(57)【要約】【課題】  劣悪な環境においても送信情報を音響信号に埋め込んで伝達することを可能にする。【解決手段】  情報送信装置１において、埋め込み部１３は、同一の送信情報を音響信号に繰り返し埋め込んで出力し、送信部１４は、埋め込み部１３から出力される音響信号を送信する。その際、埋め込み部１３は、所定周期毎に、送信情報を音響信号に埋め込む通常埋め込み処理と送信情報を反転して音響信号に埋め込む反転埋め込み処理を交互に繰り返す。情報受信装置２において、受信部２１は、音響信号を継続して受信し、抽出部２３は、音響信号から送信情報を抽出する処理を抽出に成功するまで繰り返す。【選択図】図１
2018157329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の送信情報を音響信号に繰り返し埋め込んで出力する埋め込み手段と、
前記埋め込み手段により出力される音響信号を送信する送信手段と
を具備することを特徴とする情報送信装置。
【請求項２】
前記埋め込み手段は、前記音響信号における２つの周波数での信号強度の強弱関係を前記送信情報に応じて調整することを特徴とする請求項１に記載の情報送信装置。
【請求項３】
前記埋め込み手段は、前記２つの周波数からなる周波数対を複数対利用して複数ビットの送信情報を前記音響信号に埋め込むことを特徴とする請求項２に記載の情報送信装置。
【請求項４】
前記埋め込み手段は、前記２つの周波数からなる周波数対を複数対利用し、前記送信情報における同一のビットを前記音響信号に埋め込むことを特徴とする請求項２に記載の情報送信装置。
【請求項５】
前記埋め込み手段は、埋め込み態様を変えつつ前記送信情報を前記音響信号に繰り返し埋め込むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載の情報送信装置。
【請求項６】
前記埋め込み手段は、前記送信情報を前記音響信号に埋め込む通常埋め込み処理と前記送信情報を反転させて前記音響信号に埋め込む反転埋め込み処理とを交互に繰り返すことを特徴とする請求項５に記載の情報送信装置。
【請求項７】
音響信号を継続して受信する受信手段と、
前記受信手段により受信される音響信号から送信情報を抽出する抽出処理を抽出に成功するまで繰り返す抽出手段と
を具備することを特徴とする情報受信装置。
【請求項８】
前記抽出手段は、
前記音響信号から２つの周波数における所定周期毎の信号強度の差分を示す第１および第２の時間差動信号を生成し、前記第１および第２の時間差動信号の差分を示す周波数差動信号を生成し、前記周波数差動信号に基づいて前記送信情報を抽出することを特徴とする請求項７に記載の情報受信装置。
【請求項９】
前記抽出手段は、
複数の周波数対について、当該周波数対を構成する２つの周波数における所定周期毎の信号強度の差分を示す第１および第２の時間差動信号を生成し、
前記複数の周波数対の各々について生成した前記第１の時間差動信号の第１の最大絶対値と、前記第２の時間差動信号の第２の最大絶対値とを取得し、前記第１の最大絶対値の取得された時間差動信号と前記第２の最大絶対値の取得された時間差動信号との大小関係に基づいて、前記送信情報を抽出することを特徴とする請求項７に記載の情報受信装置。
【請求項１０】
同一の送信情報を音響信号に繰り返し埋め込んで出力する埋め込み過程と、
前記埋め込み過程により出力された音響信号を送信する送信過程と
を具備することを特徴とする情報送信方法。
【請求項１１】
音響信号を継続して受信する受信過程と、
前記受信手段により受信される音響信号から送信情報を抽出する抽出処理を抽出に成功するまで繰り返す抽出手段と
を具備することを特徴とする情報受信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、音響信号に送信情報を埋め込んで伝達する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近距離通信等のための一手段として、音響通信がある。従来の音響通信システムでは、例えば特許文献１に開示されているように、音響信号において複数の周波数成分に変調処理を施すことにより送信情報の各ビットを埋め込み、かつ、音響信号を時間軸方向に沿って区切った複数の区間について各ビットの埋め込みを行うことにより音響信号に対する送信情報の埋め込みを行っていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−２９４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、硬い床や壁に囲まれた閉空間や天井の高い大空間において音響通信を行った場合、音響通信は音のフェージング（反射）や残響の影響を受ける。このため、上述した従来の音響通信システムでは、受信装置が送信情報の埋め込まれた全ての時間区間の音響信号を受信し終える前に音響信号の受信に失敗する可能性が高く、受信が困難になる問題があった。
【０００５】
この発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、劣悪な環境においても送信情報を音響信号に埋め込んで伝達することを可能にする技術的手段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】
この発明は、同一の送信情報を音響信号に繰り返し埋め込んで出力する埋め込み手段と、前記埋め込み手段により出力される音響信号を送信する送信手段とを具備することを特徴とする情報送信装置を提供する。
【０００７】
また、この発明は、音響信号を継続して受信する受信手段と、前記受信手段により受信される音響信号から送信情報を抽出する抽出処理を抽出に成功するまで繰り返す抽出手段とを具備することを特徴とする情報受信装置を提供する。
【０００８】
この発明によれば、情報送信装置は同一の送信情報を音響信号に繰り返し埋め込んで送信し、情報受信装置は抽出に成功するまで音響信号の受信と音響信号からの送信情報の抽出を繰り返すので、劣悪な環境においても、送信情報を音響信号に埋め込んで伝達することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の第１実施形態である音響通信システムの構成を示すブロック図である。
【図２】同実施形態において実行される埋め込み処理を説明するタイムチャートである。
【図３】同実施形態における１ビット分の埋め込み処理を説明する図である。
【図４】同実施形態における抽出処理を説明する図である。
【図５】同実施形態における情報送信装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】同実施形態における情報受信装置の動作を示すフローチャートである。
【図７】同実施形態の効果を示す図である。
【図８】この発明の第２実施形態である音響通信システムにおける埋め込み処理を説明する図である。
【図９】同実施形態における情報送信装置と情報受信装置の動作を説明する図である。
【図１０】この発明の他の実施形態における情報受信装置の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照し、この発明の実施形態について説明する。
【００１１】
＜第１実施形態＞
図１はこの発明の第１実施形態である音響通信システムの構成を示すブロック図である。本実施形態において、音響通信システムは、情報送信装置１と、情報受信装置２とを有する。本実施形態による音響通信システムは、商業施設や公共空間において、情報送信装置１が案内放送の音響信号に同一の送信情報を繰り返し埋め込んで送信（放音）し、情報受信装置２が音響信号を受信して音響信号から送信情報を抽出する処理を繰り返すものである。
【００１２】
図１に示すように、情報送信装置１は、音響信号生成部１１と、送信情報生成部１２と、埋め込み部１３と、送信部１４と、スピーカ等からなる放音部１５とを有する。音響信号生成部１１は、案内放送の音響信号を生成する手段である。送信情報生成部１２は、案内放送の音声に埋め込む所定ビット数の送信情報を生成する手段である。ここで、音響信号生成部１１および送信情報生成部１２は、記憶媒体から音響信号や送信情報を読み出すことにより音響信号や送信情報を生成する装置であってもよいし、通信手段により外部から音響信号や送信情報を受信することにより音響信号や送信情報を生成する装置であってもよい。
【００１３】
埋め込み部１３は、音響信号生成部１１により生成される音響信号に対し、送信情報生成部１２が生成した送信情報を繰り返し埋め込んで出力する埋め込み手段である。送信部１４は、埋め込み部１３から出力される音響信号を放音部１５から送信（放音）する送信手段である。
【００１４】
情報受信装置２は、例えばスマートフォンである。この情報受信装置２は、受信部２１と、マイクロフォン等からなる収音部２２と、抽出部２３と、制御部２４とを有する。受信部２１は、音響信号を継続的に受信する受信手段である。具体的には、受信部２１は、情報送信装置１の放音部１５から放音される音を収音部２２により収音し、収音部２２から得られる音響信号を受信する。抽出部２３は、受信部２１により得られる音響信号から送信情報を抽出する抽出処理を一定時間間隔で抽出に成功するまで繰り返す抽出手段である。制御部２４は、抽出部２３により抽出された送信情報に基づく情報受信装置の制御を行う手段である。なお、送信情報に基づく情報受信装置の制御には、送信情報により特定される情報を図示しない記憶部に記憶された情報の中から検索する処理等が含まれる。
【００１５】
次に情報送信装置１の埋め込み部１３の詳細について説明する。図２は埋め込み部１３により行われる埋め込み処理を説明するタイムチャートである。図２において、横軸は時間、縦軸は周波数、横軸および縦軸と直交する軸は信号強度を示している。本実施形態における埋め込み部１３は、埋め込み態様を変化させつつ送信情報を構成する所定数のビットを音響信号に繰り返し埋め込む。
【００１６】
さらに詳述すると、埋め込み部１３は、所定数の周波数対ＦｋおよびＦｋ’（ｋ＝１、２、…、ｉ、…）における音響信号の信号強度の強弱関係を送信情報を構成する所定数のビットに応じて調整する埋め込み処理を所定周期Ｔ毎に実行する。
【００１７】
図３は１ビット分の埋め込み処理を説明する図である。この図３に示すように、周波数対ＦｉおよびＦｉ’に対応付けられた送信情報のビットが“０”である場合、埋め込み部１３は、周波数Ｆｉでの信号強度Ａ（Ｆｉ）と周波数Ｆｉ’での信号強度Ａ（Ｆｉ’）との関係がＡ（Ｆｉ）＜Ａ（Ｆｉ’）となるように各周波数での信号強度を所定周期Ｔに亙って調整する。また、周波数対ＦｉおよびＦｉ’に対応付けられた送信情報のビットが“１”である場合、埋め込み部１３は、周波数Ｆｉでの信号強度Ａ（Ｆｉ）と周波数Ｆｉ’での信号強度Ａ（Ｆｉ’）との関係がＡ（Ｆｉ）＞Ａ（Ｆｉ’）となるように各周波数での信号強度を所定周期Ｔに亙って調整する。
【００１８】
このような信号強度の調整を行うための方法には、各種の方法が考えられるが、例えば送信情報のビットが“０”である場合は、周波数Ｆｉ’のサイン波を所定周期Ｔに亙って音響信号に付加し、送信情報のビットが“１”である場合は、周波数Ｆｉのサイン波を所定周期Ｔに亙って音響信号に付加してもよい。埋め込み部１３は、このような埋め込み処理を送信情報を構成する各ビットに対応付けられた各周波数対について実行する。この送信情報の埋め込みを行う音響信号の周波数帯域は、高周波の非可聴帯域が好ましい。
【００１９】
また、埋め込み部１３は、このような送信情報を構成する各ビットについての音響信号への埋め込み処理を所定周期Ｔ毎に埋め込み態様を変化させつつ繰り返し実行する。具体的には、埋め込み部１３は、図２に示すように、送信情報を構成する各ビットをそのまま音響信号に埋め込む通常埋め込み処理と、送信情報を構成する各ビットを反転した各ビットを音響信号に埋め込む反転埋め込み処理とを所定周期Ｔ毎に交互に繰り返す。
【００２０】
ここで、音響信号に埋め込まれる送信情報は、ペイロード部と、ヘッダ部と、フッタ部とを含む。そして、フッタ部は、ペイロード部の誤り検出のために生成されたＣＲＣ等の誤り検出部号を含む。情報受信装置２において、通常埋め込み処理により得られた音響信号から送信情報を抽出し、その送信情報に含まれている誤り検出符号を用いてペイロード部の検査を行うと、通常は検査に合格することとなる。しかし、情報受信装置２において、反転埋め込み処理により得られた音響信号から送信情報を抽出し、その送信情報に含まれている誤り検出符号を用いてペイロード部の検査を行うと、検査は不合格になるはずである。そこで、本実施形態において情報受信装置２では、音響信号から抽出した送信情報のペイロード部について誤り検出符号を用いた検査を行うことにより、当該送信情報が通常埋め込み処理により音響信号に埋め込まれたものであるか、反転埋め込み処理により音響信号に埋め込まれたものであるかを判別するようにしている。
【００２１】
本実施形態において、各周波数対ＦｉおよびＦｉ’の周波数差は１０Ｈｚ程度である。このように周波数対ＦｉおよびＦｉ’の周波数差を１０Ｈｚ程度にするのは次の理由による。情報受信装置２での抽出処理において音響信号から送信情報を安定して抽出するためには、送信情報が埋め込まれていない状態での周波数対ＦｉおよびＦｉ’における信号強度波形の相関が強い方が望ましい。そして、情報受信装置２において音響信号における周波数対ＦｉおよびＦｉ’での信号強度は、放音部１５の周波数特性に依存する。従って、情報受信装置２において音響信号における周波数対ＦｉおよびＦｉ’の信号強度波形の相関を強くするためには、周波数対ＦｉおよびＦｉ’の周波数差が小さい方が望ましい。しかしながら、周波数対ＦｉおよびＦｉ’の周波数差が小さいと、例えばユーザが情報受信装置２を歩きながら使用する場合等に、情報受信装置２においてドップラーシフトの影響により周波数Ｆｉと周波数Ｆｉ’が接近し、周波数Ｆｉでの信号強度と周波数Ｆｉ’での信号強度を分離して検出するのが困難になる。そこで、本実施形態では、情報受信装置２において音響信号から送信情報を安定して抽出することができ、かつ、ドップラーシフトの影響を受忍可能なレベルに低減することができるように、周波数対ＦｉおよびＦｉ’の周波数差を１０Ｈｚ程度にしているのである。
以上が埋め込み部１３の詳細である。
【００２２】
次に情報受信装置２の抽出部２３の詳細について説明する。図４は抽出部２３が実行する１ビット分の抽出処理の内容を示す図である。１ビットの抽出処理では、受信部２１が受信した音響信号において、周波数ＦｉおよびＦｉ’での各信号強度を所定周期毎に順次サンプリングする。このサンプリングの周期は、上述した埋め込み処理の周期Ｔの１／２以下であればよいが、図４の例では周期をＴ／２としている。抽出処理におけるサンプリングの周期を埋め込み処理の周期Ｔの１／２以下にするのは、そのようなサンプリング周期であれば、埋め込み処理の周期と同期していなくても、抽出処理でのサンプリングにおいて、音響信号に埋め込まれたビットの反転タイミングの前後の音響信号の信号強度をサンプリングし損なうことがないからである。
【００２３】
そして、１ビットの抽出処理では、サンプリングを行う都度、今回サンプリングした周波数ＦｉおよびＦｉ’での各信号強度Ａ（Ｆｉ）およびＡ（Ｆｉ’）と、２周期（２×Ｔ／２＝Ｔ）前にサンプリングした各信号強度との差分を各々求め、各差分を示す時間差動信号ＤＡ（Ｆｉ）およびＤＡ（Ｆｉ’）を各々生成する。このようにすることで、今回サンプリングした信号強度と時間Ｔだけ前にサンプリングした信号強度が共通に含むノイズ成分（すなわち、ＤＣノイズ成分）が除去された時間差動信号ＤＡ（Ｆｉ）およびＤＡ（Ｆｉ’）が得られる。
【００２４】
また、１ビットの抽出処理では、２つの時間差動信号の差分を示す周波数差動信号ＤＤＡ＝ＤＡ（Ｆｉ）−ＤＡ（Ｆｉ’）を生成する。この周波数差動信号ＤＤＡは、周波数Ｆｉに対応した時間差動信号ＤＡ（Ｆｉ）と周波数Ｆｉ’に対応した時間差動信号ＤＡ（Ｆｉ’）とに共通に含まれたノイズ成分が除去された信号となり、時間差動信号ＤＡ（Ｆｉ）およびＤＡ（Ｆｉ’）の各々の２倍の振幅を持った信号となる。ここで、時間差動信号ＤＡ（Ｆｉ）およびＤＡ（Ｆｉ’）に共通に含まれたノイズ成分とは、具体的には送信情報が埋め込まれていない状態での周波数ＦｉおよびＦｉ’における音響信号の信号強度波形である。この周波数ＦｉおよびＦｉ’における音響信号の信号強度波形は、周波数ＦｉおよびＦｉ’の周波数差が小さくなるほど、相関が強くなる。従って、高いＳＮ比を実現するためには、周波数ＦｉおよびＦｉ’の周波数差が小さいことが好ましい。
【００２５】
抽出部２３は、例えば周波数差動信号ＤＤＡの極性反転に基づいて、音響信号に埋め込まれたビットを抽出する。具体的には、抽出部２３は、周波数差動信号ＤＤＡの正から負への極性反転タイミングを、音響信号に埋め込まれたビットの“１”から“０”への変化タイミングとし、周波数差動信号ＤＤＡの負から正への極性反転タイミングを、音響信号に埋め込まれたビットの“０”から“１”への反転タイミングとみなして、音響信号からビットを抽出する。抽出部２３は、このような抽出処理を送信情報を構成する各ビットに対応付けられた各周波数対について実行する。
【００２６】
ところで、上述したように情報送信装置１の埋め込み部１３では、所定周期Ｔ毎に通常埋め込み処理と反転埋め込み処理とを交互に繰り返す。従って、抽出部２３では、送信情報を構成する各ビットと、送信情報を構成する各ビットを反転した各ビットが交互に得られる。
【００２７】
そこで、本実施形態において、情報受信装置２の抽出部２３は、音響信号から送信情報を抽出する都度、その誤り検出符号を用いたペイロード部の検査を行う。抽出部２３は、ペイロード部の検査に合格するまで音響信号から送信情報を抽出する抽出処理を繰り返し、検査に合格したとき、抽出に成功したとみなして、その抽出した送信情報を制御部２４に送り、抽出処理を終了する。
以上が抽出部２３の詳細である。
【００２８】
図５は本実施形態による情報送信装置１の動作を示すフローチャートである。また、図６は本実施形態による情報受信装置２の動作を示すフローチャートである。以下、これらの図を参照し、本実施形態の動作を説明する。
【００２９】
情報送信装置１は、図示しない操作手段の操作等に応じて情報送信の動作を開始すると、図５に示すように、終了指示が与えられてステップＳ１３の判断結果が「ＹＥＳ」になるまでの間、埋め込み部１３による埋め込み処理（ステップＳ１１）および送信部１４による送信処理（ステップＳ１２）を繰り返す。
【００３０】
埋め込み処理（ステップＳ１１）では、音響信号生成部１１により生成される音響信号に対し、送信情報生成部１２が生成した所定数のビットからなる送信情報を所定周期Ｔに亙って埋め込む。具体的には、送信情報を構成する各ビットに対応付けられた各周波数対における音響信号の信号強度の強弱関係を各ビットに応じた強弱関係に調整する。また、埋め込み処理（ステップＳ１１）では、所定周期Ｔ毎に通常埋め込み処理と反転埋め込み処理とを交互に繰り返す。
【００３１】
送信処理（ステップＳ１２）では、埋め込み処理（ステップＳ１１）により送信情報が埋め込まれた音響信号を放音部１５から放音する。
【００３２】
一方、情報受信装置２は、図示しない操作手段の操作等に応じて情報受信の動作を開始すると、図６に示すように、抽出部２３が音響信号から送信情報を抽出することに成功してステップＳ２３の判断結果が「ＹＥＳ」になるまでの間、受信部２１による音響信号の受信処理（ステップＳ２１）および抽出部２３による抽出処理（ステップＳ２２）を繰り返す。
【００３３】
受信処理（ステップＳ２１）では、受信部２１が収音部２２により情報送信装置１からの音響信号を取得する。
【００３４】
抽出処理（ステップＳ２２）において、抽出部２３は、送信情報の各ビットに対応付けられた各周波数対について、受信処理（ステップＳ２１）により得られた音響信号の信号強度を所定周期Ｔ／２毎にサンプリングし、所定周期Ｔだけ前にサンプリングした信号強度との差分を算出することにより、時間差動信号ＤＡ（Ｆｉ）およびＤＡ（Ｆｉ’）を生成する。また、抽出部２３は、所定周期Ｔ／２毎に、送信情報の各ビットに対応付けられた各周波数対について、時間差動信号間の差分を検出し、周波数差動信号ＤＤＡ＝ＤＡ（Ｆｉ）−ＤＡ（Ｆｉ’）を生成する。そして、抽出部２３は、各周波数対についての周波数差動信号ＤＤＡ＝ＤＡ（Ｆｉ）−ＤＡ（Ｆｉ’）から音響信号に埋め込まれた送信情報のビットを抽出し、抽出した送信情報におけるペイロード部を誤り検出符号を用いて検査する。
【００３５】
この検査が合格になると、抽出部２３による抽出処理は成功したとみなされ、ステップＳ２３の判断結果が「ＹＥＳ」となって情報受信装置２の情報受信処理が終了となる。
【００３６】
以上のように本実施形態によれば、情報送信装置１は同じ送信情報を音響信号に繰り返し埋め込んで送信し、情報受信装置２は抽出が成功するまで音響信号を受信して送信情報を音響信号から抽出する処理を繰り返す。このため、音のフェージングや残響の影響を受けやすい劣悪な通信環境においても、通信環境が良好になる一瞬に情報受信装置２が音響信号の受信および送信情報の抽出に成功する可能性が高い。従って、劣悪な環境下でも、送信情報を音響信号に埋め込んで情報送信装置１から情報受信装置２に伝達することができる。
【００３７】
また、本実施形態によれば、例えばユーザが歩行しながら情報受信装置２を使用している場合において、歩行中はドップラーシフトの影響により音響信号が正常に受信されない可能性があるが、ユーザが歩行を一瞬停止したような場合に、その一瞬の間に音響信号が正常に受信され、音響信号から送信情報が正常に抽出される可能性が高い。従って、本実施形態によれば、情報受信装置２を携帯して歩行するユーザに対しても、送信情報を音響信号に埋め込んで伝達することができる。
【００３８】
また、本実施形態によれば、情報送信装置１の埋め込み部１３は、通常埋め込み処理と反転埋め込み処理を交互に繰り返す。従って、情報受信装置２の抽出部２３は、受信した音響信号において一定周期隔てたタイミングでの信号強度に基づいてＤＣ成分の除去された時間差動信号を取得し、この時間差動信号から送信情報を抽出することができる。従って、高いＳＮ比での音響通信を実現することができる。
【００３９】
また、本実施形態によれば、情報送信装置１の埋め込み部１３は、音響信号における２つの周波数での信号強度の強弱関係を送信情報に応じて調整し、音響信号を送信する。そして、情報受信装置２の抽出部２３は、２つの周波数に対応した上記時間差動信号から周波数差動信号を取得し、音響信号における２つの周波数の周波数成分に共通に含まれるノイズが除去された周波数差動信号を取得することができる。この周波数差動信号は、埋め込み部１３が送信情報に基づいて調整した音響信号の２つの周波数での信号強度の強弱関係を忠実に反映した信号となる。従って、本実施形態によれば、さらにＳＮ比での音響通信を実現することができる。
【００４０】
また、環境によっては、特定周波数のノイズが定常的に発生するような場合がある。本実施形態では、そのような状況でも送信情報を音響信号に埋め込んで送信し、情報受信装置に受信および送信情報の抽出を行わせることができる。
【００４１】
図７はこの効果を説明する図である。この例では、情報受信装置２の周囲の環境において、あるビットに対応した周波数対ＦｉおよびＦｉ’のうち周波数Ｆｉ’と同一周波数のサイン波のノイズが定常的に発生しており、このノイズの重畳した音響信号が情報受信装置２により受信されている。このため、抽出部２３の抽出処理では、周波数Ｆｉ’における時間差動信号ＤＡ（Ｆｉ’）が常時０となる。しかしながら、音響信号に周波数Ｆｉのノイズは重畳していないので、音響信号から正常な波形の時間差動信号ＤＡ（Ｆｉ）が生成される。この場合、時間差動信号ＤＡ（Ｆｉ）およびＤＡ（Ｆｉ’）から得られる周波数差動信号ＤＤＡ＝ＤＡ（Ｆｉ）−ＤＡ（Ｆｉ’）の振幅は、時間差動信号ＤＡ（Ｆｉ）の振幅の２倍にはならない。しかしながら、周波数差動信号ＤＤＡの極性の反転タイミングに基づいて、送信情報のビットの反転タイミングを求めることに支障が生じることはない。従って、本実施形態によれば、特定周波数のサイン波のノイズが定常的に発生する環境下においても、送信情報を音響信号に埋め込んで送信し、情報受信装置に受信および送信情報の抽出を行わせることができる。
【００４２】
＜第２実施形態＞
音響通信では、フェージングによって急に特定の周波数の信号が大きく減衰することが頻繁に発生する。この発明の第２実施形態による音響通信システムは、このようなフェージングへの対応を行うため、上記第１実施形態に対し、周波数ダイバーシチの機能を追加したものである。
【００４３】
図８は本実施形態における情報送信装置１の埋め込み部１３により行われる埋め込み処理を説明するタイムチャートである。前掲図２と同様、図８において、横軸は時間、縦軸は周波数、横軸および縦軸と直交する軸は信号強度を示している。
【００４４】
本実施形態における埋め込み部１３は、周波数軸上において、帯域Ａに属する所定数の周波数対における信号強度の強弱関係を調整することにより送信情報を構成する所定数のビットを音響信号に埋め込み、帯域Ａと異なる帯域Ｂに属する所定数の周波数対における信号強度の強弱関係を調整することにより同じ送信情報を構成する所定数のビットを音響信号に埋め込む。図８には帯域Ａに属する周波数対ＦａおよびＦａ’と、帯域Ｂに属する周波数対ＦｂおよびＦｂ’とが示されている。これらの周波数対ＦａおよびＦａ’と周波数対ＦｂおよびＦｂ’は、送信情報における同じビットを伝送する２つの伝送チャネルとなる。帯域Ａと帯域Ｂは、周波数軸上において離れていることが好ましい。帯域Ａと帯域Ｂとが周波数軸上において離れている場合、両帯域間で音響信号の相関が低くなるからである。
【００４５】
図９は本実施形態における情報送信装置１および情報受信装置２の動作を示す図である。この図では、周波数対ＦａおよびＦａ’を利用した送信情報のビットの伝送の様子と、周波数対ＦｂおよびＦｂ’を利用した送信情報の同じビットの伝送の様子と、両伝送を利用した周波数ダイバーシチの処理内容が示されている。
【００４６】
送信対象であるビットが“０”である場合、埋め込み部１３は、音響信号において、周波数対ＦａおよびＦａ’に対応した信号強度の強弱関係をＡ（Ｆａ）＜Ａ（Ｆａ’）に調整し、同様に周波数対ＦｂおよびＦｂ’に対応した信号強度の強弱関係をＡ（Ｆｂ）＜Ａ（Ｆｂ’）に調整する。
【００４７】
この音響信号は、情報送信装置１から放音される。放音された音響信号は情報受信装置２まで伝送される過程において、ノイズや反射の影響を受ける。
【００４８】
情報受信装置２の抽出部２３では、周波数対ＦａおよびＦａ’についての第１および第２の時間差動信号ＤＡ（Ｆａ）およびＤＡ（Ｆａ’）と、周波数対ＦｂおよびＦｂ’についての第１および第２の時間差動振動ＤＡ（Ｆｂ）およびＤＡ（Ｆｂ’）とが音響信号から生成される。そして、抽出部２３では、これらの時間差動信号からビットの“０”／“１”が判定される。この周波数差動信号の生成処理が本実施形態と上記第１実施形態との相違点である。
【００４９】
本実施形態では、帯域Ａに属する周波数Ｆａに対応した第１の時間差動信号ＤＡ（Ｆａ）から取得される絶対値と、帯域Ｂに属する周波数Ｆｂに対応した第１の時間差動信号ＤＡ（Ｆｂ）から取得される絶対値とを比較し、大きい方を選択して第１の最大絶対値とする。また、帯域Ａに属する周波数Ｆａ’に対応した第２の時間差動信号ＤＡ（Ｆａ’）から取得される絶対値と、帯域Ｂに属する周波数Ｆｂ’に対応した第２の時間差動信号ＤＡ（Ｆｂ’）から取得される絶対値とを比較し、大きい方を選択して第２の最大絶対値とする。そして、第１の最大絶対値の取得された時間差動信号が第２の最大絶対値の取得された時間差動信号よりも大きければ、送信されたビットを“１”と判定し、第２の最大絶対値の取得された時間差動信号が第１の最大絶対値の取得された時間差動信号よりも大きければ、送信されたビットを“０”と判定する。
【００５０】
図９に示す例では、第１の時間差動信号ＤＡ（Ｆａ）の絶対値よりも、第１の時間差動信号ＤＡ（Ｆｂ）の絶対値の方が大きいので、時間差動信号ＤＡ（Ｆｂ）の絶対値が第１の最大絶対値となる。また、第２の時間差動信号ＤＡ（Ｆａ’）の絶対値の方が第２の時間差動信号ＤＡ（Ｆｂ’）の絶対値よりも大きいので、時間差動信号ＤＡ（Ｆａ’）の絶対値が第２の最大絶対値となる。そして、第１の最大絶対値の取得された時間差動信号ＤＡ（Ｆｂ）よりも第２の最大絶対値の取得された時間差動信号ＤＡ（Ｆａ’）の方が大きいので、送信されたビットは“０”と判定される。このような処理が帯域Ａに属する各周波数対および帯域Ｂに属する各周波数対について実行され、送信情報を構成する各ビットが得られる。
【００５１】
そして、上記第１実施形態と同様、抽出された各ビットについて誤り検出符号を用いた検査結果が合格になることにより、抽出が成功したとみなされ、受信処理が終了する。
【００５２】
本実施形態においても上記第１実施形態と同様の効果が得られる。また、本実施形態によれば、１つのビットを２組の周波数対からなる２つの伝送チャネルを介して伝送するので、フェージングの発生する通信環境においても、情報受信装置２において音響信号の受信および送信情報の抽出が成功する確率を高めることができるという効果が得られる。また、本実施形態によれば、広帯域のノイズが発生する通信環境においても、高いロバスト性を維持することができる。
【００５３】
＜他の実施形態＞
以上、この発明の第１および第２実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば次の通りである。
【００５４】
（１）上記第１および第２実施形態において、抽出部２３が音響信号から時間差動信号を生成する際、時間差動信号の反転時の波形を鈍らせるフェード処理を行い、情報受信装置２において可聴ノイズの発生を抑制してもよい。この場合、フェード処理のフェード時間（時間差動信号の反転の所要時間）は、発生する可聴ノイズの大きさに基づいて定めればよく、１０ミリ秒もあれば十分である。
【００５５】
（２）上記第１および第２実施形態において、送信情報の音響信号への埋め込みを行う周期Ｔは、音響通信を行う環境に応じて、０．１秒から数秒程度の間で任意に設定すればよい。
【００５６】
（３）上記第１および第２実施形態では、周波数差動信号あるいは時間差動信号の極性反転タイミングを利用して、送信情報のビットの判定を行ったが、周波数差動信号あるいは時間差動信号を随時サンプリングして送信情報のビットの判定を行うようにしてもよい。すなわち、ビットの埋め込まれた複数の周波数対について、周波数差動信号あるいは時間差動信号を随時サンプリングしてビット判定を行い、このビット判定の都度、判定したビットについて誤り検出符号を用いた検査を行い、検査に合格した場合に送信情報の抽出に成功したと判定するのである。
【００５７】
（４）上記第１実施形態では、図６のステップＳ２３において、音響信号から抽出した送信情報のビットについて誤り検出符号を用いた検査を行い、この検査に合格した場合に抽出に成功したとみなし、抽出処理を終了した。しかし、そのようにする代わりに、情報受信装置が図１０に示す処理を行うようにしてもよい。図１０において、ステップＳ２１〜Ｓ２３までの処理は前掲図６と同様である。この態様では、ステップＳ２３において誤り検出符号を用いた検査が不合格になった場合に、音響信号から抽出した送信情報の全ビットを反転して（ステップＳ２４）、誤り検出符号を用いた検査を実施する（ステップＳ２５）。そして、この検査に不合格になった場合は、再度、音響信号の受信（ステップＳ２１）および送信情報の抽出（ステップＳ２２）を行い、検査に合格した場合は、抽出に成功したとみなし（ステップＳ２５＝ＹＥＳ）、抽出処理を終了するのである。この態様によれば、送信情報の抽出に成功するまでの所要時間を短くすることができる。上記第２実施形態についても同様である。
【００５８】
（５）上記第２実施形態では、各々１つの周波数対からなる２つの伝送チャネルを介して１ビットを伝送したが、３以上の伝送チャネルを介して１ビットを伝送する周波数ダイバーシチを行ってもよい。この場合、抽出部２３では、同一ビットが埋め込まれる複数の周波数対について、当該周波数対を構成する２つの周波数における所定周期毎の信号強度の差分を示す第１および第２の時間差動信号を生成する。そして、各周波数対について第１の時間差動信号の第１の最大絶対値と、第２の時間差動信号の第２の最大絶対値とを取得し、第１の最大絶対値の取得された時間差動信号と第２の最大絶対値の取得された時間差動信号との大小関係に基づいて、音響信号に埋め込まれたビットを抽出すればよい。
【符号の説明】
【００５９】
１……情報送信装置、１１……音響信号生成部、１２……送信情報生成部、１３……埋め込み部、１４……送信部、１５……放音部、２……情報受信装置、２１……受信部、２２……収音部、２３……抽出部、２４……制御部。
【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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