(57)【要約】【課題】周波数解析をしなくても信号の周波数変移を容易に検出して、ドップラーシフト補正を行うことができる変復調システムを提供する。【解決手段】本発明の変復調システム１は、変調装置２が、入力信号を変調し、変調信号（パスバンド信号）に拡散符号を重畳して、加算信号を空間放音する。また、復調装置３が、加算信号から変調信号と拡散符号抽出し、拡散符号の相関値ピークの時間位置を検出し、その値を元に変調信号をリサンプリングする。そして、リサンプリング後の信号を使って、ベースバンド帯域へ復調する。これにより、変調装置２が空間放音した加算信号に、ドップラー効果による周波数変移に起因するピッチ変動（ドップラーシフト）が発生しても、復調装置３では、ドップラーシフト補正を行って、ピッチ変動の無い信号を復調できる。【選択図】図１
2010130429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パスバンド信号に拡散符号が重畳された加算信号と、拡散符号と、の相関値を出力する相関値算出手段と、
前記相関値のピークを検出し、このピークの時間間隔情報を出力するピーク変動検出手段と、
前記加算信号に含まれるパスバンド信号を、前記ピークの時間間隔情報に基づいてリサンプリングするリサンプリング手段と、
前記リサンプリングされたパスバンド信号を復調する復調手段と、
を備えた復調装置。
【請求項２】
前記加算信号から前記下側波帯以下の帯域を抽出して、前記相関値算出手段に出力する低域抽出手段と、
前記加算信号からパスバンド信号を含む帯域を抽出して、前記リサンプリング手段に出力する高域抽出手段と、
を備えた請求項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して出力する変調手段と、
前記変調手段が出力したパスバンド信号の下側波帯を除去する除去手段と、
前記拡散符号の帯域を前記下側波帯の帯域以下に制限する帯域制限手段と、
前記帯域制限手段が帯域制限した拡散符号を前記パスバンド信号に重畳して前記加算信号を生成する加算手段と、
を備えた変調装置と、
請求項２に記載の復調装置と、
から成る変復調システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ドップラーシフトによるピッチ変動を補正する復調装置及び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を送受信する場合、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く。そして、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る。そのため、復調アルゴリズムが複雑であるという問題があった。
【０００４】
また、従来の変調装置では、定常的に強いレベルの正弦波をパイロット信号として重畳するため、放音する加算信号を超音波領域であったとしても、人によっては耳障りに感じたり、周辺環境で共振等の悪影響が発生したりする可能性があった。
【０００５】
そこで、本発明は、周波数解析をしなくても信号の周波数変移を容易に検出して、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】
【０００６】
この発明では、復調装置は、パスバンド信号に拡散符号が重畳された加算信号と拡散符号との相関値を求めて、その相関値のピークを検出し、このピークの時間間隔情報を出力する。また、加算信号に含まれるパスバンド信号を、前記ピークの時間間隔情報に基づいてリサンプリングを行い、リサンプリングされたパスバンド信号を復調する。したがって、周波数解析をしなくても信号の周波数変移を、時間軸上の伸縮として検出することができ、復調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。
【０００７】
この発明では、加算信号から前記下側波帯以下の帯域を抽出して相関値算出手段に出力し、また、加算信号からパスバンド信号を含む帯域を抽出してリサンプリング手段に出力する。したがって、拡散符号を含む帯域とパスバンド信号を含む帯域とが異なる帯域に設定された加算信号が入力されると、拡散符号とパスバンド信号を別々に抽出できる。
【０００８】
この発明では、入力信号をパスバンド信号に変調して、下側波帯を除去したパスバンド信号に、帯域を前記下側波帯の帯域以下に制限した拡散符号を重畳して前記加算信号を生成する。したがって、拡散符号とパスバンド信号の帯域が重複しないように両信号を調整できるので、復調装置では、拡散符号とパスバンド信号を個別に抽出できる。
【０００９】
また、この発明では、変調装置は、高域制限手段で入力信号の高域を制限するものとしても良い。この構成では、入力信号の帯域を制限することで、パスバンド信号の帯域を制限できるので、加算手段でパスバンド信号に重畳する拡散符号の帯域制限量を少なくすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、周波数解析をしなくても、信号の周波数変移を時間軸上の伸縮として検出することができ、復調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。また、本発明では重畳する信号は比較的耐雑音性が高い拡散符号であり、あまり高いレベルで重畳する必要は無く、聴感上への違和感を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。図１は、本発明の実施形態に係る変復調システムの構成を示すブロック図であり、（Ａ）は変調装置、（Ｂ）は復調装置の構成を示している。図２は、変調信号の周波数特性の一例を示すグラフである。図３は、整合フィルタが出力した波形の例を示すグラフである。
【００１２】
まず、本発明の実施形態に係る変復調システムの概略を説明する。変復調システム１は、変調装置２と復調装置３から成る。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。
【００１３】
すなわち、本発明の変復調システム１は、変調装置２が、入力信号を変調し、変調信号（パスバンド信号）に拡散符号を重畳して、加算信号を空間放音する。また、復調装置３が、加算信号から変調信号と拡散符号を抽出し、拡散符号と整合フィルタの係数で使用する拡散符号列との相関値を求める。そして、相関値のピークの時間位置を検出し、その値を元に変調信号をリサンプリングする。さらに、リサンプリング後の信号を使って、ベースバンド帯域へ復調する。これにより、変調装置２が空間放音した加算信号に、ドップラー効果による周波数変移に起因するピッチ変動（ドップラーシフト）が発生しても、復調装置３では、ドップラーシフト補正を行って、ピッチ変動の無い信号を復調できる。
【００１４】
以下、その詳細を説明する。まず、変調側の構成、処理について説明する。
【００１５】
図１（Ａ）に示すように、変調装置２は、ＬＰＦ１１、乗算器１２、正弦波発生器１３、ＨＰＦ１４、加算器１５、拡散符号発生器１６、ＬＰＦ１７、及びゲイン調整器１８を備えている。
【００１６】
ＬＰＦ１１は、高域制限手段に相当し、入力信号（音声信号，ベースバンド信号）の帯域（高域）を制限する。ＬＰＦ１１で、入力信号の帯域を制限することで、乗算器１２で変調する際にパスバンド信号の帯域を制限できるので、加算器１５でパスバンド信号に重畳する拡散符号の帯域制限量を少なくすることが可能である。ＬＰＦ１１の遮断周波数は、サンプリング周波数や搬送波周波数の使用帯域に応じて決定する。本実施形態では、サンプリング周波数を８８．２ｋＨｚ、搬送波周波数を３０ｋＨｚ、ＬＰＦ１１の遮断周波数を８ｋＨｚに、それぞれ設定している。なお、入力信号の帯域に対して変調で使用できる帯域が充分広い場合には、ＬＰＦ１１は不要である。
【００１７】
乗算器１２は、変調手段に相当し、ＬＰＦ１１の出力信号と正弦波発生器１３の出力信号（搬送波）を乗算して、パスバンド信号に変調する。正弦波発生器１３が出力する正弦波の周波数は、本実施形態では前記のように３０ｋＨｚに設定する。
【００１８】
ＨＰＦ１４は、除去手段に相当し、変調信号の下側波帯を除去して、加算器１５に出力する。
【００１９】
拡散符号発生器１６は、拡散符号を生成する。この拡散符号は、周期性を持ち、周波数特性が白色雑音に近いものであれば良い。本実施形態では、周期５１１、チップレート８８．２ｋＨｚのＭ系列符号を使用する。
【００２０】
ＬＰＦ１７は、帯域制限手段に相当し、拡散符号とパスバンド信号の帯域が重複しないように、拡散符号の帯域を制限する。ＬＰＦ１１の遮断周波数は、ＨＰＦ１４に対応して、搬送波の帯域以下に設定する。
【００２１】
ゲイン調整器１８は、拡散符号のレベルを調整する。ゲイン調整器１８に設定するゲインは、使用する環境の外乱雑音や聴感などを元に決めると良い。
【００２２】
加算器１５は、加算手段に相当し、ＨＰＦ１４が出力したパスバンド信号に、ゲイン調整器１８が出力した拡散符号を重畳（加算）して、加算信号を出力する。
【００２３】
加算信号は、不図示の増幅器で増幅され、不図示のスピーカを通して空間放音され、空間を伝播する。
【００２４】
前記のように搬送波の周波数を３０ｋＨｚに設定しているので、図２に示すように、パスバンド信号（上側波帯）の帯域は３０ｋＨｚ以上であり、拡散符号の帯域は３０ｋＨｚ以下である。
【００２５】
次に、復調側の構成、処理について説明する。図１（Ｂ）に示すように、復調装置３は、ＬＰＦ２１、整合フィルタ２２、時間軸変動検出部２３、ＨＰＦ２４、バッファ２５、リサンプリング部２６、正弦波発生器２７、乗算器２８、及びＬＰＦ２９を備えている。
【００２６】
復調装置３は、変調装置２が放音した加算信号を不図示のマイクまたはセンサで収音する。この加算信号は、ＬＰＦ２１とＨＰＦ２４に入力される。
【００２７】
ＬＰＦ２１は、低域抽出手段に相当し、入力された加算信号から拡散符号の帯域のみを抽出して出力する。ＬＰＦ２１の遮断周波数は、変調装置２のＬＰＦ１７と同じで良い。
【００２８】
整合フィルタ２２は、相関値算出手段に相当し、ＦＩＲフィルタで構成され、その係数は、変調装置２の拡散符号発生器１６が生成する拡散符号と同じものを使用する。整合フィルタ２２は、係数で使用している拡散符号列と、入力される信号（拡散符号）の相関値を求める（相関をとる）ものである。したがって、入力信号と係数は、拡散符号周期で相関値が最高になるため、図３に示すように、符号周期で強いピークを示すことになる。
【００２９】
入力信号に周波数変動が無ければ、このピークは拡散符号周期毎に検出される。しかし、変調装置２と復調装置３の間で相対的な移動が発生した場合、ドップラー効果によって受信信号の周波数は変動する。これは、一般的にドップラーシフトと呼ばれる。ドップラーシフト周波数 ｆ’は、式１で表現される。
【００３０】
ｆ’＝  ｆ×（Ｖ−ｖｏ）／（Ｖ−ｖｓ）  ‥‥‥（式１）
ここで、ｆは音源の周波数、Ｖは音速、ｖｏは観測点の移動速度、ｖｓは音源の移動速度である。
【００３１】
このように、音源と観測点の相対速度が割合として周波数変移に寄与する。周波数変移は、時間軸で見ると、音波の時間波形の圧縮・伸張である。よって、ドップラーシフトを受けた拡散符号には時間軸方向での圧縮・伸張が発生している。
【００３２】
図４は、拡散符号の周波数変移と相関値ピーク間隔の関係を示す例である。例えば、図４に示すように、周期５１１の拡散符号が１チップ分の時間軸方向圧縮を受けた場合には、拡散符号は周波数が上がる方へシフトし、周期５１０でピークを示すようになる。また、周期５１１の拡散符号が１チップ分伸張した場合には、周波数が下がる方へシフトし、周期５１２でピークを示すようになる。したがって、整合フィルタ２２の出力である、相関値のピーク値の間隔を計測すれば、周波数変移を知ることができる。
【００３３】
なお、周波数変動による時間軸伸縮が、使用する拡散符号の１、２チップ分程度より大きく越える場合には、変調時に使用した拡散符号との相関値（整合フィルタ２２の出力）にピークが現れない場合があるため、整合フィルタ２２では、フィルタ係数を適宜変更するように構成しても良い。
【００３４】
例えば、拡散符号の約１周期前の相関ピークの検出結果から、どのくらい周波数変動が発生したかがわかるので、この情報に基づいてフィルタ係数を時間変動分に合った値に変更すると、周波数変動の大きさによらず、常に相関値ピークを検出することができる。よって、周波数変動量を把握しながら、相関値ピークも周波数変動に追従しながら検出可能となる。
【００３５】
なお、周波数の変移する時間が急激に変化するために、この変移に追従して相関をとることができない場合には、フィルタ係数を予め決めた初期値に変更するか、または相関値のピーク間隔の計測を開始した当初の速度で相関をとるように、フィルタ係数を変更すると良い。
【００３６】
時間軸変動検出部２３は、ピーク変動検出手段に相当し、拡散符号の相関値についてピークの時間間隔を求め、その時間間隔情報をリサンプリング部２６に出力する。
【００３７】
ＨＰＦ２４は、高域抽出手段に相当し、入力された加算信号からパスバンド信号を含む帯域のみを抽出して出力する。ＬＰＦ２１の遮断周波数は、変調装置２のＨＰＦ１４と同じで良い。
【００３８】
バッファ２５は、時間軸変動検出部２３が出力する時間間隔情報と、ＨＰＦ２４が出力するパスバンド信号と、が一致するようにタイミングを調整して、パスバンド信号をリサンプリング部２６へ出力する。
【００３９】
リサンプリング部２６は、リサンプリング手段に相当し、時間軸変動検出部２３が出力した時間間隔情報に基づいて、新たなサンプリング点を算出する。例えば、周期５１１の拡散符号を使用している場合に、時間軸変動検出部２３が周期５１２を検出したときには、周波数が下がる（低くなる）方向、つまり時間軸上で１チップ分伸びる方向への変移が発生していることを意味する。この場合、リサンプリング部２６は、変移を補正するために、５１２／５１１倍のリサンプリングを行う。また、時間軸変動検出部２３が周期５１０を検出したら、リサンプリング部２６は、変移を補正するために５１０／５１１のリサンプリングを行う。このような処理により、相関値のピーク時間間隔から検出した周波数変動を元の周波数に戻すことができる。リサンプリング部２６が行うリサンプリングは、任意の手法で良い。例えば、以下のようにして行う。
【００４０】
図５は、リサンプリングの概念図である。一般的には、ｐ／ｑ倍のリサンプリングを行う場合は、図５（Ａ）に示すようにゼロデータ補間によってｐ倍にアップサンプリング後、図５（Ｂ）に示すようにアンチエイリアスＬＰＦを通す。そして、図５（Ｃ）に示すように１／ｑに間引きを行う。
【００４１】
図６は、正弦波をリサンプリングした場合の波形を示す図である。図６には、正弦波を＋５％と−５％でリサンプリングした場合の波形例を示している。図６に示すように、リサンプリングによって信号波形を時間軸方向に伸縮させることが可能となる。なお、図６には、信号波形の時間軸方向の伸縮が明確にわかるように、±５％でリサンプリングした波形を示しているが、信号波形が５％も伸縮すると復調はできない。実際には、信号波形の伸縮の割合はかなり小さく、例えば０．２％〜０．３％程度である。
【００４２】
時間軸変動検出部２３は、拡散符号の周期毎に出力が更新されるため、リサンプリング部２６も拡散符号周期分のデータを使って行う。例えば、周期５１１であれば、５１１サンプル毎にリサンプリング処理をする。
【００４３】
乗算器２８は、復調手段に相当し、リサンプリング部２６が周波数変移をキャンセルしたパスバンド信号（変調信号）に、正弦波発生器２７が発生した正弦波を乗算してベースバンド帯域の信号に復調する。なお、正弦波発生器２７は、正弦波発生器１３と同じ形状の正弦波を出力する。
【００４４】
ＬＰＦ２９は、変調装置２のＬＰＦ１１と同じ遮断周波数が設定されており、乗算器２８が出力した信号（ベースバンド信号）から遮断周波数以下の信号を出力する。なお、変調装置２においてＬＰＦ１１を設けない場合には、復調装置３においてもＬＰＦ２９を設ける必要は無い。
【００４５】
このように、本発明の変復調システム１では、周波数解析をしなくても信号の周波数変移を、時間軸上の伸縮として検出することができ、復調処理に複雑なアルゴリズムを用いることなく、ドップラーシフトによるピッチ変化をキャンセルできる。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。
【００４６】
また、従来の変調装置では、定常的に強いレベルの正弦波をパイロット信号として重畳するため、放音する加算信号を超音波領域であったとしても、人によっては耳障りに感じたり、周辺環境で共振等の悪影響が発生したりする可能性がある。しかし、本発明では重畳する信号は比較的耐雑音性が高い拡散符号であり、あまり高いレベルで重畳する必要は無く、聴感上への違和感を少なくすることができる。
【００４７】
なお、変調装置２と復調装置３で行う処理は、デジタル処理でもアナログ処理でも当然良い。
【００４８】
また、本発明において、変調装置の入力信号は音声に限るものではなく、電磁波や光等、ドップラー効果が発生する他の信号（媒体）に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態に係る変復調システムの構成を示すブロック図である。
【図２】変調信号の周波数特性の一例を示すグラフである。
【図３】整合フィルタが出力した波形の例を示すグラフである。
【図４】拡散符号の周波数変移と相関値ピーク間隔の関係を示す例である。
【図５】リサンプリングの概念図である。
【図６】正弦波をリサンプリングした場合の波形を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…変復調システム    ２…変調装置    ３…復調装置    １１，１７，２１，２９…ＬＰＦ    １２，２８…乗算器    １３，２７…正弦波発生器    １４，２４…ＨＰＦ    １５…加算器    １６…拡散符号発生器    １８…ゲイン調整器    ２２…整合フィルタ    ２３…時間軸変動検出部    ２５…バッファ    ２６…リサンプリング部
【図１】
2010130429.tif 000003
【図４】
2010130429.tif 000004
【図５】
2010130429.tif 000005
【図２】
2010130429.tif 000006
【図３】
2010130429.tif 000007
【図６】
2010130429.tif 000008