Цифрові скремблери - Захист інформації від витоку з телефонної мережі зв'язку

Під скремблюванням розуміється зміна характеристик речового сигналу таким чином, що отриманий модульований сигнал, маючи властивості нерозбірливості й невпізнанності, займає ту ж смугу частот, як і відкритий вихідний сигнал.

При цифровому скремблювані мовні компоненти перетворюються в цифровий потік даних, що перед передачею криптуєтся одним із криптографічних алгоритмів.

Передача даних, що представляють дискретизовані відліки мовного сигналу або його параметри, здійснюється через модеми. Метод цифрового скремблювання забезпечує більш високий рівень закриття в порівнянні з аналоговими методиками. Основною метою при проектуванні пристроїв цифрового закриття мови є максимальне збереження її характеристик, які найбільш важливі для сприйняття слухачем. Одним зі шляхів є збереження форми мовного сигналу. Цей напрямок застосовується в широкосмугових цифрових системах закриття мови, однак, використання властивостей надмірності інформації, що містяться в людському голосі, більш ефективно. Цей напрямок розробляється в цифрових системах закриття мови. Ширину спектра мовного сигналу можна вважати 3.3 Кгц, а для забезпечення гарної якості співвідношення сигнал/шум повинне становити 30 дБ. Тоді згідно теореми Шеннона необхідна швидкість передачі 33 Кбіт/с. З іншої сторони структура мовного сигналу являє собою послідовність звуків (фонем) передавальної інформації. Оскільки в англійській мові 40 фонем, у німецькій мові 70 фонем, а в слов'янських мовах до 110 фонем, то для подання фонетичного алфавіту буде потрібно 6-7 біт. Максимальна швидкість вимови менше 10 фонем у секунду, отже, мінімальна швидкість передачі основної інформації 60-70 біт/с. Збереження форми сигналу вимагає високої швидкості передачі інформації й відповідно використання широкосмугових каналів зв'язку. Так при ІКМ, використовуваної в більшості телефонних мереж, необхідна швидкість передачі даних 64 Кбіт/с. У випадку застосування адаптивної диференціальної ІКМ швидкість знижується до 32 Кбіт/с. Для вузькосмугових каналів, що не забезпечують такі швидкості передачі, потрібні пристрої, що виключають надмірність мови, до її передачі. Зниження інформаційної надмірності мови досягається параметризацією мовного сигналу, при якій характеристики мови, істотні для сприйняття, зберігаються. Правильне застосування методів цифрової передачі мови з високою інформаційною ефективністю є важливим напрямком розробки пристроїв цифрового закриття мовних сигналів. У таких пристроях пристрій кодування мови (вокодер), аналізуючи форму мовного сигналу, робить оцінку параметрів компонент моделі генерації мови й передає ці параметри по каналі зв'язку на синтезатор, де, відповідно до цієї моделі по прийнятих параметрах синтезується мовне повідомлення. У таких моделях мовний сигнал представляється у вигляді нестаціонарного випадкового процесу з обмеженою швидкістю зміни параметрів через механічну інерцію голосових органів людини. На малих інтервалах часу (менше 30 мс) параметри сигналу розглядаються як постійні. Чим коротше інтервал аналізу, тим точніше може бути представлена динаміка мови, але при цьому потрібна більш висока швидкість передачі даних. У більшості практичних випадків використаються 20 мс. інтервали й досягається швидкість передачі інформації 2400 біт/с. Найпоширенішими типами вокодеров є смугові й з лінійним пророкуванням. Метою будь-якого вокодера є передача параметрів, що характеризують мову й мають низьку інформаційну швидкість. Смуговий вокодер досягає цього шляхом передачі амплітуди частотних смуг мовного спектра. Кожний смуговий фільтр такого вокодера збуджується при вміщені енергії мовного сигналу в його смугу пропускання. Оскільки спектр мовного сигналу змінюється відносно повільно, набір амплітуд вихідних сигналів фільтрів утворить придатну для вокодера основу. У синтезаторі параметри амплітуди кожного каналу управляють коефіцієнтами передачі фільтра, характеристики якого подібні до характеристик фільтра аналізатора. Структура смугового вокодера базується на 2-х блоках фільтрів: для аналізу й для синтезу. Збільшення числа каналів - поліпшує розбірливість, але при цьому потрібна більша швидкість передачі. Компромісним рішенням звичайно стає вибір 16-20 каналів при швидкості передачі 2400 біт/с. Кожний 20 мс відрізок часу кодується 48 бітами. З них 6 біт приділяються на інформацію про основний тон, 1 біт на інформацію тон/шум, що характеризує наявність або відсутність локалізованої ділянки мовного сигналу, інші 41 біт описують значення амплітуд сигналів на виходах смугових фільтрів. Існують різні модифікації смуговогого вокодера, пристосованого для каналів з обмеженою смугою пропущення. При відсутності твердих вимог на якість мови можна знизити кількість біт переданої інформації з 48 до 36 на кожні 20 мс., що забезпечує зниження швидкості до 1800 біт/с. Зменшення швидкості до 1200 біт/із при передачі кожного другого кадру й у ньому додаткової інформації для синтезу пропущеного кадру. Втрати в якості від таких процедур не занадто великі. Достоїнством є зниження швидкості передачі даних. Найпоширенішої серед систем цифрового кодування мови з наступним шифруванням одержали системи, основним вузлом яких є вокодери з лінійним пророкуванням мови. Математичне подання моделі цифрового фільтра, використовуваного у вокодер і з лінійним пророкуванням має вигляд кусочно-лінійної апроксимації процесу формування мови з деякими спрощеннями, а саме: Кожний поточний відлік мовного сигналу є лінійною функцією попередніх відліків. Незважаючи на недосконалість такої моделі її параметри забезпечують подання мовного сигналу. У вокодері з лінійним пророкуванням аналізатор здійснює мінімізацію помилки пророкування, що представляє собою різниця поточного відліку мовного сигналу й середньо зваженої суми попередніх відліків, а вагові коефіцієнти є коефіцієнтами лінійного пророкування. Існує багато способів мінімізації помилки. Загальним для всіх є те, що при оптимальній величині коефіцієнта пророкування спектр сигналу помилки наближається до білого шуму й сусідні значення помилки мають мінімальну кореляцію. Відомі методи діляться на 2 категорії: послідовні й бічні (які одержали найбільше поширення). У вокодері з лінійним пророкуванням мовна інформація передається 3-ма параметрами: амплітудою, рішенням тон/шум, і періодом основного тону для локалізованих звуків. Відповідно до федерального стандарту США Т аналізованого відрізка мовного сигналу відповідає 22,5 мс, що відповідає 180 відлікам при частоті дискретизації 8 Кгц. Кодування в цьому випадку здійснюється 54 бітами, що відповідає швидкості передачі 2400 біт/с. При цьому 41 біт приділяється на кодування 10 коефіцієнтів пророкування, 5 біт на кодування величини амплітуди, 7 на передачу періоду основного тону, і 1 біт визначає рішення тон/шум. При здійсненні подібного кодування припускають, що параметри незалежні, але в реальній мові параметри корреліровані. І можливе зменшення передачі даних, якщо правила кодування оптимізувати із урахуванням залежності всіх параметрів. Такий підхід відомий за назвою векторного кодування. Його застосування до вокодеру з лінійним пророкуванням дозволяє знизити швидкість до 800 біт/с. Основною особливістю використання систем цифрового закриття мовних сигналів є необхідність використання модемів. У принципі можливі наступні підходи при проектуванні систем цифрового закриття мовних сигналів: Цифрова послідовність параметрів мови з виходу вокодерного пристрою подається на вхід шифратора, де піддається перетворенню по одному із криптографічних алгоритмів, і потім надходить через модем у канал зв'язку, на прийомній стороні здійснюються зворотні операції по відновленню мовного сигналу, у яких задіяний модем і дешифратор. Модем являє собою окремий пристрій для передачі даних по каналі зв'язку, по одному із протоколів рекомендованих МККТТ.

Похожие статьи




Цифрові скремблери - Захист інформації від витоку з телефонної мережі зв'язку

Предыдущая | Следующая