CH628760A5 - Method of encrypting and then decrypting message signals - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE liehen Zahlenfolge entspricht, so dass die Teilfrequenzband-

1. Verfahren zur Verschleierung und nachherigen Ent- Zeitelemente zeitinvertiert am Signalausgang erscheinen, schleierung von Nachrichtensignalen, dadurch gekennzeich- 10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, net, dass Zeitverwürfelung und Frequenzbandvertauschung dass die Speicherung der Teilfrequenzband-Zeitelemente im miteinander verwendet werden, dass hierzu die Nachrichten- s Wechsel einmal in ihrer natürlichen zeitlichen Folge und dann signale sendeseitig innerhalb eines sich wiederholenden Zeitab- wieder verwürfelt erfolgt.

schnittes in n Zeitelemente und innerhalb eines Frequenzband- 11. Verfahren nach Anspruch \, dadurch gekennzeichnet, ausschnittes in m Teilfrequenzbänder unterteilt werden, wobei dass in einem ersten Verarbeitungsschritt für jede Spalte/Zeile n und m natürliche Zahlen sind, dass der durch den sich wieder- der Matrix aus einer vorbestimmten Menge wirksamer Fre-holenden Zeitabschnitt charakterisierte Nachrichtenblock eine io quenzvertauschungen/Zeitverwürfelungen je eine ausgewählt (n • m)-Matrix mit n • m-Teilfrequenzband-Zeitelementen bildet, wird, nach der die Elemente der jeweiligen Spalte/Zeile ent-dass mit Hilfe eines Quasizufallsgenerators die einzelnen Teil- sprechend umgestellt werden,, dass danach in einem zweiten frequenzband-Zeitelemente innerhalb der (n • m)-Matrix quasi- Verarbeitungsschritt für jede Zeile/Spalte der so entstandenen zufällig ihren Platz wechseln, wobei jeder der n • m-Plätze nur Matrix ebenfalls aus einer vorbestimmten Menge wirksamer von einem der Teilfrequenzband-Zeitelementen eingenommen 15 Zeitverwürfelungen/Frequenzbandvertauschungen je eine auswerden kann, dass auf der Empfangsseite mit Hilfe eines glei- gewählt wird, nach der die Elemente der jeweiligen Zeile/

chen Quasizufallsgenerators die Platzvertauschung innerhalb Spalte der Matrix vertauscht werden, dass diese zweimalige der (n • m>Matrix wieder rückgängig gemacht wird und der Umformung der Matrix für jeden Nachrichtenblock neu natürliche Nachrichtenfluss hergestellt wird. gewählt wird und dass diese zweimal umgeformte Matrix spal-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 20 tenweise ausgelesen wird.

dass die Nachrichtensignale in Zeitelemente gleicher Dauer (T) 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, unterteilt werden, dass die Zeitelemente in Teilfrequenzbänder dass die Matrixumformung mehrfach vorgenommen wird, gleicher Bandbreite (B) unterteilt werden und dass Teilfre- 13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

quenzbänder mehrerer Zeitelemente gleichzeitig zur Emp- dass die Matrixumformung in einem Schritt vorgenommen fangsseite übertragen werden. 25 wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl m der Teilfrequenzbänder gleich 5 ist. dass als Anfangsmatrix zur Verwürfelung des nächsten Nach-

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, richtenblocks die Endmatrix des vorhergehenden Nachrichten-dass die Anzahl n der Zeitelemente gleich 8 ist. blocks verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 30 15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachrichtensignal zur Zerlegung in die Teilfrequenz- dass für jeden Nachrichtenblock neu gewählt wird, ob im bänder mit Hilfe mehrerer Trägerfrequenzen so umgesetzt ersten Verarbeitungsschritt die Zeilen und im zweiten Verar-wird, dass das jeweilige Teilfrequenzband durch jeweils gleiche beitungsschritt die Spalten vertauscht werden oder umgekehrt. Filter in der jeweils gleichen Frequenzlage gewonnen wird,

dass das Teilfrequenzband in einem Speicher zwischengespei- 35

chert wird und nach dem Auslesen aus dem Speicher durch erneute Frequenzumsetzung mit Hilfe mehrerer Trägerfrequenzen in eine neue Frequenzlage gebracht wird. Für die Verschleierung und nachherigen Entschleierung

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, von Nachrichtensignalen sind die Verfahren der Zeitverwürfe-dass der Informationsinhalt der Teilbänder zur Speicherung in 40 lung und der Frequenzbandvertauschung bekannt.

einem Speicher digitalisiert und nach dem Auslesen aus dem Bei der Frequenzbandvertauschung ist z. B. die Übertra-

Speicher in ein Analogsignal zurückverwandelt wird. gungsbandbreite der Signale in eine Anzahl gleich breiter Teil-

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, kanäle unterteilt. Durch eine quasistatistische Zeichenfolge dass das Nachrichtensignal mit Hilfe eines Analog/Digital- werden durch Frequenzumsetzer in bestimmten Zeitabständen wandlers in durch Dualzahlen dargestellte Abtastwerte digitali- 45 die Frequenzplätze der Teilkanäle vertauscht. Es sind dabei die siert wird, dass die Frequenzumsetzung durch Multiplikation Vertauschungen den Binärzeichen des Quasizufallsgenerators dieser Zahlenfolgen mit Abtastwerten der entsprechenden fest zugeordnet. Die empfangsseitige Rückvertauschung der

Trägerschwingungen darstellenden Zahlenfolgen durchgeführt Teilkanäle in ihre natürliche Lage erfolgt durch die umge-werden, dass zur Gewinnung der Teilfrequenzbänder digitale kehrte Anwendung einer der sendeseitigen Zeichenfolge iden-Filter eingesetzt werden, wobei diese Teilfrequenzbänder als 50 tischen Quasizufallsfolge.

Folge von Abtastwerten in Form von Dualzahlen entstehen, Bei Zeitverwürfelungsverfahren werden innerhalb eines dass die Teilfrequenzbänder zur Vertauschung in einem Spei- periodischen Zeitabschnitts einzelne Zeitelemente entspre-cher gespeichert werden, dass die Teilfrequenzbänder nach chend den Anweisungen eines Quasizufallsgenerators ver-dem Auslesen aus dem Speicher durch Multiplikation mit tauscht und empfangsseitig zurückvertauscht. Trägerschwingungen darstellenden Binärzahlenfolgen umge-55 Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Verschleierungs-setzt werden, dass die als Binärzahlenfolgen vorliegenden Teil- verfahren besteht in der verhältnismässig leichten Erkennbarfrequenzbänder nur addiert werden und deren Summe in einem keit des Klartextes aus dem verschleierten Signal. Digital/Analogwandler wieder in ein Analogsignal zurückver- Dies gilt insbesondere dann, wenn in einem schmalbandi-wandelt wird, das zum Empfänger übertragen wird. gen Übertragungskanal übertragen werden muss, weil hier die

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, 60 Anzahl der Teilkanäle nicht ausreichend gross gewählt werden dass bei der Speicherung der Teilfrequenzband-Zeitelemente kann. Bei der Zeitverwürfelung setzt die noch zumutbare Zwi-die Speicheradressansteuerung einer monoton steigenden schenspeicherzeit der Anzahl der Zeitelemente eine klare natürlichen Zahlenfolge entspricht, so dass die Teilfrequenz- Grenze.

band-Zeitelemente in einer natürlichen zeitlichen Folge am Die zu der Erfindung führende Aufgabe war es, ein Verfah-

Signalausgang erscheinen. 65 ren zur Nachrichtenverschleierung und nachherigen Ent-

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, schleierung anzugeben, das die beiden bisher bekannten Ver-dass bei der Speicherung der Teilfrequenzband-Zeitelemente fahren, Zeitverwürfelung und Frequenzbandvertauschung der-die Speicheradressansteuerung einer monoton fallenden natür- art miteinander kombiniert, dass ein Vielfaches an Sicherheit

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gegen unbefugtes Entschleiern erreicht wird. logdemultiplexer ADMX läuft synchron mit dem Analogmulti-

Die Lösung der Aufgabe erfolgt, wie im Anspruch 1 plexer AMX und führt die Abtastwerte den den Teilfrequenz-

beschrieben. Zweckmässige Ausführungen sind in den abhängi- bändern zugeordneten Bandpässen BFA1 bis BFAm zu, ihnen gen Ansprüchen beschrieben. nachgeschaltet sind die Ringmodulatoren MAI bis MAm,

Nachstehend werden anhand der Figuren Ausführungsfor- 5 deren ausgangsseitige Zusammenfassung über den Ausgangs-men des erfindungsgemässen Verfahren näher erläutert. Es zei- tiefpass im Sendeteil das Sendesignal erzeugt, gen: Im Empfangsbetrieb wird nun ein so erzeugtes Sendesignal

Figur 1 a die mögliche Einteilung der zu übertragenden einem anderen Gerät in Punkt E eingespeist, wobei die Signal-Nachricht in n Zeitelemente der Dauer T und m gleiche Teilfre- Verarbeitung wie im Sendebetrieb verläuft, nur dass der Quasi-quenzbänder der Bandbreite B in der Frequenz-Zeitebene. io zufallsgenerator des Empfängers anstatt der Vertauschungs-

Figur lb die mögliche Verwürfelung der (n* m)-Teilfre- matrix gemäss Figur lc die hierzu Inverse anliefert, welche quenzband-Zeitelemente bei nacheinander angewendeter Zeit- zusätzlich um einen Zwischenspeicherschritt verzögert (bezo-verwürfelung und Frequenzbandvertauschung. - gen auf Sendebetrieb) die Adressierung des Nachrichtenzwi-

Figur 1 c die mögliche Verwürfelung der (n • m>Teilfre- schenspeichers steuert. Beim Empfangsbetrieb sind die beiden quenzband-Zeitelemente nach dem erfindungsgemässen Ver- is Schalter auf Figur 2 umzuschalten, ferner muss davon ausge-schleierungsverfahren. gangen werden, dass die Quasizufallsgeneratoren synchron lau-

Figur 2 schematisch ein nicht voll digital arbeitendes Aus- fen. Dies wird z. B. durch eine Präambelsynchronisation bei führungsbeispiel eines Verschleierungsgerätes nach dem erfin- jedem Gesprächsrichtungswechsel bewirkt.

dungsgemässen Mischverfahren, das zum Senden und Empfan- Durch entsprechende Adressinvertierung am Nachrich-gen benutzt werden kann. 20 tenzwischenspeicher und durch Umschaltung der Träger an

Figur 3 schematisch ein voll digital arbeitendes Ausfüh- den Ringmodulatoren ist auch die Aussendung von bandinver-rungsbeispiel eines Verschleierungsgerätes nach dem erfin- tierten und zeitinvertierten Nachrichtenelementen möglich, dungsgemässen Mischverfahren, das zum Senden und Empfan- Das in Figur 3 dargestellte erfindungsgemässe Ausfüh-gen benutzt werden kann. rungsbeispiel eines Verschlüsselungsgerätes nach dem Misch-

Wird nun auf einen Nachrichtenblock nach Figur 1 a sowohl 25 verfahren unterscheidet sich im Ergebnis nicht von dem in das Zeitverwürfelungsverfahren und anschliessend die Fre- Figur 2 dargestellten Gerät. Die Realisierung bedient sich hier quenzbandvertauschung oder umgekehrt angewendet, so ent- statt einzelner Ringmodulatoren und Bandpässe eines digitalen spricht der zur Übertragung gelangende transformierte Nach- Multiplizierers ME und eines digitalen Tiefpasses DTP1, wes-richtenblock der Darstellung in Figur 1 b. Alle Bandelemente m halb der Analog/Digitalwandler AID sofort im Anschluss an innerhalb eines Zeitelementes der Dauer T sind nach der Ver- 30 den analog ausgebildeten Eingangstiefpas TPE angeschlossen würfelung wieder Bandelemente eben dieses, wenngleich zeit- ist. Der Multiplizierer ME dient als Modulator, an welchen der verwürfelten Zeitelementes. Ein Austausch der Bandelemente digitale Tiefspass DTP1 angeschlossen ist. Die digitale Realisie-mit solchen anderer Zeitelemente findet nicht statt, bedingt rung hat den Vorteil, dass der Mischer ME und der digitale Tief-durch die additive Überlagerung beider Verfahren. pass DTP1 im Zeitmultiplex mehrfach genutzt werden können,

Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird eine vollstän- 35 weshalb am Ausgang des digitalen Tiefpasses DTP1 die Teilfre-dige Verwürfelung der Teilfrequenzband-Zeitelemente inner- quenzbänder im Zeitmultiplex in gleicher Frequenzlage vorlie-halb des Nachrichtenblocks erreicht. Der Nachteil der additi- gen. Die einzelnen digitalisierten Träger für den Multiplizierer ven Überlagerung (Figur lb) wird durch die vorteilhafte voll- ME sind in der sin/cos-Tafel SCT abgespeichert.

ständige Mischung ersetzt, wie in Figur 1 c dargestellt. Die cos-Tafel ist erforderlich, da bei dieser Realisierung die

Das erfindungsgemässe Verfahren wird nun anhand eines 40 Einseitenbandgewinnung nach der Phasenmethode von Wea-Ausführungsbeispiels nach Figur 2 näher erläutert. ver (D.K. Weaver jr.: «A third method of generation and detec-

Das zu übertragende Nachrichtensignal wird dem in Figur tion of single sideband signais», Proceedings of IRE, Dez. 1956, 2 dargestellten Gerät bei E dem Eingangstiefpass ETP zuge- Seiten 1703 bis 1705) erfolgt. Hierbei wird das umzusetzende führt und ausgangsseitig an die Eingänge der zur Bildung der m Signal in zwei Kanälen mit je einer cos- bzw. sin-Schwingung Teilfrequenzbänder erforderlichen Ringmodulatoren MEI bis 45 derselben Frequenz, die in der Bandmitte liegt, moduliert. Aus M Em weitergeleitet. Jedem der Ringmodulatoren ist ein Band- dem entstandenen Modulationsprodukt werden anschliessend filter BFE1 bis BFEm nachgeschaltet, wodurch die m Teilfre- mittels Tiefpassfilter die Summenfrequenzen entfernt. Die Aus-quenzbänder in identischer Frequenzlage an m Eingangsleitun- gangssignale dieser Filter werden anschliessend mit je einer gen eines Analogmultiplexers AMX anliegen. Am Ausgang des sin- bzw. cos-Schwingung derselben Frequenz, die bis jetzt aber dem Analogmultiplexer nachgeschalteten Analog/Digital- 50 in der Mitte des Bandes liegt, in die das Signal umgesetzt wer-wandlers A/D erscheint somit das mit der Abtastfrequenz mul- den soll, moduliert. Die Summe der so entstandenen Modula-tiplizierte Zeitmultiplexsignal der Teilfrequenzbänder in digita- tionsprodukte stellt schliesslich das neue Frequenzband dar, in lisierter Form. In einem ersten Zwischenspeicherschritt wird die das ursprüngliche Signal umgesetzt wurde, die Nachrichtenspeichermatrix gemäss Figur 1 a gefüllt. In Werden bei der ausgangsseitigen Modulation die sin- und einem zweiten Zwischenspeicherschritt für den nun folgenden 55 cos-Schwingung miteinander vertauscht, so liefert die Summe Nachrichtenblock erfolgt das Zwischenspeichern gemäss das neue Frequenzband in invertierter Frequenzlage.

Figur 1 c, wobei vor dem Einschreiben in die Speicherzellen Die Anpassung der Bitrate an den Nachrichtenfluss derart Inhalt abgefragt und an den Digital/Analogwandler D/A geschieht hier durch Abspeicherung minimal jedes 'A-m-ten weitergeleitet wird. In dem nun folgenden Zwischenspeicher- Abtastwertes in die Nachrichtenspeichermatrix. Da diese Ver-schritt erfolgt die Eingabe wieder gemäss Figur 1 a, dann wie- 60 minderung der Abtastfrequenz einer neuerlichen Mischung des der gemäss Figur 1 c usw. Signales gleichkommt, muss dies durch Wiederherstellung der

Das Einlese-Ausleseschema gemäss Figur c wird von einem Bitrate am digitalen Tiefpass DTP2 rückgängig gemacht wer-Quasizufallsgenerator gesteuert, welcher für eine quasizufäl- den. An den digitalen Tiefpass DTP2 schliesst sich der digitale lige Verteilung der Teilfrequenzbandelemente innerhalb der Ausgangsmultiplizierer MA an, er multipliziert die Zahlen-Matrix sorgt, was bezogen auf die Signalausgabe zu einer voll- 65 werte des digitalen Tiefpasses DTP2 mit denselben Zahlenwer-ständigen Mischung der Verfahren Frequenzbandvertau- ten wie der digitale Eingangsmultiplizierer. Der dem digitalen schung und Zeitverwürfelung führt. Ausgangsmultiplizierer MA folgende Akkumulator vereinigt

Der dem Digital/Analogwandler D/A nachgeschaltete Ana- die Teilbänder wieder zum «verwürfelten» oder «entwürfel-

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ten» N achrichtenkanal, welcher durch den Digital-Analog- gen ausgewählt wird. Die Elemente einer Zeile/Spalte der wandler D/A und anschliessenden analogen Ausgangstiefpass Matrix werden entsprechend der Reihenfolge der ausgesuch-

TPA wieder als Analogsignal im Punkte A der Schaltung ten Vertauschungen umgestellt. In einem zweiten Verarbei-

ansteht. Die Teilfrequenzbandinversion geschieht hier im tungsschritt werden vom Schlüsselgeber für die Spalten/Zeilen

Gegensatz zum Schaltungsbeispiel in Figur 2 durch Rückmi- s der Zwischenmatrix je eine Frequenzbandvertauschung/Zeit-

schung der durch Multiplikation mit digitalisierten sin-Trägern verwürfelung aus einer vorbestimmten Menge wirksamer gewonnenen Teilfrequenzbänder im digitalen Multiplizierer gespeicherter Frequenzbandvertauschungen/Zeitverwürfelun-

ME mittels digitaler cos-Träger und umgekehrt im digitalen gen ausgewählt. Die Elemente der Spalten/Zeilen der Zwi-

Multiplizierer MA, was über die Ausgabesteuerung der Nach- schenmatrix werden entsprechend der Reihenfolge der ausge-

richtenspeichermatrix einfach realisierbar ist. Alle weiteren io suchten Vertauschungen umgestellt.

Betrachtungen sind analog der Beschreibung zur Realisierung Werden im ersten Verarbeitungsschritt die Frequenzband-gemäss Figur 2. vertauschungen und im zweiten Verarbeitungsschritt die Zeit-Ein weiteres Ausführungsbeispiel vermeidet die kryptolo- verwürfelungen vorgenommen, ergibt sich eine andere Matrix gisch unwirksamen Vertauschungen, die bei der Fülle rein stati- als bei umgekehrter Reihenfolge der Verarbeitungsschritte, stischer Vertauschungen der Elemente der (n • m)-Matrix vor- 15 auch wenn dieselben Frequenzbandvertauschungen und Zeitkommen könnten und erhöht damit die Sicherheit der Ver- verwürfelungen ausgewählt wurden.

schleierung. Verwendet man als Anfangsmatrix für die Verwürfelung

Diese Verbesserung wird dadurch erreicht, dass in einem des nächsten Nachrichtenblocks die Endmatrix des vorherge-

ersten Verarbeitungsschritt von einem Schlüsselgeber für jede henden Nachrichtenblocks, dann ergibt sich der Vorteil, dass

Zeile/Spalte der Matrix je eine Zeitverwürfelung/Frequenz- 20 für das Zwischenspeichern der Nachrichtenelemente nur ein bandvertauschung aus einer vorbestimmten Menge wirksamer, Speicher für die Elemente eines Nachrichtenblocks benötigt gespeicherter Zeitverwürfelungen/Frequenzbandvertauschun- wird.

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3 Blatt Zeichnungen