JP4879183B2 - データ送信装置、及びデータ受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、第３者による不法な盗聴・傍受を防ぐ秘密通信を行う装置に関する。より特定的には、正規の送受信者間で、特定の符号化／復号化（変調／復調）方式を選択・設定してデータ通信を行う装置に関する。

従来、特定者同志でのみ通信を行うためには、送信／受信間で符号化／復号化のための元情報（鍵情報）を共有し、当該情報に基づいて、伝送すべき情報データ（平文）を数学的に演算／逆演算することにより秘密通信を実現する構成が採用されている。図２８は、当該構成に基づく、従来のデータ送信装置の構成を示すブロック図である。図２８において、従来のデータ通信装置は、データ送信装置９０００１と、伝送路９１３と、データ受信装置９０００２とで構成される。データ送信装置９０００１は、符号化部９１１と、変調部９１２とからなる。データ受信装置９０００２は、復調部９１４と、復号化部９１５とからなる。ここで、符号化部９１１に情報データ９０と第１の鍵情報９１とを入力し、復号化部９１５に第２の鍵情報９６を入力すると、復号化部９１５から情報データ９８が出力される。さらに、第３者による盗聴行為を説明するため、図２８は、盗聴者復調部９１６と、盗聴者復号化部９１７とからなる盗聴者データ受信装置９０００３を含むものとする。盗聴者復号化部９１７には、第３の鍵情報９９が入力される。以下に、図２８を参照しながら、従来のデータ通信装置の動作を説明する。

データ送信装置９０００１において、符号化部９１１は、情報データ９０を、第１の鍵情報９１に基づいて符号化（暗号化）する。変調部９１２は、符号化部９１１で暗号化された情報データを所定の変調形式の変調信号９４に変換して伝送路９１３に送出する。データ受信装置９０００２において、復調部９１４は、伝送路９１３を介して伝送されてきた変調信号９４を所定の復調方式で復調し、暗号化された情報データを出力する。復号化部９１５は、符号化部９１１との間で共有した第１の鍵情報９１と同一の第２の鍵情報９６に基づいて、暗号化された情報データを復号化（暗号解読）して、元の情報データ９８を出力する。

盗聴者データ受信装置９０００３は、データ送信装置９０００１とデータ受信装置９０００２との間で伝送される変調信号（情報データ）を盗聴するに当たり、盗聴者復調部９１６が、伝送路９１３を伝搬する変調信号の一部を分岐、入力し、所定の復調方式で復調し、盗聴者復号化部９１７が第３の鍵情報９９に基づいて復号化を試みる。ここで、盗聴者復号化部９１７は、符号化部９１１との間で鍵情報を共有していないものとする。即ち、盗聴者復号化部９１７は、第１の鍵情報９１と異なる第３の鍵情報９９に基づき復号化を行うため、元の情報データを正しく再生することができない。

このような数学的な演算に基づく数理暗号（または、計算暗号、ソフトウェア暗号とも呼ばれる）技術は、例えば、特許文献１の公報にも記されているように、アクセスシステム等に適用できる。即ち、１つの光送信器から送出された光信号を光カプラで分岐し、複数の光加入者宅の光受信器にそれぞれ配信するＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）構成では、各光受信器に、所望の光信号以外の他加入者に向けた信号が入力される。そこで、互いに異なる鍵情報を用いて、加入者毎の情報データを暗号化することによって、互いの情報の漏洩・盗聴を防ぎ、安全なデータ通信を実現することができる。
特開平９−２０５４２０号公報 石橋啓一郎他訳、「暗号とネットワークセキュリティ：理論と実際」、ピアソン・エデュケーション、２００１年 安達真弓他訳、「暗号技術大全」、ソフトバンクパブリッシング、２００３年

数理暗号の中でも、ストリーム暗号と呼ばれる方式は、疑似乱数発生器の出力である疑似乱数系列と暗号化したいデータ（平文）をＸＯＲ演算することにより暗号文を生成するという簡易な構成をとっているため、高速化に有利であるという利点を持つ。その一方で、ストリーム暗号の安全性は乱数発生器のみに依存している。すなわち、盗聴者が何らかの方法で平文と暗号文との組合せを入手できれば、疑似乱数系列を正確に知ることができる（これは一般に既知平文攻撃と呼ばれる）。さらに、疑似乱数発生器の初期値、すなわち鍵情報と疑似乱数系列とは一意に対応付けられているため、何らかの解読アルゴリズムを適用すれば鍵情報を確実に求めることができる。さらに、計算機の処理速度は近年著しく向上しているため、現実的な時間内で解読される危険性が高まっているという問題点があった。

それ故に、本発明においては、鍵情報と疑似乱数系列、暗号文の相互の関係に不確定な要素を導入することにより、従来のストリーム暗号と比較して盗聴者が暗号文の解析に要する労力、すなわち計算量を増大させ、秘匿性の高いデータ通信装置を提供することを目的とする。

本発明は、暗号化通信を行うデータ送信装置に向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明のデータ送信装置は、多値符号化部と変調部とを備える。多値符号化部は、予め定められた所定の鍵情報と情報データとを入力し、信号レベルが略乱数的に変化する多値信号を発生する。変調部は、多値信号に基づいて、所定の変調形式の変調信号を発生する。

多値符号化部は、多値符号発生部と多値処理部とを備える。多値符号発生部は、所定の鍵情報から信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する。多値処理部は、所定の処理に従って、多値符号列と情報データとを合成し、多値符号列と情報データのレベルの組み合わせに対応した信号レベルを有する多値信号を生成する。

多値符号発生部は、乱数発生部と、反転ビット選択部と、乱数列ビット反転部と、多値変換部とを有する。乱数発生部は、所定の鍵情報に基づいて、複数の乱数列を発生する。反転ビット選択部は、複数の乱数列のうちビット反転させる乱数列を指定する反転ビット選択信号を出力する。乱数列ビット反転部は、反転ビット選択信号の値に応じて、複数の乱数列のうち１つ以上の乱数列のビットを反転させて出力する。多値変換部は、ビット反転させた乱数列を含む複数の乱数列を、多値符号列に変換する。

乱数列ビット反転部において反転されるビットは、情報データの振幅に相当する情報振幅と、反転されるビットに相当する多値信号の変動幅との比が、正規受信者の許容できる信号対雑音比よりも大きいという条件を満足する。

乱数列ビット反転部において反転されるビットは、最下位ビットを除くビットから選択される。

好ましくは、反転ビット選択部は、所定の乱数であるビット選択用乱数を発生する乱数発生部と、ビット選択用乱数の値に基づいて、ビット選択用乱数を反転ビット選択信号に変換する選択信号変換部とからなる。

乱数発生部で発生するビット選択用乱数は、真性乱数である。また、多値符号列のビット数は、鍵情報のビット数以下に設定される。

また、本発明は、暗号通信を行うデータ受信装置にも向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明のデータ受信装置は、所定の変調形式の変調信号を復調し、多値信号を出力する復調部と、予め定められた所定の鍵情報と多値信号とに基づいて、情報データを出力する多値復号化部とを備える。多値復号化部は、鍵情報から信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、多値信号を多値符号列に基づいて識別し、情報データを出力する多値識別部とを含む。多値符号発生部は、鍵情報に基づいて、複数の乱数列を発生する乱数発生部と、複数の乱数列を多値符号列に変換する多値変換部とを有する。

多値変換部には、複数の乱数列のうち上位ビットのみが入力され、下位ビットとして固定値が入力されてもよい。

好ましくは、情報データの振幅に相当する情報振幅と、下位ビットに相当する多値信号の変動幅との比が、正規受信者の許容できる信号対雑音比よりも大きいという条件を満足する。

本発明のデータ通信装置は、鍵情報に基づいて情報データを多値信号に符号化・変調して送信し、受信した多値信号を同一の鍵情報に基づいて復調・符号化し、多値信号の信号対雑音電力比を適正化することにより、盗聴者が入手する暗号文に誤りを与える。これにより、盗聴者は、正しい暗号文が、自らが入手したものと異なる可能性を考慮して解読処理を行う必要があるため、誤りが無い場合と比較して解読処理に要する試行回数、すなわち計算量が増大し、盗聴に対する安全性を向上させることができる。

さらに、多値信号の値を決定する乱数列の一部に対して故意にビット反転を与えることにより、乱数列を生成するために必要な乱数発生器の初期値、すなわち鍵情報を盗聴者が特定することを極めて困難にできるため、多値信号の多値数が比較的少ない場合でも高い秘匿性を保つことができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図である。図１において、データ通信装置は、多値符号化部１１１と、変調部１１２と、伝送路１１０と、復調部２１１と、多値復号化部２１２とで構成される。多値符号化部１１１は、第１の多値符号発生部１１１ａと、多値処理部１１１ｂとからなる。多値復号化部２１２は、第２の多値符号発生部２１２ａと、多値識別部２１２ｂとからなる。また、多値符号化部１１１と変調部１１２とでデータ送信装置１０１０１を構成し、復調部２１１と多値復号化部２１２とでデータ受信装置１０２０１を構成する。伝送路１１０には、ＬＡＮケーブルや同軸ケーブル等の金属路線や、光ファイバケーブル等の光導波路を用いることができる。また、伝送路１１０は、ＬＡＮケーブル等の有線ケーブルに限られず、無線信号を伝搬する自由な空間であってもよい。なお、図２および図３に、変調部１１２から出力される変調信号波形を説明するための模式図を示す。以下に、第１の実施形態について、図２および図３を用いながら、その動作を説明する。

第１の多値符号発生部１１１ａは、予め定められた所定の第１の鍵情報１１に基づいて、信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列１２（図２（ｂ））を発生する。多値処理部１１１ｂは、多値符号列１２と情報データ１０（図２（ａ））とを入力し、所定の手順に従って両信号を合成し、当該信号レベルの組み合わせに対応したレベルを有する多値信号１３（図２（ｃ））を生成し、出力する。例えば、図２では、多値符号列１２がタイムスロットｔ１／ｔ２／ｔ３／ｔ４に対して当該レベルがｃ１／ｃ５／ｃ３／ｃ４と変化し、これをバイアスレベルとして、情報データ１０を加算することで、Ｌ１／Ｌ８／Ｌ６／Ｌ４と変化する多値信号１３を生成する。ここで、図３に示すように、情報データ１０の振幅を“情報振幅”、多値信号１３の全振幅を“多値信号振幅”、各バイアスレベル（多値符号列１２のレベル）ｃ１／ｃ２／ｃ３／ｃ４／ｃ５に対応して、多値信号１３が取り得るレベルの組（Ｌ１、Ｌ４）／（Ｌ２、Ｌ５）／（Ｌ３、Ｌ６）／（Ｌ４、Ｌ７）／（Ｌ５、Ｌ８）を、第１〜第５の“基底”、多値信号１３の最小信号点間距離を“ステップ幅”とそれぞれ呼称する。変調部１１２は、多値信号１３を元データとして、所定の変調形式の変調信号１４に変換して、伝送路１１０に送出する。

復調部２１１は、伝送路１１０を介して伝送されてきた変調信号１４を復調し、上述した多値信号１５を再生する。第２の多値符号発生部２１２ａは、第１の鍵情報１１と同一の第２の鍵情報１６を予め共有し、当該第２の鍵情報１６に基づいて、多値符号列１２に相当する多値符号列１７を発生する。多値識別部２１２ｂは、多値符号列１７を閾値として、多値信号１５の識別（２値判定）を行い、情報データ１８を再生する。ここで、変調部１１２と復調部２１１とが、伝送路１１０を介して送受信する所定の変調形式の変調信号１４は、電磁波（電磁界）または光波を多値信号１３で変調して得られるものである。

なお、多値処理部１１１ｂにおける多値信号１３の生成については、上述のように、多値符号列１２と情報データ１０の加算処理による方法以外に、情報データ１０に従って、多値符号列１２のレベルを振幅変調／制御する方法や、あるいは、両信号レベルの組み合わせに対応した多値信号レベルを予め記憶させたメモリから、両信号レベルに応じて逐次読み出す方法等、いかなる手順であっても構わない。

図２および図３では、多値信号の多値数を“８”として表記したが、これに限定されるものではなく、それより大きくても小さくても良い。また、情報振幅を多値信号のステップ幅の３倍、もしくは整数倍として表記したが、いかなる奇数倍や偶数倍であっても良い。また、情報振幅は多値信号のステップ幅の整数倍でなくても構わない。さらに、これに関連して、図２および図３では、多値符号列の各レベル（各バイアスレベル）が、多値信号の各レベル間の略中心になるよう配置したが、これに限定されるものではなく、多値符号列の各レベルは、多値信号の各レベル間の略中心でなくても良いし、あるいは多値信号の各レベルに一致しても構わない。また、多値符号列と情報データとの変化レートが互いに等しく同期関係にあることを前提としたが、この限りではなく、一方の変化レートが他方より高速（または低速）であっても良いし、非同期であっても構わない。

次に、第３者による、変調信号の盗聴動作について説明する。当該第３者は、正規の受信者が備えるデータ受信装置１０２０１に準じた構成、もしくはさらに高性能なデータ受信装置（例えば、盗聴者データ受信装置）を用いて、変調信号を受信、解読することが想定される。盗聴者データ受信装置において、復調部（盗聴者復調部）は、変調信号を復調することにより、多値信号を再生する。しかし、多値復号化部（盗聴者多値復号化部）は、データ送信装置１０１０１との間で第１の鍵情報１１を共有しないため、データ受信装置１０２０１のように、当該鍵情報から発生した多値符号列を基準とした多値信号の２値判定を行うことができない。このような場合に考え得る盗聴動作としては、多値信号の全レベルに対する識別を同時に行う方法（一般に「総当たり攻撃」と呼ばれる）がある。即ち、盗聴者は、多値信号が取り得る全ての信号点間に対する閾値を用意して同時判定を行い、当該判定結果を解析することにより、正しい鍵情報または情報データを抽出する。例えば、盗聴者は、図２に示した多値符号列のレベルｃ０／ｃ１／ｃ２／ｃ３／ｃ４／ｃ５／ｃ６を閾値として用いて、多値信号に対する多値判定を行うことにより、当該レベルを同定する。

しかしながら、実際の伝送系では、種々の要因により雑音が発生し、これが変調信号に重畳されることによって、多値信号のレベルは、図４に示すように時間的・瞬時的に変動する。このような場合、正規受信者（データ受信装置１０２０１）による２値判定動作における被判定信号のＳＮ比（信号対雑音強度比）が、多値信号中の情報振幅と雑音量の比で決まるのに対して、盗聴者データ受信装置による多値判定動作における被判定信号のＳＮ被は、多値信号のステップ幅と雑音量との比によって決まる。このため、被判定信号が有する雑音レベルが同一条件下においては、盗聴者データ受信装置における被判定信号のＳＮ比が相対的に小さくなり、伝送特性（誤り率）が劣化することになる。即ち、第３者の全閾値による総当たり攻撃に対して識別誤りを誘発させて、盗聴を困難にすることができる。特に、多値信号のステップ幅を、当該雑音振幅（雑音強度分布の拡がり）に対して同オーダ、もしくは、より小さく設定すれば、第３者による多値判定を事実上不可能にして、理想的な盗聴防止を実現できる。

なお、上述のように被判定信号（多値信号、または変調信号）に重畳される雑音としては、変調信号に無線信号等の電磁波を用いた場合は、空間場や電子部品等が有する熱雑音（ガウス性雑音）を、光波を用いた場合は、熱雑音に加えて、光子が発生する際の光子数ゆらぎ（量子雑音）を、それぞれ利用できる。特に、量子雑音を伴った信号には、その記録や複製等の信号処理が適用できないことから、当該雑音量を基準に多値信号のステップ幅を設定することによって、第３者による盗聴を不可能として、データ通信の絶対的な安全性を確保することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、伝送すべき情報データを多値信号として符号化し、当該信号点間距離を、当該雑音量に対して適切に設定することにより、第３者による盗聴時の受信信号品質に対して決定的な劣化を与えて、その解読・復号化を困難にする、安全なデータ通信装置を提供することができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図である。本図において、データ通信装置は、多値符号化部１１１と、変調部１１２と、伝送路１１０と、復調部２１１と、多値復号化部２１２と、第１のデータ反転部１１３と、第２のデータ反転部２１３とから構成され、図１の構成に対して、第１のデータ反転部１１３と、第２のデータ反転部２１３を新たに備える点が異なっている。また、多値符号化部１１１と、変調部１１２と、第１のデータ反転部１１３とで、データ送信装置１０１０２を構成し、復調部２１１と、多値復号化部２１２と、第２のデータ反転部２１３とで、データ受信装置１０２０２を構成する。以下に、本実施形態の動作を説明する。

本実施形態の構成は、前述の第１の実施形態（図１）に準ずるため、同一の動作を行うブロックに関しては、同一の参照符号を付して、その説明を省略し、相違点のみを説明する。その構成において、第１のデータ反転部１１３は、情報データが有する“０”と“１”の情報と、ＬｏｗレベルとＨｉｇｈレベルとの対応関係を固定せず、所定の手順で当該対応関係を略ランダムに変更する。例えば、多値符号化部１１１と同様、所定の初期値に基づいて発生させた乱数系列（疑似乱数列）との排他的論理和ＸＯＲ（Ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ ＯＲ）演算を行い、その演算結果を多値符号化部１１１に出力する。第２のデータ反転部２１３は、第１のデータ反転部１１３と逆の手順で、多値復号化部２１２から出力されたデータが有する“０”と“１”の情報と、ＬｏｗレベルとＨｉｇｈレベルとの対応関係を変更する。例えば、第２のデータ反転部２１３は、第１のデータ反転部１１３が備える初期値と同一の初期値を共有し、これに基づいて発生させた乱数のビット反転系列と多値符号化部２１２から出力されたデータとの排他的論理和演算を行い、その結果を情報データとして出力する。

以上説明したように、本実施形態によれば、伝送すべき情報データの反転を略ランダムに行うことにより、暗号としての多値信号の複雑性を大きくして、第３者による解読・復号化をさらに困難とし、より安全なデータ通信装置を提供することができる。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図である。図６において、データ通信装置は、多値符号化部１１１と、変調部１１２と、伝送路１１０と、復調部２１１と、多値復号化部２１２と、雑音制御部１１４とから構成され、図１の構成に対して、雑音制御部１１４を新たに備える点が異なっている。さらに、雑音制御部１１４は、雑音発生部１１４ａと、合成部１１４ｂとからなる。また、多値符号化部１１１と、変調部１１２と、雑音制御部１１４とで、データ送信装置１０１０３を構成し、復調部２１１と、多値復号化部２１２とで、データ受信装置１０２０１を構成する。以下に、本実施形態の動作を説明する。

本実施形態の構成は、前述の第１の実施形態（図１）に準ずるため、同一の動作を行うブロックに関しては、同一の参照符号を付して、その説明を省略し、相違点のみを説明する。雑音制御部１１４において、雑音発生部１１４ａは、所定の雑音を発生する。合成部１１４ｂは、所定の雑音と多値信号１３とを合成して、合成した信号を変調部１１２に出力する。即ち、雑音制御部１１４は、図４で説明した多値信号のレベル変動を故意に生じさせて、多値信号のＳＮ比を任意の値に制御し、これにより、多値識別部２１２ｂに入力する被判定信号のＳＮ比を制御する。なお、前述したように、雑音発生部１１４ａで発生する雑音としては、熱雑音や量子雑音等が利用される。また、雑音が合成（重畳）された多値信号を雑音重畳多値信号２２と呼ぶことにする。

以上説明したように、本実施形態によれば、伝送すべき情報データを多値信号として符号化し、そのＳＮ比を任意に制御することにより、第３者による盗聴時の受信信号品質に対して決定的な劣化を故意に与え、その解読・復号化をさらに困難にする、より安全なデータ通信装置を提供することができる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係るデータ通信装置の動作を説明する。本実施形態の構成は、前述の第１の実施形態（図１）、または第３の実施形態（図６）に準ずるため、構成図は省略する。第４の実施形態において、多値符号化部１１１は、図７に示すように、多値信号の各ステップ幅（Ｓ１〜Ｓ７）を、各レベルの変動量、即ち各レベルに重畳されている雑音強度分布に従い設定する。具体的には、多値識別部２１２ｂに入力する被判定信号の隣り合う２つの信号点間で決まるＳＮ比が略一致するように、当該信号点間距離を配分する。なお、各レベルに重畳される雑音量が等しい場合には、各ステップ幅を均等に設定する。

一般に、変調部１１２から出力される変調信号として、半導体レーザ（ＬＤ）を光源とする光強度変調信号を想定した場合、ＬＤに入力する多値信号のレベルに依存して当該変動幅（雑音量）は変化する。これは、半導体レーザが自然放出光を「種光」とした誘導放出の原理に基づいて発光することに起因しており、その雑音量は、誘導放出光量に対する自然放出光量の相対比で定義されている。励起率（ＬＤに注入するバイアス電流に対応）が高い程、誘導放出光量の割合が大きくなるため、その雑音量は小さく、逆に、励起率が低い程、自然放出光量の割合が大きく、雑音量は大きくなる。そこで、図７に示すように、多値信号のレベルが小さい領域ではステップ幅を大きく、レベルが大きい領域では小さく、非線形に設定することにより、被判定信号の隣り合う信号点間のＳＮ比を一致させることができる。

また、変調信号として光変調信号を利用した場合でも、上記の自然放出光による雑音や光受信器に用いる熱雑音が充分小さい条件下では、受信信号のＳＮ比は、主にショット雑音で決定される。当該条件下では、多値信号のレベルが大きい程、当該雑音量が大きくなるため、図７の場合とは逆に、多値信号のレベルが小さい領域ではステップ幅を小さく、レベルが大きい領域では大きく設定することにより、被判定信号の隣り合う信号点間のＳＮ比を一致させる。

以上説明したように、本実施形態によれば、伝送すべき情報データを多値信号として符号化し、当該多値信号の信号点間距離を略均一に配置し、あるいは、瞬時レベルに依らず隣り合う信号点間のＳＮ比を略均一に設定することにより、第３者による盗聴時の受信信号品質を常に劣化させ、その解読・復号化をさらに困難にする、より安全なデータ通信装置を提供することができる。

（第５の実施形態）
図８は、本発明の第５の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図である。図８において、データ通信装置は、データ送信装置２４１０５とデータ受信装置２４２０５とが伝送路１１０によって接続された構成である。データ送信装置２４１０５は、多値符号化部１１１と変調部１１２とを備える。データ受信装置２４２０５は、復調部２１１と多値復号化部２１２とを備える。多値符号化部１１１は、第１の多値符号発生部１５６ａと、多値処理部１１１ｂとを含む。多値復号化部２１２は、第２の多値符号発生部２５６ａと、多値識別部２１２ｂとを含む。

図９は、第１の多値符号発生部１５６ａの構成を示すブロック図である。図９において、第１の多値符号発生部１５６ａは、第１の乱数列生成部１５７と、反転ビット選択部１５８と、乱数列ビット反転部１５９と、第１の多値変換部１６０とを有する。図９では、第１の多値符号発生部１５６ａが発生する多値符号列１２のビット数が４ビットである場合の例を示してある。図１０は、第２の多値符号発生部２５６ａの構成を示すブロック図である。図１０において、第２の多値符号発生部２５６ａは、第２の乱数列生成部２５７と、第２の多値変換部２５８とを有する。

例えば、第１の実施形態に係るデータ通信装置においては、多値信号１３の最小信号点間距離であるステップ幅が量子ゆらぎのレベルと比較して大きい場合、多値識別の際に生じる誤りが十分発生しない可能性がある。このとき、あるタイムスロットにおいて、本来の多値信号レベルと同じレベルが盗聴者によって誤りなく識別されてしまう可能性がある。このような場合、盗聴者が多値識別によって得る乱数系列のうち、これらのタイムスロットに対応する部分には誤りが含まれないことになり、鍵情報の解読が可能となる恐れがある。本実施形態は、このような場合に対処するためのものである。

まず、本実施形態に係るデータ通信装置の動作を説明する。第１の乱数列生成部１５７は、第１の鍵情報１１に基づいて、第１〜第４の乱数列５８ａ〜５８ｄを発生する。反転ビット選択部１５８は、所定の規則に基づいて、反転ビット選択信号６０を出力する。この所定の規則は、盗聴者が容易に推測できないものであればどのようなものでもよいが、乱数によって決定されることが望ましい。乱数列ビット反転部１５９は、反転ビット選択信号６０に基づいて、第１〜第４の乱数列５８ａ〜５８ｄのうち１つ以上を選択し、選択した乱数列のビットを反転して、第１〜第４の乱数列６１ａ〜６１ｄを出力する。第１の多値変換部１６０は、第１〜第４の乱数列６１ａ〜６１ｄを多値符号列１２に変換する。第１の多値変換部１６０としては、具体的にはＤ／Ａコンバータを用いることができる。

図１１は、第１の多値符号発生部１５６ａの具体的な構成例を示すブロック図である。図１１において、第１の乱数列生成部１５７は、擬似乱数発生部１５７１と、Ｓ／Ｐ変換部１５７２とを持つ。擬似乱数発生部１５７１は、第１の鍵情報１１に基づいて、擬似乱数系列５７を発生する。Ｓ／Ｐ変換部１５７２は、擬似乱数系列５７をシリアル・パラレル変換し、第１〜第４の乱数列５８ａ〜５８ｄとして出力する。

反転ビット選択部１５８は、ビット選択用乱数発生部１５８１と、選択信号変換部１５８２とを持つ。ビット選択用乱数発生部１４４は、ビット選択用乱数５９を発生する。選択信号変換部１５８２は、ビット選択用乱数５９に基づいて、反転ビット選択信号６０ａ及び６０ｂの値を変換する。ビット選択用乱数発生部１５８１は、人為的な擬似乱数ではなく、物理現象に基づく真性乱数を発生することが望ましい。乱数列ビット反転部１５９は、排他的論理和（ＸＯＲ）回路１５９１及び１５９２を備える。

ＸＯＲ回路１５９１には、第１の乱数列５８ａと、反転ビット選択信号６０ａとが入力される。ＸＯＲ回路１５９１は、反転ビット選択信号６０ａが“０”の場合には、入力された第１の乱数列５８ａをビット反転せずにそのまま出力し、反転ビット選択信号６０ａが“１”の場合には、第１の乱数列５８ａをビット反転して出力する。ＸＯＲ回路１５９２には、第２の乱数列５８ｂと、反転ビット選択信号６０ｂとが入力される。ＸＯＲ回路１５９２の動作も、ＸＯＲ回路１５９１と同様である。ただし、反転ビット選択信号６０ａ〜６０ｂのうち少なくとも１つの値は、“１”であることとする。

ここで、第１の多値符号発生部１５６ａの動作について、図１１の構成例を前提に、図１２を参照しながら詳細に説明する。図１２は、第１の多値符号発生部１５６ａにおける信号変化を説明する図である。まず、第１の乱数列生成部１５７から出力される第１〜第４の乱数列５８ａ〜５８ｄと、ビット選択用乱数発生部１５８１から出力されるビット選択用乱数５９とが、図１２に示す値をとる場合について考える。選択信号変換部１５８２は、入力されるビット選択用乱数５９の値が“０”の場合は、反転ビット選択信号６０ａを“１”とし、反転ビット選択信号６０ｂを“０”とする。また、選択信号変換部１５８２は、入力されるビット選択用乱数５９の値が“１”の場合は、反転ビット選択信号６０ａを“０”とし、反転ビット選択信号６０ｂを“１”とする。

乱数列ビット反転部１５９は、反転ビット選択信号６０ａが“１”の場合は、第１の乱数列５８ａを反転し、反転ビット選択信号６０ａが“０”の場合は、第１の乱数列５８ａをそのまま出力する。また、乱数列ビット反転部１５９は、反転ビット選択信号６０ｂが“１”の場合は、第２の乱数列５８ｂを反転し、反転ビット選択信号６０ｂが“０”の場合は、第２の乱数列５８ｂをそのまま出力する。この場合、反転ビット選択信号６０ａ、６０ｂと、第１の多値変換部１６０に入力される第１〜第４の乱数列６１ａ〜６１ｄの値は、図１２の表に示した値となる。すなわち、第１〜第４の乱数列６１ａ〜６１ｄの値は、第１〜第４の乱数列５８ａ〜５８ｄの値と比較して、少なくとも１ビットが反転した値となる。

次に、この第１〜第４の乱数列６１ａ〜６１ｄを用いて、多値信号１３、及び変調信号１４を生成する方法について説明する。図１３は、本発明の第５の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号波形を説明する図である。情報データ１０が、図１３（ａ）に示す値をとる場合を考える。擬似乱数発生部１５７１から出力される擬似乱数系列５７が、図１３（ｂ）に示す値をとる場合、図１２で説明した手順により、多値符号列１２の値は、図１３（ｄ）に示す値をとる。

多値処理部１１１ｂは、多値符号列１２と情報データ１０とを入力し、所定の手順に従って両信号を合成し、当該信号レベルの組み合わせに対応したレベルを有する多値信号１３を生成する。図１３の例では、多値処理部１１１ｂは、情報データ１０の値“０、１、１、０”を１６倍したものを、多値符号列１２の値“１０、１４、４、１１”に加算して、多値信号１３として出力する。変調部１１２は、多値信号１３を元データとして、所定の変調形式の変調信号１４に変換して、伝送路１１０に送出する。

復調部２１１は、伝送路１１０を介して伝送されてきた変調信号１４を復調し、多値信号１５として再生する。第２の多値符号発生部２５６ａ（図１０参照）において、第２の乱数列生成部２５７は、第１の鍵情報１１と同一の第２の鍵情報１６を予め共有し、その第２の鍵情報１６に基づいて、第１〜第４の乱数列５８ａ〜５８ｄに相当する、第１〜第４の乱数列６３ａ〜６３ｄを発生する。第２の多値変換部２５８は、第１〜第４の乱数列６３ａ〜６３ｄを多値符号列１７に変換し、多値識別部２１２ｂへ出力する。多値識別部２１２ｂは、多値符号列１７に対応した値を識別レベル（図１３（ｅ）に破線で表示）として、多値信号１５の識別（２値判定）を行い、情報データ１８を再生する。

次に、第３者による変調信号１４の盗聴動作について説明する。図１４は、想定される盗聴者の受信装置の構成を示すブロック図である。盗聴者は、図１４に示す受信装置を用いて多値信号の全レベルに対する識別を同時に行い、鍵情報の抽出を試みるものと想定する。図１４において、復調部８０１は、変調信号９４を復調し、盗聴多値信号８１として出力する。次に、多値判定部８０２は、盗聴多値信号８１を多値判定し、盗聴多値信号８１に用いられている基底を特定し、得られた基底に対応する多値符号列の値を盗聴多値符号列８２として出力する。パラレル・シリアル変換部８０３は、盗聴多値符号列８２をパラレル・シリアル変換して盗聴乱数系列８３として出力する。鍵情報解読部８０４は、盗聴乱数系列８３から数学的な処理によって鍵情報の解読を試みる。

このとき、盗聴者による盗聴多値信号８１の多値識別結果は、図１３（ｆ）に示すように、本来の多値信号レベルに対して雑音（量子ゆらぎ）による誤りを含んだものとなる。識別の結果として得られる盗聴乱数系列８２（１０進表記）を図１３（ｇ）に示す。これに基づき盗聴乱数系列８３(図１３（ｈ）参照)を再生すると、その結果は元の擬似乱数系列５７と比較して、雑音（量子ゆらぎ）による誤りに加え、乱数列ビット反転部１５９１、１５９２におけるビット反転による誤りが加わったものとなる。ここで、値を反転させるビットをどのように選択したかという情報を盗聴者は持っていないため、盗聴者はビット反転による誤りを訂正することができない。さらに、反転させるビットを真性乱数により選択している場合は、盗聴者はそのビットを特定することが完全に不可能となる。しかも、多値符号列１２は必ずビット反転されたビットを含むため、ビット反転による誤りは１タイムスロットに１度は必ず発生することになる。よって、量子ゆらぎによる誤りが十分発生しない場合においても、全体としては鍵情報の解読を不可能とするのに十分な誤りを盗聴者に対して与えることができる。

これにより、本実施形態に係るデータ通信装置は、上述したステップ幅を量子ゆらぎよりも大きく取ることが可能となり、多値数、さらには擬似乱数発生部の動作速度への要求を緩和することができる。

なお、上述した説明では、多値符号列１２に１ビットのビット反転を与える例を示したが、反転させるビット数は１ビットに限定されず、複数ビットであってもよい。例えば、２ビットを反転させる場合の第１の多値符号発生部１５６ａの具体的構成例を図１５に、各部の信号がとる値の例を図１６に示す。図１５において、乱数列ビット反転部１５９は、ＸＯＲ回路１５９１〜１５９３を３つ備えており、第１〜第３の乱数列５８ａ〜５８ｃの中から１つまたは２つを選択し、選択した乱数列のビットを反転させる。すなわち、選択信号変換部１５８２には、２ビットのビット選択用乱数５９が入力される。選択信号変換部１５８２は、例えば、ビット選択用乱数５９の１ビット目が“１”の場合は、第３の乱数列５８ｃを反転させ、ビット選択用乱数５９の２ビット目が“１”の場合は、第２の乱数列５８ｂを反転させ、ビット選択用乱数５９の２ビット目が“０”の場合は、第１の乱数列５８ａを反転させる。

復号
なお、以上に説明した第１の乱数列生成部１５７、反転ビット選択部１５８、及び乱数列ビット反転部１５９の構成、並びにビットの反転方法はあくまでも一例であり、乱数列の内の１つ以上を必ず反転させるという条件を満たしていれば、乱数列の発生方法、反転させる乱数列の数、さらにはビット選択用乱数５９の値と反転させるビットとの対応関係はいかなるものであってもよい。また、乱数列５７及び多値符号列１２のビット数も４ビットに限定されず、任意に設定可能である。

ところで、データ送信装置２４１０５で用いる多値符号列１２と、データ受信装置２４２０５で用いる多値符号列１７との差は、識別の際に信号レベルの劣化、すなわちＳＮ比の劣化として影響するが、この劣化したＳＮ比がデータ受信装置２４２０５の所要値を満足するように設定する。よって、情報振幅と、ビット反転対象の乱数列に相当する多値信号の変動幅との比は、正規受信者の許容できるＳＮ比よりも大きいという条件を満足する必要がある。正規受信者の許容できるＳＮ比は、正規受信者が必要とするデータのビット誤り率によって決まる。例えば、光通信では一般的に許容ビット誤り率として１０^-12以下という値が用いられるが、この場合は許容できるＳＮ比は２３ｄＢ以上となる。

また、別の方法として情報データに誤り訂正符号を適用し、正規受信者に対するビット反転の影響を抑える方法もある。この場合、データ通信装置の構成は、図１７に示すように、送信装置２５０１０５ａに誤り訂正符号化部１６１を、データ受信装置２４２０５に誤り訂正復号化部２５９を設ける。誤り訂正符号化部１６１は、情報データ１０にパリティビットを付加する誤り訂正符号化を施して多値処理部１１１ｂへ出力する。誤り訂正復号化部２５９は、多値識別部２１２ｂから出力される情報データに対して、誤り訂正符号化部１６１で付加されたパリティビットを用いて誤り訂正処理を行う。これにより、データ通信装置は、乱数列５８ａ〜５８ｄに与えたビット反転の影響によって、仮に多値識別部２１２ｂにおける２値識別に誤りが生じたとしても、これを訂正することができる。誤り訂正符号を適用する場合は、情報振幅と、ビット反転対象の乱数列に相当する多値信号の変動幅との比に対する制限は無く、全ての乱数列をビット反転の選択対象にできる。

以上のように本実施形態によれば、量子ゆらぎの大きさが不十分な場合においても盗聴者による鍵情報の解読を妨害できるため、送受信装置の要求性能、すなわち多値数や擬似乱数発生部の動作速度への要求を緩和することができる。

（第６の実施形態）
図１８は、本発明の第６の実施形態に係るデータ通信装置の構成例を示すブロック図である。図１８において、本発明の第６の実施形態に係るデータ通信装置の全体構成は、第５の実施形態（図８）と比較して、第１の多値符号発生部１６２ａの構成のみが異なる。第２の多値符号発生部２５６ａの構成は、図１０を用いて説明したものと同様である。以下に、本実施形態について、第５の実施形態との差分を中心に説明する。第５の実施形態と同様の動作をするブロックについては、説明を省略する。

光伝送を行う場合、量子ゆらぎの大きさは盗聴者の受信レベル（受光電力）に依存する。すなわち、受信レベルが小さくなるほど量子ゆらぎにより生じる盗聴多値符号列８２の誤りの発生確率が大きくなる。量子ゆらぎによる誤りは、主に盗聴多値符号列８２の最下位ビットに発生するが、送信側で多値符号列１２の最下位ビットの値を反転させていた場合、量子ゆらぎによる誤りと相殺され、正しい値に戻ってしまうことがある。すなわち、量子ゆらぎによる誤りの発生確率が比較的大きい場合、送信側におけるビット反転との相殺の結果として盗聴乱数系列８３に生じる誤りが少なくなり、安全性が低下する可能性がある。本実施形態は、このような場合に対処するためのものである。

図１９は、本発明の第６の実施形態に係る第１の多値符号発生部１６２ａの具体的構成例を示すブロック図である。図１９を参照して、第１の多値符号発生部１６２ａの構成要素と、その動作は第５の実施形態（図１１）で説明したものと基本的に同じであるが、ビット反転の選択対象が第２〜３の乱数列５８ｂ〜５８ｃである点が第５の実施形態と異なる。すなわち、第１の多値符号発生部１６２ａは、多値符号列１２の最下位ビットに相当する第１の乱数列５８ａをビット反転させない点が、第５の実施形態に係る第１の多値符号発生部１５６ａ（図１１）と異なる。

図１９において、ＸＯＲ回路１５９２及び１５９３には、それぞれ第２の乱数列５８ｂまたは第３の乱数列５８ｃと、反転ビット選択信号６０ｂまたは６０ｃが入力される。ＸＯＲ回路１５９２及び１５９３は、反転ビット選択信号が“０”の場合は入力された乱数列のビットをそのまま出力し、反転ビット選択信号が“１”の場合は乱数列のビットを反転して出力する。ＸＯＲ回路１５９２、１５９３に入力されない第１の乱数列５８ａ、第４の乱数列５８ｄは、そのまま多値符号列のビットとして出力される。この場合も、反転ビット選択信号のうち少なくとも１つの値は“１”とする。

次に、第１の多値符号発生部１６２ａの動作を図２０を参照しながら詳細に説明する。まず、第１の乱数列生成部１５７から出力される第１〜第４の乱数列５８ａ〜５８ｄと、ビット選択用乱数発生部１５８１から出力されるビット選択用乱数５９が図２０に示す値をとる例を考える。選択信号変換部１５８２は、入力されるビット選択信号５９の値が“０”の場合は、反転ビット選択信号６０ｂを“１”とし、ビット選択用乱数５９の値が“１”の場合は、反転ビット選択信号６０ｃを“１”とする。乱数列ビット反転部１５９は、反転ビット選択信号６０ｂが“１”の場合は、第２の乱数列５８ｂを反転し、反転ビット選択信号６０ｂが“０”の場合は、第２の乱数列５８ｂをそのまま出力する。また、乱数列ビット反転部１５９は、反転ビット選択信号６０ｃが“１”の場合は、第３の乱数列５８ｃを反転し、反転ビット選択信号６０ｃが“０”の場合は、第３の乱数列５８ｃをそのまま出力する。この場合、反転ビット選択信号６０ｂ、６０ｃと、ビット反転の結果得られる第１〜第４の乱数列６１ａ〜６１ｄの値は、図２０の表に示した値となる。

次に、この多値符号列１２を用いて、多値信号１３を生成する方法について説明する。図２１は、本発明の第６の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号波形を説明する図である。情報データ１０が、図２１（ａ）に示す値をとる場合を考える。擬似乱数発生部１５７１から出力される擬似乱数系列５７が、図２１（ｂ）に示す値をとる場合、図２０で説明した手順により、多値符号列１２の値は、図２１（ｄ）に示す値をとる。多値処理部１１１ｂは、多値符号列１２と情報データ１０とを入力し、所定の手順に従って両信号を合成し、当該信号レベルの組み合わせに対応したレベルを有する多値信号１３を生成する。図２１の例では、情報データの値“０、１、１、０”を１６倍したものを、多値符号列１２の値“１２、１３、７、１３”に加算して、多値信号１３として出力する。

次に、第３者による、変調信号１４の盗聴動作について説明する。本実施形態においても、盗聴者が図１４に示す受信装置を用いて多値信号の全レベルに対する識別を同時に行い、鍵情報の抽出を試みるものと想定する。このとき、盗聴者による盗聴多値信号８１の多値識別結果は、図２１（ｅ）に示すように、本来の多値信号レベルに対して量子ゆらぎによる誤りを含んだものとなる。量子ゆらぎによる隣接多値レベルへの識別誤りが発生すると、盗聴多値符号列８２の最下位ビットに誤りが発生する。一方、送信側において乱数列に与えたビット反転による誤りは、盗聴多値符号列８２の下位ビットから２ビット目と３ビット目に生じるため、最下位ビットに生じる量子ゆらぎによる誤りと相殺することがない。識別の結果として得られる盗聴乱数系列８２（１０進表記）を図２１（ｆ）に、盗聴乱数系列８３を図２１（ｇ）にそれぞれ示す。

実際には、盗聴者が盗聴を行う位置は特定できないため、盗聴者の受信レベルは送信レベル以下であればあらゆるレベルを取る可能性がある。すなわち、量子ゆらぎによる誤りの発生確率も送信レベルと同じレベルで受信する場合を最小として、様々な値をとる可能性を想定する必要がある。本実施形態はこのような場合に有効である。

なお、以上に説明したビットの反転方法はあくまでも一例であり、第１〜第４の乱数列５８ａ〜５８ｄの内、多値符号列１２の最下位ビットに相当する第１の乱数列以外のものを１つ以上必ず反転させるという条件を満たしていれば、ビット反転させる乱数列の数や、ビット選択用乱数５９の値と反転させるビットとの対応関係はいかなるものであってもよい。また、乱数列５８及び６１のビット数も４ビットに限定されず、任意に設定可能である。

また、本実施形態においても、第５の実施形態と同様に、データ送信装置２４１０５で用いる多値符号列１２と、データ受信装置２４２０５で用いる多値符号列１７との差は、識別の際にＳＮ比の劣化として影響するため、劣化したＳＮ比がデータ受信装置２４２０５の所要値を満足するように設定する。すなわち、情報振幅と、ビット反転の選択対象の乱数列に相当する多値信号の変動幅との比は、正規受信者の許容できるＳＮ比よりも大きいという条件を満足させる。あるいは、図１５を用いて説明したものと同様に、情報データに誤り訂正符号を適用してもよい。

以上のように本実施形態によれば、量子ゆらぎの大きさによらず盗聴者による鍵情報の解読を妨害できるため、第５の実施形態と同様の効果をより汎用的に実現することが可能である。

（第７の実施形態）
本発明の第７の実施形態に係るデータ通信装置の構成及び動作は、基本的に第５の実施形態において図８〜図１３を用いて説明したものと同様である。本発明と第５の実施形態との差分は、多値符号列１２及び多値符号列１７のビット数を、第１の鍵情報１１及び第２の鍵情報１６のビット数以下に設定する点である。以下に、その意味について説明する。

擬似乱数発生器の中で最も単純な構成をとるものの１つとして、線形フィードバックシフトレジスタ（Ｌｉｎｅａｒ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｓｈｉｆｔ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ、以下ではＬＦＳＲと表記）がある。図２２は、ＬＦＳＲの構成例を示すブロック図である。図２３は、ＬＦＳＲの出力例を示す図である。これらの図は、初期値（鍵情報に相当）が４ビットの場合の例を示している。図２２において、ＬＦＳＲは、シフトレジスタ１６３ａ〜１６３ｄと、排他的論理和（ＸＯＲ）回路１６４とから構成される。図２２及び図２３を例に、ＬＦＳＲの動作を説明する。まず、与えられた初期値（“１００１”）が各シフトレジスタ１６３ａ〜１６３ｄにセットされ、シフトレジスタ１６３ａと１６３ｄとにセットされた値を排他的論理和して得られる値（“１”）が入力待ち状態となる。次のタイミングでは、シフトレジスタ１６３ｄにセットされた値（“１”）が出力され、シフトレジスタ１６３ａ〜１６３ｃにセットされた値（“１００”）は、順に右側のシフトレジスタ１６３ｂ〜１６３ｄにシフトされる。そして入力待ちの値（“１”）がシフトレジスタ１６３ａにセットされる。以下、これを繰り返すことにより、ＬＦＳＲは、擬似乱数系列を出力する。

ＬＦＳＲは、初期値のビット数をｋとすると２^k−１ビットの周期を持ち、単純な構成で擬似乱数を発生できるため、ＣＤＭＡを用いた通信システム等で広く用いられている。しかしながら、ＬＦＳＲは、連続する２ｋビットの出力が得られれば初期値を特定できるという性質を持つため（非特許文献１ ｐｐ．４２３参照）、数理暗号用の擬似乱数発生器としては用いられていない。

ところで、以上に述べたＬＦＳＲの初期値の特定は、出力される擬似乱数系列に誤りがない場合を前提としており、もし連続する２ｋビットの中に必ず誤りが含まれていれば、初期値を特定できなくなる。ここで、図９及び図１０において、第１の乱数列生成部１５７（擬似乱数発生部１５７１）及び第２の乱数列生成部２５７にＬＦＳＲを用いることを考え、第５の実施形態と同様に、盗聴者が図１４に示す盗聴者受信装置を用いて、多値信号の全レベルに対する識別を同時に行い、鍵情報の抽出を試みることを想定する。盗聴乱数系列８３は、多値符号列１２のビット数をＭとすると、擬似乱数系列５７と比較してＭビットに１個は必ず誤りを含む。また、連続して誤りを含まないビット数が最大となるのは、図２４の例（Ｍ＝４の場合）に示すように、全ビットがビット反転の選択対象であり、あるタイムスロットで最上位ビットを反転させ、次のタイムスロットで最下位ビットを反転させた場合である。このとき、連続して誤りを含まないビット数は２Ｍ−２ビットとなる。よって、２Ｍ−２が２ｋよりも小さければ、盗聴者がＬＦＳＲの初期値を特定することができなくなる。ここで、Ｍ、ｋは、いずれも自然数であるため、盗聴者が初期値を特定できない条件は次の数式１で表される。

すなわち、本実施形態に係るデータ通信装置は、多値符号列１２のビット数Ｍを第１の鍵情報１１のビット数ｋ以下に設定することにより、構成の単純なＬＦＳＲを擬似乱数発生部１５７１に用いることが可能になる。

なお、数式１は、ＬＦＳＲを用いるために必要な条件であるが、ＬＦＳＲを用いること自体は必須条件ではない。すなわち、数式１の条件を満たしているときに、他の種類の擬似乱数発生器を擬似乱数発生部１５７１に用いても構わない。ただし、擬似乱数発生器の初期値を特定するのに必要なビット数が２ｋビット以上であることが条件となる。

以上のように、本実施形態によれば、従来の数理暗号と異なり、ＬＦＳＲ等の構成の単純な擬似乱数発生器を用いることが可能になる。

（第８の実施形態）
図２５は、本発明の第８の実施形態に係るデータ通信装置の構成例を示すブロック図である。図２５において、本発明の第８の実施形態に係るデータ通信装置の全体構成は、基本的に第５の実施形態（図８）と同様であり、第２の多値符号発生部２６０ａの構成のみが異なる。第１の多値符号発生部１５６ａの構成及び動作は、図９または図１１、及び図１２を用いて説明したものと同様である。以下に、本実施形態について、第５の実施形態との差分を中心に説明する。なお、第５の実施形態と同様の動作をするブロックについては、説明を省略する。

本実施形態と第５の実施形態との相違点は、データ受信装置２４２０８における識別レベルの設定方法である。図２６は、本発明の第８の実施形態に係る第２の多値符号発生部２６０ａの構成例を示すブロック図である。図２６において、本実施形態の第２の多値符号発生部２６０ａは、第１〜第４の乱数列６３ａ〜６３ｄのうち、第３の乱数列６３ｃ及び第４の乱数列６３ｄのみを使用し、第１の乱数列６３ａ及び第２の乱数列６３ｂは使用しない。これらの第１の乱数列６３ａ及び第２の乱数列６３ｂは、第１の多値符号発生部１５６ａにおいて、ビット反転の選択対象となる第１の乱数列５８ａ及び第２の乱数列５８ｂに相当する。なお、第２の乱数列生成部２５７の機能は、第５の実施形態（図１０）において説明したものと同様である。

第２の多値変換部２５８には、上位ビットとして第３の乱数列６３ｃ及び第４の乱数列６３ｄが、下位ビットとして固定値が入力される。第２の多値変換部２５８は、これらの入力されたビット列を多値符号列１７に変換して出力する。送信側で生成される乱数列のうち、第１の乱数列５８ａ及び第２の乱数列５８ｂは、ビット反転の対象であるために、高い確率で誤りを含んでいるが、ＳＮＲへの影響は小さい。よって、第２の多値変換部６０ａは、これらに相当する第１の乱数列６３ａ及び第２の乱数列６３ｂのレベル変化を無視して識別レベルを決定しても、正規受信者の受信性能にはほとんど悪影響を与えない。

図２７は、本発明の第８の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号波形を説明する図である。図２７を用いて、本発明の第８の実施形態に係る識別レベルの設定方法について説明する。図２７（ａ）〜（ｄ）は、図１３で説明したものと同じであるため説明を省略する。第２の多値変換部２５８には、図２７（ｅ）に示すように、上位ビットとして第３の乱数列６３ｃ及び第４の乱数列６３ｄの値が、下位ビットとして固定値（この場合は“１，０”）が入力される。このとき、多値符号列１７の値は、図２７（ｆ）に示す値となる。これに基いて、多値識別部２１２ｂで用いる識別レベルは、図２７（ｇ）に示す４つのレベルＣ０〜Ｃ３（対応する多値符号列１７の値をカッコ内に表記）から選択される。多値符号列１７の値が図２７（ｆ）に示す値をとる場合、識別レベルは、図２７（ｇ）に破線で示すように変化する。

次に、第２の多値変換部２５８に入力する乱数列の選択指針について説明する。使用しない乱数列（この例では、第１〜２の乱数列６３ａ〜６３ｂ）に相当する識別レベルの変動幅は、識別の際に識別レベルの誤差として作用し、信号レベルの劣化と同様の影響を及ぼす。すなわち、使用しない乱数列は、ＳＮ比の劣化として影響する。このため、第８の実施形態に係るデータ通信装置は、この劣化したＳＮ比がデータ受信装置２４２０８における所要値を満足するように、第２の多値変換部２５８に入力する乱数列を選択する。具体的には、第８の実施形態に係るデータ通信装置は、情報振幅と、使用しない乱数列に相当する識別レベルの変動幅との比が、正規受信者の許容できるＳＮ比よりも大きいという条件を満足するように、第２の多値変換部２５８に入力する乱数列を選択する必要がある。

なお、図２６及び図２７では、多値符号列１７の全ビット数を４、そのうち固定値を与えるビット数を２としたが、これはあくまでも一例であり、以上に述べた条件を満足する限り、他の値に設定しても構わない。また、第２の多値変換部２５８に下位ビットとして入力する固定値を“１０”としたのもあくまで一例であり、他の値でも構わない。あるいは、ビット数の少ない多値変換部２５８を用い、下位ビットの入力を省略することも可能である。

以上により、本実施形態によれば、多値符号列１７の設定レベルの数が少なくて済むため、データ受信装置２４２０５の構成を簡略化することが可能になる。

本発明に係るデータ通信装置は、盗聴・傍受等を受けない安全な秘密通信装置等として有用である。

本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図 本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号波形を説明する模式図 本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号波形の呼称を説明する模式図 本発明の第１の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号品質を説明する模式図 本発明の第２の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図 本発明の第３の実施形態に係るデータ通信装置の構成を示すブロック図 本発明の第４の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号パラメータを説明する模式図 本発明の第５の実施形態に係るデータ通信装置の構成例を示すブロック図 第１の多値符号発生部１５６ａの構成を示すブロック図 第２の多値符号発生部２５６ａの構成を示すブロック図 第１の多値符号発生部１５６ａの具体的な構成例を示すブロック図 第１の多値符号発生部１５６ａにおける信号変化を説明する図 本発明の第５の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号波形を説明する図 想定される盗聴者の受信装置の構成を示すブロック図 第１の多値符号発生部１５６ａの具体的な構成例を示すブロック図 第１の多値符号発生部１５６ａにおける信号変化を説明する図 誤り訂正符号を適用した場合のデータ通信装置の構成例を示すブロック図 本発明の第６の実施形態に係るデータ通信装置の構成例を示すブロック図 本発明の第６の実施形態に係る第１の多値符号発生部１６２ａの具体的構成例を示すブロック図 第１の多値符号発生部１６２ａにおける信号変化を説明する図 本発明の第６の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号波形を説明する図 ＬＦＳＲの構成例を示すブロック図 ＬＦＳＲの出力例を示す図 盗聴乱数系列における誤りを含まないビットの最大連続数を説明する図 本発明の第８の実施形態に係るデータ通信装置の構成例を示すブロック図 本発明の第８の実施形態に係る第２の多値符号発生部２６０ａの構成例を示すブロック図 本発明の第８の実施形態に係るデータ通信装置の伝送信号波形を説明する図 従来のデータ通信装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１０、１８ 情報データ
１１、１６ 鍵情報
１２、１７ 多値符号列
１３、１５ 多値信号
１９、２０ 反転情報データ
１４ 変調信号
２２ 雑音重畳多値信号
５５、５６ 制御信号
６０、６１ タイミング信号
８４ 乱数信号
８５、８９ 選択信号
８６、８８ 選択ビット
８７ 選択変調信号
１１０ 伝送路
１１１ 多値符号化部
１１１ａ 第１の多値符号発生部
１１１ｂ 多値処理部
１１２ 変調部
１１３、２１３ データ反転部
１１４ 雑音制御部
１１４ａ 雑音発生部
１１４ｂ 合成部
１３２ タイミング信号発生部
１５０ 第１の鍵共有部
１５１ 乱数発生部
１５２ 選択信号伝送路
１５３ 振幅制御信号発生部
１５４ 振幅変調部
１５５ 制御信号発生部
１５０１ 鍵蓄積制御部
１５０２ 選択信号復調部
１５０３ 第１の鍵蓄積部
２１１ 復調部
２１２ 多値復号化部
２１２ａ 第２の多値符号発生部
２１２ｂ 多値識別部
２３０ タイミング信号再生部
２５０ 第２の鍵共有部
２５５ 制御信号発生部
２５０１ 鍵識別部
２５０２ 選択信号変調部
２５０３ 第２の鍵蓄積部
１０１０１〜１０１０３、２３１０５〜２３１０７ 送信装置
１０２０１〜１０２０２、２３２０５〜２３２０７ データ受信装置

Claims (8)

1. 暗号通信を行うデータ送信装置であって、
   予め定められた所定の鍵情報と情報データとを入力し、信号レベルが略乱数的に変化する多値信号を発生する多値符号化部と、
   前記多値信号に基づいて、所定の変調形式の変調信号を発生する変調部とを備え、
   前記多値符号化部は、
   前記鍵情報から信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、
   所定の処理に従って、前記多値符号列と前記情報データとを合成し、両信号レベルの組み合わせに対応したレベルを有する多値信号を生成する多値処理部とを含み、
   前記多値符号発生部は、
   前記所定の鍵情報に基づいて、複数の乱数列を発生する乱数発生部と、
   前記複数の乱数列のうちビット反転させる乱数列を指定する反転ビット選択信号を出力する反転ビット選択部と、
   前記反転ビット選択信号の値に応じて、前記複数の乱数列のうち１つ以上の乱数列のビットを反転させて出力する乱数列ビット反転部と、
   前記ビット反転させた乱数列を含む複数の乱数列を、前記多値符号列に変換する多値変換部とを有する、データ送信装置。
2. 前記乱数列ビット反転部において反転されるビットは、前記情報データの振幅に相当する情報振幅と、当該反転されるビットに相当する多値信号の変動幅との比が、正規受信者の許容できる信号対雑音比よりも大きいという条件を満足する、請求項１に記載のデータ送信装置。
3. 前記乱数列ビット反転部において反転されるビットは、最下位ビットを除くビットから選択される、請求項１に記載のデータ送信装置。
4. 前記反転ビット選択部は、
   所定の乱数であるビット選択用乱数を発生する乱数発生部と、
   前記ビット選択用乱数の値に基づいて、前記ビット選択用乱数を前記反転ビット選択信号に変換する選択信号変換部とからなる、請求項１に記載のデータ送信装置。
5. 前記乱数発生部で発生するビット選択用乱数は、真性乱数である、請求項４に記載のデータ送信装置。
6. 前記多値符号列のビット数は、前記鍵情報のビット数以下に設定される、請求項１に記載のデータ送信装置。
7. 暗号通信を行うデータ受信装置であって、
   所定の変調形式の変調信号を復調し、多値信号を出力する復調部と、
   予め定められた所定の鍵情報と前記多値信号とに基づいて、情報データを出力する多値復号化部とを備え、
   前記多値復号化部は、
   前記鍵情報から信号レベルが略乱数的に変化する多値符号列を発生する多値符号発生部と、
   前記多値信号を前記多値符号列に基づいて識別し、前記情報データを出力する多値識別部とを含み、
   前記多値符号発生部は、
   前記鍵情報に基づいて、複数の乱数列を発生する乱数発生部と、
   前記複数の乱数列を前記多値符号列に変換する多値変換部とを有し、
   前記多値変換部には、前記複数の乱数列のうち上位ビットのみが入力され、下位ビットとして固定値が入力される、データ受信装置。
8. 前記情報データの振幅に相当する情報振幅と、前記下位ビットに相当する多値信号の変動幅との比が、正規受信者の許容できる信号対雑音比よりも大きいという条件を満足する、請求項７に記載のデータ受信装置。

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