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System zur verschlüsselten Faksimile-Übertragung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur verschlüsselten Faksimile-Übertragung
in analoger Form, insbesondere über Kurzwellenfunk, bei dem zur sendeseitigen Verschlüsselung
und zur empfangsseitigen Entschlüsselung jeweils in der digitalen Ebene sende- bzw.
empfangsseitig dem Schlüssler bzw. Entschlüssler ein Analog-Digitalwandler vor-
und eilDigital-Analogwandler nachgeschaltet ist.
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Bei Bildübertragungssystemen liefert das sendeseitig vorgesehene Bildabtastgerät
üblicherweise ein Analogsignal, dessen Amplitude von der Helligkeit des gerade betrachteten
Punktes abhängt. Für die Übertragung über Draht oder über Funk wird dieses Bildsignal
üblicherweise einem Träger in Amplitude oder Frequenz aufmoduliert. Die hierfür
erforderliche Bandbreite entspricht der eines Sprachkanals, so daß eine solche Faksimile-Übertragung
über das Telefonnetz erfolgen kann. Werden insbesondere bei der Übertragung über
Kurzwellenfunk Anforderungen an die Geheimhaltung der zu übertragenden Information
gestellt, dann kann das vom Bildabtastgerät gelieferte Basissignal digitalisiert
und anschließend je nach Anforderung an die Bildqualität in einem linearen oder
kompandierten PCM-Verfahren verschlüsselt und beispielsweise mit 2,4 kbit/s übertragen
werden. Bei Kurzwellenfunk ist dazu ein relativ aufwendiges Modem erforderlich,
das außerdem - verglichen mit der Analogübertragung - deutlich höhere Ansprüche
an die Qualität und die Bandbreite des übertragungsskanals stellt.
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Durch die US-PS 4 283 602 ist es bereits bekannt, lediglich die sendeseitige
Verschlüsselung des Bildsignals und dessen empfangsseitige Entschlüsselung in der
digitalen Ebene vorzunehmen. Hier wird also sendeseitig das digital verschlüsselte
Signal wiederum in die Analogebene umgesetzt und als analoges verschlüsseltes Signal
zur Empfangsseite hin übertragen. Um hier für das verschlüsselte analoge Signal
mit der durch einen Sprachkanal vorgegebenen Bandbreite auszukommen, wird das in
die analoge Ebene rückumgesetzte verschlüsselte digitale Signal über einen Tiefpaß
hinweg in seiner Bandbreite entsprechend begrenzt. Die Begrenzung bedeutet einen
Informationsverlust des empfangsseitig zurückgewonnenen Bildsignals, der jedoch
mit Rücksicht auf die Verschlüsselung in Kauf genommen wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Faksimile-Übertragungssystem
der einleitend beschriebenen Art, bei dem im Hinblick auf einen geringen Bandbreitebedarf
für den Übertragungskanal das Bildsignal sendeseitig in der digitalen Ebene lediglich
verschlüsselt und als analoges verschlüsseltes Bildsignal übertragen wird, eine
weitere Lösung anzugeben, die unter Berücksichtigung der praktisch auf die Übertragung
eines Sprachsignals beschränkten Bandbreite des Übertragungskanals ohne eine sendeseitige
Begrenzung des vom Schlüssler über den Digital-Analogwandler gelieferten analogen
verschlüsselten Bildsignals auskommt.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die sendeseitige
Ver- und die empfangsseitige Entschlüsselung der n bit aufweisenden, die Abtastwerte
in der digitalen Ebene darstellenden Codeworte mit der von einem Quasi-Zufallsgenerator
erzeugten Schlüsselimpulsfolge Modulo 2n erfolgt und daß hierzu der sendeseitige
Schlüssler ein Modulo "n-Addierer und der empfangsseitige Entschlüssler ein Modulo-2n-Subtrahierer
oder umgekehrt ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Bandbreite des
auf der Ausgangsseite dzs Schlüsslers hinter fsm Digital-Analogwandler a ftrevenden
analogen verschlüssel ten Bildsignals nicht grßer ist als die Bandbreite des dem
Schlüssler eingangsseitig über aen Analog-Digitaiwandler zugeführten Bildsignals,
sofern unter Verzicht auf eine bitweise Verschlüsselung die Verschlüsselung wortweise
erfolgt. Die wortweise Verschlüsselung bedeutet, daß den Codeworte darstellenden
Abtastwerten jeweils ein ebenfalls einen Abtastwert darstellendes gleichlanges Codewort
der Schlüsselimpulsfolge zuaddiert wird, wobei der den Maximalwert übersteigende
Anteil wiederum an der Nulllinie angesetzt wird. Auf diese Weise wird sichergestellt,
daß das anschließend zurückgewonnene analoge verschlüsselte Signal die gleiche Bandbreite
wie das analoge Signal vor der Verschlüsselung aufweist. Eine Begrenzung iSt also
nicht erforderlich. Das empfangsseitig zurückgewonnene ursprüngliche Bilasignal
weist also im Gegensatz zu der bekannten Anordnung keinen Informationsverlust auf.
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Dies ist besonders dann wichtig, wenn hinsichtlich der Übertragung
optimale Anforderungen an die Bildqualität gestellt werden.
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Bei der Modulo-2n-Verschlüsselung ist der Übergang vom einen Extremwert
in den anderen Extremwert von einer Stufe zur nächsten gegeben. Es kann also vorkommen,
daß auf der Sendeseite bei der Verschlüsselung gerade noch ein Umklappen vom einen
Extremwert zum anderen erzeugt wird, während das infolge Ubertragungsverzerrungen
auf der Strecke auf der Empfangsseite nicht mehr geschieht. Um hier Abhilfe zu schafen,
wird in vorteilhafter Weise vorgeschlagen, daß wenigstens empfangsseitig der Analog-Digitalwandler
im Sinne einer Kompandierung ein Quantisierungsraster aufweist, das wenigstens im
Bereich der Extremwerte (schwarz, weiß) deutlich gröber als die maximal zu erwartende
Übertragungsverzerrung ist. Diese Kompandierung wird im dem Entschlüssler nachfolgenden
Digital-
Analogwandler wieder rückgängig gemacht.
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Damit das übertragene Bild empfangsseitig in der richtigen Tönung
rekonstruiert werden kann, und darüber hinaus auch ein Schiefziehen des rekonstruierten
Bildes durch unterschiedliche Frequenz des sende- und des empfangsseitigen Taktgenerators
zu unterbinden, ist es sinnvoll, die Zeilensynchronimpulse des zu übertragenden
Bildsignals unverschlüsselt zur Empfangsseite zu übertragen und hier sowohl zur
Synchronisation des Taktgenerators als auch zur Bezugspegelregelung heranzuziehen.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll
die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten
Fig. 1 das Blockschaltbild der Sendeseite eines Faksimile-Übertragungssystems, Fig.
2 das zu Fig. 1 gehörige Blockschaltbild der Empfangsseite eines Faksimile-Übertragungssystems,
Fig. 3 das Zeitdiagramm eines Bildsignals, Fig. 4 das die Verschlüsselung des Bildsignals
auf der Sendeseite erläuternde Zeitdiagramm in analoger Darstellung, Fig. 5 ein
weiteres, die sendeseitige Verschlüsselung und die empfangsseitige Entschlüsselung
erläuterndes Zeitdiagramm in analoger Darstellung.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Blockschaltbild der Sendeseite eines
mit Verschlüsselung arbeitenden Faksimile-übertragungssystems wird das vom nicht
dargestellten Bildabtastgerät gelieferte Bildsignal BS dem Eingang des Analog-Digitalwandlers
A/D sowie dem Zeilenimpulsempfänger ZE zugeführt. Das Bildsignal besteht nämlich,
wie das Diagramm nach Fig. 3 zeigt, aus der Aufeinanderfolge des es Zeilenimpulses
ZP und des Bildinhalt BI. Dieses so gestaltete Bildsignal BS wiederholt sich mit
dem Beginn jeder
neuen vom Bildabtastsignal abgetasteten Zeile.
Das in liner Amplitude A über der Zeit t dargestellte Bildsignal die markiert mit
der Amplitude Ao des Zeilenimpulses ZP Farbe weiß im Sinne einer hundertprozentigen
Aussteuerung des Bildabtastgerätes. Die Amplitude Ao des Zeilenimpulses ZP stellt
somit für den nachfolgenden Bildinhalt BI den Bezugspegel dar.
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Das im Analog-Digitalwandler A/D codierte Bildsignal BS wird anschließend
dem Schlüssler in Form des Modulo-2n-Addierers M2n -A zugeführt, der ausgangsseitig
mit dem einen Eingang des Sperrgatters SG verbunden ist. Der Zeilenimpulsempfänger
ZE, der ausgangsseitig mit dem Sperreingang des Sperrgatters SG verbunden ist, sperrt
den Zeilenimpuls. Das vom Zeilenimpuls befreite digital verschlüsselte Bildsignal
gelangt über den Schalter s zum Eingang des Digital-Analogwandlers D/A. An diesem
Eingang wird der Zeilenimpuls anstelle des verschlüsselten Zeilenimpulses in Form
eines den Maximalwert des digitalen Signals aufweisenden Codewortes eingefügt. Dies
geschieht über den Maximalwertgeber MX, der eingangsseitig vom Ausgang des Zeilenimpulsempfängers
angesteuert wird. Das am Ausgang des Digital-Analogwandlers D/A anstehende verschlüsselte
analoge Bildsignal wird dem Sender S zugeführt, über dessen Ausgang a es dann der
Ubertragungsstrekke zugeführt wird.
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Dem Modulo-2n-Addiere2M2n-A wird am zweiten Eingang die Schlüsselimpulsfolge
des Pseudozufallsgenerators PN zugeführt. Wie bereits erwähnt wurde, erfolgt die
Verschlüsselung Modulo 2n Ist n beispielsweise gleich 4, dann werden in diesem Schlüssler
immer vier Bits, die jeweils einen Abtastwert des Bildsignals in codierter Form
darstellen, mit vier aufeinanderfolgenden Bits des Pseudozufallsgenerators PN addiert
und auf diese Weise ein neues 4 Bit aufweisendes verschlüsseltes Bildsignal-Codewort
erzeugt.
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Der Ausgang des Zeilenimpulsempfängers ZE ist weiterhin mit dem Synchronisier
eingang des Taktgenerators TG verbunden, der damit auf das ankommende Bildsignal
BS synchronisiert wird und dessen ausgangsseitiger Takt T den einzelnen Baugruppen
zur Verfügung steht.
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Zu Beginn einer Übertragung wird über den Startsignaleingang ST der
Pseudozufallsgenerator PN in eine vorgegebene Ausgangsstellung gebracht und anschließend
durch gleichzeitiges Umschalten des Schalters s die vom Pseudozufallsgenerator PN
erzeugte Schlüsselimpulsfolge in eine vorgegeben Länge dem Eingang des Digital-Analogwandlers
D/A zugeführt und anschließend in analoger Form über den Sender S zur Empfangsseite
übertragen. Dort wird diese Schlüsselfolge zur Synchronisation des dort für die
Entschlüsselung vorhandenen Pseudozufallsgenerators herangezogen.
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Wie das empfängerseitige Blockschaltbild nach Fig. 2 zeigt, wird das
über die Übertragungsstrecke am Eingang e des Empfängers E ankommende verschlüsselte
analoge Bildsignal in seine Basisbandlage umgesetzt und anschließend über einen
Regelverstärker VR dem dem Entschlüssler vorgeschalteten Analog-Digitalwandler AfD
zugeführt. Die Entschlüsselung erfolgt in dem den Entschlüssler darstellenden Modulo-2n-Subtrahierer
M2n-S, der wiederum über seinen zweiten Eingang die Schlüsselimpulsfolge des Pseudozufallsgenerators
PN erhält. Ausgangsseitig arbeitet der Entschlüssler auf den einen Eingang des Sperrgatters
SG, dessen Sperreingang mit dem Ausgang des auch hier vorhandenen Zeilenimpulsempfängers
ZE verbunden ist. Hierzu wird vom Ausgang des Regelverstärkers VR das analoge verschlüsselte
Bildsignal dem Eingang des Zeilenimpulsempfängers ZE zugeführt. Das Sperrgatter
SG hat also die Aufgabe, das in der digitalen Ebene entschlüsselte Bildsignal vom
Zeilenimpuls zu befreien und das so befreite Bildsignal über den dem Sperrgatter
SG nachfolgenden Digital/Analogwandler D/A in das ursprüngliche analoge Bildsignal
BS
umzusetzen.
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Zur Regelung des Empfängers auf den durch den Zeilenimpuls vorgegebenen
Bezugspegel ist dem Ausgang des Analog-Digitalwandlers A/D ein Decodierer DEC seinem
Eingang angeschaltet, der wiederum über einen zweiten Eingang vom Ausgang des Zeilenimpulsempfängers
ZE nach Auftreten eines Zeilenimpulses kurzzeitig aktiviert wird. Mittels der hierdurch
an seinem Ausgang enstehenden analogen Regelspannung wird der Regelverstärker VR
so eingestellt, daß der im Decodierer DEC decodierte Zeilenimpuls ZP den Maximalwert
entsprechend der Amplitude Ao nach Fig. 3 aufweist.
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Für die Startsynchronisation weist die Empfängerseite noch den Startdetektor
STD auf, dem eingangsseitig ebenfalls das am Ausgang des Regelverstärkers VR anstehende
verschlüsselte analoge Bildsignal zugeführt wird. Sobald der Startdetektor STD die
Startinformation in Form der in die analoge Ebene umgesetzten Schlüsselimpulsfolge
PN erhält, aktiviert er den Pseudozufallsgenerator PN, der damit von dieser Schlüsselimpulsfolge
am Ausgang des Analog-Digitalwandlers A/D auf die Sendeseite synchronisiert wird.
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Entsprechend der Sendeseite wird auch der empfängerseitige Taktgenerator
TG über den Zeilenimpulsempfänger ZE hinweg auf das ankommende Bildsignal synchronisiert.
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Zur Erläuterung der Modulo-2n-Verschlüsselung bzw. Entschlüsselung
sei zunächst auf die Fig. 5 eingegangen. Ein Abtastwert BSa eines Bildsignals BS,
der zur Verschlüsselung ansteht, ist in Form des dick ausgezogenen, von der Nullinie
ausgehenden Pfeiles angegeben. Diesem Abtastwert in Form eines n bit aufweisenden
Codewortes wird nun ein n bit aufweisendes PN-Codewort hinzugefügt. Diese PN-Information
ist in Form des in unterbrochener dicker Linie dargestellten Pfeiles PNa angegeben.
Das so erhaltene Summensignal (BSa + PNa)' geht um den Betrag v über den
Wert
Ao, der die hundertprozentige Aussteuerung angibt, hinaus. Gemäß der Modulo-2n-Addition
wird dieser Betrag v an der Nullinie angesetzt, was in Form des dick punktierten
Pfeils v angegeben ist. Der Betrag v stellt den übertragenen Wert des Abtastwertsummensignals
BSa+PNa dar.
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Auf der Empfangsseite wird vom verschlüsselten analogen Abtastwertsignal
BSa+PNa zur Entschlüsselung nunmehr die Schlüsselinformation PNa subtrahiert. Dieser
Subtraktionswert ist in Form des in unterbrochener dünner Linie gezeichneten Pfeils
in Fig. 5 angegeben. Er unterschreitet um den Betrag E die Nullinie. Entsprechend
der Modulo-2nsuDtraktion wird dieser Betrag E an der 100%-Linie entsprechend dem
Amplitudenwert Ao nach unten angesetzt. Das Ergebnis ist der ursprüngliche Abtastwert
BSa des Bildsignals BS in Form des hier in dünner ausgezogener Linie dargestellten
Pfeil es.
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m Zeitdiagramm der Fig. 4 ist über der Zeit t der Amplitudenverlauf
des Bildsignals BS im Zuge der Verschlüsseung in stark ausgezogener Linie angegeben.
Diesem Bildgnal BS wird die Schlüsselinformation PNe die hier ebenalls in ihrer
Wortaufeinanderfolge in analoger Form dargestellt ist, überlagert. Das Summensignal
zeigt die über den Amplitudenwert Ao hinausgehende Summenkurve (BS+PN)' - das verschlüsselte
analoge Signal (BS+PN) gibt schließlich der durch eine Punkt folge dargestellte
Kurvenverlauf wieder.
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Wie bereits erwähnt worden ist, kann zur Vermeidung von empfangsseitigen
Fehlern aufgrund von Übertragungsverzerrungen bei den empfangsseitigen Wandlern
von einer Kompandierung in Form eines Quantisierungsrasters Gebrauch gemacht werden,
bei rn wenigstens im Bereich der Extremwerte die Quantisierung deutlich gröber ist
als die maximal zu erwartende übertragungsrerzerrung.
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Ist die übertragungsstrecke eine Kurzwellenfunkstrecke, so ist es
im Hinblick auf die besonders niedrigen Übertragungsverzerrungen sinnvoll, das analoge
verschlüsselte Bildsignal der Sendefrequenz in Form einer Frequenzmodulation aufzuprägen.
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3 Patentansprüche 5 Figuren
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