JP2010011282A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な処理によって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。
【解決手段】本発明の実施形態に係る情報伝達システムは、変調装置において、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、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て位相を調整し、除去した周波数帯域に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、復調装置においては、収音した変調オーディオ信号Ｓｅから、位相変調元の信号として用いられる低周波数帯域の成分と、位相変調後の信号として高周波数帯域に重畳された成分とを抽出して、双方の位相差を検出して符号化情報に復調することができる。
【選択図】図８

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。

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）。
特開２００７−１０４５９８号公報 特開２００６−２５１６７６号公報 特開２００６−１９５０６１号公報

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。

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。

上述の課題を解決するため、本発明は、オーディオ信号が入力される入力手段と、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一部の周波数帯域の成分を有するオーディオ信号の位相を、前記取得手段によって取得された符号化情報に応じて位相を調整する位相調整手段と、前記位相調整手段によって位相が調整されたオーディオ信号の周波数帯域の成分を、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。

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。

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。

また、別の好ましい態様において、前記符号化情報は、２値のいずれかを示し、前記位相調整手段は、前記取得手段によって取得された符号化情報が、前記２値のうちいずれか一方の値である期間においては、位相を反転させる調整を行うことを特徴とする。

また、本発明は、オーディオ信号が入力される入力手段と、前記入力手段に入力されたオーディオ信号の周波数帯域のうち、第１の周波数帯域の成分の位相と、第２の周波数帯域の成分の位相との位相差を検出する検出手段と、前記検出手段によって検出された位相差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。

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が入力され、前記復調装置の検出手段における第１の周波数帯域は、前記変調装置の抽出手段によって抽出されるオーディオ信号に係る周波数帯域と同じ周波数帯域として設定され、前記復調装置の検出手段における第２の周波数帯域は、前記変調装置の周波数シフト手段によるシフト後の周波数帯域と同じ周波数帯域として設定されていることを特徴とする情報伝達システムを提供する。

また、本発明は、オーディオ信号が入力される入力過程と、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予め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一部の周波数帯域の成分を有するオーディオ信号の位相を、前記取得過程において取得された符号化情報に応じて位相を調整する位相調整過程と、前記位相調整過程において位相が調整されたオーディオ信号の周波数帯域の成分を、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。

また、本発明は、オーディオ信号が入力される入力過程と、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うち、第１の周波数帯域の成分の位相と、第２の周波数帯域の成分の位相との位相差を検出する検出過程と、前記検出過程によって検出された位相差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。

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。

以下、本発明の一実施形態について説明する。

＜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、外部の装置、回路などからオーディオ信号（以下、オーディオ信号Ｓａという）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。

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の一部または全部を実現するようにしてもよい。

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。なお、オーディオ信号Ｓａの周波数帯域のうち、変調した信号が重畳される周波数帯域の成分が無い場合はＬＰＦ１１０を用いなくてもよい。

ＢＰＦ１２０は、オーディオ信号Ｓｂが入力され、このオーディオ信号Ｓｂの周波数帯域、すなわち、ＬＰＦ１１０におけるカットオフ周波数以未満の周波数帯域のうち、予め設定された中心周波数とバンド幅に応じた所定の周波数帯域を通過させて抽出し、所定の周波数帯域の成分を有するオーディオ信号（以下、オーディオ信号Ｓｃという）を出力する帯域通過フィルタである。この例においては、通過させる所定の周波数帯域は、２ｋＨｚから３ｋＨｚである。

なお、通過させる周波数帯域を９ｋＨｚから１０ｋＨｚにするなど、上限周波数をＬＰＦ１１０におけるカットオフ周波数と同じにする場合には、このＢＰＦ１２０は、カットオフ周波数が９ｋＨｚであるＨＰＦ（高域通過フィルタ）により代用することも可能であるが、通過させる周波数帯域は、後述するエンベロープ検波を容易に行うために、通過させる周波数帯域の上限周波数は、ＬＰＦ１１０におけるカットオフ周波数とは、一定の周波数以上離れたものとしておくことが望ましい。

符号化器１３０は、復調装置４に対して伝送すべき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位相制御回路１４０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。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、シンボルレート、すなわち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。

位相制御回路１４０は、オーディオ信号Ｓｃが入力され、このオーディオ信号Ｓｃの位相を、符号化器１３０から入力される符号化情報「０」「１」に応じて調整することにより変調（ＢＰＳＫ：Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）し、直流オフセットを与えたオーディオ信号（以下、オーディオ信号Ｓｃ’という）を出力する。ここで、位相制御回路１４０の構成の一例について、図３を用いて説明する。

位相制御回路１４０は、図３に示すように、切替器１４１、定数乗算器１４２、加算器１４３およびバイアス付与部１４４を有する。切替器１４１は、符号化器１３０から入力される符号化情報が「１」であるときは、入力されるオーディオ信号Ｓｃをそのまま出力する。一方、切替器１４１は、符号化器１３０から入力される符号化情報が「０」であるときは、定数乗算器１４２から入力されるオーディオ信号Ｓｃを出力する。ここで、定数乗算器１４２は、入力されるオーディオ信号Ｓｃに「−１」を乗算、すなわちオーディオ信号Ｓｃの位相を反転させて切替器１４１に出力する。

したがって、切替器１４１から出力されるオーディオ信号Ｓｃは、符号化器１３０から入力される符号化情報が「０」か「１」かによって、位相がπずれたものとなる。例えば、位相制御回路１４０に入力されるオーディオ信号Ｓｃが正弦波であり、符号化器１３０から入力される符号化情報が「０」「１」「０」と変化した場合には、図４に示すような出力信号となる。

加算器１４３は、切替器１４１から出力されるオーディオ信号Ｓｃとバイアス付与部１４４から出力される直流オフセット用の信号とを加算したオーディオ信号Ｓｃ’を出力する。バイアス付与部１４４から出力される直流オフセット用の信号は、予め設定された出力値の直流信号である。この出力値を大きく設定すると、変調が深くなり、後述する復調時のエンベロープ検波が行いやすくなる一方、変調信号、すなわち変調オーディオ信号Ｓｅを放音したときの聴感を悪化させる場合がある。したがって、この出力値は、聴感と復調時の伝送ビットエラー率とのバランスから適切な値が選択されて設定される。以上が、位相制御回路１４０の構成の説明である。

図２に戻って説明を続ける。キャリア信号発生器１５０は、所定の周波数のキャリア信号ｆａを出力する。このキャリア信号ｆａの周波数は、オーディオ信号Ｓｂの周波数帯域をＬＰＦ１１０において除去された周波数帯域へシフトさせる際のシフト量に相当する周波数である。この例においては、オーディオ信号Ｓｂの周波数帯域は２ｋＨｚから３ｋＨｚであり、これを１０ｋＨｚ以上へシフトさせることになるから、８ｋＨｚ（１０ｋＨｚ−２ｋＨｚ）以上の周波数とすればよく、この例においては、キャリア信号ｆａの周波数は１２ｋＨｚであるものとする。

振幅変調回路１６０は、オーディオ信号Ｓｃ’とキャリア信号ｆａが入力され、オーディオ信号Ｓｃ’の周波数帯域の成分を、キャリア信号ｆａの周波数分、高周波数帯域にシフトさせたオーディオ信号（以下、オーディオ信号Ｓｄという）を出力する。ここで、振幅変調回路１６０の構成の一例について、図５、図６を用いて説明する。

振幅変調回路１６０は、図５に示すように、ヒルベルト変換器１６１、１６２、乗算器１６３、１６４、加算器１６５を有する。ヒルベルト変換器１６１は、図６に示すように遅延回路１６１１およびＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ ｉｍｐｕｌｓｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタ１６１２を有し、入力されるオーディオ信号Ｓｃ’の実部と虚部とで構成される解析信号を出力する。

ＦＩＲフィルタ１６１２は、図７に示すような周波数特性（図７（ａ）参照）、位相特性（図７（ｂ）参照）、インパルス応答（図７（ｃ）参照）を持ち、入力されるオーディオ信号Ｓｃ’の位相をπ／２回転させる。遅延回路１６１１は、ＦＩＲフィルタで発生する遅延量とＦＩＲを通さないオーディオ信号Ｓｃ’との時間整合をとるため、ＦＩＲフィルタのタップ数の半分の遅延量で、入力されるオーディオ信号Ｓｃ’を遅延させる。このような構成により、オーディオ信号Ｓｃ’から、遅延回路１６１１の出力を実部、ＦＩＲフィルタ１６１２の出力を虚部とする解析信号に変換することができる。ここで、ヒルベルト変換器１６２は、ヒルベルト変換器１６１と同様な構成であって、入力される信号がキャリア信号ｆａであることが異なるだけであり、キャリア信号ｆａの実部と虚部とで構成される解析信号を出力する。

乗算器１６３は、ヒルベルト変換器１６１から出力されるオーディオ信号Ｓｃ’の解析信号の実部と、ヒルベルト変換器１６２から出力されるキャリア信号ｆａの解析信号の実部とを乗算して出力する。乗算器１６４は、ヒルベルト変換器１６１から出力されるオーディオ信号Ｓｃ’の解析信号の虚部と、ヒルベルト変換器１６２から出力されるキャリア信号ｆａの解析信号の虚部とを乗算して出力する。加算器１６５は、乗算器１６３からの出力信号と、乗算器１６４からの出力信号に「−１」を乗算した信号とを加算したオーディオ信号Ｓｄを出力する。このように、各解析信号の乗算結果の実部を得ることによって、オーディオ信号Ｓｃ’の周波数帯域の成分を、キャリア信号ｆａの周波数分高い周波数帯域にシフトさせるから、オーディオ信号Ｓｄは、１４ｋＨｚ（２ｋＨｚ＋１２ｋＨｚ）から１５ｋＨｚ（３ｋＨｚ＋１２ｋＨｚ）の周波数帯域の成分を有することになる。以上が、振幅変調回路１６０の構成の説明である。

なお、振幅変調回路１６０においてヒルベルト変換器を用いない場合には、キャリア信号ｆａとオーディオ信号Ｓｃ’との乗算後、ＨＰＦ（高域通過フィルタ）を使って上側波帯のみ取り出すような構成としてもよい。また、位相制御回路１４０において位相変調をする際、解析信号を生成して位相変調をする場合には、振幅変調回路１６０におけるヒルベルト変換器を省略することができる。

遅延回路１７０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、ＢＰＦ１２０、位相制御回路１４０、振幅変調回路１６０における処理時間の合計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、後述する加算器１８０に入力されるオーディオ信号Ｓｂとオーディオ信号Ｓｄについて、オーディオ信号ＳｂがＢＰＦ１２０に入力されて振幅変調回路１６０からオーディオ信号Ｓｄとして出力されるまでの処理時間のずれを調整して、時間的なずれが無いものとすることができる。

加算器１８０は、遅延回路１７０において遅延されたオーディオ信号Ｓｂと、振幅変調回路１６０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。なお、重畳の際にオーディオ信号Ｓｄの出力レベルを低下させる調整を行って、変調オーディオ信号Ｓｅの聴感上の違和感をより少なくしてもよい。このようにして加算器１８０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。

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８を用いて説明する。

オーディオ信号Ｓａは、図８（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８（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、ＢＰＦ１２０によって、２ｋＨｚから３ｋＨｚの周波数帯域が抽出されるから、ＢＰＦ１２０から出力されるオーディオ信号Ｓｃは、図８（ｃ）に示すような２ｋＨｚから３ｋＨｚの周波数帯域の成分を有する周波数分布となる。

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、位相制御回路１４０によってオーディオ信号Ｓｃの位相が調整される。位相変調後、振幅変調回路１６０によって、キャリア信号ｆａの周波数分（この例においては１２ｋＨｚ）、高周波数帯域にシフトされ、オーディオ信号Ｓｄは、図８（ｄ）に示すように、１４ｋＨｚから１５ｋＨｚの周波数帯域の成分を有するような周波数分布となる。

そして、振幅変調回路１６０から出力されたオーディオ信号Ｓｄは、遅延回路１７０において遅延処理されたオーディオ信号Ｓｂと加算器１８０において加算されるから、加算器１８０から出力される変調オーディオ信号Ｓｅは、図８（ｅ）に示すような周波数分布となる。

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、高周波数帯域部分の位相が調整された変調オーディオ信号Ｓｅに変調されることになる。すなわち、オーディオ信号Ｓａの２ｋＨｚから３ｋＨｚの周波数帯域の成分を、符号化情報の「０」「１」に応じて位相を調整し、高周波数帯域にシフトして、高周波帯域が除去されたオーディオ信号Ｓｂに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。

次に、復調装置４の構成について、図９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の一部または全部を実現するようにしてもよい。

ＨＰＦ４１０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、その変調オーディオ信号Ｓｅに対して、予め設定されたカットオフ周波数以下の成分を減衰させることにより、低周波数帯域の成分を除去し、高周波数帯域の成分だけを通過させたオーディオ信号（以下、オーディオ信号Ｓｆという）を出力する高域通過フィルタである。カットオフ周波数は、この例においては、変調装置１におけるＬＰＦ１１０のカットオフ周波数と同じものとして設定されているが、変調オーディオ信号Ｓｅのうち、オーディオ信号Ｓｄに対応する周波数帯域成分を抽出することができれば、より高いカットオフ周波数が設定されていてもよい。

検波回路４２０は、オーディオ信号Ｓｆが入力され、エンベロープ検波によって、変調されたオーディオ信号（オーディオ信号Ｓｃに相当）を検出し、検出したオーディオ信号（以下、オーディオ信号Ｓｇという）を出力する。ここで、検波回路４２０の構成の一例について、図１０を用いて説明する。

検波回路４２０は、図１０（ａ）に示すように、整流回路４２１、ＬＰＦ４２２および直流成分除去フィルタ４２３を有する。整流回路４２１は、入力されるオーディオ信号Ｓｆを半波整流などによって整流し、ＬＰＦ４２２に出力する。ＬＰＦ４２２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、整流回路４２１から入力される信号を平滑化して、直流成分除去フィルタ４２３に出力する。予め設定されたカットオフ周波数は、変調に用いた周波数帯域の上限を元に決定した値とすればよい。直流成分除去フィルタ４２３は、ＬＰＦ４２２から入力される信号の直流成分を除去し、直流成分を除去したオーディオ信号（以下、オーディオ信号Ｓｇという）を出力する。このオーディオ信号Ｓｇは、オーディオ信号Ｓｃに相当する信号であり、変調装置１の位相制御回路１４０において調整された位相の情報が保存されている。

なお、検波回路４２０は、エンベロープを検出できればどのような構成であってもよい。例えば、図１０（ｂ）に示すような構成とすればよい。すなわち、検波回路４２０は、比較器４２４、加算器４２５、遅延器（Ｚ^−１）４２６およびＬＰＦ４２７を有する。比較器４２４は、オーディオ信号Ｓｆと遅延器４２６からの出力信号とが入力され、出力レベルが大きい信号を出力する。加算器４２５は、比較器４２４からの出力信号から定数を減算して出力する。遅延器４２６は、加算器４２５からの出力信号を１サンプル遅延させて比較器４２４に出力する。ＬＰＦ４２７は、加算器４２５からの出力信号を平滑化して出力する。この出力信号は、エンベロープ検波されたものとなり、上述のオーディオ信号Ｓｇに相当する。このように、ピーク値を検出するような構成であってもよい。以上が、検波回路４２０の説明である。

図９に戻って説明を続ける。ＢＰＦ４３０は、変調オーディオ信号Ｓｅが入力され、予め設定された中心周波数とバンド幅に応じた所定の周波数帯域を通過させて抽出し、所定の周波数帯域の成分を有するオーディオ信号（以下、オーディオ信号Ｓｈという）を出力する帯域通過フィルタである。この例においては、通過させる所定の周波数帯域は、２ｋＨｚから３ｋＨｚであり、変調装置１のＢＰＦ１１０において通過させる所定の周波数帯域と同じ周波数帯域になっている。

遅延回路４４０は、ＢＰＦ４３０から出力されるオーディオ信号Ｓｈ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、ＨＰＦ４１０、検波回路４２０における処理時間の合計からＢＰＦ４３０における処理時間の合計を引いた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、変調オーディオ信号Ｓｅが入力されてから、オーディオ信号Ｓｇが後述するヒルベルト変換器４５１に出力されるまでの処理時間と、オーディオ信号Ｓｈが後述するヒルベルト変換器４５２に出力されるまでの処理時間とのずれを調整して、オーディオ信号Ｓｇとオーディオ信号Ｓｈとの時間的なずれが無いものとすることができる。

ヒルベルト変換器４５１、４５２は、それぞれオーディオ信号Ｓｇ、Ｓｈが入力され、実部と虚部とで構成される解析信号をそれぞれ出力する。ヒルベルト変換器４５１、４５２の構成については、上述した変調装置１のヒルベルト変換器１６１、１６２と同じであるので、説明を省略する。

位相角算出器４６１は、ヒルベルト変換器４５１から出力された複素数で表現される解析信号から、位相角を算出する。実部をＲｅ、虚部をＩｍとした場合、この位相角θは、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｒｅ／Ｉｍ）で算出される。これは、変調装置１における位相変調後のオーディオ信号Ｓｃに相当するオーディオ信号Ｓｇの位相角を算出するものであり、以下、この位相角θについては位相角Ｐａという。

また、位相角算出器４６２は、ヒルベルト変換器４５２から出力された解析信号から、上述同様に位相角θを算出する。これは、変調装置１における位相変調前のオーディオ信号Ｓｃに相当するオーディオ信号Ｓｈの位相角θを算出するものであり、以下、この位相角θについては位相角Ｐｂという。なお、位相角θの算出は、直交座標から極座標に変換できれば、これ以外の手法を用いてもよい。

したがって、位相角Ｐａは、変調装置１における符号化情報が「１」であるときには、位相角Ｐｂと概ね一致し、符号化情報が「０」であるときには、位相角Ｐｂとは位相が異なる（πずれる）ことになる。

加算器４７０は、位相角算出器４６１、４６２において算出された変調装置１における符号化情報に応じた変動のある位相角Ｐａと、基準となる位相角Ｐｂの差分（Ｐａ−Ｐｂ）を示す差分信号Ｐｃを出力する。

符号判定器４８０は、差分信号Ｐｃから位相差を判定し、各タイミングにおいて、変調装置１における変調が、符号化情報の「０」、「１」のうち、どちらに対応して行われたかを判定し、判定した符号化情報Ｄｓを出力する。符号判定器４８０は、図１１に示すようにシンボルレート平均算出部４８１と位相差判定部４８２を有する。シンボルレート平均算出部４８１は、差分信号Ｐｃのシンボルレートに係る時間分の移動平均値を算出する。位相差判定部４８２は、算出された移動平均値について、適宜しきい値を設定（例えば、０とπとの中間値であるπ／２）して、移動平均値がしきい値より大きい場合は、位相角Ｐａと位相角Ｐｂとの位相角のずれがπとして判定する一方、小さい場合には位相角のずれがないものとして判定する。そして、位相角のずれがπと判定したときは、符号化情報Ｄｓを「０」として出力し、位相角のずれがないと判定した場合には、符号化情報Ｄｓを「１」として出力する。なお、適宜決定される基準タイミングからのシンボルレートごとに累積加算して、その時間毎に位相角のずれを判定するようにしてもよい。

図９に戻って説明を続ける。復号化器４９０は、符号化情報Ｄｓが入力され、符号化情報Ｄｓ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。

次に、復調装置４の動作について、入力される変調オーディオ信号Ｓｅが位相角の比較対照であるオーディオ信号Ｓｇ、Ｓｈに処理されるまでの周波数分布の変化を示す図１２を用いて説明する。また、位相角算出器４６１、４６２から出力される位相角Ｐａ、Ｐｂについても図１３を用いて説明する。

マイクロフォン３によって収音される変調オーディオ信号Ｓｅは、図１２（ａ）に示すような周波数分布であり、上述した図８（ｅ）と同様な周波数分布である。この変調オーディオ信号Ｓｅは、ＨＰＦ４１０によって、１０ｋＨｚ以下の周波数帯域の成分が除去されるから、ＨＰＦ４１０から出力されるオーディオ信号Ｓｆは、図１２（ｂ）に示すような周波数分布となる。

そして、オーディオ信号Ｓｆは、検波回路４２０においてエンベロープ検波され、変調装置１において位相変調された周波数帯域成分が抽出されるから、出力されるオーディオ信号Ｓｇは、図１２（ｃ）に示すような周波数分布となる。一方、変調オーディオ信号Ｓｅは、ＢＰＦ４３０において、変調装置１において位相変調される元となる周波数帯域成分が抽出されるから、出力されるオーディオ信号Ｓｈは、図１２（ｄ）に示すような周波数分布となる。

このように、オーディオ信号Ｓｈとオーディオ信号Ｓｇとの関係は、同じ周波数帯域の成分を有し、変調装置１における位相変調元に相当する信号と位相変調後に相当する信号との関係である。したがって、オーディオ信号Ｓｈとオーディオ信号Ｓｇとの位相差が概ね「０」である場合には、変調装置１から伝送された符号化情報は「１」である一方、双方の位相差が概ね「π」である場合には、伝送された符号化情報は「０」であることになる。

オーディオ信号Ｓｇ、Ｓｈの位相角Ｐａ、Ｐｂは、それぞれ位相角算出器４６１、４６２において算出される。伝送された符号化情報が「１」から「０」に変化した場合における位相角Ｐａ、Ｐｂは、図１３に示すような変化となる。このように、位相角Ｐｂは、変調装置１において位相変調されない信号の位相角であるから、同じ周期で変化し続ける。一方、位相角Ｐａは、変調装置１における位相変調の影響を受けた信号の位相角であるから、伝送される符号化情報が変化すると、位相角の変化の態様も変化する。ここで、図１３に示されているように、位相角Ｐａは、伝送される符号化情報が変化すると、すぐπずれるのではなく、検波回路４２０におけるエンベロープ検波の影響などによりある程度（この例においては数ミリ秒）の時定数をもって位相がπずれるようになっている。したがって、符号化情報のシンボルレートに係る時間は、この時定数よりも長くしておくことが望ましい。

このようにして、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は、変調装置１における位相変調元の信号に対応する低周波数帯域の成分と、位相変調後の信号に対応する高周波数帯域の成分とが抽出され、双方の位相角から位相差が検出されることによって復調される。以上が復調装置４の動作についての説明である。

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、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て位相を調整し、除去した周波数帯域に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、位相角の基準となるパイロット信号などが別途重畳されていなくても、収音した変調オーディオ信号Ｓｅから、位相変調元の信号として用いられる低周波数帯域の成分と、位相変調後の信号として高周波数帯域に重畳された成分とを抽出して、双方の位相差を検出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、元のオーディオ信号Ｓａの一部を変調して高周波数帯域に重畳しているだけであるから、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。

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。

＜変形例１＞
上述した実施形態においては、変調装置１における符号化器１３０から出力される符号化情報は、「０」または「１」であり、１シンボルレートで１ビット２値として変調（ＢＰＳＫ）していたが、より多くの値、例えば１シンボルレートで２ビット４値「００」、「０１」、「１０」、「１１」としてもよい。この場合、位相制御回路１４０は、ヒルベルト変換器を用いてオーディオ信号Ｓｃを解析信号に変換した後、実部と虚部との入れ替え、実部と虚部との符号入れ替えなどの操作によって、符号化情報の値に応じて、オーディオ信号Ｓｃの位相を０、π／２、π、３π／２ずらす（ＱＰＳＫ：Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）ようにすればよい。

そして、復調装置４における符号判定器４８０の位相差判定部４８２は、算出された移動平均値について、適宜しきい値を設けて、オーディオ信号Ｓｇとオーディオ信号Ｓｈとの位相角のずれが、どのずれに対応するかを判定するようにすればよい。このようにすれば、伝送情報の伝送レートを向上させることができる。

＜変形例２＞
上述した実施形態において、変調オーディオ信号Ｓｅがスピーカ２から放音され、マイクロフォン３によって収音されるまでの間に、スピーカ２の位相特性などにより、変調オーディオ信号Ｓｅの位相が周波数帯域に応じて異なる変化をしてしまう場合がある。この場合には、変調装置１における位相変調以外の外部要因による位相の変化を予め予測して、変調装置１における位相の調整量、復調装置４における符号判定器４８０の位相差判定部４８２の位相角のずれの判定基準を、予測した変化に応じて設定しておけばよい。

また、予め予測するだけではなく、定期的に外部要因による位相の変化を取得して調整するようにしてもよい。例えば、変調装置１によって、符号化情報「１」に対応する、位相の調整が行われていない変調オーディオ信号Ｓｅをスピーカ２から放音させ、復調装置４において実施形態と同様にして得られる差分信号Ｐｃに基づいて、外部要因による位相の変化を取得してもよい。すなわち、理想的には差分信号Ｐｃは「０」となるから、そのずれ分が外部要因による位相の変化とすることができる。このようにすることにより、より精度の高い情報の伝送を行うことができる。

＜変形例３＞
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。

＜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、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。

＜変形例５＞
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。

実施形態に係る情報伝達システムの構成を示すブロック図である。 実施形態に係る変調装置の構成を示すブロック図である。 実施形態に係る位相制御回路の構成を示すブロック図である。 実施形態に係る切替器から出力される信号の一例を示す図である。 実施形態に係る振幅変調回路の構成を示すブロック図である。 実施形態に係るヒルベルト変換器の構成を示すブロック図である。 実施形態に係るヒルベルト変換器のＦＩＲフィルタに設定された各特性を示す説明図である。 実施形態に係る変調装置におけるオーディオ信号の周波数分布の変化を示す説明図である。 実施形態に係る復調装置の構成を示すブロック図である。 実施形態に係る検波回路の構成を示すブロック図である。 実施形態に係る符号化判定器の構成を示すブロック図である。 実施形態に係る復調装置におけるオーディオ信号の周波数分布の変化を示す説明図である。 実施形態に係る位相角算出器において算出される位相角Ｐａと位相角Ｐｂとの一例を示す説明図である。

符号の説明

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…ＢＰＦ、１３０…符号化器、１４０…位相制御回路、１４１…切替器、１４２…定数乗算器、１４３…加算器、１４４…バイアス付与部、１５０…キャリア信号発生器、１６０…振幅変調回路、１６１，１６２…ヒルベルト変換器、１６１１…遅延回路、１６１２…ＦＩＲフィルタ、１６３，１６４…乗算器、１６５…加算器、１７０…遅延回路、１８０…加算器、４１０…ＨＰＦ、４２０…検波回路、４２１…整流回路、４２２…ＬＰＦ、４２３…直流成分除去フィルタ、４２４…比較器、４２５…加算器、４２６…遅延器、４２７…ＬＰＦ、４３０…ＢＰＦ、４４０…遅延回路、４５１，４５２…ヒルベルト変換器、４６１，４６２…位相角算出器、４７０…加算器、４８０…符号判定器、４８１…シンボルレート平均算出部、４８２…位相差判定部、４９０…復号化器

Claims (8)

1. オーディオ信号が入力される入力手段と、
   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一部の周波数帯域の成分を有するオーディオ信号の位相を、前記取得手段によって取得された符号化情報に応じて位相を調整する位相調整手段と、
   前記位相調整手段によって位相が調整されたオーディオ信号の周波数帯域の成分を、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。
2. 前記重畳手段は、前記入力手段に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
   ことを特徴とする請求項１に記載の変調装置。
3. 前記重畳手段は、前記入力手段に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
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の変調装置。
4. 前記符号化情報は、２値のいずれかを示し、
   前記位相調整手段は、前記取得手段によって取得された符号化情報が、前記２値のうちいずれか一方の値である期間においては、位相を反転させる調整を行う
   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。
5. オーディオ信号が入力される入力手段と、
   前記入力手段に入力されたオーディオ信号の周波数帯域のうち、第１の周波数帯域の成分の位相と、第２の周波数帯域の成分の位相との位相差を検出する検出手段と、
   前記検出手段によって検出された位相差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。
6. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の変調装置と、
   請求項５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が入力され、
   前記復調装置の検出手段における第１の周波数帯域は、前記変調装置の抽出手段によって抽出されるオーディオ信号に係る周波数帯域と同じ周波数帯域として設定され、
   前記復調装置の検出手段における第２の周波数帯域は、前記変調装置の周波数シフト手段によるシフト後の周波数帯域と同じ周波数帯域として設定されている
   ことを特徴とする情報伝達システム。
7. オーディオ信号が入力される入力過程と、
   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予め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一部の周波数帯域の成分を有するオーディオ信号の位相を、前記取得過程において取得された符号化情報に応じて位相を調整する位相調整過程と、
   前記位相調整過程において位相が調整されたオーディオ信号の周波数帯域の成分を、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。
8. オーディオ信号が入力される入力過程と、
   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うち、第１の周波数帯域の成分の位相と、第２の周波数帯域の成分の位相との位相差を検出する検出過程と、
   前記検出過程によって検出された位相差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。

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