DE102016009279A1

DE102016009279A1 - Transmission method and reception method for concealed underwater telephony, and corresponding transmitters, receivers and computer program products

Info

Publication number: DE102016009279A1
Application number: DE102016009279.3A
Authority: DE
Inventors: Ivor Nissen
Original assignee: Bundesamt fuer Ausruestung Informationstechnik und Nutzung der Bundeswehr; Bundesministerium der Verteidigung
Current assignee: Bundesamt fuer Ausruestung Informationstechnik und Nutzung der Bundeswehr; Bundesministerium der Verteidigung
Priority date: 2016-07-29
Filing date: 2016-07-29
Publication date: 2018-02-01
Anticipated expiration: 2036-07-30
Also published as: DE102016009279B4

Abstract

Mit dem neuen Verfahren soll eine robuste und echtzeitfähige Unterwasser-Kommunikation mit einer hohen Verschleierungwirkung erzielt werden. Die Schritte des Sendeverfahrens sind: a) Aufnahme einer Sprachnachricht, b) Unterteilung der Sprachnachricht in überlappungsfreie Sprachsegmente (11, 12), c) Unterziehung der Sprachsegmente (11, 12) einer Fourier-Transformation unter Erhalt von Sprachsegment-Frequenzwerten, d) Verschleierung der Sprachsegment-Frequenzwerte der Sprachsegmente (11, 12) dadurch, dass die Sprachsegment-Frequenzwerte in einer Matrix-Form mit einer Verschleierungsmatrix multipliziert werden unter Erhalt von verschleierten Sprachsegment-Frequenzwerten der Sprachsegmente (11, 12), derart, dass die Verschleierungsmatrix eine Hadamard-Matrix ist, e) Unterziehen der verschleierten Sprachsegment-Frequenzwerte der Sprachsegmente (11, 12) einer inversen Fourier-Transformation unter Erhalt von verschleierten Sprachsegmenten (21, 22), aus denen eine verschleierte Sprachnachricht zusammengesetzt wird, f) Ergänzung der verschleierten Sprachnachricht mit einer Präambel und einer Postambel, um Anfang und Ende der verschleierten Sprachnachricht zu kennzeichnen, unter Erhalt einer ergänzten Sprachnachricht, g) Aufmodulation der ergänzten Sprachnachricht auf eine Trägerfrequenz unter Erhalt einer aufmodulierten Sprachnachricht, h) Abstrahlen der aufmodulierten Sprachnachricht unter Wasser.With the new method, a robust and real-time capable underwater communication with a high concealment effect is to be achieved. The steps of the transmission method are: a) recording a voice message, b) subdividing the voice message into non-overlapping speech segments (11, 12), c) subjecting the speech segments (11, 12) to a Fourier transformation to obtain speech segment frequency values, d) obfuscation the speech segment frequency values of the speech segments (11, 12) by multiplying the speech segment frequency values in a matrix form by a obfuscation matrix to obtain obfuscated speech segment frequency values of the speech segments (11, 12), such that the obfuscation matrix is a Hadamard Matrix is, e) subjecting the obfuscated speech segment frequency values of the speech segments (11, 12) to an inverse Fourier transform to obtain obfuscated speech segments (21, 22) composing a obfuscated speech message, f) supplementing the obfuscated speech message a preamble and a postamble to the beginning and end of the vers g) modulating the supplemented voice message to a carrier frequency to obtain a modulated voice message, h) broadcasting the modulated voice message under water.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sendeverfahren und Empfangsverfahren zur verschleierten Unterwasser-Telefonie. Ferner betrifft die Erfindung einen entsprechenden Sender, einen entsprechenden Empfänger und hierfür ausgebildete Computerprogrammprodukte. Mit dem Begriff „Computerprogrammprodukt” ist eine erzeugte Ware oder eine Handels-Ware gemeint.The invention relates to a transmission method and reception method for concealed underwater telephony. Furthermore, the invention relates to a corresponding transmitter, a corresponding receiver and computer program products designed for this purpose. By the term "computer program product" is meant a manufactured product or a trade commodity.

In der US 5 121 366 A ist ein Sendeverfahren zur unverschleierten Unterwasser-Telefonie erwähnt (Spalte 1, Zeile 34 bis 39). Die Schritte sind:

• Aufnahme einer Sprachnachricht,
• Aufmodulation der Sprachnachricht auf eine Trägerfrequenz unter Erhalt einer aufmodulierten Sprachnachricht,
• Abstrahlen der aufmodulierten Sprachnachricht unter Wasser.

In the US 5 121 366 A is a transmission method for unveiled underwater telephony mentioned (column 1, lines 34 to 39). The steps are:

• recording a voice message,
Modulating the voice message to a carrier frequency to obtain a modulated voice message,
• Broadcasts the modulated voice message under water.

Aus der US 4 232 194 A ist ein Sendeverfahren zur verschleierten Telefonie bekannt. Als Anwendungsgebiet ist beispielhaft das Telefonieren über ein Telefonkabel (Spalte 3, Zeile 26) angegeben, also nicht das Gebiet der Unterwasser-Telefonie. Das bekannte Sendeverfahren zeigt die folgenden Schritte:

• Aufnahme einer Sprachnachricht,
• Unterteilung der Sprachnachricht in zeitlich sich überlappende Sprachsegmente,
• Unterziehung der Sprachsegmente einer Fourier-Transformation unter Erhalt von Sprachsegment-Frequenzwerten,
• Vertauschung der Sprachsegment-Frequenzwerte jedes einzelnen Sprachsegments gemäß einem Codierungsschlüssel (Interleaving),
• Unterziehen der vertauschten Sprachsegment-Frequenzwerte der Sprachsegmente einer inversen Fourier-Transformation unter Erhalt von verschleierten Sprachsegmenten,
• Zusammensetzung einer verschleierten Sprachnachricht aus den einzelnen verschleierten Sprachsegmenten und Senden.

From the US 4,232,194 A is a transmission method for concealed telephony known. The field of application is exemplified telephoning over a telephone cable (column 3, line 26), so not the field of underwater telephony. The known transmission method shows the following steps:

• recording a voice message,
Subdivision of the voice message into temporally overlapping speech segments,
Subjecting the speech segments to a Fourier transformation to obtain speech segment frequency values,
Interchanging the speech segment frequency values of each individual speech segment according to an encryption key (interleaving),
• subjecting the reversed speech segment frequency values of the speech segments to an inverse Fourier transform to obtain obscured speech segments,
• Composition of a veiled voice message from each disguised speech segment and send.

Auf Seiten des Empfängers werden die vorgenannten Schritte wiederholt, wobei zur Wiederherstellung der richtigen Reihenfolge der vertauschen Sprachsegment-Frequenzwerte eines Sprachsegments der inverse Codierungsschlüssel verwendet wird.On the receiver side, the above steps are repeated using the inverse coding key to restore the correct order of the interchanged speech segment frequency values of a speech segment.

Bei der natürlichen Sprache gibt es Zeitbereiche mit viel Energie und Zeitbereiche mit wenig Energie. Eine einfache Umsortierung wie bei der US 4 232 194 A , also ein Vertauschen von Frequenzbändern, führt dazu, dass dennoch die gesprochenen Phoneme auch bei unbekannter Umsortierung erkannt werden. Zudem tritt im Unterwasserbereich durch die hydroakustische Übertragung ein Schwund ein, auch Fading genannt. Frequenzbereiche werden gedämpft respektive sogar ausgelöscht. Das schadet einer Übertragung, die auf Verwürfelung ausgerichtet ist. Weil sich die Sprachsegmente zeitlich überlappen, sind mehr Daten zu verarbeiten, wodurch sich die Rechenzeit erhöht.In the natural language there are time periods with lots of energy and time periods with little energy. A simple resort as with the US 4,232,194 A , ie a swapping of frequency bands, leads to the fact that nevertheless the spoken phonemes are recognized even with unknown resorting. In addition, in the underwater area by the hydroacoustic transmission fading occurs, also called fading. Frequency ranges are attenuated or even extinguished. This harms a transmission that is geared to scrambling. Since the speech segments overlap in time, more data is to be processed, which increases the computing time.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das Verfahren nach der US 4 232 194 A so weiterzubilden, dass eine robuste und echtzeitfähige Unterwasser-Kommunikation mit einer hohen Verschleierungwirkung erzielt wird.The invention is based on the object, the method of the US 4,232,194 A educate so that a robust and real-time capable underwater communication with a high concealment effect is achieved.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Sendeverfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Empfangsverfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3, durch einen Sender gemäß den Merkmalen des Anspruches 5, einen Empfänger gemäß den Merkmalen des Anspruches 7, einem Computerprogrammprodukt gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 oder einem Computerprogrammprodukt gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8.This object is achieved by a transmission method according to the features of claim 1, by a reception method according to the features of claim 3, by a transmitter according to the features of claim 5, a receiver according to the features of claim 7, a computer program product according to the features of the claim 6 or a computer program product according to the features of claim 8.

Die Vorteile der Erfindung beruhen zum einen auf dem Merkmal der Verschleierung der Sprachsegment-Frequenzwerte der Sprachsegmente dadurch, dass die Sprachsegment-Frequenzwerte in einer Matrix-Form mit einer Verschleierungsmatrix multipliziert werden unter Erhalt von verschleierten Sprachsegment-Frequenzwerten der Sprachsegmente, derart, dass die Verschleierungsmatrix eine Hadamard-Matrix ist. Mit Hilfe der Hadamard-Matrix wird die Energie der Sprachnachricht über die Zeit und über die Frequenz verändert, so dass der gesprochene Inhalt der Sprachnachricht nicht mehr erkannt werden kann. Zudem wird die Sprachnachricht über alle Frequenzbänder bildhaft gesprochen verschmiert. Zudem wird ein Schutz der Information dadurch erzielt, dass die Gesamtenergie auf alle Frequenzteilbänder verteilt wird. Weil die Sprachsegmente überlappungsfrei sind, werden weniger Daten verarbeitet, wodurch die Rechenzeit niedriger ist.The advantages of the invention are based, on the one hand, on the feature of obscuring the speech segment frequency values of the speech segments by multiplying the speech segment frequency values in a matrix form by a obfuscation matrix to yield obfuscated speech segment frequency values of the speech segments, such that the obfuscation matrix is a Hadamard matrix. With the help of the Hadamard matrix, the energy of the voice message is changed over time and over the frequency, so that the spoken content of the voice message can no longer be recognized. In addition, the voice message is smeared pictorially over all frequency bands. In addition, protection of the information is achieved by distributing the total energy across all frequency subbands. Because the speech segments are overlap-free, less data is processed, resulting in lower computation time.

Gemäß einer Ausgestaltung des Sendeverfahrens enthält die Präambel und/oder die Postambel einer ergänzten Sprachnachricht eine Information über die verwendete Verschleierungsmatrix. Entsprechend erfolgt beim Empfangsverfahren ein Auslesen der Information über die verwendete Verschleierungsmatrix aus der Präambel. Mit Vorteil weist die abgestrahlte Sprachnachricht für den Empfänger Informationen über die zu verwendende Verschleierungsmatrix auf. According to one embodiment of the transmission method, the preamble and / or the postamble of a supplemented voice message contains information about the obfuscation matrix used. Accordingly, in the reception method, the information about the masking mask used is read from the preamble. Advantageously, the radiated voice message has information about the obfuscation matrix to be used for the receiver.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the invention will be described below. Show it:

1 einen Signalverlauf einer unverschleierten Sprachnachricht, im Rahmen eines simulierten Ausführungsbeispiels; 1 a waveform of an un-voiced voice message, in the context of a simulated embodiment;

2 einen berechneten Signalverlauf einer verschleierten Sprachnachricht, im Rahmen des simulierten Ausführungsbeispiels; 2 a calculated waveform of a veiled voice message, in the context of the simulated embodiment;

3 einen berechneten Signalverlauf einer entschleierten Sprachnachricht, im Rahmen des simulierten Ausführungsbeispiels. 3 a calculated waveform of an unveiled voice message, in the context of the simulated embodiment.

Allgemeines Ausführungsbeispiel:General embodiment:

Ein Sendeverfahren zur verschleierten Unterwasser-Telefonie weist folgende Schritte auf, die jeweils im Anschluss, soweit erforderlich, erläutert werden:

a) Aufnahme einer Sprachnachricht. Die Sprachnachricht wird als digitaler Datenstrom aufgenommen. Eine Sprachübertragung, wie bei der analogen Telefonie, kann im Frequenzbereich von 300 bis 3400 Hz erfolgen. Dafür benötigt man, unter Anwendung des Nyquist-Kriteriums, mindestens die doppelte Abtastrate. Beispielsweise liegt die Abtastrate bei 8000 Abtastwerten pro Sekunde. Es wird eine Sprachnachricht aufgenommen, die eine Dauer von beispielsweise mehreren Sekunden, hier im Beispiel 6 Sekunden, aufweist.
b) Unterteilung der Sprachnachricht in zeitlich aufeinander folgende, überlappungsfreie Sprachsegmente. Aufgrund der beschränkten Speicher und Rechengeschwindigkeit können Fourier-Transformationen nur für kurze Sprachsegmente in Quasi-Realzeit durchgeführt werden. Jedes Sprachsegment besteht deshalb beispielhaft aus 512 Abtastwerten.
c) Unterziehung der Sprachsegmente einer Fourier-Transformation unter Erhalt von Sprachsegment-Frequenzwerten. Die 512 Abtastwerte jedes Sprachsegments werden in einen Vektor geschrieben und mittels FFT (Fast Fourier Transformation mit Dimensionswerten als Zweierpotenz) oder mittels DFT (Diskrete Fourier Transformation) in den Frequenzbereich transformiert. Für die Sprachnachricht der Dauer von 6 Sekunden wird dies 94 mal durchgeführt (6 s·8000 Abtastwerte/s geteilt durch 512 Abtastwerte/Sprachsegment). Die erhaltenen Sprachsegment-Frequenzwerte eines Sprachsegments werden in jeweils einer Spalte einer Matrix G (Zeit-Frequenzwerte-Matrix G) zusammengefasst.
d) Verschleierung der Sprachsegment-Frequenzwerte der Sprachsegmente dadurch, dass die Sprachsegment-Frequenzwerte eines einzelnen Sprachsegments oder mehrerer zusammengefasster Sprachsegmente in einer Matrix-Form mit einer Verschleierungsmatrix multipliziert werden unter Erhalt von verschleierten Sprachsegment-Frequenzwerten der Sprachsegmente, derart, dass die Verschleierungsmatrix eine Hadamard-Matrix ist.

A transmission method for concealed underwater telephony has the following steps, which are explained subsequently, as far as necessary:

a) Recording a voice message. The voice message is recorded as a digital data stream. Voice transmission, as in analogue telephony, can take place in the frequency range from 300 to 3400 Hz. This requires at least twice the sampling rate using the Nyquist criterion. For example, the sampling rate is 8000 samples per second. A voice message is recorded which has a duration of, for example, several seconds, in this example 6 seconds.
b) subdivision of the voice message into temporally successive, overlap-free speech segments. Due to the limited memory and computational speed, Fourier transforms can only be performed for short speech segments in quasi-real time. Each speech segment therefore consists, by way of example, of 512 samples.
c) subjecting the speech segments to a Fourier transform to obtain speech segment frequency values. The 512 samples of each speech segment are written to a vector and transformed into the frequency domain using FFT (Fast Fourier Transform with dimension values as a power of two) or DFT (Discrete Fourier Transform). For the voice message of 6 seconds duration, this is done 94 times (6s x 8000 samples / sec divided by 512 samples / speech segment). The obtained speech segment frequency values of a speech segment are combined in each case in one column of a matrix G (time-frequency value matrix G).
d) obscuring the speech segment frequency values of the speech segments by multiplying the speech segment frequency values of a single speech segment or multiple speech segments in a matrix form by a obfuscation matrix to obtain obfuscated speech segment frequency values of the speech segments, such that the obfuscation matrix is a Hadamard Matrix is.

Definition: Eine Hadamard-Matrix ist hier als normierte Form definiert: Die Matrix

wird als normierte Hadamard-Matrix bezeichnet, wenn gilt: HH^T = I, mit T der Hermite-Transponierung und I der Identität = diag{1, ..., 1}. H^T ist damit die Inverse zu H.Definition: A Hadamard matrix is defined here as a normalized form: the matrix

is called a normalized Hadamard matrix if HH ^T = I, with T of Hermite transposition and I of identity = diag {1, ..., 1}. H ^T is thus the inverse of H.

Hadamard-Matrizen zeichnen sich dadurch aus, dass ihre im Reellen Transponierte, also die an der Diagonalen gespiegelte Matrix, bei entsprechendem Skalierungsfaktor gleich der Inversen ist. Symmetrische Hadamard-Matrizen, wie die vom Sylvester-Typ, sind damit immer auch gleich ihrer Inversen. Die Verschleierungsmatrix wird als Matrix H bezeichnet. Es gibt eine Vielzahl an Hadamard-Matrizen zu einer bestimmten Größe. Nun wird H mit jeder Spalte mit Sprachsegment-Frequenzwerten eines Sprachsegmentes der Zeit-Frequenzwerte-Matrix G multipliziert. Es entsteht wieder ein Vektor gleicher Größe, also ebenfalls ein Vektor der Größe 512. Da der Sylvester-Typ ebenfalls Zweierpotenzen voraussetzt, wie auch die FFT, passen diese beiden zusammen, es ist jedoch nicht notwendig. Alternativ können auch andere Hadamard-Matrizen in Verbindung mit einer DFT verwendet werden, nimmt man eine langsamere Berechnung in Kauf. Vorraussetzung für die Operationen ist, dass die ausgewählte Hadamard-Matrix eine derartige Dimension aufweist, dass die Anzahl der unverschleierten Sprachsegment-Frequenzwerte pro Sprachsegment nach der Multiplikation die gleiche Anzahl von verschleierten Sprachsegment-Frequenzwerten pro Sprachsegment ergibt.

e) Unterziehen der verschleierten Sprachsegment-Frequenzwerte der Sprachsegmente einer inversen Fourier-Transformation unter Erhalt von verschleierten Sprachsegmenten, aus denen eine verschleierte Sprachnachricht zusammengesetzt wird. In einer zuvor erhaltenen Matrix sind die verschleierten Sprachsegment-Frequenzwerte der Sprachsegmente spaltenweise angeordnet. Nun erfolgt spaltenweise eine Transformation in den Zeitbereich. Es werden wieder 512 Zeitwerte pro verschleierten Sprachsegment erhalten.
f) Ergänzung der verschleierten Sprachnachricht mit einer Präambel und einer Postambel, um Anfang und Ende der verschleierten Sprachnachricht zu kennzeichnen, unter Erhalt einer ergänzten Sprachnachricht. Präambel und Postambel sind zwei definierte, kurze Pilotsignale. Die Präambel und/oder Postambel können auch digitale Nachrichten tragen, wie Informationen über die verwendete Verschleierungsmatrix, um dem Empfänger den Schlüssel zur Entschleierung mitzuteilen. In Bezug auf die herkömmliche Telefonie entspricht die Präambel dem Abnehmen eines Hörers, also dem Anfang einer Sprachnachricht, und die Postambel dem Auflegen des Hörers, also dem Ende einer Sprachnachricht. Präambel und Postambel können beispielsweise jeweils 128 Bit Nachrichten beinhalten und damit zeitlich kurz sein.
g) Aufmodulation der ergänzten Sprachnachricht auf eine Trägerfrequenz unter Erhalt einer aufmodulierten Sprachnachricht. Die Trägerfrequenz beträgt im vorliegenden Beispiel 5 kHz.
h) Abstrahlen der aufmodulierten Sprachnachricht unter Wasser.

Hadamard matrices are distinguished by the fact that their transposed real, ie the matrix mirrored at the diagonal, is equal to the inverse given a corresponding scaling factor. Symmetrical Hadamard matrices, such as those of the New Year's Eve type, are always the same as their inverses. The obfuscation matrix is referred to as matrix H. There are a variety of Hadamard matrices to a specific size. Now, H is multiplied by each column of speech segment frequency values of a speech segment of the time-frequency value matrix G. Again a vector of the same size is created, so also a vector of size 512. Since the Sylvester type also requires powers of two, as well as the FFT, these fit two together, but it is not necessary. Alternatively, other Hadamard matrices can be used in conjunction with a DFT, assuming a slower calculation. The prerequisite for the operations is that the selected Hadamard matrix has such a dimension that the number of un-voiced speech segment frequency values per speech segment after multiplication gives the same number of obfuscated speech segment frequency values per speech segment.

e) subjecting the obfuscated speech segment frequency values of the speech segments to an inverse Fourier transform to obtain obfuscated speech segments from which a obfuscated speech message is composed. In a previously obtained matrix, the obfuscated speech segment frequency values of the speech segments are arranged in columns. Now, a transformation into the time domain occurs in columns. Again, 512 time values are obtained per veiled speech segment.
f) supplementing the obfuscated voice message with a preamble and a postamble to identify the beginning and end of the obfuscated voice message, thereby obtaining a supplemented voice message. Preamble and postamble are two defined short pilot signals. The preamble and / or postamble may also carry digital messages, such as information about the obfuscation matrix used, to inform the recipient of the key to de-obfuscation. With regard to conventional telephony, the preamble corresponds to the removal of a listener, ie the beginning of a voice message, and the postamble to the hang-up of the listener, ie the end of a voice message. Preamble and postamble, for example, each contain 128-bit messages and thus be short in time.
g) modulating the supplemented voice message to a carrier frequency to obtain a modulated voice message. The carrier frequency is 5 kHz in the present example.
h) broadcasting the modulated voice message under water.

Ein Empfangsverfahren zu dem vorgenannten Sendeverfahren weist die folgenden Schritte auf:

a) Empfang der abgestrahlten Sprachnachricht.
b) Demodulation der empfangenen Sprachnachricht.
b1) Fakultativ kann ein Auslesen der Information über die verwendete Verschleierungsmatrix aus der Präambel und/oder Postambel erfolgen, wenn die Präambel und/oder Postambel eine entsprechende Information über den Schlüssel zur Entschleierung enthält.
c) Abschneiden der Präambel und Postambel von der demodulierten Sprachnachricht unter Erhalt einer Kern-Sprachnachricht.
d) Unterteilung der Kern-Sprachnachricht in zu entschleiernde Sprachsegmente.
e) Unterziehen der zu entschleiernden Sprachsegmente einer Fourier-Transformation unter Erhalt von zu entschleiernden Sprachsegment-Frequenzwerten der zu entschleiernden Sprachsegmente.
f) Entschleierung der zu entschleiernden Sprachsegment-Frequenzwerte der zu entschleiernden Sprachsegmente dadurch, dass die zu entschleiernden Sprachsegment-Frequenzwerte in einer Matrix-Form mit der Hadamard-Matrix in ihrer inversen Form multipliziert werden unter Erhalt von entschleierten Sprachsegment-Frequenzwerten der zu entschleiernden Sprachsegmente. Eine erneute Multiplikation, diesmal mit der inversen Hadamard-Matrix, liefert wieder die ursprüngliche Nachricht in Form der Frequenzvektoren, die den entschleierten Sprachsegment-Frequenzwerten entsprechen.
g) Unterziehen der entschleierten Sprachsegment-Frequenzwerte der zu entschleiernden Sprachsegmente einer inversen Fourier-Transformation unter Erhalt von entschleierten Sprachsegmenten, aus denen eine entschleierte Sprachnachricht zusammengesetzt wird.

A reception method for the above transmission method has the following steps:

a) Reception of the broadcast voice message.
b) demodulation of the received voice message.
b1) Optionally, reading the information about the masking mask used from the preamble and / or postamble can be done if the preamble and / or postamble contains corresponding information about the key for unclearing.
c) truncating the preamble and postamble from the demodulated voice message to obtain a core voice message.
d) subdivision of the core voice message into speech segments to be uncleared.
e) subjecting the speech segments to be debarked to a Fourier transformation while preserving the speech segment frequency values of the speech segments to be masked.
f) Unraveling the speech segment frequency values of the speech segments to be masked by multiplying the speech segment frequency values to be masked in a matrix form with the Hadamard matrix in their inverse form to obtain un-voiced speech segment frequency values of the speech segments to be deshared. A new multiplication, this time with the inverse Hadamard matrix, returns the original message in the form of the frequency vectors corresponding to the un-voiced speech segment frequency values.
g) subjecting the de-obfuscated speech segment frequency values of the speech segments to be despread to an inverse Fourier transform to obtain un-voiced speech segments from which an un-voiced speech message is composed.

Ein Sender, der zur Durchführung des Sendeverfahrens zur verschleierten Unterwasser-Telefonie ausgebildet ist, weist auf: Ein Sprachmikrofon, eine Sende-Rechnereinheit, einen Verstärker und einen Unterwasser-Schallwandler.A transmitter adapted to perform the underwater telephony telephonic transmission method comprises: a voice microphone, a transceiver unit, an amplifier, and an underwater transducer.

Ein Computerprogrammprodukt weist ein Sende-Computerprogramm für die Sende-Rechnereinheit auf. Das Sende-Computerprogramm führt die Schritte b) bis f) des Sendeverfahrens durch.A computer program product has a transmitting computer program for the transmitting computer unit. The transmission computer program carries out the steps b) to f) of the transmission method.

Ein Empfänger, der zur Durchführung des Sendeverfahrens zur verschleierten Unterwasser-Telefonie ausgebildet ist, weist auf: Mindestens ein Hydrophon, eine Empfangs-Rechnereinheit und eine Ausgabeeinrichtung, die ein Verstärker mit einem Lautsprecher oder eine Spracherkennung mit einer Anzeige sein kann.A receiver adapted to carry out the underwater telephony telephonic transmission method comprises at least one hydrophone, a receiving computer unit and an output device, which may be an amplifier with a loudspeaker or a voice recognition with a display.

Ein Computerprogrammprodukt weist ein Empfangs-Computerprogramm für die Empfangs-Rechnereinheit auf. Das Empfangs-Computerprogramm führt die Schritte c) bis g) des Empfangsverfahrens durch.A computer program product comprises a receiving computer program for the receiving computer unit. The receiving computer program performs steps c) to g) of the receiving process.

Simuliertes, vereinfachtes Ausführungsbeispiel hinsichtlich der Fig. 1 bis Fig. 3: Simulated, simplified embodiment with respect to FIGS. 1 to 3:

Mit Hilfe eines Computerprogramms wurden die wesentlichen Schritte des Sendeverfahrens und des Empfangsverfahrens simuliert. Um das Simulationsbeispiel einfach zu halten, wurde eine kleine Hadamard-Matrix verwendet. Diese hat die Dimension sechzehn. Hierfür existieren fünf verschiedene Hadamard-Matrizen, von denen vier beispielhaft in dem angefügten Computerprogramm enthalten sind. Zu den Schritten:

a) Aufnahme einer Sprachnachricht. Die aufgenommene Sprachnachricht ist durch eine überlagerte Sinusschwingung simuliert. Die überlagerte Sinusschwingung hat die Funktion sin(2πt) / 2 + sin(3πt) / 2, t ∊ [0, 1], wie sie auch im nachher aufgelisteten Computerprogramm aufgeführt ist. Die 1 illustriert den Signalverlauf dieser unverschleierten Sprachnachricht. Die Sprachnachricht weist zweiunddreißig Abtastwerte auf:
b) Unterteilung der Sprachnachricht in überlappungsfreie Sprachsegmente. Die Sprachnachricht wird, wie in 1 illustriert, in zwei zeitlich aufeinander folgende Sprachsegmente 11 und 12 zu jeweils sechzehn Abtastwerten geteilt.
c) Unterziehung der Sprachsegmente 11 und 12 einer Fourier-Transformation unter Erhalt von Sprachsegment-Frequenzwerten. Zu jedem der beiden Sprachsegmente 11 und 12 erhält man sechzehn komplexe Frequenzwerte:

Erstes Sprachsegment:

Zweites Sprachsegment:

d) Verschleierung der Sprachsegment-Frequenzwerte der Sprachsegmente 11 und 12 dadurch, dass die Sprachsegment-Frequenzwerte eines einzelnen Sprachsegments in einer Matrix-Form mit einer Verschleierungsmatrix multipliziert werden unter Erhalt von verschleierten Sprachsegment-Frequenzwerten der Sprachsegmente 11 und 12, derart, dass die Verschleierungsmatrix eine Hadamard-Matrix ist.

The essential steps of the transmission method and the reception method were simulated with the aid of a computer program. To keep the simulation example simple, a small Hadamard matrix was used. This has the dimension sixteen. There are five different Hadamard matrices for this purpose, four of which are included as an example in the attached computer program. To the steps:

a) Recording a voice message. The recorded voice message is simulated by a superimposed sinusoidal oscillation. The superimposed sinusoidal oscillation has the function sin (2πt) / 2 + sin (3πt) / 2, tε [0, 1], as listed in the computer program listed below. The 1 illustrates the waveform of this unveiled voice message. The voice message has thirty-two samples:
b) subdivision of the voice message into non-overlapping speech segments. The voice message will, as in 1 illustrated in two temporally successive speech segments 11 and 12 divided into sixteen samples each.
c) subjecting the speech segments 11 and 12 a Fourier transform to obtain speech segment frequency values. To each of the two speech segments 11 and 12 you get sixteen complex frequency values:

First speech segment:

Second speech segment:

d) concealment of the speech segment frequency values of the speech segments 11 and 12 in that the speech segment frequency values of a single speech segment in a matrix form are multiplied by a fogging matrix to yield disguised speech segment frequency values of the speech segments 11 and 12 such that the obfuscation matrix is a Hadamard matrix.

Die sechzehn Frequenzwerte des ersten Sprachsegments 11 werden mit folgender Hadamard-Matrix multipliziert:

The sixteen frequency values of the first speech segment 11 are multiplied by the following Hadamard matrix:

Hierbei werden folgende verschleierten Sprachsegment-Frequenzwerte des ersten Sprachsegments 11 erhalten:

Here, the following obfuscated speech segment frequency values of the first speech segment become 11 receive:

Danach werden die sechzehn Frequenzwerte des zweiten Sprachsegments 12 ebenfalls mit der vorgenannten Hadamard-Matrix multipliziert. Hierbei werden folgende verschleierten Sprachsegment-Frequenzwerte des zweiten Sprachsegments 12 erhalten:

e) Unterziehen der verschleierten Sprachsegment-Frequenzwerte der Sprachsegmente 11 und 12 einer inversen Fourier-Transformation unter Erhalt von in 2 dargestellten verschleierten Sprachsegmenten 21 und 22, aus denen eine verschleierte Sprachnachricht zusammengesetzt wird.

After that, the sixteen frequency values of the second speech segment 12 also multiplied by the aforementioned Hadamard matrix. Here, the following obfuscated speech segment frequency values of the second speech segment become 12 receive:

e) subjecting the obfuscated speech segment frequency values of the speech segments 11 and 12 an inverse Fourier transform to obtain in 2 shown disguised speech segments 21 and 22 from which a veiled voice message is composed.

Die 2 illustriert, dass die verschleierte Sprachnachricht über alle Frequenzbänder bildhaft gesprochen verschmiert ist. Zudem ist ersichtlich, dass die Gesamtenergie auf alle Frequenzteilbänder verteilt ist. Hierdurch können frequenzselektive Schwund-Effekte kompensiert werden.The 2 illustrates that the veiled voice message is smeared pictorially across all frequency bands. In addition, it can be seen that the total energy is distributed over all frequency subbands. As a result, frequency-selective fading effects can be compensated.

Im Hinblick auf das Empfangsverfahren zu dem Sendeverfahren wurden folgende Schritte simuliert:

d) Unterteilung der verschleierten Sprachnachricht in zu entschleiernde Sprachsegmente. Die zu entschleiernden Sprachsegmente entsprechen den verschleierten Sprachsegmenten 21 und 22, wie sie in 2 dargestellt sind.
e) Unterziehen der zu entschleiernden Sprachsegmente einer Fourier-Transformation unter Erhalt von zu entschleiernden Sprachsegment-Frequenzwerten der zu entschleiernden Sprachsegmente.

Erstes Sprachsegment:

Zweites Sprachsegment:

f) Entschleierung der zu entschleiernden Sprachsegment-Frequenzwerte der zu entschleiernden Sprachsegmente dadurch, dass die zu entschleiernden Sprachsegment-Frequenzwerte in einer Matrix-Form mit der Hadamard-Matrix in ihrer inversen Form multipliziert werden unter Erhalt von entschleierten Sprachsegment-Frequenzwerten der zu entschleiernden Sprachsegmente.

With regard to the method of receiving the transmission method, the following steps were simulated:

d) subdivision of the veiled voice message into voice segments to be uncleared. The speech segments to be masked correspond to the obfuscated speech segments 21 and 22 as they are in 2 are shown.
e) subjecting the speech segments to be debarked to a Fourier transformation while preserving the speech segment frequency values of the speech segments to be masked.

First speech segment:

Second speech segment:

f) Unraveling the speech segment frequency values of the speech segments to be masked by multiplying the speech segment frequency values to be masked in a matrix form with the Hadamard matrix in their inverse form to obtain un-voiced speech segment frequency values of the speech segments to be deshared.

Die entschleierten Sprachsegment-Frequenzwerte sind hinsichtlich des ersten Sprachsegments:

The unveiled speech segment frequency values with respect to the first speech segment are:

Die entschleierten Sprachsegment-Frequenzwerte sind hinsichtlich des zweiten Sprachsegments:

g) Unterziehen der entschleierten Sprachsegment-Frequenzwerte der zu entschleiernden Sprachsegmente einer inversen Fourier-Transformation unter Erhalt von entschleierten Sprachsegmenten 31 und 32, wie in 3 dargestellt, aus denen eine entschleierte Sprachnachricht zusammengesetzt wird.

The un-voiced speech segment frequency values with respect to the second speech segment are:

g) subjecting the de-obfuscated speech segment frequency values of the speech segments to be despread to an inverse Fourier transform to obtain un-voiced speech segments 31 and 32 , as in 3 represented, from which an unveiled voice message is composed.

Die zusammengesetzte, entschleierte Sprachnachricht ist im Wesentlichen deckungsgleich zu der in 1 dargestellten, unverschleierten Sprachnachricht, weil, bis auf Rundungsungenauigkeiten, die ursprünglichen Abtastwerte rückberechnet werden.The composite, un-voiced speech message is substantially congruent with that in FIG 1 displayed, unveiled voice message, because, except for rounding inaccuracies, the original samples are back-calculated.

Nachfolgend ist das verwendete Simulationsprogramm des vereinfachten Ausführungsbeispiels als Maple^®-Computerprogramm aufgeführt:

The following is the simulation program of the simplified embodiment used as a Maple ^® computer program:

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1111: erstes Sprachsegment der unverschleierten Sprachnachrichtfirst speech segment of the unveiled speech message
1212: zweites Sprachsegment der unverschleierten Sprachnachrichtsecond speech segment of the unveiled speech message
2121: erstes Sprachsegment der verschleierten Sprachnachrichtfirst speech segment of the veiled voice message
2222: zweites Sprachsegment der verschleierten Sprachnachrichtsecond speech segment of the veiled voice message
3131: erstes Sprachsegment der entschleierten Sprachnachrichtfirst speech segment of the unveiled speech message
3232: zweites Sprachsegment der entschleierten Sprachnachrichtsecond speech segment of the de-interlaced voice message

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 5121366A [0002]
US 4,232,194 A [0003, 0005, 0006]

Claims

Transmission method for concealed underwater telephony, comprising the steps of: a) recording a voice message, b) subdividing the voice message into overlapping-free speech segments ( 11 . 12 ), c) subjecting the speech segments ( 11 . 12 ) a Fourier transformation to obtain speech segment frequency values, d) obfuscation of the speech segment frequency values of the speech segments ( 11 . 12 ) in that the speech segment frequency values in a matrix form are multiplied by a masking matrix to obtain masked speech segment frequency values of the speech segments ( 11 . 12 ) such that the obfuscation matrix is a Hadamard matrix, e) subjecting the obfuscated speech segment frequency values of the speech segments ( 11 . 12 ) of an inverse Fourier transform to obtain veiled speech segments ( 21 . 22 f) complementing the obfuscated voice message with a preamble and a postamble to indicate the beginning and end of the obfuscated voice message to obtain a supplemented voice message; g) modulating the supplemented voice message to a carrier frequency to obtain a modulated voice message, h) broadcasting the modulated voice message under water.

A transmission method according to claim 1, wherein the preamble and / or postamble of the supplemented voice message includes information about the obfuscation matrix used.

A method of receiving a transmission method according to claim 1 or 2, comprising the steps of: a) receiving the broadcast voice message, b) demodulating the received voice message, c) truncating the preamble and postamble from the demodulated voice message to obtain a core voice message, d) subdividing the Core speech message in speech segments to be uncleared, e) subjecting the speech segments to be masked to a Fourier transformation while preserving the speech segment frequency values of the speech segments to be masked out, f) unveiling the speech segment frequency values of the speech segments to be masked by the fact that they are to be despatched despreading speech segment frequency values in a matrix form are multiplied by the Hadamard matrix in their inverse form to obtain un-voiced speech segment frequency values of the speech segments to be deshared, g) subjecting the de-voiced speech segment frequency values to the des chimeric speech segments of an inverse Fourier transform to obtain unperseed speech segments ( 31 . 32 ), from which an unfiltered voice message is composed.

Receiving method according to claim 3 to a transmission method according to claim 2, in which the following intermediate step takes place after step b) and before step c) of claim 3: b1) reading the information about the masking mask used from the preamble and / or postamble.

Transmitter for concealed underwater telephony, comprising a voice microphone, a transmitting computer unit, an amplifier and an underwater sound transducer, such that the transmitter is designed to carry out the transmission method according to claim 1 or 2.

A computer program product comprising a transmitting computer program for the transmitting computer unit according to claim 5, wherein the transmitting computer program is arranged to perform the steps b) to f) of the transmitting method according to claim 1 when the computer program is executed on the transmitting computer unit ,

Receiver for concealed underwater telephony, comprising at least one hydrophone, a receiving computer unit and an output device, such that the transmitter is designed to carry out the transmission method according to claim 3 or 4.

A computer program product comprising a receiving computer program for the receiving computer unit according to claim 7, wherein the receiving computer program is arranged such that the steps c) to g) of Receiving method can be performed according to claim 3, when the receiving computer program is executed on the receiving computer unit.