JP2009246788A - Modulation apparatus, demodulation apparatus, information transfer system, modulation method ,and demodulation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、オーディオ信号に符号情報を重畳して伝達する技術に関する。 The present invention relates to a technique for transmitting code information superimposed on an audio signal.
符号情報を無線で伝達する通信方法としては、電波を用いた通信の他、楽音などの音波に変調を施すことにより符号化情報を重畳する技術が検討されている。このように音波に変調を施すことにより符号化情報を重畳する場合、一般的なスピーカ、マイクロフォンを用いて通信するためには、可聴域の音波を用いる必要があるが、符号化情報を重畳するための変調により、もともとの楽音に対して不快な雑音が混ざることを防ぐために様々な検討がなされている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3)。
上記各特許文献に開示された技術のように、変調時に発生する雑音が低減されるようになってきたが、その低減量が不十分、処理負荷が大きい、通信時における通信位置の制限があるなどの問題が残っていた。 Like the techniques disclosed in the above patent documents, noise generated during modulation has been reduced, but the amount of reduction is insufficient, the processing load is large, and there is a restriction on the communication position during communication. Etc. remained.
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、簡易な処理によって変調時に発生する雑音を大幅に低減することができるとともに、通信時の制限の少ない変調装置、復調装置、情報伝達システム、変調方法および復調方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and can greatly reduce noise generated during modulation by simple processing, and has few restrictions during communication, a demodulator, and an information transmission system. An object of the present invention is to provide a modulation method and a demodulation method.
上述の課題を解決するため、本発明は、オーディオ信号を入力する入力手段と、符号化された符号化情報を取得する取得手段と、前記入力手段によって入力されたオーディオ信号の所定の周波数未満の周波数帯域のうち、一部の周波数帯域の成分を有するオーディオ信号を抽出する抽出手段と、前記抽出手段によって抽出されたオーディオ信号の周波数帯域の成分を、前記取得手段によって取得された符号化情報に応じたシフト量で前記所定の周波数以上の高周波数帯域にシフトさせる周波数シフト手段と、前記周波数シフト手段によって周波数帯域がシフトされたオーディオ信号を、前記入力手段によって入力されたオーディオ信号に重畳する重畳手段とを具備することを特徴とする変調装置を提供する。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides an input unit that inputs an audio signal, an acquisition unit that acquires encoded information, and an audio signal input by the input unit that is less than a predetermined frequency. Extraction means for extracting an audio signal having a component of a part of the frequency band out of the frequency band, and the frequency band component of the audio signal extracted by the extraction means as the encoded information acquired by the acquisition means Frequency shift means for shifting to a high frequency band equal to or higher than the predetermined frequency by a corresponding shift amount, and superposition for superimposing the audio signal whose frequency band is shifted by the frequency shift means on the audio signal input by the input means And a modulation device.
また、別の好ましい態様において、前記重畳手段は、前記入力手段によって入力されたオーディオ信号の前記高周波数帯域の成分を除去する除去手段を有することを特徴とする。 In another preferred aspect, the superimposing unit includes a removing unit that removes the high frequency band component of the audio signal input by the input unit.
また、別の好ましい態様において、各々異なるように設定された周波数の複数のキャリア信号を生成するキャリア生成手段をさらに具備し、前記周波数シフト手段は、前記キャリア生成手段によって生成されたキャリア信号のうち、前記取得手段によって取得された符号化情報に応じて選択した周波数のキャリア信号を、前記抽出手段によって抽出されたオーディオ信号に対して乗算することによって、当該オーディオ信号の周波数帯域の成分をシフトさせ、前記キャリア生成手段によって生成されるキャリア信号の周波数は、前記周波数シフト手段によって選択されるキャリア信号が切り替わるときには、切り替え前後のキャリア信号の位相が一致するように周波数が設定されていることを特徴とする。 Moreover, in another preferable aspect, the apparatus further includes carrier generation means for generating a plurality of carrier signals having different frequencies, and the frequency shift means includes a carrier signal generated by the carrier generation means. The frequency band component of the audio signal is shifted by multiplying the audio signal extracted by the extraction unit by the carrier signal of the frequency selected according to the encoding information acquired by the acquisition unit. The frequency of the carrier signal generated by the carrier generation means is set such that the phase of the carrier signal before and after switching is matched when the carrier signal selected by the frequency shift means is switched. And
また、別の好ましい態様において、前記重畳手段は、前記入力手段によって入力されたオーディオ信号に対して、予め設定された遅延時間の遅延処理を行う遅延手段を有することを特徴とする。 In another preferred aspect, the superimposing unit includes a delay unit that performs a delay process of a preset delay time on the audio signal input by the input unit.
また、本発明は、オーディオ信号を入力する入力手段と、前記入力手段によって入力されたオーディオ信号の周波数帯域の一部の周波数帯域の成分と、当該一部の周波数帯域から予め設定された複数のシフト量の周波数をシフトさせた複数の周波数帯域における成分の各々との相関関係を検出して、検出結果に応じて前記複数のシフト量のいずれかを選択する検出手段と、前記検出手段によって選択されたシフト量に応じて符号化された符号化情報を生成する符号化情報生成手段とを具備することを特徴とする復調装置を提供する。 Further, the present invention provides an input means for inputting an audio signal, a component of a part of the frequency band of the frequency band of the audio signal input by the input means, and a plurality of preset frequencies from the part of the frequency band. A detection unit that detects a correlation with each of components in a plurality of frequency bands in which the frequency of the shift amount is shifted, and selects one of the plurality of shift amounts according to a detection result; and the detection unit selects There is provided a demodulating device comprising encoding information generating means for generating encoded information encoded according to the shift amount.
また、別の好ましい態様において、前記検出手段は、前記入力手段によって入力されたオーディオ信号の周波数帯域のうち、所定の周波数未満の周波数帯域の一部と、前記所定の周波数以上の周波数帯域の一部とを加算することによって生じるオーディオ信号の振幅のうねりによって相関関係を検出することを特徴とする。 In another preferred aspect, the detection means includes a part of a frequency band less than a predetermined frequency and a frequency band equal to or higher than the predetermined frequency among the frequency bands of the audio signal input by the input means. The correlation is detected by the undulation of the amplitude of the audio signal generated by adding the two parts.
また、本発明は、上記記載の変調装置と、上記記載の復調装置と、前記変調装置の重畳手段によって重畳されたオーディオ信号を放音する放音手段と、前記放音手段によって放音されたオーディオ信号を収音する収音手段とを具備し、前記復調装置の入力手段は、前記収音手段によって収音したオーディオ信号を入力し、前記復調装置の検出手段において予め設定されるシフト量は、前記変調装置の周波数シフト手段によりシフトし得る周波数のシフト量であることを特徴とする情報伝達システムを提供する。 The present invention is also characterized in that the modulation device described above, the demodulation device described above, the sound emission means for emitting the audio signal superimposed by the superimposition means of the modulation device, and the sound emission means. Sound pickup means for picking up an audio signal, the input means of the demodulator inputs the audio signal picked up by the sound pickup means, and the shift amount set in advance by the detection means of the demodulator is The information transmission system is characterized in that the frequency shift amount can be shifted by the frequency shift means of the modulation device.
また、本発明は、オーディオ信号を入力する入力過程と、符号化された符号化情報を取得する取得過程と、前記入力過程において入力されたオーディオ信号の所定の周波数未満の周波数帯域のうち、一部の周波数帯域の成分を有するオーディオ信号を抽出する抽出過程と、前記抽出過程において抽出されたオーディオ信号の周波数帯域の成分を、前記取得過程において取得された符号化情報に応じたシフト量で前記所定の周波数以上の高周波数帯域にシフトさせる周波数シフト過程と、前記周波数シフト過程において周波数帯域がシフトされたオーディオ信号を、前記入力過程において入力されたオーディオ信号に重畳する重畳過程とを備えることを特徴とする変調方法を提供する。 The present invention also provides an input process for inputting an audio signal, an acquisition process for acquiring encoded information, and a frequency band less than a predetermined frequency of the audio signal input in the input process. An extraction process of extracting an audio signal having a component of a frequency band of the part, and a frequency band component of the audio signal extracted in the extraction process with a shift amount corresponding to the encoded information acquired in the acquisition process A frequency shift process for shifting to a high frequency band above a predetermined frequency, and a superimposition process for superimposing an audio signal whose frequency band has been shifted in the frequency shift process on an audio signal input in the input process. A characteristic modulation method is provided.
また、本発明は、オーディオ信号を入力する入力過程と、前記入力過程において入力されたオーディオ信号の周波数帯域の一部の周波数帯域の成分と、当該一部の周波数帯域から予め設定された複数のシフト量の周波数をシフトさせた複数の周波数帯域における成分の各々との相関関係を検出して、検出結果に応じて前記複数のシフト量のいずれかを選択する検出過程と、前記検出過程において選択されたシフト量に応じて符号化された符号化情報を生成する符号化情報生成過程とを備えることを特徴とする復調方法を提供する。 In addition, the present invention provides an input process for inputting an audio signal, a component of a part of the frequency band of the frequency band of the audio signal input in the input process, and a plurality of preset frequency bands Detecting a correlation with each of the components in the plurality of frequency bands in which the frequency of the shift amount is shifted, and selecting one of the plurality of shift amounts according to the detection result; and selecting in the detection step There is provided a demodulation method comprising: an encoded information generation process for generating encoded information encoded according to the shift amount.
本発明によれば、簡易な処理によって変調時に発生する雑音を大幅に低減することができるとともに、通信時の制限の少ない変調装置、復調装置、情報伝達システム、変調方法および復調方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a modulation device, a demodulation device, an information transmission system, a modulation method, and a demodulation method that can greatly reduce noise generated during modulation by simple processing and that have less restrictions during communication. Can do.
以下、本発明の一実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
<実施形態>
本発明の実施形態に係る情報伝達システム10は、図1に示すように、外部装置などから送信すべき伝送情報が入力されるとともに、外部装置などからオーディオ信号Saが入力され、オーディオ信号Saを伝送情報に応じて変調した信号(以下、変調オーディオ信号Seという)を出力する変調装置1、変調装置1から出力される変調オーディオ信号Seを放音するスピーカ2、スピーカ2によって放音された変調オーディオ信号Seを収音するマイクロフォン3、マイクロフォン3によって収音された変調オーディオ信号Seを復調することにより伝送情報を受信する復調装置4を有する。以下、変調装置1、復調装置4の構成について順に説明する。
<Embodiment>
As shown in FIG. 1, the
まず、変調装置1の構成について、図2を用いて説明する。以下に説明する構成については、ハードウエアにより実現してもよいし、図示しないコンピュータのCPU(Central Processing Unit)が制御プログラムを実行して、以下に説明する機能を実現するようにしてもよい。
First, the configuration of the
LPF110は、オーディオ信号Saが入力され、予め設定されたカットオフ周波数以上の高周波数帯域を減衰させることにより、高周波数帯域の成分を除去して出力する低域通過フィルタである。この高周波数帯域の一部が、後述するように、変調した信号が重畳される周波数帯域となるものであり、この例においては、カットオフ周波数は10kHzに設定されている。以下、LPF110から出力される高周波数帯域の成分が除去されたオーディオ信号をオーディオ信号Sbという。
The
HPF120は、LPF110からオーディオ信号Sbが入力され、予め設定されたカットオフ周波数以下の低周波数帯域を減衰させて出力する高域通過フィルタである。この例においては、カットオフ周波数は6kHzに設定されている。したがって、HPF120から出力されるオーディオ信号(以下、オーディオ信号Scという)は、オーディオ信号Saの周波数帯域のうち、概ね6kHzから10kHzの周波数帯域の成分を有するオーディオ信号として抽出されたものである。
The HPF 120 is a high-pass filter that receives the audio signal Sb from the
符号化器130は、伝送情報が入力され、この伝送情報を符号化した符号化情報を切替器150に出力する。この例においては、符号化情報は、伝送情報を「0」、「1」の1ビット2値のシンボルに符号化した情報である。なお、この符号化においては、インターリーブ、誤り訂正符号の付加などの処理を行なってもよい。ここで、1ビットあたりの時間は予め設定された時間であり、すなわち予め定められたビットレートの符号化情報が生成される。
The
キャリア周波数発生部140は、キャリア周波数発生器A141とキャリア周波数発生器B142とを有し、それぞれ、テーブル、関数演算などを行うことにより、予め設定された異なる周波数の正弦波のキャリア信号fa、fbを生成し、切替器150に出力する。そして、切替器150は、符号化器130から出力される符号化情報を取得し、その符号化情報に応じて、入力されるキャリア信号fa、fbのいずれかを選択し、切り替えて出力する。この例においては、符号化情報が示すシンボルが「0」である場合には、キャリア信号faを出力し、シンボルが「1」である場合には、キャリア信号fbを出力する。
The
ここで、キャリア信号faとキャリア信号fbとが切り替わるときの切替器150からの出力波形の不連続点が発生しないように、切り替え時点において切り替え前後のキャリア信号fa、fb双方の位相が一致するように周波数を設定してもよい。ここで、符号化情報の伝送符号1ビットあたりの時間は決まっているから、切り替わるタイミングはその時間の整数倍の時間に固定されている。例えば、サンプリングレートが44.1kHzであるときに、1ビットあたりの時間が88サンプルとして設定されているものとする。
Here, the phase of both the carrier signals fa and fb before and after switching coincide with each other so that a discontinuity in the output waveform from the
このとき、キャリア信号faの1周期を11サンプル(周波数は概ね4kHz、以下、省略して4kHzとする)とし、キャリア信号fbの1周期を8サンプル(周波数は概ね5.5kHz、以下、省略して5.5kHzとする)とすると、1ビットあたりキャリア信号faはちょうど8周期、キャリア信号fbはちょうど11周期となり、切り替わるときには位相が一致するため、波形の連続性を保つことができる。このように設定されたキャリア信号fa、fbを、符号化情報「010101」により88サンプルごとに切り替えた場合の切替器150からの出力信号を図3に示す。
At this time, one cycle of the carrier signal fa is 11 samples (frequency is approximately 4 kHz, hereinafter omitted to be 4 kHz), and one cycle of the carrier signal fb is 8 samples (frequency is approximately 5.5 kHz, hereinafter omitted). 5.5 kHz), the carrier signal fa per bit is exactly 8 cycles, the carrier signal fb is exactly 11 cycles, and the phases match when switching, so that the continuity of the waveform can be maintained. FIG. 3 shows an output signal from the
キャリア周波数発生器A141、キャリア周波数発生器B142に、上述のようにして決定される周波数を設定しておくことにより、切替器150における切替時の波形の連続性を保つことができるから、後述するように出力される変調オーディオ信号Seについて、切替器150におけるキャリア信号fa、fbの切替時にノイズが発生する可能性を抑えることができ、聴感上望ましい。この例においては、キャリア周波数発生器A141には、周波数として4kHzが設定され、キャリア周波数発生器B142には、周波数として5.5kHzが設定されているものとする。したがって、キャリア信号faの周波数は4kHz、キャリア信号fbの周波数は5.5kHzとなっている。
Since the frequency determined as described above is set in the carrier frequency generator A141 and the carrier frequency generator B142, the continuity of the waveform at the time of switching in the
乗算器160は、HPF120から出力されるオーディオ信号Scと切替器150から出力されるキャリア信号faまたはキャリア信号fbと乗算する。これにより、乗算器160は、オーディオ信号Scの周波数帯域の成分を、乗算されるキャリア信号の周波数だけ上側の周波数帯域にシフトさせるとともに、下側の周波数帯域にもシフトさせる。具体的には、キャリア信号faと乗算された場合には、キャリア信号faの周波数は4kHzであるから、オーディオ信号Scの周波数帯域の成分は、6kHz〜10kHzの周波数帯域から、2kHz〜6kHzの周波数帯域および10kHzから14kHzの周波数帯域の2つの周波数帯域にシフトする。一方、キャリア信号fbと乗算された場合には、キャリア信号faの周波数は5.5kHzであるから、オーディオ信号Scの周波数帯域の成分は、6kHz〜10kHzの周波数帯域から、0.5kHz〜4.5kHzの周波数帯域および11.5kHzから15.5kHzの周波数帯域の2つの周波数帯域にシフトする。ここで、上側にシフトされる周波数帯域については、LPF110において成分が除去される周波数帯域になるように、LPF110に設定されるカットオフ周波数、キャリア周波数発生器A141およびキャリア周波数発生器B142に設定される周波数が、それぞれ定められている。
HPF170は、乗算器160によって周波数帯域がシフトされたオーディオ信号に対して、下側の周波数帯域の成分を除去し、上側の周波数帯域の成分だけを通過させる高域通過フィルタである。このように、下側の周波数帯域の成分だけを除去できればよいから、カットオフ周波数は、6kHzから10kHzの間、例えば8kHzとしておけばよい。このようにして下側の周波数帯域の成分が除去され、上側にシフトした周波数帯域の成分だけを有するオーディオ信号(以下、オーディオ信号Sdという)を出力する。
The
遅延回路180は、LPF110から出力されるオーディオ信号Sbに対して、予め設定された遅延時間の遅延処理を行って出力する。この遅延時間は、HPF120、乗算器160およびHPF170における処理時間と同じ時間として設定されている。このように遅延させることにより、オーディオ信号Sbに対して上記の周波数をシフトさせる処理が行われてオーディオ信号Sdが出力されるまでの処理時間のずれを調整して、オーディオ信号Sbとオーディオ信号Sdとの時間的なずれが無いものとすることができる。
The
加算器190は、遅延回路180において遅延されたオーディオ信号Sbと、HPF170から出力されたオーディオ信号Sdとを加算することによって重畳したオーディオ信号(以下、変調オーディオ信号Seという)を出力する。このようにして加算器190から出力された変調オーディオ信号Seは、必要に応じてD/A変換、増幅処理などが施されスピーカ2に出力される。そして、スピーカ2から変調オーディオ信号Seが放音される。以上が変調装置1の構成についての説明である。
The
次に、変調装置1の動作について、入力されるオーディオ信号Saが変調オーディオ信号Seとして放音されるまでの周波数分布の変化を示す図4を用いて説明する。
Next, the operation of the
オーディオ信号Saは、図4(a)に示す周波数分布であるとする。このオーディオ信号Saは、LPF110によって、10kHz以上の周波数帯域の成分が除去されるから、LPF110から出力されるオーディオ信号Sbは、図4(b)に示すような周波数分布となる。次に、オーディオ信号Sbは、HPF120によって、6kHz以下の周波数帯域の成分が除去されるから、HPF120から出力されるオーディオ信号Scは、図4(c)に示すような6kHzから10kHzの周波数帯域の成分を有する周波数分布となる。
Assume that the audio signal Sa has a frequency distribution shown in FIG. Since the audio signal Sa has a frequency band component of 10 kHz or more removed by the
そして、入力される伝送情報は符号化器130によって符号化された符号化情報として出力され、その内容に応じてキャリア信号faまたはキャリア信号fbが切り替えられながら乗算器160に出力される。これにより、乗算器160において、オーディオ信号Scの6kHzから10kHzの周波数帯域の成分が上下側にシフトされ、HPF170において、下側にシフトされた周波数帯域の成分が除去される。このようにしてHPF170から出力されるオーディオ信号Sdは図4(d)に示すような周波数分布となる。ここで、オーディオ信号Sd(0)、Sd(1)とは、それぞれキャリア信号fa、fbにより周波数帯域の成分がシフトされたオーディオ信号Sdを示し、破線で示した周波数分布については、HPF170において除去された周波数帯域の成分を示している。
The input transmission information is output as encoded information encoded by the
このようにしてHPF170から出力されたオーディオ信号Sdは、遅延回路180において遅延処理されたオーディオ信号Sbと加算器190において加算されるから、加算器190から出力される変調オーディオ信号Seは、図4(e)に示すような周波数分布となる。ここで、変調オーディオ信号Se(0)、Se(1)とは、それぞれオーディオ信号Sd(0)、Sd(1)とオーディオ信号Sbとを加算した変調オーディオ信号Seを示している。このようにして、入力されたオーディオ信号Saは、符号化器130によって出力される符号化情報の「0」、「1」に対応して、変調オーディオ信号Se(0)、Se(1)に変調されることになる。すなわち、オーディオ信号Saの6kHzから10kHzの周波数帯域の成分を、符号化情報の「0」「1」に応じたシフト量で高周波数帯域へシフトさせて、重畳する変調を行う。以上が変調装置1の動作についての説明である。
Since the audio signal Sd output from the
次に、復調装置4の構成について、図5を用いて説明する。以下に説明する構成については、ハードウエアにより実現してもよいし、図示しないコンピュータのCPUが制御プログラムを実行して、以下に説明する機能を実現するようにしてもよい。
Next, the configuration of the
再変調器410は、マイクロフォン3において収音された変調オーディオ信号Seが入力される。再変調器410は、図6に示すような構成であり、以下、その構成について説明する。
The
再変調器410は、BPF411、412、413および加算器414、415を有する。BPF411、412、413は、それぞれ異なる中心周波数が予め設定された帯域通過フィルタである。そして、BPF411、412、413は、変調オーディオ信号Seが入力され、変調オーディオ信号Seの周波数帯域のうち、それぞれに設定された中心周波数近傍の周波数帯域以外の周波数帯域を除去した信号を出力する。
The
BPF411は、変調装置1に係るオーディオ信号Scの周波数帯域(6kHzから10kHz)のいずれかの周波数(この例においては、6.5kH)が中心周波数として設定される。BPF412は、BPF411に設定される中心周波数に変調装置1に係るキャリア信号faの周波数を加算した周波数、すなわち、この例においては、10.5kHzが中心周波数として設定される。また、BPF413は、BPF411に設定される中心周波数に変調装置1に係るキャリア信号fbの周波数を加算してシフトさせた周波数、すなわち、この例においては、12kHzが中心周波数として設定される。なお、BPF411、412、413それぞれのバンド幅は適宜設定すればよいが、すべて同じバンド幅であることが望ましい。
In the
加算器414は、BPF411、412から出力された信号を加算し、加算した出力信号Sf1を出力する。これにより、双方の信号の相関関係を検出することができる。すなわち、BPF411、412に設定された中心周波数は、キャリア信号faの周波数の4kHzずれた関係にある。ここで、変調オーディオ信号Seのうち、符号化情報「0」に対応する変調オーディオ信号Se(0)については、上述したように、その6kHzから10kHzの周波数帯域の成分が4kHz上側にシフトさせた10kHzから14kHzの周波数帯域に重畳されている。したがって、変調オーディオ信号Se(0)が再変調器410に入力されている間は、変調オーディオ信号Se(0)のうち6.5kHz近傍の周波数帯域の信号と、さらに4kHz上側の10.5kHz近傍の周波数帯域の信号とは、周波数帯域がシフトされただけの関係であり強い相関関係をもつから、これらの信号を加算した出力信号Sf1は、4kHzの強い振幅のうねりを持った信号となる。
The
一方、変調オーディオ信号Seのうち、符号化情報「1」に対応する変調オーディオ信号Se(1)については、上述したように、その6kHzから10kHzの周波数帯域の成分が5.5kHz上側にシフトさせた11.5kHzから15.5kHzの周波数帯域に重畳されている。したがって、変調オーディオ信号Se(1)が再変調器410に入力されている間は、変調オーディオ信号Se(1)のうち6.5kHz近傍の周波数帯域の信号と、さらに4kHz上側の10.5kHz近傍の周波数帯域の信号とは、周波数帯域がシフトされた関係ではなく(5.5kHzではない)、強い相関を持たないから、これらの信号を加算した出力信号Sf1は、強い振幅のうねりを持たない信号となる。
On the other hand, among the modulated audio signal Se, the modulated audio signal Se (1) corresponding to the encoded information “1” has its frequency band component from 6 kHz to 10 kHz shifted upward by 5.5 kHz as described above. In addition, it is superimposed on a frequency band from 11.5 kHz to 15.5 kHz. Therefore, while the modulated audio signal Se (1) is being input to the
加算器415は、BPF411、413から出力された信号を加算し、加算した出力信号Sf2を出力する。BPF411、413に設定された中心周波数は、キャリア信号fbの周波数の5.5kHzずれた関係にある。したがって、上述の理由と同様に、変調オーディオ信号Se(0)が再変調器410に入力されている間は、出力信号Sf2は、強い振幅のうねりを持たない信号となる一方、変調オーディオ信号Se(0)が再変調器410に入力されている間は、出力信号Sf2は、5.5kHzの強い振幅のうねりを持った信号となる。
The
このようにして再変調器410から出力される出力信号Sf1、Sf2について図7に示す。この図7においては、再変調器410に入力される変調オーディオ信号Seは、符号化情報が「01010101」に対応したもの、すなわち変調オーディオ信号Se(0)、Se(1)が交互に入力されているものとしている。また、図7(a)は出力信号Sf1を示し、図7(b)は出力信号Sf2を示している。以上が、再変調器410の構成の説明である。
FIG. 7 shows the output signals Sf1 and Sf2 output from the
キャリア成分検出器420は、出力信号Sf1、Sf2が入力される。キャリア成分検出器420は、入力される出力信号Sf1、Sf2の振幅のうねりから、キャリア周波数成分を検波するものであり、図8に示すような構成である。以下、その構成について説明する。
The
キャリア成分検出器420は、整流器421、422、BPF423、424を有している。整流器421、422は、それぞれ出力信号Sf1、Sf2が入力され、絶対値処理、二乗演算などにより整流を行って、BPF423、424に出力する。
The
BPF423、424は、帯域通過フィルタであり、中心周波数は、それぞれキャリア信号faの周波数4kHz、キャリア周波数fbの周波数5.5kHzとして予め設定されている。したがって、BPF423、424から出力される出力信号Sg1、Sg2は、出力信号Sf1、Sf2のキャリア周波数成分(Sf1に対しては4kHz、Sf2に対しては5.5kHz)を抽出した信号となる。このようにして、キャリア成分検出器420は、再変調器410から入力される出力信号Sf1,Sf2からキャリア周波数成分を抽出した出力信号Sg1、Sg2を出力する。
The
図9は、図7に示すような出力信号Sf1、Sf2がキャリア成分検出器420に入力され、キャリア成分検出器420から出力される出力信号Sg1、Sg2を示している。ここで、図9(a)は出力信号Sg1、図9(b)は出力信号Sg2を示している。以上が、キャリア成分検出器420の構成の説明である。
FIG. 9 shows output signals Sg1 and Sg2 output from the
レベル検出器430は、出力信号Sg1、Sg2が入力される。レベル検出器430は、入力される出力信号Sg1、Sg2のエンベロープを検出し、レベル値として出力するものであり、図10に示すような構成である。以下、その構成について説明する。
The
レベル検出器430は、整流器431、432、LPF433、434を有している。整流器431、432は、それぞれ出力信号Sg1、Sg2が入力され、絶対値処理、二乗演算などにより整流を行って、LPF433、434に出力する。LPF433、434は、予めカットオフ周波数が設定された低域通過フィルタであり、それぞれ整流器431、432から入力される信号を平滑化して、レベル値を示す出力信号Sh1、Sh2を出力する。予め設定されたカットオフ周波数は、平滑化を目的としているから、伝送符号1ビットあたりの時間に応じて符号化された伝送情報が消失しない程度に設定すればよい。なお、レベル検出器430は、交流信号からレベル値を算出できる方法であれば、これ以外の構成、例えばピーク検出とディケイ演算による構成などを用いてもよい。
The
図11は、図9に示すような出力信号Sg1、Sg2がレベル検出器430に入力され、レベル検出器430から出力される出力信号Sh1、Sh2を示している。ここで、実線は出力信号Sh1、破線は出力信号Sh2を示している。以上が、レベル検出器430の構成の説明である。
FIG. 11 shows the output signals Sh1 and Sh2 output from the
加算器440は、出力信号Sh1、Sh2が入力され、出力信号Sh1と出力信号Sh2との差分を示す出力信号Siを出力する。図12は、図11に示すような出力信号Sh1、Sh2が加算器440に入力され、加算器440から出力される出力信号Si(破線)を示している。
The
移動平均算出器450は、出力信号Siが入力され、出力信号Siの移動平均を算出する。移動平均算出器450は、例えばFIR(Finite impulse response)フィルタで構成され、フィルタのタップ長は伝送符号1ビットあたりの時間に相当するようにし、中心から前後方向に平均をとるように構成される。これによって、キャリア周波数成分のレベル値の差分である出力信号Siは、伝送符号1ビットあたりの時間で平均化されて出力される。
The moving
DCカットフィルタ460は、移動平均算出器450において平均化された出力信号Siが入力され、直流成分、またはそれに近い不要な低域変動成分を除去した出力信号Sj(図12参照:一点鎖線)を出力する。これは、例えば、高域通過フィルタによって構成され、カットオフ周波数は、伝送符号1ビットあたりの時間などに応じて、符号化された伝送情報が消失しないように設定されればよい。
The DC cut
正負符号判定器470は、出力信号Sjが入力され、出力信号Sjが正の場合には「+1」、負の場合には「−1」に対応するレベルの出力信号Sk(図12参照:実線)を出力する。
The positive /
復号化器480は、出力信号Skが入力され、適宜決定される基準タイミング(この例においては、最初に出力信号Skのレベルが変化したことを認識したタイミング)からの伝送符号1ビットあたりの時間で累積加算して、その時間毎に正負を判定する。そして、その結果が正であれば、変調オーディオ信号Seに対応する符号が「0」すなわち変調オーディオ信号Se(0)を受信したものとして認識し、負であれば、変調オーディオ信号Seに対応する符号が「1」すなわち変調オーディオ信号Se(1)を受信したものとして認識する。すなわち、再変調器410における信号の相関関係の検出結果に応じて、オーディオ信号Scの周波数帯域の成分の周波数帯域のシフト量が4kHzであったか5.5kHzであったかを認識して、いずれかを選択することができる。このようにしてシフト量を選択した結果、変調装置1から送信された伝送情報に係る符号化情報は、図13に示すような「01010101」を示す符号化情報として復調される。
The decoder 480 receives the output signal Sk, and the time per one bit of the transmission code from the reference timing that is appropriately determined (in this example, the timing at which the level of the output signal Sk is first recognized). The cumulative addition is performed, and positive / negative is determined every time. If the result is positive, it is recognized that the code corresponding to the modulated audio signal Se is “0”, that is, the modulated audio signal Se (0) is received, and if the result is negative, the code corresponds to the modulated audio signal Se. It is recognized that the code is “1”, that is, the modulated audio signal Se (1) is received. That is, according to the detection result of the correlation of the signal in the
そして、復号化器480は、復調された符号化情報を復号化した受信情報を出力する。なお、変調装置1において、インターリーブ、誤り訂正などの処理がなされているときには、その処理に応じた復号化を行なえばよい。以上が、復調装置4の構成についての説明である。
Decoder 480 then outputs received information obtained by decoding the demodulated encoded information. In the
このように、本発明の実施形態に係る情報伝達システム10は、変調装置1において、入力されるオーディオ信号Saの高周波数帯域の成分を除去し、除去した周波数帯域に、残存する周波数帯域の一部の周波数帯域の成分を伝送情報に係る符号化情報に応じたシフト量で周波数シフトして重畳することにより変調した変調オーディオ信号Seを放音することができる。一方、復調装置4においては、収音した変調オーディオ信号Seから周波数のシフト量を認識して符号化情報に復調することができる。そのため、情報の伝達の際に放音される変調オーディオ信号Seを聞いたとしても、変調に係る聴感上の違和感を低減することができる。また、入力されるオーディオ信号Saがもともと高周波数帯域の成分を含まないものであれば、変調による帯域拡張処理で、周波数特性が高周波数帯域へも広がったような聴感改善効果も得られる。さらに、キャリア信号fa、fbの切替時に位相を一致させることにより、切替時における雑音の発生を抑えることもできる。
As described above, in the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は以下のように、さまざまな態様で実施可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention can be implemented in various aspects as follows.
<変形例1>
上述した実施形態における変調装置1の変調処理、また復調装置4の復調処理については、別の態様の処理により行ってもよい。例えば、FFT(Fast Fourier transform)処理を用いればよい。この場合には、変調装置1は図14のような構成とし、復調装置4については図15のような構成とすればよい。以下、それぞれの構成について順に説明する。
<
The modulation processing of the
まず、本変形例に係る変調装置1について図14を用いて説明する。FFT部1010は、入力されるオーディオ信号SaについてFFT処理を施し、周波数領域のスペクトルSpに変換する。符号化器1020については、実施形態における符号化器130と同様に、入力される伝送情報を符号化情報に変換する。
First, the
複製部1030は、FFT部1010から入力されるスペクトルSpの高周波数帯域の成分を除去し、残存する周波数帯域の一部の周波数帯域の成分を、符号化情報に応じたシフト量で周波数シフトさせて、除去した高周波数帯域に重畳する。例えば、10kHz以上の周波数帯域の成分を除去し、残存する周波数帯域の一部の周波数帯域である6kHzから10kHzの周波数帯域の成分を10kHz以上の周波数帯域に周波数シフトさせて重畳する。このときの周波数のシフト量は、入力される符号化情報が「0」である場合には+4kHz、「1」である場合には+5.5kHzとする。そして、このようにして処理されたスペクトルSqを出力する。
The
逆FFT部1040は、複製部1030から入力されるスペクトルSqに対して逆FFT処理を施すことにより、変調オーディオ信号Seに変換して出力する。このような構成によっても、実施形態と同様な変調オーディオ信号Seを出力することができる。以上が、本変形例における変調装置1の構成の説明である。
The
次に、本変形例に係る復調装置4について図15を用いて説明する。FFT部4010は、変調オーディオ信号Seが入力され、FFT処理を施して周波数領域のスペクトルSrに変換して出力する。
Next, the
判定部4020は、FFT部4010から入力されるスペクトルSrのうち、6kHz〜10kHzの周波数帯域のスペクトル(以下、スペクトルAという)と、10kHz〜14kHzの周波数帯域のスペクトル(以下、スペクトルBという)または11.5kHz〜15.5kHzの周波数帯域のスペクトル(以下、スペクトルCという)とを比較して、スペクトルBとスペクトルCのどちらがスペクトルAに近いスペクトル形状であるかを判定する。この判定は、スペクトル形状の類似度などの相関関係から判定すればよい。そして、スペクトルBと判定された期間においては「+1」、スペクトルCと判定された期間においては「−1」に対応する出力信号Skを出力する。この出力信号Skは、実施形態における出力信号Skと同様な信号である。
The
復号化器4030は、実施形態における復号化器480と同様に、入力される出力信号Skから符号化情報に復調し、符号化情報を復号化した受信情報を出力する。以上が、本変形例における復調装置4の構成の説明である。
Similar to the decoder 480 in the embodiment, the
このように、変調装置1は、入力されるオーディオ信号Saの高周波数帯域の成分を除去し、除去した周波数帯域に、残存する周波数帯域の一部の周波数帯域の成分を伝送情報に係る符号化情報に応じたシフト量で周波数シフトして重畳することにより変調した変調オーディオ信号Seを放音することができれば、どのような構成であってもよい。また、復調装置4においては、収音した変調オーディオ信号Seから周波数のシフト量を認識して符号化情報に復調することができれば、どのような構成としてもよい。なお、変調装置1と復調装置4の双方が本変形例の構成として、情報伝達システム10を構成するだけでなく、変調装置1または復調装置4のいずれかが、本変形例の構成であり、他方が実施形態の構成として、情報伝達システム10を構成してもよい。
In this way, the
<変形例2>
上述した実施形態においては、高周波数帯域に重畳するための残存する周波数帯域の一部の周波数帯域は、LPF110とHPF120との組み合わせにより、双方のカットオフ周波数の間の周波数帯域となっていた。したがって、その周波数帯域の上限周波数は、重畳のために除去される高周波数帯域の下限周波数と同じ周波数になっていたが、高周波数帯域に重畳するための残存する周波数帯域の一部の周波数帯域については、必ずしもこのような態様でなくてもよくてもよい。例えば、高周波数帯域に重畳するための残存する周波数帯域の一部の周波数帯域については、BPF(帯域通過フィルタ)などを用いて、6kHz〜9kHzの周波数帯域の成分を抽出するようにしてもよい。このように、残存する周波数帯域の一部であれば、どの周波数帯域を周波数シフトして、高周波数帯域に重畳するようにしてもよい。なお、周波数帯域の帯域幅についても、どのような帯域幅としてもよい。
<
In the above-described embodiment, a part of the remaining frequency band to be superimposed on the high frequency band is a frequency band between both cutoff frequencies by the combination of the
また、入力されるオーディオ信号Saの周波数帯域のうち、重畳すべき周波数帯域の成分が無い場合はLPF110を用いず、所定の周波数以上の周波数帯域の成分を除去しなくてもよい。この場合には、本変形例のようにしてBPFを用いて、所定の周波数以上の周波数帯域に重畳すべき成分を抽出するようにすればよい。
Further, when there is no frequency band component to be superimposed in the frequency band of the input audio signal Sa, the
<変形例3>
上述した実施形態においては、キャリア周波数発生部140については、キャリア周波数が異なる2つのキャリア周波数発生器A141とキャリア周波数発生器B142とを有していたが、さらに多くのキャリア周波数発生器を有するようにしてもよい。そして、生成するキャリア信号の周波数がそれぞれ異なるようにし、それぞれの周波数を実施形態において説明したように、キャリア信号が切り替わるときの切替器150からの出力波形について不連続点が発生しないように、切り替え時においてキャリア信号fa、fb双方の位相が一致するように設定してもよい。
<
In the above-described embodiment, the
このようにすると、符号化情報は、そのシンボルが「0」「1」だけでなく、さらに多値化することができ、キャリア周波数発生器が4つあれば、「00」「01」「10」「11」と、同時に2ビットずつ送信することができる。 In this way, the encoded information can be multi-valued in addition to the symbols “0” and “1”. If there are four carrier frequency generators, “00” “01” “10” "11" and 2 bits can be transmitted simultaneously.
この場合、復調装置4における各構成については、キャリア周波数発生器の数(この例においては4つ)に対応して、変更するようにすればよい。具体的には、再変調器410は、BPF411に設定された中心周波数に各キャリア信号の周波数を加算した周波数を中心周波数として設定したBPF412、413、414、415(図示略)を設け、それぞれの出力をBPF411の出力と加算した出力信号Sf1、Sf2、Sf3、Sf4を出力するようにする。そして、キャリア成分検出器420、レベル検出器430において各出力信号を実施形態と同様な処理を施し、出力信号Sh1、Sh2、Sh3、Sh4が出力される。
In this case, each configuration in the
そして、実施形態における加算器440、移動平均算出器450、DCカットフィルタ460、正負符号判定器470、復号化器480における処理に対応して、出力信号Sh1、Sh2、Sh3、Sh4のうち、最大のレベルの出力信号を検出すればよい。そして、検出した出力信号が出力信号Sh1であれば、変調装置1における周波数のシフト量が、BPF412に設定された中心周波数の、BPF411に設定された中心周波数に対するシフト量であるものとして選択することができる。したがって、その検出している期間は、符号化情報が、選択されたシフト量に対応するシンボル、例えば「00」であるものとすることができる。このようにすれば、符号化器130から出力される符号化情報のビットレートを向上させることができる。
Then, corresponding to the processing in the
<変形例4>
上述した実施形態においては、変調装置1と復調装置4との間の伝送情報の通信は、変調オーディオ信号Seを空間中に放音することにより行っていたが、変調オーディオ信号Seを有線で伝送してもよい。
<
In the embodiment described above, communication of transmission information between the
<変形例5>
上述した実施形態においては、変調装置1と復調装置4との間の伝送情報の通信は、可聴域の周波数帯域の成分を有する変調オーディオ信号Seを空間中に放音することにより行っていたが、非可聴域の周波数帯域を用いてもよい。この場合には、スピーカ2の構成について、使用する非可聴域の周波数帯域まで放音可能なものとし、マイクロフォン3の構成について、使用する非可聴域の周波数帯域まで収音可能なものとすればよい。また、変調装置1、復調装置4の各構成においても、使用する非可聴域の周波数帯域まで処理可能な構成としておけばよい。
<
In the embodiment described above, communication of transmission information between the
<変形例6>
上述した実施形態における変調装置1、復調装置4によって実行される制御プログラムは、磁気記録媒体(磁気テープ、磁気ディスクなど)、光記録媒体(光ディスクなど)、光磁気記録媒体、半導体メモリなどのコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶した状態で提供し得る。この場合には、これらの記録媒体を読み取る読み取り手段を設ければよい。また、インターネットのようなネットワーク経由でダウンロードさせることも可能である。
<
The control program executed by the
1…変調装置、2…スピーカ、3…マイクロフォン、4…復調装置、10…情報伝達システム、110…LPF、120,170…HPF、130…符号化器、140…キャリア周波数発生部、141,142…キャリア周波数発生器、150…切替器、160…乗算器、180…遅延回路、190…加算器、410…再変調器、411,412,413,423,424…BPF、414,415…加算器、420…キャリア成分検出器、421,422,431,432…整流器、430…レベル検出器、433,434…LPF、440…加算器、450…移動平均算出器、460…DCカットフィルタ、470…正負符号判定器、480…復号化器、1010,4010…FFT部、1020…符号化器、1030…複製部、1040…逆FFT部、4020…判定部、4030…復号化器
DESCRIPTION OF
Claims (9)
符号化された符号化情報を取得する取得手段と、
前記入力手段によって入力されたオーディオ信号の所定の周波数未満の周波数帯域のうち、一部の周波数帯域の成分を有するオーディオ信号を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段によって抽出されたオーディオ信号の周波数帯域の成分を、前記取得手段によって取得された符号化情報に応じたシフト量で前記所定の周波数以上の高周波数帯域にシフトさせる周波数シフト手段と、
前記周波数シフト手段によって周波数帯域がシフトされたオーディオ信号を、前記入力手段によって入力されたオーディオ信号に重畳する重畳手段と
を具備することを特徴とする変調装置。 An input means for inputting an audio signal;
Obtaining means for obtaining encoded information;
Extraction means for extracting an audio signal having a component in a part of a frequency band out of a frequency band lower than a predetermined frequency of the audio signal input by the input means;
A frequency shift means for shifting the frequency band component of the audio signal extracted by the extraction means to a high frequency band equal to or higher than the predetermined frequency by a shift amount corresponding to the encoded information acquired by the acquisition means;
And a superimposing unit that superimposes the audio signal whose frequency band is shifted by the frequency shifting unit on the audio signal input by the input unit.
ことを特徴とする請求項1に記載の変調装置。 The modulation apparatus according to claim 1, wherein the superimposing unit includes a removing unit that removes the high frequency band component of the audio signal input by the input unit.
前記周波数シフト手段は、前記キャリア生成手段によって生成されたキャリア信号のうち、前記取得手段によって取得された符号化情報に応じて選択した周波数のキャリア信号を、前記抽出手段によって抽出されたオーディオ信号に対して乗算することによって、当該オーディオ信号の周波数帯域の成分をシフトさせ、
前記キャリア生成手段によって生成されるキャリア信号の周波数は、前記周波数シフト手段によって選択されるキャリア信号が切り替わるときには、切り替え前後のキャリア信号の位相が一致するように周波数が設定されている
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の変調装置。 Further comprising carrier generating means for generating a plurality of carrier signals each having a frequency set differently,
The frequency shift means converts the carrier signal of the frequency selected according to the encoded information acquired by the acquisition means, out of the carrier signals generated by the carrier generation means, into the audio signal extracted by the extraction means. By multiplying the frequency band component of the audio signal,
The frequency of the carrier signal generated by the carrier generation means is set such that the phase of the carrier signal before and after switching is matched when the carrier signal selected by the frequency shift means is switched. The modulation device according to claim 1 or 2.
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の変調装置。 The said superimposing means has a delay means which performs the delay process of the preset delay time with respect to the audio signal input by the said input means. The Claim 1 thru | or 3 characterized by the above-mentioned. Modulation device.
前記入力手段によって入力されたオーディオ信号の周波数帯域の一部の周波数帯域の成分と、当該一部の周波数帯域から予め設定された複数のシフト量の周波数をシフトさせた複数の周波数帯域における成分の各々との相関関係を検出して、検出結果に応じて前記複数のシフト量のいずれかを選択する検出手段と、
前記検出手段によって選択されたシフト量に応じて符号化された符号化情報を生成する符号化情報生成手段と
を具備することを特徴とする復調装置。 An input means for inputting an audio signal;
A component of a frequency band of a part of the frequency band of the audio signal input by the input means, and a component of a plurality of frequency bands obtained by shifting the frequency of a plurality of shift amounts set in advance from the part of the frequency band. Detecting means for detecting a correlation with each of the plurality of shift amounts and selecting one of the plurality of shift amounts according to a detection result;
A demodulating apparatus comprising: encoded information generating means for generating encoded information encoded according to the shift amount selected by the detecting means.
ことを特徴とする請求項5に記載の復調装置。 The detection means is generated by adding a part of a frequency band below a predetermined frequency and a part of a frequency band above the predetermined frequency among the frequency bands of the audio signal input by the input means. 6. The demodulator according to claim 5, wherein the correlation is detected based on the undulation of the amplitude of the audio signal.
請求項5または請求項6に記載の復調装置と、
前記変調装置の重畳手段によって重畳されたオーディオ信号を放音する放音手段と、
前記放音手段によって放音されたオーディオ信号を収音する収音手段と
を具備し、
前記復調装置の入力手段は、前記収音手段によって収音したオーディオ信号を入力し、
前記復調装置の検出手段において予め設定されるシフト量は、前記変調装置の周波数シフト手段によりシフトし得る周波数のシフト量である
ことを特徴とする情報伝達システム。 A modulation device according to any one of claims 1 to 4,
A demodulator according to claim 5 or 6,
Sound emitting means for emitting the audio signal superimposed by the superimposing means of the modulation device;
Sound collecting means for collecting the audio signal emitted by the sound emitting means;
The input means of the demodulator inputs the audio signal collected by the sound collection means,
The information transmission system characterized in that the shift amount preset in the detection means of the demodulation device is a frequency shift amount that can be shifted by the frequency shift means of the modulation device.
符号化された符号化情報を取得する取得過程と、
前記入力過程において入力されたオーディオ信号の所定の周波数未満の周波数帯域のうち、一部の周波数帯域の成分を有するオーディオ信号を抽出する抽出過程と、
前記抽出過程において抽出されたオーディオ信号の周波数帯域の成分を、前記取得過程において取得された符号化情報に応じたシフト量で前記所定の周波数以上の高周波数帯域にシフトさせる周波数シフト過程と、
前記周波数シフト過程において周波数帯域がシフトされたオーディオ信号を、前記入力過程において入力されたオーディオ信号に重畳する重畳過程と
を備えることを特徴とする変調方法。 An input process for inputting an audio signal;
An acquisition process of acquiring encoded information;
An extraction process of extracting an audio signal having a component of a part of a frequency band out of a frequency band less than a predetermined frequency of the audio signal input in the input process;
A frequency shift process for shifting the frequency band component of the audio signal extracted in the extraction process to a high frequency band equal to or higher than the predetermined frequency by a shift amount corresponding to the encoded information acquired in the acquisition process;
A modulation method comprising: a superimposition process of superimposing an audio signal whose frequency band is shifted in the frequency shift process on an audio signal input in the input process.
前記入力過程において入力されたオーディオ信号の周波数帯域の一部の周波数帯域の成分と、当該一部の周波数帯域から予め設定された複数のシフト量の周波数をシフトさせた複数の周波数帯域における成分の各々との相関関係を検出して、検出結果に応じて前記複数のシフト量のいずれかを選択する検出過程と、
前記検出過程において選択されたシフト量に応じて符号化された符号化情報を生成する符号化情報生成過程と
を備えることを特徴とする復調方法。 An input process for inputting an audio signal;
A component of a part of the frequency band of the frequency band of the audio signal input in the input process, and a component of a plurality of frequency bands obtained by shifting the frequency of a plurality of shift amounts set in advance from the part of the frequency band. A detection process of detecting a correlation with each of the plurality of shift amounts according to a detection result;
A demodulating method comprising: an encoded information generating process for generating encoded information encoded according to the shift amount selected in the detecting process.
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CN104243052A (en) * | 2014-07-24 | 2014-12-24 | 福建星网视易信息系统有限公司 | Sound wave communication coding and decoding method and device |
-
2008
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