(57)【要約】【課題】盗聴者による多値信号レベルの遷移パターンに基づく解読を防止できる、Ｙ−００プロトコルを用いたデータ送信装置及びデータ受信装置を提供する。【解決手段】所定の鍵情報を用いて、略乱数的に値が変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、受信装置との共有情報と多値符号列と情報データとに基づいて変換多値信号を生成し、変換多値信号を所定の変調形式で変調し、変調信号として出力する多値信号変調部とを備え、変換多値信号は、互いに異なる複数の信号点配置を有する信号であり、多値信号変調部は、受信装置との共有情報に従って、変換多値信号の複数の信号点配置を切替える。【選択図】図１
2008160178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の鍵情報を用いて情報データを多値化し、受信装置との間で秘密通信を行うデータ送信装置であって、
前記所定の鍵情報を用いて、略乱数的に値が変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、
前記受信装置との共有情報と前記多値符号列と前記情報データとに基づいて変換多値信号を生成し、前記変換多値信号を所定の変調形式で変調し、変調信号として出力する多値信号変調部とを備え、
前記変換多値信号は、互いに異なる複数の信号点配置を有する信号であり、
前記多値信号変調部は、前記受信装置との共有情報に従って、前記変換多値信号の複数の信号点配置を切替えることを特徴とする、データ送信装置。
【請求項２】
前記複数の信号点配置は、前記多値符号列に対応した複数の信号レベルを有する第１の信号点配置と第２の信号点配置とを少なくとも含み、
前記第１の信号点配置と前記第２の信号点配置とは、前記多値符号列に対応した前記複数の信号レベルの昇降順序を表す極性を互いに反転させた関係であることを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
【請求項３】
前記第１の信号点配置は、第１の信号フォーマットに基づいて形成され、
前記第２の信号点配置は、第２の信号フォーマットに基づいて形成され、
前記第１の信号フォーマット及び前記第２の信号フォーマットは、
前記多値符号列に、前記情報データの値と前記複数の信号レベルとを割当てた信号フォーマットであり、
前記多値符号列及び前記複数の信号レベルの昇降順序の関係が互いに逆であることを特徴とする、請求項２に記載のデータ送信装置。
【請求項４】
前記第１の信号フォーマット及び前記第２の信号フォーマットの同一の信号レベルは、それぞれ、互いに異なる前記情報データの値に割当てられることを特徴とする、請求項３に記載のデータ送信装置。
【請求項５】
前記多値信号変調部は、
前記第１の信号フォーマットに従って、前記情報データ及び前記多値符号列に基づいた多値信号を生成する多値処理部と、
前記受信装置との共有情報である切替鍵情報に基づき、２値の乱数である切替乱数を発生する切替乱数発生部と、
前記多値信号を、前記切替乱数に応じて前記第２の信号フォーマットに従った多値信号に切替えて、前記変換多値信号として出力する信号点配置切替部と、
前記変換多値信号を変調して、前記変調信号として出力する変調部とを備えることを特徴とする、請求項３に記載のデータ送信装置。
【請求項６】
前記多値信号変調部は、
前記第１の信号フォーマットに従って、前記情報データ及び前記多値符号列に基づいて、前記多値信号を生成する多値処理部と、
前記受信装置との共有情報である切替鍵情報に基づき、２値の乱数である切替乱数を発生する切替乱数発生部と、
電気信号である前記多値信号を、前記切替乱数に応じて前記第２の信号フォーマットに従った多値信号に切替えて、光信号である変調信号に変換する光変調部とを含み、
前記光変調部は、
同一の出力レベル領域に対応した少なくとも２つの異なる入力レベル領域を有し、前記２つの入力レベル領域は、入力の増加に対する出力の増減関係が互いに逆であり、
前記切替乱数に従い、前記２つの入力レベル領域を切替えて使用することを特徴とする、請求項３に記載のデータ送信装置。
【請求項７】
前記光変調部は、
前記切替乱数を、２つの異なる電圧レベルを有する極性反転信号に変換する極性反転信号発生部と、
無変調光を出力する半導体レーザと、
前記無変調光を、前記多値信号及び前記極性反転信号によって変調し、変調信号として出力するマッハツェンダ光変調器とを含み、
前記極性反転信号の２つの電圧レベルの差を前記マッハツェンダ光変調器の半波長電圧に略等しくすることで、前記多値信号を前記第２の信号フォーマットに従った多値信号に切替えることを特徴とする、請求項６に記載のデータ送信装置。
【請求項８】
前記多値信号と前記極性反転信号とは、合波された後に、前記マッハツェンダ光変調器の同一の変調用電極に入力されることを特徴とする、請求項７に記載のデータ送信装置。
【請求項９】
前記マッハツェンダ光変調器は、内部の干渉計のそれぞれの経路に対応した２つの変調用電極を有し、
前記多値信号は一方の変調用電極に入力され、前記極性反転信号は他方の変調用電極に入力されることを特徴とする、請求項７に記載のデータ送信装置。
【請求項１０】
前記多値信号変調部は、
前記受信装置との共有情報である切替鍵情報に基づき、２値の乱数である切替乱数を発生する切替乱数発生部と、
前記多値符号列の符号を、前記切替乱数に応じて変換して、変換多値符号列として出力する符号切替部と、
前記変換多値符号列に、前記情報データの値と前記複数の信号レベルとを割当てた信号フォーマットに従って、前記情報データ及び前記変換多値符号列に基づいて、前記変換多値信号を生成する多値処理部と、
前記変換多値信号を所定の変調形式で変調して、前記変調信号として出力する変調部とを備え、
前記変換が行われる場合の前記多値符号列の値と前記変換多値符号列の値との和は、常に前記多値符号列の最大値と最小値との和に等しいことを特徴とする、請求項２に記載のデータ送信装置。
【請求項１１】
前記多値符号列は、２値のパラレル信号であって、
前記符号切替部は、
前記多値符号列のビット数に等しい数の排他的論理和回路と、
前記排他的論理和回路の出力信号を一括してＤ／Ａ変換し、前記変換多値符号列として出力するＤ／Ａ変換部とを有し、
前記排他的論理和回路は、前記多値符号列の各ビットと前記切替乱数との排他的論理和演算を行い出力することを特徴とする、請求項１０に記載のデータ送信装置。
【請求項１２】
所定の鍵情報を用いて、受信した変調信号から情報データを再生し、送信装置との間で秘密通信を行うデータ受信装置であって、
前記所定の鍵情報を用いて、略乱数的に値が変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、
前記変調信号を復調して変換多値信号を出力する復調部と、
前記送信装置との共有情報と前記多値符号列と前記変換多値信号とに基づいて前記情報データを再生する信号再生部とを備え、
前記変換多値信号は、互いに異なる複数の信号点配置を有する信号であり、
前記信号再生部は、前記送信装置との共有情報に従って、前記変換多値信号の複数の信号点配置を切替えることを特徴とする、データ受信装置。
【請求項１３】
前記複数の信号点配置は、前記多値符号列に対応した複数の信号レベルを有する第１の信号点配置と第２の信号点配置とを少なくとも含み、
前記第１の信号点配置と前記第２の信号点配置とは、前記多値符号列に対応した前記複数の信号レベルの昇降順序を表す極性を互いに反転させた関係であることを特徴とする、
請求項１２に記載のデータ受信装置。
【請求項１４】
前記第１の信号点配置は、第１の信号フォーマットに基づいて形成され、
前記第２の信号点配置は、第２の信号フォーマットに基づいて形成され、
前記第１の信号フォーマット及び前記第２の信号フォーマットは、
前記多値符号列に、前記情報データの値と前記複数の信号レベルとを割当てた信号フォーマットであり、
前記多値符号列及び前記複数の信号レベルの昇降順序の関係が互いに逆であることを特徴とする、請求項１３に記載のデータ受信装置。
【請求項１５】
前記第１の信号フォーマット及び前記第２の信号フォーマットの同一の信号レベルは、それぞれ、互いに異なる前記情報データの値に割当てられることを特徴とする、請求項１４に記載のデータ送信装置。
【請求項１６】
前記信号再生部は、
前記送信装置との共有情報である切替鍵情報に基づき、２値の乱数である切替乱数を発生する切替乱数発生部と、
前記変換多値信号を、前記切替乱数に応じて前記第１の信号フォーマットに従った信号に切替えて、多値信号として出力する信号点配置切替部と、
前記多値符号列に基づいて前記多値信号を２値識別して、前記情報データとして出力する識別部とを備えることを特徴とする、請求項１４に記載のデータ受信装置。
【請求項１７】
前記信号再生部は、
前記送信装置との共有情報である切替鍵情報に基づき、２値の乱数である切替乱数を発生する切替乱数発生部と、
前記多値符号列の符号を、前記切替乱数に応じて変換して、変換多値符号列を出力する符号切替部と、
前記変換多値符号列に、前記情報データの値と前記複数の信号レベルとを割当てた信号フォーマットに従って、前記変換多値符号列に基づいて、前記変換多値信号を２値識別して、前記情報データとして出力する識別部とを含み、
前記変換が行われる場合の前記多値符号列の値と前記変換多値符号列の値との和は、常に前記多値符号列の最大値と最小値との和に等しいことを特徴とする、請求項１３に記載のデータ受信装置。
【請求項１８】
前記多値符号列は、２値のパラレル信号であって、
前記符号切替部は、
前記多値符号列のビット数に等しい数の排他的論理和回路と、
前記排他的論理和回路の出力信号を一括してＤ／Ａ変換し、前記変換多値符号列として出力するＤ／Ａ変換部とを有し、
前記排他的論理和回路は、前記多値符号列の各ビットと前記切替乱数との排他的論理和演算を行い出力することを特徴とする、請求項１７に記載のデータ受信装置。
【請求項１９】
２値の乱数である切替乱数に基づいて、複数の多値レベルを有する電気信号である多値信号を光信号である変調信号に変換する光変調装置であって、
同一の出力レベル領域に対応した少なくとも２つの異なる入力レベル領域を有し、前記２つの入力レベル領域は、入力の増加に対する出力の増減関係が互いに逆であり、前記切替乱数に従って前記２つの入力レベル領域を切替えて使用することを特徴とする、光変調装置。
【請求項２０】
前記光変調装置は、
前記切替乱数を、２つの異なる電圧レベルを有する極性反転信号に変換する極性反転信号発生部と、
無変調光を出力する半導体レーザと、
前記多値信号及び前記極性反転信号によって前記無変調光を変調し、変調信号として出力するマッハツェンダ光変調器とを備え、
前記極性反転信号の２つの電圧レベルの差を前記マッハツェンダ光変調器の半波長電圧に略等しくすることで、前記多値信号の信号点配置を切替えることを特徴とする、請求項１９に記載の光変調装置。
【請求項２１】
前記多値信号と前記極性反転信号とは、合波された後に、前記マッハツェンダ光変調器の同一の変調用電極に入力されることを特徴とする、請求項２０に記載の光変調装置。
【請求項２２】
前記マッハツェンダ光変調器は、内部の干渉計のそれぞれの経路に対応した２つの変調用電極を含み、
前記多値信号は一方の変調用電極に入力され、前記極性反転信号は他方の変調用電極に入力されることを特徴とする、請求項２０に記載の光変調装置。
【請求項２３】
所定の鍵情報を用いて情報データを多値化し、受信装置との間で秘密通信を行うデータ送信方法であって、
前記所定の鍵情報を用いて、略乱数的に値が変化する多値符号列を発生するステップと、
前記受信装置との共有情報と前記多値符号列と前記情報データとに基づいて変換多値信号を生成し、前記変換多値信号を所定の変調形式で変調し、変調信号として出力するステップとを備え、
前記変換多値信号は、互いに異なる複数の信号点配置を有する信号であり、
前記変換多値信号の複数の信号点配置は、前記受信装置との共有情報に従って切替えられることを特徴とする、データ送信方法。
【請求項２４】
所定の鍵情報を用いて、受信した変調信号から情報データを再生し、送信装置との間で秘密通信を行うデータ受信方法であって、
前記所定の鍵情報を用いて、略乱数的に値が変化する多値符号列を発生するステップと、
前記変調信号を復調して変換多値信号を出力するステップと、
前記送信装置との共有情報と前記多値符号列と前記変換多値信号とに基づいて前記情報データを再生するステップとを備え、
前記変換多値信号は、互いに異なる複数の信号点配置を有する信号であり、
前記変換多値信号の複数の信号点配置は、前記送信装置との共有情報に従って切替えられることを特徴とする、データ受信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第三者による傍受（盗聴等）を防ぐ暗号通信を行う装置に関し、より特定的には、正規の送受信者間で、特定の符号化／復号化（変調／復調）方式を設定してデータ通信を行うデータ送信装置及びデータ受信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特定者同士でのみ通信を行うためには、送信側と受信側との間で伝送すべき情報データである平文を数学的に演算（符号化）及び逆演算（復号化）するための元情報（以下、鍵情報という）を共有することによって暗号通信を実現する構成が一般的に採用されている。
【０００３】
これに対して、近年、伝送路における物理現象を積極的に利用した暗号方式がいくつか提案されている。その方式の１つとして、伝送路で発生する量子雑音を利用して暗号通信を行うＹ−００プロトコルと呼ばれる方式がある。
【０００４】
図１１は、特開２００５−５７３１３号公報に示された、Ｙ−００プロトコルを用いた従来の送受信装置の一例について説明するための図である。以下では、特開２００５−５７３１３号公報に示されている従来の送受信装置の構成及び動作について説明する。図１１に示す通り、従来の送受信装置は、送信部９０１と、受信部９０２と、伝送路９１０とで構成される。送信部９０１は、第１の多値符号発生部９１１と、多値処理部９１２と、変調部９１３とで構成される。受信部９０２は、復調部９１５と、第２の多値符号発生部９１４と、識別部９１６とで構成される。なお、盗聴受信部９０３は、傍受者が用いる装置であり、従来の送受信装置を構成するものではない。
【０００５】
まず、送信部９０１と受信部９０２とは、予め同じ内容の鍵情報である第１の鍵情報９１と第２の鍵情報９６とをそれぞれ保持しておく。以下では、まず、送信部９０１の動作について説明する。第１の多値符号発生部９１１は、第１の鍵情報９１に基づいて、“０”から“Ｍ−１”（Ｍは、２以上の整数）までのＭ個の値を有する多値の疑似乱数系列である多値符号列９２を、擬似乱数発生器を用いて生成する。多値処理部９１２は、受信部９０２へ送信する情報データ９０及び多値符号列９２に基づいて、以下に説明する信号フォーマットを用いて強度変調信号である多値信号９３を生成する。
【０００６】
図１２は、多値処理部９１２が用いる信号フォーマットを示す図である。図１２に示す通り、多値符号列９２がＭ個の場合には、信号強度を２Ｍ個の信号強度レベル（以下、単に、レベルという）に分ける。そして、これらのレベルをＭ個のペア（以下、変調ペアという）にして、各変調ペアの一方のレベルに情報データ９０の値“０”を割り当て、他方のレベルに情報データ９０の値“１”を割り当てる。ここで、一般に、情報データ９０の値が“０”のレベルと、情報データ９０の値が“１”のレベルとを、２Ｍ個のレベル全体で均等に分布するように割り当てる。図１２では、偶数番目の変調ペアの低い方のレベルには“０”を割り当てて高い方のレベルには“１”を割り当てる一方で、奇数番目の変調ペアの低い方のレベルには“１”を割り当てて高い方のレベルには“０”を割り当てることによって、２Ｍ個のレベルに、情報データ９０の値“０”と“１”とを交互に割り当てている。
【０００７】
多値処理部９１２は、入力した多値符号列９２の各値に対応した変調ペアを選択した後に、情報データ９０の値に対応する、変調ペアの一方のレベルを選択し、その選択したレベルを有する多値信号９３を出力する。変調部９１３は、多値処理部９１２が出力した多値信号９３を光強度変調信号である変調信号９４に変換し、伝送路９１０を介して受信部９０２へ伝送する。（なお、特開２００５−５７３１３号公報では、第１の多値符号発生部９１１は「送信用疑似乱数発生部」、多値処理部９１２は「変調方式指定部」及び「レーザ変調駆動部」、変調部９１３は「レーザダイオード」、復調部９１５は「フォトディテクタ」、第２の多値符号発生部９１４は「受信用疑似乱数発生部」、識別部９１６は「判定回路」と記載されている。）
【０００８】
次に、受信部９０２の動作について説明する。復調部９１５は、伝送路９１０を介して伝送された変調信号９４を光信号から電気信号に変換（以下、光電変換という）し、多値信号９５として出力する。第２の多値符号発生部９１４は、第２の鍵情報９６に基づいて、多値符号列９２と同じ多値の疑似乱数系列である多値符号列９７を生成する。識別部９１６は、第２の多値符号発生部９１４から入力した多値符号列９７の各値によって、多値信号９５に用いられている各変調ペアを判断する。そして、識別部９１６は、判断した変調ペア及び復調部９１５から入力した多値信号９５を用いて、２値識別を行い、情報データ９０と等しい情報データ９８を得る。
【０００９】
図１３は、従来の送受信装置の動作について具体的に説明するための図である。以下では、図１３を参照して、多値符号列９２が４値（Ｍ＝４）の場合の従来の送受信装置の動作について具体的に説明する。図１３の（ａ）及び（ｂ）に示す通り、情報データ９０の値が“０１１１”、多値符号列９２の値が“０３２１”に変化する場合を一例として説明する。この場合には、送信部９０１の多値信号９３のレベルは、図１３の（ｃ）に示すように“１４７２”と変化をする。
【００１０】
具体的には、図１３の（ｃ）に示すｔ１の期間では、多値符号列９２の値“０”に対応した第０の変調ペア（レベル１とレベル５とのペア）が選択される。その後に、情報データ９０の値“０”に対応する、第０の変調ペアのレベル１が選択され、この選択されたレベル１がｔ１における多値信号９３のレベルとなる。同様に、ｔ２の期間では、多値符号列９２の値“３”に対応した第３の変調ペア（レベル４とレベル８とのペア）が選択される。その後に、情報データ９０の値“１”に対応する、第３の変調ペアのレベル４が選択され、この選択されたレベル４がｔ２における多値信号９３のレベルとなる。ｔ３及びｔ４の期間においても同様に多値信号９３のレベルが設定される。この様に、多値符号列９２の値が偶数であるｔ１及びｔ３の期間では、変調ペアの低い方のレベルが情報データの“０”に対応して高い方のレベルが情報データの“１”に対応し、多値符号列９２の値が奇数であるｔ２及びｔ４の期間では、変調ペアの低い方のレベルが情報データの“１”に対応して高い方のレベルが情報データの“０”に対応している。
【００１１】
次に、受信部９０２の識別部９１６が入力する多値信号９５は、図１３の（ｅ）に示すように変化をし、復調部９１５で光電変換する際に発生するショット雑音等の雑音を含んだ信号である。識別部９１６は、多値符号列９２と等しい多値符号列９７（図１３の（ｄ）を参照）の各値に対応する各変調ペアを選択し、図１３の（ｅ）に示すように、当該各変調ペアの中間のレベルをそれぞれ識別レベルとして設定する。そして、識別部９１６は、多値信号９５が識別レベルよりも高いか低いかを判断する。
【００１２】
具体的には、図１３の（ｅ）に示すｔ１の期間では、識別部９１６は、多値符号列９７の値“０”に対応した第０の変調ペア（レベル１とレベル５とのペア）を選択し、第０の変調ペアの中間のレベル３を識別レベルとして設定する。そして、識別部９１６は、ｔ１において、多値信号９５が概ね識別レベルより低いレベルに分布しているので、多値信号９５は当該識別レベルよりも低いと判断する。同様に、ｔ２の期間では、識別部９１６は、多値符号列９７の値“３”に対応した第３の変調ペア（レベル４とレベル８とのペア）を選択し、第３の変調ペアの中間のレベル６を識別レベルとして設定する。そして、識別部９１６は、ｔ２において、多値信号９５が概ね識別レベルより低いレベルに分布しているので、多値信号９５は当該識別レベルよりも低いと判断する。ｔ３及びｔ４の期間においても同様に識別が行われ、識別部９１６の２値識別結果は、“低低高低”となる。
【００１３】
次に、多値符号列９７の値が偶数の場合（ｔ１及びｔ３の期間の場合）には、識別部９１６は、選択した変調ペアの低い方のレベルを“０”と判断し、高い方のレベルを“１”と判断して、判断した値を情報データ９８として出力する。一方で、多値符号列９７の値が奇数の場合（ｔ２及びｔ４の期間の場合）には、識別部９１６は、選択した変調ペアの低い方のレベルを“１”と判断し、高い方のレベルを“０”と判断して、判断した値を情報データ９８として出力する。すなわち、多値符号列９７の値は、“０３２１”であり“偶奇偶奇”（但し、偶は偶数を示し、奇は奇数を示す）であるので、識別部９１６は、情報データ９０と等しい情報データ９８である“０１１１”を出力する（図１３の（ｆ）を参照）。この様にして、識別部９１６は、多値符号列９７の値が偶数か奇数かに応じて、変調ペアの高い方及び低い方のレベルに割り当てる情報データの値を異ならせている多値信号９５から、情報データ９８を得ることができる。
【００１４】
なお、従来の送受信装置の説明では、上記した多値符号列９７の各値が奇数か偶数かに応じて情報データ９８の各値を得る具体的な処理方法については明示していないが、一般に、下記の処理方法が用いられる。まず、第２の多値符号発生部９１４が、多値符号列９７“０３２１”を構成する各値の最下位ビットに相当する２値信号である反転信号９９“０１０１”を生成する。そして、識別部９１６が、上記した２値識別の結果“低低高低”を現す信号“００１０”と、反転信号９９“０１０１”との排他的論理和演算を行い、その演算結果から情報データ９８“０１１１”を得る処理方法である。
【００１５】
ここで、以上で説明した通り、多値符号列９７の値が偶数か奇数かに応じて、変調ペアの高い方及び低い方のレベルに割り当てる情報データの値が異なる信号フォーマットを使用する場合（図１２を参照）には、識別部９１６は、上記したように、情報データ９８を生成するために反転信号９９を用いる。しかし、例えば、変調ペアの高い方のレベルに情報データ“１”が常に割当てられ、低い方のレベルに情報データ“０”が常に割当てられる信号フォーマットを使用する場合には、識別部９１６は、情報データ９８を生成するために反転信号９９を用いる必要はない。
【００１６】
また、既に述べた通り、多値信号９５には、復調部９１５での光電変換によって発生するショット雑音などの雑音が含まれているが、レベルの間隔（以下、ステップ幅という）等を適切に設定することで、上記した２値識別における誤りの発生は無視できる程度に抑えることができる。
【００１７】
次に、想定される盗聴（傍受を含む）について説明する。図１１に示す通り、盗聴者は、盗聴受信部９０３を用いて、送信者と受信者が共有する鍵情報を持たない状態で、変調信号９４から情報データ９０又は第１の鍵情報９１の解読を試みる。盗聴受信部９０３は、復調部９２１と多値識別部９２２と解読処理部９２３とで構成され、伝送路９１０に接続されている。
【００１８】
ここで、盗聴者が正規受信者（受信部９０２）と同様の２値識別を行う場合には、盗聴者は鍵情報を持たないために、鍵情報が取り得る全ての値に対して識別を試みる必要がある。しかし、この方法は、識別試行回数が鍵情報の長さの増加に伴い指数関数的に増大するために、鍵情報の長さが十分長い場合には現実的ではない。
【００１９】
そこで、より効率的な方法として、盗聴者は、復調部９２１を用いて光電変換して得られる多値信号８１を多値識別部９２２で多値識別し、得られた受信系列８２を解読処理部９２３によって解読処理を行うことで、情報データ９０若しくは第１の鍵情報９１の解読を試みると考えられる。このような解読方法を用いた場合、仮に、盗聴受信部３０１が多値信号９３を受信系列８２として誤り無く受信（識別）することができれば、受信系列８２を用いて１回の試行で第１の鍵情報９１の解読を行うことが可能となる。
【００２０】
ここで、復調部９２１での光電変換によって発生するショット雑音が変調信号９４に重畳されるので、当該ショット雑音は、多値信号８１に含まれる。このショット雑音は、量子力学の原理により必ず発生することが知られている。このことから、多値信号９３のステップ幅をショット雑音の分布幅よりも十分小さくしておけば、雑音を含む多値信号８１は、正しいレベル（多値信号９３のレベル）ではない様々なレベルに渡り分布することとなる。例えば、図１３の（ｇ）に示す通り、ｔ１において、多値信号８１は、レベル０〜２に渡って分布している。従って、盗聴者は、正しいレベルが、識別によって得られた受信系列８２のレベルではない可能性（識別誤りの可能性）を考慮した解読処理を行う必要がある。このため、識別誤りが無い場合と比較して解読処理に要する試行回数、すなわち計算量を増大することとなる。この結果として、盗聴に対する安全性は向上する。
【特許文献１】特開２００５−５７３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、上述した従来の送受信装置では、光電変換によって発生するショット雑音の分布幅は小さいために、盗聴者による多値識別誤りのレベルは、多値信号９３（正しい信号）のレベルの近傍のみに発生する。例えば、図１３の（ｇ）のｔ２の期間では、多値信号９３のレベルは４であるが、盗聴者が誤る可能性のあるレベルは３又は５に限られる。また、多値信号９３のレベルは擬似乱数発生器を用いて生成された多値符号列９２に一意に対応付けられているので、複数のシンボルに渡るレベルの遷移パターンは、あらゆる遷移パターンであるわけではなく、多値符号列９２の生成に用いた擬似乱数発生器の性質によって決まる幾つかの遷移パターンに限定される。
【００２２】
これらのことから、盗聴者が、上記したように限定された遷移パターンの内、自らが受信した多値信号８１のレベルの近傍に存在する遷移パターンを抽出することによって、効率的に多値信号９３を特定できる可能性があるという問題がある。
【００２３】
それ故に、本発明の目的は、盗聴者による多値信号レベルの遷移パターンに基づく解読を防止できる、Ｙ−００プロトコルを用いたデータ送信装置及びデータ受信装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、所定の鍵情報を用いて情報データを多値化し、受信装置との間で秘密通信を行うデータ送信装置に向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明のデータ送信装置は、所定の鍵情報を用いて、略乱数的に値が変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、受信装置との共有情報と多値符号列と情報データとに基づいて変換多値信号を生成し、変換多値信号を所定の変調形式で変調し、変調信号として出力する多値信号変調部とを備え、変換多値信号は、互いに異なる複数の信号点配置を有する信号であり、多値信号変調部は、受信装置との共有情報に従って、変換多値信号の複数の信号点配置を切替える。
【００２５】
また、好ましくは、複数の信号点配置は、多値符号列に対応した複数の信号レベルを有する第１の信号点配置と第２の信号点配置とを少なくとも含み、第１の信号点配置と第２の信号点配置とは、多値符号列に対応した複数の信号レベルの昇降順序を表す極性を互いに反転させた関係であるとよい。
【００２６】
また、好ましくは、第１の信号点配置は、第１の信号フォーマットに基づいて形成され、第２の信号点配置は、第２の信号フォーマットに基づいて形成され、第１の信号フォーマット及び第２の信号フォーマットは、多値符号列に、情報データの値と複数の信号レベルとを割当てた信号フォーマットであり、多値符号列及び複数の信号レベルの昇降順序の関係が互いに逆であるとよい。
【００２７】
また、第１の信号フォーマット及び第２の信号フォーマットの同一の信号レベルは、それぞれ、互いに異なる情報データの値に割当てられてもよい。
【００２８】
また、多値信号変調部は、第１の信号フォーマットに従って、情報データ及び多値符号列に基づいた多値信号を生成する多値処理部と、受信装置との共有情報である切替鍵情報に基づき、２値の乱数である切替乱数を発生する切替乱数発生部と、多値信号を、切替乱数に応じて第２の信号フォーマットに従った多値信号に切替えて、変換多値信号として出力する信号点配置切替部と、変換多値信号を変調して、変調信号として出力する変調部とを備えてもよい。
【００２９】
また、多値信号変調部は、第１の信号フォーマットに従って、情報データ及び多値符号列に基づいて、多値信号を生成する多値処理部と、受信装置との共有情報である切替鍵情報に基づき、２値の乱数である切替乱数を発生する切替乱数発生部と、電気信号である多値信号を、切替乱数に応じて第２の信号フォーマットに従った多値信号に切替えて、光信号である変調信号に変換する光変調部とを含み、光変調部は、同一の出力レベル領域に対応した少なくとも２つの異なる入力レベル領域を有し、２つの入力レベル領域は、入力の増加に対する出力の増減関係が互いに逆であり、切替乱数に従い、２つの入力レベル領域を切替えて使用してもよい。
【００３０】
また、光変調部は、切替乱数を、２つの異なる電圧レベルを有する極性反転信号に変換する極性反転信号発生部と、無変調光を出力する半導体レーザと、無変調光を、多値信号及び極性反転信号によって変調し、変調信号として出力するマッハツェンダ光変調器とを含み、極性反転信号の２つの電圧レベルの差をマッハツェンダ光変調器の半波長電圧に略等しくすることで、多値信号を第２の信号フォーマットに従った多値信号に切替えてもよい。
【００３１】
また、多値信号と極性反転信号とは、合波された後に、マッハツェンダ光変調器の同一の変調用電極に入力されてもよい。
【００３２】
また、マッハツェンダ光変調器は、内部の干渉計のそれぞれの経路に対応した２つの変調用電極を有し、多値信号は一方の変調用電極に入力され、極性反転信号は他方の変調用電極に入力されてもよい。
【００３３】
また、多値信号変調部は、受信装置との共有情報である切替鍵情報に基づき、２値の乱数である切替乱数を発生する切替乱数発生部と、多値符号列の符号を、切替乱数に応じて変換して、変換多値符号列として出力する符号切替部と、変換多値符号列に、情報データの値と複数の信号レベルとを割当てた信号フォーマットに従って、情報データ及び変換多値符号列に基づいて、変換多値信号を生成する多値処理部と、変換多値信号を所定の変調形式で変調して、変調信号として出力する変調部とを備え、変換が行われる場合の多値符号列の値と変換多値符号列の値との和は、常に多値符号列の最大値と最小値との和に等しくてもよい。
【００３４】
また、多値符号列は、２値のパラレル信号であって、符号切替部は、多値符号列のビット数に等しい数の排他的論理和回路と、排他的論理和回路の出力信号を一括してＤ／Ａ変換し、変換多値符号列として出力するＤ／Ａ変換部とを有し、排他的論理和回路は、多値符号列の各ビットと切替乱数との排他的論理和演算を行い出力してもよい。
【００３５】
また、本発明は、所定の鍵情報を用いて、受信した変調信号から情報データを再生し、送信装置との間で秘密通信を行うデータ受信装置にも向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明のデータ受信装置は、所定の鍵情報を用いて、略乱数的に値が変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、変調信号を復調して変換多値信号を出力する復調部と、送信装置との共有情報と多値符号列と変換多値信号とに基づいて情報データを再生する信号再生部とを備え、変換多値信号は、互いに異なる複数の信号点配置を有する信号であり、信号再生部は、送信装置との共有情報に従って、変換多値信号の複数の信号点配置を切替える。
【００３６】
また、好ましくは、複数の信号点配置は、多値符号列に対応した複数の信号レベルを有する第１の信号点配置と第２の信号点配置とを少なくとも含み、第１の信号点配置と第２の信号点配置とは、多値符号列に対応した複数の信号レベルの昇降順序を表す極性を互いに反転させた関係であるとよい。
【００３７】
また、第１の信号点配置は、第１の信号フォーマットに基づいて形成され、第２の信号点配置は、第２の信号フォーマットに基づいて形成され、第１の信号フォーマット及び第２の信号フォーマットは、多値符号列に、情報データの値と複数の信号レベルとを割当てた信号フォーマットであり、多値符号列及び複数の信号レベルの昇降順序の関係が互いに逆であってもよい。
【００３８】
また、第１の信号フォーマット及び第２の信号フォーマットの同一の信号レベルは、それぞれ、互いに異なる情報データの値に割当てられてもよい。
【００３９】
また、信号再生部は、送信装置との共有情報である切替鍵情報に基づき、２値の乱数である切替乱数を発生する切替乱数発生部と、変換多値信号を、切替乱数に応じて第１の信号フォーマットに従った信号に切替えて、多値信号として出力する信号点配置切替部と、多値符号列に基づいて多値信号を２値識別して、情報データとして出力する識別部とを備えてもよい。
【００４０】
また、信号再生部は、送信装置との共有情報である切替鍵情報に基づき、２値の乱数である切替乱数を発生する切替乱数発生部と、多値符号列の符号を、切替乱数に応じて変換して、変換多値符号列を出力する符号切替部と、変換多値符号列に、情報データの値と複数の信号レベルとを割当てた信号フォーマットに従って、変換多値符号列に基づいて、変換多値信号を２値識別して、情報データとして出力する識別部とを含み、変換が行われる場合の多値符号列の値と変換多値符号列の値との和は、常に多値符号列の最大値と最小値との和に等しくてもよい。
【００４１】
また、多値符号列は、２値のパラレル信号であって、符号切替部は、多値符号列のビット数に等しい数の排他的論理和回路と、排他的論理和回路の出力信号を一括してＤ／Ａ変換し、変換多値符号列として出力するＤ／Ａ変換部とを有し、排他的論理和回路は、多値符号列の各ビットと切替乱数との排他的論理和演算を行い出力してもよい。
【００４２】
また、本発明は、２値の乱数である切替乱数に基づいて、複数の多値レベルを有する電気信号である多値信号を光信号である変調信号に変換する光変調装置にも向けられている。そして、本発明の光変調装置は、上記目的を達成させるために、同一の出力レベル領域に対応した少なくとも２つの異なる入力レベル領域を有し、２つの入力レベル領域は、入力の増加に対する出力の増減関係が互いに逆であり、切替乱数に従って２つの入力レベル領域を切替えて使用する。
【００４３】
また、光変調装置は、切替乱数を、２つの異なる電圧レベルを有する極性反転信号に変換する極性反転信号発生部と、無変調光を出力する半導体レーザと、多値信号及び極性反転信号によって無変調光を変調し、変調信号として出力するマッハツェンダ光変調器とを備え、極性反転信号の２つの電圧レベルの差をマッハツェンダ光変調器の半波長電圧に略等しくすることで、多値信号の信号点配置を切替えてもよい。
【００４４】
また、多値信号と極性反転信号とは、合波された後に、マッハツェンダ光変調器の同一の変調用電極に入力されてもよい。
【００４５】
また、マッハツェンダ光変調器は、内部の干渉計のそれぞれの経路に対応した２つの変調用電極を含み、多値信号は一方の変調用電極に入力され、極性反転信号は他方の変調用電極に入力されてもよい。
【００４６】
また、本発明は、所定の鍵情報を用いて情報データを多値化し、受信装置との間で秘密通信を行うデータ送信方法にも向けられている。そして、本発明のデータ送信方法は、上記目的を達成させるために、所定の鍵情報を用いて、略乱数的に値が変化する多値符号列を発生するステップと、受信装置との共有情報と多値符号列と情報データとに基づいて変換多値信号を生成し、変換多値信号を所定の変調形式で変調し、変調信号として出力するステップとを備え、変換多値信号は、互いに異なる複数の信号点配置を有する信号であり、変換多値信号の複数の信号点配置は、受信装置との共有情報に従って切替えられる。
【００４７】
また、本発明は、所定の鍵情報を用いて、受信した変調信号から情報データを再生し、送信装置との間で秘密通信を行うデータ受信方法にも向けられている。そして、本発明のデータ受信方法は、上記目的を達成させるために、所定の鍵情報を用いて、略乱数的に値が変化する多値符号列を発生するステップと、変調信号を復調して変換多値信号を出力するステップと、送信装置との共有情報と多値符号列と変換多値信号とに基づいて情報データを再生するステップとを備え、変換多値信号は、互いに異なる複数の信号点配置を有する信号であり、変換多値信号の複数の信号点配置は、送信装置との共有情報に従って切替えられる。
【発明の効果】
【００４８】
上記のように、本発明のデータ送信装置及びデータ受信装置（データ通信装置）によれば、複数の信号フォーマットをランダムに用いて多値信号の信号強度レベルを大きくずらすことができので、多値信号レベルの遷移パターンを用いた鍵情報の絞り込みを困難にし、盗聴に対する安全性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置１の構成の一例を示すブロック図である。図１に示す通り、データ通信装置１は、データ送信装置（以下、送信部という）１０１と、データ受信装置（以下、受信部という）２０１とが、伝送路１１０を介して接続された構成である。送信部１０１は、第１の多値符号発生部１１１と、多値処理部１１３と、第１の切替乱数発生部１１４と、第１の信号点配置切替部１１５と、変調部１１６とで構成される。受信部２０１は、復調部２１１と、第２の多値符号発生部２１２と、第２の切替乱数発生部２１４と、第２の信号点配置切替部２１５と、識別部２１６とで構成される。なお、伝送路１１０は、ＬＡＮケーブル及び同軸ケーブル等の金属路線、又は、光ファイバケーブル等の光導波路であってもよく、また、これらの有線ケーブルに限られず、無線信号を伝搬することが可能な自由空間であってもよい。また、盗聴受信部３０１は、傍受者が用いる装置であり、データ通信装置１を構成するものではない。
【００５０】
まず、送信部１０１と受信部２０１とは、予め同じ内容の鍵情報である第１の鍵情報１１と第２の鍵情報１６とをそれぞれ保持し、また、同じ内容の鍵情報である第１の切替鍵情報２１と第２の切替鍵情報３１とをそれぞれ保持しておく。また、送信部１０１と受信部２０１とは、図２及び図５を例に挙げて後に説明する信号フォーマットをそれぞれ保持しておく。以下では、まず、送信部１０１の動作について説明する。第１の多値符号発生部１１１は、従来の第１の多値符号発生部９１１（図１１を参照）と同様に、第１の鍵情報１１に基づいて、“０”から“Ｍ−１”（Ｍは、２以上の整数）までのＭ個の値を有する多値の疑似乱数系列である多値符号列１２を、疑似乱数発生器を用いて生成する。多値符号列１２の信号形態は、多値のシリアル信号であってもよいし、２値のパラレル信号であってもよい。
【００５１】
ここで、送信部１０１及び受信部２０１が保持して使用する信号フォーマットについて説明する。図２は、送信部１０１及び受信部２０１が用いる信号フォーマットの一例を示す図である。図２に示す通り、信号フォーマットＡは、従来の送受信装置で説明した信号フォーマット（図１２を参照）と同じであり、信号フォーマットＢは、信号フォーマットＡに対して、多値符号列の値の順序を昇順から降順に反転させたものである。つまり、信号フォーマットＡは、レベル及び多値符号列の値の順序がいずれも昇順であり、信号フォーマットＢは、レベルの値の順序は昇順であり多値符号列の値の順序は降順である。
なお、信号フォーマットＡ及び信号フォーマットＢは、図示したものには限られず、一方は、レベル及び多値符号列の値の昇順と降順との関係が互いに同じであればよく、他方は、レベル及び多値符号列の値の昇順と降順との関係が互いに逆であればよい。ここで、信号フォーマットＡのようにレベル及び多値符号列の値の昇順と降順との関係が互いに同じである信号フォーマットと、信号フォーマットＢのようにレベル及び多値符号列の値の昇順と降順との関係が互いに逆である信号フォーマットとは、以下の説明において、信号フォーマットの極性が互いに逆であるという。
【００５２】
多値処理部１１３は、図２の信号フォーマットＡを用いて、従来の送受信装置の多値処理部９１２（図１１、図１３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及びその説明を参照）と同様の処理を行う。つまり、多値処理部１１３は、入力された多値符号列１２の値に対応した変調ペアを選択した後に、入力された情報データ１０の値に対応する、変調ペアの一方のレベルを選択し、その選択したレベルを有する多値信号１３を出力する。
【００５３】
第１の切替乱数発生部１１４は、第１の切替鍵情報２１に基づいて、２値の擬似乱数系列である切替乱数２２を生成する。第１の信号点配置切替部１１５は、入力された切替乱数２２の値が“１”の場合は、信号フォーマットＡを用いて得られた多値信号１３を、信号フォーマットＡと極性が逆である信号フォーマットＢを用いて得られる多値信号に切替えることによって信号点配置を切替えて、変換多値信号２３として出力する。この様に、或る信号フォーマットを用いて得られた多値信号を、当該信号フォーマットと極性が逆である信号フォーマットを用いて得られる多値信号に切替えることを、以下では“極性を反転する”という。この極性の反転は、第１の信号点配置切替部１１５において、多値信号１３の平均レベルを０として、切替乱数２２の値が“０”のときは＋１を、“１”のときは−１を多値信号１３に乗算した後に、適切なバイアスを加算して変換多値信号２３として出力することで行う。また、第１の信号点配置切替部１１５は、入力した切替乱数２２の値が“０”の場合は、多値信号１３を、極性を反転させないで変換多値信号２３として出力する。変調部１１６は、入力した変換多値信号２３を所定の変調形式で変調して、変調信号１４として伝送路１１０に送出する。
【００５４】
次に、受信部２０１の動作について説明する。復調部２１１は、伝送路１１０を介して伝送された変調信号１４を光電変換して変換多値信号３３として出力する。第２の切替乱数発生部２１４は、第１の切替乱数発生部１１４と同様に、第２の切替鍵情報３１に基づいて、２値の擬似乱数系列である切替乱数３２を生成する。第２の信号点配置切替部２１５は、第１の信号点配置切替部１１５と同様に、切替乱数３２の値が“１”の場合は変換多値信号３３の極性を反転させ、切替乱数３２の値が“０”の場合は変換多値信号３３の極性は反転させずに、多値信号１５として出力する。
【００５５】
第２の多値符号発生部２１２は、第２の鍵情報１６に基づいて、“０”から“Ｍ−１”（Ｍは、２以上の整数）までのＭ個の値を有する多値の疑似乱数系列である多値符号列１７を、送信部１０１の第１の多値符号発生部１１１と同様に生成し、また、多値符号列１７の最下位ビットに相当する２値信号である反転信号３５を生成する。識別部２１６は、図２に示す信号フォーマットＡを用いて、第２の多値符号発生部２１２から入力した多値符号列１７の各値に対応する変調ペアを判断する。そして、識別部２１６は、判断した変調ペア（レベルのペア）及び第２の信号点配置切替部２１５から入力した多値信号１５を用いて２値識別を行い、当該２値識別で得られた信号と反転信号３５との排他的論理和演算を行い、その演算結果を情報データ１０と等しい情報データ１８として出力する。
【００５６】
なお、送信部１０１において、多値処理部１１３、第１の切替乱数発生部１１４、第１の信号点配置切替部１１５、及び変調部１１６をまとめて、情報データ１０から得られる多値信号を変調する多値信号変調部１１２としてもよい。また、受信部２０１において、第２の切替乱数発生部２１４、第２の信号点配置切替部２１５、識別部２１６、及びデータ反転部２１７をまとめて、多値信号から情報データ１８を得る信号再生部２１３としてもよい。
【００５７】
図３は、データ通信装置１が備える送信部１０１の動作について具体的に説明するための図である。以下では、変調信号１４が光信号である場合を例に、図３を参照して、図１３に示す従来の送受信装置の動作説明と同様に、情報データ１０の値が“０１１１”、多値符号列１２の値が“０３２１”に変化する場合を一例に挙げて説明する。ここで、多値処理部１１３と従来の多値処理部９１２とは同様の処理を行う。このことから、多値信号１３（図３の（ｃ）を参照）と従来の多値信号９３（図１３の（ｃ）を参照）とは同じであるので、多値信号１３についての説明は省略する。
【００５８】
まず、切替乱数２２の値が“１００１”である場合（図３の（ｄ）を参照）には、既に説明した通り、変換多値信号２３を生成するために用いられる信号フォーマットは、“ＢＡＡＢ”（図２、及び図３の（ｅ）を参照）となる。このことによって、変換多値信号２３は、図３の（ｆ）に示す通り、信号フォーマットＢが用いられたｔ１及びｔ４の期間では、多値信号１３に対して極性が反転して信号点配置が切替わっている。この結果として、変換多値信号２３において、ｔ１の期間では信号レベルが１から８に変換され、ｔ４の期間では信号レベルが２から７に変換されている。変換多値信号２３は、既に説明した通り、変調部１１６で電気信号から光信号に変換（以下、電光変換という）されて、変調信号１４として送出される。
【００５９】
図４は、データ通信装置１が備える受信部２０１の動作について具体的に説明するための図である。復調部２１１は、伝送路１１０を介して伝送された変調信号１４を光電変換して、ショット雑音等の雑音を含んだ変調多値信号３３（図４の（ｇ）を参照）として出力する。第２の信号点配置切替部２１５は、切替乱数２２と等しい切替乱数３２の値“１００１”（図４の（ｈ）を参照）に基づいて、入力された変換多値信号３３に対して適切に極性の反転を行って、多値信号１５（図４の（ｋ）を参照）として出力する。具体的には、第２の信号点配置切替部２１５は、ｔ１及びｔ４の期間の変換多値信号３３に対しては極性の反転を行い、ｔ２及びｔ３の期間の変換多値信号３３に対しては極性の反転を行わずに多値信号１５として出力する。第２の多値符号発生部２１２は、従来の第２の多値符号発生部９１４と同様に、第２の鍵情報１６に基づいて、多値符号列１２と同じ多値の疑似乱数系列である多値符号列１７“０３２１”及び反転信号３５“０１０１”を生成する。識別部２１６は、従来の識別部９１６が行う処理（図１３の（ｄ）〜（ｆ）及びその説明を参照）と同様に、第２の多値符号発生部２１２から入力した多値符号列１７“０３２１”を用いて、第２の信号点配置切替部２１５から入力した多値信号１５に対して２値識別を行い（図４の（ｊ）及び（Ｋ）を参照）、また、第２の多値符号発生部２１２から入力した反転信号３５“０１０１”を用いて、当該２値識別によって得られた信号“００１０”から情報データ１０と等しい情報データ９８（図４の（ｌ）を参照）を得ることができる。
【００６０】
なお、図１１に示す従来の受信部９０２の説明に記載したのと同様に、例えば、変調ペアの高い方のレベルに情報データ“１”が常に割当てられ、低い方のレベルに情報データ“０”が常に割当てられる信号フォーマットを使用する場合には、識別部２１６は、情報データ１８を生成するために反転信号３５を用いる必要はない。
【００６１】
以下では、盗聴（傍受を含む）が行われる場合について、図１及び図４の（ｍ）を参照して説明する。従来の送受信装置の盗聴に関する説明で述べた通り、盗聴者は、盗聴受信部３０１を用いて、鍵情報及び切替鍵情報を持たない状態で、変調信号１４から多値信号１３を再生することによって、情報データ１０の解読を試みると考えられる。なお、盗聴受信部３０１は、復調部３１１と多値識別部３１２と解読処理部３１３とで構成され、伝送路１１０に接続されている。
【００６２】
この場合、受信した変調信号１４を復調部３１１で光電変換することによって得られる多値信号４１の多値信号レベルは、図４の（ｍ）に示すように、量子ゆらぎによる雑音の影響により、正規の信号（変換多値信号２３）の近傍のいくつかのレベルに渡り分布する。
【００６３】
ここで、盗聴者が、送信部１０１の第１の多値符号発生部１１１に用いられている疑似乱数発生器の性質によって決まる多値信号の遷移パターンを限定し、当該限定された遷移パターンの内、多値信号４１のレベルの近傍に存在する遷移パターンを抽出することによって、第１の鍵情報１１の特定を試みる場合を考える。
【００６４】
まず、盗聴者が、信号フォーマットＡが多値信号４１に用いられていると想定した場合、ｔ１及びｔ４の期間の多値信号４１に用いられている信号フォーマットＢは、ｔ２及びｔ３の期間の多値信号４１に用いられている信号フォーマットＡに対して、極性が逆の関係にある（図２を参照）。つまり、ｔ１及びｔ４の期間の多値信号４１は、ｔ２及びｔ３の期間の多値信号４１に対して極性が反転している。このことによって、ｔ１及びｔ４の期間の多値信号４１は、正規の信号である多値信号１３から大きく外れたレベルをとる。つまり、ｔ１及びｔ４の期間の多値信号４１は、正しい第１の鍵情報１１の値に対して取り得ないレベルをとることになる。この結果として、盗聴者は、第１の鍵情報１１の絞り込みに失敗するので、情報データ１０の解読をすることはできない。
【００６５】
次に、盗聴者が、信号フォーマットＢが多値信号４１に用いられていると想定した場合、同様に、ｔ２及びｔ３の期間の多値信号４１は、ｔ１及びｔ４の期間の多値信号４１に対して極性が反転している。このことによって、ｔ２及びｔ３の期間の多値信号４１は、正規の信号である多値信号１３から大きく外れたレベルをとる。つまり、ｔ２及びｔ３の期間の多値信号４１は、正しい第１の鍵情報１１の値に対して取り得ないレベルをとることになる。この結果として、盗聴者は、信号フォーマットＡが多値信号４１に用いられていると想定した場合と同様に第１の鍵情報１１の絞り込みに失敗するので、情報データ１０の解読をすることはできない。
【００６６】
ここで、図５を参照して、第１の実施形態における別の信号フォーマットの一例について説明する。信号フォーマットＡ１は、図２の信号フォーマットＡと同じである。信号フォーマットＢ１は、図２の信号フォーマットＢと同様に信号フォーマットＡ１に対して信号フォーマットの極性が逆であることに加えて、レベルと情報データとの対応をステップ幅だけずらしている。このことによって、信号フォーマットＢ１では、同じレベルに対して、信号フォーマットＡ１とは異なる情報データの値が対応する。そして、信号フォーマットＡ１及び信号フォーマットＢ１を用いることによって、前述した第１の鍵情報１１の絞り込みを更に困難化する効果に加え、レベルから直接情報データ１０の値の特定を試みることも不可能となる。信号フォーマットＡ１及び信号フォーマットＢ１を用いる場合の極性の反転は、第１の信号点配置切替部１１５において、前述した乗算処理に加えて、切替乱数２２の値が“１”のときにステップ幅に相当する微小変化をレベルに与えることで実現できる。
【００６７】
なお、図２及び図５を用いて説明した信号フォーマットは一例であり、多値信号１３に対して極性を反転できる信号フォーマットであればよい。更に、用いられる信号フォーマットは２つに限らず、３つ以上の信号フォーマットを用いて、レベルを切替える構成としてもよい。この場合には、第１の切替乱数発生部１１４及び第２の切替乱数発生部２１４は、２値ではなく多値の切替乱数を生成する。また、図３及び図４では多値信号の多値数が８の場合を例に挙げて説明したが、多値数はこれには限らず、４以上の偶数であればいかなる値であってもよい。また、送信部１０１と受信部２０１とがそれぞれ保持する鍵情報及び切替鍵情報を、共通化した１つの鍵情報としてもよい。この場合、送信部及び受信部の多値符号発生部及び切替乱数発生部には、それぞれ、当該共通化した鍵情報が入力される。
【００６８】
以上のように、第１の実施形態に係るデータ通信装置によれば、複数の信号フォーマットをランダムに用いて、多値信号の信号強度レベルを大きくずらすことによって、多値信号レベルの遷移パターンを用いた鍵情報の絞り込みを困難にし、盗聴に対する安全性を高めることができる。
【００６９】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、第１の実施形態で説明した多値信号変調部１１２の第１の信号点配置切替部１１５及び変調部１１６（図１を参照）を具体的な装置によって構成する一例について説明する。なお、多値信号変調部１１２を除く他の構成の説明は、第１の実施形態において記載した構成と同様であるで、省略する。図６は、本発明の第２の実施形態に係る多値信号変調部１２５の構成の一例を示す図である。図６に示す通り、多値信号変調部１２５は、多値処理部１１３と、切替乱数発生部１１４と、光変調部１２１とで構成される。光変調部１２１は、極性反転信号発生部１２２と、半導体レーザ１２３と、マッハツェンダ光変調器１２４と、加算器１２６とで構成される。
【００７０】
以下では、光変調部１２１を構成する各装置の具体的な動作について図６を参照して説明する。なお、多値処理部１１３及び第１の切替乱数発生部１１４についての説明は、第１の実施形態で行ったので、省略する。極性反転信号発生部１２２は、第１の切替乱数発生部１１４から入力された切替乱数２２の値に対応した２つの所定の電圧レベルを有する極性反転信号２４を出力する。半導体レーザ１２３は、無変調光２５を出力する。加算器１２６は、多値処理部１１３から入力された多値信号１３と、極性反転信号発生部１２２から入力された極性反転信号２４とを加算して加算信号４５を出力する。マッハツェンダ光変調器１２４は、加算器１２６から入力された加算信号４５によって、半導体レーザ１２３から入力された無変調光２５を変調して、変調信号１４として出力する。
【００７１】
ここで、マッハツェンダ光変調器１２４は、一般に、図７に示す周期的な入出力特性を備える。具体的には、出力光強度は入力電圧の増加に対して正弦波状に変化し、このことによって、或る領域では入力電圧の増加に対して出力光強度が増加し、また、他の或る領域では入力電圧の増加に対して出力光強度が減少する入出力特性を備える。従って、マッハツェンダ光変調器１２４に印加するバイアス電圧を切替乱数２２に従って適切に切替えることによって、多値信号１３に対して適切に極性の反転を行うと同時に、当該極性の反転によって得られる多値信号を電光変換して変調信号１４として出力することができる。
【００７２】
具体的には、光変調部１２１は、出力光強度が入力電圧に対して線形的に変化し、入力電圧の増加に対する出力光強度の増減が互いに逆の関係となり、更に、出力光強度が互いに等しい、マッハツェンダ光変調器１２４の２つの動作領域（図７のＡ及びＢを参照）を選択する。そして、光変調部１２１は、多値信号１３の電圧振幅をこの領域の電圧幅と同じに設定し、また、バイアス電圧に相当する極性反転信号の２つの電圧を、２つの動作領域における入力電圧の下限であるＶb 及びＶb ＋Ｖπ に設定する。ここで、Ｖπ はマッハツェンダ光変調器１２４の半波長電圧である。このことによって、光変調部１２１は、例えば信号フォーマットＡを用いた多値信号を電光変換した変調信号と、例えば信号フォーマットＢを用いた多値信号を電光変換した変調信号（図２を参照）とで構成される変調信号１４を生成することができる。なお、極性反転信号２４の２つの電圧レベルの電圧差を、半波長電圧Ｖπ よりステップ幅に相当する電圧分だけ小さく設定すれば、送信部１０１及び受信部２０１には、図５に示した信号フォーマットＡ１及びＢ１を用いることもできる。
【００７３】
第２の実施形態における信号形態及び盗聴に対する効果は、第１の実施形態において図３及び図４を用いて説明したものと同じであるので、その説明は省略する。
【００７４】
なお、マッハツェンダ光変調器には、内部の干渉計の２つの経路に対して独立に変調を加えることができる種類のものがある。このような種類のマッハツェンダ光変調器１２７を用いた場合には、光変調部１２１を、図８に示す構成とすることも可能である。すなわち、マッハツェンダ光変調器１２７は、内部の干渉計の２つの経路に対応した２つの電極を備えている。この電極の一方に多値信号１３を入力し、他方に極性反転信号２４を入力する。このことによって、多値信号１３と極性反転信号２４とを加算する加算器１２６が不要になる。
【００７５】
以上の構成では、マッハツェンダ光変調器１２７の２つの電極において、入力電圧の増加に対する出力光強度（出力信号強度）の増減関係が互いに逆になる。よって、極性反転信号２４のレベルＶb が図７に示す動作領域Ｂに、レベルＶb ＋Ｖπ が図７に示す動作領域Ａに対応する。その他の入出力特性の関係は、図７を用いて説明したものと同じである。
【００７６】
なお、図７に示した入出力特性では、入力電圧が“０”の時に出力光強度も“０”となる場合を示してあるが、実際に出力光強度が“０”となる入力電圧は使用する光変調器により異なる。よって、固定バイアスレベルＶbは、使用する光変調器に応じて適切に設定する必要がある。また、図６及び図８では固定バイアスレベルＶbを極性反転信号２４に含める場合について説明したが、固定バイアスレベルＶbは、多値信号１３に加算し、極性反転信号２４のレベルは０及びＶπ に設定してもよい。また、図６及び図８ではマッハツェンダ光変調器を用いた構成を示したが、入出力特性が以下の条件を満たす素子を用いて光変調部１２１を構成することも可能である。
１．同一の出力レベルに対応した少なくとも２つの異なる入力レベル領域をもつ。
２．これら２つの入力レベル領域は、入力の増加に対する出力の増減関係が互いに逆である。
【００７７】
以上に説明した通り、第２の実施形態に係るデータ送信装置及びデータ受信装置（データ通信装置）によれば、光信号の変調に使用する光変調器を用いることによって、第１の実施形態の第１の信号点配置切替部１１５及び変調部１１６をまとめて光変調部１２１とすることができる。この結果として、特に、外部部品である光変調器を使用して光信号を変調する場合においては、追加する部品点数を最小限に留めた上で、第１の実施形態と同様に、盗聴に対する安全性向上の効果を得ることができる。
【００７８】
（第３の実施形態）
図９は、本発明の第３の実施形態に係るデータ通信装置３の構成の一例を示すブロック図である。ここで、第１の実施形態のデータ通信装置１は、多値処理部１１３が出力した多値信号１３の信号点配置を変換することによって、信号点配置が変換された変換多値信号２３を生成する。これに対して、データ通信装置３は、多値符号列１２を変換して多値処理部１１３に入力することによって、信号点配置が変換された変換多値信号２３を生成する。図９に示す通り、データ通信装置３は、データ送信装置（以下、送信部という）１０３と、データ受信装置（以下、受信部という）２０３とが、伝送路１１０を介して接続された構成である。送信部１０３は、第１の多値符号発生部１１１と、多値処理部１１３と、第１の切替乱数発生部１１４と、第１の符号切替部１３１と、変調部１１６とで構成される。受信部２０３は、復調部２１１と、第２の多値符号発生部２１２と、第２の切替乱数発生部２１４と、第２の符号切替部２３１と、識別部２１６とで構成される。なお、第３の実施形態では、第１の実施形態で説明した構成要素と同じ構成要素については同じ参照符号を付してその説明は省略する。
【００７９】
まず、送信部１０３の動作について説明する。図９に示す通り、第１の符号切替部１３１は、第１の多値符号発生部１１１から多値符号列１２が入力され、第１の切替乱数発生部１１４から入力された切替乱数２２の値が“０”の場合は多値符号列１２の符号を変換せず、切替乱数２２の値が“１”の場合は多値符号列１２の符号を以下に説明する通りに変換して（符号化則を切り替えて）、変換多値符号列２６を出力する。
【００８０】
多値符号列１２の多値数がＭである（多値符号列の値が０〜Ｍ−１までの値をとる）場合の第１の符号切替部１３１の動作について、具体的に説明する。入力された切替乱数２２の値が“１”の場合には、第１の符号切替部１３１は、多値符号列１２の値と変換多値符号列２６の値との和がＭ−１となるように、変換多値符号列２６の値を決定する。入力された切替乱数２２の値が“０”の場合には、第１の符号切替部１３１は、多値符号列１２の値をそのまま変換多値符号列２６の値にする。言い換えれば、切替乱数２２の値が“１”の場合には、第１の符号切替部１３１は、多値符号列１２の値と変換多値符号列２６の値との和が、常に多値符号列１２の最大値と最小値の和に等しくなるように変換多値符号列２６を設定する。このことによって、第３の実施形態の多値処理部１１３は、第１の実施形態の第１の信号点配置切替部１１５と同様に、切替乱数２２に従った信号点配置の切替を施された変換多値信号２３を生成することができる。例えば、多値符号列１２が４値“０３２１”であり、切替乱数２２が“１００１”の場合（図３の（ｂ）及び（ｄ）を参照）には、変換多値符号列２６は“３３２２”となる。そして、多値処理部１１３は、第１の実施形態で説明した所定の手順に従い、図３に示す信号フォーマットＡを用いて情報データ１０“０１１１”と変換多値符号列２６“３３２２”とを合成して、変換多値信号２３“８４７７”（図３の（ａ）及び（ｆ）を参照）を生成する。
【００８１】
次に、受信部２０３の動作について説明する。図９に示す通り、第２の符号切替部２３１は、切替乱数３２の値に応じて、第１の符号切替部１３１と同様の手順で、入力された多値符号列１７の符号変換を行い、変換多値符号列２６と等しい変換多値符号列３６を出力する。識別部２１６は、第１の実施形態で説明した所定の手順に従って、入力した変換多値符号列３６に基づいて変換多値信号３３の識別（２値判定）を行い、当該識別結果と入力した反転信号３５とから情報データ１８を得る。
【００８２】
なお、図１１に示す従来の受信部９０２の説明に記載したのと同様に、例えば、変調ペアの高い方のレベルに情報データ“１”が常に割当てられ、低い方のレベルに情報データ“０”が常に割当てられる信号フォーマットを使用する場合には、識別部２１６は、情報データ１８を生成するために反転信号３５を用いる必要はない。
【００８３】
第１の符号切替部１３１及び第２の符号切替部２３１の具体的動作（構成）は、多値符号列１２（又は多値符号列１７）の信号形態によって異なる。多値符号列１２が多値のシリアル信号である場合は、第１の符号切替部１３１は、多値符号列１２の平均レベルを０として、切替乱数２２の値が“０”のときは＋１を、“１”のときは−１を多値符号列１２の値に乗算した後に、適切なバイアスを加算して変換多値符号列２６として出力する。第２の符号切替部２３１も、同様の動作を行う。一方、多値符号列１２が２値のパラレル信号である場合には、第１の符号切替部１３１は、図１０に示すように構成される。この場合、第１の符号切替部１３１は、多値符号列１２のビット数と同数の排他的論理和回路１３２１〜１３２Ｎと、Ｄ／Ａ変換部１３３によって構成される。排他的論理和回路１３２１〜１３２Ｎは、それぞれ、多値符号列１２の各ビットと切替乱数２２とを入力され、排他的論理和演算を行った結果を出力する。Ｄ／Ａ変換部１３３は、排他的論理和演算の結果を入力され、当該結果をＤ／Ａ変換して変換多値符号列を出力する。第２の符号切替部２３１も、同様の構成をとる。
【００８４】
以上に説明した通り、第３の実施形態に係るデータ通信装置によれば、第１の実施形態に係るデータ通信装置とは異なる構成でありながら、第１の実施形態に係るデータ通信装置と同様の効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、第三者による傍受を防ぐ暗号通信を行う装置等に利用可能であり、特に、伝送路上の変調信号からの解読を防止したい場合等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】第１の実施形態に係るデータ通信装置１の構成の一例を示すブロック図
【図２】送信部１０１及び受信部２０１が用いる信号フォーマットの一例を示す図
【図３】データ通信装置１が備える送信部１０１の動作について具体的に説明するための図
【図４】データ通信装置１が備える受信部２０１の動作について具体的に説明するための図
【図５】送信部１０１及び受信部２０１が用いる別の信号フォーマットの一例を示す図
【図６】第１の実施形態の多値信号変調部１１２の第１の信号点配置切替部１１５及び変調部１１６を具体的な装置によって構成した多値信号変調部１２５を示す図
【図７】マッハツェンダ光変調器の一般な入出力特性を示す図
【図８】多値信号変調部１２５の別の構成を示す図
【図９】第３の実施形態に係るデータ通信装置３の構成の一例を示すブロック図
【図１０】第１の符号切替部１３１の構成を示す図
【図１１】特開２００５−５７３１３号公報に示された、Ｙ−００プロトコルを用いた従来の送受信装置の一例について説明するための図
【図１２】多値処理部９１２が用いる信号フォーマットの一例を示す図
【図１３】従来の送受信装置の動作について具体的に説明するための図
【符号の説明】
【００８７】
１、３    データ通信装置
１０、１８、９０、９８    情報データ
１１、１６、９１、９６    鍵情報
１２、１７、９２、９７    多値符号列
１３、１５、４１、８１、９３、９５    多値信号
１４、９４    変調信号
２１、３１    切替鍵情報
２２、３２    切替乱数
２３、３３    変換多値信号
２４    極性反転信号
２５    無変調光
２６、３６    変換多値符号列
３５、９９    反転信号
４２、８２    受信系列
１０１、１０３、９０１    送信部
２０１、２０３、９０２    受信部
１１０、９１０    伝送路
１１１、２１２、９１１、９１４    多値符号発生部
１１２    多値信号変調部
１１３、９１２    多値処理部
１１４、２１４    切替乱数発生部
１１５、２１５    信号点配置切替部
１１６、９１３    変調部
１２１    光変調部
１２２    極性反転信号発生部
１２３    半導体レーザ
１２４、１２７    マッハツェンダ光変調器
１３１、２３１    符号切替部
１３２１〜１３２Ｎ    排他的論理和回路
１３３    Ｄ／Ａ変換部
２１１、３１１、９１５、９２１    復調部
２１３    信号再生部
２１６、３１２、９１６    識別部
３０１、９０３    盗聴受信部
３１３、９２３    解読処理部
【図１】
2008160178.tif 000003
【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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