SE464271B - Foerfarande och anordning foer kryptering/dekryptering av digitalt flerljud i teve - Google Patents

Description

464 271 10 15 25 30 35 40 SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Uppfinningen medger en enkel och säker kryptering genom ett förfarande där den digitala signalen som överförs på kanalen maskeras genom att addera en binär pseudoslumpsekvens modulo 2 till det digitala ljudet, dvs en krypte- ring med löpande nyckel. För att återskapa den ursprungliga signalen adderas samma sekvens på mottagarsidan. Den binära pseudoslumpsekvensen skapas av en pseudoslumpsekvensgenerator. Sekvensen styrs av ett s k kontrollord som slumpas fram på sändsidan och byts med lämpliga intervall. Kontrollordet krypteras och överföres till mottagaren, där det dekrypteras och sänds till mottagarens pseudoslumpsekvensgenerator.

Uppfinningen avser även anordningar för kryptering resp dekryptering för utförande av förfarandet. Ytterligare utföringsformer av uppfinningen är angivna i de åtföljande patentkraven.

KÛRTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen kommer nu att beskrivas i detalj med hänvisning till de åtföljande ritningarna, varav fig 1 är ett översiktligt blockschema över uppfinningen, fig 2 är ett diagram över NICAM-formatet, fig 3 är ett blockschema över sändaren enligt uppfinningen, fig 4 är ett blockschema över mottagaren enligt uppfinningen, och fig 5 är ett blockschema över den i sändaren och mottagaren ingående pseudoslumpsekvensgeneratorn enligt uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGENS FÜREDRAGNA UTFÜRINGSFDRMER I fig 1 visas ett översiktligt blockschema över systemet enligt uppfin- ningen. Källan tillhandahåller en digital signal som innehåller ljudínforma- tionen till tevesändningen. Ljudet kan vara i stereo eller mono och data kan också överföras i enlighet med NIGAM-formatet som beskrivs nedan. I NICAM- -generatorn formateras signalen. Um signalen inte skall krypteras sänds den direkt via luft eller kabel till mottagaren där signalen avkodas i en NICAM- -avkodare för återskapande av det analoga ljudet. I enlighet med föreliggande uppfinning skickas emellertid den formaterade signalen först till en kryp- teringsenhet där signalen krypteras innan den sänds till mottagaren. I mot- tagaren finns motsvarande dekrypteringsenhet.

I fig 2 visas hur NIGAM-formatet är uppbyggt. NICAM är ett standardfor- mat utvecklat för digitalt stereoljud. Systemet möjliggör sändning i stereo, av två separata monokanaler eller av data. I fig 2 visas en NICAM-ram. Varje ram består av 728 bitar och de sänds med en hastighet av 1000 ramar per sekund, dvs en total bithastighet på 728 kb/s. Varje ram inleds med ett 10 15 20 25 30 35 40 464 271 3 ramsynkroniseringsord FAW (Frame Alignment Word) som består av åtta bitar.

Därefter sänds fem kontrollbitar CD-C4, vilka bl a bestämmer vilken typ av information som sänds. Sedan kommer 11 st extra databitar (Additional Data) ADO-AD10 som kan användas till att översända valfri information. Enligt före- liggande uppfinning används företrädesvis den första biten ADD för översänd- ning av ett kontrollord och kryptosynkroniseringsordet, vilket kommer att be- skrivas mera detaljerat nedan. Sist i varje ram sänds de 704 ljud- och/eller data-informationsbitarna som skall krypteras.

Enligt uppfinningen adderas en pseudoslumpsekvens modulo 2 till informa- tionsbitarna. Med pseudoslumpsekvens avses en sekvens av ettor och nollor som kan uppfattas som slumpmässig med i själva verket är förutsägbar om man kän- ner till ett initialiseringsord och hur sekvensen genereras. Det är detta som möjliggör återskapandet av sekvensen på mottagarsidan. Således måste ett ini- tialiseringsord eller kontrollord överföras mellan sändaren och mottagaren.

För att höja krypteringen en nivå krypteras kontrollordet innan det över- sänds. Nyckeln till den senare krypteringen kan hanteras på olika sätt och utgör ingen del av föreliggande uppfinning.

I fig 3 visas krypteringsenhetens utseende på sändarsidan. In till kryp- teringsenheten kommer ljud eller data enligt NICAM-formatet samt nyckeln som styr krypteringsalgoritmen. En pseudoslumpgenerator Slump alstrar en pseudo- slumpsekvens. Detta beskrivs mera i detalj nedan med hänvisning till fig 5.

En adderare mod 2 adderar pseudoslumpsekvensen modulo 2 till de 704 inkomman- de ljud/databitarna per NICAM-ram. Pseudoslumpgeneratorn initieras av ett kontrollord som alstras av en kontrollordsgenerator KÛ-gen. En fördröjnings- enhet ombesörjer att pseudoslumpgeneratorn laddas med kontrollordet vid rätt tidpunkt. Kontrollordet överförs inte i klartext utan krypteras i enheten Kryptering för att förhindra otillbörlig användning. Förutom krypteringen behövs ett skydd av kontrollordet i form av en felkorrigerande kod. Denna kodning utförs i enheten Kodning. En synkroniseringsenhet Synk alstrar med hjälp av ramsynkroniseringsordet FAW lämpliga kontroll- och styrsignaler till de övriga enheterna. Ett synkroniseringsord, som låter en mottagare hitta början av kontrollordet, läggs också till omedelbart före kontrollordet.

Insättandet av detta kryptosynkroniseringsord samt kontrollordet i rätt tidsögonblick i NICAM-ramen utförs av en multiplexor MUX.

Kontrollordet är efter kryptering och kanalkodning ca 300 bitar tillsam- mans med synkroniseringsordet, och kontrollordet byts med lämpliga intervall.

Då man ogärna vill öka överföringshastigheten genom att överföra information utanför NICAM-ramarna är det naturligt att utnyttja de extra databitarna. Det är fullt tillräckligt att använda endast en bit per NICAM-ram, vilket ger bithastigheten 1000 bitar per sekund. En annan möjlighet att översända är att 464 271 10 15 20 25 3D 35 40 4 utnyttja bildsläckintervallet VBI (Vertical Blanking Interval), där för när- varande bland annat textteve ligger.

I fig 4 visas motsvarande mottagaranordning enligt uppfinningen. Den krypterade NICAM-signalen inkommer till en demultiplexor DEMUX som levererar det krypterade kontrollordet till en avkodnings- och dekrypteringsanordning.

Det dekrypterade kontrollordet laddas in i en motsvarande pseudoslumpsekvens- generator Slump. Den alstrade slumpsekvensen adderas modulo 2 till den kryp- terade digitala signalen för att återskapa NICAM-signalen i klartext.

I fig 5 visas en föredragen utföringsform av pseudoslumpsekvensgenera- torn enligt föreliggande uppfinning. Såsom tidigare har nämnts är en pseudo- slumpsekvens en sekvens som kan uppfattas som slumpmässig, särskilt om den är mycket lång så att det kommer många bitar innan den börjar om och upprepas.

En pseudoslumpsekvens skapas på ett ganska enkelt sätt genom att använda återkopplade skiftregister. Vid återkopplingen tas signalen från några av skiftregistrets utgångar och återkopplas till ingången via en (eller flera) XOR-grindar som i figuren symboliseras med ett summablock Z. För att ytterli- gare öka sekvenslängden anordnar man en olineär återkoppling genom att efter de lineärt återkopplade skiftregistren anordna ett olineärt element. Sekvens- längden blir med en sådan återkoppling ungefär 22 om skiftregistret är n bitar långt. Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar pseudoslumpsekvensgeneratorn 4 st lineärt återkopplade skiftregister, en summator och en beslutsfattande krets. Skiftregistren har längderna 13, 14, 15 resp 17 bitar. Summatorn och den beslutsfattande kretsen har slagits ihop till ett kombinatoriskt nät.

Sekvenslängden för generatorn blir lika lång som för en generator be- stående av ett 59 bitars skiftregister, där 59 är summan av de fyra skift- 59 f= 5,8 >< 1017.

Innan generatorn startas måste ett initíaliseringsord skilt från noll registrens längder. Sekvenslängden är då ungefär 2 läsas in i skiftregistret, dvs alla skiftregistrets vippor skall anta ett be- stämt tillstånd. Detta initíaliseringsord som är identiskt med kontrollordet bestämmer var i sekvensen man startar. Kontrollordets längd är alltså 59 bi- tar. I den exemplifierande utföringsformen startas generatorn med ett nytt . kontrollord ungefär en gång per sekund. Den klockas sedan med NICAM-klockan på 728 kHz och 704 bitar/ms används för kryptering av ljudet. Üvriga bitar w används inte för krypteringen eftersom ramsynkroniseringsordet FAW, kontroll- bitarna och extra databitarna som finns i början av varje NICAM-ram överförs okrypterade.

Kontrollordet byts med lämpliga intervall. I den här beskrivna utfö- ringsformen byts kontrollordet kontinuerligt, dvs nya kontrollord översänds varje gång. Det är dock möjligt att låta samma kontrollord gälla under en 10 15 20 25 30 35 40 464 271- 5 längre tid, t ex 60 s, då alltså samma kontrollord översända 60 gånger i sträck. Att byta kontrollord mera sällan gör det svårare att knäcka dekryp- teringsalgoritmen för dekrypteringen av kontrollordet men gör det å andra sidan lättare att "gissa" kontrollordet och på så sätt komma åt pseudoslump- sekvensen. Även om samma kontrollord används under en längre tid är det lämpligt att översända det tämligen ofta, t ex 1 gång per sekund, så att eventuella bitfel alstrade under översändningen inte slår ut systemet under en längre tid. Lämpliga intervall att byta kontrollordet beror på föreskriven säkerhetsnivå.

Varje sekund skall således ett nytt kontrollord genereras på sändsidan.

Detta sker i en kontrollordsgenerator som alstrar en slumpsekvens som används för att sätta samman kontrollordet. Syftet med kontrollordsgeneratorn är att få en sann slumpsekvens i bemärkelsen icke förutsägbar sekvens. Um en pseudo- slumpsekvens skulle användas finns det nämligen en möjlighet att förutsäga kontrollordet när koden har knäckts. I så fall kan ljudet dekrypteras i mot- tagare utan tillgång till dekrypteringsalgoritmen för kontrollordet, dvs utan att behöva läsa kontrollordet när det överförs på kanalen.

Ett bitfel i kontrollordet eller synkroniseringsordet medför ett ljud- bortfall tills kontrollordet uppfattas korrekt nästa gång. Därför utföres kanalkodningen med hjälp av kodnings- och avkodningsenheterna. I föreliggande exempel har kod BCH (127,71) använts med goda resultat. Kanalkodningen utgör inte för sig någon del av föreliggande uppfinning och beskrivs därför inte mera utförligt här.

Krypteringen av kontrollordet väljas så att god säkerhet mot forcering erhålles. Detta kan realiseras på många sätt som är kända för en fackman på området. Företrädesvis används en mikroprocessor som är gemensam för kryp- teringen och kanalkodningen. Användningen av en mikroprocessor medför att systemet inte är låst till en särskild krypteringsalgoritm. Det är ganska enkelt att ändra algoritmen genom att programmera om mikroprocessorn. En mikroprocessor är även billig att tillverka.

Systemet krypteras av två skäl. Det första är att endast ge behöriga användare tillträde till systemet. Det andra är att samtidigt åstadkomma ett debiteringssystem för systemtillträdet; en användare blir behörig genom att betala abonnemangsavgiften. Byte av kryptonyckeln måste därför ske varje ny debiteringsperiod. Detta kan t ex uppnås genom att mottagaren vid tillverk- ningen förses med en individuell och unik del av en kryptonyckel, som in- programmeras i mikroprocessorn. Den kompletterande delen av nyckeln förnyas varje ny debiteringsperiod och distribueras mot erläggande av en abonnemangs- avgift. Nyckelhanteringen utgör inte i och för sig någon del av föreliggande uppfinning. 464 271 10 6 Föreliggande uppfinning tillhandahåller således förfaranden och anord- ningar för kryptering/dekryptering av digitalt ljud. Krypteringen sker i två steg. Det första steget, kryptering med löpande nyckel, är en enkel metod att snabbt maskera stora datamängder och realiseras med enkel hårdvara medan det andra steget kan använda sofistikerade algoritmer då datamängden där är liten. Genom att utnyttja mikroprocessorer för detta andra steg görs säker- heten i systemet dessutom större eftersom man enkelt kan byta krypterings- algoritmer. Ovan har en föredragen utföringsform av uppfinningen beskrivits som särskilt är anpassad till NICAM-formatet. En fackman inser naturligtvis att uppfinningen likaväl kan tillämpas på andra format. Uppfinningen är endast begränsad av nedanstående patentkrav.

Claims (10)

5 10 15 20 25 30 35 40 464 271 PATENTKRAV

1. Förfarande för kryptering/dekryptering av digitalt ljud i teve, varvid en digital signal överförs mellan sändare och mottagare, k ä n n e t e c k n a t av följande steg i sändaren: att till den digitala signalen, som innehåller ljudinformationen, adderas en pseudoslumpsekvens, för att bilda en krypterad signal, att att och att att pseudoslumpsekvensen initieras av ett kontrollord, kontrollordet krypteras och överförs som sidoinformation, av följande steg i mottagaren: kontrollordet dekrypteras, en motsvarande pseudoslumpsekvens initieras av det dekrypterade kontrollordet och adderas till den krypterade signalen för att återskapa den digitala ljudsignalen.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att kodordet byts med lämpliga intervall.

3. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att kontrollordet översänds inom NICAM-ramen, företrädesvis med hjälp av biten ADO i successiva NICAM-ramar.

4. 5. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att kontrollordet kanalkodas för bitfelskorrigering.

5. Anordning för kryptering av digitalt ljud i teve, varvid en digital signal överförs mellan sändare och mottagare, k ä n n e t e c k n a d av generator som alstrar en pseudoslumpsekvens, generator som alstrar ett kontrollord för initiering av pseudoslump- en en 'sekvensen, en adderare som till den digitala signalen, som innehåller ljudinforma- tionen, adderar pseudoslumpsekvensen, och en krypteringskrets för kryptering av kontrollordet innan det översänds till mottagaren.

6. Anordning enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att kontroll- ordsgeneratorn innefattar en slumpsekvensgenerator, som alstrar en icke förutsägbar sekvens.

7. Anordning enligt något av kraven 5 eller 6, k ä n n e t e c k n a d av att krypteringskretsen utgöres av en mikroprocessor som även ombesörjer kanalkodning av kontrollordet.

8. Anordning för dekryptering av digitalt ljud i teve, varvid en krypterad digital signal överförs mellan sändare och mottagare, k ä n n e t e c k n a d av 464 271 10 8 en generator som alstrar en pseudoslumpsekvens, en dekrypteringskrets som ur den krypterade signalen dekrypterar ett kontrollord för initiering av pseudoslumpsekvensen, en adderare som till den krypterade digitala signalen, som innehåller ljudinformationen, adderar pseudoslumpsekvensen för att återskapa den ursprungliga digitala ljudsignalen.

9. Anordning enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d av att dekrypte- ríngskretsen utgöres av en mikroprocessor som även ombesörjer kanalavkodning *J av kontrollordet.

10. Anordning enligt något av kraven 5 - 9, k ä n n e t e c k n a d av att pseudoslumpsekvensgeneratorn innefattar ett olineärt återkopplat skift- register.