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Verfahren zur drahtlosen Geheimübertragung von Signalen Für die. mithörsichere
Übertragung von Nachrichten auf Radioverbindungen sind bisher zwei grundsätzlich
verschiedene Wege bekanntgeworden. Man kann entweder eine Nachricht so verschlüsseln,
daß sie ein Unbefugter nicht verstehen kann (deutsche Patentschriften 768129 und
652 478), oder man kann sie so übertragen, daß ein Unbefugter gar nicht feststellen
kann, daß Nachrichten übertragen werden.
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Die Verschlüsselung von Nachrichten läßt sich heute mittels sogenannter
kryptographischer Methoden so sicher durchführen, daß die Kenntnis der Konstruktion
und Wirkungsweise der Sende- und Empfangsgeräte nicht ausreicht, um. Nachrichten
mitzuhören. Der nächste Schritt in der Entwicklung ist die Geheimhaltung der Tatsache
einer Nachrichtenübertragung. Ein bekanntes Verfahren dazu ist die Übertragung einer
Nachricht in möglichst kurzer Zeit. Dieses Verfahren ist sinnvoll, wenn man ein
Mithören oder Peilen durch Menschen verhindern will. Gegen Automaten ist es wirkungslos.
Ein anderes Verfahren nutzt die künstlichen Erdsatelliten aus. Strahlt man nämlich
scharf gebündelte Radiowellen gegen einen Satelliten, dann kann zwar die übertragene
Nachricht mitgehört werden, ihr Ursprung läßt sich aber nur durch Peilgeräte feststellen,
die innerhalb des Ausstrahlungswinkels der Radiowellen liegen. Dieses Verfahren
nutzt ,einen zeitlich begrenzten Entwicklungsstand aus, denn es gibt zwar zur Zeit
reflektierende Satelliten, aber keine Peilsatelliten. Die Entwicklung eines Verfahrens
zur Nachrichtenübertragung, das diesen Zustand ausnutzt, wird zwangläufig zur Entwicklung
von Peilsatelliten führen.
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Auf lange Sicht versprechen nur kryptographische Systeme einen Erfolg,
da sie nicht von einem vorübergehenden Stand der technischen Entwicklung abhängen,
sondern von einem Schlüssel, der häufig und leicht geändert werden kann. Kryptographische
Systeme sind auch die wirtschaftlichsten, da sie nur einmal entwickelt werden müssen
und nicht durch die Entwicklung von Gegenmaßnahmen zu laufenden Ausgaben führen.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein derartiges krytographisches Verfahren
und bedient sich dabei eines bekannten Verfahrens zur drahtlosen Geheimübertragung
von Signalen über eine vorgegebene Anzahl h von nach einem bestimmten Schlüssel
wechselnden Übertragungskanälen im Kurzwellenbereich. Sie ist .dadurch gekennzeichnet,
daß bei der Aussendung die Signalleistung so bemessen wird, daß empfangsseitig die
Teilsignale in den Radiofrequenz (RF-) Kanälen im natürlichen Rauschen untergehen
und daß das Signal nach Demodulation der Teilsignale :durch ein an sich bekanntes,
über sämtliche Signalkanäle erstrecktes Korrelationsverfahren wiedergewonnen wird.
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Dabei ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß
das einzelne Signal und der Zwischenträger, dem das Signal aufmoduliert wird, eine
orthogonale Funktion bilden und daß die bei der Überlagerung mit dem RF-Träger entstehende
Vielzahl h von Kanälen ausgesendet und der RF-Träger bei der Aussendung unterdrückt
wird. Ferner ist es vorteilhaft, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der
Zwischenträger aus der Überlagerung von h/2 Sinus- und/oder Kosinusfunktionen gebildet
wird.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, daß die Vielzahl h in der
Größenordnung zwischen 10 und 1000 liegt.
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Nach einer anderen Fortbildung der Erfindung entstehen die Signale
aus Impulsen, deren Polarität nach einem vorgegebenen Schlüssel gewechselt wird.
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Es ist möglich, das genannte Übertragungsverfahren zur Verringerung
von Schwunderscheinungen ähnlich den Diversity-Verfahren zu verwenden oder mittels
einer Rückkopplung vom Empfänger zum Sender die Sendeleistung möglichst klein zu
halten, um ein Mithören weiter zu erschweren.
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Im folgenden wird das Verfahren gemäß der Erfindung im einzelnen sowie
an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert.
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Es wird angenommen, daß eine Signalfunktion #P1(t) aus o Orthogonalfunktionen
auf h verschiedenen Kanälen übertragen werden soll.
Wie in allen
Nachrichtenkanälen ist in diesen h Kanälen natürliches thermisches Rauschen vorhanden.
Es wird vorausgesetzt, daß die Rauschvorgänge in den einzelnen Kanälen voneinander
statistisch unabhängig sind. Die Leistung der Signalfunktion wird so gewählt, daß
in jedem Kanal die Signalleistung unter der Rauschleistung liegt. Durch Korrelation
im Empfänger wird der Signalanteil gegenüber den Rauschanteilen bevorzugt, und zwar
um so mehr, je mehr Kanäle verwendet werden.
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Anders ausgedrückt, man kann die Nachricht beliebig gut aus dem Rauschen
hervorheben, obwohl das Signal-zu-Rausch-Leistungsverhältnis in jedem einzelnen
Kanal vergleichsweise klein sein kann.
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Ist PS1IPf das Verhältnis der Leistungsdichte (Leistung durch Bandbreite)
von Signal- zur Rauschleistung, das notwendig ist, um eine Fehlerwahrscheinlichkeit
w zu erzielen, dann kann mit h Kanälen dieses Verhältnis auf dem Übertragungsweg
zu PsflhPf verringert werden. Eine Fernschreibanlage, die Buchstaben durch die 32
Signale eines binären Alphabets mit fünf Elementen überträgt, benötigt mindestens
ein Verhältnis von 10 log PSflPf = 9 db für eine Fehlerwahrscheinlichkeit
von 0,01. Verwendet man h=10 Kanäle, dann wird dieses Verhältnis auf -1 db, bei
h=100 auf -11 db usw. verringert.
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In dieser Form bietet das vorgeschlagene Verfahren Schutz gegen solche
Mithörer, die nur die verschiedene Leistungsdichte in einem benutzten und einem
nur rauschenden Kanal feststellen. Es genügt noch nicht, um eine Entdeckung des
Senders durch Korrelation zu verhindern.
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Eine erfolgreiche Korrelation kann, wie im folgenden beschrieben,
unterbunden werden: Es gibt mlh Möglichkeiten, um in h von in Kanälen einen
Buchstaben zu übertragen, ohne denselben Kanal zweimal zu benutzen. Diese Zahl ist
jedoch unnötig klein, da das Rauschen in einem Radiokanal nicht statistisch stationär
ist. Man kann denselben Kanal wiederholt benutzen, falls man dies nicht zu oft tut.
In diesem Falle gibt es (h) Kombinationen von h von in Kanälen, wobei h nicht
zu groß sein darf, um eine zu häufige Benutzung zu vermeiden. Die gewählten Kombinationen
müssen eine Zufallsfolge bilden.
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Um befugten Empfängern zu erlauben, günstigere Verfahren zum Zeichennachweis
zu verwenden als unbefugten, werden in h/2 Kanälen die Funktionen O;(t),
i =1, 2, ... h/2 und in den restlichen h/2 Kanälen -ei(t) übertragen.
Dann liefert die Summe der Korrelationen aller Kanäle nur Rauschen, wenn man nicht
weiß, in welchen Kanälen mit dem positiven oder negativen Vorzeichen übertragen
wurde.
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Gemäß den Blockschaltbildern nach A b b. 1 und 2 werden ni Nachrichtenkanäle
aus r orthogonalen Funktionen und .aus 0 Zeitintervallen gebildet, m=r
O. Nach A b b. 1 lassen sich durch einen Matrixschalter die gewünschten Kanäle
einschalten. Für höhere Schaltgeschwindigkeiten eignen sich Zenerdioden 15, die
in der -angedeuteten Weise an den Knotenpunkten der Matrix angebracht sind. Die
orthogonalen Funktionen el (t) bis O, (t) sind periodisch und werden
durch Schließen der Schalter f1 bis f, ausgewählt. Die Zeitintervalle werden durch
periodisches Schließen der Schalter s1 bis so hergestellt. Ist beispielsweise
die Zeit T in O Intervalle zu unterteilen, dann wird s1 während des ersten Intervalls
Tl0=s geschlossen, s2 während des zweiten Intervalls usw. Nach der Zeit T
wiederholt sich dieser Vorgang periodisch. Durch Schließen der Schalter t,, bis
to werden die gewünschten Zeitintervalle ausgewählt. Sind beispielsweise
die Sehalter t1, f1 und f, geschlossen und alle anderen offen, dann, gelangen nur
die Funktionen 01(t) und 02 (t) während des zweiten Intervalls T/0 an den
Punkt A, der mit einem Multiplikator 16 verbunden ist. Für jedes Zeitintervall
wird eine andere Kombination von Orthogonalfunktionen eingestellt. Nimmt man stets
o von r möglichen Orthogonalfunktionen, dann hat man
Kombinationen pro Zeitintervall. Werden in ö von den 0 Zeitintervallen jedesmal
o Funktionen übertragen, dann erhält man verschiedene mögliche Zusammensetzungen
der Funktionen mit den Zeitintervallen.
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Die Schalter p, bis p, zur Auswahl des positiven oder negativen Vorzeichens
der orthogonalen Funktionen 01(t) bis 0, (t) werden so gestellt, daß die
o übertragenen Funktionen zur Hälfte mit positivem und zur anderen Hälfte mit negativen
Vorzeichen ausgewählt werden. Der zeitliche Mittelwert der Korrelation einer bestimmten
Funktion wird dadurch Null. Gerätemäßig ist es im allgemeinen einfacher, das Vorzeichen
der Funktionen nach einer Pseudozufallsfolge von Zahlen auszuwählen. In diesem Fall
wird der zeitliche Mittelwert der Korrelation nur im statistischen Mittel Null.
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Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, die Funktionen OL
(t) zur Übertragung einer Nachricht zu verwenden. Beispielsweise kann man
jede Funktion amplitudenmodulieren, ehe sie in den Matrixschalter gelangt. In diesem
Falle würde man jedoch viele Modulatoren und Demodulatoren benötigen. Das erfindungsgemäße
Verfahren kommt mit nur einem Modulator aus und erlaubt, herkömmliche Nachrichten-Übertragungsanlagen
nachträglich nachträglich gegen Mithören zu sichern.
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Die zum Punkt A gelangenden Funktionen werden mit der zu übertragenden
Information moduliert. Die Information soll in Form von überlagerten orthogonalen
Funktionen al.fl (t) T a2f2 (t) [ - . . .
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vorliegen, die über die Leitung B dem Multiplikator 16 zugeführt werden.
über die Leitung C erfolgt die Zuführung des RF-Trägers zum Modulator 17 mit Trägerunterdrückung.
D ist eine Sendeantenne, die mit einem Leistungsverstärker 18 verbunden ist. Die
orthogonalen Funktionen 0,(t) bis 6,(t) werden in 14 erzeugt. Im Falle einer Fernschreibübertragung
können die Koeffizienten die Werte ± 1 haben, und die Funktionen f f (t) sind in
der Regel Blockimpulse. Man wählt zweckmäßig die Dauer T dieser Funktionen ff
(t) viel größer als a, weil das ursprüngliche Signal auf eine große Bandbreite
aufgeteilt ist.
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Die am Ausgang des Multiplikators 17 erhaltene Spannung dient zur
Modulation des HF-Trägers C. Das Blockschaltbild gemäß A b b. 2 zeigt, wie die notwendigen
Impulse zur Stellung der Schalter tl-to, s1-so, pl-p, und fl-f, in Abb. 1 gewonnen
werden können. Eine krypthographische binäre Zahl im Zählwerk l wird durch ein rücklaufendes
Schieberegister 3 und Tore 2 .abgetastet. Wenn immer die Ziffer l (oder 0) in der
Kryptozahl gefunden
wird, geht ein Impuls zum Schieberegister 4
und zum Zählwerk 5. Das Schieberegister 4 wird mit dem Register 3 gleichzeitig weitergetastet.
Das Schieberegister 4 enthält eine binäre Zahl mit D Ziffern l.. Beim Weitertasten
wird diese binäre Zahl aus dem Schieberegister 4 ausgetastet, während gleichzeitig
die Kryptozahl aus 1 dem Zählwerk eingetastet wird. Der Zähler 7 zählt die ausgetasteten
Ziffern 1 .(oder 0). Wenn immer Zähler 7 und Zählwerk 5 übereinstimmen, enthält
Schieberegister 4 wieder o Ziffern 1. Mit 6 ist ein Zahlenvergleicher (Koinzidenzschaltung)
bezeichnet. Damit sind o orthogonale Funktionen nach einer Zufallsfolge ausgewählt,
und die Tastimpulse einer Uhr 9 werden durch das Tor 8 abgestellt. Der entsprechende
Vorgang gilt auch für die Auswahl der Zeitintervalle. Da Register 3 rücklaufend
ist, gelingt diese Auswahl, wenn mindestens eine Ziffer 1 in der Kryptozahl vorkommt.
Die Einstellung des positiven oder negativen Vorzeichens erfolgt mittels eines Teilers
10,
der nur die Hälfte der Impulse, die zum Schieberegister 4 gelangen, auch
zu Register 11 durchläßt. Die Ausgänge vom Register 11 mit Ziffer 1 stellen die
zugehörigen Schalter pi auf die Funktionen ei(t), alle anderen stehen auf
- ei (t).
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Eine einfachere Methode zur Einstellung der Vorzeichen erhält man,
wenn dan die o Funktionen für die Übertragung nicht aus den r Funktionen
ei (t)
auswählt, sonder aus den 2 r Funktionen ei (t) und
- 0i (t). Es kann dann gelegentlich eine Funktion sowohl mit positivem
als auch negativem Vorzeichen ausgewählt werden und sich somit auslöschen. Hierzu
ist in hinreichend groß zu wählen.
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Die Zeitintervalle z werden durch eine Uhr 12 und ein Register 13
erzeugt, in dem die Ziffer 1 umläuft. Nach jedem Umlauf wird ein Impuls an den Kryptozahlerzeuger
gegeben und dadurch eine neue kryptographische Zahl eingestellt.
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Die Uhr 12 hat die Periode r. Die Uhr 9 läuft so schnell, wie es der
technische Aufwand für die Zählgeräte zuläßt.
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Es sei ausdrücklich hervorgehoben, daß der besprochene Matrixschalter
im allgemeinen nicht so kompliziert ausgeführt sein muß, wie er hier besprochen
ist. Man erkennt ohne Schwierigkeiten, daß die Schalter für die Zeitintervalle auf
einen verringert werden können, ohne daß die Wirkungsweise geändert wird. In einem
Empfänger wird die ursprüngliche Nachricht durch Korrelation wieder Gewonnen.