Курсовая: Защита речевой информации в телефонных линиях связи

каналу связи со скоростями модуляции от 2.4 до 19.2 кбит/с, обеспечивая при

этом несколько худшее качество воспроизведения речи по сравнению с обычным

телефоном. Основным же преимуществом таких цифровых систем кодирования и

шифрования остается высокая сте­пень закрытия речи, получаемая посредством

использования широкого набора криптографических методов, применяемых для

защиты передачи данных по каналам связи.

Методы речевого скремблирования впервые появились во время второй мировой

воины. Среди последних достижений в этой области следует отметить широкое

исполь­зование интегральных схем, микропроцессоров и процессоров цифровой

обработки сиг­налов (ЦПОС). Все это обеспечило высокую надежность устройств

закрытия речи с умень­шением их размера и стоимости.

Аналоговым скремблерам удалось избежать многих трудностей, связанных с

пере­дачей речевого сигнала и/или его параметров, присущих цифровым системам

закрытия речи, и в тоже время достичь определенного уровня развития,

обеспечивающего сред­нюю и даже высокую степень защиты речевых сообщений.

Поскольку скремблированные речевые сигналы в аналоговой форме лежат в той же

полосе частот, что и исходные открытые, это означает, что их можно передавать

по обычным коммерческим каналам связи, используемым для передачи речи, без

затребования какого-либо специального оборудования, такого, как, например,

модемы. Поэтому устройства речевого скремблирования не так дороги и

значительно менее сложны, чем устройства дискретизации с последующим цифровым

шифрованием.

Аналоговые скремблеры, по их режиму работы, можно разбить на два следующих

класса:

1) статические системы, схема кодирования которых остается неизменной в

течение всей передачи речевого сообщения;

2) динамические системы, постоянно генерирующие кодовые подстановки в ходе

передачи (код может быть изменен в процессе передачи несколько раз в течение

каждой секунды).

Очевидно, что динамические системы обеспечивают более высокую степень защиты,

поскольку резко ограничивают возможность легкого прослушивания переговоров

посто­ронними лицами.

Процесс аналогового скремблирования представляет собой сложное преобразование

речевого сигнала с его последующим восстановлением (с сохранением

разборчивости речи) после прохождения преобразованного сигнала по

узкополосному каналу связи, подвер­женному воздействию шумов.

Возможно преобразование речевого сигнала по трем параметрам: амплитуде,

часто­те и времени. Считается, что использовать амплитуду нецелесообразно,

так как изменя­ющиеся во времени затухание канала и отношение сигнал/шум

делают чрезвычайно сложным точное восстановление амплитуды переданного

сигнала. Практическое приме­нение получило только частотное и временное

скремблирование и их комбинации. Как вторичные ступени скремблирования в этих

системах могут использоваться ограничен­ные виды амплитудного

скремблирования.

Как уже отмечалось выше, существует два основных вида частотных скремблеров

инверсный и полосовой. Оба основаны на преобразованиях спектра исходного

речевого сигнала для скрытия передаваемой информации и восстановлении

полученного речевого сообщения путем обратных преобразований.

Инверсный скремблер осуществляет преобразование речевого спектра,

равносильное повороту частотной полосы речевого сигнала вокруг некоторой

средней точки (рис.3). При этом достигается эффект преобразования низких

частот в высокие частоты, и наоборот.

Данный способ обеспечивает невысокий уровень закрытия, так как при перехвате

легко устанавливается величина частоты, соответствующая средней точке

инверсии в полосе спектра речевого сигнала.

Некоторое повышение уровня закрытия обеспечивает полосно-сдвиговый инвертор,

осуществляющий разделение полосы на две субполосы, при этом точка разбиения

выс­тупает в роли некоторого ключа системы. В дальнейшем каждая субполоса

инвертируется вокруг своей средней частоты. Этот вид скремблирования, однако,

также слишком прост для вскрытия при перехвате и не обеспечивает надежного

закрытия. Повысить уровень закрытия можно путем изменения по некоторому

закону частоты, соответствующей точке разбиения полосы речевого сигнала (ключа

системы).

Речевой спектр можно также разделить на несколько частотных полос равной

шири­ны и произвести их перемешивание и инверсию по некоторому правилу (ключ

систе­мы). Так функционирует полосовой скремблер (рис.4).

Изменение ключа системы позволяет повысить степень закрытия, но требует

введе­ния синхронизации на приемной стороне системы. Основная часть энергии

речевого сиг­нала сосредоточена в небольшой области низкочастотного спектра,

поэтому выбор вари­антов перемешивания ограничен, и многие из систем

характеризуются относительно высокой остаточной разборчивостью.

Существенное повышение степени закрытия речи может быть достигнуто путем

реа­лизации в полосовом скремблере быстрого преобразования Фурье (БПФ). При

этом количество допустимых перемешиваний частотных полос значительно

увеличивается, что обеспечивает высокую степень закрытия без ухудшения

качества речи. Можно дополни­тельно повысить степень закрытия путем

осуществления задержек различных частот­ных компонент сигнала на разную

величину. Пример реализации такой системы пока­зан на рис.5

Главным недостатком использования БПФ является возникновение в системе

боль­шой задержки сигнала (до 300 мс), обусловленной необходимостью

использования весовых функций. Это приводит к затруднениям в работе

дуплексных систем связи.

Временные скремблеры основаны на двух основных способах закрытия: инверсии по

времени сегментов речи и их временной перестановке. По сравнению с

частот­ными скремблерами задержка у временных скремблеров намного больше, но

существу­ют различные методы ее уменьшения.

В скремблерах с временной инверсией речевой сигнал делится на

последовательность временных сегментов и каждый из них передается инверсно во

времени - с конца. Такие скремблеры обеспечивают ограниченный уровень

закрытия, зависящий от дли­тельности сегментов. Для достижения

неразборчивости медленной речи необходимо, чтобы длина сегмента составляла

около 250 мс. Это означает, что за­держка системы будет равна примерно 500

мс, что может оказаться неприемлемым для некоторых приложений.

Для повышения уровня закрытия прибегают к способу перестановки временных

от­резков речевого сигнала в пределах фиксированного кадра (рис.6). Правило

перестановок является ключом системы, изменением которого можно существенно

повысить сте­пень закрытия речи. Остаточная разборчивость зависит от

длительностей отрезков сиг­нала и кадра и с увеличением последнего

уменьшается.

Главным недостатком скремблера с фиксированным кадром является большая

вели­чина времени задержки системы, равная удвоенной длительности кадра. Этот

недо­статок устраняется в скремблере с перестановкой временных отрезков

речевого сигнала со скользящим окном. В нем число комбинаций возможных

перестановок ограничено таким образом, что задержка любого отрезка не

превосходит установленного максималь­ного значения. Каждый отрезок исходного

речевого сигнала как бы имеет временное окно, внутри которого он может

занимать произвольное место при скремблировании. Это окно скользит во времени

по мере поступления в него каждого нового отрезка сигнала. За­держка при этом

снижается до длительности окна.

Используя комбинацию временного и частотного скремблирования, можно

значитель­но повысить степень закрытия речи. Комбинированный скремблер

намного сложнее обыч­ного и требует компромиссного решения по выбору уровня

закрытия, остаточной раз­борчивости, времени задержки, сложности системы и

степени искажений в восстанов­ленном сигнале. Количество же всевозможных

систем, работающих по такому принципу, ограничено лишь человеческим

воображением.

В качестве примера такой системы рассмотрим скремблер, схема которого

представ­лена на рис.7 , где операция частотно-временных перестановок

дискретизированных отрезков речевого сигнала осуществляется при помощи четырех

процессоров цифровой обработки сигналов, один из которых может

реализовывать функцию генератора слу­чайной последовательности (ключа системы

закрытия).

В таком скремблере спектр оцифрованного аналогово-цифровым преобразователем

(АЦП) речевого сигнала разбивается посредством использования алгоритмов

цифровой обработки сигналов на частотно-временные элементы, которые затем

перемешиваются на частотно-временной плоскости в соответствии с одним из

криптографических алго­ритмов (Рис.8) и суммируются, не выходя за пределы

частотного диапазона исходного сигнала.

Рис. 8. Принцип работы комбинированого скремблера

В представленной на (рис.8) системе закрытия речи используются четыре

процессора цифровой обработки сигналов. Количество частотных полос спектра, в

которых произ­водятся перестановки с возможной инверсией спектра, - четыре.

Максимальная задержка частотно-временного элемента по времени равна пяти.

Полученный таким образом закрытый сигнал при помощи цифро-аналогового

преобразователя (ЦАП) переводится в аналоговую форму и подается в канал

связи. На приемном конце производятся обратные операции по восстановлению

полученного закрытого речевого сообщения. Стойкость представленного алгоритма

сравнима со стойкостью систем цифрового закрытия речи.

Скремблеры всех типов, за исключением простейшего (с частотной инверсией),

вносят искажения в восстановленный речевой сигнал. Границы временных

сегментов нарушают целостность сигнала, что неизбежно приводит к появлению

внеполосных составляющих. Нежелательное влияние оказывают и групповые

задержки составляющих речевого сигнала в канале связи. Результатом искажений

является увеличение минимально допустимого отношения сигнал/шум, при котором

может осуществляться надежная связь.

Однако, несмотря на указанные проблемы, методы временного и частотного

скремблирования, а также комбинированные методы успешно используются в

коммерческих каналах связи для защиты конфиденциальной информации.

Дискретизация речи с последующим шифрованием

(цифровое скремблирование)

Альтернативным аналоговому скремблированию методом передачи речи в закрытом

виде является шифрование речевых сигналов, преобразованных в цифровую форму,

перед их передачей ( см. рис. 1-С и 1-D). Этот метод обеспечивает более

высокий уровень закрытия по сравнению с описанными выше аналоговыми методами.

В основе устройств работающих по такому принципу, лежит представление

речевого сигнала в виде цифровой последовательности, закрываемой по одному из

криптографических алгоритмов. Передача данных, представляющих

дискретизированные отсчеты речевого сигнала или его параметры, по телефонным

сетям, как и в случае устройств шифрования алфавитно-цифровой и графической

информации, осуществляется через устройства, называемые модемами.

Основной целью при разработке устройств цифрового закрытия речи является

сохранение тех ее характеристик, которые наиболее важны для восприятия

слушателем. Одним из путей является сохранение формы речевого сигнала. Это

направление применяется в широкополосных цифровых системах закрытия речи.

Однако использование свойств избыточности информации, содержащейся в

человеческой речи, более эффективно. Это направление разрабатывается в

узкополосных цифровых системах закрытия речи.

Ширину спектра речевого сигнала можно считать приблизительно равной 3,3 кГц,

а для достижения хорошего качества восприятия необходимое соотношение

сигнал/шум должно составлять 30 дБ. Тогда, согласно теории Шеннона, требуемая

скорость передачи дискретизированной речи будет соответствовать величине 33

кбит/с.

С другой стороны, структура речевого сигнала представляет собой

последователь­ность звуков (фонем), передающих информацию. Поскольку в

английском языке около 40 фонем, а в немецком - 70, то для

представления фонетического алфавита потребуется 6-7 бит. Максимальная скорость

произношения не превышает 10 фонем в секунду. Сле­довательно, минимальная

скорость передачи основной технической информации речи не ниже 60-70 бит/с.

Сохранение формы сигнала требует высокой скорости передачи и, соответственно,

использования широкополосных каналов связи. Например, при импульсно-кодовой

мо­дуляции (ИКМ), используемой в большинстве телефонных сетей, необходима

скорость передачи, равная 64 кбит/с. В случае применения адаптивной

дифференциальной ИКМ она понижается до 32 кбит/с и ниже. Для узкополосных

каналов, не обеспечивающих такие скорости передачи, требуются устройства,

исключающие избыточность речи до ее передачи. Снижение информационной

избыточности речи достигается параметризацией речевого сигнала, при которой

характеристики речи, существенные для восприятия, сохраняются.

Таким образом, правильное применение методов цифровой передачи речи с высокой

информационной эффективностью является крайне важным направлением разработок

устройств цифрового закрытия речевых сигналов. В таких системах устройство

кодиро­вания речи (вокодер), анализируя форму речевого сигнала, производит

оценку пара­метров переменных компонент модели генерации речи и передает эти

параметры в циф­ровой форме по каналу связи на синтезатор, где согласно этой

модели по принятым параметрам синтезируется речевое сообщение. В таких

моделях речевой сигнал пред­ставляется в виде нестационарного процесса с

ограниченной скоростью изменения пара­метров из-за механической инерции

голосовых органов человека. На малых интервалах времени (до 30 мс) параметры

сигнала могут рассматриваться как постоянные. Чем ко­роче интервал анализа,

тем более точно может быть представлена динамика речи, но при этом требуется

более высокая скорость передачи данных. В большинстве практи­ческих случаев

используются 20-миллисекундные интервалы и достигается скорость передачи

данных 2400 бит/с.

Наиболее распространенными типами вокодеров являются полосные и с линейным

предсказанием. Целью любого вокодера является передача параметров,

характеризую­щих речь и имеющих низкую информационную скорость. Полосный

вокодер достигает этого путем передачи амплитуды нескольких частотных полос

речевого спектра. Каж­дый полосовой фильтр такого вокодера возбуждается при

попадании энергии речевого сигнала в его полосу пропускания. Так как спектр

Страницы: 1, 2, 3