(57)【要約】【課題】盗聴者が暗号文の解析に要する時間を著しく増大させ秘匿性の高いデータ通信装置を提供する。【解決手段】多値符号発生部１１１ａは、所定の鍵情報１１に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列１２を生成する。多値処理部１１１ｂは、多値符号列１２と情報データ１０とを合成し、多値符号列１２と情報データ１０との組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号１３を生成する。変調部１１２は、多値信号に所定の変調処理を施し、変調信号を生成する。多値符号発生部１１１ａは、所定の鍵情報１１に基づいて生成される２値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、多値符号列１２を生成する。【選択図】図８
2007215166.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暗号化し、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、
前記所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を生成する多値符号発生部と、
前記多値符号列と前記情報データとを合成し、前記多値符号列と前記情報データとの組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号を生成する多値処理部と、
前記多値信号に所定の変調処理を施し、変調信号を生成する変調部とを備え、
前記多値符号発生部は、前記所定の鍵情報に基づいて生成される２値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、前記多値符号列を生成することを特徴とする、データ送信装置。
【請求項２】
前記多値符号発生部は、
前記所定の鍵情報から擬似乱数列である２値乱数列を生成する乱数列生成部と、
前記乱数列生成部が生成した２値乱数列から所定のビット系列を選択し、当該選択したビット系列を前記変化後乱数列として出力するビット選択部と、
前記変化後乱数列を前記多値符号列に変換する多値変換部とを備え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】
前記多値符号発生部は、所定の擬似乱数列を発生する乱数発生部をさらに備え、
前記ビット選択部は、前記乱数発生部が発生した擬似乱数列に基づいて、前記乱数列生成部が生成した２値乱数列から選択するビット系列を変更す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】
前記多値符号発生部は、
前記所定の鍵情報から擬似乱数列である２値乱数列を生成する乱数列生成部と、
前記乱数列生成部が生成した２値乱数列から、予め固定した所定のビット系列を取り除いた残りのビット系列を前記変化後乱数列とし、当該変化後乱数列を前記多値符号列に変換する多値変換部とを備え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５】
前記多値符号発生部は、
前記所定の鍵情報から擬似乱数列である２値乱数列を生成する乱数列生成部と、
前記乱数列生成部が生成した２値乱数列を前記多値符号列に変換する多値変換部とを備え、
前記多値変換部は、前記乱数列生成部と非同期に動作することで、前記乱数列生成部が生成した２値乱数列を前記変化後乱数列として扱うことを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
【請求項６】
前記多値符号発生部は、
前記所定の鍵情報から擬似乱数列である２値乱数列を生成する乱数列生成部と、
前記乱数列生成部が生成した２値乱数列の順列を入替えたビット系列を前記変化後乱数列として出力するビット入替部と、
前記変化後乱数列を前記多値符号列に変換する多値変換部とを備え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７】
前記多値符号発生部は、所定の擬似乱数列を発生する乱数発生部をさらに備え、
前記ビット入替部は、前記乱数発生部が発生した擬似乱数列に基づいて、前記乱数列生成部が生成した２値乱数列を入替える規則を決定す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】
前記多値符号発生部は、
前記所定の鍵情報から擬似乱数列である２値乱数列を生成する乱数列生成部と、
前記乱数列生成部が生成した２値乱数列を記憶するメモリ部と、
前記メモリ部から読み出した２値乱数列を前記多値符号列に変換する多値変換部とを備え、
前記多値変換部は、前記メモリ部の読出アドレスを変更することで、前記乱数列生成部が生成した２値乱数列を前記変化後乱数列として扱うことを特徴とする、請求項１に記載のデータ送信装置。
【請求項９】
前記乱数列生成部は、複数のシフトレジスタと、排他的論理和素子とを備える線形フィードバックシフトレジスタによって構成され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１０】
多値変換部は、複数のラッチと、前記複数のラッチから出力されるビット系列を前記多値符号列に変換するＤ／Ａ変換部とを備え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１１】
所定の鍵情報を用いて暗号化された情報データを受信し、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、
前記所定の鍵情報から信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、
前記送信装置から受信した変調信号を所定の復調方式で復調し、前記情報データと前記多値符号列との組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号として出力する復調部と、
前記多値符号列に基づいて、前記多値信号から前記情報データを識別する識別部とを備え、
前記多値符号発生部は、前記所定の鍵情報に基づいて生成される２値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、前記多値符号列を生成することを特徴とする、データ受信装置。
【請求項１２】
所定の鍵情報を用いて情報データを暗号化し、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、
前記所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を生成する多値符号発生ステップと、
前記多値符号列と前記情報データとを合成し、前記多値符号列と前記情報データとの組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号を生成する多値処理ステップと、
前記多値信号に所定の変調処理を施し、変調信号を生成する変調ステップとを備え、
前記多値符号発生ステップは、前記所定の鍵情報に基づいて生成される２値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、前記多値符号列を生成することを特徴とする、データ送信方法。
【請求項１３】
所定の鍵情報を用いて暗号化された情報データを受信し、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、
前記所定の鍵情報から信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生ステップと、
前記送信装置から受信した変調信号を所定の復調方式で復調し、前記情報データと前記多値符号列との組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号として出力する復調ステップと、
前記多値符号列に基づいて、前記多値信号から前記情報データを識別する識別ステップとを備え、
前記多値符号発生ステップは、前記所定の鍵情報に基づいて生成される２値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、前記多値符号列を生成す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、第三者による不法な盗聴・傍受を防ぐ秘密通信を行う装置に関する。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）方式を選択・設定してデータ通信を行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特定者同志で秘密通信を行うためには、送信／受信間で符号化／復号化のための元情報（鍵情報）を共有し、当該元情報に基づいて、伝送すべき情報データ（平文）を数学的に演算／逆演算する構成が採用されている。図２１は、このような構成に基づく、従来のデータ通信装置の構成を示すブロック図である。図２１において、従来のデータ通信装置は、データ送信装置９０００１とデータ受信装置９０００２とが伝送路９１３によって接続された構成である。データ送信装置９０００１は、符号化部９１１と、変調部９１２とを備える。データ受信装置９０００２は、復調部９１４と、復号化部９１５とを備える。
【０００３】
データ送信装置９０００１とデータ受信装置９０００２とは、予め同一の第１の鍵情報９１と第２の鍵情報９６とを共有している。ここで、符号化部９１１に情報データ９０と第１の鍵情報９１とを入力し、復号化部９１５に第２の鍵情報９６を入力することにより、復号化部９１５から情報データ９８が出力される。さらに、第三者による盗聴行為を説明するため、図２１は、盗聴者復調部９１６と、盗聴者復号化部９１７とからなる盗聴者データ受信装置９０００３を含むものとする。盗聴者復号化部９１７には、第１の鍵情報９１及び第２の鍵情報９６とは異なる第３の鍵情報９９が入力される。以下に、図２１を参照しながら、従来のデータ通信装置の動作を説明する。
【０００４】
データ送信装置９０００１において、符号化部９１１は、情報データ９０を、第１の鍵情報９１に基づいて符号化（暗号化）する。変調部９１２は、符号化部９１１で暗号化された情報データを所定の変調形式の変調信号９４に変換して伝送路９１３に送出する。データ受信装置９０００２において、復調部９１４は、伝送路９１３を介して伝送されてきた変調信号９４を所定の復調方式で復調する。復号化部９１５は、第２の鍵情報９６に基づいて、復調部９１４で復調された信号を復号化（暗号解読）して、情報データ９８を出力する。
【０００５】
次に、データ送信装置９０００１とデータ受信装置９０００２との間で伝送される変調信号９４を盗聴する場合の盗聴者データ受信装置９０００３の動作について説明する。盗聴者データ受信装置９０００３において、盗聴者復調部９１６は、伝送路９１３を伝搬する変調信号９４を所定の復調方式で復調する。盗聴者復号化部９１７は、第３の鍵情報９９に基づいて、盗聴者復調部９１６が復調した信号の復号化を試みる。ここで、盗聴者復号化部９１７は、第１の鍵情報９１とは異なる第３の鍵情報９９に基づいて、盗聴者復調部９１６が復調した信号の復号化を試みるため、元の情報データ９０を正しく再生することができない。すなわち、盗聴者復号化部９１７は、データ送信装置９０００１との間で正しい鍵情報を共有していないため、元の情報データ９０を正しく再生することができない。
【０００６】
このような数学的な演算に基づいた数理暗号（または、計算暗号、ソフトウェア暗号とも呼ばれることもある）技術は、例えば、特許文献１に記されているアクセスシステムなどに適用することができる。特許文献１には、１つの光送信器から送出された光信号を光カプラで分岐し、複数の光加入者宅の光受信器にそれぞれ配信するＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）構成のアクセスシステムが開示されている。このようなアクセスシステムでは、各光受信器に、所望の光信号以外の他加入者に向けた光信号が入力される。そこで、光送信器が加入者毎に異なる鍵情報を用いて、各加入者に向けた情報データを暗号化することによって、加入者間での情報データの漏洩・盗聴を防ぎ、安全なデータ通信を実現する。
【０００７】
また、このような数理暗号技術については、非特許文献１や、非特許文献２などに記載されている。
【特許文献１】特開平９−２０５４２０号公報
【非特許文献１】石橋啓一郎他訳、「暗号とネットワークセキュリティ：理論と実際」、ピアソン・エデュケーション、２００１年
【非特許文献２】安達真弓他訳、「暗号技術大全」、ソフトバンクパブリッシング、２００３年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、数理暗号技術に基づいた従来のデータ通信装置では、盗聴者は、たとえ鍵情報を共有しなくとも、暗号文（変調信号、または暗号化された情報データ）に対して、考え得る全ての組み合わせの鍵情報を用いた演算を実行する総当たり攻撃や、特殊な解析アルゴリズムの適用によって、原理的には暗号解読が可能である。特に、近年の計算機の処理速度の向上は目覚ましく、将来的に量子コンピュータ等の新しい原理による計算機が実現されれば、有限の時間内で、容易に暗号文を盗聴できる可能性を有しているという課題があった。
【０００９】
それ故に、本発明の目的は、盗聴者が暗号文の解析に要する時間を著しく増大させ秘匿性の高いデータ通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】
【００１０】
本発明は、所定の鍵情報を用いて情報データを暗号化し、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、所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を生成する多値符号発生部と、多値符号列と情報データとを合成し、多値符号列と情報データとの組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号を生成する多値処理部と、多値信号に所定の変調処理を施し、変調信号を生成する変調部とを備える。多値符号発生部は、所定の鍵情報に基づいて生成される２値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、多値符号列を生成する。
【００１１】
好ましくは、多値符号発生部は、所定の鍵情報から擬似乱数列である２値乱数列を生成する乱数列生成部と、乱数列生成部が生成した２値乱数列から所定のビット系列を選択し、当該選択したビット系列を変化後乱数列として出力するビット選択部と、変化後乱数列を多値符号列に変換する多値変換部とを備える。
【００１２】
好ましくは、多値符号発生部は、所定の擬似乱数列を発生する乱数発生部をさらに備える。このような場合、ビット選択部は、乱数発生部が発生した擬似乱数列に基づいて、乱数列生成部が生成した２値乱数列から選択するビット系列を変更する。
【００１３】
また、多値符号発生部は、所定の鍵情報から擬似乱数列である２値乱数列を生成する乱数列生成部と、乱数列生成部が生成した２値乱数列から、予め固定した所定のビット系列を取り除いた残りのビット系列を変化後乱数列とし、当該変化後乱数列を多値符号列に変換する多値変換部とを備える構成であってもよい。
【００１４】
また、多値符号発生部は、所定の鍵情報から擬似乱数列である２値乱数列を生成する乱数列生成部と、乱数列生成部が生成した２値乱数列を多値符号列に変換する多値変換部とを備える構成であってもよい。このような場合、多値変換部は、乱数列生成部と非同期に動作することで、乱数列生成部が生成した２値乱数列を変化後乱数列として扱う。
【００１５】
また、多値符号発生部は、所定の鍵情報から擬似乱数列である２値乱数列を生成する乱数列生成部と、乱数列生成部が生成した２値乱数列の順列を入替えたビット系列を変化後乱数列として出力するビット入替部と、変化後乱数列を多値符号列に変換する多値変換部とを備える構成であってもよい。
【００１６】
好ましくは、多値符号発生部は、所定の擬似乱数列を発生する乱数発生部をさらに備える。このような場合、ビット入替部は、乱数発生部が発生した擬似乱数列に基づいて、乱数列生成部が生成した２値乱数列を入替える規則を決定する。
【００１７】
また、多値符号発生部は、所定の鍵情報から擬似乱数列である２値乱数列を生成する乱数列生成部と、乱数列生成部が生成した２値乱数列を記憶するメモリ部と、メモリ部から読み出した２値乱数列を多値符号列に変換する多値変換部とを備える構成であってもよい。このよう場合、多値変換部は、メモリ部の読出アドレスを変更することで、乱数列生成部が生成した２値乱数列を変化後乱数列として扱う。
【００１８】
好ましくは、乱数列生成部は、複数のシフトレジスタと、排他的論理和素子とを備える線形フィードバックシフトレジスタによって構成される。また、多値変換部は、複数のラッチと、複数のラッチから出力されるビット系列を多値符号列に変換するＤ／Ａ変換部とを備える。
【００１９】
また、本発明は、所定の鍵情報を用いて暗号化された情報データを受信し、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するために、本発明のデータ受信装置は、所定の鍵情報から信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、送信装置から受信した変調信号を所定の復調方式で復調し、情報データと多値符号列との組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号として出力する復調部と、多値符号列に基づいて、多値信号から情報データを識別する識別部とを備える。多値符号発生部は、所定の鍵情報に基づいて生成される２値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、多値符号列を生成する。
【００２０】
また、上述したデータ送信装置が行うそれぞれの処理手順は、所定の鍵情報を用いて情報データを暗号化し、受信装置との間で秘密通信を行うデータ送信方法としても捉えることができる。すなわち、所定の鍵情報に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を生成する多値符号発生ステップと、多値符号列と情報データとを合成し、多値符号列と情報データとの組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号を生成する多値処理ステップと、多値信号に所定の変調処理を施し、変調信号を生成する変調ステップとを備え、多値符号発生ステップは、所定の鍵情報に基づいて生成される２値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、多値符号列を生成する方法である。
【００２１】
また、上述したデータ受信装置が行うそれぞれの処理手順は、所定の鍵情報を用いて暗号化された情報データを受信し、送信装置との間で秘密通信を行うデータ受信方法としても捉えることができる。すなわち、所定の鍵情報から信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生ステップと、送信装置から受信した変調信号を所定の復調方式で復調し、情報データと多値符号列との組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号として出力する復調ステップと、多値符号列に基づいて、多値信号から情報データを識別する識別ステップとを備え、多値符号発生ステップは、所定の鍵情報に基づいて生成される２値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、多値符号列を生成する方法である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のデータ送信装置によれば、伝送すべき情報データを多値信号として符号化する際に、当該多値信号の信号点間距離を、受信信号に含まれる雑音量に対して適切に設定することにより、第三者による盗聴時の受信信号品質に対して決定的な劣化を与えて、第三者による多値信号の解読・復号化を困難にすることができる。また、万一第三者によって暗号文が取得された場合においても、当該鍵情報が容易に推定されないように多値鍵を生成して、より安全なデータ通信装置を容易に提供することができる。また、データ受信装置は、データ送信装置と同様の多値符号発生部を備えることで、データ送信装置から受信した変調信号から情報データを取得することができる。
【００２３】
本発明のこれらおよび他の目的、特徴、局面、効果は、添付図面と照合して、以下の詳細な説明から一層明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（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の構成の一例を示すブロック図である。図１において、第１の実施形態にデータ通信装置は、データ送信装置１０１０１とデータ受信装置１０２０１とが伝送路１１０によって接続された構成である。データ送信装置１０１０１は、多値符号化部１１１、及び変調部１１２を備える。多値符号化部１１１は、第１の多値符号発生部１１１ａ、及び多値処理部１１１ｂを含む。データ受信装置１０２０１は、復調部２１１、及び多値復号化部２１２を備える。多値復号化部２１２は、第２の多値符号発生部２１２ａ、及び多値識別部２１２ｂを含む。伝送路１１０には、ＬＡＮケーブルや同軸ケーブル等の金属路線や、光ファイバケーブル等の光導波路を用いることができる。また、伝送路１１０は、ＬＡＮケーブル等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。
【００２５】
図２は、本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号波形を説明する模式図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号波形の呼称を説明する模式図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号品質を説明する模式図である。以下に、本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置について、図１〜４を用いながら、その動作を説明する。
【００２６】
第１の多値符号発生部１１１ａは、所定の第１の鍵情報１１に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列１２（図２（ｂ））を発生する。多値処理部１１１ｂは、多値符号列１２（図２（ｂ））と情報データ１０（図２（ａ））とを入力し、所定の手順に従って両信号を合成し、多値符号列１２と情報データ１０との組み合わせに対応した複数のレベルを有する多値信号１３（図２（ｃ））を生成する。例えば、多値処理部１１１ｂは、タイムスロットｔ１／ｔ２／ｔ３／ｔ４に対して、多値符号列１２のレベルがｃ１／ｃ５／ｃ３／ｃ４と変化する場合、この多値符号列１２をバイアスレベルとして、情報データ１０を加算することで、Ｌ１／Ｌ８／Ｌ６／Ｌ４とレベルが変化する多値信号１３を生成する。
【００２７】
ここで、図３に示すように、情報データ１０の振幅を“情報振幅”、多値信号１３の全振幅を“多値信号振幅”、多値符号列１２のレベルｃ１／ｃ２／ｃ３／ｃ４／ｃ５に対応して多値信号１３が取り得るレベルの組（Ｌ１、Ｌ４）／（Ｌ２、Ｌ５）／（Ｌ３、Ｌ６）／（Ｌ４、Ｌ７）／（Ｌ５、Ｌ８）をそれぞれ第１〜第５の“基底”、多値信号１３の最小信号点間距離を“ステップ幅”と呼称する。
【００２８】
変調部１１２は、多値信号１３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。復調部２１１は、伝送路１１０を介して伝送されてきた変調信号１４を復調し、多値信号１５を再生する。第２の多値符号発生部２１２ａは、第１の鍵情報１１と同一の第２の鍵情報１６を予め共有しており、第２の鍵情報１６に基づいて、多値符号列１２に相当する多値符号列１７を発生する。多値識別部２１２ｂは、多値符号列１７を閾値として、多値信号１５の識別（２値判定）を行い、情報データ１８を再生する。ここで、変調部１１２と復調部２１１とが、伝送路１１０を介して送受信する所定の変調形式の変調信号１４は、電磁波（電磁界）または光波を多値信号１３で変調して得られる信号である。
【００２９】
なお、多値処理部１１１ｂは、上述したように、多値符号列１２と情報データ１０との加算処理によって多値信号１３を生成する以外に、いかなる方法を用いて多値信号１３を生成してもよいものとする。例えば、多値処理部１１１ｂは、情報データ１０に基づいて、多値符号列１２のレベルを振幅変調することで多値信号１３を生成してもよい。あるいは、多値処理部１１１ｂは、多値信号１３のレベルを予め記憶させたメモリから、情報データ１０と多値符号列１２との組み合わせに対応した多値信号１３のレベルを逐次読み出すことで多値信号１３を生成してもよい。
【００３０】
また、図２及び図３では、多値信号１３のレベルを８段階で表記したが、多値信号１３のレベルは、この表記に限定されるものではない。また、情報振幅を多値信号１３のステップ幅の３倍、もしくは整数倍として表記したが、情報振幅は、この表記に限定されるものではない。情報振幅は、多値信号１３のステップ幅のいかなる整数倍であっても良く、あるいは整数倍でなくても構わない。さらに、これに関連して、図２及び図３では、多値符号列１２の各レベル（各バイアスレベル）が、多値信号１３の各レベル間の略中心になるよう配置したが、多値符号列１２の各レベルは、この配置に限定されるものではない。例えば、多値符号列１２の各レベルは、多値信号１３の各レベル間の略中心でなくても良く、あるいは多値信号１３の各レベルに一致しても構わない。また、上述した説明では、多値符号列１２と情報データ１０とは、変化レートが互いに等しく、かつ同期関係にあることを前提としたが、非同期であってもよく、一方の変化レートが他方の変化レートよりも高速（または低速）であっても構わない。
【００３１】
次に、第三者による盗聴動作について説明する。盗聴者である第三者は、正規の受信者が備えるデータ受信装置１０２０１に準じた構成、もしくはさらに高機能なデータ受信装置（すなわち、盗聴者データ受信装置）を用いて変調信号１４を解読することが想定される。盗聴者データ受信装置は、変調信号１４を復調することにより多値信号１５を再生する。しかし、盗聴者データ受信装置は、データ送信装置１０１０１との間で鍵情報を共有しないため、データ受信装置１０２０１のように、鍵情報から多値符号列１７を発生させることができない。このため、盗聴者データ受信装置は、多値符号列１７を基準とした多値信号１５の２値判定を行うことができない。
【００３２】
このような場合に考えられる盗聴動作としては、多値信号１５の全レベルに対応する閾値を基準に多値信号１５の識別を行い、多値信号１５のレベルを同定する方法がある。すなわち、盗聴者データ受信装置は、多値信号１５が取り得る全ての信号点間に対応する閾値を用意して多値信号１５の同時判定を行い、当該判定結果を解析することにより、正しい鍵情報または情報データの抽出を試みる。例えば、盗聴者データ受信装置は、図２に示した、多値符号列１２の全レベルｃ０／ｃ１／ｃ２／ｃ３／ｃ４／ｃ５／ｃ６を閾値として、多値信号１５の多値判定を行うことにより、正しい鍵情報または情報データの抽出を試みる。
【００３３】
しかしながら、実際の伝送系では、種々の要因により雑音が発生し、この雑音が変調信号１４に重畳されることによって、多値信号１５のレベルは、図４に示すように時間的・瞬時的に変動する。このような場合、正規受信者（すなわち、データ受信装置１０２０１）が判定する被判定信号（多値信号１５）のＳＮ比（信号対雑音強度比）は、多値信号１５の情報振幅と雑音量との比によって決まることになる。これに対して、盗聴者データ受信装置が判定する被判定信号（多値信号１５）のＳＮ比は、多値信号１５のステップ幅と雑音量との比によって決まることになる。
【００３４】
このため、被判定信号に含まれる雑音レベルが同一条件下においては、盗聴者データ受信装置の方が正規のデータ受信装置よりも、被判定信号のＳＮ比が相対的に小さくなり、伝送特性（誤り率）が劣化することになる。すなわち、本発明のデータ通信装置は、この特性を利用することで、第三者による全閾値を用いた解読攻撃に対して識別誤りを誘発させて、盗聴を困難にすることができる。特に、データ通信装置は、多値信号１５のステップ幅を、当該雑音振幅（雑音強度分布の拡がり）に対して同オーダ、もしくはより小さく設定すれば、第三者による多値判定を事実上不可能にして、理想的な盗聴防止を実現できる。
【００３５】
なお、被判定信号（多値信号１５、または変調信号１４）に重畳される雑音としては、変調信号１４に無線信号等の電磁波を用いた場合は、空間場や電子部品等によって発生する熱雑音（ガウス性雑音）を、光波を用いた場合は、熱雑音に加えて、光子が発生又は検波される際に発生する光子数ゆらぎ（量子雑音）をそれぞれ利用できる。特に、量子雑音を伴った信号は、その記録や複製等の信号処理が適用できないことから、量子雑音量を基準にして多値信号１５のステップ幅を設定することで、第三者による盗聴を不可能として、データ通信の絶対的な安全性を確保することができる。
【００３６】
以上説明したように、本発明の第１の実施形態によれば、伝送すべき情報データ１０を多値信号１３として符号化する際に、当該多値信号１３の信号点間距離を、受信信号に含まれる雑音量に対して適切に設定することにより、第三者による盗聴時の受信信号品質に対して決定的な劣化を与えて、第三者による多値信号１３の解読・復号化を困難とし、安全なデータ通信装置を提供することができる。
【００３７】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置の構成の一例を示すブロック図である。図５において、本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置は、第１の実施形態に係るデータ通信装置（図１）と比較して、データ送信装置１０１０２が第１のデータ反転部１１３を、データ受信装置１０２０２が第２のデータ反転部２１３をさらに備える点が異なる。以下に、第２の実施形態に係るデータ通信装置について説明する。なお、本実施形態の構成は、第１の実施形態（図１）に順ずるため、第１の実施形態と同一の動作を行うブロックに関しては、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００３８】
第１のデータ反転部１１３は、図２（ａ）に示す情報データ１０が有する“０／１”と、“Ｌｏｗ／Ｈｉｇｈ”との対応関係を固定せず、所定の手順で当該対応関係を略ランダムに変更する。例えば、第１のデータ反転部１１３は、第２のデータ判定部２１３と共有する初期鍵に基づいて発生させた乱数系列（疑似乱数列）と情報データ１０との排他的論理和（Ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ  ＯＲ）の演算を行い、その演算結果を多値符号化部１１１に出力する。第２のデータ反転部２１３は、多値復号化部２１２から出力されたデータについて、第１のデータ反転部１１３と逆の手順で、当該“０／１”と“Ｌｏｗ／Ｈｉｇｈ”の対応関係を変更する。例えば、第２のデータ反転部２１３は、第１のデータ反転部１１３と共有する初期鍵に基づいて発生させた乱数系列と、多値復号化部２１２から出力されたデータとの排他的論理和の演算を行い、その演算結果を情報データ１８として再生する。
【００３９】
以上説明したように、本発明の第２の実施形態によれば、伝送すべき情報データ１０を略ランダムに反転させることで、暗号としての多値信号１３の複雑性を大きくすることができる。これにより、第三者による多値信号１３の解読・復号化をさらに困難とし、より安全なデータ通信装置を提供することができる。
【００４０】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係るデータ通信装置の構成の一例を示すブロック図である。図６において、本発明の第３の実施形態に係るデータ通信装置は、第１の実施形態に係るデータ通信装置（図１）と比較して、データ送信装置１０１０３が雑音制御部１１４をさらに備える。雑音制御部１１４は、雑音発生部１１４ａと、合成部１１４ｂとを含む。以下、本発明の第３の実施形態に係るデータ通信装置について説明する。なお、本実施形態の構成は、第１の実施形態（図１）に準ずるため、第１の実施形態と同一の動作を行うブロックに関しては、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００４１】
図６において、雑音発生部１１４ａは、所定の雑音２１を発生する。合成部１１４ｂは、多値信号１３に雑音発生部１１４ａが発生させた雑音を合成し、当該雑音が合成された多値信号２２を変調部１１２に出力する。すなわち、雑音制御部１１４は、雑音を合成することによって、図４を用いて説明した多値信号１３のレベル変動を故意に生じさせて、多値信号１３のＳＮ比を任意の値に制御している。なお、雑音発生部１１４ａが発生させる雑音としては、熱雑音や量子雑音等が用いられる。また、雑音が合成（重畳）された多値信号２２を雑音重畳多値信号２２と呼ぶことにする。
【００４２】
以上説明したように、本発明の第３の実施形態によれば、伝送すべき情報データ１０を多値信号１３として符号化する際に、当該多値信号１３のＳＮ比を適切に制御することにより、第三者による盗聴時の受信信号品質に対して決定的な劣化を与えて、第三者による多値信号１３の解読・復号化をさらに困難とし、より安全なデータ通信装置を提供することができる。
【００４３】
（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態に係るデータ通信装置で用いられる多値信号フォーマットの一例を示す図である。本発明の第４の実施形態に係るデータ通信装置の構成は、第１〜３の実施形態と同様であるため、図１、図５又は図６を援用する。以下、図７を用いて本発明の第４の実施形態に係るデータ通信装置の動作について説明する。
【００４４】
図１、図５、又は図６を参照して、多値符号化部１１１は、図７に示すように、多値信号１３の各ステップ幅（Ｓ１〜Ｓ７）を、各レベルの変動量（すなわち、各レベルに重畳されている雑音強度分布）に従って設定する。具体的には、多値符号化部１１１は、多値識別部２１２ｂに入力される被判定信号（すなわち、多値信号１５）の隣り合う２つの信号点間におけるＳＮ比が略均一になるように、当該信号点間距離を配分する。このため、多値符号化部１１１は、多値信号１５の各レベルに重畳される雑音量が等しい場合には、各ステップ幅を均等に設定することになる。
【００４５】
一般に、変調部１１２から出力される変調信号１４として、半導体レーザ（ＬＤ）を光源とした光強度変調信号を想定した場合、ＬＤに入力される多値信号１３のレベルに依存して、変調信号１４の変動幅（雑音量）は変化する。これは、ＬＤが自然放出光を「種光」とした誘導放出の原理に基づいて発光することに起因しており、その雑音量は、誘導放出光量に対する自然放出光量の相対比で定義されている。ここで、励起率（ＬＤに注入するバイアス電流に対応）が高い程、誘導放出光量の割合が大きくなるため、雑音量は小さくなり、逆に、励起率が低い程、自然放出光量の割合が大きくなるため、雑音量は大きくなる。そこで、多値符号化部１１１は、図７に示すように、多値信号１３のレベルが小さい領域ではステップ幅を大きく、多値信号１３のレベルが大きい領域ではステップ幅を小さく設定する。すなわち、多値信号１３のステップ幅を非線形に設定することにより、被判定信号の隣り合う信号点間のＳＮ比を略均一に設定する。
【００４６】
また、変調信号１４として光変調信号を利用した場合でも、上記の自然放出光による雑音や光受信器に用いる熱雑音が充分小さい条件下では、受信信号のＳＮ比は、主にショット雑音で決定されることになる。このような条件下では、多値信号１３のレベルが大きい程、多値信号１５に含まれる雑音量が大きくなる。このため、多値符号化部１１１は、図７の場合とは逆に、多値信号１３のレベルが小さい領域ではステップ幅を小さく、多値信号１３のレベルが大きい領域ではステップ幅を大きく設定することにより、被判定信号の隣り合う信号点間のＳＮ比を略均一に設定する。
【００４７】
以上説明したように、本発明の第４の実施形態によれば、伝送すべき情報データ１０を多値信号１３として符号化する際に、被判定信号の隣り合う信号点間のＳＮ比が略均一になるように、多値信号１３の信号点間距離を設定する。これにより、第三者による盗聴時の受信信号品質に対して決定的な劣化を与えて、第三者による多値信号１３の解読・復号化をさらに困難とし、より安全なデータ通信装置を提供することができる。
【００４８】
（第５の実施形態）
図８は、本発明の第５の実施形態に係るデータ通信装置の構成の一例を示すブロック図である。図８において、本発明の第５の実施形態に係るデータ通信装置は、データ送信装置２５１０５とデータ受信装置２５２０５とが伝送路１１０によって接続された構成である。第５の実施形態に係るデータ通信装置は、上述した第１〜４の実施形態に係るデータ通信装置と比較して、第１の多値符号発生部１１１ａ、及び第２の多値符号発生部２１２ａの構成に特徴がある。第１の多値符号発生部１１１ａは、第１の乱数列生成部１７１と、第１の多値変換部１７とを含む。第２の多値符号発生部２１２ａは、第２の乱数列生成部２７１と、第２の多値変換部２７２とを含む。
【００４９】
第１の乱数列生成部１７１は、第１の鍵情報１１を初期値として、所定の疑似乱数列を発生する。第１の多値変換部１７２は、第１の乱数列生成部１７１が発生した疑似乱数列からｐビット（ｐは任意の整数）のビット系列を取り出し、当該取り出したビット系列に対応したレベルを有する多値符号列１２に変換する。同様に、第２の乱数列生成部２７１は、第２の鍵情報１６を初期値として、第１の乱数列生成部１７１から出力される疑似乱数列に相当する疑似乱数列を発生する。第２の多値変換部２７２は、疑似乱数列からｐビット（ｐは任意の整数）のビット系列を取り出し、当該取り出したビット系列に対応したレベルを有する多値符号列１７に変換する。
【００５０】
図９は、本発明の第５の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａの詳細な構成の一例を示す模式図である。以下に、本発明の第５の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａの詳細について、図９を用いて説明する。ただし、第２の多値符号発生部２１２ａについては、図９に示す第１の多値符号発生部１１１ａと同様の構成であるため説明を省略する。
【００５１】
図９において、第１の多値符号発生部１１１ａは、第１の乱数列生成部１７１と、第１の多値変換部１７２とに加えて、さらにタイミング信号発生部１７３を備えている。タイミング信号発生部１７３は、外部から供給されるクロック信号Ｓ２０を基準タイミングとして、初期値設定信号Ｓ２１と読出信号Ｓ２２とを発生する。第１の乱数列生成部１７１は、例えば、６個のシフトレジスタ１７１ａ〜１７１ｆと、１個の排他的論理和素子１７１ｇとを備える線形フィードバックシフトレジスタから構成される。この例では、第１の乱数列生成部１７１は、第１の鍵情報１１のビット数と同じ数のシフトレジスタ１７１ａ〜１７１ｆを備えている。第１の乱数列生成部１７１は、初期値設定信号Ｓ２１の入力をトリガとして、第１の鍵情報１１を構成する６ビット（ａ０〜ａ５）をそれぞれ対応するシフトレジスタ１７１ａ〜１７１ｆに設定し、クロック信号Ｓ２０を基準タイミングとして２値乱数列を生成する。
【００５２】
第１の多値変換部１７２は、例えば、６個のラッチ１７２ａ〜１７２ｆと、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換部１７２ｇとから構成される。第１の多値変換部１７２は、読出信号Ｓ２２の入力をトリガとして、６個のラッチ１７２ａ〜１７２ｆで第１の乱数列生成部１７１から出力される２値乱数列からｐ＝６ビットのビット系列を取り出し、当該取り出したビット系列をＤ／Ａ変換部１７２ｇで多値符号列１２に変換する。なお、図９では、各シフトレジスタ１７１ａ〜１７１ｆが、データＤ１〜Ｄ６を保持・出力し、ラッチ１７２ａ〜１７２ｆがデータｄ１〜ｄ６を保持・出力している瞬時的な状態を表している。このようなビット系列を多値符号列１２に変換する手法としては、例えば、６ビットのビット系列（ｄ１〜ｄ６）を２進→１０進変換し、（式１）に対応するレベル（総レベル数：２6）を有する多値符号列１２に変換する方法等がある。線形フィードバックシフトレジスタ構成による乱数発生手法／原理については、非特許文献２等に詳述されているので、その説明を省略する。
ｄ６×２5＋ｄ５×２4＋ｄ４×２3＋ｄ３×２2＋ｄ２×２1＋ｄ１・・・（式１）
【００５３】
なお、図９では、第１の乱数列生成部１７１として、６個のシフトレジスタを有する線形フィードバックシフトレジスタの構成を示したが、シフトレジスタの数は、これに限定されるものではない。また、第１の乱数列生成部１７１は、第１の鍵情報１１から２値乱数列を生成できる構成であれば線形フィードバックシフトレジスタ以外のいかなる構成を備えても構わない。また、第１の多値変換部１７２は、６個のラッチを備える構成としたが、ラッチの数は、これに限定されるものではない。また、第１の多値変換部１７２は、ラッチから出力された２値ビット系列を多値符号列１２に変換できる構成であれば、Ｄ／Ａ変換部１７２ｇ以外のいかなる構成を備えても構わない。
【００５４】
以上説明したように、本発明の第５の実施形態によれば、第１の多値符号発生部１１１ａ及び第２の多値符号発生部２１２ａが簡単な構成で、多値符号列１２、１７を生成することができる。これによって、本発明の第５の実施形態に係るデータ通信装置は、第１〜第４の実施形態に係るデータ通信装置と同様の効果を得ることができる。
【００５５】
（第６の実施形態）
図１０は、本発明の第６の実施形態に係るデータ通信装置の構成の一例を示すブロック図である。図１０において、本発明の第６の実施形態に係るデータ通信装置は、データ送信装置２５１０６とデータ受信装置２５２０６とが伝送路１１０によって接続された構成である。第６の実施形態に係るデータ通信装置は、上述した第５の実施形態に係るデータ通信装置と比較して、第１の多値符号発生部１１１ａ、及び第２の多値符号発生部２１２ａの構成が異なる。第１の多値符号発生部１１１ａは、第１の乱数列発生部１７１と、第１のビット選択部１７４と、第１の多値変換部１７２とを含む。第２の多値符号発生部２１２ａは、第２の乱数列発生部２７１と、第２のビット選択部２７４と、第２の多値変換部２７２とを含む。
【００５６】
第１の乱数列生成部１７１は、第１の鍵情報１１を初期値として、所定の疑似乱数列を発生する。第１のビット選択部１７４は、第１の乱数列生成部１７１が発生した擬似乱数列からｐビット（ｐは任意の整数）のビット系列を取り出し、当該取り出したビット系列からｑビット（ｑはｐ以下の任意の整数）のビット系列を選択して出力する。第１の多値変換部１７２は、第１のビット選択部１７４が出力したｑビットのビット系列を、当該ビット系列に対応したレベルを有する多値符号列１２に変換する。すなわち、第１の多値符号発生部１１１ａは、第１の鍵情報１１に基づいて生成される２値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、多値符号列１２を生成する。
【００５７】
同様に、第２の乱数列生成部２７１は、第２の鍵情報１６を初期値として、第１の乱数列生成部１７１から出力される擬似乱数列に相当する疑似乱数列を発生する。第２のビット選択部２７４は、第２の乱数列生成部２７１が発生した擬似乱数列の中からｐビット（ｐは任意の整数）のビット系列を取り出し、当該取り出したビット系列からｑビット（ｑはｐ以下の任意の整数）のビット系列を選択して出力する。第２の多値変換部２７２は、第２のビット選択部２７４が出力したｑビットのビット系列を、当該ビット系列に対応したレベルを有する多値符号列１７に変換する。すなわち、第２の多値符号発生部２１２ａは、第２の鍵情報１６に基づいて生成される２値乱数列のビット系列を変化させた後の変化後乱数列に基づいて、多値符号列１２を生成する。
【００５８】
図１１は、本発明の第６の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａの詳細な構成の一例を示す模式図である。なお、図１１では、図９と同様に、各シフトレジスタ１７１ａ〜１７１ｆが、データＤ１〜Ｄ６を出力・保持し、ラッチ１７２ａ〜１７２ｅがデータｄ１〜ｄ５を出力・保持している瞬時的な状態を表している。図１２Ａは、本発明の第６の実施形態に係るデータ通信装置に対する第三者の盗聴行為を説明するための模式図である。図１２Ｂは、本発明の第６の実施形態に係るデータ通信装置の効果を説明するための模式図である。以下に、本発明の第６の実施形態に係るデータ通信装置について、図１１、図１２Ａ、及び図１２Ｂを用いて詳細に説明する。ただし、第２の多値符号発生部２１２ａについては、図１１に示す第１の多値符号発生部１１１ａと同様の構成であるため説明を省略する。
【００５９】
まず、第三者による盗聴動作について説明する。盗聴者である第三者は、正規の受信者が備えるデータ受信装置に準じた構成、もしくはさらに高性能なデータ受信装置を用いて、変調信号１４を受信し解読することが想定される。このような盗聴の基本的手法の一つとして、送信者が伝送すべき情報データ１０を、何らかの手段で予め既知のデータ（例えば、オール"０"やオール"１"等）に設定し、その際得られる暗号文（多値信号１３、または変調信号１４）を取得することにより、暗号鍵（多値符号列１２）を直接入手しようとする「既知平文攻撃」がある。このような攻撃に対して、本発明のデータ通信装置は、前述のように、例えば、光信号を検波した際に生じる量子雑音を利用することによって、第三者による暗号鍵の正確な取得を妨害することができる。
【００６０】
しかしながら、万一、量子雑音が充分大きくない場合には、第三者によって暗号鍵が取得され、その結果、暗号文が簡単に解読される可能性がある。このような第三者による盗聴動作について、図１２Ａを用いて説明する。ただし、図１２Ａの説明で用いる第１の多値符号発生部１１１ａは、前述の第５の実施形態で示した第１の多値符号発生部１１１ａ（図９参照）に準じた構成であるものとする。また、以下の説明では、第１の乱数列生成部１７１は、図９の場合と同様に、６個のシフトレジスタを有する線形フィードバックシフトレジスタを備えているものとする。
【００６１】
第１の乱数列生成部１７１は、初期値設定信号Ｓ２１の入力をトリガとして、第１の鍵情報１１を構成する６ビット（ａ０〜ａ５）をそれぞれ対応するシフトレジスタ１７１ａ〜１７１ｆに設定し、クロック信号Ｓ２０を基準タイミングとして２値乱数列を生成する。第１の多値変換部１７２は、読出信号Ｓ２２の入力をトリガとして、この２値乱数列をｐビット（図９ではｐ＝６）毎にパラレルに取り出し、例えば２進→１０進変換により、総レベル数：２p（２6）を有する多値符号列１２に変換する。盗聴者である第三者は、この多値符号列１２をそのまま取得し、１０進→２進変換により第１の乱数列生成部１７１が生成するものと同様の２値乱数列を取得する。
【００６２】
ここで、一般に、図９に示すような線形フィードバックシフトレジスタによって生成された疑似乱数系列は、一部のビット列を連続して取得できれば、以後のビット列を簡単に予測できることが知られている。例えば、Ｂｅｒｌｅｋａｍｐ−Ｍａｓｓｅｙ法（以後、ＢＭ法と呼称する）では、疑似乱数の生成に用いた線形フィードバックシフトレジスタのレジスタ数ｋ（図９ではｋ＝６）に対して、２ｋビットの疑似乱数を連続して取得することにより、線形フィードバックシフトレジスタの構成（タップ位置、初期値）を容易に導出し、これにより以後の乱数系列を予測することができる。
【００６３】
これに対して、本発明の第６の実施形態における第１の多値符号発生部１１１ａ（第２の多値符号発生部２１２ａ）は、第１のビット選択部１７４が、図１１に示すように、第１の乱数列生成部１７１からパラレルに取り出したｐ＝６ビットの２値乱数列から、所定の１ビットを取り除いた残りのｑ＝５ビットの２値乱数列を出力する。そして、第１の多値変換部１７２が、第１のビット選択部１７４が出力したｑ＝５ビットの２値乱数列を多値符号列１２に変換する。
【００６４】
このときの第１の多値符号発生部１１１ａの動作について、図１２Ｂを用いて詳細に説明する。図１２Ｂに示すように、例えば、第１のビット選択部１７４は、第１の乱数列生成部１７１から出力された６ビット（Ｄ１〜Ｄ６）の内、例えば、２番目のビット（Ｄ２）を取り除いた残りの５ビットを選択し、第１の多値変換部１７２に出力する。すなわち、本発明の第６の実施形態における第１の多値符号発生部１１１ａは、第１の乱数列生成部１７１から出力された２値乱数列をそのまま多値符号列１２に変換するのではなく、２値乱数列の一部のビットを故意に欠落・隠匿させた後に多値符号列１２に変換する。
【００６５】
なお、本発明の第６の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａ（第２の多値符号発生部２１２ａ）は、図１３に示すような構成であってもよい。図１３は、本発明の第６の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａの他の構成例を示すブロック図である。すなわち、第１の多値符号発生部１１１ａは、図１３に示すように、第１の乱数列生成部１７１からパラレルに取り出されるｐビットの２値乱数列から、予め固定した所定のビットを取り除いた残りのｑビット（所定のシフトレジスタの出力信号を取り除いた残りの出力信号）を、第１の多値変換部１７２に出力する構成としても良い。なお、図１３の例では、シフトレジスタ１７１ｂの出力信号Ｄ２を取り除いた残りの出力信号を第１の多値符号変換部１７２に出力している。
【００６６】
また、より望ましくは、本発明の第６の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａ（第２の多値符号発生部２１２ａ）は、図１４に示すような構成であってもよい。図１４は、本発明の第６の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａの他の構成例を示すブロック図である。すなわち、第１の多値符号発生部１１１ａは、図１４に示すように、第１の乱数列生成部１７１からパラレルに取り出されるｐビットの２値乱数列から、任意に選択したビットを取り除いた残りのｑビット（任意のシフトレジスタの出力信号を除いた残りの出力信号）を、第１の多値変換部１７２に出力する構成としても良い。具体的には、第１のビット選択部１７４は、乱数発生部１７５から出力される疑似乱数に従って、第１の乱数列生成部１７１からパラレルに取り出されるｐビットの２値乱数列から、取り除くビットを選択し、当該選択したビットを取り除いた残りのｑビットを第１の多値変換部１７２に出力する。
【００６７】
さらに、本発明の第６の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａ（第２の多値符号発生部２１２ａ）は、図１５に示すような構成であってもよい。図１５は、本発明の第６の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａの他の構成例を示すブロック図である。すなわち、第１の多値符号発生部１１１ａは、図１５に示すように、第１の多値変換部１７２に読出信号Ｓ２２を供給する第２のタイミング信号発生部１７３ｂを新たに備えると共に、第２のタイミング信号発生部１７３ｂが、第２のクロック信号Ｓ２３を基準タイミングとして、第１の乱数列生成部１７１と非同期に動作する構成である。
【００６８】
これによって、第１の乱数列生成部１７１を構成するシフトレジスタ１７１ａ〜１７１ｆからの出力信号（例えば、Ｄ１〜Ｄ６）が、第１の多値変換部１７２を構成するラッチ１７２ａ〜１７２ｆによって正確に識別されず、例えば図１６に示すように、所定のビット（図１６では、Ｄｃ、Ｄ２、Ｄ１２）が欠落し、同一のビット（図１６では、Ｄｂ、Ｄ１、Ｄ１０）が二重に読み出される。すなわち、図１５に示す第１の多値符号発生部１１１ａは、第１の乱数列生成部１７１から出力された２値乱数列をそのまま多値符号列１２に変換するのではなく、２値乱数列の一部のビットを故意に欠落・隠匿させた後に多値符号列１２に変換する。このような構成により、万一量子ゆらぎが充分大きくなく、第三者によって暗号文が容易に取得されるような状況下においても、２ｋビットの疑似乱数を連続して取得されることを故意に防ぎ、ＢＭ法等による疑似乱数列の解読・解析を困難とする。
【００６９】
以上のような構成により、万一量子ゆらぎが充分大きくなく、第三者によって暗号文が容易に取得されるような状況下においても、２ｋビットの疑似乱数を連続して取得されることを故意に防ぎ、上述のようなＢＭ法による疑似乱数列の解読・解析を困難とする。
【００７０】
以上説明したように、本発明の第６の実施形態によれば、伝送すべき情報データ１０を多値信号１３として符号化する際に、当該多値信号１３の信号点間距離を、受信信号に含まれる雑音量に対して適切に設定することにより、第三者による盗聴時の受信信号品質に対して決定的な劣化を与えて、第三者による多値信号１３の解読・復号化を困難にすることができる。また、万一第三者によって暗号文が取得された場合においても、当該鍵情報が容易に推定されないように多値鍵を生成して、より安全なデータ通信装置を容易に提供することができる。
【００７１】
（第７の実施形態）
図１７は、本発明の第７の実施形態に係るデータ通信装置の構成の一例を示すブロック図である。図１７において、本発明の第７の実施形態に係るデータ通信装置は、データ送信装置２５１０７とデータ受信装置２５２０７とが伝送路１１０によって接続された構成である。第７の実施形態に係るデータ通信装置は、上述した第５〜６の実施形態に係るデータ通信装置と比較して、第１の多値符号発生部１１１ａ、及び第２の多値符号発生部２１２ａの構成が異なる。第１の多値符号発生部１１１ａは、第１の乱数列発生部１７１と、第１のビット入替部１７６と、第１の多値変換部１７２とを含む。第２の多値符号発生部２１２ａは、第２の乱数列発生部２７１と、第２のビット入替部２７６と、第２の多値変換部２７２とを含む。
【００７２】
第１の乱数列生成部１７１は、第１の鍵情報１１を初期値として、所定の疑似乱数列を発生する。第１のビット入替部１７６は、第１の乱数列生成部１７１が発生した疑似乱数列からｐビット（ｐは任意の整数）のビット系列を取り出し、当該取り出したビット系列の順列を入れ替えて出力する。第１の多値変換部１７２は、第１のビット入替部１７６が出力したｑビット（この例では、ｐ＝ｑ）のビット系列を、当該ビット系列に対応したレベルを有する多値符号列１２に変換する。同様に、第２の乱数列生成部２７１は、第２の鍵情報１６を初期値として、所定の疑似乱数列を発生する。第２のビット入替部２７６は、第２の乱数列生成部２７１が発生した疑似乱数列からｐビット（ｐは任意の整数）のビット系列を取り出し、当該取り出したビット系の順序を入替えて出力する。第２の多値変換部２７２は、第２のビット入替部２７６が出力したｑビット（この例では、ｐ＝ｑ）のビット系列を、当該ビット系列に対応したレベルを有する多値符号列１７に変換する。
【００７３】
図１８は、本発明の第７の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａの詳細な構成の一例を示す模式図である。図１９は、本発明の第７の実施形態に係るデータ通信装置の効果を説明するための模式図である。以下に、本発明の第７の実施形態に係るデータ通信装置について、図１８、及び図１９を用いて詳細に説明する。
【００７４】
まず、第三者による盗聴行為について説明する。前述の第６の実施例と同様に、盗聴者である第三者は、正規の受信者が備えるデータ受信装置に準じた構成、もしくはさらに高性能なデータ受信装置を用いて、「既知平文攻撃」などにより、受信した変調信号１４を解読することが想定される。すなわち、図１２Ａでも示したように、万一、量子雑音が十分に大きくない場合には、第三者によって暗号鍵が取得され、その結果、暗号文が簡単に解読される可能性がある。
【００７５】
これに対して、本発明の第７の実施形態における第１の多値符号発生部１１１ａ（第２の多値符号発生部２１２ａ）は、ビット入替部１７６が、図１８に示すように、第１の乱数列生成部１７１からパラレルに取り出したｐ＝６ビットの２値乱数列を一旦入力し、当該入力した２値乱数列の順列を入れ替えたｑ＝６ビットの２値乱数列を出力する。そして、第１の多値変換部１７２が、第１のビット入替部１７６が出力したｑ＝６ビットの２値乱数列を多値符号列１２に変換する。例えば、図１９に示すように、ビット入替部１７６は、第１の乱数列生成部１７１から出力された６ビット（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６）の順列を入れ替え、その結果得られた６ビット（Ｄ５，Ｄ３，Ｄ１，Ｄ６，Ｄ２，Ｄ４）を第１の多値変換部１７２に出力する。すなわち、本発明の第７の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａは、第１の乱数列生成部１７１から出力された２値乱数列をそのまま多値符号列１２に変換するのではなく、２値乱数列の順列を故意に入替えた後に多値符号列１２に変換する。
【００７６】
盗聴者である第三者は、図４を用いて説明したように、鍵情報１１、１６を共有しないため、変調信号１４に重畳された雑音成分によって、多値信号のビットを誤って識別することが想定される。このような多値信号の識別誤りとしては、盗聴者は、特に多値信号の下位ビットに相当する情報を誤って識別する可能性が高く、これにより識別後の２値信号において特定箇所の情報のみが周期的に誤る可能性が高い。本発明の第７の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａは、第１の乱数列生成部１７１が生成した２値乱数列のビット順列を入替えることによって、識別後の２値信号において多値信号の下位ビットに相当する情報だけでなく、上位ビットに相当する情報でも識別誤りを拡散させることが可能となる。すなわち、第１の多値符号発生部１１１ａは、多値信号の識別誤りの位置を予測不可能にすることができる。
【００７７】
また、さらに望ましくは、第１の多値符号発生部１１１ａは、第１のビット入替部１１９によるビット入替えの手順を固定することなく随時変更する。具体的には、図１８中に示したように、ビット入替部１７６は、第２の乱数発生部１７５ｂから出力される疑似乱数の数値に従って、第１の乱数列生成部１７１が生成した２値乱数列のビット順列を略ランダムに入替える。
【００７８】
また、本発明の第７の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａ（第２の多値符号発生部２１２ａ）は、図２０に示すような構成であってもよい。図２０は、本発明の第７の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａの他の構成例を示すブロック図である。図２０において、第１の多値符号発生部１１１ａは、タイミング信号発生部１７３と第１のビット入替部１７６とに代えて、メモリ部１７７と、第２のタイミング信号発生部１７３ｂと、第３のタイミング信号発生部１７３ｃと、第３の乱数発生部１７５ｃと、アドレス変換部１７８を新たに備えている。
【００７９】
第２のタイミング信号発生部１７３ｂは、第１の乱数列生成部１７１に供給するクロック信号Ｓ２０及び初期値設定信号Ｓ２１と共に、書込アドレスＳ２４を発生し出力する。第３のタイミング信号発生部１７３ｃは、クロック信号Ｓ２０を基準タイミングとして、第１の多値変換部１７２に供給する読出信号Ｓ２２と共に、読出アドレスＳ２５を発生する。アドレス変換部１７８は、第３の乱数発生部１７５ｃから出力される疑似乱数の値に従って、読出アドレスＳ２５を変換して、第２の読出アドレスＳ２６として出力する。メモリ部１７７は、第１の乱数列生成部１７１からパラレルに取り出したｐ＝６ビットの２値乱数列を、書込アドレスＳ２４によって指定されたアドレスに書込む（記録）と共に、第２の読出アドレスＳ２６によって指定されたアドレスからｐ＝６ビットの２値乱数列を読み出し、第１の多値変換部１７２に出力する。第１の多値変換部１７２は、入力された２値乱数列を多値符号列１２に変換する。
【００８０】
以上のような構成により、万一量子ゆらぎが充分大きくなく、第三者によって暗号文が容易に取得されるような状況下においても、２ｋビットの疑似乱数を連続して取得されることを故意に防ぎ、上述のようなＢＭ法による疑似乱数系列の解読・解析を困難とする。
【００８１】
以上説明したように、本発明の第７の実施形態によれば、伝送すべき情報データ１０を多値信号１３として符号化する際に、当該多値信号１３の信号点間距離を、受信信号に含まれる雑音量に対して適切に設定することより、第三者による盗聴時の受信信号品質に対して決定的な劣化を与えて、その解読・復号化を困難にすることができる。また、万一第三者によって暗号文が取得された場合においても、当該鍵情報が容易に推定されないように多値鍵を生成して、より安全なデータ通信装置を容易に提供することができる。
【００８２】
以上、本発明を詳細に説明してきたが、前述の説明はあらゆる点において本発明の例示にすぎず、その範囲を限定しようとするものではない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明に係るデータ通信装置は、盗聴・傍受等を受けない安全な秘密通信装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の構成の一例を示すブロック図
【図２】本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号波形を説明する模式図
【図３】本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号波形の呼称を説明する模式図
【図４】本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号品質を説明する模式図
【図５】本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置の構成の一例を示すブロック図
【図６】本発明の第３の実施形態に係るデータ通信装置の構成の一例を示すブロック図
【図７】本発明の第４の実施形態に係るデータ通信装置で用いられる多値信号フォーマットの一例を示す図
【図８】本発明の第５の実施形態に係るデータ通信装置の構成の一例を示すブロック図
【図９】本発明の第５の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａの詳細な構成の一例を示す模式図
【図１０】本発明の第６の実施形態に係るデータ通信装置の構成の一例を示すブロック図
【図１１】本発明の第６の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａの詳細な構成の一例を示す模式図
【図１２Ａ】本発明の第６の実施形態に係るデータ通信装置に対する第三者の盗聴行為を説明するための模式図
【図１２Ｂ】本発明の第６の実施形態に係るデータ通信装置の効果を説明するための模式図
【図１３】本発明の第６の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａの他の構成例を示すブロック図
【図１４】本発明の第６の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａの他の構成例を示すブロック図
【図１５】本発明の第６の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａの他の構成例を示すブロック図
【図１６】図１５に示す第１の多値符号発生部１１１ａの効果を説明するための模式図
【図１７】本発明の第７の実施形態に係るデータ通信装置の構成の一例を示すブロック図
【図１８】本発明の第７の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａの詳細な構成の一例を示すブロック図
【図１９】本発明の第７の実施形態に係るデータ通信装置の効果を説明するための模式図
【図２０】本発明の第７の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａの他の構成例を示すブロック図
【図２１】従来のデータ通信装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００８５】
１０、１８  情報データ
１１、１６、９１、９６、９９  鍵情報
１２、１７  多値符号列
１３、１５  多値信号
１４、９４  変調信号
Ｓ２０、Ｓ２３  クロック信号
Ｓ２１  初期値設定信号
Ｓ２２  読出信号
Ｓ２４  書込アドレス
Ｓ２５、Ｓ２６  読出アドレス
１１０  伝送路
１１１  多値符号化部
１１１ａ  第１の多値符号発生部
１１１ｂ  多値処理部
１１２、９１２  変調部
１１３  第１のデータ反転部
１１４  雑音制御部
１１４ａ  雑音発生部
１１４ｂ  合成部
１７１  第１の乱数列生成部
１７１ａ〜１７１ｆ  シフトレジスタ
１７１ｇ  排他的論理和素子
１７２  第１の多値変換部
１７１ａ〜１７２ｆ  ラッチ
１７２ｇ  Ｄ／Ａ変換部
１７３  タイミング信号発生部
１７４  第１のビット選択部
１７５  乱数発生部
１７６  第１のビット入替部
２１１、９１４、９１６  復調部
２１２、９１５、９１７  多値復号化部
２１２ａ  第２の多値符号発生部
２１２ｂ  多値識別部
２１３  第２のデータ反転部
２７１  第２の乱数列生成部
１０１０１〜１０１０３、２５１０５〜２５１０７  データ送信装置
１０２０１〜１０２０２、２５２０５〜２５２０７  データ受信装置
【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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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