(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数チャンネルの音響信号を入力する入力部と、
前記複数チャンネルのうちの少なくとも１つのチャンネルである第１チャンネルおよび前記第１チャンネルに属さない少なくとも１つのチャンネルである第２チャンネルの音響信号の低音域の成分信号を抽出するローパスフィルタと、
前記第１、第２チャンネルの前記低音域よりも高い周波数帯域である高音域の成分信号を抽出するハイパスフィルタと、
前記第１チャンネルの低音域の成分信号および前記第２チャンネルの低音域の成分信号を加算する低音加算部と、
前記第１チャンネルの高音域の成分信号と前記加算された低音域の成分信号とを加算するとともに、この加算信号に前記低音域の周波数帯域を有するデータ符号をさらに加算する第１合成部と、
前記第２チャンネルの高音域の成分信号と前記加算された低音域の成分信号とを加算するとともに、この加算信号から前記データ符号を減算する第２合成部と、
を備えた音響信号を用いたデータ伝送装置。
【請求項２】
複数チャンネルの音響信号であって、そのうちの第１チャンネル、第２チャンネルの低音域の成分信号が共通であり、且つ、該低音域の周波数帯域に相互に逆位相でデータ符号が重畳されている信号を入力する入力部と、
前記第１、第２チャンネルの音響信号から前記低音域の成分信号を抽出するローパスフィルタと、
抽出された第１、第２チャンネルの低音域の成分信号を、いずれか一方の信号の位相を反転して加算することにより、前記データ符号を抽出するデータ分離部と、
を備えた音響信号を用いたデータ伝送装置。
【請求項３】
前記ローパスフィルタによって抽出された第１、第２チャンネルの低音域の成分信号を加算する低音加算部と、
前記第１、第２チャンネルの音響信号の前記低音域よりも高い周波数帯域である高音域の成分信号を抽出するハイパスフィルタと、
前記第１チャンネルの高音域の成分信号と前記加算された低音域の成分信号とを加算する第１合成部と、
前記第２チャンネルの高音域の成分信号と前記加算された低音域の成分信号とを加算する第２合成部と、
を備え、前記第１、第２合成部の出力を音響信号として再生する請求項２に記載の音響信号を用いたデータ伝送装置。
【請求項４】
複数チャンネルの音響信号を入力し、前記複数チャンネルのうちの少なくとも１つのチャンネルである第１チャンネルおよび前記第１チャンネルに属さない少なくとも１つのチャンネルである第２チャンネルの音響信号の低音域の成分信号を抽出する低音抽出手順と、
前記第１、第２チャンネルの前記低音域よりも高い周波数帯域である高音域の成分信号を抽出する高音抽出手順と、
前記第１チャンネルの低音域の成分信号および前記第２チャンネルの低音域の成分信号を加算する低音加算手順と、
前記第１チャンネルの高音域の成分信号と前記加算された低音域の成分信号とを加算するとともに、この加算信号に前記低音域の周波数帯域を有するデータ符号をさらに加算する第１合成手順と、
前記第２チャンネルの高音域の成分信号と前記加算された低音域の成分信号とを加算するとともに、この加算信号から前記データ符号を減算する第２合成手順と、
を含む音響信号を用いたデータ伝送方法。
【請求項５】
複数チャンネルの音響信号であって、そのうちの第１チャンネル、第２チャンネルの低音域の成分信号が共通であり、且つ、該低音域の周波数帯域に相互に逆位相でデータ符号が重畳されている信号を入力する入力手順と、
前記第１、第２チャンネルの音響信号から前記低音域の成分信号を抽出する低音抽出手順と、
抽出された第１、第２チャンネルの低音域の成分信号を、いずれか一方の信号の位相を反転して加算することにより、前記データ符号を抽出するデータ分離手順と、
を含む音響信号を用いたデータ伝送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、音響信号を用いてデータを伝送するデータ伝送装置およびデータ伝送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
音響信号にデータ符号を重畳させて伝送または記録する技術が種々提案されている。最も一般的な技術は、人間の可聴周波数を超えた高音帯域にデータ符号の変調信号を重畳させる技術である（たとえば特許文献１）。しかし、音響信号の高音帯域は音響機器の性能・特性や信号圧縮の影響を大きく受けるため、データ符号の伝送の信頼性が損なわれるおそれがある。
【０００３】
そこで、音響信号の低音域を使用したデータ伝送・記録技術も提案されている（たとえば特許文献２）。特許文献２の技術は、聴取者にとって低域信号の定位が知覚されにくいことを利用し、データ符号に応じて低域信号の定位を移動させることでデータを伝送・記録するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０４１６９５号公報
【０００５】
【特許文献２】特開２００６−１９５０６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献２の技術は、聴取者にとって低域信号の定位が知覚されにくいとは言え、常時低域信号の定位が移動するため、聴取者に対して違和感を与えてしまうおそれがある。また、音響信号に含まれる低域信号を利用して、その定位を移動させる技術であるため、伝送・記録の品質が、音響信号に含まれる低域信号の特性、たとえば信号レベルや周波数分布等の影響を受けてしまい、音響信号に低域成分が含まれていない場合には、データ符号の伝送・記録ができないという問題点があった。
【０００７】
この発明は、音響信号の低音域を利用し、且つ聴取者に違和感なく確実なデータ符号の伝送・記録を実現したデータ伝送装置およびデータ伝送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】
【０００８】
請求項１の発明は、複数チャンネルの音響信号を入力する入力部と、前記複数チャンネルのうちの少なくとも１つのチャンネルである第１チャンネルおよび前記第１チャンネルに属さない少なくとも１つのチャンネルである第２チャンネルの音響信号の低音域の成分信号を抽出するローパスフィルタと、前記第１、第２チャンネルの前記低音域よりも高い周波数帯域である高音域の成分信号を抽出するハイパスフィルタと、前記第１チャンネルの低音域の成分信号および前記第２チャンネルの低音域の成分信号を加算する低音加算部と、前記第１チャンネルの高音域の成分信号と前記加算された低音域の成分信号とを加算するとともに、この加算信号に前記低音域の周波数帯域を有するデータ符号をさらに加算する第１合成部と、前記第２チャンネルの高音域の成分信号と前記加算された低音域の成分信号とを加算するとともに、この加算信号から前記データ符号を減算する第２合成部と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、複数チャンネルの音響信号であって、そのうちの第１チャンネル、第２チャンネルの低音域の成分信号が共通であり、且つ、該低音域の周波数帯域に相互に逆位相でデータ符号が重畳されている信号を入力する入力部と、前記第１、第２チャンネルの音響信号から前記低音域の成分信号を抽出するローパスフィルタと、抽出された第１、第２チャンネルの低音域の成分信号を、いずれか一方の信号の位相を反転して加算することにより、前記データ符号を抽出するデータ分離部と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記ローパスフィルタによって抽出された第１、第２チャンネルの低音域の成分信号を加算する低音加算部と、前記第１、第２チャンネルの音響信号の前記低音域よりも高い周波数帯域である高音域の成分信号を抽出するハイパスフィルタと、前記第１チャンネルの高音域の成分信号と前記加算された低音域の成分信号とを加算する第１合成部と、前記第２チャンネルの高音域の成分信号と前記加算された低音域の成分信号とを加算する第２合成部と、を備え、前記第１、第２合成部の出力を音響信号として再生することを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明は、複数チャンネルの音響信号を入力し、前記複数チャンネルのうちの少なくとも１つのチャンネルである第１チャンネルおよび前記第１チャンネルに属さない少なくとも１つのチャンネルである第２チャンネルの音響信号の低音域の成分信号を抽出する低音抽出手順と、前記第１、第２チャンネルの前記低音域よりも高い周波数帯域である高音域の成分信号を抽出する高音抽出手順と、前記第１チャンネルの低音域の成分信号および前記第２チャンネルの低音域の成分信号を加算する低音加算手順と、前記第１チャンネルの高音域の成分信号と前記加算された低音域の成分信号とを加算するとともに、この加算信号に前記低音域の周波数帯域を有するデータ符号をさらに加算する第１合成手順と、前記第２チャンネルの高音域の成分信号と前記加算された低音域の成分信号とを加算するとともに、この加算信号から前記データ符号を減算する第２合成手順と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
請求項５の発明は、複数チャンネルの音響信号であって、そのうちの第１チャンネル、第２チャンネルの低音域の成分信号が共通であり、且つ、該低音域の周波数帯域に相互に逆位相でデータ符号が重畳されている信号を入力する入力手順と、前記第１、第２チャンネルの音響信号から前記低音域の成分信号を抽出する低音抽出手順と、抽出された第１、第２チャンネルの低音域の成分信号を、いずれか一方の信号の位相を反転して加算することにより、前記データ符号を抽出するデータ分離手順と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、聴取者に違和感なく音響信号の低音域にデータ符号を重畳させて信頼度の高いデータ符号の伝送が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施形態であるデータ伝送装置（送信装置、受信装置）を含む音響通信システムの構成を示す図
【図２】前記送信装置のデータ重畳部のブロック図
【図３】データ重畳部の各部の信号スペクトルを例示する図
【図４】実際の信号のスペクトルを示す図
【図５】前記受信装置のデータ分離部のブロック図
【図６】前記データ分離部の各部の信号波形を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１はこの発明の実施形態であるオーディオ信号の低音域の周波数帯域を用いたデータ伝送システムの構成を示す図である。
【００１６】
ステレオ音響信号にデータ符号を重畳して出力する装置である送信装置１は、データ重畳部１０および出力部１１を有している。データ重畳部１０にはステレオの音響信号Ｓおよびデータ符号Ｄが入力される。データ重畳部１０は、データ符号Ｄをステレオ音響信号Ｓの低音域に重畳する。出力部１１は、データ符号Ｄが重畳されたステレオ音響信号Ｓ′を受信装置２に対して出力する機能部である。ここで、出力するとは、たとえば有線又は無線で受信装置２に向けて送信する、または、受信装置２で読み取り可能な媒体（ＣＤなど）に書き込むことである。
【００１７】
受信側の装置（受信装置）２は、入力部２０、データ分離部２１、データ復号部２２および音響再生部２３を有している。入力部２０は、送信装置１から伝送されてきたステレオ音響信号Ｓ′を受信するか、または、ステレオ音響信号Ｓ′が記録された媒体を読み取る機能部である。入力部２０が受信または再生したステレオ音響信号Ｓ′は、データ分離部２１および音響再生部２２に入力される。データ分離部２１は、ステレオ音響信号Ｓ′の低音域に重畳されているデータ符号Ｄの成分を分離抽出してデータ復号部２２に入力する。データ復号部２２は、入力されたデータ符号Ｄの成分波形を整形してデータ符号Ｄを復号して出力する。なお、データ符号Ｄが何らかの変調が施された信号である場合には、このデータ復号部２２でベースバンド信号に復調すればよい。
【００１８】
音響再生部２３は、ステレオ音響信号Ｓを音響として再生出力する機能部である。再生されたステレオ音響信号はスピーカ２４またはライン出力部２５から出力される。なお、出力されるステレオ音響信号は、データ符号Ｄが重畳されたままのステレオ音響信号Ｓ′、若しくは、データ符号Ｄを分離した元のステレオ音響信号Ｓのどちらでもよい。
【００１９】
なお、図１の受信装置２は、ステレオ音響信号を再生する音響再生部２３を備えているが、受信装置２は、データ符号を分離出力するデータ分離部２１、データ復号部２２のみであってもよい。
【００２０】
図２は送信装置１のデータ重畳部１０の構成図である。また、図３はデータ重畳部１０において処理された音響信号Ｓ、データ符号Ｄの周波数成分の分布を示す図、図４は実際の音響信号、データ符号の周波数スペクトルを示す図である。
【００２１】
信号入力端子３０からステレオの音響信号Ｓが入力される。このステレオの音響信号Ｓはたとえば図３（Ａ）のような低音域から高音域まで全体に分布する周波数成分を有している。音響信号Ｓはローパスフィルタ３１およびハイパスフィルタ３５に入力される。すなわち、左チャンネルの音響信号は、入力端子３０Ｌを介してローパスフィルタ３１Ｌおよびハイパスフィルタ３５Ｌに入力され、右チャンネルの音響信号は、入力端子３０Ｒを介してローパスフィルタ３１Ｒおよびハイパスフィルタ３５Ｒに入力される。
【００２２】
ローパスフィルタ３１およびハイパスフィルタ３５は、周波数軸において対称の特性になるように設定されている。すなわち、ローパスフィルタ３１の通過域、遷移域、阻止域とハイパスフィルタ３５の阻止域、遷移域、通過域が共通し、ローパスフィルタ３１の遷移域とハイパスフィルタ３５の遷移域がクロスフェードする特性になっている。ローパスフィルタ３１のカットオフ周波数は、それ以下の周波数になると聴取者（人間）が音像の定位を感じにくくなる周波数（たとえば２００Ｈｚ）に設定される。また、ハイパスフィルタ３５のカットオフ周波数は、ほぼ１ｋＨｚに設定され、２００Ｈｚで完全阻止（−１００ｄＢ減衰）となるように設定される。以下、ローパスフィルタ３１でろ波・抽出された周波数成分を低音域成分信号と呼び、ハイパスフィルタ３５でろ波・抽出された周波数成分を高音域成分信号と呼ぶ。
【００２３】
ローパスフィルタ３１Ｌ，Ｒで抽出された左右チャンネルの低音域成分信号は、図３（Ｂ）および図４のａに示すようにカットオフ周波数以下の周波数成分を有する信号であり、加算部３３で加算合成されてモノラル化される。このとき、加算後の信号レベルが飽和してしまわないように、加算前にレベル調整器３２Ｌ，Ｒによって、左右チャンネルの低音域成分信号のレベルが１／２（０．５）に制限される。加算部３３で加算されモノラル化された低音域成分信号は、加算部３６Ｌ，Ｒに入力される。
【００２４】
また、ハイパスフィルタ３５Ｌ，Ｒで抽出された左右チャンネルの高音域成分信号は、図３（Ｃ）および図４のｂ，ｃに示すようにカットオフ周波数以上の周波数成分を有する信号であり、それぞれ加算部３６Ｌ，Ｒに個別に入力される。
【００２５】
データ符号Ｄ（図３（Ｄ）参照）は、データ入力端子３７を介してレベル調整器３８に入力される。レベル調整器３８は、データ符号Ｄの信号レベルが低音域成分信号に比べて過大になり、ノイズとして聴こえないようにレベルが調整される。データ符号Ｄのレベルと低音域成分信号とのレベル比はたとえば図３（Ｅ）および図４のｄに示すような成分になるようにする。レベルを調整されたデータ符号Ｄは、波形の位相を反転（１８０度シフト）するインバータ３９および右チャンネルの加算部３６Ｒに入力される。さらに、インバータ３９で反転されたデータ符号−Ｄは左チャンネルの加算部３６Ｌに入力される。
【００２６】
したがって、左チャンネルの加算部３６Ｌでは、左チャンネルの高音域成分信号、モノラル化された低音域成分信号、および、反転されたデータ符号が加算合成される。また、右チャンネルの加算部３６Ｒでは、右チャンネルの高音域成分信号、モノラル化された低音域成分信号、および、（反転されない）データ符号が加算合成される。
【００２７】
これにより、ステレオ信号であるが、低音域成分信号がモノラル化されているため、低音域（低音の周波数帯域）における左右チャンネルの波形の相違がデータ符号Ｄの成分のみという音響信号Ｓ′が合成される。音響信号Ｓ′は、図３（Ｆ）に示すような周波数成分を有する信号になっている。なお、左チャンネルに加算されるデータ符号は反転されているが、反転される前と周波数特性は同じである。
【００２８】
このように音響信号Ｓ′にはデータ符号Ｄが重畳されており、左右チャンネルの低音域の信号成分を減算することにより、データ符号Ｄのみを抽出することが可能である。
【００２９】
図５は受信装置２のデータ分離部２１の構成を示す図である。同図（Ａ）は、データ分離部２１のみの構成を示す図、同図（Ｂ）はデータ分離部２１と音響再生部２３を組み合わせた構成を示す図である。これらの構成のデータ分離部２１により、上記データ符号Ｄが重畳された音響信号Ｓ′からデータ符号Ｄを分離抽出することができる。
【００３０】
まず、図５（Ａ）において、信号入力端子４０から、入力部２０で受信または再生されたステレオの音響信号Ｓ′が入力される。このステレオの音響信号Ｓ′は、ステレオ信号であるが低音域がモノラル化され、図３（Ｆ）に示すように低音域の周波数帯にデータ符号Ｄが重畳されたものである。この音響信号Ｓ′はローパスフィルタ４１に入力される。すなわち、左チャンネルの音響信号は、入力端子４０Ｌを介してローパスフィルタ４１Ｌに入力され、右チャンネルの音響信号は、入力端子４０Ｒを介してローパスフィルタ４１Ｒに入力される。
【００３１】
ローパスフィルタ４１は、送信装置１のデータ重畳部１０のローパスフィルタ３１と同じカットオフ特性を有するものである。音響信号Ｓ′をこのローパスフィルタでろ波することにより、図３（Ｅ）に示す低音域の成分、すなわち、モノラル化された低音域成分信号および左右チャンネルで反転されて重畳されているデータ符号Ｄを取り出すことができる。
【００３２】
ローパスフィルタ４１Ｌ，Ｒで取り出された左右チャンネルの低音域の成分のうち、一方のチャンネル（図５では左チャンネル）の信号をインバータ４２を用いて反転する。そして、この反転した左チャンネルの信号と反転しない右チャンネルの信号を加算部４３で加算合成する。この加算合成により、モノラル化されていた音響信号の低音域成分すなわち低音域成分信号は相殺されて消去される。一方、データ符号Ｄは左右チャンネルで位相が反転されて重畳されているため、この加算合成により２倍の振幅に強調されて取り出される。取り出されたデータ符号Ｄの信号がデータ復号部２２に入力される。
【００３３】
図６は図５（Ａ）に示したデータ分離部２１の各部の信号波形の例を示す図である。同図のうち左側の図は比較的長いレンジ（２５０ｍｓ程度）の時間軸波形を示しており、右側の図はその一部を拡大した（２５ｍｓ程度）の時間軸波形を示している。同図（Ａ）はローパスフィルタ４１Ｌを通過した左チャンネルの低音域成分の信号波形を示し、同図（Ｂ）はローパスフィルタ４１Ｒを通過した右チャンネルの低音域成分の信号波形を示している。モノラル化された信号成分であるため、データ符号Ｄが相互に反転した状態で重畳されているが、波形はほぼ同じである。この波形をもし音響として放音しても、聴取者にデータ符号Ｄを聞き取られることは殆どない。
【００３４】
一方、同図（Ｃ）は加算部４３の出力波形である。この図の縦軸のスケールは同図（Ａ），（Ｂ）から１００倍程度拡大されている。同図（Ａ），（Ｂ）の信号波形を一方を反転して加算することにより、音響信号の成分（低音域成分信号）はほぼ完全に相殺され、データ符号Ｄの波形のみが取り出される。この信号波形をデータ復号部２２に入力することにより、データ復号部２２が波形整形またはデコードして復号したデータ符号Ｄを出力する。
【００３５】
図１において音響再生部２３は、入力部２０が受信または再生した音響信号Ｓ′をそのまま音響として再生出力すればよいが、重畳されたデータ符号Ｄの成分を除去してから再生出力した方が好ましい場合もある。
【００３６】
図５（Ｂ）はデータ分離部２１と組み合わせることにより、音響信号Ｓ′から効率的にデータ符号Ｄの成分を除去し、ほぼ元の信号（音響信号Ｓ）に戻した信号を再生する音響再生部２３の構成を示す図である。この図の構成において、図５（Ａ）に示したデータ分離部２１と同様の構成の部分は同一番号を付して説明を省略する。
【００３７】
信号入力端子４０から入力された音響信号Ｓ′は、データ分離部２１のローパスフィルタ４１に入力されるとともに、音響再生部２３のハイパスフィルタ４６に入力される。すなわち、左チャンネルの音響信号は、入力端子４０Ｌを介してローパスフィルタ４１Ｌおよびハイパスフィルタ４６Ｌに入力され、右チャンネルの音響信号は、入力端子４０Ｒを介してローパスフィルタ４１Ｒおよびハイパスフィルタ４６Ｒに入力される。ハイパスフィルタ４６は送信装置１のデータ重畳部１０のハイパスフィルタ３５と同じカットオフ特性に設定されている。ハイパスフィルタ４６Ｌ，Ｒで抽出された左右チャンネルの高音域成分信号は、加算部３６Ｌ，Ｒにそれぞれ個別に入力される。
【００３８】
データ分離部２１のローパスフィルタ４１Ｌ，Ｒで抽出された左右チャンネルの低音域成分信号は、音響再生部２３に取り出され、加算部４５で加算されてデータ符号Ｄの成分が除去される。すなわち、データ符号Ｄは左右チャンネルで相互に位相を反転して重畳されているため、そのまま左右チャンネルの信号を加算することでデータ符号Ｄの成分を除去することができる。このとき、加算後の信号レベルが飽和してしまわないように、加算前にレベル調整器４４Ｌ，Ｒによって、左右チャンネルの低音域成分信号のレベルが１／２（０．５）に制限される。加算部３３で加算されモノラル化された低音域成分信号は、加算部４７Ｌ，Ｒに入力される。
【００３９】
これにより、左チャンネルの加算部４７Ｌでは、左チャンネルの高音域成分信号、および、データ符号Ｄの成分が除去されたモノラルの低音域成分信号が加算合成される。また、右チャンネルの加算部４７Ｒでは、右チャンネルの高音域成分信号、および、データ符号Ｄの成分が除去されたモノラルの低音域成分信号が加算合成される。
【００４０】
このように、図５（Ｂ）の構成であれば、低音域の信号成分はモノラル化されているが、ほぼ元の音響信号Ｓに復元された音響信号を出力することができる。加算部４７Ｌ，Ｒで合成された音響信号がアナログ化および増幅されてスピーカ２４等から出力される。
【００４１】
このように、受信装置２から出力される音響信号からデータ符号Ｄを除去することにより、同じ音響信号のように聴こえても、送信装置１から出力された信号であるか、受信装置２が一旦受信した信号であるかを識別することが可能になり、データ符号Ｄをいわゆる透かしとして使用することができる。また、受信装置２において、また新たな別のデータ符号Ｄを重畳することにより、いわゆる世代管理も可能になる。
【００４２】
なお、この実施形態では、データ重畳部１０において、反転したデータ符号Ｄを左チャンネルに加算し、データ分離部２１において、左チャンネルの低音帯域の信号を反転して右チャンネルの低音帯域の信号と加算しているが、データ重畳時に反転したデータ符号Ｄをどちらのチャンネルに加算するか、および、データ分離時にどちらのチャンネルの信号を反転させるかは任意である。
【００４３】
上記実施形態では、音響信号Ｓを２チャンネルのステレオ信号として説明したが、音響信号Ｓは２チャンネルに限定されない。より多くのチャンネルを有するマルチチャンネルの音響信号の場合、そのうちの２チャンネル（たとえばサラウンド左とサラウンド右）を取り出して上記処理をすればよい。また、マルチチャンネルを２つのチャンネルグループに分けて上記処理を施してもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１  送信装置
２  受信装置
１０  データ重畳部
２１  データ分離部
【図１】
0005482381.tif 000002
【図２】
0005482381.tif 000003
【図３】
0005482381.tif 000004
【図４】
0005482381.tif 000005
【図５】
0005482381.tif 000006
【図６】
0005482381.tif 000007