DE2723804C2

DE2723804C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Verschlüsseln bzw. Entschlüsseln von Nachrichtensignalen

Info

Publication number: DE2723804C2
Application number: DE2723804A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-El.-Ing. Wangen Frutiger
Original assignee: Anstalt Europaeische Handelsgesellschaft
Current assignee: Anstalt Europaeische Handelsgesellschaft
Priority date: 1976-06-01
Filing date: 1977-05-26
Publication date: 1986-02-27
Also published as: ATA350977A; US4149035A; CA1092195A; GB1567868A; FR2354005A1; NO771908L; SE416604B; AT363129B; FI771737A; FR2354005B3; ES458856A1; BR7703539A; NL7705062A; BE854626A; DE2723804A1; ZA773157B; JPS534401A; IT1118027B; NO144722B; DK239177A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschlüsseln bzw. Entschlüsseln von Nachrichtensignalen, die in der Zeitachse in Hauptblöcke aufgeteilt werden, welche ihrerseits in zeitlich gleich große Unterabschnitte aufgeteilt werden, wobei Unterabschnitte gemäß einer Schlüsselinformation permutiert werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem Schlüsselgenerator zum Erzeugen der einer Speicherschaltung zugeführten Schlüsselinformation.

Prinzipiell sind zur Sprachverschlüsselung im wesentlichen zwei Arten von Verfahren bzw. Vorrichtungen anwendbar.

Bei einem Verfahren werden die analogen Sprachsignale in digitale Signale umgewandelt, und zwar z. B. mittels eines Vocoders (Voice coder), eines Puls-Code-Modulationssystems oder eines Delta-Modulationssystems. Die Impulse können mittels Schlüsselimpulsen, die von einem Schlüsselgenerator erzeugt werden, verknüpft werden. Die derart verschlüsselten Zeichen können an die Empfangsseite übermittelt und dort auf entsprechende Weise wieder in unverschlüsselte analoge Sprachsignale umgewandelt werden.

Dieses Verfahren bietet den Vorteil einer hohen Klangqualität und einer hohen Redundanz der übertragenen Informationen. Im weiteren sind so viele Variationsmöglichkeiten bei der Verschlüsselung möglich, daß eine große Sicherheit gegen unbefugtes Entschlüsseln erreichbar ist.

Als Nachteil ergibt sich hingegen die für die Übertragung notwendige große Bandbreite und die Empfindlichkeit auf Phasenverschiebungen im Übermittlungssystern.

Ferner ist ein Verfahren möglich, wie es aus der DE- -AS 20 46 630 bekannt ist, bei dem analoge Sprachsignale oder auch bereits in digitaler Form vorliegende Signale in Hauptblöcke aufgeteilt werden, die ihrerseits in

b5 zeitlich gleich große Unterabschnitte gemäß einer in einem Schlüsselgenerator erzeugten Schlüsselinformation permutiert werden.
Werden die analogen Sprachsignale in der obigen

Weise verarbeitet, so ergibt sich der Vorteil, daß die Information als solche immer noch im gleichen Frequenzbereich untergebracht und gleicher Art wie die ursprüngliche Sprachinformation ist. Daher !'önnen zur Übertragung der Information ohne Nachteil Übermitilungssysteme für Sprachübertragung mit einer entsprechend begrenzten Bandbreite verwendet werden.

Daraus ergibt sich der Vorteil, daß für die Informationsübertragung keine extrem großen Bandbreiten nötig sind und Phasenverschiebungen im Übermittlungssystem praktisch keinen Einfluß auf die Qualität der übertragenen Information haben.

Jedoch weist dieses Verfahren den Nachteil auf, daß die kryptologische Variationsmöglichkeit zum Permutieren der Unterabschnitte verhältnismäßig beschränkt ist, so daß eine wirkungsvolle Sicherung gegen die Kenntnisnahme der unverschlüsselten Information durch unbefugte Drittpersonen kaum möglich ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, wodurch eine große Sicherheit gegen unbefugte Entschlüsselung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst.

Dabei verarbeitet das erfindungsgemäße Verfahren analog übertragene Nachrichten- oder auch Klangsignale, indem diese in mehrere Frequenzbänder aufgeteilt werden, von denen jedes einen Informationskanal bestimmt, dessen Signale jeweils in digitale Signale umgewandelt werden, wobei die Aufteilung der Informationskanäle in Hauptblöcke und Unterabschnitte zeitgleich erfolgt. Entscheidend ist ferner, daß die Unterabschnitte sowohl mit Unterabschnitten desselben als auch mit Unterabschnitten eines zeitgleichen Hauptblocks permutiert werden, wodurch sich eine große Variationsmöglichkeit ergibt. Nach dem Umwandeln der digitalen Signale in analoge Signale folgt ein Zusammenstellen der vertauschten Unterabschnitte zu neuen Hauptblöcken, um ein Weiterverarbeiten der zeitgleichen neuen Hauptblöcke zu ermöglichen.

Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch mindestens eine eingangsseitige Frequenzweiche zum Aufteilen der ankommenden analogen Nachrichtensignale in die je einen Informationskanal bestimmenden Frequenzbänder, einen der Frequenzweiche nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler in jedem In<Ormationskanal zur Umwandlung der analogen Nachrichtensignale in digitale Signale, wobei die Speicherschaltung die Impulsserien von den Analog-Digitalwandlern speichert, und die eingespeicherten Impulsserien jedes Informationskanals in die zeitlichen Hauptblöcke unterteilt und diese Haupiblökke in die zeitlich gleich großen Unterabschnitte aufteilt, wobei die Speicherschaltung eine Schaltungsanordnung aufweist, die ein Vertauschen der Unterabschnitte jedes Hauptblockes mit Unterabschnitten desselben Hauptblockes oder mit Unterabschnitten eines zeitgleichen Hauptblockes eines anderen Informationskanals gemäß der erhaltenen Schlüsselinformation aus dem mit der Speicherschaltung zusammenwirkenden Schlüsselgenerator durchführt, durch einen der Speicherschaltung nachgeschalteten Digital-Analogwandler in jedem Informationskanal zum Umwandeln der digitalen Signale in analoge Signale, wobei am Ausgang jedes Informationskanals neue, aus vertauschten Untergruppen gebildete zeitgleiche Hauptblöcke zur Weiterverarbeitung anstehen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ergeben sich daher zum einen der Vorteil großer kryptologischer Variationsmöglichkeit verbunden mit einer wirkungsvollen Geheimübertragung und zum anderen darüber hinaus der Vorteil relativ kleiner Bandbreiten bei der Übertragung, so daß Übermittlungskanäle mit entsprechend begrenzter Bandbreite verwendet werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird an Hand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt schematisch

Fig. 1 eine Anlage zum Verschlüsseln, Übertragen und Entschlüsseln von Sprachinformation,

F i g. 2 ein Blockdiagramm eines Gerätes zum Verschlüsseln bzw. Entschlüsseln der Sprachinformation, und

Fig.3 zwei zeitgleiche, in Untergruppen unterteilte Hauptblöcke der Sprachinformation.

In F i g. 1 ist schematisch eine Anlage zum Verschlüsseln, Übertragen und Entschlüsseln von Sprachinformation dargestellt Auf der Sendeseite 5 ist ein elektroakustischer Wandler 1, z. B. Mikrophon, vorhanden, der die Schallwellen in Tonfrequenzspannungen umwandelt Die am Ausgang des Wandlers 1 erscheinenden analogen Sprachsignale werden in einem ersten sendeseitigen Schaltungsteil 2, der noch näher beschrieben werden wird, in zwei oder mehr Frequenzbänder aufgeteilt. Die Analogsignale jedes Frequenzbandes werden in digitale Signale umgewandelt, die in der Zeitachse in Hauptblöcke A, B aufgeteilt werden. Jeder Hauptblock A, B wird in eine gegebene Anzahl von zeitlich gleich großen Unterabschnitten unterteilt. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Hauptblöcke in vier Unterabschnitte 1—4 unterteilt. In einer noch näher zu beschreibenden zweiten sendeseitigen Schaltungsanordnung 3 werden die Unterabschnitte 1—4 der Hauptblökke A, B mit Unterabschnitten desselben Hauptblockes und/oder mit den Unterabschnitten eines zeitgleichen Hauptblockes eines anderen Frequenzbandes vertauscht, wobei diese Vertauschung gemäß einer von einem Schlüsselgenerator erzeugten Schlüsselinformation erfolgt. In dieser zweiten Schaltungsanordnung 3 erfolgt anschließend ein Umwandeln der digitalen Signale der vertauschten Unterabschnitte in analoge Signale und ein Zusammenstellen der vertauschten Untergruppen zu neuen Hauptgruppen A', B'. Diese neuen Hauptgruppen A', B' werden über die Übertragungsstrecke Üan die Empfangsseite E übermittelt.

Die ankommenden Hauptblöcke A', B' werden in einer ersten empfangsseitigen Schaltungsanordnung 4 in eine der Sendeseite 5 entsprechende Anzahl von Frequenzbändern aufgeteilt. Die Analogsignale jedes Hauptblockes A', B' werden in der Schaltungsanordnung 4 in digitale Signale umgewandelt, die wieder in Unterabschnitte unterteilte Hauptblöcke aufgeteilt werden. Im weitern werden die vertauschten Unterabschnitte 1—4 der zeitgleichen Hauptblöcke A', B'ge mäß einer Schlüsselinformation, die von einem Schlüsselgenerator erzeugt wird und der auf der Sendeseite 5 verwendeten Schlüsselinformation entspricht, wieder derart ausgetauscht, daß die Reihenfolge der Unterabschnitte 1—4 jedes Hauptblockes A. B wieder der auf der Sendeseite S ursprünglich vorhandenen Reihenfolge entspricht. In einer zweiten empfangsseitigen Schaltungsanordnung 5 werden die digitalen Signale der Hauptblöcke A, B wieder in analoge Sienale umsewan-

delt, die mittels eines elektroakustischen Wandlers 6 (Lautsprecher) wieder in Schalleistung umgewandelt werden.

Anhand des Blockdiagramms der Fig.2 wird im folgenden das sendeseitige Gerät zum Verschlüsseln der Sprachinformation beschrieben.

Die am Eingang EIN ankommenden, vom nicht gezeigten elektroakustischen Wandler 1 herrührenden analogen unverschlüsselten Sprachsignale werden mittels einer Frequenzweiche 7, die aus zwei Filtern 8, 9 besteht, in zwei Frequenzbänder aufgeteilt. Jedes Frequenzband bestimmt einen Informationskanal 1\ bzw. h. Der Frequenzweiche 7 bzw. 8 nachgeschaltet ist in jedem Informationskanal /ι, h ein Analog-Digitalwandler 10 bzw. 11, der die Analogsignale in digitale Signale umwandelt. Die Digitalisierung der analogen Sprachinformation kann auf eine bekannte Art und Weise erfolgen, z. B. nach der in der Schweizer Patentschrift 5 42 552 beschriebenen modifizierten Delta-Methode. Die am Ausgang der Wandler 10,11 erscheinenden Impulsserien werden in die bereits erwähnten Hauptblökke A, B unterteilt, die in eine Speicherschaltung 12 eingespeichert werden. Jeder Hauptblock A, B wird in eine gegebene Anzahl von zeitlich gleich großen Unterabschnitten A 1—/4 4 bzw. B i — B4 unterteilt, wie das in F i g. 3 gezeigt ist und anhand der F i g. 1 bereits erwähnt wurde. Jeder Unterabschnitt 1—4 wird z. B. aus fünf oder sieben Bits gebildet, analog zu den 5er oder 7er-Gruppen, welche im CCITT-Fernschreibcode Nr. 2 bzw. 5 zur Darstellung eines Zeichens dienen.

Die Speicherschaltung 12 weist eine nicht näher dargestellte Schaltungsanordnung auf, in welcher die Unterabschnitte Ai-A4 bzw. Bi-B4 von zeitgleichen Hauptblöcken A und B (F ig. 3) mit Unterabschnitten desselben Hauptblockes oder mit Unterabschnitten eines Hauptblockes des anderen Informationskanals permutiert werden. Diese Permutation ist möglich, da die die einzelnen Unterabschnitte bildenden Impulspakete zeit- und frequenzneutral sind.

Die Permutation der Unterabschnitte erfolgt aufgrund einer Schlüsselinformation, die von einem nicht näher beschriebenen Schlüsselgenerator 13 erzeugt wird- Die Erzeugung dieser Schlüsselinformation, die dauernd geändert wird, erfolgt auf eine in der Kryptologie an sich bekannte Weise. Zur Synchronisation von Speicherschaltung 12 und Schlüsselgenerator 13 ist ein Taktgeber 14 vorhanden.

Nach dem Permutieren der Unterabschnitte A 1 — A 4 bzw. Bi-B 4 werden die Impulse dieser Unterabschnitte in jedem Informationskanal /1 bzw. I₂ einem Digital-Analogwandler 15 bzw. 16 zugeführt, wo eine Umwandlung der Digitalsignale in analoge Signale erfolgt. Diese Digital-Analogumwandlung erfolgt auf gleiche Weise wie die Analog-Digitalumwandlung in den Wandlern 10 und 11.

Die zu neuen Hauptblöcken A'. ß'(Fig. 1) zusammengeführten Unterabschnitte erscheinen in jedem Informationskanal /1, h als kontinuierliches Analogsignal, das einer Ausgangsweiche 17, die aus zwei Filtern 18,19 gebildet wird, zugeführt wird. In dieser Ausgangsweiche 17 werden die Analogsignale jedes Informationskanals /;. I, zusammengesetzt Die am Ausgang AUS erscheinende Signale, welche eine verschlüsselte Sprachinformation darstellen, werden auf eine geeignete, an sich bekannte Weise an die Empfangsseite übertragen. Die zeitgleichen Hauptblöcke A', B' werden dabei parallel übermittelt.

Das vorstehend beschriebene Gerät umfaßt die beiden in F i g. 1 gezeigten Schaltungsanordnungen 2 und 3. Das in der Fig.2 gezeigte Gerät kann entsprechend zum Entschlüsseln der am Eingang EIN ankommenden verschlüsselten Analogsignale dienen, wobei die Funktionsweise der oben beschriebenen Funktionsweise entspricht. Am Ausgang AUS erscheinen dann die entschlüsselten klaren Analogsignale, die im elektroakustischen Wandler 6 (Fig. 1) hörbar gemacht werden. In diesem Fall umfaßt das Gerät gemäß F i g. 2 die Schaltungsanordnungen 4 und 5 gemäß F i g. 1.

Um auf der Empfangsseite ein richtiges Entschlüsseln der auf der Sendeseite verschlüsselten Sprachinformation zu gewährleisten, müssen die beiden Schlüsselgeneratoren auf der Empfangs- und der Sendeseite miteinander synchronisiert werden. Diese Synchronisation kann auf verschiedene Weise erfolgen. Bei der beschriebenen Aufteilung in mehrere, d. h. mindestens zwei Frequenzbänder ist es z. B. möglich, zwischen den Frequenzbändern einen Tonträger vorzusehen. In der F i g. 3 ist dieser Tonträger mit 20 bezeichnet und bei 1600 Hz zwischen die beiden durch die Hauptblöcke A, B dargestellten Frequenzbänder eingelegt. Dieser Tonträger wird mit kleinem Frequenzhub frequenzmoduliert. Dieser frequenzmodulierte Tonträger wird jeweils zwischen zwei zeitgleiche Hauptblöcke angeordnet an die Empfangsseite übertragen.

Die Frequenzmodulation dient in bekannter Weise zur Synchronisierung des Schlüsselgenerators auf der Empfangsseite. Der Träger selbst kann gleichzeitig a!s Referenzfrequenz für das empfangsseitige Gerät und sein Pegel als Referenzpegel dienen. Dies ist von Vorteil, wenn die Übertragung über Funkstrecken erfolgt, und das empfangsseitige Gerät nicht quarzstabilisiert ist. Bei Klarinformation fallen geringe Frequenzabweichungen nicht ins Gewicht, da der Mensch auch erheblich in der Frequenz verschobene Sprachinformation noch erkennen kann. Für Schlüsselgeräte trifft das aber nicht zu. Aufgrund des Tonträgers ist es nun aber möglich, mittels automatischer Frequenz-Nachstimmverfahren, die im allgemeinen vom Hochfrequenzbereich her bereits bekannt sind und nun im Niederfrequenzbereich angewendet werden, die empfangsseitig eintreffenden Signale in die für das Empfangsgerät richtige Frequenzlage zu verschieben.

Um die vorstehend beschriebene Synchronisierung vornehmen zu können, muß das sendeseitige Verschlüsselungsgerät einen Tongenerator zur Erzeugung des Tonträgers und eine entsprechende Einrichtung zur Frequenzmodulation aufweisen. Das empfangende Entschlüsselungsgerät muß dementsprechend mit einer Demodulationseinrichtung und einer Frequenz- und Pegelnachstimmeinrichtung versehen sein.

Das beschriebene System hat den Vorteil, daß eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten bei der Permutation der Unterabschnitte möglich ist. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel mit zwei Frequenzbändern und vier Unterabschnitten pro Hauptblock ergeben sich 8! = ca. 4. - 10⁴ Permutationen, die bei entsprechender Auslegung des Schlüsselgenerators eine große Sicherheit gegen unbefugtes Entschlüsseln ergeben.

Es ist möglich, die ankommenden Sprachsignale auf mehr als zwei Frequenzbänder aufzuteilen und/oder die Hauptblöcke jedes Frequenzbandes in mehr als vier Unterabschnitte aufzuteilen. Dadurch wird die Anzahl der möglichen Permutationen erheblich erhöht

Eine Entschlüsselung durch Korrelation ist bei der beschriebenen Anlage sehr erschwert, da die vorliegende verschlüsselte Information aus einer Folge von Im-

pulspaketen gebildet ist, weiche sich zeit- und frequenzneutral verhalten.

Die beschriebene Anlage weist keine mechanisch bewegten Teile auf und benötigt nur übliche Sprachkanäle
für die Übertragung der verschlüsselten Information. 5

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verschlüsseln bzw. Entschlüsseln von Nachrichtensignalen, die in der Zeitachse in Hauptblöcke unterteilt werden, welche ihrerseits in zeitlich gleich große Unterabschnitte aufgeteilt werden, wobei Unterabschnitte gemäß einer Schlüsselinformation permutiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die einkommenden analogen Nachrichtensignale in mehrere Frequenzbänder aufgeteilt werden, von denen jedes einen Informationskanal (I\, /2) bestimmt, dessen Signale jeweils in digitale Signale umgewandelt werden, wonach in jedem Informationskanal die Aufteilung in Hauptblökke (A, B) bzw. Unterabschnitte (A 1 -A 4. B1 - B 4) zeitgleich erfolgt und die Unterabschnitte (A 1 — A 4, Bl-B4) mit Unterabschnitten desselben oder eines zeitgleichen Hauptblocks permutiert werden, und daß anschließend die digitalen Signale in jedem Informationskanal (Iu It) in analoge Signale umgewandelt werden und ein Zusammenstellen der vertauschten Unterabschnitte zu neuen Hauptblöcken (A', B') erfolgt, um ein Weiterverarbeiten der zeitgleichen neuen Hauptblöcke (A', B')jedes Informationskanals zu ermöglichen.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Schlüsselgenerator zum Erzeugen der einer Speicherschaltung zugeführten Schlüsselinformation, gekennzeichnet durch mindestens eine eingangsseitige Frequenzweiche (7) zum Aufteilen der ankommenden analogen Nachrichtensignale in die je einen Informationskanal bestimmenden Frequenzbänder, durch einen der Frequenzweiche (7) nachgeschalteten Analog-Digitalwandler (10, 11) in jedem Informationskanal (l\, /2) zur Umwandlung der analogen Nachrichtensignale in digitale Signale, wobei die Speicherschaltung (12) die Impulsserien von den Analog-Digitalwandlern (10,11) speichert und die eingespeicherten Impulsserien jedes Informationskanals (7_lt /2) in die zeitgleichen Hauptblöcke (A, B) unterteilt und diese Hauptblöcke in die zeitlich gleich großen Unterabschnitte (AX-A4, BX-B4) aufteilt, wobei die Speicherschaltung eine Schaltungsanordnung aufweist, die ein Vertauschen der Unterabschnitte jedes Hauptblocks (A, B) mit Unterabschnitten desselben Hauptblocks oder mit Unterabschnitten eines zeitgleichen Hauptblocks eines anderen Informationskanals gemäß der erhaltenen Schlüsselinformation aus dem mit der Speicherschaltung zusammenwirkenden Schlüsselgenerator (13) durchführt, durch einen der Speicherschaltung (12) nachgeschalteten Digital-Analogwandler (15, 16) in jedem Informationskanal (h, /2) zum Umwandeln der digitalen Signale in analoge Signale, wobei am Ausgang jedes Informationskanales (l\, h) neue, aus vertauschten Untergruppen gebildete zeitgleiche Hauptblöcke (A' B')zur Weiterverarbeitung anstehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verschlüsseln zwischen zeitgleichen Hauptblöcken (A, B; A'. B') von zwei Informationskanälcn (I], /2) ein frequenzmodulierter Tonträger (20) vorgesehen wird, der beim Entschlüsseln als .Synchronisierinformation und Frequenzreferenzgröße dient.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Digital-Analogwandlern (15, 16)

eine Ausgangsweiche (17) nachgeschaltet ist, die aus in jedem Informationskanal (I\, /2) angeordneten Filtern (18, 19) gebildet ist und an deren Ausgang (AUS) die verschlüsselten bzw. entschlüsselten analogen Nachrichtensignale anstehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingangsseitige Frequenzweiche (7) aus mindestens zwei Filtern (8, 9) besteht, von denen jedes in einem Informationskanal (Iu I₂) angeordnet ist

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, zum Verschlüsseln von Nachrichtensignalen, gekennzeichnet durch einen Tongenerator zur Erzeugung eines Tonträgers und eine Modulationseinrichtung zur Frequenzmodulation dieses Tonträgers, wobei der frequenzmodulierte Tonträger zwischen zeitgleichen Hauptgruppen (A, B; A', B')von zwei Informationskanälen (I], /2) angeordnet wird und als Synchronisierinformation und Frequenzreferenzgröße für die entschlüsselnde Vorrichtung dient.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Tonträger als Pegelreferenzgröße dient.