Аналоговое скремблирование
Среди современных устройств закрытия речевых сигналов наибольшее распространение имеют устройства, использующие метод аналогового скремблирования. Это позволяет, во-первых, снизить стоимость таких устройств, во-вторых, эта аппаратура применяется в большинстве случаев в стандартных телефонных каналах с полосой 3 кГц, в-третьих, она обеспечивает коммерческое качество дешифрованной речи, и, в-четвертых, гарантирует достаточно высокую степень закрытия речи.
Аналоговые скремблеры преобразуют исходный речевой сигнал посредством изменения его амплитудных, частотных и временных параметров в различных комбинациях. Скремблированный сигнал затем может быть передан по каналу связи в той же полосе частот, что и открытый. В аппаратах такого типа используется один или несколько следующих принципов аналогового скремблирования.
1. 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.
2. Скремблирование во временной области — разбиение фрагментов на сегменты с перемешиванием их по времени с последующим прямым и (или) инверсным считыванием.
3. 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 (ПСП). ПСП вырабатывается шифратором по ключу, меняющемуся от одного речевого сообщения к другому.
На стороне приемника выполняется дешифрование цифровых кодов, полученных из канала связи, и преобразование их 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 (не менее 2400 бод).
По такому же принципу можно разделить и устройства дискретизации речи с последующим шифрованием.
Несмотря на всю свою сложность, аппаратура данного типа используется в коммерческих структурах, 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. Это достигается посредством использования широкого набора криптографических методов, применяемых для защиты передачи данных по каналам связи.
Так как скремблированные речевые сигналы в аналоговой форме лежат в той же полосе частот, что и исходные открытые, это означает, что их можно передавать по обычным каналам связи, используемым для передачи речи, без какого-либо специального оборудования (модема). Поэтому устройства речевого скремблирования не так дороги и значительно проще, чем устройства дискретизации с последующим цифровым шифрованием.
По режиму работы аналоговые скремблеры можно разбить на два 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 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 и помех. Возможно преобразование речевого сигнала по трем параметрам: амплитуде, частоте и времени. Считается, что использовать амплитуду нецелесообразно, так как изменяющиеся во времени соотношения сигнал/шум делают чрезвычайно сложной задачу точного восстановления амплитуды сигнала.
Поэтому практическое применение получили только частотное и временное скремблирование, а также их комбинации. В качестве вторичных ступеней скремблирования в таких системах могут использоваться некоторые виды амплитудного скремблирования.
Существует два основных вида частотных скремблеров — инверсные и полосовые. Оба основаны на преобразованиях спектра исходного речевого сигнала для сокрытия передаваемой информации и восстановления полученного сообщения путем обратных преобразований.
Инверсный скремблер (рис. 19.6) осуществляет преобразование речевого спектра, равносильное повороту частотной полосы речевого сигнала вокруг некоторой 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 перехвате легко устанавливается величина частоты, соответствующая средней точке инверсии в полосе спектра речевого сигнала.
Некоторое повышение уровня закрытия обеспечивает полосно-сдвиговый инвертор, разделяющий полосу на две субполосы. При этом точка разбиения выступает в роли некоторого ключа системы. В дальнейшем каждая субполоса может 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 некоторому 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).
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 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. 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 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, каждый из которых передается инверсно во времени — с конца. Такие скремблеры обеспечивают ограниченный уровень закрытия, зависящий от длительности сегментов. Для достижения неразборчивости медленной речи необходимо, чтобы длина сегментов составляла около 250 мс. Задержка системы в таком случае составляет около 500 мс, что может оказаться неприемлемым в некоторых приложениях.
Для повышения уровня закрытия прибегают к способу перестановки временных 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 величина времени задержки (приблизительно 2 кадра). Этот недостаток устраняется в скремблере с перестановкой временных отрезков речевого сигнала со скользящим окном. В нем количество перестановок ограничено таким образом, чтобы задержка не превышала 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 воображением разработчиков.
В качестве примера такой системы рассмотрим скремблер, схема которого представлена на рис. 19.10. В этом скремблере операция частотно-временных 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 преобразованием речевого сигнала разбивается посредством использования алгоритма цифровой обработки сигнала на частотно-временные элементы. Эти элементы затем перемешиваются на частотно-временной плоскости в соответствии с одним 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 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 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 искажений 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.
