(57)【要約】【課題】ドップラーシフトによる信号のピッチ変動を抑制することができる変復調システムを提供する。【解決手段】変調装置２は復調装置３に接近しながら超音波を放音しているので、マイクで収音した超音波（パスバンド信号）に含まれる変調信号及びパイロット信号は、ドップラーシフトにより周波数がシフト（上昇）している。そのため、復調器３５が復調した音声信号は、ピッチが上がった状態である。一方、パイロット信号は、ダウンサンプリングにより周波数ｆｓ／２で折り返されるので、ドップラーシフトによる変移方向とは逆の方向へ変移する。つまり、復調した音声信号の周波数が上がった分と、パイロット信号を折り返すことにより周波数が下がった分と、が同じ値になる。そのため、ＤＡＣ３７は、音声信号のピッチが上がった分だけ、音声信号をアナログ化する速度を低下させることで、音声信号は適正なピッチとなる。【選択図】図３
2010109719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から入力された、パイロット信号が重畳されたパスバンド信号を復調する復調手段と、
前記パイロット信号が重畳されたパスバンド信号を、前記パイロット信号の周波数以下の周波数で折り返す折り返し手段と、
前記折り返し手段が折り返した信号からパイロット信号を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段が抽出したパイロット信号の周波数に応じて、前記復調手段が復調した復調信号の周波数を補正する補正手段と、
を含む復調装置。
【請求項２】
前記抽出手段が抽出したパイロット信号の周波数に比例した電圧を発生させる制御信号発生手段と、
前記制御信号発生手段が発生させた電圧に比例したクロック信号を出力する電圧制御発振手段と、
を備え、
前記補正手段は、前記電圧制御発振手段が出力したクロック信号に応じて、前記復調信号の周波数を補正する請求項１に記載の復調装置。
【請求項３】
入力信号をパスバンド信号に変調する変調手段と、
前記パスバンド信号にパイロット信号を重畳する重畳手段と、
前記パイロット信号が重畳されたパスバンド信号を出力する出力手段と、
を含む変調装置と、
請求項１または２に記載の復調装置と、
を備えた変復調システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、変調信号を復調する復調装置、及び音声等の入力信号を変復調する変復調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁波を変調して信号送受信する場合、相対速度の変動によりドップラーシフトが発生することがある。このような現象に対処するために、従来、ＯＦＤＭのようなデジタル変調方式では、変調装置が変調時に送信信号に予め決定した周波数のパイロット信号を挿入しておき、復調装置が受信した信号を復調する際に、パイロット信号の周波数ずれなどを解析し、その結果に応じてドップラーシフトを補正することが行われている（特許文献１参照。）
【特許文献１】特開２００８−５５４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、ＯＦＤＭのようなデジタル変調方式では、復調装置でパイロット信号によるドップラーシフト補正を行うために、キャリア信号の周波数解析や、周波数解析の結果に基づくドップラーシフト量の算出などが必要であり、復調アルゴリズムが複雑であるという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、復調そのものの処理に複雑なアルゴリズムを用いることなく、ドップラーシフト補正を行うことができる復調装置、及び変復調システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の復調装置は、外部から入力された信号である、パイロット信号が重畳されたパスバンド信号を復調手段で復調する。また、復調装置は、折り返し手段でパイロット信号が重畳されたパスバンド信号を、前記パイロット信号の周波数以下の周波数で折り返す。そして、抽出手段でこの折り返し信号からパイロット信号を抽出し、補正手段でパイロット信号の周波数に応じて、前記復調手段が復調した復調信号の周波数を補正する。パイロット信号が重畳されたパスバンド信号が外部から入力された際に、信号源と復調装置の相対速度が変化していると、ドップラーシフトの影響でこの信号の周波数は変移する。しかし、パイロット信号は、折り返し手段によりパイロット信号の周波数以下の周波数で折り返されるので、ドップラーシフトによる変移方向とは逆の方向へ変移する。そのため、復調手段により復調された復調信号のピッチが、ドップラーシフトにより変動していても、パイロット信号の周波数に応じて、復調信号の周波数を補正することで、復調信号のピッチ変動をキャンセルすることができる。例えば、ドップラーシフトにより復調信号のピッチが一定周波数上がっている場合には、抽出手段が抽出したパイロット信号のピッチは同じ周波数だけ下がっている。そのため、このパイロット信号の周波数で復調信号を補正すると、ピッチ変動をキャンセルできる。このように、復調動作とは別の経路でドップラーシフトの補正を行う構成であるため、どのような復調アルゴリズムにも依存せず（複雑なアルゴリズムを用いることなく）、パスバンド信号を復調できる。
【０００６】
また、この発明の復調装置では、制御信号発生手段が、抽出手段が抽出したパイロット信号の周波数に比例した電圧を発生し、電圧制御発振手段が、制御信号発生手段が発生した電圧に比例したクロック信号を出力する。また、補正手段が、このクロック信号に応じて、前記復調信号の周波数を補正する。
【０００７】
この構成においては、折り返し手段が折り返した信号から抽出されたパイロット信号を用いて、クロック信号を発生するので、このクロック信号で復調信号を再生するように構成することで、演算処理を行うことなく補正を行うことができる。
【０００８】
また、この発明の変復調システムでは、変調装置が、変調手段で、入力信号をパスバンド信号に変調し、このパスバンド信号にパイロット信号を重畳して出力する。また、復調装置は、この変調装置が出力した信号を処理する。したがって、変調装置に対しても、変調時にパイロット信号を加算する構成を新たに追加するだけで良く、既存の変調アルゴリズム内部に大きな設計変更を必要としない。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、復調そのものの処理に複雑なアルゴリズムを用いることなく、ドップラーシフトの補正を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明の実施形態に係る変調装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施形態に係る復調装置の概略構成を示すブロック図である。図３は、本発明の実施形態に係る復調システムにおいて、信号処理による周波数特性の変化を説明するための図である。なお、図１及び図２に表記した括弧付きのアルファベットは、図３の各図に対応している。また、以下の説明では、変復調システムにおいて、音声帯域を超音波帯域に変調して、伝送、復調する場合を例に挙げて説明する。
【００１１】
変復調システム１は、変調装置２と復調装置３を備えている。変調装置２と復調装置３は、少なくとも一方が移動可能であり、両装置の相対速度が変化する場合がある。変調装置２と復調装置３の相対速度が変化しているときにパスバンド信号を放音及び収音すると、パスバンド信号はドップラーシフトの影響を受ける。しかし、本発明では、このドップラーシフトの影響をキャンセルできるように構成している。以下、その詳細を説明する。
【００１２】
変調装置２は、変調器２１（変調手段に相当）、正弦波発生器２２、及び加算器２３（重畳手段に相当）を備えている。
【００１３】
変調器２１は、可聴帯域の音声信号（図３（Ａ）参照）が入力されると、変調器２１で超音波帯域の信号（変調信号）に変調して、加算器２３に出力する。加算器２３は、正弦波発生器２２が生成した正弦波（パイロット信号）を、変調器２１が出力した変調信号に重畳する（図３（Ｂ）参照）。そして、加算器２３は、この変調信号にパイロット信号を重畳した信号であるパスバンド信号を出力する。加算器２３が出力したパスバンド信号は、不図示の増幅器で増幅され、不図示のスピーカまたはセンサ（出力手段に相当）から超音波として放音される。
【００１４】
変調器２１で行う変調方法は、可聴帯域の音声信号を超音波帯域の信号に変調するのであれば特に限定するものではない。また、復調時にパイロット信号を容易に抽出できるように、変調帯域（超音波帯域）とパイロット信号の周波数帯域は、重複せず、かつなるべく離れるように設定することが望ましい。また、また、変調装置２を、変調器２１内部のベースバンド帯域でパイロット信号を加算後に、パスバンドへ変調するように構成しても良い。
【００１５】
ここで、図３に示すサンプリング周波数（ｆｓ）は一例として４０ｋＨｚ、パイロット信号は一例として３０ｋＨｚである。また、変調器２１の入力信号の周波数帯域は可聴帯域で、変調器２１で変調された信号の周波数帯域は超音波帯域である。
【００１６】
なお、変調装置２において、変調器２１の前段には、マイクまたはデータ入力装置、増幅器などを設けると良い。また、変調装置２にアナログ信号を入力してデジタル処理を行う場合、アナログ変調器２１の前段にＡＤＣ、加算器２３の後段にＤＡＣを設けると良い。また、入力信号がデジタル信号の場合には、加算器２３の後段にＤＡＣを設けると良い。
【００１７】
図２に示すように、復調装置３は、ダウンサンプラ３１（折り返し手段に相当）、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）３２（抽出手段に相当）、制御信号発生器３３（制御信号発生手段に相当）及びＶＣＯ（電圧制御発振器）３４（電圧制御発振手段に相当）を備えている。また、復調装置３は、復調器３５（復調手段に相当）、バッファ３６、及びＤＡＣ（デジタル−アナログ変換回路）３７（補正手段に相当）を備えている。
【００１８】
復調装置３は、変調装置２が放音した超音波（パスバンド信号）を、不図示のマイクまたはセンサなどで収音し、不図示の増幅器で増幅し、不図示のＡＤＣでパスバンド信号をデジタル化して、ダウンサンプラ３１と復調器３５に出力する。
【００１９】
前記のように、変調装置２と復調装置３の相対速度が変化している場合、変調装置２が放音した超音波（パスバンド信号）は、ドップラーシフトの影響で周波数がシフトする。例えば、両装置が接近しつつある場合には、パスバンド信号の周波数は、図３（Ｃ）に示すように、相対速度に応じて高くなる。
【００２０】
復調装置３は、デジタル化されたパスバンド信号をダウンサンプラ３１で１／２倍にダウンサンプリングする。これにより、図３（Ｄ）に示すように、パスバンド信号は、パイロット信号よりも低い周波数の周波数ｆｓ／２を中心に折り返されて、可聴帯域内の信号となる。なお、ダウンサンプラ３１は、パイロット信号の周波数以下の周波数で折り返すように設定すれば、どのような周波数でも良い。
【００２１】
復調装置３は、続いて図３（Ｅ）に示すように、ＢＰＦ３２によりダウンサンプリング後の信号からパイロット信号を抽出する。なお、ＢＰＦ３２は、パイロット信号のみ抽出するように帯域が予め設定されている。
【００２２】
抽出されたパイロット信号は、制御信号発生器３３に入力され、制御信号発生器３３は、入力された正弦波の周波数変動に比例した電圧を出力する。例えば、制御信号発生器３３は、正弦波のゼロクロス周期をカウントし、正弦波の周波数変動を検出して、周波数に応じた電圧を制御信号として出力する。
【００２３】
ＶＣＯ３４は、制御信号の変化に比例したクロック信号を出力する。クロック信号は、基準となるサンプリング周波数の数％の範囲で追従するようにする。追従範囲は、想定するドップラーシフトの範囲に応じて決定すれば良い。
【００２４】
ＶＣＯ３４から出力するクロック信号は、一般的にはワードクロックと呼ばれるサンプリング周期のクロックである。このクロックを使ってＤＡＣ３７を動作させる。
【００２５】
一方、復調器３５は、外部から入力された超音波（パスバンド信号）に含まれる変調信号を音声信号（復調信号）に復調する。なお、復調器３５で行う復調方法は、超音波帯域の信号を可聴帯域の音声信号に復調するのであれば特に限定するものではない。また、復調器３５は、復調時にパイロット信号を復調しないように構成すると良い。また、復調装置がアナログ回路で構成されていれば、復調前に一旦基準サンプリング周波数でＤ／Ａ変換しても良い。
【００２６】
ＤＡＣ３７は、復調器３５が出力してバッファ３６に格納されたデジタル音声信号（復調信号）を、ＶＣＯ３４が出力したクロック信号で、アナログ信号に変換する。
【００２７】
なお、バッファ３６は、ＤＡＣ３７が復調信号（デジタル信号）をアナログ信号に変換する際に、ドップラーシフトによるピッチ変動の遅れを吸収するためのものである。
【００２８】
前記のように変調装置２は復調装置３に接近しながら超音波を放音している。そのため、マイク３１で収音した超音波（パスバンド信号）に含まれる変調信号及びパイロット信号は、ドップラーシフトにより、図３（Ｃ）に示したように、変調装置２や復調装置３の相対速度に応じて周波数がシフト（上昇）している。また、復調器３５が復調した音声信号は、図３（Ｆ）に示すように、ピッチが上がった状態である。
【００２９】
一方、パイロット信号は、ダウンサンプリングにより、周波数ｆｓ／２で折り返されるので、ドップラーシフトによる変移方向とは逆の方向へ変移する。例えば、上記のように復調した音声信号のピッチが上がる（周波数が上がる）方向に変移している場合には、図３（Ｅ）に示したように、ＤＡＣ３７のクロック信号は遅くなる（周波数が下がる）方向へ変移する。つまり、復調した音声信号の周波数が上がった分と、パイロット信号を折り返すことにより周波数が下がった分と、が同じ値になる。そのため、ＤＡＣ３７は、音声信号のピッチが上がった分だけ、音声信号をアナログ化する速度を低下させることで、音声信号は適正なピッチとなる。つまり、図３（Ｇ）・（Ａ）に示すように、ピッチ変動はキャンセルされて、変調装置２の入力端子２０から入力された元の音声信号と同じ周波数特性の音声信号を出力する。
【００３０】
以上の説明では、一例として、変調装置２と復調装置３が接近することにより、変調信号及びパイロット信号の周波数が上がる場合を示したが、両装置が離れてゆくことにより、変調信号及びパイロット信号の周波数が下がる場合についても同様である。
【００３１】
このように、ダウンサンプリングによる折り返し成分として抽出したパイロット信号から発生するクロック信号でＤＡＣ３７を動作させることにより、ドップラーシフトのピッチ変化をキャンセルすることができる。また、移動中の変調装置２と復調装置３の間で通信しても、聞きやすい整ったピッチの音声として再生できる。
【００３２】
また、変復調システム１では、変調時に、新たにパイロット信号を加算するだけで良く、既存の変調アルゴリズム内部に大きな設計変更を必要としない。さらに、復調動作とは別の経路で補正を行う構成なので、どんな復調アルゴリズムにも依存しない。したがって、変調・復調ともに、既存の処理構成において、ポストプロセッシングとして追加実装可能である。
【００３３】
なお、一例として、１／２ダウンサンプリングを行う場合を説明したが、これに限るものではなく、他の倍率でも構わない。
【００３４】
また、以上の説明では、デジタル処理により信号を折り返す例を示したが、デジタル処理に限るものではなく、アナログ処理でも当然良い。また、ＤＡＣのクロックを制御する例を示したが、周波数の補正ができる構成であれば他の構成でも当然良い。
【００３５】
また、本発明は、音声信号（入力信号）を超音波信号（変調信号）に変調する場合に限るものではなく、入力信号や変調信号としては、電磁波や光等、ドップラー効果が発生する他の媒体に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る変調装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る復調装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態に係る復調システムにおいて、信号処理による周波数特性の変化を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…変復調システム    ２…変調装置    ３…復調装置    ２１…変調器    ２２…正弦波発生器    ２３…加算器    ３１…ダウンサンプラ    ３２…ＢＰＦ    ３３…制御信号発生器    ３４…ＶＣＯ    ３５…復調器    ３６…バッファ    ３７…ＤＡＣ
【図１】
2010109719.tif 000003
【図２】
2010109719.tif 000004
【図３】
2010109719.tif 000005