Методы и средства защиты информации. Внимание!!! В книге могут встречаться существенные ошибки (в рисунках и формулах). Они не связаны ни со
 Скачать 4.86 Mb.
|
|
Глава 19. Скремблирование ной задачу точного восстановления амплитуды сигнала Поэтому практическое применение получили только частотное и временное скремблирование , а так - же их комбинации В качестве вторичных ступеней скремблирования в таких системах могут использоваться некоторые виды амплитудного скремблирова - ния Существует два основных вида частотных скремблеров — инверсные и полосовые Оба основаны на преобразованиях спектра исходного речевого сигнала для сокрытия передаваемой информации и восстановления полученно - го сообщения путем обратных преобразований Инверсный скремблер ( рис . 19.6) осуществляет преобразование речевого спектра , равносильное повороту частотной полосы речевого сигнала вокруг не - которой средней точки При этом достигается эффект преобразования низких частот в высокие и наоборот Рис . 19.6. Принцип работы инвертора речи Данный способ обеспечивает невысокий уровень закрытия , так как при пере - хвате легко устанавливается величина частоты , соответствующая средней точке инверсии в полосе спектра речевого сигнала Некоторое повышение уровня закрытия обеспечивает полосно - сдвиговый ин - вертор , разделяющий полосу на две субполосы При этом точка разбиения вы - ступает в роли некоторого ключа системы В дальнейшем каждая субполоса мо - жет инвертироваться 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 не - которому закону частоты , соответствующей точке разбиения на 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 . 19.7). Аналоговое скремблирование 453 Рис . 19.7. Принцип работы четырехполосного скремблера 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 системы харак - теризуются относительно высокой остаточной разборчивостью Существенное повышение степени закрытия речи может быть достигнуто пу - тем реализации в полосовом скремблере быстрого преобразования Фурье ( БПФ ). При этом количество допустимых перемешиваний частотных полос зна - чительно увеличивается , что обеспечивает высокую степень закрытия без ухуд - шения качества речи Можно дополнительно повысить степень закрытия путем осуществления задержек различных частотных компонент сигнала на разную величину Схема такой системы показана на рис . 19.8. Рис . 19.8. Основная форма реализации аналогового скремблера на основе БПФ Главным недостатком использования БПФ является возникновение в системе большой задержки сигнала ( до 300 м / с ), обусловленной необходимостью ис - пользования весовых функций Это приводит к затруднениям в работе дуплекс - ных систем связи 454 Глава 19. Скремблирование 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 последо - вательность временных сегментов , каждый из которых передается инверсно во времени — с конца Такие скремблеры обеспечивают ограниченный уровень за - крытия , зависящий от длительности сегментов Для достижения неразборчиво - сти медленной речи необходимо , чтобы длина сегментов составляла около 250 мс Задержка системы в таком случае составляет около 500 мс , что может ока - заться неприемлемым в некоторых приложениях Для повышения уровня закрытия прибегают к способу перестановки вре - менных отрезков речевого сигнала в пределах фиксированного кадра ( рис 19.9). Рис . 19.9. Схема работы временнóго скремблера с перестановками в фиксированном кадре Правило перестановок является ключом системы , изменением которого можно существенно повысить степень закрытия речи Остаточная разборчивость зависит от длины отрезков сигнала и длины кадра ( чем длиннее последний , тем хуже разборчивость ). Главный недостаток скремблера с фиксированным кадром — большая вели - чина времени задержки ( приблизительно 2 кадра ). Этот недостаток устраняется в скремблере с перестановкой временных отрезков речевого сигнала со сколь - зящим окном В нем количество перестановок ограничено таким образом , чтобы задержка не превышала установленного максимального значения Каждый отре - зок исходного речевого сигнала как бы имеет временное окно , внутри которого он может занимать произвольное место при скремблировании Это окно сколь - зит во времени по мере поступления в него каждого нового отрезка сигнала За - держка 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 уров - ня закрытия , остаточной разборчивости , времени задержки , сложности системы и степени искажений в восстановленном сигнале Количество же всевозможных систем , работающих по такому принципу , ограничено лишь воображением раз - работчиков В качестве примера такой системы рассмотрим скремблер , схема которого представлена на рис . 19.10. В этом скремблере операция частотно - временных Аналоговое скремблирование 455 перестановок дискретизированных отрезков речевого сигнала осуществляется с помощью четырех процессоров цифровой обработки сигналов , один из которых может реализовывать функцию генератора ПСП Рис . 19.10. Блок - схема комбинированного скремблера В таком скремблере спектр оцифрованного аналого - цифровым преобразова - нием речевого сигнала разбивается посредством использования алгоритма цифровой обработки сигнала на частотно - временные элементы Эти элементы затем перемешиваются на частотно - временной плоскости в соответствии с од - ним из криптографических алгоритмов ( рис . 19.11) и суммируются , не выходя за пределы частотного диапазона исходного сигнала Рис . 19.11. Принцип работы комбинированного скремблера В представленной на рис . 19.10 системе закрытия речи используется четыре процессора цифровой обработки сигналов Количество частотных полос спектра , в которых производятся перестановки с возможной инверсией спектра , равно четырем Максимальная задержка частотно - временного элемента по времени равна пяти Полученный таким образом закрытый сигнал с помощью ЦАП пере - 456 Глава 19. Скремблирование водится в аналоговую форму и подается в канал связи На приемном конце про - изводятся обратные операции по восстановлению полученного закрытого рече - вого сообщения Стойкость представленного алгоритма сравнима со стойкостью систем цифрового закрытия речи Скремблеры всех типов , за исключением простейшего ( с частотной инверси - ей ), вносят искажение 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 искаже - ний является увеличение минимально допустимого соотношения 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 Цифровое скремблирование Альтернативным аналоговому скремблированию речи является шифрование речевых сигналов , преобразованных в цифровую форму , перед их передачей ( см рис . 19.3). Этот метод обеспечивает более высокий уровень закрытия по сравнению с описанными выше аналоговыми методами В основе устройств , ра - ботающих по такому принципу , лежит представленные речевого сигнала в виде цифровой последовательности , закрываемой по одному из криптографических алгоритмов Передача данных , представляющих дискретизированные отсчеты речевого сигнала или его параметров , по телефонным сетям , как и в случае уст - ройств шифрования алфавитно - цифровой и графической информации , осуще - ствляется через устройства , называемые модемами Основной целью при разработке устройств цифрового закрытия речи являет - ся 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 более эффективно использовать свойства избыточности ин - формации , содержащейся в человеческой речи Это направление разрабатыва - ется в узкополосных цифровых системах закрытия речи Ширину спектра речевого сигнала можно считать приблизительно равной 3,3 кГц , а для достижения хорошего качества восприятия необходимо соотношение сигнал / шум примерно 30 дБ Тогда , согласно теории Шеннона , требуемая ско - рость передачи дискретизированной речи будет соответствовать величине 33 кбит / с С другой стороны , речевой сигнал представляет собой последовательность фонем , передающих информацию В английском языке , например , около 40 фо - нем , в немецком — около 70 и т д Таким образом , для представления фонети - ческого алфавита требуется примерно 6-7 бит Максимальная скорость произ - Цифровое скремблирование 457 ношения не превышает 10 фонем в секунду Следовательно , минимальная ско - рость передачи основной технической информации речи — не ниже 60-70 бит / с Сохранение формы сигнала требует высокой скорости передачи и , соответ - ственно , использования широкополосных каналов связи Так при импульсно - кодовой модуляции ( ИКМ ), используемой в большинстве телефонных сетей , не - обходима скорость передачи , равная 64 кбит / с В случае применения адаптив - ной дифференциальной ИКМ скорость понижается до 32 кбит / с и ниже Для уз - кополосных каналов , не обеспечивающие такие скорости передачи , требуются устройства , снижающие избыточность речи до ее передачи Снижение инфор - мационной избыточности речи достигается параметризацией речевого сигнала , при которой сохраняются существенные для восприятия характеристики речи Таким образом , правильное применение методов цифровой передачи речи с высокой информационной эффективностью , является крайне важным направле - нием разработки устройств цифрового закрытия речевых сигналов В таких сис - темах устройство кодирования речи ( вокодер ), анализируя форму речевого сиг - нала , производит оценку параметров переменных компонент модели генерации речи и передает эти параметры в цифровой форме по каналу связи на синтеза - тор , где согласно этой модели по принятым параметрам синтезируется речевое сообщение На малых интервалах времени ( до 30 мс ) параметры сигнала могут рассматриваться , как постоянные Чем короче интервал анализа , тем точнее можно представить динамику речи , но при этом должна быть выше скорость пе - редачи данных В большинстве случаев на практике используются 20- миллисекундные интервалы , а скорость передачи достигает 2400 бит / с Наиболее распространенными типами вокодеров являются полосные и с ли - нейным предсказанием Целью любого вокодера является передача парамет - ров , характеризующих речь и имеющих низкую информационную скорость По - лосный вокодер достигает эту цель путем передачи амплитуды нескольких час - тотных полосных речевого спектра Каждый полосовой фильтр такого вокодера возбуждается при попадании энергии речевого сигнала в его полосу пропуска - ния Так как спектр речевого сигнала изменяется относительно медленно , набор амплитуд выходных сигналов фильтров образует пригодную для вокодера осно - ву В синтезаторе параметры амплитуды каждого канала управляют коэффици - ентами усиления фильтра , характеристики которого подобны характеристикам фильтра анализатора Таким образом , структура полосового вокодера базирует - ся на двух блоках фильтров — для анализа и для синтеза Увеличение количе - ства каналов улучшает разборчивость , но при этом требуется большая скорость передачи Компромиссным решением обычно становится выбор 16-20 каналов при скорости передачи данных около 2400 бит / с Полосовые фильтры в цифровом исполнении строятся на базе аналоговых фильтров Баттерворта , Чебышева , эллиптических и др Каждый 20- миллисекундный отрезок времени кодируется 48 битами , из них 6 бит отводится на информацию об основном тоне , один бит на информацию “ тон – шум ”, харак - 458 Глава 19. Скремблирование теризующую 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 тре - бований на качество синтезированной речи удается снизить количество бит пе - редаваемой информации с 48 до 36 на каждые 20 мс , что обеспечивает сниже - ние скорости до 1200 бит / с Это возможно в случае передачи каждого второго кадра речевого сигнала и дополнительной информации о синтезе пропущенного кадра Потери в качестве синтезированной речи от таких процедур не слишком велики , достоинством же является снижение скорости передачи сигналов Наибольшее распространение среди систем цифрового кодирования речи с последующим шифрованием получили системы , основным узлом которых явля - ются вокодеры с линейным предсказанием речи ( ЛПР ). Математическое представление модели цифрового фильтра , используемого в вокодере с линейным предсказанием , имеет вид кусочно - линейной аппрокси - мацией процесса формирования речи с некоторыми упрощениями : каждый те - кущий отсчет речевого сигнала является линейной функцией P предыдущих от - счетов Несмотря на несовершенство такой модели , ее параметры обеспечива - ют приемлемое представление речевого сигнала В вокодере с линейным представлением анализатор осуществляет минимизацию ошибки предсказания , представляющего собой разность текущего отсчета речевого сигнала и средне - взвешенной суммы предыдущих отсчетов Существует несколько методов ми - нимизации 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 коррекцию Известные методы делятся на две категории : последовательные и блочные , которые полу - чили наибольшее распространение В вокодере с линейным предсказанием речевая информация передается тремя параметрами : амлитудой , решением “ тон / шум ” и периодом основного тока для вокализованных звуков Так , согласно федеральному стандарту США , пери - од анализируемого отрезка речевого сигнала составляет 22,5 мс , что соответст - вует 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 предсказа - ния , 5 — на кодирование величины амплитуды , 7 — на передачу периода основ - ного тона и 1 бит определяет решение “ тон / шум ”. При осуществлении подобного кодирования предполагается , что все параметры независимы , однако в естест - венной речи параметры коррелированы и возможно значительное снижение ми - нимально допустимой скорости передачи данных без потери качества , если пра - вило кодирования оптимизировать с учетом зависимости всех параметров Та - кой подход известен под названием векторного кодирования Его применение к Критерии_оценки_систем_закрытия_речи_459'>Критерии оценки систем закрытия речи 459 вокодеру с линейным предсказанием позволяет снизить скорость передачи дан - ных 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 возмож - ны следующие подходы к проектированию систем закрытия речевых сигналов 1. Цифровая последовательность параметров речи с выхода вокодерного уст - ройства 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 опе - рации по восстановлению речевого сигнала , в которых задействованы модем и дешифратор ( см рис . 19.3, 19.4). Модем представляет собой отдельное устройство , обеспечивающее передачу данных по одному из протоколов , ре - комендованных МККТТ Шифрующие / дешифрующие функции обеспечивают - ся либо в отдельных устройствах , либо в программно - аппаратной реализации вокодера 2. Шифрующие / дешифрующие функции обеспечиваются самим модемом ( так называемый засекречивающий модем ), обычно по известным криптографи - ческим алгоритмам типа DES и т п Цифровой поток , несущий информацию о параметрах речи , с выхода вокодера поступает непосредственно в такой мо - дем Организация связи по каналу аналогична приведенной выше Критерии оценки систем закрытия речи Существует четыре основных критерия , по которым оцениваются характери - стики устройств закрытия речевых сигналов , а именно : разборчивость речи , узнаваемость говорящего , степень закрытия и основные технические характеристики системы Приемлемым коммерческим качеством восстановленной на приемном конце речи считается такое , когда слушатель может без труда определить голос гово - рящего и смысл произносимого сообщения Помимо этого , под хорошим качест - вом передаваемого речевого сигнала подразумевается и возможность воспро - изведения эмоциональных оттенков и других специфических эффектов разгово - ра Влияющие на качество восстановленного узкополосного речевого сигнала параметры узкополосных закрытых систем передачи речи определяются спосо - бами кодирования , методами модуляции , воздействием шума , инструменталь - ным ошибками и условиями распространения Шумы и искажения воздействуют на характеристики каждой компоненты системы по - разному , и снижение качест - ва , ощущаемое пользователем , происходит от суммарного эффекта понижения характеристик отдельных компонент Существующие объективные методы оцен - ки качества речи и систем не применимы для сравнения характеристик узкопо - лосных дискретных систем связи , в которых речевой сигнал сначала преобразу - |