(57)【要約】  超音波信号上でコード化されたデータを受信する方法であって、２０キロヘルツ未満の最大応答特性を有したマイクロホン（４）又は人間のスピーチを受信するように構成されたマイクロホン（４）を用いて超音波信号を検出することと、この信号を複号化してデータを求めることとを含む方法が提供されている。
2010537535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波信号上でコード化されたデータを受信する方法であって、
２０キロヘルツ未満の最大応答特性を有したマイクロホンを用いて前記超音波信号を検出することと、
前記信号を復号化して前記データを求めることと、
を含む、方法。
【請求項２】
超音波信号上でコード化されたデータを受信する方法であって、
人間のスピーチを受信するように構成されたマイクロホンを用いて前記超音波信号を検出することと、
前記信号を復号化して前記データを求めることと、
を含む、方法。
【請求項３】
超音波信号上でコード化されたデータを受信する方法であって、
−  ２０キロヘルツ未満の周波数に対して第一の感度を有し、２０キロヘルツと６０キロヘルツとの間の周波数に対して第二の感度を有している音響検出手段を用いて前記超音波信号を検出することと、
−  前記信号を復号化して前記データを求めることとを含んでおり、
前記第一の感度が、前記第二の感度よりも大きくなっている、方法。
【請求項４】
前記第一の感度が、０キロヘルツ〜２０キロヘルツの範囲内の最大値感度、平均値感度又は中央値感度である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第一の感度が、前記第二の感度の少なくとも２倍又は少なくとも４倍である、請求項３又は４に記載の方法。
【請求項６】
前記超音波信号の周波数をダウンコンバージョンすることをさらに含む、請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記ダウンコンバージョンするステップが、所定の周波数で前記超音波信号を変調することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記変調するステップが、前記マイクロホン又は前記音響検出手段により受信された信号を増幅するアンプに対して発振制御を加えることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ダウンコンバージョンするステップが、受信された前記超音波信号と所定の周波数の信号とを混合することを含む、請求項６乃至８のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
検出された前記信号を一又は複数の所定のテンプレートと比較することをさらに含む、請求項１乃至９のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
検出された前記信号が複数の異なるパケットを有しており、前記比較の手順が、受信されたメッセージがパケット毎にパケットテンプレートと比較される第一のステージと、前記パケット内の個々のビットが判定される第二のステージとを有している、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
超音波信号を受信するための装置であって、
２０キロヘルツ未満の最大応答特性を有するマイクロホンと、
前記マイクロホンにより受信された前記超音波信号を復号化するための手段と、
を備えてなる、装置。
【請求項１３】
超音波信号を受信するための装置であって、
人間のスピーチを受信するように構成されたマイクロホンと、
前記マイクロホンにより受信された前記超音波信号を復号化するための手段と、
を備えてなる、装置。
【請求項１４】
超音波信号上のコード化されたデータを受信するための装置であって、
−  ２０キロヘルツ未満の周波数に対して第一の感度を有し、２０キロヘルツと６０キロヘルツとの間の周波数に対して第二の感度を有している、前記超音波信号を検出するための音響検出手段と、
−  前記信号を復号化して前記データを求めるための手段とを備えており、
前記第一の感度が前記第二の感度より大きくなっている、装置。
【請求項１５】
前記第一の感度が、０キロヘルツ〜２０キロヘルツの範囲内の最大値感度、平均値感度又は中央値感度である、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記第一の感度が、前記第二の感度の少なくとも２倍又は少なくとも４倍である、請求項１４又は１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記マイクロホン又は前記音響検出手段の前記最大応答特性が３０キロヘルツ未満又は３５キロヘルツ未満である、請求項１２乃至１６のうちのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
前記超音波信号の周波数をダウンコンバージョンするための手段をさらに備えてなる、請求項１２乃至１７のうちのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
前記周波数をダウンコンバージョンするための手段が、所定の周波数で前記超音波信号を変調するための手段を含んでなる、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
受信された前記信号を変調するための手段が、前記マイクロホン又は前記音響検出手段により受信された信号を増幅するためのアンプと、該アンプに発振制御を加えるための手段とを有してなる、請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記周波数をダウンコンバージョンするための手段が、所定の周波数の信号を前記超音波信号と混合するための手段を含んでなる、請求項１８乃至２０のうちのいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
前記混合するための手段が電界効果トランジスタを含んでなる、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記電界効果トランジスタがマイクロホンパッケージに組み込まれてなる、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記電界効果トランジスタのバイアス入力部に接続され、前記所定の周波数の信号を提供するように構成された発振器を備えてなる、請求項２２又は２３に記載の装置。
【請求項２５】
専用サウンドチャネル上で超音波を受信するように構成されてなる、請求項１２乃至２４のうちのいずれか１項に記載の装置。
【請求項２６】
前記マイクロホン又は前記音響検出手段が、動的に帯域幅が割り当てられる処理手段を有する演算デバイスに接続又は一体化されてなる、請求項１２乃至２５のうちのいずれか１項に記載の装置。
【請求項２７】
前記処理手段が、多数ストリームのための、好ましくは入出両用のサポートを有してなる、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
単一のマイクロホン又は一対のマイクロホンのみを備えてなる、請求項１２乃至２７のうちのいずれか１項に記載の装置。
【請求項２９】
超音波信号を受信するためのトランスデューサと、
所定の周波数の信号を生成するように構成された発振器と、
前記所定の周波数の信号を用いて前記トランスデューサにより受信された前記信号を変調するための手段と、
を備えてなる、デバイス。
【請求項３０】
請求項１２乃至２８のうちのいずれか１項に記載の装置を備えてなるシステムであって、
一又は複数のポータブル超音波トランスミッタをさらに備えており、
前記トランスミッタ又は各トランスミッタがそれを識別する情報を含む超音波信号を送信するように構成されており、
前記装置が、該装置の検出範囲内に存在するとき、前記一又は複数のトランスミッタを検出して特定するように構成されてなる、システム。
【請求項３１】
前記装置が、前記トランスミッタ又は前記複数のトランスミッタのうちの１つの存在を判断し、そのトランスミッタを特定し、前記判断及び前記特定に応答して機能の設定又はユーザへの表示を行うように構成されたコンピュータを有してなる、請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
前記装置が、前記トランスミッタの又は前記複数のトランスミッタのうちの１つの存在を判断し、そのトランスミッタを特定し、有効な身分証明がなされない限りアクセスを拒否するように構成されてなる、請求項３０又は３１に記載のシステム
【請求項３３】
前記コンピュータが、ユーザを該ユーザの音声から特定するように構成されてなる、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記コンピュータが、前記トランスミッタ又は前記複数のトランスミッタのうちの１つの存在の判断に応答して外部デバイスを制御するように構成されてなる、請求項３１乃至３３のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項３５】
前記トランスミッタ又は各トランスミッタが、コードホッピングプロトコルを用いて識別コードを送信するように構成されてなる、請求項３０乃至３４のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項３６】
複数の異なるパケットを有するメッセージを備えた受信された超音波信号を復号化する方法であって、
第一のステージで、受信された前記メッセージの少なくとも１つの部分をパケットテンプレートと比較することと、
第二のステージで、前記パケット内の個別のビットを判定することと、
を含む、方法。
【請求項３７】
構成要素であるパケットから前記メッセージを再構築するステップをさらに有してなる、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
受信された前記超音波信号にフーリエ変換、好ましくは高速フーリエ変換、好ましくは短時間フーリエ変換を受けさせることをさらに含む、請求項３６又は３７に記載の方法
【請求項３９】
前記第一のステージが、変換された前記信号と所定のパケットテンプレートとの間に相互相関、好ましくは二次元相互相関を取ることを含む、請求項３６乃至３８８のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項４０】
前記相互相関のステップが、変換された前記信号と二つのパケットテンプレートのうちの各々との間の相関スコアを、一方のテンプレート内のすべてのビットの真状態と他方のテンプレートのすべてのビットの偽状態とをそれぞれウィンドウに対応させた状態で算出することと、該相関スコアを組み合わせることとを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
変換された前記信号及び前記パケットテンプレートを周波数及び時間の両方に関して相互に繰り返しシフトさせることを含む、請求項３９又は４００に記載の方法。
【請求項４２】
前記相互相関のステップが、マトリクス乗算を用いて前記相互相関を計算することを含む、請求項３９乃至４１のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項４３】
前記相互相関のステップが、受信された信号のマトリックスのインデックスを作成することを含む、請求項３９乃至４２２のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項４４】
メッセージを構成する各パケットに対して取得された前記相関ピークを相互相関させることにより、メッセージレベルで相関を取ることを含む、請求項３９乃至４３にうちのいずれか１項に記載の方法
【請求項４５】
前記メッセージレベルで相関を取ることが、前記メッセージ内の前記パケットの位置に応じて所定の時間オフセットを加えることにより各ポケットの前記相関ピークを共通の時間ポイントにシフトさせることを含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
時間シフトされた前記ピークを組み合わせて単一のトレース線を得ることを含む、請求項４５に記載の方法
【請求項４７】
前記第一のステージが、「喪失」ビット値相関の相関値に対応するノイズレベルを各時間ステップで定義することにより、ビットごとのノイズ相関を実行することを含む、請求項３６乃至４６６のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項４８】
前記第一のステージが、受信された信号が所定の時間ウィンドウにわたって正規化されて振幅正規化定数が求められるという相関による振幅の再スケーリングを含んでおり、正規化された前記信号が後のフーリエ変換及び相互相関の計算に用いられ、該相互相関からの最終結果が、それらに前記正規化定数を乗算することにより補正される、請求項３６乃至４７７のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項４９】
前記個別のビットが、前記第二のステップにおいて各ビットを判定するために判別することが必要なちょうど２つのレベルを有している、請求項３６乃至４８のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５０】
各パケットが、１６未満の個数のビット、８未満の個数のビット又は４未満の個数のビットを有する、請求項３６乃至４９のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５１】
前記復号化するステップが、請求項３６乃至５００のうちのいずれか１項に記載の方法に従って実行される、請求項１乃至１１のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５２】
デジタル演算手段を動作させるためのコンピュータソフトウェアであって、
前記ソフトウェアが、デジタル形式でサンプリングされたデータストリームを受信し、２０ｋＨｚを超える周波数の信号を識別し、該信号を復号化してそこにコード化されているデータを求めるように構成されてなる、コンピュータソフトウェア。
【請求項５３】
デジタル形式でサンプリングされたデータストリームを受信し、２０ｋＨｚを超える周波数の信号を識別し、該信号を復号化してそこにコード化されているデータを求めるように構成されたソフトウェアを実行する、デジタル演算手段。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば可動式超音波トランスミッタの特定又は位置決めのために超音波信号を検出することに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば診療器具又は積み荷用コンテナの移動を監視するために可動式超音波トランスミッタ（タグ）を追跡するための超音波通信を用いるシステムに関する提案が以前に数多くあった。通常、超音波屋内測位システムは、建物内のすべての部屋の中に少なくとも１つの専用の超音波受信機を備えることにより信頼できる位置情報を提供するように構成されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、超音波通信を向上させ有力な用途を開拓することを目標としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第一の態様によれば、本発明は、超音波信号上でコード化されたデータを受信する方法であって、２０キロヘルツ未満の最大応答特性を有するマイクロホンを用いて超音波信号を検出することと、この信号を複号化してデータを求めることとを含む方法を提供している。あるいは、本発明は、超音波信号上でコード化されたデータを受信する方法であって、人間のスピーチを受信するように構成されたマイクロホンを用いて超音波信号を検出することと、この信号を複号化してデータを求めることとを含む方法を提供している。
【０００５】
第二の態様によれば、本発明は、超音波信号を受信するための装置であって、２０キロヘルツ未満の最大応答特性を有するマイクロホンと、このマイクロホンにより受信された超音波信号を復号化するための手段とを備えている装置を提供している。あるいは、本発明は、超音波信号を受信するための装置であって、人間のスピーチを受信するように構成されたマイクロホンと、このマイクロホンにより受信された超音波信号を復号化するための手段とを備えている装置を提供している。
【０００６】
第三の態様によれば、本発明は、超音波信号上でコード化されたデータを受信する方法であって、２０キロヘルツ未満の周波数に対して第一の感度を有しているとともに２０キロヘルツと６０キロヘルツとの間の周波数に対して第二の感度を有している音響検出手段を用いて超音波信号を検出することと、この信号を複号化してデータを求めることとを含んでおり、第一の感度が第二の感度より大きくなっている方法を提供している。
【０００７】
第四の態様によれば、本発明は、超音波信号上でコード化されたデータを受信するための装置であって、２０キロヘルツ未満の周波数に対して第一の感度を有しているとともに２０キロヘルツと６０キロヘルツとの間の周波数に対して第二の感度を有している、超音波信号を検出するための音響検出手段と、この信号を復号化してデータを求めるための手段とを備えており、第一の感度が前記第二の感度より大きくなっている装置を提供している。
【０００８】
このように、当業者にとって明らかなように、本発明によれば、特別な超音波トランスデューサを用いるのではなく、可聴範囲（２０ｋＨｚ未満）で用いられるように設計された通常の音響マイクロホン、とくに人間のスピーチに適応されたマイクロホンが用いられる。可聴音の検出及び処理のために最適化された関連するハードウェア及びソフトウェアがさらに用いられてもよい。このことは、人間のスピーチ用に設計された多くの通常のマイクロホンを超音波上にコード化されたデータ通信システムに用いられるタイプの超音波信号を受信するために問題なく用いることができ、さらに、ＰＣサウンドカード上で提供されるデジタルサンプリングの如き現代の検出用のハードウェア及びソフトウェアも超音波信号の取り扱いに用いることができるという出願人の認識から発想されたものである。
【０００９】
通常のスピーチマイクロホンは、約１０キロヘルツ（ｋＨｚ）まで比較的平坦であり、そこから漸次降下して行き、２０ｋＨｚにおいて著しい減衰（一般に人間の可聴限界であると考えられている）が見られる応答特性を有していることが一般的である。しかしながら、出願人は、超音波領域の中に、すなわち２０ｋＨｚを超えて、さらに典型的には３５〜４５ｋＨｚのあたりに応答が依然として十分あるので、超音波信号上でコード化された情報を受信して復号化することができることを見出していた。このようなマイクロホンの応答は、設計範囲から非常に遠ざかっていると、例えばスピーチ周波数の場合と比べて非常に低いものの、出願人は、超音波周波数においてはノイズが少ない傾向があるため、弱い応答であっても明確に区別可能な信号を生じることができため、このことがそれほど重要ではないことを認識していた。
【００１０】
オーディオ検出システムの感度は、（マイクロホン又はそれに関連するハードウェア及びソフトウェアによって制約されるか否かに関係なく、）本発明の第三の態様及び第四の態様に従って指定される周波数範囲内において変わるのが普通である。したがって、一般的に、第一の感度及び第二の感度は、それぞれ対応する周波数範囲内の周波数応答を特徴づけるパラメータである。したがって、第一の感度は、０〜２０ｋＨｚの範囲内の最大値感度であってもよいし、平均値感度もしくは中央値感度であってもよいし、又は、応答に関する他のいかなる尺度であってもよい。
【００１１】
好ましくは、第一の感度は、第二の感度の少なくとも２倍、さらに好ましくは少なくとも４倍である。
【００１２】
通常の可聴範囲のマイクロホンの「残留」応答を用いることにより、本発明に従って、超音波通信システムは、このようなマイクロホンの広範囲の場所において入手可能であり、かつ価格が低いため、低コストで構築することができる。しかしながら、出願人は本発明が提供することができるある利点を認識している。この利点とは、非常に多くのデスクトップ型ＰＣ及びラップトップ型ＰＣが内蔵されている又はアクセサリとして備えられている供給済みのマイクロホン有しており、このマイクロホンを超音波通信システムの一部を提供するために本発明に従って用いることができるという事実である。さらに、携帯電話及びスマートホンの如き可動式音声対応デバイスについても同様である。出願人は、超音波に対して最適化されていないマイクロホン／検出装置を用いる機会が、ビット高分解能を高サンプリングレートと組み合わせる高性能なアナログ−デジタルコンバータを備え及び精巧なデジタル信号処理リソースを備えた最近広範囲に及んで入手可能なＰＣ、ラップトップ及び他の可動式デバイスによって増えていることをさらに認識している。 
【００１３】
このように、本発明に係る少なくとも一部の実施の形態では、単に適切なソフトウェアを用いるだけで、さらなるハードウェアを必要とすることなく、既存のデバイスを用いて超音波通信システムを実現することができる。このことが潜在的な用途の範囲を著しく広げることができるのは明らかである。
【００１４】
他の態様によれば、本発明は、デジタル演算手段を動作させるためのコンピュータソフトウェアであって、当該ソフトウェアが、デジタル形式でサンプリングされたデータストリームを受信し、２０ｋＨｚを超える周波数の信号を識別し、当該信号を復号化してそこにコード化されているデータを求めるように構成されているコンピュータソフトウェアを提供している。
【００１５】
本明細書に記載の方法及び装置の好ましい特徴は、先に記載のソフトウェア及び当該ソフトウェアを実行する演算手段の好ましい特徴でもある。
【００１６】
上述のように、本発明の潜在的な利点のうちの１つは、超音波を受信するための広範囲なデバイスの内蔵された機能を用いる能力であるが、出願人は、現在のすべてのデバイスが必要な機能を有しているわけではないことを認識している。例えば、ＣＤ品質のサンプリング、すなわち１６ビットで４４．１キロヘルツのサンプリングを行うインテル（登録商標）ＡＣ９７オーディオコーデック基準に従う演算デバイスが数多くある。これは、超音波の下端の狭帯域でのサンプリングを可能とするが、３５〜４５ｋＨｚの範囲の超音波周波数が用いられる本発明の少なくとも好ましい実施の形態との互換性をもっていない。しかしながら、出願人は、このようなデバイスを用いて本発明の好ましい実施の形態を実現することを可能とする他のデバイスを考えついた。このように、少なくとも一部の実施の形態では、本発明の装置は、マイクロホンにより受信された信号の周波数をダウンコンバージョンさせることにより低い周波数でのサンプリングを可能とするための手段を備えている。
【００１７】
この周波数をダウンコンバージョンするための手段は、超音波周波数を可聴範囲の中にシフトさせるためのいかなる適切なアナログドメイン装置を有してもよい。好ましくは、それは、所定の周波数で受信信号を変調するための手段を有している。当業者にとって明らかなように、このことは、受信周波数と所定の周波数との間の差としてより低い有効周波数を与える。出願人によって考えられている一組の実施の形態では、このことは、マイクロホンにより受信された信号を増幅するアンプの発振制御により可能となる。例えば、このような発振制御をアンプの利得に対して加えてもよいし、又は、マイクロホンへの供給電圧に対して加えてもよい。実際問題として、このような装置は、該当する利得又は外部マイクロホン出力電圧をソフトウェアで制御することにより、パーソナルコンピュータの如き演算デバイス内で一方又は両方を用いることができるという利点を有している。したがって、たとえ既存の演算デバイスが超音波信号をサンプリングする機能を有していなくとも、この既存の演算デバイスを超音波信号検出に用いることができるようになる。
【００１８】
一組の他の実施の形態では、この装置は、所定の信号を受信された超音波信号と混合するための手段を備えている。このことは、２つの混合された周波数の周波数差と等価な低減周波数を提供することと同一の効果がある。好ましい実施の形態によっては、混合手段が電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含んでいる場合もある。とくに便利な実施の形態によっては、マイクロホンパッケージに組み込まれたＦＥＴが用いられている。好ましくは、ＦＥＴのバイアス入力部には、所定の周波数の信号を提供する発振器が接続されている。
【００１９】
発振制御又は混合信号の波形はいかなる便利な形状を有していてもよく、例えば、正弦波、方形波又はより複雑な形状であってもよい。
【００２０】
上述のようなマイクホンアンプの利得又は供給電圧の変調が適切でない又は実行可能でない場合、ちょうど今説明したように、周波数ダウンコンバージョンを、発振器からの所定の周波数の信号を混合するが如き他の方法で達成することができる。このような発振器を超音波対応マイクロホン及び関連する電子機器とともに組み合わせてパッケージ化することにより、通常の可聴音をデジタル式に取り扱うことが可能な演算装置を超音波信号受信機及びプロセッサとして用いることを可能とするモジュールを提供することができる。このようなモジュールはそれ自体で新規性及び進歩性があるものと考えられる。したがって、本発明の他の態様によれば、本発明は、超音波信号を受信するためのトランスデューサと、所定の周波数の信号を生成するように構成された発振器と、所定の周波数の信号を用いてトランスデューサにより受け取られた信号を変調するための手段とを備えているデバイスを提供している。
【００２１】
変調は、アンプの利得を制御することにより達成されてもよいし、又は、マイクロホンに加えられる電圧を制御することにより達成されてもよい。しかしながら、変調は、先に記載したように、発振器からの信号をトランスデューサからの信号と混合することにより達成されることが好ましい。
【００２２】
したがって、要約すれば、実施の形態によっては、適切なハードウェアを追加することにより本発明に従って動作するように既存のデバイスを修正する場合もある。例えば、既存のデバイスの適切なアナログ入力部に、本発明に従って感度要件を満足させるマイクロホン及び関連する増幅／フィルタ用の電子機器を接続することが可能である。あるいは、このようなマイクロホン装置及び周波数ダウンコンバージョン手段を含む周辺機器を、超音波信号を処理する機能を有していない既存のデバイスに接続することが可能である。さらに他の具体例では、本発明に従って感度要件を満足するマイクロホン及び関連する増幅／フィルタ用の電子機器を含む周辺機器並びにデジタル処理手段を、デバイスのデジタル入力部に取り付けることが可能である。
【００２３】
本発明の原理の１つの可能な用途として超音波式資産追跡システムの改良が挙げられる。ここでは、可動式タグが例えば病院内の装置に固定され、一又は複数の受信機が装置の追跡を必要とするすべての部屋又は他の場所に設置される。本発明によれば、このようなシステム内の受信機の一部又は全部が例えば通常のＰＣとして実現されてもよい。このことにより、受信機が複数の機能を実行することが可能となる。例えば、ＰＣを備えていない部屋に専用の受信機を設置するだけでよいし、又は、追跡情報を受信するための端末が受信機のうちの１つとしてさらに機能することができる。
【００２４】
しかしながら、ＰＣ及び他の従来の装置に関するさまざまな可能な用途が他にも多くある。一組の好ましい実施の形態では、本発明に係る装置と、タグを特定する情報を含んでいる超音波信号を送信するように構成された一又は複数のポータブル超音波トランスミッタとを備えたシステムが提供されている。この本発明に係る装置は、当該装置が検出範囲内に存在するとき、トランスミッタを検出して特定するように構成されている。
【００２５】
タグの存在を判断して特定する能力が有益である状況は多くある。例えば、この能力は、ユーザを認識し、機能の設定もしくはそのユーザに対する表示を行う目的で、又は、有効な身分証明がなされない限りアクセスを拒否するセキュリティ目的で、ＰＣ又はワークステーションにより用いられうる。後者は、セキュリティ許可デバイス（タグ）を物理的に携帯していることを必要とするので、多くの他のタイプのセキュリティと比べてより安全性が高いことが明白である。さらに、コンピュータは、スマートカードリーダ、指紋スキャナなどの如きさらなるハードウェアを必要としない。また、ユーザからのアクションを必要としないように構成することが可能なので便宜性をさらに向上させうる。同様に、ユーザが移動すると、セキュリティは、ユーザが例えばログオフしなくとも再び自動的に回復されるようになっていてもよい。二つの具体例としては、出願人は、センターが受験者にオンライン試験を受けさせることを可能とする用途、又は、コールセンターが労働者の存在を監視する用途が挙げられる。
【００２６】
一組の好ましい実施の形態では、さらなるレベルのセキュリティが提供されている。このことは、パスワード、指紋又は虹彩のスキャナ、顔の認識などにより可能となる。しかしながら、コンピュータがユーザを当該ユーザの音声からの特定するのが好ましい。音声認識技術は周知であるが、出願人は、音声認識技術と本発明に係る超音波特定技術とを組み合わせることに著しい利点が有ると認識している。その理由は、これら両方をスピーチを受信するように構成されたマイクロホンを用いて実現することができるからである。換言すれば、このさらなるセキュリティ形態を実現するにあたってハードウェアを追加する必要がない。両方を単一のソフトウェアパッケージで提供し、非接触式の安全なログインを実現することができるという利点を保持することができる。
【００２７】
本発明の任意の実施の形態で用いられうるさらに好ましい特徴は、コードホッピングプロトコルを用いて識別コードを送信するポータブル超音波トランスミッタに関するものである。このようなプロトコルは、例えば自動車用の遠隔から操作されるロック用の無線周波数ポータブルトランスミッタの分野において周知である。その原理は、ポータブルトランスミッタ及び受信機が、擬似ランダムコードを生成する同一のアルゴリズムであらかじめプログラムされているということである。そこで、受信機は、どのコードを期待すべきかを知っているが、盗聴者はアルゴリズムを知らないので次のコードを予測することができない（したがって、模倣トランスミッタを構築することができない）。このアルゴリズムは、反復アルゴリズムであってもよいし（したがって、シーケンス内の現在の位置についての知識が要求される）、又は、同期クロックの如きトランスミッタ及び受信機に共通の他のデータに基づいたものであってもよい。
【００２８】
上述のような種類の用途における超音波タグの使用は、無線周波数通信に基づいたもののような代替物に比べて有益である。その理由は、短い範囲にわたって動作させることができ、かつ「漏れ」が少なく（すなわちそれらは高指向性である）、赤外線などのような厳格な見通線（ｓｔｒｉｃｔ  ｌｉｎｅ  ｏｆ  ｓｉｇｈｔ）を必要としないからである。また、ＲＦ送信に敏感な他の装置との干渉を避ける必要性が少なく、このことは、病院内の敏感な医療機器の近傍においてとくに重要となりうる。
【００２９】
もちろん、タグの検出を行うコンピュータが、外部デバイスを制御するように、例えば人が部屋に入るときに照明のスイッチをオンにし部屋から出て行くときにオフにするように、又はドアなどのロックを解除する／開けるように構成されてもよい。
【００３０】
既存の非特定用途の装置を用いるとき、意図的に高周波信号のフィルタリングをする必要は通常ない。ただ、フィルタリングによっては許容可能な場合もあるので、このことは厳密な意味で不可欠であるわけではない。
【００３１】
異なる周波数帯が与えられた場合、単一のマイクロホン及びそれに関連する受信手段及び処理手段が可聴音、例えば、スピーチ及び本発明の超音波信号の両方を受信して処理することができるものの、超音波の受信に関しては、専用のサウンドチャネルが用いられることが好ましい、このことは、性能特性を担保しながら超音波通信システムを連続して動作させることを可能とするため、ユーザによる専用のサウンドチャネルの制御を無効にすることができるという利点を有している。さらなるセキュリティレベルとしてスピーチ認識を用いる実施の形態では、このことがいかなるマイクロホンを用いて実現されてもよいが、超音波検出の場合と同一のチャネルを用いることが好ましい。その理由は、ユーザのこのチャネルに対する制御を無効にすることによりアクセス及び性能を担保することができるという同様の理由からである。
【００３２】
本発明の好ましい実施の形態では、マイクロホンは、動的に帯域幅が割り当てられる処理手段を備えた演算デバイスに接続されるか又はそれと一体化される。また、処理手段が多重ストリーム、好ましくはイン及びアウトのサポートを有していることがさらに好ましい。さらに好ましくは、処理手段は、インテル（登録商標）により策定された高精細度オーディオ基準に従って動作するように構成されている。
【００３３】
本発明によれば、マイクロホンの最大応答特性は、好ましくは３０ｋＨｚ未満であり、さらに好ましくは３５ｋＨｚ未満である。
【００３４】
本発明によれば、単一のマイクロホン又は一対のマイクロホンだけが用いられることが好ましい。
【００３５】
本発明に従って復号化される超音波信号はいかなる適切な方法でコード化されてもよい。最も単純な実施の形態では、これは単に周波数の判定でありうる。他の可能性としては、周波数偏倚変調（周波数シフトキーイング）、位相偏倚変調（位相シフトキーイング）又はその他の公知のコード化手法が挙げられる。
【００３６】
一組の好ましい実施の形態では、コード化された超音波信号は、異なる周波数において連続するトーンからなるパターンの形態を有している。これは、周波数偏移変調コード化スキーム又は他のコード化スキームによるものでありうる。したがって、このような信号を復号化するにあたって、周波数変動パターンを求めることが必要となる。現時点では、好ましい方法は、受信信号を一又は複数の所定のテンプレートと比較することを含んでいる。 
【００３７】
好ましい実施の形態では、超音波信号は複数の異なるパケットを含むメッセージを有しており、また、比較手順は、受信されたメッセージがパケット毎にパケットテンプレートと比較される第一のステージと、パケット内の個々のビットが判定される第二のステージとを有している。第一のステージによりパケットを特定することが可能となる。次いで、第二のステージにより、そのパケット内のビットの正確な判定が可能となる。このことは有利である。その理由は、正確で信頼できる結果を与え、とくに超音波パルスに影響を与えるドップラーシフトに対して著しい耐性を有していることが分かっているからである。この方法をマトリックス計算に大部分依存するように用いることが可能なので、現代のマイクロプロセッサにとくに適している。
【００３８】
このような方法は、超音波信号を受信するために用いられる装置に関係なく、それ自体で新規性及び進歩性があるものと考えられる。さらに他の態様によれば、本発明は、複数の異なるパケットを有するメッセージを備えた受信超音波信号を復号化する方法であって、第一のステージで、受信されたメッセージの少なくとも１つの部分をパケットテンプレートと比較することと、第二のステージで、パケット内の個々のビットを判定することとを含んでいる方法を提供している。
【００３９】
通常、メッセージは複数のパケットを有しているため、本発明のこの態様にかかる好ましい方法は、構成要素であるパケットからメッセージを再構築するステップを有している。このことは、第二のステージの前又は後に行うことが可能である。
【００４０】
好ましくは、受信信号をフーリエ変換ステップを通してその周波数成分の解析を可能とする。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いることが可能である。好ましくは、短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ）が用いられる。好ましくは、フーリエ変換移動ウィンドウ（ｍｏｖｉｎｇ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ  ｗｉｎｄｏｗ）が用いられる。
【００４１】
第一のステージは、周波数（フーリエ）変換された信号と所定のパケットテンプレートとの間に、好ましくは相互相関、より好ましくは二次元の相関を取ることを含んでいる。このことは、データストリームからデータパケットを特定することを可能とする。一又は複数のパケットテンプレートを用いることが可能である。個々のビット値の間を判別しないパケットテンプレートの使用が考えられている。例えば、予測されるパケット構造内の各ビット位置に対する周波数の有効なエンベロープ（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）である単一のテンプレートを用いることが可能である。さらなるパケット構造が存在すれば、それらに対応するテンプレートが存在する。それとは反対に、パケットにより表わされる個々の可能なワードに対してテンプレートが存在する。この実施の形態では、第一のステージにおいてデータが復号化され、第二のステージは単に検証の役割を果たすだけである。
【００４２】
しかしながら、一組の好ましい実施の形態では、２つのパケットテンプレートが用いられ、ウィンドウが、それぞれ対応して、一方のテンプレート内のすべてのビットの真状態及び他方のテンプレートのすべてのビットの偽状態に対応している。次いで、受信信号とテンプレートの各々との間の相関を計算することで得られた相関スコアを組み合わせることにより、例えば合計することにより、パケット相関が計算される。
【００４３】
好ましくは、最良の相関を得るため、測定信号とテンプレートとが周波数と時間との両方に関して相互に繰り返してシフトされる。周波数に関してシフトさせることによって、例えば、パケットレベルにおいてドップラーシフトに対して補償することが可能となる。
【００４４】
好ましい実施の形態によっては、第一のステージが、受信された信号が所定の時間ウィンドウにわたって正規化されて振幅正規化定数が求められるようになっている相関による振幅の再スケーリングを含んでおり、正規化された信号が後のフーリエ変換及び相互相関の計算に用いられ、相互相関からの最終結果がそれらに正規化定数を掛けることにより補正される。このことは、浮動小数を用いてフーリエ変換及び相互相関を処理しなければならない、用途によっては、例えば組み込みシステムにおいては非常に多くの演算リソースを必要とするようなことを回避できるという長所を有している。
【００４５】
好ましくは、第一のステージは、各時間ステップで、「喪失」ビット値相関の相関値に対応するノイズレベルを定義することにより、ビットごとのノイズ相関を実行することをさらに含んでいる。
【００４６】
好ましい実施の形態によっては、例えばパーソナルコンピュータに基づいた実施の形態では、相互相関は、マトリクス乗算を用いて計算される。他の実施の形態では、相互相関は、信号マトリックスのインデックスを作成することにより行なわれる。このことは、出願人がほとんどのテンプレートがまさにスパース行列（これらの行列は零でない要素をほとんど含んでいない）であることを認識しているので、検出器がベクトル化されていない環境、例えば組み込みシステム内に構築される処理リソースの点においてより効率的である。
【００４７】
好ましくは、メッセージを構成する各パケットに対して得られた相関ピークを相互相関させることにより、さらなる相関がメッセージレベルで実行される。好ましくは、この相互相関は、メッセージ内のパケットの位置に応じて所定の時間オフセットを加えることにより各ポケットの相関ピークを共通の時間ポイントにシフトさせることを含んでいる。好ましくは、これらの時間シフトされたピークは、これらのピークの算術平均又は幾何平均を算出する一部でありうる例えばこれらのピークの加算又は乗算を行うことによって組み合わせられて単一のトレース線が与えられる。出願人は、このことが、個々のビットのタイミングエラーがメッセージの全ビットにわたって効果的に平均化されるためメッセージ到着時間の非常に正確な推定を提供するという点で有利であることを認識している。この正確なタイミング情報は、メッセージの復号化だけでなくトランスミッタとマイクロホンとの間の距離、すなわち、可動式タグからの送信を同期させることができる場合の飛行時間の位置を求めるのにも役立つ。
【００４８】
個々のビットは、いかなる数の可能なレベルを有してもよく、第二のステップにおいて各ビットのこれらのレベルを判別する必要がある。しかしながら、これらは２進数を表すビットであることが好ましい。すなわち各ビットが２つの可能なレベルしか持っていないことが好ましい。パケットは、通常小数のビットしか有しておらず、例えば１６ビット未満、好ましくは８ビット未満、好ましくは４ビットである。
【００４９】
添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態を例示のみを意図して記載する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は本発明に係る超音波通信システムを示す概略図である。
【図２】図２は外部マイクロホンが追加された本発明を実施するために用いられるコンピュータデバイスを示す概略図である。
【図３】図３は追加のハードウェアのない本発明を実施するために用いられるコンピュータデバイスを示す概略図である。
【図４】図４は外部受信ユニットが加えられた本発明を実施するために用いられるコンピュータデバイスを示す概略図である。
【図５】図５は本発明に係る超音波復号化アルゴリズムを示すフロー図である。
【図６】図６は４ビットテンプレート及び入力メッセージを示す時間と周波数とのプロットである。
【図７】図７ａ−図７ｆは、さまざまな相関プロットを示す図である。
【図８】図８は本発明のさらなる実施の形態にかかる外部受信モジュールを示す概略図である。
【図９】図９はスピーチをさらに受信することができること以外は図８の外部受信モジュールと同等な外部受信モジュールを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
まず、図１及び図２を参照すると、本発明の実施の形態は、インテル（登録商標）の高精細度オーディオ（ＨＤＡ）基準に従うＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）オペレーティングシステムを実行するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）２を備えている。この実施の形態のＰＣ２は、単一の外部マイクロホン４が装備されるものとして示されている。他の実施の形態（図３の概略図に対応している）では、約２０ｃｍの間隔をおいて前向きの位置（例えば、ユーザ表示画面上）で２つの固定マイクロホン１６が設けられている。
【００５２】
マイクロホン４、１６は、人間のスピーチに敏感なように設計されているために２０ｋＨｚ未満にそれらの最大応答特性を有しているにも関わらず、３５〜４５ｋＨｚの範囲において、デジタル化をする前にアナログ信号チェーンに対してこれらの周波数にフィルタリングを加えることなく感度を保持している。市販のマイクロホンのうちの適切な２つのマイクロホンとしては、パナソニック（登録商標）ＷＭ−６１Ａと、デンマークのロスキレのＳｏｎｉｏｎＲｏｓｋｉｌｄｅ  ＡＳから入手可能なＳｏｎｉｏｎ  ＳｉＭｉｃ  ＴＣ２００Ｚ１１  Ａとを挙げることができる。 
【００５３】
インテル（登録商標）のＨＤＡ基準は、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）オペレーティングシステムを実行するＰＣに主要な焦点を当ててＰＣのオーディオ性能を向上させるように設計されている。ＨＤＡ基準には、本発明の実施において（不可欠という訳ではではないものの）非常に有益な特徴が３つある。１番目は、この基準では、４８メガビット／秒（ＭＢ）の最大シリアルデータ出力レート（ＳＤＯ）及び２４ＭＢの最大シリアルデータ入力（ＳＤＩ）レートが考慮に入れられているということである。２番目は、帯域幅が、固定されておらず、必要に応じて動的に割り当てることができるということである。３番目は、多重入力ストリーム及び多重出力ストリームがサポートされているということである。
【００５４】
ＳＤＩ帯域幅は、２つのチャネル、３２ビットの分解能、１９２ｋＨｚの入力サンプリングレート、又は、最大８つのチャネル、３２ビットの分解能、９６ｋＨｚのサンプリングレートを可能としている。しかしながら、本発明の好ましい実施の形態では、９６ｋＨｚのサンプリングレートにおいて２４ビットの分解能があれば、３５〜４５ｋＨｚの範囲内で超音波信号をデジタル化し、続いて復号化するのに十分であるので、１つのチャネルが用いられようと又は２つのチャネルが用いられようと、利用可能な能力内にあることは明らかである。
【００５５】
上述のＨＤＡ基準の多重ストリーム及び動的帯域幅の能力により、使用されるマイクロホン４、１６を音声及び電話通信の如き通常の音声タスクに対して並びに超音波の受信に対して同時に使用することができる。しかしながら、好ましい実施の形態では、ＰＣ２を用いて実施される超音波検出システムの性能及び信頼度を最大化させるために、ＰＣ２は、ユーザが超音波検出システムにより用いられているマイクロホンチャネルのボリューム制御又は無音制御を妨げることにより超音波検波機能を無効にすることができないように構成されている。このことは、ソフトウェアを用いて、ユーザに受信した超音波に対応する右側のマイクロホンチャネルの音量調節にアクセスさせないようにすることによって実現することができる。また、このチャネルを音声認識のためにさらに用いることができる。
【００５６】
したがって、好ましい実施の形態では、ＰＣ２は２つのマイクロホンチャネル（左及び右）を有し、各々のチャネルが９６ｋＨｚのサンプリングレートで２４ビットの分解能を有した（すなわち、毎秒９６，０００個のサンプルで、各サンプルが２４ビットである）可聴音及び超音波を受信することができる。マイクロホンチャネルの信号対雑音比は、２０Ｈｚ〜４５ｋＨｚの全周波数範囲にわたって６０デシベルの音圧レベルである。 
【００５７】
ＰＣ２は、外部マイクロホン４の接続のための外部ジャックソケット（図示していないが後側に取り付けられたパネルの上）をさらに有している。このジャックソケットは、外部マイクロホン４が差し込まれると右側のマイクロホンチャネルに取って代わるようになっている（すなわち、ソケット中にジャックプラグが存在するとそれを検出して切り換えを行うことができるようになっている）。
【００５８】
このシナリオでは、左側のマイクロホンチャネは、音量をユーザ及び／又はサードパーティのソフトウェアにより調節する必要のある音声用途に対して用いることができるようになっている。
【００５９】
完全にミュートの状態になっていなければ、超音波検出システムは、多重通路干渉の影響を弱めるために右側の超音波（固定音量）マイクロホンチャネルに加えて左側のオーディオチャネルを用いることができる。同様に、オーディオ／音声用途において雑音除去（指向性）の目的のために両方のマイクロホンを用いることができる。
【００６０】
外部ジャックにより、ＰＣからある短距離（例えば、２〜３メートル）分離れた位置に超音波受信マイクロホン４を設けることが可能となる。
【００６１】
本明細書に記載の本発明に係る実施の形態に従って、周波数偏移変調を用いてデジタルデータをＰＣ２に送信するように構成された超音波トランスミッタタグ６が提供されている。さらに詳細にいえば、超音波トランスミッタタグは、各パケットが４ビットからなる７パケット長のデータメッセージを送信する。各ビットは、真ビット又は偽ビットが送信されているか否かに応じて、一対の周波数のうちの一方の単一トーン送信信号により表わされる。真ビット周波数及び偽ビット周波数については、中間周波数の上方及び下方に同じだけオフセットされた周波数であると考えることができる。これらの中間周波数は、ポケット内の４つのビット位置の各々に応じて所定のパターンで変わるようになっている。さらに、ビット間及びパケット間の時間間隔も前もって決められている。メッセージの構造は、図７を参照してさらに下記に説明される。
【００６２】
送信信号が音声カード８に接続されているマイクロホン４、１６を用いて受信され、当該音声カード８は受信された信号をサンプリングしてデジタルデータに変換する。収音に関しては、ナショナルインスツルメンツから入手可能なＬａｂｖｉｅｗ（商標）に内蔵されている収音機能を用いてなされる。これらの機能は、マイクロソフト（登録商標）のＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄ（商標）ｄｌｌ機能を呼び出す。ＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄは、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）オペレーティングシステムを備えたコンピュータに搭載され、マイクロソフトにより供給されたＤｉｒｅｃｔＸライブラリのソフトウェア部品である。ＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄは、アプリケーションとサウンドカードドライバとの間の直接インターフェイスとなる。
【００６３】
デジタル化された信号は、ＣＰＵ１０に送信され、そこで、当該信号が格納している元のデータメッセージを検索することができるように復号化される。このことに関しては、図５及び図７を参照して下記にさらに詳細に説明する。次いで、復号化されたデータは、イーサネット（登録商標）カードの如きネットワークカード１２に伝達され、データネットワーク１４へと伝達される。もちろん、無線ネットワークの如き他のいかなる適切なネットワークが用いられてもよいし、又はそれに代えて、ＰＣがスタンドアロン式の機械であってもよい。
【００６４】
図３には他の実施の形態が示されている。この実施の形態では、ＰＣ２は、外部マイクロホン４ではなく内蔵されたマイクロホン１６を有している。これ対する必要条件及びこの特徴は前の実施の形態ものと同様である。したがって、この実施の形態では、さらなるハードウェアを必要とせず、また、本発明を、適切なソフトウェアが追加された従来のコンピュータにより実現することができる。その他の要素に関しては、前の説明と共通しているので、同一の参照符号が与えられている。
【００６５】
図４には、他の可能な実施の形態が示されている。この実施の形態は、外部マイクロホン１６と、３５〜４５ｋＨｚの範囲内の超音波信号を０〜１０ｋＨｚの範囲に変換する周波数ダウンコンバータ１８とを備えている。次いで、この信号は、標準型のＰＣサウンドカード８の配線入力に加えられる。典型的には、これらのマイクロホン１６及び周波数ダウンコンバータ１８は共通のパッケージ内に収容される。このような実施の形態は、例えば意図的なフィルタリングが加えられているためにＰＣの音声チャネルが超音波周波数に対し十分に敏感ではない場合にとくに役に立つ。
【００６６】
信号複合化プロセスについては、主要な論理ステージを例示するフロー図である図５を参照して説明する。第一のステージ２０では、アナログ信号がサンプリングされてデジタル信号に変換される。典型的には、音声は、１８ビットが適切だろうことは確証されているものの、１つのサンプル当たり２４ビット又は３２ビットで毎秒９６，０００のサンプル数（標本数）でサンプリングされる。これらのサンプルは、４８，０００のサンプル数（すなわち、０．５秒）に対して十分なサイズのバッファ２２に格納される。これは、２４ビットサンプリングが用いられた場合の１４１ｋＢのバッファサイズに相当する。
【００６７】
バッファ２２からのビットストリームは、有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタルーチン２４を用いてフィルタリングされ、対象となる（３５〜４５ｋHz）の超音波バンドのみを格納する。音声認識を使用する実施の形態では、これは、元の生信号からフィルタリングされ、別個に処理されるようになっていてもよい。
【００６８】
次のステップ２６では、フィルタリングされた信号は、周波数ドメインにおいて入力信号の解析を可能にするために、ＣＰＵ１０により、デシメーション（間引き）を受け（一部のシステムにおいて）、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）ルーチンを用いて処理される。デジタル化バッファ２２から読み出されるデータチャンクのサイズは、ＦＦＴルーチンで処理するサンプル長（通常、２０〜２５６サンプル）と読み出すシフトフレーム数（通常、１０〜１００）との積である。ただし、この積はバッファサイズよりも小さいという制約がある。シフトフレームは、実際の受信時間に合わせてシフトされるサンプルの数のことである。この目的は下記の記載から明らかになる。
【００６９】
タグ６は２０ミリ秒のビット長を用いて送信する。他方では、非常に長い３２ミリ秒のＦＦＴフレーム長が用いられる。このことは、音速に１２ミリ秒を掛けたもの（すなわち、約４メートル）よりも短い路長をさらに備えたエコーもＦＦＴで得られることを意味するので有利である。
【００７０】
次いで、短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ）がステップ２８で実行される。これは、一定の時間シフトのフーリエ変換のシーケンスからなっている。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）に用いられる時間フレーム内のポイント数、すなわち、ＦＦＴ長をＦＦＴ計算に用いられるポイント数（ＦＦＴサイズ）よりも少なくてもよい。このことを、さらなる計算力を犠牲にしてフーリエ変換の周波数分解能を向上させるために用いることができる。通常、ＦＦＴサイズは、ＦＦＴの長さの約２倍、しかし常に２のべき乗に設定される。受信信号がＦＦＴ長及びシフトの倍数に合計がならない場合、信号の余り（変換されなかった部分）はローカルバッファに格納され、次に受信されるデータチャンクの開始部に加えられる。
【００７１】
フィルタリングステップ２４で加えられるフィルタは、次のステップ２６で加えられる間引き係数に依存する（超音波信号及び他のオーディオ信号のエイリアシング（ａｌｉａｓｉｎｇ）を回避するために間引きを加える場合）。例えば、間引きがされない場合又は間引き係数が３である場合、実数のＦＦＴが用いられる。５の間引き係数が用いられる場合、ＳＴＦＴは、信号データストリームの実数部及び虚数部に別々のＦＦＴを実行し、結果を組み合わせて再び実数ＦＦＴ信号を取得することにより達成される。
【００７２】
いったん適切なフーリエ変換が加えられると、周波数分布を分析して複合化されたデータが求められる。
有効なメッセージが受け取られたことを検証し、当該メッセージ内のコード化されたデータを復号化するために、３レベルの相関が取られる。まず、ステップ３０で、信号内の個々のパケットが特定される。次いでステップ３２では、これらは、（有効なメッセージ内のパケット間の予定された間隔を利用して、）メッセージ全体が有効であることを担保すべく集合的に用いられる。次いでステップ３４、３６では、これはパケットピークを見出すために用いられる。次いでステップ３８、４０では、パケット内の個々のビットの相関が取られ、それらの真偽が判断される。図６及び図７を参照して、これらのステップ３０〜４０が下記に説明される．
パケット相関３０
信号内のパケットを識別するために２つのパケットテンプレート４２、４４が定義されている。これらは図６内の鉛直線の左側に示されている。テンプレートのパターンは、通信スキーム（すなわち、４つの異なるビット位置間における中間周波数の変化）、獲得パラメータ、ビット長及び指定された周波数拡散により決まる。一方のテンプレート４２は各ビット位置における真ビットの周波数値に相当する。また、他方のテンプレート４４は各ビット位置における偽ビットの周波数値に相当する。このように、これらはそれぞれ真テンプレート及び偽テンプレートとして知られている。
【００７３】
各テンプレート４２、４４は、１／（ビット長×周波数核拡散）の値を有するピクセルを備えている。ピクセルのサイン（すなわち、それらが、与えられたビット位置について中間周波数の上方又は下方にあるか）は、それが真ビット又は偽ビットであるかによって決まる。時間軸に沿ったピクセル数はビット長とＳＴＦＴシフト時間との商の整数部により与えられる。ユーザは周波数拡散を指定することができる。周波数拡散は、直通路超音波メッセージの観察された周波数拡散と類似するように経験的に選択されるべきである。
【００７４】
これらのテンプレートは、周波数軸（ｙ軸）に沿って、最低周波数範囲及び最高周波数範囲に「ｆ探索幅」ゼロを加えることにより拡張される。これらは、ドップラーシフトを求める周波数シフト相関のためのバッファとして作用する。
【００７５】
受信されたＳＴＦＴ結果４６は二次元相互相関を用いて２つのテンプレート４２、４４とマッチングされる。これらのテンプレートは周波数軸及び時間軸に沿ってシフトされる。各時刻及び各周波数位置ついて、真テンプレート及び偽テンプレートの各々が相互相関スコアを生成する。次いで、これらのスコアを加算してその周波数及びその時刻におけるスコアが得られる。この合計されたスコアに対して最も高い値を与える周波数シフトと時間シフトとの組み合わせを「最良の」相互相関と呼ぶ。
【００７６】
時間の関数としての相関値のプロットであるトレース線を引いてもよい。これは、前に説明されたように、「シフト」サンプルによって一定間隔で配置されてパケット相関を計算することにより達成される。このトレース線内のピークは、受信された信号と真ビットテンプレート及び偽ビットテンプレートの合計とのその時刻におけるかつすべての可能なドップラーシフトに対する最も高い相関を表す。相関プロセスを続けるにつれて（これは連続的に実行される）、次のパケットが現れ、第二のピークが生成される。このように、全体のメッセージが受信されると、現在の具体例に記載の相関トレース線には７つのピークが存在する。 
【００７７】
図７ａには、相関トレース線の一例が示されている。各パケットテンプレート４２、４４のすべての４ビットの相関スコアが合計されて図７ａのトレース線が作成されるが、各ビット位置の相関スコアもさらに記録されている。これらは、図７ｃ〜図７ｆに示されており、図７ｃはビット１に対応し、図７ｄはビット２に対応し、図７ｅはビット３に対応し、図７ｆはビット４に対応している。これらのプロットでは、偽ビットテンプレート相関には負の値が割り当てられる。したがって、図７ｃの具体例では、ビット１は最初の３つのパケットにおいて真であり、４番目のパケットにおいて偽であり、５番目のパケットにおいて真であり、６番目と７番目のパケットにおいて偽である。これらのプロットによりビット値を直接評価することが可能となるものの、これよりもさらに正確でかつ信頼性のあるビット値を求める方法が下記に説明されている。
【００７８】
ビットごとのノイズ相関は、各時間ステップで、「喪失」ビット値相関の相関値に対応するノイズレベルを定義することにより実行される。
【００７９】
上述の時間−周波数相関ルーチンは時間の関数としてパケット相関（図７ａ）を作成し、次いで、これをパケットの位置を求めるためのしきい値の作成及びピーク検出に用いることができる。また、このルーチンは、ビットごとのドップラーシフト及び最良のビットサインを見出すために後のルーチンによって用いられるビットごとの相関、ノイズマトリックス及びパケットドップラーインデックスをさらに提供する。
【００８０】
上述のルーチンは、１つのメッセージのＳＴＦＴ相関結果をバッファに保持するのに少なくとも十分長い中間バッファに相関結果を格納する。
【００８１】
相関による振幅の再スケーリングは任意選択的に実行される。この相関による振幅の再スケーリングでは、入力信号が所定の時間ウィンドウにわたって正規化されて振幅正規化定数が求められ、正規化された信号が後のフーリエ変換及び相互相関の計算に用いられ、相互相関からの最終結果がそれらに正規化定数を掛けることにより補正される。これは、浮動小数を用いてフーリエ変換及び相互相関を処理しなければならないことを回避できるという長所を有している。このことは、浮動小数の使用が高い計算のための付帯的コストをもたらす組み込みシステムなどにとって重要な検討事項である。
メッセージ相関３２
メッセージ内のパケットの既知の周期性を、メッセージの検証を実行し、ビットの正確なタイミングを取得するために利用することができる。ｋ時間区間の時間間隔を備えたｎ個のパケットからメッセージが構成されていることが分かっている場合、各時刻において、ｋ時間区間の間隔で並んでいる最後のｎ個のサンプルについて算術平均又は幾何平均が計算される。メッセージが７つのパケットを有している本明細書に記載の実施の形態では、サンプルは７つのパケットのそれぞれから取られるようになっており、これらのサンプルはパケット間隔により分離されている。次いで、算術平均又は幾何平均が算出されて単一のメッセージレベルの相関ピーク４８が得られる。このことは図７ｂから明らかである。効果的には、個々のパケット相関ピークをメッセージ内の位置に応じた量だけ時間シフトすることによってすべてのパケット相関ピークを同一時点に移動させたあと、これらの平均（算術平均又はたは幾何平均）が算出され、単一ピークが作成される。短いパケット長（例えば、３ビット）の場合には算術平均が良好に働き、長いパケット長（例えば、７ビット）の場合には、幾何平均が良好に働くことが分かっている。
【００８２】
平均値の結果として、上述のプロセスは、パケット相関ピークのうちの１つが非常に低い又は存在しない場合であっても明瞭なピーク４８を提供する。実際、図７ｂから明らかなように、ピーク４８はサイン関数、すなわちｓｉｎ（ｘ）／ｘの形状を有している。この関数の２つの側波帯は、主ピーク４８の高さの所定の割合の高さを有しており、この比率は他の因子に対して極めて不変なものとなっている。したがって、この比率はメッセージの検証に用いられる。期待比率が所定のしきい値内に存在しない場合、この潜在的メッセージはノイズとして廃棄される。
【００８３】
ステップ３４では、時間の関数としてのメッセージ相関がピークについて解析され、また、ピークがパケット／メッセージ相関グラフ内で視覚化される。ピーク探索は内蔵されたＬａｂｖｉｅｗルーチンを用いて実行される。ピーク探索は、内部データバッファを用いて行われ、メッセージ相関内のすべての時間／データポイントを解析する（このことにより、ＳＴＦＴフレーム境界上の不連続性を回避する）ことが担保されている。
【００８４】
メッセージ相関ルーチンにより取得されうる最も高いピークが、計算されて、メッセージの到着の正確な時刻が提供される（パケットに加えてそれを生成するオフセットが正確に知られているため）。次いで、このタイミング情報は、ステップ３６でパケットピークの探索に用いられ、復号化のステージ２（ステップ３８、４０）で、各パケット内の個々のビットが真又は偽であるかを判断するために用いられる。出願人にとって明らかなように、上述のルーチンは、それがメッセージを構成する２８ビットすべての平均を効率的に求めるので、メッセージ到着時刻を非常に精密にかつ正確に示す情報（ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ）を提供する。したがって、固有のタイミングエラーが個々のビットの間隔（この実施の形態では２０ミリ秒である）の比較的多くの割合を構成しうるが、すべてのビットにわたって平均値を算出することにより劇的にエラーが削減される。メッセージ到着時刻についての精密かつ正確な知識は、メッセージの復号化のみでなく飛行時間情報の提供にも役立つ。このことにより、モバイルトランスミッタタグまでの距離を通常数センチメートル内の正確さで求めることができるようになる。このことにより、本発明に係るこのような実施の形態を有益に適用することができる潜在的なアプリケーションがさらに向上される。
【００８５】
上述のルーチンは、１つのメッセージのＳＴＦＴ相関結果をバッファに保持するに少なくとも十分長い中間バッファに相関結果を格納する。
ビットの判定
ステップ３４においていったん新規の中央メッセージピーク４８が特定されると、ステップ３６で、パケットピークが計算され、ステップ３８で、ビット相関が解析されてビットピークが見つけられ、ステップ４０で、各ビットの値が特定される。このルーチンは、特定された中央メッセージピーク４８の時刻（バッファ）位置を取得し、ビット相関の差及び和の内容を解析する。 
【００８６】
各ビットについて、計算は、最大の相関が正の相関又は負の相関により与えられるかに関する計算がなされる。この結果は「最良の」ドップラーインデックスの選択に用いられる。次いで、このドップラーインデックスは、サイン付きのビット相関、ビットごとのノイズ相関、パケット補正及びパケットノイズ相関として格納される。
【００８７】
７つのパケット（この実施の形態では）が復号化されると、ステップ５２で、メッセージが作成され、復号化されたメッセージに周期的冗長検査（ＣＲＣ）がなされる。
【００８８】
可動式超音波トランスミッタからの２８ビットのメッセージの上述の実施の形態では、メッセージ形式は、識別コードと、ステータス情報（例えば、バッテリーレベル、固定しているか又は移動しているか）と、７ビットの周期的冗長検査の如きエラーチェックとを有することができる。このことにより、それを、資産トラッキング、セキュリティ検証などの如きさまざまな異なる用途に適したものとすることができる。近さを推定については、ユーザがコンピュータからの所定の範囲内にいるときになんらかの動作を実行させるのに十分でありうる信号強度によってなされる。
【００８９】
本明細書に記載のメッセージ複合化方法は、超音波トーン上にコード化されたデータを復号化させるための方法であって、とくにこれらのデータが超音波受信用に設計されていないマイクロホン及びそれに付随する受信手段によって検出された場合に非常にロバストで、かつ正確な方法を提供する。このことは、超音波通信用途に既製のオーディオ受信システムの使用を非常に適切なものとする。
【００９０】
上述のように、コード化されたデータは例えば識別コードであってもよい。好ましい実施の形態によっては、これは、コードを作成及び検証するために同様のアルゴリズムがトランスミッタと受信機とでそれぞれ対応して用いられるコードホッピングプロトコルの一部として構成される場合もある。このことはシステムをさらに安全なものとする。その理由は、盗聴者がタグからの送信を傍受するに十分近づくことができた場合であっても、これを用いて模倣トランスミッタを構築することができないため、偽の身分証明書を取得することはできない。
【００９１】
出願人にとって明らかなように、当分の間、上述の理想的なオーディオ機能を有していないコンピュータが数多く存在することになる。
【００９２】
しかしながら、これらでさえも、周波数ダウンコンバータを用いることにより、本発明の原理から恩恵を得ることができる。図８を参照して、そのような１つの実施の形態について説明する。この図では、超音波対応のマイクロホン６０が設けられていることがわかる。マイクロホン６０からの信号はバンドパスフィルタ６２を通りミキサー６４へと抜ける。バンドパスフィルタ６２は、３５〜４５ｋＨｚの範囲内の超音波周波数を通過させエイリアシングを防いでいる。
【００９３】
ミキサー６４への第二の入力は局部発振器６６からのものである。ミキサー６４からの出力は、通常のＰＣサウンドカード６８のマイクロホン入力ソケットの中に差し込むためのジャックプラグへ伝達される。便利なことには、マイクロホン及び他の回路の動力を標準ＰＣサウンドカード６８のマイクロホン入力により供給される電圧から供給することができる。マイクロホン６０から受信された信号を局部発振器６６からの信号と混合する効果は、それぞれに対応する周波数を効果的に減算することにある（時間ドメイン上の掛け算は周波数ドメインにおける加算／減算と等価である。）。このことにより、受信信号は、一定の量だけ、効果的に周波数ダウンコンバーションされる。ミキサーの上流側にあるバンドパスフィルタは、ダウンコンバーションされた信号と同一の周波数範囲内の可聴信号とのエイリアシングを防止する補助をする。
【００９４】
例えば、マイクロホンはパナソニック（登録商標）ｗｍ−６１コンデンサマイクロホンであってもよい。これらのマイクロホンは、正常な使用において約１ボルトの固定バイアス電圧が加えられるように設計されているパッケージ内の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を有している。しかしながら、局部発振器６６からＦＥＴのバイアス入力に発振信号を加えることによって、それはミキサー６４として働く。他の構成では、マイクロホン６０の代わりに共振型Ｍｕｒａｔａ  Ｐｉｅｚｏｔｉｔｅ（登録商標）ピエゾ変換素子（トランスデューサ）が用いられてもよい。このことは、これらが本来的に狭帯域特性を有しているので別個のバンドパスフィルタ６２を備える必要性を排除する。適切な変換素子の一例は、日本国の京都にあるムラタ製作所（登録商標）株式会社から販売されているＭＡ４０Ｓ４Ｓ又はＭＡ４０Ｂ８Ｒ／Ｓである。このような変換素子が用いられる場合、別個のＦＥＴ又は他のミキサーが必要となる。 
【００９５】
具体例を挙げれば、局部発振器により３２．６７ｋＨｚの混合周波数が与えられる場合、このことは、３５〜４５ｋＨｚの範囲の超音波信号を２．３３〜１２．３３ｋＨｚの帯域までダウンコンバージョンさせることになる。次いで、この信号は、１６ビットで４４．１ｋＨｚのサンプリングレートを有するサウンドカードに転送される。このことは、ダウンコンバージョンされた信号をデジタル化させ、その信号を先に記載された実施の形態と同一の方法で処理させるのに十分である。
【００９６】
図９には、図８の実施の形態の変形例が示されている。この実施の形態は、サウンドカード６８上のマイクロホン入力を通常のスピーチに用いるだけでなく、上記の図８の実施の形態を参照して説明されたように、ダウンコンバージョンされた超音波信号を処理するために用いることを可能とする。したがって、低域通過フィルタ７２を通過してサウンドカード６８の中に直接伝達されるスピーチを拾い上げるための第二のマイクロホン７０が設けられている。低域通過フィルタ７２は約８ｋＨｚのロールオフを有している。このことにより、通常のスピーチ周波数（１００〜６０００Ｈｚ）を通過させ、高い周波数の音を遮断することが担保される。一方、この実施の形態の局部発振器６６の周波数を２５ｋＨｚに設定することによって、３５〜４５ｋＨｚの範囲内の超音波信号が１０〜２０ｋＨｚの範囲を占めるようにダウンコンバージョンされる。このことにより、スピーチと超音波信号とが周波数の点において互いに明白に異なったままであるので、デジタル化の後で容易に分離することができることが担保される。
【００９７】
明示的には記載されていないが、本システムは、さらなるレベルのセキュリティとして働くように、タグを携帯しているユーザを単独で特定することを可能とする特性周波数及び特徴的パターンを取得するために音声を受信して解析するようになっていてもよい。
【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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【国際調査報告】
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