JP3821666B2

JP3821666B2 - Acoustic communication device and acoustic signal communication method

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Publication number: JP3821666B2
Application number: JP2001177532A
Authority: JP
Inventors: 博久佐久間; 秀男田井
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2001-06-12
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2021-06-12
Also published as: JP2002374579A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，送信情報を音響信号として送信する音響送信装置および音響信号送信方法に関する。また，本発明は，通信情報を音響信号として受信する音響受信装置および音響信号受信方法に関する。さらに，本発明は，このような音響送信装置および音響受信装置を備えている音響通信装置および音響信号通信方法に関する。
【０００２】
また，本発明は，音響送信装置に設けられたコンピュータに実行させるためのプログラムに関する。
【０００３】
【従来の技術】
各家庭（住宅）のガス使用量を，自動検針および収集するためにセンタ局に送信し，ガス漏れ発生をセンタ局に通知し，あるいは，ガス漏れ通知に応答して，センタ局から遠隔操作によりガスメータの遮断を行う遠隔監視／制御システムが実用化されている。
【０００４】
このような遠隔監視／制御システムでは，各家庭（住宅）に設置されたガスメータに，通信機能を有するマイクロコンピュータ等が設けられる。そして，ガスメータのマイクロコンピュータ等は有線回線により端末網制御装置に接続され，端末網制御装置はさらに電話回線によりセンタ局に接続される。
【０００５】
このため，住宅には，ガスメータと端末網制御装置との間に有線回線を通すための貫通孔工事が行われる。しかし，特に集合住宅では，工事が困難な場合が多く，また，美観上の問題が生じる場合もある。
【０００６】
これに対して，ガスメータのマイクロコンピュータ等を電波等の無線通信によって端末網制御装置に接続するとともに，端末網制御装置を各家庭の電話機（固定電話機）に接続し，電話回線を介してセンタ局に接続することも考えられている。しかし，近年，携帯電話およびＰＨＳの普及により，家庭内に電話機を持たない顧客も多くなり，このような電波による方法も，すべての住宅に実施できるものではない。
【０００７】
また，このような通信設備のコスト低減も求められている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このため，通信情報を音響信号として，ガス管等の内部に伝播させる音響信号通信方法が検討されている。この方法では，ガス管の一方に設置されたガスメータから，ガス管の他方に設置された端末網制御装置へ，音響信号により検針値，ガス漏れ発生通知等の通信情報が送信される。
【０００９】
しかし，ガス管等の内部を音響信号により通信する場合に，たとえば配管の曲がり部，分岐部等で音の反射による残響（遅延波）が発生する。したがって，通信情報を連続的に送信すると，先に送信された音響信号の残響によって，次に送信された音響信号が妨害され，受信側で音響信号を正確に受信できないという問題が生じている。
【００１０】
この残響の影響を回避するために，先に送信された音響信号の残響が，ある一定のレベル以下に減衰するのを待って，次の音響信号を送信する必要がある。このため，単純なパルス信号による音響通信には，伝送速度の向上に限界があった。
【００１１】
本発明は，このような状況に鑑みなされたものであり，その目的は，音響通信の伝送速度を向上させることにある。
【００１２】
また，本発明の目的は，残響に強い音響通信装置および音響信号通信方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために，本発明の第１の側面による音響送信装置は，１または複数の，所定の周波数を有する搬送波に対して，送信情報に基づく振幅変調および位相変調の双方またはいずれか一方と，窓関数を表す信号による変調とを行う変調手段と，前記変調手段により変調された信号を音により送信する音響送信手段と，を備えている。
【００１４】
本発明の第１の側面によるプログラムは，送信情報を音響信号として送信する音響送信装置に設けられたコンピュータに，１または複数の，所定の周波数を有する搬送波を表したディジタルデータに対して，前記送信情報を表すディジタルデータに基づき振幅変調および位相変調の双方またはいずれか一方を行う手順と，前記所定の周波数を有する搬送波を表したディジタルデータに対して，窓関数を表す信号による変調とを行う手順と，を実行させるためのものである。
【００１５】
また，本発明の第１の側面によるプログラムは，送信情報を音響信号として送信する音響送信装置に設けられたコンピュータに，前記送信情報に基づいて，１または複数の，所定の周波数を有する搬送波に対して行う変調が位相シフトキーイングである場合には前記搬送波の移相量に前記送信情報を変換し，前記変調が振幅シフトキーイングである場合には前記搬送波の振幅値に前記送信情報を変換し，前記変調がＱＡＭである場合には前記搬送波の振幅値および移相量に前記送信情報を変換する手順と，前記変調が位相シフトキーイングである場合には前記搬送波の移相量が，前記変調が振幅シフトキーイングである場合には前記搬送波の振幅値が，前記変調がＱＡＭである場合には前記搬送波の振幅値および移相量が，それぞれパラメータとして与えられた，前記１または複数の搬送波を表す式と，窓関数を表す式とが乗算された計算式の前記パラメータに，前記送信情報から変換された値を代入する手順と，を実行させるためのものである。
【００１６】
本発明の第１の側面によると，１または複数の，所定の周波数を有する搬送波に対して，送信情報に基づく振幅変調および位相変調の双方またはいずれか一方と，窓関数を表す信号による変調とが行われる。そして，変調された信号は音により送信される。搬送波に対して振幅変調および位相変調の双方またはいずれか一方を行い，多値（たとえば複数ビット等）を有する送信情報を表現することにより，１つの搬送波における１つの変調シンボルで複数の情報を送信することができる。したがって，伝送速度を向上させることができる。また，音響信号の送信間隔を，残響の悪影響を受けない程度にまですることができ，残響に強い音響送信装置が提供される。さらに，窓関数を表す信号によって変調されるので，搬送波を複数個重ね合わせる場合であっても，搬送波間の干渉を小さくすることができ，これによっても伝送速度を向上させることができる。
【００１７】
本発明の第１の側面において，好ましくは，前記所定の周波数を有する搬送波が複数の場合には，該複数の搬送波のそれぞれが異なる周波数を有し，前記変調手段は，前記複数の搬送波のそれぞれに対して，個別の送信情報に基づく前記変調を行う。これにより，１つの変調シンボルによる送信情報をさらに増加させることができる。すなわち，すべての搬送波に同じ変調手段で変調を行った場合には，搬送波を１つのみ用いた場合に比べて，伝送速度が搬送波の個数倍になる。
【００１８】
本発明の第２の側面による音響受信装置は，１または複数の，所定の周波数を有する搬送波に対して，送信情報に基づく振幅変調および位相変調の双方またはいずれか一方と，窓関数を表す信号による変調とが行われた通信情報を音響信号として受信し，電気信号に変換する音響受信手段と，前記音響受信手段により変換された信号をフーリエ変換し，前記搬送波の周波数における位相値および振幅値の双方またはいずれか一方を読み出し，読み出した値に基づいて通信情報を復調する復調手段と，を備えている。
【００１９】
本発明の第２の側面によると，１または複数の，所定の周波数を有する搬送波に対して，送信情報に基づく振幅変調および位相変調の双方またはいずれか一方と，窓関数を表す信号による変調とが行われた通信情報が音響信号として受信され，電気信号に変換される。そして，変換された信号はフーリエ変換され，搬送波の周波数における位相値および振幅値の双方またはいずれか一方が読み出される。続いて，読み出された値に基づいて通信情報が復調される。これにより，受信装置を簡略なものとすることができる。
【００２０】
本発明の第３の側面による音響通信装置は，音響送信装置と音響受信装置とを備えている音響通信装置であって，
前記音響送信装置は，１または複数の，所定の周波数を有する搬送波に対して，送信情報に基づく振幅変調および位相変調の双方またはいずれか一方と，窓関数を表す信号による変調とを行う変調手段と，前記変調手段により変調された信号を音により送信する音響送信手段と，を備え，前記音響受信装置は，前記音響送信手段により送信された音響信号を受信し，電気信号に変換する音響受信手段と，前記音響受信手段により変換された信号をフーリエ変換し，前記搬送波の周波数における位相値および振幅値の双方またはいずれか一方を読み出し，読み出した値に基づいて通信情報を復調する復調手段と，を備えている。
【００２１】
本発明の第３の側面によると，前記音響送信装置は，１または複数の，所定の周波数を有する搬送波に対して，送信情報に基づく振幅変調および位相変調の双方またはいずれか一方と，窓関数を表す信号による変調とを行い，前記変調された信号を音により送信する。前記音響受信装置は，前記音響送信装置により送信された音響信号を受信して，電気信号に変換し，前記変換された信号をフーリエ変換し，搬送波の周波数における位相値および振幅値の双方またはいずれか一方を読み出し，読み出した値に基づいて通信情報を復調する。これによっても，前述した本発明の第１の側面および第２の側面による作用効果を得ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に，本発明による音響通信装置を，ガスメータの自動検針，ガス漏れ警報等を行うシステムに適用した実施の形態を説明するが，この実施の形態は一例であり，本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２３】
図１は，本実施の形態による音響通信装置の全体構成を示すブロック図である。この音響通信装置は，送信部１および受信部２を備えている。送信部１と受信部２との間の通信路としては，ガス管３内の空間が利用される。
【００２４】
送信部１は，直列／並列変換器１１，変調器１２，ディジタル／アナログ変換器（以下「Ｄ／Ａ変換器」という。）１３，増幅器１４，およびスピーカ１５を有する。受信部２は，並列／直列変換器２１，復調処理器２７，高速フーリエ変換器（以下「ＦＦＴ」という。）２２，アナログ／ディジタル変換器（以下「Ａ／Ｄ変換器」という。）２３，帯域フィルタ（ＢＰＦ）２４，増幅器２５，およびマイク２６を有する。
【００２５】
送信部１において，直列／並列変換器１１に入力される送信データから直列／並列変換器１１，変調器１２，Ｄ／Ａ変換器１３，および増幅器１４を経て，スピーカ１５の入力データに至るまでは，電気信号により送受信および処理が行われる。スピーカ１５の出力データからガス管３を経てマイク２６の入力データに至るまでは，音響信号により送受信が行われる。受信部２において，マイク２６の出力データから，増幅器２５，Ａ／D変換器２３，ＦＦＴ２２，復調処理器２７，および並列／直列変換器２１を経て，並列／直列変換器２１から出力される受信データに至るまでは，電気信号により送受信および処理が行われる。
【００２６】
この音響通信装置では，一例として，ガスメータの検針値（ガス使用量），ガス漏れ警報等を表すディジタルのＭビットの送信データｄ＝｛ｄ₁，ｄ₂，…，ｄ_M｝（Ｍは正の整数，ｄ₁〜ｄ_Mはそれぞれ１ビットデータ）が送信部１に入力される。送信データｄは，送信部２により音響信号ｘ（ｔ）（ｔ：時間）に変換され，ガス管３を介して受信部２に送信される。
【００２７】
受信部２では，受信された音響信号ｘ（ｔ）が復調され，送信データｄと同じ値のディジタルの受信データに変換される。受信データは，有線回線（電話回線等），無線回線等により，端末網制御装置，センタ局等に送信される。
【００２８】
この音響信号ｘ（ｔ）は，本実施の形態では，
【００２９】
【数１】

【００３０】
により表される。
【００３１】
ここで，Ｎは正の整数であり，送信に用いられる搬送波（キャリア）信号ｕ_i(ｔ)＝sin（２πｆ_i（ｔ−ｔ_Pi））の個数である。本実施の形態では，１または２以上の任意の個数の搬送波を用いることができる。また，ｆ_iは搬送波周波数，ｔ_Piは位相オフセット時間［秒］，φ_iは位相変調パラメータである。exp（−Ｂ²（ｔ−ｔ_C）²）は「窓関数」の一例としてのガウス窓関数（またはガウス窓）を表す変調信号（以下「ガス窓信号」という。）であり，Ｂはガウス窓信号の帯域パラメータ［Ｈｚ］，ｔ_Cはガウス窓信号の窓中心時間［秒］である。
【００３２】
以下に，音響信号ｘ（ｔ）の具体例について説明する。
【００３３】
１．音響信号の第１の例
送信データｄに基づいて多値の位相シフトキーイング（ＰＳＫ：Phase Shift Keying）をキャリア信号ｕ_i(ｔ)に施し，音響信号ｘ（ｔ）を生成することができる。この場合に，前記式（１）により表される音響信号ｘ（ｔ）の振幅パラメータ（振幅値）ａ_iおよび位相オフセット時間ｔ_Piはそれぞれ一定値（以下では，一例としてａ＝１［Ｖ］，ｔ_Pi＝０［秒］とする。）とされる。そして，各キャリア信号ｕ_i（ｔ）の位相は，送信データｄに基づいてその値が定められる位相変調パラメータφ_iによりシフト（移相）される。
【００３４】
図２（Ａ）は，ＰＳＫを行う場合における直列／並列変換器１１および変調器１２の詳細な構成を示すブロック図であり，図２（Ｂ）は，変調器１２に含まれるＰＳＫ変調器１２ａ_i（ｉ＝１〜Ｎ）の詳細な構成を示すブロック図である。送信部１に入力されたＭビットの送信データｄ＝｛ｄ₁，ｄ₂，…，ｄ_M｝は，まず直列／並列変換器１１に入力される。
【００３５】
直列／並列変換器１１は，入力されたＭビットの送信データｄを，先頭ビットから順にＭ／Ｎビットずつに区切り，それぞれがＭ／Ｎビットを有するＮ個のグループ（並列データ）ｐ₁〜ｐ_Nに分割する。直列／並列変換器１１は，Ｎ個の出力端子Ｏ₁〜Ｏ_Nを有し，分割された各並列データｐ₁〜ｐ_Nを出力端子Ｏ₁〜Ｏ_Nにそれぞれ出力する。
【００３６】
たとえばＭ＝２４，Ｎ＝８の場合には，送信データｄ＝｛ｄ₁，ｄ₂，…，ｄ₂₄｝は，８個の３ビットずつからなる並列データｐ₁＝｛ｄ₁，ｄ₂，ｄ₃｝，ｐ₂＝｛ｄ₄，ｄ₅，ｄ₆｝，…，ｐ₈＝｛ｄ₂₂，ｄ₂₃，ｄ₂₄｝に分割される。そして，並列データｐ₁は出力端子Ｏ₁に，並列データｐ₂は出力端子Ｏ₂に，…，並列データｐ₈は出力端子Ｏ₈に，それぞれ出力される。
【００３７】
このように，整数ＭおよびＮの値は，Ｎ個の各並列データが同じビット数を有するように設定されることが好ましい。すなわち，整数Ｍは，整数Ｎの整数倍に設定されるのが好ましい。
【００３８】
変調器１２は，Ｎ個のＰＳＫ変調器１２ａ₁〜１２ａ_N，加算器１２ｂ，乗算器１２ｃ，およびガウス窓信号発生器１２ｄを有する。Ｎ個の並列データｐ₁〜ｐ_Nは，Ｎ個のＰＳＫ変調器１２ａ₁〜１２ａ_Nにそれぞれ入力される。
【００３９】
ＰＳＫ変調器１２ａ_i（ｉ＝１〜Ｎ，以下同様）は，いずれも同じ構成を有し，正弦波のキャリア信号ｕ_i（ｔ）を発生する正弦波信号発生器１２１_iおよびキャリア信号ｕ_i（ｔ）の位相をシフトさせる移相器１２２_iを有する。
【００４０】
ただし，各ＰＳＫ変調器１２ａ_iの正弦波信号発生器１２１_iの周波数ｆ_iには，それぞれ異なる値の周波数が割り当てられる。たとえばｆ₁＝２０００［Ｈｚ］，ｆ₂＝２２５０［Ｈｚ］，ｆ₃＝２５００［Ｈｚ］，…というように，ｆ₁からｆ_Nに向けて２０００［Ｈｚ］から開始する２５０［Ｈｚ］間隔（一定間隔）の周波数が割り当てられてもよいし，隣接する２つの周波数間の間隔が一定でない周波数が割り当てられてもよい。
【００４１】
このように送信するキャリア信号をＮ個設けることにより，伝送速度をＮ倍とすることができる。
【００４２】
各正弦波信号発生器１２１_iが発生した搬送波（搬送波を表す信号）は，移相器１２２_iに入力される。一方で，移相器１２２_iには，並列データｐ_iも入力される。
【００４３】
移相器１２２_iには，並列データｐ_iに対応した移相量（位相シフト量）φ_iがあらかじめ設定されている。移相量φ_iとしては，たとえば２^M/N相ＰＳＫによる２π÷２^M/N間隔の角度が割り当てられる。たとえば，前述したＭ＝２４，Ｎ＝８の場合の８相ＰＳＫでは，３ビットからなる並列データのそれぞれに図３に示すような移相量を割り当てることができる。図３では，隣接する位相の符号間距離が最小となるように，移相量と３ビットからなる並列データとの対応付け（コンスタレーション）が行われている。
【００４４】
移相器１２２_iは，入力された並列データｐ_iに対応した移相量φ_iだけ，キャリア信号ｕ_i（ｔ）の位相をシフトさせる。これにより，キャリア信号ｕ_i（ｔ）は，以下の式（２）に示す被変調信号ｖ_i（ｔ）に変換される。
【００４５】
【数２】

【００４６】
ただし，前述したように，位相オフセット時間ｔ_Piを０としているので，この時間ｔ_Piは式（２）において省略されている。
【００４７】
各移相器１２２_iから出力されたＮ個の被変調信号ｖ₁（ｔ）〜ｖ_N（ｔ）は，加算器１２ｂに与えられ，加算される。これにより，以下の式（３）に表す加算信号ｗ（ｔ）が生成される。
【００４８】
【数３】

【００４９】
この加算信号ｗ（ｔ）は，乗算器１２において，ガウス窓信号発生器１２ｄから入力されるガウス窓信号ｇ（ｔ）＝exp（−Ｂ²（ｔ−ｔ_C）²）と乗算される。
【００５０】
図４は，ガウス窓信号発生器１２ｄにより生成されるガウス窓信号ｇ（ｔ）の波形を示すグラフであり，同図（Ａ）は時間波形を，同図（Ｂ）はパワースペクトル（周波数スペクトル）を，それぞれ示している。
【００５１】
図４に示すように，ガウス窓信号ｇ（ｔ）は，時間領域において，一定の限られた時間領域Ｔ以外では，振幅が急速に０に漸近するとともに，周波数領域においても，一定の限られた周波数領域Ｆ内にパワースペクトルが局在する性質を有する。
【００５２】
したがって，被変調信号ｖ_i（ｔ）にガウス窓信号ｇ（ｔ）が乗算された信号ｖ_i（ｔ）・ｇ（ｔ）も，一定の限られた時間領域以外では，振幅が急速に０に漸近するとともに，一定の限られた周波数領域内にパワースペクトルが局在することとなる。図５（Ａ）は，Ｎ＝８とした場合における８個の信号ｖ₁（ｔ）・ｇ（ｔ）〜ｖ₈（ｔ）・ｇ（ｔ）の時間波形の一例を示し，同図（Ｂ）は，それらのパワースペクトルを示している。また，同図（Ｃ）は，８個の信号ｖ₁（ｔ）・ｇ（ｔ）〜ｖ₈（ｔ）・ｇ（ｔ）を加算したものの時間波形を示し，同図（Ｄ）は，加算したもののパワースペクトルを示している。このように，信号ｖ_i（ｔ）・ｇ（ｔ）も時間領域および周波数領域において一定の範囲を有するので，複数個加算して加算信号ｗ（ｔ）・ｇ（ｔ）を作成する場合であっても，各信号ｖ_i（ｔ）・ｇ（ｔ）間の干渉を小さくすることができる。
【００５３】
乗算器１２ｃによりガウス窓信号が乗算され，その結果，以下の式（４）に示すように，音響信号ｘ（ｔ）と同じ波形を有する電気信号（ｙ（ｔ）とする。）が生成される。
【００５４】
【数４】

【００５５】
なお，変調器１２の処理の順序は一例であって，たとえば，キャリア信号ｕ_i（ｔ）にガウス窓信号ｇ（ｔ）を先に乗算し，その後，乗算された信号に含まれるキャリア信号ｕ_i（ｔ）の位相を移相器１２２_iによりシフトさせることもできる。
【００５６】
このような変調器１２の処理は，ディジタルデータ（ディジタル信号）により行うこともできるし，アナログデータ（アナログ信号）により行うこともできる。処理がディジタルデータにより行われた場合には，図１に示すように，変調器１２の後段にＤ／Ａ変換器１３が設けられ，ディジタル信号ｙ（ｔ）は，アナログ信号に変換された後，増幅器１４に与えられることとなる。一方，処理がアナログデータにより行われた場合には，図１に示すＤ／Ａ変換器１３は省略され，アナログ信号ｙ（ｔ）は，増幅器１４に直接与えられることとなる。
【００５７】
増幅器１４に与えられたアナログ信号ｙ（ｔ）は，増幅された後，スピーカ１５に与えられる。スピーカ１５は，増幅器１４から与えられたアナログ電気信号ｙ（ｔ）を音響信号に変換し，音としてガス管３内に出力（送信）する。
【００５８】
ガス管３内を送信された音響信号ｘ（ｔ）は，受信部２のマイク２６により受信され，電気信号ｙ（ｔ）に変換された後，増幅器２５に与えられる。なお，マイク２６には，プリアンプが含まれていてもよく，このプリアンプにより前置増幅された電気信号ｙ（ｔ）が増幅器２５に与えられてもよい。
【００５９】
増幅器２５により増幅された信号ｙ（ｔ）は，ＢＰＦ２４により，所定の帯域の信号のみが選択された後，Ａ／Ｄ変換器２３に与えられ，Ａ／Ｄ変換器２３により，ディジタル信号（ディジタルデータ）に変換される。このディジタルデータは，ＦＦＴ２２に与えられ，フーリエ変換される。
【００６０】
また，ＦＦＴ２２では，フーリエ変換後のディジタルデータに基づいて，送信部１の正弦波信号発生器１２１_iの周波数ｆ_i（すなわち搬送波の周波数）に対応するN個の位相値が読み出される。この読み出された位相値は，移相器１２２_iによる移相量に対応する。
【００６１】
復調処理器２７には，移相器１２２_iと同様に，読み出された位相値に対応するＭ／Ｎビットのディジタルデータがあらかじめ設定されている。これにより，復調処理器２７では，読み出された位相値に対応するＭ／ＮビットのディジタルデータがＮ個求められ，求められたＮ個のディジタルデータは，並列／直列変換器２１に与えられる。
【００６２】
このようにＦＦＴ２により位相値を取得し，この位相値を，復調処理器２７により，送信部２の移相器１２２_iと同様の設定に基づいてビット情報に変換することにより，複雑な回路構成を必要としない受信部２を構成することができる。
【００６３】
並列／直列変換器２１は，これらＮ個のＭ／Ｎビットのディジタルデータを，Ｍビットの直列のディジタルデータに変換し，出力する。並列／直列変換器２１から出力されたＭビットのディジタルデータは，有線回線（たとえば電話回線等），無線回線等により端末網制御装置，センタ局等に送信される。
【００６４】
音響信号ｘ（ｔ）の送信間隔は，前に送信された音響信号の残響の影響が小さくなり，受信部２側で各音響信号を弁別することができる間隔とされる。これにより，ガス管３（特にガス管３の曲がり部，分岐部等）における残響の影響を受けることなく，送信データを送信することができる。また，１つの音響信号により，複数ビットの情報を送信できるので，伝送速度を向上することができる。
【００６５】
なお，N＝１とすることもでき，この場合には，送信部１において，直列／並列変換器１１および加算器１２ｂが不要となり，受信部２において，並列／直列変換器２１が不要となる。また，ガウス窓信号は窓関数を表す信号の一例であり，他の窓関数を用いることもできる。さらに，ＦＦＴ２２による前述した処理を，離散フーリエ変換器（ＤＦＴ：Discrete Fourier Transform）により行うこともできる。
【００６６】
２．音響信号の第２の例
位相変調（特にＰＳＫ）および振幅変調（特に振幅シフトキーイング（ＡＳＫ：Amplitude Shift Keying））の双方をキャリア信号に施すＱＡＭ（Quadrative Amplitude Modulation）を行うことにより，送信データｄを送信することができる。
【００６７】
音響通信装置の全体構成は，図１に示すものと同じである。一方，変調器１２は，ＱＡＭを行うように，図２に示すものとは異なる構成を有する。図６（Ａ）は，ＱＡＭを行う場合における直列／並列変換器および変調器１２の詳細な構成を示すブロック図であり，同図（Ｂ）は，変調器１２に含まれるＱＡＭ変調器１２ｇ_i（ｉ＝１〜Ｎ）の詳細な構成を示すブロック図である。図２と同じ構成要素には，同じ符号を付し，その詳細な説明を省略することとする。
【００６８】
直列／並列変換器１１は，前述した第１の例と同じ処理を行い，分割された各並列データｐ₁〜ｐ_Nを出力端子Ｏ₁〜Ｏ_Nにそれぞれ出力する。
【００６９】
変調器１２は，Ｎ個のＱＡＭ変調器１２ｇ₁〜１２ｇ_N，加算器１２ｈ，乗算器１２ｋ，およびガウス窓信号発生器１２ｄを有する。Ｎ個の並列データｐ₁〜ｐ_Nは，Ｎ個のＱＡＭ変調器１２ｇ₁〜１２ｇ_Nにそれぞれ入力される。
【００７０】
ＱＡＭ変調器１２ｇ_i（ｉ＝１〜Ｎ，以下同様）は，いずれも同じ構成を有し，正弦波のキャリア信号ｕ_i（ｔ）を発生する正弦波信号発生器１２１_i，キャリア信号ｕ_i（ｔ）の位相をシフトさせる移相器１２２_i，移相量／振幅値設定器１２３_i，および乗算器１２４_iを有する。
【００７１】
移相量／振幅値設定器１２３_iには，並列データｐ_iが入力される。移相量／振幅値設定器１２３_iは，入力された並列データｐ_iの値に対応して，キャリア信号ｕ_i（ｔ）の位相をシフトさせる移相量と，キャリア信号ｕ_i（ｔ）の振幅を変化させる振幅量とがあらかじめ設定されている。これにより，移相量／振幅値設定器１２３_iは，並列データｐ_iの値に対応した移相量を移相器１２２_iに，振幅値を乗算器１２４_iに，それぞれ出力する。
【００７２】
移相器１２２_iは，キャリア信号ｕ_i（ｔ）の位相を，移相量／振幅値設定器１２３_iから与えられた移相量だけシフトさせ，位相がシフトされたキャリア信号ｕ_i（ｔ）を乗算器１２４_iに与える。
【００７３】
乗算器１２４_iは，移相器１２２_iから入力されたキャリア信号に，移相量／振幅値設定器１２３_iから与えられた振幅値を乗算し，加算器１２ｂに出力する。加算器１２ｂおよび乗算器１２ｃでは，前述した第１の例と同じ処理が行われる。
【００７４】
このようにして，送信部１は，送信データｄに基づいて，キャリア信号にＱＡＭを施し，変調された信号を音響信号として送信する。
【００７５】
一方，受信部２では，ＦＦＴ（またはＤＦＴ）２２（図１参照）において，送信部１の正弦波信号発生器１２１_iの周波数ｆ_i（すなわち搬送波の周波数）における位相値および振幅値が読み出される。そして，読み出された位相値および振幅値に対応する，Ｍ／Ｎビットの並列データが求められる。求められたＮ個の並列データは，並列／直列変換器２１（図１参照）によりＭビットの１つのディジタルデータにされ，出力される。
【００７６】
このようなＱＡＭを用いることによっても，前述した第１の例と同様の作用効果を得ることができる。
【００７７】
ＱＡＭ変調器１２ｇ_iを，図７に示す構成とすることもできる。このＱＡＭ変調器１２ｇ_iでは，正弦波信号発生器１２５_iから第１のキャリア信号ｕ_i1（ｔ）＝−sin２πｆ_i（ｔ‐ｔ_Pi）が出力され，余弦波信号発生器１２７_iから第２のキャリア信号ｕ_i2（ｔ）＝cos２πｆ_i（ｔ‐ｔ_Pi）が出力される。
【００７８】
振幅値設定器１２６_iには，入力される並列データｐ_iの値に対応して，第１のキャリア信号ｕ_i1（ｔ）の振幅値ｂ_i，および，第２のキャリア信号ｕ_i2（ｔ）の振幅値ｃ_iがあらかじめ設定されている。振幅値設定器１２６_iは，入力される並列データｐ_iの値に対応した振幅値ｂ_iおよびｃ_iを乗算器１２９_iおよび１３０_iにそれぞれ出力する。
【００７９】
乗算器１２９_iおよび１３０_iは，第１のキャリア信号ｕ_i1（ｔ）および第２のキャリア信号ｕ_i2（ｔ）に振幅値ｂ_iおよびｃ_iをそれぞれ乗算し，乗算結果を加算器１３１_iに出力する。加算器１３１は，入力された信号を加算して，加算結果を加算器１２ｂに与える。
【００８０】
このような処理により，音響信号ｘ（ｔ）は，以下の式（５）により表される信号となる。
【００８１】
【数５】

【００８２】
なお，これまでに述べたＱＡＭ変調器１２ｇ_iの処理は，第１の例におけるＰＳＫ変調器１２ａ_iと同様に，ディジタル信号（ディジタルデータ）により行うこともできるし，アナログ信号（アナログデータ）により行うこともできる。また，第１の例と同様に，Ｎ＝１であってもよく，この場合には，送信部１において，直列／並列変換器１１および加算器１２ｂが不要となり，受信部２において，並列／直列変換器２１が不要となる。さらに，他の窓関数を用いることもできる。
【００８３】
ＱＡＭ変調器１２ｇ_iの処理を，特にコンピュータ等によりディジタルデータで行う場合には，ＱＡＭ変調器１２ｇ_iを図８に示すように構成することができる。すなわち，移相量／振幅値設定器５１₁〜５１_Nでは，並列データｐ₁〜ｐ_Nに対応する移相量および振幅値が求められ，演算部５２に与えられる。演算部５２では，与えられた移相量および振幅値を式（１）に代入して演算し，演算結果を出力する。
【００８４】
移相量／振幅値設定器５１₁〜５１_Nを，第１のキャリア信号ｕ_i1（ｔ）の振幅値ｂ_i，および，第２のキャリア信号ｕ_i2（ｔ）の振幅値ｃ_i，を設定する設定器に置換するとともに，演算部５２を式（５）を演算するものに置換することもできる。
【００８５】
また，第１の例で説明したＰＳＫを用いる場合も，同様にして構成することもできる。
【００８６】
３．音響信号の他の例
振幅シフトキーイング（ＡＳＫ：Amplitude Shift Keying）のみによって音響信号を作成することもできる。また，周波数シフトキーイング（ＦＳＫ：Frequency Shift Keying）によっても音響信号を作成することができる。
【００８７】
４．他の実施の形態
送信部１をたとえば端末網制御装置，センタ局等に設け，受信部２をガスメータ等に設けることにより，センタ局から送信されるガス栓を閉じる指令をガスメータ等に与え，ガスメータ等にガス栓を閉じる操作を行わせることもできる。
【００８８】
また，コンピュータ等が行う処理については，プログラムにより記述することができ，このプログラムは，フロッピディスク，メモリカード，ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に記録して提供することができる。
【００８９】
【発明の効果】
本発明によると，音響通信の伝送速度を向上させることができる。また，残響に強い音響通信装置および音響信号通信方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態による音響通信装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】（Ａ）は，ＰＳＫを行う場合における直列／並列変換器および変調器の詳細な構成を示すブロック図であり，（Ｂ）は，変調器に含まれるＰＳＫ変調器の詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】８相ＰＳＫにおける３ビットの並列データと位相との対応付け（コンスタレーション）を示す。
【図４】ガウス窓信号発生器により生成されるガウス窓信号の波形を示すグラフであり，（Ａ）は時間波形を，（Ｂ）はパワースペクトルを，それぞれ示す。
【図５】（Ａ）は，Ｎ＝８とした場合における８個の信号ｖ₁（ｔ）・ｇ（ｔ）〜ｖ₈（ｔ）・ｇ（ｔ）の時間波形の一例を，（Ｂ）は，それらのパワースペクトルを，（Ｃ）は，８個の信号ｖ₁（ｔ）・ｇ（ｔ）〜ｖ₈（ｔ）・ｇ（ｔ）を加算したものの時間波形を，（Ｄ）は，加算したもののパワースペクトルを，それぞれ示す。
【図６】（Ａ）は，ＱＡＭを行う場合における直列／並列変換器および変調器の詳細な構成を示すブロック図であり，（Ｂ）は，変調器に含まれるＱＡＭ変調器の詳細な構成を示すブロック図である。
【図７】ＱＡＭ変調器の他の構成例を示すブロック図である。
【図８】ＱＡＭ変調器の他の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１送信部
２受信部
３ガス管
１１直列／並列変換器
１２変調器
１５スピーカ
２１並列／直列変換器
２２ＦＦＴ
２５マイク
２７復調処理器
１２ａ₁〜１２ａ_N ＰＳＫ変調器
１２ｂ加算器
１２ｃ乗算器
１２ｄガウス窓信号発生器
１２１_i 正弦波信号発生器
１２２_i 移相器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an acoustic transmission device and an acoustic signal transmission method for transmitting transmission information as an acoustic signal. The present invention also relates to an acoustic receiver and an acoustic signal receiving method for receiving communication information as an acoustic signal. Furthermore, the present invention provides an acoustic communication device and an acoustic device provided with such an acoustic transmission device and an acoustic reception device. signal It relates to a communication method.
[0002]
The present invention also relates to a program for causing a computer provided in an acoustic transmission device to execute.
[0003]
[Prior art]
The gas consumption of each home (house) is transmitted to the center station for automatic meter reading and collection, and the gas leak occurrence is notified to the center station, or in response to the gas leak notification, the center station is operated remotely. Remote monitoring / control systems that shut off gas meters have been put into practical use.
[0004]
In such a remote monitoring / control system, a gas meter installed in each home (house) is provided with a microcomputer having a communication function. The microcomputer of the gas meter is connected to the terminal network controller via a wired line, and the terminal network controller is further connected to the center station via a telephone line.
[0005]
For this reason, a through-hole construction for passing a wired line between the gas meter and the terminal network control device is performed in the house. However, especially in apartment buildings, construction is often difficult and aesthetic problems may occur.
[0006]
On the other hand, a gas meter microcomputer or the like is connected to a terminal network control device by radio communication such as radio waves, and the terminal network control device is connected to a home telephone (fixed telephone) in each home, and the center station It is also considered to connect to. However, in recent years, with the widespread use of mobile phones and PHS, there are many customers who do not have a telephone in the home, and such a method using radio waves cannot be implemented in all houses.
[0007]
There is also a need to reduce the cost of such communication equipment.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
For this reason, an acoustic signal communication method for propagating communication information as an acoustic signal to the inside of a gas pipe or the like has been studied. In this method, communication information such as a meter reading value and a gas leak occurrence notification is transmitted by an acoustic signal from a gas meter installed on one side of the gas pipe to a terminal network control device installed on the other side of the gas pipe.
[0009]
However, when the inside of a gas pipe or the like is communicated by an acoustic signal, reverberation (delayed wave) due to sound reflection occurs at, for example, a bent part or a branched part of the pipe. Therefore, when communication information is continuously transmitted, the acoustic signal transmitted next is disturbed by the reverberation of the acoustic signal transmitted earlier, and the acoustic signal cannot be accurately received on the receiving side.
[0010]
In order to avoid the influence of this reverberation, it is necessary to transmit the next acoustic signal after waiting for the reverberation of the previously transmitted acoustic signal to attenuate below a certain level. For this reason, acoustic communication using simple pulse signals has a limit in improving transmission speed.
[0011]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to improve the transmission speed of acoustic communication.
[0012]
Another object of the present invention is to provide an acoustic communication device and an acoustic signal communication method that are resistant to reverberation.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an acoustic transmission apparatus according to the first aspect of the present invention is one or more of amplitude modulation and / or phase modulation based on transmission information for one or more carriers having a predetermined frequency. On the other hand, there are provided modulation means for performing modulation with a signal representing a window function, and acoustic transmission means for transmitting the signal modulated by the modulation means by sound.
[0014]
A program according to a first aspect of the present invention provides a computer provided in an acoustic transmission device that transmits transmission information as an acoustic signal, to one or more digital data representing a carrier wave having a predetermined frequency. A procedure for performing amplitude modulation and / or phase modulation on the basis of digital data representing transmission information, and modulating digital data representing a carrier wave having a predetermined frequency with a signal representing a window function Procedure.
[0015]
In addition, a program according to the first aspect of the present invention provides a computer provided in an acoustic transmission device that transmits transmission information as an acoustic signal to a carrier having one or more predetermined frequencies based on the transmission information. When the modulation to be performed is phase shift keying, the transmission information is converted to the phase shift amount of the carrier wave. When the modulation is amplitude shift keying, the transmission information is converted to the amplitude value of the carrier wave. , When the modulation is QAM, the procedure of converting the transmission information into the amplitude value and phase shift amount of the carrier; and when the modulation is phase shift keying, the phase shift amount of the carrier is Is the amplitude shift keying, the amplitude value of the carrier wave is the parameter, and when the modulation is QAM, the amplitude value and the phase shift amount of the carrier wave are the parameters. And a step of substituting the value converted from the transmission information into the parameter of the calculation formula obtained by multiplying the formula representing the one or more carriers and the formula representing the window function given as Is for.
[0016]
According to the first aspect of the present invention, for one or a plurality of carrier waves having a predetermined frequency, amplitude modulation and / or phase modulation based on transmission information, and modulation by a signal representing a window function, Is done. The modulated signal is transmitted by sound. Multiple information is transmitted with one modulation symbol in one carrier wave by performing amplitude modulation and / or phase modulation on the carrier wave and expressing transmission information having multiple values (for example, multiple bits). can do. Therefore, the transmission speed can be improved. In addition, the acoustic signal transmission interval can be reduced to such an extent that the acoustic signal is not adversely affected by the reverberation. Furthermore, since the signal is modulated by a signal representing a window function, even when a plurality of carrier waves are overlapped, interference between the carrier waves can be reduced, and this can also improve the transmission speed.
[0017]
In the first aspect of the present invention, preferably, when there are a plurality of carrier waves having the predetermined frequency, each of the plurality of carrier waves has a different frequency, and the modulation means includes each of the plurality of carrier waves. On the other hand, the modulation based on individual transmission information is performed. Thereby, the transmission information by one modulation symbol can be further increased. That is, when all the carrier waves are modulated by the same modulation means, the transmission rate is several times the number of carrier waves compared to the case where only one carrier wave is used.
[0018]
The acoustic receiver according to the second aspect of the present invention provides a signal representing a window function and / or amplitude modulation and / or phase modulation based on transmission information for one or a plurality of carrier waves having a predetermined frequency. Receiving the communication information modulated by the above as an acoustic signal and converting it into an electrical signal; Fourier transforming the signal converted by the acoustic receiving means; and a phase value and an amplitude value at the frequency of the carrier wave And a demodulating means for demodulating communication information based on the read value.
[0019]
According to the second aspect of the present invention, for one or a plurality of carriers having a predetermined frequency, amplitude modulation and / or phase modulation based on transmission information, and modulation by a signal representing a window function, The communication information that has been performed is received as an acoustic signal and converted into an electrical signal. Then, the converted signal is Fourier-transformed, and / or the phase value and / or amplitude value at the frequency of the carrier wave is read out. Subsequently, the communication information is demodulated based on the read value. As a result, the receiving apparatus can be simplified.
[0020]
An acoustic communication device according to a third aspect of the present invention is an acoustic communication device including an acoustic transmission device and an acoustic reception device,
The acoustic transmission device is a modulation unit that performs amplitude modulation and / or phase modulation based on transmission information on one or a plurality of carrier waves having a predetermined frequency, and modulation using a signal representing a window function. And an acoustic transmission means for transmitting the signal modulated by the modulation means by sound, and the acoustic reception device receives the acoustic signal transmitted by the acoustic transmission means and converts it into an electrical signal. And a demodulating means for performing Fourier transform on the signal converted by the acoustic receiving means, reading out one or both of the phase value and amplitude value at the frequency of the carrier wave, and demodulating communication information based on the read value; , Is provided.
[0021]
According to a third aspect of the present invention, the acoustic transmission device includes one or a plurality of carrier waves having a predetermined frequency, amplitude modulation and / or phase modulation based on transmission information, and a window function. The modulated signal is modulated by a signal representing the above, and the modulated signal is transmitted by sound. The acoustic receiving device receives the acoustic signal transmitted from the acoustic transmitting device, converts the acoustic signal into an electrical signal, Fourier transforms the converted signal, and / or either a phase value and an amplitude value at a carrier frequency. One of them is read, and the communication information is demodulated based on the read value. Also by this, the effect by the 1st side surface and 2nd side surface of this invention which were mentioned above can be acquired.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment in which the acoustic communication device according to the present invention is applied to a system for performing automatic meter reading of a gas meter, a gas leak alarm, etc. will be described. This embodiment is an example, and the technical scope of the present invention is described below. It is not limited.
[0023]
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the acoustic communication apparatus according to the present embodiment. This acoustic communication device includes a transmission unit 1 and a reception unit 2. As a communication path between the transmission unit 1 and the reception unit 2, a space in the gas pipe 3 is used.
[0024]
The transmitter 1 includes a serial / parallel converter 11, a modulator 12, a digital / analog converter (hereinafter referred to as “D / A converter”) 13, an amplifier 14, and a speaker 15. The receiving unit 2 includes a parallel / serial converter 21, a demodulation processor 27, a fast Fourier transformer (hereinafter referred to as “FFT”) 22, an analog / digital converter (hereinafter referred to as “A / D converter”) 23, A band filter (BPF) 24, an amplifier 25, and a microphone 26 are included.
[0025]
In the transmission unit 1, from transmission data input to the serial / parallel converter 11 to input data of the speaker 15 via the serial / parallel converter 11, the modulator 12, the D / A converter 13, and the amplifier 14. Are transmitted / received and processed by electrical signals. From the output data of the speaker 15 through the gas pipe 3 to the input data of the microphone 26, transmission / reception is performed by an acoustic signal. In the receiving unit 2, reception output from the parallel / serial converter 21 from the output data of the microphone 26 through the amplifier 25, the A / D converter 23, the FFT 22, the demodulation processor 27, and the parallel / serial converter 21. Until data is received, transmission / reception and processing are performed by electrical signals.
[0026]
In this acoustic communication apparatus, as an example, digital M-bit transmission data d = {d indicating a meter reading value (gas consumption) of a gas meter, a gas leak alarm, etc. ₁ , D ₂ , ..., d _M } (M is a positive integer, d ₁ ~ D _M 1-bit data) is input to the transmitter 1. The transmission data d is converted into an acoustic signal x (t) (t: time) by the transmission unit 2 and transmitted to the reception unit 2 via the gas pipe 3.
[0027]
In the receiving unit 2, the received acoustic signal x (t) is demodulated and converted into digital reception data having the same value as the transmission data d. The received data is transmitted to the terminal network control device, the center station, etc. via a wired line (telephone line, etc.), a wireless line, etc.
[0028]
In this embodiment, the acoustic signal x (t) is
[0029]
[Expression 1]

[0030]
Is represented by
[0031]
Here, N is a positive integer and is a carrier signal u used for transmission. _i (t) = sin (2πf _i (T-t _Pi )). In this embodiment, one or two or more arbitrary numbers of carriers can be used. F _i Is the carrier frequency, t _Pi Is the phase offset time [sec], φ _i Is a phase modulation parameter. exp (-B ² (T-t _C ) ² ) Is a modulation signal (hereinafter referred to as “gas window signal”) representing a Gauss window function (or Gauss window) as an example of the “window function”, and B is a band parameter [Hz], t of the Gauss window signal. _C Is the window center time [seconds] of the Gaussian window signal.
[0032]
A specific example of the acoustic signal x (t) will be described below.
[0033]
1. First example of acoustic signal
Based on the transmission data d, multi-level phase shift keying (PSK) is performed on the carrier signal u. _i An acoustic signal x (t) can be generated by applying to (t). In this case, the amplitude parameter (amplitude value) a of the acoustic signal x (t) represented by the equation (1). _i And phase offset time t _Pi Are constant values (in the following, as an example, a = 1 [V], t _Pi = 0 [seconds]. ). And each carrier signal u _i The phase of (t) is a phase modulation parameter φ whose value is determined based on the transmission data d. _i To shift (phase shift).
[0034]
FIG. 2A is a block diagram showing a detailed configuration of the serial / parallel converter 11 and the modulator 12 when PSK is performed, and FIG. 2B is a PSK modulator 12a included in the modulator 12. _i It is a block diagram which shows the detailed structure of (i = 1-N). M-bit transmission data d = {d input to the transmitter 1 ₁ , D ₂ , ..., d _M } Is first input to the serial / parallel converter 11.
[0035]
The serial / parallel converter 11 divides the input M-bit transmission data d into M / N bits in order from the first bit, and N groups (parallel data) p each having M / N bits. ₁ ~ P _N Divide into The serial / parallel converter 11 has N output terminals O. ₁ ~ O _N Each piece of parallel data p ₁ ~ P _N Output terminal O ₁ ~ O _N Respectively.
[0036]
For example, when M = 24 and N = 8, transmission data d = {d ₁ , D ₂ , ..., d _{twenty four} } Is parallel data p consisting of 8 3 bits each ₁ = {D ₁ , D ₂ , D _Three }, P ₂ = {D _Four , D _Five , D ₆ }, ..., p ₈ = {D _{twenty two} , D _{twenty three} , D _{twenty four} }. And parallel data p ₁ Is the output terminal O ₁ And parallel data p ₂ Is the output terminal O ₂ , ..., parallel data p ₈ Is the output terminal O ₈ Are output respectively.
[0037]
Thus, the values of the integers M and N are preferably set so that each of the N parallel data has the same number of bits. That is, the integer M is preferably set to an integer multiple of the integer N.
[0038]
The modulator 12 includes N PSK modulators 12a. ₁ ~ 12a _N , An adder 12b, a multiplier 12c, and a Gaussian window signal generator 12d. N parallel data p ₁ ~ P _N N PSK modulators 12a ₁ ~ 12a _N Respectively.
[0039]
PSK modulator 12a _i (I = 1 to N, the same applies hereinafter) all have the same configuration, and a sine wave carrier signal u _i Sinusoidal signal generator 121 for generating (t) _i And carrier signal u _i Phase shifter 122 for shifting the phase of (t) _i Have
[0040]
However, each PSK modulator 12a _i Sine wave signal generator 121 _i Frequency f _i Each is assigned a different value of frequency. For example, f ₁ = 2000 [Hz], f ₂ = 2250 [Hz], f _Three = 2500 [Hz], ..., f ₁ To f _N A frequency of 250 [Hz] intervals (constant intervals) starting from 2000 [Hz] may be assigned to the frequency, or a frequency in which the interval between two adjacent frequencies is not constant may be assigned.
[0041]
By providing N carrier signals to be transmitted in this way, the transmission speed can be increased N times.
[0042]
Each sine wave signal generator 121 _i The carrier wave (signal representing the carrier wave) generated by the phase shifter 122 _i Is input. On the other hand, the phase shifter 122 _i Contains parallel data p _i Is also entered.
[0043]
Phase shifter 122 _i Contains parallel data p _i Phase shift amount (phase shift amount) φ corresponding to _i Is preset. Phase shift amount φ _i For example, 2 ^{M / N} 2π ÷ 2 by phase PSK ^{M / N} An interval angle is assigned. For example, in the above-described 8-phase PSK in the case of M = 24 and N = 8, a phase shift amount as shown in FIG. 3 can be assigned to each of 3-bit parallel data. In FIG. 3, association (constellation) is performed between the amount of phase shift and parallel data composed of 3 bits so that the inter-code distance between adjacent phases is minimized.
[0044]
Phase shifter 122 _i Is the input parallel data p _i Phase shift amount corresponding to _i Only the carrier signal u _i The phase of (t) is shifted. As a result, the carrier signal u _i (T) is the modulated signal v shown in the following equation (2). _i Converted to (t).
[0045]
[Expression 2]

[0046]
However, as described above, the phase offset time t _Pi Is set to 0, so this time t _Pi Is omitted in equation (2).
[0047]
Each phase shifter 122 _i N modulated signals v output from ₁ (T) -v _N (T) is given to the adder 12b and added. As a result, an addition signal w (t) represented by the following equation (3) is generated.
[0048]
[Equation 3]

[0049]
This added signal w (t) is supplied from the Gaussian window signal generator 12d to the Gaussian window signal g (t) = exp (−B). ² (T-t _C ) ² ).
[0050]
FIG. 4 is a graph showing the waveform of the Gaussian window signal g (t) generated by the Gaussian window signal generator 12d. FIG. 4A shows a time waveform, and FIG. 4B shows a power spectrum (frequency spectrum). ) Respectively.
[0051]
As shown in FIG. 4, the Gaussian window signal g (t) has an amplitude that gradually approaches 0 in the time domain, except for a certain limited time domain T, and is also limited in the frequency domain. The power spectrum is localized in the frequency region F.
[0052]
Therefore, the modulated signal v _i Signal v obtained by multiplying (t) by Gaussian window signal g (t) _i As for (t) · g (t), the amplitude rapidly approaches 0 and the power spectrum is localized in the certain limited frequency region except in the certain limited time region. FIG. 5A shows eight signals v when N = 8. ₁ (T) · g (t) -v ₈ An example of the time waveform of (t) · g (t) is shown, and FIG. FIG. 8C shows eight signals v. ₁ (T) · g (t) -v ₈ The time waveform of the sum of (t) and g (t) is shown, and FIG. 4D shows the power spectrum of the sum. Thus, the signal v _i Since (t) · g (t) also has a fixed range in the time domain and the frequency domain, each signal v can be obtained even when a plurality of signals are added to create an added signal w (t) · g (t). _i Interference between (t) and g (t) can be reduced.
[0053]
The multiplier 12c multiplies the Gaussian window signal, and as a result, as shown in the following equation (4), an electric signal having the same waveform as the acoustic signal x (t) (referred to as y (t)) is generated. The
[0054]
[Expression 4]

[0055]
Note that the processing order of the modulator 12 is an example, and for example, the carrier signal u _i (T) is first multiplied by the Gaussian window signal g (t), and then the carrier signal u included in the multiplied signal is obtained. _i The phase shifter 122 shifts the phase of (t). _i Can also be shifted.
[0056]
Such processing of the modulator 12 can be performed by digital data (digital signal) or analog data (analog signal). When the processing is performed with digital data, as shown in FIG. 1, a D / A converter 13 is provided at the subsequent stage of the modulator 12, and the digital signal y (t) is converted into an analog signal. , Are supplied to the amplifier 14. On the other hand, when the processing is performed with analog data, the D / A converter 13 shown in FIG. 1 is omitted, and the analog signal y (t) is directly supplied to the amplifier 14.
[0057]
The analog signal y (t) given to the amplifier 14 is amplified and then given to the speaker 15. The speaker 15 converts the analog electrical signal y (t) given from the amplifier 14 into an acoustic signal and outputs (transmits) it as a sound into the gas pipe 3.
[0058]
The acoustic signal x (t) transmitted through the gas pipe 3 is received by the microphone 26 of the receiving unit 2, converted into an electric signal y (t), and then given to the amplifier 25. The microphone 26 may include a preamplifier, and the electric signal y (t) preamplified by the preamplifier may be supplied to the amplifier 25.
[0059]
The signal y (t) amplified by the amplifier 25 is given to the A / D converter 23 after only the signal of a predetermined band is selected by the BPF 24, and is supplied to the digital signal (digital signal) by the A / D converter 23. Data). This digital data is given to the FFT 22 and subjected to Fourier transform.
[0060]
Further, in the FFT 22, the sine wave signal generator 121 of the transmission unit 1 is based on the digital data after Fourier transform. _i Frequency f _i N phase values corresponding to (that is, the frequency of the carrier wave) are read out. The read phase value is used as the phase shifter 122. _i This corresponds to the amount of phase shift due to.
[0061]
The demodulation processor 27 includes a phase shifter 122. _i Similarly, digital data of M / N bits corresponding to the read phase value is set in advance. Thus, the demodulation processor 27 obtains N pieces of digital data of M / N bits corresponding to the read phase value, and the obtained N pieces of digital data are given to the parallel / serial converter 21. .
[0062]
In this way, the phase value is obtained by the FFT 2, and this phase value is obtained by the demodulation processor 27 by the phase shifter 122 of the transmission unit 2. _i By converting to bit information based on the same setting as in, it is possible to configure the receiving unit 2 that does not require a complicated circuit configuration.
[0063]
The parallel / serial converter 21 converts these N M / N-bit digital data into M-bit serial digital data and outputs it. The M-bit digital data output from the parallel / serial converter 21 is transmitted to a terminal network control device, a center station, or the like via a wired line (for example, a telephone line), a wireless line, or the like.
[0064]
The transmission interval of the acoustic signal x (t) is an interval at which the influence of the reverberation of the previously transmitted acoustic signal is reduced and each acoustic signal can be discriminated on the receiving unit 2 side. As a result, transmission data can be transmitted without being affected by reverberation in the gas pipe 3 (particularly, a bent portion or a branching portion of the gas pipe 3). In addition, since a plurality of bits of information can be transmitted with one acoustic signal, the transmission speed can be improved.
[0065]
N = 1 can also be set. In this case, the transmitter 1 does not need the serial / parallel converter 11 and the adder 12b, and the receiver 2 does not need the parallel / serial converter 21. . The Gaussian window signal is an example of a signal representing a window function, and other window functions can be used. Furthermore, the above-described processing by the FFT 22 can be performed by a discrete Fourier transformer (DFT).
[0066]
2. Second example of acoustic signal
Transmission data d can be transmitted by performing QAM (Quadrative Amplitude Modulation), which applies both phase modulation (particularly PSK) and amplitude modulation (particularly amplitude shift keying (ASK)) to the carrier signal.
[0067]
The overall configuration of the acoustic communication device is the same as that shown in FIG. On the other hand, the modulator 12 has a configuration different from that shown in FIG. 2 so as to perform QAM. FIG. 6A is a block diagram showing a detailed configuration of the serial / parallel converter and the modulator 12 when performing QAM, and FIG. 6B shows a QAM modulator 12 g included in the modulator 12. _i It is a block diagram which shows the detailed structure of (i = 1-N). The same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0068]
The serial / parallel converter 11 performs the same processing as that of the first example described above, and each parallel data p divided. ₁ ~ P _N Output terminal O ₁ ~ O _N Respectively.
[0069]
The modulator 12 includes N QAM modulators 12g. ₁ ~ 12g _N , An adder 12h, a multiplier 12k, and a Gaussian window signal generator 12d. N parallel data p ₁ ~ P _N Are N QAM modulators 12g ₁ ~ 12g _N Respectively.
[0070]
QAM modulator 12g _i (I = 1 to N, the same applies hereinafter) all have the same configuration, and a sine wave carrier signal u _i Sinusoidal signal generator 121 for generating (t) _i , Carrier signal u _i Phase shifter 122 for shifting the phase of (t) _i , Phase shift amount / amplitude value setter 123 _i , And multiplier 124 _i Have
[0071]
Phase shift amount / amplitude value setter 123 _i Contains parallel data p _i Is entered. Phase shift amount / amplitude value setter 123 _i Is the input parallel data p _i Corresponding to the value of the carrier signal u _i The amount of phase shift for shifting the phase of (t) and the carrier signal u _i An amplitude amount for changing the amplitude of (t) is set in advance. Thus, the phase shift amount / amplitude value setter 123 _i Is the parallel data p _i The amount of phase shift corresponding to the value of _i The amplitude value is multiplied by the multiplier 124. _i Are output respectively.
[0072]
Phase shifter 122 _i Is the carrier signal u _i The phase of (t) is changed to the phase shift amount / amplitude value setter 123. _i The carrier signal u shifted by the phase shift amount given by _i (T) is multiplied by the multiplier 124. _i To give.
[0073]
Multiplier 124 _i The phase shifter 122 _i The phase shift amount / amplitude value setter 123 is added to the carrier signal input from _i Is multiplied by the amplitude value given from, and output to the adder 12b. In the adder 12b and the multiplier 12c, the same processing as that in the first example described above is performed.
[0074]
In this way, the transmission unit 1 performs QAM on the carrier signal based on the transmission data d, and transmits the modulated signal as an acoustic signal.
[0075]
On the other hand, in the receiving unit 2, a sine wave signal generator 121 of the transmitting unit 1 is used in the FFT (or DFT) 22 (see FIG. 1). _i Frequency f _i The phase value and amplitude value at (ie, the carrier frequency) are read out. Then, M / N-bit parallel data corresponding to the read phase value and amplitude value is obtained. The obtained N pieces of parallel data are converted into one M-bit digital data by the parallel / serial converter 21 (see FIG. 1) and output.
[0076]
Also by using such QAM, it is possible to obtain the same effect as the first example described above.
[0077]
QAM modulator 12g _i Can be configured as shown in FIG. This QAM modulator 12g _i Then, the sine wave signal generator 125 _i To the first carrier signal u _i1 (T) = − sin2πf _i (T-t _Pi ) Is output and the cosine wave signal generator 127 is output. _i To the second carrier signal u _i2 (T) = cos2πf _i (T-t _Pi ) Is output.
[0078]
Amplitude value setter 126 _i Includes the input parallel data p _i Corresponding to the value of the first carrier signal u _i1 Amplitude value b of (t) _i , And the second carrier signal u _i2 Amplitude value c of (t) _i Is preset. Amplitude value setter 126 _i Is the input parallel data p _i Amplitude value b corresponding to the value of _i And c _i The multiplier 129 _i And 130 _i Respectively.
[0079]
Multiplier 129 _i And 130 _i Is the first carrier signal u _i1 (T) and the second carrier signal u _i2 (T) shows amplitude value b _i And c _i And the multiplication result is added to the adder 131. _i Output to. The adder 131 adds the input signals and gives the addition result to the adder 12b.
[0080]
By such processing, the acoustic signal x (t) becomes a signal represented by the following equation (5).
[0081]
[Equation 5]

[0082]
The QAM modulator 12g described so far _i Is processed by the PSK modulator 12a in the first example. _i Similarly to the above, it can be performed by a digital signal (digital data) or by an analog signal (analog data). Further, similarly to the first example, N = 1 may be used. In this case, the transmission unit 1 does not need the serial / parallel converter 11 and the adder 12b, and the reception unit 2 performs parallel / The serial converter 21 becomes unnecessary. In addition, other window functions can be used.
[0083]
QAM modulator 12g _i When the above processing is performed with digital data by a computer or the like, the QAM modulator 12g _i Can be configured as shown in FIG. That is, the phase shift amount / amplitude value setter 51 ₁ ~ 51 _N Then, parallel data p ₁ ~ P _N A phase shift amount and an amplitude value corresponding to are obtained and given to the calculation unit 52. The computing unit 52 performs computation by substituting the given phase shift amount and amplitude value into Equation (1), and outputs the computation result.
[0084]
Phase shift amount / amplitude value setter 51 ₁ ~ 51 _N , The first carrier signal u _i1 Amplitude value b of (t) _i , And the second carrier signal u _i2 Amplitude value c of (t) _i , Can be replaced with a setting device for setting, and the calculation unit 52 can also be replaced with one for calculating the expression (5).
[0085]
In addition, when using the PSK described in the first example, the same configuration can be used.
[0086]
3. Other examples of acoustic signals
It is also possible to create an acoustic signal only by amplitude shift keying (ASK). An acoustic signal can also be created by frequency shift keying (FSK).
[0087]
4). Other embodiments
For example, the transmitter 1 is provided in a terminal network control device, a center station, etc., and the receiver 2 is provided in a gas meter or the like, thereby giving a command to close the gas plug transmitted from the center station to the gas meter or the like. A closing operation can also be performed.
[0088]
Processing performed by a computer or the like can be described by a program, and this program can be provided by being recorded on a recording medium such as a floppy disk, a memory card, or a CD-ROM.
[0089]
【The invention's effect】
According to the present invention, the transmission speed of acoustic communication can be improved. In addition, an acoustic communication device and an acoustic signal communication method that are resistant to reverberation are provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of an acoustic communication apparatus according to an embodiment.
FIG. 2A is a block diagram illustrating a detailed configuration of a serial / parallel converter and a modulator when PSK is performed, and FIG. 2B is a detailed configuration of a PSK modulator included in the modulator. FIG.
FIG. 3 shows correspondence (constellation) between 3-bit parallel data and phase in 8-phase PSK.
FIG. 4 is a graph showing a waveform of a Gaussian window signal generated by a Gaussian window signal generator, wherein (A) shows a time waveform and (B) shows a power spectrum.
FIG. 5A shows eight signals v when N = 8. ₁ (T) · g (t) -v ₈ An example of a time waveform of (t) · g (t), (B) shows their power spectrum, (C) shows 8 signals v ₁ (T) · g (t) -v ₈ (T) · g (t) is the time waveform of the addition, and (D) shows the power spectrum of the addition.
FIG. 6A is a block diagram illustrating a detailed configuration of a serial / parallel converter and a modulator when performing QAM, and FIG. 6B is a detailed configuration of a QAM modulator included in the modulator. FIG.
FIG. 7 is a block diagram showing another configuration example of the QAM modulator.
FIG. 8 is a block diagram showing another configuration example of the QAM modulator.
[Explanation of symbols]
1 Transmitter
2 receiver
3 Gas pipe
11 Series / parallel converter
12 Modulator
15 Speaker
21 Parallel / Series converter
22 FFT
25 microphone
27 Demodulator
12a ₁ ~ 12a _N PSK modulator
12b Adder
12c multiplier
12d Gaussian window signal generator
121 _i Sine wave signal generator
122 _i Phase shifter

Claims

Serial-parallel conversion means for dividing M- bit data into N and converting it into parallel data;
N modulation means for respectively modulating carriers of different frequencies by M / N bit data converted by the serial-parallel conversion means ;
Adding means for adding the N of the carrier modulated by the N modulation means,
Window function signal generating means for generating a signal indicating a window function;
Multiplying means for multiplying the output from the adding means and the output from the window function signal generating means;
An acoustic transmission apparatus comprising: an acoustic transmission unit configured to transmit an acoustic signal based on an output from the multiplication unit at a predetermined time interval at which reverberation is equal to or lower than a predetermined level .

In claim 1,
The signal indicating the window function is a Gaussian window signal .

In claim 1,
The modulation performed by the modulation means with the M / N bit data is either phase shift keying, amplitude shift keying, or quadrature amplitude modulation,
In the case of phase shift keying, the modulation means converts the M / N bit data into a phase shift amount of the carrier wave,
In the case of amplitude shift keying, the modulation means converts the M / N bit data into the amplitude value of the carrier wave,
In the case of quadrature amplitude modulation, the modulation means converts the M / N bit data into the phase shift amount and amplitude value of the carrier wave .

M Bit data N A serial-parallel conversion process of dividing and converting into parallel data;
  Converted in the serial-parallel conversion step M / N Depending on the bit data, different frequencies N A modulation step of modulating individual carriers;
  Modulated in the modulating step N An adding step of adding the carrier waves;
  A window function signal generation step for generating a signal indicating a window function;
  A multiplication step of multiplying the carrier wave added in the addition step by a signal indicating the window function generated in the window function signal generation step;
  An acoustic transmission method comprising: transmitting an acoustic signal based on a multiplication result in the multiplication step at a predetermined time interval at which reverberation is equal to or lower than a predetermined level.

  In a computer provided in an acoustic transmission device that transmits data as an acoustic signal,
M Bit data N A serial-parallel conversion process of dividing and converting into parallel data;
  Converted in the serial-parallel conversion step M / N Depending on the bit data, different frequencies N A modulation step of modulating individual carriers;
  Modulated in the modulation step N An adding step of adding the carrier waves;
  A window function signal generation step for generating a signal indicating a window function;
  A multiplication step of multiplying the carrier wave added in the addition step by a signal indicating the window function generated in the window function signal generation step;
  An acoustic transmission program that causes an acoustic signal based on a multiplication result in the multiplication step to be transmitted at a predetermined time interval at which reverberation is equal to or lower than a predetermined level.

  In claim 5,
  In the modulation step, M / N The modulation performed by the bit data is either phase shift keying, amplitude shift keying, or quadrature amplitude modulation,
  In the case of phase shift keying, in the modulation step, M / N Bit data is transported Converted into the amount of wave phase shift,
  In the case of amplitude shift keying, in the modulation step, M / N The bit data is converted into the amplitude value of the carrier wave,
  In the case of quadrature amplitude modulation, in the modulation step, M / N An acoustic transmission program characterized in that bit data is converted into a phase shift amount and an amplitude value of the carrier wave.

M Bit data N Converted to parallel data by splitting and converted M / N Each carrier wave with a different frequency is modulated by the bit data and modulated. N The number of the carrier waves is added, a signal indicating a window function is generated, a signal indicating the window function is multiplied by a signal indicating the addition function, and an acoustic signal generated based on the multiplication result is reduced to a predetermined level or less. Sound receiving means for receiving at predetermined time intervals and converting the received sound signals into electrical signals;
Fourier transforming the electrical signal converted by the acoustic receiving means, N Separating the carrier waves, N An acoustic receiving apparatus comprising: demodulating means for demodulating the data from a plurality of carrier waves.

M Bit data N Converted to parallel data by splitting and converted M / N Each carrier wave with a different frequency is modulated by the bit data and modulated. N The number of the carrier waves is added, a signal indicating a window function is generated, a signal indicating the window function is multiplied by a signal indicating the addition function, and an acoustic signal generated based on the multiplication result is reduced to a predetermined level or less. An acoustic reception step of receiving at a predetermined time interval and converting the received acoustic signal into an electrical signal;
Fourier transform the electrical signal converted in the acoustic reception step, N Separating the carrier waves, N And a demodulating step of demodulating the data from a plurality of carrier waves.

  An acoustic communication device comprising an acoustic transmitter and an acoustic receiver,
  The acoustic transmitter is
M Bit data N A serial-parallel conversion means for dividing and converting into parallel data;
  Converted by the serial-parallel conversion means M / N Each carrier wave of different frequency is modulated by bit data. N Modulation means,
  Said N Modulated by multiple modulation means N Adding means for adding the carrier waves;
  Window function signal generating means for generating a signal indicating a window function;
  Multiplying means for multiplying the output from the adding means and the output from the window function signal generating means;
  An acoustic transmission means for transmitting an acoustic signal based on an output from the multiplication means at a predetermined time interval at which reverberation is below a predetermined level;
  The acoustic receiver is
  An acoustic receiver that receives the acoustic signal transmitted by the acoustic transmitter and converts it into an electrical signal;
  Fourier transform the electrical signal converted by the acoustic receiving means, N Said carrier M An acoustic communication apparatus comprising: demodulating means for demodulating bit data.

  An acoustic communication method performed by the acoustic communication device,
M Bit data N A series-parallel conversion process of dividing and converting into parallel data;
  Converted by the serial-parallel conversion means M / N Depending on the bit data, different frequencies N A modulation step of modulating each of the carrier waves;
  Modulated said N An adding step of adding the carrier waves;
  A window function signal generation step for generating a signal indicating a window function;
  A multiplication step of multiplying the carrier wave added in the addition step by a signal indicating the window function generated in the window function signal generation step;
  An acoustic transmission step of transmitting an acoustic signal based on a signal that is a multiplication result in the multiplication step at a predetermined time interval in which reverberation is equal to or lower than a predetermined level;
  Receiving the acoustic signal transmitted in the acoustic transmission step, and converting the electrical signal into an electrical signal;
  Fourier transform the electrical signal converted in the acoustic reception step, N Said carrier M And a demodulation step of demodulating bit data.