JP2014220741A - 通信システム、復調装置及び変調信号生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】符号系列の相関値のピークの検出精度を向上させる。【解決手段】送信装置１０は、同一の符号系列をデータ符号で変調して、ダミーシンボルＡ、測距シンボルＡ、測距シンボルＢ及びダミーシンボルＢを時間軸上に順に配置した変調信号を生成して放音する。受信装置２０において媒質中を伝搬した変調信号を収音すると、整合フィルタは、所定のサンプリング周波数で、この変調信号に対して符号系列の相関を取って、第１の相関値を順次算出する。受信装置２０では、第１の相関値と、第１の相関値に測距シンボルＡのシンボル期間分の時間遅延を与えた第２の相関値とを乗算して、反射音等を原因として現れた相関値のピークのレベルを低く抑圧し、測距シンボルに対応する相関値のピークを強調し検出する。受信装置２０は、相関値のピークの検出結果に基づいて媒質中での変調信号の伝搬時間を測定し、送信装置１０と受信装置２０との間の距離を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、符号系列の相関を検出する技術に関する。

スペクトラム拡散通信を行う通信システムでは、スペクトラム拡散信号（変調信号）と拡散符号の相関値を算出し、相関ピークの検出結果に基づいてデータを復調する。特許文献１は、変調信号を含む音響信号に対し、ＨＰＦ（High-pass Filter）を用いてフィルタ処理を行ってから、変調信号と拡散符号との相関を検出することを開示している。

特開２００９−１１５７３５号公報

特許文献１に記載の発明では、音響信号に拡散符号を重畳させるため、例えば、広帯域ノイズが発生しやすい環境下や反射音（残響）が多い環境下では、これら広帯域ノイズ等の外乱の影響を受けて相関値のピークのレベルが低下することがある。
そこで、本発明の目的は、符号系列の相関値のピークの検出精度を向上させることである。

上述した課題を解決するため、本発明の通信システムは、同一の符号系列を変調して生成された第１のシンボル及び第２のシンボルをそれぞれ時間軸上に順に配置した変調信号を生成し、生成した当該変調信号を放音する放音制御部と、前記放音制御部により放音された前記変調信号を取得する取得部と、所定のサンプリング周波数で、前記取得部が取得した変調信号と前記符号系列との相関を取って、第１の相関値を順次算出する相関検出部と、前記相関検出部から供給される第１の相関値と、前記第１の相関値に前記第１のシンボルの開始時点から前記第２のシンボルの開始時点までの時間分の時間遅延を与えた第２の相関値とを乗算する乗算部と、前記乗算部による乗算結果に基づいて相関値のピークを検出するピーク検出部とを備える。
本発明の通信システムでは、第１の相関値と、第１の相関値に第１のシンボル開始時点から第２のシンボルの開始時点までの時間分の時間遅延を与えた第２の相関値とを乗算することによって、反射音等の影響で発生した相関値のピークのレベルを低く抑圧しつつ、第１のシンボル及び第２のシンボルに対応する相関値のピークを強調することができる。

本発明の通信システムにおいて、前記放音制御部は、前記符号系列を変調して生成された、前記第１のシンボルの直前に配置した第３のシンボルと、前記第２のシンボルの直後に配置した第４のシンボルとを含んだ変調信号に、前記第３のシンボルの開始時点から、当該第３のシンボルのシンボル期間よりも長い時間長で立ち上がり、前記第４のシンボルの開始時点から立ち下がる窓関数により窓関数処理を施した変調信号を生成し、生成した当該変調信号を放音するようにしてもよい。
本発明によれば、第１のシンボル及び第２のシンボルの前後の信号を原因とした相関値のピークの検出精度の低下を抑えることができる。

本発明の通信システムにおいて、前記相関値のピークの検出結果に基づいて、前記放音制御部により放音された前記変調信号が前記取得部により取得されるまでの時間を用いた特定の処理を実行する処理実行部を備えるようにしてもよい。
本発明によれば、変調信号が放音されてから取得されるまでの時間を用いた処理の精度を向上させることができる。

この通信システムにおいて、前記放音制御部は、前記符号系列を変調したベースバンド信号を、互いに周波数が異なる複数のキャリア信号で周波数シフトさせた変調信号を生成し、生成した当該変調信号を放音し、前記処理実行部は、各キャリア信号に対応する前記変調信号から検出された前記相関値のピークに基づいて、前記処理を実行するようにしてもよい。
本発明によれば、反射音等の影響がより少ない変調信号から検出した相関値のピークを優先して使用することにより、変調信号が放音されてから取得されるまでの時間を用いた処理の精度を向上させることができる。

本発明の復調装置は、同一の符号系列を変調して生成された第１のシンボル及び第２のシンボルをそれぞれ時間軸上に順に配置した変調信号を取得する取得部と、所定のサンプリング周波数で、前記取得部が取得した変調信号と前記符号系列との相関を取って、第１の相関値を順次算出する相関検出部と、前記相関検出部から供給される第１の相関値と、前記第１の相関値に前記第１のシンボルの開始時点から前記第２のシンボルの開始時点までの時間分の時間遅延を与えた第２の相関値とを乗算する乗算部と、前記乗算部による乗算結果に基づいて相関値のピークを検出するピーク検出部とを備える。

本発明の変調信号生成装置は、同一の符号系列を変調して生成された第１のシンボル及び第２のシンボルをそれぞれ時間軸上に順に配置した変調信号を生成し、生成した当該変調信号を放音する放音制御部であって、所定のサンプリング周波数で前記変調信号と前記符号系列との相関を取って第１の相関値を順次算出し、算出した前記第１の相関値と、前記第１の相関値に前記第１のシンボルの開始時点から前記第２のシンボルの開始時点までの時間分の時間遅延を与えた第２の相関値との乗算結果に基づいて相関値のピークを検出する復調装置が配置された媒質中に、前記変調信号を放音する放音制御部を備える。

本発明によれば、符号系列の相関値のピークの検出精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る通信システムの全体構成を示す図。 同通信システムにおける放音制御部の詳細な構成を示すブロック図。 同放音制御部の各部が供給する信号を説明する図。 同通信システムでの測距処理に用いられる変調信号を説明する図。 同放音制御部が放音する窓関数処理後の変調信号の波形を示すグラフ。 同通信システムにおける復調部の詳細な構成を示すブロック図。 同復調部における遅延乗算処理を説明する図。 ２つのシンボルの相関値同士を乗算した後の合成相関値を説明する図。 反射音等の影響が特に大きい環境下での合成相関値を説明する図。 本発明の変形例に係る放音制御部が放音する変調信号を説明する図。 本発明の変形例に係る撮影システムの全体構成を示す図。 窓関数処理の他の例を説明する図。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る通信システム１の全体構成を示す図である。図１に示すように、通信システム１は、送信装置１０と受信装置２０を備え、音（音波）を介したスペクトラム拡散通信を行う通信システムである。送信装置１０は、直接スペクトラム拡散方式により変調信号を生成して送信する。受信装置２０は、送信装置１０により送信された変調信号を受信して復調する。

送信装置１０は、放音制御部１１と、送信回路部１２と、スピーカ１３とを備える。放音制御部１１は、拡散符号を変調したデジタル形式の変調信号を生成して、送信回路部１２へ供給する変調信号生成装置として機能する。送信回路部１２は、デジタル形式の変調信号をアナログ形式に変換し、増幅処理を行った後で、スピーカ１３へ供給する。スピーカ１３は、送信回路部１２から供給されたアナログ形式の変調信号を、音（音波）として放音する放音部である。スピーカ１３が放音した変調信号は、媒質中（ここでは空気）を伝搬して受信装置２０のマイクロホン２１へ到達する。

受信装置２０は、マイクロホン２１と、受信回路部２２と、復調部２３とを備える。マイクロホン２１は、送信装置１０のスピーカ１３から放音された音（音波）である変調信号を収音して、アナログ形式の変調信号を受信回路部２２に供給する収音部である。受信回路部２２は、マイクロホン２１から供給された変調信号を、所定のサンプリング周波数でアナログ形式からデジタル形式に変換して、復調部２３へ供給する。復調部２３は、受信回路部２２から供給された変調信号に含まれている拡散符号を検出して、その拡散符号に重畳されている情報データ（後述するデータ符号）を復調する。

通信システム１は、ここでは、送信装置１０及び受信装置２０の構成要素を全て備えた変調信号の送受信装置によって実現される。この通信システム１では、例えば、スピーカ１３及びマイクロホン２１を除く構成要素が同一の筐体内に設けられ、スピーカ１３と送信回路部１２とが例えばケーブルを介して接続され、マイクロホン２１と受信回路部２２とが例えばケーブルを介して接続される構成である。
以上の構成の通信システム１では、送信装置１０が備えるスピーカ１３と、受信装置２０が備えるマイクロホン２１との間の音の伝搬時間を測定し、スピーカ１３とマイクロホン２１との間の距離を算出する測距処理が実行される。この測距処理の詳細については後で説明する。

図２は、放音制御部１１の詳細な構成を示すブロック図である。図２に示すように、放音制御部１１は、拡散符号発生部１１１と、データ符号入力部１１２と、乗算部１１３と、差動符号化部１１４と、ＬＰＦ（Low-pass filter）１１５と、キャリア信号発生部１１６と、乗算部１１７と、窓関数処理部１１８とを備える。図３は、放音制御部１１の各部が供給する信号を説明する図である。
拡散符号発生部１１１は、拡散符号を発生させて乗算部１１３へ供給する。拡散符号は、例えばＭ系列であるが、Ｇｏｌｄ系列等の一定の巡回周期を持つ他の符号系列であってもよい。拡散符号の波形の一例を図３（ａ）に示す。
データ符号入力部１１２は、「０」又は「１」のいずれかの値で表されるデータ符号が入力される。入力されるデータ符号の１シンボル周期は、拡散符号の１巡回周期と一致するように調整されている。データ符号の波形の一例を図３（ｂ）に示す。

乗算部１１３は、データ符号入力部１１２から供給されたデータ符号を、拡散符号発生部１１１から供給された拡散符号との乗算によって変調し、変調後の拡散符号を差動符号化部１１４へ供給する。変調後の拡散符号の波形の一例を図３（ｃ）に示す。ここにおいて、データ符号の値により拡散符号が位相変調されて、データ符号の周波数スペクトルが拡散する。

差動符号化部１１４は、例えばＸＯＲ回路及び遅延器を有し、乗算部１１３から供給された拡散符号を差動符号に変換し、この差動符号をベースバンド信号として、ＬＰＦ１１５へ供給する。差動符号化は、拡散符号の各チップの値を、その絶対値から前チップからの変化を表す値に置き換える処理である。差動符号の波形の一例を図３（ｄ）に示す。

ＬＰＦ１１５は、例えばナイキストフィルタであり、差動符号化部１１４からのベースバンド信号の帯域を制限して、チップ間の干渉を抑制するフィルタである。
なお、拡散符号のチップレートや帯域幅を規定するために、差動符号化部１１４とＬＰＦ１１５との間に、差動符号をアップサンプリングするアップサンプリング部が設けられてもよい。

キャリア信号発生部１１６は、周波数ｆａの正弦波信号であるキャリア信号（つまり搬送波信号）を発生させて、乗算部１１７へ供給する。キャリア信号及び拡散符号の周波数成分の周波数軸上での関係を、図３（ｅ）に示す。

乗算部１１７は、ＬＰＦ１１５から供給されたベースバンド信号を、キャリア信号発生部１１６から供給されたキャリア信号と乗算して、その乗算結果である変調信号を窓関数処理部１１８へ供給する。即ち、乗算部１１７は、ベースバンド信号を高周波数側の周波数ｆａへ周波数シフトさせた変調信号を生成する。周波数シフト後のキャリア信号及び拡散符号の周波数成分の周波数軸上での関係を、図３（ｆ）に示す。この周波数シフトにより、ベースバンド信号は、例えば、可聴周波数の中で比較的高い周波数であり、人間が聞き取り難く聴感上の違和感や不快感の少ない周波数（例えば１８ｋＨｚ）以上で、且つ、可聴周波数の上限値（例えば２０ｋＨｚ）を含む帯域内の周波数に周波数シフトさせられる。
特に、ベースバンド信号が可聴周波数の上限値以下の周波数に周波数シフトさせられた場合、送信装置１０及び受信装置２０において、可聴周波数を超える高い周波数の信号を確実に伝送し処理するための構成を省くこともできる。なお、上述の目的信号を変調する周波数としての可聴周波数の上限値は、送信装置１０及び受信装置２０でのサンプリング周波数に基づいて決められてもよく、例えば、２２．０５ｋＨｚ（サンプリング周波数が４４．１ｋＨｚの場合）又は２４．０ｋＨｚ（サンプリング周波数が４８．０ｋＨｚの場合）等としてもよい。

他方、ベースバンド信号が１８ｋＨｚ以上の周波数に周波数シフトさせられることが望ましい理由は、以下のとおりである。文献（Kenji Kurata, Tazu Mizunami and Kazuma Matsushita, "Percentiles of normal hearing-threshold distribution under free-field listening conditions in numerical form,"Acoust.Sci.&Tech.26,447-449(2005).）には、人間が音を知覚するために必要な音圧が周波数毎に記載されている（特にFig.2の記載参照）。この文献には、１８ｋＨｚの音を全体の５％の人間が知覚するために必要な音圧（同図のＰ₅）が、およそ５０ｄＢＳＰＬと記載されている。換言すると、１８ｋＨｚの音の音圧レベルがおよそ５０ｄＢＳＰＬである場合、全体の９５％の人間が、その音を知覚できない、又は、ほとんど知覚できないことになる。人間が日常的に置かれる環境下では、４０〜５０ｄＢＳＰＬ程度の暗騒音が存在するが、この環境下で通信システム１を利用するためには、送信装置１０が、この暗騒音の音圧以上の音圧で放音する必要がある。このために、ベースバンド信号が１８ｋＨｚに周波数シフトさせられて、およそ５０ｄＢＳＰＬで放音した場合であっても、ほとんどの人間（９５％）によって、１８ｋＨｚの周波数成分の音は知覚されないこととなる。また、１８ｋＨｚよりも高い周波数の音は、人間によって更に知覚され難くなる。更に、同図に示すように、１８ｋＨｚよりも低い周波数の音、例えば１７ｋＨｚの音では、上述のＰ₅の閾値はおよそ３０ｄＢＳＰＬと大幅に低下するため、５０ｄＢＳＰＬで放音された場合には、全体の２５％以上の人間により知覚されることとなる（同図Ｐ₂₅に対応）。以上の理由によりベースバンド信号は、１８ｋＨｚ以上の周波数に周波数シフトさせられることが望ましいといえる。

窓関数処理部１１８は、乗算部１１７から供給された変調信号に窓関数Ｗを乗じる窓関数処理を施す。窓関数処理部１１８は、窓関数処理後の変調信号を、送信回路部１２経由でスピーカ１３へ供給する。スピーカ１３は、窓関数処理部１１８から供給された変調信号を放音する。なお、窓関数処理の詳細な説明は、後述する。

図４は、測距処理に用いられる、送信装置１０の放音制御部１１で生成される変調信号を説明する図である。図４において、横軸は時間軸を表す。
図４（ａ）は、測距処理に用いられる変調信号の時間的な構成を説明する図である。この変調信号では、時間軸上に、順に、ダミーシンボルＡ、測距シンボルＡ、測距シンボルＢ及びダミーシンボルＢという４つのシンボルが連続して配置される。放音制御部１１の各部に供給される信号が、図４（ａ）に示す構成となる。以下の説明では、放音制御部１１の窓関数処理部１１８に供給される変調信号において、ダミーシンボルＡの開始時点をｔ１とし、測距シンボルＡの開始時点をｔ２とし、測距シンボルＢの開始時点をｔ３とし、ダミーシンボルＢの開始時点をｔ４とし、ダミーシンボルＢの終了時点をｔ５とする。また、これらの４つのシンボルの各シンボルに相当する信号は、データ符号入力部１１２に入力された１ビットのデータ符号に基づいて、１周期分の拡散符号を変調して生成される。よって、各シンボルの期間（以下「シンボル期間」という。）Ｔは、拡散符号の１周期分の時間長に相当する。各シンボルに相当する信号は、例えば、データ符号の値を「１」として生成されているが、「０」として生成されてもよい。

測距シンボルＡ及び測距シンボルＢに相当する変調信号は、拡散符号との相関を表す相関値が測距処理に用いられる信号である。ダミーシンボルＡに相当する変調信号は、時間軸上で測距シンボルＡよりも前の信号が測距処理に与える影響を抑えるために用いられる信号である。ダミーシンボルＢに相当する変調信号は、時間軸上で測距シンボルＢよりも後の信号が測距処理に与える影響を抑えるために用いられる信号である。これらのダミーシンボルの作用については、後で詳細を説明する。

図４（ｂ）は、窓関数処理部１１８での窓関数処理に用いられる窓関数Ｗを説明する図である。窓関数Ｗは、時点ｔ１〜ｔ５において以下のとおりに値が変化する。
窓関数Ｗは、ダミーシンボルＡの開始時点ｔ１の値が「０」であり、時点ｔ１から、ダミーシンボルＡのシンボル期間Ｔよりも長い時間長で立ち上がって、時点ｔ２ｍの値が「１」となる。時点ｔ２ｍは、測距シンボルＡの開始時点ｔ２よりも後で、且つ、測距シンボルＢの開始時点ｔ３よりも前の時点である。よって、測距シンボルＡの開始時点ｔ２では、窓関数の値は「０」よりも大きく、且つ、「１」よりも小さい値となる（例えば０．７）。窓関数Ｗは、時点ｔ２ｍの値が「１」となった後、測距シンボルＢの終了時点（つまりｔ４）に至るまで、その値が「１」である。窓関数Ｗは、ダミーシンボルＢの開始時点ｔ４から、ダミーシンボルＢのシンボル期間Ｔと同じ時間長で立ち下がり、ダミーシンボルＢの終了時点ｔ５の値が「０」となる。
以上のとおり、窓関数Ｗは、時点ｔ１〜ｔ２ｍの期間においてその値が漸次増加し、時点ｔ４〜ｔ５の期間においてその値が漸次減少する。

図５は、窓関数処理部１１８から出力された変調信号の波形を示すグラフである。図５において、横軸が時間軸を表し、縦軸が振幅を表す。
図５に示すように、窓関数Ｗを用いた窓関数処理の後の変調信号では、測距シンボルとダミーシンボルとの境界付近の期間において、振幅が漸次変化する。このため、窓関数処理後の変調信号では、測距シンボルとダミーシンボルとの境界付近で信号が不連続になるのが抑えられ、この信号の不連続に起因する広帯域ノイズの発生が抑制される。これに対して、変調信号が不連続となって広帯域ノイズが発生した場合には、測距シンボルＡ及び測距シンボルＢについての相関の検出が妨げられる可能性がある。

また、窓関数Ｗによる窓関数処理を変調信号に施しておけば、測距シンボルＡ及び測距シンボルＢに対応する相関値のピークのレベルに対して、ダミーシンボルＡ及びダミーシンボルＢに対応する相関値のピークのレベルを低く抑圧することができる。図４（ｂ）の「相関ピーク」の欄に示すように、ダミーシンボルＡの開始時点ｔ２における窓関数Ｗの値を「１」未満の小さな値としておけば、ダミーシンボルＡに対応する相関値のピークのレベルが低くなる。また、時点ｔ５において窓関数Ｗの値は「０」であるから、ダミーシンボルＢに対応する相関値のピークのレベルは、ゼロ又はほぼゼロになる。図４（ｃ）は、窓関数処理部１１８により窓関数処理が施されてからスピーカ１３により放音された変調信号と、拡散符号との相関値を算出した場合の相関値の一例を示す図である。図４（ｃ）に示すように、時点ｔ３，ｔ４に現れる測距シンボルの相関値のピークのレベルに対して、時点ｔ２に現れるダミーシンボルの相関値のピークのレベルが低く抑圧されていることが分かる。

一方、図１２（ａ）に示すように、窓関数の値が時点ｔ１〜ｔ２の期間で立ち上がりが完了した場合、時点ｔ２で窓関数の値が「１」となる。この場合、図１２（ａ）に示すように、時点ｔ２に現れるダミーシンボルに対応する相関値のピークのレベルと、時点ｔ３，ｔ４に現れる測距シンボルに対応する相関値のピークのレベルとがほぼ同じとなる。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示す窓関数で窓関数処理が施されてからスピーカ１３により放音された変調信号と、拡散符号との相関値を算出した場合の相関値の一例を示す図である。図１２（ａ）の「相関ピーク」の欄及び図１２（ｂ）に示すように、ダミーシンボルに対応する相関値のピークのレベルが高いと、特に、反射音（残響）の影響を受けて高いレベルの相関値のピークが複数現れた場合に、どれが測距シンボルに対応する相関値のピークであるかを正確に判別するのが難しい。窓関数Ｗによる窓関数処理を施しておけば、高いレベルの相関値のピークが多数現れるのを未然に抑えることができる。

図６は、受信装置２０の復調部２３の詳細な構成を示すブロック図である。図６に示すように、復調部２３は、変調信号取得部２３１と、ＢＰＦ（Band-pass filter）２３２と、遅延検波部２３３と、ＬＰＦ２３４と、拡散符号発生部２３５と、整合フィルタ２３６と、遅延部２３７と、乗算部２３８と、ピーク検出部２３９と、測距部２４０とを備える。
変調信号取得部２３１は、スピーカ１３により放音されて空間を伝搬した音（音波）を、マイクロホン２１から変調信号として取得する。この変調信号は、受信回路部２２によってデジタル形式に変換される。変調信号取得部２３１は、図４に示したダミーシンボルＡ、測距シンボルＡ、測距シンボルＢ及びダミーシンボルＢに相当する変調信号を取得する。

ＢＰＦ２３２は、ダミーシンボルＡ、測距シンボルＡ、測距シンボルＢ及びダミーシンボルＢに相当する変調信号を抽出するための帯域通過フィルタである。ＢＰＦ２３２は、キャリア信号の周波数ｆａを含む周波数帯域を通過帯域とし、それ以外の周波数帯域の余分な信号成分を通過させないフィルタ処理を行う。ＢＰＦ２３２を通過した変調信号は、遅延検波部２３３へ供給される。

遅延検波部２３３は、例えば遅延器及び乗算部を有し、差動符号化された変調信号を、元の拡散符号を含む変調信号に変換するための遅延検波を行う。遅延検波部２３３の遅延器の遅延時間は、送信装置１０における拡散符号の１チップ分の時間に設定されている。遅延検波部２３３は、ＢＰＦ２３２を通過した１チップ分のサンプルと、遅延器の１チップ分のサンプルとを乗算する。

ＬＰＦ２３４は、例えばナイキストフィルタであり、遅延検波部２３３から供給された変調信号からキャリア成分を除去してベースバンド信号を抽出し、更に、余計な雑音成分を除去してＳＮ比を向上させるためのフィルタである。
拡散符号発生部２３５は、送信装置１０の拡散符号発生部１１１と同一の拡散符号を発生させて、整合フィルタ２３６へ供給する。

整合フィルタ２３６は、所定のサンプリング周波数で、ＬＰＦ２３４から供給された変調信号に対して、拡散符号発生部２３５から供給された拡散符号との相関を取って、相関値を順次算出する相関検出部として機能する。整合フィルタ２３６は、拡散符号発生部２３５から供給された拡散符号をフィルタ係数としたＦＩＲフィルタで構成される。整合フィルタ２３６は、ＬＰＦ２３４から供給された変調信号と拡散符号との畳み込み演算を実行して、相関値を算出する。フィルタ係数に使用する拡散符号のサンプリング周波数は、例えば、送信装置１０におけるサンプリング周波数と同じである。ただし、送信装置１０で差動符号のアップサンプリングが行われていた場合は、そのアップサンプリング後のサンプリング周波数と同じである。

遅延部２３７は、整合フィルタ２３６から供給された相関値に、１シンボル期間Ｔに相当する時間遅延を与えて、乗算部２３８へ供給する。１シンボル期間Ｔは、測距シンボルＡの開始時点ｔ２から測距シンボルＢの開始時点ｔ３までの時間長に相当する。

乗算部２３８は、整合フィルタ２３６から供給される第１の相関値と、遅延部２３７により時間遅延が与えられた第２の相関値とを乗算する遅延乗算処理を行って、その乗算結果である合成相関値を、ピーク検出部２３９へ供給する。即ち、遅延部２３７及び乗算部２３８は、測距シンボルＡ及び測距シンボルＢに対応して算出された相関値同士を乗算する。

図７は、上述の遅延乗算処理を説明する図である。図７（ａ）は、測距シンボルＡ及び測距シンボルＢの相関値を表したグラフである。図７（ｂ）は、測距シンボルＡと測距シンボルＢとの合成相関値を表したグラフである。図７（ａ），（ｂ）のグラフにおいて、横軸は時間軸を表し、縦軸は相関値を表す。また、図８は、時間軸上で連続する２つのシンボルの相関値同士を乗算した後の合成相関値を説明する図である。
図７（ａ）に示すように、遅延乗算処理が行われる前は、反射音等の影響によって、相関値のピークが複数現れることがある。一方で、図７（ｂ）に示す遅延乗算処理が行われた後の合成相関値では、相関値のピークが１つ（同図中の最大ピーク）だけ強調されている。これは、測距シンボルＡに対応して現れた相関値のピークと、測距シンボルＢに対応して現れた相関値のピークとを乗算したことにより、これらの相関値のピークがより強調されたことによるものである。図４で説明したように、測距シンボルＡ及び測距シンボルＢに対応する相関値のピークのレベルがそれぞれ高いので、図８に示すようにこれら２つの相関値のピークの合成相関値は、特に高いレベルとなる。一方、反射音等の外乱による影響によって相関値のピークが現れた場合、その１シンボル期間Ｔの後の時刻にも相関値のピークが現れる可能性は低いと考えられる。このため、測距シンボルに対応する相関値のピーク以外のピークについては、遅延乗算処理によってそのレベルが低く抑圧される。

また、図８に示すように、ダミーシンボルＡと測距シンボルＡとの合成相関値、及び、測距シンボルＢとダミーシンボルＢとの合成相関値も上述の遅延乗算処理により算出される。ただし、図４で説明したように、ダミーシンボルＡ及びダミーシンボルＢの相関値のピークのレベルが窓関数処理により低く抑圧されるため、合成相関値では、ダミーシンボルに対応する相関値のピークのレベルも低く抑圧されることとなる。即ち、窓関数Ｗは、遅延乗算処理によってダミーシンボルに対応する相関値のピークが強調されないように、その値が決められている。

相関ピーク検出部２３９は、乗算部２３８から供給された合成相関値に基づいて相関値のピークを検出する。ここにおいて、相関ピーク検出部２３９は、例えば、閾値以上であり、且つ、最大レベルの相関値のピークを検出する。ここでは、相関ピーク検出部２３９は、図７（ｂ）に「最大ピーク」と付した相関値のピークを検出する。

測距部２４０は、相関ピーク検出部２３９により検出された相関値のピークに基づいて測距処理を実行する処理実行部として機能する。測距部２４０は、下記式（１）の演算によって、スピーカ１３とマイクロホン２１との間の距離ｄを算出する。
ｄ＝（ｘ−ｌａ）×ｃ×１／ｆｓ ・・・（１）

式（１）において、ｘは、相関値遅延であり、変調信号がスピーカ１３から放音されたときから相関値のピークが現れるまでのサンプル数である。このサンプル数は、スピーカ１３から変調信号が放音されてから、マイクロホン２１に収音されるまで（つまり、変調信号取得部２３１に取得されるまで）の時間長に相当する、この時間長は、変調信号が放音された空間を伝搬した時間に相当する。ｌａは、通信システム１の全体でのレイテンシに相当する遅延時間である。ｃは、変調信号が伝搬した空間（媒質）での音速であり、ここでは、空気中の音速として３４０ｍ／ｓ等とすればよい。ｆｓはサンプリング周波数である。レイテンシｌａは、設計段階等で設定された値であってもよいし、測距処理の実行時等に実測された値であってもよい。後者の場合、例えば、スピーカ１３及びマイクロホン２１を接触させた状態で測距処理を行うことで求めることができる。即ち、この場合、ｄ＝０とみなせるので、相関値遅延ｘ、音速ｃ及びサンプリング周波数ｆｓを式（１）に代入することで、レイテンシｌａを一意に算出することができる。レイテンシｌａは、いわば、スピーカ１３及びマイクロホン２１間の空間（媒質）以外での、通信システム１における変調信号の伝搬時間に相当する。
以上のとおり、測距部２４０は、媒質中（空気中）での変調信号の伝搬時間を用いた測距処理を行う。測距部２４０は、距離ｄを算出すると、例えば、表示出力や音声出力等の方法を用いて、使用者に、スピーカ１３とマイクロホン２１との間の距離ｄの測定結果を報知する。

以上説明した実施形態の通信システム１では、２つの測距シンボルに対応した相関値同士を乗算する遅延乗算処理を行うによって、相関値のピークを強調し、反射音等の外乱を原因として偶発的に発生した相関値のピークを低く抑圧することができる。この際に、時間軸上で測距シンボルＡ及び測距シンボルＢに相当する変調信号の前後に現れる信号が、上述の遅延乗算処理により測距シンボルに相当する信号と乗算されることによって、相関値のレベルが高くなることを避けるために、送信装置１０は、ダミーシンボルＡ及びダミーシンボルＢに相当する変調信号を付与する。更には、送信装置１０は、時間軸上で測距シンボルＡ及び測距シンボルＢの前後にある、ダミーシンボルＡ及びダミーシンボルＢに相当する信号が、遅延乗算処理により測距シンボルに相当する信号と乗算されて、相関値のレベルが高くなることを避けるために、窓関数Ｗを用いた窓関数処理を放音前の変調信号に施す。以上の作用により、通信システム１によれば、スピーカ１３とマイクロホン２１との間の距離測定を、広帯域ノイズや反射音（残響等）の外乱による影響を抑えて、精度良く行うことができる。

本発明は、上述した実施形態と異なる形態で実施することが可能である。本発明は、例えば、以下のような形態で実施することも可能である。また、以下に示す変形例は、各々を適宜に組み合わせてもよい。
上述した実施形態では、通信システム１において、周波数ｆａのひとつのキャリア信号を用いてベースバンド信号を高周波数側にシフトさせていたが、周波数が互いに異なる複数のキャリア信号を用いてもよい。
図９は、反射音等の外乱の影響が大きい環境下での測距シンボルＡと測距シンボルＢとの合成相関値の時間的な変化を例示するグラフを示す図である。図９に示すグラフには、合成相関値の時間的な変化を表すグラフを示すとともに、「○」印及び「○」印に延びる線分によって合成相関値の値（ピーク値）とピーク箇所を示す。
図９に示すように、反射音等が特に大きい環境下では、合成相関値においても、相関値のピークが多数現れることがある。図９に示す例の場合、最大ピークのレベルと２番目のピークのレベルとがかなり近いため、どちらが測距シンボルによるものであるかを正確に判別することが難しい。また、マイクロホン２１の位置や向きを調整して、これらの反射音等の影響を緩和することが難しい場合もある。このような場合には、通信システム１において、予め複数のキャリア信号を用いてベースバンド信号を周波数シフトさせておくことにより、複数のピークの中から最大のピークを、容易に特定することができる。

図１０は、この変形例で送信装置１０が送信する変調信号の一例を示すグラフである。図１０のグラフにおいて、横軸が周波数軸を表し、縦軸が振幅を表す。この例では、送信装置１０は、中心周波数がｆ０１，ｆ０２及びｆ０３の３つの相異なるキャリア信号を用いて、ベースバンド信号を周波数シフトさせる。送信装置１０は、これら３つの変調信号を同時に放音した場合であっても、互いの変調信号が干渉しない程度に、各変調信号の周波数帯域（中心周波数ｆ０１，ｆ０２及びｆ０３）を周波数軸上で離しておく。

送信装置１０は、３つのキャリア信号のそれぞれで変調した変調信号を、スピーカ１３により放音する。受信装置２０は、これらの３つのキャリア信号で変調された変調信号のそれぞれから、相関値のピークを検出するように各部が動作する。そして、測距部２４０は、ピーク検出部２３９による相関値のピークの検出結果に基づき、複数のキャリア信号のうちの、少なくともいずれか一つのキャリア信号により周波数シフトさせられたベースバンド信号を用いて、測距処理を実行する。この際、測距部２４０は、最大ピークのレベルと２番目のピークのレベルとの差が最大となった相関値のピークに基づいて測距処理を実行する。これ以外にも、測距部２４０は、２番目のピークのレベルが閾値以下、例えば、最大ピークの１／２以下のレベル以下となった場合に、最大レベルの相関値のピークに基づいて測距処理を実行してもよい。また、測距部２４０は、合成相関値における全ピークのレベルを参照して、測距シンボルに対応する相関値のピークの検出精度の良し悪しを判断してもよい。
また、送信装置１０は、複数の変調信号の周波数帯域を上述のように周波数軸上で離すのではなく、複数の変調信号を時間軸上で離すことにより、各変調信号の放音タイミングをずらすことによっても、互いの変調信号の干渉を防ぐことができる。
なお、ここでは、キャリア信号を３種類用いる例を説明したが、２種類又は４種類以上であってもよい。

上述した実施形態の通信システム１では、変調信号の空間での伝搬時間を用いて、スピーカ１３とマイクロホン２１との間の距離ｄを測定していた。この伝搬時間を用いた処理は、測距処理に限られない。
例えば、スピーカ１３とマイクロホン２１との間の距離ｄが既知であれば、通信システム１では、伝搬時間を用いて、空間における変調信号の伝搬速度を測定することができる。また、空間での音波の伝搬速度は温度によって変化するので、通信システム１では、伝搬時間と距離ｄとを用いて空間の温度を測定することもできる。この場合、空間の局所的な場所の温度ではなく、変調信号が伝搬した空間全体の温度の特性を把握することができる。即ち、通信システム１では、測距部２４０に代えて、伝搬時間を用いて算出可能な物理量を測定する処理を実行する処理実行部が設けられてもよい。

また、本発明を以下の構成の撮影システムに適用することができる。
図１１は、本発明を適用した撮影システム３００の構成の一例を示す図である。図１１は、電話会議が行われる会議室等の空間や、講演会やコンサートが行われるホール等の音響空間４００を上方から平面視した様子を表している。
撮影システム３００は、コントローラ２００と、スピーカ１３ａ，１３ｂと、マイクロホン２１と、撮影カメラ３０ａ〜３０ｃと、表示装置４０とを備える。
コントローラ２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を有するマイクロコンピュータを備えるとともに、上述した実施形態で説明した、放音制御部１１及び復調部２３等に相当する機能を実現する。コントローラ２００は、上述した実施形態と同じ方法で、スピーカ１３ａとマイクロホン２１との距離ｄ１を測定するとともに、スピーカ１３ｂとマイクロホン２１との距離ｄ２を測定する。ここにおいて、スピーカ１３ａとスピーカ１３ｂとの間の距離Ｌは既知であるものとし、例えば、コントローラ２００に予め設定されている。
撮影カメラ３０ａ〜３０ｃは、動画を撮影する動画カメラであり、撮影画像を示す画像信号をコントローラ２００へ供給する。表示装置４０は、例えばモニタであり、コントローラ２００の制御の下、撮影カメラ３０ａ〜３０ｃによって撮影された画像を表示する表示装置である。

この変形例では、コントローラ２００は、スピーカ１３ａとマイクロホン２１との間の距離ｄ１、及び、スピーカ１３ｂとマイクロホン２１との間の距離ｄ２を繰り返し測定し（例えば所定期間毎に測定し）、撮影カメラ３０ａ〜３０ｃを制御する。コントローラ２００は、距離ｄ１，ｄ２を測定すると、マイクロホン２１の位置、換言すると、マイクロホン２１を持つ人物（話者や歌手）の位置を特定する。即ち、距離Ｌが既知であるから、三角測量の方法により、コントローラ２００はマイクロホン２１の位置を特定することができる。そして、コントローラ２００は、マイクロホン２１の位置を撮影するのに最適な撮影カメラ３０ａ〜３０ｃを選択して、選択した撮影カメラからの画像信号に基づいて、表示装置４０に画像を表示させる。撮影システム３００によれば、撮影カメラ３０ａ〜３０ｃの選択を操作する人物が居なくても、撮影カメラ３０ａ〜３０ｃが適切に選択されるので、マイクロホン２１を持つ人物が移動しても、この人物を表示装置４０に継続して表示させることができる。

また、コントローラ２００は、距離ｄ１，ｄ２に基づいて、撮影カメラ３０ａ〜３０ｃの撮影操作を制御してもよい。この場合、コントローラ２００は、マイクロホン２１の位置を撮影するのに適した撮影方法で撮影するように、撮影カメラ３０ａ〜３０ｃのパンニングやチルト、ズームアップ／ズームバック等を制御するとよい。
この変形例では、撮影カメラ３０ａ〜３０ｃの３台としているが、２台以下又は４台以上であってもよい。
また、この変形例では、スピーカの数を２個（スピーカ１３ａ及びスピーカ１３ｂ）とし、マイクロホンを１個（マイクロホン２１）としているが、撮影システム３００において、スピーカを１個とし、マイクロホンを２個とした場合であっても、スピーカ間の距離が既知であれば、コントローラ２００は、マイクロホン２１の位置を特定することができる。また、撮影システム３００において、スピーカ及びマイクロホンがそれぞれ複数あっても構わない。

前述の撮影システム３００で実行される測距処理を応用して、二次元の平面上での距離を算出する測距処理を行う測距システムや、三次元の空間内での距離を算出する測距処理を行う測距システムを構成することも可能である。後者の測距システムの場合、スピーカを３個とし、マイクロホンを１個とするか、又は、スピーカを３個とし、マイクロホンを１個とすることにより、三次元の空間内でのマイクロホン又はスピーカの位置を特定することができる。

更に、この変形例の測距システムを応用し、スピーカ及びマイクロホンを一体化して、対象物から反射音を計測する装置とした場合には、スピーカ及びマイクロホン以外の目標物までの距離を算出する測距処理を行う測距システムを構成することができる。ただし、この場合に、マイクロホンが、複数の反射体から反射した変調信号を収音することがある。このとき、複数の相関値のピークが検出される可能性があるが、測距システムにおいては、測定対象である目標物とその他の反射体（非目標物）との位置関係に応じて、複数の相関値のピークの時系列の中から適切な相関値のピークを選択して、測距処理を行えばよい。この測距システムにおいて、例えば、目標物までの距離が非目標物までの距離よりも近い場合には、最も先に検出した相関値のピークに基づいて測距処理を行えばよい。
以上のとおり、本発明によれば、スピーカの位置からマイクロホンの位置に至るまでに変調信号が表す音が伝搬した距離を測定して、この音が伝搬した経路上の位置を特定する測距システムを構成することができる。

また、窓関数処理部１１８が行う窓関数処理は、少なくとも、ダミーシンボルＡ及びダミーシンボルＢの相関値のピークのレベルを低く抑圧できるものであればよい。例えば、窓関数Ｗは、ダミーシンボルＢの開始時点ｔ４から１シンボル期間よりも短い期間、又は、１シンボルよりも長い期間で立下りが完了してもよい。

上述した実施形態の通信システム１では、測距シンボルを時間軸上で２つ連続させていたが、３つ以上連続させてもよい。ｎ個（ただしｎ≧３）の測距シンボルを連続させる場合、受信装置２０では、これらのｎ個の測距シンボルに対応する相関値のピーク同士を乗算する遅延乗算処理によって、相関値のピークを強調することができる。この際、受信装置２０は、先頭からｋ番目（ただし１≦ｋ≦ｎ）の測距シンボルについては、シンボル期間Ｔの（ｎ−ｋ）倍の時間長だけ遅延させて、ｎ個目の測距シンボルの相関値と乗算する遅延乗算処理を行えばよい。よって、復調部２３は、遅延部２３７を（ｎ−１）個備えていればよい。
以上のとおり、送信装置１０は、測距シンボルを時間軸上で３つ以上連続させて変調信号を放音することにより、測距シンボルによる相関値のピークの検出精度が更に向上することが期待できる。

また、通信システム１では、複数の測距シンボルを時間軸上で連続させない場合であっても、これらの複数の測距シンボルに対応する相関値のピーク同士を乗算する遅延乗算処理を行うことによって、測距シンボルに対応する相関値のピークを強調することができる。

上述した実施形態の送信装置１０の放音制御部１１は、変調信号を放音する機会のたびに、データ符号を拡散符号で変調し、この変調により得られた変調信号に窓関数処理を施すことにより、スピーカ１３に供給する変調信号を生成していた。この構成に代えて、放音制御部１１は、スピーカ１３に供給する変調信号を生成する基となる放音用データを予めメモリに記憶しておき、このメモリから放音用データを読み出して、スピーカ１３に供給する変調信号を生成してもよい。この場合、放音制御部１１は、データ符号を拡散符号で変調する機能、及び、データ符号を拡散符号で変調して得た変調信号に窓関数処理を施す機能を実現しなくてもよい。いずれの構成の場合であっても、放音制御部１１は、ダミーシンボルＡ、測距シンボルＡ、測距シンボルＢ及びダミーシンボルＢを時間軸上に順に配置した変調信号を生成する変調信号生成装置として機能する。

通信システム１においては、ベースバンド信号を高周波数側にシフトする構成を備えなくてもよく、例えばベースバンド信号である変調信号を放音してもよい。
通信システム１において、例えば反射音等の外乱の影響を受けにくい環境下では、ダミーシンボルに相当する変調信号を測距シンボルに相当する変調信号の前後に付加しないようにしてもよい。
また、送信装置１０が放音した変調信号を伝搬する媒質は、空気等の気体に限らず、固体や液体であってもよい。この場合、送信装置１０は、スピーカ１３に代えて、媒体を振動で加振するアクチュエータ（加振器）を用いる等、変調信号を伝搬させる媒体に適した放音装置を備えていればよい。また、受信装置２０は、マイクロホン２１に代えて、振動ピックアップ（振動検出子）を用いる等、変調信号が伝搬する媒体に適した収音装置を備えていればよい。

また、通信システム１を送信装置１０と受信装置２０とに分散させて構成した場合、受信装置２０が送信装置１０により変調信号が放音されたタイミングを特定する必要がある。この場合の放音タイミングの具体的な特定方法については特に問わないが、例えば、送信装置１０が受信装置２０とケーブル等の通信路を介して接続され、送信装置１０が受信装置２０にこの通信路を介して放音時刻を通知してもよい。又は、受信装置２０が、この通信路を介して送信装置１０に放音タイミングを指示して放音させることにより、送信装置１０の放音時刻を特定してもよい。
本発明では、楽音信号や超音波信号等の音波を表す音響信号に、データ符号で拡散符号を変調した信号を重畳させてもよい。

また、送信装置１０又は受信装置２０が実現する機能は、１のプログラム又は複数のプログラムの組み合わせによって実現され、又は、１のハードウェア資源又は複数のハードウェア資源の連係によって実現されうる。例えば、放音制御部１１に相当する変調信号生成装置又は復調部２３に相当する復調装置を、専用プロセッサやコンピュータでのプログラムの実行により実現させてもよい。放音制御部１１又は復調部２３の機能がプログラムを用いて実現される場合、このプログラムは、磁気記録媒体（磁気テープ、磁気ディスク（ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＦＤ（Flexible Disk））など）、光記録媒体（光ディスクなど）、光磁気記録媒体、半導体メモリなどのコンピュータ読取り可能な記録媒体に記憶した状態で提供されてもよいし、ネットワークを介して配信されてもよい。また、本発明は、変調信号を生成するための変調信号生成方法、又は、上述の遅延乗算処理を用いて相関値のピークを強調して検出する相関ピーク検出方法（又は復調方法）として実施することもできる。

１…通信システム、１０…送信装置、２００…コントローラ、１１…放音制御部、１１１…拡散符号発生部、１１２…データ符号入力部、１１３…乗算部、１１４…差動符号化部、１１５…ＬＰＦ、１１６…キャリア信号発生部、１１７…乗算部、１１８…窓関数処理部、１２…送信回路部、１３，１３ａ，１３ｂ…スピーカ、２０…受信装置、２１…マイクロホン、２２…受信回路部、２３…復調部、２３１…変調信号取得部、２３２…ＢＰＦ，２３３…遅延検波部、２３４…ＬＰＦ，２３５…拡散信号発生部、２３６…整合フィルタ、２３７…遅延部、２３８…乗算部、２３９…ピーク検出部、２４０…測距部、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…撮影カメラ、３００…撮影システム、４０…表示装置、４００…音響空間

Claims (6)

1. 同一の符号系列を変調して生成された第１のシンボル及び第２のシンボルをそれぞれ時間軸上に順に配置した変調信号を生成し、生成した当該変調信号を放音する放音制御部と、
   前記放音制御部により放音された前記変調信号を取得する取得部と、
   所定のサンプリング周波数で、前記取得部が取得した変調信号と前記符号系列との相関を取って、第１の相関値を順次算出する相関検出部と、
   前記相関検出部から供給される第１の相関値と、前記第１の相関値に前記第１のシンボルの開始時点から前記第２のシンボルの開始時点までの時間分の時間遅延を与えた第２の相関値とを乗算する乗算部と、
   前記乗算部による乗算結果に基づいて相関値のピークを検出するピーク検出部と
   を備える通信システム。
2. 前記放音制御部は、
   前記符号系列を変調して生成された、前記第１のシンボルの直前に配置した第３のシンボルと、前記第２のシンボルの直後に配置した第４のシンボルとを含んだ変調信号に、前記第３のシンボルの開始時点から、当該第３のシンボルのシンボル期間よりも長い時間長で立ち上がり、前記第４のシンボルの開始時点から立ち下がる窓関数により窓関数処理を施した変調信号を生成し、生成した当該変調信号を放音する
   請求項１に記載の通信システム。
3. 前記相関値のピークの検出結果に基づいて、前記放音制御部により放音された前記変調信号が前記取得部により取得されるまでの時間を用いて、特定の処理を実行する処理実行部を備える
   請求項１又は２に記載の通信システム。
4. 前記放音制御部は、
   前記符号系列を変調したベースバンド信号を、互いに周波数が異なる複数のキャリア信号で周波数シフトさせた変調信号を生成し、生成した当該変調信号を放音し、
   前記処理実行部は、
   各キャリア信号に対応する前記変調信号から検出された前記相関値のピークに基づいて、前記処理を実行する
   請求項３に記載の通信システム。
5. 同一の符号系列を変調して生成された第１のシンボル及び第２のシンボルをそれぞれ時間軸上に順に配置した変調信号を取得する取得部と、
   所定のサンプリング周波数で、前記取得部が取得した変調信号と前記符号系列との相関を取って、第１の相関値を順次算出する相関検出部と、
   前記相関検出部から供給される第１の相関値と、前記第１の相関値に前記第１のシンボルの開始時点から前記第２のシンボルの開始時点までの時間分の時間遅延を与えた第２の相関値とを乗算する乗算部と、
   前記乗算部による乗算結果に基づいて相関値のピークを検出するピーク検出部と
   を備える復調装置。
6. 同一の符号系列を変調して生成された第１のシンボル及び第２のシンボルをそれぞれ時間軸上に順に配置した変調信号を生成し、生成した当該変調信号を放音する放音制御部であって、
   所定のサンプリング周波数で前記変調信号と前記符号系列との相関を取って第１の相関値を順次算出し、算出した前記第１の相関値と、前記第１の相関値に前記第１のシンボルの開始時点から前記第２のシンボルの開始時点までの時間分の時間遅延を与えた第２の相関値との乗算結果に基づいて相関値のピークを検出する復調装置が配置された媒質中に、前記変調信号を放音する放音制御部
   を備える変調信号生成装置。