JP2011130103A - 音響を用いた情報伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】音響を用いて、多様な情報の効率的な伝送が可能な情報伝送システムを提供する。
【解決手段】送信側の装置は、複数の拡散符号を並行して発生する拡散符号発生部、データシンボルを入力するデータシンボル入力部、データシンボル入力部から入力されたデータシンボルに基づいて複数の拡散符号から１つの拡散符号を選択する拡散変調部、および、拡散変調部が選択した拡散符号を音響として出力する音響出力部を備える。受信側の装置は、データシンボルを拡散変調した音響信号を入力する音響信号入力部、音響信号と複数の拡散符号との相関値を検出する相関検出部、および、相関検出部が検出した相関値のピークに基づきデータシンボルを判定するデータシンボル判定部、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、主として音響を用いて符号を伝送する情報伝送装置に関する。

音響を用いて情報を伝送する場合、情報を拡散符号で拡散変調して音響として放音することが考えられる。

このような技術は従来提案されておらず、音響を伝送媒体に利用する符号伝送技術としては、特許文献１、２に示すようなものがあった。特許文献１の方式は、可聴音帯域の搬送波をベースバンド信号で変調し、この変調信号にマスカー音を付加して聴こえにくくして伝送する方式である。特許文献２の方式は、振幅変調を用いて音声信号に電子透かしを埋め込む方式である。

特開２００７−１０４５９８号公報

特開２００６−２５１６７６号公報

情報を拡散変調する場合において、情報の伝送効率を向上しようとすると、拡散符号を多重化して複数の情報を並行して伝送することが考えられる。しかし、音響を用いた拡散変調は電波に比べてチップレートを高くすることができないため、伝送効率を向上するためには拡散符号の周期を長くすることができない。短い周期の拡散符号は自己相関特性が高くなく、多重化した場合にそれぞれの拡散符号の相関特性が悪化し、復調の精度を確保することが困難になるという問題点があった。

この発明は、音響を用いて、多様な情報の効率的な伝送が可能な情報伝送装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、複数の拡散符号を並行して発生する拡散符号発生部と、データシンボルを入力するデータシンボル入力部と、前記データシンボル入力部から入力されたデータシンボルに基づいて前記複数の拡散符号から１つの拡散符号を選択する拡散変調部と、前記拡散変調部が選択した拡散符号を音響として出力する音響出力部と、を備えたことを特徴とする。

請求項２の発明は、前記拡散変調部は、前記選択した拡散符号を、前記データシンボルに基づいて、さらに位相シフトすることを特徴とする。

請求項３の発明は、前記拡散変調部と前記音響出力部との間に、前記拡散符号を差動符号化された拡散符号とする差動符号化部、前記拡散符号をアップサンプリングするアップサンプリング部、前記拡散符号をキャリア信号と乗算して周波数シフトする周波数シフト部、の一部または全部をさらに備えたことを特徴とする。

請求項４発明は、データシンボルを拡散変調した音響信号を入力する音響信号入力部と、前記音響信号と複数の拡散符号との相関値を検出する相関検出部と、前記相関検出部が検出した相関値のピークに基づき、前記データシンボルを判定するデータシンボル判定部と、を備えたことを特徴とする。

請求項５の発明は、前記データシンボル判定部は、前記相関値のピークと、そのピークの正負に基づいて、前記データシンボルを判定することを特徴とする。
請求項４に記載の音響を用いた情報伝送装置。

この発明では、送信するデータシンボルに応じた拡散符号を選択して音響出力することにより、データシンボルを伝送する。拡散符号を複数準備することにより、拡散符号の１周期当たりに多様なデータシンボルの伝送が可能になる。またさらに、拡散符号の位相をシフト（たとえば位相反転）することにより、より多様なデータシンボルの伝送が可能になる。

この発明によれば、音響を用いてデータシンボルを伝送する場合において、複数の拡散符号を用いることにより、多様なデータシンボルの伝送が可能になる。

この発明が適用される音響通信システムの送信装置、受信装置の構成を示す図 前記送信装置のデータ重畳部の構成を示す図 送信装置の変調部および差動符号化部の構成を示す図 拡散処理および差動符号化の波形例を示す図 前記受信装置の復調部の構成を示す図 受信装置の符号判定部の判定ルールを示す図

図面を参照してこの発明の実施形態である音響通信方式および音響通信システムについて説明する。

≪音響通信システム≫
図１は、この発明の実施形態である音響通信システムの構成を示す図である。この音響通信システムは、送信装置１、受信装置２で構成される。

送信装置１は、データ重畳部１０、アナログ回路部１１およびスピーカ１２を有している。データ重畳部１０はデータ符号Ｄを拡散処理して音響信号Ｓの高音域に重畳する回路部である。データ重畳部１０の構成および動作の詳細は後述する。

アナログ回路部１１は、Ｄ／Ａコンバータおよびオーディオアンプを含み、データ重畳部１０から出力されたデジタルの合成信号をアナログ信号に変換し、増幅してスピーカ１２に供給する。スピーカ１２は、アナログ回路部１１から入力された合成信号を音響として放音する。放音された合成信号音は空間を伝搬して受信装置２のマイク２２へ到達する。

受信装置２は、マイク２２、アナログ回路部２３、復調部２１を有している。アナログ回路部２３は、マイク２２が収音した音声信号を増幅するアンプ、オーディオ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータを有している。復調部２１は、収音した音声信号に含まれている拡散信号を検出し、その拡散信号に重畳されているデータ符号Ｄを復調する回路部である。復調部２１の構成および動作の詳細は後述する。

≪データ重畳部≫
図２は、送信装置１のデータ重畳部１０の構成例を示す図である。音響信号入力部３１から入力された音響信号Ｓ（音楽、音声など）は、ＬＰＦ３２によって高域がカットされる。ＬＰＦ３２のカットオフ周波数は、聴感と変調信号に割り当てる帯域幅に基づいて決定される。カットオフ周波数を低くしすぎると音響信号Ｓの音質が劣化する。同時に、低いカットオフ周波数に合わせて変調信号の帯域周波数を下げると、変調信号が聴取者の聴感上耳に付きやすくなる。逆に、ＬＰＦ３２のカットオフ周波数を高くしすぎると、変調信号の帯域を広くすることができず、データ符号の伝送品質が低下する。したがって、ＬＰＦ３２のカットオフ周波数は、ＬＰＦ３２を通過させた音響信号の聴感評価および要求される変調信号の帯域幅等を考慮して決定される。

ＬＰＦ３８で高域をカットされた音響信号Ｓはゲイン調整部３３によって利得が調整される。利得が調整された音響信号Ｓは加算器３４に入力される。なお、入力された音響信号が中低音帯域のみ周波数成分を有し、高音帯域に成分が存在しないような信号の場合には、ＬＰＦ３２は省略してもよい。

データ符号入力部３５はデータ符号Ｄを読み込んで変調部３７に入力する。拡散符号発生部３６は２種類の拡散符号を並行且つ同期させて発生し、変調部３７に入力する。拡散符号としては、Ｍ系列等の一定の巡回周期を持つ擬似乱数符号列が用いられる。２つの疑似乱数符号列は、相互相関が低い組み合わせが選択される。データ符号入力部３５は、拡散符号の１巡回周期ごとに２シンボルのデータ符号Ｄを変調部３７に入力する。

変調部３７は、入力された２シンボルのデータ符号Ｄに基づき、２つの拡散符号（拡散符号Ａ，拡散符号Ｂ）のいずれかを選択し、その選択した拡散符号の位相を決定する拡散処理を行う。

図３（Ａ）は変調部３７の構成を示す図である。図３（Ｂ）は変調部３７のセレクタ７０の選択ルールを示す図である。変調部３７は、拡散符号Ａの位相を反転させるインバータ７１Ａ、拡散符号Ｂの位相を反転させるインバータ７１Ｂ、および、データ符号Ｄに基づいて拡散符号を選択するセレクタ７０を備えている。セレクタ７０は、入力された２シンボルのデータ符号に基づいて正位相の拡散符号Ａ（Ａ）、反転された拡散符号Ａ（ｂａｒＡ）、正位相の拡散符号Ｂ（Ｂ）および反転された拡散符号Ｂ（ｂａｒＢ）のいずれかを選択して出力する。２ビットの送信シンボルに基づく拡散符号の選択ルールは図３（Ｂ）に示すとおりである。これにより、１周期の拡散符号で２ビットのデータを表現することが可能になる。

変調部３７により２ビットずつのデータ符号Ｄに基づいて選択・変調（以下、単に変調と呼ぶ。）された拡散符号ＭＰＮは、差動符号化部３８によって差動符号ＤＭＰＮに変換される。差動符号化処理は、拡散符号の各チップの値をその絶対値から前チップからの変化を表す値に置き換える処理である。この差動符号化により、受信側において、送信側に正確に同期したクロックが無くても、遅延検波を用いて高精度にシンボルを復調することができる。

図３（Ｃ）は差動符号化部３８の例を示す図である。差動符号化部３８は、拡散符号ＭＰＮが一方の入力端子に入力されるＸＯＲ回路４５と、ＸＯＲ回路４５の出力を１チップ遅延してＸＯＲ回路４５の他方の入力端子に戻す１チップ遅延回路４６で構成されている。ＸＯＲ回路４５の出力を１チップ遅延してフィードバックすることにより、ＸＯＲ回路４５は、入力された拡散符号ＭＰＮとＸＯＲ回路４５の１クロック前の出力との比較結果を差動符号ＤＭＰＮとして出力する。すなわち、拡散符号ＭＰＮの各チップの絶対値が、差動符号ＤＭＰＮでは、直前の差動符号ＤＭＰＮのチップとの位相変化の有無に置き換えられる。これにより、受信側において、連続する２チップを比較することにより拡散符号ＭＰＮを復元することができる。

図４に、上記データ符号Ｄ、拡散符号ＰＮ，ＭＰＮ，ＤＭＰＮの波形例を示す。同図（Ａ）が拡散符号発生部３６が発生した拡散符号ＰＮである。同図（Ｂ）がデータ符号入力部３５によって入力されたデータ符号Ｄである。同図（Ｃ）がデータ符号Ｄで巡回周期ごとに位相変調された拡散符号ＭＰＮである。同図に示すデータ符号列Ｄは“１０”であるため、拡散符号ＭＰＮの１周期目は位相が正転、２周期目は位相が反転している。同図（Ｄ）は変調された拡散符号ＭＰＮを差動符号化した符号列（差動符号）ＤＭＰＮである。この符号列は、拡散符号ＭＰＮの各チップの値と直前のチップの差動符号ＤＭＰＮの値との比較結果（排他的論理和）による値である。なお、差動符号ＤＭＰＮは、−１，１の２値の信号に変換される。

２値信号化された差動符号ＤＭＰＮは、アップサンプリング部３９に入力される。アップサンプリング部３９は、入力された符号列をアップサンプリングする。拡散符号発生部３６が発生した拡散符号ＰＮのチップレートとこのアップサンプリング部３９におけるアップサンプリング率により、送信（放音）される拡散符号のチップレートおよび帯域幅が決定される。

図２にもどって、アップサンプリング処理された信号（差動符号ＤＭＰＮ）は、ＬＰＦ４０に入力される。ＬＰＦ４０は、チップ間干渉を抑制しつつベースバンド信号の帯域を制限するフィルタでありナイキストフィルタと呼ばれるものである。ナイキストフィルタは、インパルス応答がシンボル・レートでリングする（０を通過する）特性を有するフィルタであり、一般的にコサイン・ロールオフ・フィルタと呼ばれるＦＩＲフィルタで構成される。フィルタの次数、ロールオフ率α等は、適用する条件等に応じて決定される。

なお、この実施形態では、受信側においてもＬＰＦ５４（図５参照）でフィルタリングを行うため、このＬＰＦ４０と受信側のＬＰＦ５４で完全なナイキストフィルタとなるように、それぞれが、ルートレイズド・コサイン・ロールオフ・フィルタで構成される。

ＬＰＦ４０によって帯域制限、波形整形された信号は乗算器４２においてキャリア（搬送波）信号と乗算され、高域へ周波数シフトされる。キャリア信号発生部４１が発生するキャリア信号の周波数は任意であるが、周波数シフトされた拡散符号の帯域がＬＰＦ３２のカットオフ周波数以上で、スピーカ、マイク等の音響機器の可動周波数帯域、および、信号圧縮を含むデジタル信号処理部（ＣＯＤＥＣ）の符号化周波数帯域の範囲に納まるように設定する。

高域へ周波数シフトされた変調信号ＭＤＭＰＮはゲイン調整部４３によってゲイン調整される。ゲイン調整された変調信号ＭＤＭＰＮは加算器３４で音響信号Ｓと加算合成される。この合成信号が外部に出力される。ゲイン調整部４３のゲインは、適用する環境やシステムで許される放音音圧レベル、要求される伝播距離、聴感評価等に基づいて決定される。なお、ゲイン調整部４３のゲインを、ＬＰＦ３２から出力される音響信号Ｓのレベルに応じて適応的に制御してもよい。例えば、音響信号Ｓのレベルが大きい場合には、マスキング効果が期待できるので変調信号ＭＤＭＰＮのレベルも上げて雑音に対する利得を上げ、音響信号Ｓのレベルが小さい場合には、音響信号Ｓの聴感が悪化しないように変調信号ＭＤＭＰＮのレベルを下げると言う制御をすることも可能である。

≪復調部≫
図５は、受信装置２の復調部２１の構成例を示す図である。復調部２１には、マイク２２で収音され、アナログ回路部２３でＡ／Ｄ変換された合成信号が入力される。入力された合成信号は、ＨＰＦ５１に入力される。ＨＰＦ５１は合成信号から音響信号成分を除去し、キャリア信号で周波数シフトされた拡散信号成分ＭＤＭＰＮを取り出すためのフィルタである。ＨＰＦ５１のカットオフ周波数は、変調信号帯域の下限周波数に設定される。ＨＰＦ５１によって抽出された変調信号ＭＤＭＰＮは、遅延器５２および乗算器５３に入力される。遅延器５２の遅延時間は、拡散符号の１チップ分の時間に設定される。送信側において拡散符号がＮ倍にアップサンプリングされている場合、遅延器５２の遅延時間によりアップサンプリングされたＮチップの符号列が遅延される。乗算器５３は、ＨＰＦ５３の１チップ分のサンプルと、遅延器５２の１チップ分のサンプルとを乗算する。この処理が上述した遅延検波処理である。この遅延検波処理によって、差動符号化された信号ＭＤＭＰＮが、元の拡散符号ＭＰＮを含む信号に変換される。このように、送信側に差動符号化処理、受信側に遅延検波を採用することにより、受信側において、復調時にキャリア信号を再生せずに符号列を復調することが可能になる。

乗算器５３の乗算出力は、ＬＰＦ５４に入力される。ＬＰＦ５４は、キャリア成分をフィルタリングしてベースバンド信号を抽出するとともに、余計な雑音をフィルタリングしてＳＮ比を向上させるためのフィルタであり、送信側で使用したＬＰＦ（ナイキストフィルタ）４０と同様の特性のものである。なお、上述したように、変調部のＬＰＦ４０とこのＬＰＦ５４とを合わせて完全なナイキストフィルタ特性となるようにそれぞれルート特性のフィルタとされている。

ＬＰＦ５４の出力は、２つの整合フィルタ５５Ａ，Ｂへ入力される。整合フィルタ５５Ａ，Ｂは、送信側の拡散符号発生部３６が発生した拡散符号の１周期と同じ長さのフィルタである。整合フィルタ５５Ａは、送信側の拡散符号発生部３６Ａが発生した拡散符号ＡをＮ倍にアップサンプリングした符号列を係数に持つＦＩＲフィルタで構成される。整合フィルタ５５Ｂは、送信側の拡散符号発生部３６Ｂが発生した拡散符号ＢをＮ倍にアップサンプリングした符号列を係数に持つＦＩＲフィルタで構成される。すなわち、整合フィルタ５５Ａ，Ｂのフィルタ係数列は、拡散符号Ａ，Ｂの各チップをＮ回ずつ繰り返したものである。

整合フィルタ５５Ａ，Ｂは、ＬＰＦ５４の出力波形と拡散符号Ａ，Ｂとの畳み込み演算を実行し、それらの相関値を出力する。伝送路で受けた妨害や雑音は、拡散符号とは相関が低いため、整合フィルタが出力する相関値に大きな影響を与えない。

整合フィルタ５５Ａは、拡散符号ＡまたはｂａｒＡが入力されたとき、その符号列が整合したタイミングで強い相関ピークを出力する。拡散符号Ａが入力された場合には正のピークが現れ、拡散符号ｂａｒＡが入力された場合には負のピークが現れる。また、整合フィルタ５５Ｂは、拡散符号ＢまたはｂａｒＢが入力されたとき、その符号列が整合したタイミングで強い相関ピークを出力する。拡散符号Ｂが入力された場合には正のピークが現れ、拡散符号ｂａｒＢが入力された場合には負のピークが現れる。拡散符号Ａと拡散符号Ｂとは相互相関が低いため、整合フィルタ５５Ａは拡散符号Ｂに反応せず、整合フィルタ５５Ｂは拡散符号Ａに反応しない。

整合フィルタ５５Ａ，Ｂの出力は、符号判定部５６へ入力される。符号判定部５６は、整合フィルタ５５Ａ，Ｂの出力から正負の大きなピークを検出し、どちらのフィルタにピークが現れたか、および、そのピークの正負に基づいて２ビットのデータシンボルを判定する。その判定ルールは図６に示すとおりである。すなわち、整合フィルタ５５Ａに正のピークが現れた場合には“００”、整合フィルタ５５Ａに負のピークが現れた場合には“０１”、整合フィルタ５５Ｂに正のピークが現れた場合には“１０”、整合フィルタ５５Ｂに負のピークが現れた場合には“１１”とする。これにより、拡散符号１周期で２ビットのデータ符号を復調することができる。符号判定部５６は復号したデータ符号Ｄを出力する。

以上のような構成によって、聴感上少ない違和感で音響信号に符号変調信号を重畳し空間放音伝送しても周波数変動や妨害に対して高い堅牢性を持つ音響伝送システムを、比較的軽い処理負荷で実現することが可能であり、且つ、データ符号の高速な伝送が可能になる。

このように、この実施形態では、拡散符号を差動符号化して差動符号列を生成している。差動符号化することにより、受信側に送信側と正確に同期したクロックが無くても、符号列の各チップの符号の反転の有無を用いて元の拡散符号を復調することが可能になる。また、この差動符号化された拡散符号を周波数シフトしている。周波数をシフトすることにより、差動符号の帯域が、ベースバンドから音響として放音・伝送可能な周波数帯域にシフトされる。また、拡散符号を可聴帯域より高域にシフトすることにより、楽音などの音響信号とミキシングして放音することが可能になる。

≪尚書き≫
上記実施形態では、エラー訂正符号の付加等については記載していないが、送信装置側でエラー訂正やインターリーブ等を使用した場合には、受信装置側で、受信シンボルに対してそれらの処理を追加すればよい。

この実施形態では、伝送するデータシンボルとして２ビットのデータ符号を用いているが、伝送するデータシンボルはビットデータに限定されない。

この実施形態では、２種類の拡散符号から１つを選択し、且つ、その拡散符号を反転することにより、拡散符号の１周期に２ビットのデータ符号を伝送しているが、３種類以上の拡散符号を用いれば、より多ビットのデータ符号の伝送が可能になる。

また、拡散符号を反転することなく、多数の拡散符号を準備してそれを選択するようにしてもよい。さらに、拡散符号の位相シフトは反転（１８０度）に限定されない。

また、複数の拡散符号はその長さが同一でなくてもよい。異なる長さの拡散符号を複数用いてもよい。

なお、上記実施形態では、キャリア信号と差動符号ＤＭＰＮとの乗算を実数領域の演算で行っているが、ヒルベルト変換によりキャリア信号を複素数に変換し、複素領域での乗算で差動符号ＤＭＰＮの帯域シフトをしてもよい。

１ 受信装置
２ 送信装置
１０ データ重畳部
２１ 復調部
３６（３６Ａ，３６Ｂ） 拡散符号発生部
３７ 変調部
５５（５５Ａ，５５Ｂ） 整合フィルタ
５６ 符号判定部

Claims (5)

1. 複数の拡散符号を並行して発生する拡散符号発生部と、
   データシンボルを入力するデータシンボル入力部と、
   前記データシンボル入力部から入力されたデータシンボルに基づいて前記複数の拡散符号から１つの拡散符号を選択する拡散変調部と、
   前記拡散変調部が選択した拡散符号を音響として出力する音響出力部と、
   を備えた音響を用いた情報伝送装置。
2. 前記拡散変調部は、前記選択した拡散符号を、前記データシンボルに基づいて、さらに位相シフトする請求項１に記載の音響を用いた情報伝送装置。
3. 拡散変調部と前記音響出力部との間に、
   前記拡散符号を差動符号化された拡散符号とする差動符号化部、
   前記拡散符号をアップサンプリングするアップサンプリング部、
   前記拡散符号をキャリア信号と乗算して周波数シフトする周波数シフト部、
   の一部または全部をさらに備えた請求項１または請求項２に記載の音響を用いた情報伝送装置。
4. データシンボルを拡散変調した音響信号を入力する音響信号入力部と、
   前記音響信号と複数の拡散符号との相関値を検出する相関検出部と、
   前記相関検出部が検出した相関値のピークに基づき、前記データシンボルを判定するデータシンボル判定部と、
   を備えた音響を用いた情報伝送装置。
5. 前記データシンボル判定部は、前記相関値のピークと、そのピークの正負に基づいて、前記データシンボルを判定する請求項４に記載の音響を用いた情報伝送装置。

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