[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung von für die verschlüsselte Uebertragung
in Signalabschnitte unterteilten Sprachsignalen, wobei die einzelnen Signalabschnitte
durch Ein- und Auslesen in bzw. aus Speichern mit unterschiedlichen Ein- und Auslesegeschwindigkeiten
zeitlich gestaucht werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
[0002] Bei der Mehrzahl von analogen Sprachschlüsselverfahren wird das zu verschlüsselnde
Eingangssignal in Abschnitte unterteilt. Die Aufteilung kann frequenzmässig oder zeitlich
oder in beiden Achsen zugleich erfolgen. Die erhaltenen Signalabschnitte werden schlüsselabhängig
permutiert. Das Chiffrat besteht dann aus einer veränderten Folge von Signalabschnitten,
wobei an den Nahtstellen Diskontinuitäten auftreten. Infolge der endlichen Bandgrenze
des Uebertragungskanals findet eine Dispersion statt. Die Stossstelle wird also verwischt,
was ein Uebersprechen zwischen zwei zeitlich benachbarten Signalanschnitten zur Folge
hat. Weist der Uebertragungskanal neben der Bandbegrenzung noch Gruppenlaufzeitunterschiede
auf, was in praktisch allen Anwendungen der Fall ist, so kann dieser Effekt noch drastisch
verstärkt werden, da der Einschwingvorgang eines solchen Kanals länger dauert.
[0003] Die Dispersion kann eine erhebliche Beeinträchtigung der Sprachqualität nach der
Entschlüsselung bewirken. In der Regel tritt dadurch ein stark störendes impulsartiges
Geräusch auf.
[0004] Im Zusammehang mit der Uebertragung von Audiosignalen in zeitkomprimierter Form über
Videokanäle ist aus der US-PS 2 819 852 bekannt geworden, an den Rändern der entstehenden
Signallücken eine Mehrfachübertragung vorzunehmen. Ferner ist es bei Multiplexverfahren
mit Zeitkompression gemäss Proceedings of the I.E.F., Band III, Nr. 4, Seite 647 ff
bekannt, Lücken zwischen Signalgruppen derart durch Füllsignale auszufüllen, dass
bei der Uebertragung eine ausgeglichene Energieverteilung erreicht wird. Schliesslich
wird gemäss GB-PS 1 407 196 bei einem Verfahren zum Aendern der Tonlage von Audiosignalen
vorgeschlagen, die entstehenden Signallücken mittels Interpolation auszufüllen.
[0005] Keines der genannten Verfahren ist geeignet, die insbesonders durch Amplitudensprünge
an den Stossstellen von Signalabschnitten bei der analogen Uebertragung von Sprachsignalen
in verschlüsselter Form verursachten Effekte zu beseitigen.
[0006] Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, diese beim eingangs erwähnten Verfahren
entstehenden Nachteile zu beheben und die Signalunstetigkeiten im Chiffrat zu vermeiden,
so dass mittels geeigneter Auswertung auf der Empfangsseite die störenden Auswirkungen
ausgeschaltet werden können.
[0007] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale gemäss den Ansprüchen 1 und 5 gelöst.
[0008] Dadurch gelingt es bei der analogen Verschlüsselung von Sprachsignalen, die Sprachqualität
nach der Entschlüsselung zu erhöhen. Insbesondere werden die störenden Einflüsse der
Bandbegrenzung des Uebertragungskanals bekämpft.
[0009] Nachfolgend werden anhand der Zeichnungen die der Erfindung zugrundliegenden Prinzipien
sowie ein Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
Fig. la bis 1 c drei schematische Bandbreite-Zeit-Diagramme zur Erläuterung des erfindungsgemässen
Verfahrens;
Fig. 2a bis 2c drei schematische Amplituden-Zeit-Diagramme im Umschaltbereich zwischen
zwei Signalabschnitten;
Fig. 3 ein Blockschema eines möglichen Ausführungsbeispiels der Erfindung; und
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm mit der Ein- und Auslesefolge in die sende- bzw. empfangsseitigen
Speicher.
[0010] Die Grundidee des Verfahrens besteht darin, dass das Signal zeitlich gestaucht wird
und der so gewonnene Zeitraum zur doppelten Uebertragung der kritischen Signalanteile
im Bereich der Stossstellen benutzt wird (vgl. Fig. 1). Die zeitliche Stauchung und
die damit verbundene Erhöhung der Bandbreite erhält man, indem das zu verarbeitende
Signal mit einer bestimmten Geschwindigkeit in einen Speicher eingelesen und mit erhöhter
Geschwindigkeit daraus ausgelesen wird. Die im gewonnen Zeitraum wiederholten Signalanteile
können mit einer Gewichtsfunktion versehen werden (vgl. Fig. 4). Mit Ihrer Hilfe kann
ein weiches Ein- und Ausblenden realisiert werden. Auf der Empfangsseite werden nur
jene Signalanteile ausgewertet, die keine Gewichtung erfahren haben. Richtig zusammengesetzt
und auf die ursprüngliche zeitliche Länge gedehnt, ergeben sie wieder das ursprüngliche
Signal.
[0011] Bei spezieller Wahl der Gewichtsfunktion werden keine Signalanteile wiederholt. In
diesem technisch besonders einfachen Fall verhindert man zwar keine Bandbreitenerhöhung.
Dagegen wird auch hier das Uebersprechen zwischen benachbarten Signalabschnitten vermindert.
[0012] Im folgenden wird das Verfahren anhand des Beispiels einer einfachen Zeitpaketvertauschung
erläutert. Fig. la zeigt ein mögliches Format des zu verschlüsse.lnden Sprachsignals.
Die Signalabschnitte weisen hier eine Bandbreite B und eine zeitliche Länge T auf.
Dieses Signal wird mit einer bestimmten Geschwindigkeit in einen Speicher eingelesen
und in permutierter Reihenfolge mit 1/s-facher Geschwindigkeit ausgelesen. Dadurch
erfährt jeder Signalabschnitt T eine zeitliche Stauchung auf die Länge sT, wobei die
Bandbreite B auf B/ anwächst. In den dadurch gewonnenen Zeitabschnitten, den Umschaltintervallen
T
U, wird ein Teil der Information ein zweites Mal ausgelesen (siehe Fig. la und b).
Auf diese Weise kann verhindert werden, dass an den Rändern der Signalabschnitte mit
der Länge T bzw. sT Unstetigkeiten auftreten, da an diesen Stellen der ursprüngliche
Signalverlauf noch während Tu/2 fortgesetzt wird. Die eigentliche Stossstelle tritt
dann innerhalb des Umschaltintervalls T
U auf.
[0013] Der im Intervall T
U übertragene Signalteil wird im Empfänger ausgetastet, da ja die gesamte Information
in den übrigen Abschnitten enthalten ist. diese Abschnitte werden mit einer bestimmten
Geschwindigkeit in den empfangsseitigen Speicher eingelesen und in rückvertauschter
Reihenfolge mit s-facher Geschwindigkeit ausgelesen (siehe Fig. lc). Das Signal erhält
dadurch wieder die ursprüngliche Bandbreite B. Der im Empfänger nicht benötigte redundante
Signalanteil, der im Umschaltintervall T
U übertragen wird, kann zur Uebertragung mit einer Gewichtungsfunktion versehen werden,
welche eine möglichst weiche Umschaltung erlaubt und damit die Einschwingvorgänge
auf dem Uebertragungskanal verkürzt.
[0014] Fig. 2 zeigt schematische Ausschnitte eines Chiffrats s(t) an einer Stossstelle.
In Fig. 2a fehlt die Austastfunktion, in Fig. 2b ist das Chiffrat in einer "weichen"
Umschaltfunktion gewichtet. In Fig. 2c ist ein Spezialfall dargestellt. Hier ist die
technische Realisierung besonders einfach, die erwünschten Eigenschaften werden aber
nur teilweise erreicht.
[0015] Fig. 3 zeigt das Blockschema einer möglichen Realisierung des beschriebenen Ausführungsbeispiels.
[0016] In einem Eingangsfilter 1 wird das zu verschlüsselnde Sprachsignal auf die Bandbreite
B begrenzt. Ueber einen Analog-Digital-Wandler 2 und eine Schalteranordnung 3 wird
das Signal in eine Speichergruppe 4 eingelesen. Dieser Einlesevorgang findet nach
dem in Fig. 4 gezeigten Schema statt. Mit erhöhter Auslesegeschwindigkeit und in innerhalb
eines Signalrahmens T
R permutierter Reihenfolge gelangen die Signalabschnitte mit der Länge T (T
R = n T;n ganzzahlig) über einen Umschalter 5 und einen Digital-Analog-Wandler 6 auf
eine steuerbare Verstärkerstufe 7. Durch diesen Auslesevorgang erfährt das Signal
die in Fig. la und b dargestellte Umformung. Dank dem überlappenden Einlesen zu Beginn
und am Ende jedes Signalrahmens (vgl. Fig. 4) kann man das doppelte Auslesen derselben
Signalausschnitte im Gebiete der Stossstellen nicht nur innerhalb eines Rahmens, sondern
auch am Anfang und Ende jedes Rahmens verwirklichen. Die in Fig. 2b gezeigte weiche
Umschaltung wird mit Hilfe des Verstärkers 7 realisiert. Ueber einen Sendefilter 8
wird das Chiffrat hernach in den Uebertragungskanal eingespeist. Die Steuerung der
Schalter 3,5 und des variablen Verstärkers 7 sowie die Adressierung der Speicher 4
übernimmt eine Steuereinheit 9. Die Steuereinheit 9 des Senders ist dabei in der Lage,
die drei Speicherteile und die Schalter der Schalteranordnung 3 einzeln zu adressieren
bzw. zu steuern. Durch die Wiederholung einer Adressequenz beim Auslesen kann der
betreffende Signalausschnitt ein zweites Mal ausgelesen und übertragen werden, so
dass die in Fig. 1 gezeigte Situation entsteht.
[0017] Im Empfänger gelangt das Signal über einen Empfangsfilter 10, einen Analog-Digital-Wandler
11 und einen Umschalter 12 in Speicher 13.
[0018] Im Gegensatz zum Sender, wo drei Speicher eingesetzt werden, um auf einfache Weise
das überlappende Auslesen des Chiffrats an den Rändern des Rahmens T zu ermöglichen,
genügen im Empfänger zwei Speicher. Mit verkleinerter Auslesegeschwindigkeit und in
rückvertauschter Reihenfolge werden die Signalabschnitte über einen Umschalter 14
und einen Digital-Analog-Wandler 15 einem Ausgangsfilter 16 zugeführt. Auch im Empfänger
werden die Umschalter 12,14 und die Adressierung der Speicher 13 von einer Steuereinheit
17 kontrolliert. Fig. 4 gibt einen Ueberblick über den Ein-und Ausleserhythmus im
Sender und Empfänger.
[0019] Für eine schlüsselabhängige Permutation der Signalblöcke benötigen die Steuereinheiten
9 und 17 die entsprechende Information. Diese liefert ein hier nicht näher erläuterter
Schlüsselstromgenerator.
[0020] Mit dem erfindungsgemässen Verfahren gelingt es, die Sprachqualität nach der Entschlüsselung
zu erhöhen und störende Einflüsse der Bandbegrenzung des Uebertragungskanals zu mildern.
1. Verfahren zur Umformung von für die verschlüsselte Uebertragung in Signalabschnitte
unterteilten Sprachsignalen, wobei die einzelnen Signalabschnitte (T) durch Ein- und
Auslesen in bzw. aus Speichern mit unterschiedlichen Ein- und Auslesegeschwindigkeiten
zeitlich gestaucht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die durch diese Stauchung
verfügbar gewordenen Zeitabschnitte (Tu) zur doppelten Uebertragung der Signalanteile im Bereich der Stossstellen jedes Signalabschnittes
benutzt werden, dergestalt, dass der ursprüngliche Verlauf des Signals an den Grenzen
jedes Signalabschnittes im verschlüsselten Signal erhalten bleibt, und dass das verschlüsselte
Signal innerhalb der durch die Stauchung gewonnenen Zeitabschnitte (T ) mit einer
Gewichtungsfunktion versehen wird, dergestalt, dass innerhalb dieser Zeitabschnitte
eine beliebige Umschaltfunktion erzielbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsfunktion
stetig ist und zu Beginn jedes Zeitabschnittes (Tu) den Wert 1 annimmt, anschliessend bis zum eigentlichen Umschaltzeitpunkt auf Null
sinkt und dann bis zum Ende des Zeitabschnittes (Tu) wieder auf den Wert 1 steigt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass empfangsseitig die Zeitabschnitte
(T ) ausgetastet und die Signalabschnitte auf ihre ursprüngliche zeitliche Länge gedehnt
werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, wobei sendeseitig mehrere Signalabschnitte (T)
zu einem Signalrahmen (TR) zusammengefasst werden und die Verschlüsselung durch schlüsselabhängiges Vertauschen
der Signalabschnitte (T) innerhalb des Signalrahmens vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet,
dass die doppelte Uebertragung an den Stossstellen der Signalrahmen durch überlappendes
Einlesen in verschiedene Speicher gefolgt von aufeinanderfolgendem Auslesen dieser
Speicher mit erhöhter Geschwindigkeit erzielt wird und dass die doppelte Uebertragung
an den Stossstellen der Signalabschnitte (T) innerhalb eines Signalrahmens (TR) durch doppeltes Auslesen von Grenzbereichen der Signalabschnitte (T) und entsprechend
erhöhte Auslesegeschwindigkeit erreicht wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4 mit einer sendeseitigen
Einrichtung, die einen Analog-Digital-Wandler (2) und einen Digital-Analog-Wandler
(6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Analog-Digital-Wandlers
mit einer Schalteranordnung (3) verbunden ist, welche von einer mit ihr verbundenen
Steuereinheit (9) derart betätigbar ist, dass das aus dem Analog-Digital-Wandler (2)
stammende Signal in Form sich zeitlich überlappender Signalrahmen abwechselnd in je
einen von mindestens drei mit der Schalteranordnung (3) verbundenen Speichern (4)
einlesbar ist, wobei die Speicher (4) zur Vertauschung und zum teilweisen doppelten
Auslesen der Signalabschnitte an den Stossstellen sowie zur Steuerung der Auslesegeschwindigkeit
an die Steuereinheit (9) angeschlossen sind, dass die Speicher (4) ausgangsseitig
über einen Umschalter (5), der zum Zusammensetzen der ausgelesenen Signalrahmen mit
der Steuereinheit (9) verbunden ist, an den Digital-Analog-Wandler (6) angeschlossen
sind und dass dem Digital-Analog-Wandler (6) ein ebenfalls mit der Steuereinheit (9)
verbundener, variabler Verstärker nachgeschaltet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5 mit einer empfangsseitigen Einrichtung, die einen Analog-Digital-Wandler
(11) und einen Digital-Analog-Wandler (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
der Ausgang des Analog-Digital-Wandlers mit einem Umschalter (12) verbunden ist, welcher
von einer mit ihm verbundenen Steuereinheit (17) derart betätigbar ist, dass die eintreffenden
Signalrahmen abwechselnd in einen von mindestens zwei Speichern (13) einlesbar sind,
wobei die Speicher zum Rückgängigmachen der Vertauschung der Signalabschnitte und
zu deren Auslesung mit reduzierter Geschwindigkeit unter Austastung der doppelt übertragenen
Signalanteile mit der Steuereinheit (1) verbunden sind, und dass die Speicher ausgangsseitig
über einen weiteren Umschalter (14), der zum Zusammensetzen der ausgelesenen Signalrahmen
ebenfalls mit der Steuereinheit (17) verbunden ist, an den Digital-Analog-Wandler
(15) angeschlossen sind.