JP2007202088A - 受信装置、搬送波周波数オフセット補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】音波で情報をスピーカからマイクロホンへ伝送する音響信号送受信システムにおいて、送信側装置と受信側装置のサンプリング周波数のずれを検出し、受信信号のサンプリング周波数を補正する。
【解決手段】送信側装置では、繰返し周波数が既知な推定用信号（例えば、正弦波信号）を、伝送信号に重畳する。受信側装置では、補正装置１０において、受信信号から上記推定用信号を検出し、検出された周波数推定用信号に基づいて送信側装置と自装置とのサンプリング周波数同士のずれを検出する。そのずれ量から送信側装置と受信側装置とのサンプリング周波数のずれの割合を算出し、そのずれの割合をもとに受信信号をリサンプリングし、サンプリング周波数のずれを補正する。
【選択図】 図１

Description

本発明は受信装置、搬送波周波数オフセット補正方法に関し、特に音波で情報を伝送する音波情報通信に用いる受信装置、搬送波周波数オフセット補正方法に関する。

音波で情報を伝送する通信技術としては、一般的には超音波が用いられるが、可聴音を利用する利点もいくつかある。
まず、オーディオ機器として市販されているスピーカやマイクロホンとして、超音波の再生・録音できるものは少ない。多くの市販オーディオ機器は可聴帯域のみの再生・録音を提供するものであり、可聴音を利用する通信技術には、このような市販オーディオ機器を通信に使えるという利点がある。

また、音波の伝搬については、電磁波の伝搬とは違い、距離減衰だけでなく媒質の粘性による吸収減衰が生じ、この吸収減衰の度合は周波数に比例して大きくなる。したがって、超音波よりも可聴音帯域の音波の方が減衰は少なくなり、通信距離を長くできるという利点がある。
音波で情報を伝送する方式としては、特許文献１や特許文献２がある。可聴音波を利用して通信する場合に、伝送信号の音が人間に聞こえるため、人間にとっては不快な騒音が発生することとなる。そこで、特許文献１では、伝送信号をスペクトル拡散して音声又は音楽に重畳している。この特許文献１に記載された技術では、心理音響モデルを用いて周波数マスキング閾値を計算し、伝送信号に拡散符号系列を乗算して全周波数帯に拡散させた拡散信号をマスキング閾値以下になるようにして重畳している。

また、特許文献２では、可聴音信号と、該可聴音信号とは異なる別の信号とを、電気的に合成し、電気的に合成した信号を外界に音響信号として出力し、その音響信号を受けて、これを合成電気信号に変換し、その合成電気信号から上記別の信号を抽出している。
ところで、音波による情報伝送に市販オーディオ機器を利用する場合、送信装置のＤＡ（Digital-analog）変換と受信装置のＡＤ（analog-Digital）変換とで変換に用いるクロックのずれが生じる。例えば、図１３（ａ）に示されている音響信号送信側装置と、同図（ｂ）に示されている音響信号受信側装置とを用いる場合を考える。同図（ａ）の送信装置では、送信装置２において、送信伝送信号１を音響信号１５に重畳し、送信音響信号３を得る。この送信音響信号３について、ＤＡ変換器４によってアナログ信号に変換後、スピーカ５によって電気信号が音波６に変換され、これが出力される。一方、同図（ｂ）の受信装置では、音波６がマイクロホン７に入力されて電気信号に変換される。この電気信号は、ＡＤ変換器８によってデジタル信号の受信音響信号９に変換される。受信音響信号９は復調装置１２に入力され、復調装置１２から受信伝送信号１３が出力される。

以上のような送信側装置及び受信側装置において、特に直交周波数分割多重方式（Orthogonal Frequency Division Multiplexing；以下、ＯＦＤＭと称する）で情報を伝送する場合には、以下のような問題が生じる。ＯＦＤＭでは周波数間隔を密にサブキャリアを配置しサブキャリアの振幅や位相を変調し情報を伝送する。このため、同図（ａ）の送信側装置と同図（ｂ）の受信側装置との間のクロックの違いによるサンプリング周波数のずれにより、伝送した情報に誤りが生じる。

このことについて、図１４を参照して説明する。同図（ａ）には送信音響信号が、同図（ｂ）には受信音響信号が、それぞれ示されている。両図において、横軸は周波数、縦軸は振幅である。同図（ａ）に示されている送信音響信号のサブキャリアは、破線で示されているサンプリングタイミングと一致している。これに対し、同図（ｂ）に示されている受信音響信号のサブキャリアは、破線で示されているサンプリングタイミングと一致せず、周波数方向に伸縮が起こる現象が生じていることを示している。これにより、位相ずれや、別のサブキャリアからの干渉、別のサブキャリアの復調により、伝送した情報に誤りが生じる。

上記サンプリング周波数のずれは、受信装置をもつ人が動いたり、持つ手が振動したりすることにより、受信装置に搭載されているマイクロホンが動いている場合も生じる。
例えば、図１５に示されているように、静止状態のスピーカ５から周波数ｆｉの入力信号を電気音響変換して出力し、マイクロホン７がスピーカ５の中心軸に沿って、スピーカ５から遠ざかる向きに速度Ｖ０で動いている場合、音速Ｖｓで空気中を伝搬した入力信号は、周波数ｆ０の出力信号として出力される。ここで、出力信号の周波数ｆ０は、ドップラーシフトにより、
ｆ０＝｛（Ｖｓ−Ｖ０）／Ｖｓ｝ｆｉ＝ｆｉ−（Ｖ０／Ｖｓ）ｆｉ
となり、入力信号の周波数ｆｉと周波数（Ｖ０／Ｖｓ）ｆｉのずれが生じる。

ここで、例えば、出力信号を
ｓｉｎ｛２π・ｆ０（ｔ）｝＝ｓｉｎ｛２π・ｆｉ・ｔ−ｚ（ｔ）｝、ｚ（ｔ）を時刻ｔの位相ずれ量と表すことができる。このマイクロホンが動くことにより生じるサンプリング周波数のずれは、マイクロホンをもつ手振れである場合、ランダムであるため、ＤＡ変換器とＡＤ変換器とのサンプリング周波数ずれが機器の組合せが同じ限り一定であることが多いのに較べ、変動が多い。

ところで、電波を用いた無線においても、送信側装置と受信側装置との間でクロックずれの問題が生じることがある。このことについて、図１６を参照して説明する。同図（ａ）には送信側装置の信号が、同図（ｂ）には受信側装置の信号が、それぞれ示されている。両図において、横軸は周波数、縦軸は振幅である。
同図（ａ）、（ｂ）に示されているように、上記クロックずれは、ベースバンドとパスバンドとの間をシフトする際の搬送波の周波数オフセットＦofstに現れる。そして、バンド全体がほぼ一定のオフセットＦofstで周波数方向にずれ、サブキャリアの周波数間隔はほぼ一定である。そのため、搬送波周波数のオフセットＦofstの量を検出し、既知の搬送波周波数と上記オフセットとを足した量で、パスバンド全体をシフトすれば、ベースバンドに戻りクロックずれの問題を解決することができる。
国際公開第０２／４５２８６号パンフレット 特開２００１−１４８６７０号公報

図１４を参照して説明したように、上記の音波で情報を伝送する方式においては、送信側装置と受信側装置との間のクロックの違いにより、サンプリング周波数のずれが生じる。またマイクロホンが動くことにより、ドップラーシフトが生じ、送信信号と受信信号との間にサンプリング周波数のずれが生じる。これらのサンプリング周波数のずれにより、復号誤りを生じるという問題がある。この問題については、特許文献１、特許文献２や、図１６を参照して説明した方法では解決することができない。
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は送信信号と受信信号との間のサンプリング周波数のずれを検出して補正し、復号誤りを減少させることのできる受信装置、搬送波周波数オフセット補正方法を提供することである。

本発明の請求項１による受信装置は、繰返し周波数が既知な推定用信号が重畳された音波の伝送信号を受信する受信装置であって、前記伝送信号に重畳された周波数推定用信号を検出する推定用信号検出手段と、前記推定用信号検出手段によって検出された周波数推定用信号に基づいて前記伝送信号の送信側装置と自装置とのサンプリング周波数同士のずれを検出する周波数ずれ検出手段とを含み、前記周波数ずれ検出手段によって検出されたサンプリング周波数のずれを補正するようにしたことを特徴とする。送信側装置で送信伝送信号に既知の周波数の推定用信号を挿入し、音波で送信音響信号を出力し、音響信号の受信側装置で音波を受信して受信音響信号とし、推定用信号の周波数または位相に基づいて送信側装置と受信側装置のサンプリング周波数のずれを検出し、補正することにより、復号誤りを減少させることができる。

本発明の請求項２による受信装置は、請求項１において、前記伝送信号は、前記送信側装置において直交周波数分割多重されて送信された信号であり、
前記周波数推定用信号は、フレーム間で位相が連続になるサブキャリアに配置された信号であることを特徴とする。ＯＦＤＭで情報を伝送する方式において、上記推定用信号の周波数をＯＦＤＭのサブキャリアの中から選択することで、推定用信号の生成と加算の計算量を削減できる。

本発明の請求項３による受信装置は、請求項２において、前記直交周波数分割多重のためのサブキャリアにおいて、前記周波数推定用信号の近傍のサブキャリアについての振幅が零に設定されていることを特徴とする。パラレル変換された送信伝送信号をＯＦＤＭのフレームのサブキャリアに配置する際、推定用信号の周波数に周波数が近い部分には配置せずに、推定用信号の周波数に周波数が近いサブキャリアは振幅を０（零）に設定することで、推定用信号の周波数付近でのキャリア間で干渉しあうのを防ぐことができる。

本発明の請求項４による受信装置は、請求項１から請求項３までのいずれか１項において、前記周波数ずれ検出手段は、受信された信号をフーリエ変換し、このフーリエ変換されたサブキャリアの中心周波数のずれに基づいて前記サンプリング周波数同士のずれを検出することを特徴とする。分析する時間長を長くすることで周波数分解能を高めるために、ＯＦＤＭで情報を伝送する場合において、複数のフレームを連結した信号をフーリエ変換し、サブキャリアの中心周波数のずれから推定用信号の周波数ずれを検出し、送信装置と受信装置のサンプリング周波数同士のずれを検出できる。

本発明の請求項５による受信装置は、請求項１から請求項３までのいずれか１項において、前記周波数ずれ検出手段は、受信された信号をＦＭ復調し、各サンプリング点における前記サンプリング周波数同士のずれを検出することを特徴とする。受信した推定用信号をＦＭ復調することで、各サンプリング時間における推定用信号の周波数シフトの割合を算出できる。

本発明の請求項６による受信装置は、請求項１から請求項５までのいずれか１項において、前記周波数ずれ検出手段によって検出されたサンプリング周波数のずれの割合の逆数で前記伝送信号をリサンプリングするリサンプリング手段を更に含むことを特徴とする。送信側装置と受信側装置とのサンプリング周波数ずれの割合に基づいてリサンプリングすることにより、受信音響信号のサンプリング周波数を送信音響信号のサンプリング周波数に近づけることができる。

本発明の請求項７による受信装置は、請求項６において、前記リサンプリング手段は、伝送信号について２倍にアップサンプリングし、ハーフバンド・ローパスフィルタによって補間処理し、更にＳｉｎｃ補間処理後にリサンプリングすることを特徴とする。このようにリサンプリング処理すれば、計算量を低減することができる。
本発明の請求項８による受信装置は、請求項１から請求項７までのいずれか１項において、前記リサンプリング手段は、サンプリング点ごとにピッチを変換してリサンプリングすることを特徴とする。伝送信号のサンプリング点ごとにピッチを変換してサンプリングをすることにより、各サンプリング時間で受信音響信号のサンプリング周波数を送信音響信号のサンプリング周波数に近づけることができる。

本発明の請求項９による搬送波周波数オフセット補正方法は、繰返し周波数が既知な周波数推定用信号が重畳された音波の伝送信号を受信して補正する搬送波周波数オフセット補正方法であって、前記伝送信号に重畳された周波数推定用信号を検出する検出ステップと、前記検出ステップにおいて検出された周波数推定用信号に基づいて前記伝送信号の送信側装置と受信側装置とのサンプリング周波数同士のずれを検出する周波数ずれ検出ステップと、周波数ずれ検出ステップにおいて検出されたサンプリング周波数のずれの割合の逆数で前記伝送信号をリサンプリングするリサンプリングステップとを含むことを特徴とする。送信側装置で送信伝送信号に既知の周波数の推定用信号を挿入し、音波で送信音響信号を出力し、音響信号の受信側装置で音波を受信して受信音響信号とし、推定用信号の周波数に基づいて送信側装置と受信側装置のサンプリング周波数のずれを検出し、補正することにより、復号誤りを減少させることができる。

以上説明したように本発明は、送信側装置で送信伝送信号に既知の周波数の推定用信号を挿入し、音波で送信音響信号を出力し、音響信号の受信側装置で音波を受信して受信音響信号とし、推定用信号の周波数に基づいて送信側装置と受信側装置のサンプリング周波数のずれを検出し、補正することにより、復号誤りを減少させることができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等部分は同一符号によって示されている。
（システムの構成例）
本発明の実施形態による受信装置を用いた音響信号送受信システムの構成例が図１に示されている。同図を参照すると、音響信号送受信システムは、同図（ａ）に示されている送信側装置と、同図（ｂ）に示されている受信側装置とによって構成されている。

同図（ａ）の送信側装置は、送信伝送信号１と既知の周波数の正弦波信号（以下、推定用正弦波と称する）の周波数１４と音響信号１５とを入力し送信音響信号３を出力する送信装置２と、送信音響信号３をＤＡ変換しアナログ信号を出力するＤＡ変換器４と、アナログ信号となった送信音響信号を音波６に変換して再生するスピーカ５とを含んで構成されている。

一方、同図（ｂ）の受信側装置は、音波６を電気信号に変換し出力するマイクロホン７と、電気信号に変換された音波をデジタル信号にサンプリングし受信音響信号９を出力するＡＤ変換器８と、受信音響信号９と推定用正弦波の周波数１４とに基づいてサンプリング周波数を補正し補正音響信号１１を出力する補正装置１０と、補正音響信号１１を復調し受信伝送信号１３を出力する復調装置１２とを含んで構成されている。
（送信装置の構成例）
図１（ａ）中の送信装置２の構成例が図２に示されている。同図を参照すると、送信装置２は、入力される送信伝送信号１を２値に変換する多値変調部２４と、シリアル信号をパラレル信号に変換するＳ／Ｐ変換部２５と、ＯＦＤＭのサブキャリアの中から信号の選択を行う選択部２０２と、推定用正弦波とこの推定用正弦波の周波数付近のサブキャリアの振幅調整を行う振幅調整部２０３と、Ｓ／Ｐ変換部２５の出力と振幅調整部２０３の出力とを加算または乗算する加算部２０４ａ〜２０４ｄとを含んで構成されている。

また、送信装置２は、推定用正弦波が重畳されたフレーム２０５について高速逆フーリエ変換を行うＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform）部２６と、フレーム後方のガード時間分の信号を複製し、フレーム前方に連結するガード時間信号生成部２７と、フレームの実部を出力する実数化部２８と、フレーム同期信号を生成して付加するフレーム同期信号生成部２９と、パラレル信号をシリアル信号に変換するＰ／Ｓ変換部２０１と、音響信号１５とＰ／Ｓ変換部２０１の出力とを加算する加算部２０６とを含んで構成されている。

このような構成において、サンプリング周波数の推定用正弦波の周波数１４は、選択部２０２に入力される。選択部２０２では、サンプリング周波数ずれを補正するための周波数が選択される。具体的には、図３に示されているようになる。同図にはＯＦＤＭのフレームと推定用正弦波２３とが示されている。同図において、ＯＦＤＭのフレーム間で推定用正弦波２３が連続するように、ＯＦＤＭのサブキャリアの中から、
（ＯＦＤＭのサンプリング周波数）／（ガード時間サンプル数）
の整数倍の周波数の正弦波信号が選択される。つまり、周波数推定用信号である推定用正弦波２３は、１つ又は複数のフレーム間で時間波形が連続になるように、フレーム間で位相が連続になるサブキャリアに配置された信号である。このような整数倍の周波数のサブキャリアが選択されることにより、推定用正弦波の生成と加算の計算量とを削減できる。

図２に戻り、選択された推定用正弦波の周波数１４’に基づいて振幅調整部２０３により、推定用正弦波と前記推定用正弦波の周波数付近のサブキャリアの振幅が調整される。この際、人の聴覚特性に基づいて、選択部２０２で周波数を選択したり、振幅調整部２０３で振幅を調整したりしてもよい。
送信伝送信号１を、多値変調部２４で２値に変換し、Ｓ／Ｐ変換部２５でシングルストリームをパラレルストリームに変換する。そして、ＯＦＤＭのフレーム２０５に分割してサブキャリアに配置し、振幅調整部２０３で振幅調整した推定用正弦波もＯＦＤＭのフレーム２０５のサブキャリアに配置する。

ここで、ＯＦＤＭのフレーム２０５のサブキャリアにＳ／Ｐ変換された送信伝送信号を配置する際、推定用正弦波付近でのキャリア間で干渉しあうのを防ぐように配慮する。例えば、図４に示されているように、推定用正弦波２３の周波数に周波数が近い部分には配置せずに、推定用正弦波２３の周波数に周波数が近いサブキャリアは同図中の破線で示されているように振幅を０に設定することで、干渉を防いでもよい。

図２に戻り、ＩＦＦＴ部２６で、ＯＦＤＭの各フレーム２０５を高速逆フーリエ変換し、時間領域の信号に変換する。ガード時間信号生成部２７では、高速逆フーリエ変換された信号の各フレームにおいて、フレーム後方のガード時間分の信号を複製し、フレーム前方に連結する。ガード時間分の信号を連結することにより、反射波等のマルチパス干渉を回避することができる。実数化部２８では、各フレームの実部を出力する。

フレーム同期信号生成部２９では、Ｍ系列符号で変調した擬似ノイズ信号（以下、ＰＮ（Pseudorandom Noise）信号と称する）を伝送用周波数帯域ではない周波数帯域にフレーム同期信号として生成し、実数化部２８の出力信号の１つか複数フレームおきに足し合わせる。そして、Ｐ／Ｓ変換部２０１でパラレルストリームからシリアルストリームに変換する。この変換後のシリアルストリームに加算部２０６において音響信号１５を足し合わせ、送信音響信号３として出力する。

ここで、送信音響信号３の周波数振幅分布の一例が図５（ａ）に示されている。同図を参照すると、サブキャリアがＯＦＤＭのサンプリング周波数間隔Ｆの整数倍の間隔で配置され、推定用正弦波もＯＦＤＭのサンプリング周波数間隔Ｆの整数倍の周波数に配置されている。ＰＮ信号は伝送用のサブキャリアが配置されていない周波数帯域に配置されている。
なお、本例では、周波数推定用信号に、正弦波を用いているが、これに限定されず、繰返し周波数が既知な推定用信号を用いることができる。

（システム全体の動作）
図１に戻り、上記送信音響信号３はＤＡ変換器４でアナログ信号に変換され、スピーカ５で電気音響変換し空気中に音波６を送信する。空気中を伝搬した音波６を、マイクロホン７で音響信号を電気信号に変換する。変換された電気信号は、ＡＤ変換器８でＡＤ変換され、デジタル信号の受信音響信号９となる。この受信音響信号９は、補正装置１０に入力される。補正装置１０には、推定用正弦波の周波数１４も入力されている。

受信音響信号９は、ＤＡ変換器４とＡＤ変換器８とのクロックの周波数がずれている場合、例えば、図５（ｂ）に示されているような、周波数振幅分布をしている。このような周波数振幅分布の場合、同図（ａ）の送信音響信号３に較べて、全体が周波数方向に伸縮が生じ、サブキャリアも推定用正弦波２３も周波数方向にずれている。このように周波数方向に伸縮が生じている周波数振幅分布について、補正装置１０において補正することによって、同図（ｃ）に示されているような、補正音響信号１１を得る。

（補正装置の構成例）
図１中の補正装置１０の構成例が図６に示されている。同図を参照すると、補正装置１０は、リサンプル部１０１と、高速フーリエ変換を行うＦＦＴ（Fast Fourier Transform）部１０２と、推定用正弦波の受信周波数を同定する周波数同定部１０３と、サンプリング周波数ずれの割合を算出するずれ割合算出部１０４とを含んで構成されている。
リサンプル部１０１は、２倍アップサンプリング部１０５と、ハーフバンドＬＰＦ（half band Low Pass Filter）１０６と、Ｓｉｎｃ関数補間部１０７と、サンプリング部１０８とを含んで構成されている。

このような構成において、補正装置１０では、受信音響信号９について、推定用正弦波の開始点よりあとから２の累乗サンプル分取り出し、ＦＦＴ部１０２で高速フーリエ変換し、周波数領域の信号にする。そして、推定用正弦波の受信周波数の周波数同定部１０３で、推定用正弦波の周波数１４の近くの上下の周波数から最大振幅を示す周波数を検出し、図５（ｂ）に示されているように、推定用正弦波の受信周波数１６を同定する。そして、ずれ割合算出部１０４において、
（推定用正弦波の受信周波数１６）／（推定用正弦波の周波数１４）
により、サンプリング周波数ずれの割合１０９を導出する。

リサンプル部１０１は、受信音響信号９について、サンプリング周波数ずれの割合１０９の逆数でリサンプルし、補正音響信号１１として出力する。
ここで、リサンプル部１０１は、例えば、２倍アップサンプリング部１０５において受信音響信号９を２倍にアップサンプリングし、ハーフバンドＬＰＦ１０６においてハーフバンドローパスフィルタの畳み込みを行い、Ｓｉｎｃ関数補間部１０７においてＳｉｎｃ関数で補間する。補間された信号について、サンプリング部１０８において、サンプリング周波数ずれの割合１０９に基づいてサンプリングし、補正音響信号１１を得る。
この補正音響信号１１は、図１（ｂ）中の復調装置１２に入力され、ＯＦＤＭの復調が行われる。これにより、復調装置１２からは、受信伝送信号１３が出力される。
なお、補正装置１０において、受信音響信号９に上記ＰＮ信号を畳み込みながら、ピークを探索することで、フレーム同期し、正弦波の開始点を探索してもよい。

（送信側の処理）
上述した音響信号送受信システムの送信側装置の動作について、図７のフローチャートを参照して更に説明する。
送信側装置では、まず、多値変調部２４により、入力される送信伝送信号を２値に変換する（ステップＳ１０１）。次に、Ｓ／Ｐ変換部２５により、シリアル信号をパラレル信号に変換する（ステップＳ１０２）。そして、変換後のパラレル信号に振幅調整された推定用正弦波が重畳され、フレームが得られる（ステップＳ１０３）。

さらに、推定用正弦波が重畳されたフレームについてＩＦＦＴが実施された後（ステップＳ１０４）、フレーム後方のガード時間分の信号が複製され、フレーム前方に連結される（ステップＳ１０５）。次に、実数化部２８からフレームの実部が出力され（ステップＳ１０６）、フレーム同期信号生成部２９で生成されたフレーム同期信号が、足し合わされる（ステップＳ１０７）。そして、Ｐ／Ｓ変換部２０１でパラレルストリームからシリアルストリームに変換される（ステップＳ１０８）。この変換後のシリアルストリームは、加算部２０６において音響信号に重畳され、送信音響信号として出力される（ステップＳ１０９）。
出力された送信音響信号はＤＡ変換器によってアナログ信号に変換され（ステップＳ１１０）、スピーカから音波が出力される（ステップＳ１１１）。

（受信側の処理）
上述した音響信号送受信システムの受信側装置の動作について、図８のフローチャートを参照して更に説明する。
受信側装置では、マイクロホン７に音波が入力されると、アナログの電気信号に変換される（ステップＳ２０１）。この電気信号は、ＡＤ変換器８によってデジタル信号に変換され、推定用正弦波の周波数と共に補正装置１０に入力される（ステップＳ２０２）。

補正装置１０では、受信音響信号についてＦＦＴが実施された後（ステップＳ２０３）、推定用正弦波の周波数の近傍の上下の周波数から最大振幅を示す周波数を検出し、推定用正弦波の受信周波数を同定する（ステップＳ２０４）。そして、ずれ割合算出部１０４において、サンプリング周波数ずれの割合が導出される（ステップＳ２０５）。このサンプリング周波数ずれの割合に基づいて、リサンプル部は、受信音響信号について、サンプリング周波数ずれの割合の逆数でリサンプルし、補正音響信号として出力する（ステップＳ２０６）。この補正音響信号は、復調装置１２に入力されＯＦＤＭの復調が実施され、復調装置１２からは、受信伝送信号が出力される（ステップＳ２０７）。

（他の実施例１）
他の音響信号送受信システムの構成例について説明する。本例では、図９に示されている送信装置２を用いる。すなわち、送信装置２は、同図のように、推定用正弦波の周波数１４の推定用正弦波２３を生成する正弦波発振器２１と、送信伝送信号１を変調する変調装置２２と、変調された信号と推定用正弦波２３と音響信号１５と足し合わせる加算部２０７とを含んで構成され、送信音響信号３を出力する。

その他の構成は図１を参照して説明したシステムと同様であり、同図（ａ）の送信側装置と、同図（ｂ）の受信側装置とによって音響信号送受信システムが構成される。すなわち、送信側装置は、送信伝送信号１と推定用正弦波の周波数１４と音響信号１５とを入力し送信音響信号３を出力する送信装置２と、送信音響信号３をＤＡ変換しアナログ信号を出力するＤＡ変換器４と、アナログ信号となった送信音響信号を音波６に変換して再生するスピーカ５とを含んで構成されている。一方、受信側装置は、音波６を電気信号に変換し出力するマイクロホン７と、電気信号に変換された音波をデジタル信号にサンプリングし受信音響信号９を出力するＡＤ変換器８と、受信音響信号９と推定用正弦波の周波数１４とに基づいてサンプリング周波数を補正し補正音響信号１１を出力する補正装置１０と、補正音響信号１１を復調し受信伝送信号１３を出力する復調装置１２とを含んで構成されている。
各部の動作等については、既に説明した内容と同様であるため、その説明を省略する。

（他の実施例２）
他の音響信号送受信システムの構成例について説明する。本例では、図１０に示されている補正装置１０を用いる。同図を参照すると、補正装置１０は、リサンプル部１０１と、バンドパスフィルタを畳み込むＢＰＦ（band Pass Filter）１１０と、ＦＭ（Frequency Modulation）復調を行うＦＭ復調部１１１と、サンプリング周波数ずれの割合を算出するずれ割合算出部１０４とを含んで構成されている。

リサンプル部１０１は、２倍アップサンプリング部１０５と、ハーフバンドＬＰＦ（half band Low Pass Filter）１０６と、Ｓｉｎｃ関数補間部１０７と、サンプリング部１０８とを含んで構成されている。
このような構成において、補正装置１０では、受信音響信号９について、ＢＰＦ１１０で、バンドパスフィルタを畳み込むことで．推定用正弦波の周波数ｆｉ近辺の周波数帯域を抽出し、音源や環境に含まれる雑音を低減し、ＦＭ復調部１１１に入力する。
ＦＭ復調部１１１において、ＢＰＦ１１０の出力信号を，推定用正弦波周波数（１４）ｆｉ［Ｈｚ］でＦＭ復調し、位相ずれ量ｚ（ｔ）を出力し、ずれ割合算出部１０４に入力する。ここでｔは時刻である。

ずれ割合算出部１０４において、サンプリング周波数のずれ割合１０９を導出し、リサンプル部１０１に入力する。推定用正弦波の周波数（１４）ｆｉ［Ｈｚ］の２π［radian］は、（サンプリング周波数ｆｓ[Ｈｚ]）÷（推定用正弦波の周波数ｆｉ［Ｈｚ］）［sample］である。したがって、各時刻ｔで周波数ｆｉの推定用正弦波は、１サンプルあたり、ｚ（ｔ）・ｆｓ／（ｆｉ・２π）［sample］の割合でサンプリング間隔のずれが生じていると導出する。このサンプリング間隔のずれの導出は、ドップラーシフトだけでなく、送受信機間のサンプリングクロック周波数のずれの検出にも適用できる。このサンプリング周波数ずれの割合１０９をリサンプル部１０１に入力する。

リサンプル部１０１は、受信音響信号９の各サンプリング点について、サンプリング周波数ずれの割合１０９の逆数でリサンプルし、補正音響信号１１として出力する。
ここで、リサンプル部１０１は、例えば、２倍アップサンプリング部１０５において受信音響信号９を２倍にアップサンプリングし、ハーフバンドＬＰＦ１０６による畳み込みを行い、Ｓｉｎｃ関数補間部１０７においてＳｉｎｃ関数で補間する。補間された信号について，サンプリング部１０８において、サンプリング周波数ずれの割合１０９に基づいてサンプリングし、補正音響信号１１を得る。
この補正音響信号１１は、図１（ｂ）中の復調装置１２に入力され、ＯＦＤＭの復調が行われる。これにより、復調装置１２からは、受信伝送信号１３が出力される。

その他の構成は図１を参照して説明したシステムと同様であり、同図（ａ）の送信側装置と、同図（ｂ）の受信側装置とによって音響信号送受信システムが構成される。すなわち、送信側装置は、送信伝送信号１と推定用正弦波の周波数１４と音響信号１５とを入力し送信音響信号３を出力する送信装置２と、送信音響信号３をＤＡ変換しアナログ信号を出力するＤＡ変換器４と、アナログ信号となった送信音響信号を音波６に変換して再生するスピーカ５とを含んで構成されている。

一方、受信側装置は、音波６を電気信号に変換し出力するマイクロホン７と、電気信号に変換された音波をデジタル信号にサンプリングし受信音響信号９を出力するＡＤ変換器８と、受信音響信号９と推定用正弦波の周波数１４とに基づいてサンプリング周波数を補正し補正音響信号１１を出力する補正装置１０と、補正音響信号１１を復調し受信伝送信号１３を出力する復調装置１２とを含んで構成されている。

（受信側の処理）
上述した音響信号送受信システムの受信側装置の動作について、図１１のフローチャートを参照して更に説明する。
受信側装置では、マイクロホン７に音波が入力されるとアナログの電気信号に変換される（ステップＳ２０１）。この電気信号は、ＡＤ変換器８によってデジタル信号に変換され、推定用正弦波の周波数と共に補正装置１０に入力される（ステップＳ２０２）。

補正装置１０では、受信音響信号について、推定用正弦波の周波数付近の周波数帯域を通すバンドパスフィルタが畳み込まれる（ステップＳ２０２’）。このバンドパスされた信号は、推定用正弦波の周波数を搬送波としてＦＭ復調が実施される（ステップＳ２０３’）。ずれ割合算出部１０４において、サンプリング周波数ずれの割合が導出される（ステップＳ２０５）。このサンプリング周波数ずれの割合に基づいて、リサンプル部は、受信音響信号について、サンプリング周波数ずれの割合の逆数でリサンプルし，補正音響信号として出力する（ステップＳ２０６）。この補正音響信号は、復調装置１２に入力されＯＦＤＭの復調が実施され、復調装置１２からは、受信伝送信号が出力される（ステップＳ２０７）。（搬送波周波数オフセット補正方法）

上述した音響信号送受信システムにおいては、繰返し周波数が既知な周波数推定用信号が重畳された音波の伝送信号を受信して補正する、搬送波周波数オフセット補正方法が実現されている。これについて、図１２のフローチャートを参照して説明する。同図において、受信側装置では、送信側装置からの伝送信号に重畳された周波数推定用信号を検出する（ステップＳ３０１）。次に、ステップＳ３０１において検出された周波数推定用信号に基づいて伝送信号の送信側装置と受信側装置とのサンプリング周波数同士のずれを検出する（ステップＳ３０２）。そして、ステップＳ３０２において検出されたサンプリング周波数のずれの割合の逆数で伝送信号をリサンプリングする（ステップＳ３０３）。

以上のような搬送波周波数オフセット補正方法では、送信側装置で送信伝送信号に既知の周波数の推定用信号を挿入し、音波で送信音響信号を出力し、音響信号の受信側装置で音波を受信して受信音響信号とし、推定用信号の周波数に基づいて送信側装置と受信側装置のサンプリング周波数のずれを検出し、補正することにより、復号誤りを減少させることができる。

本発明は、音波で情報を伝送する音波情報通信に利用することができる。

本発明の実施形態による受信装置を用いた音響信号送受信システムの構成例を示すブロック図であり、（ａ）は送信側装置、（ｂ）は受信側装置である。 図１（ａ）中の送信装置の構成例を示すブロック図である。 ＯＦＤＭのフレーム間での推定用正弦波を示す波形図である。 ＯＦＤＭのサブキャリア振幅調整の概要を示す波形図である。 本発明の実施形態による受信装置を用いた音響信号送受信システムによる補正方法の概要を示す波形図であり、（ａ）は送信音響信号の周波数振幅分布の一例、（ｂ）はクロックの周波数がずれた受信音響信号の周波数振幅分布の一例、（ｃ）は補正された信号である補正音響信号を示す図である。 図１中の補正装置の構成例を示すブロック図である。 音響信号送受信システムの送信側装置の動作例を示すフローチャートである。 音響信号送受信システムの受信側装置の動作例を示すフローチャートである。 他の音響信号送受信システムに用いる送信装置の構成を示すブロック図である。 図１中の補正装置の構成例を示すブロック図である。 音響信号送受信システムの受信側装置の動作例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態による搬送波周波数オフセット補正方法を示すフローチャートである。 音響信号送受信システムの従来例を示すブロック図であり、（ａ）は送信側装置、（ｂ）は受信側装置である。 送信側装置と受信側装置との間のクロックの違いによるサンプリング周波数ずれを示す模式図であり、（ａ）は送信音響信号の周波数振幅分布の一例、（ｂ）は受信音響信号の周波数振幅分布の一例を示す図である。 スピーカとマイクロホンとを用いた情報伝送の場合において、周波数ｆｉの入力信号が、静止状態のスピーカから音波に変換されて出力され、音速Ｖｓで伝搬し、スピーカの中心軸上を速度Ｖ０でスピーカから遠ざかっているマイクロホンで計測された出力信号の周波数ｆｏに、ドップラーシフトが生じることを示す図である。 電波を用いた無線伝送の場合において、送信側装置と受信側装置との間のクロックずれの問題を解消する方法の概要を示す図であり、（ａ）は送信側装置の信号、（ｂ）は受信側装置の信号を示す図である。

符号の説明

２ 送信装置
４ ＤＡ変換器
５ スピーカ
７ マイクロホン
８ ＡＤ変換器
１０ 補正装置
１２ 復調装置
２１ 正弦波発振器
２２ 変調装置
２４ 多値変調部
２５ Ｓ／Ｐ変換部
２６ ＩＦＦＴ部
２７ ガード時間信号生成部
２８ 実数化部
２９ フレーム同期信号生成部
１０１ リサンプル部
１０２ ＦＦＴ部
１０３ 周波数同定部
１０４ ずれ割合算出部
１０５ ２倍アップサンプリング部
１０６ ハーフバンドＬＰＦ
１０７ Ｓｉｎｃ関数補間部
１０８ サンプリング部
１１０ ＢＰＦ
１１１ ＦＭ復調部
２０１ Ｐ／Ｓ変換部
２０２ 選択部
２０３ 振幅調整部
２０４ａ〜２０４ｄ、２０６、２０７ 加算部

Claims (9)

1. 繰返し周波数が既知な推定用信号が重畳された音波の伝送信号を受信する受信装置であって、前記伝送信号に重畳された周波数推定用信号を検出する推定用信号検出手段と、前記推定用信号検出手段によって検出された周波数推定用信号に基づいて前記伝送信号の送信側装置と自装置とのサンプリング周波数同士のずれを検出する周波数ずれ検出手段とを含み、前記周波数ずれ検出手段によって検出されたサンプリング周波数のずれを補正するようにしたことを特徴とする受信装置。
2. 前記伝送信号は、前記送信側装置において直交周波数分割多重されて送信された信号であり、
   前記周波数推定用信号は、フレーム間で位相が連続になるサブキャリアに配置された信号であることを特徴とする請求項１記載の受信装置。
3. 前記直交周波数分割多重のサブキャリアにおいて、前記周波数推定用信号の近傍のサブキャリアについての振幅が零に設定されていることを特徴とする請求項２記載の受信装置。
4. 前記周波数ずれ検出手段は、受信された信号をフーリエ変換し、このフーリエ変換されたサブキャリアの中心周波数のずれに基づいて前記サンプリング周波数同士のずれを検出することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の受信装置。
5. 前記周波数ずれ検出手段は、受信された信号をＦＭ復調し、各サンプリング点における前記サンプリング周波数同士のずれを検出することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の受信装置。
6. 前記周波数ずれ検出手段によって検出されたサンプリング周波数のずれに基づいて前記伝送信号をリサンプリングするリサンプリング手段を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の受信装置。
7. 前記リサンプリング手段は、伝送信号について２倍にアップサンプリングし、ハーフバンド・ローパスフィルタによって補間処理し、更にＳｉｎｃ補間処理後にリサンプリングすることを特徴とする請求項６記載の受信装置。
8. 前記リサンプリング手段は、サンプリング点ごとにピッチを変換してリサンプリングすることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の受信装置。
9. 繰返し周波数が既知な周波数推定用信号が重畳された音波の伝送信号を受信して補正する搬送波周波数オフセット補正方法であって、前記伝送信号に重畳された周波数推定用信号を検出する検出ステップと、前記検出ステップにおいて検出された周波数推定用信号に基づいて前記伝送信号の送信側装置と受信側装置とのサンプリング周波数同士のずれを検出する周波数ずれ検出ステップと、周波数ずれ検出ステップにおいて検出されたサンプリング周波数のずれの割合の逆数で前記伝送信号をリサンプリングするリサンプリングステップとを含むことを特徴とする搬送波周波数オフセット補正方法。

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