ПЗ-4. Криптозащита аналоговых сигналов. Принципы защиты речевых сообщений в каналах связи. Аналоговое скремблирование

ПЗ-4. Криптозащита аналоговых сигналов

1.  Принципы защиты речевых сообщений в каналах связи

Человеческая речь может быть определена как модуляция сигнала акустического носителя, который вырабатывается в ротовой и носовой полостях человека. Посредством этого генерируется основной звуковой элемент речи фонема, а сумма фонем составляет вместе новое, более сложное образование - голосовой сигнал, имеющий определенные частотные, временные и амплитудные характеристики (свои для каждого голоса).

Главной целью при разработке систем передачи речи является сохранение тех ее характеристик, которые наиболее важны для восприятия слушателем (абонентом). Соответственно, безопасность при передаче речевых сообщений по каналам связи основывается на использовании большого числа различных методов закрытия сообщений, конечная суть которых сводится к таким изменениям характеристик речи, при реализации которых она становится неразборчивой и неузнаваемой для злоумышленника (неавторизованного лица), осуществляющего перехват (несанкционированный доступ) закрытого речевого сообщения.

В настоящее время в основном используются два основных подхода к защите речевых сообщений, передаваемых по каналам связи, а именно скремблирование и шифрование.

Под скремблированием (более точный термин – аналоговое скремблирование) понимается осуществлнение таких изменений характеристик речевого сигнала, при которых преобразованный (скремблированный) сигнал в полной мере обладает свойствами неразборчивости и неузнаваемости и, при этом, занимает такую же полосу частот, что и исходный открытый речевой сигнал (рис. 1).

Под шифрованием речевого сигнала понимается сложная процедура, включающая в свой состав аналого-цифровое преобразование (АЦП) исходного аналогового речевого сигнала и шифрование полученных в результате АЦП данных с помощью одного из известных способов, чаще всего посредством поточного шифрования с гарантированной стойкостью (рис. 2).

2. Аналоговое скремблирование

Аналоговое скремблирование на основе частотно-временных преобразований разработано в 40-х годах 20 века для стандартных телефонных каналов (канал тональной частоты) и используется по настоящее время в основном для построения систем засекречивания телефонных каналов временной стойкости. Аналоговые скремблеры преобразуют  исходный  речевой  сигнал посредством изменения его ампли

Рис.  1.  Аналоговое скремблирование на основе частотно - временных преобразований

Рис.  2.   Принцип шифрования речевого сигнала тудных, частотных и временных параметров в различных комбинациях. Скремблированный сигнал затем может быть передан по каналу связи в той же полосе частот, что и исходный, открытый. В аппаратуре такого типа используется один или несколько способов аналогового скремблирования, а именно:

-  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;

-  скремблирование во временной области - разбиение речевого сигнала на сегменты с перемешиванием их во времени с последующим их прямым и (или) реверсивным (обратным) считыванием;

-  комбинирование временного и частотного скремблирования.

С помощью аналогового скремблирования удаётся достичь средней, а иногда и  высокой степени защиты речевых сообщений. Поскольку скремблированные речевые сигналы в аналоговой форме лежат в той же полосе частот, что и исходные открытые, это означает, что их можно передавать по обычным коммерческим каналам связи, используемым для передачи речи, без затребования какого-либо специального оборудования, например модемов. Поэтому устройства речевого скремблирования не так дороги и значительно менее сложны, чем устройства дискретизации с последующим цифровым шифрованием.

Аналоговые скремблеры по режиму работы можно разделить на два следующих класса:

-  статические, схема шифрования (ключ) в которых остается неизменной в течение всей передачи речевого сообщения;

-  динамические, постоянно генерирующие на основе ключа кодовые подстановки в ходе передачи, изменяющие схему преобразования речевого сигнала (код может быть изменен в процессе передачи несколько раз в течение каждой секунды).

Очевидно, что динамические скремблеры обеспечивают более высокую степень защиты, поскольку резко ограничивают возможность легкого прослушивания переговоров посторонними лицами.

Преобразование речевого сигнала возможно по трем параметрам: амплитуде, частоте и времени. Считается, что использовать амплитуду нецелесообразно, так как изменяющиеся во времени затухание канала и отношение мощности полезного сигнал к суммарной мощности шумов и помех на входе приёмника делают сложным точное восстановление амплитуды переданного сигнала. Поэтому на практике чаще всего встречаются системы, использующие только частотное и временное скремблирование и их комбинации.

Существуют два основных вида частотных скремблеров: инверсный и полосовой. Оба основаны на преобразованиях спектра исходного речевого сигнала для скрытия передаваемой информации и восстановления полученного речевого сообщения путем обратных преобразований. Инверсный скремблер осуществляет преобразование речевого спектра, равносильное повороту частотной полосы речевого сигнала вокруг некоторой средней точки (рис. 3 а)). Однако данный способ обеспечивает невысокий уровень закрытия, так как при перехвате легко устанавливается значение частоты, соответствующее средней точке инверсии в полосе речевого сигнала.

Речевой спектр можно также разделить на несколько частотных полос и произвести их перемешивание и инверсию по некоторому правилу, задаваемому ключевыми данными. Так функционирует полосовой скремблер (рис. 3 б)).

Изменение ключа системы позволяет повысить степень криптографической стойкости, но требует введения синхронизации на приемной стороне системы. Основная часть энергии речевого сигнала сосредоточена в относительно