JP2019524037A

JP2019524037A - 不規則音響信号による符号化方法および関連する送信方法

Info

Publication number: JP2019524037A
Application number: JP2019517174A
Authority: JP
Inventors: カニサレス，デイビッドアルバレス; フォンセカ，ビクターマヌエルメンデス
Original assignee: コップソニック
Priority date: 2016-06-13
Filing date: 2017-06-13
Publication date: 2019-08-29
Also published as: FR3052614A1; US20190189141A1; EP3469744A1; CN109690979B; US11081122B2; WO2017216470A1; AU2022202499A1; FR3052614B1; CN109690979A; AU2017286475A1; EP3469744B1; ES2813971T3

Abstract

本発明は、アルファベットの情報シンボルの、不規則音響信号への符号化方法に関する。符号化ディクショナリは、１セットの不規則信号を取得し（１１０）、送信チャネルの等価フィルタによって不規則信号をフィルタリングし、これらの信号のサブセットを選択し（１４０）、各サブセットに関して、選択された信号の相関行列を計算する（１６０）ことによってヒューリスティックな方式で構築され、符号化ディクショナリは、相関行列が対角行列（１７０−１８０）に最も近似しているサブセットによって構成される。本発明はさらに、音響信号による情報シンボルの送受信方法にも関する。

Description

本発明は一般に、符号化の分野に関し、また、音響、音波、超低周波または超音波信号の分野に関する。

音響信号による情報の符号化は、とりわけ固定式テレフォニーシステムの音声チャネルでのデータ送信の背景で広範に使用されてきた。例えば、英数字データをＤＴＭＦ（デュアルトーンマルチ周波数）コードによって送信することは周知であり、各英数字は、音声チャネルで同時に送信された一対の可聴周波数に対応する。ＤＴＭＦ符号化の方法の記述は、特許文献１にて見出され得る。このＤＴＭＦ符号化にさらに先行するのは、特許文献２で提案された誤り訂正符号化（チャネル符号化）であり得る。

しかしながら、ＤＴＭＦ符号化方法は、送信されたメッセージの傍受を試み得る第三者の攻撃に対する保護を提供するものではない。音声チャネルで送信されたメッセージの機密性と完全性を保証するための第１の解決策は、メッセージを、秘密キーまたは公開キーでの暗号化アルゴリズムによって暗号化し、次に、それによって暗号化されたメッセージのシンボルをＤＴＭＦコードによって送信することであろう。そのように暗号化されたメッセージのシンボルは、受信されると、ＤＴＭＦ周波数に中心化されたフィルタのバッテリーから取得されて、生文のメッセージが解読アルゴリズムによって復元される。

しかしながら、暗号化／解読アルゴリズムは、特に、使用される暗号化キーが、暗号解読攻撃に対して防御するために長いことを考慮に入れると、実施するのが複雑である。

米国特許第６７５１３０３号明細書米国特許出願公開第２００４／００８１０７８号明細書

本発明の目的は、特に単純且つ堅牢でありながら、送信されたメッセージの高水準の機密性を保証する、音響信号による符号化の方法を究極的に提案することである。

本発明は、アルファベット（Ａ）に属する情報シンボルの音響信号による符号化の方法で定義され、
（ａ）１セットの不規則信号が取得され、不規則信号は注目フィルタ（ｆｉｌｔｅｒｏｆｉｎｔｅｒｅｓｔ）によってフィルタリングされ、
（ｂ）前記セットのＮ信号のサブセット（Ｓ_Ｎ）が選択され、各サブセットに関して、それによって選択された信号の相関行列が計算され、
（ｃ）対角行列に最も近似した相関行列に対応するＮ信号のサブセットが符号化ディクショナリとして維持され、
（ｄ）アルファベットの各情報シンボルがディクショナリの不規則信号によって符号化され、ディクショナリの前記不規則信号は、トランスデューサによって音響信号に変換される、
ことを特徴とする。

有利には、前記不規則信号は、物理現象を用いて乱数生成器によって取得される。

好ましくは、ステップ（ｃ）において、
（ｃ１）前記セットに属する１つの新たな不規則信号が、信号の第１の選択されたサブ

れぞれに関して計算され、対角行列に対する相関行列の近似度を特徴付けるＱ値

を下回るまでステップ（ｃ１）および（ｃ２）が繰り返される。

第１の実施形態によれば、ステップ（ｂ）に先行して、前記不規則信号が中心化されるように、各不規則信号からその平均が差し引かれる。

分であり、ｍｉｎ、ｍａｘおよびｍｏｙはそれぞれ、最小値、最大値および平均値を表す。

第２の実施形態によれば、ステップ（ｂ）に先行して、中心化された不規則信号のエネルギーが正規化されて、その結果、サンプル（Ｅ_０）毎に同じ平均エネルギーを全て有する正規化された不規則信号を得る。

規則信号のサンプル毎の前記平均エネルギーであり、ｍｉｎ、ｍａｘおよびｍｏｙはそれぞれ、最小値、最大値および平均値を表す。

本発明はさらに、アルファベット（Ａ）に属する情報シンボルを音響信号により送信する方法に関し、その方法において、前記シンボルは、以前に定義した符号化方法によって符号化され、連続した情報シンボルに対応する音響信号は、送信チャネルで逐次送信される。

代替的に、異なる情報シンボルに対応する音響信号が、送信チャネルで同時に送信されてよい。

全ての事例において、前記シンボルのブロックのチャネル符号化を、音響信号によるそれらの符号化の前に実行することが可能である。

最後に、本発明は、情報シンボルを受信する方法に関し、その方法において、シンボル時間中に受信された音響信号はトランスデューサによって電気信号に変換され、次に符号化ディクショナリの不規則信号それぞれと相関されて複数の相関結果を提供し、最も高い相関が、前記シンボル時間中に受信されたシンボルのインデックスを提供する絶対値をもたらす。

代替的に、シンボル時間中に受信された音響信号は、トランスデューサによって電気信号に変換され、次に符号化ディクショナリの不規則信号それぞれと相関されて複数の相関結果を提供し、絶対値での上記の相関結果、所定閾値が、前記シンボル時間中に受信されたシンボルのインデックスを提供する。

任意選択的に、シンボル時間中に受信された音響信号は、トランスデューサによって電気信号に変換され、次に符号化ディクショナリの不規則信号それぞれと相関されて複数の相関結果を提供し、絶対値での上記の相関結果、所定閾値が、前記シンボル時間中に受信されたシンボルのインデックスを提供し、受信されたシンボルのブロックは次に、チャネル復号がなされる。

本発明の他の特徴および利点については、添付図面を参照した本発明の好ましい実施形態の記載により明らかにする。

本発明の第１の実施形態による、不規則音響信号によって符号化ディクショナリを構築する方法の模式図である。本発明の第２の実施形態による、不規則音響信号によって符号化ディクショナリを構築する方法の模式図である。図２の符号化で使用される不規則音響信号の自動相関行列を表す図である。本発明の一実施形態による、不規則音響信号によって符号化された情報シンボルを送信する方法の模式図である。図４の送信方法によって送信された不規則音響信号の受信方法の模式図である。

ここから、音響チャネルで送受信するためのシステムについて考察する。音響チャネルとは、音波（２０Ｈｚ−２０ｋＨｚの可聴周波数範囲で）、またさらには超音波（つまり２０ｋＨｚを上回る周波数）または超低周波（つまり２０Ｈｚ未満の周波数）を伝播するチャネルを意味すると解釈される。

符号化するメッセージ、また、必要に応じて送信するメッセージは、所定のアルファベットに属する情報シンボルで構成される。このアルファベットは例えばｎビットのワードのセットで構成され、ｎ＞１である。一般に、基数詞ＮのアルファベットＡに関して、サ

本発明の基本概念は、不規則音響信号によるアルファベットＡのシンボルの符号化を、ヒューリスティックな方式で構築することである。より具体的には、不規則信号の基数詞Ｍ＞＞ＮのセットＳを生成すると仮定すると、本発明の基本概念は、一定の品質基準を尊重してこれらのＭ不規則信号のサブセットＳ_Ａ⊂Ｓを選択し、アルファベットＡの各シンボルを、そのように選択された不規則信号のうち１つに一対一で対応させることである。そのようにして得たＳへのＡの注入は次に、不規則信号による符号化を定義し、それは次に、電子音響トランスデューサによって再現され、従って、不規則音響符号化の必要条件を定義する。

図１は、本発明の第１の実施形態による、不規則音響信号によって符号化ディクショナリを構築する方法を模式的に表している。

第１の代替形態によれば、符号化ディクショナリ（またはコードブック）の構築は、逐次反復によって逐次方式で実行される。代替的に、符号化ディクショナリの構築は、以後説明するように並列方式で実行されてもよい。

ステップ１１０で、１セットの不規則音響信号が取得される。これらの信号は、例えば、抵抗の端子でのサーマルノイズまたはマイクロフォンのグランドノイズなどの物理現象を用いて乱数発生器によって取得されている。これらの信号は、所定の通過帯域を有する取得連鎖によって取得され、次に、対応するナイキスト周波数でサンプリングされる。代替的に、不規則信号は、有利には暗号化品質で選択された擬似乱数生成器によって取得されていてもよい。以後、「不規則信号」という表現は、これらの２つの代替形態を網羅すると明示的に理解される。いずれの場合にも、それによって各不規則信号はサンプルＬによって構成され、メモリに記憶される。

ステップ１２０で、不規則信号は任意選択的に、関心サイズを有するフィルタ、例えば、応答として送信チャネルの応答を有するフィルタでフィルタリングされる。送信チャネルの応答は、増幅連鎖の応答、送信トランスデューサ（ラウドスピーカー、圧電トランスデューサまたはその他）の応答、伝播チャネルの応答、受信トランスデューサ（マイクロフォン、圧電トランスデューサまたはその他）の応答、また最終的に受信連鎖の応答の畳み込みによって構成される。

ステップ１３０で、不規則信号はそれぞれ中心化されて正規化され、必要に応じステップ１２０でフィルタリングされ、１セットＳの同じエネルギーＥの中心化不規則音響信号

ル毎の平均エネルギーである。

ステップ１４０で、ＳのサブセットＳ_ＮはＮの中心化され正規化された不規則信号

関行列は、サイズＮ×Ｎの対称行列であり、その成分が相関係数

の成分であり、その対角成分が全てＥ_０に等しい。

以後、相関行列のＱ値、または同様に、セットＳ_ＮのＱ値は以下の値と呼ばれ、

または、

ある（行列が対称であるということを考慮して）。

再び代替的に、Ｑ値は、

によって定義され得る。

は、行列の非対角成分が対角成分と比べて低い場合に全て高くなる。

次に１５０で反復ループに入る。

ステップ１５０で、未だに考慮されていないＳの新たな中心化され正規化された不規則

逐次置換され、この置換後にその都度、信号の相関行列が計算される。

ているということに留意されたい。

が算定され、そこから以下が差し引かれる。

ステップ１８５で、停止基準が試験される。停止基準が適合した場合、コードの構築は１９０で終了する。適合しなかった場合、１５０で新たな不規則音響信号が考慮される。

第１の停止基準は、セットＳが尽きたことであり得る。

代替的にまたは累積的に、第２の停止基準は、所定の閾値ＱＴｈより上のＱ値を取得する可能性がある。

Ｓ（第１の停止基準）の信号が尽きない限り、または、閾値（第２の停止基準）より上のＱ値が得られるまで、ループ１５０−１８５が繰り返される。

こうして、互いに低水準の相関を有する１セットＳ_Ｎの不規則音響信号が漸次構築される。

反復方式で進める代わりに、並列方式で進めることも可能である。この場合、ＳのＮ不規則信号の全ての可能な組み合わせが一度に考慮され、それらの相関行列のＱ値がこれらの組み合わせそれぞれに関して計算される。最終的に、最も高いＱ値に至る組み合わせが選択される。結果として得られた不規則信号のセットＳ_Ｎが符号化ディクショナリを構成する。

図２は、本発明の第２の実施形態による、不規則音響信号によって符号化ディクショナリを構築する方法を模式的に表している。

不規則信号のセットの取得とフィルタリングのステップ２１０および２２０は図１のステップ１１０および１２０と同じであるため、再び説明することはない。

ステップ２３０で、各信号からその平均が差し引かれて、１セットの中心化された不規

ルギーの信号を排除してもよい。最終的に１セットＳの不規則信号を得る。

Ｓ_Ｎが任意で選択され、これらの信号の相関行列が計算される。この相関行列の成分は、

によって与えられる。

第１の実施形態とは違って、対角成分は同じでない。次に相関行列のＱ値が計算される、つまり、同様な方式でセットＳ_ＮのＱ値が計算される。

この実施形態では、Ｑ値は以下のように計算されてよく、

または、

またはさらには、

のように計算されてよい。

のうち１つを用いて計算される点が唯一違うのみで前述のステップ１５０から１８５と同じである。

停止基準に合致した場合、つまり、セットＳが尽きたか、または逐次置換によりＱ値が

トＳ_Ｎが、求めていた符号化ディクショナリである。

図３は、図２の方法によって構築された符号化ディクショナリの不規則音響信号の相関行列の成分を表す。より具体的には、Ｎ＝２５６であるディクショナリＳ_Ｎの不規則音響信号の相関行列の絶対値｜Ｃ’_ｉｊ｜がここで表されている。主対角の相関係数、つまり、異なる不規則信号のエネルギーが、対角外の相関係数よりも実質的に高いことが観察され得る。

図４は、本発明の一実施形態による、不規則音響信号によって情報シンボルを送信する方法を模式的に表している。

図１または図２の方法による符号化ディクショナリは事前に生成されている、言い換えると、１セットＳ_Ｎの不規則音響信号が可用であると仮定される。

４１０で、送信するワードは任意選択的にチャネル符号化、例えばＢＣＨまたはリードソロモンタイプのブロック符号化によって符号化される。必要に応じて、それ自体が知られている方式でＣＲＣコードがそこに追加されてもよい。ブロックはそれによってチャネル符号化によって符号化される、および／または、ＣＲＣ符号化は次にサイズｎのワードに分割され、最終的に基数詞Ｎ＝２^ｎのアルファベットＡのシンボルに分割される。

信号が、４２０でメモリ４３０に読み込まれる。次にこの信号は４４０でアナログ信号に変換され、次に４５０で増幅されて、その後４６０でトランスデューサ（例えば、ラウドスピーカーまたは圧電トランスデューサ）によって送信される。

こうして、送信する一連のワードが、Ｓ_Ｎの一連の不規則音響信号で構成される音響信号に変換される。

代替的に、いくつかのワード、すなわち、いくつかのアルファベットＡのシンボルが、送信チャネルで同時に送信されてよい。この場合、ワード期間中に送信された音響信号は単に、これらの異なるワードに対応する不規則音響信号の和によって構成される。

図５は、図４の送信方法によって送信された音響信号を受信する方法を模式的に表す。

トランスデューサ５１０によって受信された音響信号は電気信号に変換され、それは、必要に応じて増幅され（このステップは図示していない）、次に、５２０でナイキスト周波数でサンプリングされる。こうして得られたサンプルのシーケンスは、並列の相関器５３０１，．．．，５３０Ｎのバッテリーで、ディクショナリＳ_Ｎの基本不規則信号

送信は逐次方式で発生し、相関器は連続したワード間の移行と同期化されることが先ず仮定される。とりわけ、ペイロードのプリアンブルとしてのプリアンブル（例えばフレームヘッダー）としてパイロットシーケンスを送信して、相関器がワードリズム１／Ｔと同期化されることを可能にすることを提供してもよい。

各周期Ｔの最後に、異なる相関器の出力での相関結果が５４０で互いに比較される。絶

ベットＡのシンボルのインデックスを与える。実際には、インデックスｉは５５０で、ア

メントとして用いられる。

に供給される。チャネルデコーダは連続したワードを結合してブロックを形成して、これらのブロックのチャネル復号を実行する。当業者ならば、チャネル復号が、送信されたブロックに影響し得る特定の誤りの訂正を可能にすること、また、ＣＲＣの計算が、これらのブロックが正しく復号されていることの判断を可能にすることを理解するであろう。

代替形態によれば、いくつかのワードが送信チャネルで同時に送信されてよい。この場合、相関結果は互いには（絶対値で）比較されないが、所定の閾値と比較される。次に相関器の出力が、送信されたアルファベットＡのワードのインデックスを与える。同様に、ワードをブロックに結合した後で、ブロックのチャネル復号が次に実行されてよい。

数々の他の代替形態が、本発明の範囲を超えることなく当業者によって予想され得る。例えば、送信のレベルで、不規則信号を、増幅ステップ前に搬送波または複数の副搬送波を変調するために用いるように配することも可能である。対称方式で、音響トランスデューサによって受信された信号は、相関器のバッテリーによって相関される前に、対応する復調を経ることができる。

音響信号の不規則な性質により、チャネルを傍受している第三者が音響信号を復号して送信された情報シンボルを取得することは困難である。さらに、送信側と受信側で複数のセットＳ_Ｎが提供されてよく、これらのセットは所定のシーケンスで使用される。代替的に、１つのセットＳ_Ｎから別のセットＳ_Ｎへの切り替えが、音響チャネルで送信されたコントロールワードによって、または代わりに補助チャネルで命令されてもよい。

１１０−１２０，２１０−２２０関心フィルタ
１７０−１８０，２７０−２８０符号化ディクショナリ

Claims

アルファベット（Ａ）に属する情報シンボルの、音響信号による符号化方法であって、
（ａ）１セットの不規則信号が取得され、不規則信号が、これら信号が送信されることになっている送信チャネルの応答を応答として有する注目フィルタ（１１０−１２０；２１０−２２０）によってフィルタリングされ、
（ｂ）フィルタリングされたＮ不規則信号のサブセット（Ｓ_Ｎ）が選択され（１５０，２５０）、各サブセットに関して、それによって選択される信号の相関行列が計算され（１６０，２６０）、
（ｃ）対角行列に最も近い相関行列に対応するＮ信号のサブセットが符号化ディクショナリ（１７０−１８０，２７０−２８０）として維持され、
（ｄ）アルファベットの各情報シンボルがディクショナリの不規則信号によって符号化され、ディクショナリの前記不規則信号は、トランスデューサによって音響信号に変換される、
ことを特徴とする方法。
前記不規則信号は物理現象を用いて乱数生成器によって取得されることを特徴とする請求項１に記載の符号化方法。
ステップ（ｃ）において、
（ｃ１）前記セットに属する新たな不規則信号が、信号の第１の選択されたサブセット

（ｃ２）それによって置換された各セブセットに関して、不規則信号の相関行列

を下回るまでステップ（ｃ１）および（ｃ２）が繰り返されることを特徴とする請求項１または２に記載の符号化方法。
ステップ（ｂ）に先行して、各不規則信号からその平均が差し引かれて、その結果前記不規則信号が中心化されることを特徴とする請求項１に記載の符号化方法。
り、ｍｉｎ、ｍａｘおよびｍｏｙはそれぞれ、最小値、最大値および平均値を表すことを特徴とする請求項４に記載の符号化方法。
ステップ（ｂ）に先行して、中心化された不規則信号のエネルギーが正規化されて、その結果、サンプル（Ｅｏ）毎に同じ平均エネルギーを全て有する正規化された不規則信号を取得することを特徴とする請求項４に記載の符号化方法。
エネルギーであり、ｍｉｎ、ｍａｘおよびｍｏｙはそれぞれ、最小値、最大値および平均値を表すことを特徴とする請求項６に記載の符号化方法。
アルファベット（Ａ）に属する情報シンボルを音響信号により送信する方法であって、前記シンボルは、請求項１から７のいずれか一項に記載の音響信号による符号化方法によって符号化され、連続した情報シンボルに対応する音響信号は、送信チャネルで逐次送信されることを特徴とする送信方法。
アルファベット（Ａ）に属する情報シンボルを音響信号により送信する方法であって、前記シンボルは、請求項１から７のいずれか一項に記載の符号化方法によって符号化され、異なる情報シンボルに対応する複数の音響信号が、送信チャネルで同時に送信されることを特徴とする送信方法。
前記シンボルのブロックのチャネル符号化は、音響信号によるそれらの符号化の前に実行されることを特徴とする請求項８または９に記載の情報シンボル送信方法。
請求項８の送信方法によって送信された情報シンボルの受信方法であって、シンボル時間中に受信された音響信号はトランスデューサによって電気信号に変換され、次に符号化ディクショナリの不規則信号それぞれと相関されて複数の相関結果を提供し、絶対値での最も高い相関結果が、前記シンボル時間中に受信されたシンボルのインデックスを提供することを特徴とする情報シンボル受信方法。
請求項９の送信方法によって送信された情報シンボルの受信方法であって、シンボル時間中に受信された音響信号は、トランスデューサによって電気信号に変換され、次に符号化ディクショナリの不規則信号それぞれと相関されて複数の相関結果を提供し、絶対値での上記の相関結果、所定閾値が、前記シンボル時間中に受信されたシンボルのインデックスを提供することを特徴とする情報シンボル受信方法。
請求項１０の送信方法によって送信された情報シンボルの受信方法であって、シンボル時間中に受信された音響信号は、トランスデューサによって電気信号に変換され、次に符号化ディクショナリの不規則信号それぞれと相関されて複数の相関結果を提供し、絶対値での上記の相関結果、所定閾値が、前記シンボル時間中に受信されたシンボルのインデックスを提供し、受信されたシンボルのブロックは次に、チャネル復号がなされることを特徴とする情報シンボル受信方法。