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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur gesicherten Übertragung von Sprachsignalen auf einer einen Sender und einen Empfänger enthaltenden Analog-Übertragungsstrecke mit beschränkter Bandbreite, wobei im Sender pulscodemodulierte Sprachsignale erzeugt und in Abschnitte bestehend aus N Abtastproben eingeteilt, orthogonal transformiert, verschlüsselt und anschliessend übertragen werden und im synchronisiert zum Sender betriebenen Empfänger durch Rücktransformationen zu einem Sprachsignal zurückgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Sender in einem ersten Verfahrensschritt eine dem Gehör angepasste Informationsreduktion vorgenommen wird und in einem zweiten Verfahrensschritt die verbleibende Information durch positive n-fach vervielfachte Zahlenwerte dargestellt, verschlüsselt und sequentiell als Analogsignal übertragen werden, wobei n eine reelle Zahl ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Verfahrensschritt das diskrete Spektrum des jeweiligen Abschnittes berechnet und derart verstärkt wird, dass die einzelnen Spektren eine konstante mittlere Amplitude aufweisen und dass dieses verstärkte Sprachspektrum in ein oberes und unteres Frequenzband aufgeteilt wird, wobei einerseits das obere Frequenzband für aus k gemittelten Bildproben approximierte Betragsinformationen und andererseits das untere Frequenzband für approximierte positive betragsund phasenbezogene Informationen vorgesehen ist und dass im zweiten Verfahrensschritt die daraus resultierenden Informationssignale einzeln n-fach vervielfacht und in einem Bereich von m Sprachabschnitten als Einheit pseudo-zufällig vertauscht und/oder gruppenweise verschlüsselt und übertragen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Bereich.von m Sprachabschnitten pseudozufällig vertauschten, n-fach vervielfachten positiven Informationssignale als Einheit alternierend mit wechselndem Vorzeichen summiert werden, die resultierenden laufenden Partialsummen gebildet, n-fach vervielfacht, durch digitale Modulation der Bandbreite des Übertragungskanals angepasst und durch ein Synchronisiersignal ergänzt, übertragen werden.
4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Sender zu übertragende Sprachsignal (S(t)) dem Eingang einer Sprach-Parameterisierungs-Einheit (A) zugeführt ist, deren Ausgang über eine zwischengeschaltete Datenreduktions-Stufe (B) mit dem Eingang einer Codier-Einheit (C) verbunden ist, welche das Sendersignal (f(t)) steuert und wobei das übertragene Sendersignal (f'(t)) im Empfänger dem Eingang einer Rück-Codier-Einheit (C') zugeführt ist, deren Ausgang über eine Parameter-Rückgewinnungs-Einheit (B') mit einem Sprachsignalbildner (A') verbunden ist, welcher an seinem Ausgang ein empfangenes analoges Sprachsignal (S'(t)) abgibt.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprach-Parameterisierungs-Einheit (A) aus einer Digitalisierungs-Stufe (1) mit nachgeschalteten Diskret-Fouriertransformations-Stufe (2) und Spektrums Gewichtungs-Stufe (3) besteht und dass die Codier-Einheit (C) aus einer Serienschaltung bestehend aus einem Daten Duplizierer (5), einem Daten-Verschlüssler (6), einem Daten Coder (7) und einem Modulator (8) aufgebaut ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rück-Codier-Einheit (C') aus einem Demodulator (9) mit nachgeschalteten Synchronisations Detektor-Decoder (10) und Entschlüssler (11) besteht, dass die Parameter Rückgewinnungs-Einheit (B') aus einem Daten-Umformer (12) mit nachgeschalteter Invers-Spektrums-Gewichtungs-Stufe (13) besteht und dass der Sprachsignalbildner (a') aus einer Serienschaltung bestehend aus einer Diskret-Fourierrücktransformations-Stufe (14), einem Abschnitt-Grenzenanpasser (15) und einem Digital-Analog Wandler (16) aufgebaut ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprach-Parameterisierungs-Einheit (A) ein erster Pseudo-Zufallszahlengenerator (17) vorgeschaltet ist, dessen Ausgang die Anzahl N der Abtastproben steuert, und dass die Abschnittsbildung im Empfänger durch einen zweiten synchron zum ersten laufenden Pseudo-Zufallsgenerator (18) gesteuert wird.
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zur gesicherten Übertragung von Sprachsignalen nach der Gattung des Anspruchs 1 und einer Schaltungsanordnung nach der Gattung des Anspruchs 4.
Bekanntlich finden bei der nachrichtentechnischen Übertragung von Sprache in zunehmendem Masse Methoden zur Sicherung vor unbefugtem Abhören Anwendung. Die entsprechende Sprachübertragung erfolgt zu diesem Zweck entweder durch: Codierung oder Parameterisierung mit anschliessender Verschlüsselung oder durch Verschleierung.
Sprachverschleierungsgeräte lassen sich bis heute in sechs Entwicklungsgenerationen einteilen, wobei die letzte nicht mehr von einer Übertragung des Sprachsignals selber ausgeht, sondern von einer orthogonalen Transformation des Sprachsignals (vgl. u.a. IEEE Transactions on Audio and Electro-acoustics, Vol. AU-21, No. 3, June 1973, pp. 165-174 und P. Meier, Secure Speech Communication over a CCITT Speech Channel, published in NATO ASI Proceedings on Speech Understanding and Synthesis, Bonas France, July
1979).
Es ist ein Verfahren zur Verschleierung von Sprachsignalen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt (DAS 25 23 828). In einer Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens wird ein in seiner Bandbreite auf 3 kHz beschränktes Sprachsignal pulscodemoduliert und durch einen Zeitverwürfler gesteuert in Abtastproben geteilt. Aus den Abtastproben werden mittels einer orthogonalen Matrix Bildproben gewonnen und deren Werte abschnittweise nacheinander von einem Sender zu einem Empfänger übertragen.
Theoretisch ist bei diesem Verfahren der Übertragungsweg als ideal angenommen worden; in praxi ist nur eine sehr beschränkte Verständlichkeit erreichbar, da die Systemgrenzen eines realen Übertragungsweges (z.B. CCITT-Sprachkanal) nicht genügend berücksichtigt sind.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur gesicherten analogen schmalbandigen Sprachübertragung zu schaffen, welche eine hohe Sprachqualität beim berechtigten Empfänger ergeben und gleichzeitig eine erhöhte Sicherheit gegen unbefugtes Abhören aufweisen.
Das im Anspruch 1 genannte Verfahren erweist sich insbesondere bei Übertragungsstrecken mit einem CCITT Sprachkanal als vorteilhaft (vgl. CC ITT, International Telecommunication Union, Geneva 1977, Vol. III Line Transmission, Vol. V Telephone Transmission Quality).
Die Informationsreduktion nach Anspruch 1 basiert auf der Erkenntnis, dass insbesondere bei Frequenzen über zirka
1 kHz vom menschlichen Gehör her die Phaseninformationen des Sprachsignals von geringer Bedeutung sind. Die entsprechende, dem menschlichen Gehör angepasste Informationsreduktion erlaubt nun die durch die orthogonale Transformation gewonnenen Bildproben trotz beschränkter Bandbreite zusätzlich durch eine Verschlüsselung gesichert zu übertragen, was einerseits einen grösseren Schutz vor unbefugtem
Abhören ergibt und andererseits die Störempfindlichkeit der Signale im Übertragungsweg verringert.
In den abhängigen Ansprüchen sind zweckmässige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Das Verfahren nach Anspruch 2 lässt sich mit den Mitteln der modernen Elektronik relativ einfach realisieren und weist die Vorteile hoher Betriebs- sowie Störsicherheit und guter Übertragungsqualität auf.
Der Vorteil eines gemäss Anspruch 3 erweiterten Verfahrens liegt in der erzielten, zusätzlichen Abhörsicherheit.
Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 ergibt den Vorteil einfach zu überwachender Funktionsgruppen.
Die Weiterbildungen nach den Ansprüchen 5 und 6 zeichnen sich durch ihre systematisch zugeordneten Funktionseinheiten aus und erlauben eine weitere Erhöhung der Systemsicherheit.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 7 resultiert in einem zusätzlichen Schutz vor unbefugter Entschleierung.
Nachfolgend werden anhand von Zeichnungen das Verfahren sowie eine bevorzugte Schaltungsanordnung näher erläutert; die nicht der Sicherung vor unbefugtem Abhören dienenden Baugruppen des Systems sind der Einfachheit halber nicht näher dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Senders sowie
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Empfängers in einem System zur sicheren Sprachübertragung,
Fig. 3 ein abgetastetes, pulscodemoduliertes Sprachsignal von 20 ms Dauer,
Fig. 4 das komplexe diskrete Fourierspektrum des Signals Fig. 3,
Fig. 5 das Fourierspektrum Fig. 4 nach seiner Gewichtung,
Fig. 6 eine Darstellung resultierender Sprachparameter nach einer lnformationsreduktion und dreifachem Duplizieren,
Fig. 7 die Sprachparameter Fig. 6 nach ihrer Permutation,
Fig. 8 die Sprachparameter Fig. 7 nach ihrer Codierung,
Fig.
9 das übertragene modulierte Sprach-Parametersignal (Sendersignal f'(t)),
Fig. 10 die Sprachsignalparameter nach ihrer Demodulation im Empfänger (vergleichbar mit Fig. 8),
Fig. 11 die Sprachsignalparameter nach ihrer Decodierung (vergleichbar mit Fig. 7),
Fig. 12 die Sprachsignalparameter nach ihrer Entschlüsselung (vergleichbar mit Fig. 6),
Fig. 13 das rekonstruierte Fourierspektrum (Fourierkoeffizienten gebildet aus Sprachparameter, vergleichbar mit Fig. 4, wobei die verwendete Informationsreduktion erkennbar wird),
Fig. 14 das Fourierspektrum nach seiner inversen Gewichtung (vergleichbar mit Fig. 4),
Fig. 15 das (vergleichbar mit Fig. 3) rekonstruierte Sprachsignal,
Fig. 16a codierte Sprach-Parametersignale über einem Intervall von 100 ms (5 Sprachabschnitte zu je 128 Abtastwerten),
Fig. 16b die Sprach-Parametersignale Fig. 16a nach erfolgter Modulation,
Fig.
16c den Effekt einer einem CCITT-Sprachkanal entsprechenden Bandpassfilterung (des Signals 16b) mit einem Durchlassbereich von 300 bis 3000 Hz und
Fig. 17 einen Qualitätsvergleich zwischen einem Originalsprachsignal Fig. 17a und einem gesichert übertragenen, rekonstruierten Sprachsignal 17b.
Ein Sender gemäss Fig. 1 weist im wesentlichen eine Sprach-Parameterisierungs-Einheit A mit nachgeschalteter Datenreduktions-Stufe B und anschliessender Codier-Einheit C auf. Ein dem Sender entsprechender Empfänger, Fig. 2, ist mit einer Rückcodier-Einheit C', einer Parameter-Rückgewinnungs-Einheit B' und einem Sprachsignalbildner A' ausgerüstet.
Ein Sprachsignal S(t) wird in einer Digitalisierungs-Stufe 1 (Fig. I) zuerst in bekannter Weise einem Bandpassfilter mit einem Durchlassbereich von 400 bis 2800 Hz zugeführt.
Anschliessend erfolgt auf konventionelle Art eine Digitalisierung des Sprachsignals durch einen 12-bit-Analog-Digital Konverter bei einer Abtastfrequenz von 6,4 kHz. Ein daraus resultierender Sprachabschnitt (engl. Frame), bestehend aus 128 Datenpunkten in einem Zeitintervall von 20 ms ist als pulscodemoduliertes Signal s(t) in Fig. 3 dargestellt. In der der Digitalisierungs-Stufe 1 nachgeschalteten Diskret-Fouriertransformations-Stufe 2 wird das komplexe diskrete Spektrum dieses Sprachabschnittes gewonnen, so dass an ihrem einen Ausgang eine Funktion A(f) gemäss Fig. 4 entsteht. In einer anschliessenden Spektrums-Gewichtungs-Stufe 3 erfolgt nun eine für höhere Frequenzen linear zunehmende Verstärkung (pre-emphasise), so dass die mittlere Amplitude des Spektrums annähernd konstant wird. Mit dieser Spektrums Gewichtungs-Stufe 3 (engl.
Spectral Flattening) wird der Dynamikbereich des Übertragungskanals (CCITT-Kanal) optimal genutzt. Durch die daraus resultierende geänderte Energieverteilung wird zudem die Restverständlichkeit des Signals drastisch reduziert und folglich die analytische Sicherheit in einem ersten Schritt erhöht.
Die Systemgrenzen der nachfolgenden Datenreduktions Stufe B basieren auf den physiologischen Eigenschaften des menschlichen Gehörs. Dementsprechend ist ein unteres Frequenzband (lb in den Figuren) von 400 bis 1250 Hz und ein oberes Frequenzband (ub in den Figuren) von 1250 bis 2800 Hz vorgesehen. Wiederum aus physiologischen Gründen werden im unteren Frequenzband sämtliche approximierten positiven phasenbezogenen Informationen übertragen, während im oberen Frequenzband lediglich über (k = 4) Bildproben approximierte Betragsinformationen verarbeitet werden.
Diese Informationen erfahren nun in einem Daten Duplizierer 5 ein dreifaches Duplizieren und ergeben ein Signal A(t) gemäss Fig. 6, wobei hier vier Parameter für Synchronisationszwecke reserviert sind. Im anschliessenden Daten-Verschlüssler 6 erfolgt eine Verschlüsselung, siehe Fig.
7 A(t) mit den zu Fig. 6 permutierten Sprachparametern des gleichen Sprachabschnittes (m = 1). Nun erfolgt in bekannter Weise in einem Daten-Coder 7 eine Codierung, wobei die nfach vervielfachten Informationssignale als Einheit alternierend mit wechselndem Vorzeichen summiert werden, die resultierenden laufenden Partialsummen gebildet und n-fach vervielfacht am Ausgang erscheinen, vgl. Fig. 8 A(t). n ist eine reelle Zahl in einem Modulator 8 erfolgt hierauf eine digitale Modulation, welche der spezifischen Bandbreite des Übertragungskanals, im vorliegenden Fall einem CCITT-Sprachkanal angepasst ist und nach Umsetzung in einem 12-bit-Digital-Analog-Konverter und Tiefpassfilterung in Form eines analogen Sendersignals f(t) (Fig. 9) in diesen eingespeist wird.
Das übertragene Sprachparameter-Signal f'(t) (übertragenes Sendersignal) gelangt auf den Eingang eines Demodulators 9, Fig. 2; es wird hier demoduliert, so dass A(t) einen Verlauf gemäss Fig. 10 aufweist. Dieses Signal wird anschliessend einem Synchronisations-Detektor-Decoder 10 zugeführt und erscheint an dessen Ausgang in der decodierten Form A(t) nach Fig. 11. In einem nachgeschalteten Entschlüssler 11 wird der Signalverlauf A(t) gemäss Fig. 12 erzielt, welcher dieselbe Parameterfolge wie derjenige nach Fig. 6 aufweist.
Dieses Signal wird einem Daten-Umformer 12 zugeführt, worauf das in Fig. 13 dargestellte rekonstruierte Fourierspektrum A(f) entsteht. In der nachfolgenden Invers-Spektrums Gewichtungs-Stufe 13 wird das invers gewichtete Fourierspektrum entsprechend Fig. 14 gebildet. Dieses Spektrum A(f) erfährt in der nachgeschalteten Diskret-Fourierrücktransformations-Stufe 14 eine Rücktransformation und wird anschliessend in den hintereinander geschalteten Abschnitt Grenzenanpasser 15 und Digital-Analog-Wandler 16 (12-bit D/A-Wandler mit Tiefpassfilter) zu einem rekonstruierten Sprachsignal S'(t), Fig. 15, aufgearbeitet.
Im weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dem Empfänger, Fig. 2, eingangsseitig einen Entzerrer vorzuschalten und das Eingangssignal mit der gegenüber dem Sender doppelten Abtastfrequenz von 12,8 kHz abzutasten. Dadurch verbleiben zusätzliche Datenpunkte für die Detektion, Synchronisation und die Rekonstruktion des Sprachsignals.
Aus Fig. 16, einer Darstellung A(t) von codierten Sprachparametern über 5 Bildproben entsprechend einem Intervall von 100 ms lassen sich weitere Zusammenhänge erkennen.
Fig. 16a zeigt die Sprachparametersignale mit den durch Pfeile s symbolisierten, in Abständen von jeweils 20 ms erfolgenden Synchronisationsinformationen. Die gleichen Sprachparameter weisen nach ihrer Modulation einen Zeitverlauf gemäss Fig. 16b auf sowie nach einer Bandpassfilterung mit einem Durchlassbereich von 300 bis 3000 Hz (was einem realen Übertragungsweg entspricht) einen Verlauf nach Fig. 16c.
Das oben dargestellte System kann durch den Fachmann in weiten Grenzen variiert und weiterentwickelt werden. So ist bereits im Ausführungsbeispiel, Fig. 1, ein Pseudo-Zufallszahlengenerator 17 vorgesehen, welcher die Anzahl N der Abtastproben in der Sprach-Parameterisierungsstufe steuert.
Dementsprechend erfolgt die Bildung der Sprachabschnitte im Empfänger, Fig. 2, durch einen synchronisierten Pseudo Zufallsgenerator (18).
Ebenfalls kann beispielsweise die Restverständlichkeit im Übertragungsweg praktisch auf Null reduziert werden durch eine Permutation der Sprachparameter über mehrere Sprachabschnitte oder durch zeitlich variierende Sprachabschnitte, vgl. Fig.7mitm=1.
Die Darstellungen Fig. 17 ergeben einen eindrücklichen Qualitätsbeweis für das System: Fig. 17a stellt dabei das Original-Sprachsignal S(t) und Fig. 17b das rekonstruierte Sprachsignal S'(t) dar.
Weitere Nachweise über die hohe Übertragungsqualität konnten durch entsprechende Spektogramme der Sprachsignale S(t) und S'(t) erbracht werden, welche jedoch hier aus zeichentechnischen Gründen nicht dargestellt sind.