"SPEECH S C R A M B L E R S " PARA SSB
TONG YUAN
T E S E SUBMETIDA AO C O R P O D O C E N T E DA C O O R D E N A Ç Ã O DOS C U R S O S DE PdS-GRADUAÇÀO DE E N G E N H A R I A DA ESCOLA P O L I T É C N I C A DA U N I V E R S I D A D E F E D E R A L DA PARAÍBA COMO P A R T E DOS R E Q U I S I T O S N E C E S S Á R I O S PARA A OBTENÇÃO DO G R A U DE M E S T R E EM C I Ê N C I A S ( M . S c , ) . A p r o v a d o por? H E K M A N Ú S ' H E N R I C U S TOMESEN PETER ROBERT M E T Z O r i e n t a d o r
-^
FRANCISCO D E A S S I S FERREIRA TEJOCAMPINA G R A N D E
ESTADO DA PARAÍBA - B R A S I L M A R Ç O - 1S73
O a u t o r deseja expressar s i n c e r o s agradecimentos;
— ao P r o f e s s o r P e t e r Robert Metz, p e l a orientação des t e t r a b a l h o ;
— ao P r o f e s s o r Hermanus H e n r i c u s Tomesen, p e l a aprova ção e c r í t i c a s deste t e x t o ;
— ao P r o f e s s o r F r a n c i s c o de A s s i s F e r r e i r a Te^o, p e l a aprovação e revisão f i n a l deste t e x t o ;
— ao P r o f e s s o r Wilson G u e r r e i r o P i n h e i r o , p e l o auxjí l i o de t r a n s c r e v e r o m a n u s c r i t o deste t e x t o ;
— ao f u t u r o Engenheiro Químico Marcos A n t o n i o F i r m i no B a t i s t a , pelo a u x í l i o de t e r d a t i l o g r a f a d o e s t e t r a b a l h o em horário i n c o n v e n i e n t e .
Pag.
ffiffi^ffi^Ç * • * * * • * * * * * * • * • » • * • * • # • • » • * • • » « » * # » • « « * * * « • » • » » * # • • • 2 X Â,
LISTA DE FIGURAS . . . v
LISTA DE TABELAS v i i i
CAPÍTULO'1 - INTRODUÇÃO 1 CAPÍTULO 2 - NATUREZA DA VOZ HUMANA 3
2.1 G e n e r a l ! da des , . 3
2. 2 Classificação da...Voz Humana 3 2, 3 I n t e 1 i g i b i 1 i da de Versus ..Limitação de E s p e c t r o . . . 4
CAPÍTULO 3 - TIPOS DE "SPEBCH SCRAMBLER" NO DOMÍNIO _ DE
FREQUÊNCIA 9 3 . 1 Inversão_,de. Espectro 9
3 » 2 D i v i são de E s p e c t r o 1 2 3 . 2 . 1 Divisão em Duas P a r t e s 12 3 . 2 . 2 Divisão em Maior Número de Sub-Faixas 13
3 . 2 . 3 Avaliação doe Códigos . . . 14
3 . 2 . 3 . 1 Teste de Códigos . . . i . . . 14 3 . 2 . 3 . 2 Escolha de, Códigos Úteis .* 17
3 . 2 . 3 . 3 Aplicação.da Divisão em Três P a r t e 3 19
3. 3 Am o s t ragem de„ Espec t r o 20 3« 3»1 C a r a c t e r i s t i c a s do Fí11ro Passa-Faixa 20
Pag.
3 . 3 . 1 . 1 P i l t r o Passivo,
em
Cascata . 2 03 . 3 . 1 . 2 P i l t r o a C r i s t a l 22 3 . 3 . 2 Amostragem de Espectro em Seis P a r t e s 23
3 . 3 . 3 "Speech S c r a m b l e r " Usando Amostragem de
Espec-t r o 2 3
CAPÍTULO 4 - "SPEECH SCRAMBLIHG» DIGITAL RO DOMÍNIO DO
TEMPO 3 0 4 . 1 Generalidades « 3 0 4 . 2 Conversão Análogo-Digital 3 3 4 » 3 "Speech S c r a m b l e r " D i g i t a l Usando OU E x c l u s i v o . . 3 3 4 . 4 Diagramas de B l o c o s 3 4 CAPÍTULO 5 - CONCLUSÕES 4 1
APÊNDICE A - AVALIAÇÃO DOS CÓDIGOS DE UM "SPEECH
SCRAMB-LER" POR DIVISÃO DE ESPECTRO 4 2
APÊNDICE B - PROJBTO DE FILTRO PASSA-FAIXA 4 8 B . 1 F i l t r o Passa-Faixa de B u t t e r w o r t h 4 8 B . 2 F i l t r o Passa-Faixa de Chebishev 5 5
APÊNDICE C - "SPEECH SCRAMBLER" DIGITAL 5 9
C l OU E x c l u s i v o 5 9 C. 2 Mudança de Ordem Sequenciai Binária . . . 6 6
R E S U M O
Neste t r a b a l h o sao estudados q u a t r o t i p o s de "speech scrambler"s por inversão de e s p e c t r o , por divisão de espeç; t r o , por amostragas de frequência e d i g i t a l .
Para cada caso são a n a l i s a d a s suas vantagens e desvan tagens.
AP Amp. O per. B Chave T - B dB FLI FLS FPA FPB FPF Hz M.3. ias O. L. Osc. SSB U S Áudio Frequência A m p l i f i c a d o r O p e r a c i o n a l Largura de F a i x a Chave Transmite-Recebe D e c i b e l Faixa L a t e r a l I n f e r i o r Faixa L a t e r a l S u p e r i o r F i l t r o P a s s a - A l t a F i l t r o Passa-Baixa F i l t r o Passa-Faixa H e r t z Modulador Balanceado Nano segundo O s c i l a d o r L o c a l O s c i l a dor S i n g l e Side Band Microsegundo
F i g u r a 2 . 1 D i atribuição de Energia tia Fala, Normal 5 F i g u r a 2.2 I n t e l ^ i b i l i versua S r
-r p ôe .F-requência 7 F i g u r a 3 . 1 Diagrama de Bloco a ae uma "Speech Scrambler"
CQm„.Eapeçtro I n v e r t i d o , 9 Figura 3» 2 Conversão E s p e c t r a l de am Espectro ae "Speech
Serambl e r " I n v e r t i do 11 F i g u r a 3.3 Po ssíve i s Comblnaç õe s da s Pua a Sub-Faixas do
''Speech Scrambler" 12 F i g u r a 3.4 Dois Códigos R e l a t i v o s 15
F i g u r a 3.5 Códigos R e l a t i v o s 17 F i g u r a 3.6 C a r a c t e r í s t i c a s do F i l t r o Passa-Faixa 20
F i g u r a 3.7 F i l t r o , a C r i s t a l 22 F i g u r a 3.8 Amostragem do Espectro de Voz 23
F i g u r a 3.9 Diagrama de B l o c o s de um "Speech Scrambler" . . 25 F i g u r a 3.10 Conjuntos de O s c i l a d o r e s para o "Speech
Scrambler" da F i g u r a ( 3 . 9 ) 26 F i g u r a 3*11 Espectro de Voz com Onze Locações na Faixa . . . 26
F i g u r a 3.12 Diagrama de B i o c o s de ."Speech Scrambler'1 de
Seis Sub-Faixas com Localização Variável das SuJbjjT^alxas » • * « • • • . « « » » . . « » « . * • • • * • • • • • • • • • • . « ?ô F i g u r a 3.13 Conjunt os de O s c i l a dores do "Speech Scrambler"
da F i g u r a ( 3 . 1 2 ) 29 Figura 4 . 1 Conversor Digital-Análogo 31
F i g u r a 4.3 "Speech Scrasablerw D i g i t a l Usando OU E x c l u s i v o 34
F i g u r a 4.4 C o n y eT^ Saída e
En-t r a d a de um "Speech Scrambler'' D i g i En-t a l de
7 - b i t s Binários.(Código usado; 1010101) 35 F i g u r a 4.5 Diagrama de Blocos, de. um "Speech S c r a m b l e r " D i
-g i t a l Usando OU E x c l u s i v o ( T r a n s m i s s o r ) . . . 37 F i g u r a 4.6 Formas, de; Ondas aos Vários. Pontos de I n t e r e s s e
do "Speech Scrambler" D i g i t a l da F i g u r a . ( 4 . 5 ) . 38 F i g u r a 4*7 Diagrama de Biocos de um "Speech Descrambler"
D i g i t a l Usando OU E x c l u s i v o (Receptor) 39 F i g u r a 4.8 Formas, de Ondas aos vários Pontos de I n t e r e s s e
do, ."Speeoh Descrambler" D i g i t a l aa F i g u r a
( 4 . 7 ) 40 F i g u r a B . 1 P i l t r o Paasa-Baixa de B u t t e r w o r t h 53
F i g u r a B. 2 Transformação de Componentes. Passa-Baixa para
Passa-Faixa do F i l t r o B u t t e r w o r t h 53 F i g u r a B. 3 F i l t r o ^ Passa-Faixa de B u t t e r f f ^ r t h 54 F i g u r a B . 4 Relação e n t r e o s , V a l o r e s Normalizados de k e q
e. I Ç R para o P r o j e t o do F i l t r o 56 F i g u r a B.5 F i 1 t r p ^ Passa-Paixa de Chebishev (com 5 pólos) 57
F i g u r a C.1 "Speech S c r a m b l e r " D i g i t a l Usando OU E x c l u s i v o ( R e v e r s í v e l ) 53 F i g u r a C.2 Conversão e n t r e 0 3 S i n a i s de um "Speech Scrambler" D i g i t a l , ligando OU E x c l u s i v o ( p a r a os Códigos. 1010101 e 1010110) 60 F i g u r a C.3 " S c r a m b l i n g " e ''De s c r a m b l i n g " D i g i t a l Usando Mudança de Ordem D i g i t a i * 66 F i g u r a C.4 "Speech S c r a m b l i n g " . D i g i t a l Usando Mudança de
Ordem D i g i t a l ( R e v e r s í v e l ) 68
de Ordem D i g i t a l Usando; B3B0B1B2B4B6B3 ) . . . . 69
F i g u r a C.6 Conversão e n t r e os S i n a i 3 Análogo de Entrada e Saída de um "Speech S c r a m b l e r " D i g i t a l ( ? -b i t s ) p o r Mudança de Ordem D i g i t a l (Mudança
de Ordem D i g i t a l ; B1B0B2B6B3B4B5 ) 70
Figura C.7 Conversão e n t r e os S i n a i s Análogo de Entrada e Saída de um "Speech S c r a m b l e r " D i g i t a l ( 7 -b i t s ) por Mudança de. Ordem D i g i t a l (Mudança
LISTA DE TABELAS
Tabela 2 . 1 Espectro Acústico de Voz Humana 6 Tabela A . 1 Divisões de Espectro em 3 S u b - f a i x a s 42
Tabela A.2 Classificação das Combinações de Acordo com
o Grau de I n t e l i g i b i l i d a d e 44 Tabela A . 3 . Códigos a Serem Testados 46 Tabela C l Conversões e n t r e S i n a i s de Entrada e Saída
de um ? - b i t s "Speech S c r a m b l e r " D i g i t a l
Usan-do C i r c u i t o OU E x c l u s i v o » 61 Tabela C.2 Conversões e n t r e S i n a i s de Entrada e Saíoa
de um 7 - b i t s "Speech S c r a m b l e r " pela Mudança
-Oes>de a. invenção do rádio e do t e l e f o n e , as comunica ções são f e i t a s através do espaço l i v r e ou de l i n h a s de t r a n s missão. Estes canais sao b a s t a n t e vulneráveis para rádioramado
r e s ou " t e l e p h o n a t a p p e r a " que desejem i n t e r c e p t a r alguma i n formação através io<> mesmos.
Em alguns casos ê e s s e n c i a l que as comunicações sejam p r i v a d a s , i s t o é, a s coavereaçôes v i a rádio devem s e r completa mente i n i n t e l e g í v e i s para c e r t a s pessoas. Para d e s t r u i r a i n
t e l e g l b i l i d a d e , nada parece mais s i m p l e s do que i n t r o d u z i r d i s t o r s o e s s u f i c i e n t e s , ds t a l modo a a l t e r a r as c a r a c t e r í s t i c a s
oa mensagem.
É possível t o r n a r uma d&da conversação i n t e l i g í v e l , a penas, para ura àetarminado r e c e p t o r , E n t r e t a n t o , o assunto é
per demais complexo e foge ao escopo deste t r a b a l h o .
Por o u t r o l a d o , as comunicações v i a r á d i o , aspeciaImen t e era e i s t emas 3 S B , já sofrem inúmeras limitações devidas, a ruídos» " f a d i n gí% l a r g u r a de f a i x a bem como distorções e i n t e r
f e r ê n c l a s . Estas l i m i t a ç õ e s nao poderão s e r diminuídas pelo acréscimo de c i r c u i t o s de Ms c r a m b l i n g ' ' . Do mesmo modo, a s ca
r a c t e r í s t i c a s p e c u l i a r e s da vos e do ouvido humanos acrescen tam mais uma d i f i c u l d a d e para a-resolução do problema.
De acordo com o exposto acima, o acréscimo de um c i r c u l t o de "speech s c r a m b l e r " em um determinado t i p o de rádio,
deve s a t i s f a z e r àe s e g u i n t e s e x i g ê n c i a s :
1 . 0 c i r c u i t o acrescentado não deve r e d u z i r a qualidade do sistema or1g1na.li cm outras palavras, o s i n a l de
antes da dateção.
0 s i m I de voz uciaiabied'8 deve ser completamente i n l n
t e l e g í v e l para t o d o s , exceto para o sistema receptor a que deverá se d e s t i n a r a comunicação p r i v a d a .
ITAIUPJSZi. DA Wi HUMANA
2* 1 - Sjgt|g,ira^l:> ca ie s
Para se c o n s t r u i r um "speech s c r a m b l e r " aos domínios da frequência ou do tempo, é necessário, em prjaneiro l u g a r , f a zer uma análise aprofundada da n a t u r e z a e c a r a c t e r í s t i c a s da voz humana•
2 . 2 - C la s si fic açã o da *qa Humana
Sabemos que a voz humana é p r o d u z i d a através de c a v i da des ressonantes formadas pela g a r g a n t a , boca e n a r i z . Apre s e n t a - s e , de um ponto de v i s t a g e r a l , sob a forma de uma com p l e x a f erma de cada modulada. A p o r t a d o r a de voz pode se apre s e n t a r sob d o i s a s p e c t o s , a saber; o som das cordas v o c a i s e o s u s s u r r o . Ao c o n t r á r i o das endas de r á d i o , que possuem uma uni ca p o r t a d o r as a p o r t a d o r a de voz c o n s i s t e de um tom fandamen
t a l mais uma ampla f a i x a de t o n s harmónicos; a p o r t a d o r a de s u s s u r r o pode ser considerada como ruído.
Harvey F l e t c h e rx determinou a existência de 39 sons bá
s i c o a que podem s e r d i s t i n g u i d o s de i m e d i a t o por uma pessoa com conhecimento médio da língua i n g l e s a . T a i s sons estão d i v i didos em 6 g r u p o s : - Vogais - Ditoogos - T r a n s i c i o n a i e - Semi-vogais - Consoantes f r i c a t i v a s - Consoantea b i l a b i a í s
Os d o i s últíoios t i p o s de consoantes podem ser s u b - d i v i didos em d o i s g r u p o s ; consoantes sonoras ( p o r exemplo, "B") e
consoantes surdas ( p o r exemplo, " P " ) .
Os sons das v o g a i s sao produzidos quando as cordas vo c a i s , em vibração, passam l i v r e m e n t e através do a p a r e l h o fona dor ( p o r exemplo, a v o g a l w0 " ) . Por o u t r o l a d o , as consoantes
surdas b i l a b i a i s são p r o d u z i d a s por um t r e m de ondas de c u r t a duração, repentinamente l i b e r a d o p e l a a b e r t u r a dos l á b i o s ( p o r exemplo, a consoante " P " ) .
M u i t o embora não h a j a uma distinção acentuada e n t r e q u a i s q u e r d o i s grupos a d j a c e n t e s , é bem d e f i n i d a a sua v a r i a ção g r a d u a l na c a r a c t e r í s t i c a sonora.
2.3 - I n t e l i g i b i l i d a d e Versus Limitação de Espectro
Áo p r o d u z i r e m os d i f e r e n t e s sons, as formas de onda m£ duladas da voz humana podem ser c a r a c t e r i z a d a s em t r ê s t i p o s , q u a i s sejam: dois de frequência modulada e um de a m p l i t u d e mo
dulada.
Além d i s s o , a p o r t a d o r a aparece e desaparece quando uma pessoa começa ou t e r m i n a , r e s p e c t i v a m e n t e , de f a l a r .
A modulação de a m p l i t u d e é responsável por uma v a r i a ção na e n v o l t ó r i a da pressão sonora, de acordo com as sílabas e p a l a v r a s p r o n u n c i a d a s . A remoção da e n v o l t ó r i a dará maior ên f a s e aos sons de b a i x o n í v e l , t o r n a n d o - o s predominantes. Em p a r t i c u l a r , os s u s s u r r o s tornar-se-èo a u d í v e i s , porém, sem al-teração da i n t e l i g i b i l i d a d e o r i g i n a l .
0 p r i m e i r o t i p o de modulação de frequência é responsa v e l p e l a s i n f l e x õ e s na voz como, por exemplo, nas ênfases, no conteúdo emocional, nas interrogações, e t c . . M u i t a s t r a n s m i s soes c o n t i n u a r i a m i n t e l i g í v e i s sem a presença dessas i n f l e xões, m u i t o embora os sons parecessem monótonos e mecânicos.
0 segundo t i p o de modulação de frequência é o mais im p o r t a n t e porque determina a e s t r u t u r a dos sons básicos. As ca
vidades ressonantes formadas pela g a r g a n t a , boca e n a r i z , pro duzem d i s t i n t o s p i c o s na r e s p o s t a de frequência, m o d i f i c a n d o , assim, os conteúdos harmónicos da p o r t a d o r a de voz. Estas mç>
dificações no conteúdo harmónico dará l u g a r a uma d i f e r e n t e e_? t r u t u r a de som percebida pelo ouvido humano (lembramos que o ouvido humano percebe cada frequência, separadamente).
De acordo com a f i g u r a 2 . 1 a b a i x o , a curva de d i s t r i buiçao de e n e r g i a da f a l a normal começa a c a i r de cerca de
ou 9 d B / o i t a v a , acima de 600 ou 800 Hz.
I s t o nos p o s s i b i l i t a l i m i t a r o e s p e c t r o de voz a unia l a r g u r a de f a i x a e n t r e 200 a 3000Hz, sem, e n t r e t a n t o , se n o t a r
distorção marcante. Na p r á t i c a , esta redução da l a r g u r a de fai^ xa da voz humana i m p l i c a , na ausência de r u í d o , em uma redução de, apenas, lfi na i n t e l i g i b i l i d a d e da p a l a v r a média. Uma redu-ção aa l a r g u r a de f a i x a de voz e n t r e 200 e 2000 Hz i m p l i c a , p o r
sua vez, na ausência de ruído, em uma redução de, apenas, 5$ na i n t e l i g i b i l i d a d e da p a l a v r a média.
n
o > 10 •H a t 0 H a> -10 -10 - 2 0 > - 3 0 55 ,. — — * * * « x 200 500 1000 2000 4000 Frequência, Hz F i g u r a 2 . 1 - Distribuição de E n e r g i a da F a l a NormalA amostragem de frequência em vários pontos do espec_ t r o também r e s t r i n g e a largura de f a i x a de voz. J . Das usou um amostrador consistindo de 6 f i l t r o s , cada um dos quais com l a r g u r a de f a i x a nominal de 200 Hz e com um espaçamento de 600 Hz, tendo conseguido uma i n t e l i g i b i l i d a d e de 85$, na ausên c i a de ruído.
Á i n t e l i g i b i l i d a d e de uma f a s e é, sem dúvida, maior que a i n t e l i g i b i l i d a d e de uma p a l a v r a . Embora o ouvido humano possa perceber sons com frequência da ordem de 16.000 Hz, os sons fundamentais da voz não excedem, normalmente, 1.200 Hz, como i l u s t r a as t a b e l a 2 . 1 . Baixo 87 — 330 Hz Barítono 100 — 350 Hz Tenor 130 — 500 Hz Contralto 130 — 700 Hz Soprano 250 — 1200 Hz
Tabela 2.1 - Espectro Acústico da Voz Humana
I s t o sugere que a eficiência do "speech-scrambler" na parte s u p e r i o r do espectro é menor do que aquela na parte i n f e r i o r . Como a portadora de uma consoante se assemelha a um ruído branco, o som consonantal do "scrambling" nos parece inú t i l , i s t o porque, qualquer que s e j a a variação do espectro, as consoantes ainda se apresentam como se fossem ruído de f a i x a - l a r g a .
Embora o ouvido humano s e j a sensível a distorções har mônicas, i s t o não i m p l i c a que a voz de conteúdo harmónico anor mal s e j a completamente i n i n t e l i g í v e l . Por exemplo, a f a l a de um estrangeiro pode s e r entendida, mesmo que e l e pronuncie mui
t a s p a l a v r a s cora distorção harmónica, o mesmo acontecendo cora crianças e c e r t a s pessoas de um mesmo país.
Para um tom n a t u r a l de voz em um sistema SSB é t o l e r a v e l , na ausência de r u í d o , um e r r o de frequência de a t e 50 H zJ, Além deste l i m i t e haverá uma diminuição na i n t e l i g i b i l i
dade. Todavia, é permissível um m a i o r e r r o de frequência até que haja uma s é r i a perda de i n t e l i g i b i l i d a d e , como se pode v e r na f i g u r a 2 . 2 , a» 100 Q> T3 <3 T J 90 •ri r-H •ri 80 & u • H 70 60 +» c -400 Fie tcne 5 ^ \ «, —" T ~ 1 i ... S/N3£o^ RAi
V
3/N=j8 dl Frequência, Hz F i g u r a 2. 2 - I n t e l i g i b i l i d a d e da P a l a v r a v e r s u s E r r o de FrequênciaA curva de P l e t c h e r ^ é traçada com a l t a relação s i n a l / ruído. A curva t í p i c a da "Rome A i r Uevelopment Center o f t h e U n i t e d S t a t e s A i r Force - (RADC-) " é traçada com uma relação s i nal/ruído menor.
Na f i g u r a 2.2 acima observamos que, mesmo para ura e r r o frequência de +500 Hz, a i n t e l i g i b i l i d a d e da p a l a v r a média, na ausência de r u í d o , a i n d a é de cerca de 80$
A influência do ruído pode também s e r observada na mes ma f i g u r a : com uma relação sinal/ruído de 20 dB, a i n t e l i g i b i
l i d a de das p a l a v r a s é aproximadamente de 95$, enquanto que pa-r a uma pa-relação sinal/pa-ruído de 8 &8 é de appa-roximadamente 85$.
Por o u t r o l a d o , uma recepção de conversação com um me nor g r a u de " f a d i n g " , eco ou o u t r o s t i p o s de ruído, podem ser também i n t e l i g í v e i s . Logicamente, o g r a u de i n t e l i g i b i l i d a d e dependerá das q u a n t i d a a e s de distorção harmónica e de ruído. Não se tem um método d e f i n i d o para d e t e r m i n a r o g r a u de i n t e l i
g i b i l i d a d e de uma comunicação, senão através de métodos experí mentais»
Por c o n s e g u i n t e , a par de t o d a s as desvantagens d e s c r i t a s a n t e r i o r m e n t e , concluímos que "scrambled speech" não será i n i n t e l i g í v e l , a menos que possa haver uma m a i o r variação de frequência do e s p e c t r o de voz. R e f e r ê n c i a s : 1. Veja B i b l i o g r a f i a 3f P 1. 2. Veja B i b l i o g r a f i a 2, P 298. 3. Veja B i b l i o g r a f i a 3, P 1667. 4. Veja B i b l i o g r a f i a 10, P 29.
CAPITULO 3
TIPOS BE "SPEECH SCRAMBLER" NO DOMÍNIO DE PHBQUfllOIA
3.1 - Inversão de Espectro
Como a l a r g u r a de f a i x a do espectro v o c a l de um s i s t e ma de rádio especialmente SSB, I l i m i t a d a em 3 KHz, a maneira mais simples de intercambiar o espectro vocal parece s e r por
inversão, i . e . , a s componentes de baixa frequência tornam-se a l t a s e v i c e - v e r s a . I s t o pode s e r f e i t o através de um arranjo adequado de c i r c u i t o , con s t ruindo-se um i n v e r s o r de frequênci a s , como é demonstrado no diagrama da f i g u r a 3.1.
Entrada OSC. f KHz M.B. ib FPA i d M.B. A e OSC.
J
. f + 3 KHz Saída AP FPB Espectro I n v e r t i d oF i g u r a 3 . 1 - Diagrama de B l o c o s de uma "Speech Scrambler" com Espectro I n v e r t i d o
0 sistema c o n s i s t e de dois moduladores balanceados he terodinos e dois o s c i l a d o r e s com uma diferença de frequência de 3 KHz. A f a l a i n v e r t i d a é selecionada convenientemente por dois f i l t r o s , um p a s s a - a l t a s (FPA) e um passa-baixas (FPB), durante o processo. A saída pode s e r obtida por convolução do s i n a l de ÁF normal com relação às frequências dos o s c i l a d o r e s como se vê na f i g u r a 3. 2.
0 resultado deste método de "speech scrambler" é bas tante satisfatório, apesar de as frequências próximas ao meio da f a i x a (1,5 KHz) mudarem muito pouco. Todavia, a simples i n versão de frequências por s i só não tem muito v a l o r , sendo bas tante f á c i l reinvertê-lo por meio de um deslocamento da fre quência do O . L . . T a l sistema é apropriado, t a l v e z , somente pa ra transmissão e recepção DSB (Double Side Band), já que em SSB a t r o c a entre FLS e F L I corresponde exatamente à inversão, o que, na r e a l i d a d e , é uma ilusão para o sentido p r i v a t i v o do "speech scrambling".
Entrada de AP Normal Ponto a 0 3 KHz Frequência Ponto c ! 1
V
j
» Ponto d - fc
i
l i \ i\ 1
\ l ) f 1I
! i
• /1 /
\j
f + 3 KHz Frequência_.
- f <Li/
) f f • 3KHz \ tl
Prequencia .f-3KHa 0 f+3KHz Frequência Saída de ., AF I n v e r t i d a 0 3 KHz Frequência F i g u r a 3 . 2 - Çonversão E s p e c t r a l de um Esoectro de Voz I n -v e r t i d o3 * 2 - Divisão de Espectro
Apesar de a s i m p l e s inversão de espectro nao s e r prá t i c a , o p r i n c í p i o básico da inversão pode s e r usado para a ob tenção de "speech scrambler1* p o r d i v i s ã o de e s p e c t r o . Para am
p l i a r o numero de códigos e e v i t a r perda de s i g i l o nas comuni cações» o e s p e c t r o de v o s pode s e r d i v i d i d o em s u b - f a i x a s que sao i n t e r c a m b i a d a s a n t e s da transmissão. Algumas s u b - f a i x a s , por exemplo, podem s e r i n v e r t i d a s , o u t r a s não, podendo-se a i n da v a r i a r as suas posições r e l a t i v a s . A sub-divisão é o b t i d a com o uso de f i l t r o s p a s s a - f a i x a . Wao deve haver superposição t o t a l ou p a r c i a l e n t r e as s u b - f a i x a s ; caso c o n t r á r i o , o proces
so de " d e s c r a m b l i n g ' ' apresentar-oe-á cora distorção. Se f o r usa do o mesmo c i r c u i t o para " s c r a m b l i n g " e " d e s c r a m b l i n g " , d i a - s e que o c i r c u i t o e r e v e r s í v e l » Devem-se e v i t a r , n e s t e caso, os
códigos i r r e v e r s í v e i s . Ho c i r c u i t o r e v e r s í v e l , só são possíve i s as inversões de s u b - f a i x a s da mesma ordem ( i s t o I ambas n o r mais ou ambas i n v e r t i d a s ) .
3. 2 . 1 - D i v i sao ..em. Doa s t Pjartes
D i v i d i n d o - s e , p o r exemplo, o especcro de voz em s u b - f a i x a s v e r i f i c a - 3 e que há um t o t a l de 8 ( = 2 x 2 ; ) nações p o s s í v e i s , como mostra a f i g u r a 3.3.
duas corabi ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) "T 11 * n n I I I , n i I I i n
h
1 1 ^(g) J L Í ^ ^ i r l i i ,
(h) I n r * — 1 1 n " i nF i g u r a 3*3 - P o s s í v e i s Combinações das Duas .Sub-Faixaj do "Speech Scrambler"
Como o espectro de voz é d i v i d i d o em duas s u b - f a i x a s , há 2 ( - Z\) possíveis grupos com r e s p e i t o à posição r e l a t i v a da s u b - f a i x a : no grupo 1, a s duas s u b - f a i x a s estão em suas po sições o r i g i n a i s , enquanto que no grupo 2, é trocada a posição r e l a t i v a das mesmas. Cada grupo c o n s i s t e de 4 ( - 2 ) possí v e i s combinações, de acordo com a própria ordem de cada sub-f a i x a , tanto normal (n) quanto i n v e r t i d a ( i ) . Por i s s o , e x i s t e um t o t a l de 22 x 2!= 8 combinações de códigos*
De acordo com o que mostra a f i g u r a 3.3 às combinações (a) e (h) não se prestam para "scrambling" nos casos, respecti-vamente, de recepção SSB normal e i n v e r t i d a . As combinações (f) e (g) não sao reversíveis porque a s duas s u b - f a i x a s se apre sentam com ordens d i f e r e n t e s , una normal e outra i n v e r t i d a . As combinações (b) e ( c ) só têm "scrambling" na metade do espec t r o de voz, o que será s u f i c i e n t e para que sejam i n t e l i g í v e i s ^ Finalmente, a s combinações (d) e (e) parecem s e r aconselháveis como código de "speech scrambler" para SSB. E n t r e t a n t o , a s mes. mas podem s e r detetadas pela variação da frequência do o s c i l a
dor l o c a l (deteção da metade do e s p e c t r o ) . Por e s s a s razões, a divisão do espectro em duas partes não é adequada como forma
de "speech scrambling" para o sistema SSB, 3 . 2 . 2 - Divisão em Maior Numero de Sub-Faixas
Para se obter códigos mais adequados, t o r n a - s e , então, necessário s u b - d i v i d i r o espectro em maior número de sub-fai, xas. Quanto maior for o número de sub-divisões do espectro, mais códigos s e podem obter. Percebe-se de emediato, que há
uma limitação no número de sub-divisÕes, devido à dificuldade de construção dos f i l t r o s . Como, dentre um grande número de có digos possíveis, apenas alguns deles são os mais adequados, e de se perguntar se a complexidade dos c i r c u i t o s e a perda de f i d e l i d a d e , j u s t i f i c a m o aumento do número de códigos.
A seguir, é analisada a divisão do espectro de voz em muitas partes para o caso de sistema 3SB.
Um t o t a l de 2n x n [ combinações possíveis de códigos
é r e s u l t a n t e de n j grupos obtidos pela permutação das s u b - f a i
xas sendo que cada grupo consiste de 2*1 combinações de cada
sub-faixa em ordem normal ou i n v e r t i d a , em sequência binária* Se forem de interesse apenas c i r c u i t o s reversíveis, as combina çõe3 de alguns grupos, poderão ser desprezadas i n t e i r a ou par cialmente. Outras combinações, embora reversíveis, poderão tam bem ser desconsideradas, pelo f a t o de mais da metade do espec-t r o poder ser deespec-teespec-tado por recepespec-tores sinespec-tonizados na PLS ou na PLI. Estas suposições podem ser constatadas ex perime nt a línea, t e . Quando metade ou menos do espectro f o r detôtado, deve-se v e r i f i c a r experimentalmente o grau de i n t e l i g i b i l i d a d e . Káo é surpresa que um grupo de s i n a i s constituídos da mesma parcela de e spectro normal, de frequências mais baixas, e de "scrsmb l e d " espectro de frequências mais a l t a s , é completamente int£ l i g í v e l , desde que os fundamentos de vogais puras e o ruído-branco como consoantes são pouco afetados.
3*2.3 - Avaliação dos Códigos
Os códigos a serem analisados se apresentam em pares complementares, i s t o é, tendo o mesmo grau de "scrambling** quer para PLS, quer para PLI. Este f a t o tornará mais simples a escolha dos códigos úteis, já que a análise ficará resumida a, apenas, um dos códigos de um dado par complementar. Dos de mais pares complementares, serão"eliminados aqueles que forem
irreversíveis, bem como aqueles que não têm "scrambling". . 2 . 3 . 1 - Teste de Códigos
0 grau de semelhança dos espectros de vários códigos pode ser t a l que a transmissão de uns possa ser detetada por
outros; serão denominados códigos r e l a t i v o s .
Figura 3 * 4 - Dois Códigos Relativos
Coso se vê na f i g u r a 3»4, o segundo código pode ser usado para detetar o p r i m e i r o ou vice-versa» Para v e r i f i c a r se
os códigos não são r e l a t i v o s , deve-se t e s t a r o grau de "aerambling" comparando cada código com os demais ( t e s t e cruza
do).
Se o sistema de código t i v e r m códigos a t e s t a r com p pares complementares, o número de testes será dado p o r :
m
T * 2 X ( m - »>
Us p
0 f a t o r 2 que aparece na equação ( 3 . D acima leva em conta a p o s s i b i l i d a d e de existência de ambos os sistemas; PLS e F L I ,
Ainda, na equação (3.1) temos:
1 é o número t o t a l de testes necessários M é uma variável com relação a m
m é o número t o t a l de códigos a t e s t a r
Este problema 6 equivalente à combinação de r objetos
dentre n diferentes objetos (onde r < n ) . Então, pode-oe escre ver:
v r r j ( B - r ) l
(3.2)
Para l e v a r em conta as duas p o s s i b i l i d a d e s (PLS e PLI) acima d e s c r i t a s , deve-se m u l t i p l i c a r a equação (3.2) por 2, i s to é: (3.3) r ; (n - r ) ! Onde: r • 2 n =e a - p +
0 númexo 1 (ua) tia expressão de n acima corresponde ao teste feito quando :aão e usado nenhum código.
Substituindo os valeres de r e n na equação ( 3 . 3 ) aoi. ma, e s i m p l i f i c a n d o , obtém-se:
T . > - P +.D± B (a - p • 1).<» - p) (3,4)
(m - p - 1) 1
Esta resultado é idêntico ao obtido com a equação (3.1)» como é f á c i l de v e r i f i c a r .
Se ao f i n a l dos t e s t e s , forem encontrados L códigos úteis, possuindo q pares complementares, o número t o t a l de co digos úteis será:
3- 2.3. 2 - Escolha, de Códigos Úteis
Durante os t e s t e s , poderão ser encontrados os códigos r e l a t i v o s , como, por exemplo é mostrado na f i g u r a ( 3 * 5 ) , onde os códigos r e l a t i v o s estão i n t e r l i g a d o s por setas.
iU-^B ^*.C -~~D E -~~F Gr
Figura 3.5 - Códigos Relativos
0 comportamento imprevisível do relacionamento entre códigos complica o problema de escolha dos códigos úteis. Os códigos úteis da f i g u r a (3.5) podem ser obtidos facilmente por inspeção (ADFG ou BDFG). Todavia, sob circunstâncias mais com plicadas um exame simples é impossível, tornando-se necessário usar um método analítico para obter os códigos úteis.
0 método analítico se baseia na t e c r i a dos conjunto». Considerando-se os códigos como um conjunto e eliminando-se os códigos r e l a t i v o s , o máximo número possível de códigos não re l a t i v o s que ainda podem representar o conjunto, será a escolha
dos códigos úteis.
Ainda considerando o exemplo da f i g u r a (3.5) pode-se escrever que a união de todos os códigos é i g u a l a um conjunto completo S, ou seja:
A + B + C + D + E + F + G = S (3.6) Quando doi3 códigos sao r e l a t i v o s , pode-se dizer que sua interseção não é vazia, i s t o é:
AB
4 0
BC4 0
CD4 0
4 0
(3.7) EP4 0
EG4 0
cp4 0
Se f o r f e i t a a interseção do conjunto completo S consi go mesmo, o resultado ainda será o conjunto completo, mas apa recerão os códigos r e l a t i v o s . De f a t o :
(A+B+C+D+E+P+G)(A+B+C+D+E+F+G) = S (3.8) A+B+C+D+E+F+G+AB+BC+CD+CE+EF+EG+CF * S (3.9)
Ainda podemos escrever:
A+B+OD+E+F+G+AB+C(B+D+E+?)+E(P+G) « S (3.10) Para se e l i m i n a r os códigos r e l a t i v o s e manter o maior número possível de códigos nao r e l a t i v o s , pode-se fazer o sub-conjunto C conter B, D, E e F; o sub-sub-conjunto E conter F e G e A conter B, i s t o é:
C = B+D+E+F
E * F+G ( 3 . H ) A * B
Substituindo os resultados da equação (3.11) na equa çao ( 3 . 1 0 ) , obtém-se o máximo número possível de códigos não r e l a t i v o s que ainda representam o conjunto S:
B+D+F+G « S (3.12) Portanto, no exemplo estudado, os códigos úteis não re
l a t i v o s sao B, D, F e G. Note-se que f azencj B = A na equação ( 3 . 1 1 ) , se obtém a outra solução possível (A, D, F e G).
3.2.3.3 ~ Aplicação da Divisão em Três Partes
A divisão do espectro de voz em três partes implica em 48 combinações possíveis, das quais 18 devem ser testados, (V. Apêndice A ) , a saber: T] I I I . 1 « D
h
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m » n " i"„
I I I ,h
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\
I I I ± I I I 1 I I nOnde a notação é a mesma usada na página ^2 e os códi
gos dispostos na mesma l i n h a h o r i z o n t a l sao complementares.
Todo o trabalho despendido na construção dos f i l t r o s passa-faixa e dos osciladores e moduladores balanceados nao compensa no caso px^esente, „já que será relativamente f á c i l de t e t a r o código, usando-se dois receptores SSB com O.L. v a r i a v e l .
xae, aumentará, sem dúvida, a segurança dat transmissões con t r a deteçao paralela ( i s t o é, deteçao por meio de vários receja tores com O.L. v a r i á v e l ) .
3. 3 - Amostragem de Espectro
Dividindo-se o espectro em maior número de sub-faixas (por exemplo, 6 s u b - f a i x a s ) , reduz-se a p o s s i b i l i d a d e de dete çao p a r a l e l a . Usando-se o processo da amostragem, o projeto
dos f i l t r o s torna-se mais f á c i l , além da vantagem da redução da l a r g u r a de f a i x a de transmissão.
*
3*3.1 - Características do F i l t r o Passa-Paixa
Dividindo—se em 6 partes o espectro de voz, suposto com l a r g u r a de 3 KHz, a f a i x a de passagem dos f i l t r o s será 500 Hz. A atenuação do f i l t r o deve ser como indicado na f i g u ra ( 3 . 6 ) .
H 600 Hz H
Figura 3.6 - Características do F i l t r o Passa-Faixa
A seguir, analisaremos a p o s s i b i l i d a d e do uso de f i l t r o s passivos em cascata, ou f i l t r o s a c r i s t a l .
43«1.1 - F i l t r o Passivo em Cascata
2 A equação para f i l t r o s Butterworth e dada por:
= 1 +
( _ i L _ ) ^
( 3 .1 3)Onde:
;
/
V = Tensão de pico de saída na frequência c e n t r a l
V = Tensão de pico de saída f o r a da frequência cen t r a i
n = Número de poios
x b Variável dependente da frequência. Para f i l t r o
passa-faixa simétrico, x = B/r f Q
B = Largura de f a i x a do f i l t r o
x3 dB ~ ^ al °r ^e x n o s pontos onde a saída é 3 dB abaixo
de Vp
Aplicando-se a equação (3«13) ao caso em estudo, e fa zendo-se as substituições, chega~se Usando atanuação= 40
20 l o g ( — 2 - ) = 40 dB (3.14) V
Por conseguinte, teremos:
= 100 (3.15)
:3 dB
600
500 = 1,2 (3.16)
0 número de elementos r e a t i v o s (poios) do f i l t r o But
, terworth pode, então, ser deduzido após substituição de (3.15) e (3.16) em ( 3 . 1 3 ) , i s t o é:
( 100 )2 = 1 + ( 1,2 ) 2 n
Portanto teremos: n =' 25
Gomo vemos, não é prático c o n s t r u i r ura f i l t r o passa-aixa de Butterworth com 25 elementos r e a t i v o s se f o r usada ma atenuação de 20 dB, o número de elementos r e a t i v o s (pó os) do f i l t r o ainda seria elevado (n = 13). Para outros t i p o s e f i l t r o s passivos, é também necessário um grande número de omponentes r e a t i v o s .
. 1 . 2 - F i l t r o a C r i s t a l
0 f i l t r o a c r i s t a l poae ser constituído de quatro c r i s a i s , como mostra a f i g u r a ( 3 . 7 ) . Neste caso, os c r i s t a i s de em t e r uma diferença oe 50 Hz entre as ressonâncias série e a r a l e l o , já que a ordem da frequência.de corte é de 50 Hz. A aixa de passagem será 50 Hz, como também a diferença entre as uas frequências de ressonância. Se f o r usado s i n t o n i a escal£ a da (staggered t u r n i n g ) , serão necessários 10 estágios. Esta Dluçao também não é prática, t a n t o pela complexidade do c i r u i t o , quanto pela d i f i c u l d a d e na seleção UÔS c r i s t a i s .
l a X t a l
3*3»2 - Amostragem de Espectro eia Seis Parres
Felizmente, para a redução da f a i x a de passagem, exis t e um método s o f i s t i c a d o que u t i l i z a amostragem de frequência em diversos pontos do espectro de voz. 0 sistema consiste de seis f i l t r o s , cada um com uma l a r g u r a de f a i x a nominal de 200 Hz, espaçados entre s i de 600 Hz, produzindo uma i n t e l i g i b i l i
da de da palavra de 85$. I s t o permite usar um f i l t r o com l a r g u ra de f a i x a de 200 Hz, apresentando uma atenuação de 40 dB ou mais, em torno de 600 Hz, 0 número de elementos r e a t i v o s de um f i l t r o de Butterworth é, neste caso, apenas quatro (V. Apêndi ce B). .
No caso presente, há um t o t a l de 46080 ( = 2 x 6 { ) combinações possíveis de códigos. Se f o r usado um c i r c u i t o re versível, uma grande parte das combinações será eliminada. Mes mo após este t e s t e de i n t e l i g i b i l i d a d e , existirá ainda um nú mero considerável de códigos úteis.
3*3.3 - "Speech Scrambler" Usando Amostragem de Espectro
Na f i g u r a ( 3 . 8 ) , o espectro de voz é d i v i d i d o em seis partes iguais de 500 Hz, amostradas em f a i x a s de 200 Hz. A f i gura ( 3 . 9 ) mostra o diagrama de blocos de um sistema completo
de "speech scrambler" reversível, que faz amostragem do espe<;
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Frequência, Hz Figura 3.8 - Amostragem do Espectro de Voz
Os f i l t r o s usados têm uma f a i x a de passagem entre 2700 « 2900 Hz, de modo que a sub-faixa mais a l t a do espectro de voz passará diretamente para s o f r e r conversão de frequência, simplificando assim o c i r c u i t o . 0 primeiro grupo de modulad£ res balanceados serve como seletores das sub-faixas, antes de passar pelo FPP. 0 segundo grupo de moduladores balanceados ejs tá associado às frequências dos diversos osciladores, determl nando portanto a posição r e l a t i v a e a ^rdem (normal ou i n v e r t i
da) de reagrupamento. Um conjunto de osciladores com frequên cia variando entre 500 e 5600 Hz, é s u f i c i e n t e , para ambos os grupos de moduladores balanceados. As várias saídas dos o s c i l a dores estão indicadas com números que denotam a ordem de rea-grupamento e uma l e t r a " n " ou " i " que representa a própria or dem, normal ou i n v e r t i d a , respectivamente. Contudo, é essenci-a l que os modulessenci-adores e os f i l t r o s sejessenci-am idênticos. Finessenci-almen t e , obtém-se o espectro "scraiabled" na saída do FFB. No proeee; so de "d^scrambling*' a saída f i n a l s e r i a a f a l a normal, devido à a u t o - r e v e r s i b i l i d a d e do c i r c u i t .
Observe-se que no processo de reagrupamento, não deve haver superposição t o t a l ou p a r c i a l entre as sub-faixas, e se o c i r c u i t o f o r reversível, somente é válido o intercâmbio en tr© duas sub-faixas de mesma ordem (ambas normais ou ambas i n v e r t i d a s ) .
A grande vantagem deste sistema, é, t a l v e z , que os elementos da mesma função são i g u a i s , particularmente os fiJL t r o s .
Para e v i t a r a deteção p a r a l e l a , as saídas dos oscilado res tendo frequências i g u a i s às frequências de "gap" entre ca da duas sub-falxas adjacentes (500, 1000, 1500, 2000 e2500 Hz) podem ser somadas, e t r a n s m i t i d a s juntamente com os s i n a i s
"scrambled", como ruídos controlados por uma chave T - R. Toda v i a , i s t o não afetará a recepção "deacrambling" já que t a i s
E.B. / Osc. ~ f l . n / 2,5 KHz ppp 2 , 7 - 2,9 KHz M.B. -= J
l/J
/ A
PPP , 7 - ; KHz 1 r~õicT~T \
12 Seleçõe' Osc. F l n 2 KHz ' Entrada Amp. 1 i —9» AP i .1 i .1 M.B. M 2 , 7 - 2,9 H M.B.I \
tJ \ \ Osc. \ \ 12 Seleções\ \! \ \
I PPP - ^ 2 , 7 - 2,9 í KHz M.B. Saxdo Osc. f l l l n 1,5 KHz i r PPP Osc.Jj
x 12 SelegÕès / M.B. Osc. flYn 1 KHzST
- * j
2 , 7 - 2,9 [*| M.B.K ^
PPB 3 KHz KHz Osc. 12 Seleo^Õe , M.B. r t PPP , M.B. u*J 2,7 - 2,9f
i KHz Osc. 1 Vn 0,5 KHz 0,5 KHz PPP 2 , 7 - 2,9 KHz Osc. 12 Seleçõe/s I M.B. Osc. 12 SeleçõesI n 2,5 KHz I l n 2 KHz I l l n 1.5 KHz IVn 1 KHz Vn 0,5 KHz VI n 0 l i 3 , 1 KHz I I i 3,6 KHz I l l i 4,1 KHz I V i 4,6 KHz V i 5,1 KHz VI i 5,6 KHz
Figura 3.10 - Conjunto de Osciladores para o"Speech Scrambler" da Figura 3.9 •o +» •H a, e 0,2
n
8 10 11 0 0,2 — * j |*0,05 2,9 Frequência, KHzfrequências serão f i l t r a d a s pelo FPF.
um método mais eficaz, porém mais complicado, consiste em u t i l i z a r o i n t e r v a l o entre duas amostras de frequências con secutivas. Como o i n t e r v a l o é de 300 Hz, pode-se i n s e r i r uma outra amostragem de frequência neste i n t e r v a l o . Fazendo o PPP com atenuação mais aguda e construindo mais osciladores, as sub-faixae amostradas poderão ser localizadas em qualquer par te do espectro de voz ( l a r g u r a de 300 Hz), desde que não haja superposição t o t a l ou p a r c i a l . No espectro de voz dispomos de onze possíveis posições para as teub-faixas amostradas, com ex ceçao da. que e s t i v e r próxima da frequência zero, não sendo con siderada para e v i t a r não-linearidade. (V. f i g u r a 3.11). Nesta f i g u r a , quaisquer seis combinações eerão ocupadas pelo s i n a l de vos e nas cinco r e s t a n t e s , pode haver ruído para a tranamis são.
0 diagrama de blocos do "speech scra-nbler" de seis sub-faixas com localização variável das sub-faixas (V. f i g u r a 3.12), conforme descrito acima, nao ó exatamente i g u a l ao da f i g u r a ( 3 . 9 ) . 0 processo de "scrambling" é praticamente o mes mo, com a diferença de que o diagrama de blocos da f i g u r a
(3.12) necessita de 22 osciladores.
Por outro lado, no processo de "descrambling", os OB ciladores que compõem o conjunto mostrado na f i g u r a ( 3 . 1 2 ) , da vem ser trocados entre s i por meio de uma chave T - E , de t a l modo que haja recuperação da f a l a normal na saída do receptor.
Tal conjunto de osciladores é mostrado na f i g u r a ( 3 . 1 3 ) .
Referência
1. Veja B i b l i o g r a f i a 3, P 204. 2. Veja B i b l i o g r a f i a 14, P 19É-.
FPF - * j 2 , 7 - 2,9 í KHz
1
M.B.I
— ! _ i ,5 KHz i R X X.22 seleçoes ,R PPP r " " M.B. 2 , 7 - 2,9 KHz * j M.B. I osc. 3n 2 KHz ~" T \ < osc. R / \ 2 2 seleç\
? t
3 , \ \
ecoes ^R\ PPP ••• i M.B. ~ H 2 , 7 - 2,9 M.B. KHz O S C . . 1.5 KHzJL
osc. ~" M.B. 22 seleçoes RÍ osc. 7n ~Ç 1 KHz -* PPP 2 , 7 - 2,9 -* M, B. KHz . R 22 seleçoes**. osc.~~ M.B. ppp —— — » 2 , 7 - 2,9 M.B. r KHz 11
osc. 9n 0,5 KHz"; R 22 seleçoes ,h O KHz 'fft— \ ^ > ^ O S C . _ £ ^ ^ ^ 2 2 seleçoes \ R SaídaFigura 3.12 - Diagrama de Blocos de "Speech Scrambler"
de Seis Sub-Faixas com Localização
Conjunto de Osc. ... I n 2,5 KHz 2n 2,25 KHz 3n 2 KHz 4n 1,75 KHz 5n 1,5 KHz 6n 1,25 KHz 7n 1 KHz 8n 0,75 KHz 9n 0,5 KHz lOn 0,25 KHz l l n 0 l i 3,1 KHz 2 i 3,35 KHz 3 i 3,6 KHz 4:, 3,85 KHz 5 i 4,1 KHz 6 i 4,35 KHz 7 i 4,6 KHz 8 i 4,85 KHz 9 i 5,1 KHz l O i 5,35 KHz l l i 5,6 KHz
Figura 3.13 - Conjunto de Osciladores do "Speech Scrambler" da Figura 3.12
CAPÍTULO 4
"SPEECH SCRAMBLIKG" DIGITAL RO DOMÍKIO PO TEMPO 4.1 - Generalidades
Usando divisão de espectro em seis partes» os códigos úteis são aumentados consideravelmente e os perigos de deteçao paralela são, da mesma forma, diminuídos. Um processo que ofe rece maior segurança u t i l i z a técnicas d i g i t a i s . Consiste em converter o s i n a l de voz bem como o processo de Mscrambling, s,
em forma, d i g i t a l .
Pode-se também combinar as técnicas d i g i t a i s com o processo de amostragem de espectro.
Como o processo de "scrambling" d i g i t a l é não l i n e a r com respeito ã conversão análoga, não é prático transformar os dígitos "Scrambled" em análogos para a transmissão. I s t o por que, mesmo uma pequena interferência, como ruído, " f a d i n g " ou
distorção, causará grandes perturbações no processo de "de
scrambling". Portanto, à custa de um aumec"o considerável na largura de f a i x a de transmissão, poderão ser t r a n s m i t i d a s as formas d i g i t a i s .
Como as características ou informações das formas de onda da voz podem ser determinadas pelo v a l o r instantâneo de sua amplitude, as ondas de voz podem ser representadas por amostragem com 100 níveis quantizados d i f e r e n t e s .
Para espectros de voz cola 3.000 Hz de largura de fax, xa, estas amostras devem ser tomadas numa razão de Nyquist
(Nyquist r a t e ) de 6.000 Hz com a hipótese de que a voz seja um processo aleatório sem correlação e n t r e as amostras. A razão
de informação correspondente será de 6.000 l o g ^ 100 ~ 40.000 b i t s / s . Embora e x i s t a correlação entre as amostras da voz (o que acontece, por exemplo, entre os 39 sons básicos da língua
Eatrada Análoga Saída l i g l t a l Clock Compa-rador C i r c u i t o E (Tensão desconhecida)
Figura 4 . 2 - Conversar Análogo-Digital
portuguesa), a razão de informação sem correlação deve ser t r a n s m i t i d a , se não quizer complicar o sistema de "scramb l i n g " , com o acréscimo de outros c i r c u i t o s , como os "vocoders", usados para restaurar o espectro redundante na recepção.
4. 2 - Conversão Análogo-Digital
A f i g u r a (4.1) i n d i c a um conversor digital-análogo, u t i l i z a n d o um contador que gera uma tensão proporcional ao nu mero de pulsos de entrada.
A f i g u r a (4.2) i l u s t r a a operação inversa (conversor a n a l o g o - ' d i g i t a l ) , onde a contagem é proporcional à tensão. 0 princípio básico de funcionamento consiste em que a variação da corrente de entrada do amplificador operacional, no caso p a r t i c u l a r em que todos os binários (B*s) estão no estado zjs r o , é proporcional à soma das condutâncias em funcionamento. Portanto, a saída do a m p l i f i c a d o r operacional é proporcional à contagem r e g i s t r a d a do contador. Quando os pulsos de entrada aumentam de uma unidade, a tensão de saída sofre, correspondeis temente, um determinado incremento.
0 processo análogo-digital, em que a contagem r e g i s t r a da é proporcional à tensão desconhecida é obtido por meio de um comparador.
4 . 3 - "Speech Scrambler" D i g i t a l Usando OU Exclusivo
0 "speech scrambler" d i g i t a l é o b t i d o , usando~ee um OU exclusivo (V. f i g u r a 4.3)» q«£ não apenas permite obter
"scrambling" não l i n e a r do espectro de voz, como também tem a vantagem de ser reversível.
Entrada d i g i t a l . OU Saída d i g i t a l „ Saída d i g i t a l „ Código d i g i t a l Exclusivo
. _____
Figura 4.3 - "Speech Scrambler" D i g i t a l Usando OU exclusivo (Reversível)
Por exemplo, se a entrada de voz, no momento da amos tragam, t i v e r uma amplitude normalizada 78, a transformação d l g i t a l para 7 - b i t s binários será, então, de 1001110. Se este
s i n a l d i g i t a l f o r "scrambled" com um outro código d i g i t a l , por exemplo, 1010101, por meio de um c i r c u i t o OU exclusivo, a saí! da "scrambled" f i n a l seria 0011011, que equivale a uma ampli tude análoga normalizada de 27. No processo de "descrambling",
o 3 i n a l 0011011 é transformado pelo código 1010101 (mesmo có
digo usado no processo de "scrambling") para recuperar o s i n a l o r i g i n a l 1001110. As características de não l i n e a r i d a d e e re v e r s i b i l i d a d e do "scrambling" podem ser v i s t a s claramente na f i g u r a (4.4) (V. Apêndice C).
4-4 - Diagramas de Blocos
As f i g u r a s (4.5) e (4-7) mostram os diagramas de b i o cos dos sistemas d i g i t a i s para os processos de "scrambling" e "descrambling", respectivamente.*As f i g u r a s (4.6) e ( 4 . 8 ) i n dieam as formas da onda e correspondentes amplitudes normaliza das, bem como os "gates" de sincronismo nos vários pontos de interesse.
A variação do código é controlada pela entrada de cada OU exclusivo (outro método é apresentado no Apêndice C).
A forma de oada de voz é amostrada a uma razão de N£ q u i s t de 6.000 Hz ou a cada 166,7 us por 127 pulsos de 10 MHz
com l a r g u r a de pulso de 50 n s (tempo mínimo que o contador p£ de responder). 0 número t o t a l de contagens ê 1 2 7 x l 0 0 n s * 12,7 us por amostra. Deve-se usar um binário de 7 - b i t s . 0 tempo permitido para transmissão do binário de 7 - b i t s é de cerca de 150 us por amostra, i s t o é, cada b i t ocupa 21 us. Portanto, a mínima f a i x a de transmissão será cerca de 1/20 us ou 50 KHz. Do t o t a l de 166,7 u s , 4 us são usados como " r e s e t t i n g " e s i n cronização.
Como o "speech scrarabler" d i g i t a l é* um processo não l i n e a r , t o r n a - s e bastante adequado para e v i t a r a deteção para l e i a . Para se t e r maior segurança, pode-se combinar o "speech sorambler" d i g i t a l com o par divisão de espectro, podendo tam bem s e r usado um código g i r a n t e , 9o sistema de código g i r a n t e , os códigos úteis podem s e r mudados circularmente depois de a l guns segundos sob o controle de um gerador de sequências pseu
do-aleatórias, tanto no t r a n s m i s s o r , quanto no receptor. Toda v i a , durante a mudança de código, é inevitável um " c l i c k " t r a n
s l t ó r i o .
Apesar de sua eficiência, o "speech scrambler" d i g i t a l tem várias desvantagens. Devido a não l i n e a r i d a d e e ao ruído
d i g i t a l , poderão s e r produzidas componentes de a l t a f requeri c i a , afetando a qualidade da conversação. Outras desvantagens de prejeto, construção e manutenção, ocorrem na precisão do c i r c u i t o e sincronização entre t r a n s m i s s o r e receptor. Tem ainda a desvantagem de apresentar grande f a i x a de transmissão, que o torna inaplicável aos sistemas SSB ordinários.
Referência:
Saída AJP Sqrambled)
Gerador de Pulsos
1 2 , 7 us 154 us
F i g u r a 4.5 - Diagrama i de m B I o cos de um "Speech S c r a m b l i n g
Entrada; de Voz 1,5 KHz (a) àe clock • • Saída do circuitob^ E v/ (o)
Saída |i27 puleos
i
127 pulsos 63 pulsos, 0; pulso^ j63, pulsos 1127 pulsos 0 ,pulso
6a S i n a l D i g i t a l (d)
YA
TITTT \m1 '
' 1 1 1 1 i M i ! 11 (t i O00 C006 j , I & r i ' Código] ,io/o/c/l (•)' Saída ( f ) 35 i i n i fiitiin \ I | I M / / / / / / / I H 11 i 11 Í i 1111 n i i '•folo/Of* rtn r i n I ) II
I
i | I (MiI
r » - n - j - , > - H í; j Fr] b-li 12,7 150 4 US US US ! • Poríode da Amostra; 166,7 us Tempo de Contagem? 12,7 us Tempo de Transmissão: 150 us Tempo» para " R e s e t t i a g " « S i n c r o -nização : 4 us•Figura 4.6 - Formas de Ondas aos Vários Pontoa de I n t e r e s s e do "Speech Scramb-l e r » D i g i t a i da F i g u r a 4 . 5 .
7 - b i t s Serie/Parai
/
J L
- * ) hA
h ~ 12,7 150 4 us us as L Código 1 Oper. JS 3 KHz 1 0 1 0 1 0 1 L._ Saída A,? (De scrambled) D i g i t a l - A n á l o g o ' _ lF i g u r a 4.7 - Diagrama de Blocos de um "Speeçh D e s c r a a b l e r " D i g i t a i Usando OU E x c l u s i v o ( R e c e p t o r )
D i g i t a l (Scrambled) (a) m
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L I I I I Í L )odi.go ( b )! i
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/C/â/õf £•5 D i g i t a l •/// //// Deecramb4 !! i i i í l e d ( c ) t ! D ////// \ J 1 f I I ! f * i í 11 ii i
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Saída 127 Análoga Descramb-. l e d 63 ( d ) 0 'O.F i g u r a 4.8 - Formas de Ondas aoa Vários Pontos de I n t e r e s s e do "Speech Descrarab-l e r " D i g i t a Descrarab-l aa f i g u r a 4.7
CAPÍTULO 5
CONCLUSÕES
O "speech s c r a m b l e r " no domínio da frequência pode f u n c i o n a r adequadamente d e n t r o dos l i m i t e s de l a r g u r a de f a i x a disponíveis ( p a r a SSB, 3 KHz), ao passo que o "speech scramb l e r " d i g i t a l , embora mais s e g u r o , n e c e s s i t a de uma l a r g u r a de f a i x a extremamente grande ( p a r a SSB, 50 KHz).
Devido às c a r a c t e r í s t i c a s da v o z e ouvido humanos, ap£ nas a l g u n s métodos e f i c a z e s e um pequeno numero de códigos úte
i s podem s e r o b t i d o s , e, assim mesmo, u t i l i z a n d o c i r c u i t o s mui t o complicados. Além d i s s o , o sistema de códigos é sempre pre v i s í v e l , podendo s e r captado e x p e r i m e n t a l m e n t e , p e l a p a c i e n t e t r o c a de códigos.
Para e v i t a r i s t o , pode-se a d i c i o n a r um código g i r a n t e , por meio do c o n t r o l e de um g e r a d o r s e q u e n c i a l , t a n t o na t r a n s missão, q u a n t o na recepção. Desse modo, a ariação do código
pode s e r f e i t a manualmente ao b e l p r a z e r do operador. Entretan-t o , e s Entretan-t e méEntretan-todo nao é a b s o l u Entretan-t a m e n Entretan-t e seguro, p r o d u z i n d o , além
d i s s o , " c l i c k s " t r a n s i t ó r i o s .
Em t o d o s os processos, a precisão dos c i r c u i t o s é p r i m o r d i a l , p o i s , q u a l q u e r diferença na transmissão, causará ruí.
APÊNDICE A
AVALIAÇÃO DOS CÓDIGOS DE UM "SPESCH SCRAMBLER" POR DIVISÃO DF, 55PBCTRO
A discussão g e r a l a r e s p e i t o da avaliação dos códigos ú t e i s já f o i v i s t a a n t e r i o r m e n t e . Será a n a l i s a d o a q u i , como exemplo, o caso de divisão do espectro de voz em t r ê s p a r t e s .
Há um t o t a l de 48 ( - 2^ x 3 | ) combinações p o s s í v e i s de códigos, constituídas por 6 ( = 3 \ ) grupos com r e s p e i t o à posição r e l a t i v a das s u b - f a i x a s , e cada grupo constituído p o r 8 ( * 2^ ) combinações em relação a cada s u b - f a i x a era ordem normal ou i n v e r t i d a na sequência b i n á r i a , como se mostra na se g u i n t e t a b e l a i
Tabela A . l - Divisão de Espectro em 3 Sub-Faixaa
Grupo 1 Grupo 2 I I I I I I I I I 1À I n n n n n n n n i X n n i n i u n i n n i i X n i i i n n X i n n i n i i i n i i i X • i i i
I I I I I I x I I I I I I n n n n n n X n n i n n i X n i n n i n n i i n i i i ri n i n n X i n i i n i X i i n i i n i i i i i i Grupo 5 Grupo 6 -I -I I I I I x I I I I I I n n n n n n n n i n n i X n i n n i n X n i i n i i X i n n i n n X i n i i n i i i n i i n i i i i i i Se f o r usado um c i r c u i t o r e v e r s í v e l , constata--se
do-se o t e s t e de i r r e v e r s i b i l i d a d e , que os grupos ( 4 ) , ( 6 ) e o u t r o s podem ser r e t i r a d o s das cembinaçoes marcadas por x na t a b e l a . Por exemplo, o código I I I I n I I e r e v e r s í v e l porque
pode ser d e c o d i f i c a d o de modo a r e c u p e r a r o s i n a l de origem I I I I I I . 0 código I I I . I I I nao é r e v e r s í v e l , p o i s , se n n n n i n fosse d e c o d i f i c a d o p r o d u z i r i a I ^ 1 1 ^ I I T^n* q u e ^ão é o código
o r i g i n a l . Em g e r a l , i s t o não é indispensável, j á que o c i r c u i t o r e v e r s í v e l reduz um grande numero de códigos ú t e i s .
C l a s s i f i c a - s e novamente, a s e g u i r , as combinações a c i ma em 5 c a t e g o r i a s , conforme os seus graus de i n t e l e g i b i l i d a
de. I s t o é mostrado na t a b e l a ( 4 . 2 ) a b a i x o
Tabela 4.2 - C l a s s i f i c a ç ã o das Combinações de
l i da de ( 1 ) Combinações sem " s c r a m b l i n g " • • I I I n n I I I I I I i i i h ( 2 ) Combinações com v e l :
um terço de " s c r a m b l i n g " , porém int<
« I I I . i x I I I n I I . í h h " n x III ± I I I h I I I . í I I n h
( 3 ) Combinações com " s c r a m b l i n g " , mas i n t e l i g í v e l por uma riação da frequência de O.L. • •
x I I I I I n n I I I , x I I I I I n n h I I I , i i . n n I I n I I h I H . x I I I . I i n I I n x I I I h
( 4 ) Combinações com d o i s terços de " s c r a m b l i n g " : I I I I x I I IN I Xn h T T T x i * A i Ill ± I I ] Cn n i
\
X i " i I I I n x I I I I n nx I EL I I I n " l X I . X T T n l n n X I I I , h 1 1 i I I n x i 1 1 X I I I . I n 1 1 i x I I ,
\
I n n X h T T A i . , Combinações com " s c r a m b l i n g " • * « i I I I , l r l n I n x I , I X I n I I n X " l I u i I n I I I a I I , X " a I I I , I n X I , I I I - , " n X " i I H El x»
X I I n I I I , ' X I I I , h"„
x I I n I I I , X I I I n n i I I , I I I , X I I I a hOs códigos l o c a l i z a d o s na mesma l i n h a h o r i z o n t a l sao pares complementares, enquanto que os códigos i r r e v e r s í v e i s estão i n d i c a d o s por x .
Na t a b e l a acima, a s c a t e g o r i a s ( 1 ) , ( 2 ) e ( 3 ) estão sem " s c r a m b l i n g " ou com " s c r a m b l i n g " considerado i n t e l i g í v e l . As c a t e g o r i a s Í 4 ) e ( 5 ) sao os códigos a serem t e s t a d o s :
Tabela 4.3 - Códigos a Serem Testado a A I I . i m i A I I X n I I n X i B
h
I I n I I I , B n H i I n C J i I I I n C I I I , I nH
X i n i I I I ,R
I I I n I I n I n E Xn I I n E I X i I I I , T F I D n l t > I X i F I I n I I I ,h
G I I I , I I n G n i 1 1 J n T i H I I I D I I Hh
I I I n Ih
I I I n I I . El I 1 1 ih
I I I n Jh
I I I . J m n K i i n ln
K I H . i 1 1 i L 11 n L I I I , " i M " iV
l n n M I I I nh
n i N n n I I I , NIl£
ih
H n 0 I I nh
I I I , 0 I I I n I n " i P I I . iV
I I I . P I I I n T " nNa t a b e l a acima os códigos de mesma f i l a sao complei t a r e s e estão marcados com A e A, B e B e t c . .
Para t e s t a r a relação e n t r e os códigos, supõe - s e d o i s códigos são r e l a t i v o s , quando 2/3 de seus espectros
rem i d ê n t i c o s . É necessário t e s t a r apenas um dos códigos do par complementar.
Usando-se o método baseado na T e o r i a dos C o n j u n t o s , d e s c r i t o s no t e x t o , d i s c r i m i n a - 3 e que os s e g u i n t e s códigos de
vem ser t e s t a d o s : A I I I H , B I . i I I n I I I , C
h
11^ i l n n P I I I n U i G\
I I I , " n Ih
I I I n H n L i i n X i M I n m n N*„
I I I ,Da equação ( 3 . 4 ) da página 16 , o número t o t a l de tes_ t e s é dado por
T = (m - p + l ) ( m - p) « (18 - 9 + D (18 - 9 ) = 9 0
t a n t o para FLS, como para F L I .
Para se e n c o n t r a r a relação e n t r e os c ó d i g o s , deve-se t e s t a r cada código com relação aos demais, para PLS e F L I .
APÊNDICE B
PROJETO DE FILTRO PASSA-FAIXA
A p a r t e mais i m p o r t a n t e do "speech s c r a m b l e r " é, t a l vez, o f i l t r o p a s s a - f a i x a . S e r i o p r o j e t a a o s a q u i dois f i l t r o s LC passivos (um Chebishev e um B u t t e r w o r t h ) . Como i l u s t r a ç ã o , serão usados d o i s métodos: ( I ) p r o j e t o de f i l t r o Chebishev u sando o método de Handbook; ( 2 ) p r o j e t o do f i l t r o B u t t e r w o r t h usando o método a n a l í t i c o .
B . 1 - F i l t r o Passa-Faixa de B u t t e r w o r t h
Consideremos um f i l t r o p a s s a - f a i x a com r e s p o s t a M(w), decrescendo monotonicarnent e com w da forma
M(w) = \-T75 ( B -x )
onde ko é uma c o n s t a n t e t a l que M ( 0 ) = kQ.
Elevando-se a expressão ( B . l ) ao quadrado e fazendo s - j w , tem-se
o o k2
M (w) « M ( - Í B ) = — 2- =- (B.2)
1 + ( - D ^ B ) 2 1 1
onde a a m p l i t u d e M (w) f o i o b t i d a da função de transferência do f i l t r o H ( s ) , t a l que M2 (w) =• H ( s ) H ( - s ) .
Para o f i l t r o B u t t e r w o r t h , os pólos serão dados pelas r a í z e s do denominador da equação ( B . 2 ) , i s t o é
í - l ) n s2 n = - 1
onde:
k — X, 2, • » • , 2n« Os pólos Sjj. sao, então:
i f ( 2k - 1 ) / 2n } % , para n par
sk = ( B . 4 )
3 (k/n) Tk , para n ímpar
Ou, mais simplesmente
i ( ( 2 k + n - l ) / 2 n ] ^ sk = e ^ ' ( B ' 5 ) onde; k = 1 , 2, • • •, 2n« P o r t a n t o , um f i l t r o B u t t e r w o r t h p a s s a - f a i x a , de ordem n , tem a s e g u i n t e forma H ( s ) = : — — ( B . 6 ) ( S-S-^) ( S - S 2 ) ( s - S j j . ) on de: ^ m e i f ( 2 k • n - l ) / 2 n ) 7 P ( B # ? ) e k = 1 , 2, • • » , n •
A escolha da ordem pode s e r o b t i d a usando-se a eq.ua çao da atenuação do f i l t r o p a s s a - f a i x a
( )2 , x + ( f2 - , f l ) 2u ( B . 8 )