(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、天文学的な計算量に基づく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において、乱数列生成部１４１は、所定の鍵情報１１に基づいて、複数の変調用擬似乱数列を発生する。多値変換部１４２は、複数の変調用擬似乱数列が入力ビット列の一部として入力され、入力ビット列を多値符号列１２に変換する。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。【選択図】図６
2007241256.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発生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て、変調信号として出力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、複数の変調用擬似乱数列を生成する乱数列生成部と、
前記複数の変調用擬似乱数列の一部を少なくとも含んだ複数のビット列が入力ビット列として入力され、当該入力ビット列を前記多値符号列に変換する多値変換部とを備え、
前記多値変換部への入力ビット列の数は、前記乱数列生成部が生成した変調用擬似乱列の数よりも大きいことを特徴とする、データ送信装置。
【請求項２】
前記多値処理部は、前記多値信号の隣接する多値レベルに互いに異なる情報データの値を割り当て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】
前記複数の変調用擬似乱数列のうち少なくとも１つは、前記入力ビット列の最下位ビットとして前記多値変換部に入力され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４】
前記多値符号発生部は、１つ以上の物理乱数列を生成する物理乱数生成部をさらに備え、
前記多値変換部には、前記入力ビット列のうち、前記変調用擬似乱数列を除いた残りのビット列として、前記１つ以上の物理乱数列が入力され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】
前記多値変換部には、前記入力ビット列のうち、前記変調用擬似乱数列を除いた残りのビット列として固定値が入力され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６】
前記多値符号発生部は、１つ以上の物理乱数列を生成する物理乱数生成部をさらに備え、
前記多値変換部には、前記入力ビットのうち、前記変調用擬似乱数列を除いた一部のビット列として前記１つ以上の物理乱数列が入力され、残りのビット列として固定値が入力され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】
前記多値変換部には、前記入力ビット列のうち、前記変調用擬似乱数列を除いた残りのビット列として、所定の規則に基づいて生成された信号が入力され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８】
前記所定の規則に基づいて生成された信号は、前記複数の変調用擬似乱数列の一部または全部を、所定時間だけ遅延させることにより生成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】
前記情報データの振幅に相当する情報振幅と、前記物理乱数列に相当する多値信号の変動幅との比が、正規受信者の許容できる信号対雑音比よりも大きいことを特徴とする、請求項４に記載のデータ送信装置。
【請求項１０】
前記乱数列生成部は、
前記所定の鍵情報に基づいて、２値の擬似乱数系列を生成する擬似乱数生成部と、
前記擬似乱数生成部で生成した擬似乱数系列をシリアル・パラレル変換して、前記複数の変調用擬似乱数列として出力するシリアル・パラレル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１１】
前記乱数列生成部は、
前記所定の鍵情報に基づいて、２値の擬似乱数系列を生成する擬似乱数生成部と、
前記擬似乱数生成部で生成した擬似乱数列をシリアル・パラレル変換して、複数の変調用擬似乱数列として出力する複数のシリアル・パラレル変換部と、
前記擬似乱数生成部で生成した擬似乱数系列の出力先を、速度切替信号に基づいて、前記複数のシリアル・パラレル変換部のどちらか一方に切り替える第１のスイッチと、
前記複数のシリアル・パラレル変換部から出力される複数の変調用擬似乱数系列を、前記速度切替信号に基づいて選択して出力する第２のスイッチとを備え、
前記複数のシリアル・パラレル変換部は、互いに異なる数の変調用擬似乱数列を出力す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１２】
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、複数の復調用擬似乱数列を生成する乱数列生成部と、
前記複数の復調用擬似乱数列の一部を少なくとも含んだ複数のビット列が入力ビット列として入力され、当該入力ビット列を前記多値符号列に変換する多値変換部とを備え、
前記多値変換部への入力ビット列の数は、前記乱数列生成部が生成した復調用擬似乱列の数よりも大きいことを特徴とする、データ受信装置。
【請求項１３】
前記多値変換部には、前記入力ビット列のうち、前記復調用擬似乱数列を除いた残りのビット列として、固定値が入力され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】
前記多値変換部には、前記入力ビット列のうち、前記復調用擬似乱数列を除いた残りのビット列として、所定の規則に基づいて生成された信号が入力され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１５】
前記所定の規則に基づいて生成された信号は、前記複数の復調用擬似乱数列の一部または全部を、所定時間だけ遅延させることにより生成され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１６】
前記情報データの振幅に相当する情報振幅と、前記多値変換部への入力ビット列のうち前記復調用擬似乱数列を除いたビット列に相当する多値信号の変動幅との比が、正規受信者の許容できる信号対雑音比よりも大きいことを特徴とする、請求項１２に記載のデータ受信装置。
【請求項１７】
前記乱数列生成部は、
前記所定の鍵情報に基づいて、２値の擬似乱数系列を生成する擬似乱数生成部と、
前記擬似乱数生成部で生成した擬似乱数系列をシリアル・パラレル変換して、複数の復調用擬似乱数列として出力するシリアル・パラレル変換部とを備え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１８】
前記乱数列生成部は、
前記所定の鍵情報に基づいて、２値の擬似乱数系列を生成する擬似乱数生成部と、
前記擬似乱数生成部で生成した擬似乱数列をシリアル・パラレル変換して、複数の復調用擬似乱数列として出力する複数のシリアル・パラレル変換部と、
前記擬似乱数生成部で発生した擬似乱数系列の出力先を、速度切替信号に基づいて、前記複数のシリアル・パラレル変換部のどちらか一方に切り替える第１のスイッチと、
前記複数のシリアル・パラレル変換部から出力される複数の復調用擬似乱数系列を、前記速度切替信号に基づいて選択して出力する第２のスイッチとを備え、
前記複数のシリアル・パラレル変換部は、互いに異なる数の復調用擬似乱数列を出力す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１９】
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発生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ステップと、
前記多値信号に所定の変調処理を施して、変調信号として出力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、複数の変調用擬似乱数列を生成する乱数列生成ステップと、
前記複数の変調用擬似乱数列の一部を少なくとも含んだ複数のビット列が入力ビット列として入力され、当該入力ビット列を前記多値符号列に変換する多値変換ステップとを備え、
前記入力ビット列の数は、前記変調用擬似乱列の数よりも大きいことを特徴とする、データ送信方法。
【請求項２０】
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、複数の復調用擬似乱数列を生成する乱数列生成ステップと、
前記複数の復調用擬似乱数列の一部を少なくとも含んだ複数のビット列が入力ビット列として入力され、当該入力ビット列を前記多値符号列に変換する多値変換ステップとを備え、
前記入力ビット列の数は、前記復調用擬似乱列の数よりも大きいことを特徴とする、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・傍受を防ぐ暗号通信を行う装置及び方法に関し、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）方式を選択・設定してデータ通信を行うデータ送信装置、データ受信装置及びデータ通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特定者同志でのみ通信を行うためには、送信／受信間で符号化／復号化のための鍵情報を共有し、当該鍵情報に基づいて、伝送すべき情報データ（平文）を数学的に演算／逆演算することにより、秘密通信を実現する構成が採用されている。図１７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。
【０００３】
図１７において、従来のデータ通信装置は、データ送信装置９００１とデータ受信装置９００２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９００１は、符号化部９１１と変調部９１２とを備える。データ受信装置９００２は、復調部９１４と復号化部９１５とを備える。
【０００４】
データ送信装置９００１において、符号化部９１１には、情報データ９０と第１の鍵情報９１とが入力される。符号化部９１１は、第１の鍵情報９１に基づいて、情報データ９０を符号化（暗号化）する。変調部９１２は、符号化部９１１で符号化された情報データ９０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。
【０００５】
データ受信装置９００２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には、第１の鍵情報９１と同一の第２の鍵情報９６が入力される。復号化部９１５は、この第２の鍵情報９６に基づいて変調信号９４を復号化（暗号解読）して、情報データ９８を出力する。
【０００６】
ここで、盗聴者受信装置９００３を用いて、第三者による盗聴行為を説明する。図１７において、盗聴者受信装置９００３は、盗聴者復調部９１６と盗聴者復号化部９１７とを備える。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、情報データ９８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９００１との間で正しい鍵情報を共有していないため、情報データ９８を正しく再生することができない。
【０００７】
このような数学的な演算に基づく数理暗号（又は、計算暗号やソフトウェア暗号とも呼ばれる）技術は、例えば、特許文献１にも記されているように、アクセスシステム等に適用できる。すなわち、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）システムでは、各光受信器には、所望の光信号以外にも他加入者に向けた信号が入力される。そこで、ＰＯＮシステムでは、加入者毎に異なる鍵情報を用いて、加入者毎に情報データを暗号化することによって、互いの情報の漏洩・盗聴を防ぎ、安全なデータ通信を実現している。
【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】
数理暗号の中でも、ストリーム暗号と呼ばれる方式は、擬似乱数発生器の出力である擬似乱数列と暗号化したい情報データ（平文）とをＸＯＲ演算することにより暗号文を生成するという簡易な構成をとっているため、高速化に有利であるという利点を持つ。その一方で、ストリーム暗号の安全性は擬似乱数発生器のみに依存しているという欠点を持つ。すなわち、盗聴者が何らかの方法で平文と暗号文との組み合わせを入手できれば、擬似乱数系列を正確に知ることができる（これは一般に既知平文攻撃と呼ばれる）。さらに、擬似乱数発生器の初期値、すなわち鍵情報と擬似乱数系列とは一意に対応付けられているため、何らかの解読アルゴリズムを適用すれば鍵情報を確実に求めることができる。さらに、計算機の処理速度は近年著しく向上しているため、現実的な時間内で暗号文が解読される危険性が高まっているという問題点があった。
【０００９】
それ故に、本発明の目的は、鍵情報、擬似乱数列、及び暗号文の相互の関係に不確定な要素を導入することにより、従来のストリーム暗号と比較して盗聴者が暗号文の解析に要する労力、すなわち計算量を増大させ、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、上記目的を達成するために、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発生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て、変調信号として出力する変調部とを備える。また、多値符号発生部は、所定の鍵情報に基づいて、複数の変調用擬似乱数列を生成する乱数列生成部と、複数の変調用擬似乱数列の一部を少なくとも含んだ複数のビット列が入力ビット列として入力され、当該入力ビット列を多値符号列に変換する多値変換部とを備える。ただし、多値変換部への入力ビット列の数は、乱数列生成部が生成した変調用擬似乱列の数よりも大きいものとする。
【００１１】
好ましくは、多値処理部は、多値信号の隣接する多値レベルに互いに異なる情報データの値を割り当てる。
【００１２】
複数の変調用擬似乱数列のうち少なくとも１つは、入力ビット列の最下位ビットとして多値変換部に入力される。
【００１３】
好ましくは、多値符号発生部は、１つ以上の物理乱数列を生成する物理乱数生成部をさらに備える。このような場合、多値変換部には、入力ビット列のうち、変調用擬似乱数列を除いた残りのビット列として、１つ以上の物理乱数列が入力される。
【００１４】
また、多値変換部には、入力ビット列のうち、変調用擬似乱数列を除いた残りのビット列として、固定値が入力されてもよい。
【００１５】
好ましくは、多値符号発生部は、１つ以上の物理乱数列を生成する物理乱数生成部をさらに備える。このような場合、多値変換部には、入力ビットのうち、変調用擬似乱数列を除いた一部のビット列として１つ以上の物理乱数列が入力され、残りのビット列として固定値が入力される。
【００１６】
また、多値変換部には、入力ビット列のうち、変調用擬似乱数列を除いた残りのビット列として、所定の規則に基づいて生成された信号が入力されてもよい。所定の規則に基づいて生成された信号は、複数の変調用擬似乱数列の一部または全部を、所定時間だけ遅延させることにより生成することができる。
【００１７】
ただし、情報データの振幅に相当する情報振幅と、物理乱数列に相当する多値信号の変動幅との比が、正規受信者の許容できる信号対雑音比よりも大きいという条件を満足する必要がある。
【００１８】
好ましくは、乱数列生成部は、所定の鍵情報に基づいて、２値の擬似乱数系列を生成する擬似乱数生成部と、擬似乱数生成部で生成した擬似乱数系列をシリアル・パラレル変換して、複数の変調用擬似乱数列として出力するシリアル・パラレル変換部とを備える。
【００１９】
また、乱数列生成部は、所定の鍵情報に基づいて、２値の擬似乱数系列を生成する擬似乱数生成部と、擬似乱数生成部で生成した擬似乱数列をシリアル・パラレル変換して、複数の変調用擬似乱数列として出力する複数のシリアル・パラレル変換部と、擬似乱数生成部で生成した擬似乱数系列の出力先を、速度切替信号に基づいて、複数のシリアル・パラレル変換部のどちらか一方に切り替える第１のスイッチと、複数のシリアル・パラレル変換部から出力される複数の変調用擬似乱数系列を、速度切替信号に基づいて選択して出力する第２のスイッチとを備える構成であってもよい。ただし、複数のシリアル・パラレル変換部は、互いに異なる数の変調用擬似乱数列を出力するものとする。
【００２０】
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。また、多値符号発生部は、所定の鍵情報に基づいて、複数の復調用擬似乱数列を生成する乱数列生成部と、複数の復調用擬似乱数列の一部を少なくとも含んだ複数のビット列が入力ビット列として入力され、当該入力ビット列を多値符号列に変換する多値変換部とを備える。ただし、多値変換部への入力ビット列の数は、乱数列生成部が生成した復調用擬似乱列の数よりも大きいものとする。
【００２１】
好ましくは、多値変換部には、入力ビット列のうち、復調用擬似乱数列を除いた残りのビット列として、固定値が入力される。
【００２２】
また、多値変換部には、入力ビット列のうち、復調用擬似乱数列を除いた残りのビット列として、所定の規則に基づいて生成された信号が入力されてもよい。所定の規則に基づいて生成された信号は、複数の復調用擬似乱数列の一部または全部を、所定時間だけ遅延させることにより生成することができる。
【００２３】
ただし、情報データの振幅に相当する情報振幅と、多値変換部への入力ビット列のうち復調用擬似乱数列を除いたビット列に相当する多値信号の変動幅との比が、正規受信者の許容できる信号対雑音比よりも大きいという条件を満足する必要がある。
【００２４】
好ましくは、乱数列生成部は、所定の鍵情報に基づいて、２値の擬似乱数系列を生成する擬似乱数生成部と、擬似乱数生成部で生成した擬似乱数系列をシリアル・パラレル変換して、複数の復調用擬似乱数列として出力するシリアル・パラレル変換部とを備える。
【００２５】
また、乱数列生成部は、所定の鍵情報に基づいて、２値の擬似乱数系列を生成する擬似乱数生成部と、擬似乱数生成部で生成した擬似乱数列をシリアル・パラレル変換して、複数の復調用擬似乱数列として出力する複数のシリアル・パラレル変換部と、擬似乱数生成部で発生した擬似乱数系列の出力先を、速度切替信号に基づいて、複数のシリアル・パラレル変換部のどちらか一方に切り替える第１のスイッチと、複数のシリアル・パラレル変換部から出力される複数の復調用擬似乱数系列を、速度切替信号に基づいて選択して出力する第２のスイッチとを備える構成であってもよい。ただし、複数のシリアル・パラレル変換部は、互いに異なる数の復調用擬似乱数列を出力するものとする。
【００２６】
また、上述したデータ送信装置が備える多値符号発生部、多値処理部、及び変調部が行うそれぞれの処理手順は、一連の処理手順を与えるデータ送信方法としても捉えることができる。すなわち、データ送信方法は、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発生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ステップと、多値信号に所定の変調処理を施して、変調信号として出力する変調ステップとを備える。また、多値符号発生ステップは、所定の鍵情報に基づいて、複数の変調用擬似乱数列を生成する乱数列生成ステップと、複数の変調用擬似乱数列の一部を少なくとも含んだ複数のビット列が入力ビット列として入力され、当該入力ビット列を多値符号列に変換する多値変換ステップとを備える。ただし、入力ビット列の数は、変調用擬似乱列の数よりも大きいものとする。
【００２７】
また、上述したデータ受信装置が備える多値符号発生部、復調部、及び識別部が行うそれぞれの処理手順は、一連の処理手順を与えるデータ受信方法としても捉えることができる。すなわち、データ受信方法は、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る。また、多値符号発生ステップは、所定の鍵情報に基づいて、複数の復調用擬似乱数列を生成する乱数列生成ステップと、複数の復調用擬似乱数列の一部を少なくとも含んだ複数のビット列が入力ビット列として入力され、当該入力ビット列を多値符号列に変換する多値変換ステップとを備える。ただし、入力ビット列の数は、復調用擬似乱列の数よりも大きいものとする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明のデータ通信装置は、鍵情報に基づいて情報データを多値信号に符号化・変調して送信し、受信した多値信号を同一の鍵情報に基づいて復調・符号化し、多値信号の信号対雑音電力比を適正化することにより、盗聴者が入手する暗号文に誤りを与える。これにより、盗聴者は、正しい暗号文が、自らが入手したものと異なる可能性を考慮して解読処理を行う必要があるため、誤りが無い場合と比較して解読処理に要する試行回数、すなわち計算量が増大し、盗聴に対する安全性を向上させることができる。またさらに、多値信号の信号点配置を適切に設定することにより、装置内部で用いる擬似乱数発生器の速度の上昇を最小限に抑えることができる。
【００２９】
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】
【００３０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３１】
（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、本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置は、データ送信装置１１０１とデータ受信装置１２０１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１１０１は、多値符号化部１１１と変調部１１２とを備える。多値符号化部１１１は、第１の多値符号発生部１１１ａと多値処理部１１１ｂとを含む。データ受信装置１２０１は、復調部２１１と多値復号化部２１２とを備える。多値復号化部２１２は、第２の多値符号発生部２１２ａと多値識別部２１２ｂとを含む。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。
【００３２】
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。
【００３３】
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には、多値符号列１２（図２（ｂ））と情報データ１０（図２（ａ））とが入力される。多値処理部１１１ｂは、所定の手順に従って多値符号列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（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、多値符号列１２のレベルをバイアスレベルとして、多値符号列１２に情報データ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。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。
【００３４】
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。
【００３５】
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）又は光波を多値信号１３で変調して得られたものである。
【００３６】
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を生成する方法以外にも、いかなる方法を用いて多値信号１３を生成してもよい。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して多値信号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。
【００３７】
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倍又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よいし、もしくは整数倍でなくてもよい。さらに、図２及び図３では、多値符号列１２の各レベルが、多値信号１３の各レベルの略中心になるように配置したが、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の各レベルの略中心でなくてもよいし、多値信号１３の各レベルに一致するものであってもよい。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、一方の変化レートが他方の変化レートよりも高速（又は低速）であってもよいし、非同期であってもよい。
【００３８】
次に、第三者による変調信号１４の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１２０１に準じた構成又はより高性能なデータ受信装置（以下、盗聴者データ受信装置と記す）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１１０１との間で鍵情報を共有しないため、データ受信装置１２０１のように、鍵情報から多値符号列１７を発生することができない。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。
【００３９】
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の全レベルに対する識別を同時に行う方法（一般に「総当たり攻撃」と呼ばれる）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する閾値を用意して多値信号１５の判定を行い、当該判定結果を解析することにより、正しい鍵情報又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の各レベルＣ０／Ｃ１／Ｃ２／Ｃ３／Ｃ４／Ｃ５／Ｃ６を閾値として、多値信号１５に対する多値判定を行うことにより、正しい鍵情報又は情報データの抽出を試みる。
【００４０】
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（データ受信装置１２０１）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。
【００４１】
このため、被判定信号が有す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データ受信装置１２０１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、第三者の全閾値を用いた総当たり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。
【００４２】
なお、被判定信号（多値信号１５又は変調信号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が有する熱雑音（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する際の光子数ゆらぎ（量子雑音）を利用できる。特に、量子雑音を利用した信号には、その記録や複製等の信号処理を行うことができないことから、データ通信装置は、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。
【００４３】
以上のように、本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置によれば、伝送すべき情報データを多値信号として符号化するとき、多値信号の信号点間距離を雑音量に対して、第三者による盗聴が不可能となるように設定する。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の解読・復号化を困難にする、より安全なデータ通信装置を提供することができる。
【００４４】
なお、多値符号化部１１１は、図５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応じて変動させてもよい。具体的には、多値識別部２１２ｂに入力する被判定信号の隣り合う２つの信号点間で決まるＳＮ比が略一致するように、信号点間距離を配分する。なお、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、半導体レーザ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、半導体レーザが自然放出光を「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、半導体レーザが出力する変調信号に含まれる雑音量は、誘導放出光量と自然放出光量との相対比によって定義される。すなわち、半導体レーザの励起率（半導体レーザの励起率は、注入されるバイアス電流に対応する）が高いほど、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る。逆に、半導体レーザの励起率が低いほど、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、図５に示すように、多値符号化部１１１は、多値信号のレベルが小さい領域ではステップ幅を大きく、多値信号のレベルが大きい領域ではステップ幅を小さく非線形に設定することで、被判定信号の隣り合う信号点間のＳＮ比を略均一できる。
【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十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、多値信号のレベルが大きいほど、多値信号に含まれる雑音量が大きくなる。このため、図５の場合とは逆に、多値符号化部１１１は、多値信号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ことができる。このように設定すれば、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均等に与えることができるので、第三者による多値信号の解読・復号化をさらに困難にすることができる。
【００４７】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置の全体構成は、図１に示したデータ通信装置と同様であるので説明を省略する。第２の実施形態に係るデータ通信装置は、第１の実施形態と比較して、第１の多値符号発生部１１１ａ及び第２の実施形態２１２ａの構成のみが異なる。図６は、本発明の第２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である。図６において、第１の多値符号発生部１１１ａは、第１の乱数列発生部１４１と、第１の多値変換部１４２とを有する。第１の乱数列発生部１４１は、擬似乱数生成部１４１１と、シリアル・パラレル変換部１４１２とを持つ。ここでは、多値符号列１２のビット数が８ビット（ｍ＝８）の場合の例を示してある。
【００４８】
擬似乱数生成部１４１１は、入力された第１の鍵情報１１に基づいて、２値の擬似乱数系列３１を生成する。シリアル・パラレル変換部１４１２は、擬似乱数系列３１をシリアル・パラレル変換し、第１〜第８の変調用擬似乱数列３２ａ〜ｈを出力する。第１〜第８の変調用擬似乱数列３２ａ〜ｈは、第１の多値変換部１４２に入力される。また、第１の変調用擬似乱数列３２ａは、多値処理部１１１ｂに入力される。第１の多値変換部１４２は、第１〜第８の変調用擬似乱数列３２ａ〜ｈを２m個の多値レベルを有する多値符号列１２に変換し、多値処理部１１１ｂへ出力する。
【００４９】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る第２の多値符号発生部２１２ａの詳細な構成の一例を示すブロック図である。図７において、第２の多値符号発生部２１２ａの構成は、基本的に第１の多値符号発生部１１１ａと同じである。ただし、第２の多値符号発生部２１２ａにおいて、シリアル・パラレル変換部２４１２の出力を、第１〜第８の復調用擬似乱数列４２ａ〜ｈと称する。第２の多値符号発生部２１２ａは、多値符号列１７と第１の復調用擬似乱数列４２ａとを、多値識別部２１２ｂへ出力する。
【００５０】
図８は、本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置で用いられる信号フォーマットを説明する図である。図８を参照して、本実施形態で用いられる多値符号列１２の値は、第１〜第８の変調用擬似乱数列３２ａ〜ｈによって決定される。また、多値信号レベルは、多値符号列１２の値と情報データ１０との値によって決定される。また、多値信号のステップ幅は、雑音レベルと同等以下に設定される。
【００５１】
多値処理部１１１ｂは、互いに隣接する多値信号レベルを異なる情報データ１０の値（“０”または“１”）に交互に割り当てる。例えば、多値処理部１１１ｂは、図８に示す上側の半分に含まれる多値信号レベルでは、多値符号列１２が奇数の場合には情報データ“０”を、多値符号列１２が偶数の場合には情報データ“１”を割り当てる。また、多値処理部１１１ｂは、図８に示す下側の半分に含まれる多値信号レベルでは、多値符号列１２が奇数の場合には情報データ“１”を、多値符号列１２が偶数の場合には情報データ“０”を割り当てる。言い換えれば、多値処理部１１１ｂは、多値信号の各レベルを“０”と“１”のどちらに対応付けるかは、多値符号列１２の最下位ビットに対応する第１の変調用擬似乱数列３２ａの値によって決定する。このようにすることで、鍵情報を持たない盗聴者が直接データを識別することが不可能となり、盗聴者が盗聴を行うには、まず全ての多値信号レベルの多値判定による鍵情報の特定を試みることを強いられる。
【００５２】
一方、データ受信装置において、受信した多値信号の識別レベルは、第１〜第８の復調用擬似乱数列４２ａ〜ｈの値に基づいて決定される。多値識別部２１２ｂは、受信した多値信号レベルと、多値信号の識別レベルと、第１の復調用擬似乱数列４２ａとの値に基づいて、情報データの値を識別する。
【００５３】
具体的には、多値識別部２１２ｂは、「受信した多値信号レベルが識別レベルよりも大きく、かつ第１の復調用擬似乱数列４２ａの値が“０”の場合」、及び「受信した多値信号レベルが識別レベルよりも小さく、かつ第１の復調用擬似乱数列４２ａの値が“１”の場合」は、情報データの値を“１”と識別する。逆に、多値識別部２１２ｂは、「受信した多値信号レベルが識別レベルよりも大きく、かつ第１の復調用擬似乱数列４２ａの値が“１”の場合」、及び「受信した多値信号レベルが識別レベルよりも小さく、かつ第１の復調用擬似乱数列４２ａの値が“０”の場合」は、情報データの値を“０”と識別する。
【００５４】
なお、図６及び図７の例では、変調用擬似乱数列の数が８の場合を例に説明したが、変調用擬似乱数列の数はこれに限らず任意に設定可能である。
【００５５】
以上のように本実施形態によれば、盗聴者が鍵情報の特定のために多値信号の多値判定を試みた場合、多値信号のステップ幅が雑音レベルと同等以下に設定されているため、第１の実施形態と同様に、多値信号の識別誤りが発生することになる。このために、第２の実施形態に係るデータ通信装置は、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、安全なデータ通信装置を提供することができる。
【００５６】
（第３の実施形態）
第２の実施形態に係るデータ通信装置（図６及び図７参照）は、第１〜第８の変調用擬似乱数列３２ａ〜ｈ、及び多値符号列１２の値を、情報データ１０のビットレートと同じ速度で変化させる必要がある。このとき、擬似乱数系列３１の速度（すなわち、擬似乱数生成部１４１１の乱数生成速度）は、情報データ１０のビットレートと多値符号列１２のビット数との積によって求められる。従って、擬似乱数生成部１４１１の乱数生成速度は、多値符号列１２の多値数の増大に伴って大きくなる。一方、盗聴者の受信ＳＮ比は、多値数を大きくするほど劣化するため、盗聴者に与える識別誤りは、多値数を大きくするほど大きくすることができる。したがって、安全性の観点から多値数を大きくするほど、擬似乱数生成部１４１１に要求される乱数生成速度が大きくなり、このような擬似乱数生成部１４１１の実現が困難になるという課題がある。本実施形態は、このような課題に対処するためのものである。
【００５７】
本発明の第３の実施形態に係るデータ通信装置の全体構成は、図１に示したデータ通信装置と同様であるので説明を省略する。第３の実施形態に係るデータ通信装置は、第２の実施形態と比較して、第１の多値符号発生部１１１ａ及び第２の実施形態２１２ａの構成のみが異なる。以下、第２の実施形態と同一の構成については同一の参照符号を付してその説明を省略し、異なる構成を中心に第３の実施形態に係るデータ通信装置を説明する。
【００５８】
図９は、本発明の第３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である。図９において、第１の多値符号発生部１１１ａは、第１の乱数列発生部１４１と、第１の多値変換部１４２とを有する。第１の乱数列発生部１４１は、擬似乱数生成部１４１１と、シリアル・パラレル変換部１４１２とを持つ。ここでは、多値符号列１２のビット数が８ビット（ｍ＝８）の場合の例を示してある。
【００５９】
第１の多値符号発生部１１１ａにおいて、擬似乱数生成部１４１１は、第２の実施形態（図６参照）と同様に、第１の鍵情報１１に基づいて、２値の擬似乱数系列３１を生成する。シリアル・パラレル変換部１４１２は、擬似乱数系列３１をシリアル・パラレル変換し、第１〜第４の変調用擬似乱数列３２ａ〜ｄとして出力する。ここで、シリアル・パラレル変換部１４１２から出力される変調用擬似乱数列の数は、第１の多値変換部１４２に入力されるビット列（すなわち、入力ビット列）のビット数よりも少なくする。第１〜第４の変調用擬似乱数列３２ａ〜ｄは、第１の多値変換部１４２に入力ビット列の一部として入力される。例えば、図９に示すように、８ビットの入力ビット列のうち、下位２ビットに変調用擬似乱数列３２ａ、ｂが、上位２ビットに変調用擬似乱数列３２ｃ、ｄが入力される。残りの入力ビット列には、固定値が入力される。第１の多値変換部１４２は、入力されたビット列を２m個の多値レベルを有する多値符号列１２に変換し、多値処理部１１１ｂへ出力する。
【００６０】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る第２の多値符号発生部２１２ａの詳細な構成の一例を示すブロック図である。図１０において、第２の多値符号発生部２１２ａは、第２の乱数列発生部２４１と、第２の多値変換部２４２とを有する。第２の乱数列発生部２４１は、擬似乱数生成部２４１１と、シリアル・パラレル変換部２４１２とを持つ。
【００６１】
第２の多値符号発生部２１２ａにおいて、擬似乱数生成部２４１１は、入力された第２の鍵情報２１に基づいて、２値の擬似乱数系列４１を発生し出力する。シリアル・パラレル変換部２４１２は、擬似乱数系列４１をシリアル・パラレル変換し、第１〜第４の復調用擬似乱数列４２ａ〜ｄとして出力する。ここで、シリアル・パラレル変換部２４１２から出力される復調用擬似乱数列の数は、第２の多値変換部２４２に入力されるビット列（すなわち、入力ビット列）のビット数よりも少なくする。シリアル・パラレル変換部２４１２から出力される復調用擬似乱数列の一部は、入力ビット列の一部として第２の多値変換部２４２に入力される。
【００６２】
例えば、図１０に示すように、第３及び第４の復調用擬似乱数列４２ｃ、ｄが、入力ビット列の上位ビットとして、第２の多値変換部２４２に入力される。ここで、復調用擬似乱数列が入力される第２の多値変換部２４２の入力ビット列は、変調用擬似乱数列が入力された第１の多値変換部１４２の入力ビットのうち上位ビットと同じにすることが望ましい。第２の多値変換部２４２の入力ビット列のうち、復調用擬似乱数列が入力されない残りのビット列には、固定値が入力される。第２の多値変換部２４２は、入力ビット列を２m個の多値レベルを有する多値符号列２２に変換し出力する。
【００６３】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係るデータ通信装置で用いられる信号フォーマットを説明する図である。図１１を参照して、第１の多値変換部１４２への入力ビット列のうち４ビットが固定値である場合、多値符号列１２が実際に取り得るレベルの数は１６となる。多値信号レベルは、多値符号列１２と情報データ１０の値（“０”または“１”）とによって決定されるため、多値信号１３が取り得るレベルの数は３２となる。これらのレベルは、それぞれ近い値を持つ４つのレベルからなる８つのグループに分かれる。各グループ内の多値信号のステップ幅は、雑音レベルと同等以下に設定される。さらに、各グループ内の最上位レベルと最下位レベルとの差が、雑音レベルと同等以下であることが望ましい。
【００６４】
また、多値処理部１１１ｂは、各グループ内では、互いに隣接する多値信号レベルを異なる情報データ１０の値（“０”または“１”）に交互に割り当てる。例えば、多値処理部１１１ｂは、図１１に示す上側の半分に含まれる多値信号レベルでは、多値符号列１２が奇数の場合には情報データ“０”を、多値符号列１２が偶数の場合には情報データ“１”を割り当てる。また、多値処理部１１１ｂは、図１１に示す下側の半分に含まれる多値信号レベルでは、多値符号列１２が奇数の場合には情報データ“１”を、多値符号列１２が偶数の場合には情報データ“０”を割り当てる。言い換えれば、多値処理部１１１ｂは、多値信号の各レベルを“０”と“１”のどちらに対応付けるかは、多値符号列１２の最下位ビットに対応する第１の変調用擬似乱数列３２ａの値によって決定する。
【００６５】
一方、データ受信装置において、受信した多値信号の識別レベルは、第３及び第４の復調用擬似乱数列４２ｃ、ｄの値に基づいて決定される。データ受信装置は、識別レベルの決定に際して第１及び第２の復調用擬似乱数列４２ａ、ｂの値も用いても良いが、これらに相当する識別レベルの変動は小さいため、これを無視して識別レベルを決定しても識別後の誤り率は大きく劣化しない。多値識別部２１２ｂは、受信した多値信号レベルと、多値信号の識別レベルと、第１の復調用擬似乱数列４２ａとの値に基づいて、情報データの値を識別する。
【００６６】
具体的には、多値識別部２１２ｂは、「受信した多値信号レベルが識別レベルよりも大きく、かつ第１の復調用擬似乱数列４２ａの値が“０”の場合」、及び「受信した多値信号レベルが識別レベルよりも小さく、かつ第１の復調用擬似乱数列４２ａの値が“１”の場合」は、情報データの値を“１”と識別する。逆に、多値識別部２１２ｂは、「受信した多値信号レベルが識別レベルよりも大きく、かつ第１の復調用擬似乱数列４２ａの値が“１”の場合」、及び「受信した多値信号レベルが識別レベルよりも小さく、かつ第１の復調用擬似乱数列４２ａの値が“０”の場合」は、情報データの値を“０”と識別する。
【００６７】
図９の構成において要求される擬似乱数生成部１４１１の乱数生成速度は、シリアル・パラレル変換部１４１２の出力ビット数（変調用擬似乱数列の数）が４であるため、情報データ１０のビットレートの４倍となり、図６の構成の場合（情報データ１０のビットレートの８倍）と比較すると、擬似乱数生成部１４１１の乱数生成速度を半分に抑えることができる。
【００６８】
なお、識別レベル生成に使用しない第１及び第２の復調用擬似乱数列４２ａ、ｂに相当する多値信号レベルの変動は、識別の際に信号レベルの劣化、すなわちＳＮ比の劣化として影響するが、この劣化したＳＮ比がデータ受信装置１２０１の所要値を満足するように設定しておけば、正規受信者は誤りなく多値信号を識別することができる。すなわち、情報振幅と、復調用擬似乱数列のうち下位ビットに相当する多値信号の変動幅との比は、正規受信者の許容できるＳＮ比よりも大きいという条件を満足するように設定される。正規受信者の許容できるＳＮ比は、正規受信者が必要とするデータのビット誤り率によって決まる。例えば、光通信では一般的に許容ビット誤り率として１０-12以下という値が用いられるが、この場合は許容できるＳＮ比は２３ｄＢ以上となる。
【００６９】
また、図９の例では、第１の多値変換部１４２の入力ビット数が８ビット、変調用擬似乱数列の数が４であり、変調用擬似乱数列が第１の多値変換部１４２の入力ビット列のうち上位２ビット及び下位２ビットに入力される例を示したが、これはあくまで一例である。第１の多値変換部１４２の入力ビット数は任意であり、変調用擬似乱数列及び復調用擬似乱数列の数は、実現可能な乱数生成速度と必要なビットレートとの比に応じて、任意に設定可能である。また、第１の多値変換部１４２の入力ビットの上位ビット及び下位ビットに割り振る変調用擬似乱数列の数は、入力ビット列のうち最下位ビットに、必ずいずれかの変調用擬似乱数列が入力されるという条件さえ満足していれば、任意に設定できる。
【００７０】
以上のように本実施形態によれば、盗聴者が鍵情報の特定のために多値信号の多値判定を試みた場合、同一グループ内の多値信号のステップ幅が雑音レベルと同等以下に設定されているため、第１の実施形態と同様に、多値信号の識別誤りが発生することになる。また、多値信号の信号点配置を適切に設定することにより、擬似乱数発生器に要求される乱数生成速度の上昇を低く抑えつつ、安全性を向上させることができる。このために、第３の実施形態に係るデータ通信装置は、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、安全なデータ通信装置を提供することができる。
【００７１】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係るデータ通信装置の全体構成は、図１に示したデータ通信装置と同様であるので説明を省略する。第４の実施形態に係るデータ通信装置は、第３の実施形態と比較して、第１の多値符号発生部１１１ａの構成のみが異なる。以下、第３の実施形態と同一の構成については同一の参照符号を付してその説明を省略し、異なる構成を中心に第４の実施形態に係るデータ通信装置を説明する。
【００７２】
図１２は、本発明の第４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である。図１２において、第１の多値符号発生部１１１ａは、第１の乱数列発生部１４１と、第１の多値変換部１４２と、物理乱数生成部１４３とを有する。第１の乱数列発生部１４１は、擬似乱数生成部１４１１と、シリアル・パラレル変換部１４１２とを持つ。ここでは、多値符号列１２のビット数が８ビット（ｍ＝８）の場合の例を示してある。本実施形態における第２の多値符号発生部２１２ａは、第２の実施形態と同様に、図７に示す構成である。
【００７３】
続いて、本実施形態に係るデータ通信装置の動作を説明する。擬似乱数生成部１４１１及びシリアル・パラレル変換部１４１２の動作は、第２の実施形態と同様である。物理乱数生成部１４３は、１つまたは複数の物理乱数列を生成し出力する。図１２の例では、物理乱数生成部１４３は、第１〜第４の物理乱数列３３ａ〜ｄを出力する。ここで、シリアル・パラレル変換部１４１２から出力される変調用擬似乱数列３２ａ〜ｄの数は、第１の多値変換部１４２の入力ビット列のビット数よりも少なくする。第１〜第４の変調用擬似乱数列３２ａ〜ｄは、入力ビット列の一部として第１の多値変換部１４２に入力される。残りの入力ビット列には、第１〜第４の物理乱数列３３ａ〜ｄが入力される。第１の多値変換部１４２は、入力ビット列を２m個の多値レベルを有する多値符号列１２に変換し出力する。
【００７４】
図１３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信号フォーマットを説明する図である。図１３に示した信号フォーマットは、図１２に示す第１の多値符号発生部１１１ａの構成に対応している。図１３を参照して、第１の多値符号発生部１１１ａは、多値符号列１２の８ビットのうち、上位２ビットと下位２ビットとを変調用擬似乱数列３２ａ〜ｄで決定し、中間の４ビットを物理乱数列３３ａ〜ｄで決定する。よって、第１〜第４の変調用擬似乱数列３２ａ〜ｄに対応した多値符号列のレベルの数が１６個存在することになる。多値信号のステップ幅は、雑音レベルと同等以下に設定される。また、互いに隣接する多値信号レベルを異なる情報データの値に割り当てる。
【００７５】
一方、データ受信装置において、受信した多値信号の識別レベルは、第２の実施形態と同様、第３及び第４の復調用擬似乱数列４２ｃ、ｄの値に基づいて決定される。多値識別部２１２ｂでは、受信した多値信号レベルと、多値信号の識別レベルと、第１の復調用擬似乱数列４２ａとの値に基づいて、情報データの値を識別する。
【００７６】
具体的には、多値識別部２１２ｂは、「受信した多値信号レベルが識別レベルよりも大きく、かつ第１の復調用擬似乱数列４２ａの値が“０”の場合」、及び「受信した多値信号レベルが識別レベルよりも小さく、かつ第１の復調用擬似乱数列４２ａの値が“１”の場合」は、情報データの値を“１”と識別する。逆に、多値識別部２１２ｂは、「受信した多値信号レベルが識別レベルよりも大きく、かつ第１の復調用擬似乱数列４２ａの値が“１”の場合」、及び「受信した多値信号レベルが識別レベルよりも小さく、かつ第１の復調用擬似乱数列４２ａの値が“０”の場合」は、情報データの値を“０”と識別する。
【００７７】
なお、識別レベル生成に使用しない第１〜第４の物理乱数列に相当する多値信号レベルの変動は、識別の際に信号レベルの劣化、すなわちＳＮ比の劣化として影響するが、この劣化したＳＮ比がデータ受信装置１２０１の所要値を満足するように設定しておけば、正規受信者は誤りなく多値信号を識別することができる。すなわち、情報振幅と、物理乱数列に相当する多値信号の変動幅との比は、正規受信者の許容できるＳＮ比よりも大きいという条件を満足するように設定する必要がある。
【００７８】
ところで、図１２に示す第１の多値符号発生部１１１ａと同様の効果を得られる構成としては、図１４Ａに示す構成も考えられる。図１４Ａは、本発明の第４の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａの他の構成の一例を示すブロック図である。図１４Ａの構成に含まれる機能ブロックとその動作は、基本的に図１２と同じであるが、第１の多値変換部１４２の入力ビット列として、変調用擬似乱数列３２ａ〜ｃ及び物理乱数列３３ａ〜ｂのみならず、固定値が入力されるビット列も存在する点が異なる。図１５に、この構成例における多値信号フォーマットを示す。この場合、第１の多値変換部１４２への入力ビット列のうち２ビットが固定値であるため、多値符号列１２が実際に取り得るレベルの数は６４となる。多値信号のレベルは、多値符号列１２と情報データ１０の値（“０”または“１”）とに対応するため、取り得るレベルの数は１２８となる。これらのレベルは、それぞれ近い値を持つ１６個のレベルからなる８つのグループに分かれる。各グループ内の多値信号のステップ幅は、雑音レベルと同等以下に設定される。また、各グループ内では、互いに隣接する多値信号レベルを異なる情報データの値に割り当てる。一方、識別レベルは図９の場合と同様、第３及び第４の復調用擬似乱数列４２ｃ、ｄの値に基づき決定される。
【００７９】
また、図１２に示す第１の多値符号発生部１１１ａと同様の効果を得られる構成としては、図１４Ｂに示す構成も考えられる。図１４Ｂは、本発明の第４の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａの他の構成の一例を示すブロック図である。図１４Ｂの構成に含まれる機能ブロックとその動作は、基本的に図１２と同じであるが、第１の多値変換部１４２の入力ビット列として、物理乱数列３３ａ〜ｄの代わりに所定の規則に基づいて生成された信号が入力される点が異なる。図１４Ｂに示す例では、所定の規則に基づいて生成された信号として、変調用擬似乱数列３２ａ〜ｃに所定の遅延時間を与えて生成された信号が、第１の多値変換部１４２に入力されている。
【００８０】
なお、図９及び図１０の例では、第１の多値変換部１４２の入力ビット数が８ビット、変調用擬似乱数列及び復調用擬似乱数列の数が４であり、変調用擬似乱数列が第１の多値変換部１４２の入力ビット列のうち上位及び下位２ビットに入力される例を示したが、これはあくまで一例である。第１の多値変換部１４２の入力ビット数は任意であり、変調用擬似乱数列及び復調用擬似乱数列の数は、実現可能な乱数生成速度と必要なビットレートとの比に応じて、任意に設定可能である。また、物理乱数列の数は、第１の多値変換部１４２の入力ビット数と変調用擬似乱数列の数との差以下であれば、任意に設定できる。また、各入力ビット列に変調用擬似乱数列と物理乱数列のいずれを入力するか、あるいは固定値を入力するかの選択は、入力ビット列のうち最下位ビットに、必ず変調用擬似乱数列が入力されるという条件さえ満足していれば、任意に設定できる。
【００８１】
以上のように本実施形態によれば、第３の実施形態よりも取り得る多値信号レベルの数が多いため、盗聴者による多値識別において、誤って識別される可能性のある多値信号レベルの数も多くなり、より盗聴が困難になる。また、第３の実施形態と同様に擬似乱数生成部に要求される乱数生成速度の上昇を低く抑えつつ、安全性を向上させることができる。このために、第３の実施形態に係るデータ通信装置は、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、安全なデータ通信装置を提供することができる。
【００８２】
(第５の実施形態)
本発明の第５の実施形態は、擬似乱数生成速度を一定に保ちつつ、情報データ１０を異なるビットレートで伝送するためのものである。本発明の第５の実施形態に係るデータ通信装置の全体構成は、図１に示したデータ通信装置と同様であるので説明を省略する。第５の実施形態に係るデータ通信装置は、第３の実施形態と比較して、第１の乱数列発生部１４１及び第２の乱数列発生部２４１の構成のみが異なる。以下、第３の実施形態と同一の構成については同一の参照符号を付してその説明を省略し、異なる構成を中心に第５の実施形態に係るデータ通信装置を説明する。
【００８３】
図１６は、本発明の第５の実施形態に係る第１の乱数列発生部１４１の詳細な構成の一例を示すブロック図である。図１６において、第１の乱数列発生部１４１は、擬似乱数生成部１４１１と、第１のスイッチ１４１３と、第１のシリアル・パラレル変換部１４１４と、第２のシリアル・パラレル変換部１４１５と、第２のスイッチ１４１６とを有する。
【００８４】
続いて、本実施形態に係るデータ通信装置の動作を説明する。擬似乱数生成部１４１１は、第２の実施形態と同様に、第１の鍵情報１１に基づいて、２値の擬似乱数系列３１を生成する。第１のスイッチ１４１３は、入力される速度切替信号３６に基づいて、擬似乱数系列３１の出力先を第１のシリアル・パラレル変換部１４１４、又は第２のシリアル・パラレル変換部１４１５のいずれかに切り替える。第１のシリアル・パラレル変換部１４１４は、擬似乱数系列３１をシリアル・パラレル変換し、第１〜第８の変調用擬似乱数列３４ａ〜ｈとして出力する。第１のシリアル・パラレル変換部１４１４から出力される変調用擬似乱数列の数は、第１の多値変換部１４２の入力ビット数と同じである。第２のシリアル・パラレル変換部１４１５は、擬似乱数系列３１をシリアル・パラレル変換し、第１〜第４の変調用擬似乱数列３５ａ〜ｄとして出力する。第２のシリアル・パラレル変換部１４１５から出力される変調用擬似乱数列の数は、第１の多値変換部１４２の入力ビット数より小さくする。
【００８５】
第２のスイッチ１４１６には、第１のシリアル・パラレル変換部１４１４から出力される第１〜第８の変調用擬似乱数列３４ａ〜ｈと、第２のシリアル・パラレル変換部１４１５から出力される第１〜第４の変調用擬似乱数列３５ａ〜ｄとが入力される。第２のスイッチ１４１６は、速度切替信号３６に基づいて、第１のシリアル・パラレル変換部１４１４、あるいは第２のシリアル・パラレル変換部１４１５のどちらかの入力を第１の多値変換部１４２へ出力するかを選択する。ここで、第２のシリアル・パラレル変換部１４１５には、第１〜第４の変調用擬似乱数列３５ａ〜ｄと共に、空いているビットに固定値が入力される。第２の乱数列発生部２４１の構成及び動作は、図示しないが第１の乱数列発生部１４１と同様である。
【００８６】
第１のスイッチ１４１３及び第２のスイッチ１４１６を第１のシリアル・パラレル変換部１４１４側に切り替えた場合、本実施形態に係るデータ通信装置は、第２の実施形態と同様の動作を行う。このときのビットレートは、擬似乱数生成部１４１１における乱数生成速度の１／８である。一方、第１のスイッチ１４１３及び第２のスイッチ１４１６を第２のシリアル・パラレル変換部１４１５側に切り替えた場合、本実施形態に係るデータ通信装置は、第３の実施形態と同様の動作を行う。このときのビットレートは、擬似乱数生成部１４１１における乱数生成速度の１／４である。このように、出力する変調用擬似乱数列の数が異なるシリアル・パラレル変換部を複数用意し、これを切り替えて使用することにより、擬似乱数生成速度が同じでも異なるビットレートに対応することができる。すなわち、変調用擬似乱数列の数とビットレートとの積が擬似乱数生成速度となるため、変調用擬似乱数列の数を切り替えることによりビットレートを可変にすることができる。ただし、図１６に示していない他の全ての構成ブロックは、伝送可能な全ビットレートに対応できるものとする。
【００８７】
なお、図１６の構成例は、あくまでも一例であり、擬似乱数生成速度を一定に保ちつつ、変調用擬似乱数列の数を切り替えることによりビットレートを切り替えることができれば、いかなる構成を用いても構わない。また、切り替えるビットレートの値は２つに限定されず、必要に応じて任意に設定することが可能である。
【００８８】
以上のように本実施形態によれば、擬似乱数生成部の乱数生成速度を一定に保ちつつ、複数のビットレートに対応することが可能となる。
【００８９】
なお、上述した第１〜５の実施形態に係るデータ通信装置は、各実施形態の特徴を互いに組み合わせた構成とすることができるものとする。また、上述した第１〜第５の実施形態に係るデータ送信装置、データ受信装置、及びデータ通信装置が行うそれぞれの処理は、一連の処理手順を与えるデータ送信方法、データ受信方法、及びデータ通信方法としても捉えることができる。
【００９０】
また、上述したデータ通信方法、データ受信方法、及びデータ通信方法は、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等）に格納された上述した処理手順を実施可能な所定のプログラムデータが、ＣＰＵによって解釈実行されることで実現されてもよい。この場合、プログラムデータは、記憶媒体を介して記憶装置内に導入されてもよいし、記憶媒体上から直接実行されてもよい。なお、記憶媒体は、ＲＯＭやＲＡＭやフラッシュメモリ等の半導体メモリ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスクメモリ、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤやＢＤ等の光ディスクメモリ、及びメモリカード等をいう。また、記憶媒体は、電話回線や搬送路等の通信媒体も含む概念である。
【００９１】
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】
【００９２】
本発明に係るデータ通信装置は、盗聴・傍受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】
【００９３】
【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の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１の実施形態に係るデータ通信装置の他の伝送信号品質を説明する模式図
【図６】本発明の第２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７】本発明の第２の実施形態に係る第２の多値符号発生部２１２ａの詳細な構成の一例を示すブロック図
【図８】本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置で用いられる信号フォーマットを説明する図
【図９】本発明の第３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１０】本発明の第３の実施形態に係る第２の多値符号発生部２１２ａの詳細な構成の一例を示すブロック図
【図１１】本発明の第３の実施形態に係るデータ通信装置で用いられる信号フォーマットを説明する図
【図１２】本発明の第４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１３】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信号フォーマットを説明する図
【図１４Ａ】本発明の第４の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａの他の構成の一例を示すブロック図
【図１４Ｂ】本発明の第４の実施形態に係る第１の多値符号発生部１１１ａの他の構成の一例を示すブロック図
【図１５】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他の信号フォーマットを説明する図
【図１６】本発明の第５の実施形態に係る第１の乱数列発生部１４１の詳細な構成の一例を示すブロック図
【図１７】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】
【００９４】
１１０１  データ送信装置
１２０１  データ受信装置
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  変調部
１４１  第１の乱数列発生部
１４１１  擬似乱数生成部
１４１２，１４１４，１４１５  Ｓ／Ｐ変換部
１４１３  第１のスイッチ
１４１５  第２のスイッチ
１４２  第１の多値変換部
１４３  物理乱数生成部
２１１  復調部
２１２  多値復号化部
２１２ａ  第２の多値符号発生部
２１２ｂ  多値識別部
２４１  第２の乱数列発生部
２４１１  擬似乱数列生成部
２４１２  Ｓ／Ｐ変換部
２４２  第２の多値変換部
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
３１  擬似乱数列
３２ａ〜ｈ、３４ａ〜ｈ、３５ａ〜ｄ  変調用擬似乱数
３３ａ〜ｄ  物理乱数列
４２ａ〜ｈ  復調用擬似乱数
【図１】
2007241256.tif 000003
【図２】
2007241256.tif 000004
【図３】
2007241256.tif 000005
【図４】
2007241256.tif 000006
【図５】
2007241256.tif 000007
【図６】
2007241256.tif 000008
【図７】
2007241256.tif 000009
【図８】
2007241256.tif 000010
【図９】
2007241256.tif 000011
【図１０】
2007241256.tif 000012
【図１１】
2007241256.tif 000013
【図１２】
2007241256.tif 000014
【図１３】
2007241256.tif 000015
【図１４Ａ】
2007241256.tif 000016
【図１４Ｂ】
2007241256.tif 000017
【図１５】
2007241256.tif 000018
【図１６】
2007241256.tif 000019
【図１７】
2007241256.tif 000020