專利名稱：雙工模擬擾頻器的制作方法
技術領域：
本發明涉及保密通信用的雙工模擬聲頻頻段擾頻器，具體涉及用于有限帶寬的通信信道(例如標準的電話線路和無線電話通信電路中的)多跳倒頻的擾頻裝置。
眾所周知，個人之間在非保密通信信道上的通信經常遭到偶然的竊聽或有預謀的消息攔截。常規的有線通信即電話呼叫雖然受到法律保護，但是仍然易受非法的竊聽和消息攔截(盡管有些困難)。在采用無線電鏈路作為通信信道來傳遞消息時，這個問題就更加嚴重了。人們擁有無線電信道收信的合法裝置，因而可以容易地取得無線電波上傳遞的消息。蜂窩式無線電電話系統，可以把技術與用戶的需求很好地結合起來，從而使這種系統傳送的消息便于接通。蜂窩狀無線電話系統中的通信信道通常既包括無線電鏈路，也包括地面固定鏈路，這兩種鏈路都各有相應的方式來截獲消息。典型的蜂窩式無線電話用戶常常認為無線電話是地面線路系統的延伸(確實也是如此)，因此，截取消息不是特別容易。非常遺憾，事實并非如此。
為了保證在通信信道上傳輸消息的保密性，現已設計了兩大類保密設施。模擬消息(例如聲音)，可轉變為該模擬信號的數字信號表示，或者，電文可以用數字信號表示，然后利用保密或公開的密鑰通過運算處理，將該數字信號置換為密碼信號，再在非保密信道上傳輸。該消息的指定接收者可以接收該密碼信號;使用保密的譯碼密鑰譯出該信號，恢復出該消息。有關這種技術的進步情況在《科學的美國人》1979年8月，Vol241.第2號146-157頁上刊登的馬丁·E·海曼寫的“TheMathematicsofPublic-KeyCryptography”(公開密鑰密碼學的數字理論)文章中找到。
然而，對于窄帶信道而言，遺憾的是具有可接受的信號質量的保密數字密碼信號要求寬的帶寬，以便不失真地傳輸信號。第二種保密通信的方法是利用模擬信號頻率倒置來得到保密的效果。這種技術可以在窄帶信道內使用。模擬信號不轉換為數字表示，而是在平方律混頻器或平衡調制器內將模擬信號與單音頻進行混頻，所產生的該單音和模擬信號的下邊帶由濾波器來選取。于是，其中模擬信號的最低頻率分量和最高頻率分量就互相倒置易位。
單音頻率倒置的擾頻器是非常易于攻破的。竊聽者只需將一個單音輸入平方律檢波器中并且調整該單音的頻率，使其基本上與初始倒置模擬信號所用的頻率相同就行。對頻率倒置擾頻器的改進已經采用了偽隨機方式的依時間順序的多音倒置方法。進一步的改進采用了頻率倒置、時間倒置和時間段跳變相結合的方法，以使窄帶擾頻器更為保密(見第4，434，323號美國專利文件)。然而每種改進都增加了擾頻系統的復雜性及其所需的費用，還使倒置跳變過程的同步復雜化。
因此，本發明的一個目的是提供一種模擬的有限頻帶的頻率倒置擾頻器，它根據滾碼過程所產生的密鑰來確定單音頻率的跳變程序。
本發明的另一個目的是利用一個滾碼在半邊雙工信道上產生一種音頻跳動的模式，用第二個滾碼在另半邊雙工信道上產生另一種音頻跳動的模式。
本發明再一個目的是保護密鑰的交換和保護同步避免通信信道的中斷。
本發明還有一個目的就是自動產生密鑰以解除用戶在產生密鑰方面的牽連。
因此，上述這些目的和其它目的都包含在本發明之中，這就是一個工作在聲頻頻帶通信信道上的模擬頻率倒置擾頻器。未經加密的第一消息依次進行頻率倒置得到加密的第一消息，再傳輸給信道上的第二模擬頻率倒置擾頻器得到已加的第二消息，然后由擾頻器依次進行頻率再倒置。本擾頻器將第一個基數號變換成第二擾頻器的第二個基數號，以便產生第一代碼來確定非保密的第一消息的頻率倒置序列，同時，還產生第二代碼來確定保密的第二消息的頻率再倒置序列。此外，第一代碼的同步信號由本擾頻器傳送，保證以第二擾頻器對保密的第一消息的頻率再倒置同步，而第二代碼的同步信號由本擾頻器接收，以使第二代碼同步于第二代碼同步信號。
圖1是表示本發明的雙工模擬擾頻器連接到一個雙工信道的簡化方框圖;
圖2是采用了本發明的蜂窩式系統中基本單元的方框圖;
圖3是采用本發明的蜂窩式無線電話系統的用戶單元的方框圖;
圖4是頻率倒置和再倒置擾頻器的方框圖;
圖5是本發明所用的滾碼發生器的方框圖;
圖6是采用了本發明的倒置頻率跳動的模擬擾頻器的方框圖;
圖7是本發明所用的時鐘頻率發生器的方框圖;
圖8是采用了本發明的主發端擾頻器進行基數傳送的時序圖;
圖9是采用了本發明的主發端擾頻站和應答擾頻站成功地進行發送基數和接收基數交接(handshake)的時序圖;
圖10是采用了本發明的主發端擾頻站在搜索定時器終止之后的交換時序圖;
圖11是采用了本發明的主發端擾頻站用戶請求清除方式操作的時序圖;
圖12是根據本發明在同步信號短時間丟失時擾頻器工作的時序圖;
圖13是根據本發明在同步信號完全丟失以后擾頻器工作的時序圖;
圖14是本發明所用的消息格式;
圖15A～15E是本發明所用的初始化變接過程、同步化過程和編碼過程的流程圖;
圖16是本發明所用的用戶請求服務過程的流程圖。
采用本發明的雙工模擬擾頻器可以應用到如圖1所示的窄頻帶通信信道。一種窄帶信道可能是一條標準電話線路，其中，雙工信道的正向和反向部分由常規的混合電路連接。在這種應用中，來自電話裝置101的話筒聲音被連通到雙工模擬擾頻器103的輸入端，按照本發明的頻率倒置后，作為已加密的聲音送到混合電路(圖中未示出)，然后再送到電話系統的平衡線對上，該平衡線對連接到公共電話交換網(PSTN)，在這里進行交換再連接到平衡線對，后者以常規方式通向被叫電話裝置105。本發明的第二個雙工模擬擾頻器107安置在PSTN和電話裝置105之間。來自擾頻器103的已擾頻(頻率倒置)的聲音在擾頻器107內依次再倒置，以產生清楚的聲音信號送到電話裝置105的聽筒。在其相反方向上，來自電話裝置105的話筒聲音由雙工模擬擾頻器107擾亂后加到PSTN，由雙工模擬擾頻器103再倒置后加到電話裝置101的聽筒。
本發明的模擬擾頻器也可應用于無線電話系統(如圖2所示的蜂窩式移動無線電話系統)，并具有優良的性能。本發明的擾頻器可安裝在常規的電話用戶單元的無線電話(例如單元201、203和205)內，以便在移動電話用戶單元和固定站之間(當在蜂窩式移動電話交換局213和PSTN之間連接同樣的擾頻器時)或在移動電話用戶設備和遠端的電話裝置之間(當遠端電話裝置裝備了同樣的擾頻站時，該遠端的電話裝置也可以是另一移動電話用戶單元)提供保密的雙工通信。(移動式)無線電話通信也可在移動電話用戶單元與常規固定站及控制設備(例如固定站207、209和211)之間進行。每個固定站連接到一個常規的蜂窩式移動電話交換局213，由后者來執行呼叫安排、控制以及與PSTN互連的操作。眾所周知，各個蜂窩式系統被分成許多嚴密的無線電覆蓋區域(即單元)，并共同構成寬廣的地理范圍內的無線電覆蓋。這種單元如圖2所示的區域215，217和219。
例如當一個移動電話用戶單元從一個地理區域行進到另一個地理區域時(例如移動電話用戶單元201從區域215行進到區域217)，固定站207和209的兩個控制計算機和蜂窩式移動電話交換局213的控制計算機就命令固定站207與該移動電話用戶單元201之間的無線信道進行過區切換，并將移動用戶單元201連接到固定站209。這種切斷過程通常要切斷移動用戶單元201和固定站207所發送的聲音，而在此期間向移動用戶201發送一個數字消息把它的無線電設備重新調諧到固定站209的信道上，用戶單元201完成這一過程之后，就解除對它的音頻通路的切斷指令。若不采用本發明的擾頻設備，象這種由于切斷引起的中斷或由于無線電通路的衰落引起的中斷，會使通信出現嚴重的問題。
所采用的本發明的一種移動電話用戶單元示于圖3，一種由Motorola公司制造的商用無線電話收發信機(例如F19ZEA8439AA型號)可以與圖示中的雙工模擬擾頻器103相連接。這種無線電收發信機由一個收信機部分301、一個發信機部分303、一個頻率合成器部分305、一個邏輯部分307和一個控制單元及手機309組成。收信機部分301經過一個雙工器315連接到天線311。發信機部分也通過該雙工器315與天線311相連接，雙工器可以使接收信號和發送信號彼此幾乎無干擾地接收和發送。通常，由收信機部分301所接收和檢波的信號送到控制單元和手機部分309并通過電話聽筒送給用戶。同樣地，來自用戶的聲音由手機的話筒所接受并送到發信機部分303，以此發送到固定站207。本發明的雙工模擬擾頻器103(也可將喇叭和外部話筒與本發明的模擬擾頻器連用)安置在收信機301和控制單元309之間的聲音通道上以及控制單元309和發信機部分303之間的聲音通道上。該雙工模擬擾頻器103對于從收信機部分301送來的聲音和從控制單元手機309送到發信機303的聲音進行分別(獨立)的處理。這種在每個方向上單獨加擾和去擾的方法為雙工消息提供了附加的保密性，即在半個雙工信道內的代碼的破譯將不易導致在另外半個雙工信道內的代碼的破譯。
雖然已描述了本發明的擾頻器在諸如有線和無線電話方面的應用，但其應用的范圍并不限于此，它還可應用于通過有限帶寬信道的需要進行保密的模擬通信的任何場合。
頻率倒置擾頻器的基本工作原理可從方框圖4中得到理解。一種未加密聲音信號輸入到平衡混頻器401的一個輸入端，倒置頻率信號(其頻率通常高于聲音信號的最高頻率)由倒置發生器403產生加到平衡混頻器401的第二個輸入端。平衡混頻器401一般由具有平方律轉移特性的器件(例如采用常規的平衡結構的二極管)所組成。該平方律器件由每邊相差180°的倒頻信號來控制，這樣就可在平衡混頻器401的輸出端使倒頻相消。該未加密聲音信號使該平衡混頻系統呈瞬時不平衡狀態，于是在輸出端產生一個信號，它包括在未加密聲音信號輸入和倒頻之間的和頻分量、差頻分量以及倒頻信號分量本身。該輸出信號經過低通濾波器405濾波后除去了倒頻及和頻信號。這樣得到的保密聲音輸出信號將呈現這樣一種變換，即其低頻未加密聲音輸入信號變為高頻信號，而其高頻未加密聲音輸入信號則變為低頻信號。例如，如果倒頻等于3500赫茲而未加聲音信號由300赫茲和2500赫茲二個頻率組成，則該2500赫茲信號將被變換到1000赫茲信號，而該300赫茲信號將被倒轉到3200赫茲(該非保密聲音輸入信號與該倒頻信號之差)信號。于是，該保密輸出信號可被送到具有能通過原來未加密聲音信號帶寬的信道并傳送到收信機。
在該信道的遠端，倒頻解擾器采用一個平衡混頻器407，該混頻器407有一個是保密聲音信號輸入端、一個是再倒頻信號的輸入端。由頻率發生器409產生的再倒置頻率應與倒置過程中所采用的頻率發生器403的頻率基本上相同。與平衡混頻器401相同方式工作的平衡混頻器407的輸出由低通濾波器411濾波后產生一個被再倒置的、已解密的聲音輸出(相當于輸入到該擾頻系統的未加密聲音信號)。在信道相反方向上傳送的未加密聲音信號可由同樣的方式進行加擾和解擾。
采用可調諧的聲音振蕩器提供的一個倒頻來解密倒置的保密聲音信號是相當容易的。因此，如果用一個或多個頻率并以只有合法的收發雙方才知道的固定或可變的速率來改變倒置和再倒置頻率，就可實現更高的保密性，另外，也曾建議在倒頻和再倒頻這兩部分都存貯某種偽隨機的跳頻序列來控制倒頻和再倒頻發生器。這種方法要求在兩個相隔很遠的發收單元內的存貯元件同時實現同樣的改變。也就是說，移動電話單元必須接入到一個基站才能使它的偽隨機頻率跳變型式發生正確的改變。同樣地，擾頻器系統的另一端也要正確地改變存儲元件以使遠方的無線電話單元和它的通話對方能進行保密會話。如果該遠方無線電話單元希望同多方進行保密會話，則每個這樣的對話方都必須使它們的偽隨機碼存儲器按照正確的一致的方式進行修改才能進行保密消息的會話。顯然，這種操作是不切實際的。
本發明通過在任何需要保密的消息出現時建立偽隨機跳變碼，從而避免了上述問題。此外，本發明為由主發站經半邊雙工信道向應答站傳送的消息建立了第一偽隨機碼跳頻序列，而為由應答站經另半邊雙工信道向主發站傳送的消息建立了另一個(即第二)偽隨機碼跳頻序列。
如果偽隨機跳頻序列短，而且這個序列本身也在非保密信道上傳送，那么，這種系統的保密能力是不會高的。因此，本發明從主發端擾頻站發送出一種隨機發生的數字經由半個非保密雙工信道傳送到應答擾頻站。根據所接收到的主發端擾頻站的數字，應答擾頻站產生另一種(即第二)隨機數字并經由另外半個非保密雙工信道向主發端擾頻站傳送第二隨機數字。為了方便起見，我們把主發端擾頻站產生的隨機數字稱為發送基數(Seed)，而把應答擾頻站產生的隨機數字稱為接收基數。主發端擾頻站利用發送基數和接收基數來產生另一種二進制數字，該二進制數字將逐個比特循環，并在特定比特位置上逐個周期讀出，以提供一個獨特的編碼數字。這種循環二進制數字通常被稱之為滾碼，它可以如圖5所示那樣被讀出和進行循環。
圖5示出了一種“根據發送基數和接收基數產生出的一種二進制字讀出一種滾碼”的裝置，該二進制字起初存儲在一串比特存儲單元(如圖5中的戽斗式器件)內。在最佳實施例中，比特存儲單元D0、D1、和D2在適當時間讀出就得到了供某段預定時間內使用的倒頻信號。在預定時段終止后，每個比特存儲單元的內容被轉移到下一個更高的比特存儲單元，同時由DN-1和DN-2兩存儲單元的輸出經異或門產生的比特存入D0存儲單元內。在最佳實施例中，這種狀態時間持續100毫秒，于是每100毫秒將產生一個新的倒頻信號號。顯而易見，由D2至D0讀出的3個比特最多能產生8種倒頻信號。在最佳實施例中，倒頻信號選自從2600赫茲到3500赫茲左右的一段頻率范圍。
主發端擾頻站和應答擾頻站分別連續產生各自的隨機數字。每當進入保密工作狀態，主發端擾頻站就捕捉一個隨機數字作為發送基數。用樣地，應答擾頻站也捕捉另一個隨機數字作為接收基數。如果發送基數碰巧與接收基數相等，就認為它們無效，要選擇新數。本發明的一個重要特點是每個擾頻器單元自動產生基數解除了用戶對密鑰的管理責任，從而改進了現有的高保密的加密系統。
主發端擾頻站及應答擾頻站利用發送基數和接收基數產生二種獨立的滾碼數字，其中一種滾碼起動從主發端擾頻站到應答擾頻站(即正向信道)的半邊雙工信道上的頻率跳變序列，另一種滾碼起動從應答擾頻站到主發端擾頻器站(反向信道)的另半邊雙向信道上的頻率跳變序列。每種滾碼的起始點數字被寄存在滾碼發生器內(如圖5所示)。在最佳實施例中，主發端擾頻站和應答擾頻站里的滾碼起始點數值可根據如下等式得出發送起始點＝A＊(發送基數+B)+C＊(接收基數+D)
接收起始點＝A＊(接收基數+B)+C＊(發送基數+D)主發端擾頻站發生器和主發端擾頻站的再倒置滾碼發生器都產生一個2n-1非重復碼，該發生器每隔一段時間就更新一次(在該最佳實施例中，更新周期是100毫秒)。在音調控制方面的進一步工作是防止連續產生相同的倒頻信號，這就保證了固定倒頻破譯者不可能聽清100毫秒以上的聲音信號。
圖6示出采用本發明的一個擾頻站。本發明的模擬擾頻器基本上利用二個獨立的聲音通道，即發信機的和收信機的聲音通道。在將已加密聲音信號輸出到半個非保密雙工信道之前，發信機的聲音通道接受清晰的、未加密的聲音信號，并在100毫秒左右的時間周期內用若干種倒頻信號中的一種倒頻信號來倒置該未加密聲音信號的頻率。在收信機聲音通道的輸入口，接收已加密的、已倒頻的聲音信號并施行對它的頻率的再倒置，然后把這個已解密、已解擾的聲音送到應用裝置。在用于蜂窩式移動電話的本發明擾頻器的實例中，其發送聲音輸出端連接到無線電話發信機，而接收聲音輸入端連接到收發信機的收信機;發送聲音輸入端連接到話筒，而接收聲音輸出端連接到喇叭或聽筒。
重要的是，應該注意到發信機滾碼發生器是主滾碼器，它必須后接另一模擬擾頻器里的收信機滾碼發生器。也就是說，圖1的雙工模擬擾頻器103的發信機滾碼頻率倒置發生器是主滾碼頻率倒置發生器，并且必須后接圖1的雙工模擬擾頻器107里的收信機滾碼頻率倒置發生器。同時又獨立地是，圖6中的模擬擾頻器的接收滾碼發生器是一個從屬滾碼發生器，它跟蹤于模擬擾頻器的發信機滾碼，該模擬擾頻器產生收信機聲音輸入，由反向的雙工信道接收。再參考圖1，雙工模擬擾頻器107提供發信機滾碼，雙工模擬擾頻器103的收信機滾碼則是受控于該發信機滾碼。
再參考圖6，可以看出本最佳實施例的擾頻站的運行是受微計算機601控制的，它可以是例如Motorola公司生產的MC6805型8位微處理器或同類型機。微計算機601的時鐘由晶體控制振蕩器(603)提供，因此可以得到很高的倒頻穩定性，保證良好的代碼同步。微計算機601和它的內存儲器完成如下功能(a)依次產生隨機基數用于產生發信機滾碼起始數字，(b)產生發信機和收信機的滾碼起始點的二進制數字，(c)保持與遠端接收擾頻器內的滾碼同步，更新并輸出發送及接收滾碼，以及(d)控制擾頻器的切斷和旁路作用。
微計算機601輸出4比特發送滾碼的樣脈沖經由4比特總線送到發信機時鐘頻率發生器605(這4比特樣脈沖是由微計算機601根據3比特頻率限定映象)。該發信機時鐘頻率發生器605把來自母線的4比特碼轉換成發信機倒頻信號，送到發信機模擬擾頻器的混頻器607以對發信機的未加密聲音信號輸入進行倒頻。使用StandardMicrosystem公司生產的COM9046型商用模擬擾頻器或同類電路可以實現發信機模擬擾頻混頻器607。發信機模擬擾頻混頻器607輸出的已倒頻的發信機聲音信號送到受微計算機601控制的發信機切斷開關609。發信機的切斷開關609的輸出加到放大器611，這個已加密信號就可以在非保密雙工信道上傳送了。同樣地，接收滾碼在4比特母線上被送到收信機時鐘頻率發生器613以變換成相應的收信機倒頻信號并送到收信機模擬擾頻器混頻器615的一輸入端。已加密的、已倒頻的收信機聲音輸入信號被加到收信機模擬擾頻器混頻器615的另一輸入端，以便根據收集機倒頻信號進行再倒置并把其輸出加到收信機接收切斷開關617(此開關也受微計算機601控制)上。收信機切斷開關617的輸出由放大器619進行放大，放大器輸出已解密的接收聲音輸出信號供電話手機接收器或喇叭使用。當需要發送和接收不加密的聲音信號時，發信機模擬擾頻器混頻器607和收信機模擬擾頻器混頻器615可以根據微計算機601的指令由旁通開關621和623甩開。
為了使微計算機601能與遠端擾頻站內的微計算機進行通信，微計算機601的數據通過調制一解調器625傳送到遠端模擬擾頻器的微計算機遠端微計算機的數據也通過625送到微計算機601。在最佳實施例中，調制一解調器625是300波特調制解調器(例如NationalSemiconductor74HC943或同類型的調制解調器)。
圖7方框進一步描述了發信機時鐘頻率發生器605或收信機時鐘頻率發生器613。滾碼樣信號通過一個4比特總線輸入到帶有同步預置的4比特二進制計數器701(例如Motorola公司74HC163型或相同類型)的P0、P1和P2三個輸入端。而4比特母線的另1比特被送到第二個4比特二進制計數器703(它也可是Motorola公司74HC163型)的P0輸入端。當用微計算機601的高速時鐘定時時，計數器701和703用作倒頻門，并在讀出由4比特輸入限定的16和32之間的某個數字之后截止與非門709。于是，從4比特二進制計數器703的Q0端輸出一個方波(該方法的占空比由輸入的滾碼確定)，以便用與非門709來控制該高速時鐘，709的輸出作為倒頻信號用于相應的模擬擾頻器混頻器。
圖8至圖13用時序圖解方法來描述系統運行的情況。在擾頻方式起始和擾頻方式清除時的發送基數和接收基數的變換示于圖8、9、10和11。由信道衰落或電路切換引起的失步期間的系統運行示于圖12和13。
如圖8中，當請求擾頻方式時，主發端擾頻站發送一個300波特的消息，它含有隨機地產生的發送基數(801)。在一段預定時間之后(在最佳實施例中是1秒鐘)，發出第二個發送基數(803)。在1秒鐘時間間隔內發送了兩個附加的發送基數(805、807)。如果沒有從應答擾頻站接收到應答信號，就可以終止搜索計時器(用于搜索應答擾頻站)并且不再傳送基數。
然而，如果應答擾頻站對該發送基數801有響應(如圖9所示)，就執行發送基數和接收基數的交接變換(handshakeexchange)，所請求的擾頻方式由應答擾頻站通過接收基數901予以應答。主發端擾頻站通過確認消息903來確認收到了應答擾頻站的信號，確認消息903中包含了重復的接收基數，而且在最佳實施例中，它必須在從接收基數的傳送901結束之后的350毫秒之內出現。在主發端擾頻站傳送確認消息903之后，發送基數的第二次發送發生在正向半邊雙工信道上的905位置，在350毫秒內應當在反向的半邊雙工電路上出現應答擾頻站的確認消息907(包含發送基數的重復)。在該確認消息907之后，從主發端擾頻站和應答擾頻站幾乎同時傳送一個同步信號(分別為909和911)。雖然傳播時間可能使同步(sync)信號的絕對起始點產生位移，但移位的實際時間相對于同步信號的持續時間而言是小的。同步信號的主要用途是用主發站的發信機滾碼發生器來調整應答站的收信機滾碼發生器。由于主發端擾頻站的擾頻跳變受到與同步信號一樣的傳播延遲，因此在應答擾頻站對信號不會產生有害的影響。類似地，應答擾頻站的同步信號把主發端擾頻站內的收信機滾碼發生器同步于應答擾頻站內的發信機滾碼發生器，該同步信號也受到與擾頻信號相同的傳播延遲。然而，有益的是，由于在雙工信道的每個通道內，同步信號相互校準，以使主發端擾頻站和應答擾頻站內的回聲在已解密聲音接口處基本上被抑制掉。在最佳實施例中，如圖9中的同步脈沖913和915所示那樣，主發端擾頻站和應答擾頻站的每個同步信號每6秒鐘重復一次。在這6秒鐘間隔內，在半個(或整個)雙工信道上可傳送已倒頻的保密聲音信號。在每個同步信號期間，聲音被短時切斷，因此同步信號可以無干擾地傳送。
在第4個發送基數(807)傳送之后，如果應答擾頻站對主發端擾頻站所傳送的發送基數有響應，則即使查詢計時器已終止，信號交換可也完成，而不必再從主發端擾頻站發送發送基數。有時，呼叫完成的延遲時間可能大于3秒鐘的主發端擾頻站傳送發送基數的時間。在最佳實施例中，擾頻站可被置于擾頻方式，并在被呼叫時，就以作為應答擾頻站的交接序列的4個接收基數序列表示響應。于是如圖10所示，應答擾頻站在反向半邊雙工信道上用接收基數1001來起動擾頻方式。主發端擾頻站在正向的雙工信道上用的確認消息(用重復接收基數)1003進行應答，然后傳送發送基數1005。如果應答擾頻器在發送基數1005末端的350毫秒內用確認消息1007應答，則繼之以基本上同時的同步信號1009和1011之后進入擾頻方式工作。然后進入標準擾頻工作方式，在此方式下每6秒鐘發送同步信號。
為了在非保密雙工信道上返回到語言傳送不加密(即清除)方式，主發端擾頻站就要發送一個明碼(清除)消息1101(如圖11)。在明碼(清除)消息1101結束時，應答擾頻器進入明碼工作(清除)方式于是不再提供聲音頻率倒置。應答擾頻器站也可以同樣啟動明碼(清除)消息以使該系統回到不加密(清除)語言工作狀態。
如果同步暫時被丟失(例如在信道衰落或切換期間)，則本發明的擾頻器將自動恢復數字方式工作。主發端擾頻站每6秒鐘發送其同步信號，如圖12中的1201，1023，和1025所示，然而，應答擾頻器只接收圖12第二行的同步信號1201′作為同步信號、丟失同步信號1203′和1205′。由于應答擾頻站和主發端擾頻站的擾頻工作是受穩定振蕩器所控制，因此在丟失至少二個同步信號期間，每個擾頻站都能自由運行而不會覺察到同步性能的下降。當同步信號被丟失時，每個擾頻器將允許它的滾碼發生器以100毫秒的速率進行連續更新。在第二個同步信息(1205′)丟失之后，應答擾頻器就會在它的反向半邊雙工信道的正常傳送期內插入一個同步請求消息1207。主發端擾頻站收到該同步請求1207后就以同步信號1209進行應答，這就是應答擾頻器所收到的1209′。因此，在正向的半邊雙工信道上就重建了同步，但是此時它與由反向的半邊雙工信道的應答擾頻器所傳送的同步信號是不重合的。如果該同步信號沒有被主發端擾頻站收到，則將進行與此相同的過程。
如圖13所示，如果應答擾頻器沒有收到主發端擾頻站的同步信號應答1209，則應答擾頻器在反向的半邊雙工信道上發送一個同步丟失消息1301，以通知主發端擾頻站“同步丟失，再同步的自動嘗試不成功”。主發端擾頻站和應答擾頻站就假定工作于明碼(清除)消息傳送狀態，同時應答擾頻站傳送一個新的接收基數1303來自動嘗試一種新的擾頻交接過程。主發端擾頻站傳送一個新的發送基數(1305)，信號交接過程就此開始。
圖14說明本發明所用的一種典型消息格式。在消息同步格式之后安排了一系列比特來確定將要傳送的具體消息類型。這些消息類型中包括同步信號、確認消息、發送/接收基數、同步請求消息、同步丟失消息以及明碼工作(清除)消息。附加數據(例如基數)可以占用任選數據域。
采用本發明的模擬擾頻器單元中的微計算機實現其系統運行的過程示于圖15A至圖15E的流程圖。根據對擾頻工作方式的請求，首先要從微計算機601內隨機基數發生器的輸出中捕獲一個數字(在1501)并起動搜索定時器(在1503)。把這個隨機基數作為發送基數傳送出去(在1505)，然后起動確認消息的計時器，等待接收應答擾頻器站發來的確認消息(在1507塊)，直至根據包含判決塊1509在內的循環作出決定來終止計時器。如果該確認計時器終止了而沒有收到確認消息，則清消發送基數標志(在1511)，判決塊1513判定搜索計時器是否到時。如果搜索計時器沒有到時，則在整個3秒鐘內的每秒時間(由判決塊1515確定)重新進行傳送發送基數過程(即從1505塊開始)。
如果搜索計時器到時(在1513)而沒有收到確認消息，則該過程清除所有擾頻原始標志，并終止交換過程(在圖15B的1517)。然而，如果應答擾頻站對發送基數消息的響應延遲時間超出搜索計時器的有效期之后又發出接收基數，并被主發端擾頻站收到(在1519)，則該過程就回到信號交換過程的開始搜索計時器的1503塊。
像圖15A的1521塊所確定的那樣，如果收到了應答擾頻站的確認消息，就等待接收應答站的接收基數(圖15C的1523塊)。如果在收到接收基數之前搜索計時器的有效期已被終止(在1525塊決定)，則信號交換過程終止并進入1517塊清除所有標志。如果及時收到了接收基數，則根據前述的算式在1527塊中計算出滾碼數字起始點，在1529塊起動內同步時鐘并在1531塊確定該過程是采用主發端擾頻站格式還是應答站格式。假定它是主發擾頻站，則在1533塊起動發信機滾碼發生器。在1535塊發送第一個同步信號，并在1537將發信機的聲音信號切換到擾頻方式。當收到第一個收信機同步信號時(如在1539塊所決定)，該主發端擾頻站的收信機滾碼在1541塊被調準到收信機同步信號，并在進入穩態同步過程之前起動收信機滾碼發生器(在1543塊)。如果在收到第一個接收同步信號之前該內同步定時終止(如1545塊所決定)，就發送一個同步丟失消息(如圖15E的單元1546所示)。如果原有方式確定(圖15C的1531塊)表明這個站是應答擾頻站，則要確定在內同步定時器終止之前該第一個同步消號是否已被接收到了(在圖15D的單元1547和1549)。如果在第一同步信號被接收之前該內同步速時器已被終止，則要發出同步丟失信息(如圖15E方框1546所示)。如果第一個同步信號被及時接收到，則應答擾頻站處理流程應把該應答收信機滾碼調整到第一同步信號(在1551)。該應答擾頻站發信機滾碼發生器在1553被起動并且在發送第一個應答擾頻站同步信號(在1557)之前，該應答擾頻站收信機滾碼發生器被起動(在1555)。然后后，可以進入擾頻聲音和同步的穩態傳送。
主發擾頻站或應答擾頻站的滾碼穩態同步過程示于圖15D的流程中。首先通過一個指示用戶表明擾頻呼叫在處理(在1558塊)，系統進入同步態。在蜂窩式移動無線電話系統中，控制單元的手機309一般利用一個顯示器來指示這一點(未示出)，當處在擾頻方式時，該顯示器能顯示字SCRAM。而當不進行擾頻時，則顯示CLEAR。如果手機沒有顯示器，則可用一個發光二極管來顯示擾頻方式。當收信機滾碼定時器終止(在本最佳實施例中置為100毫秒)如在1559塊中決定時，該收信機滾碼值在1561增值。同樣，當發信機滾碼定時器終止(如在1563塊中決定)，則下一個發信機滾碼值在1565塊被建立。當發信機同步時鐘終止時，就發送一個同步信號，它標志發信機滾碼發生器轉換的前沿(由1567和1569塊所示)。當收到收信機同步信號時，該接收滾碼發生器被調準到收信機同步信號(在1571和1573)并在1575重置收信機同步丟失定時器。在1577確定收信機同步丟失定時器是否終止，如果該定時器沒有終止則穩定狀態的同步過程重新開始(在1559中)。
如果確認同步信號已丟失，則再同步時鐘被起動(在圖15F的1579塊中)。發送一個同步請求消息(在1581塊中)并且在再同步時鐘超時(如由1583和1585塊所決定)之前等待一個應答的收信機同步信號。如果及時接收到該收信機同步信號，則收信機滾碼發生器被再調準到收信機同步信號(1587塊)，而在該過程回到穩定狀態同步(1559塊開始)之前收信機同步丟失時鐘被復位(在1589)。如果在收信機同步信號被接收到之前再同步時鐘終止，則發送一個同步丟失消息(1546塊)，所有標志被清除(1591塊)以及發送和接收聲音通道被置為不加密(清除)方式(1593塊)。然后，重新建立保密通信的步驟即將開始(在1501塊)。
當用戶請求該擾頻站回到不加密(清除)聲音方式時(如圖16所示)，則該過程在1601塊檢測出用戶請求。在半邊雙工信道上發送一個不加密(清除)聲音消息(1603塊)，在1065塊清除所有標志，并在1607塊將發送和接收聲音通道置為不加密(清除)聲音方式。在用戶請求擾頻聲音(1609塊)或(1611塊)收到基數消息之前，過程將處于等待方式。上述兩種情況(即用戶請求擾頻及收到基數消息)都會使過程進入圖15A1501塊的隨機基數捕獲過程。
總之，本文示出并描述了一個模擬的倒頻跳變的擾頻器。該擾頻器采用在主發端擾頻站(它產生一種隨機數字發送基數)和應答擾頻器站(它產生一種隨機數字接收基數)之間進行基數變換來起動其擾頻過程。該主發端擾頻器利用其發送基數和從應答擾頻站收到的接收基數來計算滾碼發生器的起始點值，然后用滾碼發生器產生跳頻模式并按此模式對待傳送的消息倒頻。請主發端擾頻器也利用該發送基數和接收基數來計算第二個滾碼發生器起始點值，該滾碼發生器產生跳頻模式，并按此模式對接收到的已倒頻消息再倒頻。同樣地，應答擾頻器產生相同代碼以便進行通信。在關斷發送和接收擾頻聲音的靜噪期間，每6秒鐘就發送同步信號，這樣可保持兩滾碼間的同步。為了避免回聲，同步信號是同時發送的。因此，雖然這里給出的僅是本發明的一個特例，但應當理解，本發明是不受特例的限制的，因為本領域技術人員可以作出許多不影響本發明的精神實質和應用范圍的修改。因此，可以設想到根據本發明權利要求所作的任一種和所有的這類修改都是包括在本發明的范圍內。
權利要求
1.一種模擬聲音頻段擾頻器，可在通信信道上提供保密通信，它把一個未加密發送的第一消息依次頻率倒置為該信道上的已加密的第一消息，然后把它發送到第二模擬聲音頻段擾頻器，后者對從第二個擾頻器收到的已加密第二消息進行依次再倒頻。該擾頻器的特征在于用以把第一基數變換成第二擾頻器的第二基數的裝置；用以根據上述被變換的第一基數和第二基數產生第一代碼(至少其部分代碼起動未加密的第一消息的依次頻率倒置)和第二代碼(至少其部分代碼起動已加密第二消息的依次頻率再倒置)的裝置；用以在該信道上發送第一代碼同步信號和接收該信號的第二代碼同步信號，其中在第二擾頻器對已加密的再倒置的頻率可被同步到上述第一代碼同步信號，所述的第二代碼可被同步到所述第二代碼同步信號的裝置。
2.根據權利要求1所述的模擬聲音頻段擾頻器，其中，所述的用以變換的裝置的特征在于用以產生所述的第一基數的裝置;用以在該信道上發送第一消息群中的所述第一基數的裝置;和用以接收來自該信道的所述的第二基數的裝置。
3.根據權利要求2所述的模擬聲音頻段擾頻器，其中，所述產生裝置的特征還在于用以將所述的第一基數、所述的第二基數、至少一個加數和至少一個預定的乘法因子進行算術組合，以產生所述的第一代碼的裝置;用以將所述第一基數、所述第二基數、至少一個加數和至少一個預定的乘法因子進行算術組合以產生所述的第二代碼的裝置;用以讀出所述第一代碼的預定數字并在滾碼數字被產生的時間間隔時移位上述代碼的裝置;和用以讀出上述第二代碼的被預定的數字，并在滾碼數字被產生的時間間隔時移位上述代碼，為依次頻率倒置安排順序的裝置。
4.根據權利要求2所述的模擬聲音頻段擾頻器，其中，所述的用以發送第一代碼同步信號的裝置的特征在于一種用以確認所述第二基數的裝置和用以在發送所述的第一代碼同步信號之前發送第二消息群的所述第一基數的裝置。
5.根據權利要求1所述的模擬聲音頻段擾頻器，其特征還在于一種用以協調所述第一代碼同步信號和所述第二代碼同步信號的裝置，因此所述的第一代碼同步信號與所述的第二代碼同步信號基本上同時出現。
6.在窄帶信道上提供保密通信的一種方法是對未加密的第一消息進行順序倒頻，成為在信道上傳輸的已加密的第一消息送到第二模擬聲音頻段擾頻器并對該信道上由第二擾頻器接收的已加密第二消息進行順序再倒頻，本方法的特征在于把第一基數變換成第二擾頻器的第二基數;根據所述的被變換的第一基數和第二基數，產生第一代碼，(至少其部分代碼起動未加密的第一消息的順序頻率倒置)和第二代碼，(至少其部分代碼起動已加密第二消息的依次頻率再倒置);和在該信道上發送第一代碼同步信號并從該信道接收第二代碼同步信號，由此在第二擾頻器對已加密的第一消息的頻率再倒置可被同步到所述的第一代碼同步信號，而所述第二代碼可被同步到所述的第二代碼同步信號。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述的變換步驟的特征在于以下步驟產生所述第一基數;在該信道上發送第一消息群中的所述第一基數;和接收來自該信道上的所述第二基數。
8.根據權利要求7所述的方法，其中產生步驟的特征在于以下步驟將所述的第一基數、所述的第二基數、至少一個加數和至少一個預定的乘法因子進行算術組合以產生所述的第一代碼;將所述的第一基數、所述第二基數、至少一個加數和至少一個預定的乘法因子進行算術組合以產生上述第二代碼;讀出所述的第一代碼的預定數字，并在產生滾碼數字的時間間隔移位所述的代碼;和讀出所述的第二代碼的預定數字，并在產生滾碼數字時間間隔移位所述代碼以進一步確定順序倒頻的序列。
9.根據權利要求6所述的方法，其特征在于所述的第一代碼同步信號與所述的第二代碼同步信號協調的步驟，由此所述的第一代碼同步信號和所述的第二代碼同步信號基本上同時出現。
10.在頻帶有限的雙工信道上提供保密通信的一種模擬聲頻頻段擾頻系統，是在第一半個雙工信道上發送已加密的第一消息之前在主發站用一個倒頻信號序列對未加密的第一消息順序倒頻，而在應答站則以同樣的倒頻序列對已加密的消息進行同步再倒頻，以在應答站恢復未加密的第一消息。同樣地，在第二半個雙工信道上對于由應答站發向主發站的未加密的第二消息進行類似的倒頻、發送和再倒頻，該系統的特征在于(a)初始化裝置的特征為主發站的產生裝置用以產生第一基數;主發站的發送裝置，用以在第一半個雙工信道上發送第一消息波群中的所述的第一基數;應答站的產生裝置，用以產生第二基數;應答站的接收裝置，用以接收來自所述的第一半個雙工信道的所述第一基數和用以在第二半個雙工信道上發送所述第二基數，以應答對所述的第一基數的所述的接收;主發站的接收裝置，用以接收所述第二基數和產生第一滾碼數字與第二滾碼數字，其中所述第一和第二個滾碼數字各自都包含對所述第一基數、所述第二基數、至少一個預定的加數和至少一個預定的乘法因子的算術組合;應答站的產生裝置，用以產生所述的第一和第二滾碼數字;(b)同步裝置的特征為主發站的確認裝置，用以確認接收所述第二基數;主發站的發送裝置，用以發送第二消息中的第一基數和用以在第一半個雙工信道上每周期間隔時依次發送第一同步信號;應答站的接收裝置，用以接收第一半個雙工信道上的所述被發送的第一基數的第二群和用以發送第一基數接收確認消息，以及用以在第二半個雙工信道上在每周期間隔時依次發送第二同步信號;主發站的同步裝置，用以把所述的第二滾碼數字同步到所述的第二同步信號;應答站的同步裝置，用以把所述的第一滾碼數字同步到所述的第一同步信號;(c)編碼裝置的特征為主發站的取樣裝置，用以依次對所述的第一滾碼數字取樣和利用所述的主發站的第一滾碼數字樣值來產生主發站的倒頻信號序列;應答站的取樣裝置，用以依次對所述的第一滾碼數字取樣和利用所述的應答站的第一滾碼數字的樣值來產生再倒頻信號序列;應答站的取樣裝置，用以依次對所述第二滾碼數字取樣和利用所述的應答站的第二滾碼數字樣值來產生應答站的倒頻信號序列;主發站的取樣裝置，用以依次對所述第二滾碼數字取樣和利用所述的主發站的第二滾碼數字樣值來產生再倒頻樣值序列。
全文摘要
本發明描述了一種模擬倒頻擾頻器，它采取在主發端擾頻器103和應答擾頻器107之間交換隨機基數來產生二種偽隨機跳頻滾碼。在雙工信道的一個方向上的滾碼不同于其相反方向上的滾碼，而每一滾碼由周期性同步信號進行同步。
文檔編號H04K1/04GK1030658SQ8810364
公開日1989年1月25日 申請日期1988年6月15日 優先權日1987年6月19日
發明者帕特里克·約瑟夫·馬里亞, 格雷戈里·帕特里克·威爾遜, 邁克爾·韋斯利·霍頓, 尼爾·尼古拉斯·韋萊斯坦 申請人:莫托羅拉公司