(57)【要約】【課題】高い信頼度で音響通信が可能な通信システムを提供する。【解決手段】送信側が、データ信号によって周期単位で位相変調された変調用ＰＮ信号と、変調用ＰＮ信号と同期した参照用ＰＮ信号とを合成した合成信号を送信する。受信側は、受信した合成信号の変調用ＰＮ信号に対する相関値および参照用ＰＮ信号に対する相関値をそれぞれ求めて加算し、この加算された相関値に基づいてデータ信号を復調する。このため送信側の変調装置は、所定の周期を有する変調用ＰＮ信号を発生する変調用擬似雑音信号発生部と、前記変調用ＰＮ信号と同期した参照用ＰＮ信号を発生する参照用擬似雑音信号発生部と、データ信号に基づき変調用ＰＮ信号を周期ごとに位相変調する変調部と、変調された変調用ＰＮ信号と参照用ＰＮ信号とを合成して出力する合成部とを備える。【選択図】図２
2010041695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周期を有する変調用擬似雑音信号を発生する変調用擬似雑音信号発生部と、
前記変調用擬似雑音信号と同期し、異なる符号系列からなる参照用擬似雑音信号を発生する参照用擬似雑音信号発生部と、
データ信号に基づき、前記変調用擬似雑音信号を前記周期ごとに位相変調する変調部と、
前記変調された変調用擬似雑音信号と前記参照用擬似雑音信号とを合成して出力する合成部と、
を備えた変調装置。
【請求項２】
前記参照用擬似雑音信号は、前記変調用擬似雑音信号と同じ周期を有する信号である請求項１に記載の変調装置。
【請求項３】
前記変調用擬似雑音信号発生部と前記変調部の組み合わせを複数備え、
前記合成部は、複数の変調部が変調した複数の変調用擬似雑音信号および前記参照用擬似雑音信号を合成して出力する請求項１または請求項２に記載の変調装置。
【請求項４】
前記データ信号は、２値のビット列からなる信号であり、
前記変調部は、データ値に応じて前記変調用擬似雑音信号の位相を０度または１８０度回転させる請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の変調装置。
【請求項５】
前記合成部が出力した信号の周波数帯域を制限するハイパスフィルタをさらに備えた請求項１乃至請求項４に記載の変調装置。
【請求項６】
前記ハイパスフィルタから出力された信号に、前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数以下の周波数成分を有する楽音信号等の音声信号をミキシングするミキシング部をさらに備えた請求項５に記載の変調装置。
【請求項７】
データ信号によって周期単位で位相変調された変調用擬似雑音信号と、前記変調用擬似雑音信号と同期した異なる符号系列からなる参照用擬似雑音信号が合成された音声信号を入力する音声信号入力部と、
位相変調前の前記変調用擬似雑音信号に対する前記音声信号の相関値である第１相関値を検出する第１相関検出部と、
前記参照用擬似雑音信号に対する前記音声信号の相関値である第２相関値を検出する第２相関検出部と、
前記第１相関値と第２相関値とを加算して合成相関値を出力する加算部と、
前記変調用擬似雑音信号の１周期ごとに前記合成相関値のピーク値を検出するピーク検出部と、
該ピーク値検出部が検出したピーク値の大きさに基づいて前記音声信号に重畳されていたデータ信号を復調する復調部と、
を備えた復調装置。
【請求項８】
前記ピーク検出部は、
前記変調用擬似雑音信号の１周期における前記第２相関値のピークタイミングを検出する相関検出部と、
該相関検出部が検出したピークタイミング付近における前記合成相関値のピーク値を検出するピーク値検出部と、
を含む請求項７に記載の復調装置。
【請求項９】
前記相関検出部は、前記ピークタイミングにおける前記第２相関値である参照用ピーク値を検出し、
前記復調部は、前記ピーク値検出値が検出したピーク値を前記参照用ピーク値と比較することによってデータ信号を復調する
請求項８に記載の復調装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の変調装置と、該変調装置が出力した信号を媒質中に放音する放音部と、を備えた送信装置と、
媒質中を伝搬する音声信号を収音する収音部と、該収音部が収音した音声信号からデータ信号を復調する請求項７乃至請求項請求項９のいずれかに記載の復調装置と、を備えた受信装置と、
からなる通信システム。
【請求項１１】
請求項５または請求項６に記載の変調装置と、該変調装置が出力した信号を媒質中に放音する放音部と、を備えた送信装置と、
媒質中を伝搬する音声信号を収音する収音部と、該収音部が収音した音声信号から高周波数帯域の信号成分のみを取り出すハイパスフィルタと、該ハイパスフィルタが取り出した信号からデータ信号を復調する請求項７乃至請求項請求項９のいずれかに記載の復調装置と、を備えた受信装置と、
からなる通信システム。
【請求項１２】
送信側が、データ信号によって周期単位で位相変調された変調用擬似雑音信号と、前記変調用擬似雑音信号と同期した異なる符号系列からなる参照用擬似雑音信号と、を合成した合成信号を送信し、
受信側が、前記合成信号を受信し、受信した合成信号の、位相変調前の前記変調用擬似雑音信号に対する相関値および前記参照用擬似雑音信号に対する相関値をそれぞれ求めて加算し、この加算された相関値に基づいて前記データ信号を復調する
ことを特徴とする通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
信頼性の高い音響通信を実現することができる変調装置、復調装置、通信システムおよび通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気等の媒質中を伝搬する音波を用いてデータを伝達する音響通信技術として、データ信号をスペクトル拡散して拡散信号化して放音する技術が提案されている（特許文献１参照）。拡散信号は人間にとって不快なノイズにとなるため、特許文献１の技術では、楽音信号等とミキシングし、拡散信号の信号レベルをマスキングしきい値以下になるように制御している。
【０００３】
【特許文献１】国際公開第０２／４５２８６号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、音響通信、特に空気を媒質とする音響通信においては、マルチパス等による波形の崩れ、媒質の粘性による吸収減衰等により高信頼度の通信が困難であり、通信の信頼度を向上させるためには、拡散信号の信号レベルを大きくする、拡散符号のビット長（巡回周期）を長くして拡散利得を高くする等の対策が必要であった。
【０００５】
しかし、拡散信号の信号レベルを大きくすると、たとえ楽音信号とミキシングされていても拡散信号が聴衆に聞こえてしまい、ノイズの発生および楽音信号の音質の劣化を招くという問題点があった。また、拡散符号のビット長を長くした場合には、データの伝送速度が遅くなってしまうという問題点があった。
【０００６】
この発明は、信号レベルを大きくせずに、また、楽音信号とミキシングした場合に楽音信号の音質を低下させることなく、高い信頼度で音響通信が可能な変調装置、復調装置、通信システムおよび通信方法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】
【０００７】
請求項１の発明は、所定の周期を有する変調用擬似雑音信号を発生する変調用擬似雑音信号発生部と、前記変調用擬似雑音信号と同期し、異なる符号系列からなる参照用擬似雑音信号を発生する参照用擬似雑音信号発生部と、データ信号に基づき、前記変調用擬似雑音信号を前記周期ごとに位相変調する変調部と、前記変調された変調用擬似雑音信号と前記参照用擬似雑音信号とを合成して出力する合成部と、を備えた変調装置である。
【０００８】
この発明では、変調用擬似雑音信号と参照用擬似雑音信号を同期させることにより、受信側で同期した相関値のピーク波形を得ることができる。参照用擬似雑音信号は常に正位相であるが、変調用擬似雑音信号はデータ信号によって位相変調されている。したがって、これらの相関値を加算することにより、データ信号の内容に応じた相関値のピーク値の強調／相殺が可能になる。また、データ信号を復調するためには、変調用擬似雑音信号と参照用擬似雑音信号の相関値ピーク波形の相対的位相情報のみ使用すればよいため、どのような再生装置、スピーカ、伝達経路を経たものであっても、その伝達特性を完全に無視することができ、ロバストな音響通信が可能となる。
【０００９】
なお、本発明は音響通信に限定されず、アナログ音声信号の有線・無線の伝達を用いた通信やデジタル音声信号のストリーミング、ファイル転送を用いた通信にも適用が可能である。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記参照用擬似雑音信号は、前記変調用擬似雑音信号と同じ周期を有する信号であることを特徴とする。
【００１１】
このように、同期したタイミングにピーク値が出力されるためには、本請求項のように、参照用擬似雑音信号が変調用擬似雑音信号と同じ巡回周期（サンプル数）を持つことが基本である。一方、参照用擬似雑音信号の周期が変調用擬似雑音信号の周期の整数分の１であってもよい。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１、２の発明において、前記変調用擬似雑音信号発生部と前記変調部の組み合わせを複数備え、前記合成部は、複数の変調部が変調した複数の変調用擬似雑音信号および前記参照用擬似雑音信号を合成して出力することを特徴とする。なお、各変調用擬似雑音信号発生部は、それぞれ異なる符号系列の擬似雑音信号を発生する。
【００１３】
前記変調用擬似雑音信号発生部と前記変調部の組み合わせを複数系列備えたことにより、複数のデータ信号を並行して伝送が可能になる。なお、参照用擬似雑音信号は上記複数の系列に共用すればよい。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１〜３の発明において、前記データ信号は、２値のビット列からなる信号であり、前記変調部は、データ値に応じて前記変調用擬似雑音信号の位相を０度または１８０度回転させることを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１〜４の発明において、前記合成部が出力した信号の周波数帯域を制限するハイパスフィルタをさらに備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記ハイパスフィルタから出力された信号に、前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数以下の周波数成分を有する楽音信号等の音声信号をミキシングするミキシング部をさらに備えたことを特徴とする。
【００１７】
本発明では参照用擬似雑音信号を変調用擬似雑音信号と一緒に送信しているため、ロバストな通信が可能であり、これら擬似雑音信号の周波数帯域を制限することにより信号波形が崩れても通信の信頼性を維持することができる。そこで、擬似雑音信号の周波数帯域を高音域に制限して、聴衆に聞こえにくくすることができ、さらに、楽音信号等の聴衆に心地よい音声信号をミキシングすることによって、擬似雑音信号を用いたデータ通信をマスクすることができ、且つ、時宜雑音信号の信号レベルを必要以上に大きくする必要がないため、楽音信号の音質の低下を防ぐことができる。
【００１８】
請求項７の発明は、データ信号によって周期単位で位相変調された変調用擬似雑音信号と、前記変調用擬似雑音信号と同期した異なる符号系列からなる参照用擬似雑音信号が合成された音声信号を入力する音声信号入力部と、位相変調前の前記変調用擬似雑音信号に対する前記音声信号の相関値である第１相関値を検出する第１相関検出部と、前記参照用擬似雑音信号に対する前記音声信号の相関値である第２相関値を検出する第２相関検出部と、前記第１相関値と第２相関値とを加算して合成相関値を出力する加算部と、前記変調用擬似雑音信号の１周期ごとに前記合成相関値のピーク値を検出するピーク検出部と、該ピーク値検出部が検出したピーク値の大きさに基づいて前記音声信号に重畳されていたデータ信号を復調する復調部と、を備えた復調装置である。
【００１９】
請求項８の発明は、請求項７の発明において、前記ピーク検出部は、前記変調用擬似雑音信号の１周期における前記第２相関値のピークタイミングを検出する相関検出部と、該相関検出部が検出したピークタイミング付近における前記合成相関値のピーク値を検出するピーク値検出部と、を含むことを特徴とする。
【００２０】
請求項９の発明は、請求項８の発明において、前記相関検出部は、前記ピークタイミングにおける前記第２相関値である参照用ピーク値を検出し、前記復調部は、前記ピーク値検出値が検出したピーク値を前記参照用ピーク値と比較することによってデータ信号を復調することを特徴とする。
【００２１】
請求項１０の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の変調装置と、該変調装置が出力した信号を媒質中に放音する放音部とを備えた送信装置と、媒質中を伝搬する音声信号を収音する収音部と、該収音部が収音した音声信号からデータ信号を復調する請求項７乃至請求項請求項９のいずれかに記載の復調装置とを備えた受信装置と、からなる通信システムである。
【００２２】
請求項１１の発明は、請求項５または請求項６に記載の変調装置と、該変調装置が出力した信号を媒質中に放音する放音部とを備えた送信装置と、媒質中を伝搬する音声信号を収音する収音部と、該収音部が収音した音声信号から高周波数帯域の信号成分のみを取り出すハイパスフィルタと、該ハイパスフィルタが取り出した信号からデータ信号を復調する請求項７乃至請求項請求項９のいずれかに記載の復調装置とを備えた受信装置と、からなる通信システムである。
【００２３】
請求項１２の発明は、送信側が、データ信号によって周期単位で位相変調された変調用擬似雑音信号と、前記変調用擬似雑音信号と同期した異なる符号系列からなる参照用擬似雑音信号と、を合成した合成信号を送信し、受信側が、前記合成信号を受信し、受信した合成信号の、位相変調前の前記変調用擬似雑音信号に対する相関値および前記参照用擬似雑音信号に対する相関値をそれぞれ求めて加算し、この加算された相関値に基づいて前記データ信号を復調することを特徴とする通信方法である。
【発明の効果】
【００２４】
以上のようにこの発明によれば、音声信号による擬似雑音信号を用いたデータ通信、特に音響通信において、信頼性の高い通信を実現することができる。
【００２５】
また、楽音信号等の可聴音声信号の高音域に擬似雑音信号を重畳することにより、聴感を悪化させずに、可聴音と並行して通信信号成分を伝搬させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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。同図に示すように、この実施形態の音響通信システムは、送信装置１、受信装置２で構成される。
【００２７】
送信装置１は、変調部１０、アナログ回路部１１およびスピーカ１２を有している。変調部１０は本発明の変調装置に対応し、聴衆に聴かせるべき可聴音信号である楽音信号１３と送信すべきデータ１４を入力し、図７に示すような周波数分布のオーディオ信号を生成する。このオーディオ信号には、楽音信号１３、データ１４で変調された変調用擬似雑音信号（変調用ＰＮ信号）および参照用擬似雑音信号（参照用ＰＮ信号）が含まれている。変調部１０の構成および動作の詳細は後述する。変調部１０は、ＤＳＰ等のデジタル信号処理装置で構成される。
【００２８】
アナログ回路部１１は、Ｄ／Ａコンバータおよびオーディオアンプを含み、変調部１０から出力されたデジタルオーディオ信号をアナログ信号に変換し、増幅してスピーカ１２に供給する。スピーカ１２は、アナログ回路部１１から出力されたオーディオ信号を音響として放音する。上述の変調用ＰＮ信号、参照用ＰＮ信号は、同一のアナログ回路部１１、同一のスピーカ１２および同一の伝搬経路を介して受信装置２のマイク２２へ到達する。
【００２９】
受信装置２は、マイク２２、アナログ回路部２３、復調部２１を有している。アナログ回路部２３は、マイク２２が収音したオーディオ信号を増幅するアンプ、オーディオ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータを有している。復調部２１は、本発明の復調装置に対応するものであり、収音したオーディオ信号に含まれているＰＮ信号を検出して、そのＰＮ信号に重畳されているデータを復調する回路部である。復調部２１の構成および動作の詳細は後述する。
【００３０】
≪変調部の説明≫
図２は変調部１０の構成を示すブロック図である。変調部１０は、楽音信号１３と２つのＰＮ信号を合成した合成信号を生成出力する機能部である。２つのＰＮ信号のうち一方（変調用ＰＮ信号ＰＮ１Ｍ）は、データ１４で位相変調されており、もう一方のＰＮ信号（参照用ＰＮ信号ＰＮ２）は、ＰＮ１と同じ周期で同期したＰＮ信号であり、位相が常に正の信号である。
【００３１】
楽音信号１３は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３５で高音域をカットされたのち加算器３８に入力される。ＬＰＦ３５のカットオフ周波数はたとえば１０ｋＨｚ程度に設定する。このＬＰＦ３５のカットオフ周波数以上の周波数、且つスピーカ１２が放音可能な周波数帯域をＰＮ信号用の周波数帯域として使用する。カットオフ周波数を低くしすぎるとＰＮ信号による聴感悪化が目立ってくるため、試聴実験等に基づき聴感を損なわない程度の周波数（たとえば１０ｋＨｚ）に決定する。楽音信号１３の周波数成分が低音域に集中し、ＰＮ信号用の周波数帯域に分布していない場合には、このＬＰＦ３５は無くてもよい。
【００３２】
第１のＰＮ信号発生部３０は、Ｍ系列(Maximal length sequence) 多項式に基づき、所定周期のＰＮ(Psude Noise)信号（ＰＮ１）を発生させる機能部である。Ｍ系列のＰＮ信号は、たとえば「ＰＮ１＝ｘ＾１０＋ｘ＾７＋１」などの線形漸化式（Ｍ系列多項式）で発生される１ビット数列の信号である。多項式の次数をｎとすると、２＾ｎ−１の周期のＰＮ信号を発生することができ、上の多項式で発生するＰＮ信号の周期は、２＾１０−１＝１０２３である。上の多項式のＰＮ信号は、図３に示すような、シフトレジスタ列とＸＯＲ素子を用いた回路で発生することができる。このＰＮ信号ＰＮ１は、データ１４の重畳用に用いられる。
【００３３】
図４はこのＰＮ信号の波形、自己相関特性および周波数特性を示す図である。同図（Ａ）は、ＰＮ信号の波形を示す図である。Ｍ系列のＰＮ符号列は、０／１の２値の１ビット数列として生成されるが、ＰＮ信号発生部３０は、これを−１／１の振幅のＰＮ信号として出力する。１ビットをデジタル音声信号の１サンプルに当てはめると、４４．１ｋＨｚのサンプリングレートの場合、周期が１０２３ビットのＰＮ符号列は、約２３ｍｓ周期のＰＮ信号となる。図４（Ａ）は、１ビット／１サンプルのＰＮ信号の一部区間を示す図である。
【００３４】
Ｍ系列のＰＮ信号は優れた自己相関特性を有し、図４（Ｂ）に示すように、位相が一致したときの自己相関値は１であり、位相がずれた状態での自己相関値は常にほぼ０である。また、上のＰＮ信号は、約２３ｍｓの周期（４３Ｈｚの周波数）で繰り返すこと以外は、ホワイトノイズと同視できる特性である。このため、このＰＮ信号の周波数特性は、同図（Ｃ）に示すように、４３〜２２．０５ｋＨｚの全帯域にわたってほぼフラットである。
【００３５】
なお、ＰＮ信号は、周期性を持つ擬似白色雑音であれば、Ｍ系列に限定されない。また、ＰＮ信号の巡回周期も２＾ｎ−１や１０２３に限定されるものではない。
【００３６】
また、第２のＰＮ符号発生部３１も、上述の第１のＰＮ符号発生部３０とほぼ同様の構成でＰＮ信号（ＰＮ２）を発生する。ただし、ＰＮ符号列の生成に使用される多項式はＰＮ符号発生部３０のものと周期が同じで、別の系列のものにする。例えば、「ＰＮ２＝ｘ＾１０＋ｘ＾８＋ｘ＾７＋ｘ＾２＋１」のような多項式を使用する。この多項式を用いた場合も、０／１の２値でＰＮ符号列が生成されるが、ＰＮ信号発生部３１は、ＰＮ信号ＰＮ２を−１／１の振幅の信号として生成する。このＰＮ信号ＰＮ２は、後述の受信側において参照用に用いられる。
【００３７】
ＰＮ信号発生部３１が発生するＰＮ信号ＰＮ２も、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）に示すような自己相関特性、周波数特性を有する。なお、ＰＮ信号ＰＮ１、ＰＮ２は、全く波形が異なり相互相関値はほぼ０である。したがって、これら２つのＰＮ信号を合成して出力（放音）しても、受信側で分離が可能である。
【００３８】
なお、ＰＮ信号ＰＮ２も、ＰＮ信号ＰＮ１と同様に、周期性を持つ擬似白色雑音であれば、Ｍ系列に限定されない。
また、この実施形態では、受信側で参照用として使用されるＰＮ信号ＰＮ２の周期（ビット数）を、データで変調されるＰＮ信号ＰＮ１の周期と同じにしているが、ＰＮ２の周期をＰＮ１の周期の整数分の１の周期であってもよい。
【００３９】
ＰＮ符号発生部３０が発生した変調用のＰＮ信号ＰＮ１は、乗算器３３に入力され、データ１４によって変調される。
【００４０】
送信されるデータ１４は、２進数で表現されたビット列で構成される。このビット列は、誤り訂正やインターリーブ処理がされていてもよい。このデータ１４は、シンボルレート変換部３２によって順次読み取られる。
【００４１】
シンボルレート変換部３２は、図５に示すように、データ１４の１ビットを１シンボルとし、その１シンボルをＰＮ符号の周期に合わせて拡張する。この実施形態では、ＰＮ信号ＰＮ２の周期が１０２３サンプルであるため、読み取ったデータコードが”1 ”の場合、”1 ”を１０２３サンプル連続させる。また、データコードは０／１の２値であるが、ＰＮ信号の場合と同様に−１／１の２値に変換する。このようにシンボルレート変換部３２で変換されたデータコードは乗算器３３に入力される。
【００４２】
乗算器３３は、ＰＮ符号発生部３０が発生したＰＮ信号ＰＮ１と、シンボルレート変換部３２でレート変換および−１／１の２値に変換されたデータコードを乗算する。これにより、ＰＮ信号ＰＮ１が送信すべきデータ符号で変調される。ＰＮ信号ＰＮ１、データコードが、ともに−１／１の２値データなので、データコードが“１”であれば、ＰＮ信号はそのままの位相で出力され、データが“−１”（ビットデータとしては“０”）であれば、ＰＮ信号は逆位相で出力される。このように、重畳されるデータコードに応じて、ＰＮ信号ＰＮ１は、０°または１８０°に位相変調されることになる。
【００４３】
受信側の装置は、このデータコードによって変調されたＰＮ信号ＰＮ１Ｍを受信し、ＰＮ１Ｍのフレーム（ＰＮ信号の１周期）ごとの位相を検出することにより、重畳されているデータコードの“０／１”を復調することができる。
【００４４】
データコードによって変調されたＰＮ信号（以下、変調信号と呼ぶ）ＰＮ１Ｍは、加算器３４に入力され、参照用のＰＮ信号（以下、参照信号と呼ぶ）ＰＮ２と合成される。この合成されたＰＮ信号ＰＮＣは、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）３６に入力され、楽音信号１３が使用する周波数帯域がカットされる。
【００４５】
ＨＰＦ３６は、楽音信号１３の周波数帯域とＰＮ信号ＰＮＣの周波数帯域とが重なり合わないように、ＰＮ信号ＰＮＣの低音域をカットする回路部である。カットオフ周波数は、上述したＬＰＦ３５の出力と帯域が干渉しないように、たとえば１２ｋＨｚ程度に設定される。
【００４６】
図６（Ａ）は、カットオフ周波数１２ｋＨｚのＨＰＦで帯域制限されたＰＮ信号ＰＮ１の周波数特性を示す図である。このように、もともと図４（Ｃ）に示す周波数特性を有していたＰＮ信号の周波数帯域を図６（Ａ）のように制限すると、波形が崩れることにより、元の波形（図４（Ａ）参照）に対する相関特性が、図６（Ｂ）に示すように悪化し、受信側で位相の判定が困難になり、重畳されたデータコードの復調に誤りが発生するおそれが生じる。
【００４７】
しかし、本発明では、変調信号ＰＮ１Ｍと一緒に、参照信号ＰＮ２を送信することにより、周波数帯域制限や伝送系の特性による波形の崩れを相殺してデータコードの正確な復調を可能にしている。詳細は受信装置の説明においてする。
【００４８】
図２にもどって、ゲイン制御部３７は、重畳する楽音信号１３に対するＰＮ信号ＰＮＣの利得を調整する回路部である。利得は、実験等により聴感やＰＮ信号の送信品質等のバランスを考慮して適切な値に決定する。例えば、−５０ｄＢなどに設定する。
【００４９】
加算器３８は、ＬＰＦ３５によって中低音域（１０ｋＨｚ以下）に帯域が制限された音楽信号１３とＨＰＦ３６によって高音域（１２ｋＨｚ以上）に帯域が制限された合成ＰＮ信号ＰＮＣとを加算して合成信号を出力する回路部である。
【００５０】
図７は、加算器３８が出力した合成信号の周波数特性の例を示す図である。１２ｋＨｚ以上の成分がＰＮ信号であり、−５０ｄＢに利得が制限されている。一方、１０ｋＨｚ以下（カットオフ特性により１１ｋＨｚ付近までスペクトルが残っている）が、楽音信号１３の成分である。この合成信号が、アナログ回路部１１で処理され、スピーカ１２から放音される。
【００５１】
放音された音声は、０〜１０ｋＨｚの周波数成分が楽音であるため、一般聴衆には、この楽音が聞こえ、高音域にＰＮ信号が重畳されていることが意識されることはない。また、ＰＮ信号が楽音の周波数帯域から分離された高音域に重畳されているため、楽音信号の音質を劣化させることもない。
【００５２】
一方、図１（Ｂ）に示した受信装置２は、この音声をマイク２２で収音し、収音された音声信号から１２ｋＨｚ以上の成分のみを取り出してＰＮ信号（ＰＮ１Ｍ）に重畳されているデータ符号を復調する。
【００５３】
≪復調部の説明≫
図８は受信装置２に設けられている復調部２１の詳細構成を示す図である。復調部２１には、マイク２２で収音されアナログ回路部２３でデジタル信号に変換された合成信号が入力される。合成信号は、上述したように楽音信号１３、変調信号ＰＮ１Ｍ、参照信号ＰＮ２が合成された信号である。復調部２１は、合成信号から変調信号ＰＮ１Ｍ、参照信号ＰＮ２を分離抽出して、それぞれ元のＰＮ符号列（ＰＮ１，ＰＮ２）との相関値（ピーク値）を求め、変調信号ＰＮ１Ｍのピーク値の符号（正／負）が参照信号ＰＮ２の符号（正／負）と一致するか逆かに基づいてデータコードを復調する。
【００５４】
このため、復調部２１は、ハイパスフィルタ４１、整合フィルタ４２，４３、加算器４４、同期検出部４５、ピーク値検出部４６および符号判定部４７を備える。以下、これら各機能部の構成および機能について説明する。
【００５５】
ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）４１は、受信した合成信号からＰＮ信号が含まれている高域周波数成分を抽出する機能部である。このフィルタのカットオフ周波数は、送信装置１の変調部１０に使用されているＨＰＦ３６と同じ（１２ｋＨｚ）でよい。
【００５６】
ＨＰＦ４１で取り出された合成信号の高域周波数成分のデジタル音声信号は、整合フィルタ４２，４３に入力される。整合フィルタ４２，４３は、入力されたデジタル音声信号とＰＮ符号列との相関値を検出するフィルタであり、ＦＩＲフィルタで構成される。
【００５７】
図９に整合フィルタ４２の構成例を示す。この整合フィルタ４２は、入力されたデジタル音声信号のなかから変調信号ＰＮ１Ｍの成分を検出するフィルタである。整合フィルタ４２は、１０２３段のＦＩＲフィルタであり、各段のフィルタ係数として、送信側のＰＮ信号発生部３０が発生する擬似雑音符号列ＰＮ１が設定されている。
【００５８】
また、整合フィルタ４３も整合フィルタ４２と同一の構成であり、入力されたデジタル音声信号のなかから参照信号ＰＮ２の成分を検出する。各段のフィルタ係数としてＰＮ符号発生部３１が発生する擬似雑音符号列ＰＮ２が設定される。
なお、擬似雑音符号列は１／０のビット列であるが、整合フィルタ４２、４３のフィルタ係数は、ＰＮ信号と同様に１／−１に変換したものが設定される。
【００５９】
整合フィルタ４２は、入力されるデジタル音声信号のＰＮ符号列ＰＮ１に対する相関値を出力し、デジタル音声信号に含まれる変調信号ＰＮ１Ｍの成分とフィルタ係数列であるＰＮ１とが同期したタイミングで大きい相関値（ピーク値）を出力する。デジタル音声信号に含まれる変調信号ＰＮ１Ｍは、データコードにより位相変調されている。したがって、ＰＮ１Ｍの位相が正転（０°）の場合は、整合フィルタ４２の出力は正の相関値ピークを出力し、ＰＮ１Ｍの位相が反転（１８０°）の場合には負の相関値ピークを出力する。
【００６０】
一方、整合フィルタ４３は、入力されるデジタル音声信号のＰＮ符号列ＰＮ２に対する相関値を出力し、デジタル音声信号に含まれる参照信号ＰＮ２の成分とフィルタ係数列であるＰＮ２とが同期したタイミングで大きい相関値（ピーク値）を出力する。整合フィルタ４３は、ＰＮ信号ＰＮ２は参照信号であるため、常に正の相関値ピークを出力する。
【００６１】
図１０（Ａ），（Ｂ）は、整合フィルタの出力波形の例を示す図である。同図（Ａ）は、粗いスケールで複数周期の相関値波形を示した図であり、同図（Ｂ）は、ピーク付近を時間軸に拡大した図である。このように、ＰＮ符号の周期ごとにピークが検出されるが、入力されるデジタル音声信号の波形が崩れているため、ピークが正のピークであるのか負のピークであるのかが判りにくくなっている。そこで、変調信号の相関値と参照信号の相関値を加算することによって、変調信号のピーク値の正負を判定する。
【００６２】
整合フィルタ４２，４３が出力した相関値は加算器４４において加算される。加算されることにより、相関が強調または相殺（キャンセル）される。整合フィルタ４３が出力する参照信号のピーク値は常に正値である。一方、整合フィルタ４２が出力する変調信号のピーク値の極性は、重畳されているデータコードの正負（１／−１）に応じて反転する。すなわち、データコードが“１”の場合、ピーク値は正値であり、データコードが“−１”の場合、ピーク値は負値である。したがって、データコードが“１”の場合には、正値に正値が加算されるためピーク値が強調され、データコードが“−１”の場合には、正値に負値が加算されるためピーク値が相殺されて小さい値になる。
【００６３】
図１１は、データコードが“１”の場合の、整合フィルタ４２，４３および加算器４４の出力波形の例を示す図である。図１２は、データコードが“−１”の場合の、整合フィルタ４２，４３および加算器４４の出力波形の例を示す図である。これらの図は、ピーク付近の一部波形を表している。
【００６４】
図１１、図１２において、上段（Ａ）が整合フィルタ４３の出力波形、中段（Ｂ）が整合フィルタ４２の出力波形、下段（Ｃ）が加算器４４の出力波形である。両図において、整合フィルタ４２，、４３の出力は、正負が不明であるがピークが到来したことを示す若干大きな相関値を出力している。図１１の下段に示す加算波形では、これらが合成されるとピークが強調されて大きなピーク値の振幅が発生している。一方、図１２の下段に示す加算波形では、上の２つの波形が合成されるとそれぞれがキャンセルされてピークが殆ど消滅している。このように、ピークタイミングに合成波形のピークが存在ばデータコードが“１”、ピークタイミングに合成波形のピークが消滅していればデータコードが“−１”であると判定することができ、図１１（Ｂ）、図１２（Ｂ）の波形から直接データ符号が“１”であるか“−１”であるかを判定することに比して遥かに信頼度の高いデータ復調が可能になる。
【００６５】
整合フィルタ４２，４３および加算器４４は全てのサンプルタイミングに相関値を出力している。この相関値列（波形）のなかのどの位置に、リファレンスと受信信号の同期点すなわちピークタイミングが存在するかを同期検出部４５が検出する。
【００６６】
同期検出部４５は、整合フィルタ４２から出力された相関値列（出力波形）を１フレーム（１０２３サンプル）分蓄積し、そのなかの正の最大値を検出して、その最大値のサンプルタイミングをピークタイミングであると判定する。このピークタイミングをピーク値検出部４６に出力するとともに、そのときの最大値（ピーク値）をしきい値として符号判定部４７に出力する。
【００６７】
ピーク値検出部４６は、同期検出部４５から受け取ったピークタイミング情報に基づき、加算器４４の出力波形から、ピークタイミングを含む所定のサンプル区間（ピーク値検出区間）を取り出して、そのなかからピーク値を検出する。ピークタイミングの１サンプルのみでなく、所定のサンプル区間からピーク値を検出することにより、送受信システム間のサンプリングクロックの位相ずれや周波数偏差を吸収することができる。
【００６８】
図１３は、ピーク値検出部４６のピーク値検出区間の決定方式を説明する図である。同図（Ａ）は、１回の同期検出に基づいて複数回のピーク値検出を行う方式を示している。同図（Ｂ）は、各フレームごとに同期検出を行う方式を示している。
【００６９】
同図（Ａ）において、あるタイミング（たとえば参照信号の受信開始時）に参照信号に基づいて、同期検出部４５がピークタイミングを検出する。ピーク値検出部４６は、同期検出部４５が検出したピークタイミングから前後３０サンプル程度の区間をピーク値検出区間としてピーク値を検出し、符号判定部４７に出力する。なお、ピーク値検出部４６は、加算器４４から入力した合成相関値を必要なサンプル数バッファしている。こののち、ピークタイミングから１０２３サンプルをカウントしたタイミングを次のピークタイミングとしてその前後３０サンプルをピーク値検出区間として次のピーク値を検出する。この処理を繰り返し行う。
【００７０】
同図（Ｂ）において、この方式では、各フレームごとに同期検出部４５がピークタイミングを検出してピーク値検出部４６にピークタイミングを通知する。ピーク値検出部４６は、同期検出部４５から通知されたピークタイミングの前後３０サンプルをピーク値検出区間としてピーク値を検出し、符号判定部４７に出力する。
【００７１】
同図（Ｂ）の各フレームごとにピークタイミングを検出する方式によれば、高精度にフレーム同期をとることができるが、処理部の処理負荷が大きくなる。同図（Ａ）の１フレーム分のクロックをカウントして次のピークタイミングを推定する方式を採用しつつ、複数フレームに１度程度の間隔で同期検出部４５がピークタイミングを検出するようにしてもよい。
【００７２】
図１４は、ピーク値検出部４６の出力値の例を示す図である。これは、０／１で交番するデータコードで変調信号ＰＮ１Ｍが変調されていた場合の例を示している。変調信号ＰＮ１Ｍの相関値と参照信号ＰＮ２の相関値とを加算することにより、データコードによるピーク値の相違が明瞭になっており、大きいピーク値（“１”）と、小さいピーク値（“０”）が交互に出力されている。
【００７３】
符号判定部４７は、この値を同期検出部４５から入力されたリファレンス信号のピーク値をしきい値として２値化し、図１５は、に示すような１／０のデータ符号列を復調して出力する。
【００７４】
≪変形例≫
上記の実施形態では、聴衆に聴かせる楽音信号１３の高音域にＰＮ信号を合成し、聴衆にＰＮ信号が聴こえないように、且つ、楽音信号１３の音質が低下しないようにしているが、ＰＮ信号（変調信号、参照信号）を楽音信号１３と合成することなくそのままで送受信してもよい。すなわち、上記実施形態では、ＰＮ信号の周波数帯域をハイパスフィルタ３６で１０ｋＨｚ以上に制限し、信号レベルをゲイン制御部３７で−５０ｄＢに制限しているが、これらは無くてもよい。また、楽音等の可聴音声信号とミキシングして放音しているが、ＰＮ信号のみで放音してもよい。このように、周波数帯域制限、信号レベル制限をすることなく、ＰＮ信号のみで出力する場合の変調部の構成例を図１６に示しておく。
【００７５】
また、変調用のＰＮ信号を複数重畳し、データコードの伝送を多重化してもよい。この場合、図１７に示すように、ＰＮ信号発生部３０、シンボルレート変換部３２、乗算器３３を複数組設け、各ＰＮ信号発生部３０は、異なる符号系列のＰＮ信号を発生し、各シンボルレート変改部３２には異なるデータコードが入力されるようにすればよい。
【００７６】
なお、図１７は、図１６に示した周波数帯域制限、信号レベル制限をすることなく、ＰＮ信号のみで出力する構成で、データコードの伝送を多重化した場合の例を示しているが、図１に示した構成でデータコードの伝送を多重化してもよい。
【００７７】
また、受信装置２において、多重化された信号を受信して復調する場合、復調部２１を図１８のように構成する。すなわち、整合フィルタ４２、加算器４４、ピーク値検出部４６および符号判定部４７を複数組設け、各整合フィルタ４２のフィルタ係数として多重化された変調用ＰＮ信号のＰＮ符号列を設定する。
【００７８】
≪尚書き≫
上記実施形態は、音声を空気中に放音して音響通信を行うシステムについて説明したが、音響を伝搬する媒質は空気に限定されない。たとえば、固体や液体を伝搬する音響通信に本発明を適用することも可能である。また、本発明は音響通信に限定されず、音声信号を電気信号として電気的または電磁的に伝搬させる有線通信・無線通信に適用することも可能である。さらに、音声信号をデジタルオーディオ信号化してストリーミング、ファイル転送する場合に適用することも可能である。
【００７９】
また、上記実施形態では、可聴周波数帯域（サンプリングレート４４．１ｋＨｚ）のＰＮ信号を用いているが、より高い周波数帯域（超音波領域）のＰＮ信号を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】この発明の実施形態である音響通信システムの構成図
【図２】送信側の変調部の構成を示す図
【図３】ＰＮ符号列発生部の構成を示す図
【図４】ＰＮ信号の特性を示す図
【図５】シンボルレート変換部の機能を説明する図
【図６】帯域制限されたＰＮ信号の特性を示す図
【図７】楽音信号とＰＮ信号が合成された合成信号の周波数分布を示す図
【図８】受信装置の復調部の構成を示す図
【図９】整合フィルタの構成を示す図
【図１０】整合フィルタが出力する相関値の時間変化を示す図
【図１１】変調信号と参照信号が同位相のときの加算波形を示す図
【図１２】変調信号と参照信号が逆位相のときの加算波形を示す図
【図１３】ピーク値検出区間を説明する図
【図１４】検出されたピーク値列の例を示す図
【図１５】複合されたデータコード列の例を示す図
【図１６】変調部の他の実施形態を示す図
【図１７】変調部のさらに他の実施形態を示す図
【図１８】復調部の他の実施形態を示す図
【符号の説明】
【００８１】
１  送信装置
２  受信装置
１０  変調部
２１  復調部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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