Vorrichtung zur verschleierten Übertragung analoger Signale

Abstract

 Eine Verschleierungsschaltung (VS) im Teilnehmerendgerät (TEG) eines Mobiltelefonsystems ist über einen Analog/Digital-Wandler (A/D) mit dem Signalweg verbunden. Das zu verschleiernde Signal wird digitalisiert und einem digitalen Signalprozessor (DSP) zu­geleitet. Dieser enthält einen Vorverzerrer (VV) zur Höhenanhe­bung, der die charakteristische Energieverteilung der menschli­chen Sprache verändert. Vier Frequenzbänder werden in einem Fre­quenzbandvertauscher (FBT) nach einem Code getauscht. Dieser wird von einem Codegeber (CG) erzeugt und über einen Pilottonsender (PS) im Audio-Frequenzband übertragen. Daher wird die vermittlungs­technische Signalisierung nicht beeinflußt. Ein Entzerrer (EZ) senkt die Höhen wieder ab. In einer Basisstation (BS) wird der Code von einem Pilottonempänger (PE) zur Entschleierung bereitge­stellt. Signale von der Basisstation (BS) zum Teilnehmerendgerät (TEG) werden mit dem gleichen Code verschlüsselt. Die Teilnehmer­endgeräte (TEG) erzeugen zwar den Code, entschlüsseln ihn aber nicht. Die Basisstationen (BS) entschlüsseln ihn, sind aber nur für befugtes Personal zugänglich.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1.

[0002] In der EP 136 681 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrich­tung zur verschleierten Übertragung analoger Signale beschrieben. Ein Abhörschutz ist dadurch gegeben, daß die Teilnehmerendgeräte den Übertragungscode erzeugen, ihn jedoch nicht auswerten können. In den Basisstationen wird der Code zwar ausgewertet, sie sind jedoch nicht frei zugänglich. Somit kann ein Teilnehmerendgerät nicht zur Entschlüsselung von Signalen verwendet werden, die für ein anderes Teilnehmerendgerät bestimmt sind.

[0003] Die zur Frequenzbandvertauschung verwendeten Filter und Modula­toren vermindern aber den Signal-Rauschabstand und an ihre Fre­quenzkonstanz sind hohe Anforderungen zu stellen. Die Herstel­lungstoleranz der Bauteile vermindert die Qualität der Signale nach zweifacher Ver- und Entschleierung, wenn sie vom zweiten Teilnehmerendgerät empfangen werden. Überdies kann bei Sprach­übertragung die Frequenzbandvertauschung zu einem Übersteuern des Funkkanals führen, da das Frequenzspektrum keine gleichmäßige Amplitude aufweist und im Funkteil die Höhen angehoben werden.

[0004] In der EP 28 688 ist ein Kommunikationssystem beschrieben, bei dem durch Tonfrequenzsignale im Sprachbereich von Klar- auf Ge­heimbetrieb umgeschaltet wird. Dazu wird ein Tonfrequenzsignal­geber akustisch an das Mikrofon eines Telefonapparates ange­koppelt und bietet eine persönliche Identifizierungsmöglichkeit. Der Verschlüsselungscode wird nicht geändert.

[0005] In The Bell System Technical Journal, Band 62, Nr. 1, Teil 1, Januar 1983, Seiten 47 -61 wird unter dem Titel "Analog voice privacy systems using TFSP scrambling: full duplex and half duplex" ein System zur Übertragung verschleierter Sprache beschrieben, dessen Verschleierungseinrichtung digital aufgebaut und mit einem Signalprozessor ausgestattet ist. Zur Frequenzsynchronisierung wird ein Ton mit 250 Hz ausgesendet. Die Verschleierung erfolgt durch Vertauschen von Sprachblöcken in Zeit und Frequenz. Mit Synchronimpulsen wird ein Verschleierungszyklus rückgesetzt und neu gestartet. Zur Entschleierung wird das Alter und die Reihen­folge aufeinanderfolgender Sprachblöcke verwendet, die durch einen Zufallszahlengenerator bestimmt wird.

[0006] In der DE-OS 35 36 384 ist ein Funksystem beschrieben, bei dem die zu verschleierten Signale vorverzerrt und nach der Verschlei­erung entzerrt werden. Auf diese Weise wird der Einfluß einer Ver­schleierungsfrequenz auf die Übersteuerungscharakteristik des übertragenen Sprachsignals eliminiert. Die Vorteile der Nützung des Dynamikbereiches im Übertragungskanal durch die senderseiti­ge Höhenanhebung bleibt erhalten. Eine dem Verschleierer nachge­schaltete Deemphase und eine dem Entschleierer vorgeschaltete Preemphase kompensieren die Höhenanhebung durch die auf der Sen­deseite bereits vorhandene Preemphase bzw. die Absenkung der auf der Empfangsseite vorhandenen Deemphase.

[0007] Weiters ist aus der DE-PS 23 18 227 bekannt, das unbefugte Mit­hören verschleierter Sprachsignale durch Nutzung von Amplituden­diagrammen zu erschweren. Dazu wird der Pegel höherer Sprachfre­quenzen vor der Verschleierung derart angehoben, daß sich auf dem Übertragungsweg nach einer Frequenzbandvertauschung ein nahezu konstantes Energiespektrum ergibt. Dadurch wird jedoch der Signal/­Rauschabstand bei höheren Frequenzen vermindert.

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer verbesserten Wiedergabequalität eines verschleiert übertragenen Signals ein unbefugtes Mithören durch Lokalisieren des energiereichsten Ban­des zu verhindern. Dies wird durch die Patentansprüche 1 und 7 gelöst.

[0009] Die digitale Signalverarbeitung in der Verschleierungsschaltung verhindert eine Qualitätseinbuße durch Bauteiltoleranzen bei der Frequenzbandvertauschung von Sprachsignalen. Die Worte bleiben auch dann gut verständlich, wenn sie von beiden Teilnehmerendge­räten verschleiert werden. Die Verschleierung ist jederzeit ein- ­oder ausschaltbar. Vor der Vertauschung werden die Höhen ange­hoben und nach der Vertauschung wieder abgesenkt. Das erleichtert einen nachträglichen Einbau und verhindert ein Übersteuern durch die Höhenanhebung im anschließenden Funkteil und erschwert das Abhören des verschleierten Signals, da nicht mehr aufgrund der Amplitudenverteilung auf die richtige Anordnung der Frequenzbän­der geschlossen werden kann. Die Anzahl der Signalein- und -aus­gänge der Verschleierungsschaltung ist entsprechend dem Verfahren der Zwei-Draht- oder Vier-Draht-Übertragung zu wählen. Durch die Verwendung integrierter Schaltungen der Digitaltechnik ist die Verschleierungsschaltung klein und leicht aufgebaut.

[0010] Der Ausgabewert des Codegebers ist in Abständen von weniger als fünf Sekunden zufällig und gleichverteilt geändert, um das de­codieren mit Hilfe einer Frequenzanalyse weiter zu erschweren.

[0011] Es wird kein eigenes Signalisierungsverfahren benötigt, da der Pilottonsender auf die Mittenfrequenz einer Bandlücke im Bereich des Audio-Frequenzbandes eingestellt und das Audio-Frequenzband um die Breite der Bandlücke zu höheren Frequenzen erweitert ist. Dadurch erfolgt die Verschleierung der Signalübertragung unabhän­gig von der vermittlungstechnischen Signalisierung und die Quali­tät des Audiosignals wird nicht beeinträchtigt. Der Verbindungs­aufbau bedarf keiner Modifikation. Ein Umschalten auf eine andere Basisstation oder einen anderen Sprachkanal bei aufrechter Ver­bindung zwischen den Teilnehmerendgeräten beeinflußt daher die Verschleierung nicht.

[0012] Um den nachträglichen Einbau besonders bei einem Mobiltelefon bestehend aus Mobilteil und daran ansteckbarem Bedienhörer oder ansteckbarer Datenübertragungseinrichtung zu erleichtern, ist die Verschleierungsschaltung in einer Signalverschleierungseinheit enthalten, die über eine Schnittstelle im Signalweg an das Teil­nehmerendgerät anschließbar ist, an der ein Kippschalter und eine Funktionskontrollanzeige vorhanden ist und/oder eine Fernbedie­nung zur Betätigung der Verschleierung steckbar verbunden ist. Im Falle eines Defektes wird die Signalverschleierungseinheit ab­gesteckt, der Bedienhörer direkt am Mobilteil wieder angesteckt und die Fuktionstüchtigkeit des Mobiltelefons bleibt erhalten. Mit der Fernbedienung ist es möglich, die Signalverschleierungs­einheit gemeinsam mit dem Mobilteil auch im Kofferraum eines Fahr­zeuges unterzubringen.

[0013] Zur einfachen Bedienung ist bei einem Mobiltelefon eine Signalver­schleierungstaste an einem Bedienhörer des Teilnehmerendgerätes vorhanden und der Betrieb der Verschleierung an einem Anzeigefeld des Bedienhörers dargestellt. Die Betätigung der Signalver­schleierung während eines Gespräches oder einer Datenübertra­gung ist so mit geringstem Aufwand möglich und die Störung der Konzentration, beispielsweise eines Autofahrers, wird gering ge­halten.

[0014] Ist eine Basisstation mit digitaler Signalverarbeitung mit einer Digitalvermittlung verbunden und zur digitalen Weiterleitung der empfangenen und entschleierten Signale der Ausgang des Signal­prozessors direkt mit dem Ausgang der Verschleierungsschaltung verbunden, wird ein Umsetzvorgang von digitalen zu analogen Signa­len eingespart. Durch Digitalisierung mit Pulscodemodulation kön­nen die Sprach- oder Datensignale direkt an eine ISDN-Vermittlungs­stelle weitergeleitet werden.

[0015] Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren nach Patentanspruch 7, zur Anwendung in Vorrichtungen nach einem der Patentansprüche 1 - 6.

[0016] Durch diese spezielle Formung des Sprachsignals wird die spektrale Energieverteilung so verändert, daß ihre Charakteristik verloren geht. Nicht einmal eine Spektralanalyse des Signals erlaubt einem unbefugten Abhörer Rückschlüsse auf den zur Frequenzbandvertau­schung verwendeteten Code zu ziehen, da das verschleierte Sprach-­signal wiederum an die Form des natürlichen Sprachsignals ange­glichen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch in bereits bestehenden Funksystemen angewendet werden, da das verschleierte Sprachsignal genauso auszusteuern ist, wie das nichtverschleierte.

[0017] Die Vertauschung der Frequenzbänder erfolgt bei nahezu gleicher Energie, wodurch die Ungleichgewichte der natürlichen Sprache ausgeglichen werden. Die anschließende Absenkung der Höhen ermög­licht es, sie vor dem Senden wieder anzuheben, ohne die dabei ver­wendeten Verstärker zu übersteuern.

[0018] Da sich etwa 40 % der Energie des langzeitspektrums der mensch­lichen Sprache im Bereich von 400 - 800 Hz befindet, ist es vor­teilhaft, daß die Sprachsignale von 0 dB bei 1000 Hz um etwa 6 dB/Oktave ver- bzw. entzerrt werden. Verzerrung und Entzerrung sind zueinander invers, und es können die sende- und empfangs­seitig insgesamt vier Funktionsblöcke zusammengefaßt werden. Da­mit ist dieses Verfahren auch für digitale Verarbeitung besonders gut geeignet.

[0019] Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles und von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild des funktionalen Auf­baues des Ausführungsbeispieles und

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Verschleierungsschaltung.

[0020] Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Mobiltelefonsystems. Dabei werden sowohl Sprach- wie auch Datensignale von mobilen Teilnehmerendgeräten TEG über Funk an Basisstationen BS über­mittelt. Der gerufene Teilnehmer kann sowohl über ein mobiles Teilnehmerendgerät TEG als auch über ein über Telefon- oder Datenvermittlung erreichbares stationäres Gerät verfügen. In einer Verschleierungsschaltung VS werden die Signale durch co­dierte Frequenzbandvertauschung von vier Teilbändern verschlei­ert. Da sich etwa 40 % der Energie der menschlichen Sprache im Bereich von 400 - 800 Hz befindet, wird die spektrale Energie­verteilung in einem Vorverzerrer VV mit 0 dB bei 1000 Hz und 6 dB/Oktave verändert. Ein Frequenzbandvertauscher FBT vertauscht die vier Bänder nach einem von einem Codegeber CG aus Zufalls­zahlen abgeleiteten Code. Da durch die Vorverzerrung die charak­teristische Verteilung der Energie der menschlichen Sprache unter­drückt wird, läßt auch eine Spektralanalyse des verschleierten Signals keine Rückschlüsse auf den verwendeten Code zu. Nunmehr weist das Energiespektrum des verschleierten Sprachsignals mit vertauschten und invertierten Frequenzbändern eine dem klaren Sprachsignal ähnliche Energieverteilung auf. Ein Entzerrer EZ senkt die Höhen des verschleierten Signales ab. In einem Sende­teil werden die hohen Frequenzen des verschleierten Sprachsignals erneut angehoben, womit ein für den Sender optimales Energie­spektrum erzeugt wird. Im Teilnehmerendgerät TEG wird der Code von einem Pilottonsender PS nach Aktivierung der Verschleierungs­schaltung VS in eine Bandlücke des Audio-Frequenzbandes einge­fügt. Die Bandlücke beträgt etwa 200 Hz, und der obere Teil des Frequenzbandes ist um diesen Betrag zu höheren Frequenzen hin verschoben.

[0021] In der Verschleierungsschaltung VS der Basisstation BS entschlüs­selt ein Pilottonempfänger PE den im Signal enthaltenen Code. Das verschleierte Signal wird wiederum vom Vorverzerrer VV verändert. Im Frequenzbandvertauscher FBT wird die Reihenfolge der Bänder nach dem Code richtiggestellt und vom Entzerrer EZ wird die Ener­gieverteilung in die ursprüngliche Form rückgewandelt. Dieses Signal wird über Vermittlungsstellen im Klartext an den gerufenen Teilnehmer weitergeleitet. So dieser für seine Funkstrecke gleich­falls die Verschleierungsschaltung VS seines Teilnehmerendgerätes TEG aktiviert hat, erzeugt dessen Codegeber CG einen vom Teilneh­merendgerät TEG des rufenden Teilnehmers unabhängigen Code. Die neuerliche Verschleierung erfolgt mit dem Code dieses Teilnehmer­endgerätes TEG auf gleiche Weise wie beim rufenden Teilnehmer.

[0022] Die Verschleierung des Rückkanals von der Basisstation BS zum Teilnehmer erfolgt in der Verschleierungsschaltung VS der Basis­station BS mit dem im Pilottonempfänger PE gespeicherten Code. Über Vorverzerrer VV, Frequenzbandvertauscher FBT und Entzerrer EZ werden die Rücksignale ohne Pilotton an das Teilnehmerendgerät TEG gesendet. Da die Verschlüsselung mit demselben Code erfolgt, der vom Codegeber CG zur Verschlüsselung der anderen Übertragungs­richtung verwendet wird, benötigt das Teilnehmerendgerät TEG kei­nen Pilottonempfänger PE. Die empfangenen Rücksignale werden über den Vorverzerrer VV mit dem Code aus dem Codegeber CG im Frequenz­bandvertauscher FBT entschleiert und im Entzerrer EZ rückgewandelt.

[0023] Da eine hohe Sprachqualität insbesondere bei zweimaliger Ver­schleierung zu gewährleisten ist, erfolgt die Sprachverschleie­rung im Teilnehmerendgerät TEG und der Basisstation BS durch digitale Signalprozessoren DSP. Die Ein- und Ausgänge der Ver­schleierungsschaltungen VS sind mit Analog/Digital-Wandlern A/D bestückt. Um ein Entschlüsseln durch Abhörgeräte unmöglich zu machen, wird der Code in zufällig verteilten Intervallen von 0,8 - 4,2 sec durch den Codegeber CG geändert. Die Vertauschung von vier Frequenzbändern ergibt 384 mögliche Codes. Da viele dieser Kombinationen zu Signalen mit hoher Restverständlichkeit führen, werden nur 256 Codes tatsächlich verwendet. Das Aussenden des Pilottons wird in der Basisstation BS ständig durch Auskoppeln des Audio-Frequenzsignals überwacht. Die Verschleierungsschaltung VS wird aktiviert, wenn ein gültiger Code vom Pilottonempfänger PE ermittelt wird.

[0024] Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild der Verschleierungsschaltung des Teilnehmerendgerätes. Das Zuschalten der Verschlüsselung erfolgt durch Aktivieren eines Relais R an den vier Ein- bzw. Ausgängen der Verschleierungsschaltung über den Signalprozessor DSP. Bei Ausfall des Signalprozessors DSP fällt das Relais R ab und über­brückt die Verschleierungsschaltung. Das zu verschleiernde Signal liegt am Bedienhörereingang BE an. Über eine Niederfrequenzan­passung NA wird das Signal in einem Coder/Decoder-Baustein CD digitalisiert und pulscodemoduliert. Über einen Seriell/Parallel- ­Umsetzer SP eines anwendungsspezifischen Schaltkreises IC ist der Bedienhörereingang BE mit einem Datenbus DB und dem Signalpro­zessor DSP verbunden. Nach der Verschleierung wird das Signal über den Datenbus DB, Seriell/Parallel-Umsetzer SP, Coder/Decoder- ­Baustein CD und Niederfrequenzanpassung mit dem Sendeausgang SA verbunden.

[0025] In Rückrichtung durchläuft das Signal die Verschleierungsschal­tung vom Sendeeingang SE zum Bedienhörerausgang BA.

[0026] Die Verfahrensschritte der Vorverzerrung, Verschlüsselung und Ent­zerrung werden für beide Übertragungsrichtungen im Signalprozessor DSP vorgenommen. Die Auswahl der Ein- bzw. Ausgänge erfolgt über eine Anschlußwahlschaltung AW, die vom Signalprozessor DSP ge­steuert wird. Ein Taktgenerator TG im Schaltkreis IC versorgt die digitalen Bauelemente mit einem zentralen Takt.

[0027] Die Verschleierungsschaltung der Basisstation ist im wesentlichen gleich aufgebaut. Das Relais R entfällt und die Niederfrequenzan­passung NA ist zur galvanischen Trennung mit Übertragerschaltungen realisiert. Außerdem wird die im System vorhandene Schleifenüber­wachung mit Hilfe einer Relaisschaltung aufrechterhalten.

[0028] Die Verschleierungsschaltung im Teilnehmerendgerät kann als inte­grierte Version im Mobilteil eingebaut sein und über den Bedien­hörer betätigt werden. Das Nachrüsten wird durch eine Signalver­schleierungseinheit als Zusatzgerät erleichtert. Es wird in die Buchse des Bedienhörers am Mobilteil gesteckt und weist selbst eine Buchse für den Bedienhörer auf. Die Signalverschleierungs­einheit enthält ein LED-Kontrollsignal und eine Betätigungstaste. Ein Fernbedienungsanschluß ermöglicht auch deren Kontrolle und Betätigung bei Unterbringung im Kofferraum eines Automobils.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur verschleierten Übertragung analoger Signale in Übertragungssystemen mit mindestens einem drahtlos erreichbaren Teilnehmerendgerät (TEG), in dem ein Codegeber (CG) zur Erzeugung eines aus Zufallszahlen abgeleiteten Codes und eine Verschlei­erungsschaltung (VS) zur codierten Frequenzbandvertauschung der zu sendenden Signale enthalten ist und deren Codegeber (CG) mit einem Pilottonsender (PS) zur Übertragung des Codes an eine eben­falls eine Verschleierungsschaltung (VS) enthaltende Basisstation (BS) verbunden ist, die nur für autorisiertes Personal zugänglich ist und in der ein Pilottonempfänger (PE) zur Auswertung und Be­reitstellung des Codes und eine Verschleierungsschaltung (VS) zur Entschleierung der empfangenen Signale vorhanden ist, wobei der Pilottonsender (PS) ständig in Betrieb ist und die von der Basis­station (BS) an das Teilnehmerendgerät (TEG) gesendeten Signale mit demselben Code verschleiert sind, der im Pilotton enthalten ist, wobei mit den Signaleingängen (BE,SE) der Verschleierungs­schaltung (VS) des Teilnehmerendgerätes (TEG) und den Signalein­gängen der Verschleierungsschaltung (VS) der Basisstation (BS) je ein die Signale digitalisierender Analog/Digital-Wandler (A/D) verbunden ist, an dessen Digitalausgang ein digitaler Signalpro­zessor (DSP) angeschlossen ist, der die höheren Frequenzen der Signale anhebt, der im Teilnehmerendgerät (TEG) den Codegeber (CG) und den Pilottonsender (PS) und in der Basisstation (BS) den Pilottonempfänger (PE) enthält, der die Frequenzbänder der Signa­le nach dem Code vertauscht und die höheren Frequenzen der Signa­le absenkt und dessen Ausgang mit dem Digitaleingang des Analog/­Digital-Wandlers (A/D) verbunden ist, dessen Analogausgang ein Signalausgang der Verschleierungsschaltungen (VS) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Ausgabewert des Codegebers (CG) in Abständen von weniger als fünf Sekunden zufällig und gleichver­teilt geändert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Pilottonsender (PS) auf die Mittenfrequenz einer Bandlücke im Bereich des Audio-Frequenz­bandes eingestellt und das Audio-Frequenzband um die Breite der Bandlücke zu höheren Frequenzen erweitert ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleierungsschaltung (VS) in einer Signalverschleierungseinheit enthalten ist, die über eine Schnittstelle im Signalweg an das Teilnehmerendgerät (TEG) anschließbar ist, an der ein Kippschalter und eine Funktionskon­trollanzeige vorhanden ist und/oder eine Fernbedienung zur Betä­tigung der Verschleierung steckbar vebunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Mobiltelefon eine Signalverschleierungstaste an einem Bedienhörer des Teilnehmer­endgerätes (TEG) vorhanden ist und der Betrieb der Verschlei­erung an einem Anzeigefeld des Bedienhörers dargestellt ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Basisstation (BS) mit digitaler Signalverarbeitung mit einer Digitalvermittlung verbun­den und zur digitalen Weiterleitung der empfangenen und entschlei­erten Signale der Ausgang des Signalprozessors (DSP) direkt mit dem Ausgang der Verschleierungsschaltung (VS) verbunden ist.

7. Verfahren zur Verschleierung von über Funk zwischen zwei Stationen übertragenen Sprachsignalen, die senderseitig vor­verzerrt, verschleiert, entzerrt und zur Absendung nochmals vorverzerrt werden und empfangsseitig zur Kompensation der Vorverzerrung der Absendung entzerrt, wiederum vorverzerrt, entschleiert und entzerrt werden, wobei die höheren Frequenzen des Signalspektrums vor der Ver- bzw. Entschleierung durch die Vorverzerrung zu einer näherungsweise linearen Energievertei­lung angehoben und nach der Ver- bzw. Entschleierung durch die Entzerrung um den gleichen Betrag abgesenkt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Sprachsignale von 0 dB bei 1000 Hz um etwa 6 dB je Oktave ver- bzw. entzerrt werden.

Zeichnung