DE2723804A1

DE2723804A1 - Verfahren und vorrichtung zum verschluesseln bzw. entschluesseln von klanginformation

Info

Publication number: DE2723804A1
Application number: DE19772723804
Authority: DE
Inventors: Peter Frutiger
Original assignee: Anstalt Europaeische Handelsgesellschaft
Current assignee: Anstalt Europaeische Handelsgesellschaft
Priority date: 1976-06-01
Filing date: 1977-05-26
Publication date: 1977-12-15
Also published as: GB1567868A; FI771737A; SE416604B; SE7706207L; US4149035A; DE2723804C2; NO144722C; NL7705062A; FR2354005A1; CA1092195A; BE854626A; NO771908L; DK239177A; CH607506A5; ZA773157B; ATA350977A; FR2354005B3; NO144722B; JPS534401A; BR7703539A

Description

/.^...: Z₁^ a. i'j. I hcakainiile 13

Anstalt Europäische Vaduz (Liechtenstein)

Handelsgesellschaft,

Verfahren und Vorrichtung zum Verschlüsseln bzw. Entschlüsseln von Klanginformation

Al/str

1.4.1977 35 497 a

709850/0890

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschlüsseln bzw. Entschlüsseln von Klanginformation, die in der Zeitachse in Teilblöcke aufgeteilt wird, welche gemäss einer Schlüsselinformation untereinander vertauscht werden, wobei die ankommenden analogen Klangsignale in mehrere Frequenzbänder aufgeteilt werden, von denen jedes einen Informationskanal bestimmt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit mindestens einer eingangsseitigen Frequenzweiche zum Aufteilen der ankommenden analogen Klangsignale in mehrere, je einen Informationskanal bestimmende Frequenzbänder.

Bei den bekannten Verfahren und Geräten zur Sprachverschlüsselung werden im wesentlichen zwei Gruppen unterteilt:

Bei der einen Gruppe werden die analogen Sprachsignale in digitale Signale umgewandelt, und zwar z.B. mittels eines Vocoders (Voice coder), eines Puls-Code-Modul at ions sy stems oder eines Delta-Modulationssystems. Die Impulse werden in bekannter Weise mittels Schlüsselimpulsen, die von einem Schlüsselgenerator erzeugt werden, verknüpft. Die derart verschlüsselten Zeichen werden an die Empfangsseite übermittelt und dort auf entsprechende Weise wieder in unverschlüsselte analoge Sprachsignale umgewandelt.

Diese Gruppe bietet den Vorteil einer hohen Klangqualität und einer hohen Redundanz der übertragenen Information. Im weitern sind so viele Variationsmöglichkeiten bei der Verschlüsselung möglich, dass die Sicherheit gegen unbefugtes Entschlüsseln gross ist.

Als Nachteil ergibt sich hingegen die für die Uebertragung notwendige grosse Bandbreite und die Empfindlichkeit auf Phasenverschiebungen im Uebermittlungssystem.

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Bei der anderen Gruppe erfolgt keine Umformung der analogen Sprachsignale in digitale Signale. Die Sprachinformation wird in der Frequenz- und/oder Zeitachse in Teilgruppen aufgeteilt. Diese Teilgruppen werden dann mittels einer Schlüsse!information, die von einem Schlüsselgenerator erzeugt wird, permutiert, so dass eine neue Reihenfolge der Teilgruppen entsteht. Die Information als solche ist aber immer noch im gleichen Frequenzbereich untergebracht und gleicher Art wie die ursprüngliche Sprachinformation. Daher können zur üebertragung der Information ohne Nachteil Uebermittlungssysteine für Sprachübertragung mit einer entsprechend begrenzten Bandbreite verwendet werden.

Daraus ergibt sich der Vorteil, dass für die Informationsübertragung keine extrem grossen Bandbreiten nötig sind und Phasenverschiebungen im Uebermittlungssystem praktisch keinen Einfluss auf die Qualität der übertragenen Information haben.

Doch weist diese zweite Gruppe den Nachteil auf, dass die Variationsmöglichkeiten zum Permutieren der Teilgruppen verhältnismässig beschränkt sind, so dass eine wirkungsvolle Sicherung gegen die Kenntnisnahme der unverschlüsselten Information durch unbefugte Drittpersonen kaum möglich ist.

Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, die zuletzt genannten Nachteile zu beseitigen.

Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Verschlüsseln oder Entschlüsseln von Klanginformation, insbesondere von Sprachinformation, zu schaffen, das bzw. die eine grosse Sicherheit gegen unbefugte Entschlüsselung ermöglichen, ohne dass für die Informationsübertragung Uebermittlungskanäle mit Bandbreiten erforderlich sind, die wesentlich grosser sind als die für die üebertragung der Sprachinformation be-

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nötigten Bandbreiten.

Diese Aufgabe wird mit den eingangs erwähnten Verfahren erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die analogen Klangsignale jedes Informationskanales in digitale Signale umgewandelt werden, die in der Zeitachse in Hauptblöcke unterteilt werden, dass die zeitgleichen Hauptblöcke jedes Informationskanals in zeitlich gleich grosse Unterabschnitte aufgeteilt werden, die gemäss einer Schlüsselinformation mit Unterabschnitten desselben Hauptblockes oder mit Unterabschnitten eines zeitgleichen Hauptblockes eines anderen Informationskanals vertauscht werden, und dass nach der Vertauschung in jedem Informationskanal eine Umwandlung der digitalen Signale in analoge Signale und ein Zusammenstellen der vertauschten Unterabschnitte zu neuen Hauptblöcken erfolgt, um ein Weiterverarbeiten der zeitgleichen neuen Hauptblöcke jedes Informationskanals zu ermöglichen.

Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäss gekennzeichnet durch einen der Frequenzweiche nachgeschalteten Analog-Digitalwandler in jedem Informationskanal zur Umwandlung der analogen Klangsignale in digitale Signale, durch eine die ImpulsSerien von den Analog-Digitalwandlern speichernde Speicherschaltung, welche die eingespeicherten Impulsserien jedes Informationskanals in zeitliche Hauptblöcke unterteilt und diese Hauptblöcke in zeitlich gleich grosse Unterabschnitte aufteilt, durch einen mit der Speicherschaltung zusammenwirkenden Schlüsselgenerator zum Erzeugen einer der Speicherschaltung zugeführten Schlüsselinformation, wobei die Speicherschaltung eine Schaltungsanordnung aufweist, die ein Vertauschen der Unterabschnitte jedes Hauptblockes mit Unterabschnitten desselben Hauptblockes oder mit Unterabschnitten eines zeitgleichen Hauptblockes eines anderen Informationskanals gemäss der erhaltenen Schlüssel-

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information durchführt, durch einen der Speicherschaltung nachgeschalteten Digital-Analogwandler in jedem Informationskanal zum Umwandeln der digitalen Signale in analoge Signale, wobei am Ausgang jedes Informationskanals neue, aus vertauschten Untergruppen gebildete zeitgleiche Hauptblöcke zur Weiterverarbeitung anstehen.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes näher erläutert. Es zeigt schematisch:

Fig. 1 eine Anlage zum Verschlüsseln, Uebertragen und Entschlüsseln von Sprachinformation,

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Gerätes zum Verschlüsseln bzw. Entschlüsseln der Sprachinformation, und

Fig. 3 zwei zeitgleiche, in Untergruppen unterteilte Hauptblöcke der Sprachinformation.

In Fig. 1 ist schematisch eine Anlage zum Verschlüsseln, Uebertragen und Entschlüsseln von Sprachinformation dargestellt. Auf der Sendeseite S ist ein elektroakustischer Wandler 1, z.B. Mikrophon, vorhanden, der die Schallwellen in Tonfrequenzspannungen umwandelt. Die am Ausgang des Wandlers 1 erscheinenden analogen Sprachsignale werden in einem ersten sendeseitigen Schaltungsteil 2, der noch näher beschrieben werden wird, in zwei oder mehr Frequenzbänder^äufgeteilt. Die Analogsignale jedes Frequenzbandes werden in digitale Signale umgewandelt, die in der Zeitachse in Hauptblöcke A,B aufgeteilt werden. Jeder Hauptblock A,B wird in eine gegebene Anzahl von zeitlich gleich grossen Unterabschnitten unterteilt. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Hauptblöcke in vier Unterabschnitte 1-4 unterteilt. In einer noch näher zu beschreibenden zweiten sendeseitigen Schaltungsanordnung 3 werden die Unterabschnitte 1-4 der' Hauptblöcke A,B mit Unterabschnitten desselben Hauptblockes

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und/oder mit den Unterabschnitten eines zeitgleichen Hauptblockes eines anderen Frequenzbandes vertauscht, wobei diese Vertauschung gemäss einer von einem Schlüsselgenerator erzeugten Schlüsselinformation erfolgt. In dieser zweiten Schaltungsanordnung 3 erfolgt anschliessend ein Umwandeln der digitalen Signale der vertauschten Unterabschnitte in analoge Signale und ein Zusammenstellen der vertauschten Untergruppen zu neuen Hauptgruppen Α',Β*. Diese neuen Hauptgruppen A¹,B¹ werden über die Uebertragungsstrecke U an die Empfangsseite E übermittelt.

Die ankommenden Hauptblöcke A¹,B¹ werden in einer ersten empfangsseitigen Schaltungsanordnung 4 in eine der Sendeseite 5 entsprechende Anzahl von Frequenzbändern aufgeteilt. Die Analogsignale jedes Hauptblockes A¹,B¹ werden in der Schaltungsanordnung 4 in digitale Signale umgewandelt, die wieder in Unterabschnitte unterteilte Hauptblöcke aufgeteilt werden. Im weitern werden die vertauschten Unterabschnitte 1-4 der zeitgleichen Hauptblöcke A¹,B¹ gemäss einer Schlüsselinformation, die von einem Schlüsselgenerator erzeugt wird und der auf der Sendeseite S verwendeten Schlüsselinformation entspricht, wieder derart ausgetauscht, dass die Reihenfolge der Unterabschnitte 1-4 jedes Hauptblockes A,B wieder der auf der Sendeseite S ursprünglich vorhandenen Reihenfolge entspricht. In einer zweiten empfangsseitigen Schaltungsanordnung 5 werden die digitalen Signale der Hauptblöcke A,B wieder in analoge Signale umgewandelt, die mittels eines elektroakustischen Wandlers 6 (Lautsprecher) wieder in Schalleistung umgewandelt werden.

Anhand des Blockdiagramms der Fig. 2 wird im folgenden das sendeseitige Gerät zum Verschlüsseln der Sprächinformation beschrieben.

Die am Eingang EIN ankommenden, vom nicht ge-

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zeigten elektroakustischen Wandler 1 herrührenden analogen unverschlüsselten Sprachsignale werden mittels einer Frequenzweiche 7, die aus zwei Filtern 8,9 besteht, in zwei Frequenzbänder aufgeteilt. Jedes Frequenzband bestimmt einen Informationskanal I, bzw. I₃. Der Frequenzweiche 7 nachgeschaltet ist in jedem Informationskanal IwI₂ ein Analog-Digit alwandler 10 bzw. 11, der die Analogsignale in digitale Signale umwandelt. Die Digitalisierung der analogen Sprachinformation kann auf eine bekannte Art und Weise erfolgen, z.B. nach der in der Schweizer Patentschrift 542 beschriebenen modifizierten Delta-Methode. Die am Ausgang der Wandler 10,11 erscheinenden Impulsserien werden in die bereits erwähnten Hauptblöcke A,B unterteilt, die in eine Speicherschaltung 12 eingespeichert werden. Jeder Hauptblock A,B wird in eine gegebene Anzahl von zeitlich gleich grossen Unterabschnitten Al-A 4 bzw. B1-B4 unterteilt, wie das in Fig. 3 gezeigt ist und anhand der Fig. 1 bereits erwähnt wurde. Jeder Unterabschnitt 1-4 wird z.B. aus fünf oder sieben Bits gebildet, analog zu den 5er oder 7er-Gruppen, welche im CCITT-Fernschreibcode Nr. 2 bzw. 5 zur Darstellung eines Zeichens dienen.

Die Speicherschaltung 12 weist eine nicht näher dargestellte Schaltungsanordnung auf, in welcher die Unterabschnitte A1-A4 bzw. B1-B4 von zeitgleichen Hauptblöcken A und B (Fig. 3) mit Unterabschnitten desselben Hauptblockes oder mit Unterabschnitten eines Hauptblockes des anderen Informationskanals permutiert werden. Diese Permutation ist möglich, da die die einzelnen Unterabschnitte bildenden Impulspakete zeit- und frequenzneutral sind.

Die Permutation der Unterabschnitte erfolgt aufgrund einer Schlüsselinformation, die von einem nicht näher beschriebenen Schlüsselgenerator 13 erzeugt wird. Die Erzeugung dieser Schlüsselinformation, die dauernd geändert

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M)HcV^, ^ 2/Z38Ü4

wird, erfolgt auf eine in der Kryptologie an sich bekannte Weise. Zur Synchronisation von Speicherschaltung 12 und

Schlüsselgenerator 13 ist ein Taktgeber 14 vorhanden. ι , : Nach dem Permutieren der Unterabschnitte Al-A4 bzw. B1-B4 werden die Impulse dieser Unterabschnitte in jedem Informationskanal I₁ bzw. I_ einem Digital-Analog- -wandler IS bzw. 16 zugeführt, wo eine Umwandlung der -Q^gitalsignale in analoge Signale erfolgt. Diese Digital-Analogumwandlung erfolgt auf gleiche Weise wie die Analog-Digit alumwandlung in den Wandlern 10 und 11. ;: s, ; j j. Die zu neuen Hauptblöcken A¹,B¹ (Fig. 1) zusammengeführten Unterabschnitte erscheinen in jedem In-. ίformationskanal1..,I₂ als kontinuierliches Analogsignal, das einer Ausgangsweiche 17, die aus zwei Filtern 18,19 gebildet wird, zugeführt wird. In dieser Ausgangsweiche ,werden die Analogsignale jedes Informationskanals ^I ₁»^I ₂ zusammengesetzt. Die am Ausgang AUS erscheinende Signale, welche eine verschlüsselte Sprachinformation darstellen, ,werden auf eine geeignete, an sich bekannte Weise an die Empfangsseite übertragen. Die zeitgleichen Hauptblöcke ,A',B' werden dabei parallel übermittelt.

Das vorstehend beschriebene Gerät umfasst die beiden.in, Fig, 1 gezeigten Schaltungsanordnungen 2 und ~l·.,://.. - .: 'Das in der Fig. 2 gezeigte Gerät kann entsprechend

zum Entschlüsseln der am Eingang EIN ankommenden ver_a3;j ,schlösselten Analogsignale dienen, wobei die Funktionsweise der oben beschriebenen Funktionsweise entspricht. Am Ausgang AUS escheinen dann die entschlüsselten klaren _ajF iAnalpgsignale, die im elektroakustischen Wandler 6 (Fig. 1) hörbar gemacht werden. In diesem Fall umfasst das Gerät gemäss Fig. 2 die Schaltungsanordnungen 4 und 5 gemäss

<·,; Um auf der Empfangsseite ein richtiges Entschlüsseln der auf der Sendeseite verschlüsselten Sprach-

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information zu gewährleisten, müssen die beiden Schlüsselgeneratoren auf der Empfangs- und der Sendeseite miteinander synchronisiert werden. Diese Synchronisation kann auf verschiedene Weise erfolgen. Bei der beschriebenen Aufteilung in mehrere, d.h. mindestens zwei Frequenzbänder ist es z.B. möglich, zwischen den Frequenzbändern einen Tonträger vorzusehen. In der Fig. 3 ist dieser Tonträger mit 20 bezeichnet und bei 1600 Hz zwischen die beiden durch die Hauptblöcke A,B dargestellten Frequenzbänder eingelegt. Dieser Tonträger wird mit kleinem Frequenzhub frequenzmoduliert. Dieser frequenzmodulierte Tonträger wird jeweils zwischen zwei zeitgleiche Hauptblöcke angeordnet an die Empfangsseite übertragen.

Die Frequenzmodulation dient in bekannter Weise zur Synchronisierung des Schlüsselgenerators auf der Empfangsseite. Der Träger selbst kann gleichzeitig als Referenzfrequenz für das empfangsseitige Gerät und sein Pegel als Referenzpegel dienen. Dies ist von Vorteil, wenn die üebertragung über Funkstrecken erfolgt, und das empf angsseitige Gerät nicht quarzstabilisiert ist. Bei Klarinformation fallen geringe Frequenzabweichungen nicht ins Gewicht, da der Mensch auch erheblich in der Frequenz verschobene Sprachinformation noch erkennen kann. Für Schlüsselgeräte trifft das aber nicht zu. Aufgrund des Tonträgers ist es nun aber möglich, mittels automatischer Frequenz-Nachstfcimmverfahren, die im allgemeinen vom Hochfrequenzbereich her bereits bekannt sind und nun im Niederfrequenzbereich angewendet werden, die empfangsseitigen eintreffenden Signale in die für das Empfangsgerät richtige Frequenzlage zu verschieben.

Um die vorstehend beschriebene Synchronisierung vornehmen zu können, muss das sendeseitige Verschlüsselungsgerät einen Tongenerator zur Erzeugung des Tonträgers und eine entsprechende Einrichtung zur Frequenzmodulation auf-

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Al·

weisen. Das empfangende Entschlüsselungsgerät muss dementsprechend mit einer Demodulationseinrichtung und einer Frequenz- und Pegelnachstimmeinrichtung versehen sein. Das beschriebene System hat den Vorteil, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten bei der Permutation der Unterabschnitte möglich ist. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel mit zwei Frequenzbändern und vier Unterabschnitten pro Hauptblock ergeben sich 8! =

ca. 4.xlO Permutationen, die bei entsprechender Auslegung des Schlüsselgenerators eine grosse Sicherheit gegen unbefugtes Entschlüsseln ergeben.

Es ist möglich, die ankommenden Sprachsignale auf mehr als zwei Frequenzbänder aufzuteilen und/oder die Hauptblöcke jedes Frequenzbandes in mehr als vier Unterabschnitte aufzuteilen. Dadurch wird die Anzahl der möglichen Permutationen erheblich erhöht.

Eine Entschlüsselung durch Korrelation ist bei der beschriebenen Anlage sehr erschwert, da die vorliegende verschlüsselte Information aus einer Folge von Impulspaketen gebildet ist, welche sich zeit- und frequenzneutral verhalten.

Die beschriebene Anlage weist keine mechanisch bewegten Teile auf und benötigt nur übliche Sprachkanäle für die Uebertragung der verschlüsselten Information.

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AU-.,

Leerseite

Claims

272380A Patentansprüche

1. Verfahren zum Verschlüsseln bzw. Entschlüsseln von Klanginformation, die in der Zeitachse in Teilblöcke aufgeteilt wird, welche gemäss einer Schlüsselinformation untereinander vertauscht werden, wobei die ankommenden analogen Klangsignale in mehrere Frequenzbänder aufgeteilt werden, von denen jedes einen Informationskanal bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die analogen Klangsignale jedes Informationskanales (¹T/I₂^ ^{in d}i9^ital^e Signale umgewandelt werden, die in der Zeitachse in Hauptblöcke (A,B) unterteilt werden, dass die zeitgleichen Hauptblöcke (A,B) jedes Informationskanales (I ,1 ) in zeitlich gleich

grosse Unterabschnitte (A1-A4, B1-B4) aufgeteilt werden, die gemäss einer Schlüsselinformation mit Unterabschnitten desselben Hauptblockes oder mit Unterabschnitten eines zeitgleichen Hauptblockes eines anderen Informationskanals vertauscht werden, und dass nach der Vertauschung in jedem Informationskanal (I ,1 ) eine Umwandlung der digitalen Signale in analoge Signale und ein Zusammenstellen der vertauschten Unterabschnitte zu neuen Hauptblöcken (A¹,B¹) erfolgt, um ein Weiterverarbeiten der zeitgleichen neuen Hauptblöcke (A¹,B¹) jedes Informationskanals zu ermöglichen.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit mindestens einer eingangsseitigen Frequenzweiche zum Aufteilen der ankommenden analogen Klangsignale in mehrere, je einen Informationskanal bestimmende Frequenzbänder, gekennzeichnet durch einen der Frequenzweiche (7) nachgeschalteten Analog-Digitalwandler (10,11) in jedem Informationskanal (1,1) zur Umwandlung der analogen Klangsignale in digitale Signale, durch eine

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die Impulsserien von den Analog-Digitalwandlern (10,11) speichernde Speicherschaltung (12), welche die eingespeicherten Impulsserien jedes Informationskanals (I ,1 ) in zeitgleiche Hauptblöcke (A,B) unterteilt und diese Hauptblöcke in zeitlich gleich grosse Unterabschnitte (A1-A4, B1-B4) aufteilt, durch einen mit der Speicherschaltung zusammenwirkenden Schlüsselgenerator (13) zum Erzeugen einer der Speicherschaltung (12) zugeführten Schlüsselinformation, wobei die Speicherschaltung eine Schaltungsanordnung aufweist, die ein Vertauschen der Unterabschnitte jedes Hauptblockes (A,B) mit Unterabschnitten desselben Hauptblockes oder mit Unterabschnitten eines zeitgleichen Hauptblockes eines anderen Informationskanals gemäss der erhaltenen Schlüsselinformation durchführt, durch einen der Speicherschaltung (12) nachgeschalteten Digital-Analogwandler (15,16) in jedem Informationskanal (I ,1 )zum Umwandeln der digitalen Signale in analoge Signale, wobei am Ausgang jedes Informationskanales (Ι,,Ι_) neue, aus vertauschten Untergruppen gebildete zeitgleiche Hauptblöcke (A¹,B¹) zur Weiterverarbeitung anstehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verschlüsseln zwischen zeitgleichen Hauptblöcken (A,B; A¹,B¹) von zwei Informationskanälen (I ,I„) ein frequenzmodulierter Tonträger (20) vorgesehen wird, der beim Entschlüsseln als Synchronisierinformation und Frequenzreferenzgrösse dient.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass den Digital-Analogwandlern (15,16) eine Ausgangsweiche (17) nachgeschaltet ist, die aus in jedem Informationskanal (I₁,I) angeordneten Filtern (18,19) gebildet ist und an deren Ausgang (AUS) die verschlüsselten bzw. entschlüsselten analogen Klangsignale anstehen.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eingangsseitige Frequenzweiche (7) aus mindestens zwei Filtern (8,9) besteht, von denen jeder in einem Informationskanal (I _fI_) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 zum Verschlüsseln von Klanginformation, gekennzeichnet durch einen Tongenerator zur Erzeugung eines Tonträgers und eine Modulationseinrichtung zur Frequenzmodulation dieses Tonträgers, wobei der frequenzmodulierte Tonträger zwischen zeitgleichen Hauptgruppen (A,B? Α',Β¹) von zwei Informationskanälen (I ,I_) angeordnet wird und als Synchronisierinformation und Frequenzreferenzgrösse für die entschlüsselnde Vorrichtung dient.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Tonträger als Pegelreferenzgrösse dient.

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