手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の変調方法は、伝送情報に基づく伝送信号を音響信号に重畳し伝送情報を音波で伝送する音波情報通信に用いられる変調方法において、伝送情報に応じて搬送波を変調し伝送信号を生成する伝送信号生成ステップと、伝送信号生成ステップで生成した伝送信号の隣接する伝送フレーム同士の間にフレーム間挿入信号を挿入する処理を行う挿入信号処理ステップと、挿入信号処理ステップで処理された伝送信号を音響信号に重畳する信号重畳ステップと、を備えることを特徴とする。

この変調装置及び変調方法によれば、伝送信号の隣接する伝送フレーム同士の間にフレーム間挿入信号が挿入されるので、伝送フレーム同士の境界の部分における波形の連続性が向上し、波形の不連続に起因する異音の発生が低減し、音質劣化を低減することができる。また、挿入するフレーム間挿入信号による時間マスキング効果や周波数マスキング効果などの聴覚作用によって、異音が聞こえにくくなり、音質劣化が低減される。

また、上記フレーム間挿入信号としては、例えば複数の正弦波の組み合わせや別途作成した効果音などを用いることができる。このような場合、フレーム間挿入信号による音声を、音響情報中に伝送情報が含まれていることを聴取者に知らせる合図音としたり、ユーザに行動を促す合図としての意味を持たせたりすることもできる。また、この変調装置及び変調方法では、隣接する伝送フレーム同士の境界部分に上記フレーム間挿入信号を挿入する処理をすることにより、当該処理の影響を受ける区間における伝送信号のシンボル部分の割合を減少し、情報伝送品質の劣化を低減できる。なお、上記フレーム間挿入信号は無音信号でも有音信号でもよい。

また、本発明の変調装置において、挿入信号処理手段は、フレーム間挿入信号として、音響信号の一部を選択することとしてもよい。また、本発明の変調方法において、挿入信号処理ステップでは、フレーム間挿入信号として、音響信号の一部を選択することとしてもよい。

この構成によれば、挿入するフレーム間挿入信号として音響信号が用いられるので、聴取者が聴く音は、伝送情報を重畳するためのオリジナル音源の音質に近づくことになる。よって、伝送情報が重畳されていることが、聴取者に気付かれにくくなる。

また、本発明の変調装置において、挿入信号処理手段は、フレーム間挿入信号の端部を平滑化する処理を行うこととしてもよい。また、本発明の変調方法において、挿入信号処理ステップでは、フレーム間挿入信号の端部を平滑化する処理を行うこととしてもよい。

この場合、フレーム間挿入信号の端部を平滑化する処理を行うことで、フレーム間挿入信号として音を挿入するによって生じる波形の不連続の発生を低減し、波形の不連続による異音の発生を低減することができる。また、聴覚作用により上記異音を聞こえにくくさせることもでき、音質劣化を低減することができる。

また、上記のフレーム間挿入信号端部の平滑化処理としては、例えば、フレーム間挿入信号の片端部または両端部に対して、フェードイン処理、フェードアウト処理、又はその両方の処理を行ったり、ローパスフィルタやバンドパスフィルタなどのフィルタを重畳処理したりする、などの処理が考えられる。このような処理により、伝送フレームとフレーム間挿入信号とをクロスフェードさせることもできる。また、フレーム間挿入信号の影響を受ける区間における伝送信号のシンボル部分の割合を減少し、情報伝送品質の劣化を低減することができる。

また、本発明の変調装置は、挿入信号処理手段が、フレーム挿入信号の端部を平滑化する処理として、フレーム挿入信号の前端部をフェードイン処理し、フレーム挿入信号の後端部をフェードアウト処理することとしてもよい。

また、本発明の変調方法は、挿入信号処理ステップでは、フレーム挿入信号の端部を平滑化する処理として、フレーム挿入信号の前端部をフェードイン処理し、フレーム挿入信号の後端部をフェードアウト処理することとしてもよい。

また、本発明の変調装置においては、伝送信号生成手段は、伝送信号のシンボルの前方部分を複製し当該シンボルの後方に配置して伝送フレームを形成する処理を行うこととしてもよい。また、伝送信号生成手段は、伝送信号のシンボルの後方部分を複製し当該シンボルの前方に配置して伝送フレームを形成する処理を行うこととしてもよい。

また、本発明の変調方法においては、伝送信号生成ステップでは、伝送信号のシンボルの前方部分を複製し当該シンボルの後方に配置して伝送フレームを形成する処理を行うこととしてもよい。また、伝送信号生成ステップでは、伝送信号のシンボルの後方部分を複製し当該シンボルの前方に配置して伝送フレームを形成する処理を行うこととしてもよい。

このような変調装置及び変調方法によれば、シンボルの一部を複製し配置することで、伝送フレームの前部あるいは後部にガードインターバルを生成することができる。そして、伝送フレームの端部に、例えばフェードインやフェードアウトなどの平滑化処理を施す場合に、平滑化処理の影響を受ける区間における伝送信号のシンボル部分の割合を減少し、情報伝送品質の劣化を低減することができる。

本発明の変調装置及び変調方法によれば、伝送信号による異音の発生を減少させることで、その音を聴取した人が覚える不快感を減少させた上で、伝送品質の劣化を低減することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る変調装置及び変調方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

（音響信号送受信システムの構成例）
図１には、本発明の一実施形態に係る変調装置を用いた音響信号送受信システム（音波情報通信システム）１０の構成例が示されている。音響信号送受信システム１０は、図１（ａ）に示される送信側装置１０Ａと、図１（ｂ）に示されている受信側装置１０Ｂとによって構成されている。この音響信号送受信システム１０は、テキストデータ等の伝送情報を、送信側装置１０Ａにおいて音声や音楽などのオリジナル音声に重畳させ、当該伝送情報を音波として受信側装置１０Ｂに伝送するシステムである。

送信側装置１０Ａは、伝送情報に基づく入力データ信号１とオリジナル音声に基づく入力音響信号１５とを入力し送信音響信号３を出力する変調装置２と、送信音響信号３をＤＡ変換（Digital to Analog変換）しアナログ信号を出力するＤＡ変換器４と、アナログ信号となった送信音響信号を音波６に変換して再生するスピーカ５とを含んで構成されている。この送信側装置１０Ａとしては、例えば、パーソナルコンピュータを用いることができる。

一方、受信側装置１０Ｂは、音波６を電気信号に変換し出力するマイクロホン７と、電気信号に変換された音波をＡＤ変換（Analog to Digital変換）しデジタル信号にサンプリングして受信音響信号９を出力するＡＤ変換器８と、受信音響信号９を復調して受信データ信号１３を出力する復調装置１２と、を含んで構成されている。この受信側装置１０Ｂとしては、例えば、携帯電話端末を用いることができる。

（変調装置の構成例）
図２には、変調装置２の詳細な構成例が示されている。同図を参照すると、変調装置２は、入力される入力データ信号１を２値に変換する多値変調部２４と、シリアル信号をパラレル信号に変換するＳ／Ｐ変換部２５と、音声や音楽などの入力音響信号１５を参照しＯＦＤＭのサブキャリアの振幅を調整する値を出力する振幅調整部２０３ａと、Ｓ／Ｐ変換部２５の出力と振幅調整部２０３ａの出力とを乗算し周波数領域のシンボル２０５を出力する乗算部２０４ａ〜２０４ｄとを含んで構成されている。

また、変調装置２は、上記シンボル２０５について高速逆フーリエ変換を行い時間領域のシンボル１００を出力するＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform）部２６と、シンボル１００の前端部、後端部又は前後端双方の端部にガード区間（ＧＩ）を連結し出力するGI生成平滑部２７と、実数化し拡大シンボル１０２を出力する実数化部２８と、帯域制限フィルタなどのフィルタを畳み込むＦｉｌｔｅｒ部２３と、Ｆｉｌｔｅｒ部２３の出力１０２と入力音響信号１５とを多重し送信音響信号３を出力する音響信号多重平滑処理部２９を含んで構成される。

（GI生成平滑部２７による平滑化処理の例）
上記GI生成平滑部２７は、各ＯＦＤＭシンボルに対してＧＩを生成すると共に、平滑化処理手段として機能し、伝送信号の各ＯＦＤＭフレーム（伝送フレーム）の端部を平滑化する処理を行う。なお、ＯＦＤＭフレームは、ＯＦＤＭシンボルと、ＧＩと、フレーム同士の境界区間と、を含む。

まず、GI生成平滑部２７は、図３（ａ）に示すように、シンボル１００の区間の前方部分１００ａを複製し、ＧＩ１０１としてシンボル１００の後端に連結し、拡大シンボル１０２を合成する。または、GI生成平滑部２７は、図３（ｂ）に示すように、シンボル１００の区間の後方部分１００ｂを複製し、シンボル１００の前端にＧＩ１０１２として配置して、拡大シンボル１０２を合成してもよい。または、GI生成平滑部２７は、図３（ｃ）に示すようにシンボル１００の前方部分１００ａを複製しシンボルの後端にＧＩ１０１として配置し、更に、シンボル１００の後方部分１００ｂを複製しシンボル１００の前端にＧＩ１０１２として配置して、拡大シンボル１０２を合成してもよい。

このようにシンボル１００とＧＩ１０１やＧＩ１０１２を連結して生成された信号を、拡大シンボル１０２とする。ＧＩ１０１やＧＩ１０１２の部分の時間を長くさせることで、より反射波への耐性を向上させることができ、また、後述するように、拡大シンボル１０２の前端部・後端部にフェードインやフェードアウトなどの平滑化の処理を行ったり、別の音響信号を加算処理したりした場合でも、シンボル１００への干渉などの影響を抑えることができ、伝送品質の劣化を抑えることができる。また、シンボル１００の前端にＧＩ１０１２を配置することで、拡大シンボル１０２の前方部分に平滑化の処理を行う場合でも、シンボル１００部分の変化を少なくすることができ、伝送品質の劣化を抑えることができる。

以下、伝送信号を構成する上記拡大シンボル１０２のうち、時間軸方向で隣接する２つの拡大シンボルを代表して、図４及び図５に示すような、拡大シンボル＃（Ｎ−１）１０２１及び拡大シンボル＃（Ｎ）１０２２について説明する。なお、以下の説明において、拡大シンボルの「前」、「後」なる語は、拡大シンボルの時間軸上における前後を示すものとする。

GI生成平滑部２７では、図４及び図５に示すように、拡大シンボル＃（Ｎ−１）１０２１の後方部分から拡大シンボル＃（Ｎ）１０２２の前方部分までを含む区間内に、フレーム間挿入信号１５１（図５（ｂ））を配置するための区間１０５を設けてもよい。また、フレーム間挿入信号１５１の区間１０５は、拡大シンボル＃（Ｎ−１）１０２１や拡大シンボル＃（Ｎ）１０２２の区間の一部を含んで構成してもよい。このような区間１０５にフレーム間挿入信号１５１が挿入されれば、拡大シンボル＃（Ｎ−１）１０２１の後端部分と拡大シンボル＃（Ｎ）１０２２の前端部分とを跨ぐようにフレーム間挿入信号１５１が配置される。

また、上記のフレーム間挿入信号１５１の区間１０５に、前後の拡大シンボル＃（Ｎ−１）１０２１や拡大シンボル＃（Ｎ）１０２２の成分を含まない区間としてのシンボル間区間１０４を設けてもよい。このようなシンボル間区間１０４を設けることで、拡大シンボル区間の波形の不連続を緩和し、不連続により生じる不快な異音の発生とそれによる音質の劣化を低減することができ、また、フレーム間挿入信号１５１として長く多様な音響信号を挿入することができ、時間マスキングや周波数マスキングなどの聴覚作用により、音質劣化を低減することができる。

次に、GI生成平滑部２７は、各拡大シンボルに対して、ＯＦＤＭフレームの端部の平滑化処理を行う。具体的には、GI生成平滑部２７は、各拡大シンボルの後端部をフェードアウト処理し、前端部をフェードイン処理する。このような処理によれば、図５（ａ）に示すように、拡大シンボル＃（Ｎ−１）１０２１の後端部がフェードアウト処理される（フェードアウト部分１０２ｂ）と共に、拡大シンボル＃（Ｎ−１）１０２１の後に連続する拡大シンボル＃（Ｎ）１０２２の前端部がフェードイン処理される（フェードイン部分１０２ａ）ことになるので、連続する各拡大シンボルの各境界部分において波形が滑らかに連続するようになる。

拡大シンボル＃（Ｎ−１）１０２１と拡大シンボル＃（Ｎ）１０２２とは、一般には異なる位相で変調されているので、上記の平滑化処理を行わない場合には、伝送フレームの境界において、図１１（ａ）のように位相の不連続により不快な異音が発生し音質が劣化する。これに対して、上記平滑化処理を行うことにより、図１１（ｂ）のように拡大シンボル＃（Ｎ−１）１０２１と拡大シンボル＃（Ｎ）１０２２との波形を滑らかに接続させることができ、異音の発生を低減し、音質劣化を低減することができる。

また、シンボル間区間１０４を設けずに、拡大シンボル＃（Ｎ−１）１０２１の後端部と、拡大シンボル＃（Ｎ−１）１０２１の後に続く拡大シンボル＃（Ｎ）１０２２の前端部を重ねあうように接続してもよい。この処理により、単位時間あたりの伝送情報量を増やすことができる。また、その際に、重ねあう部分において、拡大シンボル＃（Ｎ−１）１０２１の後端部をフェードアウト処理し、拡大シンボル＃（Ｎ）１０２２の前端部をフェードイン処理するといったように、連続する拡大シンボルの端部同士を重ね合わせてクロスフェード処理する平滑化処理を行ってもよい。この処理を行うことにより、連続する拡大シンボルにおいて波形が滑らかに連続し、異音の発生が低減し、音質劣化を低減することができる。

（Ｆｉｌｔｅｒ部２３の処理例）
Ｆｉｌｔｅｒ部２３（図２参照）では、実数化部２８の出力に、ローパスフィルタやハイパスフィルタやバンドパスフィルタなどのフィルタを重畳してもよい。また、上記のフィルタを重畳する前に、フレームごとのパラレル信号を連接するシリアル信号に変換してもよい。このような処理により、伝送フレーム間の接続部分で生じる波形の不連続による異音を低減し、音質の劣化を低減することができる。

（音響信号多重平滑処理部２９の構成例）
図６には、音響信号多重平滑処理部２９の詳細な構成例が示されている。音響信号多重平滑処理部２９は、シンボルを重畳する周波数帯域３０１（図７）を入力音響信号１５からカットしたバンドカット音響信号１５２と、実数化部２８の出力信号２８１と、を合成する拡大シンボル部分音響処理部２９１を備えている。また、音響信号多重平滑処理部２９は、拡大シンボル部分音響処理部２９１の出力と入力音響信号１５とを参照してフレーム間挿入信号１５１を処理するフレーム間挿入信号処理部２９２を備えている。

また、音響信号多重平滑処理部２９は、フレーム同期信号を生成して、フレーム間挿入信号処理部２９２の出力と入力音響信号１５と合成し出力するフレーム同期信号合成部２９３を備えている。また、音響信号多重平滑処理部２９は、フレーム同期信号合成部２９３の出力をパラレル信号からシリアル信号に変換し送信音響信号３を出力するＰ／Ｓ変換部２９４を備えている。音響信号多重平滑処理部２９が備える上記の拡大シンボル部分音響処理部２９１とフレーム間挿入信号処理部２９２とフレーム同期信号合成部２９３とは、処理を行う順番を変更してもよい。

この音響信号多重平滑処理部２９において、上記の拡大シンボル部分音響処理部２９１に入力した入力音響信号１５は、ＢＥＦ部２９１１でバンド・エリミネーション・フィルタ（Band Elimination Filter）により、ＯＦＤＭのシンボル周波数帯域３０１を含む周波数帯域が減衰される。そして、ＯＦＤＭのシンボル周波数帯域３０１以外の周波数の信号を通過させたバンドカット音響信号１５２ａが、S/P変換部２９１２に入力され、S/P変換部２９１２でフレーム１０３の区間に対応するようにシリアル信号からパラレル信号に変換され、平滑化処理部２９１３に出力される。

平滑化処理部２９１３は、上記パラレル信号の前端部をフェードイン処理したり、ローパスやバンドパスフィルタなどのフィルタを重畳したりするなどの平滑化処理を行うと共に、各パラレル信号の後端部をフェードアウト処理したりローパスやバンドパスフィルタなどのフィルタを重畳したりするなどの平滑化処理を行う。そして、上記の処理によるバンドカット音響信号１５２が加算部２９１４に入力され、加算部２９１４において実数化部２８の出力信号２８１と加算されて、フレーム間挿入信号処理部２９２に入力される。

以上の処理により、拡大シンボル部分音響処理部２９１は、図７に示すように、バンドカット音響信号１５２と、実数化部２８の出力信号２８１である拡大シンボル#（Ｎ−１）１０２１や拡大シンボル#（Ｎ）１０２２を合成する。バンドカット音響信号１５２を合成することで、周波数マスキングや時間マスキングなどの聴覚上の作用により、多重した拡大シンボル#（Ｎ−１）１０２１や拡大シンボル#（Ｎ）１０２２や、フレーム同期信号２０１が聞こえにくくなり、音質が劣化するのを低減することができる。また、重畳する音響信号を事前にバンドカット処理することで、音響信号がシンボルと干渉し伝送品質を劣化させることを低減することができる。

再び図６に示すように、フレーム間挿入信号処理部２９２では、入力音響信号１５が音響信号選択部２９２１に入力される。音響信号選択部２９２１は、フレーム間挿入信号１５１とするための音響信号を選択して、S/P変換部２９２２に出力する。S/P変換部２９２２は、入力された信号をフレームごとのパラレル信号に分けて平滑化処理部２９２３に出力する。平滑化処理部２９２３は、入力されたフレーム間挿入信号１５１に対して、図５（ｂ）に示すように、前端部をフェードイン処理し（フェードイン部分１５１ａ）、後端部をフェードアウト処理する（フェードアウト部分１５１ｂ）といった平滑化処理を施し、更に、バンドエリミネーションフィルタを重畳するなどの平滑化処理を施して、加算部２９２４に出力する。加算部２９２４は、入力された信号と拡大シンボル部分音響処理部２９１の出力と重畳し、フレーム同期信号合成部２９３に出力する。

上記の音響信号選択部２９２１においては、入力音響信号１５の一部をフレーム間挿入信号１５１として選択してもよい。このようにオリジナルな音源である入力音響信号１５をフレーム間挿入信号１５１として選択すれば、処理後の送信音響信号３がオリジナルな音源である入力音響信号１５の特性を保持しやすくなる効果がある。また、音響信号選択部２９２１においては、別途入手したり作成したりした効果音を、フレーム間挿入信号１５１として選択してもよい。このような効果音を選択する場合、その効果音を適宜調整することで、ＯＦＤＭの信号が入っていることをマスキング効果により気付かせにくくしたり、ユーザにＯＦＤＭ信号が入っていることを気付かせる合図を送ったり、ユーザに行動を促す別の合図を送ったりすることができる。また、フレーム間挿入信号１５１として無音信号を用いることも可能である。

また、フレーム間挿入信号処理部２９２において、フレーム間挿入信号１５１は、図７に示すように、シンボル周波数帯域３０１を含め全周波数帯域を含めてもよい。ＯＦＤＭフレーム境界区間に音響信号を挿入することで、ＯＦＤＭフレーム境界区間で生じるＯＦＤＭフレーム間の不連続により生じる不快な異音が聴取者に聞こえにくくなる。また、フレーム間挿入信号１５１は、シンボル周波数帯域３０１を含む周波数帯域を減衰させるバンド・エリミネーション・フィルタ処理により、シンボルとの干渉を低減してもよい。これにより、フレーム間挿入信号１５１の遅延波が生じた場合でも、拡大シンボル＃（Ｎ−１）１０２１や＃（Ｎ）１０２２との干渉を低減し、情報伝送品質を向上することができる。

また、加算部２９２４で、フレーム間挿入信号１５１を、シンボルの主要部分とは重なりにくいフレームの端部に配置することにより、情報伝送品質の劣化を低減することができる。また、平滑化処理部２９２３は、図５（ｂ）に示すように、フレーム間挿入信号１５１の前端部をフェードイン処理したり、後端部をフェードアウト処理したり、前端部や後端部にローパスフィルタやバンドパスフィルタなどのフィルタを重畳する、などの平滑化処理をする。このような平滑化処理後のフレーム間挿入信号１５１が、フレーム間の区間１０５に重畳することで、その前後の拡大シンボル＃（Ｎ−１）１０２１や拡大シンボル＃（Ｎ）１０２２とクロスフェードの処理を行うことができ、隣接する拡大シンボル同士の境界が更に平滑化される。上記の処理を行うことにより、不連続による異音を低減し音質劣化を低減することができる。

次に、図６に示すフレーム同期信号合成部２９３では、フレーム同期信号作成部２９３１でＭ系列符号で変調した擬似ノイズ信号（以下、ＰＮ（Pseudorandom Noise）信号と称する）が作成され、フレーム同期信号２０１として振幅調整部２９３２に入力される。この変調の際、フレーム同期信号２０１が、図４に示すシンボル周波数帯域３０１と重ならないように、変調する周波数を選択したり、ローパスフィルタやバンドパスフィルタなどのフィルタを重畳してもよい。また、このフレーム同期信号２０１を複数種類作成し、その中から１つまたは複数を選択し、配置してもよい。

図６に示す振幅調整部２９３２では、入力音響信号１５を参照して、フレーム同期信号作成部２９３１から入力されたフレーム同期信号２０１の振幅を設定し、合成位置調整部２９３３に出力する。このとき、振幅調整部２９３２は、入力音響信号１５の聴覚マスキング閾値を算出し、その聴覚マスキング閾値以下にフレーム同期信号２０１の振幅がなるように、各フレーム同期信号２０１の振幅を設定してもよい。この処理により、フレーム同期信号２０１が聞こえにくくなり、音質劣化が低減される。このフレーム同期信号２０１の振幅は、各フレームで値を算出し、設定してもよい。

合成位置調整部２９３３では、フレーム同期信号２０１を配置する位置を調整し、その位置と、振幅調整部２９３２の出力である振幅調整値と、フレーム同期信号２０１とを、加算部２９３４に出力する。フレーム同期信号２０１は、図４に示すように、シンボル１００の先頭部分であるシンボル開始位置２０２に配置してもよく、またはシンボル開始位置２０２からフレーム同期信号ずれ量２０３（図４）の分だけずらした位置に配置してもよい。フレーム同期信号ずれ量２０３は、正の値でもよく、０でもよく、また負の値でもよい。フレーム同期信号ずれ量２０３は、各フレームで共通の値としてもよい。

フレーム同期信号ずれ量２０３を、各フレームで共通の値とした場合には、変調装置２での多重処理が簡単になり、また復調装置１２のフレーム同期やシンボル同期の処理の際に、複数フレームを足し合わせて後にＰＮ信号を畳み込む処理をする際に、ピークが立ちやすくなる。また、復調装置１２（図１）側でシンボル部分を的確に同期するために、フレーム同期信号ずれ量２０３を復調装置１２で既知としてもよく、変調装置２と復調装置１２とでフレーム同期信号ずれ量２０３を共有するための手段を設けてもよい。このようにフレーム同期信号２０１を重畳する位置をずらすことにより、多重する音響信号や騒音が大音量である部分を避け、音響信号が小音量の部分をシンボル部分として復調装置１２に示すことも可能となり、伝送品質劣化が低減できる。

図６に示す加算部２９３４は、加算部２９２４から入力された信号に、振幅調整部２９３２と合成位置調整部２９３３の出力情報をもとに振幅と位置を調整したフレーム同期信号２０１を加算し、P/S変換部２９４に入力する。P/S変換部２９４では、フレーム同期信号合成部２９３からの入力を、パラレル信号からシリアル信号に変換し、音響信号多重平滑処理部２９及び変調装置２の出力として送信音響信号３を出力する。なお、この送信音響信号３は、図７に示すような時間・周波数分布をしている。

再び図１に示すように、上記の音響信号多重平滑処理部２９から出力された送信音響信号３は、ＤＡ変換器４でアナログ信号に変換され、更にスピーカ５で電気音響変換され、スピーカ５は空気中に音波６を送信する。空気中を伝搬した音波６は、マイクロホン７で電気信号に変換され、更にＡＤ変換器８でデジタル信号にＡＤ変換されてデジタル信号の受信音響信号９とされ、復調装置１２に入力される。

（受信装置の構成例）
復調装置１２の構成例を図８に示す。復調装置１２に入力された受信音響信号９は、BPF部１２１で、２つの信号に分けられる。分けられた信号の一方１２１ａは、シンボル周波数帯域３０１を含む周波数帯域でバンドパス処理されてS/P変換部１２４に入力される。分けられた信号の他方１２１ｂは、シンボル同期用信号を含む低い周波数帯域でローパスし、S/P変換部１２２に入力される。S/P変換部１２２は、入力された信号１２１ｂを、フレーム区間１０３の長さのパラレル信号に変換する。そして、フレーム同期部１２３は、フレーム同期信号２０１を畳み込み相関値を求め、求めた相関値からピークを探索し、ピークの位置とフレーム同期信号ずれ量２０３を参照してフレーム内のシンボル開始位置２０２を同期し、同期したシンボル開始位置２０２の情報をS/P変換部１２４に出力する。

S/P変換部１２４は、入力されたシンボル周波数帯域３０１のシリアル信号１２１ａを、フレーム同期部１２３からの入力に基づいて、シンボル１００であると予想される区間を切り出しパラレル信号にS/P変換し、FFT部１２５に出力する。FFT部１２５は、S/P変換部からの入力をFFT処理して復調部１２６に出力する。復調部１２６は、FFT部１２５からの入力を復調処理し、復調結果を受信データ信号１３として出力する。

（送信側装置の処理）
上述した音響信号送受信システム１０の送信側装置１０Ａ（図１）の動作について、図９のフローチャートを参照して更に説明する。送信側装置１０Ａでは、まず入力データ信号１と入力音響信号１５とが入力される（ステップＳ１００）。変調装置２の多値変調部２４（図２）では、入力データ信号１が２値に変換される（ステップＳ１０１）。次に、Ｓ／Ｐ変換部２５で、シリアル信号をパラレル信号に変換する（ステップＳ１０２）。

そして、ＩＴＴＦ部２６が、パラレル信号のシンボルについてＩＦＦＴを実施し（ステップＳ１０３）、GI生成平滑部２７では、ガード時間分の信号を複製し、シンボルの前方または後方または双方に連結し、フレームを生成し（ステップＳ１０４）、フレームの実部を出力する（ステップＳ１０５）。次に、フレームの両端部分に対してフェードインやフェードアウトなどの平滑化処理をし（ステップＳ１０６）、帯域制限フィルタを重畳するなどの平滑化処理をする（S１０７）。そして、音響信号やフレーム同期信号を多重し、パラレル信号からシリアル信号への変換を行い（ステップＳ１０８）、アナログ信号に変換し（ステップS１０９）、スピーカで電気音響変換し音波を出力する（ステップＳ１１０）。

上記の音響信号多重処理（ステップＳ１０８）の内容を更に詳細に説明すると、入力音響信号１５の拡大シンボルの周波数帯域３０１がバンドカットされ（ステップＳ１０８２）、その音響信号のフレーム境界部分で、フェードインやフェードアウトなどの平滑化処理が行われる（ステップS１０８３）。更に、フレームの境界部分に配置するフレーム間挿入信号が選択・生成され（ステップＳ１０８４）、フレーム間挿入信号の端部でフェードインやフェードアウトなどの平滑化処理が行われる（ステップＳ１０８５）。更に、フレーム同期信号が生成され（ステップＳ１０８６）、上記の処理がなされた音響信号と拡大シンボルとフレーム同期信号とが足し合わされて、シリアル信号に変換される（ステップＳ１０８７）。

（受信側装置の処理）
続いて、上述した音響信号送受信システム１０の受信側装置１０Ｂ（図１）の動作について、図１０のフローチャートを参照して更に説明する。受信側装置１０Ｂでは、マイクロホン７に音波が入力されると、この音波がアナログの電気信号に変換され（ステップＳ２０１）、更に、ＡＤ変換器８によってデジタル信号に変換される。そして、このデジタル信号が復調装置１２に入力される（ステップＳ２０２）。復調装置１２では、入力された信号を２つの信号に分け（ステップＳ２０３）、一方の信号は低周波数帯域にフレーム同期用信号が畳み込まれてフレームの先頭位置の同期に用いられる（ステップＳ２０４）。他方の信号は、シンボル周波数帯域３０１がバンドパスして取り出され、上記のフレーム時間同期の出力データを参照してフレームごとにパラレル信号に変換される。そして、ＦＦＴが行われ（ステップＳ２０５）、ＯＦＤＭの復調が実施されて（ステップＳ２０６）、受信データ信号が出力される（ステップＳ２０７）。

以上説明したように、変調装置２を用いた音波情報通信及び音響信号送受信システム１０によれば、変調装置２のGI生成平滑部２７により、伝送情報に基づく伝送信号が、各ＯＦＤＭフレームの端部において平滑化処理される。この平滑化処理としては、フレームの前端部の信号をフェードイン処理したり、フレームの後端部の信号をフェードアウト処理したり、隣接するフレーム同士の端部で信号をクロスフェード処理したりすることが含まれる。このような平滑化処理が施されることにより、隣接するフレームにおける伝送信号の波形の不連続に起因する異音を低減することができる。従って、音質劣化を低減することができ、聴取者の不快感を減少することができる。

また、前述のように、GI生成平滑部２７では、各ＯＦＤＭシンボル１００の前後にＧＩを配置してＯＦＤＭフレームを形成した上で、隣接するＯＦＤＭフレーム同士の端部で信号を平滑化処理することが好ましい。このようにすれば、フレームの前後端部に存在するＧＩ部分が平滑化処理を受けることになるので、シンボル１００への平滑化処理の影響を小さくすることができる。従って、伝送品質の劣化を抑えながら、上記の音質劣化の低減を図ることができる。

また、前述のように、音響信号多重処理平滑部２９では、隣接するＯＦＤＭフレーム同士の間に、フレーム間挿入信号１５１（図５（ｂ））を挿入する処理を行ってもよい。このようにすれば、隣接するフレームにおける伝送信号の波形の不連続が緩和され、不連続に起因する異音を低減することができる。従って、音質劣化を低減することができ、聴取者の不快感を減少することができる。

（ａ）は、本発明に係る変調装置が適用される音響信号送受信システムの送信側装置を示すブロック図であり、（ｂ）は、その受信側装置を示すブロック図である。 本発明に係る変調装置の構成を示すブロック図である。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、伝送信号の拡大シンボルを形成する処理を示す図である。 伝送信号及びフレーム同期信号を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、拡大シンボルの平滑化処理を示す図である。 音響信号多重平滑処理部の構成を示すブロック図である。 重畳された伝送信号及び音響信号を示す図である。 復調装置の構成を示すブロック図である。 送信側装置の処理を示すフローチャートである。 受信側装置の処理を示すフローチャートである。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、位相の不連続部分をもつ音波の境界部部を示す図である。

符号の説明

１…入力データ信号、２…変調装置、３…送信音響信号、４…ＤＡ変換器、５…スピーカ、６…音波、７…マイクロホン、８…ＡＤ変換器、９…受信音響信号、１０…音響信号送受信システム（音波情報通信システム）、１０Ａ…送信側装置、１０Ｂ…受信側装置、１２…復調装置、１３…受信データ信号、１５…入力音響信号、２３…Ｆｉｌｔｅｒ部、２４…多値変調部（伝送信号生成手段）、２５…Ｓ／Ｐ変換部（伝送信号生成手段）、２６…ＩＦＦＴ部（伝送信号生成手段）、２７…ＧＩ生成平滑部（伝送信号生成手段、平滑化処理手段）、２８…実数化部、２９…音響信号多重平滑処理部（挿入信号処理手段、信号重畳手段）、１００…シンボル（伝送信号）、１００ａ…シンボルの前方部分、１００ｂ…シンボルの後方部分、１０２…拡大シンボル、１０３…ＯＦＤＭフレーム（伝送フレーム）、１０４…シンボル間区間、１０５…フレーム間挿入信号の区間、１２１ａ，１２１ｂ…信号、１２１…ＢＰＦ部、１２２…Ｓ／Ｐ変換部、１２３…フレーム同期部、１２４…Ｓ／Ｐ変換部、１２５…ＦＦＴ部、１２６…復調部、１５１…フレーム間挿入信号、１５１ｂ…フェードアウト部分、１５１ａ…フェードイン部分、１５２，１５２ａ…バンドカット音響信号、２０１…フレーム同期信号、２０２…シンボル開始位置、２０３…フレーム同期信号ずれ量、２０３ａ…振幅調整部、２０４ａ〜２０４ｄ…乗算部、２０５…シンボル、２８１…出力信号、２９１…拡大シンボル部分音響処理部、２９２…フレーム間挿入信号処理部、２９３…フレーム同期信号合成部、２９４…Ｐ／Ｓ変換部、３０１…シンボル周波数帯域、１０２１，１０２２…拡大シンボル（伝送信号）、１０２ｂ…フェードアウト部分、１０２ａ…フェードイン部分、２９１１…ＢＥＦ部、２９１２…Ｓ／Ｐ変換部、２９１３…平滑化処理部、２９１４…加算部、２９２１…音響信号選択部、２９２２…Ｓ／Ｐ変換部、２９２３…平滑化処理部、２９２４…加算部、２９３１…フレーム同期信号作成部、２９３２…振幅調整部、２９３３…合成位置調整部、２９３４…加算部、Ａ，Ｂ…音波、Ａ１…フェードアウト部分、Ｂ１…フェードイン部分、Ｃ…位相の不連続部分。

Claims (16)

1. 伝送情報に基づく伝送信号を音響信号に重畳し前記伝送情報を音波で伝送する音波情報通信システムに用いられる変調装置において、
   前記伝送情報に応じて搬送波を変調し前記伝送信号を生成する伝送信号生成手段と、
   前記伝送信号生成手段で生成した前記伝送信号の各伝送フレームの端部を平滑化する処理を行う平滑化処理手段と、
   前記平滑化処理手段で処理された前記伝送信号を前記音響信号に重畳する信号重畳手段と、
   を備えることを特徴とする変調装置。
2. 前記平滑化処理手段は、
   前記伝送信号の各伝送フレームの端部を平滑化する処理として、
   前記伝送信号の各伝送フレームの前端部をフェードイン処理し、前記伝送信号の各伝送フレームの後端部をフェードアウト処理することを特徴とする請求項１に記載の変調装置。
3. 伝送情報に基づく伝送信号を音響信号に重畳し前記伝送情報を音波で伝送する音波情報通信システムに用いられる変調装置において、
   前記伝送情報に応じて搬送波を変調し前記伝送信号を生成する伝送信号生成手段と、
   前記伝送信号生成手段で生成した前記伝送信号の隣接する伝送フレーム同士の間にフレーム間挿入信号を挿入する処理を行う挿入信号処理手段と、
   前記挿入信号処理手段で処理された前記伝送信号を前記音響信号に重畳する信号重畳手段と、
   を備えることを特徴とする変調装置。
4. 前記挿入信号処理手段は、
   前記フレーム間挿入信号として、前記音響信号の一部を選択することを特徴とする請求項３に記載の変調装置。
5. 前記挿入信号処理手段は、
   前記フレーム間挿入信号の端部を平滑化する処理を行うことを特徴とする請求項３又は４に記載の変調装置。
6. 前記挿入信号処理手段は、
   前記フレーム挿入信号の端部を平滑化する処理として、
   前記フレーム挿入信号の前端部をフェードイン処理し、前記フレーム挿入信号の後端部をフェードアウト処理することを特徴とする請求項５に記載の変調装置。
7. 前記伝送信号生成手段は、前記伝送信号のシンボルの前方部分を複製し当該シンボルの後方に配置して前記伝送フレームを形成する処理を行うことを特徴とする請求項１又は３に記載の変調装置。
8. 前記伝送信号生成手段は、前記伝送信号のシンボルの後方部分を複製し当該シンボルの前方に配置して前記伝送フレームを形成する処理を行うことを特徴とする請求項１、３又は７に記載の変調装置。
9. 伝送情報に基づく伝送信号を音響信号に重畳し前記伝送情報を音波で伝送する音波情報通信に用いられる変調方法において、
   前記伝送情報に応じて搬送波を変調し前記伝送信号を生成する伝送信号生成ステップと、
   前記伝送信号生成ステップで生成した前記伝送信号の各伝送フレームの端部を平滑化する処理を行う平滑化処理ステップと、
   前記平滑化処理ステップで処理された前記伝送信号を前記音響信号に重畳する信号重畳ステップと、
   を備えることを特徴とする変調方法。
10. 前記平滑化処理ステップでは、
    前記伝送信号の各伝送フレームの端部を平滑化する処理として、
    前記伝送信号の各伝送フレームの前端部をフェードイン処理し、前記伝送信号の各伝送フレームの後端部をフェードアウト処理することを特徴とする請求項９に記載の変調方法。
11. 伝送情報に基づく伝送信号を音響信号に重畳し前記伝送情報を音波で伝送する音波情報通信に用いられる変調方法において、
    前記伝送情報に応じて搬送波を変調し前記伝送信号を生成する伝送信号生成ステップと、
    前記伝送信号生成ステップで生成した前記伝送信号の隣接する伝送フレーム同士の間にフレーム間挿入信号を挿入する処理を行う挿入信号処理ステップと、
    前記挿入信号処理ステップで処理された前記伝送信号を前記音響信号に重畳する信号重畳ステップと、
    を備えることを特徴とする変調方法。
12. 前記挿入信号処理ステップでは、
    前記フレーム間挿入信号として、前記音響信号の一部を選択することを特徴とする請求項１１に記載の変調方法。
13. 前記挿入信号処理ステップでは、
    前記フレーム間挿入信号の端部を平滑化する処理を行うことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の変調方法。
14. 前記挿入信号処理ステップでは、
    前記フレーム挿入信号の端部を平滑化する処理として、
    前記フレーム挿入信号の前端部をフェードイン処理し、前記フレーム挿入信号の後端部をフェードアウト処理することを特徴とする請求項１３に記載の変調方法。
15. 前記伝送信号生成ステップでは、前記伝送信号のシンボルの前方部分を複製し当該シンボルの後方に配置して前記伝送フレームを形成する処理を行うことを特徴とする請求項９又は１１に記載の変調方法。
16. 前記伝送信号生成ステップでは、前記伝送信号のシンボルの後方部分を複製し当該シンボルの前方に配置して前記伝送フレームを形成する処理を行うことを特徴とする請求項９、１１又は１５に記載の変調方法。

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