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Technisches Gebiet:
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Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit der Verschlüsselung
digitalisierter Information. Besonders beim Übertragen auf Funkbasis, wie
Richtfunk Mobilfunk, ist zur Vermeidung eines Abhörens eine
Verschlüsselung
erforderlich.
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Eine
Verschlüsselung
ist durch eine digitale Codierung bereits gegeben. Solche bekannte
Codierungen können
aber leicht dechiffriert werden. Das gilt auch für das asynchrone Übertragungsverfahren
ATM.
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Zusammenfassung der Erfindung:
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Aufgabe
der Erfindung ist es ein sicheres und einfaches Verschlüsselungssystem
zu schaffen. Dies wird dadurch erreicht, indem für die Übertragung virtuelle Codewörter mit
einer vorbestimmten Zahl von binären
Codeelementen gebildet werden, die mit einem vorbestimmten Code übertragen
werden. Die Codeelemente der Codeöwrter der Übertragungsart, wie Sprache,
Daten, Bilder, werden dabei seriell auf einen, zwei oder mehrere
Plätze
der virtuellen Codewörter
verteilt. Die Übertragung
kann dabei in Echtzeit erfolgen oder es kann zwischen die virtuellen
Codewörter
reelle Codewörter
eingefügt
werden. Vorteilhaft kann für
die Übertragung
der virtuellen Codewörter
ein Wechselstrom einer Frequenz und Phasenlage vorgesehen werden,
bei der die Stufen durch die Zahl oder Dauer von Perioden gebildet
werden.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen:
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1, 2, 3:
Prinzip der Phasen- und Dauerimpulscodierung.
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4, 5, 7:
Prinzip der Hüllkurven
und weicher Amplitudenübergang.
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9: 16 PSK Diagramm.
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8, 11: Richtfunksystem herkömlich und
gemäss
der Erfindung.
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6: Prinzip der Umschaltung
auf verschiedene Codierungen.
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10, 12: Anwendung der Erfindung bei EB und
Prinzip der ATM.
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13: Virtuelle Codewörter und
reelle Codewörter
für die Übertragung
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14: Prinzip eines Fernsehempfängers bei
Einträgersignalübertragung.
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15: Ein Schaltungsprinzip
gemäss
der Erfindung.
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16: Virtuelle Codewörter und
reelle Codewörter
für Echtzeitübertragung.
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17, 18: Stufenmehrung durch positiven/negativen
Beginn der Codeelemente.
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19: ATM Übertragung bei Verwendung virtueller
Codewörter.
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20: Synchrone Wechselstromübertragung.
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21: Prinzip der PAM
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22: Serielle Anordnung von
digitalen und analogen Codewörtern.
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23: Anwendung der Erfindung
bei Mehrkanalbetrieb.
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Zuerst
werden Codierungsverfahren, PSK und QAM sind ja bekannt, näher erläutert. Man
kann um so mehr an Information übertragen,
je mehr Stufen der Code aufweist, wie auch die nachstehende Aufstellung zeigt.
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Verwendet
man für
die Codierung 2 um 90 Grad phasenverschobene Wechselströme gleicher
Frequenz, die für
die Übertragung
addiert werden (QAM), so erhält
man 4 × 4
= 16 Stufen.
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Bei
Trägerfrequenzübertragung
kann man wegen der 1/6 Leistung vorteilhaft das EB-Verfahren verwenden.
Da nach der Trägerformel
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Da
die Modulationsamplitude nicht mit in die Frequenz eingeht, erhält man eine
schmalbandige Übertragung.
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Das Phasenprinzip:
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Bei
diesem Prinzip werden die Phasenlagen von Impulsen z.B. zu einem
Bezugsimpuls oder die positive oder negative Differenz zum vorherigen
Impuls als Stufen vorgesehen. In der
1 ist
die Bezugsphase der Impuls B1, B2, B3, ... Wie die
1a zeigt sind die Impulse Bn1, Bn2, Bn3,...
um den Betrag n phasenverschoben. In der
1b sind die Impulse BN1, BN2, BN3 phasengleich.
Dieser Phasencode würde
also 2 Stufen Bn und BN aufweisen. Diese Impulse werden durch ganzzahlige
Halbperioden oder Perioden gleicher Frequenz dargestellt. In der
2 ist eine solche Codierung
aufgezeichnet. Dem Bezugsimpuls werden 4 Perioden zugeordnet. Der
1. Impuls BNp hat also 4 Perioden. Soll der folgende Impuls nacheilend
sein, so muss dieser 5 Perioden aufweisen. Der 2. Impuls Bnnist
also um den Betrag n nacheilend. Soll der 3. Impuls nacheilend bleiben,
so muss er 4 Perioden erhalten. Der 4. Impuls soll wieder phasengleich
mit dem Bezugsimpuls sein, dis wird dadurch erreicht, dass dieser
eine Periode weniger, also 3 Perioden erhält. Man sieht auch, dass jeder
folgende Impuls eine Amplitudenänderung
aufweist. Eine Verdoppelung der Stufenzahl kann man dadurch erreichen,
indem man die Impulse einmal mit einer positiven und einmal mit
einer negativen Halbwelle beginnen lässt, in der Zeichnung schraffiert
eingezeichnet. Man erhält
also dann an Stelle 2, 4 Stufen (Euro-Patent
EP 0 953 246 B1 ).
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Das Impulsdauenrprinzip:
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Bei
diesem Prinzip werden verschiedene Impulsdauern bezw. Impulsdauerdifferenzen
als Stufen verwendet. In der 3 sind
3 Impulsdauern, D1, D2 und D3 dargestellt, das sind 3 Stufen. Es
stellt auch ein 3-stelliges Codewort dar. Die Stelle 1 kann
die Stufen D1, D2, D3 die Stelle 2 die Stufen D2, D1, D3
und die Stelle 3 D3, D1, D2 einnehmen. Man erhält mit 3
Stufen und 3 Stellen 3 hoch 3 Kombinationen, also 3 × 3 × 3 = 27
Kombinationen. Verwendet man zusätzlich
den positiven und negativen Beginn der Stufen bezw. Codeelemente,
so erhält
man 6 Stufen. Bei 3 Stellen erhält
man dann 216 Kombinationen. Die QAM kann man ebenfalls verwenden.
Der Codierwechselstrom kann auch als Sendewechselstrom vorgesehen
werden. Wie wird das Merkmal "Flexibilität der Bandbreiten" die besonders beim
ATM-Verfahren hervorgehoben wird, bei den vorliegenden Verfahren
erreicht? Dies kann auf sehr, sehr einfache Weise geschehen. Durch
die Amplitudenänderungen
entsteht auch eine Hüllkurve.
In der 4 ist eine solche
mit 2 und 3 Perioden als Stufen dargestellt. fH ist hier die Hüllkurve.
In der 5 hingegen sind
die Stufen 11, 12 und 11, 12, 13 Perioden. Bei beiden Stufen sind
10 Perioden als Füllelemente
vorgesehen. Man sieht hier, dass die Frequenz der Hü11kurve
viel kleiner ist, das heisst die Bandbreite ist auch kleiner. Man
kann also mit Hilfe der Füllelemente die
Bandbreite bestimmen. Es ist dabei keine Änderung der Codierfrequenz
erforderlich.
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Auch
was die Bitraten anbelangt, so kann man diese sehr flexibel steuern.
Aus den 1 bis 3 ist ersichtlich, dass man
jede Menge Stufen vorsehen kann, ohne dass die Codierfrequenz geändert werden
muss. Je nach Übertragungsart,
Sprache, Daten, Bilder, kann man die Codewörter genau auf die erforderliche
Bitzahl abstimmen, das gilt natürlich
auch für
ATM. In der 6 ist das
Prinzip dargestellt. Im Oszillator OSC wird die Codierfrequenz erzeugt
und dem Modulator MO zugeführt.
Je nachdem ob Musik, Sprache oder Bild bezw. Fernsehen übertragen
werden soll, durch die Zuführung
M, S, B am Codierer markiert werden die passenden Stufen und Codewörter – es ist
ja nur jeweils eine Periodenzählung
und Amplitudenumschaltung notwendig – an den Modulator gegeben.
Damit wird eine Redundanz vermieden. Die Bitzahl der Codewörter wird
also genau an die jeweilige Übertragungsart
angepasst. Im Decodierer DCod werden dann die Codewörter entschlüsselt und
in die jeweiligen analogen Werte von M oder S oder B umgesetzt.
In der 7 ist eine weiche
Amplitudenumschaltung vorgesehen. Zwischen die Amplituden A und
AI ist noch eine Periode mit der Übergangsamplitude AÜ.
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Um
zu dokumentieren, wie gross bei diesem Verfahren die Informationsdichte
ist, wird ein Vergleich mit einem Richtfunksystem, dessen Prinzipschaltung
in der 8 dargestellt
ist, angestellt. Dieses ist für 34,368
Mbit/s ausgelegt. Die Bandbreite beträgt 1700–2100 MHz bei einer 4 PSK Codierung.
Man sieht, die Hardware ist sehr aufwendig. Bei einem Code nach
den 1–3 oder 4 würde
die vorgegebene Bandbreite nicht ausreichen. Es müssen also
Füllelemente
vorgesehen werden. Bei 4 Stufen mit 10, 11, 12 und 13 Perioden benötigt man
im Durchschnitt für
ein Codeelement 11,5 Perioden. Für
ein 4-stelliges Codewort werden dann 4 × 11,5 = 46 Perioden benötigt. 1900
MHz sei die Codierfrequenz, dann erhält man 1900 : 46 = 41,3 M Codewörter/s.
Mit einem Codewort erhält
man 4 hoch 4 = 256 Kombinationen, das sind 8 bit. Bei 41,3 M Codewörter sind
dies 41,3 × 8
= 330 Mbit/s. Man erhält
also 9,6 mal mehr bit als beim herkömlichen Richtfunksystem. Bei
einer Verdopplung der Stufen, wie in der 2 angeführt, erhält man dann 8 Stufen. Bei 4
Steleln erhält
man 8 hoch 4 = 4096 Kombinationen = 12 bit. Bei 41,3 Codewörter sind
dies 495,6 Mbit/s Das sind 14,4 mal soviel als beim Richtfunksystem
herkömlicher
Codierung. Verwendet man für
die Codierung 2 Wechselströme
von 1900 MHz, die gegeneinander um 90° phasenverschoben sind und die
bei der Übertragung
addiert werden (OAM) so erhält
man 8 × 8
= 64 Stufen. Bei einem Codewort mit 2 Stellen erhält man 12
bit. Je Codewort sind dann im Durchschnitt 23 Perioden notwendig,
sodass man bei 1900 MHz 82,6 M Codewörter erhält. das sind dann 991 Mbit/s,
also 28,8 mal mehr als beim Richtfunksystem. Hauptsächlich werden
beim Codieren und Decodieren Zählglieder
benötigt.
Zum Vergleich wie einfach dieser Code ist wird in der 9 ein Diagramm einer 16
stufigen Phasencodierung gezeigt. In der 1 ist das Prinzip eines Richtfunksystems
gemäss
der Erfindung dargestellt. Das mit dem HDB3-Code ankommende Signal
wird im Codewandler in den erfindungsgemässen Code umgesetzt und unmittelbar
zum Sendeverstärker
Vr und weiter zur Antenne geschaltet.
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In
der 10 ist eine Trägerübertragung
auf Einseitenbandbasis EB dargestellt. Die Information Jf wird im
Codierer Cod mit dem Codierwechselstrom fM codiert und im Ringmodulator
RM mit dem Wechselstrom fTr geträgert.
Am Ausgang des Ringsmodulators ist der Träger +/– Modulationsfrequenz. Im Beispiels wird
mit dem Hochpass HP das untere Seitenband ausgefiltert, sodass nur
das obere Seitenband, das ja auch die gesamte Information enthält übertragen
wird. Wie aus der Trägerformel
hervorgeht, geht die Modulationsamplitude nicht mit in die Frequenz
ein.
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In
der 16 f, f1, .. ist
eine Codierung der Farbfernsehsignale dargestellt. Den Luminanzabgriffen
L werden 8 bit zugeordnet. 4 Luminanzabgriffen wird jeweils 1 Farbabgriff
I/Q bezw. rot/blau mit jeweils 6 bit zugeteilt An einem Luminanzabgriff
von 8 bit werden jeweils 3 bit für
die Farbcodierung angehängt.
1 bit S/T sind für
die Sprach- und Steuersignale vorgesehen. Je Abgriff müssen also
12 bit codiert werden. Für
die Übertragung
genügt
ein Träger.
Deshalb kann der Fernsehempfänger
entsprechend der 14 wie
ein Superhet-Radio-Empfänger
bis zum Decoder ausgebildet werden. Im Decoder werden dann die Signale
entsprechend ihren Aufgaben getrennt. Über die Matrix M weiden dann
die Farbdifferenzsignale erzeugt.
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In
der 13 ist ein Beispiel
für die
erfindungsgemässe
Verschlüsselung
dargestellt. Aus den Codewörtern
I, II, III, IV, I, II, .. mit den Codeelementen 1p–12p werden
virtuelle Codewörter.
Seriell zu den Codeelementen werden die Kanäle 1–12 gebildet. Jeder Kanal
kann also seriell Codewörter übertragen. Über den Kanal 1 können z.B.
digitale Sprachkanöle übertragen
werden mit 8 bit oder auch gemischte Codewörter beliebiger Bitzahl. Die Übertragung
der Kanäle
erfolgt aber mit den virtuellen Codewörtern I, II, .. mit konstanten bits.
Die Übertragung
kann mit jedem beliebigen Code, wie z.B. PSK, QAM oder mit den beschriebenen
Codes erfolgen. Eine weitere Möglichkeit
einer Verschlüsselung
besteht darin Kanäle
oder Codewörter
oder Codeelemente zwischen den Kanälen zu tauschen, z.B. die Information
des Kanales 1 wird auf den Kanal 3 und der vom
Kanal 4 auf den Kanal 1 gegeben. Eine weiteretere
Verschlüsselung
wird durch den Ordner, wie in der 15 dargestellt,
gebracht. Zur Ausnutzung bei z.B. Sprachpausen werden z.B. Daten
in die Lüken
eingeschoben. Die Kanäle
K1, K2, .. Kn/Ordner sind für
die Echtzeitübertragung
vorgesehen, während
die Daten von den Kanälen
K1, K2, .. Kn/Paketierer für
Paketübertragung
vorgesehen sind.
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Der
Unterschied zwischen der Anordnung der 13 gegenüber der 16 ist der, dass in der 16 parallel zu den virtuellen Codewörtern auch
reelle Codewörter
vorgeshen sind. In Echtzeitübertragung kasnn
man damit z.B. im Rythmus der Fernsehabgriffe ein reelles Codewort
zwischen die virtuellen Codeworte einfügen. f, f1, .. sind die reellen
Codeworte der Farbfernsehabgriffe. Bei den reellen Codeworten der
Kanäle 1–12 werden
dann die Codeelemente f, f1, .. nicht verwertet.
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In
den 17 und 18 erfolgt eine Stufenmehrung,
indem bei Verfahren, bei denen die Codeelemente aus der Zahl, Dauer
oder Phasenlage von Elementen gebildet wird und die zugleich in
einer periodischen Folge gesendet werden die Kombination aus den
positiven oder negativen Beginm und Ende eines Codeelementes als
weitere Stufe vorgesehen wird. Das Prinzip dieser Codierung geht
aus der Beschreibung der 2 bis 5 hervor. Aus der 17a geht hervor, dass der
Beginn und das Ende des Codeelements positiv in der 17b negativ ist und in der 17c positiv/negativ und
in der 17d negativ/positiv
ist. Mit dem Codeelement der 17 kann
man also 4 Stufen bilden. In der 18a,
b ist je ein 2-stelliges Codewort dargestellt, einmal mit 2 und
einmal mit 3 Perioden. Mit dieser Methode kann man auch mit dem
Codeelement mit 3 Perioden ebenfalls 4 Stufen herstellen. Bei Verwendung
einer Codierung mit 10, 11, 12 und 13 Perioden als Stufen, wie bei der
Beschreibung der 11 angeführt, erhält man an
Stelle von 4 16 Stufen, d.h. 16 hoch 4 Kombinationen, das sind 65536
Kombinationen = 16 bit. Bei 41,3 M Codewörter erhält man dann 41,3 × 16 = 660.8
Mbit, also eine wesentliche Vergrösserung der Übertragungsdichte.
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In
der 12 ist das Prinzip
der ATM-Technik dargestellt. Bei dieser werden Daten unterschiedlicher Übertragungsarten,
wie High speed, Daten, Sprache, in Zellen gleicher Länge verpackt,
jeweils mit einem Zellkopf versehen und über eine Multiplexeinrichtung
seriell geordnet und asynchron übertragen.
Im Zellkopf (Header) sind die für
die jeweilige Zelle erforderlichen Adressinformationen codiert.
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Bei
den Anordnungen der
17,
18 kann man auch noch zusätzlich Amplitudenstufen
vorsehen, wie solche in den Patenten
DE
43 26 997 und
US 5,587,797 offenbart
sind.
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In
der 19 ist das Prinzip
der ATM-Technik für
die Anwendung bei der vorliegenden Erfindung dargestellt. High speed
data H, Daten D und Sprache S können
in einer ununterbrochenen Folge gesendet werden. Im Paketierer P
werden die Daten D in Zellen Z umgeformt und mit einem Zellkopf
ZK versehen. Über
den Speicher Sp werden dann die Daten dem Codierer Cod zugeführt. Die
dabei entstehenden reellen Codewörter werden
dann bei den virtuellen Codewörter
vorbestimmt placiert. Durch vorbestimmtes Vertauschen der Placierung
erhält
man eine weitere Verschlüsselung.
Die Übertragung
der virtuellen Codewörter
kann mit einem beliebigen Code erfolgen. Ein Code auf der Basis
von QAM und PSK ist doch störanfällig, günstig ist
dagegen eine Codierung mit einem Wechselstrom einer Frequenz und
Phasenlage wie bereits beschrieben. In der 20 ist diesbezüglich ein besonders vorteilhafter
Code dargestellt. Die Codierung erfolgt dabei wieder mit einem Wechselstrom
einer Frequenz und Phasenlage. In einem Codewort kann man dabei
nur 2 Längenstufen vorsehen.
Das Codewort muss immer dieselbe Länge aufweisen. Eine Stufenmehrung
ist auf Amplitudenbasis und/oder durch einen positiven oder nega tiven
Beginn oder Ende eines Codewortes entsprechend den 2, 17 und 18. Durch eine solche Codierung
ist es möglich
Abtast- und Codierfrequenz zu synchronisieren. Da immer das folgende
Codeelement durch eine Amplitudenänderung gekennzeichnet wird,
ist es möglich
die Hüllkurvenfrequenz
zu verkleinern indem man z.B. das letzte Codeelement eines Codewortes
mit dem 1. Codeelements des folgenden Codewortes mit der gleichen
Amplitude mar kiert. In der 20 werden
die Codewörter
CW1 und CW2 mit den Codeelementen 2 und 3 Perioden gekennzeichnet.
Man kann also das Codeelement 3 Perioden von CW1 mit dem Codeelement
2 Perioden von CW2 mit derselben Amplitudenmarkierung versehen.
Die Hüllkurvenfrequenz
wird also kleiner. Da die Codewörter
dieselbe Länge
bezw. Periodenzahl aufweisen, kann die Auswertung durch Abzählung erfolgen.
Eine solche Codierung bringt eine weitere Verschlüsselung
mit sich. Auch ist eine grosse Übertragungssicherheit
gegeben. Eine einfache Kanalerzeugung kann in der Weise erfolgen,
wenn die Bandbreite vorhanden ist, wenn man einen entsprechenden
Code vorsieht, z.B. bei gewünschten
16 Kanälen
16 QAM.
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Die 21a zeigt eine pipolare
PAM. Die Werte P1, 2, 3, ... werden auf die Perioden eines Wechselstromes
gleicher Frequenz und Phase übertragen.
Die Frequenz entspricht der Abgriffsfrequenz der 21a. werden die PAM-Werte auf die Halbperioden übertragen
so hat der Wechselstrom die halbe Frequenz der Abgriffsfrequenz
wie in der 21c dargestellt.
In der 22 wie ist dargestellt,
wie man seriell sowohl analoge als auch digitale Information über einen
Kanal übertragen
kann. Das digitale Codewort besteht aus 3 Perioden. Um eine Synchronisation
zu erreichen muss nun auch das analoge Codewort mit 3 Perioden ausgebildet
werden. Dazu sind dann die Abgriffe P1, P2, P3, also aP1, aP2, aP3
von 21b notwendig. Natürlich müssen die
CW und die PAM Frequenzen gegenseitig abgestimmt werden, ggf. ist
eine Zwischenspeicherung erforderlich. Auf der Basis der 22 kann man nicht nur digitale
und analoge Informationen übertragen,
sondern man kann dadurch auch eine Verschlüsselung bewerkstelligen. Durch
Einfügen
eine vorbestimmten ananlogen Textes z.B. ein Lied wäre bereits
eine Verschlüsselung
gegeben. Man kann auch eine Verschlüsselung so vornehmen, indem
man z.B. an das Codewort CW immer eine analoge Periode hinzufügt. Man
kann zusätzlich im
Codewort die Reihenfolge der analogen Periode verändern. Hier
gibt es viele Varianten.
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Wie
bereits in den 13 und 16 beschrieben kann man mit
einem Wechselstromcode, bei dem die Stufen durch die Zahl von Perioden,
oder der Länge
bezw. Zeit bezw. Dauer der Perioden bilden, ein Mehrkanalsystem
vorsehen,
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Es
werden also virtuelle Codewörter
gebildet. In der 23 werden
je Codewort 8 bit markiert. Die Codeelemente sind binär aufgebaut.
Diese werden mit einem Wechselstromcode übertragen (z.B. 2, 4). Wie kann man nun analog aufgebaute
Perioden übertragen?
Angenommen wird für
die Codierung der 8 bit sind 8 Perioden erforderlich. Die virtuellen
Codewörter
III/23 sollen analog übertragen
werden. Dann werden 8 analoge Perioden seriell eingefügt, z.B.
aP1 bis aP8 der 21a/b.
Der Codierwechselstrom der 8 Abgriffe ist dann eine ununterbrochene
Folge von 8 Perioden gleicher synchroner Frequenz mit der digitalen Codierung.
Genau so wie in der 22 können die
analogen Codeöwrter
mit zur Verschlüsselung
vorgesehen werden. Der Abstand der virtuellen Codewörter hängt von
der Übertragungsfrequenz
und von der Abgriffsfrequenz ab. Ggf. müssen Speicher vorgesehen werden.
Die Übertragungsdichte
kann noch erhöht
werden, wenn man die QAM verwendet. Das kann man auch bei der Übertragung
der virtuellen Codewörter
vorsehen. In der 22 sind
die Perioden P1, P2, P3 die Codierungen der Abgriff der 21a. Man könnte hier
auch gleichzeitig P1 von 3 parallelen Kanälen codieren und zwar entsprechend
phasenverschoben. Die in der 23 zwichen
den virtuellen Codewörtern
vorgesehenen analogen Codewörter
III können
auch für
die Codierung und Übertragung
von 8 parallen analogen Kanälen
vorgesehen werden. Zweckmässig
werden dann die jeweiligen Werte gespeichert und für die Übertragung
zeitlich versetzt abgegriffen. Auf dieser Basis kann man digital
und analog eine Vielzahl von Informationen über einen Kanal übertragen
werden.