Методы скремблирования речевого сигнала

Для защиты речевой информации в большинстве случаев применяют устройства, использующие методы аналогового скремблирования.

Процесс аналогового скремблирования представляет собой сложное преобразование исходного речевого сигнала с последующим его восстановлением после передачи преобразованного сигнала по каналу связи, подверженному воздействию различных шумов и помех. Преобразовать речевой сигнал можно по трем параметрам: частоте, амплитуде и времени. Но так как изменяющееся во времени соотношение сигнал/шум влияют на возможность восстановления амплитуды сигнала, использовать преобразование по амплитуде нецелесообразно. Поэтому на практике применяются только частотное и временное скремблирование, а также комбинирование этих методов.

Частотные скремблеры можно разделить на инверсные и полосовые.

Инверсный скремблер осуществляет преобразование исходного речевого спектра, равносильное повороту полосы сигнала вокруг некой средней точки. При этом происходит преобразование низких частот в высокие и наоборот. Принцип работы инвертора показан на рисунке 1.

Рисунок 1 - Принцип работы инвертора речи

Однако, при перехвате легко устанавливается частота, соответствующая точке инверсии в полосе спектра сигнала, а это значит, что рассмотренный способ имеет невысокий уровень закрытия.

Полосовой скремблер делит спектр сигнала на несколько частотных полос равной ширины и производит перемешивание и инверсию этих полос по ключу системы. На рисунке 2 представлен пример работы полосового скремблера.

Рисунок 2 - Принцип работы полосового скремблера

Повысить степень закрытия исходного речевого сигнала поможет изменение ключа системы, однако, это требует введения на приемной стороне синхронизации. Основная часть энергии речевого сигнала сосредоточена в небольшой области низкочастотного спектра, поэтому количество вариантов перемешивания ограничено, и многие системы характеризуются относительно высокой остаточной разборчивостью.

Временные скремблеры можно разделить на инверсии по времени сегментов речи и временной перестановке сегментов речи.

Скремблеры с временной инверсией делят сигнал на последовательности временных сегментов, каждый из которых инвертируется во времени, передается с конца. В таких скремблерах уровень закрытия зависит от длительности сегментов. Чтобы достичь неразборчивости речи, необходимая длина сегментов должна составлять около 250мс. Задержка системы при этом будет составлять приблизительно 500мс, а это может быть неприемлемым.

Повысить уровень закрытия можно прибегнув к перестановке временных отрезков речевого сигнала в пределах фиксированного кадра, пример такого способа представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема работы временного скремблера с перестановками в фиксированном кадре

Ключом системы является правило перестановок, изменение этого ключа может существенно повысить степень закрытия речи. Остаточная разборчивость сигнала зависит от длины кадра и от длины отрезков сигнала.

Комбинация временного и частотного скремблирования может существенно повысить степень закрытия исходного сигнала.

Схема комбинированного скремблера представлена на рисунке 4. В этом скремблере с помощью четырех процессоров цифровой обработки сигналов осуществляется операция частотно-временных перестановок дискретезированных отрезков исходного сигнала.

Рисунок 4 - Блок-схема комбинированного скремблера

В комбинированном скремблере спектр оцифрованного сигнала разбивается на частотно-временные элементы. Затем эти элементы перемешиваются в соответствии с криптографическим алгоритмом на частотно-временной плоскости и суммируются. Принцип работы комбинированного скремблера представлен на рисунке 5.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 и 12 13 14 15 16 17 18 19 20 t = О

t

Частота

03 кГц

I 5 13 18 16 15 3 8 2 12 6 10 7 1 14 19 9 20 4 11 17 t = о                  t

Рисунок 5 - Принцип работы комбинированного скремблера

Стойкость представленного метода сравнима со стойкостью цифровых систем закрытия речи.

Скремблеры всех типов, за исключением скремблера с частотной инверсией, имеют недостатки, такие как искажение восстановленного сигнала, увеличение соотношения сигнал/шум и т.д.

Однако, несмотря на недостатки скремблеров методы временного, частотного и комбинированного скремблирования успешно применяются в коммерческих каналах связи для защиты конфиденциальной информации.