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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Funksystem, insbesondere mobiles
Funksystem, zur digitalen Informationsübertragung zwischen zwei und
mehr Sende-Empfangsstationen, bei dem die in aufeinanderfolgenden
Rahmen jeweils zu übertragenden
Informationen sendeseitig mittels einer Schlüsseleinrichtung verschlüsselt und
empfangsseitig mittels einer gleichen Schlüsseleinrichtung entschlüsselt sind.
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Bei
taktischen Funknetzen kommt der Störresistenz eine besondere Bedeutung
zu. Der Sicherheit gegen Abhören
wird durch eine Verschlüsselung der
zu übertragenden
Informationen Rechnung getragen. Neben dieser Abhörsicherheit
ist aber auch eine Sicherheit gegen Eindringen von Fremdstörern in
das Netz wichtig. Mit Verschlüsselung
arbeitende Systeme haben im wesentlichen den Nachteil, daß im Verbindungsaufbau
die Schlüsselgeräte der Sende-Empfangsstationen
erst synchronisiert werden müssen.
Diese Synchronisationsprozeduren erfolgen dabei zwangsweise unverschlüsselt. Ein
Störer
hat deshalb die Möglichkeit,
dadurch in das Funknetz einzudringen, daß er einen solchen Verbindungsaufbau
und die sich daran anschließende
verschlüsselte Information
auf Magnetband aufzeichnet und innerhalb der Geltungsdauer eines
Tagesschlüssels
zur Irritierung beliebig oft aussendet. Die Sende-Empfangsstationen
synchronisieren auf diese Sendungen und entschlüsseln darüber hinaus auch die Nachricht,
die der Störer
Stunden früher
auf Magnetband aufgezeichnet hatte. Wegen der richtigen Entschlüsselung
können
die Sende-Empfangsstationen nicht mehr zwischen der Nutz- und der
Störübertragung unterscheiden.
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Ein
solches Eindringen eines Störers
in ein Funknetz kann dadurch vermieden werden, daß auch der
Verbindungsaufbau verschlüsselt
erfolgt. Dies erfordert aber Schlüsselgeräte, die im Dauerbetrieb stets
synchron zueinander sind. Da einerseits die Genauigkeit der zur
Verfügung
stehenden Frequenznormale, insbesondere die von Quarzoszillatoren
begrenzt ist und andererseits die Entschlüsselung einer empfangenen verschlüsselten
Nachricht nur richtig erfolgt, wenn zwischen dem sendeseitigen Schlüsselgerät und dem
empfangsseitigen Schlüsselgerät Bit-Synchronisation
vorherrscht, ist ein solcher Langzeitsynchronismus nur bei einem
sehr hohen technischen Aufwand vorstellbar. Einem solchen Aufwand
stehen nicht nur Bedenken wirtschaftlicher Art entgegen, sondern
auch die Tatsache, daß gerade
bei mobilen Sende-Empfangsstationen ein möglichst geringes Volumen bei
möglichst
kleinem Gewicht des Gesamtgerätes
anzustreben ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Fun system der einleitend
beschriebenen Art eine Lösung
aufzuzeigen, die bei relativ geringem technischen Auf wand an Synchronisiermitteln
einen verschlüsselten
Verbindungsaufbau zwischen zwei und mehr Sende-Empfangsstationen
ermöglicht
und damit das Funknetz gegenüber
dem Eindringen fremder Störer
abblockt.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einem Funksystem der genanten Art dadurch
gelöst,
daß jeweils
die Taktphase des Schlüsselgenerators
der Schlüsseleinrichtung
einer Station durch deren Sendetaktphase fest vorgegeben ist, daß ferner
in den Schlüsseleinrichtungen
der Stationen das Schlüsselsignal
jeweils im Vorlauf erzeugt und über
eine taktgesteuerte Einlesevorrichtung burstweise mit überhöhter Bitfolgefrequenz
abwechselnd in wenigstens zwei Pufferspeicher eingespeichert ist,
daß außerdem in
den Pufferspeichern eine Auslesevorrichtung nachgeschaltet ist, über die
hinweg die Schlüsselsignale
unter Aufhebung des Vorlaufs kontinuierlich dem Ver- bzw. Entschlüssler der
Schlüsseleinrichtung
zugeführt
sind und daß für die empfangsseitige Entschlüsselung
die Auslesevorrichtung über
die Steuertakte durch ein zu Beginn eines Verbindungsaufbaues von
der Sende- zur Empfangsseite übermitteltes
Zeitzeichen auf die Bit- und
Rahmenperiode des empfangenen verschlüsselten Signals synchronisiert
ist.
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Der
Erfindung liegt die neue Erkenntnis zugrunde, daß auf eine Bit-Synchronisation
der Schlüsselgeräte von zwei
oder mehr miteinander in Verbindung tretender Stationen im Hinblick
auf den Verbindungsaufbau abgesehen werden kann, wenn die Schlüsselsignale
vorab erzeugt, in Pufferspeicher eingelesen und in Abhängigkeit
eines empfangenen Zeitzeichens bitsynchron zum ankommenden verschlüsselten
Signal wieder ausgelesen und dem Entschlüssler zugeführt werden. Das Zeitzeichen
kann dabei ebenfalls wenigstens teilweise verschlüsselt sein.
Seine Entschlüsselung
ist nämlich
dadurch gesichert, daß der
zugehörige
Schlüsseltext
ja ebenfalls bereits vorab zur Verfügung steht und somit für jedes
ankommende Bit eines Zeitzeichens der volle Schlüsseltext für die Prüfung auf Übereinstimmung zur Verfügung steht.
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Zweckmäßig erfolgt
das burstweise Einspeichern der Schlüsselsignale in die Pufferspeicher
im Rhythmus der Informationsrahmenfolge. Diesem Sachverhalt kommt
insbesondere dann Bedeutung zu, wenn zur Sicherung des Systems gegen
Hochfrequenzstörer
bei der Informationsübertragung
von einem Frequenzsprungbetrieb Gebrauch gemacht wird und dabei
die Frequenzsprungintervalle durch die aufeinanderfolgenden Informationsrahmen
vorgegeben werden.
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Sinnvoll
ist es ferner, das Schlüsselsignal
für einen
vorgegebenen Informationsrahmen sendeseitig im Zeitraum des vorausgehenden
Informationsrahmens zu erzeugen. Um in diesem Zusammenhang die zulässige Phasenverschiebung
zwischem dem empfangsseitig erzeugten Schlüsselsignal und dem ankommenden
verschlüsselten
Signal möglichst
groß zu
machen, ist es sinnvoll, die Dauer der Schlüsselsignalbursts klein gegenüber der
Periode eines Informationsrahmens zu wählen und sie darüber hinaus
jeweils in der Mitte eines Informationsrahmens vom Schlüsselgenerator über die
Einlesevorrichtung in einen der Pufferspeicher zu übertragen.
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Da
gerade bei der Übertragung
verschlüsselter
Informationen unter Anwendung eines Frequenzsprungbetriebs gerne
davon Gebrauch gemacht wird, die pseudozufällige Auswahl der aufeinanderfolgenden
Trägerfrequenzen
ebenfalls durch die vom Schlüsselgenerator
erzeugten Schlüsselsignale
zu steuern, ist es vorteilhaft, wenn jeder Pufferspeicher aus zwei
und mehr Unterspeichern besteht, die unabhängig voneinander über die
Auslese vorrichtung ausgelesen werden können. Auf diese Weise können die
für die
Ver- bzw. Entschlüsselung
der Information, die pseudozufällige
Frequenzwahl und die Kennung bzw. das Zeitzeichen vorgesehenen Schlüsselsignalanteile
nach ihrer Einspeicherung in den Pufferspeicher voneinander unabhängig ausgelesen
und den zugehörigen
Einrichtungen zugeführt
werden.
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Die
Netzsynchronisation der Sendephase, der Sende-Empfangsstationen
kann in einfacher und vorteilhafter Weise mittels einer von den
Stationen in vorgeebenen, vorzugsweise unregelmäßigen Zeitabständen empfangenen
Bakensendung über
der Zeit aufrechterhalten werden.
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Anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung
im folgenden noch näher
erläutert
werden. In der Zeichnung bedeuten
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1 das
Blockschaltbild einer Sende-Empfangsstation mit einer Schlüsselspeichereinrichtung nach
der Erfindung,
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2 eine
Ausführungsform
einer Schlüsselspeichereinrichtung
mit zwei Pufferspeichern nach 1,
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3 die
Funktion der Sende-Empfangsstation nach 1 näher erläuternde
Zeitdiagramme.
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Im
Blockschaltbild der 1 bedeutet A die Antenne, die
wahlweise über
dem Umschalter U an die Sendeeinrichtung SE oder die Empfangseinrichtung
EE anschaltbar ist. Auf seiten der Sendeeinrichtung befindet sich
das Mikrofon M, dessen Ausgangssignal im Analog-Digital-Wandler A/D digitalisiert
und anschließend
einer sendeseitigen Fehlersicherungseinrichtung EDC/S zugeführt wird.
Die fehlergesicherten Codeworte werden anschliessend dem Verschlüssler in
Gestalt eines Modulo-Zwei- Addierers
M zugeführt,
an dessen zweiten Eingang das von der Schlüsselspeichereinrichtung SPE
gelieferte Schlüsselsignal
ansteht. Zwischen dem Ausgang des Modulo-Zwei-Addierers M und der Sendeeinrichtung SE
ist weiterhin ein Zeitzeichengeber ZG angeschaltet. Das vom Zeitzeichengeber
ZG gelieferte Zeitzeichen markiert die Sendephase und hat zweckmäßig einen
verschlüsselten
Anteil. Zur Erzeugung des verschlüsselten Anteils empfängt der
Zeitzeichengeber ZG ebenfalls ein Schlüsselsignal von der Schlüsselspeichereinrichtung
SPE. In der Sendeeinrichtung SE wird das in der Basislage erzeugte
digitale verschlüsselte
Informationssignal zum Modulieren (z. B. FSK) einer Hilfsschwingung
benutzt. Mit Hilfe einer vom Synthesizer SR gelieferten Umsetzschwingung wird
die Hilfsschwingung in die Radiofrequenzlage umgesetzt und anschließend über den
Umschalter U und die Antenen A zu einer entfernten Sende-Empfangsstation
abgestrahlt.
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Die
Empfangseinrichtung EE wird vom Synthesizer SR ebenfalls mit einer
Umsetzschwingung versorgt und liefert nach entsprechender Demodulation
an ihrem Ausgang das empfangene Signal in der Basislage. Dem Ausgang
der Empfangseinrichtung EE ist der Zeitzeichenkorrelator ZK, der
den Entschlüssler
darstellender Modulo-Zwei-Addierer
M und die Synchronisiereinrichtung SYN angeschaltet. Der Zeitzeichenkorrelator
ZK und der Modulo-Zwei-Addierer
M erhalten die für
die Entschlüsselung
erforderlichen Schlüsselsignale
ebenfalls von der Schlüsselspeichereinrichtung
SPE. Dem empfangsseitigen Modulo-Zwei-Addierer ist die empfangsseitige
Fehlersicherungseinrichtung EDC/E nachgeschaltet, die auf der Übertragungsstrecke durch
Störung
auftretende Bitfehler erkennt und gegebenenfalls korrigiert. Auf
der Ausgangsseite der Fehlersicherungseinrichtung folgt im Signalweg
der Digital-Analogwandler D/A an dessen Ausgang das übertragene
Signal vom Hörer
H akustisch wahrnehmbar abgegeben wird. Über einen zweiten Ausgang ist
die Fehlersicherungseinrichtung EDC/E mit dem Auswerter AW verbunden,
der eine Korrektur der von der Synchronisiereinrichtung SYN erzeugten Steuertakte
Ts für
die Ausgangsseite der Schlüsselspeichereinrichtung
SPE verhindert, wenn ihm durch die Fehlersicherungseinrichtung EDC/E
gemeldet wird, daß das
empfangene Signal nicht mehr empfangen wird.
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Der
Zeitzeichenkorrelator ZK dient ebenfalls dem Empfang der Bake, die
in gewissen Abständen von
einer Station für
alle Sende-Empfangsstationen ausgesendet wird, und die der Aufrechterhaltung
der Synchronisation zwischen den Schlüsselgeräten der einzelnen Sende-Empfangstationen
dient. Die Auswertung der Bake erfolgt in der Bakenauswertung BA die
eingangsseitig mit dem Ausgang des Zeichenkorrelators ZK verbunden
ist. Die Taktversorgung TV erhält
ihren Grundtakt von dem Grundtaktgenerator GT. Der Grundtaktgenerator
GT ist ausgangsseitig ebenfalls unmittelbar mit der Synchronisiereinrichtung
SYN verbunden. Die Taktversorgung TV besteht im wesentlichen aus
Frequenzteilern, die teilweise zur Korrektur der von ihr gelieferten
Steuertakte vom Ausgang der Bakenauswertung BA mit Korrektursignalen
versorgt wird.
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Die
Sende-Empfangsstation nach 1 ist für einen
Frequenzsprungbetrieb ausgelegt. Hierzu wechselt der Synthesizer
SR im Rhythmus von beispielsweise 12,5 ms die für die Sendeeinrichtung SE und
die Empfangseinrichtung EE erforderlichen Umsetzschwingungen in
Abhängigkeit
des Frequenzadressengebers AD, der eingangsseitig von den Schlüsselsignalen
der Schlüsselspeichereinrichtung SPE
angesteuert wird. Dieser Frequenzwechselrhythmus fällt mit
dem Rahmenwechsel der in Informationsrahmen zusammengefaßten fehlergesicherten
Code worte zusammen. Es vereinfacht nicht nur die gesamte Ablaufsteuerung
sondern gewährleistet darüber hinaus
auch, daß im
Zeitraum der Durchführung
eines Frequenzwechsels keine Störung
der zu übertragenden
Information auftreten kann.
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Die
Schlüsselspeichereinrichtung
SPE besteht aus dem Schlüsselgenerator
SG dem die Einlesevorrichtung ES nachgeschaltet ist. An die Einlesevorrichtung
ES schliessen sich die Pufferspeicher PS1, PS2 ... PSn an, die ausgangsseitig
wiederum mit der Auslesevorrichtung AS in Verbindung stehen. Die
Auslesevorrichtung wird, wie bereits ausgeführt worden ist, von der Synchronisiereinrichtung
SYN gelieferten Steuertakte Ts gesteuert. Bei Simplexbetrieb bzw.
Zeitduplexbetrieb werden im allgemeinen lediglich zwei Pufferspeicher
benötigt,
in die im Rhythmus der Informationsrahmenfolge abwechselnd die im
voraus erzeugten Schlüsselsignale burstweise
eingespeichert und in Abhängigkeit
des im Zeichenkorrelator ZK empfangenen Zeitzeichens zeitrichtig
für die
Modulo-Zwei-Addierer
M und das Frequenzadressenregister AD des Synthesizers SR ausgelesen
werden. Entsprechend werden die Schlüsselsignale für den sendeseitigen
Zeichengeber ZG und den empfangsseitigen Zeichenkorrelator ZK rechtzeitig
zur Verfügung
gestellt. Bei Duplexbetrieb, bei dem gleichzeitig in der einen Richtung
gesendet und in der anderen Richtung empfangen werden kann, werden
für jede Übertragungseinrichtung wenigstens
zwei Pufferspeicher benötigt,
die jedoch alle vom gleichen Schlüsselgenerator SG mit Schlüsselsignalen
versorgt werden können.
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Die
von der Taktversorgung TV gelieferten Takte T sind lediglich durch
einen Ausgang in Form eines Zungenpfeils dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
wurde darauf verzichtet, die einzelnen Takte jeweils an die einzelnen
Einrichtungen, wo sie benötigt
werden, durch ausgezogene Linien anzugeben. Die Taktzufuhr bei den
verschiedenen Einrichtungen ist durch jeweils einen auf die Einrichtung zu
ausgerichteten kurzen Pfeil angedeutet.
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Im
Blockschaltbild der 2 ist eine Schlüsselspeichereinrichtung
SPE für
zwei Pufferspeicher PS1 und PS2 dargestellt. Jeder der zwei Pufferspeicher
PS1 und PS2 besteht aus drei Unterspeichern RN, RK und RSy. Die
drei Speicher sind jeweils hintereinandergeschaltet und haben einen
speziellen Ausgang zur ausgangsseitigen Auslesevorrichtung AS. Der
Unterspeicher RSy ist ein neunstelliges Schieberegister und nimmt
den mit jedem Schlüsselsignalburst
ankommenden Schlüsselsignalanteil
für den
pseudozufällig über den
Frequenzadressenspeicher AD zu steuernden Synthesizer SR auf. Der
Unterspeicher RK ist ein 49-stelliges Schieberegister und empfängt jeweils
den für
die Ver- bzw. Entschlüsselung
der Kennung erforderlichen Schlüsselsignalanteil
pro Schlüsselsignalburst.
Der Unterspeicher RN dient lediglich der Ver- bzw. Entschlüsselung der eigentlichen Nutzinformation
und weist beispielsweise 176 Speicherplätze auf.
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Zum
besseren Verständnis
der Wirkungsweise sind in 3 über der
Zeit t eine Reihe von Diagrammen aufgetragen, anhand der die Wirkungsweise
der Schlüsselspeichereinrichtung
SPE nach 1 noch näher erläutert werden soll.
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Im
obersten Diagramm RT ist der Rahmentakt mit den Informationsrahmen
R und über
den Informationsrahmen die aufeinanderfolgenden vom Synthesizer
gelieferten Frequenzen f1, f2 ... fn und fn + 1 aufgetragen. Die
Phasenlage des Rahmentaktes RT entspricht der Sendephase des Sende-Empfangsgeräts nach 1 die
eben falls für
den Schlüsselgenerator
SG maßgebend
ist. Das Diagramm LV zeigt den Verlauf der Ladephase, mit der die
beiden Pufferspeicher PS1 und PS2 wechselweise über die Einlesevorrichtung
ES nach 2 mit Schlüsselsignalen geladen werden.
Die Ladedauer Lt, bzw. die Schlüsselsignalburstdauer
ist klein gegenüber
der Periode eines Informationsrahmens R gewählt. Außerdem ist die Ladephase für die Mitte
eines Informationsrahmens festgelegt. In den darunter angegebenen
Diagrammen LV1 und LV2 ist der Verlauf des Ladens des Pufferspeichers
PS1 und des Pufferspeichers PS2 getrennt dargestellt. Die Ladephasen
sind dabei für
beide Pufferspeicher durch unterschiedliche Schraffierung gekennzeichnet.
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Zu
Beginn eines Verbindungsaufbaus wird von der rufenden Station zur
Erkennung des Rufes ein Zeitzeichen übertragen, das ebenfalls die
Breite eines Rahmens R hat und aus dem Doppelzeichen Z+ und Z– besteht.
Im Falle des Diagramms FRn ist angenommen, daß das Zeitzeichen mit der Sendephase
der empfangenen Station übereinstimmt,
daß also
das Zeitzeichen Z+/Z– in
den Informations- bzw. Frequenzrahmen hineinfällt und damit eine Phasenkorrektur
der Steuertakte Ts für
die Auslesevorrichtung AS nicht erforderlich ist. Im unter dem Diagramm
FR dargestellten Diagramm ES wird somit bei Beginn des durch die
Frequenz f3 bestimmten Informationsrahmens das sich an das Zeitzeichen
anschließende
Nutzsignal NS einwandfrei entschlüsselt und dieses Nutzsignal
mit der Ankunft des Schlußsignals
SS beendet.
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Der
Fall, in dem bei einem Verbindungsaufbau das ankommende Signal gegenüber der
Sendephase voreilt, ist im Diagramm FRv dargestellt. Die Voreilung
wird hier dadurch erkannt, daß das
invertierte Zeitzeichen Z– bei
der Empfangsfrequenz f1 erkannt wird. Über die Synchronisiereinrichtung
SYN nach 1 wird nunmehr die Phase des
Empfangsrahmens, wie das folgende Diagramm RTv zeigt verkürzt und
damit die Steuertakte Ts für
die Auslesevorrichtung AS auf die Empfangsphase nachkorrigiert. Das
verschlüsselte
Signal entsprechend dem Diagramm ESv wird hier also ebenfalls mit
Beginn des durch die Frequenz f3 bestimmten Informationsrahmens
bit-synchron entschlüsselt,
wobei jedoch die Phase nunmehr gegenüber dem Diagramm ESn um einen
Betrag der etwas kleiner als eine halbe Periode eines Informationsrahmens
R ist, voreilt. Der entsprechende Verlauf für eine Nacheilung des empfangenen
verschlüsselten
Signals gegenüber
der Sendeseite der empfangenen Station zeigen die Diagramme FRn,
RTn und ESn. Hier erfaßt
der Empfänger
das ankommende Zeitzeichen Z+ und stellt damit fest, daß die eigene
Sendephase gegenüber
der Phase des empfangenen Signals nacheilt. Dies führt über die
Synchronisiereinrichtung SYN wiederum zu einer entsprechenden Korrektur
der Rahmenphase in der Weise, daß nunmehr der Informationsrahmen für die Frequenz
f1 entsprechend verlängert
wird.
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Wie
bereits darauf hingewiesen worden ist, erzeugt der Schlüsselgenerator
SG die Signale im voraus. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel
erzeugt er die Schlüsselsignale
für einen
vorgegebenen Informationsrahmen R im voraus und speichert sie in
der Mitte des vorausgehenden Rahmens in den jeweiligen Pufferspeicher
ein. Je kürzer
die Burstdauer der einzuspeichernden Schlüsselsignale ist, desto größer ist
die zulässige
Phasenverschiebung der Sendephase der empfangenden Station gegenüber der
Phase des zu empfangenden verschlüsselten Signals. Maximal beträgt die zulässige Phasenverschiebund ±R/2 –Lt/2. Bei
einer Rahmenlänge
von 12,5 ms entspricht dies beim dargestellten Ausführungsbeispiel
in etwa ±5
ms. Die Einhaltung dieser Grenzen läßt sich mit Hilfe der erwähnten Bakensendung
auch dann leicht einhalten, wenn die Bake über länger Zeit in der Größenordnung
von ein bis zwei Stunden nicht empfangen werden kann. Dies gibt eine
ausreichende Sicherheit für
den bei verschlüsseltem
Verbindungsaufbau erforderlichem Synchronismus der Schlüsselgeräte der Sende-Empfangsstationen
im Dauerbetrieb. Da dieser verschlüsselte Verbindungsaufbau in
Verbindung mit der verschlüsselten Übertragung
auch, wie gezeigt wurde, einen schnellen Frequenzsprungsbetrieb
ermöglicht,
bietet das Funksystem nach der Erfindung eine umfassende Sicherheit
gegen Abhören
und Eindringen eines Störers
in das Funknetz sowie eine Umgehung der durch Frequenzstörer bewirkten Übertragungsstörungen.