DE1303319C1

DE1303319C1 - Procedure for the secret transmission of speech

Info

Publication number: DE1303319C1
Application number: DE19591303319
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr.-Ing. 5486 Oberwinter Göing
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch den Staatssekretär des Bundeskanzleramtes, 5300 Bonn
Priority date: 1959-03-14
Filing date: 1959-03-14
Publication date: 1977-11-10

Description

besitzt.owns.

4. Verfahren zur Geheimübertragung nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Modulator aus dem Sprachsignal abgeleitete Kennwerte zugeführt werden, die nur die spektrale Intensitätsverteilung der Sprache beschreiben, und daß im Empfänger zur Regeneration der Sprache als einzige Sprachenenergiequelle ein Rauschgenerator benutzt wird.4. A method for secret transmission according to claim 1 or 2 or 3, characterized in that the modulator is supplied with characteristic values derived from the speech signal, which only include the spectral Describe the intensity distribution of the language, and that in the receiver for the regeneration of the language as the only source of speech energy is a noise generator.

4040

Ein Verfahren zur Geheimübertragung von Sprache betreffend dient die Erfindung dem Zweck, gesprochene Nachrichten zu verschlüsseln, so daß ein unbefugtes Abhören der Nachricht auf dem Übertragungsweg unmöglich gemacht oder wesentlich erschwert wird.A method for the secret transmission of speech pertaining to the invention serves the purpose of spoken Encrypt messages so that unauthorized interception of the message in transit made impossible or made much more difficult.

Zum Zwecke der Geheimübertragung von Sprache sind technische Verfahren und Anlagen zu deren Ausübung erdacht und auch verwendet worden, bei denen das in elektrischer Form als Klartext vorliegende Sprachsignal reproduzierbar und umkehrbar eindeutig so zu einem Geheimtextsignal verändert wird, daß einerseits der Geheimtext keine oder sehr wenig Rückschlüsse auf den Klartext enthält und andererseits der befugte Empfänger im Besitz der Schlüsselunterlage das ursprüngliche Klartextsignal aus dem empfangenen Geheimtextsignal ableiten können soll. Der Erfolg dieser Bemühungen war allerdings sehr gering. Es hat sich gezeigt, daß mit diesen sozusagen analog arbeitenden Verfahren keine auch nur mittleren kryptologischen Ansprüchen entsprechende Sicherheit gegen unbefugtes Eindringen in den Nachrichteninhalt zu erzielen ist, wenn der Nachrichtenstrom des Geheimtextes, wie es mit Rücksicht auf die vorhandenen Nachrichtenkanäle praktisch erforderlich ist, nicht größer oder zumindest nicht wesentlich größer sein soll als der des Klartextes, und wenn mit Störungen und Verzerrungen, insbesondere auch Phasenverzerrungen, auf dem Übertragungsweg gerechnet werden muß.For the purpose of the secret transmission of language, technical processes and systems are required Exercise has been devised and also used, in which the present in electrical form as plain text Speech signal is reproducibly and reversibly unambiguously changed to a ciphertext signal in such a way that on the one hand the ciphertext contains little or no conclusions about the plain text and on the other hand the authorized recipient in possession of the key pad the original clear text signal from the received Should be able to derive ciphertext signal. The success of these efforts was, however, very little. It has It has been shown that with these, so to speak, analogous processes, none of them are even medium-sized Security against unauthorized intrusion into the message content corresponding to cryptological requirements is to be achieved when the message stream of the ciphertext, as it is with regard to the existing Message channels is practically required, should not be larger or at least not significantly larger than that of the plain text, and if with disturbances and distortions, especially phase distortions, must be expected on the transmission path.

Ausgehend von der Erkenntnis, daß ein p-us einer Folge diskreter Signale bestehender Klartext kryptoloeisch einwandfrei zu verschlüsseln ist und dies bei bestimmten strukturellen Eigenschaften des Klartextes, ohne daß der technische Nachrichtennuß durch die Verschlüsselung wesentlich vergrößert wird, zeigt die Erfindung einen Weg auf, die eingangs angedeuteten Schwierigkeiten bei der Gehimübertragung von Sprache zu vermeiden.Based on the knowledge that a p-us is a Sequence of discrete signals of existing clear text crypto-like can be properly encrypted and this with certain structural properties of the plaintext without the technical message having to pass through the Encryption is significantly increased, the invention shows a way, the initially indicated To avoid difficulties in brain transmission of speech.

Dabei wird zugleich Gebrauch gemacht von dem an sich bekannten Vorschlag, die Kennwerte eines sogenannten Vocoders nach dem PCM-Prinzip digital zu übertragen (siehe hierzu z.B.: H äs si er, G.: <?vnthetische Telefonte unter besonderer Berücksichtigung des Vocoders. Elektrotechnik 3, Nr. 3. 87-89, März 1949)· Allerdings ist ein Verfahren nach der Erfindung nicht auf die Anwendung eines Vocoders beschränkt, sondern kann seine Vorteile auch bei anderen Verfahren zur Ableitung von beschreibenden Kennwerten aus der Sprache entfalten. Solche anderen Verfahren sind bekannt (siehe z.B. H äs si er, G.: a a O) und noch andere sind denkbar.At the same time, use is made of the suggestion known per se, the characteristic values of a to transmit so-called vocoders digitally according to the PCM principle (see for example: H äs si er, G .: <? vnthetic telephones with special consideration of the vocoder. Elektrotechnik 3, Nr. 3. 87-89, March 1949) · However, a method according to the The invention is not restricted to the use of a vocoder, but can also benefit from its advantages develop other methods for deriving descriptive parameters from language. Such others Procedures are known (see e.g. Häs si er, G .: op cit) and others are also conceivable.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Geheimübertraeung von Sprache unter Anwendung der Puls-Code-Modulation (PCM), bei dem dem PCM-Modulator aus dem Sprachsignal laufend abgeleitete Kennwerte zugeführt werden, die sich langsamer ändern, als es einer Grenzfrequenz von 100 Hz entspricht. Die Geheimhaltung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht daß die Zuordnung zwischen Sprachsignal einerseits und Nachrichtensignal auf dem Übertragungsweg andererseits zeitlich verändert wird.The invention relates to a method of secret transmission of speech using pulse code modulation (PCM), in which the PCM modulator is made the speech signal is continuously fed with derived characteristic values which change more slowly than it does corresponds to a cutoff frequency of 100 Hz. The secrecy is achieved according to the invention that the association between the voice signal on the one hand and the message signal on the transmission path on the other hand is changed over time.

Die Erfindung führt also das allgemeine Problem einer kryptologisch einwandfreien und betriebssicheren Geheimübertragung von Sprache zurück auf die technische Aufgabe der Verschlüsselung eines digitalen Nachrichtenstromes. Die eigentliche Verschlüsselung wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die zeitliche Veränderung einer Zuordnung erreicht.The invention thus solves the general problem of a cryptologically correct and operationally reliable Secret transmission of voice back to the technical task of encrypting a digital one Message stream. According to the method according to the invention, the actual encryption is carried out by the A change in an assignment over time is achieved.

Der durch die Anwendung der PCM auf die Kennwerte aus der Sprache abgeleitete digitale Klartext hat sich als einer Verschlüsselung besonders zugänglich erwiesen. Von einem großen Teil der Redundanz direkter Sprachsignale befreit haben solche Klartexte eine statistische Struktur, die eine Verschlüsselung ohne nennenswerte Vergrößerung des Nachrichtenflusses gestattet. Die zur Herstellung und Aufrechterhaltung des Gleichlaufes an einer derartigen Nachrichtenverbindung beteiligter Schlüsselgeräte notwendigerweise zusätzlich zu übertragende Synchronisierinformation ist im zeitlichen Mittel so gering, daß sie nicht ins Gewicht fallen kann. Die verringerte Redundanz eines derartigen Klartextes hat den weiteren Vorteil, daß die Menge des für die Verschlüsselung eines Gespräches erforderlichen Schlüsseltextes nur verhältnismäßig gering ist. Dementsprechend können die Schlüsselgeneratoren wenig aufwendig sein, und die Schlüsselunterlagen, die für die korrekte Entschlüsselung beim befugten Empfänger und nur bei diesem verantwortlich sind, können weniger umfangreich sein und brauchen nicht so oft gewechse.t zu werden. Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile betreffen also sowohl den anlagenmäßigen Aufwand der Übertragungs- und Verschlüsselungsanlagen wie auch das gesamte Schiitsseimaterial und dessen organisatorische Handhabung.The digital one derived from the language through the application of the PCM to the characteristic values Plain text has proven to be particularly amenable to encryption. From a large part of the Freed from redundancy of direct speech signals, such plaintexts have a statistical structure, which is an encryption without any significant increase in the flow of messages. The one to produce and maintain the synchronization of the key devices involved in such a communication link Synchronization information to be additionally transmitted is so small on average over time that it can not matter. The reduced redundancy of such plaintext has the Another advantage is that the amount of encryption required key text required for a conversation is only relatively small. Accordingly the key generators can be inexpensive, and the key documents necessary for the correct Decryption by the authorized recipient, who is only responsible for this, can be less extensive and do not need to be changed as often will. The advantages that can be achieved with the invention relate to both the outlay on equipment of the transmission and encryption systems as well as the entire shipbuilding material and its organizational handling.

Weiterbildungen der Erfindung betreffen vorteilhafteDevelopments of the invention relate to advantageous ones

Einzelheiten bzw. Ergänzungen des Verfahrens nach der Erfindung.Details and additions to the method according to the invention.

Zur Ausübung des Verfahrens mit verschlüsselter Übertragung wird als vorteilhaft eine Weiterbildung empfohlen, nach der die Veränderung der Zuordnung von Sprachsignal und Nachrichtensignal auf dem Übertragungsweg durch eine laufende Umschaltung im Modulator selbst vorgenommen wird. Ein Wesenszug eines PCM-Modulators besteht darin, jedem Wert des Eingangssignals eine bestimmte Impulsgruppe an seinem Ausgang und damit auf dem Übertragungsweg zuzuordnen. Der Modulator kann so aufgebaut sein, daß diese Zuordnung veränderbar ist. Dann bedeutet die Ausübung des vorgeschlagenen Verfahrens nur einen verhältnismäßigen geringen Mehraufwand für die Durchführung der Verschlüsselung.In order to carry out the method with encrypted transmission, a further development is advantageous recommended after changing the assignment of the voice signal and message signal on the The transmission path is carried out by an ongoing switch in the modulator itself. A trait A PCM modulator consists in applying a specific pulse group to each value of the input signal to be assigned to its output and thus to the transmission path. The modulator can be constructed so that this assignment can be changed. Then practicing the proposed procedure means only one relatively little additional effort for the implementation of the encryption.

Es gibt auch Ausführungen von PCM-Modulatoren, die eine solche Veränderung der Zuordnung von Eingangssignal und Ausgangssignal nicht oder nicht ohne weiteres gestatten. Dann ist das zuvor vorgeschlagene Verfahren nicht anwendbar. Es mag auch aus anderen Gründen erwünscht sein, die Funktionen von Modulator und Verschlüsselung auch anlagenmäßig trennen zu können. Für diese Fälle wird vorgeschlagen, daß die Veränderung der Zuordnung von Sprachsignal und Nachrichtensignal auf dem Übertragungsweg durch eine Mischung der Impulsfolge am Ausgang des Modulators mit einer nach bestimmtem Programm ablaufenden zweiten Impulsfolge bewirkt wird, wobei diese zweite Impulsfolge vorzugsweise Zufallscharakter hat, also auch keine Periode besitzt.There are also versions of PCM modulators that allow such a change in the assignment of Do not allow input signal and output signal, or not allow it without further notice. Then the previously suggested Procedure not applicable. There may be other reasons why you may want to use the To be able to separate the modulator and encryption also in terms of the system. For these cases it is suggested that the change in the assignment of voice signal and message signal on the transmission path through a mixture of the pulse train at the output of the modulator with one according to a certain program running second pulse sequence is effected, this second pulse sequence preferably being random in character has, so does not have a period.

Nach der Erfindung wird mitbenutzt ein Verfahren, nach welchem aus dem Sprachsignal laufend Kennwerte abgeleitet werden. Für die Anwendung auf die Erfindung sind u. a. auch die als »Vocoder« bekanntgewordenen Anordnungen geeignet. Dabei werden der spektralen Intensitätsverteilung der Sprache eine Anzahl langsam veränderlicher Kennwerte zugeordnet, und ein oder zwei weitere dienen der Diskrimination zwischen stimmhaften und stimmlosen Lauten und der Steuerung der Melodie, d. h. der Grundtonhöhe der Sprache. Ein Vorteil der Erfindung ist es, den Anlagen-Aufwand gering halten und Schlüsselmittel geringeren Umfangs verwenden zu können. Um Anzahl und Umfang der im praktischen Betrieb erforderlichen Schlüsselmittel noch weiter reduzieren zu können, und im Interesse wenig umfangreicher und einfacher Anlagen wird man häufig auf gewisse Qualitätsmerkmale der Sprachübertragung verzichten. Ausgehend von der Erkenntnis, daß auch eine Flüstersprache, d. h. Sprache ohne stimmhafte Laute, voll verständlich ist, wird als eine besonders einfache Anordnungen erlaubende Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung empfohlen, daß die dem Modulator zugeführten, aus dem Sprachsignal abgeleiteten Kennwerte nur die spektrale Intensitätsverteilung der Sprache beschreiben und im Emptänger zur Regeneration der Sprache als einzige Sprachenenergiequelle ein Rauschgenerator benutzt, wird. Der Vorschlag, bei einer Vocoderübertragung von Sprache auf der Empfängerseite derart nur eine Flüstersprache zu erzeugen, ist an sich nicht neu (siehe z. B. H ä s s 1 e r, G.: a. a. O.) ebensowenig wie die Erkenntnis, daß eine Flüstersprache volle Verständlichkeit bieten kann. In Verbindung mit dem Verfahren nach der Erfindung ergibt diese an sich bekannte Maßnahme aber ganz besondere Vorteile, weshalb dies als Weiterbildung der Erfindung besonders herausgestellt Einige AusführungsbeispieJe mögen zur weiteren Erläuterung der Erfindung herangezogen werden. Die Abbildungen zeigen vereinfachte und schematisierte Wirkschaltbilder solcher Beispiele. Zur Erläuterung des Grundgedankens sei das Beispiel der A b b. 1 herangezogen. Das Verfahren verwendet die sogenannte Impuls-Code-Modulation, und die dem entsprechende Anordnung ist mit dem PCM-Modulator 3 im Sender, dem Übertragungsweg L und dem PCM-Demodulator 4According to the invention, a method is also used according to which characteristic values are continuously derived from the speech signal. The arrangements known as “vocoders” are, inter alia, also suitable for application to the invention. A number of slowly changing characteristic values are assigned to the spectral intensity distribution of the speech, and one or two more are used to discriminate between voiced and unvoiced sounds and to control the melody, ie the basic pitch of the speech. One advantage of the invention is to keep the system outlay low and to be able to use smaller key resources. In order to be able to further reduce the number and scope of the key resources required in practical operation, and in the interest of less extensive and simple systems, certain quality features of voice transmission will often be dispensed with. On the basis of the knowledge that whispered language, that is, speech without voiced sounds, is also fully understandable, it is recommended, as a particularly simple development of the method according to the invention, that the parameters fed to the modulator and derived from the speech signal only reflect the spectral intensity distribution describe the language and a noise generator is used in the receiver to regenerate the language as the only language energy source. The proposal to generate only a whispered language in the case of a vocoder transmission of speech on the receiving end is not in itself new (see e.g. Hässs 1 er, G .: loc can provide full intelligibility. In connection with the method according to the invention, this measure, known per se, results in very special advantages, which is why this is particularly emphasized as a further development of the invention. Some exemplary embodiments may be used to further explain the invention. The figures show simplified and schematic circuit diagrams of such examples. To explain the basic idea, the example in A b b. 1 used. The method uses what is known as pulse code modulation, and the corresponding arrangement is with the PCM modulator 3 in the transmitter, the transmission path L and the PCM demodulator 4

ίο im Empfänger gegeben. Dem Eingang des Modulators 3 wird erfindungsgemäß nicht das Sprachsignal selbst zugeführt, sondern der oder die Ausgänge der Anordnung 1, welche dem Sprachsignal y die zeitlich langsam veränderlichen Kennwerte zuordnet. Die Rekonstruktion der Sprache im Empfänger erfolgt in der Anordnung 2, deren Eingang bzw. Eingänge dem PCM-Demodulator 4 nachfolgen. Der PCM-Modulator 3 und der PCM-Demodulator 4 sind bei diesem Beispiel derart, daß das ihnen eigene Zuordnungsschema zwischen Analogsignal einerseits und Digitalsignal andererseits veränderbar und von außen steuerbar ist. Die beiden synchron laufenden Schlüsseltextgeneratoren 5 und 6 auf der Sende- und der Empfangsseite besorgen die der Erfindung entsprechende zeitliche Änderung der Zuordnung zwischen Sprachsignal einerseits und Nachrichtensignal auf dem Übertragungsweg andererseits durch Ansteuerung der entsprechenden Organe im PCM-Modulator 3 und im PCM-Demodulator 4. Art und Aufbau der Schlüsselgeneratoren 5 und 6 ist für die Erfindung ohne Belang, so daß darauf nicht näher eingegangen zu werden braucht.ίο given in the recipient. According to the invention, it is not the speech signal itself that is fed to the input of the modulator 3, but rather the output or outputs of the arrangement 1 which assigns the characteristic values, which change slowly over time , to the speech signal y. The reconstruction of the speech in the receiver takes place in the arrangement 2, the input or inputs of which follow the PCM demodulator 4. The PCM modulator 3 and the PCM demodulator 4 are in this example such that their own allocation scheme between analog signal on the one hand and digital signal on the other hand can be changed and controlled from the outside. The two synchronously running ciphertext generators 5 and 6 on the sending and receiving side provide the time change of the assignment between the speech signal on the one hand and the message signal on the transmission path on the other hand by controlling the corresponding organs in the PCM modulator 3 and in the PCM demodulator 4. The type and structure of the key generators 5 and 6 is irrelevant for the invention, so that it does not need to be discussed in more detail.

Das rekonstruierte Sprachsignal χ steht am Ausgang der Gesamtanlage zur Verfügung. Die niedrige Grenzfrequenz der Kennwerte verlangt nur eine verhältnismäßig geringe Abtastfrequenz, so daß es im Rahmen technisch vertretbaren Aufwandes durchaus günstig sein mag, mehrere Sprachkanäle auf einem Übertragungskanal zu vereinigen. Die Abbildung 2 gibt hierfür ein Beispiel. Die eigentliche PCM-Anlage besteht wieder aus dem PCM-Modulator 3 senderseits, dem Übertragungsweg L und dem PCM-Demodulator 4 empfängerseits. Hier werden aber zwei Sprachsignale r und t in den entsprechenden Anordnungen 7 und 9 analysiert, und deren Ausgänge mit den Kennwerten werden gemeinsam vom Eingang des PCM-Modulators 3 abgetastet. Entsprechend wird der Ausgang des PCM-Demodulators 4 synchron auf die verschiedenen Eingänge der beiden Anordnungen 8 und 10 verteilt, so daß an deren Ausgängen die rekonstruierten Sprachsignale s und u zur Verfugung stehen. Es ist ohne weiteres klar, daß eine Erweiterung auf mehr ais zwei Sprachsignale möglich ist. Dies Beispiel knüpft an die A b b. 1 an. Modulator 3 und Demodulator 4 sind auch hier so gebaut, daß ihre Zuordnung von Eingangs- zu Ausgangssignal veränder ist. Diese Veränderbarkeit wird beide Male und synchron zueinander gesteuert durch Impulsfolgen, die den Generatoren 5 und 6 entnommen werden.The reconstructed speech signal χ is available at the output of the overall system. The low cut-off frequency of the characteristic values only requires a relatively low sampling frequency, so that, within the scope of technically justifiable expenditure, it may be quite favorable to combine several voice channels on one transmission channel. Figure 2 gives an example of this. The actual PCM system again consists of the PCM modulator 3 on the transmitter side, the transmission path L and the PCM demodulator 4 on the receiver side. Here, however, two speech signals r and t are analyzed in the corresponding arrangements 7 and 9, and their outputs with the characteristic values are scanned together from the input of the PCM modulator 3. Correspondingly, the output of the PCM demodulator 4 is distributed synchronously to the various inputs of the two arrangements 8 and 10, so that the reconstructed speech signals s and u are available at their outputs. It is readily apparent that an extension to more than two speech signals is possible. This example follows on from A b b. 1 at. Here, too, the modulator 3 and demodulator 4 are constructed in such a way that their assignment of input to output signal can be changed. This variability is controlled both times and synchronously with one another by pulse trains that are taken from the generators 5 and 6.

Das Beispiel der Abb.3 knüpft ebenfalls an die A b b. t an. Zwischen Modulator 3 und Übertragungsweg L einerseits und Übertragungsweg L und Demodulator 4 andererseits sind hier aber je ein impulsmischer eingebaut. Einmal wird darin die Summe der Ausgangsimpulse des Modulators 3 mit einer vom Impulsfolgengenerator 5 gelieferten Impulsfolge gebildet, so daß ein verschlüsseltes Zeichen auf den Übertragungsweg L geschickt wird. Auf der Emp-The example in Figure 3 is also linked to A b b. t at. Between modulator 3 and transmission path L on the one hand and transmission path L and demodulator 4 on the other hand, a pulse mixer is installed here. Once the sum of the output pulses of the modulator 3 is formed with a pulse train supplied by the pulse train generator 5, so that an encrypted character is sent on the transmission path L. On the reception

fängerseite wird von der Demodulation im Demodulator 4 zunächst aus den über den Übertragungsweg kommenden Impulsen und einer aus dem Impulsfolgengenerator 6 gelieferten Impulsfolge die Differenz gebildet. Identität der Impulsfolgen der beiden Generatoren 5 und 6 und deren synchroner Ablauf sichern eine zuverlässige Entschlüsselung. Die spezielle Art der Ausgangssignale eines PCM-Modulators ermöglicht eine solche verhältnismäßig einfache Anordnung zur wirksamen Ver- und Entschlüsselung.The catcher side is the demodulation in the demodulator 4 initially from the over the transmission path coming pulses and a pulse train supplied from the pulse train generator 6 is the difference educated. Identity of the pulse trains of the two generators 5 and 6 and their synchronous sequence ensure a reliable decryption. The special type of output signals of a PCM modulator makes it possible such a relatively simple arrangement for effective encryption and decryption.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Method for the secret transmission of speech using pulse code modulation (PCM), in which the PCM modulator is continuously supplied with characteristic values derived from the speech signal that change more slowly than it corresponds to a cut-off frequency of 100Hz characterized in that the association between voice signal on the one hand and message signal on the transmission path, on the other hand, is changed over time.

2. A method for secret transmission according to claim 1, characterized in that the change the assignment of voice signal and message signal on the transmission path by a ongoing switching is carried out in the PCM modulator itself.

3. A method for secret transmission according to claim 1, characterized in that the change the assignment of voice signal and message signal on the transmission path by a Mixing of the pulse train at the output of the PCM modulator »with one according to a specific program running second pulse train is effected, this second pulse train preferably Is random in nature, d. H. so no period either