HUT74262A - Process and device for speech scrambling and unscrambling in speech transmission - Google Patents

Description

ELJÁRÁS ÉS BERENDEZÉS BESZÉD KÓDOLÁSÁRA ÉS DEKÓDOLÁSÁRA

HANGÁTVITELNÉL

Kivonat

A találmány szerinti eljárás és az eljáráson al-apuló berendezés lényege az, hogy egy digitalizált beszédjelet az átviteli csatorna sávszélességének megfelelő sávszélességű komplex szűrővel, szűrővel komplex jellé alakítunk át, a mintavételezési frekvenciát. Az amelynél csökkentjük így kapott komplex jelet egy véletlenszám-generátorral előállított kódjellel fázismoduláljuk, és összeadással egy szintén véletlen eloszlásban fázismodulált pilotjellel egy átvitelre kerülő, kódolt hasznos jellé kombináljuk. A hasznos jelet sorrendben egy vevőoldali szinkronizálásra és a hasznos jel kiegyenlítésére szolgáló előtaggal együtt átvisszük.

A vevőoldalon elvégezzük az ott előállított fázismodulált pilotjel együtthatókat számítunk egy számára a digitalizált vett jelből, ismét komplex szűrés és a mintavételi frekvencia megfelelő csökkentése után, egy előtagfelismerési fázis folyamán, amikor inicializáljuk a hasznos jel dekódolásának fázisát. A kódolt, átvitt hasznos jelet elválasztjuk az adóoldalon

11550 • 99· ···· “ ~ rászuperponált fázismodulált pilotjeltől a vevőoldalon előállított szinkronizált pilotjel segítségével, és az így kapott fázismodulált, kódolt digitális beszédjelet a vevőoldalon előállított, az előtaggal vezérelt ütemű kódjel segítségével dekódoljuk.

Az ismert beszédkódolási eljárásokkal szemben a találmánynak az az előnye, hogy nagyon biztonságos, nagyon jó a beszéd érthetősége, és jól felismerhető a beszélő, annak ellenére, hogy teljes összhangban van az analóg rádióhálózatokban és a telefóniában rendelkezésre álló átviteli sávszélességekkel.

(1. ábrad • ··« ····

Ρ9 £0 {33 3

KÖZZÉTÉTELI PÉLDÁNY

ELJÁRÁS ÉS BERENDEZÉS BESZÉD KÓDOLÁSÁRA ÉS DEKÓDOLÁSÁRA HANGÁTVITELNÉL

A találmány tárgya eljárás és berendezés beszéd kódolására és dekódolására hangátvitelnél, ill. hangátviteli berendezésekben, amelyek egy beszédjelet digitalizáló és egy adójelet egy adott átviteli csatornához illesztő és/vagy egy vett jelet digitalizáló és a kondicionált vett jelet egy hangvisszaadó berendezéshez illesztő végegységgel rendelkeznek.

Beszéd kódolására, ill. dekódolására többféle ismert eljárást alkalmaznak, amelyek röviden összefoglalva a következők:

1. A beszédjelek digitalizálása, a digitális értékek kódolása és digitális adatokként történő átvitele egy MODEM-mel.

2. A beszédjel egy sorozatának tárolása, a sorozat több kisebb időintervallumra való felosztása, és ezeknek a részsorozatoknak az eredeti sorrendtől eltérő sorrendben történő átvitele.

3. Az átvitelre kerülő spektrumtartomány felosztása kisebb résztartományokra, és egy olyan jel átvitele, amely a spektrum résztartományainak felcserélésével keletkezik.

11550 ···· ···· • · · · · · · • · · · · · ······ · · ··· · · · ····

4. Frekvenciasáv-inverzió, azaz az átvitelre kerülő hangfrekvenciás spektrum magas és alacsony frekvenciáinak felcserélése állandó vagy változtatható osztási ponttal (tükörfrekvenciás eljárás).

5. A 2-4. pontok szerinti eljárások kombinációja.

Az ismert eljárások a következő alapvető hátrányokkal rendelkeznek:

Az 1.) eljárásnál a digitális adatok átviteléhez általában ugyanazokat a csatornákat kell használni, mint a kódolatlan beszédhez. Mivel ezek a csatornák csak korlátozott sávszélességet biztosítanak, adatredukciós eljárások szükségesek. Ezeknek a (redukált) adatoknak a vevőoldali rekonstrukciója után nem lehetséges a beszélő biztos azonosítása.

A 2.) eljárásnál fiziológiai okokból a részintervallumok száma és időbeli hossza csak szűk c határok között változtatható. Ez ahhoz vezet, hogy az átvitt jel könnyen dekódolható.

A felcserélt részintervallumok közötti átmenetek a vevőoldalon általában nem rekonstruálhatók fázishelyesen, úgyhogy a kódolatlan jelhez képest a jel minősége hallhatóan romlik.

Ennél az eljárásnál érzékelhető késleltetés áll fenn a beszéd és a jelátvitel között, ami bizonyos fajta átviteli csatornáknál a beszélőt zavaró visszhangot okoz.

···· ····

A 3.) eljárásnál fiziológiai okokból a spektrális részintervallumok száma és sávszélessége szűk határok között mozog. Ennek következtében az átvitt jel egyszerűen dekódolható. A részspektrumok előállításához és rekonstrukciójához szükséges szűrőknél a sávszélességek elkerülhetetlen átfedései rontják az átvitel minőségét.

A 4.) eljárásnál viszonylag kis műszaki ráfordítással lehet az átvitt jelet dekódolni. A kódolt jel viszonylag érthető marad; gyakorlott személy a beszélgetéseket műszaki segédeszköz nélkül is lehallgathatj a.

Az 5.) eljárásnál a különböző módszerek kombinációi általában növelik a dekódolással szembeni biztonságot; viszont a hátrányos tulajdonságok is összegeződnek, így romlik a jel-zaj viszony, és ezek a megoldások az átviteli csatornák néhány egyszerű elrendezésére korlátozódnak.

,Célunk a találmánnyal egy olyan eljárás és berendezés létrehozása beszéd kódolására és dekódolására hangátvitelnél, amely kompakt felépítésű (utólag is beépíthető) modulként előállítható, és amely az ismert eljárásoknál, ill. berendezéseknél lényegesen jobb biztonságot nyújt harmadik személyek által végzett lehallgatás és kiértékelés ellen.

Ezzel a feladattal kapcsolatban a következő további követelményeket támasztjuk a beszédkódolással szemben:

- Jó beszédérthetőség;

···· ····

- A beszélő jó felismerhetősége;

A kódolatlan üzemhez képest csekély minőségkülönbség;

- A felhasználó számára jól átlátható funkció és kezelhetőség;

A kódolt jelek automatikus felismerése a vevőoldalon;

- Felhasználhatóság az analóg rádióhálózatokban és a telefontechnikában;

- A rendelkezésre álló adott átviteli sávszélességek betartása.

A kitűzött feladatot a találmány szerint egy olyan eljárással oldjuk meg, amely alkalmas beszéd kódolására és dekódolására hangátvitelnél, és amelynek során az adóoldalon

- egy digitalizált beszédjelet az átviteli csatorna sávszélességének megfelelő sávszélességű első komplex bemeneti szűrővel egy komplex jellé alakítunk át, amelyet álvéletlen számokkal vezérelt kódjellel fázismodulálunk, a fázismodulált beszédjelet összeadással egy szintén álvéletlen eloszlásban fázismodulált pilotjellel egy átvitelre kerülő, kódolt hasznos jellé kombináljuk, és a hasznos jelet sorrendben egy vevőoldali szinkronizálásra és a hasznos jel kiegyenlítésére szolgáló előtaggal együtt, komplex jelként egy első komplex kimeneti szűrőn vezetjük át, amelyben egy valós • · ···«···· ·· • · · « · · · • · · · · · ······ · · • · · · · · ····

-5kimenőjelet állítunk elő, amelyet digitál-analóg átalakítás után adójelnek kondicionálunk, továbbá a vevőoldalon

- a digitalizált vett jelet az átviteli csatorna sávszélességének megfelelő sávszélességű második komplex bemeneti szűrővel egy komplex jellé alakítjuk át,

- ezzel a komplex jellel egy előtagfelismerési fázis folyamán egyrészt egy vevőoldalon előállított, az előtaggal inicializált álvéletlen eloszlásban fázismodulált pilotjel órajelszinkronizálását végezzük, másrészt kiegyenlítési együtthatókat számítunk egy vevőoldali kiegyenlítő számára, és inicializáljuk a hasznos jel dekódolásának fázisát, a kódolt hasznos jelet az adóoldalon rászuperponált fázismodulált pilotjeltől a vevőoldalon előállított szinkronizált pilotjel segítségével elválasztjuk, és az így kapott fázismodulált, kódolt digitális beszédjelet a vevőoldalon előállított, az vezérelt ütemű kódjel segítségével inverz fázismodulációval dekódoljuk, és komplex jelként egy második komplex kimeneti szűrőn vezetjük át, amelyben egy valós kimenőjelet állítunk elő, amelyet digitális-analóg átalakítás után vételi jelkondicionálásnak vetünk alá.

A találmány szerinti eljárásnál többek között lényeges szempont az, hogy a bemenőoldali digitalizálás után mind az adó-, mind a vevőoldalon komplex szűrést végzünk előnyösen egy· Hilbert-szűrő segítségével. A • · · · ····

szűréssel egy valós jelből egy komplex jelet állítunk elő, amelynél csökkentjük a mintavételezési frekvenciát; a komplex szűrő sávszélessége a csökkentett mintavételi frekvenciának felel meg. A további eljárás szempontjából fontos műveleteket ezután a komplex jelekkel, csökkentett órajelfrekvenciával hajtjuk végre.

A kimenőoldalon a komplex jelnél előnyösen mind az adóoldalon, mind a vevőoldalon növeljük a mintavételi frekvenciát azzal, hogy nullákat iktatunk be az adatáramba. Egy komplex szűrő, előnyösen szintén Hilbertszűrő, interpolációs szűrőként szolgál, amely egy valós jelet állít elő a csatorna sávszélességének megfelelő mintavételi frekvenciával.

A találmány szerinti berendezés beszéd kódolására és dekódolására szolgál hangátviteli készülékekben, amelyek egy beszédjelet digitalizáló és egy adójelet egy előre megadott átviteli csatornához illesztő és/vagy egy vett jelet digitalizáló és a kondicionált vett jelet egy beszédreprodukáló készülékhez illesztő végegységgel rendelkeznek. Az adóoldalon egy (ál)véletlenszám-generátorral vezérelt kódgenerátor egy digitális fázismodulátort vezérel, amely a digitalizált beszédjelet fázismodulálja,

- a fázismodulált beszédjel egy pilotjel-generátor által szolgáltatott, szintén véletlen eloszlásban fázismodulált pilotjellel egy hasznos j éllé van kombinálva, • · · · · · • · · • · · ·

- egy elotaggenerátor vevőoldali szinkronizáláshoz és a hasznos jel kiegyenlítéséhez előtagot állít elő, amely egy meghatározott ütemben működtethető átkapcsolón át sorrendben a hasznos jellel együtt a végegységre van kapcsolva az adójel kondicionálásához, továbbá vevőoldalon

- a digitalizált vett jel átviteli csatornájának torzításait kiegyenlítő, az előtag vétele folyamán számított és beállított kiegyenlítési együtthatókkal rendelkező digitális kiegyenlítőszűrő van elhelyezve, a vett hasznos jelen belül az előtagot egy előtagfelismerő egység detektálja, amely az előtag egy adott szakaszától függően kiváltja a szűrőegyütthatók számítását a kiegyenlítőszűrő számára egy fölérendelt számítóegységben, és inicializálja a hasznos jel dekódolását egy órajelszinkronizáló egység aktiválásával, amely egyrészt a vett, demodulált pilotjelből egy vevőoldalon generált pilothanggal történő komplex szorzással a mintavételi frekvencia korrekciójához egy <

szabályozójelet, és másrészt egy szintén az órajelszinkronizálással inicializált véletlenszámgenerátor vezérlésével a vevőoldali pilothanggenerátorral előállított pilothangból egy fázismodulátoron át egy fázismodulált pilotjelet szolgáltat, amely az átvitt pilotjel leválasztásához kivonón át van összekötve a kiegyenlített hasznos jellel, amelyet, mint fázismodulált beszédjelet, a szinkronizált vevőoldali véletlenszám-generátorral vezérelt ···· ····

fázisdemodulátor modulálatlan, digitális beszédjellé alakit át, amely hangjellé történő átalakításhoz a végegységre van kapcsolva.

A találmány szerinti, beszéd kódolására és dekódolására szolgáló eljárás és berendezés további előnyös változatait és jellemzőit az aligénypontok tartalmazzák.

Claims (11)

A találmány tárgyát a továbbiakban kiviteli példák és rajzok alapján ismertetjük részletesebben. A rajzokon az

1. A BK modul áramköri felépítése

A BK modul lényegében egy nagyteljesítményű digitális jelprocesszorrendszerből és a működéshez szükséges, modern jelfeldolgozó algoritmusokkal kapcsolatos perifériális eszközökből áll. Az 1. ábrán látható blokkdiagramm a digitális jelfeldolgozás • · ········ ·· ·· · · · · · • · · · · · ······ · · ··· · ♦ · ····

-10szempontjából fontos elemeket és egységeket tartalmazza.

A jobb áttekinthetőség kedvéért nem tüntettük fel az olyan funkciókat és alkotórészeket, mint az áramellátás, órajel-előállítás, diszkrét bemenetek, valamint az analóg bemeneti és kimeneti fokozatok.

Az 1. ábra szerinti BK modul felépítése egy megvalósított, működő prototípusnak felel meg, amelyet részben még az algoritmusok kipróbálására és továbbfejlesztésére használunk. Az ábrázolt tömbvázlaton a berendezés sorozatgyártásra is alkalmas változatát mutatjuk be. A leírt kiviteli alak a találmánynak természetesen nem az egyetlen lehetséges megvalósítása. Szakember a különböző részletekben és egységekben mind az adó-, mind a vevőoldalon számos módosítást és változtatást hajthat végre anélkül, hogy eltávolodna a találmány lényegétől, ill. oltalmi körétől.

A fő jelfeldolgozó egység az 1 jelprocesszor, amely - legalábbis a prototípusban - az Analóg Devices cég ADSP<21msp55 típusú processzora. Az 1 jelprocesszor egy 2 A/D átalakítót, valamint egy 3 D/A átalakítót tartalmaz, amelyek felbontása pl. 16 bit, 8 kHz-es mintavételi frekvencia mellett. Ezen kívül külön 4, 5 RAM-ok tartoznak egyrészt az adatokhoz (lk x 16), másrészt pedig a programhoz (2k χ 24) . A belső társzervezés a Harvardarchitekturának felel meg, úgyhogy a műveleti kód kihozásán kívül minden parancsciklusban egy adathozzáférés is lehetséges. Mindegyik processzorművelet kivétel nélkül egy ciklust igényel. Ezáltal 13 mips

1. ábra : egy találmány szerinti beszédkódoló/dekódoló modul - a továbbiakban BK modul - tömbvázlata, a

2. ábra : a kódolás elve önkényesen választott időbeli lefutással, a

3. ábra : a BK modul adórészének funkcionális tömbvázlata, a

4. ábra : a dekódolás elve időben nem léptékhelyesen ábrázolva, az

5. ábra : a BK modul vevőrészének funkcionális tömbvázlata, a

6. ábra : a jelfeldolgozás tömbvázlata a BK modul adóoldalán, a

7. ábra : egy bemenőoldali (első) komplex szűrő, előnyösen Hilbert-szűrő felépítése, a

8. ábra : a 7. ábra szerinti bemenőoldali (első) komplex szűrő frekvenciamenete, a • · ········ ·· ·· · · · · · • · · · · · ······ · · ··· · · · ····

9. ábra : egy első komplex kimeneti szűrő, előnyösen Hilbert-szűrő felépítése a BK modul adórészében, a

10. ábra : a 9. ábra szerinti első komplex kimeneti szűrő frekvenciamenete, a

11. á b r a : a vevőoldali jelfeldolgozás tömbvázlata az előtag felismerésének fázisában (kódolatlan helyzet) , a 12. á b r a : a vevőoldali jelfeldolgozás

tömbvázlata a dekódolási fázisban, a

13. á b r a : a 6. ábrán látható tömbvázlat szerinti adóoldali jelfeldolgozás működési és funkciós diagramja, és a

14. ábra : a 11. és 12. ábrán látható tömbvázlatok szerinti vevőoldali jelfeldolgozás működési és funkciós programja.

A megértés megkönnyítése érdekében a találmány t szerinti BK modul áramköri felépítését és/vagy működését az alábbiakban több önálló fejezetben írjuk le:

-11(millió utasítás másodpercenként) feldolgozási teljesítmény áll rendelkezésre.

A sorozatgyártáshoz ennek a processzornak egy maszk-programozott változata (ADSP21msp56) alkalmazható, amely a programtár oldalán még egy 2k x 24 bit méretű 6 ROM-ot is tartalmaz.

Duplex üzemhez egy pár további 8, 9 A/D, ill. D/A átalakító szükséges. Ezt az átalakítópárt egy AD28mspO2 típusú 7 átalakítóegységgel valósítjuk meg, amely egy külön tokban ugyanolyan átalakítókat tartalmaz, mint az 1 jelprocesszor. Az adatátvitel a 7 átalakítóegység és az 1 jelprocesszor között gyors soros interfészeken keresztül történik.

Az áramkör külső tárként egy 10 EEPROM-ot tartalmaz, amely betölthető programrészeket, valamint ritkán módosított változókat, pl. a kódot (ennek részletesebb magyarázatára még visszatérünk) tárolja. A tár mérete ebben az esetben 8k χ 8 (sorozatgyártás), ill. 32k x 8 (prototípus), amint az 1. ábrán látható.

Diszkrét bemenő jeleknél (nincsenek ábrázolva) az 1 jelprocesszor lekérdezheti egy 11 rádiókészülék hangbillentyűjének, zaj elnyomó (squelch) logikájának, valamint egy titkosítási BE/KI kapcsolónak az állapotát.

A működés, amit a jelfeldolgozással kapcsolatban még részletesen leírunk, röviden a következő:

Az üzemi feszültség bekapcsolása után először egy néhány milliszekundum időtartamú RÉSÉT jelet állítunk elő. Ezután az 1 jelprocesszor betölti a belső 5 program-RAM• · · ♦ • · · · · · · • · · · · · ······ · · • ν · · · · · * ·♦

-12ba a külső 10 EEPROM tartalmát, és elindítja a programot. A BK modul jelenleg vizsgált prototípusánál az egész valamikor szükséges programot már az elején el kell helyezni ebben a RAM-ban (2x utasítás). A BK modulnak az 1. ábrán látható, sorozatgyártásra alkalmas kiviteli alakjánál még 2k utasítás áll rendelkezésre a 6 ROM-ban.

A külső 10 EEPROM adattárként is címezhető, hogy a különböző paramétereket, pl. a kódot ki lehessen olvasni, és meg lehessen változtatni.

A program lefutását időben az analóg interfészek megszakításaival strukturáljuk, amely interfészek a

specifikált 8 kHz-es átalakítási frekvenciával szabadon futnak, és minden végrehajtott átalakítás után egy megszakítást váltanak ki. 2. A jelfeldolgozás A BK modul valamennyi funkciója digitális

jelfeldolgozással valósul meg.

Először a jelfeldolgozás elvét ismertetjük.

A 3. ábra a BK modul adórészének funkcionális tömbvázlatát mutatja:

Az adóoldalon egy 23 kódjelgenerátor egy kódjelet állít elő, amelynek segítségével a mikrofon bemenőjelét, azaz a beszédjelet kódoljuk. Egy (nem ábrázolt) PTT billentyű működtetésével közvetlenül a kódolt beszédjel előtt egy 24 előtag-generátorban előállított ún. előtagot ···· ··♦· ·· • · · *> · · · • · ···· viszünk át, amint a 2. ábra szerinti idődiagramokon látható.

Az előtag egy további 43 kódjelgenerátor (5. ábra) szinkronizálásához és egy 40 kiegyenlítő beállításához szükséges a vételi oldalon.

Ha lehetővé kell tenni a bekapcsolódást egy folyamatban levő beszélgetésbe, az előtagot egy rögzített időkeretben periodikusan átvisszük, mégpedig a jelenleg vizsgált prototípusnál 5 másodpercenként. A kódolt hangjelet az előtag időtartamára (jelenleg kb. 200 ms) kimaszkoljuk.

Egy 20 pilotjel-generátor egy speciális pilotjelet szolgáltat, amelyet hozzáadunk a kódolt hangjelhez, és amely a vételi oldalon a mintavételi frekvencia szinkronizálására szolgál, amit a későbbiekben még részletesen leírunk. A két részegységként ábrázolt 22a/22b végegység (front-end unit) elvégzi az analóg bemehőjel előkondicionálását és digitális jellé alakítását, ill. az adóoldali kódolt hangjel végkondicionálását és a használt adóberendezéshez, ill. az átviteli csatornához történő illesztését. Az alábbiakban további részleteket is közlünk.

Egy kódolt adójel kezdetét - amint a 4. ábrán látható - az előtag jelzi. Ezért a vevőoldalon akkor is megtörténik a vett jel analízise, ha a vevő nincs dekódolási üzemmódban. Ennek a fázisnak a folyamán a vett jel változatlanul halad át a BK modulon. Egy előtag végének a felismerésekor kezdődik a dekódolási folyamat, «··· ···· • · « · · * ·«·«·· · · ··· · · · ····

-14azaz megindul a vevőoldali 43 kódjelgenerátor, és a beérkező hasznos jel dekódolása (beszédjel a 4. ábrán).

Az 5. ábrán a BK modul vevőoldalának funkcionális tömbvázlata látható. A vett jel a 44 előtagfelismerő egységbe kerül, amely felismeri és analizálja a vett jelet. Egy előtag vételekor ennek alapján először az átviteli csatorna tulajdonságait, és ebből egy vevőoldali 51 kiegyenlítő számára a szűrőegyütthatókat határozzuk meg.

Amikor az előtag végét detektáljuk, akkor ebben az időpontban az átviteli csatornához igazított kiegyenlítő áll rendelkezésre. Egy digitális vevőkészülék vételi szűrőjének kezdeti szinkronizálására és illesztésére vonatkozó részleteket a DE-C1-4108806 sz. irat tartalmazza. Egyidejűleg indítjuk a vevőoldali 43 kódjelgenerátort a hasznos jel dekódolásához. Az 55 mintavétel-szinkronizáló kiértékeli a hasznos jelre szuperponált pilotjelet, és ezt leválasztja a hasznos jelről. Ezután kiadjuk a dekódolt hasznos jelet.