Verwartaler
Van taal naar wartaal en omgekeerd
Om gesprekken die niet voor allemansoor bestemd zijn tegen afluisteren te beschermen, kunnen we gebruik maken van een zogenaamde scrambler. Deze spraakvervormer verminkt het gesprek zodanig dat het niet meer verstaanbaar is. Het bewerkte spraaksignaal kan op tape opgenomen worden of via een of ander kommunikatiesysteem verstuurd worden. De persoon voor wie de informatie bedoeld is, kan deze wartaal met behulp van een juiste descrambler vertalen in verstaanbare taal.
Scrambler en descrambler zijn in wezen dezelfde schakeling; door het gescrambled signaal nogmaals door de scrambler te sturen, ontstaat weer het oorspronkelijke signaal.
Spraak bestaat uit een voortdurend wisselend, komplex akoestisch spektrum met een sterke dynamiek. Het zal duidelijk zijn dat een verstoring van dit komplexe frekwentiespektrum een invloed zal hebben op de verstaanbaarheid. En dat is nu precies wat we door scrambling proberen te bereiken; onverstaanbare spraak.
Een scrambler is niets nieuws. Het idee is al tientallen jaren oud. De eerste, nog uit diskrete komponenten samengestelde elektronische scramblers waren nogal gekompliceerd van opbouw en daardoor niet bepaald geschikt voor zelfbouw. De opkomst van de geïntegreerde schakeling heeft daar verandering in gebracht.
Vervorming is altijd problematisch. Via effektversterkers voor muziekdoeleinden doen we alle moeite om vervorming te introduceren, in hifi-installaties zijn we vervorming liever kwijt dan rijk. Bij scrambling maken we gebruik van beide wensen. Wel is het hierbij belangrijk dat het vervormingsproces omkeerbaar is; de vervormde spraaksignalen moeten weer ontdaan kunnen worden van hun vervorming. De hier beschreven scrambler maakt gebruik van spiegeling van het frekwentiespektrum van spraak. Eenvoudig gezegd komt het erop neer dat hoge frekwenties vertaald worden in lage frekwenties en omgekeerd. Dit levert onverstaanbare spraak op.
In figuur 1 is de scrambler blokschematisch voorgesteld. Aangezien de scrambler in eerste instantie voor spraak gedacht is, wordt alleen het hiervoor belangrijke frekwentiegebied bewerkt. Een laagdoorlaatfilter zorgt er dan ook voor dat alle frekwenties boven 3200 Hz geen doorgang vinden. Hogere frekwenties zouden de goede werking verzieken.
Figuur 1. Blokschematische voorstelling van de verwartaler. De schakeling kan zowel voor scramblen (het onverstaanbaar maken van spraak) als voor descramblen (omzetten in verstaanbare spraak) gebruikt worden. De belangrijkste komponent in deze blokkenvoorstelling is de vierkwadrant-vermenigvuldiger (multiplier). Hij speelt het klaar om ons algemeen beschaafd taaltje niet alleen danig in de war te sturen, maar ook weer terug te vertalen in een verstaanbare vorm.
Het gefilterde spraaksignaal wordt toegevoerd aan een lineaire vierkwadrant-vermenigvuldiger (zie ook Elektuur maart '79: ringmodulator). Met een vierkwadrant-vermenigvuldiger is het mogelijk om twee signalen met elkaar te vermenigvuldigen. De toevoeging "vierkwadrant" houdt in dat deze signalen zowel positieve als negatieve waarden (mogen) aannemen. In de vierkwadrant-vermenigvuldiger wordt het ingangssignaal vermenigvuldigt met een intern 3500 Hz-signaal. Aan de uitgang verschijnen dan som- en verschilfrekwenties van ingangsfrekwentie en 3500 Hz-signaal.
Een ingangsfrekwentie van bijvoorbeeld 300 Hz levert dus aan de uitgang een somfrekwentie op van 3500 Hz + 300 Hz = 3800 Hz en een verschilfrekwentie van 3500 Hz - 300 Hz = 3200 Hz. Zo verschijnen bij een ingangsfrekwentie van 3200 Hz aan de uitgang een somfrekwentie van 6700 Hz en een verschilfrekwentie van 300 Hz. Eenzelfde redenering gaat ook op voor alle tussenliggende frekwenties.
In figuur 2 is een en ander nog eens op een grafische wijze duidelijk gemaakt. Bij A staat het frekwentiespektrum voor spraak. Stopt men dit spektrum in een vierkwadrant-vermenigvuldiger, dan ontstaan aan de uitgang twee t.o.v. elkaar gespiegelde zijbanden met daar tussen een frekwentie van 3500 Hz B. Deze 3500 Hz-frekwentie wordt veroorzaakt door de steeds aanwezige ingangsfrekwentie van 0 Hz (som-frekwentie: 3500 Hz + 0 Hz = 3500 Hz; verschilfrekwentie 3500 Hz - 0 Hz = 3500 Hz). Deze 3500 Hz-frekwentie moeten we zien kwijt te raken, aangezien deze een hinderlijk gepiep in het gescrambled signaal veroorzaakt. Nu zijn er wel filters ingebouwd, maar omdat de kantel, frekwenties hiervan dicht in de buurt van 3500 Hz liggen, is de demping van de oscillatorfrekwentie onvoldoende. De in de scrambler toegepaste vermenigvuldiger is in feite een gebalanceerde modulator, die als prettige eigenschap heeft dat de 3500 Hz-oscillatorfrekwentie in het uitgangssignaal ontbreekt.
Figuur 2. A is het aan de scrambler geleverde spraakspektrum. De vierkwadrant-vermenigvuldiger maakt er twee zijbanden van (zie figuur B). Een filter onderdrukt de bovenste zijband. Een onverstaanbare, gespiegelde vorm van het oorspronkelijke spraakspektrum is het resultaat (figuur C).
Na de vierkwadrant-vermenigvuldiger volgt een tweede laagdoorlaatfilter (spraakfilter). Hierin wordt het uitgangssignaal van de vermenigvuldiger ontdaan van de bovenste zijband. Wat er nu aan de uitgang overblijft is de gespiegelde vorm van het oorspronkelijke spraakspektrum. In figuur 2 is dit geïllustreerd. Ons menselijk brein schiet duidelijk te kort om dit als spraak te kunnen herkennen. Dit resultaat kan men dus via een kommunikatiesysteem (bijvoorbeeld telefoon, zender, huistelefoon) zonder risiko van afluisteren overdragen. Verder biedt de scrambler ook de mogelijkheid om spraak in een gekodeerde vorm op band te zetten.
Om de door de scrambler geproduceerde wartaal te kunnen vertalen in verstaanbare taal, zal de hulp van een descrambler ingeroepen moeten worden. Zoals reeds in de inleiding gezegd is, zijn scrambler en descrambler hetzelfde apparaat, de "verwartaler" genoemd. Het blokschema uit figuur 1 geldt dan ook voor de descrambler.
De descrambler is de taak toegewezen om uit het gespiegelde spraakspektrum (C figuur 2) de oorspronkelijke vorm te destilleren. Een moeilijke opgave? Nou nee, het is een kwestie van nogmaals spiegelen door middel van een (de)scrambler. Krijgt de descrambler de wartaal (A in figuur 3) aangeboden dan verschijnen aan de uitgang van de vierkwadrant-vermenigvuldiger twee zijbanden. In figuur 3B is het resultaat te zien. De onderste zijband blijkt overeen te stemmen met de oorspronkelijke vorm (figuur 2A).
Figuur 3. Gebruiken we de verwartaler als descrambler, dan zal het gespiegelde spraakspektrum A nogmaals door de vermenigvuldiger B gespiegeld worden en zien we aan de uitgang het oorspronkelijke spektrum terug (figuur C).
De bovenste zijband wordt er nu uitgefilterd en aan de uitgang verschijnt het gewenste, verstaanbare resultaat (figuur 3C).
Een belangrijke eis die aan de descrambler gesteld wordt, is dat deze met een oscillatorfrekwentie werkt die precies gelijk is aan die van de scrambler. Een afwijking veroorzaakt een verschuiving van het frekwentiegebied, met als gevolg een verhoging of een verlaging van de menselijke stem. Weliswaar kan dit aardige effekten opleveren, doch daarvoor is de verwartaler niet bedoeld. Beter geschikt hiervoor is de in december '79 gepubliceerde spraakvervormer, die in wezen volgens ditzelfde principe werkt.
Het scrambler/descrambler-schema
In figuur 4 zien we het schema van de verwartaler (scrambler/descrambler).
Figuur 4. Het komplete schema van de verwartaler. Het onverstaanbaar maken van spraak vindt plaats in de XR 2206. IC3 zorgt voor de nodige versterking van het ingangssignaal. Zowel voor als achter de vierkwadrant-vermenigvuldiger (IC1) bevindt zich een laagdoorlaatfilte. Het eerste filter (A1/A2) begrenst het aan de vermenigvuldiger aangeboden spektrum, aangezien te hoge frekwenties de goede werking kunnen verzieken. Het tweede filter (A3/A4) onderdrukt de bovenste van de door de vermenigvuldiger geleverde zijbanden.
Hierin treffen we het inmiddels bekende funktiegenerator-IC XR2206 aan (zie bijvoorbeeld Elektuur december '77: funktiegenerator; december '79: spraakvervormer). Dit IC herbergt o.a. een vierkwadrant-vermenigvuldiger inklusief oscillator, waarvan in dit ontwerp dankbaar gebruik is gemaakt.
Met behulp van IC3 is een voorversterker gerealiseerd. Het signaal (spraak of ge-scrambled spraak) komt via de volumeregelaar (P1) binnen. Bij gebruik als scrambler kan het ingangssignaal door een mikrofoon geleverd worden. Bij het descramblen kan de verwartaler met de bron (telefoon-meeluisterversterker, bandrecorder, ontvanger, etc.) gekoppeld worden. Met instelpotmeter P2 kunnen we de versterking instellen tussen 1- en 500-maal. Wanneer op pen 6 van IC3 een signaal staat van 200 mV ... 1 Veffektief mogen de beste resultaten verwacht worden. Toepassing van een opamp als de CA 3130 garandeert ook bij een versterking van 500-maal voldoende bandbreedte. Door middel van R1 en R2 is de uitgang van IC3 op een DC-nivo van ca. 6 volt ingesteld. Deze gelijkspanning is nodig voor een goede werking van het na IC3 geschakelde filter. Na het inschakelen van de voedingsspanning moet men dan ook enige sekonden wachten voordat deze spanning aan de uitgang van IC3 aanwezig is. Kondensator C2 moet namelijk eerst via P2 tot 6 volt opgeladen worden.
Zowel voor als na de vierkwadrantvermenigvuldiger (IC1) bevindt zich een rond opamps opgebouwd (tschebyscheff) laagdoorlaatfilter van de 4-de orde (24 dB/oktaaf) met een kantelfrekwentie van 3200 Hz. De DC-instelling van het eerste filter wordt, zoals gezegd, verzorgd door de uitgang van IC3, bij het tweede filter gebeurt dat door de gelijkspanning op pen 2 van IC1. De frekwentie van de oscillator die zich in IC1 bevindt, is instelbaar met P6. Met instelpotmeter P5 kan de symmetrie van het oscillatorsignaal afgeregeld worden. Een juiste afregeling van de symmetrie voorkomt doorspreken van het oorspronkelijke ingangssignaal naar de uitgang. Met behulp van P3 en P4 kunnen we het DC-nivo van de ingangstrap van de vermenigvuldiger instellen; bij een goed uitgebalanceerde vermenigvuldiger wordt de oscillatorfrekwentie (3500 Hz) voldoende onderdrukt. Een eventueel noodzakelijke korrektie is altijd extern mogelijk met potmeter P3.
Omdat de vermenigvuldiger door een verandering in de voedingsspanning direkt weer uit balans raakt, is een goed gestabiliseerde voedingsspanning noodzakelijk. Er is dan ook gebruik gemaakt van een geïntegreerde spanningsregelaar van het type 7812. De aan deze stabilisator aangeboden gelijkspanning mag. tussen 15 en 30 volt liggen. In figuur 5 is aangegeven hoe men een spanning van ongeveer 20 volt uit het lichtnet kan betrekken. Eventueel kan de verwartaler ook gevoed worden vanuit het apparaat waarop hij is aangesloten. De stroomopname is ca. 30 mA.
Figuur 5. Kan de verwartaler niet door het apparaat gevoed worden waarmee hij gekoppeld is, dan geeft dit schema een eenvoudige oplossing voor netvoeding.
Bouw en afregeling van de verwartaler
In figuur 6 staat de koper-layout en de komponentenopstelling gegeven van een print waarop alle in figuur 4 voorkomende onderdelen gemonteerd kunnen worden. Maak voor de montage van IC1, 2 en 3 gebruik van IC-voetjes; het is altijd een moeilijke klus om IC's te de-solderen wanneer deze, door welke reden dan ook, aan vervanging toe zijn. Aangezien de dissipatie in de spanningsstabilisator (IC4) gering is, hoeft dit IC niet van een koellichaam voorzien te worden. Willen we de verwartaler alleen gebruiken om spraak in gekodeerde vorm op tape vast te leggen, dan kunnen we met een print volstaan. Voor P2 moet dan wel een van buiten af regelbare potentiometer gebruikt worden (dus geen instelpotmeter), zodat de gevoeligheid eventueel gewijzigd kan worden. De schakeling kan zowel voor scramblen als voor descramblen gebruikt worden. Bij toepassing in kommunikatiesystemen (bijvoorbeeld zender, telefoon) is zowel aan de zend- als aan de ontvangzijde een verwartaler noodzakelijk (in totaal dus twee printen).
| R1,R2 | 220 k |
| R3 | 1 k |
| R4,R5,R15,R16 | 12 k |
| R6,R17 | 27 k |
| R7,R8,R18,R19 | 4k7 |
| R9,R20 | 10 k |
| R10 | 3k9 |
| R11,R14 | 56 k |
| R12 | 47 k |
| R13 | 220 Ω |
| P1,P6,P7 | 10 k lin. |
| P2 | 500 k (zie tekst) |
| P3 | 100 Ω, lin. |
| P4 | 5 k instelpot. |
| P5 | 25 k instelpot. |
| C1 ,C12 | 220 n |
| C2 | 22 µ/10 V |
| C3 | 15 p |
| C4,C16 | 12 n |
| C5,C17 | 1n2 |
| C6,C15,C18 | 4n7 |
| C7,C19 | 680 p |
| C8,C20 | 82 n |
| C9,C21 | 1n5 |
| C10,C22 | 100 p |
| C11* | 2µ2/10 V |
| C13*,C23 | 10 µ/16 V |
| C14* | 1 µ/10 V |
| C24 | 330 n |
| C25 | 100 n |
| IC1 | XR2206 |
| IC2 | CA324, LM324 |
| IC3 | CA3130 (DIL) |
| IC4 | 7812 |
| EPS 81142 | |
| *: tantaal-uitvoering of elko voor vertikale montage. | |
Figuur 6. De koper-layout en de komponentenopstelling van de print voor de verwartaler. Als het gescrambled signaal niet op de band opgenomen wordt, dienen twee verwartalers opgebouwd te worden.
Wanneer alle onderdelen netjes op de print(en) gemonteerd zijn en de schakeling van voedingsspanning voorzien is, kan met de afregeling begonnen worden. De lopers van P1, P4 en P7 worden naar massa gedraaid, terwijl de lopers van P3, P5 en P6 in de middenstand worden gezet. Stel P2 in op minimale weerstand. De uitgang van de verwartaler wordt nu op een versterker + luidspreker aangesloten. Draai P7 zo ver open dat het oscillatorsignaal duidelijk hoorbaar is. Stel met P6 de frekwentie van dit signaal in op 3500 Hz. Mocht er geen oscilloskoop of frekwentiemeter voorhanden zijn, dan wordt P6 in de middenstand gezet. De geijkte stand van P6 moeten we op de frontplaat met een streepje markeren. Bij het scramblen van signalen moet P6 steeds in deze stand staan. Bij het descramblen kunnen we met P6 eventueel korrigeren.
Zoals reeds bij de beschrijving van het blokschema opgemerkt is, mag de hinderlijke 3500 Hz-toon niet in het uitgangssignaal aanwezig zijn. Hij zal onderdrukt moeten worden. Dat doen we met potmeter P4. Hierbij dient opgemerkt te worden dat een perfekte onderdrukking praktisch niet mogelijk is; een zeer gering oscillatorsignaal is echter niet storend. Is de onderdrukking optimaal afgeregeld (de vermenigvuldiger is dan gebalanceerd), dan kunnen we een verloop door temperatuurinvloeden met P3 bijregelen.
Sluit nu een 600 Hz-sinussignaal op de ingang aan en draai P1 zo ver open dat een hoge toon (= 3500 Hz - 600 Hz = 2900 Hz) en een lage toon (600 Hz) hoorbaar zijn. Eventueel kan de versterking van IC3 nog opgekrikt worden door P2 te verdraaien. De 600 Hz toon moet door verdraaien van P5 zo goed mogelijk onderdrukt worden, zodat alleen een toon van 2900 Hz overblijft. Beschikt men niet over een generator die een 600 Hz-sinussignaal kan leveren, dan niet getreurd. In figuur 7 staat het schema afgebeeld van een geschikt testgeneratortje, dat men op een stukje gaatjesprint kan opbouwen. Dit generatortje kan met de gestabiliseerde spanning van 12 volt uit de verwartaler gevoed worden.
Figuur 7. Beschikt men niet over een generator die een 600 Hz-sinussignaal kan leveren, dan kan dit eenvoudige test-generatortje uitkomst bieden.
Na het afregelen is de verwartaler klaar voor gebruik. Heeft men twee printen (inklusief netvoeding) opgebouwd, dan kunnen deze eenvoudig op een goede werking gekontroleerd worden door ze in serie te schakelen. De eerste print fungeert dan als scrambler en de tweede als descrambler. Sluit op de ingang van de eerste print een mikrofoon aan en verbind de uitgang van de tweede print met een versterker + luidspreker. Als de afregeling goed is uitgevoerd, moet men zijn eigen stem kunnen herkennen wanneer men in de mikrofoon spreekt. Hifi-kwaliteit mag men echter niet verwachten. Eventueel dient P6 van de descrambler bijgeregeld en/of de gevoeligheid met P2 aangepast te worden.
Verwijdert men de tweede print (descrambler), dan zal het via de versterker + luidspreker weergegeven resultaat onverstaanbaar zijn.