Защита речевой информации в телефонных линиях связи

около 2400 бит/с.

Полосовые фильтры в цифровом исполнении строятся на базе аналоговых фильтров Баттерворта, Чебышева, эллиптических и других. Каждый 20-миллисекундный от¬резок времени кодируется 48 битами, из них 6 бит отводится на информацию об основ¬ном тоне, один бит на информацию "тон-шум", характеризующую наличие или отсут¬ствие вокализованного участка речевого сигнала, остальные 41 бит описывают значения амплитуд сигналов на выходе полосовых фильтров.

Существуют различные модификации полосного вокодера, приспособленные для каналов с ограниченной полосой пропускания. При отсутствии жестких требований на качество синтезированной речи удается снизить количество бит передаваемой информа¬ции 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 каж¬дого второго кадра речевого сигнала и в нем дополнительной информации о синтезе пропущенного кадра. Потери в качестве синтезированной речи от таких процедур не слишком велики, достоинством же является снижение скорости передачи сигнала.

Наибольшее распространение среди систем цифрового кодирования речи с последу¬ющим шифрованием получили системы, основным узлом которых являются вокодеры с линейным предсказанием речи (ЛПР).

Математическое представление модели цифрового фильтра, используемого в воко¬дере с линейным предсказанием, имеет вид кусочно-линейной аппроксимации процесса формирования речи с некоторыми упрощениями, а именно: каждый текущий отсчет ре¬чевого сигнала является линейной функцией Р предыдущих отсчетов. Несмотря на не¬совершенство такой модели, ее параметры обеспечивают приемлемое представление ре¬чевого сигнала. В вокодере с линейным предсказанием анализатор осуществляет мини¬мизацию ошибки предсказания, представляющей собой разность текущего отсчета рече¬вого сигнала и средневзвешенной суммы Р предыдущих отсчетов, где Р - порядок пред¬сказания, а весовые коэффициенты являются коэффициентами линейного предсказания. Оценка качества проводится по минимуму среднеквадратической величины ошибки пред¬сказания. Существует несколько методов минимизации ошибки. Общим для всех являет¬ся то, что при оптимальной величине коэффициентов предсказания спектр сигнала ошибки приближается к белому шуму и соседние значения ошибки имеют минимальную корре¬ляцию. Известные методы делятся на две категории: последовательные и боковые, ко¬торые получили наибольшее распространение.

В вокодере с линейным предсказанием речевая информация передается тремя пара¬метрами: амплитудой, решением "тон/шум" и периодом основного тона для вокализо¬ванных звуков. Так, согласно федеральному стандарту США, период анализируемого отрезка речевого сигнала составляет 22,5 мс, что соответствует 180 отсчетам при частоте дискретизации 8 кГц. Кодирование в этом случае осуществляется 54 битами, что соответствует скорости передачи 2400 бит/с. При этом 41 бит отводится на кодирова¬ние десяти коэффициентов предсказания, 5 - на кодирование величины амплитуды, 7 - на передачу периода основного тона, и 1 бит определяет решение "тон/шум". При осу¬ществлении подобного кодирования предполагается, что все параметры независимы, однако в естественной речи параметры коррелированы и возможно значительное сниже¬ние скорости передачи данных без потери качества, если правило кодирования оптими¬зировано с учетом зависимости всех параметров. Такой подход известен под названием векторного кодирования. Его применение к вокодеру с линейным предсказанием позво¬лит снизить скорость передачи данных до 800 бит/с и менее с очень малой потерей ка¬чества.

Основной особенностью использования систем цифрового закрытия речевых сигналов является необходимость использования модемов. В принципе возможны следующие подходы при проектировании систем цифрового закрытия речевых сигналов:

1) цифровая последовательность параметров речи с выхода вокодерного устройства подается на вход шифратора, где подвергается преобразованию по одному из криптог¬рафических алгоритмов, затем поступает через модем в канал связи, на приемной сто¬роне которого осуществляются обратные операции по восстановлению речевого сигна¬ла, в которых задействованы модем и дешифратор (см. рис.1.D). Шифрующие/дешифрующие функции обеспечивают¬ся либо в отдельных устройствах, либо в программно-аппаратной реализации самого вокодера;

2) шифрующие/дешифрующие функции обеспечиваются самим модемом (так называемый засекречивающий модем) обычно по известным криптографическим алгорит¬мам типа DES и другим. Цифровой поток, несущий информацию о параметрах речи, с выхода вокодера непосредственно поступает на такой модем. Организация связи по ка¬налу аналогична вышеприведенной.

Критерии оценки систем закрытия речи

Существуют четыре основных критерия, по которым оцениваются характеристики устройств закрытия речевых сигналов, а именно: разборчивость речи, узнаваемость го¬ворящего, степень закрытия и основные технические характеристики системы.

Приемлемым или коммерческим качеством восстановленной на приемном конце речи считается такое, когда слушатель может без труда определить голос говорящего и смысл произносимого сообщения. Помимо этого, под хорошим качеством передаваемого рече¬вого сигнала подразумевается и возможность воспроизведения эмоциональных оттенков и других специфических эффектов разговора, присущих беседам tet-a-tet.

Влияющие на качество восстановленного речевого сигнала параметры узкополосных закрытых систем передачи речи определяются способами кодирования, методами моду¬ляции, воздействием шума, инструментальными ошибками и условиями распростране¬ния. Шумы и искажения воздействуют на характеристики каждой компоненты системы по-разному, и снижение качества, ощущаемое пользователем, происходит от суммарно¬го эффекта понижения характеристик отдельных компонент. Существующие объектив¬ные методы оценки качества речи и систем не применимы для сравнения характеристик узкополосных дискретных систем связи, в которых речевой сигнал преобразуется в си¬стему параметров на передающей стороне, передается по каналу связи, а затем синтези¬руется в речевой сигнал в приемнике.

Существующие субъективные методы измерений разборчивости и естественности отличаются значительной трудоемкостью, поскольку в этом деле многое зависит от ис¬пользуемого словаря, выбранного канала связи, диалекта, возраста и эмоционального состояния испытуемых дикторов. Поэтому проведение измерений для получения стати¬стически надежных и повторяемых оценок параметров системы при изменяющихся ус¬ловиях требует больших затрат.

При использовании радиоканалов эти трудности еще более возрастают из-за неопре¬деленности условий распространения, и достичь повторяемости результатов невозмож¬но без применения моделей радиоканалов.

Для дуплексных систем дополнительное влияние на качество оказывает временная задержка сигнала, вносимая речевым скремблером или шифратором.

Поскольку основным показателем секретности передаваемых речевых сообщений является его неразборчивость при перехвате потенциальными подслушивающими лица¬ми, сравнение по степеням защиты является определяющим моментом при выборе пользо¬вателем конкретной системы закрытия речи. В основном распределение по уровням зак¬рытия речевых сообщений соответствует ранее приведенной диаграмме на рис.2.

Как правило, аналоговые скремблеры используются там, где применение цифровых систем закрытия речи затруднено из-за наличия возможных ошибок передачи (назем¬ные линии связи с плохими характеристиками или каналы дальней радиосвязи), обес¬печивают тактический уровень защиты и хорошо предохраняют переговоры от посто¬ронних "случайных ушей", имеющих ограниченные ресурсы, будь то соседи или сослу¬живцы. Для таких применений годятся системы со статическим закрытием, то есть осу¬ществляющие шифрование по фиксированному ключу.

Если же необходимо сохранить конфиденциальность информации от возможных конкурентов, обладающих достаточным техническим и специальным оснащением, то нужно применять аналоговые скремблеры среднего уровня закрытия с динамически меняющим¬ся в процессе разговора ключом. Естественно, что эти системы будут дороже, чем системы закрытия с фиксированным ключом, однако они настолько осложнят работу непри¬ятелей по разработке дешифрующего алгоритма, что время, потраченное на это, значительно обесценит добытую информацию из перехваченного сообщения.

Поскольку в таких устройствах закрытия, как правило, перед началом сообщения передается синхропоследовательность, содержащая часть дополнительной информации о ключе именно этого передаваемого сообщения, у противника имеется только один шанс попытаться его раскрыть, перебрав широкое множество ключевых установок, и, если ключи меняются ежедневно, то даже при известном алгоритме преобразования речи не¬приятелю придется перебрать много тысяч вариантов в поисках истинной ключевой под¬становки.

В случае, если есть предположение, что в целях добывания крайне интересующей его информации противник может воспользоваться услугами высококвалифицированных специалистов и их техническим арсеналом, то для того, чтобы быть уверенным в отсут¬ствии утечки информации, необходимо применять системы закрытия речи, обеспечива¬ющие стратегическую (самую высокую) степень защиты. Это могут обеспечить лишь ус¬тройства дискретизации речи с последующим шифрованием и новый тип аналоговых скремблеров. Последние используют методы преобразования аналогового речевого сиг¬нала в цифровую форму, затем применяют методы криптографического закрытия, ана¬логичные тем, что используются для закрытия данных, после чего результирующее зак¬рытое сообщение преобразуется обратно в аналоговый сигнал и подается в линию связи. Для раскрытия полученного сигнала на приемном конце