Функциональная схема системы закрытой связи

Функциональная схема системы закрытой связи

Традиционно применяются три типа устройств, обеспечивающих защиту передаваемой речевой информации: маскираторы, скремблеры и устройства с передачей речи в цифровом виде, называемые вокодерами.

Маскираторы защищают речевой сигнал только от прямого прослушивания, совершая над ним некоторые обратимые детерминированные преобразования.

Маскираторы достаточно дешевы и используются, как правило, в бытовых приложениях. Примером засекречивающих преобразований в маскираторах может служить рассмотренная выше инверсия спектра.

Скремблеры — это устройства, реализующие засекречивающие преобразования с применением шифраторов. В зависимости от типа применяемых шифрующих преобразований эти устройства могут обеспечивать достаточно высокую степень защищенности, однако чем сложнее преобразования, тем более высокие требования предъявляются к качеству каналов связи для сохранения приемлемого качества дешифрованного сигнала. Вместе с тем даже при использовании достаточно сложных аналоговых преобразований защищенность речевого сигнала при скремблировании нельзя считать гарантированной.

Лучшие характеристики скрытия обеспечивают шифраторы речевых сигналов, преобразованных в цифровую форму перед их передачей. Они способны обеспечить гарантированную защиту передаваемых по каналам связи речевых сообщений. Шифрацию речевых сигналов, представленных в цифровом виде, производят специальные цифровые процессоры.

При проектировании систем цифрового закрытия речевых сигналов используется довольно ограниченный набор технических решений.

Во-первых, цифровая последовательность параметров речи с выхода вокодерного устройства подается на вход шифратора, где подвергается преобразованию по одному из криптографических алгоритмов, затем поступает через модем в канал связи. На приемной стороне осуществляются обратные операции по восстановлению речевого сигнала, для которых используются модем и дешифратор. Модем представляет собой отдельное устройство, обеспечивающее передачу данных по одному из протоколов, рекомендованных МККТТ. Шифрующие и дешифрующие функции обеспечиваются либо аппаратно в отдельных специальных устройствах, либо программно, с использованием процессора в составе аппаратуры вокодера.

Во-вторых, шифрующие и дешифрующие функции обеспечиваются самим модемом (это засекречивающий модем). Цифровой поток, несущий информацию о параметрах речи, с выхода вокодера непосредственно поступает на такой модем.

Критерии оценки систем закрытия речи

Критерии оценки систем закрытия речи

Известны четыре основных критерия, по которым оцениваются характеристики качества устройств преобразования и защиты речевых сигналов. Это критерии разборчивости речи, узнаваемости говорящего, степени защиты от перехвата, а также простота реализации, стоимость, ремонтопригодность и другие технические и эксплуатационные характеристики.

Поскольку основным показателем секретности передаваемых речевых сообщений является его неразборчивость при перехвате, сравнение по степеням защиты является определяющим моментом при выборе конкретной системы закрытия речи.

Говоря об уровне защиты или степени секретности систем закрытия речи, следует отметить, что эти понятия весьма условные. К настоящему времени не выработано на этот счет четких стандартов или правил. Однако в ряде источников основные уровни защиты определяют как тактический и стратегический, что в некотором смысле перекликается с понятиями практической и теоретической стойкости криптографических систем закрытия данных:

тактический, или низкий, уровень используется для защиты информации от подслушивания посторонними лицами на период времени, измеряемый минутами или днями. Существует большое количество простых методов, способных обеспечивать такой уровень защиты при приемлемой стоимости; стратегический, или высокий, уровень защиты информации от перехвата используется в ситуациях, подразумевающих, что высококвалифицированному, технически хорошо оснащенному специалисту потребуется для дешифрования перехваченного сообщения период времени от нескольких месяцев до нескольких лет.

Часто используется и понятие средней степени защиты, занимающее промежуточное положение между тактическим и стратегическим уровнями закрытия.  Как правило, аналоговые скремблеры используются там, где применение цифровых систем закрытия речи затруднено из-за наличия возможных ошибок передачи (наземные линии связи с плохими характеристиками или каналами дальней радиосвязи). Они обеспечивают тактический уровень защиты и хорошо предохраняют переговоры от посторонних «случайных ушей», имеющих ограниченные ресурсы, будь то соседи или сослуживцы. Для таких применений годятся системы со статическим закрытием, т. е. осуществляющие шифрование по фиксированному ключу.

Если же необходимо сохранить конфиденциальность информации в условиях угроз со стороны возможных противников, обладающих достаточным техническим и специальным оснащением, нужно применять аналоговые скремблеры среднего уровня закрытия с динамически меняющимся в процессе разговора ключом. Естественно, что подобные системы будут дороже, чем системы закрытия с фиксированным ключом, однако они настолько осложняют работу по созданию дешифрующего алгоритма, что время, потраченное на это, значительно обесценит добытую информацию из перехваченного сообщения. В таких устройствах закрытия как правило перед началом сообщения передается синхропоследовательность, содержащая дополнительную информацию о ключе.

Если есть основательные предположения о том, что для добывания ценной информации противник может воспользоваться возможностями высококвалифицированных специалистов и их техническим арсеналом, для гарантированного предотвращения утечки информации применяют системы закрытия речи, обеспечивающие стратегическую (самую высокую) степень защиты. С та кой функцией могут справиться лишь устройства дискретизации речи с последующим шифрованием и новый тип аналоговых скремблеров. Они используют методы преобразования аналогового речевого сигнала в цифровую форму, затем применяют методы криптографического закрытия, аналогичные тем, что используются для закрытия данных, после чего результирующее закрытое сообщение преобразуется обратно в аналоговый сигнал и подается в линию связи. Для раскрытия полученного сигнала на приемном конце производятся обратные преобразования. Эти новейшие гибридные устройства легко адаптируются к существующим коммуникационным сетям и предлагают значительно более высокий уровень защиты речевых сообщений, чем традиционные аналоговые скремблеры, с сохранением всех преимуществ последних в разборчивости и узнаваемости восстановленной речи.

Гармонические вокодеры и метод линейного предсказания (ЛПР)

Гармонические вокодеры и метод линейного предсказания (ЛПР)

Гармонические вокодеры. В гармоническом вокодере спектральная огибающая речевого сигнала в момент времени приближается с помощью ее представления рядом по ортогональным функциям и усечением этого ряда до т членов:

Гармонические вокодеры и метод линейного предсказания (ЛПР)

В качестве ортогональных функций обычно выбираются функции:

Гармонические вокодеры и метод линейного предсказания (ЛПР)

Таким образом, достигается та же цель, что при полосном или формантном вокодере: найти сравнительно небольшое количество числовых параметров, которые бы удовлетворительно приближали спектральную огибающую S (t,f).

Как показали экспериментальные и расчетные данные, в канал связи достаточно передавать значения 5...7 коэффициентов Фурье с темпом 50 Гц и квантовать их четырехразрядным двоичным кодом, а также зарезервировать 600 бит/с для передачи основного тона. Иначе говоря, достаточно иметь канал связи с пропускной способностью, не большей 2000 бит/с. Но следует признать, что гармонические вокодеры не нашли практического применения из-за отсутствия существенных преимуществ по сравнению с полосными или формантными вокодерами.

Метод линейного предсказания (ЛПР). Весьма эффективен для представления преобразованной речи. В последнее время он находит самое широкое применение как при анализе речевых сигналов, так и в вокодерных преобразованиях. Текущее значение S (tn) дискретизированного во времени речевого сигнала аппроксимируется линейной функцией, параметры которой формируются виде линейной комбинации предшествующих значений этого сигнала:

Гармонические вокодеры и метод линейного предсказания (ЛПР)

Линейное предсказание обладает несколькими преимуществами по сравнению с другими способами аппроксимации: оно позволяет выделить периодические составляющие речи. Выбирая порядок Р прогнозирующей функции, адекватно отражающей число формант в частотном спектре, можно установить, что пики передаточной функции фильтра часто соответствуют действительным формантам. Это свойство значительно уменьшает трудности, связанные с оценкой положения формант в непрерывной речи.

Самую эффективную компрессию, близкую к предельно достижимой, обеспечивают фонемные вокодеры. При нормальной речи средней интенсивности в секунду произносится 10 фонем и i полного числа 66. Это значит, что для передачи каждой фонемы достаточно шести двоичных символов и можно ограничиться пропускной способностью канала 60 бит/с. Правда, в этих условиях не удается передать какие-либо индивидуальные особенности голоса (такая передача речи называется звучащим телеграфом). Этот недостаток наряду с тем, что при определении последовательности произносимых фонем будут допускаться частые ошибки, вовсе не компенсирует некоторую выгоду в уменьшении требований к пропускной способности канала связи.

Формантные вокодеры

Формантные вокодеры

В них спектральная огибающая речевого сигнала аппроксимируется комбинацией нескольких простых резонансных кривых. Принципы построения формантного вокодера во многом аналогичны принципам естественного речеобразования и восприятия речи.

Поскольку речевой тракт представляет собой комплекс резонаторов, резонансные частоты и добротности которых изменяются во времени в соответствии с управляющими сигналами, то и в формантном вокодере происходит выделение из речи управляющих сигналов, которые на приеме воздействуют на резонансные контуры и приближенно воспроизводят передаваемую огибающую спектра. Такими управляющими сигналами могут быть: частоты формант, номер форманты, амплитуды формант, ширина их спектра на уровне 3 дБ. Существует много способов выделения формантных частот.

Некоторые из них зависят даже от различных априорных определений понятия «формантная частота».

Для глухих звуков речи вместо форматных функций используются меняющиеся во времени нулевой, первый и второй моменты частотного спектра (i = 1,2,3):

Формантные вокодеры

style="display:block; text-align:center;"
data-ad-layout="in-article"
data-ad-format="fluid"
data-ad-client="ca-pub-6007240224880862"
data-ad-slot="8925203109">

где интегрирование ведется по первой, второй или третьей формантным областям. При реальных вычислениях, конечно, интегрирование заменяется суммированием и некоторым шагом по t.

Таким образом, при использовании формантного вокодера по каналу связи нужно передать дискретизированные по времени и квантованные по амплитуде величины: сигналы тон-шум, значения частоты основного тона и девять функций.

Учитывая плавность изменения во времени выше перечисленных сигнальных параметров параметров, дискретизацию можно проводить с частотой 40 Гц, квантование в среднем 16 уровнями (4 бита), а частоты основного тона — 128 уровнями (7 бит), что в сумме потребует канала связи с пропускной способностью, равной 1700 бит/с.

На одном из вокодеров формантного типа со скоростью 1200 бит/с получена слоговая разборчивость 80...82 %. Разборчивость речи при использовании формантных вокодеров и передаче со скоростью 2400 бит/с превышает разборчивость обычной телефонной связи.

На приемном конце линии связи при восстановлении (синтезе) речи, применяются управляемые формантные контуры, генератор шума, модуляторы, сумматоры.

Спектрально-полосные методы кодирования речи

Спектрально-полосные методы кодирования речи

На их основе строятся полосные вокодеры. Спектр речевого сигнала на передающем конце разделяется узкополосными фильтрами на частотные полосы (спектральные каналы). В каждом канале путем детектирования и сглаживания фильтрами нижних частот определяются огибающая и средняя интенсивность сигнала. Информация об этих величинах передается в аналоговой или цифровой форме по каналу связи. Кроме того, передаются сигналы тон —шум и значения частоты основного тона.

На приемной стороне управляет подключением генератора шума или генератора импульсов, частота которых определяется частотой. С помощью этих генераторов создается широкополосный сигнал, который, как и на передающем конце, разделяется на частотные полосы с помощью фильтров. Колебания с выходов фильтров умножаются на значения огибающих канальных сигналов и суммируются друг с другом. Полученный синтезированный сигнал приближенно отображает исходный естественный речевой сигнал, преобразованный на передающей стороне.

Число спектральных каналов обычно варьируется от 7 до 20. Причем с увеличением числа каналов повышаются разборчивость и качество синтезированной речи, но возрастают и требования к пропускной способности канала связи.

Согласно экспериментальным данным, для передачи огибающей сигнала на выходе каждого канала достаточно провести ее дискретизацию с частотой 50 Гц и квантование с помощью трехразрядного двоичного кода, а для частоты основного тона соответственно 100 Гц и пятиразрядного кода. Следовательно, для 12-канального полосного вокодера потребуется передавать по каналу связи 2300 бит/с, а для 20-канального вокодера — 3500 бит/с.

Основным недостатком полосных вокодеров является техническая сложность и громоздкость реализации, обусловленная большим количеством используемых фильтров. Качество восстанавливаемой речи может снижаться из-за того, что в полосе пропускания фильтра на тональных звуках может оказаться несколько гармоник основного тона и число таких гармоник может меняться во времени. Кроме того, снижение качества обуславливают возможные ошибки при определении F0 (Ti).

Вместо значений частот основного тона можно использовать так называемый основной канал: передавать естественную речь, взятую в частотной полосе, например 250...750 Гц. При этом качество речи, как правило, улучшается, однако скорость передачи увеличивается до 10 Кбит/с. Поскольку передается не только преобразованная речь, в этом случае говорят о полосном полувокодере.

Дискретные методы передачи и обработки речевого сигнала

Дискретные методы передачи и обработки речевого сигнала

Наиболее естественным и, видимо, исторически самым ранним способом перевода речевых сигналов в цифровую форму является импульсно-кодовая модуляция, при которой речевой сигнал s (t) подвергается дискретизации по времени и квантованию по уровню. Такие преобразования приводят к возникновению шумов дискретизации и квантования, т.е. снижению отношения сигнал-шум.

В соответствии с рекомендациями МККТТ для стандартного телефонного канала принято, что частота дискретизации должна составлять 8 кГц, квантование должно производиться по квазилогарифмическому закону, а кодирование — с восемью двоичными символами. При этом требуется обеспечить скорость передачи оцифрованной речи по каналу связи 64 Кбит/с, тогда как практически допустимые скорости передачи данных по каналу ТЧ обычно не превосходят 2,4 Кбит/с (по выделенным каналам 4,8 или 9,6 Кбит/с).

Другим, хорошо известным способом скалярного кодирования речи является дельта-модуляция (ДМ) со всеми ее разновидностями. При ДМ по каналу связи передаются не сами квантованные значения сигнала, а только их приращения.

Передача речи при помощи дельта-модуляции сопровождается искажениями двух видов. Это частотные ограничения (перегрузка по крутизне) и дробление.
Частотные ограничения обусловлены тем, что приращения преобразуемого сигнала всегда фиксируются с запаздыванием, и это запаздывание тем больше, чем быстрее изменяется сигнал. Уменьшить искажения этого вида можно за счет увеличения частоты дискретизации. Дробления проявляются на тех временных интервалах, где сигнал либо постоянен, либо изменяется очень медленно. Эффект дробления уменьшается при использовании логической обработки и нелинейной шкалы квантования, т.е. адаптации параметров модуляции к характеристикам преобразуемого сигнала.

При использовании всех мер борьбы с искажениями качество передачи речи по каналам с дельта-модуляцией удовлетворяет требованиям МККТТ при частоте дискретизации порядка 40 ...50 кГц.

Расчеты значений отношения сигнала к шуму для адаптивной дельта-модуляции (АДМ) показали, что при скорости передачи информации больше 40 Кбит/с предпочтительнее использовать ИКМ, а при меньше 40 Кбит/с эффективнее оказывается АДМ.

При использовании способов векторного анализа и синтеза речевых сигналов используется расчленение сигналов на тональные и шумовые интервалы, соответствующие произнесению тональных (вокализованных) и глухих (шумовых) звуков речи.

Страница 1 из 212
Яндекс.Метрика