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Einrichtung zur verschlüsselten Übertragung von Sprachsignalen durch
Vertauschung von Teilbändern Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur
verschlüsselten übertragung von Sprachsignalen, bei der auf der Sendeseite das zu
übertragende sprachfrequente Frequenzband mit der Bandbreite B in
n
gleich breite Teilbänder aufgeteilt ist, die in einer ersten Umsetzerstufe,
bestehend aus n eingangsseitig parallelgeschalteten Modulatoren mit nachgeschalteten,
untereinander gleichen Einheitsfiltern, in dieselbe Frequenzlage gebracht, gegeneinander
vertauscht und in einer zweiten Umsetzerstufe in Regel-oder Kehrlage im ursprünglichen
Frequenzbereich wieder aneinandergereiht werden, wobei die zweite Umsetzerstufe
bei Bandumschaltung aus 2n und bei Trägerumschaltung aus n ausgangsseitig parallelgeschalteten
Modulatoren besteht, unter Verwendung von jeweils fa Trägerfrequenzen für die erste
und zweite Umsetzerstufe und von weiteren n Trägerfrequenzen für die zweite Umsetzerstufe,
die sich durch Spiegelung der erstgenannten Trägerfrequenzen an der Mittenfrequenz
der Einheitsfilter ergeben, und bei der die empfangsseitigen Umsetzerstufen denen
der Sendeseite entsprechen, aber in umgekehrter Richtung durchlaufen werden, wobei
am Ausgang der Sende- und Empfangseinrichtung jeweils ein Tiefpaß zum Aussieben
des Übertragungsbandes liegt.
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Es sind zwei verschiedene Verfahren zur Teilbandvertauschung bekannt:
die Bandumschaltung und die Trägerumschaltung. Bei der Bandumschaltung sind jedem
Modulator feste Trägerfrequenzen zugeordnet, wobei für ta Teilbänder sende- und
empfangsseitig jeweils 3 n Modulatoren benötigt werden. Der Vertauscher trifft die
Auswahl von n aus 2 n Modulatoren. Es bestehen verschiedene Schaltungsmöglichkeiten:
Zum Beispiel kann auf der Sendeseite die erste Frequenzumsetzergruppe fa Modulatoren
mit h Einheitsfiltern und die zweite Frequenzumsetzergruppe 2 h Modulatoren enthalten;
oder die erste Frequenzumsetzergruppe hat 2 h Modulatoren mit 2 n
Einheitsfiltern und die zweite Frequenzumsetzergruppe n Modulatoren. (Der zwischen
den Umsetzern liegende Vertauscher hat im ersten Fall n Eingangs- und 2 n Ausgangsklemmen,
im zweiten Fall 2 n Eingangs-und n Ausgangsklemmen.) Im ersten Fall werden nur halb
soviel Einheitsfilter benötigt.
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Bei der Trägerumschaltung sind in jedem Teilbandkanal die beiden Modulatoren
für die erste und zweite Frequenzumsetzung über ein Einheitsfilter fest durchgeschaltet,
so daß für n Teilbänder sende- und empfangsseitig jeweils nur 2n Modulatoren und
n Einheitsfilter benötigt werden. Der Vertauscher trifft die Auswahl von h aus
2 n Trägerfrequenzen. Bekannte Verschlüsselungseinrichtungen sind so geschaltet,
daß sendeseitig die vom Vertauscher ausgewählten Träger der ersten Frequenzumsetzergruppe
zugeführt werden, während in der zweiten Frequenzumsetzergruppe jedem Modulator
eine feste Trägerfrequenz zugeordnet ist. Bei der Trägerumschaltung werden gegenüber
der Bandumschaltung sende- und empfangsseitig jeweils h Modulatoren und gegebenenfalls
auch tz Einheitsfilter eingespart; dies wird aber unter Umständen durch ein höheres
Störgeräusch beim Vertauschungswechsel erkauft, weil bei der Umschaltung der Träger
störende Seitenfrequenzen zu den ursprünglichen Trägerfrequenzen entstehen.
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Der Frequenzplan für eine Einrichtung zur Sprachverschlüsselung wird
wesentlich von der Frequenzlage der Einheitsfilter bestimmt, in die die Teilbänder
vor der Vertauschung umgesetzt werden. Dies soll an einigen bekannten Einrichtungen
gezeigt werden, bei denen das zu übertragende Sprachband (250 bis 3000 Hz) in fünf
Teilbänder von je 550 Hz Breite aufgeteilt wird. Bei einer solchen Einrichtung,
die mit Bandumschaltung arbeitet, liegt das Einheitsband im Bereich 3,55 bis 4,1
kHz, also dicht oberhalb des zu übertragenden Sprachbandes. Für die Aufspaltung
und Wiederzusammensetzung der Teilbänder dienen zehn Träger mit Frequenzen zwischen
1,10 und 6,55 kHz. Folgende Filter werden sendeseitig benötigt: 9 5 Filter mit fünf
verschiedenen Durchlaßbereichen von je 550 Hz Breite zum Aussieben der Teilbänder
(fünf Filter am Eingang und zehn Filter am Ausgang) und fünf Einheitsfilter. Die
Empfangsseite ist spiegelbildlich zur Sendeseite aufgebaut. Bemerkenswert ist, daß
zwischen dem sende- und empfangsseitigen Vertauscher zehn Filter mit 550 Hz Durchlaßbreite
liegen, in denen beim Vertauschen der Teilbänder Einschwingvorgänge auftreten.
Bei
einer anderen bekannten Einrichtung mit Bandumschaltung ist für das Einheitsband
der Bereich 1,4 bis 1,95 kHz gewählt, der innerhalb des Sprachbandes liegt. Hier
durchläuft das Sprachband sende- und empfangsseitig jeweils vier Modulationsstufen:
In der ersten Stufe wird das Band durch Vormodulation mit 12 kHz in den Bereich
12,25 bis 15 kHz verschoben und in der vierten Stufe durch Rückmodulation mit demselben
Träger wieder in den ursprünglichen Bereich gebracht. Die Trägerfrequenzen zur Aufspaltung
und Wiederzusammensetzung der Teilbänder in der zweiten und dritten Stufe liegen
zwischen 10,85 und 16,4 kHz. Durch die Vormodulation wird der Aufwand an Filtern
wesentlich erniedrigt: Während sendeseitig für die Vor- und Rückmodulationsstufen
jeweils ein Tiefpaß und ein Bandpaß von etwa 3 kHz Bandbreite genügen, dienen zur
Aussiebung der Teilbänder zehn Einheitsfilter. Sende-und Empfangsseite sind gleich
aufgebaut. Für Einschwingvorgänge beim Vertauschungswechsel kommen von den zehn
Einheitsfiltern der Empfangsseite jeweils fünf in Betracht (die wesentlich breiteren
Filter der Vor- und Rüekmodulationsstufen brauchen dabei nicht berücksichtigt zu
werden).
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Eine weitere bekannte Verschlüsselungseinrichtung arbeitet mit Trägerumschaltung
und verwendet ein Einheitsband in der Lage 3,6 bis 4,15 kHz. Auch hier wird eine
Vor- und Rückmodulation mit 12 kHz angewendet, wobei die Seitenbänder benutzt werden.
Für die Aufspaltung und Wiederzusammensetzung der Teilbänder dienen zehn Trägerfrequenzen
im Bereich 13,15 bis 18,6 kHz. Der Filteraufwand ist bei dieser Anlage sehr gering:
Außer Tiefpässen von etwa 3 kHz Bandbreite in den Vor- und Rückmodulationsstufen
werden sendeseitig nur fünf Einheitsfilter gebraucht. Die Empfangsseite hat den
gleichen Aufbau wie die Sendeseite. In den fünf Einheitsfiltern der Sendeseite können
beim Vertauschungswechsel Einschwingvorgänge auftreten.
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Schließlich sei noch eine Telefonie-Geheimhalteeinrichtung erwähnt,
bei der das Sprachband in vier Teilbänder von je 700 Hz Bandbreite unterteilt wird.
Die erste Frequenzumsetzerstufe arbeitet mit Trägerumschaltung, die zweite mit Bandumschaltung,
und als Einheitslage ist der Bereich 10 bis 10,7 kHz gewählt. Die acht Trägerfrequenzen
zur Aufspaltung der Teilbänder liegen im Bereich zwischen 7,9 und 12,8 kHz. Den
vier Modulatoren der ersten Stufe sind jeweils zwei verschiedene Träger zugeordnet,
die das Sprachband so verschieben, daß immer ein anderes Teilband in Regel- oder
Kehrlage in die darauffolgenden Einheitsfilter fällt. Die ausgesiebten Teilbänder
werden über einen Vertauscher den vier Modulatoren der zweiten Stufe zugeführt,
denen feste Trägerfrequenzen zugeordnet sind. Der Filteraufwand beträgt sendeseitig
vier Einheitsfilter in der ersten Stufe und vier Teilbandfilter am Ausgang der zweiten
Stufe. Sende- und Empfangsseite sind gleich aufgebaut, so daß bei einem Vertauschungswechsel
unter Umständen in sämtlichen 16 Filtern Einschwingvorgänge auftreten können.
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Bein = 5 Teilbändern ergeben sich durch Vertauschung 211 - n ! = 3840
Kombinationen, von denen allerdings nur etwa 100 bis 150 als wirklich unverständlich
anzusehen sind. Im einfachsten Fall wird mit einer festen Kombination gearbeitet,
die von Zeit zu Zeit von Hand gewechselt werden kann. Der Schutz gegen unbefugtes
Abhören erhöht sich jedoch wesentlich, wenn mit Hilfe einer Zeitsteuerung verschiedene
Kombinationen in einem bestimmten Zeitrhythmus in einer vorgegebenen Reihenfolge
aneinandergereiht werden. Die Dauer für eine bestimmte Kombination läßt sich bei
bekannten Verschlüsselungseinrichtungen einstellen, beispielsweise zwischen 20 und
2 Sekunden; es hat sich gezeigt, daß bei einem wesentlich schnelleren Vertauschungswechsel
störende Knackgeräusche auftreten können.
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Diese Knackgeräusche können bei schnellem Vertauschungswechsel dadurch
entstehen, daß in den Filtern mit dem schmalen Durchlaßbereich eines Teilbandes,
die bei den angeführten bekannten Einrichtungen zwischen dem sende- und empfangsseitigen
Vertauscher bzw. zwischen den Modulatoren mit Trä-P a rumschaltung liegen, beim
Vertauschen der Teil -bänder Ein- und Ausschwingvorgänge auftreten und daher beim
sprunghaften Wechsel der Teilbänder vorübergehend Anteile der Sprechenergie von
einem Teilbereich in einen anderen verschleppt werden.
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Es sind ferner bereits Einrichtungen zur Sprachverschlüsselung bekannt,
bei denen zwischen dem sende- und empfangsseitigen Vertauscher bzw. zwischen den
Modulatoren mit Trägerumschaltung keine Filter mit dem schmalen Durchlaßbereich
eines Teilbandes liegen. Dabei beträgt die Lage des Einheitsbandes z. B. 2,75 bis
3,25 kHz. Diese Einheitslage führt zu sehr hohen Anforderungen an die Eingangs-und
Ausgangstiefpässe; außerdem fallen viele störende Modulationsprodukte in das Nutzband.
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Es ist ferner bereits ein Geheimhaltungssystem bekannt, bei dem in
der ersten Umsetzerstufe das obere Seitenband benutzt wird. Dabei fallen jedoch
mehr störende Modulationsprodukte in das Nutzband, als dies bei Verwendung des unteren
Seitenbandes der Fall ist. Bei diesem Geheimhaltungssystem stören in der ersten
Umsetzerstufe Modulationsprodukte der Form 2 62 - q co bereits ab
q > 2. Ferner erfordert die Verwendung des oberen Seitenbandes in der ersten
Modulationsstufe einen scharf begrenzenden Tiefpaß am Eingang des Sendeteiles.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur verschlüsselten
Übertragung von Sprachsignalen zu schaffen, die bei vorteilhaften Übertragungseigenschaften
einen möglichst geringen Aufwand an Filtern erfordert.
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Gemäß der Erfindung wird die Einrichtung zur verschlüsselten Übertragung
von Sprachsignalen der eingangs erwähnten Art derart ausgebildet, daß der Durchlaßbereich
der Einheitsfilter etwa im Bereich 15,875 kHz ± BZ liegt, in welchen die umgesetzten
Teilbänder durch entsprechende Wahl der Trägerfrequenzen für die erste Umsetzerstufe
in an sich bekannter Weise jeweils in Kehrlage fallen. Durch diese Maßnahmen ergibt
sich der Vorteil, daß bei einem denkbar kleinen Filteraufwand besonders wenig störende
Modulationsprodukte in das Nutzband fallen.
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Ein günstiger Wert für den Durchlaßbereich der Einheitsfilter ist
bei einem zu übertragenden Sprachfrequenzband von 250 bis 3000 Hz, das in fünf Teilbänder
von je 550 Hz Breite unterteilt ist, beispielsweise der Bereich 15,6 bis 16,15 kHz.
Bei dieser verhältnismäßig hohen Frequenzlage des Einheitsbandes ist eine Vorumsetzung
des gesamten Sprachbandes in einen höheren Bereich unnötig. Der Frequenzplan ist
so getroffen, daß störende Modulationsprodukte - insbesondere der Form »Träger minus
zweimal
modulierendes Band« - nicht in das Nutzband fallen. Die
Einheitsfilter werden zweckmäßig als mechanische Filter ausgeführt. Der Durchlaßbereich
der Tiefpässe, die jeweils am Ausgang der Sende- und Empfangseinrichtung liegen,
kann wesentlich breiter als das Sprachband gewählt werden, da störende Trägerreste
und Modulationsprodukte erst in einem Bereich oberhalb 13 kHz auftreten.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung an zwei Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in F i g. 1 den Frequenzplan der Sendeseite
einer Einrichtung zur Sprachverschlüsselung, F i g. 2 den der F i g. 1 entsprechenden
Frequenzplan der Empfangsseite, F i g. 3 das Blockschaltbild einer Einrichtung mit
Bandumschaltung, F i g. 4 das Blockschaltbild einer Einrichtung mit Trägerumschaltung.
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Das zu übertragende Sprachband umfaßt den Bereich 250 bis 3000 Hz.
Es wird in fünf Teilbänder von je 550 Hz Breite aufgeteilt, die nach einem bestimmten
Schlüssel in Regel- oder Kehrlage gegeneinander vertauscht werden. Wie der Frequenzplan
der F i g. 1 links oben zeigt, sind die fünf Teilbänder in Regellage mit
A, B, C, D und E bezeichnet. Die invertierten Teilbänder erhalten die Bezeichnung
A', B', C, D' und E'. Damit der Übergang von den Frequenzplänen zu
den Blockschaltbildern erleichtert wird, sind in den Frequenzplänen die Umsetzungen
und Bandvertauschungen durch gestrichelte und strichpunktierte Linien angedeutet;
außerdem sind die bei der Einrichtung mit Bandumschaltung verwendeten Modulatoren
angegeben.
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Als Einheitslage, in die die Teilbänder vor der Vertauschung gebracht
werden, ist der Bereich 15,6
bis 16,15 kHz gewählt. Die Einheitsfilter sind
in den Frequenzplänen duch Schraffur angedeutet.
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Am Eingang jedes Modulators MA 1', MB 1',
MC 1', MD 1' und
ME 1' der ersten Umsetzerstufe liegt das gesamte Sprachband A B C D E.
Es wird durch fünf um Teilbandbreite gestaffelte Träger 16,4, 16,95, 17,5, 18,05
und 18,6 kHz in fünf verschiedene Frequenzlagen gebracht, in denen jeweils ein Teilband
A' bzw. B' bzw. C bzw. D' bzw. E' in Kehrlage in den
Durchlaßbereich eines Einheitsfilters fällt. Am Ausgang der Einheitsfilter treten
also die fünf Teilbänder A' bis E' in der gleichen Frequenzlage 15,6 bis 16,5 kHz
in Kehrlage auf; dabei enthält das Band A' dem Nachrichteninhalt des niederfrequenten
Teilbandes 250 bis 800 Hz, das Band B' den von 800 bis 1350 Hz, das Band
C den von 1350 bis 1900 Hz, das Band D' den von 1900 bis 2450 Hz und das
Band E' den von 2450 bis 3000 Hz.
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Für die zweite Umsetzerstufe sind außer den fünf in der ersten Umsetzerstufe
verwendeten Trägern weitere fünf erforderlich, um in der verschlüsselten Lage auch
eine Invertierung der Teilbänder zu ermöglichen. Durch Spiegelung der Trägerfrequenzen
16,4, 16,95, 17,5, 18,05 und 18,6 kHz an der Mittenfrequenz 15,875 kHz des Einheitsbandes
ergeben sich die Frequenzen 15,35, 14,8, 14,25, 13,7 und 13,15 kHz. (Es wäre im
vorliegenden Fall auch möglich, die zuletzt genannten Trägerfrequenzen in der ersten
Umsetzerstufe zu verwenden.) Soll nun beispielsweise das ursprüngliche Band
AB CD Ein die Form C'E'BA'D verschlüsselt werden, so spielen sich in der
zweiten Umsetzerstufe folgende Vorgänge ab: Das ausgesiebte invertierte Teilband
A' (l5,6 bis 16,15 kHz), das ursprünglich als Teilband A frequenzmäßig an erster
Stelle (250 bis 800 Hz) lag, muß unter Beibehaltung seiner invertierten Lage an
die Stelle des Teilbandes D gebracht werden, das ursprünglich frequenzmäßig die
vierte Stelle einnahm (1900 bis 2450 Hz). Dazu wird das Teilband A' mit dem Träger
13,7 kHz moduliert, der spiegelbildlich zu dem Träger 18,05 kHz liegt, der in der
ersten Umsetzerstufe dem vierten Teilband D zugeordnet ist. Bei der Verschlüsselung
des Teilbandes B, das in Regellage an die Stelle des Teilbandes C gebracht wird,
dient zur zweiten Frequenzumsetzung der Träger 17,5 kHz, der in der ersten Umsetzerstufe
dem Teilband C zugeordnet ist. Die weiteren Frequenzumsetzungen lassen sich an Hand
des Frequenzplanes der F i g. 1 leicht verfolgen.
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Obwohl die Entschlüsselung der umgekehrte Vorgang der Verschlüsselung
ist und Sende- und Empfangseinrichtung spiegelbildlich zueinander aufgebaut sind,
wird der Frequenzplan der Empfangsseite (F i g. 2) nicht einfach durch Rückwärtslesen
des Frequenzplanes der Sendeseite (F i g. 1) erhalten. Wesentlich ist, daß empfangsseitig
zuerst das ganze verschlüsselte Band unter Benutzung beider Seitenbänder in höhere
Frequenzlagen verschoben wird, so daß jeweils ein Teilband in den Durchlaßbereich
der Einheitsfilter fällt. Die Teilbänder in Kehrlage werden erst nach der Vertauschung
von fünf Einheitsfiltern ausgesiebt.
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In den Blockschaltbildern der F i g. 3 und 4 ist der Aufbau einer
Verschlüsselungseinrichtung mit Bandumschaltung und mit Trägerumschaltung dargestellt.
Es sind nur die für die Verschlüsselung wesentlichen Teile, also die Modulatoren,
Filter, Vertauscher und Trägergeneratoren gezeichnet; Verstärker sind dagegen weggelassen.
Bei den Trägergeneratoren sind die ihnen zugeordneten Frequenzen in Kilohertz angegeben.
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Die erste Umsetzerstufe stimmt bei den Einrichtungen mit Band- und
Trägerumschaltung völlig überein. Sie besteht aus fünf Modulatoren MA 1'
bis ME 1', die eingangsseitig parallel geschaltet sind und denen fünf Einheitsfilter
FA 1 bis FE 1 folgen. Entsprechendes gilt für die letzte Umsetzerstufe
der Empfangsseite, die fünf Einheitsfilter FA 2 bis FE 2
enthält, denen
fünf ausgangsseitig parallelgeschaltete Modulatoren MA 4' bis ME4' nachgeschaltet
sind. Die Einheitsfilter, deren relative Bandbreite nur etwa 3,5% beträgt, werden
zweckmäßig als mechanische Filter ausgeführt. Diese enthalten beispielsweise Stahlschwinger,
die untereinander so gekoppelt sind, daß mechanische Leistung in der gewünschten
Bandbreite übertragen wird. Zur Umwandlung von elektrischer Leistung in mechanische
und umgekehrt dienen z. B. Piezokeramiken.
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Bei der Einrichtung mit Bandumschaltung enthält die zweite Umsetzerstufe
zehn Modulatoren MA 2 bis ME 2 und MA 2' bis ME 2' mit
fest zugeordneten Trägern. Von diesen Modulatoren sind aber jeweils nur die Hälfte
in Betrieb, da jedes Teilband nur entweder in Regel- oder Kehrlage auftreten darf.
Entsprechendes gilt für die erste Umsetzerstufe der Empfangsseite mit den Modulatoren
MA 3 bis ME3 und MA 3' bis ME 3'. Die Einrichtung mit Trägerumschaltung
benötigt sendeseitig für die zweite bzw. empfangsseitig für die erste Umsetzerstufe
nur fünf Modulatoren M11 bis M15 bzw. M21 bis M 25, denen
die vom
Vertauscher V 10 bzw. V20 ausgewählten Träger zugeführt werden. Am Ausgang der Sende-und
Empfangseinrichtung liegt je ein Tiefpaß F1 bzw. F2 zum Aussieben des Übertragungsbandes.
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Die Vertauscher V 1, V 2 (F i g. 3) und V 10, V 20 (F i g. 4) arbeiten
bei verhältnismäßig langsamem Vertauschungswechsel in der Größenordnung von Sekunden
mit mechanischen Schaltern. Bei wesentlich schnellerem Wechsel werden zweckmäßig
elektronische Schalter verwendet.