Курсовая: Защита речевой информации в телефонных линиях связи

речевого сигнала изменяется относи­тельно медленно, набор амплитуд выходных

сигналов фильтров образует пригодную для вокодера основу. В синтезаторе

параметры амплитуды каждого канала управляют коэфициентами усиления фильтра,

характеристики которого подобны характеристикам фильтра анализатора. Таким

образом, структура полосного вокодера базируется на двух блоках фильтров -

для анализа и синтеза. Увеличение числа каналов улучшает разбор­чивость, но

при этом требуется большая скорость передачи. Компромиссным решением обычно

становится выбор 16-20 каналов при скорости передачи около 2400 бит/с.

Полосовые фильтры в цифровом исполнении строятся на базе аналоговых фильтров

Баттерворта, Чебышева, эллиптических и других. Каждый 20-миллисекундный

от­резок времени кодируется 48 битами, из них 6 бит отводится на информацию

об основ­ном тоне, один бит на информацию "тон-шум", характеризующую наличие

или отсут­ствие вокализованного участка речевого сигнала, остальные 41 бит

описывают значения амплитуд сигналов на выходе полосовых фильтров.

Существуют различные модификации полосного вокодера, приспособленные для

каналов с ограниченной полосой пропускания. При отсутствии жестких требований

на качество синтезированной речи удается снизить количество бит передаваемой

информа­ции с 48 до 36 на каждые 20 миллисекунд, что обеспечивает снижение

скорости до 1800 бит/с. Уменьшение скорости передачи до 1200 бит/с возможно в

случае передачи каж­дого второго кадра речевого сигнала и в нем

дополнительной информации о синтезе пропущенного кадра. Потери в качестве

синтезированной речи от таких процедур не слишком велики, достоинством же

является снижение скорости передачи сигнала.

Наибольшее распространение среди систем цифрового кодирования речи с

последу­ющим шифрованием получили системы, основным узлом которых являются

вокодеры с линейным предсказанием речи (ЛПР).

Математическое представление модели цифрового фильтра, используемого в

воко­дере с линейным предсказанием, имеет вид кусочно-линейной аппроксимации

процесса формирования речи с некоторыми упрощениями, а именно: каждый текущий

отсчет ре­чевого сигнала является линейной функцией Р предыдущих отсчетов.

Несмотря на не­совершенство такой модели, ее параметры обеспечивают

приемлемое представление ре­чевого сигнала. В вокодере с линейным

предсказанием анализатор осуществляет мини­мизацию ошибки предсказания,

представляющей собой разность текущего отсчета рече­вого сигнала и

средневзвешенной суммы Р предыдущих отсчетов, где Р - порядок пред­сказания,

а весовые коэффициенты являются коэффициентами линейного предсказания. Оценка

качества проводится по минимуму среднеквадратической величины ошибки

пред­сказания. Существует несколько методов минимизации ошибки. Общим для

всех являет­ся то, что при оптимальной величине коэффициентов предсказания

спектр сигнала ошибки приближается к белому шуму и соседние значения ошибки

имеют минимальную корре­ляцию. Известные методы делятся на две категории:

последовательные и боковые, ко­торые получили наибольшее распространение.

В вокодере с линейным предсказанием речевая информация передается тремя

пара­метрами: амплитудой, решением "тон/шум" и периодом основного тона для

вокализо­ванных звуков. Так, согласно федеральному стандарту США, период

анализируемого отрезка речевого сигнала составляет 22,5 мс, что соответствует

180 отсчетам при частоте дискретизации 8 кГц. Кодирование в этом случае

осуществляется 54 битами, что соответствует скорости передачи 2400 бит/с. При

этом 41 бит отводится на кодирова­ние десяти коэффициентов предсказания, 5 -

на кодирование величины амплитуды, 7 - на передачу периода основного тона, и

1 бит определяет решение "тон/шум". При осу­ществлении подобного кодирования

предполагается, что все параметры независимы, однако в естественной речи

параметры коррелированы и возможно значительное сниже­ние скорости передачи

данных без потери качества, если правило кодирования оптими­зировано с учетом

зависимости всех параметров. Такой подход известен под названием векторного

кодирования. Его применение к вокодеру с линейным предсказанием позво­лит

снизить скорость передачи данных до 800 бит/с и менее с очень малой потерей

ка­чества.

Основной особенностью использования систем цифрового закрытия речевых

сигналов является необходимость использования модемов. В принципе возможны

следующие подходы при проектировании систем цифрового закрытия речевых

сигналов:

1) цифровая последовательность параметров речи с выхода вокодерного

устройства подается на вход шифратора, где подвергается преобразованию по

одному из криптог­рафических алгоритмов, затем поступает через модем в канал

связи, на приемной сто­роне которого осуществляются обратные операции по

восстановлению речевого сигна­ла, в которых задействованы модем и дешифратор

(см. рис.1.D). Шифрующие/дешифрующие функции обеспечивают­ся либо в отдельных

устройствах, либо в программно-аппаратной реализации самого вокодера;

2) шифрующие/дешифрующие функции обеспечиваются самим модемом (так называемый

засекречивающий модем) обычно по известным криптографическим

алгорит­мам типа DES и другим. Цифровой поток, несущий информацию о параметрах

речи, с выхода вокодера непосредственно поступает на такой модем.

Организация связи по ка­налу аналогична вышеприведенной.

Критерии оценки систем закрытия речи

Существуют четыре основных критерия, по которым оцениваются характеристики

устройств закрытия речевых сигналов, а именно: разборчивость речи,

узнаваемость го­ворящего, степень закрытия и основные технические

характеристики системы.

Приемлемым или коммерческим качеством восстановленной на приемном конце речи

считается такое, когда слушатель может без труда определить голос говорящего

и смысл произносимого сообщения. Помимо этого, под хорошим качеством

передаваемого рече­вого сигнала подразумевается и возможность воспроизведения

эмоциональных оттенков и других специфических эффектов разговора, присущих

беседам tet-a-tet.

Влияющие на качество восстановленного речевого сигнала параметры узкополосных

закрытых систем передачи речи определяются способами кодирования, методами

моду­ляции, воздействием шума, инструментальными ошибками и условиями

распростране­ния. Шумы и искажения воздействуют на характеристики каждой

компоненты системы по-разному, и снижение качества, ощущаемое пользователем,

происходит от суммарно­го эффекта понижения характеристик отдельных

компонент. Существующие объектив­ные методы оценки качества речи и систем не

применимы для сравнения характеристик узкополосных дискретных систем связи, в

которых речевой сигнал преобразуется в си­стему параметров на передающей

стороне, передается по каналу связи, а затем синтези­руется в речевой сигнал

в приемнике.

Существующие субъективные методы измерений разборчивости и естественности

отличаются значительной трудоемкостью, поскольку в этом деле многое зависит

от ис­пользуемого словаря, выбранного канала связи, диалекта, возраста и

эмоционального состояния испытуемых дикторов. Поэтому проведение измерений

для получения стати­стически надежных и повторяемых оценок параметров системы

при изменяющихся ус­ловиях требует больших затрат.

При использовании радиоканалов эти трудности еще более возрастают из-за

неопре­деленности условий распространения, и достичь повторяемости

результатов невозмож­но без применения моделей радиоканалов.

Для дуплексных систем дополнительное влияние на качество оказывает временная

задержка сигнала, вносимая речевым скремблером или шифратором.

Поскольку основным показателем секретности передаваемых речевых сообщений

является его неразборчивость при перехвате потенциальными подслушивающими

лица­ми, сравнение по степеням защиты является определяющим моментом при

выборе пользо­вателем конкретной системы закрытия речи. В основном

распределение по уровням зак­рытия речевых сообщений соответствует ранее

приведенной диаграмме на рис.2.

Как правило, аналоговые скремблеры используются там, где применение цифровых

систем закрытия речи затруднено из-за наличия возможных ошибок передачи

(назем­ные линии связи с плохими характеристиками или каналы дальней

радиосвязи), обес­печивают тактический уровень защиты и хорошо предохраняют

переговоры от посто­ронних "случайных ушей", имеющих ограниченные ресурсы,

будь то соседи или сослу­живцы. Для таких применений годятся системы со

статическим закрытием, то есть осу­ществляющие шифрование по фиксированному

ключу.

Если же необходимо сохранить конфиденциальность информации от возможных

конкурентов, обладающих достаточным техническим и специальным оснащением, то

нужно применять аналоговые скремблеры среднего уровня закрытия с динамически

меняющим­ся в процессе разговора ключом. Естественно, что эти системы будут

дороже, чем системы закрытия с фиксированным ключом, однако они настолько

осложнят работу непри­ятелей по разработке дешифрующего алгоритма, что время,

потраченное на это, значительно обесценит добытую информацию из

перехваченного сообщения.

Поскольку в таких устройствах закрытия, как правило, перед началом сообщения

передается синхропоследовательность, содержащая часть дополнительной

информации о ключе именно этого передаваемого сообщения, у противника имеется

только один шанс попытаться его раскрыть, перебрав широкое множество ключевых

установок, и, если ключи меняются ежедневно, то даже при известном алгоритме

преобразования речи не­приятелю придется перебрать много тысяч вариантов в

поисках истинной ключевой под­становки.

В случае, если есть предположение, что в целях добывания крайне интересующей

его информации противник может воспользоваться услугами

высококвалифицированных специалистов и их техническим арсеналом, то для того,

чтобы быть уверенным в отсут­ствии утечки информации, необходимо применять

системы закрытия речи, обеспечива­ющие стратегическую (самую высокую) степень

защиты. Это могут обеспечить лишь ус­тройства дискретизации речи с

последующим шифрованием и новый тип аналоговых скремблеров. Последние

используют методы преобразования аналогового речевого сиг­нала в цифровую

форму, затем применяют методы криптографического закрытия, ана­логичные тем,

что используются для закрытия данных, после чего результирующее зак­рытое

сообщение преобразуется обратно в аналоговый сигнал и подается в линию связи.

Для раскрытия полученного сигнала на приемном конце производятся обратные

преоб­разования. Эти новейшие гибридные устройства легко адаптируются к

существующим коммуникационным сетям и предлагают значительно более высокий

уровень защиты ре­чевых сообщений, чем традиционные аналоговые скремблеры, с

сохранением всех пре­имуществ последних в разборчивости и узнаваемости

восстановленной речи.

Следует отметить, что в системах засекречивания речи, основанных на шифре

пере­становки N речевых элементов, общее число ключей-перестановок равно N!

. Однако это число не отражает реальной криптографической стойкости системы

из-за избыточности информации, содержащейся в речевом сигнале, а также из-за

разборчивости несовер­шенным образом переставленной в инвертированной речи.

Поэтому криптоаналитику противника часто необходимо опробовать лишь К<<N

! случайных перестановок для вскрытия речевого кода. Этот момент следует

учитывать при выборе надежной системы аналогового скремблирования.

Ниже приведены некоторые виды скремблеров и их характеристики

Тенденции развития систем закрытия речи

Целью современных исследований методов закрытия и обработки речевых сигналов

является улучшение параметров для заданных каналов передачи с использованием

дос­тижении микроэлектронной технологии.

В ближайшие десять лет не ожидается каких-либо значительных изменений в

обла­сти аналогового скремблировання. Ожидается, что аналоговые скремблеры и

дальше будут использоваться на некачественных линиях связи, пока не будут

созданы надежные мо­демы с исправлением ошибок, возникающих в процессе

цифровой передачи по таким

Некоторые публикации свидетельствуют о том, что развитие цифровых

процессоров обработки сигналов (ЦПОС) позволит гораздо эффективнее

использовать существующие алгоритмы при общем снижении габаритов и

энергопотребления аппара­туры закрытия речевых сигналов. Благодаря развитию

ЦПОС уже удалось намного ус­ложнить полосовые скремблеры, по мере

совершенствования которых легче будет реализовывать сложные методы

скремблирования, например, комбинированные частотно-временные.

Применение ЦПОС позволит повысить качество речи за счет более точных методов

фильтрации и обработки. В скором времени следует ожидать появления на рынке

дос­таточного количества аналоговых скремблеров нового типа, обеспечивающих

уровень защиты речевых сигналов, сравнимый с цифровыми устройствами закрытия

речи, при высоком качестве и узнаваемости восстановленного речевого сигнала,

присущего анало­говым скремблерам.

Рост спроса на простейшие скремблеры в таких областях, где они раньше не

приме­нялись, привел к появлению устройств закрытия речи, реализованных в одном

кристал­ле. Так в публикациях сообщается о начале производства

специализированной микросхемы, по­зволяющей осуществлять алгоритм закрытия

речи на основе временных перестановок и предназначенной для использования в

радиосвязи такси и автобусов.

В конце 90-х годов среди систем дискретизации речи с последующим шифрованием

наряду с последующим развитием систем закрытия речевых сигналов на основе

DES-алгоритмов ожидается широкое распространение криптографических систем с

открыты­ми ключами, что, например, позволит создать новую защищенную систему

телефонной связи с числом абонентов до 3 млн. для нужд министерства обороны

США и его под­рядчиков. Основные усилия в области совершенствования

дискретной техники кодиро­вания направлены на соединение высоких качеств

звучания синтезированной речи в среднескоростных вокодерах с достоинством

низкоскоростных преобразователей - малой по­лосой частот. Одним из возможных

способов является многоимпульсное возбуждение во­кодера, способное заменить

параметры основного тона и признаки "тон/шум" набором импульсов с различными

амплитудами.

Развитием идеи векторного кодирования является построение кодовозбуждающегося

и самовозбуждающегося вокодеров. Основной принцип их работы сходен с

многоим­пульсным возбуждением. Передаваемые параметры заменяются единственным

адресом, выбирающим наиболее подходящую форму возбуждающего сигнала из числа

сигналов, записанных в банке кодов.

Главная трудность реализации многоимпульсного и векторного методов состоит в

большом количестве расчетов, проводимых анализатором с целью оптимального

выбора формы сигнала возбуждения. Поэтому определенные усилия направлены на

упрощение этого анализа.

Дальнейшее снижение требуемой скорости передачи возможно путем

параметриза­ции огибающей спектра речи в зависимости от частот формант и

амплитуд. Трудность точной и надежной идентификации формант обуславливает

низкое качество форматного вокодера. Однако при правильном управлении его

синтезатор восстанавливает речь с высоким качеством. Использование

коэффициентов линейного предсказания для опре­деления частот формант позволит

сочетать свойства формантного вокодера и вокодера с линейным предсказанием,

но при более низкой скорости передачи. Ожидается доведе­ние скорости передачи

до величины 600 бит/с.

В большинстве технических приложений используется язык с ограниченным

слова­рем, и переход к кодированию лишь некоторых звуков и слов может намного

снизить требования к скорости передачи. Например, для словаря в 500 слов

требуемая скорость не превосходит 30 бит/с. Повышенная чувствительность к

ошибкам канала связи мо­жет быть преодолена использованием помехоустойчивого

кодирования. Потенциальный недостаток таких систем заключается в том, что

синтезированная на приемной стороне речь не будет содержать индивидуальных

характеристик голоса говорящего. Однако эту трудность можно преодолеть,

используя признак аутентичности, передаваемый заранее. В будущем станет

возможным управление синтезатором для имитации характеристики говорящего с

использованием инфо

рмации, содержащейся в посылке аутентичности.

Список используемой литературы

1. В.В. ЛУКОЯНОВ, д.т.н., профессор. // «Средства защиты речевой

информации»// http://cherkessk.hotbox.ru/protect.htm

2. Кравченко В. Б.,кандидат технических наук,лауреат

Государственной премии СССР // «ЗАЩИТА РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ В

КАНАЛАХ СВЯЗИ»

3. В. Лукоянов.Средства защиты речевой информации.// ИКС.- 2001.-№4.

4. Сталенков С.Е.,Шулика Е. В. НЕЛК – новая идеология комплексной

безопасности. Способы и аппаратура защиты телефонных линий.//Защита

информации.Конфидент.-1998.- №6(24).-25..30 с.

5. С.В.Дворянкин, Д.В.Девочкин. Методы закрытия речевых

сигналов в телефонных каналах.//Защита информации.Конфидент.-1995.-№ 5.-с.45-59

6. Обзор методов защиты телефонной линии от

несанкционированного съема информации// http://kiev-security.org.ua

Страницы: 1, 2, 3