Конахович Г.Ф., Климчук В.П., Паук С.М., Потапов В.Г. Защита информации в телекоммуникационных системах

Подождите немного. Документ загружается.

240

скачкообразно. Закономерность изменения должна быть одинаковой как в

шифрующем, так и в дешифрующем устройстве. У большинства таких устройств

в переданном сигнале присутствует начальный синхронизирующий пакет, в

котором содержится алгоритм изменения частоты инверсии для принимающей

стороны. В более сложных динамических скремблерах для повышения уровня

защиты переданной информации такой алгоритм может изменяться при каждом

следующем установлении сеанса связи. Речевой сигнал в случае использования

этого типа скремблеров, в отличие от простого статического, теряет свою

целостность. В зависимости от модели скремблера, частота инверсии может

изменяться от 1 до 1000 раз в секунду. Чем больше количество изменений в

секунду, тем выше уровень защиты информации, но, как следствие, ниже

качество восстановленного сигнала.

Недостаток большинства скремблеров со скачкообразным изменением

частоты инверсии заключается в том, что для передачи синхронизирующего

пакета оператор вынужден в начальный момент делать паузу. В случае связи

через ретранслятор, радиостанция с таким скремблером не всегда может на-

дежно соединяться с другой радиостанцией. Дело в том, что в ретрансляторах

существует так называемая прозрачность (нелинейность звуковых трактов),

вследствие чего первоначальный пакет, проходя через тракты ретранслятора,

может исказиться. Для повышения надежности такого соединения необходимо

увеличить продолжительность передачи первоначального пакета (иногда до 1 с),

что может создавать значительные неудобства.

Преимущество таких скремблеров состоит в том, что в случае достаточно

быстрого изменения частоты инверсии (например, 800-1000 раз/с) они имеют

относительно высокий уровень защиты переданной информации. Например,

если скорость изменения составляет один раз в секунду, то 40-60 % информации

можно прослушать очень простым техническим методом. Широкую серию

скремблеров, использующих скачкообразное изменение частоты инверсии,

выпускает фирма Transcrypt International. Распространенные серии: 410

(изменение частоты инверсии 1 раз/с), 430 (300 раз/с), 460 (1000 раз/с), 480 (800

раз/с). [12]

Рассмотрим примеры принципиальных схем аналоговых скремблеров. Схема,

представленная на рис. 6.8, предназначена для сдвига или инверсии спектра

речевого сигнала (частоты 300-3000 Гц). После такого преобразования можно

изменить тембр голоса или сделать речь полностью неразборчивой.

Принцип работы этой схемы следующий. Для преобразования используется

принцип однополосной модуляции. Входной сигнал поступает на балансный

модулятор, управляемый частотой 20 кГц. Схема модулятора состоит из ОУ

140УД1208 и четырех аналоговых ключей (микросхемы 561КТ3). На выходе

модулятора получаем спектр из двух боковых полос, расположенных

симметрично относительно 20 кГц. Также на выходе присутствует выходной НЧ-

сигнал. Для дальнейшей обработки используется только верхняя боковая полоса.

Она выделяется полосовым фильтром на ОУ 140УД1208, затем выполняется

дополнительная фильтрация с помощью ФВЧ.

241

242

Полученная верхняя боковая полоса поступает на второй балансный мо-

дулятор (в данном случае — это детектор). Его схема аналогична схеме первого

модулятора, а тактовая частота составляет 23 кГц. После преобразования

выходной сигнал фильтруется с помощью ФНЧ. Поскольку в данной схеме

частота второго преобразователя находится выше, чем верхняя граница верхней

боковой полосы, то на выходе получаем речевой сигнал с инвертированным

спектром. Если выбрать частоту тактирования второго преобразователя в

пределах 17-21 кГц, то можно получить речевой сигнал с измененным тембром

голоса.

Более высокую криптоустойчивость обеспечивают скремблеры, исполь-

зующие цифровую технологию сигнальной обработки. Все это стало возможной,

благодаря применению сигнальных процессоров DSP (Digital Signal Processor).

Шифровальный модуль (рис. 6.9) в цифровой форме записывает речевой сигнал

для небольшого отрезка времени. Затем этот сигнал делится на меньшие блоки,

равные между собой по продолжительности. Блоки в границах временного

отрезка перестраиваются в обратном порядке по определенному правилу

криптографического преобразования, которое отличается в каждом частном

случае. Правило перемешивания интервалов определяет ключ системы.

Естественно, при использовании этого метода происходит некоторая за-

держка сигнала, зависящая от продолжительности интервалов (чем больше

продолжительность интервалов, тем больше задержка сигнала и, соответственно,

выше уровень защиты).

Поскольку в большинстве случаев данные синхронизации посылаются

непрерывно со звуковым сигналом, пользователь имеет возможность после-

дующего соединения (его скремблер может декодировать даже в случае пре-

рывания приема в начальный момент). Несмотря на сложность шифрования,

звуковые фильтры DSP-процессора обеспечивают высокое качество восста-

навливаемого сигнала. Типичные модели скремблеров временного преобра-

зования — ST-50, ST-51, ST-52 (Selectone). [12]

243

И наконец, высший уровень криптоустойчивости для аналоговых радио-

станций обеспечивают полностью цифровые скремблеры серии DES (Data

Encryption Standard) фирмы Transcrypt. Вначале низкочастотный сигнал под-

дается дискретизации (оцифровке), а затем происходит кодирование в

соответствии с алгоритмом DES. Такой сигнал в эфире слышен как беспре-

рывный поток данных.

6.3. Дискретизация речи с последующим шифрованием

Альтернативным аналоговому скремблированию методом передачи речи в

закрытом виде является шифрование речевых сигналов, превращенных в

цифровую форму, перед их передачей (см. рис. 6.1 — типы С и D). Этот метод

обеспечивает более высокий уровень закрытия в сравнении с описанными выше

аналоговыми методами. В основе устройств, работающих по такому принципу,

лежит представление речевого сигнала в виде цифровой последовательности,

которая закрывается по одному из криптографических алгоритмов.

Основной целью при разработке устройств цифрового закрытия речи является

сохранение тех ее характеристик, которые наиболее важны для восприятия

слушателем. Один из путей — сохранение формы речевого сигнала. Это

направление применяется в широкополосных цифровых системах закрытия речи,

однако свойство избыточности информации, содержащейся в человеческой речи,

разрешает использовать полосу частот более эффективно. Это направление

разрабатывается в узкополосных цифровых системах закрытия речи.

Сохранение формы сигнала требует высокой скорости передачи и, соот-

ветственно, использования широкополосных каналов связи. Например, при

импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), которая используется в большинстве

телефонных сетей, необходимая скорость передачи, составляет 64 Кбит/с. В

случае применения адаптивной дифференциальной ИКМ она снижается до 32

Кбит/с и ниже. Для узкополосных каналов, которые не обеспечивают такие

скорости передачи, необходимы устройства, исключающие избыточность речи

при ее передаче. Снижение информационной избыточности речи достигается

параметризацией речевого сигнала, при которой характеристики речи, важные

для восприятия, сохраняются.

Таким образом, правильное применение методов цифровой передачи речи с

высокой информационной эффективностью является крайне важным

направлением разработок устройств цифрового закрытия речевых сигналов. В

таких системах устройство кодирования речи (вокодер), анализируя форму

речевого сигнала, делает оценку параметров переменных компонентов модели

генерации речи и передает эти параметры в цифровой форме по каналу связи на

синтезатор, где в соответствии с этой моделью по принятым параметрам

синтезируется речевое сообщение.

В таких моделях речевой сигнал представляется в виде нестационарного

процесса с ограниченной скоростью изменения параметров из-за механической

инерции голосовых органов человека. На малых интервалах времени (до 30 мс)

244

параметры сигнала могут рассматриваться как постоянные. Чем короче интервал

анализа, тем более точно может быть представлена динамика речи, но при этом

необходима более высокая скорость передачи данных. В большинстве

практических случаев используются 20-миллисекундные интервалы, и

достигается скорость передачи данных 2400 бит/с.

Наиболее распространенными типами вокодеров являются полосные и с

линейным предсказанием. Цель любого вокодера — передача параметров,

которые характеризуют речь и имеют низкую информационную скорость.

Полосный вокодер достигает этого путем передачи амплитуды нескольких

частотных полос речевого спектра. Каждый полосный фильтр такого вокодера

возбуждается при попадания энергии речевого сигнала в его полосу про-

пускания. Поскольку спектр речевого сигнала изменяется относительно мед-

ленно, набор амплитуд выходных сигналов фильтров образует пригодную для

вокодера основу.

В синтезаторе параметры амплитуды каждого канала управляют коэф-

фициентами усиления фильтра, характеристики которого подобны характе-

ристикам фильтра анализатора. Таким образом, структура полосного вокодера

базируется на двух блоках фильтров: для анализа и для 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.

Полосные фильтры в цифровом исполнении строятся на базе аналоговых

фильтров Баттерворта, Чебышева, эллиптических и др. Каждый 20-миллисе-

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

информацию об основном тоне, один бит — на информацию "тон-шум", ха-

рактеризующую наличие или отсутствие вокализованного участка речевого

сигнала; другие 41 бит описывают значения амплитуд сигналов на выходе

полосных фильтров.

Существуют разные модификации полосного вокодера, приспособленные для

каналов с ограниченной полосой пропускания. При отсутствии жестких

требований к качеству синтезированной речи удается снизить количество бит

переданной 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

синтезированной речи от таких процедур не слишком большие, преимуществом

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).

Метод с линейным предсказанием речи (ЛПМ) работает блоками отсчетов,

для каждого из которых вычисляется и передается частота основного тона, его

амплитуда и информация о типе возбуждающего действия. [18]

245

Здесь управляющий вход или сигнал возбуждения смоделирован в виде

последовательности импульсов на частоте основного тона (для громких звуков

речи) или случайного шума (для согласных звуков речи).

Комбинированные спектральные составляющие потока от голосовых связок,

голосового тракта и звукообразования за счет губ могут быть представлены

цифровым фильтром с изменяемыми параметрами и передаточной функцией

[18]:

)(

−

∑

−

(6.1)

где

∑

−

−=

zazA

1)(

Параметры, характеризующие голосовой тракт, — это коэффициенты A(z) и

масштабный множитель G.

Превращая уравнение (6.1) во временную область, можно получить уравнение

для импульсной характеристики, соответствующей H(z):

∑

−+=

jhvahGhv

)()()( λ

(6.2)

Уравнение (6.2) называют разностным уравнением LPC. Оно устанавливает,

что текущее значение выходного сигнала v(h) может быть определено суммой

взвешенного текущего входного значения и взвешенной суммы предыдущих

выходных выборок. Как следствие, в LPC-анализе проблема может быть

сформулирована следующим образом: заданы измеренные значения сигнала v(h),

необходимо определить параметры передаточной функции системы H(z).

Если оценку a

записать как a

,, то погрешность (разность) может быть

определена в виде

∑

−−=

jhvahve

)()(

(6.3)

Определим минимальную среднеквадратичную погрешность оценки:

































−−==

∑

)()(}{

jhvahvemE

(6.4)

А затем, приравнивая производные от Е по a

к нулю для j =1,...,Р, получим:

0)()()(





















−













−−

∑

jhvjhvahvm

(6.5)

что вытекает из ортогональности е(h) и v(h-j) для i = 1,...,р. Уравнение (6.5)

можно преобразовать к виду

246

∑

hhj

iRjiRa

)0,(),(

(6.6)

где

)}()({),( jhvihvmjiR

−−=

— (6.7)

корреляция между v(h-j) и v(h-i).

Таким образом, коэффициенты a

, могут быть найдены из уравнений (6.5) и

(6.6). Операция дифференцирования уравнения (6.6) может быть применена

только в случае, если модель речевого сигнала — это стационарный случайный

процесс. Однако речевой сигнал не является таковым на большом отрезке

времени. Предположение о стационарности справедливо лишь для коротких

сегментов речи, поэтому математическое ожидание (6.7) заменяется текущей

конечной суммой малых по длине отсчетов.

После определения коэффициентов a

, к прогнозируемым коэффициентам в

формуле (6.2) необходимо прибавить масштабный коэффициент G. Обще-

принято определять этот множитель так, чтобы полные энергии сигналов,

которые прошли через фильтр с импульсной характеристикой v(h) и фильтр с

импульсной характеристикой, имеющей только полюсы, были равны.

Порядок определения коэффициентов G следующий. Пусть v{h) — им-

пульсная характеристика фильтра, соответствующая формуле (6.2), a R(h) — ее

корреляционная функция. Импульсная характеристика v(h) удовлетворяет

уравнению:

∑

+−=

hGjhvahv

)()()( δ

(6.8)

откуда после преобразований можно найти

∑

−=

vjv

jRaRG

)()0(

(6.9)

Таким образом, если прогнозирующие коэффициенты a

найдены, то

масштабный множитель G полностью определяется уравнением (6.9).

Для моделирования речевого сигнала, который изменяется во времени,

методами LPC, помня при этом об условиях стационарности, необходимо ог-

раничить анализ кратковременными блоками.

Это достигается при усреднении уравнения (6.6) конечной суммой, то есть,

∑

−−=−−=

hhh

jnvinvjhvihvmjiR )()()}()({),(

(6.10)

Линейное предсказание при анализе речевых сигналов обычно используется в

двух направлениях:

■ проведение кратковременного спектрального анализа речи;

■ построение систем "анализ-синтез".

Параметры, входящие в функцию предсказания, через формулу (6.1) оп-

ределяют параметры передаточной функции голосового тракта. Могут быть

предложены несколько вариантов структуры анализатора, пригодного для

247

построения синтезатора и реализующего передаточную функцию голосового

тракта. Структуру прямой формы можно получить непосредственно по ко-

эффициентам функции предсказания. С другой стороны, выражение (6.1) можно

преобразовать в произведение и получить структуру каскадной формы.

Во всех случаях параметры синтезатора непрерывно обновляются во время

смены анализируемых кадров речи. Чтобы предотвратить эффекты, связанные со

скачками значений параметров, необходимо плавно изменять параметры с

помощью интерполяции при переходе от одного участка речи к другому. Во

время прямой формы синтеза может возникнуть ситуация, соответствующая

неустойчивому фильтру, хотя исходные значения относились к устойчивому

фильтру. В каскадной структуре устойчивость обеспечивается проще.

Определение параметров сигнала возбуждения в системе анализа-синтеза с

линейным предсказанием, как правило, базируется на исследовании сигнала

погрешности, который получают с помощью пропускания исходного речевого

сигнала через фильтр с характеристикой, обратной той характеристике, которая

аппроксимирует передаточную функцию голосового тракта. Полученный сигнал

погрешности является аппроксимацией сигнала, возбуждающего речевое

колебание. Для определения параметров сигнала возбуждения можно применять

один из известных алгоритмов распознавания звонкой и глухой речи, а также

оценки периода основного тона.

По сути, все системы, использующие метод LPC, различают лишь способами

генерирования возбуждающего действия и выбора параметров моделирующего

фильтра. [18]

Во время передачи речи соответствующий анализатор формирует данные,

содержащие информацию о возбуждающем действии (вид действия, частоту

основного тона, коэффициент усиления), а также о весовых коэффициентах,

формирующих синтезированную речь трансвертального фильтра. При этом

обычно применяется метод "анализ-синтез" (AbS — Analysis by Synthesis), когда

анализ выполняется на основе формируемых данных в процессе передачи с

действительным сообщением (рис. 6.10), а сигнал погрешности

ε в процессе

анализа уточняет формируемые данные. [18]

248

Полученные таким образом данные преобразуются управляющим уст-

ройством в кодовое слово (от 10 до 80 бит, в зависимости от используемого

метода). Обновления кодового слова происходит не реже, чем один раз в 10-25

мс. Приемлемый уровень разборчивости может быть достигнутый на скоростях

4,8 Кбит/с и даже 2,4 Кбит/с.

Основные усилия разработчиков конкретных реализаций метода LPC на-

правлены, главным образом, на сокращение времени алгоритмической задержки

τ∆

(интервал времени между моментами появления сообщения на входе

передающего устройства и появления синтезированной речи на выходе

принимающего устройства при непосредственном подключении указанных

устройств друг к другу и снижении скорости передачи выходного потока

данных). В соответствии с рекомендацией G.728 задержка

τ∆

не должна

превышать 5 мс, скорость передачи выходного потока данных (передача кодовых

слов) должна составлять 16 Кбит/с, а качество речи, синтезируемой на выходе

тракта передачи, не должна быть ниже, чем при использовании методов,

удовлетворяющих требованиям рекомендаций G.721 и G.726.

При выполнении LPC-анализа следует принять во внимание несколько

важных групп факторов. Первая группа — это эксплуатационные характери-

стики: эффективность и стабильность. Вторая группа включает выбор порядка

фильтра Р, размер фрейма анализа N. При кодировании речи выборки речи

обычно выбирают с частотой 8 кГц, что дает для анализа спектр 4 кГц. В полосе

4 кГц максимальное количество выделяемых формант равно четырем, что

требует фильтра как минимум 8-го порядка. Обычно используется 10-

типолюсный фильтр, так что резонансы формант и форма основного спектра

моделируются достаточно точно. [18]

Выбор размера фрейма осуществляется в соответствии с условиями ста-

ционарности. Обычно выбирается размер фрейма длиной несколько тоновых

периодов (приблизительно 16—32 мс). Второй фактор — выбор точек деления

анализируемого фрейма. Проблема в том, что не существует единых методов

оптимального деления. Среди эффективных приемов можно выделить сле-

дующие: первоначальное искажение сигнала до LPC-анализа и использование

частичного перекрытия взвешенных фреймов. Перекрытие фреймов призвано

попытаться преодолеть некоторые граничные эффекты фреймового LPC-анализа.

Длина перекрытия составляет около 10-20% размера фрейма. С успехом

используется интерполяция LPC-коэффициентов от одного фрейма к другому с

целью сгладить переходные процессы.

Если LPC-анализ точен, то оценочные параметры a

= a

)()()( hUhGhl

то есть, остаток — это возбуждающий сигнал. Чтобы получить e(h), должен быть

установлен инверсный фильтр с передаточной функцией

∑

−−

−=

ZaZH

1)(

(6.11)

249

Поскольку S(Z) = H(Z)U(Z), то U(Z) =

)()(

ZSZH

−

. Сигнал погрешности или

возбуждения используется для получения параметров. Одной из причин этого

заключается в том, что после инверсной фильтрации остаточный сигнал e(h)

имеет существенно менее резкое изменение спектра, чем исходный сигнал A(h).

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, его

параметры обеспечивают приемлемое представление речевого сигнала.

В вокодере с линейным предсказанием анализатор выполняет минимизацию

ошибки предсказания, представляющей собой разницу 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 среднеквадратичной величины

ошибки предсказания. Существует несколько методов минимизации ошибки.

Общим для всех есть 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 блочные, которые получили наибольшее

распространение.

В вокодере с линейным предсказанием речевая информация передается тремя

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

вокализованных звуков. Так, соответственно федеральному стандарту США,

период анализируемого отрезка речевого сигнала составляет 22,5 мс [18], что

соответствует 180 отсчетам при частоте дискретизации 8 кГц. Кодирование в

этом случае выполняется 54 битами, что соответствует скорости передачи 2400

бит/с. При этом 41 бит отводится на кодирование десяти коэффициентов

предсказания, 5 — на кодирование значения амплитуды, 7 — на передачу

периода основного тона, и 1 бит определяет решение "тон/шум".

При подобном кодировании предполагается, что все параметры независимы,

однако в естественной речи параметры коррелированны, и возможно

значительное снижение скорости передачи данных без потери качества, если

правило кодирования оптимизировать с учетом зависимости всех параметров.

Такой подход известен под названием векторное кодирование. Его применение к

вокодеру с линейным предсказанием позволяет снизить скорость передачи

данных до 800 бит/с и менее с очень незначительной 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.

■ Цифровая последовательность параметров речи с выхода вокодерного

устройства подается на вход шифратора, где подвергается преобразованию

по одному из криптографических алгоритмов, а затем поступает через