Аналоговое скремблирование - Кодировщики голоса
Наибольшая часть аппаратуры засекречивания речевых сигналов использует в настоящее время метод аналогового скремблирования, поскольку, во-первых, это дешевле, во-вторых, эта аппаратура применяется в большинстве случаев в стандартных телефонных каналах с полосой 3 кГц, в-третьих, обеспечивается коммерческое качество дешифрованной речи и, в-четвертых, гарантируется достаточно высокая стойкость закрытия.
Аналоговые скремблеры преобразуют исходный речевой сигнал посредством изменения его амплитудных, частотных и временных параметров в различных комбинациях. Скремблированный сигнал может затем быть передан по каналу связи в той же полосе частот, как и исходный, открытый. В аппаратах такого типа используется один или несколько принципов аналогового скремблирования из числа перечисленных ниже:
- скремблирование в частотной области: частотная инверсия (преобразование спектра сигнала с помощью гетеродина и фильтра), частотная инверсия и смещение (частотная инверсия с меняющимся скачкообразно смещением несущей частоты), разделение полосы частот речевого сигнала на ряд поддиапазонов с последующей их перестановкой и инверсией;
- скремблирование во временной области (разбиение блоков или частей речи на Сегменты с перемешиванием их во времени с последующим прямым и/или реверсивным считыванием);
- комбинация временного и частотного скремблирования.
Как правило, все перестановки каким-либо образом выделенных сегментов или участков речи во временной и/или в частотной областях осуществляются по закону псевдослучайной последовательности, вырабатываемой шифратором по ключу, меняющемуся от одного речевого сообщения к другому.
На стороне приемника выполняется дешифрование цифровых кодов, полученных из канала связи, и преобразование в аналоговую форму. Системы, работа которых основана на таком методе, являются достаточно сложными, поскольку для обеспечения высокого качества передаваемой речи требуется высокая частота дискретизации входного аналогового сигнала и соответственно высокая скорость передачи данных но каналу связи. Каналы связи, которые обеспечивают скорость передачи данных только 2400 бод, называются узкополосными, в то время, как другие, обеспечивающие скорость передачи свыше 2400 бод, относятся к широкополосным. По этому же принципу можно разделять и устройства дискретизации речи с последующим шифрованием.
Несмотря на всю свою сложность, аппаратура данного типа представлена на коммерческом рынке рядом моделей, большинство из которых передает данные по 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:
- статические системы, схема кодирования которых остается неизменной в течение всей передачи речевого сообщения;
- 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 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 и суммируются, не выходя за пределы частотного диапазона исходного сигнала.
В представленной 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.
Похожие статьи
-
Дискретизация речи с последующим шифрованием (цифровое скремблирование) - Кодировщики голоса
Альтернативным аналоговому скремблированию методом передачи речи в закрытом виде является шифрование речевых сигналов, преобразованных в цифровую форму,...
-
Система закрытия речи - Кодировщики голоса
Посредством дискретного кодирования речи с последующим шифрованием всегда достигалась высокая степень закрытия, но в прошлом этот метод не находил...
-
Новые подходы к защите передачи информации - Кодировщики голоса
Однако с выходом Постановления "Об утверждении положений о лицензировании отдельных видов деятельности, связанных с шифровальными (криптографическими)...
-
Рассмотрим несколько конкретных примеров измерения параметров фильтра в полосных и гомоморфных вокодерах, а также в вокодерах с линейным предсказанием...
-
Синтез устной речи - это преобразование заранее не известной текстовой информации в речь. Речевой вывод информации - это речевого интерфейса, без которой...
-
Проблемы организации транкинговых систем - Кодировщики голоса
Для организации радиосетей специализированного пользования (имеется в виду категория обслуживаемых абонентов - связь с подразделениями ОВД на транспорте,...
-
Формантные вокодеры. Вокодеры с линейным предсказанием (липредеры) - Кодировщики голоса
Вокодеры с линейным предсказанием - липредеры (linear prediction) создают отсчеты звукового сигнала на основе предыдущего отсчета сигнала и вычисленных в...
-
Эта технология находит применение в военных системах связи, в диспетчерских службах, а также в системах пейджерной связи. Разработчики преобразователей...
-
Mobile. Синтез русской речи для мобильных устройств на базе MS Windows Mobile - Кодировщики голоса
Назначение и области применения: VitalVoice Mobile предназначен для автоматического преобразования произвольного текстового файла в речь на мобильном...
-
Использование в продукция. VitalVoice. Синтез русской речи - Кодировщики голоса
Назначение и области применения: VitalVoice реализует основное требование пользователей к системам синтеза речи: она позволяет озвучить любые, пусть даже...
-
Вокодер как цифровая модель речевого тракта - Кодировщики голоса
Ядром вокодера - цифровой модели речевого тракта - является цифровой фильтр с переменными параметрами, АЧХ которого изменяется во времени, отражая...
-
В настоящей главе анализируются особенности, свойства и характеристики речевых сигналов. Виды шумов акустических помех и искажений, а так же особенности...
-
Показатели качества IP-телефонии - IP-телефония и традиционные телефонные сети
Традиционные телефонные сети коммутируют электрические сигналы с гарантированной полосой пропускания, достаточной для передачи сигналов голосового...
-
Влияние сети на показатели качества IP-телефонии - IP-телефония и традиционные телефонные сети
Задержка создает неудобство при ведении диалога, приводит к перекрытию разговоров и возникновению эхо. Эхо возникает в случае, когда отраженный речевой...
-
Разделить обслуживаемую территорию на макро-зоны можно двумя способами: статистическим, основанным на измерении статистических параметров распространения...
-
Введение - Разработка и исследование алгоритма очистки речевого сигнала
Алгоритм очистка речевой сигнал Записанный или передаваемый по проводным или радиоканалам с помощью различных технических средств, звуковой, в частности,...
-
Для передачи по одному частотному каналу в GSM представляется цифровой поток (8 x 33.8Кбит/с)=270.4 Кбит/с. При этом ширина полосы канала 200кГц. Простые...
-
Типовые дискретные звенья - Теория дискретных систем
Сложную передаточную функцию дискретной системы удобно представлять в виде произведения передаточных функций типовых звеньев не выше второго порядка, как...
-
Способи модуляції - Захист інформації від витоку з телефонної мережі зв'язку
У модемах для телефонних каналів, як правило, використаються три види модуляції: частотна, відносна фазова (фазоразностна) і квадратурна амплітудна...
-
Следующим типом интегрирующего АЦП с частотно-импульсным преобразованием, принцип работы которого основан на предварительном преобразовании входного...
-
Приемник GPS/"ГЛОНАСС" - Спутниковые навигационные приемники
Надо отметить, что приемники GPS и "ГЛОНАСС" существенно различаются по технической реализации. Первые используют более широкую полосу частот, чем...
-
В результате анализа различных вариантов построения цифровых сотовых систем подвижной связи (ССПС) в стандарте GSM принят многостанционный доступ с...
-
Время доставки сообщения Тд получателю складывается из времени установления цикловой tцc синхронизации, времени передачи сообщения tпр, времени...
-
Общие характеристики стандарта GSM В соответствии с рекомендацией СЕРТ 1980 г., касающейся использования спектра частот подвижной связи в диапазоне...
-
Телефонная связь - Техника связи
Телефонная связь - передача на расстояние речевой информации, осуществляемая электрическими сигналами, распространяющимися по проводам, или...
-
Система GOODWIN WLL поддерживает радио интерфейс в соответствии со стандартом DECT ETS 300 175 и профиль GAP по ETS 300 474. Поэтому, наряду с...
-
Выбор акустической системы и ее покупка - центральный и ответственнейший момент формирования вашей домашней аудиосистемы. Оно и понятно - ни один...
-
В основе развития этого класса методов лежит утверждение, что анализ речи, основанный на модели слуха человека, будет более успешным, чем анализ,...
-
К методам этого типа относятся, прежде всего, класс методов обработки зашумленных речевых сигналов, которые используют квазипериодичность речевого...
-
Беспроводные оптические каналы - Обеспечение абонентской связи путем радиодоступа поселка Федоровка
2.8.1 Беспроводные оптические каналы связи (БОКС) предназначены для создания каналов передачи данных типа точка-точка между объектами, находящимися на...
-
В системе TANGARA RD применяется цифровой метод FDMA (частотное разделение каналов), совмещенный с TDD. Схема используемой модуляции - GFSK (частотная...
-
Исходная форма звукового сигнала - непрерывное изменение амплитуды во времени - представляется в цифровой форме с помощью "перекрестной дискретизации" -...
-
Метод временного мультиплексирования (TDM) Суть TDM: процесс передачи разбивается на ряд временных циклов, каждый из которых в свою очередь разбивается...
-
АЦП последовательного счета Этот преобразователь является типичным примером последовательных АЦП с единичными приближениями и состоит из компаратора,...
-
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые...
-
Динамические параметры - Последовательный интерфейс сигма-дельта АЦП
Возникновение динамических погрешностей связано с дискретизацией сигналов, изменяющихся во времени. Можно выделить следующие параметры АЦП, определяющие...
-
Система селективного нагрева ионов в установке "Плазменный сепаратор-1"
Описание экспериментальной установки ПС - 1 Для большей наглядности и лучшего понимания процесса ВЧ - нагрева плазмы в установке ПС - 1 опишу вкратце всю...
-
ВВЕДЕНИЕ - Проект обобщенной структурной схемы системы передачи сообщений
Теория электрической связи (ТЭС), можно сказать, является первым специальным курсом, который ведет к дальнейшему изучению специальности. ТЭС -...
-
Первичные сигналы электросвязи и их характеристики. - Основы техники связи
Электрический сигнал, получаемый на выходе преобразователя сообщения (см. рисунок 2.1, глава 2), называется первичным сигналом электросвязи. Параметр...
-
Хранение на товарном складе - Оценка работы транспортного терминала
Договор складского хранения (ст.907) 1. По договору складского хранения товарный склад (хранитель) обязуется за вознаграждение хранить товары, переданные...
Аналоговое скремблирование - Кодировщики голоса