Разработка устройства, осуществляющего преобразование аналогового сигнала в цифровой и его последующее шифрование

1.  Введение.

Проблема защиты информации с помощью преобразования, исключающего ее прочтение посторонним, волновала человеческий ум с давних времен. История криптографии - ровесница истории человеческого языка.

Наиболее бурное развитие криптография получила в годы Первой и Второй мировых войн. Война явилась лучшим стимулом развития криптографии, когда было необходимо скрыть от противника информацию, передаваемую по незащищенным каналам. Появление вычислительных средств ускорило разработку и совершенствование криптографических методов.

Например, через глобальную сеть Интернет передаются большие объемы информации военного, государственного, коммерческого и частного характера, не допускающего возможность доступа к ней посторонних лиц, но быстродействие современных компьютеров позволяет взламывать некоторые криптографические алгоритмы, которые пять-семь лет назад считались практически нераскрываемыми. Проблемой защиты информации путем ее преобразования занимается криптология. Криптология разделяется на два направления - криптографию и криптоанализ. Цели этих направлений прямо противоположны. Криптография занимается поиском и исследованием математических методов преобразования информации. Криптоанализ - это исследование возможности расшифровывания информации без знания ключей.

Для повышения скрытности передачи речевых сообщений применяются различные виды скремблеров. Наиболее перспективными являются цифровые скремблеры, так как для шифрования цифрового сигнала могут применяться алгоритмы, которые значительно превосходят по криптостойкости алгоритмы шифрования аналоговых сигналов.

В данном проекте разработано устройство, осуществляющее преобразование аналогового сигнала в цифровой и его последующее шифрование.

2.  Анализ технического задания

Динамический диапазон является важнейшим параметром звука как сигнала. Он представляет собой отношение максимального по силе значения к минимальному значению, выраженному в децибелах.

Самый слабый звук, который уже не различается на слух, имеет интенсивность . Для оценки в децибелах этот уровень интенсивности, или громкости звука, принят за нулевой уровень громкости. Для определения громкости звуков находят, во сколько раз изменяемый звук громче нулевого уровня.

В техническом задании указан необходимый динамический диапазон по входу в 60 дБ. Отсюда можно рассчитать необходимую разрядность АЦП:

20*log(x)=60дБ;

х=10³=1000;

Наиболее близко к этому значению находится значение 2¹⁰=1024, что соответствует 10 разрядному АЦП.

Частотный диапазон звукового сигнала – второй по важности показатель. Для понимания речи достаточно частотного диапазона в 5кГц. В техническом задании указан диапазон рабочих частот 20Гц-5кГц. Отсюда можно найти частоту дискретизации. Согласно теореме Котельникова частота дискретизации не менее чем в 2 раза больше максимальной частоты сигнала, то есть F_д³2F_мах, (лучше 3-5), откуда F_д³10кГц, или F_д³15кГц. Возьмем F_д=15кГц.

Потребляемая мощность не должна превосходить 100мВт, что ограничивает выбор элементной базы.

Условия эксплуатации не накладывают серьезных ограничений на выбор элементной базы.

3.  Рассмотрение возможных структурных схем устройства.

3.1.Схема с использованием АЦП с параллельным выходом и параллельного шифрования.

Рис. 2 Структурная схема скремблера с параллельным шифрованием.

Достоинства схемы:

·  Низкие требования к быстродействию АЦП.

·  Параллельное шифрование сразу выдает конечный результат, контроль результата.

Недостатки:

·  Необходимость использовать 10 элементов Исключающее ИЛИ. Возрастает сложность схемы и энергопотребление.

·  Необходимость использовать два мультиплексора, которые сложны в управлении.

·  Сложная схема синхронизации.

3.2.Схема с использованием АЦП с параллельным выходом и последовательным шифрованием.

Рис. 3 Структурная схема скремблера с последовательным шифрованием и АЦП с параллельным выходом.

Достоинства:

·  Низкие требования к быстродействию АЦП.

·  Один элемент Исключающее ИЛИ.

·  Последовательный доступ к элементам памяти.

Недостатки:

·  Необходимость использовать мультиплексор.

·  Сложная схема синхронизации.

3.3.Схема с использованием последовательного АЦП и последовательного шифрования

Рис. 4 Структурная схема скремблера с последовательным шифрованием и АЦП с последовательным выходом.

Достоинства:

Один элемент Исключающее ИЛИ

Последовательный доступ к элементам памяти

Простая схема синхронизации

Возможность использовать внешнюю синхронизацию

Отсутствие мультиплексоров

Недостатки:

Достаточно высокие требования к быстродействию АЦП

Данная структурная схема наиболее проста в управлении, содержит наименьшее число элементов, что положительно скажется на потребляемой мощности, а также в ней не используются мультиплексороы. Выберем ее в качестве основной.

4.  Выбор элементной базы.

4.1.Выбор АЦП.

При выборе АЦП необходимо учесть, что он должен преобразовывать входные данные с частотой 15 кГц, поскольку выбран АЦП с последовательным выходом, то при разрядности в 10 бит за один такт он должен совершать 10 итераций, то есть его частота составит 150кГц.

Итак, АЦП с параллельным выходом, разрядностью 10 бит и частотой работы 150кГц. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяет АЦП фирмы Texas Instruments модели ADS7887. Он имеет следующие характеристики: