JP5664419B2 - 音響通信システム - Google Patents

Description

この発明は、音響を用いてデータ符号を伝送する音響通信システムに関する。

出願人は、既に特許文献１に示すような音響通信システムを提案している。このシステムは、データ符号で拡散符号を変調し、この変調信号を高音域に周波数シフトして放音する送信装置、および、変調信号を含む音声を収音し、この変調信号と拡散符号との相関を検出してデータ符号を復号する受信装置を含むものである。

国際公開第２０１０／０１６５８９号パンフレット

上記システムにおいて、送信装置は、拡散符号の発生、拡散符号のデータ符号による変調、変調信号の周波数シフト、周波数シフトされた変調信号の放音を行う。この構成で、放音部を変調部から分離しようとする場合、周波数シフトされた変調信号を放音部から変調部へ伝送しようとすると、変調部と放音部とをつなぐ伝送部が広い伝送周波数帯域を持っていなければ周波数シフトされた変調信号を伝送することができない。したがって、ビットレートを高率に圧縮したオーディオストリーミング等を使用することができないという問題点があった。

この発明は、変調装置と放音装置とを分割したシステムにおいて、放音装置を簡略な構成にし、且つ、変調装置と放音装置との間を狭帯域の伝送手段でつなぐことを可能にした音響通信システムを提供することを目的とする。

請求項１の発明である音響通信システムは、音声信号帯域の信号を伝送する伝送手段と、データ符号を用いて、前記伝送手段が伝送可能な帯域である中低音域の周波数スペクトルを有する拡散符号を変調する変調処理部と、前記変調された変調信号を前記伝送手段に出力する伝送出力部と、を備えた変調装置と、前記伝送手段から前記変調信号を受信する伝送受信部と、受信した前記変調信号を前記伝送手段が伝送不可能な帯域を含む高い周波数帯域である高音域に周波数シフトする周波数シフト部と、周波数シフトされた変調信号を放音する放音部と、を備えた放音装置と、を含むことを特徴とする。

請求項２の発明は、前記伝送手段は、ネットワークを介したオーディオストリーミングを行う手段であることを特徴とする。

請求項３の発明は、前記放音部によって放音された変調信号を収音する収音部と、前記収音部が収音した変調信号と前記拡散符号との相関値を検出する相関検出部と、前記拡散符号の１周期ごとに前記相関値のピークを検出するピーク検出部と、該ピーク検出部が検出したピーク値に基づいて前記変調信号に含まれるデータ符号を復調する符号判定部と、を備えた受信装置を、さらに含むことを特徴とする。

請求項４の発明である変調装置は、データ符号を用いて、音声信号を伝送する伝送手段が伝送可能な帯域である中低音域の周波数スペクトルを有する拡散符号を変調する変調処理部と、前記変調された変調信号を前記伝送手段に出力することにより、前記変調信号を放音する放音装置に対して送信する伝送出力部と、を備えたことを特徴とする。

請求項５の発明である放音装置は、音声信号を伝送する伝送手段から、データ符号で変調された拡散符号である変調信号を受信する伝送受信部と、受信した前記変調信号を前記伝送手段が伝送不可能な帯域を含む高い周波数帯域である高音域に周波数シフトする周波数シフト部と、周波数シフトされた変調信号を放音する放音部と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、データ符号で変調された拡散符号を放音する装置を変調装置と放音装置に分離したことにより、放音装置を簡略化することができ、簡略な装置でデータ符号で変調された拡散符号を放音することが可能になる。この場合に、変調装置から放音装置への変調信号の伝送をベースバンド帯域で行うことにより、狭帯域の伝送手段であっても伝送が可能である。また、放音装置でベースバンドの変調信号を高音域に周波数シフトすることにより、暗雑音や種々の可聴音声などの外乱を避けることが可能になる。

この発明が適用される音響通信システムの構成を示す図 変調信号の周波数スペクトルを示す図 圧縮処理をした後の変調信号の周波数スペクトルを示す図 前記音響通信システムの受信装置の詳細構成を示す図 前記音響通信システムの放音装置の変形例を示す図

図面を参照してこの発明の実施形態である音響通信システムについて説明する。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および受信装置２で構成される。また、送信装置１は、変調装置３および放音装置４で構成される。

送信装置１は、データ符号で変調された拡散符号（変調信号）を音響として放音する装置である。受信装置２は、送信装置１から放音された変調信号の音響を収音してデータ符号を復調する装置である。これにより、送信装置１−受信装置２間で音響を媒体としたデータ通信が可能になる。送信装置１は、人に聴こえにくく且つ一般のオーディオ機器で処理可能な周波数帯域である高音域（たとえば２０ｋＨｚ〜２３ｋＨｚ）を用いて変調信号を放音する。

送信装置１の変調装置３は、データ符号を音声の中低音域の帯域を有する拡散符号で拡散変調し、この変調信号をベースバンドのままで狭帯域の伝送手段５を介して放音装置４に伝送する。上記の中低音域の帯域とは、データ符号を拡散変調したベースバンド信号が分布する中低音域の帯域は、拡散符号の周期およびチップレートに依存するが、たとえば０Ｈｚより大きく３０００Ｈｚ以下の帯域である。

ここで、伝送手段５は、上記の変調信号の周波数帯域を伝送可能な手段であればよく、たとえば、２４ｋｂｐｓ程度のビットレートのオーディオストリーミングを適用することが可能である。サンプリング周波数が８ｋＨｚのモノラル信号の伝送であれば１０ｋｂｐｓ程度でも可能である。従って、伝送手段５は、広帯域の手段を利用する必要がなく狭帯域のものを利用できる。また、予め伝送手段５が定められている場合には、変調信号の周波数帯域がこの伝送手段５の伝送可能帯域に収まるように拡散符号の周期およびチップレートを決定すればよい。

放音装置４は、変調装置３から受信した変調信号をオーディオ周波数帯域のなかで聴衆に聴こえにくい上述の高音域（たとえば２０ｋＨｚ〜２３ｋＨｚ）に周波数シフトして放音する装置である。なお、この高音帯域は、伝送手段５の伝送可能帯域外であって構わない。

変調装置３は、拡散符号Ｍを発生する拡散符号発生部１１、データ符号Ｄを拡散符号Ｍの周期に合わせて入力するデータ符号入力部１２、拡散符号Ｍの位相をデータ符号Ｄのシンボル値に合わせて正転（そのまま）／反転して変調信号ＭＤを生成する乗算部１３、および、変調信号ＭＤを伝送手段５を介して放音装置４に伝送する伝送出力部１４を備えている。

データ符号Ｄのシンボル値は通常１／０であるが、データ符号入力部１２は、拡散符号Ｍを変調するために、データ符号Ｄの値を１／−１に置き換える。伝送出力部１４は、入力された変調信号ＭＤに対して高圧縮率のエンコードを行う。リニアＰＣＭのビットレートはたとえば１．４Ｍｂｐｓ程度であるが、このビットレートの変調信号ＭＤをＡＡＣやＭＰ３などの形式にエンコードすることにより２４ｋｂｐｓ程度に圧縮する。変調信号ＭＤに高音成分が含まれていた場合、このエンコードによりその高音成分は除去されてしまう。

ベースバンド帯域である中低音域では、暗騒音や音楽、会話音声等が空間内で優勢であり、変調信号ＭＤに対して、これらの暗騒音等が外乱となる可能性が高い。そこで、放音装置４は、この変調信号ＭＤをオーディオ機器が処理可能な周波数帯域のなかで聴衆に聴こえにくい高音域（たとえば２０ｋＨｚ〜２３ｋＨｚ）に周波数シフトして放音する。なお、以下に説明する楽音信号Ｓとの合成は必須ではない。

放音装置４は、伝送手段５を介して変調装置３から変調信号ＭＤを受信する伝送入力部２１、変調信号ＭＤに乗算されるキャリア信号を発生するキャリア信号発生部２２、キャリア信号と変調信号ＭＤとを乗算して周波数シフトされた変調信号ＰＭＤを生成する乗算部２３、この周波数シフトされた変調信号ＰＭＤを、聴衆が聞き取り可能な楽音信号Ｓと加算合成する加算部２４、この変調信号と楽音信号が合成された合成信号ＳＰＭＤを増幅するアンプ２５、および、増幅された合成信号ＳＰＭＤを音響（音波）として放音する放音手段であるスピーカ２６を有している。

このように、放音装置４は拡散符号Ｍを発生する機能およびデータ符号Ｄを拡散符号Ｍで変調する機能を備えていない。これにより、音響データ伝送における放音装置４の処理負荷を軽くすることができる。また、放音装置４に拡散符号Ｍを設定する必要がないため、高いセキュリティを維持することが可能になる。

図２は変調信号ＭＤの周波数スペクトルの一例を示す図である。同図のＭＤはベースバンドの変調信号ＭＤの周波数スペクトルであり、ＰＭＤは放音装置４で周波数シフトされた変調信号ＰＭＤの周波数スペクトルである。ベースバンドの変調信号ＭＤの周波数スペクトルは０〜３０００Ｈｚに分布しており、パスバンドに周波数シフトされた変調信号ＰＭＤの周波数スペクトルは、両側波帯を合わせて１７ｋＨｚ〜２３ｋＨｚに分布している。

また、図３は変調信号ＭＤ，ＰＭＤをＡＡＣ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ａｕｄｉｏ Ｃｏｄｉｎｇ）で２４ｋｂｐｓに圧縮したときの周波数スペクトルを示している。ベースバンドの変調信号ＭＤはほぼ圧縮前と同じスペクトルを維持しているが、パスバンドに周波数シフトした変調信号ＰＭＤは圧縮処理によってカットされて消えてしまっている。このようにベースバンド信号は圧縮耐性が高いと言える。

受信装置２は、放音された合成信号ＳＰＭＤを含む音声信号を収音する収音手段であるマイク３１、収音した音声信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ３２、および、デジタル信号に変換された合成信号ＳＰＭＤからデータ符号Ｄを復調する復調部３３を備えている。

受信装置２の復調部３３の構成を図４に示す。図４において、復調部３３は、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）４１、整合フィルタ４２、ピーク検出部４３および符号判定部４４を備えている。ＨＰＦ４１は、Ａ／Ｄコンバータ３２から入力された合成信号ＳＰＭＤから楽音信号Ｓの成分を除去し、周波数シフトされた変調信号ＳＰＭＤの成分を取り出すフィルタである。ＨＰＦ４１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。ＨＰＦ４１によって抽出された変調信号ＳＰＭＤの成分は、整合フィルタ４２へ入力される。

整合フィルタ４２は、変調装置３においてデータ符号Ｄの拡散に使用された拡散符号Ｍを係数に持つＦＩＲフィルタで構成される。整合フィルタ４２は、ＨＰＦ４１が出力した変調信号ＳＰＭＤ成分の波形と拡散符号Ｍとの畳み込み演算を実行し、その相関値を出力する。

相関値は、拡散符号Ｍの周期で強い相関ピーク示し、そのピークの位相は、データ符号Ｄによって位相変調されているため、データ符号Ｄの１、−１に対応して、正のピーク、負のピークが現れる。整合フィルタ４２の出力は、ピーク検出部４３へ入力される。

ピーク検出部４３は、拡散符号Ｍの周期付近の大きなピークを検出し、相関ピークとする。検出された相関ピークは、符号判定部４４へ入力される。符号判定部４４は、ピーク位相からシンボルを復号し、これをデータ符号Ｄとして出力する。

なお、周波数シフトの方式は、キャリア信号を乗算する方式に限定されない。たとえば、図５に示すようにヒルベルト変換を用いて複素領域で周波数をシフトすることにより、周波数シフトされた上側（または下側）のみの側波帯を生成することができ、パスバンド領域の帯域幅を半減させることができる。

また、変調装置３は、データ符号Ｄで拡散符号Ｍを位相変調するのみならず、ＷＯ２０１０／０１６５８９に示すようにアップサンプリングや差動符号化を併用してもよい。

また、伝送手段５は、ネットワーク（通信回線）を介したオーディオストリーミングを行う手段を一例として掲げているが、記憶メディアを介したデータの移送手段であってもよく、狭帯域のアナログまたはデジタルの伝送路を介したデータの伝送手段であってもよい。

以上説明した音響通信システムでは、放音装置４に拡散符号発生部や乗算部を備える必要がなく且つ拡散符号Ｍを設定する必要がないため、放音装置４を簡略な装置とすることができる。したがって、ｗｉｆｉや３Ｇ通信を介して変調信号を取得可能な放音装置４をユーザが携帯し、据置の受信装置２に対して変調信号ＰＭＤを送信するようなシステムに適用することが可能になる。このように放音装置４を簡略な（携帯可能な）装置にすることを目的として本発明を適用する場合には、伝送手段５は必ずしも狭帯域でなくてもよい。また、放音装置４として携帯電話を適用することも可能である。

なお、変調信号を放音するスピーカ２６、収音するマイク３１に代えて、それぞれ加振器、振動ピックアップを用いてもよい。すなわち、空気振動に代えて固体振動で変調信号を伝送するものにも本発明は適用可能である。

１ 受信装置
２ 送信装置
３ 変調装置
４ 放音装置

Claims (5)

1. 音声信号帯域の信号を伝送する伝送手段と、
   データ符号を用いて、前記伝送手段が伝送可能な帯域である中低音域の周波数スペクトルを有する拡散符号を変調する変調処理部と、前記変調された変調信号を前記伝送手段に出力する伝送出力部と、を備えた変調装置と、
   前記伝送手段から前記変調信号を受信する伝送受信部と、受信した前記変調信号を前記伝送手段が伝送不可能な帯域を含む高い周波数帯域である高音域に周波数シフトする周波数シフト部と、周波数シフトされた変調信号を放音する放音部と、を備えた放音装置と、
   を含む音響通信システム。
2. 前記伝送手段は、ネットワークを介したオーディオストリーミングを行う手段である請求項１に記載の音響通信システム。
3. 前記放音部によって放音された変調信号を収音する収音部と、
   前記収音部が収音した変調信号と前記拡散符号との相関値を検出する相関検出部と、
   前記拡散符号の１周期ごとに前記相関値のピークを検出するピーク検出部と、
   該ピーク検出部が検出したピーク値に基づいて前記変調信号に含まれるデータ符号を復調する符号判定部と、
   を備えた受信装置を、さらに含む請求項１または請求項２に記載の音響通信システム。
4. データ符号を用いて、音声信号を伝送する伝送手段が伝送可能な帯域である中低音域の周波数スペクトルを有する拡散符号を変調する変調処理部と、
   前記変調された変調信号を前記伝送手段に出力することにより、前記変調信号を放音する放音装置に対して送信する伝送出力部と、
   を備えた変調装置。
5. 音声信号を伝送する伝送手段から、データ符号で変調された拡散符号である変調信号を受信する伝送受信部と、
   受信した前記変調信号を前記伝送手段が伝送不可能な帯域を含む高い周波数帯域である高音域に周波数シフトする周波数シフト部と、
   周波数シフトされた変調信号を放音する放音部と、
   を備えた放音装置。

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