EP0058318B1 - Sub-band permutation method - Google Patents
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- H04K1/04—Secret communication by frequency scrambling, i.e. by transposing or inverting parts of the frequency band or by inverting the whole band
Definitions
- the invention relates to a method for exchanging subbands of the same width of a signal frequency band according to the preamble of patent claim 1.
- Such methods are known, for example from German patent specification 2,426,451, in which a circuit arrangement for obtaining interchangeable frequency grids for the harmonics of fundamental speech frequencies in devices for subband interchanging, in which on the transmission side a speech signal band is divided into subbands of equal width and by a swap of the subbands a transmission band is formed, in which the subbands contained therein can be inverted, the swap made on the receiving side being reversed, which is characterized in that the frequency at the lower limit of the voice band and half the sub-bandwidth Stand in relation to two whole numbers.
- This circuit arrangement has five modulators which break up the speech band into five subbands by means of suitably selected upper carrier frequencies at the outputs of the downstream unit filters. The subbands obtained in this way are converted back into the original frequency position of the voice band with the aid of a further five downstream modulators, with the subbands being interchanged by supplying the modulators with a selectable selection of five out of ten carrier frequencies.
- US Pat. No. 2,408,692 describes a transmission system with obfuscation by converting sub-bands into the frequency range of one of the sub-bands and then converting them into length-modulated pulses which are transmitted in multiples of time.
- the known bandpass methods require a relatively high level of circuitry.
- the object of the present invention was therefore to specify a method for the subband swapping of the type mentioned at the outset which enables time-discrete or digital signal processing with less circuitry.
- the method according to the invention specifies how the frequency values for the carrier oscillations are to be selected as a function of the division into subbands and the sampling frequency, so that time-discrete or digital signal processing can be carried out in an uncomplicated manner.
- Both rectangular and sinusoidal carriers can be used at relatively low sampling frequencies and a simple modulator circuit.
- favorable values for concealing a CCITT voice channel are specified, which are divided into five subbands.
- the basic block diagram of a speech concealment system based on the five-band swap is shown in FIG. 1.
- the input spectrum of the speech signal Xin (f) to be concealed can be affected by undesired higher-frequency spectral components, which may have to be suppressed by an input-side low-pass filter TP 1 in order to be able to comply with the sampling theorem, for example, in the case of discrete-time signal processing with a predetermined sampling frequency fS.
- the resulting band-limited spectrum X (f) is divided into five sub-bands in the next step using the same band passes BP 1 to BP 5. This requires prior modulation with corresponding carrier frequencies w 1, w 2, etc.
- Y (f) is the spectrum of the disguised continuous Output signal.
- the system for decrypting disguised speech signals also has the block structure shown in FIG. 1, with the reception-side random generator ZG having to deliver the same random sequence as the transmitter and synchronized with it for correct decryption.
- FIG. 2a shows the spectrum of the speech signal (telephone quality), the control position fully representing the continuous-time signal and the additional spectral components occurring symmetrically to integer multiples of the sampling frequency fS (here the reverse position is shown below fS) with time-discrete processing.
- the range of speech to be scrambled thus extends from B to 11 B (0.31 to 3.41 kHz). 2 2
- the minimum value of the rectangular carrier frequency must not fall below 4 B, since otherwise, due to the hermeticity of the spectra of real signals, disturbing spectral overlaps occur. This condition also arises in the same way on the basis of the line spectrum of the rectangular carrier wave according to Fourier.
- 3 shows a simple modulator implementation with 2 multipliers, only with the two values and 1 manages with both signs and 0, and the sample signal value x (kT) to be evaluated is routed to the corresponding one of the two inputs of one of these multiplier amplifiers or to zero potential by means of a selection switch, which is controlled by a control logic of the analog switch.
- the sampling frequency thus results
- the sampling frequencies can be reduced even further if sinusoidal carrier oscillations are used for the conversion, which can be combined into corresponding sequences from only a few samples with different amounts. Relationships (3) and (4) also apply here. The following applies to the sampling frequencies or
- Claim 5 specifies a low-effort modulator implementation by means of multipliers, with depending on the integer ratio f, / fS between 1/2 and 1/6, for 1/8, 1/10 and 1/12 only 1 to 3 absolute values for one or both Signs are required (Table 4).
- An exemplary embodiment for f ⁇ / fS 1/8 is shown in FIG. 3 described above.
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vertauschung von gleich breiten Teilbändern eines Signalfrequenzbandes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for exchanging subbands of the same width of a signal frequency band according to the preamble of
Solche Verfahren sind bekannt, beispielsweise durch die deutsche Patentschrift 2 426 451, in der eine Schaltungsanordnung zur Erzielung vertauschungsunabhängiger Frequenzraster für die Oberwellen von Sprach-Grundfrequenzen bei Einrichtungen zur Teilbandvertauschung, bei denen auf der Sendeseite eine Aufteilung eines Sprachsignalbandes in gleich breite Teilbänder vorgenommen und durch eine Vertauschung der Teilbänder ein Übertragungsband gebildet wird, bei dem darin enthaltene Teilbänder invertiert sein können, wobei auf der Empfangsseite die vorgenommene Vertauschung rückgängig gemacht wird, beschrieben wird, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Frequenz an der unteren Grenze des Sprachbandes und die halbe Teilbandbreite Im Verhältnis zweier ganzen Zahlen zueinander stehen. Diese Schaltungsanordnung weist fünf Modulatoren auf, die mittels geeignet gewählten oberen Trägerfrequenzen an den Ausgängen der nachgeschalteten Einheitsfilter das Sprachband in fünf Teilbänder zerlegen. Die so gewonnenen Teilbänder werden mit Hilfe weiterer fünf nachgeschalteter Modulatoren in die ursprüngliche Frequenzlage des Sprachbandes zurück umgesetzt, wobei eine Vertauschung der Teilbänder dadurch erzielt wird, daß die Modulatoren mit einer wählbaren Auswahl von fünf aus zehn Trägerfrequenzen versorgt werden.Such methods are known, for example from German patent specification 2,426,451, in which a circuit arrangement for obtaining interchangeable frequency grids for the harmonics of fundamental speech frequencies in devices for subband interchanging, in which on the transmission side a speech signal band is divided into subbands of equal width and by a swap of the subbands a transmission band is formed, in which the subbands contained therein can be inverted, the swap made on the receiving side being reversed, which is characterized in that the frequency at the lower limit of the voice band and half the sub-bandwidth Stand in relation to two whole numbers. This circuit arrangement has five modulators which break up the speech band into five subbands by means of suitably selected upper carrier frequencies at the outputs of the downstream unit filters. The subbands obtained in this way are converted back into the original frequency position of the voice band with the aid of a further five downstream modulators, with the subbands being interchanged by supplying the modulators with a selectable selection of five out of ten carrier frequencies.
Durch die deutsche Offenlegungsschrift 2 652 607 ist ein Verfahren zum verschleierten Übertragen von Nachrichtensignalen bekanntgeworden, bei dem die bekannten Verfahren der Zeitverwürfelung und der Frequenzbandvertauschung integriert werden. Auch hier ist der Aufwand für Ringmodulatoren, Bandfilter, Speichermatrix, Frequenzgeneratoren und Steuerung in der Analogausführung recht hoch. Bei der digitalen nach der Phasenmethode (Weaver) arbeitenden Ausführung sind zwar nur ein eingangs- und ein ausgangsseitiger Multiplizierer vorgesehen, die aber - weil im Zeitvielfach - mit einer hohen Multiplikationsrate arbeiten und die ihre einzelnen Träger aus einer Sinus-/Cosinus-Tafel zugeführt bekommen.A method for the veiled transmission of message signals has become known from German Offenlegungsschrift 2,652,607, in which the known methods of time scrambling and frequency band swapping are integrated. Here too, the effort for ring modulators, band filters, memory matrix, frequency generators and control in the analog version is quite high. In the digital version, which works according to the phase method (Weaver), only one input and one output multiplier are provided, but - because they are multiples of time - work at a high multiplication rate and their individual carriers are fed from a sine / cosine table .
In der US-Patentschrift 2 408 692 ist ein Übertragungssystem mit Verschleierung durch Teilbandumsetzung in den Frequenzbereich des einen der Teilbänder und anschließende Umsetzung in längenmodulierte Pulse, die im Zeitvielfach ausgesendet werden, beschrieben.US Pat. No. 2,408,692 describes a transmission system with obfuscation by converting sub-bands into the frequency range of one of the sub-bands and then converting them into length-modulated pulses which are transmitted in multiples of time.
Die bekannten Bandpaßverfahren benötigen einen relativ hohen Schaltungsaufwand.The known bandpass methods require a relatively high level of circuitry.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb, ein Verfahren für die Teilbandvertauschung der eingangs genannten Art anzugeben, das eine zeitdiskrete oder digitale Signalverarbeitung bei weniger Schaltungsaufwand ermöglicht.The object of the present invention was therefore to specify a method for the subband swapping of the type mentioned at the outset which enables time-discrete or digital signal processing with less circuitry.
Die Lösung erfolgt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.The solution is achieved with the characterizing features of
Das erfindungsgemäße Verfahren gibt an, wie die Frequenzwerte für die Trägerschwingungen in Abhängigkeit von der Aufteilung in Teilbänder sowie der Abtastfrequenz zu wählen sind, so daß eine zeitdiskrete bzw. digitale Signalverarbeitung in unaufwendiger Weise durchgeführt werden kann. Dabei können sowohl rechteck- als auch sinusförmige Träger bei relativ niedrigen Abtastfrequenzen und einfacher Modulatorschaltung verwendet werden. In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung werden günstige Werte zur Verschleierung eines CCITT-Sprachkanals angegeben, der in fünf Teilbänder aufgeteilt wird.The method according to the invention specifies how the frequency values for the carrier oscillations are to be selected as a function of the division into subbands and the sampling frequency, so that time-discrete or digital signal processing can be carried out in an uncomplicated manner. Both rectangular and sinusoidal carriers can be used at relatively low sampling frequencies and a simple modulator circuit. In further refinements of the invention, favorable values for concealing a CCITT voice channel are specified, which are divided into five subbands.
Es folgt nun die Beschreibung der Erfindung anhand der Figuren:
- Fig. 1 zeigt die Blockstruktur eines erfindungsgemäßen Sprachverschleierungssystems mittels Fünfbandvertauschung.
- Fig. 2 zeigt Spektren nach der Frequenzumsetzung mit vier Sinus-Trägerschwingungen bei zeitdiskreter Signalverarbeitung.
- Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer Modulatorrealisierung.
- Fig. 4 zeigt Spektren nach der Frequenzumsetzung mit einer Rechteck-Trägerschwingung bei zeitkontinuierlicher Signalverarbeitung.
- 1 shows the block structure of a speech concealment system according to the invention by means of five-band swapping.
- 2 shows spectra after the frequency conversion with four sine carrier oscillations with time-discrete signal processing.
- 3 shows an example of a modulator implementation.
- FIG. 4 shows spectra after the frequency conversion with a rectangular carrier wave with time-continuous signal processing.
Das prinzipielle Blockschaltbild eines Sprachverschleierungssystems auf der Basis der Fünfbandvertauschung ist in Fig. 1 wiedergegeben. Das Eingangsspektrum des zu verschleiernden Sprachsignals Xin (f) kann mit unerwünschten höherfrequenten Spektralanteilen behaftet sein, die gegebenenfalls durch einen eingangsseitigen Tiefpaß TP 1 unterdrückt werden müssen, um beispielsweise bei zeitdiskreter Signalverarbeitung mit vorgegebener Abtastfrequenz fS das Abtasttheorem einhalten zu können. Das resultierende bandbegrenzte Spektrum X (f) wird im nächsten Schritt mit Hilfe von gleichen Bandpässen BP 1 bis BP 5 in fünf Teilbänder aufgeteilt. Dazu ist eine vorherige Modulation mit entsprechenden Trägerfrequenzen w 1, w 2 usw. notwendig. Die eigentliche Verwürfelung findet im nächsten Schritt durch eine Koppelmatrix (Verwürfelungsmatrix), die durch einen Zufallsgenerator gesteuert wird, statt, wobei die Teilbänder Xν (f) ν = 1, 2... 5 in kurzen Zeitabständen zufällig umgeordnet werden nach {i, j, k, l, m} ⊂ {1,2,3,4,5}. Anschließend werden die Teilbänder [X, (f) für v = i, j, k, I, m} mit denselben Frequenzen der eingangsseitigen Modulatoren X nochmals umgesetzt und kommen so in verwürfelter Reihenfolge in den ursprünglichen Frequenzbereich des Sprachspektrums X (f) zu liegen. Eventuelle Oberschwingungen des Ausgangsspektrums, wie z. B. unerwünschte Modulationsprodukte oder periodisch wiederkehrende Spektralanteile bei zeitdiskreter Signalverarbeitung, werden durch den Tiefpaß TP 2 eliminiert. Y (f) ist das Spektrum des verschleierten kontinuierlichen Ausgangssignals. Das System zur Entschlüsselung verschleierter Sprachsignale weist ebenfalls die in Fig. 1 wiedergegebene Blockstruktur auf, wobei zur richtigen Entschlüsselung der empfangsseitige Zufallsgenerator ZG dieselbe Zufallsfolge wie der Sender und auf diesen synchronisiert zu liefern hat.The basic block diagram of a speech concealment system based on the five-band swap is shown in FIG. 1. The input spectrum of the speech signal Xin (f) to be concealed can be affected by undesired higher-frequency spectral components, which may have to be suppressed by an input-side low-
Die Fig. 2a zeigt das Spektrum des Sprachsignals (Telefonqualität), wobei die Regellage das zeitkontinuierliche Signal vollständig repräsentiert und die zusätzlichen Spektralanteile symmetrisch zu ganzzahligen Vielfachen der Abtastfrequenz fS (hier ist die Kehrlage unterhalb fS gezeichnet) bei zeitdiskreter Verarbeitung auftreten.2a shows the spectrum of the speech signal (telephone quality), the control position fully representing the continuous-time signal and the additional spectral components occurring symmetrically to integer multiples of the sampling frequency fS (here the reverse position is shown below fS) with time-discrete processing.
Der CCITT-Sprachkanal ist durch die Grenzen 0,3 bis 3,4 kHz festgelegt, wodurch bei einer Aufteilung in fünf Teilbänder die Teilbandbreite B = 620 Hz beträgt. Die arithmetischen Mittenfrequenzen der Teilbänder liegen dann bei
Zur Umsetzung der Teilbänder des zum zeitkontinuierlichen Signal gehörenden Spektrums gemäß Fig. 2a in dasselbe Frequenzband mittels Rechteckträgerschwingungen sind die Grundfrequenzen fν. für v = 1 bis 5 äquidistant im Abstand B anzuordnen nach der Formel gemäß Patentanspruch 1
Die Überlappungen sind in den Fig. 2b bis 2d, in denen eine Frequenzumsetzung mit f 2 = 2 B, f 3 = 3 B, f 4 = 4 B dargestellt ist, deutlich erkennbar, sie sind als Überfaltungsprodukte gekennzeichnet.The overlaps can be clearly seen in FIGS. 2b to 2d, in which a frequency conversion with
Auch in Fig. 2e ist ein Überfaltungsprodukt erkennbar, jedoch ist es nicht störend, da es oberhalb der Trägerfrequenz f 9 = 9 B liegt.A folding product can also be seen in FIG. 2e, but it is not disturbing since it lies above the carrier frequency f 9 = 9 B.
Die Fig. 3 zeigt eine einfache Modulatorrealisierung mit 2 Multiplizierern, die lediglich mit den zwei Werten
In Fig. 4 sind im einzelnen die spektralen Beziehungen für eine zeitkontinuierliche Signalverarbeitung dargestellt.4 shows the spectral relationships for time-continuous signal processing.
Dieselben spektralen Verhältnisse lassen sich in dem in Fig. 4 wiedergegebenen Frequenzbereich auch mit einem zeitdiskreten System realisieren, wenn die Abtastfrequenz fS geeignet gewählt wird. Dabei ist fS so festzulegen, daß sämtliche Oberschwingungen aller Rechteckträger fν für ν=1 bis 5 symmetrisch zur halben Abtastfrequenz zu liegen kommen. Dadurch ist sichergestellt, daß zu den ohnehin vorhandenen Linien des Rechteckträgersprektrums aufgrund der Periodizität zeitdiskreter Signale keine weiteren unerwünschten Linien hinzukommen. Die Bedingung hierfür lautet
Bezogen auf die halbe Abtastfrequenz treten dann Spektrallinien der abgetasteten Rechteckträgerschwingungen bei folgenden Frequenzen auf:
Aufwandsgünstige Werte für k, der zugehörigen Abtastfrequenz fS und für nν sind in der im Anspruch 3 angegebenen Tabelle 1 zusammengestellt, wobei in den ersten vier Zeilen Lösungen mit Nichtumsetzung der Teilbänder 3,4 bzw. 5 und damit Einsparung von Modulatoren dargestellt sind.Expensive values for k, the associated sampling frequency fS and for n ν are compiled in Table 1 given in
Neben der Aufwandsminderung ergibt sich jeweils eine niedrigere Abtastfrequenz.In addition to the reduction in effort, there is a lower sampling frequency.
Erfindungsgemäß lassen sich die Abtastfreqenzen noch weiter erniedrigen, wenn zur Umsetzung sinusförmige Trägerschwingungen verwendet werden, die sich aus nur wenigen betragsmäßig unterschiedlichen Abtastwerten zu entsprechenden Folgen zusammensetzen lassen. Auch hier gelten die Beziehungen (3) bzw. (4). Für die Abtastfrequenzen gilt
Wegen des Abtasttheorems muß jedoch k/l>11 eingehalten werden, um störende spektrale Überfaltungen zu vermeiden. In der folgenden Tabelle 2 sind für die Werte k/I=15, 20, 24, 30 und 36 in entsprechenden fünf Spalten mögliche Trägerfrequenzen relativ zur Abtastfrequenz fS und in Abhängigkeit von n sowie für günstige Werte von i und I dargestellt:
Der Tabelle 2 kann entnommen werden, daß sich im Fall k/I=15 mit 1=2 und i=1 nur vier der zulässigen Trägerfrequenzen ergeben. Ebenso ist das letzte dort wiedergegebene Ergebnis für k/l=36 mit i =0 unbrauchbar, da in beliebigen Frequenzintervallen der Breite 10 B jeweils nur maximal vier der zulässigen Trägerfrequenzen zu liegen kommen, so daß höchstens vier Teilbänder mit gleichen Filtern separiert werden können. Die Spektren nach der Frequenzumsetzung sind für k/I=24 in der Fig. 2 wiedergegeben. Für die Werte k/l=24 und 30 sind die für eine Realisierung günstigen Daten für die Trägerfrequenzen, wiederum relativ zur Abtastfrequenz für die einzelnen Teilbänder, sowie die Mittenfrequenz des Bandpaßfilters in der im Anspruch 4 angegebenen Tabelle 3 aufgelistet. Hinsichtlich der zeitdiskreten Signalverarbeitung ergibt sich der aufwandsgünstigste Fall mit der Wahl der Bandmittenfrequenz der Bandpaßfilter zu
Der Anspruch 5 gibt eine aufwandsarme Modulatorrealisierung mittels Multiplizierer an, wobei je nach ganzzahligem Verhältnis f,/fS zwischen 1/2 und 1/6, für 1/8, 1/10 und 1/12 lediglich 1 bis 3 Betragswerte bei einem oder beiden Vorzeichen erforderlich sind (Tabelle 4). Ein Ausführungsbeispiel für fν/fS = 1/8 stellt die weiter oben beschriebene Fig. 3 dar.
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