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Verfahren zur Verzerrung und Entzerrung von Signalwechselströmen zum
Zwecke der Geheimhaltung während der Ubertragung Es ist bekannt, zum Zwecke der
Geheimhaltung während der Übertragung einem Signalwechselstrom einen Störwechselstrom
ähnlicher Frequenz und Kurvenform und mit solcher Amplitude zu überlagern, daß der
Signalwechselstrom im Störpegel untergeht. Auf der Empfängerseite wird dem ankommenden
Frequenzgemisch ein dem Störwechselstrom in Frequenz, Kurvenform und Amplitude entsprechender,
aber in Phasenopposition zu diesem stehender Kompensationswechselstrom überlagert,
der den Störfrequenzstrom kompensiert, so daß der Signalwechsel-#:trom unverzerrt
abgehört oder geschrieben werden kann.
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Aus eigenen Vorarbeiten des Erfinders, vgl. z. B. die deutsche Patentschrift
688247 und die USA.-Patentschrift 2 083 653, ist es bekannt, die Stör- bzw.
Kompensationswechselströme durch synchrone, lichtelektrische Abtastung von Phonogrammen
zu erzeugen; insbesondere wird dabei die lichtelektrische Abtastung synchron angetriebener
rotierender Glasscheiten mit der Lichttonaufzeichnung eines Störfrequenzspektrums
angewendet. Diese Glasscheiben werden durch Synchronmotoren angetrieben und enthalten
eine mit jeder Umdrehung wiederkehrende Störfrequenzkurve, welche z. B. für Sprachverschlüsselung
etwa ein Frequenzband von 200 bis 3000 Hz überdeckt.
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Diesem Verfahren haften verschiedene Nachteile an. In dem z. B. aus
Sprach- und Störfrequenzen bestehenden. über das Übertragungssystem, z. B. eine
Leitung oder-eine Hochfrequenzverbindung, gesendeten Frequenzgemisch sind, da es
sich um eine einfache Überlagerung beider handelt, sowohl die aperiodischen Kurven
der Sprache als auch die periodisch wiederkehrende Kurve des Störwechselstroms unverändert
enthalten. Zur Entzerrung der Sprache war es darum möglich, das Frequenzgemisch
laufend mit Hilfe eines Magnettonbandes aufzuzeichnen und durch eine doppelte Abtastung
des aufgezeichneten Frequenzgemisches und durch Anordnung der beiden Abtastsysteme
in solcher Weise, daß ihre Entfernung voneinander bzw. ihre relative Lage zum aufgezeichneten
Frequenzgemisch eine einfache oder eine mehrfache Länge der wiederkehrenden Störfrequenzkurve
beträgt, diese zweimal synchron zu erhalten. Durch gegenphasige Überlagerung der
beiden so abgetasteten Störfrequenzgemische gelingt es, die periodisch wiederkehrende
Störfrequenzkurve zu eliminieren, wähiend die aperiodischen und asynchronen Sprachfrequenzen
unkompensiert übrigbleiben. Der Unberufene, der sich dieser Methode bedient, hört
dann die Sprache zwar doppelt, aber völlig verständlich.
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Es ist ferner bekannt, Störfrequenzphonogramme nicht zur Erzeugung
von Störwechselströmen zu benutzen, die man den Signalströmen überlagert, sondern
mit ihnen direkt oder über elektrische Schaltelemente die Signale oder die Signalströme
zu modulieren und ausschließlich diese modulierten Signale über das Übertragungssystem,
z. B. eine Telefonleitung oder ein beliebiges anderes übertragungssvstein, dein
Empfänger zu übermitteln. Dieser durch die Modulation verschlüsselte Signalwechselstrom
wird am Empfänger durch ein dem Störphonogramm entsprechendes, aber in Phasenopposition
zu diesem arbeitendes Phonogramm auf der Empfangsstelle deinoduliert und auf diese
'\Ameise wieder entstört. Bei diesem Verfahren geht der Charakter der ursprünglichen
Sendefrequenz (Signal- und Störfrequenz) auf dem Übertragungssystem zwar weitgehend
verloren, doch läßt es sich schwer vermeiden, daß in Sprechpausen die Störmodulationskurve
auf dem Übertragungsweg von Unberufenen ermittelt wird.
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Darum werden nach der Erfindung technische Mittel vorgesehen, welche
verhindern, daß die Kurve des Störfrequetizphonogramms beim praktischen Betrieb
ohne das Vorhandensein der zu modulierenden Signalfrequenz auf das Übertragungssystem,
z. B. die Leitung, gelangt. Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die
Signalwechselströme am Sendeort in ihre positiven und negativen Halbwellen unterteilt
werden, die beide durch mindestens ein Störfrequenzphonogramm moduliert werden,
und daß die derart modulierten Halbwellen auf getrennten Übertragungswegen oder
wieder zusammengesetzt auf einem gemeinsamen Übertragungsweg dem Empfangsort zugeleitet
werden, wo positive und negative Halbwellen für sich durch mindestens ein Kompensationsstö
rfrequenzphonogramm
demoduliert und die somit etitzerrteti Signalfrequenzhalbwellen zusammengesetzt
dein Signalempfänger zugeführt werden. Auf diese «"eise werden die Störphonogramme
nur dann auf die Leitung, d. 1i. das elektrische Übertragungssystem, gegeben, wenn
mindestens eine Halbwelle des Signals auf das die Störmodulation bewirkende System
einwirkt.
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In der nachfolgenden Beschreibung des erfindungsgeniäl:)en Verfahrens
zur Verzerrung und Entzerrung von Signalwecliselströmen zum Zwecke der Geheimlialtung
sollen die darin vorkommenden technischen Ausdrücke die folgende Bedeutung haben:
1. Signalwechselströme sind solche Wechselströme, welche der Träger einer irgendwie
gearteten Nachricht sind. Es fallen darunter sowohl die Telefonie als auch die Telegraphie
oder die Bildtelegraphie und das Fernsehen.
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2. Störfrequenzen. Unter Störfrequenzen werden alle irgendwie gearteten
Schwingungen verstanden, welche geeignet sind, ein Signal bzw. einen Signalwechselstrom
zu stören.
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3. T'nter Kompensationsfrequenzen sind alle Schwingungen verstanden,
welche geeignet sind, die einem Signal oder einem Signalwechselstrom überlagerten
oder aufmodulierten Störfrequenzen zu kompensieren.
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4. Überlagern. Unter Überlagern wird im Sinne der Erfindung verstanden,
beliebigen Schwingungen andere Schwingungen so beizumischen, daß das entstehende
Schwingungsgemisch keinen wesentlichen Anteil an Frequenzen enthält, die in den
Eingangsschwingungen nicht enthalten waren.
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5. -Modulation. Unter Modulation soll verstanden werden, daß irgendwelche
Schwingungen so durch andere Schwingungen beeinflußt werden, daß die Amplituden
der einen oder anderen Schwingung verändert werden und dadurch im Schwingungsgeniisch
neue Frequenzen auftreten, die in den einzelnen Schwingungen vor der Modulation
nicht vorhanden waren.
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6. Übertragungssystem. Unter Übertragungssystem sollen technische
Mittel zur Übertragung einer Nachricht von einem Ort zu beliebigen anderen verstanden
werden, insbesondere elektrische Übertragungsmittel beliebiger Art, wie Leitungen,
Trägerfrequenzsysteme USW.
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7. Phonogramm. Unter Phonogramm soll verstanden «-erden jede Aufzeichnung
von Schwingungen oder Schwingungsvorgängen auch außerhalb des hörbaren Frequenzbereiches
oder deren graphische Darstellungen als Longitudinal- oder Transversaiwellen auf
einem materiellen Träger.
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In Fig. 1 stellt 1 eine Glasscheibe dar, die den Trä-I;er für das
Störphonogramm bildet. Das Störphonogramm, welches für Telefonie z. B. ein Frequenzspektrum
von 300 bis 3000 Hz umfaßt, ist auf dieser Scheibe als kreisförmige photographische
Intensitätsaufzeichnung angeordnet, z. B. durch entsprechende Belichtung und Entwicklung
einer auf der Platte befindlichen photographischen Schicht (s.2 in Fig.3, 4 und
5).
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Dieser Phonogrammträger 1 wird durch einen Synchronmotor 3 mit einer
Umlaufzahl von z. B. 25 in der Sekunde in konstante Umdrehung versetzt. Als Abtastsystem
für dieses Störphonogramm dient eine Anordnung, bestehend aus einem Kathodenstrahl-Oszillographen
4, bei dem der Kathodenstrahl 5 durch elektronenoptische -Mittel so dimensioniert
wird, daß er auf dem Fluoreszenzschirm 6 einen rechteckigen Lichtfleck 7 abbildet,
wie er auch in Fig. 2 in vergrößertem Maßstab noch einmal dargestellt ist. Eine
optische Blende 8 ist hinter dem Phonogrammträger 1 so angeordnet, daß sie das von
dem Leuchtfleck des Oszillographen durchfallende Licht in der Ruhestellung des Kathodenstrahls
blockiert. Diese Ruhestellung ist in Fig. 1 und 2 dargestellt. Ein -fikrophonkreis
9, bestehend aus dem Mikrophon, einer Speisebatterie und einem Transformator, ist
über einen Unischalter 10 mit den Ablenkplatten des Oszillographen 4 verbunden.
Beim Auftreffen von Sprechwechselspannungen auf die Ablenkplatten wird der Kathodenstrahl
5 aus seiner Ruhelage nach oben oder nach unten abgelenkt, und zwar entspricht die
Ablenkung nach oben der positiven Halbwelle des Wechselstroms. die Ablenkung nach
unten der negativen. Jede Ablenkung des Kathodenstrahls nach der einen oder anderen
Richtung läßt eine seiner Amplitude entsprechende Lichtmenge durch das Störfrequenzphonogramm
hindurch über den Umlenkspiegel 11 entweder auf die Photozelle 12 oder 13 fallen.
Diese Ablenkung des Leuchtflecks aus dem Bereich der abdeckenden Blende heraus ist
in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Die über den Phonogrammen Fig. 3, und 5 befindlichen,
mit Null bezeichneten Linien dienen zur Darstellung der jeweilen Kathodenstrahlablenkung
und der ihnen entsprechenden Ströme in den Photozellen 12 und 13.
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In Fig.2 befindet sich der Leuchfleck hinter der Blende. Diese Lage
nimmt er ein. wenn kein Sprechwechselstrom den Kathodenstrahl beeinflußt. In diesem
Augenblick fällt auch kein Licht auf eine der beiden Photozellen, und das Phonogramm
erzeugt infolgedessen keine Modulation, und es wird keinerlei Wechselstrom über
den Gegentakttransformator 14 und den Umschalter 15 zur Leitung gesandt. Beim Besprechen
des .Mikrophons wird für den Fall, daß die obere Platte des Oszillographen positiv
geladen ist, der Lichtfleck nach oben abgelenkt. Das Licht fällt durch das Störphonogramm
auf die Photozelle 12 und sendet über die Röhre 16 eine verstärkte positive Halbwelle
zur Leitung (s. Darstellung der Halbwellen in Fig.4). Bei Umkehr der Spannung an
den Platten des Oszillographen fällt Licht auf die Photozelle 13 und sendet über
die Röhre 17 eine verstärkte negative Halbwelle zur Leitung, wie in Fig. 5 dargesiellt.
Die in Fig. 4 und 5 gezeigten Halbwellen entsprechen dem unverzerrten Sprechwechselstrom,
d. h., es ist vorausgesetzt, daß der Phonogrammträger stillsteht und nicht rotiert.
Bei rotierendem Phonogramm werden die Halbwellen je nach dem Verlauf der Durchlässigkeit
desselben, also entsprechend dem Kurvenverlauf der Störfrequenz, die das Phonogramm
in Form von Intensitätsschwankungen enthält, moduliert, d. h., die Signalströme
werden bis zur Unkennbarkeit verzerrt. Am Empfangsort wird zur Entzerrung die identische
Anordnung benutzt, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, mit dem Unterschied, daß der
Umschalter 10 die Kondensatorplatten des Oszillographen 4 auf den mit der Fernleitung
verbundenen Transformator 18 umlegt und der Schalter 15 an Stelle der Fernleitung
einen Telefonhörer 19 auf den Ausgangstransformator 14 des Gegentaktverstärkers
schaltet. Diese Schalterstellung ist durch die gestrichelten Linien bei 10 und 15
gezeigt. Fig. 1 entspricht dann der Empfangsanordnung für den modulierten, d. h.
verzerrten Signalwechselstrom. Der ankommende modulierte Wechselstrom wird wieder
durch den Oszillographen und die Photozellen in seine beiden modulierten Halbwellen
zerlegt und gelangt über den
Gegentaktverstärker als zusammengesetzte
Schwingung auf das Telefon 19.
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Zur Demodulation, d. h. zur Kompensation der Verzerrung der Halbwellen,
wird aber an Stelle des zum Senden benutzten Störphonogramms für den Empfang das
Negativ dieses Phonogramms benutzt, und zwar s\ nchron und mit gleicher Phasenlage
der Umdrehung. In dem Zeitpunkt, wo z. B. beim Sender eine positive Halbwelle den
Lichtfleck des Oszillographen 4 auf eine Stelle niedriger Lichtdurchlässigkeit des
Phonogramms steuert, bringt jetzt die entsprechend verzerrte Halbwelle den Lichtfleck
auf eine Stelle des Phonogramms mit hoher Durchlässigkeit, und die Verzerrung wird
kompensiert. Das gleiche gilt in jedem Zeitpunkt für jede Halbwelle.
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Bei dieser Art der Halbwellenaufteilung und der Modulation eines transversal
schwingenden Lichtfiecks durch eine longitudinale Schwingungsaufzeichnung wird gleichzeitig
erreicht, daß die Amplitude der Verzerrung immer proportional der Amplitude der
Halbwelle ist. Dieses Verfahren hat infolgedessen den Vorteil, daß die Verzerrung
und die korrespondierende Entzerrung von der Amplitude der Signalwechselströrne
unabhängig ist, was bei dem Prinzip der bekannten Überlagerung von Störwechselströmen
durchaus nicht der Fall ist. Das wirkt sich insbesondere günstig aus bei Übertragungssystemen
mit nichtlinearem Frequenzverlauf des Übertragungsmaßes.
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Es ist selbstverständlich, daß im Rahmen der Erfindung an Stelle dieses
mit Hilfe von Oszillographen und Photozellen arbeitenden Systems andere Verfahren
zur Modulation eines Signalwechselstroms mit Hilfe von Störfrequenzphonogrammen
treten können. So zeigen z. B. Fig. 6 und 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Modulation
und Demodulation des ebenfalls in Halbwellen aufgeteilten Signalwechselstroms durch
einen mittels Phonogrammen erzeugten Störwechselstrom erfolgt. Die von dem Mikrophon
20 kommenden Sprechwechselströme werden über den Transformator 21 den in Gegentaktschaltung
arbeitenden Röhren 22 und 23 zugeleitet. Durch die Gitterspannungsbatterie 24 wird
den Gittern der beiden Röhren eine so hohe negative Spannung zugeführt, daß sie
als sogenannter B-Verstärker arbeiten, d. h., über jede Röhre wird jeweils nur eine
Halbwelle des vom Transformator 21 kommenden Sprechwechselstroms verstärkt. In den
Anodenkreis derRöhren22und 23 ist jeweils zumZwecke der Modulation durch die Störwechselströme
je eine :\Iodulationsröhre 25 und 26 gelegt, deren Gitterspannung mit Hilfe der
Batterien 27 und 28 so eingestellt wird, daß sie im geraden Teil der Gitterspannung-Anodenstrom-Charakteristik
arbeitet. Über den Gegentakttransformator 29 werden den Gittern dieser beiden Steuerröhren
die Wechselspannungen des Störfrequenzgenerators 30 zugeführt, mit deren Hilfe die
von den Röhren 22 und 23 durchgelassenen Halbwellen durch Änderung des Innenwiderstandes
der Modulationsröhren 25 und 26 moduliert, d. h. verzerrt und Über den Gegentakttransformator
31 dem Übertragungssystem, z. B. der Fernleitung, zugeführt werden. Der in Fig.6
nur schematisch dargestellte Störfrequenzgenerator 30 ist in Fig. 7 getrennt gezeigt.
Er besteht ebenfalls aus einem Synchronmotor 32 mit einem auf der Achse befindlichen
kreisförmigen lichtdurchlässigen Phonogrammträger 33, der im Ausführungsbeispiel
eine transversale Lichttonaufzeichriung 34 einer Störfrequenzkurve trägt. Diese
Lichttonaufzeichnung wird durch einen von der Glüh-:arnpe 35 über ein Linsensystem
36 und eine Blende 37 erzeugten Lichtstrahl mit rechteckigem Querschnitt 38 abgetastet
und die durch Bewegung des Phonogramms entstandenen Lichtschwankungen von der Photozelle
39 über einen einfachen Geradeausverstärker 40 der Primärwicklung des Transformators
29 in der _Anordnung Fig. 6 zugeführt. Auch bei dieser Schaltanordnung nach Fig.6
kann zum Entschlüsseln das Negativ des Störphonogramms verwendet werden. Da die
Modulation aber rein elektrisch erfolgt, kann auch ein dem positiven Stör- oder
Modulationsphonogramm entsprechendes positives Demodulationsphonogramm verwendet
werden. In diesem Falle wird die Phasenopposition zwischen den Phonogrammen einfach
durch Umpolung der Ausgänge des Photozellenverstärkers beim Empfänger erreicht.
Selbstverständlich kann an Stelle der im Ausführungsbeispiel dargestellten Modulation
durch Anodenspannungssteuerung jedes beliebige Modulationsverfahren angewendet werden.
\Vichtig ist dagegen, daß eine Halbwellenaufteilung stattfindet oder durch andere
Mittel erreicht wird, daß die Modulationsfrequenz niemals in ihrer ursprünglichen
Form in den Übertragungskanal gelangt und daß die Phonogramme in irgendeiner Weise
die Signalschwingungen oder die von ihnen erzeugten Wechselströme modulieren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verzerrung und Entzerrung kann
sinngemäß auch dann Anwendung finden, wenn die Signale nicht durch direkte elektrische
oder andere Fernübertragungsmittel dem Empfänger zugeleitet werden. So kann man
z. B. das mit der Störfrequenz modulierte Signal auf einen beliebigen Aufzeichnungsträger,
z. B. eine Schallplatte oder ein Magnettonband, aufzeichnen und durch die Post dem
Empfänger zuleiten. In diesem Falle empfiehlt es sich, eine Hilfsfrequenz, mit welcher
die synchrone Abtastung des Störphonogramms auf der Sendestelle erfolgt, mit auf
dem gleichen Träger zu registrieren und diese Hilfsfrequenz zum Synchronisieren
der Entzerrungsphonogramme beim Empfänger zu benutzen.
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die Anwendung bewegter
Phonogramme, wie sie in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, beschränkt.
Es können auch feststehende Phonogramme benutzt werden, «-elche z. B. im Falle von
photographischen Phonogrammen durch einen synchron bewegten Lichtstrahl abgetastet
werden. Dabei kann ein um einen "\Iittelpunlct rotierender Lichtstrahl mit rechteckigem
Bündelquerschnitt verwendet werden, wenn es sich um die Abtastung kreisförmiger
Phonogramme handelt, während ein hin- und herschwingender Lichtstrahl reit rechteckigem
Querschnitt zur Abtastung linearer Phonogramme in Frage kommt. Dabei können die
Lichtbündel durch abgelenkte Kathodenstrahlen erzeugt werden. Es können aber auch
oszillierende Spiegel oder andere optische Systeme zur Abtastung der Phonogramme
mittels Licht benutzt werden.
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Zur Synchronisierung der Antriebsmotore für bewegte Phonogramme oder
der bewegten lichtelektrischen oder anderen Abtastmittel für feststehende Phonogramme
werden Wechselströme verwendet, die entweder durch, konstante Schwingungserzeuger,
wie Stimmgabeln oder elektrische Schwingungskreise, an Sende- und Empfangsstelle
unabhängig voneinander erzeugt werden, oder es wird nur auf der Sendeseite ein entsprecheder
Antriebswechselstrom erzeugt, der dem Empfänger auf dem gleichen Übertragungsmittel,
auf dein die Nachricht übermittelt wird, zugeleitet wird. Es ist ferner erfindungsgemäß
möglich, diesen
Wechselstrom, dessen Frequenz aus technischen Gründen
im allgemeinen niedriger sein wird als die Nachrichtenfrequenzen, einem höher frequenten
Wechselstrom aufzumodulieren, diesen über das Übertragungssystem zu leiten und die
Synchronisierungsfrequenz durch Deniodulation am Empfangsort wieder zurückzugewinnen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch in der Weise abwandeln,
daß ein das Störphonogramm abtastender Licht- oder Kathodenstrahl gleichzeitig in
einer zu seiner durch die Synchronisierungsfrequenz gesteuerten Abtastrichtung senkrechten
Richtung durch den Signalwechselstrom gesteuert wird, derart, daß Signalwechselstrom
und Störmodulation bzw. -demodulation bereits in den die Lichtschwingungen umwandelnden
Photozellen entstehen.