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Verfahren zur Sprachverschlfisselung Die wichtigsten, zur zeit bekannten
und praktisch anwendbaren Sprachverschlüsselungsverfahren bedienen sich entweder
der Digitalisierung des Sprachsignals, z. t. nach den Prinzipien der Pulscode= modulation
(Impulsverfahren nach der deutschen Patentschrift 905 496), oder der Zerlegung
in 'eilfrequenzbänder (Frequenzbandvertauschurng [vgl. deutsche Patentschrift 466
68'71).
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Das Impulsverfahren ist wegen der durch die Digitalisierung. verursachten
Erhöhung der notwendigen Übertragungsbandbreite nur dann auf normalen Übertragungswegen
anwendbär, wenn vor der Verschlüsselung die Bandbreite des Sprachsignals, z. B.
durch einen Vocoder, auf etwa ein Zehntel ihres normalen Wertes reduziert wird.
Die Sprachqualität ist daher kaum noch ausreichend und der technische Aufwand außerordentlich
hoch. Andererseits besteht bei richtiger Anwendung des Verfahrens die absolute Sicherheit,
daß eine Entschlüsselung ohne Kenntnis des Schlüssels unmöglich ist.
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Die Frequenzbandvertauschung ist auf normalen Übertragungswegen anwendbar
und liefert eitre gute Sprachqualität. Das Verfahren ist Jedoch bei wenigen, z.
B. fünf Teilbändern und einem langsamen Wechsel der Vertauschungen, z. B. im 1-Sekunden-Takt,
nicht schlüsselsicher; vermehrt man die zahl der fieilbänder und erhöht die Umschaltgeschwindigkeit
im notwendigen Maß, so wird der technische Aufwand sehr hoch, und die Sprachqualität
ist wegen der beim Umschalten auftretenden Ausgleichsvorgänge, die sich als Knackstörttngen
und »Rauhigkeitc< der Sprache äußern, nicht mehr zufriedenstellend.
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Es ist bekannt, das Sprachfrequenzband in zwei Teilbänder aufzuteilen,
die sielt bezüglich Breite und Frequenzlage ständig stufenlos ändern, wobei sie,
in wechselnder momentaner Erstreckung über die volle Sprachbandbreite, zusammen
in jedem Augenblick ohne gegenseitige überlappung den gleichen Frequenzbereich wie
das zugeführte, zu verschlüsselnde Sprachsignal einnehmen; das eine oder andere
Teilband soll zeitweise invertiert werden (schweizerische Patentschriften 238 926
und 246 844). Dieses Verfahren kann eine hohe Schlüsselsicherheit erreichen, wenn
die Frequenzverschlebungen und In= vertierungen zweckmäßig durchgeführt werden,
da die verschlüsselte Sprache kein Merkmal enthält, das auch nur kurzzeitig konstant
bleibt. Bei der Freduenzbandvertauschung ist dagegen z. B. die einxnalrg festgelegte
und zeitlich konstante Lage der Teilbandgrenzen eirr solches Merkmal. In den genannten
schweizerischen Vatentschriftetr werden jedoch keine genauen Angaben Über die zweckmäßige
Steuerung der Frequenzverschiebung und Invertierungen gemacht, obgleich diese Frage
für den Grad der Schlüsselsicherheit von ausschlaggebender tedeutung ist.
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Die Erfindung befaßt sich mit der Erzeugung von Schlüsselsignalen
für die Steuerung der Frequenzverschiebungen und Invertierungen bei den zuletzt
genannten Sprachverschlüsselungsverfahren. Gemäß der Erfindung erfolgen die Änderungen
von Bandbreite und Prequenzlage der Teilbänder mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit
von mehr als 200001!z je Sekunde. Es wird dabei sowohl ein seine Frequenz stetig
änderndes, die Breite und Lage der Teilbänder steuerndes Schlüsselsignal als auch
ein impulsförmiges, die Invertierung steuerndes Schlüsselsignal aus einer gespeicherten
zufallsbedingten binären Impulsfolge gewonnen, indem zur Erzeugung des Breite und
Lage der 'Peilbänder steuernden Schlüsselsignals die binäre Impulsfolge entsprechend
dem Prinzip der Pulscodemodulation nach einem n-Schfitt-Code in ein Ih-stufiges
Signal umgewandelt wird, welches zur Abrundung der Spannungsstufen ein 'I'iefpaßfdter
durchläuft, Während das die Invertierung steuernde Schlüsselsignal durch Abzählen
einer vorbestimmten zahl voir Impulsen erhalten wird.
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Zweckmäßig wiederholt sich die gespeicherte zufallsbedingte Impulsfolge
frühestens nach 1011inuten.
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Im nachfolgenden wird an Hand der Zeichnung das erfindungsgemäße Verfahren
näher erläutert. F i g. 2 ist die schematische Darstellung eines Verschlfisselungsgeräts
(Sendeteil) nach dem an sich bekannten Verfahren;
F i g. 2 enthält
Darstellungen des nach dem bekannten Verfahren verschlüsselten Frequenzbandes; in
F i g. 3 wird die erfindungsgemäße Bildung des Schlüsselsignals für die Frequenzverschiebung
und in F i g. 4 die Zusammenschaltung mehrerer Sende-und Empfangsgeräte nach Art
der F i g. 1 dargestellt. Gemäß der F i g. 1 wird das Sprachsignal je nach Lage
des Umschaltkontaktes u 1 direkt oder über einen Inverter J 1 auf ein Tiefpaßfilter
TP 1 und weiter zum Modulator M 1 geführt. Dort wird es dem Träger fso aufmoduliert
und gelangt weiter über ein Hochpaßfilter HP 1 an den Modulator
M2.
Die Frequenz der diesem Modulator zugeführten Trägerschwingung fsx wird
in unregelmäßiger Weise innerhalb eines bestimmten Bereichs zeitlich verändert.
Das Modulationsprodukt wird durch die Filter TP 3 und HP 2 in zwei
Teilbänder aufgeteilt. Jedes Teilband wird durch einen Modulator M3 bzw.
M 4 mit nachfolgendem Tiefpaßfilter TP 4 bzw. TPS in die endgültige
Frequenzlage versetzt. Diese Modulatoren erhalten über die Umschaltkontakte
u 2 und u 3 wahlweise die Träger f S 1 und f s 2 oder fei und
fs2. Die Frequenzen fei und fs, sind konstant, während die Frequenzen fei und f
s2 um gleiche Beträge, jedoch in entgegengesetzter Richtung wie die Frequenz fsx
zeitlich verändert werden; sie werden für die Inversion der beiden Teilbänder benötigt.
Nach den Tiefpaßfiltern TP 4 und TP 5
werden die Teilbänder wieder
miteinander vereinigt.
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Der Empfänger ist im Prinzip ebenso wie der Sender aufgebaut und bewirkt
die gleichen Frequenzumsetzungen in umgekehrter Reihenfolge.
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Die F i g. 2 zeigt unter 2,1 die Spektren der verschlüsselten Sprache,
wie sie für fünf verschiedene Augenblickswerte der Trägerfrequenz fsx, ohne Invertierung,
entstehen. Es ist die übliche Darstellung angewendet, bei der die hohen Sprachfrequenzen
durch die größere Ordinatenlänge gekennzeichnet sind. Mit fallenden Werten von fsx,
wobei die entsprechende Trägerfrequenz des Empfängers um die gleichen Beträge ansteigen
muß, verschiebt sich die Grenzlinie zwischen den Teilbändern nach höheren Frequenzen.
Verändert man die Trägerfrequenzen kontinuierlich nach einer Zufallscharakteristik,
so verschiebt sich die Grenze zwischen den Teilbändern in gleicher Weise.
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Durch Einschalten des Inverters entstehen die Übertragungszustände
der F i g. 2,2.
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Durch Umschalten auf die Trägerfrequenz fsl an Stelle von fsl erhält
man eine Inversion des einen Teilbandes und damit die Übertragungszustände der F
i g. 2,3.
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Durch Umschalten auf die Trägerfrequenz fs2 an Stelle von fs2 erhält-
man eine Inversion des anderen Teilbandes und damit die Übertragungszustände der
F i g. 2,4.
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Durch gleichzeitiges Invertieren des Gesamtbandes (Einschalten des
Inverters) und des ersteren Teilbandes (durch Trägerumschaltung) erhält man die
Übertragungszustände : der F i g. 2,5.
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Durch gleichzeitiges Invertieren des Gesamtbandes und des anderen
Teilbandes erhält man die Übertragungszustände der F i g. 2,6.
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Die Schlüsselsicherheit ist dadurch gegeben, daß es dem Abhörer nicht
gelingen darf, die Augenblickswerte der Frequenz f s x zu ermitteln. Hierfür wäre
vielleicht ein Anhaltspunkt gegeben, wenn es gelänge, das verschlüsselte Signal
so genau zu analysieren, daß die Augenblickslage der einzelnen Spektralkomponenten
ermittelt wird, d. h. der Analysierfehler müßte kleiner als die Sprachgrundfrequenz
sein. Damit wäre freilich die Entschlüsselung noch nicht gelungen, weil die wirkliche
Frequenz der so ermittelten Spektralkomponente nicht bekannt ist. Es soll jedoch
nachfolgend bewiesen werden, daß eine Analyse mit der obengenannten Genauigkeit
überhaupt nicht möglich ist. Das bedeutet im übrigen, daß auch die richtige Auswertung
eines Oszillogranuns der verschlüsselten Sprache mit dem Ziel, die augenblickliche
Frequenzverschiebung festzustellen, nicht möglich sein kann. Um dies zu erreichen,
wird folgendes Verfahren zur Steuerung der Frequenzänderungen der Trägerschwingung
fsx vorgeschlagen: Zunächst wird nach bekanntem Verfahren eine binäre Impulsreihe
mit Zufallcharakteristik gebildet, die auf der Sende- und Empfangsstelle gleichzeitig
und synchron abläuft. Diese wird z. B. nach einem 5-Schritt-Code in ein 32stufiges
Signal nach F i g. 3 a umgewandelt, bei dem also alle zweiunddreißig Amplitudenstufen
u mit gleicher Wahrscheinlichkeit erscheinen, sofern die erzeugende Impulsreihe
einer echten Zufallsfolge nahekommt. Das 32stufige Signal wird über ein Tiefpaßfilter
geleitet, dessen Grenzfrequenz so festzulegen ist, daß durch Abrundung der Spannungssprünge
ein kontinuierlicher Spannungsverlauf nach F i g. 3 b entsteht. Diese Spannung wird
einer Reaktanzstufe zugeführt, die die Frequenz des Trägergenerators gleichsinnig
variiert. - Es ist auch möglich, als Schlüsselsignal ein durch einen Tiefpaß begrenztes
»weißes« Rauschen zu verwenden (deutsche Auslegeschrift 1100 704). Diese
Lösung wird für ungünstig gehalten, weil dann die mittleren Werte der Frequenz fsx
mit höherer Wahrscheinlichkeit als die Extremwerte erscheinen.
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Aus der Trägerschwingung fsx können die Träger fei und fs2, deren
Frequenzen um gleiche Beträge wie fsx, jedoch in entgegengesetzter Richtung zeitlich
verändert werden sollen, durch Modulation mit einer festen Frequenz f hergeleitet
werden; die Differenzfrequenz (f - fs x) hat die gewünschten Eigenschaften.
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Die Durchführung und Aufhebung der Invertierungen der beiden Teilbänder
sowie des Gesamtbandes müssen in unregelmäßigen- zufallsverteilten Zeitabständen
veranlaßt werden. Dies könnte geschehen, indem man drei weitere, binäre Impulsreihen
mit Zufallscharakteristik erzeugt, durch die die Zeitpunkte für die Invertierungen
und deren Aufhebung festgelegt werden; um Aufwand zu sparen, wird statt dessen vorgeschlagen,
hierfür die zur Bildung der Trägerfrequenz fs,x verwendete Impulsreihe mit zu benutzen.
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Jede der drei Invertierungen soll dann erfolgen, wenn eine vorbestimmte,
für jede Invertierungsart beliebig wählbare Anzahl positiver Impulse geliefert wurde,
und soll aufgehoben werden, nachdem eine ebenfalls frei bestimmbare Anzahl weiterer
positiver Impulse erzeugt worden ist.
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Bei einer gleichzeitigen Invertierung beider Teilbänder erscheint
die Sprache trotz der Veränderungen der Frequenz fs., in ihrer Normallage oder als
Ganzes invertiert; der Sprachtext ist in diesem Fall also verständlich oder durch
nochmalige Inversion
leicht verständlich zu machen. Die gleichzeitige
Invertierung beider Teilbänder muß daher durch eine Überwachungsschaltung verhindert
werden.
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Die Zeitdauer der obengenannten binären Impulsreihe muß länger sein
als die Dauer eines Gesprächs, da eine Wiederholung in kürzeren Zeitabständen einem
Abhörer einen - wenn auch sehr geringe -Chance für die Entschlüsselung böte. Es
wird vorgeschlagen, diese Zeitdauer zu mindestens 10 Minuten zu bemessen.
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Für die Erzeugung der Trägerfrequenzen und die Festlegung der Invertierungszeitpunkte
im Empfänger werden die gleichen Prinzipien angewendet wie beim Sender.
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Weil in dem verschlüsselten Signal alle Spektralanteile der Sprache
gleich oft in allen Frequenzlagen erscheinen, ist es zweckmäßig ihre Energieverteilung
durch eine Anhebung des Pegels der höheren Frequenzen (Preemphasis) vor dem Schlüsselgerät
gleichmäßig zu machen und hinter dem Entschlüsselungsgerät auf der Gegenstelle die
ursprüngliche Energieverteilung wiederherzustellen.
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Wie oben erwähnt, muß die Frequenz der Trägerschwingung f S x dauernd
so schnell verändert werden, daß die bei einer Frequenzanalyse der verschlüsselten
Sprache auftretende, nach physikalischen Gesetzen unvermeidbare Ungenauigkeit größer
wird als die mittlere Sprachgrundfrequenz (etwa 120 Hz). Es wird daher vorgeschlagen,
die durchschnittliche Geschwindigkeit der Frequenzänderungen zu mehr als 20 000
Hz je Sekunde festzulegen. Dies wird wie folgt begründet: Der Vorgang der Frequenzanalyse
ist, da das Frequenzband dauernd verschoben wird, am besten mit dem üblichen Verfahren
der Suchtonanalyse zu vergleichen, bei dem ebenfalls das zu analysierende Spektrum
an dem feststehenden Frequenzbereich des Analysierfilters »vorbeigeschoben« wird.
Nach K ü p f m ü 11 e r : »Systemtheorie der elektrischen Nachrichtenübertragung«,
2. Auflage, 1952, S. 129, ist eine Spektralkomponente nur dann mit hinreichender
Genauigkeit bestimmbar, wenn die Zeit, während der sie in den Durchlaßbereich des
Analysierfilters fällt, etwa 20mal so groß ist wie die durch die Bandbreite des
Filters (Bf) gegebene Einschwingdauer
. Die Mindestanalysierdauer beträgt also
Andererseits ist die Änderungsgeschwindigkeit der Frequenz f S x, wie aus F i g.
3 b zu entnehmen, im Durchschnitt etwa
Hier bedeutet: B = Frequenzbereich, innerhalb dessen die Frequenz f S x sich bewegt,
t, = Schrittdauer des Signals in F i g. 3 a, fs = Schrittfrequenz des Signals
in F i g. 3 a. In der Zeit t ändert sich also f S x durchschnittlich
Um eine Frectuenzanalyse zu ermöglichen, muß die Bedingung erfüllt sein, wobei die
Frequenzverschiebung
d f S gleich dem Filterbereich Bi zu setzen ist. Das ergibt
Mit den Werten B f = 120 Hz (Mittelwert der Sprachgrundschwingung einer männlichen
Stimme) und B = 2500 Hz ergibt sich
als Höchstwert der Schrittfrequenz des Schlüsselsignals, bis zu dem eine Analyse
noch mit einer Genauigkeit von 120 Hz durchführbar ist. Da die von K ü p f m ü 11
e r aufgestellte Bedingung für eine relativ genaue Analyse gilt, bei der Sprachverschlüsselung
jedoch die Analysiergenauigkeit möglichst gering gehalten werden soll, muß die praktisch
verwendete Schrittfrequenz fs wesentlich höher sein; sie sollte mindestens 10 Hz
betragen. Es dürften auch noch höhere Werte realisierbar sein. Damit ist eine Analyse
des verschlüsselten Signals mit großer Sicherheit verhindert.
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Da das verschlüsselte Signal den gleichen Frequenzbereich überdeckt
wie das ursprüngliche Sprachsignal, kann das Verfahren mehrmals nacheinander angewendet
oder mit beliebigen anderen Verschlüsselungsverfahren kombiniert werden. Obgleich
das Verfahren für sich allein genügend schlüsselsicher ist, soll an Hand der F i
g. 4,1 bis 4,3 im folgenden das Ergebnis einer mehrmaligen Anwendung - die zu beliebig
komplizierten zusammengesetzten Systemen führt -erläutert werden.
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Der Sender (F i g. 1) und der nach dem gleichen Prinzip aufgebaute
Empfänger sollen hier als in sich geschlossene Einheiten (Sendeeinheit SE und Empfangseinheit
EE) aufgefaßt werden. Dann sind mit mehreren Einheiten SE 1 bis SE 3 und EE
1 bis EE 3
mit den Trägern S1 bis S3 folgende Schaltungen möglich:
a) Reihenschaltung mehrerer SE am Sendeort und der entsprechenden EE am Empfangsort
(Beispiel F i g. 4,1); b) Parallelschaltung (Beispiel F i g. 4,2); c) gemischte
Reihen- und Parallelschaltung (Beispiel F i g. 4,3).
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Die Anzahl der SE bzw. EE wird durch die schließlich doch merkbare
Beeinträchtigung der Sprachqualität begrenzt.
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Der Gesamtaufwand steigt nicht proportional der Anzahl der
SE und EE, weil die Schlüsselsignale für alle Einheiten aus der gleichen
binären Impulsreihe (jedoch auf verschiedene Weise) abgeleitet werden können und
die Synchronisiereinrichtung nur einmal vorhanden sein muß.
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Die Ergebnisse sind: Zu a) - Reihenschaltung Bei n in Reihe
geschalteten Sendeeinheiten besteht das verschlüsselte Signal aus einer ständig
wechselnden Anzahl von 2 bis (n+1)
Teilbändern, deren Reihenfolge,
Frequenzverschiebung und Breite dauernd im größtmöglichen Maß (d. h. für Verschiebung
und Bandbreite im Bereich 0 bis B) variiert werden. Als seltene Sonderfälle treten
auch alle die Schlüsselzustände auf, die beim Verfahren der Frequenzbandvertauschung
mit 2 bis (n+1) gleich breiten Teilbändern möglich sind, so daß die Frequenzbandvertauschung
als Spezialfall des hier beschriebenen Verfahrens angesehen werden kamt.
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2;u b) - Parallelschaltung Das Sprachband muß in n Teilbänder der
Breite -8-n zerlegt werden; jedes Teilband wird einer der n Sendeeinheiten zugeführt.
Die SE sind für die Bandbreite B-n ausgelegt. Die Anzahl der nach Breite
und Lage sich ändernden Teilbader schwankt hier zwischen n und 2n, ist aber nur
für die sehr kurzen Zeiten kleiner als 2n, in denen die Frequenzverschiebugg in
einer der SE gleich U oder B-n ist. Diesem Vorteil steht der Nachteil gegenüber,
daß die anfangs genannte, zeitlich gleichbleibende Aufteilung in n Teilbänder ein
Konstruktionsmerkmal ist, das auf die Dauer nicht geheim gehalten werden kann.
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Zu c) - gemischte Reihen- und Parallelschaltung Hier wird der unter
b) genannte Nachteil durch die nachfolgende Frequenzverschiebung beseitigt, so daß
man mit geringerem Aufwand mehr Teilbänder erhalten kann als im Fall a).
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Die Anzahl der in den Fällen a) bis c) möglichen Übertragungszustände
ist so groß, daß eine Aufzeichnung von Beispielen - ähnlich der F i g. 2 -nicht
mehr sinnvoll sein dürfte.
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Dir Vorteile der Erfindung sind: a) Gewährleistung einer hohen Schlüsselsicherheit,
weil a,1) die Frequenzverschiebungen mit hoher Geschwindigkeit nach einem Zufallsprinzip
geschehen; a, 2) alle Werte der Frequenzverschiebungen etwa gleich häufig sind;
a, 3) die inverderwgmeitptrnkie zufallsmäßig verteilt sind; a, 4) die Schlüsselabläufe
sich frühestens nach 10 Minuten wiederholen; a, 5) die dtuchschnittlicht Verteilung
der Sprachenergie über das Sprachfrequenzbagd gleichmäßig gemacht wird und a, 6)
bei xustngesetzten Systemen die Art der Zusamnwaschalttmg (Reihen-, Parallel-OXW
gemischte Sctsaltung) zweckmäßig gewählt werden kann; b) Gewährleistung einer guten
Qualität der am Empfangsort wieder entschlüsselten Sprache, weil b, D) die
ScbUtselsigiWe elektronisch erzeugt werden und daher die Synchronisation von Sender
»d Lmiang9Mäi - im Gegensatz zu Signalen, die auf Tonträger (Tonband, Film oder
Schallplatte) aufgezeichnet sind - auf einfache Weise mit hoher Genauigkeit möglich
ist; c) Verringerung des Aufwands, weil c, 1) die Invertierungszeitpunkte durch
die gleiche binäre Impulsreihe bestimmt werden, die auch die Frequenzverschiebungen
steuert, und e, 2) bei zusammengesetzten Systemen alle benötigten (voneinander verschiedenen)
Schlüsselsignale aus nur einer binären Impulsreihe abgeleitet werden.