DE2523828C2 - Verfahren zur Verschleierung von Sprachsignalen mit Hilfe orthogonaler Matrizen - Google Patents

Description

Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zur Verschleierung von analogen Sprachsignalen, die vor und nach der Verschleierung frequenzmäßig auf eine Bandbreite beschränkt sind, die es gestattet, die Übermittlung über einen CCITT-Sprachkanal (Bandbreite 3,1 kHz) durchzuführen. Nur zwei der bekannten Verschleierungsverfahren, die eine Übertragung über einen CCITT-Sprachkanal erlauben, liefern eine ausreichende Sprachqualität nach der Entschleierung und bieten für viele Anwsndungsmöglichkeiten genügend hohe Sicherheit gegen unbefugtes Abhören: Die 5-Band-Frequenzverwürfelung und die Zeitverwürfelung.

Im ersten Falle (CH-PS 2 38 926, CH-PS 246 844) wird das Frequenzband der Sprache in fünf Teilbänder unterteilt, die - gesteuert von einem Pseudo-Zufallsgenerator - untereinander vertauscht und teilweise invertiert werden. Ein unbefugter Empfänger erhält jedoch überwiegend verständliche Sprache, wenn er mit dem nötigen technischen Aufwand eine zeitunabhängige Rückvertauschung ausgesuchter Teilbänder vornimmt

Bei der Zeitverwürfelung (CH-PS 2 37 094, CH-PS 2 32 786) werden Sprachabschnitte von etwa 40 ms Dauer, ebenfalls gesteuert durch einen Pseudo-Zufallsgenerator, zeitlich miteinander vertauscht Hier bietet der unveränderte Signallauf innerhalb eines Sprachabschnittes die Möglichkeit, den zugehörigen Folgeabschnitt zu erkennen und so, unterstützt von einem elektronischen Rechner, eine rasche Rücksortierung der Sprachabschnitte vorzunehmen.

Bei Verfahren, die sehr hohen Ansprüchen an die Geheimhaltung genügen sollen, wird das Sprachsignal auf der Senderseite abgetastet und die Abtastproben werden verschlüsselt, indem ihre Werte verändert werden. Die verschlüsselten Abtastproben - im folgenden Bildproben genannt — werden sodann übertragen und auf der Empfängerseite wieder entschlüsselt. Die Rückgewinnung der ursprünglichen Abtastproben und damit der ursprünglichen Nachricht macht geringe Schwierigkeiten, wenn der Übertragungskanal weder bandbegrenzt ist noch Verzerrungen verursacht oder Störquellen enthält, weil dann z. B. das Problem der Synchronisation zwischen sender- und empfängerseitigen Abtastungen entfällt

Unter diesen idealen Voraussetzungen wird in dem Artikel von V.J. Philips und J.K. Watkins »Speech Scrambling by the Matrixing of Amplitude Spjnples«, The Radio und Electronic Engineer, Volume 43, No. 8, August 1973, S. 459 bis 470 untersucht, welcher

ίο Geheimhaltungsgrad zu erreichen ist, wenn die Abtastproben des Sprachsignals durch Transformation mit einer Matrix verschlüsselt werden. Bei einer solchen Verschlüsselung werden die ursprünglichen Abtastproben in Abschnitte zu je ρ aufeinanderfolgender

is Abtastproben gegliedert und aus jedem Abschnitt ρ Bildproben nach der Gleichung

gewonnen. Die x_k sind Variable für die ursprünglichen Abtastproben, die y, Variable für die Bildproben und die a* Symbole für die Zahlen, die die Elemente der Matrix darstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verschlüsselung von Sprachsignalen anzugeben, bei dem die verschlüsselten Signale Ober einen CCITT-Sprachkanal gesendet werden können, bei dem eine hohe Sicherheit gegen Entschlüsselungsversuche unbefugter Dritter gewährleistet ist und bei dem die Wiedergewinnung der ursprünglichen Sprachsignale nach der Übertragung unempfindlich ist gegenüber Synchronisationsfehlern zwischen sender- und empfän gerseitigen Verarbeitungsschritten.

Ausgehend vom angegebenen Stand der Technik wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst Eine vorteilhafte Weiterbildung, die eine erschwerte Entschlüsselung durch unbefugte Dritte zum Ziele hat ist im Anspruch 2 angegeben.

An Hand der Figuren soll eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit seiner zweckmäßigen Weiterbildung näher erläutert werden. Die gegebene Erläuterung beschränkt sich zunächst auf Einrichtungen der Sendeseite. Die Verfahrensschritte, die auf der Empfangsseite synchronisiert mit dem Sender durchzuführen sind, werden weiter unten näher beschrieben. Da für das Takten der

so einzelnen Bausteine sowie für die Synchronisierung von

Sender und Empfänger bekannte Verfahren anwendbar

sind, wird auf diese Probleme nicht weiter eingegangen.

In F i g. 1 wird das vom Eingang £ kommende und auf

eine Bandbreite von 3 kHz beschränkte Sprachsignal im Analog-Digital-Wandler AID pulscodemoduliert und mit einer Bitfolgefrequenz von 48 kHz dem Zeitverwürfler ZVzugeführt Jeweils acht aufeinanderfolgende Bits stellen den dual verschlüsselten Wert einer Abtastprobe des Eingangssignals dar; die Abtastfre quenz beträgt also 6 kHz. In einem Zeitabschnitt von 40 ms wird einer der Speicher des Zeitverwürflers ZV geladen, während in der gleichen Zeit der ursprüngliche Inhalt an einen der beiden Zwischenspeicher ZVVl oder ZW2 weitergegeben wird. Das Laden und gleichzeitige Entladen eines weiteren Speichers des Zeitverwürflers ZV wird von einem Zufallsgenerator gesteuert der Bestandteil des Zeitverwürflers ZV ist Die auf diese Weise erzeugten Sprachhaüptabschnitte haben eine

zeitliche Länge von 40 ms; die Anzahl k der in einem Sprachhauptabschnitt enthaltenen Abtastproben beträgt 240.

Stehen die synchronisierten Schalter 51 und 52 in der gezeichneten Stellung, so wird d^r Inhalt des Zwischenspeichers ZWl in der gleichen Zeit, in der der Zwischenspeicher ZWl geladen wird, achtmal über den Schalter 52 dem digitalen Multiplikator M angeboten. Hier werden acht aufeinanderfolgende Abtastproben — das entspricht einem Sprachunterabschnitt aus k/m = 8 Abtastprcben — mit den zugehörigen Komponenten eines bestimmten Zeilenvektors einer orthogonalen Matrix multipliziert Die Elemente dieser orthogonalen 8 χ 8-Matrix sind in den Speicherzellen des Read-Only-Memory ROM gespeichert Die erwähnten Produkte addiert der digitale Addierer A; die erhaltene Zahl, eine Bitdprobe für einen Sprachunterabschnitt wird dem Digital-Analog-Wandler DIA zugeführt Die geschilderte Prozedur wiederholt sich für die nächsten Sörachunterabschnitte so lange, bis alle dreißig Sprachunterabschnitte (in dem Beispiel ist also m = 30) eines Sprachhauptabschnittes einmal verarbeitet worden sind und auf diese Weise eine Folge von dreißig Werten mit einer Frequenz von 6 kHz zum Digital-Analog-Wandler DIA gelangt Dadurch werden alle Werte, die sich aus den Sprachunterabschnitten für bestimmte Bildproben ergeben, d. h, diejenigen Bildproben, die in den Sprachunterabschnitten an gleicher Stelle stehen, in ein analoges Signal umgewandelt Dieses Signal, der Zeitverlauf einer Bildprobe, kann über einen CCITT-Sprachkanal übertragen weiden. Wird der Inhalt des Zwischenspeichers ZW2 ein weiteres Mal dem digitalen Multiplikator M angeboten, so wiederholt sich der beschriebene Vorgang für einen anderen Zeilenvektor der orthogonalen Matrix. Sind auf die geschilderte Weise die Zeitverläufe von acht Bildproben bestimmt worden, ist der im Zwischenspeicher ZW2 enthaltene Sprachhauptabschnitt vollständig verarbeitet; die gesamte Information ist in den Zeitverläufen der Bildproben enthalten. Die synchronen Schalter 51 und 52 werden nun umgelegt und es wird der im Zwischenspeicher ZW1 enthaltene Sprachhauptabschnitt einer Umformung unterzogen, während der Zwischenspeicher ZW2 über den Schalter 51 erneut geladen wird.

Der Pseudo-Zufallsgenerator PZG sorgt jetzt dafür, daß aus dem Vorrat an orthogonalen Matrizen, die am Read Only Memory ROM gespeichert sind, zur Umformung dieses Sprachhauptabschnittes eine andere Matrix ausgewählt wird als beim vorangegangenen Sprachhauptabschnitt Als Orthogonal-Matrizen können auch solche Matrizen verwendet werden, die in ihren Zeilen Werte von Walsh- oder Kreisfunktionen stehen haben; das erfindungsgemäße Verfahren entspricht dann einer Walsh- bzw. Fourieranalyse der Sprachunterabschnitte.

Fig.2 zeigt einen 700-Hz-Sinuston, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verschleiert wurde. Die gesamte Länge des dargestellten Signals umfaßt einen Sprachhauptabschnitt von 40 ms; in den acht Teilabschnitten zu jeweils 5 ms sind die Zeitverläufe der Bildproben eingetragen, wie sie aus den 30 Sprachunterabschnitten gewonnen wurden. Die im Beispiel verwendete Orthogonal-Matrix enthielt in ihren Zeilen - bis auf die Reihenfolge — die Werte der ersten acht Walsh-Funktionen. Wie schon erwähnt, liefert das erfindungsgemäße Verfahren in diesem Falle eine Walsh-Analyse der Sprachunterabschnitte; die Bildproben sind identisch mit den Walsh-Koeffizienten.

Von links nach rechts gelegen enthalten die Teilabschnitte die Zeitverläufe der Koeffizienten von wal (0,0), wal (1,0), cal (2,0), ca! (1,0), sal (3.0), sal (4,0), sal (2,0) und cal (3,0).

Bei der Entschleierung des übertragenen Signals müssen aus den Zeitverläufen der Bildproben, die nach Sprachunterabschnitten sortierten Bildproben und sodann die ursprünglichen Abtastproben zurückgewonnen werden.

Diese beiden Vorgänge werden an Hand der F i g. 3 für die Entschleierungseinrichtung erläutert Das am Eingang E ankommende verschleierte Signal wird im Analog-Digital-Wandler AID wiederum pulscodemoduliert und die auf diese Weise erhaltenen achtstelligen dual verschlüsselten Bildproben werden mit einer Bitfolgefrequenz von 48 kHz dem 8-Bitspeicher 5Pl zugeführt In Zeitabständen, die einer Frequenz von 6 kHz entsprechen, wird der Inhalt des Speichers 5Pl auf den Speicher SP 2 übertragen und zirkuliert nun in dem vom Schalter 5i dem Zwischenspeicher ZH^ ί und dem Schalter 52 gebildeten Kreis mit einer Geschwindigkeit die einer Bitfrequenz von 384 kHz entspricht Nach Ablauf eines Sprachhauptabschnittes ist der Zwischenspeicher ZW1 vollständig gefüllt, und zwar so, daß jeweils acht Bildproben eines Sprachunterabschnittes in benachbarten Speicherzellen liegen. Danach werden die synchronen Schalter 51 und 52 umgelegt und die zum nächstfolgenden Sprachhauptabschnitt gehörigen Bildproben auf dieselbe Weise mit Hilfe des Zwischenspeichers ZW2 umsortiert. Gleichzeitig mit den Schaltern 51 und 52 wird auch der Schalter 53 umgeschaltet so daß über den Schalter 54 der acht Bildproben fassende Zwischenspeicher ZIV3 geladen wird. Ist der Speicher ZW3 gefüllt, werden die Schalter 54, 55 und 56 gleichzeitig umgeschaltet und die im Zwischenspeicher 5Z3 enthaltenen Bildproben zur Rückgewinnung der ursprünglichen Abtastproben verwendet Dies geschieht mit Hilfe des digitalen Multiplikators M, des Pseudo-Zufallsgenerators PZG, des Read Only Memory ROM und des digitalen Addierers A. Im Read Only Memory ROM sind die gleichen orthogonalen Matrizen gespeichert wie auf der Sendeseite. Der digitale Multiplikator M multipliziert die im Zwischenspeicher ZWi gespeicherten Bildproben nacheinander mit den entsprechenden Komponenten der Spaltenvektoren der orthogonalen Matrizen. Die Produkte werden dem digitalen Addierer A zugeführt und dort summiert; die Summenwerte entsprechen den ursprünglichen Abtastproben.

Die Rückgewinnung dieser acht Abtastproben für einen Sprachunterabschnitt erfolgt in der gleichen Zeit, in der der Zwischenspeicher ZWA geladen wird. Nach Verstreichen der Ladezeit werden die synchronen Schalter 54,55 und 56 abermals umgeschaltet und aus dem Inhalt des Speichers ZWA die ursprünglichen Abtastproben zurückgewonnen. Nach einem Zeitintervall, das einem Sprachhauptabschnitt entspricht wählt der Pseudo-Zufallsgenerator PZG, der mit dem entsprechenden Generator auf der Sendeseite synchronisiert ist, aus dem Speicher ROM die gleiche orthogonale Matrix aus, die auf der Sendeseite zur Gewinnung der Bildproben verwendet wird.
Der Zeitverwürfler ZV speichert jeweils die 240 Abtastproben eines Sprachhauptabschnittes und gibt die Sprachhauptabschnitte in der richtigen zeitlichen Reihenfolge an den Digital-Analog-Wandler DIA weiter.

Die Unempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber Synchronisationsfehlern zwischen sender- und empfängerseitigen Verarbeitungsschritten, wie etwa zwischen den Abtastungen, soll an Hand eines einfacheren Beispiels erläutert werden. In diesem Beispiel möge ein Sprachhauptabschnitt aus sechs und ein Sprachunterabschnitt aus 2 Abtastproben bestehen. Ein Sprachhauptabschnitt enthält also drei Unterabschnitte. Die zeitlich früher liegende Abtastprobe des ersten Unterabschnittes möge mit A 1, die zeitlich später liegende mit Bi bezeichnet werden. Bei entsprechenden Bezeichnungen für die Abtastproben der weiteren Unterabschnitte ergibt sich für wachsende Zeiten die Folge Ai, BU A2, B2; A3, B3 von Abtastproben für einen Sprachhauptabschnitt Auf der Senderseite werden nun die zu den einzelnen Unterabschnitten gehörenden Abtastproben z. B. mit dem ersten Zeilenvektor der Matrix transformiert Die zugehörigen Bildproben seien /4 1, Λ2 und A3. Sie werden als analoges Signal übertragen. Entsprechendes gilt für den zweiten Zeilenvektor der orthogonalen Matrix und die zugehörigen Bildproben Bl, B 2 und B 3. Durch Abtastung des analogen Signals auf der Empfängerseite ergibt sich — wenn kein Synchronisationsfehler vorliegt - für die Bildprobeneines Sprachhauptabschnittes die Reihenfolge Ä1, Ä2, Ä 3, B1, B2, A3.

Um aus diesen Bildproben die ursprünglichen Abtastproben zurückzugewinnen, muß eine Umstellung vorgenommen werden, und zwar werden die Bildproben in die Reihenfolge Äi, Bi; Ä2, B2; A3, B3 gebracht. Durch Transformation des Paares Ä 1, B1 mit dem ersten Spaltenvektor der orthogonalen Matrix erhält man die Abtastprobe A 1 und durch Transformation mit dem zweiten Spaltenvektor die Abtastprobe Bi. Entsprechendes gilt wiederum für die weiteren

ίο Paare von Bildproben.

Laufen nun die Abtastungen auf der Empfängerseite z. B. genau einen Takt hinter den Abtastungen auf der Senderseite hinterher, so führt die Umstellung der Bildproben zu der Paarbildung Λ2, B2; A3, B3; Bi, —, wobei auf die Bildprobe B i, angedeutet durch den Gedankenstrich, die erste Bildprobe des nächsten Sprachhauptabschnittes folgt Die Rücktransformation mit den Spaltenvektoren der orthogonalen Matrix führt bei zwei Sprachabschnitten zu den richtigen Abtastpro ben, während sich für den dritten Sprachunterabschnitt falsche Werte ergeben. Der unterstellte große Synchronisationsfehler hat also nicht zur Folge, daß sämtliche Abtastwerte bei der Rücktransformation fehlerhaft werden, wie es ohne das erfindungsgemäße Verfahren der Fall wäre.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verschlüsseln von Sprachsignalen, die über einen CCITT-Sprachkanal gesendet werden können, indem das pulscodemodulierte Sprachsignal in Sprachhauptabschnmitte aus k Abtastproben zerlegt und indem jeder Sprachhauptabschnitt in m Sprachunterabschnitte aus jeweils k/m Abtastproben aufgeteilt wird und indem aus den Abtastproben der Sprachunterabschnitte mit Hilfe einer orthogonalen Matrix k/m Bildproben gewonnen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte, die sich aus den m Sprachunterabschnitten für bestimmte Bildproben ergeben, & h, diejenigen Bildproben, die in den m Sprachunterabschnitten an gleicher Stelle stehen, nach Digital-Analog-Wandlung seriell zum Empfänger übertragen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenfolge, in der die Sprachhauptabschnitte übertragen werden, durch einen Zeitverwürfler (ZV) gesteuert wird.