JP4361575B2 - 変調装置、復調装置、および音響信号伝送方法 - Google Patents

Description

本発明は、音響信号にデータ信号を重畳してデータを伝送する変調装置、復調装置および音響信号伝送方法に関する。

音響信号にデータ信号を重畳して伝送する伝送システムには、特許文献１に記載されているように音響信号に伝送信号を拡散して重畳する技術、特許文献２に記載されているように音響信号のある周波数帯を利用してデータを伝送する技術がある。このような音響信号にデータ信号を重畳する技術は、著作権保護や不正コピー防止のための音響電子透かしに用いられることが多いが、スピーカからマイクに音波で情報を伝送する情報通信技術としても用いられる。
国際公開WO０２／４５２８６パンフレット 特開２００１−１４８６７０号公報

上述特許文献において用いられている音響信号にデータ信号を重畳することができる技術をスピーカからマイクへの情報伝送に用いる場合は、伝送先で伝送信号を復調する際に、シンボル同期をとるための信号が必要になる場合がある。また、伝送信号の搬送波周波数が可変である場合、受信側で搬送波周波数の検出が必要になる。例えば、音響信号の周波数によっては音質に差が出る場合があり、そのために送信側（変調側）で、音響信号においていくつかある搬送波周波数から一つの周波数を選択するようにしたいという要望がある。この場合、受信側（復調側）で、搬送波周波数を認識する必要がある。

しかし、これらのデータ信号を搬送させるための周波数を認識させるための通知用の搬送波周波数を利用するとその分の周波数利用効率が低下するといった問題がある。特に可聴帯域の音波で情報を伝送する場合、利用できる周波数帯が狭いため（例えば、２０Ｈｚ−２０ｋＨｚ）、可聴帯域で周波数検出用に周波数帯を確保することは伝送システムの性能を大きく劣化させる要因となる。

そこで、上述の課題を解決するために、データ信号のための搬送波周波数を任意に選択することを可能とするとともに、データ信号の搬送波周波数を通知するための周波数を用いることなくその搬送波周波数を通知することができる変調装置、復調装置および音響信号伝送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に、本発明の音響信号伝送方法は、伝送元において、データ信号の搬送波周波数および当該搬送波周波数に応じたＰＮ系列を選択する選択ステップと、伝送元において、前記データ信号を用いて前記選択ステップにより選択された搬送波周波数を変調する変調ステップと、伝送元において、前記選択ステップにより選択されたＰＮ系列に基づいてシンボル同期信号を生成する生成ステップと、伝送元において、前記生成ステップにより生成されたシンボル同期信号および前記変調ステップにより変調された変調データ信号を前記音響信号に重畳して送信する重畳ステップと、伝送先において、変調された変調データ信号が重畳された音響信号を受信する受信ステップと、伝送先において、前記受信ステップにより受信された音響信号に対して複数のＰＮ系列と相関計算を行う演算ステップと、伝送先において、前記演算ステップにより演算された結果に基づいて、前記複数のＰＮ系列の中で受信された音響信号との最大相関値が最も高いＰＮ系列を判別する判別ステップと、伝送先において、前記判別ステップにより判別されたＰＮ系列を用いて同期ポイントを決定するとともに、当該同期ポイントに基づいて、前記音響信号に重畳されている変調データ信号のシンボル同期処理を行う同期処理ステップと、伝送先において、前記同期処理ステップにより同期処理が行われた変調データ信号を復調する復調ステップと、を備えている。

この発明によれば、伝送元が音響信号の搬送波周波数帯域に応じて当該周波数帯域に対応したシンボル同期用信号のＰＮ系列を選択し、選択されたＰＮ系列が重畳された音響信号を送信する。伝送先では、送信された音響信号を受信し、受信された音響信号に対して複数のＰＮ系列と相互相関計算を行う。そして、複数のＰＮ系列において音響信号との最大相関値が最も高いＰＮ系列を判別し、判別されたＰＮ系列と音響信号との相関値に基づいてシンボル同期ポイントを検出する。その後、検出された同期ポイントおよび判別されたＰＮ系列に基づいて音響信号に重畳されているデータ信号の搬送波周波数を決定してデータ信号を復調する。これにより、変調装置側において、データ信号の搬送波周波数を任意に決めた場合でも、復調装置側で、その搬送波周波数を認識し、それに基づいて復調することができる。よって、可聴帯域で周波数検出用に周波数を確保することがないため、周波数の利用効率を向上させることができ、音響信号の音質を低下させること無く音響信号にデータ信号を重畳することができる。

また、本発明の変調装置は、音響信号にデータ信号を重畳して送信する変調装置において、データ信号の搬送波周波数および当該搬送波周波数に応じたＰＮ系列を選択する選択手段と、前記データ信号を用いて前記選択手段により選択された搬送波周波数を変調する変調手段と、前記選択手段により選択されたＰＮ系列に基づいてシンボル同期信号を生成する生成手段と、前記生成手段により生成されたシンボル同期信号および前記変調手段により変調された変調データ信号を前記音響信号に重畳する重畳手段と、を備えている。

この発明によれば、データ信号の搬送波周波数および当該搬送波周波数に応じたＰＮ系列を選択し、選択された搬送波周波数をデータ信号を用いて変調する。そして、選択されたＰＮ系列に基づいてシンボル同期信号を生成し、生成されたシンボル同期信号および変調された変調データ信号を音響信号に重畳する。これにより、搬送波周波数を特定するための周波数を確保することなく、シンボル同期信号を用いて復調装置側にデータ信号の搬送波周波数を通知することができる。よって、データ信号のための搬送波周波数を適宜変えることを可能とするとともに、データ信号を搬送するための搬送波周波数を通知するための搬送波周波数を用いることなく、データ信号の搬送波周波数を通知することができる。

また、本発明の変調装置は、前記変調データ信号のデータシンボルの後部に前記データシンボルの前方の所定部分を複製して生成されたガード時間ブロックを挿入する挿入手段と、を備え、前記挿入手段によりガード時間ブロックが挿入された変調データ信号およびシンボル同期信号が音響信号に重畳されることが好ましい。

この発明によれば、変調データ信号のデータシンボルの後部にデータシンボルの前方の所定部分を複製して生成されたガード時間ブロックを挿入する。そして、ガード時間ブロックが挿入された変調データ信号およびシンボル同期信号が音響信号に重畳される。これにより、シンボル同期がずれた場合であっても、シンボル間干渉を防止することができる。

また、本発明の復調装置は、変調された変調データ信号が重畳された音響信号を受信する入力手段と、前記入力手段により受信された音響信号に対して複数のＰＮ系列と相関計算を行う演算手段と、前記演算手段により演算された結果に基づいて、前記複数のＰＮ系列の中で受信された音響信号との最大相関値が最も高いＰＮ系列を判別する判別手段と、前記判別手段により判別されたＰＮ系列を用いて同期ポイントを決定するとともに、当該同期ポイントに基づいて、前記音響信号に重畳されている変調データ信号のシンボル同期処理を行う同期処理手段と、前記同期処理手段により同期処理が行われた変調データ信号を復調する復調手段と、を備えている。

この発明によれば、変調された変調データ信号が重畳された音響信号を受信し、受信された音響信号に対して複数のＰＮ系列と相関計算を行い、演算された結果に基づいて、複数のＰＮ系列の中で受信された音響信号との最大相関値が最も高いＰＮ系列を判別する。そして、判別されたＰＮ系列を用いて同期ポイントを決定するとともに、当該同期ポイントに基づいて、音響信号に重畳されている変調データ信号のシンボル同期処理を行い、同期処理が行われた変調データ信号を復調する。これにより、データ信号を搬送するための搬送波周波数を通知するための搬送波周波数を用いることなく、変調装置側で指定されたデータ信号のための搬送波周波数を認識することができる。

また、本発明の復調装置は、前記演算手段は、受信された音響信号とＰＮ系列との相関計算を２つ以上のサンプルおきに間引いて計算し、前記演算手段による相関計算において間引いたサンプル数に基づいて、前記演算手段による相関計算から導出されたデータシンボルの同期ポイントを前方にシフトするシフト手段と、を備えている。

この発明によれば、受信された音響信号とＰＮ系列との相関計算を２つ以上のサンプルおきに間引いて計算し、相関計算において間引いたサンプル数に基づいて、相関計算から導出されたデータシンボルの同期ポイントを前方にシフトする。これにより、相関計算のための演算量を軽減することができるとともに、同期ずれが起こったとしても、シンボル間干渉を低減することができる。

本発明によれば、可聴帯域で周波数検出用に周波数を確保することがないため、周波数の利用効率を向上させることができ、音響信号の音質を低下させること無く音響信号にデータ信号を重畳することができる。

本発明は、一実施形態のために示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解することができる。引き続いて、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

図１に、可聴帯域のある周波数帯でＯＦＤＭ変調信号を伝送し、ＯＦＤＭ変調のシンボル同期信号を低域の音響信号に重畳して伝送する実施形態を示す。図１は、本実施形態のＯＦＤＭ変調を行った音響信号をスピーカ５から出力し、出力された音響信号をマイクロフォン７で入力する音響信号通信システムの概念を示す概念図である。本実施形態の音響信号通信システムにおけるシステム構成は、図１に示すとおり、音響信号送信システム１００と音響信号受信システム２００とから構成されている。図１（ａ）に示すとおり、音響信号送信システム１００は、音響信号１に伝送データ信号２を変調して重畳し送信音響信号４に変換する変調装置３と、送信音響信号４を音波６として出力するスピーカ５とを含んで構成される。また、図１（ｂ）に示すとおり、音響信号受信システム２００は、音波６を受信して受信音響信号８を生成するマイクロフォン７と受信音響信号８を復調して伝送データ信号２を抽出する復調装置９を含んで構成される。以下、変調装置３および復調装置９について詳細に説明する。

図２は、本実施形態の変調装置３の構成を示すブロック図である。この変調装置３は、Ｓ／Ｐ変換部２０、搬送波選択部２１（選択手段）、ＯＦＤＭ変調処理部２２（変調手段）、ガード時間信号生成部２３（挿入手段）、スペクトル包絡振幅調整部２４、バンドパスフィルタ２５、ＰＮ系列選択部２６（選択手段）、シンボル同期信号生成部２７（生成手段）、Ｄ／Ａ変換部２８、および加算部２９（重畳手段）を含んで構成されている。以下、各構成について説明する。

Ｓ／Ｐ変換部２０は、シングルビットストリームの伝送データ信号をパラレルビットストリームの伝送データ信号に変換する部分である。

搬送波選択部２１は、ＯＦＤＭ変調信号の周波数帯を選択し、ＯＦＤＭ変調処理部２２に搬送波周波数を提供する部分である。この搬送波選択部２１は、本システムのユーザからの指定によりまたはその他指示により複数用意されている搬送波周波数から一の搬送波周波数を選択することになる。

ＯＦＤＭ変調処理部２２は、Ｓ／Ｐ変換部２０により変換された伝送データ信号を用いて搬送波選択部２１により選択された搬送波周波数帯における搬送波をＯＦＤＭ変調する部分である。ＯＦＤＭ変調処理部２２は、変調した各周波数の搬送波を合成して、ＯＦＤＭシンボルを形成する。そして、形成したＯＦＤＭシンボルをガード時間信号生成部２３に出力する。

なお、ＯＦＤＭ変調処理部２２は、スペクトル包絡振幅調整部２４からの振幅調整作用により、音響信号の振幅にあわせた振幅を有するＯＦＤＭ変調信号を生成する。すなわち、音響信号の振幅が大きい周波数帯域について、その周波数の振幅に合わせた振幅となるようにＯＦＤＭ変調信号を調整し、音響信号の振幅が小さい周波数帯域についてはその小さい周波数帯域の振幅に合わせた振幅となるようにＯＦＤＭ変調信号を調整する。

ガード時間信号生成部２３は、ＯＦＤＭ変調処理部２２において生成されたＯＦＤＭ変調信号であるＯＦＤＭシンボルの一部を複製して、ＯＦＤＭシンボルの前方および後方にその一部を付加してＯＦＤＭフレームを生成する部分である。このガード時間信号生成部２３は、ガード時間を示すガードブロックが付加されたＯＦＤＭフレームからなるＯＦＤＭ変調信号を加算部２９に出力する。

ここで、ガード時間の具体的な付加方法について図３を用いて説明する。図３は、ＯＦＤＭシンボル１７の一部を複製して、ガード時間を生成するときの処理を示す模式図である。図３に示すように、ＯＦＤＭフレームは、ＯＦＤＭシンボルとその前後（またはいずれか一方）に配置されたガード時間により構成されているものである。

図３（ａ）に示すように、ガード時間信号生成部２３は、ＯＦＤＭ変調信号における各ＯＦＤＭシンボル１７の前方にガード時間を挿入、すなわち、ＯＦＤＭシンボル１７の後部の所定シンボル部分を複製し、ＯＦＤＭシンボル１７の前方にガード時間としてガードブロックを付加する。また、図３（ｂ）に示すようにガード時間信号生成部２３は、ＯＦＤＭ変調処理部２２により生成されたＯＦＤＭ変調信号における各ＯＦＤＭシンボル１７の後方にガード時間を挿入、すなわち、ＯＦＤＭシンボル１７の前部の所定シンボル部分を複製し、ＯＦＤＭシンボル１７の後方にガード時間としてガードブロックを付加するようにしてもよい。

このようにガード時間信号生成部２３では、受信側（復調装置９）でシンボル同期のポイントが若干ずれてもシンボル間干渉を起こさないようにするために、図３に示すようにシンボルの前方および後方にガード時間を挿入する。すなわち、図３（ａ）に示すようにＯＦＤＭシンボル１７の前方にガード時間１８を挿入する。これは反射波等のマルチパス干渉によってひとつ前のＯＦＤＭシンボルが遅延して届いたとしてもシンボル間干渉を起こさないようにするためである。しかし前方のガード時間１８のみでは、シンボル同期ポイントが後方にずれたときにひとつ後のＯＦＤＭシンボルと干渉してしまうため、本実施形態では、さらにシンボル同期ポイントの若干のずれに対応できるガード時間を後方にも挿入する。これにより、挿入した後方ガード時間１９で示されるサンプル数までであればシンボル同期が後方にずれてもシンボル間干渉は生じなくなる。

スペクトル包絡振幅調整部２４は、音響信号をフーリエ変換して周波数スペクトルを計算し、周波数スペクトルに基づいてＯＦＤＭ変調処理部２２に搬送波振幅情報を提供する部分である。また、スペクトル包絡振幅調整部２４は、周波数マスキング閾値を計算し、シンボル同期信号生成部２７に提供する。

ここで、スペクトル包絡振幅調整部２４により調整されるＯＦＤＭ変調信号について図４を用いて説明する。図４は、スピーカ５から送信される送信音響信号を示す模式図である。スペクトル包絡振幅調整部２４は、ＯＦＤＭ変調信号１２に示される振幅を音響信号にあわせて調整する。図４において、破線部分が音響信号の振幅を示しているが、ＯＦＤＭ変調信号１２は、この破線で示されている部分に合わせた振幅に調整される。

バンドパスフィルタ２５は、音響信号を帯域除去フィルタに通してＯＦＤＭ信号周波数帯域の信号を除去する部分である。具体的には、図４に示されるように、バンドパスフィルタ２５は、搬送波選択部２１により選択された搬送波周波数に対応する周波数帯を、ＯＦＤＭ変調信号１２が合成されるべき部分として音響信号が除去された帯域除去音響信号１１を生成することになる。この帯域除去音響信号１１は、バンドパスフィルタ２５から加算部２９に出力される。

ＰＮ系列選択部２６は、搬送波選択部２１により選択された周波数に対応したＰＮ系列を選択し、選択されたＰＮ系列をシンボル同期信号生成部２７に提供する部分である。図５に、周波数帯域とＰＮ系列との関係を示す概念図を示す。例えば、図５（ａ）に示すように搬送波選択部２１により周波数帯Ａ（ＯＦＤＭ周波数：６．４〜８．０ｋＨｚ）が選択された場合、ＰＮ系列１（生成多項式ｘ^６＋ｘ＋１）が選択されることになる。また、図５（ｂ）に示すように搬送波選択部２１により周波数帯Ｂ（ＯＦＤＭ周波数：４．０〜５．６ｋＨｚ）が選択された場合、ＰＮ系列２（生成多項式ｘ^６＋ｘ^５＋ｘ^２＋ｘ＋１）が選択されることになる。

シンボル同期信号生成部２７は、ＰＮ系列選択部２６により選択されたＰＮ系列からシンボル同期信号を生成し、周波数マスキング閾値に基づいて振幅を調節する部分である。例えば、シンボル同期信号生成部２７は、図４に示されるように周波数マスキング閾値１３より小さくなるようにシンボル同期信号１４を生成する。

Ｄ／Ａ変換部２８は、加算部２９によりＯＦＤＭ変調信号、シンボル同期信号および帯域除去音響信号が合成された信号をアナログ信号に変換して得られた送信音響信号４を出力する部分である。送信音響信号４は、スピーカ５により音波６として出力される。

つぎに、この変調装置３により生成された送信音響信号４に基づいた音波６を入力する音響信号受信システム２００に備えられている復調装置９について説明する。図６は、復調装置９の構成を示すブロック図である。この復調装置９は、Ａ／Ｄ変換部３１（入力手段）、ＰＮ系列相関計算部３２（演算手段）、ＰＮ系列選択部３３（判別手段）、シンボル同期処理部３４（同期処理手段、シフト手段）、搬送波選択部３５、バンドパスフィルタ３６、ガード時間除去部３７、ＯＦＤＭ復調処理部３８（復調手段）、およびＰ／Ｓ変換部３９を含んで構成される。以下、各構成について説明する。

Ａ／Ｄ変換部３１は、マイクロフォン７により受信された録音されて得られた受信音響信号８をディジタル信号に変換する部分である。

ＰＮ系列相関計算部３２は、受信音響信号に対して複数のＰＮ系列の一つ一つとの相関計算を行う部分である。

ここで、ＰＮ系列相関計算部３２において、受信音響信号とＰＮ系列との相関計算の計算量削減のための相関計算の間引きを行う例を示す。一般的にＰＮ系列相関計算部３２で相関計算を行う際に、受信音響信号を１サンプルずつずらしながらＰＮ系列との相関を計算する。しかしながら、１サンプルごとにＰＮ系列の符号長×ＰＮ系列の種類数の分だけ計算処理が必要となるため計算量が大きくなる。この計算量を削減するために、受信音響信号とＰＮ系列との相関計算を２サンプル以上の間隔で計算することが考えられる。

ここで、相関計算をｎサンプル間引いて行うことによってシンボル同期のポイントが±０〜ｎサンプルずれる可能性が生じる。シンボル同期ポイントが前方にずれる場合にはガード時間があるため、ある程度まではシンボル間干渉を回避できるが、シンボル同期ポイントが後方にずれた場合には後方のＯＦＤＭフレームとの干渉が生じてしまう。

変調装置３においては、この後方へのずれに対処するために後方ガード時間を挿入する手段が備えられているが、復調装置９だけでもこの後方へのずれに対処する手段として、シンボル同期処理部３４は、相関計算から算出したシンボル同期ポイントに対して、ｎサンプルだけシンボル同期ポイントを前方にシフトするシフト手段を備えることが考えられる。このシフト手段を備えることで、相関計算間引きによって同期ポイントが±０〜ｎサンプルずれていても同期ポイントが前方に０〜２ｎサンプルずれることになり、後方のＯＦＤＭフレームと干渉することを回避できる。

ＰＮ系列選択部３３は、ＰＮ系列相関計算部３２により計算された相関値のうち、最大相関値となるＰＮ系列を選択する部分である。

シンボル同期処理部３４は、ＰＮ系列選択部３３により選択されたＰＮ系列で相関値が最も高いポイントをシンボル同期ポイントと識別し、このシンボル同期ポイントに従った同期処理を行う部分である。

搬送波選択部３５は、ＰＮ系列選択部３３により選択されたＰＮ系列に対応した搬送波周波数を選択し、選択した搬送波周波数をバンドパスフィルタ３６およびＯＦＤＭ復調処理部３８に提供する部分である。

バンドパスフィルタ３６は、受信音響信号を、搬送波選択部３５により選択された搬送波周波数に基づいた帯域通過フィルタに通して、伝送データ信号であるＯＦＤＭ変調信号だけを抽出する部分である。

ガード時間除去部３７は、ＯＦＤＭフレームであるＯＦＤＭ変調信号からガード時間を除去し、ＯＦＤＭシンボルだけを抽出する部分である。

ＯＦＤＭ復調処理部３８は、ＯＦＤＭ復調処理を行う部分であり、搬送波選択部３５により選択された搬送波周波数を用いてＯＦＤＭ変調信号を復調し、伝送データ信号を得る。

Ｐ／Ｓ変換部３９は、ＯＦＤＭ復調して抽出したパラレルビットストリームの伝送データ信号をシングルビットストリームの伝送データ信号に変換して出力する部分である。

以上の構成をとることにより、音響信号に含まれているシンボル同期信号から、同期処理を行うとともに、伝送データ信号の搬送波を検出し、伝送データ信号を抽出することができる。

つぎに、本実施形態の変調装置３および復調装置９の動作について説明する。図７は、本実施形態の変調装置３の動作を示すフローチャートである。

変調装置３において、音響信号１と伝送データ信号２とが読み込まれる（Ｓ１０１）。また、搬送波選択部２１およびＰＮ系列選択部２６において、伝送データ信号の搬送波周波数帯域やそれに対応するＰＮ系列が選択される（Ｓ１０２）。つぎに、音響信号１に対してスペクトル包絡振幅調整部２４によりフーリエ変換が行われ、周波数スペクトルが計算される（Ｓ１０３）。その後、バンドパスフィルタ２５により、音響信号１からＯＦＤＭ変調信号の周波数帯域が除去され帯域除去音響信号１１が生成される。

一方、伝送データ信号２は、Ｓ／Ｐ変換部２０でパラレルビットストリームに変換され、スペクトル包絡振幅調整部２４で搬送波の振幅をＳ１０３で計算した周波数スペクトルの包絡に基づいて調節され、調節された各搬送波を変調してＯＦＤＭ変調信号が生成される（Ｓ１０４）。搬送波周波数は搬送波選択部２１で選択された周波数が利用される。ガード時間信号生成部２３により、変調されたＯＦＤＭ変調信号のＯＦＤＭシンボルに対して、前方および後方ガード時間が生成され付加される（Ｓ１０５）。

つぎに、シンボル同期信号生成部２７により、ＰＮ系列選択部２６により選択されたＰＮ系列からシンボル同期信号が生成される（Ｓ１０６）。なお、シンボル同期信号生成部２７において、シンボル同期信号の振幅は、音響信号１の低域の周波数マスキング閾値１３に基づいて調節される。生成されたＯＦＤＭ変調信号、シンボル同期信号および帯域除去音響信号１１は加算部２９において合成され、合成された信号は、Ｄ／Ａ変換部２８においてアナログ信号に変換されて送信音響信号４として出力される（Ｓ１０７）。

このような処理により変調装置３から送信されるＯＦＤＭ変調信号を含んだ送信音響信号の具体例を示す。図５にＯＦＤＭ信号の周波数帯が可変の場合の例を示す。２種類のＯＦＤＭ変調信号帯域である周波数帯Ａ（６．４〜８．０ｋＨｚ)と周波数帯Ｂ（４．０〜５．６ｋＨｚ)がある。ＯＦＤＭ変調信号に周波数帯Ａを利用する場合は、周波数帯Ａに対応したＰＮ系列1（生成多項式ｘ^６＋ｘ＋１ ）を用いてシンボル同期信号を生成する、ＯＦＤＭ変調信号に周波数帯Ｂを利用する場合は、周波数帯Ｂに対応したＰＮ系列２（生成多項式 ｘ^６＋ｘ^５＋ｘ^２＋ｘ＋１ ）を用いてシンボル同期信号を生成する。

つぎに、復調装置９の動作について説明する。図８は、本実施形態の復調装置９の動作を示すフローチャートである。マイクロフォンにより音波６が受信され、録音されることで受信音響信号８が生成される(Ｓ２０１)。つぎに受信音響信号８はＡ／Ｄ変換部３１によりディジタル信号に変換され、ＰＮ系列相関計算部３２によりＰＮ系列１（生成多項式ｘ^６＋ｘ＋１）との相関値が、受信音響信号を１サンプルずつずらしながら計算される(Ｓ２０２)。

ＯＦＤＭ変調信号の周波数帯が可変で無い場合は、ＰＮ系列１との相関計算だけが行われ、ＰＮ系列選択部３３におけるＳ２０３が省略され、シンボル同期処理部３４により最大相関値を示す受信信号のポイントに基づいてシンボル同期が行われる(Ｓ２０４)。ＯＦＤＭ変調信号の周波数帯が可変である場合は、受信音響信号８と、ＰＮ系列１（生成多項式ｘ^６＋ｘ＋１）、ＰＮ系列２（生成多項式ｘ^６＋ｘ^５＋ｘ^２＋ｘ＋１）・・・ＰＮ系列ｍとの相関値はそれぞれ受信音響信号を１サンプルずつずらしながら計算される(Ｓ２０２)。なお、処理軽減のために、２サンプル以上ずつずらしながら計算してもよい。

つぎに、ＰＮ系列選択部３３でＰＮ系列１の最大相関値、ＰＮ系列２の最大相関値、・・・ＰＮ系列ｍの最大相関値が比較されて最も大きい相関値を有するＰＮ系列がＰＮ系列選択部３３により選択される(Ｓ２０３)。図９に、受信音響信号とＰＮ系列とを相関計算したときの相関値のピーク値を示す。図９（ａ）が、ＰＮ系列１についてシンボル同期信号との相関を計算したときの同期ポイントを示す図であり、図９（ｂ）が、ＰＮ系列２についてシンボル同期信号との相関を計算したときの同期ポイントを示す図である。それぞれ図９（ａ）（ｂ）で示されるように、同期ポイントでは、相関値は他の部分と比較して極端にその相関値が高いことがわかり、そのポイントで同期を取るべきことがわかる。

ＰＮ系列選択部３３により選択されたＰＮ系列との最大相関値を示す受信音響信号のポイントに基づいてシンボル同期処理がシンボル同期処理部３４により行われる(Ｓ２０４)。バンドパスフィルタ３６では、選択されたＰＮ系列に対応するＯＦＤＭ信号の周波数帯が帯域通過フィルタで抽出される（Ｓ２０５）。ガード時間除去部３７では、シンボル同期に基づいてガード時間信号が除去され（Ｓ２０６）、選択されたＰＮ系列に対応する搬送波でＯＦＤＭ変調信号が復調され伝送データ信号が抽出される(Ｓ２０７)。そして、この処理は、データがなくなるまで処理されることになる。

つぎに、本実施形態の変調装置３および復調装置９の作用効果について説明する。変調装置３において、搬送波選択部２１は選択されたデータ信号の搬送波周波数に応じて当該周波数に対応したシンボル同期用信号のＰＮ系列を選択し、ＯＦＤＭ変調処理部２２は、データ信号を用いて、選択された搬送波周波数を変調する。また、シンボル同期信号生成部２７は、搬送波選択部２１により選択されたＰＮ系列に基づいてシンボル同期信号を生成する。そして、加算部２９において、生成されたシンボル同期信号および変調された変調データ信号を音響信号に重畳して得られた送信音響信号をスピーカ５に出力する。スピーカ５は、これを音波として出力する。

これにより、搬送波周波数を特定するための周波数を確保することなく、シンボル同期信号を用いて復調装置９側にデータ信号の搬送波周波数を通知することができる。よって、データ信号のための搬送波周波数を適宜変えることを可能とするとともに、データ信号を搬送するための搬送波周波数を通知するための搬送波周波数を用いることなく、データ信号の搬送波周波数を通知することができる。

また、本実施形態の変調装置３は、ＯＦＤＭ変調処理部２２において変調処理を行うとともにＯＦＤＭシンボルを生成し、ガード時間信号生成部２３は、ＯＦＤＭ変調処理部２２により生成されたＯＦＤＭシンボルの後部にデータシンボルの前方の所定部分を複製して生成されたガード時間を挿入して、ＯＦＤＭフレームを生成する。そして、加算部２９において、ＯＦＤＭフレームであるＯＦＤＭ変調信号およびシンボル同期信号が音響信号に重畳される。これにより、シンボル同期がずれた場合であっても、シンボル間干渉を防止することができる。

また、本実施形態の復調装置９において、Ａ／Ｄ変換部３１においてディジタル信号に変換されたＯＦＤＭ変調信号が重畳された音響信号を入力する。そして、ＰＮ系列相関計算部３２は、入力した音響信号に対して複数のＰＮ系列１〜ｍと相関計算を行い、ＰＮ系列選択部３３は、演算された結果に基づいて、複数のＰＮ系列の中で受信された音響信号との最大相関値が最も高いＰＮ系列を判別する。

シンボル同期処理部３４は、ＰＮ系列選択部３３により判別されたＰＮ系列を用いて同期ポイントを識別するとともに、当該同期ポイントに基づいて、音響信号に重畳されているＯＦＤＭ変調信号のシンボル同期処理を行う。そして、バンドパスフィルタ３６およびガード時間除去部３７において、ＯＦＭＤフレームであるＯＦＤＭ変調信号を抽出し、ガード時間を除去して得られたＯＦＤＭシンボルであるＯＦＤＭ変調信号を抽出する。そして、ＯＦＤＭ復調処理部３８がＯＦＤＭ変調信号を復調する。これにより、データ信号を搬送するための搬送波周波数を通知するための搬送波周波数を用いることなく、変調装置側で指定されたデータ信号のための搬送波周波数を認識することができる。

また、本実施形態の復調装置９において、ＰＮ系列相関計算部３２は受信された受信音響信号とＰＮ系列との相関計算を２つ以上のサンプルおきに間引いて計算する。そして、シンボル同期処理部３４が、相関計算において間引いたサンプル数に基づいて、相関計算から導出されたデータシンボルの同期ポイントを前方にシフトする。これにより、相関計算のための演算量を軽減することができるとともに、同期ずれが起こったとしても、シンボル間干渉を低減することができる。

本実施形態の音響信号通信システムの概念を示す概念図である。 本実施形態の変調装置３の構成を示すブロック図である。 ＯＦＤＭシンボル１７の一部を複製して、ガード時間を生成するときの処理を示す模式図である。 スピーカ５から送信される送信音響信号を示す模式図である。 周波数帯域とＰＮ系列との関係を示す概念図である。 本実施形態の復調装置９の構成を示すブロック図である。 本実施形態の変調装置３の動作を示すフローチャートである。 本実施形態の復調装置９の動作を示すフローチャートである。 受信音響信号とＰＮ系列とを相関計算したときの相関値のピーク値を示す説明図である。

符号の説明

３…変調装置、５…スピーカ、７…マイクロフォン、９…復調装置、２０…Ｓ／Ｐ変換部、２１…搬送波選択部、２２…ＯＦＤＭ変調処理部、２３…ガード時間信号生成部、２４…スペクトル包絡振幅調整部、２５…バンドパスフィルタ、２６…ＰＮ系列選択部、２７…シンボル同期信号生成部、２８…Ｄ／Ａ変換部、２９…加算部、３１…Ａ／Ｄ変換部、３２…ＰＮ系列相関計算部、３３…ＰＮ系列選択部、３４…シンボル同期処理部、３５…搬送波選択部、３６…バンドパスフィルタ、３７…ガード時間除去部、３８…ＯＦＤＭ復調処理部、３９…Ｐ／Ｓ変換部、１００…音響信号送信システム、２００…音響信号受信システム。

Claims (5)

1. 伝送元において、データ信号の搬送波周波数および当該搬送波周波数に応じたＰＮ系列を選択する選択ステップと、
   伝送元において、前記データ信号を用いて前記選択ステップにより選択された搬送波周波数を変調する変調ステップと、
   伝送元において、前記選択ステップにより選択されたＰＮ系列に基づいてシンボル同期信号を生成する生成ステップと、
   伝送元において、前記生成ステップにより生成されたシンボル同期信号および前記変調ステップにより変調された変調データ信号を前記音響信号に重畳して送信する重畳ステップと、
   伝送先において、変調された変調データ信号が重畳された音響信号を受信する受信ステップと、
   伝送先において、前記受信ステップにより受信された音響信号に対して複数のＰＮ系列と相関計算を行う演算ステップと、
   伝送先において、前記演算ステップにより演算された結果に基づいて、前記複数のＰＮ系列の中で受信された音響信号との最大相関値が最も高いＰＮ系列を判別する判別ステップと、
   伝送先において、前記判別ステップにより判別されたＰＮ系列を用いて同期ポイントを決定するとともに、当該同期ポイントに基づいて、前記音響信号に重畳されている変調データ信号のシンボル同期処理を行う同期処理ステップと、
   伝送先において、前記同期処理ステップにより同期処理が行われた変調データ信号を復調する復調ステップと、
   を備える音響信号伝送方法。
2. 音響信号にデータ信号を重畳して送信する変調装置において、
   データ信号の搬送波周波数および当該搬送波周波数に応じたＰＮ系列を選択する選択手段と、
   前記データ信号を用いて前記選択手段により選択された搬送波周波数を変調する変調手段と、
   前記選択手段により選択されたＰＮ系列に基づいてシンボル同期信号を生成する生成手段と、
   前記生成手段により生成されたシンボル同期信号および前記変調手段により変調された変調データ信号を前記音響信号に重畳する重畳手段と、
   を備える変調装置。
3. 前記変調データ信号のデータシンボルの後部に前記データシンボルの前方の所定部分を複製して生成されたガード時間ブロックを挿入する挿入手段と、を備え、
   前記挿入手段によりガード時間ブロックが挿入された変調データ信号およびシンボル同期信号が音響信号に重畳されることを特徴とする請求項２に記載の変調装置。
4. 変調された変調データ信号が重畳された音響信号を受信する入力手段と、
   前記入力手段により受信された音響信号に対して複数のＰＮ系列と相関計算を行う演算手段と、
   前記演算手段により演算された結果に基づいて、前記複数のＰＮ系列の中で受信された音響信号との最大相関値が最も高いＰＮ系列を判別する判別手段と、
   前記判別手段により判別されたＰＮ系列を用いて同期ポイントを決定するとともに、当該同期ポイントに基づいて、前記音響信号に重畳されている変調データ信号のシンボル同期処理を行う同期処理手段と、
   前記同期処理手段により同期処理が行われた変調データ信号を復調する復調手段と、
   を備える復調装置。
5. 前記演算手段は、受信された音響信号とＰＮ系列との相関計算を２つ以上のサンプルおきに間引いて計算し、
   前記演算手段による相関計算において間引いたサンプル数に基づいて、前記演算手段による相関計算から導出されたデータシンボルの同期ポイントを前方にシフトするシフト手段と、
   を備える請求項４記載の復調装置。

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