KR20140128942A - 변조 장치, 복조 장치, 음향 전송 시스템, 프로그램, 및 복조 방법 - Google Patents

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Abstract

과제는 소리를 전송 매체로 이용해서 데이터를 전송하는 장치에 있어서 그 소리로부터 데이터를 인출시킬 가능성을 높게 하는 것이다. 복수의 주파수 대역간에서 프레임의 송신 타이밍을 서로 어긋나게 송신함으로써 다중경로 페이딩이나 노이즈 혼입 등으로의 내성이 얻어짐과 아울러, 1프레임을 1개의 주파수 대역만을 사용해서 송신할 경우에 비해 실질적인 전송 속도의 향상을 기대할 수 있다. 또한, 프레임을 구성하는 블록을 선택할 때에 선택 대상이 되는 블록이 중첩된 소리를 수음하는데에 필요로 하는 기간을 보다 짧게 한다는 조건에 따라서 블록을 선택하므로 데이터 전송의 실질적인 속도를 저하시키는 사상이 발생했다고 해도 그 속도 저하를 억제하는 것이 가능해진다.

Description

변조 장치, 복조 장치, 음향 전송 시스템, 프로그램, 및 복조 방법{MODULATION APPARATUS, DEMODULATION APPARATUS, AUDIO TRANSMISSION SYSTEM, PROGRAM, AND DEMODULATION METHOD}
본 발명은 소리(음파)를 전송 매체로 이용해서 데이터를 전송하는 기술에 관한 것이다.
음향 신호 또는 소리(음파)를 전송 매체로 이용해서 데이터를 전송하는 기술로서 특허문헌 1, 2에 기재된 것이 있다. 특허문헌 1에 기재된 기술에서는 소리를 방음(防音)하는 측의 변조 장치는 데이터 부호에 의해 확산 부호를 변조하고, 이 변조된 확산 부호를 차동 부호화하고나서 캐리어 신호와 승산해서 주파수 시프트하고, 변조 신호로서 출력한다. 한편, 소리를 수음(收音)하는 측의 복조 장치는 입력된 변조 신호를 차동 부호화 1칩분의 지연 시간에서 지연 검파하고, 이 지연 검파된 신호 파형과 확산 부호의 동기를 검출하고, 검출된 동기점의 피크 극성에 의거하여 데이터 부호를 복조한다. 또한, 특허문헌 2에 기재된 기술에서는 진폭 변조를 사용해서 음향 신호에 디지털 전자 마크를 매입해 두고, 진폭 변동의 시간적 및 강도적 특징에 의거하여 음향 신호로부터 디지털 전자 마크를 인출하도록 되어 있다.
일본국 특허 공개 2010-288246호 공보 일본국 특허 공개 2006-251676호 공보
그런데, 소리를 이용해서 데이터를 전송할 경우, 특정 주파수 대역에 속하는 소리에 데이터를 중첩하는 장치가 있다. 이러한 장치에 있어서는 다음의 문제가 고려된다. 예를 들면, 데이터 전송의 환경이 잔향음(반대음)이 많은 공간이라든가, 방음 수단으로서의 스피커와 수신 수단으로서의 마이크가 서로 정면으로 마주보고 있지 않는다는 경우에는 반사음의 영향, 소위 다중경로 페이딩(multipath fading)이 발생하여 데이터 전송에 사용하고 있는 주파수 대역의 음이 소멸한다든가, 또는 그 음량 레벨이 작아져 중첩된 데이터를 추출할 수 없을 경우가 있다. 또한, 데이터 전송에 사용하고 있는 주파수 대역에 일치하는 주파수의 노이즈(예를 들면, 차의 브레이크음이나 설비의 소음 등)가 외부로부터 혼입했을 경우에도 중첩된 데이터를 추출할 수 없을 경우가 있다. 이와 같이 특정 주파수 대역에 속하는 소리에 데이터를 중첩하는 장체에 있어서는 다중경로 페이딩이나 노이즈 혼입 등의 사상이 발생함으로써 소리로부터 데이터를 인출할 수 없게 될 가능성이 있다.
그래서, 본 발명은 소리를 전송 매체로 이용해서 데이터를 전송하는 장치에 있어서, 그 소리로부터 데이터를 인출할 수 있는 가능성을 높게 하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서 본 발명에 의한 변조 장치는 전송 데이터의 1단위에 상당하는 프레임의 송신 개시 타이밍을 소정 기간씩 지연시키는 지연 수단과, 상기 지연 수단에 의해 송신 개시 타이밍이 지연된 상기 프레임을 사용해서 상기 송신 개시 타이밍에 따라 다른 주파수 대역의 반송파를 변조한 변조 신호를 생성하는 변조 신호 생성 수단을 구비한다.
상기 변조 장치는 상기 변조 신호 생성 수단에 의해 생성된 상기 변조 신호에 따라 방음하는 방음 수단을 더 구비하도록 해도 좋다.
또한, 본 발명에 의한 복조 장치는 전송 데이터의 1단위에 상당하고, 송신 개시 타이밍이 소정 기간씩 지연된 프레임을 사용해서 상기 송신 개시 타이밍에 따라 다른 주파수 대역의 반송파를 변조한 변조 신호에 따라서 방음된 소리의 음향 신호를 각각의 상기 주파수 대역에 속하는 신호 성분으로 분리하는 분리 수단과, 상기 분리 수단에 의해 분리된 각 신호 성분에 의거하여 소정 기간마다 상기 프레임의 일부에 상당하는 블록을 복조하고, 복조한 블록군으로부터 미리 결정된 선택 방법에 따라서 선택한 블록을 연결해서 상기 프레임을 생성하는 프레임 생성 수단을 구비한다.
상기 변조 신호 생성 수단에 의해 변조되는 반송파의 주파수 대역은 n개(n은 양의 정수)의 주파수 대역이며, 상기 프레임 생성 수단은 1개의 상기 프레임이 n개의 상기 주파수 대역 중 어느 하나에 있어서 중첩된 기간의 1/n의 기간마다 상기 각 신호 성분에 의거하여 상기 블록을 복조하도록 해도 좋다.
상기 주파수 대역의 각각은 상기 주파수 대역보다 대역폭이 좁은 복수의 협대역 주파수를 포함하고, 상기 변조 신호 생성 수단은 상기 프레임을 구성하는 각 비트의 값에 따라 상기 프레임에 대응하는 2개의 상기 협대역 주파수에 속하는 신호의 출력의 각각을 서로 반전시킴으로써 상기 변조 신호를 생성하고, 상기 분리 수단은 상기 음향 신호를 상기 주파수 대역의 각각에 포함되는 2개의 상기 협대역 주파수에 속하는 신호로 각각 분리하고, 상기 프레임 생성 수단은 2개의 상기 협대역 주파수에 각각 속하는 신호의 차분과 역치를 비교해서 상기 비트의 값을 복호(復號)함으로써 상기 블록을 복조하도록 해도 좋다.
상기 프레임 생성 수단은 상기 분리 수단에 의해 분리된 각 신호 성분의 상부 엔빌로프 및 하부 엔빌로프를 산출하고, 산출한 상기 상부 엔빌로프와 상기 하부 엔빌로프 사이의 시간적으로 변동하는 값을 상기 역치로서 사용하도록 해도 좋다.
또한, 본 발명에 의한 음향 전송 시스템은 전송 대상이 되는 전송 데이터를 중첩한 음향 신호를 소리로 해서 방음하는 송신 장치와, 상기 송신 장치로부터 방음된 소리로부터 상기 전송 데이터를 추출하는 수신 장치를 구비한 음향 통신 시스템으로서, 상기 송신 장치는 전송 데이터의 1단위에 상당하는 프레임의 송신 개시 타이밍을 소정 기간씩 지연시키는 지연 수단과, 상기 지연 수단에 의해 송신 개시 타이밍이 지연된 상기 프레임을 사용해서 상기 송신 개시 타이밍에 따라 다른 주파수 대역의 반송파를 변조한 변조 신호를 생성하는 변조 신호 생성 수단과, 상기 변조 신호 생성 수단에 의해 생성된 변조 신호에 따라 소리를 방음하는 방음 수단을 갖고, 상기 수신 장치는 상기 방음 수단으로부터 방음된 소리를 수음해서 음향 신호를 출력하는 수음 수단과, 상기 수음 수단에 의해 출력되는 음향 신호를 각각의 상기 주파수 대역에 속하는 신호 성분으로 분리하는 분리 수단과, 상기 분리 수단에 의해 분리된 각 신호 성분에 의거하여 소정 기간마다 상기 프레임의 일부에 상당하는 블록을 복조하고, 복조한 블록군으로부터 미리 결정된 선택 방법에 따라서 선택한 블록을 연결해서 상기 프레임을 생성하는 프레임 생성 수단을 갖는다.
또한, 본 발명에 의한 프로그램은 컴퓨터에 전송 데이터의 1단위에 상당하고, 송신 개시 타이밍이 소정 기간씩 지연된 프레임을 사용해서 상기 송신 개시 타이밍에 따라 다른 주파수 대역의 반송파를 변조한 변조 신호에 따라서 방음된 소리의 음향 신호를 각각의 상기 주파수 대역에 속하는 신호 성분으로 분리하는 분리 스텝과, 상기 분리 스텝에 의해 분리된 각 신호 성분에 의거하여 소정 기간마다 상기 프레임의 일부에 상당하는 블록을 복조하고, 복조한 블록군으로부터 미리 결정된 선택 방법에 따라서 선택한 블록을 연결해서 상기 프레임을 생성하는 프레임 생성 스텝을 실행시키기 위한 프로그램이다.
또한, 본 발명에 의한 복조 방법은 전송 데이터의 1단위에 상당하고, 송신 개시 타이밍이 소정 기간씩 지연된 프레임을 사용해서 상기 송신 개시 타이밍에 따라 다른 주파수 대역의 반송파를 변조한 변조 신호에 따라서 방음된 소리의 음향 신호를 각각의 상기 주파수 대역에 속하는 신호 성분으로 분리하는 분리 스텝과, 상기 분리 스텝에 있어서 분리된 각 신호 성분에 의거하여 소정 기간마다 상기 프레임의 일부에 상당하는 블록을 복조하고, 복조한 블록군으로부터 미리 결정된 선택 방법에 따라서 선택한 블록을 연결해서 상기 프레임을 생성하는 프레임 생성 스텝을 구비한다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면 소리를 전송 매체로 이용해서 데이터를 전송하는 장치에 있어서, 그 소리로부터 데이터를 인출시킬 가능성을 높게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 의한 음향 전송 시스템의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 송신 장치의 변조부의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 3(a)는 데이터의 프레임 구조의 일례를 나타내는 도면이며, 도 3(b)는 프레임과 블록의 관계를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 프레임의 송신 타이밍을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 차동 신호를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 수신 장치의 복조부의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 7은 엔빌로프 처리의 순서예를 나타내는 플로우 차트이다.
도 8은 엔빌로프 처리의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 데이터 검출 트리거 발생부의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 10은 데이터 검출 처리의 순서예를 나타내는 플로우 차트이다.
도 11은 동기 심볼의 검출 순서를 설명하기 위한 개념도이다.
도 12는 블록을 추출해서 프레임을 구성할 때의 룰을 설명하기 위한 개념도이다.
도 13은 송신 장치의 변조부의 다른 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 14는 수신 장치의 복조부의 다른 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 15는 송신 장치의 변조부 또는 수신 장치의 복조부의 구성예를 나타내는 블록도이다.
[1. 음향 전송 시스템의 개요]
본 발명의 일실시형태에 의한 음향 전송 시스템은 소리(음파)를 전송 매체로 해서 전송 대상이 되는 정보를 송수신하는 시스템이다. 음향 전송 시스템은 정보를 음향 신호에 중첩해서 소리를 방음하는 송신 장치와, 그 소리를 수음해서 정보를 추출하는 수신 장치를 적어도 구비하고 있다. 또한, 정보가 중첩된 소리의 방음은 정보의 송신에 상당하기 때문에 이하에서는 필요에 따라 송신 장치가 정보를 송신한다고 표현한다. 또한, 정보가 중첩된 소리의 수음은 정보의 수신에 상당하기 때문에 이하에서는 필요에 따라 수신 장치가 정보를 수신한다고 표현한다.
이 음향 전송 시스템은, 예를 들면 이하의 (1)~(3)의 장면에 있어서 이용되지만 반드시 이들 예에 한정되는 것은 아니다.
(1) 도로나 점포 등이라는 복수의 유저가 있는 장소에 설치된 송신 장치로부터 유저가 소지하는 스마트폰 등의 수신 장치에 대하여, 예를 들면 상품·서비스를 선전하기 위한 정보를 소리에 중첩해서 송신한다
(2) 가정의 텔레비전 장치가 송신 장치로서 기능하고, 이 텔레비전 장치로부터 유저가 이용하는 스마트폰이나 퍼스널 컴퓨터 등의 수신 장치에 대하여, 예를 들면 텔레비전 프로그램에 관한 정보를 소리에 중첩해서 송신한다
(3) 복수의 유저가 각각 소지하는 스마트폰 등의 휴대기기의 한쪽이 송신 장치로서, 다른쪽이 수신 장치로서 기능하고, 그 송신 장치로부터 그 수신 장치에 대하여, 예를 들면 유저의 연락처 등의 개인 정보를 소리에 중첩해서 송신한다
또한, 본 실시형태에 있어서는 전송 대상이 되는 정보는 시계열에 반복하여 전송되는 것으로 한다. 예를 들면, 상기 (1)의 예의 경우, 상품·서비스를 선전하기 위한 동일 정보가 반복해서 송신 장치로부터 수신 장치로 송신된다. 수신 장치는 그 정보를 정상으로 수신할 수 있었을 때에 그 정보를 표시하는 등의 처리를 행한다. 물론, 전송 대상이 되는 정보는 반복 전송되는 것이 아니라, 1회만 전송되어도 좋다.
또한, 상기 (1)~(3)의 장면에서는 전송 대상이 되는 정보가 비가청역의 소리에 중첩되고, 이것이 백그라운드 뮤직 등의 가청역에 속하는 음악이나 음성에 더 중첩되어 있어도 좋다. 또는 이들 가청역의 음악이나 음성이 존재하지 않고, 전송 대상이 되는 정보가 비가청역의 음에만 중첩되어 있어도 좋다.
[2. 음향 전송 시스템의 전체 구성]
도 1은 음향 전송 시스템의 구성예를 나타내는 블록도이다. 여기에서는 설명을 간단히 하기 위해서 송신 장치(1)와 수신 장치(2)가 구비하는 최소한의 구성을 도시하고 있지만, 송신 장치(1)와 수신 장치(2)는 각각 도시된 것 이외의 구성을 구비하고 있어도 좋다.
송신 장치(1)는 변조부(10), 출력부(11), 및 스피커(12)를 구비한다. 변조부(10)는 본 발명에 의한 변조 장치의 일례이며, 주파수가 고대역에 속하는 반송파를 전송 대상이 되는 전송 데이터(D)로 변조하고, 음향 데이터(S)에 중첩하는 수단이다. 여기에서 말하는 고대역이란 인간이 청취할 수 있는 소리의 주파수 대역의 상한값(십수㎑~20㎑ 정도)보다 높은 주파수 대역이다. 예를 들면, 상기 (1)의 예의 경우, 음향 데이터(S)는 도로나 점포 등 흐르는 백그라운드 뮤직 등의 음악이나 음성이며, 전송 데이터(D)는 상품·서비스를 선전하기 위한 정보이다. 음향 데이터(S) 및 전송 데이터(D)는, 예를 들면 송신 장치(1) 내의 기억 매체에 기억되어 있는 것이어도 좋고, 송신 장치(1)의 외부로부터 이 송신 장치(1)에 공급되는 것이어도 좋다. 출력부(11)는 변조부(10)로부터 출력된 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 D/A 컨버터와, D/A 컨버터로부터 출력되는 아날로그 신호를 증폭해서 스피커(12)에 공급하는 앰프를 구비한다. 스피커(12)는 출력부(11)로부터 입력된 아날로그 신호에 따른 소리를 방음하는 방음 수단이다. 방음된 소리는 공간(대기)을 전파해서 수신 장치(2)의 마이크(20)에 의해 수음된다.
수신 장치(2)는 마이크(20), 입력부(21), 및 복조부(22)를 구비한다. 마이크(20)는 스피커(12)로부터 방음된 소리를 수음하고, 그 소리에 따른 음향 신호를 출력하는 수음 수단이다. 입력부(21)는 마이크(20)로부터 출력되는 음향 신호를 증폭하는 앰프와, 앰프로부터 출력되는 아날로그의 음향 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터를 구비한다. 복조부(22)는 본 발명에 의한 복조 장치의 일례이며, A/D 컨버터로부터 출력되는 디지털 신호로부터 전송 데이터(D)를 복조한다. 이 전송 데이터(D)는 「1」또는 「0」으로 구성되는 비트열이며, 수신 장치(2)에 접속된 도시하지 않는 표시 장치에 공급되어서 이 표시 장치에 의해 정보로서 표시되거나, 또는 수신 장치(2)에 접속된 도시하지 않는 통신 장치에 공급되어서 이 통신 장치로부터 외부로 송신되거나 하는 등 소정의 목적을 위해서 이용된다.
송신 장치(1)의 변조부(10) 및 수신 장치(2)의 복조부(22)의 각 구성은 하드웨어에 의해 실현되어도 좋고, 하드웨어 및 소프트웨어가 협동함으로써 실현되어도 좋다. 변조부(10)의 구성이 하드웨어 및 소프트웨어 협동에 의해 실현될 경우의 변조부(10)의 하드웨어는, 예를 들면 도 15에 나타내는 바와 같이 컴퓨터로서 구성된다. 이 경우, 도 15에 나타내는 바와 같이 변조부(10)는 마이크로 프로세서나 RAM 등으로 이루어지는 제어부(1000)와, 하드디스크 등의 대용량 기억 장치인 기억부(1001)를 적어도 구비한다. 제어부(1000)의 마이크로 프로세서가 기억부(1001)에 기억된 프로그램을 RAM에 판독하고, 판독한 프로그램을 실행함으로써 변조부(10)의 각 구성(후술하는 지연기, LPF, VCO, 가산기 등)이 실현된다. 또한, 복조부(22)의 구성이 하드웨어 및 소프트웨어의 협동에 의해 실현될 경우의 복조부(22)의 하드웨어도 도 15에 나타내는 구성이다. 이 경우, 제어부(1000)의 마이크로 프로세서가 기억부(1001)에 기억된 프로그램을 RAM에 판독하고, 판독한 프로그램을 실행함으로써 복조부(22)의 각 구성(후술하는 HPF, STFT부, 감산기, LPF, DC 컷트부, 2값화부, 데이터 검출부, 데이터 검출 트리거 발생부 등)이 실현된다. 또한, 변조부(10) 및 복조부(22)는 도 15에 예시한 구성 이외의 구성(예를 들면, 조작부, 표시부, 통신부 등)을 구비하고 있어도 좋다.
[3. 송신 장치에 있어서의 변조부의 구성]
도 2는 송신 장치(1)의 변조부(10)의 구성예를 나타내는 도면이다. 변조부(10)는 음향 데이터(S)에 대한 처리계로서 LPF(101)를 구비하고, 전송 데이터(D) 에 대한 처리계로서 LPF(1021~1023)와, VCO(Voltage-controlled oscillator)(1031~1033)와, 지연기(1041, 1042)와, 가산기(105)를 구비한다. LPF(101)는 가산기(105)에 접속되어 있다. LPF(1021~1023)는 각각 VCO(1031~1033)를 통해 가산기(105)에 접속되어 있다. LPF(1021)와 LPF(1022)는 지연기(1041)를 통해 서로 접속되고, LPF(1022)와 LPF(1023)는 지연기(1042)를 통해 서로 접속되어 있다. 이들 각 부의 상세한 것은 후술한다.
[3-1. 전송 데이터의 구조]
송신 장치(1)의 각 부의 구체적인 처리 내용의 설명에 들어가기 전에, 우선 송신 장치(1)가 송신하는 전송 데이터의 구조에 대해서 설명한다. 상술한 바와 같이 전송 대상이 되는 전송 데이터는 송신 장치(1)로부터 시계열에 반복하여 송신된다. 이 반복하여 송신되는 1단위를 프레임이라고 부른다. 도 3(a)는 이 프레임의 구조의 일례를 나타내는 도면이다. 1개의 프레임(F)은 그 선두부터 순서대로 프레임의 선두를 발견하기 위한 동기 심볼, 프레임 길이 등의 프레임의 속성에 관한 정보가 포함되는 헤더, 실데이터가 포함되는 페이로드, 및 프레임의 후단에 상당하는 푸터(footer)로 구성된다. 동기 심볼의 데이터 길이 및 헤더의 데이터 길이는 각각, 예를 들면 수 비트 정도의 소정 비트수이다.
수신 장치(2)에 있어서는 1개 프레임은 n(n은 양의 정수, 본 실시형태에서는 일례로서 n=3으로 한다)개의 단위로 분할되고, 이 분할된 단위로 복조된다. 이 분할된 1개의 단위를 블록이라고 부른다. 도 3(b)는 프레임과 블록의 관계를 개념적으로 나타내는 도면이다. 1개의 프레임은 그 데이터 길이가 균등한 3개의 블록(a, b, c)으로 구성된다. 프레임의 선두인 블록(a)에는 동기 심볼 및 헤더가 반드시 포함된다. 프레임의 후미인 프레임(c)에는 푸터가 반드시 포함된다. 즉, 동기 심볼 및 헤더의 데이터 길이와, 푸터의 데이터 길이는 각각 1개의 블록의 데이터 길이에 비해 짧다.
[3-2. 프레임의 송신에 사용하는 주파수 대역과 그 송신 타이밍]
송신 장치(1)는 다른 주파수 대역을 사용하고, 각각의 주파수 대역에 있어서 1개의 프레임을 반복하여 송신한다. 이때, 송신 장치(1)는 각 주파수 대역에 있어서의 각 프레임의 송신 개시 타이밍을 후술하는 소정 기간씩 지연시켜서 송신 개시 타이밍이 각 프레임에서 상이하도록 제어한다. 도 4는 프레임의 송신 개시 타이밍을 설명하기 위한 개념도이다. 또한, 이 도면에 있어서, 「a」라는 표기는 블록(a)을 의미하고, 「b」라는 표기는 블록(b)을 의미하고, 「c」라는 표기는 블록(c)을 의미한다. 또한, F1, F2, F3은 전송 데이터의 반송파의 주파수 대역을 의미한다.
도 4에 나타내는 바와 같이 송신 장치(1)는 다른 주파수 대역(F1, F2, F3)의 각각에 있어서 소정 기간, 즉 1개의 프레임을 송신하기 위해서 필요로 하는 기간( 어떤 주파수 대역에 있어서 1개의 프레임이 중첩된 기간)의 1/n(본 실시형태에서는 1/3)에 상당하는 기간만큼 지연시키면서 각 프레임의 송신을 개시한다. 예를 들면, 주파수 대역(F1)에 있어서는 시각(t1)에 프레임의 선두의 블록(a)의 송신을 개시하고, 주파수 대역(F2)에 있어서는 시각(t2)에 블록(a)의 송신을 개시하고, 주파수 대역(F3)에 있어서는 시각(t3)에 블록(a)의 송신을 개시하고 있다. 따라서, 상기 프레임의 다음 프레임의 송신 개시 타이밍도 주파수 대역(F1)에 있어서는 시각(t4), 주파수 대역(F2)에 있어서는 시각(t5), 주파수 대역(F3)에 있어서는 시각(t6)이라는 바와 같이, 상시 1개의 프레임의 송신 기간의 1/3에 상당하는 기간만큼 지연된다. 따라서, 상술한 「1개의 프레임을 송신하기 위해서 필요로 하는 기간의 1/3」이란 1개의 블록을 송신하기 위해서 필요로 하는 기간의 길이에 상당한다.
[3-3. 전송 데이터에 대한 처리계]
도 2의 설명으로 돌아가, 변조부(10)의 전송 데이터(D)에 대한 처리계에 대해서 설명한다. LPF(1021~1023)는 모두 베이스 밴드 신호의 대역을 제한하도록 고대역에 상당하는 주파수 성분을 제거하기 위한 필터이며, 나이퀴스트 필터라고 불리는 것이다. 나이퀴스트 필터는 일반적으로 코사인 롤오프 필터라고 불리는 FIR 필터로 구성되어 있지만, 필터의 차수나 롤오프율 등은 적용 조건에 따라 결정된다. 또한, 수신 장치(2)에 있어서도 수신한 신호에 대하여 LPF에 의한 필터링을 행하기 위해서 이 LPF(1021~1023)와 수신 장치(2)의 LPF(2241~2243)(후술하는 도 6 참조)에서 완전한 나이퀴스트 필터가 되도록 각각이 루트레이즈드 코사인 롤오프 필터로 구성된다.
전송 데이터(D)는 LPF(1O21)에 의해 필터링된 후 VCO(1031)에 입력된다. VCO(1031~1033)는 제어 신호(여기에서는 VCO에 입력되는 전송 데이터를 구성하는 비트값)에 따라 주파수가 변화되는 발신기이다. VCO(1031)는 전송 데이터의 비트값이 1일 때에는 주파수 대역(f1)의 신호를 가산기(105)에 출력하고, 전송 데이터의 비트값이 0일 때에 주파수 대역(f1')의 신호를 가산기(105)에 출력한다. 따라서, 주파수 대역(f1)과 주파수 대역(f1')은 1개의 페어로서 이용된다. 본 실시형태에서는 페어를 구성하는 2개의 주파수 대역에 속하는 신호의 값의 차를 차동 신호라고 부르기로 한다.
도 5는 차동 신호를 설명하기 위한 개념도이다. 상술한 바와 같이, 전송 데이터의 비트값이 1일 때에 주파수 대역(f1)의 신호가 출력되고, 비트값이 0일 때에 주파수 대역(f1')의 신호가 출력된다. 따라서, 전송 데이터의 비트값이 1일 때에는 도 5(a)에 나타내는 바와 같이 주파수 대역(f1)의 신호가 소정값으로 출력되고(실선으로 표현), 주파수 대역(f1')의 신호는 출력되지 않는다(점선으로 표현). 한편, 전송 데이터의 비트값이 0일 때에는 도 5(b)에 나타내는 바와 같이 주파수 대역(f1)의 신호는 출력되지 않고(점선으로 표현), 주파수 대역(f1')의 신호가 소정값으로 출력된다(실선으로 표현). 이와 같이, 주파수 대역(f1)의 신호와 주파수 대역(f1')의 신호는 비트값에 따라 서로의 신호의 값의 대소 관계가 역, 즉 서로 반전된 출력이 된다.
그래서 f1의 신호와 f1'의 신호의 차(f1-f1')가 역치를 초과할 경우에는 비트값이 1인 것으로 판단되고, f1의 신호와 f1'의 신호의 차(f1-f1')가 그 역치 이하인 경우에는 비트값이 0인 것으로 판단된다. 역치의 결정 방법에 대해서는 수신 장치(2)의 설명에 있어서 상세하게 설명하지만, 미리 결정된 고정의 값이 아니라 다중경로 페이딩 등의 영향에 따라서 동적으로 변동하도록 되어 있다. 또한, 도 4에서 설명한 주파수 대역(F1)은 주파수 대역(f1)과 주파수 대역(f1')을 합한 대역을 의미하고, 주파수 대역(F2)은 주파수 대역(f2)과 주파수 대역(f2')을 합한 대역을 의미하고, 주파수 대역(F3)은 주파수 대역(f3)과 주파수 대역(f3')을 합한 대역을 의미하고 있다. 즉, 주파수 대역(F1)은 보다 대역폭이 좁은 주파수 대역(f1, f1')을 포함하고 있고, 주파수 대역(F2)은 보다 대역폭이 좁은 주파수 대역(f2, f2')을 포함하고 있고, 주파수 대역(F3)은 보다 대역폭이 좁은 주파수 대역(f3, f3')을 포함하고 있다. 본 발명에 있어서, 주파수 대역(f1, f1', f2, f2', f3, f3')은 주파수 대역(F1, F2, F3)보다 대역폭이 좁은 점에서 협대역 주파수라고 부르는 것으로 한다. 또한, 본 실시형태에서는, 예를 들면 주파수 대역(f1)=18000Hz, 주파수 대역(f1')=18400㎐, 주파수 대역(f2)=18800㎐, 주파수 대역(f2')=19200㎐, 주파수 대역(f3)=19600Hz, 주파수 대역(f3')=20000㎐라고 하는 바와 같이 서로 가까운 주파수끼리를 페어로 하고 있다. 또한, 1개의 페어 중 낮은 쪽의 주파수 대역(f1, f2, f3)에 속하는 신호 성분의 시간 변화 파형을 정신호라고 부르고, 높은 쪽의 주파수 대역(f1', f2', f3')에 속하는 신호 성분의 시간 변화 파형을 반전 신호라고 부르는 것으로 한다.
도 2의 설명으로 돌아간다. 지연기(1041, 1042)는 각각 1개의 프레임분의 전송 데이터(이하, 프레임 데이터라고 한다)가 입력되면 1개의 프레임의 송신 기간의 1/3에 상당하는 기간, 즉 1개의 블록의 송신에 필요한 기간(이하, 1/3 프레임 송신 기간이라고 한다)만큼 지연시켜서 출력한다. 따라서, 지연기(1041)는 LPF(1021)에 프레임 데이터가 입력되는 타이밍보다 1/3 프레임 송신 기간만큼 지연된 프레임 데이터를 LPF(1022)에 출력한다. VCO(1032)는 LPF(1022)가 출력한 프레임 데이터의 비트값이 1일 때에 주파수 대역(f2)의 신호를 가산기(105)에 출력하고, 프레임 데이터의 비트값이 0일 때에 주파수 대역(f2')의 신호를 가산기(105)로 출력한다. 마찬가지로 해서 지연기(1042)는 LPF(1022)에 프레임 데이터가 입력되는 타이밍보다 1/3 프레임 송신 기간만큼 지연된 프레임 데이터를 LPF(1023)에 출력하는 VCO(1033)는 LPF(1023)가 출력한 프레임 데이터의 비트값이 1일 때에 주파수 대역(f3)의 신호를 가산기(105)에 출력하고, 프레임 데이터의 비트값이 0일 때에 주파수 대역(f3')의 신호를 가산기(105)에 출력한다.
[3-4. 음향 데이터에 대한 처리계]
이어서, 변조부(10)의 음향 데이터(S)에 대한 처리계에 대해서 설명한다. LPF(101)는 음향 데이터(S)에 있어서 고대역의 주파수 성분을 제거한다. LPF(101)의 컷오프 주파수는 청취자에 의한 음향 데이터(S)의 청감상의 음질을 확보하고, 또한 변조에 사용하는 대역(변조 대역이라고 한다)을 확보할 수 있도록, 예를 들면 가청 주파수 대역의 상한값(십수㎑~20㎑ 정도) 정도로 설정된다. 이 컷오프 주파수가 변조 대역의 하한 주파수가 된다. 이것은, 예를 들면 LPF(101)의 컷오프 주파수를 지나치게 낮게 하면 음향 데이터(S)의 방음 시의 음질이 열화되고, 또한 그 낮은 컷오프 주파수에 맞춰 변조 대역의 주파수를 낮게 하면 이 변조 대역에 속하는 변조 신호의 방음 시의 소리가 청취자의 귀에 들리기 쉬워지기 때문이다. 반대로 LPF(101)의 컷오프 주파수를 지나치게 높게 하면 변조 대역을 넓게 할 수 없어 전송 데이터의 전송 속도가 저하되기 때문이다. LPF(101)로부터 출력된 신호는 가산기(105)에 입력된다.
가산기(105)에 있어서는 전송 데이터(D)에 의거하는 변조 신호가 음향 데이터(S)에 의거하는 음향 신호에 대하여 가산된다. 변조 신호가 가산된 음향 신호는 출력부(11)에 공급되고, 스피커(12)로부터 이 변조 신호 및 음향 신호에 의거하는 소리가 방음된다. 또한, 음향 데이터(S)에 의거하는 음향 신호가 가산기(105)에 공급되지 않는 경우도 고려된다. 그 경우, 변조 신호만이 출력부(11)에 공급되고, 스피커(12)로부터 이 변조 신호에만 의거하는 소리(음향 신호)가 방음된다.
이상 설명한 변조부(10)의 구성 중, 지연기(1041, 1042)는 전송 데이터의 1단위에 상당하는 프레임의 송신 개시 타이밍을 소정 기간씩 지연시키는 지연 수단으로서 기능한다. 또한, LPF(1021~1023), VCO(1031~1033), 및 가산기(105)는 송신 개시 타이밍이 지연된 프레임을 사용해서 상기 송신 개시 타이밍에 따라 다른 주파수 대역의 반송파를 변조한 변조 신호를 생성하는 변조 신호 생성 수단으로서 기능한다.
[4. 수신 장치에 있어서의 복조부의 구성]
도 6은 수신 장치(2)의 복조부(22)의 구성예를 나타내는 블록도이다. 복조부(22)는 비트 복호부(220)와, 데이터 검출부(230)와, 데이터 검출 트리거 발생부(240)를 구비한다. 비트 복호부(220)에는 마이크(20)에서 수음되어서 입력부(21)에서 A/D 변환된 음향 신호가 입력된다. 이때, 입력되는 음향 신호에는 송신 장치(1)에서 변조된 전송 데이터(D)에 대응하는 음향 신호가 포함되기 때문에 비트 복호부(220)에 입력되는 음향 신호를 변조 음향 신호(A)라고 부르는 것으로 한다. 비트 복호부(220)는 입력된 변조 음향 신호(A) 중 전송 데이터(D)에 대응하는 음향 신호를 「1」 또는 「0」의 2값 데이터로 변환해서 비트값을 복호하고, 데이터 검출부(230)로 출력한다. 데이터 검출부(230)는 데이터 검출 트리거 발생부(240)로부터 트리거 신호가 공급된 타이밍에서 비트 복호부(220)로부터 출력된 2값 데이터로부터 전송 데이터(D)를 인출한다. 이하, 이들 각 부의 상세를 설명한다.
[4-1. 비트 복호부]
비트 복호부(220)는 HPF(221)와, STFT부(222)와, 감산기(2231~2233)와, DC 컷트부(2251~2253)와, 2값화부(2261~2263)를 구비한다.
[4-1-1. HPF]
HPF(221)는 입력된 변조 음향 신호(A)로부터 음향 데이터(S)에 대응하는 저대역의 신호 성분을 제거하고, 전송 데이터(D)에 대응하는 고대역의 신호 성분을 추출한다. 즉, HPF(221)의 컷오프 주파수는 변조 대역의 하한 주파수로 설정된다.
[4-1-2. STFT부]
STFT부(222)는 HPF(221)로부터 출력되는 신호를 송신 시에 사용한 주파수 대역(f1, f1', f2, f2', f3, f3')에 속하는 신호 성분으로 분리하는 분리 수단이다. 구체적으로는 STFT부(222)는 HPF(221)로부터 출력되는 신호에 대하여 단시간 푸리에 변환(STFT: Short-Time Fourier Transform)을 실시하고, 상술한 주파수 대역(f1, f1', f2, f2', f3, f3')에 각각 속하는 신호 성분으로 분리해서 각 신호 성분의 시간 변화 파형을 출력한다. 이때의 단시간 푸리에 변환에 있어서의 오버랩률은 50%, 즉 STFT부(222)는 하프 오버랩으로 STFT를 행한다. 또한, 예를 들면 FFT 길이는 1024샘플이며, 1심볼 샘플 길이는 1536샘플이며, STFT 후의 샘플링 주파수는 86.1328125Hz이다. 또한, 1심볼 샘플 길이는 FFT 길이의 예를 들면 1배, 1.5배, 2배 등이지만, 본 실시형태에서는 1.5배이다. STFT 후의 샘플링 주파수는 FFT 길이와 오버랩률로부터 산출된다.
[4-1-3. 감산기]
각 감산기(2231~2233)는 주파수 대역(f1, f1', f2, f2',f3, f3')의 각 페어에 대응해서 설치되어 있고, 대응하는 주파수 대역의 정신호와 반전 신호의 차분을 산출한다. 예를 들면, 감산기(2231)는 주파수 대역(f1)에 속하는 정신호의 신호값(ch1)으로부터 주파수 대역(f1')에 속하는 반전 신호의 신호값(ch1')을 감산하고, 감산기(2232)는 주파수 대역(f2)에 속하는 정신호의 신호값(ch2)으로부터 주파수 대역(f2')에 속하는 반전 신호의 신호값(ch2')을 감산하고, 감산기(2233)는 주파수 대역(f3)에 속하는 정신호의 신호값(ch3)으로부터 주파수 대역(f3')에 속하는 반전 신호의 신호값(ch3')을 감산한다. 이것에 의해, 주파수 대역(f1, f1', f2, f2', f3, f3')의 각 페어에 대응한 차동 신호(ch1-ch1', ch2-ch2', ch3-ch3')가 얻어진다.
[4-1-4. LPF]
LPF(2241~2243)는 주파수 대역(f1, f1', f2, f2', f3, f3')의 각 페어에 대응해서 설치되어 있고, 감산기(2231~2233)로부터 입력되는 차동 신호로부터 고대역에 상당하는 신호 성분을 제거해서 베이스 밴드 신호가 속하는 주파수 대역의 신호 성분을 추출한다. 또한, 상술한 바와 같이 송신 장치(1)의 LPF(1021~1023) 및 수신 장치(2)의 LPF(2241~2243)는 완전한 나이퀴스트 필터가 되도록 구성되어 있다.
[4-1-5. DC 컷트부]
DC 컷트부(2251~2253)는 주파수 대역(f1, f1', f2, f2', f3, f3')의 각 페어에 대응해서 설치되어 있고, 각 LPF(2241~2243)로부터 출력된 신호로부터 베이스 밴드 신호를 추출한다. 구체적으로는 DC 컷트부(2251~2253)는 각 LPF(2241~2243)로부터 출력된 신호에 대하여 엔빌로프를 보정하는 처리(엔빌로프 처리)를 행함으로써 DC 오프셋을 제거해서 베이스 밴드 신호를 추출한다.
도 7은 엔빌로프 처리의 순서를 나타내는 플로우 차트이다. 도 7에 있어서,
In: LPF(2241)로부터 DC 컷트부(2251)에 입력되는 입력 신호
Out: DC 컷트부(2251)로부터 출력되는 출력 신호
Kp: 엔빌로프 처리에 있어서의 P제어 계수(예를 들면, 0.1)
Td: 엔빌로프 처리에 있어서의 D제어 계수(예를 들면, 1.0)
Out', Ed': 각각 전회의 처리의 값(초기값은 모두 0.0)이다.
우선, DC 컷트부(2251)는,
Ep=In-Out',
베이스 밴드 신호의 상부 엔빌로프 Hi Side=-abs(Ep-Ed'),
베이스 밴드 신호의 하부 엔빌로프 Low Side=abs(Ep-Ed'),
Out=Out'+Kp(Ep+Td×Ed)
라는 계산식에 따라 Ep, Hi Side, Low Side, Out을 각각 구한다(스텝 S10).
이어서, DC 컷트부(2251)는 베이스 밴드 신호의 상부 엔빌로프 Hi Side에 있어서 In＞Out이며, 또한 베이스 밴드 신호의 하부 엔빌로프 Low Side에 있어서 Out＞In이면(스텝 S20; YES), Out=In, Ed=0으로 한다(스텝 S30). 한편, 상기 판단이 부정적이라면(스텝 S20; NO), DC 컷트부(2251)는 Ed=Ep로 한다(스텝 S40).
이때, DC 컷트부(2251)는 Hi Side에 있어서는 입력 신호 In의 상승에서는 입력 신호 In에 추종한 엔빌로프로 하고, 입력 신호 In의 하강에서는 엔빌로프를 마이너스 방향으로 감쇠시켜 간다. 이러한 처리를 행함으로써 수음한 음향의 음량의 변화나 잡음 구역으로의 추종성이 향상된다. 한편, Low Side에 있어서는 DC 컷트부(2251)는 상기와는 반대의 처리, 즉 입력 신호 In의 하강에서는 입력 신호 In에 추종한 엔빌로프로 하고, 상승에 있어서는 엔빌로프를 플러스 방향으로 감쇠시켜 간다. DC 컷트부(2252, 2253)도 상기와 마찬가지의 순서에 따라 LPF(2242, 2243)로부터 입력되는 입력 신호를 사용해서 엔빌로프 처리를 행한다.
도 8은 DC 컷트부(2251)로부터 출력되는 신호(베이스 밴드 신호)의 파형(Out)(실선)과, 상부 엔빌로프(envp)(1점 쇄선)와, 하부 엔빌로프(envm)(점선)와, 차동 신호에 의거하여 2값화를 행할 때에 사용되는 역치(th)(2점 쇄선)의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다. 역치(th)는 상부 엔빌로프(envp)와 하부 엔빌로프(envm) 사이에 있는 값이면 좋지만, 전형적으로는 양자의 중간의 값이 사용된다. 따라서, 역치(th)는 상부 엔빌로프(envp) 및 하부 엔빌로프(envm)의 시간 변화에 따라 상부 엔빌로프(envp)와 하부 엔빌로프(envm) 사이에서 시간적으로 변동하는 값이 된다.
[4-1-6. 2값화부]
2값화부(2261~2263)는 상기한 바와 같이 시간적으로 변동하는 역치(th)를 이용해서 베이스 밴드 신호(여기에서는 상술한 차동 신호)를 2값화하고, 비트값을 복호해서 데이터 검출부(230)로 출력한다. 구체적으로는 2값화부(2261~2263)는 차동 신호의 신호값이 그때의 역치(th)보다 큰 경우에는 비트값 「1」을 출력하고, 차동 신호의 신호값이 그때의 역치(th) 이하인 경우에는 비트값 「0」을 출력한다. 역치(th)는 상술한 바와 같이 상부 엔빌로프(envp) 및 하부의 엔빌로프(envm)의 시간 변화에 따라 변동한다. 여기에서, 예를 들면 주파수 대역(f1 또는 f1') 중 어느 한쪽의 신호 수신 강도가 다중경로 페이딩이나 노이즈 혼입 등의 영향에 의해 저하되었을 경우, 상부 엔빌로프(envp) 또는 하부의 엔빌로프(envm) 중 어느 하나가 변동하여 양쪽 엔빌로프의 차가 작아진다. 따라서, 역치를 미리 결정된 값으로 고정하고 있을 경우에는 상부 엔빌로프(envp) 및 하부의 엔빌로프(envm)의 차가 작아져 차동 신호가 상부 또는 하부에 치우쳐서 평탄한 파형에 가까이 되기 때문에 비트 판정에 착오가 발생하기 쉬워진다. 이것에 대하여, 본 실시형태에서는 상부 엔빌로프(envp) 및 하부의 엔빌로프(envm)의 차가 작아져서 역치를 사용한 비트 판정에 요구되는 정밀도가 높아졌을 경우에도 상부 및 하부의 엔빌로프의 중간의 값으로서 역치(th)가 시 변동에 의해 조정되기 때문에 비트 판정에 착오가 발생하기 어려워진다. 이것에 의해, 다중경로 페이딩이나 노이즈 혼입으로의 내성이 향상되어 비트 판정의 정밀도가 높아진다.
[4-2. 데이터 검출 트리거 발생부]
상술한 바와 같이 해서 음향 데이터(S)에는 전송 데이터(D)가 중첩되도록 되어 있지만, 예를 들면 전송 데이터(D)를 일시적 또는 간헐적으로 송신하는 경우에는 전송 데이터(D)가 음향 데이터(S)에 중첩되어 있지 않는 경우도 있다. 이러한 경우, 데이터 검출부(230)는 전송 데이터(D)가 음향 데이터(S)에 중첩되어 있는 기간에 있어서만 데이터 검출을 행하는 편이 효율적이다. 그래서, 데이터 검출 트리거 발생부(240)는 데이터 검출을 개시하는 타이밍을 데이터 검출부(230)에 통지한다. 도 9는 데이터 검출 트리거 발생부(240)의 구성을 나타내는 블록도이다. 데이터 검출 트리거 발생부(240)는 FFT부(2411~2413)와, 정규화부(2421~2423)와, 승산기(243)와, 신호 레벨 계산부(244)를 구비한다.
FFT부(2411~2413)는 주파수 대역(f1, f1', f2, f2', f3, f3')의 각 페어에 대응해서 설치되어 있고, 각 감산기(2231~2233)로부터 입력되는 차동 신호(ch1-ch1', ch2-ch2', ch3-ch3')에 대하여 FFT(Fast Fourier Transform)를 실시하고, 그 결과 얻어진 스펙트럼을 출력한다. 이때의 FFT에 있어서의 오버랩률은, 예를 들면 25%, 50%, 75% 또는 오버랩 없음 중 어느 하나이다. 따라서, FFT 길이가, 예를 들면 512샘플에서 오버랩률이 25%라고 하면, 128샘플 간격으로 FFT를 행하게 된다.
이어서, 정규화부(2421~2423)는 FFT부(2411~2413)로부터 각각 출력되는 스펙트럼을 정규화한다. 승산기(243)는 정규화부(2421~2423)로부터 얻어진 스펙트럼의 요소마다의 곱을 산출한다. 이것에 의해, 소위 런닝 스펙트럼이 얻어진다.
전송 데이터(D)가 음향 데이터(S)에 중첩되어 있는 기간에 있어서는 각 감산기(2231~2233)로부터 입력되는 차동 신호(ch1-ch1', ch2-ch2', ch3-ch3')가 베이스 밴드 신호에 상당한다. 예를 들면, FFT 길이 512샘플의 FFT에 있어서 최대 주파수는 약 29.06Hz(FFT: 고속 푸리에 변환에 있어서의 차수 N=43)가 되지만, 복조된 베이스 밴드 신호는 직사각형파에 가깝기 때문에 고조파에 상당하고, 이것을 고려하면 최대 주파수는 약 33.64Hz(N≒50)가 되는 것을 실험적으로 알 수 있다. 이것에 대하여 전송 데이터(D)가 음향 데이터(S)에 중첩되어 있지 않은 기간에 있어서는 각 감산기(2231~2233)로부터 입력되는 신호는 노이즈에 상당하기 때문에 스펙트럼은 전송 데이터(D)가 음향 데이터(S)에 중첩되어 있을 경우보다 넓은 주파수 대역에 분포된다.
그래서, 신호 레벨 계산부(244)는 직사각형파에 가까운 베이스 밴드 신호가 포함되면 상정되는 N=50 이하의 주파수 성분이 전체의 스펙트럼이 차지하는 비율을 계산함으로써 신호 레벨을 추정하는 것이 가능해진다. 즉, N=50 이하의 주파수 성분이 전체의 스펙트럼에 차지하는 비율이 클수록 전송 데이터(D)가 음향에 중첩되어 있을 가능성이 높은, 즉 신호 레벨이 크다고 하게 된다. 신호 레벨 계산부(244)는 그 추정값이 역치를 초과했을 때에 데이터 검출부(230)에 대하여 데이터 검출을 개시하는 것을 지시하는 트리거 신호를 출력한다. 이와 같이, 신호 레벨 계산부(244)는 LPF(2241~2243)를 실시하기 전의 각 주파수 대역(f1, f1', f2, f2', f3, f3')의 차동 신호의 런닝 스펙트럼을 측정함으로써 전송 데이터(D)가 음향 데이터(S)에 중첩되어 있는지의 여부를 판정하고, 중첩되어 있다고 판정되었을 경우에만 데이터 검출이 행해진다.
[4-3. 데이터 검출부]
데이터 검출부(230)는 2값화부(2261~2263)로부터 출력되어 오는 비트 데이터로부터 전송 데이터를 추출한다. 여기에서, 도 10은 데이터 검출부(230)의 동작을 나타내는 플로우 차트이다. 도 10에 있어서, 우선 데이터 검출부(230)는 2값화부(2261~2263)로부터 출력되어 오는 비트 데이터를 취득한다(스텝 S21).
이어서, 데이터 검출부(230)는 동기 심볼을 탐색한다(스텝 S22). 이 스텝에 있어서는 데이터 검출부(230)는, 예를 들면 주파수 대역(F1)의 CH1 비트 데이터에 있어서의 최초의 비트를 스타트 위치(이하, 탐색 스타트 비트로 한다)로 하고, 2비트 간격으로 비트열을 취득한다[도 11(a) 참조]. 여기에서, 상술한 바와 같이 STFT부(222)가 STFT를 행할 때에는 하프 오버랩에 의해 처리하고 있고, 또한 1심볼 샘플 길이(1536샘플)가 FFT 길이(1024샘플)의 1.5배이기 때문에 베이스 밴드 신호는 3배로 신장된 상태로 되어 있다. 이 때문에, 데이터 검출부(230)는 2비트 간격으로 비트열을 취득한다.
상술한 바와 같이 동기 심볼의 데이터 길이는 소정 비트수이기 때문에 데이터 검출부(230)는 탐색 스타트 비트로부터 소정 비트수의 비트열을 취득한 시점에서 이 비트열이 미리 결정된 동기 심볼의 비트열과 일치하는지의 여부를 판단한다. 취득한 비트열이 동기 심볼과 일치하면 데이터 검출부(230)는 다음 처리로 옮긴다. 한편, 일치하지 않았을 경우에는 데이터 검출부(230)는 그것까지와는 다른 주파수 대역(F2)의 CH2 비트 데이터에 대하여 상기 탐색 스타트 비트로부터 소정 비트수의 비트열이 동기 심볼의 비트열과 일치하는지의 여부의 판단을 행한다[도 11(b) 참조]. 그리고, 데이터 검출부(230)는 CH1 비트 데이터, CH2 비트 데이터, 및 CH3 비트 데이터 모두에 있어서도 동기 심볼이 발견되지 않았을 경우에는 최초의 주파수 대역(F1)의 CH1 비트 데이터로 돌아가 탐색 스타트 비트의 위치를 전회부터 1비트분 늦추고, 그 탐색 스타트 비트로부터 소정 비트수의 비트열이 동기 심볼의 비트열과 일치하는지의 여부를 판단함으로써 동기 심볼의 재탐색을 행한다[도 11(c) 참조]. 데이터 검출부(230)는 이들 처리를 동기 심볼이 발견될 때까지 반복한다.
동기 심볼이 발견되면 데이터 검출부(230)는 그 동기 심볼이 발견된 비트 데이터에 있어서, 그 동기 심볼의 후단에 상당하는 비트의 위치로부터 2비트 간격으로 소정 비트수의 비트열을 더 취득한다. 이 비트열은 프레임의 헤더에 상당한다. 헤더에는 프레임 길이가 기술되어 있기 때문에 데이터 검출부(230)는 헤더에 대해서만 복호 및 착오 검출을 행하고, 프레임 길이를 검출한다(스텝 S23).
이어서, 데이터 검출부(230)는 프레임 길이를 1프레임 내의 블록수(여기에서는 3)로 제산해서 1블록의 데이터 길이를 구한다. 그리고, 데이터 검출부(230)는 다음에 설명하는 조건에 따라 2값화부(2261~2263)로부터 출력되어 오는 비트 데이터로부터 블록(a, b, c)을 발출하고, 이들을 결합해서 프레임을 생성한다(스텝 S24).
도 12는 블록을 추출해서 프레임을 생성할 때의 조건을 설명하기 위한 개념도이다. 또한, 도 12에 있어서 a1, b1, b2, c1, c2는 각각 같은 알파벳으로 표기되는 a, b, c와 같은 블록이지만, 선택하는 블록의 설명을 이해하기 쉽게 하기 위해서 1 또는 2의 번호를 부기해서 구별했다. 또한, t1~t7의 각 시각의 간격은 1개의 블록의 수신에 필요로 하는 기간(상술한 1개의 프레임의 송신에 필요로 하는 기간의 1/3이며, 이하, 1블록 송신 기간이라고 한다)으로 한다. 또한, 현재 시각은 t7로 하고, 시각(t7)까지 수신 장치(2)가 각 주파수 대역(F1, F2, F3)에 있어서 수신한 블록은 수신 장치(2)[복조부(22)]의 도시되지 않는 기억부에 기억되어 있는 것으로 한다.
데이터 검출부(230)는 시각(t7)에 있어서 수신을 완료한 블록(a), 즉 1개의 프레임의 선두의 블록[도면에서는 블록(a1)]을 기점으로 하고, 프레임을 구성하는데에 필요한 나머지 블록(b) 및 블록(c)을 미리 결정된 선택 방법에 따라서 선택한다. 미리 결정된 선택 방법이란 이하에 설명하는 4개의 순서를 포함한다. 데이터 검출부(230)는 순서 1로부터 순서 4의 순서대로 프레임의 복호 및 착오 검출을 시도해서 어떤 순서에 있어서 1프레임분의 전송 데이터를 바르게 복조할 수 있었을 경우에는 그 이후의 순서에 대해서는 처리를 행하지 않는다.
순서 1: 블록(a1)의 수신이 완료된 현재 시각(t7)의 시점에서 블록(a1)과는 다른 주파수 대역(F2, F1)에 있어서 수신이 완료된 블록(b1) 및 블록(c1)을 선택한다[도면의 실선으로 둘러싼 블록(a1), 블록(b1), 블록(c1)]. 즉, 이 순서 1에서는 11블록 송신 기간에 있어서 전체 주파수 대역의 각각으로부터 각 블록을 1개씩 선택한다. 따라서, 1프레임분의 전송 데이터가 중첩된 소리를 수신 장치(2)가 수음하는데에 필요로 하는 기간은 1블록 송신 기간이면 충분하다.
순서 2: 블록(a1)의 수신이 완료된 현재 시각(t7)의 시점에서 블록(a1)과는 다른 주파수 대역(F2)에 있어서 수신이 완료된 블록(b1)과, 현재 시각(t7)보다 1블록분 전의 시각(t6)의 시점에서 블록(a1)과 같은 주파수 대역(F3)에 있어서 수신이 완료된 블록(c2)을 선택한다. 즉, 이 순서 2에서는 1블록 송신 기간보다 길고, 또한 1개의 프레임의 송신에 필요로 하는 기간보다 짧은 기간에서 복수의 주파수 대역으로부터 각 블록을 임의의 조합으로 선택한다.
순서 3: 현재 시각(t7)보다 2블록분 전의 시각(t5)의 시점에서 블록(a1)과 같은 주파수 대역(F3)에 있어서 수신이 완료된 블록(b2)과, 현재 시각(t7)보다 1블록분 전의 시각(t6)의 시점에서 블록(a1)과 같은 주파수 대역(F3)에 있어서 수신이 완료된 블록(c2)을 선택한다[도면의 점선으로 둘러싼 블록(a1), 블록(b2), 블록(c2)]. 즉, 이 순서 3에서는 1개의 프레임의 송신에 필요로 하는 기간에서 1개의 주파수 대역으로부터 각 블록을 선택한다.
순서 4: 현재 시각(t7)보다 2블록분 전의 시각(t5)의 시점에서 블록(a1)과 같은 주파수 대역(F3)에 있어서 수신이 완료된 블록(b2)과, 블록(a1)의 수신이 완료된 현재 시각(t7)의 시점에서 블록(a1)과는 다른 주파수 대역(F1)에 있어서 수신이 완료된 블록(c1)을 선택한다. 즉, 이 순서 4에서는 1개의 프레임의 송신에 필요로 하는 기간에서 복수의 주파수 대역으로부터 각 블록을 임의의 조합으로 선택한다. 순서 4는 순서 3의 경우보다 다중경로 페이딩이나 어느 하나의 주파수 대역에 대한 노이즈 혼입 등의 영향이 큰 경우에 채용되게 된다.
데이터 검출을 개시한 후의 현재 시각(t7)의 시점에서 블록(a, b, c)이 모두 일치되었다고 하면 순서 1에서 데이터 검출에 필요로 한 실질적인 소요 시간은 t7-t6(즉, 1개의 프레임의 송신에 필요로 하는 기간의 1/3)이다. 따라서, 순서 1에서 1프레임을 구성하는 전체 블록의 검출에 성공했을 경우에는 순서 1~4 중 실질적인 전송 속도가 가장 크다. 즉, 이들 블록이 중첩된 음향을 마이크(20)가 수음하는데에 필요로 하는 기간이 가장 짧다.
이어서, 순서 2에서 데이터 검출에 성공했을 경우에는 데이터 검출에 필요한 실질적인 소요 시간은 t7-t5(즉, 1개의 프레임의 송신에 필요로 하는 기간의 2/3)가 된다. 따라서, 순서 2는 순서 1 다음으로 실질적인 전송 속도가 크다.
그리고, 순서 3, 4에서 데이터 검출에 성공했을 경우에는 데이터 검출에 필요한 실질적인 소요 시간은 t7-t4(즉, 1개의 프레임의 송신에 필요로 하는 기간과 같은 기간)가 된다. 따라서, 순서 3, 4에서 데이터 검출에 성공했을 경우에는 실질적인 전송 속도가 가장 낮다. 즉, 이들 블록이 중첩된 음향을 마이크(20)가 수음하는데에 필요로 하는 기간이 가장 길다. 순서 3, 4는 다중경로 페이딩이나 노이즈 혼입 등의 영향을 억제할 수는 있지만, 단일 주파수 대역을 사용했을 경우에 비해서 전송 속도는 바뀌지 않는다.
따라서, 전송 품질에 악영향을 끼치는 다중경로 페이딩 등이 없으면, 본 실시형태에 있어서 1프레임을 전송하는데에 필요로 하는 기간은 최단으로 1개의 프레임을 주파수 대역에서 분할하지 않고 송신하는데에 필요로 하는 기간의 1/3의 기간이면 충분하게 된다. 또한, 그러한 악영향에 의해 전송 품질의 저하가 예상되는 경우에도 본 실시형태에 있어서는 길어도 1개의 프레임을 주파수 대역에서 분할하지 않고 송신하는데에 필요로 하는 기간을 들이면 1개의 프레임을 전송할 수 있을 가능성이 높다.
순서 1로부터 순서 4의 순서대로 블록을 선택해서 프레임의 복호 및 착오 검출을 시도하는 것은, 요컨대 선택 대상이 되는 블록이 중첩된 소리를 마이크(20)가 수음하는데에 필요로 하는 기간을 보다 짧게 하는 것을 우선하고 있다는 것이다. 즉, 데이터 검출부(230)는 선택한 블록이 중첩된 소리를 수음하는데에 필요로 하는 기간이 보다 짧아지는 알고리즘에 따라서 블록을 선택하고 있다.
그래서, 데이터 검출부(230)는 복호 및 착오 검출을 거쳐 생성한 프레임을 전송 데이터로서 출력한다(스텝 S25). 만약, 상기 처리의 과정에서 에러가 일어났을 경우에는 데이터 검출부(230)는 최초의 스텝 S21의 처리로 돌아가, 다음 비트부터 다시 데이터 검출을 시도한다.
이상 설명한 복조부(22)의 구성 중 STFT부(222)는 마이크(20)에 의해서 출력되는 음향 신호를 각각의 주파수 대역에 속하는 신호 성분으로 분리하는 분리 수단으로서 기능한다. 또한, 감산기(2231~2233), DC 컷트부(2251~2253), 2값화부(2261), 및 데이터 검출부(230)는 STFT부(222)에 의해 분리된 각 신호 성분에 의거하여 소정 기간마다 프레임의 일부에 상당하는 블록을 복조하고, 복조한 상기 블록군으로부터 선택한 블록을 연결해서 상기 프레임을 생성하는 프레임 생성 수단으로서 기능한다. 이 프레임 생성 수단은 미리 결정된 선택 방법에 따라서 선택한 방법, 예를 들면 선택한 블록이 중첩된 소리를 마이크(20)가 수음하는데에 필요로 하는 기간이 보다 짧아지는 선택 방법에 따라 블록을 선택하도록 되어 있다. 또한, 데이터 검출 트리거 발생부(240)는 마이크(20)에 의해 수음되는 소리에 전송 데이터(D)가 중첩되어 있는지의 여부를 판정하는 판정 수단으로서 기능한다.
이상 설명한 실시형태에 의하면 다른 주파수 대역을 이용한 차동 신호를 사용함으로써 이것을 사용하지 않는 경우에 비해 SN비가 향상된다. 또한, 이 차동 신호에 의거하여 베이스 밴드 신호를 2값화할 때의 역치를 이들 주파수 대역에 속하는 소리의 각각의 수음 상황에 따라서 동적으로 제어함으로써 비트 판정의 정밀도가 향상된다. 또한, 복수의 주파수 대역간에서 프레임의 송신 타이밍을 서로 어긋나게 송신함으로써 다중경로 페이딩이나 노이즈 혼입으로의 내성이 얻어진다. 또한, 이러한 다중경로 페이딩이나 노이즈 혼입 등의 사상의 영향을 받는 주파수 대역이 시간적으로 변동하는 경우도 있지만, 상기 실시형태에 의하면 복수의 주파수 대역간에서 프레임의 송신 타이밍을 서로 어긋나게 송신하므로 프레임을 구성하는 블록을 선택할 때의 선택지가 증가하여 상기와 같은 사상의 영향이 작은 주파수 대역의 소리로부터 데이터를 추출하는 것이 가능해진다. 또한, 1프레임을 1개의 주파수 대역만을 사용해서 송신하는 경우에 비해 프레임을 구성하는 블록을 선택할 때의 선택지가 될 수 있는 블록이 많으므로 미리 결정된 선택 방법에 따라 블록을 선택하면 선택한 블록이 중첩된 소리를 수음하는데에 필요로 하는 기간을 보다 짧게 하는 것이 가능해진다. 따라서, 1프레임을 1개의 주파수 대역만을 사용해서 송신하는 경우에 비해 실질적인 전송 속도의 향상을 기대할 수 있고, 또한 예를 들면 다중경로 페이딩이나 노이즈 혼입 등의 데이터 전송 속도를 저하시키는 사상이 발생했다고 해도 그 실질적인 전송 속도의 저하를 억제하는 것이 가능해진다.
[변형예]
[변형예 1: 변조부의 구성예]
도 2에 나타낸 변조부(10)를 도 13에 나타내는 구성으로 해도 좋다. 이 변형예 1에 의한 변조부(10a)는 음향 데이터(S)에 대한 처리계로서 도 2와 같이 LPF(101)를 구비하고, 전송 데이터(D)에 대한 처리계로서 도 2와 같이 지연기(1041, 1042)와, 6개의 발신기(1061~1063, 1061'~1063')와, 가변 저항기(1071~1073)와, 가산기(108)를 구비한다. 즉, 변조부(10a)가 발신기(1061~1063, 1061'~1063'), 가변 저항기(1071~1073), 및 가산기(108)를 구비하는 점에서 상기 실시형태와는 다르다. 가변 저항기(1071)는 일단이 발신기(1061)에, 타단이 발신기(1061')에 접속되어 있고, 양단의 단자간을 이동하는 출력 단자인 가동 단자가 가산기(108)에 접속된다. 가변 저항기(1072)는 일단이 발신기(1062)에, 타단이 발신기(1062')에 접속되어 있고, 양단의 단자간을 이동하는 출력 단자인 가동 단자가 가산기(108)에 접속된다. 가변 저항기(1073)는 일단이 발신기(1063)에, 타단이 발신기(1063')에 접속되어 있고, 양단의 단자간을 이동하는 출력 단자인 가동 단자가 가산기(108)에 접속된다. 본 변형예에 있어서는 이들 발신기(1061~1063, 1061'~1063'), 가변 저항기(1071~1073), 및 가산기(108)가 변조 신호 생성 수단으로서 기능한다. 또한, 변조부(10a)의 각 구성은 하드웨어에 의해 실현되어도 좋고, 하드웨어 및 소프트웨어의 협동에 의해 실현되어도 좋다.
발신기(1061)는 주파수 대역(f1)의 신호를 출력하고, 발신기(1061')는 주파수 대역(f1')의 신호를 출력한다. 발신기(1062)는 주파수 대역(f2)의 신호를 출력하고, 발신기(1062')는 주파수 대역(f2')의 신호를 출력한다. 발신기(1063)는 주파수 대역(f3)의 신호를 출력하고, 발신기(1063')는 주파수 대역(f3')의 신호를 출력한다. 전송 데이터가 가변 저항기(1071)에 입력되면 가변 저항기(1071)는 그 전송 데이터의 비트값이 「1」인 경우에는 발신기(1061)로부터 가산기(108)에 이르기까지의 저항값아 작아짐과 아울러, 발신기(1061')로부터 가산기(108)에 이르기까지의 저항값이 커지도록 가동 단자를 이동시킨다. 따라서, 가동 단자의 이동에 따라 발신기(1061)로부터 출력되는 주파수 대역(f1)의 신호의 강도가 서서히 커짐과 아울러, 발신기(1061')로부터 출력되는 주파수 대역(f1')의 신호의 강도가 서서히 작아진다. 한편, 전송 데이터의 비트값이 「0」인 경우에는 가변 저항기(1071)는 발신기(1061')로부터 가산기(108)에 이르기까지의 저항값이 작아짐과 아울러, 발신기(1061)로부터 가산기(108)에 이르기까지의 저항값이 커지도록 가동 단자를 이동시킨다. 따라서, 가동 단자의 이동에 따라 발신기(1061')로부터 출력되는 주파수 대역(f1')의 신호의 강도가 서서히 커짐과 아울러, 발신기(1061)로부터 출력되는 주파수 대역(f1)의 신호의 강도가 서서히 작아진다.
마찬가지로, 가변 저항기(1072)는 전송 데이터의 비트값이 「1」인 경우에는 발신기(1062)로부터 가산기(108)에 이르기까지의 저항값이 작아짐과 아울러, 발신기(1062')로부터 가산기(108)에 이르기까지의 저항값이 커지도록 가동 단자를 이동시키고, 그 전송 데이터의 비트값이 「0」인 경우에는 발신기(1062')로부터 가산기(108)에 이르기까지의 저항값이 작아짐과 아울러, 발신기(1062)로부터 가산기(108)에 이르기까지의 저항값이 커지도록 가동 단자를 이동시킨다. 또한, 가변 저항기(1073)는 전송 데이터의 비트값이 「1」인 경우에는 발신기(1063)로부터 가산기(108)에 이르기까지의 저항값이 작아짐과 아울러, 발신기(1063')로부터 가산기(108)에 이르기까지의 저항값이 커지도록 가동 단자를 이동시키고, 그 전송 데이터의 비트값이 「0」인 경우에는 발신기(1063')로부터 가산기(108)에 이르기까지의 저항값이 작아짐과 아울러, 발신기(1063)로부터 가산기(108)에 이르기까지의 저항값이 커지도록 가동 단자를 이동시킨다.
실시형태에 있어서는 차동 신호가, 예를 들면 주파수 대역(f1)으로부터 주파수 대역(f1')으로 스위칭될 때에는 주파수 대역(f1)의 신호가 순간적으로 소멸함과 거의 동시에 주파수 대역(f1')의 신호가 순간적으로 발생하고 있었다. 이에 대하여, 이 변형예에 있어서 차동 신호가 주파수 대역(f1)으로부터 주파수 대역(f1')으로 스위칭될 때에는 실시형태에서 주파수 대역(f1)으로부터 주파수 대역(f1')으로의 순간적인 스위칭에 필요로 하는 기간보다 긴 기간에 걸쳐 주파수 대역(f1)의 신호의 강도가 서서히 작아짐과 아울러, 주파수 대역(f1')의 신호의 강도가 서서히 커진다. 즉, 이들 협대역 주파수에 속하는 신호 성분의 출력을 서로 반전시킬 때에 이 반전이 상기와 같은 비교적 긴 기간을 들여 서서히 행해지게 된다. 실시형태와 같이 차동 신호가, 예를 들면 주파수 대역(f1)으로부터 주파수 대역(f1')으로 순간적으로 스위칭되면 방음되는 음향의 스펙트럼이 급격하게 변하므로 청취자의 청감상에서 위화감이 발생할 가능성이 있다. 그래서, 본 변형예와 같이 서서히 주파수 대역(f1)으로부터 주파수 대역(f1')으로 스위칭되도록 하면 그 위화감이 적어지도록 제어할 수 있다. 또한, 상술한 가변 저항기(1071~1073)는 기계적인 구성으로 실현해도 좋고, 전기적인 구성으로 실현해도 좋다.
[변형예 2: 복조부에 있어서 역치를 고정할 경우]
실시형태에 있어서는 2값화를 행하기 위한 역치를 동적으로 변경하고 있었지만, 비트 판정의 정밀도를 더 향상시키기 위하여 수신 장치(2)에 있어서의 복조부(22)를 도 14에 나타내는 구성으로 해서 고정의 역치를 병용하도록 해도 좋다. 이 변형예 2에 의한 복조부(22a)가 도 6에 나타낸 복조부(22)와 다른 것은 LPF(2241~2243)로부터의 각 출력이 각각 DC 컷트부(2251~2253)를 거치지 않고 직접 입력되는 2값화부(2261-1~2263-1)를 구비하고 있는 점이다. 본 변형예에 있어서 감산기(2231~2233), DC 컷트부(2251~2253), 2값화부(2261), 2값화부(2261-1~2263-1), 및 데이터 검출부(230)는 프레임 생성 수단으로서 기능한다. 또한, 복조부(22a)의 각 구성은 하드웨어에 의해 실현되어도 좋고, 하드웨어 및 소프트웨어의 협동에 의해 실현되어도 좋다.
데이터 검출부(230)에는 도 6과 같이 DC 컷트부(2251~2253)를 거친 비트 데이터(CH1 비트 데이터 d, CH2 비트 데이터 d, CH3 비트 데이터 d)가 입력됨과 아울러, DC 컷트부(2251~2253)를 거치지 않는 비트 데이터(CH1 비트 데이터 z, CH2 비트 데이터 z, CH3 비트 데이터 z)가 입력된다. 데이터 검출부(230)는 CH1 비트 데이터 d, CH2 비트 데이터 d, CH3 비트 데이터 d에 대해서는 실시형태와 같이 역치(th)를 동적으로 변동시켜서 2값화를 행하지만, CH1 비트 데이터 z, CH2 비트 데이터 z, CH3 비트 데이터 z에 대해서는 고정의 역치(여기에서는 0으로 한다)를 사용해서 2값화를 행한다. 그리고, 데이터 검출부(230)는 이러한 2종류의 역치를 사용해서 복조한 블록 중 그 결과가 양호한 쪽(복조 과정에서 에러 등이 발생하지 않은 쪽의 결과)을 사용해서 프레임을 생성한다.
[변형예 3: 각종 필터의 생략]
도 6이나 도 14에 나타낸 복조부(22, 22a)의 구성에 있어서 HPF(221)를 사용하고 있었지만, 변조 대역 이외의 대역에 속하는 신호가 변조 음향 신호(A)에 그다지 포함되어 있지 않을 경우, 또는 그 영향을 무시할 수 있을 경우에는 HPF에 의하는 필터링을 행하지 않아도 좋다. 마찬가지로 변조부(10)나 복조부(22)에서 사용되고 있는 LPF에 대해서도 이것을 구비하고 있지 않은 경우의 영향을 무시할 수 있을 경우에는 불필요하다.
[변형예 4: 블록의 수 및 주파수 대역의 수]
실시형태에 있어서 프레임을 구성하는 블록의 수는 3이었지만, 반드시 이것에 한정되지 않는다. 또한, 변조에 사용하는 주파수 대역(F1, F2, F3)의 수도 3이었지만 반드시 이것에 한정되지 않는다.
또한, 블록의 수가 주파수 대역의 수보다 많을 때에는 전송 데이터의 실질적인 전송 속도가 저하된다. 반면에 주파수 대역의 수가 블록의 수보다 많을 때에는 주파수 대역이 남아버려 중복인 구성이 된다. 이러한 전송 속도의 저하나 중복인 구성을 허용하는 것이라면 블록의 수와 주파수 대역의 수는 같지 않아도 좋다. 예를 들면, 1프레임을 구성하는 블록의 수가 6이며, 변조에 사용하는 주파수 대역의 수가 3이어도 좋다. 1프레임을 구성하는 블록의 수와 변조에 사용하는 주파수 대역의 수를 어떻게 결정하는지는 임의이다.
또한, 프레임을 구성하는 블록의 수가 n개(n은 양의 정수, 이하 동일)이며, 변조에 사용하는 주파수 대역(F1, F2, F3)의 수가 n개라고 하는 바와 같이 프레임을 구성하는 블록의 수와 변조에 사용하는 주파수 대역의 수가 모두 공통의 n일 경우에는 복조부(22)는 마이크(20)에 의해 출력되는 음향 신호를 n개의 주파수 대역에 속하는 신호 성분으로 분리하고, 1개의 프레임이 중첩된 n개의 주파수 대역 중 어느 하나에 속하는 소리를 수음하는데에 필요로 하는 기간의 1/n의 기간마다 상기 각 신호 성분에 의거하여 블록을 복조한다. 이때, 복조부(22)는 복조한 블록군으로부터 선택한 블록을 연결해서 프레임을 생성하지만 선택한 블록이 중첩된 소리를 수음하는데에 필요로 하는 기간이 1개의 프레임이 중첩된 소리를 수음하는데에 필요로 하는 기간의 1/n의 기간에 가깝도록 해서 블록을 선택한다. 이와 같이, 프레임을 구성하는 블록의 수와 변조에 사용하는 주파수 대역의 수가 같을 경우에는 주파수 대역을 효율적으로 이용할 수 있다.
또한, 실시형태에 있어서는 송신 장치(1)가 블록이라는 단위로 나누지 않고 프레임 단위로 반복하여 송신하고, 수신 장치(2)가 수신한 변조 음향 신호로부터 상술한 블록이라는 단위로 잘라내어 이 블록을 연결해서 프레임을 생성하고 있었지만, 반드시 그럴 필요는 없고, 송신 장치(1)가 블록이라는 단위로 나누어서 프레임 상당의 데이터를 송신하고, 수신 장치(2)가 이 블록을 연결해서 프레임을 생성하도록 해도 좋다. 이 경우, 송신되는 각 블록에 헤더 등이 부가되어 이 헤더 내에 각 블록의 식별자 등을 기술할 수 있기 때문에 수신 장치(2)는 이 식별자를 참조하면 각 블록의 식별이 용이해진다.
[변형예 5: 데이터 검출의 순서]
실시형태에서는 순서 1로부터 순서 4까지의 4가지의 순서를 포함하는 미리 결정된 블록 선택 방법을 상정하고 있었지만, 선택한 블록이 중첩된 소리를 수음하는데에 필요로 하는 기간이 보다 짧아지도록 해서 블록을 선택한다는 조건마저 일치하면 블록 선택 방법은 상기 4가지 이외의 방법도 고려된다. 예를 들면, 다중경로 페이딩이 발생하며, 또한 변조에 사용하는 각 주파수 대역의 신호에 노이즈가 포함되기 쉬운 환경 하에서는 1프레임을 전송하는데에 1개의 프레임을 송신하기 위해서 필요로 하는 기간보다 긴 기간이 걸리는 경우도 있다. 상기 4가지의 순서를 포함하는 블록 선택 방법을 채용하고 있는 것은 동기 심볼의 추출에 성공한 어떤 블록(a)[도 12의 블록(a1)에 대응]과 동일한 시각, 또는 동일한 주파수 대역의 전송 품질은 높다고 생각되는 것과, 블록 선택 방법을 지나치게 많게 하면 데이터 검출부(230)의 계산 부하가 증가하거나, 오검출의 증가를 초래하기 때문이다.
[변형예 6: 페어로서 이용하는 주파수 대역]
실시형태에서는 주파수 대역(f1)=18000Hz, 주파수 대역(f1')=18400Hz, 주파수 대역(f2)=18800㎐, 주파수 대역(f2')=19200㎐, 주파수 대역(f3)=19600㎐, 주파수 대역(f3')=20000㎐라고 하는 바와 같이 서로 가까운 주파수끼리를 페어로 하고 있었지만, 이것을 예를 들면 주파수 대역(f1)=18000㎐, 주파수 대역(f2)=18400㎐, 주파수 대역(f3)=18800㎐, 주파수 대역(f1')=19200㎐, 주파수 대역(f2')=19600㎐, 주파수 대역(f3')=20000㎐라고 하는 바와 같이 서로 먼 주파수끼리를 페어로 해도 좋다. 예를 들면, 어떤 주파수 대역에 있어서 다중경로 페이딩이나 노이즈 혼입 등의 사상이 생겼을 때에는 그 주파수에 비교적 가까운 주파수 대역도 영향을 받는다. 그래서, 본변형예와 같이 서로 먼 주파수끼리를 페어로 하면 상기와 같은 사상으로의 내성의 향상을 기대할 수 있다.
또한, 실시형태에서는 2개의 협역 주파수 대역을 사용하고, 예를 들면 비트 「1」을 보낼 때에는 주파수 대역(f1)에 속하는 신호가 소정값으로 출력되고 주파수 대역(f1')에 속하는 신호가 출력되지 않는 한편, 비트 「0」을 보낼 때에는 주파수 대역(f1)에 속하는 신호가 출력되지 않고 주파수 대역(f1')에 속하는 신호가 소정값으로 출력된다. 또한, 이것의 2배의 전송 속도를 실현하려고 하면 주파수 대역(F1)에 속하는 협대역 주파수를 4개 준비하고[주파수 대역(f1, f1', f01, f01')], 예를 들면 비트 「1, 0」을 보낼 때에는 주파수 대역(f1)에 속하는 신호가 소정값으로 출력되고 주파수 대역(f1')에 속하는 신호가 출력되지 않는다. 또한, 주파수 대역(f01)에 속하는 신호가 출력되지 않고 주파수 대역(f01')에 속하는 신호가 소정값으로 출력된다. 또한, 예를 들면 비트 「0, 1」을 보낼 때에는 주파수 대역(f1)에 속하는 신호가 출력되지 않고 주파수 대역(f1')에 속하는 신호가 소정값으로 출력된다. 또한, 주파수 대역(f01)에 속하는 신호가 소정값으로 출력되고 주파수 대역(f01')에 속하는 신호가 출력되지 않는다. 단, 이들의 경우에도 주파수 대역(f1, f1')에만 주목하면 프레임을 구성하는 각 비트의 값에 따라 상기 프레임에 대응하는 2개의 협대역 주파수에 속하는 신호의 출력을 서로 반전시킴으로써 변조 신호를 생성하도록 되어 있다.
또한, 변조되는 반송파의 주파수 대역을 실시형태에서는 인간이 청취할 수 있는 주파수 대역보다 높은 주파수 대역으로 하고 있었지만, 반드시 이것에 한정되지 않는다.
[변형예 7: 소리의 전파 매체]
상기 실시형태에서는 소리가 전파하는 매체로서 대기를 상정하고 있었지만, 대기 이외의 기체 외에, 예를 들면 건물, 구조물, 가구 등의 고체나, 물 등의 액체이어도 좋다. 소리가 전파하는 매체가 고체인 경우, 송신 장치(1)는 스피커(12) 대신에 출력부(11)로부터 출력되는 신호에 따른 진동을 발생하는 가진(加振) 수단을 구비하는 한편, 수신 장치(2)는 마이크(20) 대신에 고체의 진동을 검지하는 가속도 센서 등의 진동 검지 수단을 구비한다. 또한, 송신 장치(1)의 가진 수단에 의해 진동하는 고체에 의해 소리를 발하는 경우에는 수신 장치(2)는 실시형태와 같이 마이크(20)를 구비하고 있으면 좋다.
[변형예 8: 송신 개시 타이밍]
본 발명에 의한 「송신 개시 타이밍」이란 전송 데이터가 중첩된 음향 신호가 출력부(11)로부터 스피커(12)에 공급되어서 방음 그 자체가 개시되는 타이밍을 포함하는 이외에 그 방음을 위해서 음향 데이터가 변조부(10)에 공급되는 처리가 개시되는 타이밍이나, 변조부(10)에 있어서 음향 데이터에 전송 데이터가 중첩되는 처리가 개시되는 타이밍 등, 실질적으로 프레임의 송신이 개시되는 타이밍으로 간주되는 타이밍을 포함한다.
[변형예 9: 비트 판정에 사용하는 역치]
차동 신호에 의거하여 비트 판정을 행할 때의 역치는 실시형태와 같이 시변동하는 역치(th)가 아니라 고정된 역치를 사용해도 좋다.
[변형예 10: 프로그램]
본 발명은 송신 장치(1)나 수신 장치(2)와 동등한 기능을 컴퓨터에 실현시키기 위한 프로그램이나, 이러한 프로그램을 기억시킨 광디스크 등의 기록 매체로서도 특정될 수 있다. 본 발명에 의한 프로그램은 인터넷 등의 네트워크를 통해 컴퓨터에 다운로드시키고, 이것을 인스톨해서 이용 가능하게 하는 등의 형태로도 제공될 수 있다.
본 출원은 2013년 2월 21일에 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 2013-032506) 및 2013년 11월 28일에 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 2013-246685)에 의거하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 도입된다.
본 발명은 소리를 전송 매체로 이용해서 데이터를 전송하는 장치에 있어서, 그 소리로부터 데이터를 인출시키는 가능성을 높게 할 수 있는 점에서 유용하다.
1 : 송신 장치 2 : 수신 장치
10, 10a : 변조부 11 : 출력부
12 : 스피커 20 : 마이크
21 : 입력부 22, 22a, 22b, 22c, 22d : 복조부
101, 1021~1023, 2241~2243 : LPF 1031~1033 : VCO
1041~1042 : 지연기 105, 2231~2233 : 가산기
220 : 비트 복호부 221 : HPF
222 : STFT부 2251~2253 : DC 컷트부
2261~2263, 2261-1~2263-1 : 2값화부 230 : 데이터 검출부
240 : 데이터 검출 트리거 발생부 2411~2413 : FFT부
2421~2423 : 정규화부 243 : 승산기
244 : 신호 레벨 계산부

Claims (9)

  1. 전송 데이터의 1단위에 상당하는 프레임의 송신 개시 타이밍을 소정 기간씩 지연시키는 지연 수단과,
    상기 지연 수단에 의해 송신 개시 타이밍이 지연된 상기 프레임을 사용해서 상기 송신 개시 타이밍에 따라 다른 주파수 대역의 반송파를 변조한 변조 신호를 생성하는 변조 신호 생성 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 변조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 변조 신호 생성 수단에 의해 생성된 상기 변조 신호에 따라 방음하는 방음 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 변조 장치.
  3. 전송 데이터의 1단위에 상당하고, 송신 개시 타이밍이 소정 기간씩 지연된 프레임을 사용해서 상기 송신 개시 타이밍에 따라 다른 주파수 대역의 반송파를 변조한 변조 신호에 따라서 방음된 소리의 음향 신호를 각각의 상기 주파수 대역에 속하는 신호 성분으로 분리하는 분리 수단과,
    상기 분리 수단에 의해 분리된 각 신호 성분에 의거하여 소정 기간마다 상기 프레임의 일부에 상당하는 블록을 복조하고, 복조한 블록군으로부터 미리 결정된 선택 방법에 따라서 선택한 블록을 연결해서 상기 프레임을 생성하는 프레임 생성 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 복조 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 변조 신호 생성 수단에 의해 변조되는 반송파의 주파수 대역은 n개(n은 양의 정수)의 주파수 대역이며,
    상기 프레임 생성 수단은,
    1개의 상기 프레임이 n개의 상기 주파수 대역 중 어느 하나에 있어서 중첩된 기간의 1/n의 기간마다 상기 각 신호 성분에 의거하여 상기 블록을 복조하는 것을 특징으로 하는 복조 장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 주파수 대역의 각각은 상기 주파수 대역보다 대역폭이 좁은 복수의 협대역 주파수를 포함하고,
    상기 변조 신호 생성 수단은 상기 프레임을 구성하는 각 비트의 값에 따라 상기 프레임에 대응하는 2개의 상기 협대역 주파수에 속하는 신호의 출력의 각각을 서로 반전시킴으로써 상기 변조 신호를 생성하고,
    상기 분리 수단은 상기 음향 신호를 상기 주파수 대역의 각각에 포함되는 2개의 상기 협대역 주파수에 속하는 신호로 각각 분리하고,
    상기 프레임 생성 수단은 2개의 상기 협대역 주파수에 각각 속하는 신호의 차분과 역치를 비교해서 상기 비트의 값을 복호함으로써 상기 블록을 복조하는 것을 특징으로 하는 복조 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 프레임 생성 수단은 상기 분리 수단에 의해 분리된 각 신호 성분의 상부 엔빌로프 및 하부 엔빌로프를 산출하고, 산출한 상기 상부 엔빌로프와 상기 하부 엔빌로프 사이의 시간적으로 변동하는 값을 상기 역치로서 사용하는 것을 특징으로 하는 복조 장치.
  7. 전송 대상이 되는 전송 데이터를 중첩한 음향 신호를 소리로 해서 방음하는 송신 장치와, 상기 송신 장치로부터 방음된 소리로부터 상기 전송 데이터를 추출하는 수신 장치를 구비한 음향 통신 시스템으로서,
    상기 송신 장치는,
    전송 데이터의 1단위에 상당하는 프레임의 송신 개시 타이밍을 소정 기간씩 지연시키는 지연 수단과,
    상기 지연 수단에 의해 송신 개시 타이밍이 지연된 상기 프레임을 사용해서 상기 송신 개시 타이밍에 따라 다른 주파수 대역의 반송파를 변조한 변조 신호를 생성하는 변조 신호 생성 수단과,
    상기 변조 신호 생성 수단에 의해 생성된 변조 신호에 따른 소리를 방음하는 방음 수단을 갖고,
    상기 수신 장치는,
    상기 방음 수단으로부터 방음된 소리를 수음해서 음향 신호를 출력하는 수음 수단과,
    상기 수음 수단에 의해 출력되는 음향 신호를 각각의 상기 주파수 대역에 속하는 신호 성분으로 분리하는 분리 수단과,
    상기 분리 수단에 의해 분리된 각 신호 성분에 의거하여 소정 기간마다 상기 프레임의 일부에 상당하는 블록을 복조하고, 복조한 블록군으로부터 미리 결정된 선택 방법에 따라서 선택한 블록을 연결해서 상기 프레임을 생성하는 프레임 생성 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 음향 전송 시스템.
  8. 컴퓨터에,
    전송 데이터의 1단위에 상당하고, 송신 개시 타이밍이 소정 기간씩 지연된 프레임을 사용해서 상기 송신 개시 타이밍에 따라 다른 주파수 대역의 반송파를 변조한 변조 신호에 따라서 방음된 소리의 음향 신호를 각각의 상기 주파수 대역에 속하는 신호 성분으로 분리하는 분리 스텝과,
    상기 분리 스텝에 의해 분리된 각 신호 성분에 의거하여 소정 기간마다 상기 프레임의 일부에 상당하는 블록을 복조하고, 복조한 블록군으로부터 미리 결정된 선택 방법에 따라서 선택한 블록을 연결해서 상기 프레임을 생성하는 프레임 생성 스텝을 실행시키기 위한 것을 특징으로 하는 프로그램.
  9. 전송 데이터의 1단위에 상당하고, 송신 개시 타이밍이 소정 기간씩 지연된 프레임을 사용해서 상기 송신 개시 타이밍에 따라 다른 주파수 대역의 반송파를 변조한 변조 신호에 따라서 방음된 소리의 음향 신호를 각각의 상기 주파수 대역에 속하는 신호 성분으로 분리하는 분리 스텝과,
    상기 분리 스텝에 있어서 분리된 각 신호 성분에 의거하여 소정 기간마다 상기 프레임의 일부에 상당하는 블록을 복조하고, 복조한 블록군으로부터 미리 결정된 선택 방법에 따라서 선택한 블록을 연결해서 상기 프레임을 생성하는 프레임 생성 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 복조 방법.
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