Методы и средства защиты проводных телефонных линий связи

Так как передача речевой информации составляет основу телекоммуникации в человеческом обществе, то ее защита— важнейшая задача инженернотехнической защиты информации. Речевая информация, передаваемая по каналу связи, содержится в информационных параметрах электрических и радиосигналов. Сигналы распространяются по линиям связи в аналоговом и цифровом виде. В результате несанкционированного перехвата этих сигналов и их модуляции речевая информация может быть добыта злоумышленником.

При защите телефонных аппаратов и телефонных линий необходимо учитывать несколько аспектов:
- телефонные аппараты (даже при положенной трубке) могут быть использованы для перехвата акустической речевой информации из помещений, в которых они установлены, то есть для подслушивания разговоров в этих помещениях;

- телефонные линии, проходящие через помещения, могут использоваться в качестве источников питания акустических закладок, установленных в этих помещениях, а также для передачи перехваченной информации;

- и, конечно, возможен перехват (подслушивание) телефонных разговоров путем гальванического или через индукционный датчик подключения к телефонной линии закладок (телефонных ретрансляторов), диктофонов и других средств несанкционированного съема информации.
Телефонный аппарат имеет несколько элементов, имеющих способность преобразовывать акустические колебания в электрические, то есть обладающих "микрофонным эффектом". К ним относятся: звонковая цепь, телефонный и, конечно, микрофонный капсюли. За счет электроакустических преобразований в этих элементах возникают информационные (опасные) сигналы.
При положенной трубке телефонный и микрофонный капсюли гальванически отключены от телефонной линии и при подключении к ней специальных высокочувствительных низкочастотных усилителей возможен перехват опасных сигналов, возникающих в элементах только звонковой цепи. Амплитуда этих опасных сигналов, как правило, не превышает долей мВ.

При использовании для съема информации метода "высокочастотного навязывания", несмотря на гальваническое отключение микрофона от телефонной линии, сигнал навязывания благодаря высокой частоте проходит в микрофонную цепь и модулируется по амплитуде информационным сигналом.
Следовательно, в телефонном аппарате необходимо защищать как звонковую цепь, так и цепь микрофона.

Для защиты телефонного аппарата от утечки акустической (речевой) информации по электроакустическому каналу используются как пассивные, так и активные методы и средства.

К наиболее широко применяемым пассивным методам защиты относятся:
- ограничение опасных сигналов;

- фильтрация опасных сигналов;

- отключение преобразователей (источников) опасных сигналов.

Возможность ограничения опасных сигналов основывается на нелинейных свойствах полупроводниковых элементов, главным образом диодов. В схеме ограничителя малых амплитуд используются два встречно-включенных диода. Такие диоды имеют большое сопротивление (сотни кОм) для токов малой амплитуды и единицы Ом и менее - для токов большой амплитуды (полезных сигналов), что исключает прохождение опасных сигналов малой амплитуды в телефонную линию и практически не оказывает влияние на прохождение через диоды полезных сигналов.
Диодные ограничители включаются последовательно в линию звонка или непосредственно в каждую из телефонных линий.

Фильтрация опасных сигналов используется главным образом для защиты телефонных аппаратов от "высокочастотного навязывания".Простейшим фильтром является конденсатор, устанавливаемый в звонковую цепь телефонных аппаратов с электромеханическим звонком и в микрофонную цепь всех аппаратов. Емкость конденсаторов выбирается такой величины, чтобы зашунтировать зондирующие сигналы высокочастотного навязывания и не оказывать существенного влияния на полезные сигналы. Обычно для установки в звонковую цепь используются конденсаторы емкостью 1 мкФ, а для установки в микрофонную цепь - емкостью 0,01 мкФ. Более сложное фильтрующее устройство представляет собой многозвенный фильтр низкой частоты на LC-элементах.

Отключение телефонных аппаратов от линии при ведении в помещении конфиденциальных разговоров является наиболее эффективным методом защиты информации.
Самый простой способ реализации этого метода защиты заключается в установке в корпусе телефонного аппарата или телефонной линии специального выключателя, включаемого и выключаемого вручную. Более удобным в эксплуатации является установка в телефонной линии специального устройства защиты, автоматически (без участия оператора) отключающего телефонный аппарат от линии при положенной телефонной трубке.

Активные методы защиты от утечки информации по электроакустическому каналу предусматривают линейное зашумление телефонных линий. Шумовой сигнал подается в линию в режиме, когда телефонный аппарат не используется (трубка положена). При снятии трубки телефонного аппарата подача в линию шумового сигнала прекращается.

Для защиты акустической (речевой) информации в выделенных помещениях наряду с защитой телефонных аппаратов необходимо принимать меры и для защиты непосредственно телефонных линий, так как они могут использоваться в качестве источников питания акустических закладок, установленных в помещениях, а также для передачи информации, получаемой этими закладками.
При этом используются как пассивные, так и активные методы и средства защиты. Пассивные методы защиты основаны на блокировании акустических закладок, питающихся от телефонной линии в режиме положенной трубки, а активные - на линейном зашумлении линий и уничтожении (электрическом "выжигании") закладных устройств или их блоков питания путем подачи в линию высоковольтных импульсов.

Защита телефонных разговоров от перехвата осуществляется главным образом активными методами. К основным из них относятся:

- подача во время разговора в телефонную линию синфазного маскирующего низкочастотного сигнала (метод синфазной низкочастотной маскирующей помехи);

- подача во время разговора в телефонную линию маскирующего высокочастотного сигнала звукового диапазона (метод высокочастотной маскирующей помехи);

- подача во время разговора в телефонную линию маскирующего высокочастотного ультразвукового сигнала (метод ультразвуковой маскирующей помехи);

- поднятие напряжения в телефонной линии во время разговора (метод повышения напряжения);

- подача во время разговора в линию напряжения, компенсирующего постоянную составляющую телефонного сигнала (метод "обнуления");

- подача в линию при положенной телефонной трубке маскирующего низкочастотного сигнала (метод низкочастотной маскирующей помехи);

- подача в линию при приеме сообщений маскирующего низкочастотного (речевого диапазона) с известным спектром (компенсационный метод);

- подача в телефонную линию высоковольтных импульсов (метод "выжигания").

Суть метода синфазной маскирующей низкочастотной (НЧ) помехи заключается в подаче в каждый провод телефонной линии с использованием единой системы заземления аппаратуры АТС и нулевого провода электросети 220 В (нулевой провод электросети заземлен) согласованных по амплитуде и фазе маскирующих сигналов речевого диапазона частот (как правило, основная мощность помехи сосредоточена в диапазоне частот стандартного телефонного канала: 300... 3400 Гц). В телефонном аппарате эти помеховые сигналы компенсируют друг друга и не оказывают мешающего воздействия на полезный сигнал (телефонный разговор). Если же информация снимается с одного провода телефонной линии, то помеховый сигнал не компенсируется. А так как его уровень значительно превосходит полезный сигнал, то перехват информации (выделение полезного сигнала) становится невозможным.

В качестве маскирующего помехового сигнала, как правило, используются дискретные сигналы (псевдослучайные последовательности импульсов).

Метод синфазного маскирующего низкочастотного сигнала используется для подавления телефонных радиозакладок (как с параметрической, так и с кварцевой стабилизацией частоты) с последовательным (в разрыв одного из проводов) включением, а также телефонных радиозакладок и диктофонов с подключением к линии (к одному из проводов) с помощью индукционных датчиков различного типа.

Метод высокочастотной маскирующей помехи заключается в подаче во время разговора в телефонную линию широкополосного маскирующего сигнала в диапазоне высших частот звукового диапазона. Данный метод используется для подавления практически всех типов подслушивающих устройств как контактного (параллельного и последовательного) подключения к линии, так и подключения с использованием индукционных датчиков. Однако эффективность подавления средств съема информации с подключением к линии при помощи с индукционных датчиков (особенно не имеющих предусилителей) значительно ниже, чем средств с гальваническим подключением к линии.
В качестве маскирующего сигнала используются широкополосные аналоговые сигналы типа "белого шума" или дискретные сигналы типа псевдослучайной последовательности импульсов.
Частоты маскирующих сигналов подбираются таким образом, чтобы после прохождения селективных цепей модулятора закладки или микрофонного усилителя диктофона их уровень оказался достаточным для подавления полезного сигнала (речевого сигнала в телефонной линии во время разговоров абонентов), но в то же время эти сигналы не ухудшали качество телефонных разговоров. Чем ниже частота помехового сигнала, тем выше его эффективность и тем большее мешающее воздействие он оказывает на полезный сигнал. Обычно используются частоты в диапазоне от 6... 8 кГц до 16... 20 кГц. Такие маскирующие помехи вызывают значительные уменьшение отношения сигнал/шум и искажения полезных сигналов (ухудшение разборчивости речи) при перехвате их всеми типами подслушивающих устройств. Кроме того, у радиозакладок с параметрической стабилизацией частоты ("мягким" каналом) как последовательного, так и параллельного включения наблюдается "уход" несущей частоты, что может привести к потере канала приема.

Для исключения воздействия маскирующего помехового сигнала на телефонный разговор в устройстве защиты устанавливается специальный низкочастотный фильтр с граничной частотой 3,4 кГц, подавляющий (шунтирующий) помеховые сигналы и не оказывающий существенного влияния на прохождение полезных сигналов. Аналогичную роль выполняют полосовые фильтры, установленные на городских АТС, пропускающие сигналы, частоты которых соответствуют стандартному телефонному каналу (300 Гц... 3,4 кГц), и подавляющие помеховый сигнал.

Метод ультразвуковой маскирующей помехи в основном аналогичен рассмотренному выше. Отличие состоит в том, что используются помеховые сигналы ультразвукового диапазона с частотами от 20...25 кГц до 50... 100 кГц.

Метод повышения напряжения заключается в поднятии напряжения в телефонной линии во время разговора и используется для ухудшения качества функционирования телефонных радиозакладок. Поднятие напряжения в линии до 18... 24 В вызывает у радиозакладок с последовательным подключением и параметрической стабилизацией частоты "уход" несущей частоты и ухудшение разборчивости речи вследствие размытия спектра сигнала. У радиозакладок с последовательным подключением и кварцевой стабилизацией частоты наблюдается уменьшение отношения сигнал/шум на 3... 10 дБ. Телефонные радиозакладки с параллельным подключением при таких напряжениях в ряде случаев просто отключаются.

Метод "обнуления" предусматривает подачу во время разговора в линию постоянного напряжения, соответствующего напряжению в линии при поднятой телефонной трубке, но обратной полярности.

Этот метод используется для нарушения функционирования подслушивающих устройств с контактным параллельным подключением к линии и использующих ее в качестве источника питания. К таким устройствам относятся: параллельные телефонные аппараты, проводные микрофонные системы с электретными микрофонами, использующие телефонную линию для передачи информации, акустические и телефонные закладки с питанием от телефонной линии и т.д.

Метод низкочастотной маскирующей помехи заключается в подаче в линию при положенной телефонной трубке маскирующего сигнала (наиболее часто, типа "белого шума") речевого диапазона частот (как правило, основная мощность помехи сосредоточена в диапазоне частот стандартного телефонного канала: 300... 3400 Гц) и применяется для подавления проводных микрофонных систем, использующих телефонную линию для передачи информации на низкой частоте, а также для активизации (включения на запись) диктофонов, подключаемых к телефонной линии с помощью адаптеров или индукционных датчиков, что приводит к сматыванию пленки в режиме записи шума (то есть при отсутствии полезного сигнала).

Компенсационный метод используется для односторонней маскировки (скрытия) речевых сообщений, передаваемых абоненту по телефонной линии.

Суть метода заключается в следующем. При передаче скрываемого сообщения на приемной стороне в телефонную линию при помощи специального генератора подается маскирующая помеха (цифровой или аналоговый маскирующий сигнал речевого диапазона с известным спектром). Одновременно этот же маскирующий сигнал ("чистый" шум) подается на один из входов двухканального адаптивного фильтра, на другой вход которого поступает аддитивная смесь принимаемого полезного сигнала речевого сигнала (передаваемого сообщения) и этого же помехового сигнала. Аддитивный фильтр компенсирует (подавляет) шумовую составляющую и выделяет полезный сигнал, который подается на телефонный аппарат или устройство звукозаписи.

Недостатком данного метода является то, что маскировка речевых сообщений односторонняя и не позволяет вести двухсторонние телефонные разговоры.

Метод "выжигания" реализуется путем подачи в линию высоковольтных (напряжением более 1500 В) импульсов, приводящих к электрическому "выжиганию" входных каскадов электронных устройств перехвата информации и блоков их питания, гальванически подключенных к телефонной линии. При использовании данного метода телефонный аппарат от линии отключается. Подача импульсов в линию осуществляется два раза. Первый (для "выжигания" параллельно подключенных устройств) - при разомкнутой телефонной линии, второй (для "выжигания" последовательно подключенных устройств) - при закороченной (как правило, в центральном распределительном щитке здания) телефонной линии.

Для защиты телефонных линий используются как простые устройства, реализующие один метод защиты, так и сложные, обеспечивающие комплексную защиту линий различными методами, включая защиту от утечки информации по электроакустическому каналу.

Наряду со средствами активной защиты на практике широко используются различные устройства, позволяющие контролировать некоторые параметры телефонных линий и устанавливать факт несанкционированного подключения к ним.

Методы контроля телефонных линий в основном основаны на том, что любое подключение к ним вызывает изменение электрических параметров линий: амплитуд напряжения и тока в линии, а также значений емкости, индуктивности, активного и реактивного сопротивления линии.

Простейшее устройство контроля телефонных линий представляет собой измеритель напряжения. При настройке оператор фиксирует значение напряжение, соответствующее нормальному состоянию линии (когда к линии не подключены посторонние устройства), и порог тревоги. При уменьшении напряжения в линии более установленного порога устройством подается световой или звуковой сигнал тревоги.

На принципах измерения напряжения в линии построены и устройства, сигнализирующие о размыкании телефонной линии, которое возникает при последовательном подключении закладного устройства.

Как правило, подобные устройства содержат также фильтры для защиты от прослушивания за счет "микрофонного эффекта" в элементах телефонного аппарата и высокочастотного "навязывания". Устройства контроля телефонных линий, построенные на рассмотренном принципе, реагируют на изменения напряжения, вызванные не только подключением к линии средств съема информации, но и колебаниями напряжения на АТС (что для отечественных линий довольно частое явление), что приводит к частым ложным срабатываниям сигнализирующих устройств. Кроме того, эти устройства не позволяют выявить параллельное подключение к линии высокоомных (с сопротивлением в несколько МОм) подслушивающих устройств. Поэтому подобные устройства не находят широкого применения на практике.

Принцип работы более сложных устройств основан на периодическом измерении и анализе нескольких параметров линии (наиболее часто: напряжения, тока, а также комплексного (активного и реактивного) сопротивления линии). Такие устройства позволяют определить не только факт подключения к линии средств съема информации, но и способ подключения (последовательное или параллельное). Например, контроллеры телефонных линий "КТЛ-2", "КТЛ-3" и "КТЛ-400" за 4 минуты позволяют обнаружить закладки с питанием от телефонной линии независимо от способа, места и времени их подключения, а также параметров линии и напряжения АТС. Приборы также выдают световой сигнал тревоги при кратковременном (не менее 2 секунд) размыкании линии.

Современные контроллеры телефонных линий, как правило, наряду со средствами обнаружения подключения к линии устройств несанкционированного съема информации, оборудованы и средствами их подавления. Для подавления в основном используется метод высокочастотной маскирующей помехи. Режим подавления включается автоматически или оператором при обнаружении факта несанкционированного подключения к линии.

Для блокировки работы (набора номера) несанкционированно подключенных параллельных телефонных аппаратов используются специальные электронные блокираторы.

Принцип работы подобных устройств состоит в следующем. В дежурном режиме устройство защиты производит анализ состояния телефонной линии путем сравнения напряжения в линии и на эталонной (опорной) нагрузке, подключенной к цепи телефонного аппарата. При поднятии трубки несанкционированно подключенного параллельного телефонного аппарата напряжение в линии уменьшается, что фиксируется устройством защиты. Если этот факт зафиксирован в момент ведения телефонного разговора (трубка на защищаемом телефонном аппарате снята), срабатывает звуковая и световая (загорается светодиод несанкционированного подключения к линии) сигнализация. А если факт несанкционированного подключения к линии зафиксирован в отсутствии телефонного разговора (трубка на защищаемом телефонном аппарате не снята), то срабатывает сигнализация и устройство защиты переходит в режим блокирования набора номера с параллельного телефонного аппарата. В этом режиме устройство защиты шунтирует телефонную линию сопротивлением 600 Ом (имитируя снятие трубки на защищаемом телефонном аппарате), что полностью исключает возможность набора номера с параллельного телефонного аппарата.

Кроме несанкционированного подключения к линии параллельного телефонного аппарата подобные устройства сигнализирует также о фактах обрыва (размыкания) и короткого замыкания телефонной линии.

Самым эффективным способом защиты телефонных сообщений от несанкционированного доступа является их криптографическое преобразование.

Для того, чтобы скрыть от злоумышленников смысловое содержание передаваемого телефонного сообщения, его необходимо определенным образом изменить. При этом изменить его так, чтобы восстановление исходного сообщения санкционированным абонентом осуществлялось бы очень просто, а восстановление сообщения злоумышленником было бы невозможным или требовало бы существенных временных и материальных затрат, что делало бы сам процесс восстановления неэффективным.

Именно такими свойствами и обладают криптографические преобразования, задачей которых является обеспечение математическими методами защиты передаваемых конфиденциальных телефонных сообщений. Даже в случае их перехвата злоумышленниками и обработки любыми способами с использованием самых быстродействующих суперЭВМ и последних достижений науки и техники смысловое содержание сообщений должно быть раскрыто в течение периода времени, определяемого стойкостью использемого шифра.

Рассмотрим общие принципы криптографического преобразования телефонных сообщений (рис.3.6.1). Будем называть исходное телефонное сообщение открытым сообщением и обозначать X(t). Это сообщение поступает в устройство криптографического преобразования (шифрования), где формируется зашифрованное сообщение Y(t) с помощью следующей зависимости:

Рис. 3.6.1. Обобщенная схема криптографической системы

Y(t) = Fk[ X(t)],

где Fk[.] - криптографическое преобразование;

k - ключ криптографического преобразования.

Здесь под ключом криптографического преобразования будем понимать некоторый параметр k, с помощью которого осуществляется выбор конкретного криптографического преобразования Fk. Очевидно, что чем больше мощность используемого множества ключей криптографического преобразования K, тем большему числу криптографических преобразований может быть подвергнуто телефонное сообщение X(t), а, следовательно, тем больше неопределенность у злоумышленника при определении используемого в данный момент криптографического преобразования Fk.

На приемной стороне полученное сообщение расшифровывается с целью восстановления открытого сообщения с помощью следующей зависимости:

X(t) = Zk[Y(t)] = Zk{Fk[X(t)]},

где - Zk[.] - обратное по отношению к Fk[.] преобразование.

Таким образом, наличие у абонентов одинаковых ключей k и криптографических преобразований Fk[.], Zk[.] позволяет без особых сложностей осуществлять зашифрование и расшифрование телефонных сообщений.

Очевидно, что для рассмотрения способов криптографического преобразования телефонных сообщений необходимо иметь представление о тех процессах, которые лежат в основе формирования этих сообщений.

Телефонное сообщение передается с помощью электрических сигналов, которые формируются из акустических сигналов путем преобразования микрофоном телефонного аппарата этих акустических сигналов в электрические, обработки электрических сигналов и усиления до необходимого уровня. На приемной стороне в телефонном аппарате электрические сигналы подвергаются обработке и преобразованию в акустические с помощью телефона.

Любое сообщение X(t) характеризуется длительностью и амплитудно-частотным спектром S(f), т.е. сообщение X(t) может быть представлено эквивалентно как во временной, так и в частотной областях.

Заметим, что человеческое ухо может воспринимать акустический сигнал в диапазоне от 15 Гц до 20 кГц, хотя могут иметь место некоторые индивидуальные расхождения. Однако для того, чтобы сохранить узнаваемость голоса абонента по тембру, чистоту и хорошую разборчивость звуков совершенно необязательно передавать акустический сигнал в этом частотном диапазоне. Как показала практика, для этого достаточно использовать частотный диапазон от 300 Гц до 3400 Гц. Именно такую частотную полосу пропускания имеют стандартные телефонные каналы во всем мире.

Исходя из временного и частотного представлений открытого телефонного сообщения X(t) на практике могут использоваться криптографические преобразования, применяемые к самому сообщению X(t) или к его амплитудно-частотному спектру S(f).

Наиболее простым и распространенным способом криптографического преобразования аналоговых телефонных сообщений является разбиение сообщений X(t) на части и выдача этих частей в определенном порядке в канал связи.

Рис. 3.6.2. Временные перестановки частей сообщения X(t)

Этот способ заключается в следующем. Длительность сообщения X(t) (рис.3.6.2) делится на определенные, равные по длительности временные интервалы T. Каждый такой временной интервал дополнительно делится на более мелкие временные интервалы длительностью t. При этом для величины n=T/t, как правило, выполняется условие n = m...10m, где m - некоторое целое число, m <10. Части сообщения X(t) на интервалах времени t записываются в запоминающее устройство, “перемешиваются” между собой в соответствие с правилом, определяемым ключом криптографического преобразования k, и в виде сигнала Y(t) выдаются в канал связи. На приемной стороне канала связи, где правило перемешивания известно, т.к. имеется точно такой же ключ криптографического преобразования k, осуществляется “сборка” из сообщения Y(t) открытого сообщения X(t).

К преимуществам этого способа криптографического преобразования относится его сравнительная простота и возможность передачи зашифрованного телефонного сообщения по стандартным телефонным каналам. Однако этот способ позволяет обеспечить лишь временную стойкость. Это обусловлено следующим. Поскольку открытое телефонное сообщение X(t) является непрерывным, то у злоумышленника после записи сообщения Y(t) и выделения интервалов длительностью t (последнее достаточно легко сделать, т. к. в канале связи присутствует синхронизирующий сигнал) появляется принципиальная возможность дешифрования сообщения Y(t) даже без знания используемого ключа k. С этой целью необходимо осуществить выбор интервалов таким образом, чтобы обеспечивалась непрерывность получаемого сообщения на стыках этих интервалов. Очевидно, что при тщательной и кропотливой работе с использованием специальной техники можно достаточно быстро обеспечить такую непрерывность, выделив тем самым открытое сообщение X(t).

Поэтому такой способ криптографического преобразования открытых телефонных сообщений целесообразно применять только в тех случаях, когда информация не представляет особой ценности или когда ее ценность теряется через относительно небольшой промежуток времени.

Более высокую защиту от несанкционированного доступа можно обеспечить, если идею рассмотренного способа распространить на частотный спектр сообщения X(t). В этом случае полоса пропускания телефонного канала F делится с помощью системы полосовых фильтров на n частотных полос шириной D, которые перемешиваются в соответствии с некоторым правилом, определяемым ключом криптографического преобразования k. Перемешивание частотных полос осуществляется со скоростью V циклов в секунду, т.е. одна перестановка полос длится 1/V c, после чего она заменяется следующей.

Для повышения защиты от несанкционированного доступа после перемешивания частотных полос может осуществляться инверсия частотного спектра сообщения Y(t).

Рисунок 3.6.3 иллюстрирует рассмотренный способ криптографического преобразования. В верхней части рисунка приведен частотный спектр сообщения X(t), а в нижней - спектр сообщения Y(t) на одном из циклов перемешивания при n = 5.

Рисунок 3.6.3 Частотные спектры сообщений X(t) и Y(t)

Рассмотренный способ позволяет обеспечить более высокую защиту телефонных сообщений от несанкционированного доступа по сравнению с предыдущим способом. Для восстановления открытого сообщения X(t) в этом случае злоумышленнику необходимо иметь дополнительные данные по относительным частотам появления звуков и их сочетаний в разговорной речи, частотным спектрам звонких и глухих звуков, а также формантной структуре звуков.

Очевидно, что наиболее высокую защиту телефонных сообщений от несанкционированного доступа представляется возможным обеспечить путем объединения рассмотренных способов. При этом временные перестановки будут разрушать смысловой строй, а частотные перемешивать гласные звуки.

Устройства, реализующие рассмотренные способы, называются скремблерами.

Рассмотрим криптографическое преобразование цифровых телефонных сообщений.

На практике для преобразования телефонного сообщения X(t) в цифровую форму на передающей стороне и восстановления этого сообщения на приемной стороне используются речевые кодеки, которые реализуют один из двух способов кодирования телефонных сообщений: формы и параметров.

Основу цифровой телефонии в настоящее время составляет кодирование формы сообщений. Кодирование параметров сообщений (вокодерная связь) используется значительно реже. Это обусловлено тем, что кодирование формы сигнала позволяет сохранить индивидуальные особенности человеческого голоса, удовлетворить требования не только к разборчивости, но и к натуральности речи.

При кодировании формы сигнала широко используются импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), дифференциальная ИКМ и дельта-модуляция.

При шифровании аналоговый речевой сигнал с выхода микрофона преобразуется с помощью аналоговоцифрового преобразователя в цифровой сигнал. При аналогоцифровом преобразовании амплитуда сигнала измеряется через равные промежутки времени, называемые шагом дискретизации. Для того чтобы цифровой речевой сигнал имел качество не хуже переданного по телефонному каналу в аналоговой форме, шаг дискретизации в соответствии с теоремой Котельникова не должен превышать 160 мкс, а количество уровней квантования амплитуды речевого сигнала— не менее 128. В этом случае один отсчет амплитуды кодируется 7 битами. Такой вид модуляции сигнала называется импульснокодовой комбинацией (ИКМ) и требует скорости передачи 4864 кбит/с, существенно превышающей пропускную способность стандартного телефонного канала связи. С целью снижения необходимой скорости разработаны различные методы сжатия речевого сообщения. Методы сжатия используют избыточность речевого сигнала или допускают снижение качества речи за счет показателей, несущественных для семантики сообщения. Например, широко применяемый метод дельтамодуляции (ДМ), который предусматривает передачу не абсолютных значений оцифрованных амплитуд исходного речевого сигнала, а величины изменения (дельты) амплитуды при каждом шаге квантования, позволяет снизить скорость передачи до 2024 кбит/с. Еще меньшая скорость передачи (812 кбит/с), но со снижением качества речи, требуется при передаче клипированной речи, которая представляет собой ограниченный по амплитуде дискретный речевой сигнал. Шифрование речевой информации в цифровой форме производится известными методами (заменой, перестановками, аналитическими преобразованиями, гаммированием и др.).

Кратко рассмотрим принципы осуществления ИКМ. ИКМ основана на дискретизации, квантовании отсчетов и кодировании номера уровня квантования (рис. 3.6.4).

Рис. 3.6.4. Обобщенная схема системы с ИКМ

Телефонное сообщение X(t) длительностью T, имеющее ограниченный частотой fm спектр, после фильтрации преобразуется в последовательность узких импульсов X(l) = X(lD t), l =1,N, где N = T/D t, D t = 1/2fm, модулированных по амплитуде. Полученные мгновенные значения X(l),l=1,N, квантуются по величине с использованием равномерной, неравномерной или адаптивно-изменяемой шкалы квантования. Квантованные значения отсчетов Xкв(l), l=1,N, с помощью кодера преобразуются в кодовые слова, характеризуемые числом двоичных символов, которые выдаются в канал связи.

На приемной стороне кодовые слова с помощью декодера преобразуются в значения отсчетов Xкв(l), l=1,N, из которых с помощью фильтра нижних частот осуществляется восстановление сообщения X(t).

Дифференциальная ИКМ и дельта-модуляция отличаются от ИКМ тем, что в них использовано нелинейное отслеживание передаваемого телефонного сообщения.

Система вокодерной связи функционирует следующим образом. В передающей части системы осуществляется анализ телефонного сообщения X(t), поступающего с микрофона, с целью выделения значений параметров, описывающих сигнал возбуждения, а также характеризующих резонансную структуру речевого тракта. Значения параметров в цифровом коде и передаются по каналу связи. На приемной стороне осуществляется синтез сообщения X(t) с использованием принятых значений параметров.

Таким образом, как при использовании кодирования формы сигнала с помощью ИКМ, дифференциальной ИКМ и дельта-модуляции, так и при кодировании параметров в канал связи выдаются последовательности символов.

Следовательно, к этим последовательностям могут быть применены известные и достаточно широко используемые на практике криптографические преобразования и алгоритмы.

Гарантированное засекречивание сообщений обеспечивается при использовании стандартизованных алгоритмов типа DES в США и ГОСТ 2814789 в России. Алгоритм DES, применяемый в США с 1976 года, обеспечивает суперпозицию шифров, состоящих из 16 последовательных циклов и в каждом из которых сочетаются подстановки и перестановки. Он реализуется программно, обеспечивает скорость передачи 10200 кБ/с и криптостойкость 10¹⁷ операций при длине ключа 56 бит.

Алгоритм криптографического преобразования, определяемый ГОСТ 2814789, обладает криптостойкостью, оцениваемой 10™ операций (длина ключа 256 бит), обеспечивает скорость шифрования 5070 кБ/с и реализуется в основном аппаратно. С увеличением длины ключа время раскрытия шифртекста резко возрастает. Например, при быстродействии компьютера около 10¹² оп./с это время составляет около 10 ч для ключа длиной 56 бит, для ключа в 64 бита оно повышается до 3,2 месяца, при длине 70 бит — 17,5 лет, а для 75 бит превышает 560 лет.

Хотя развитие связи характеризуется постепенной заменой аналоговой техники на цифровую, менее дорогая аналоговая связь, особенно телефонная проводная, еще длительное время будет одним из основных видов связи. Но стандартный телефонный канал имеет узкую полосу пропускания в 3 кГц, недостаточную для передачи с высоким качеством шифрованного цифрового сигнала.

Дата добавления: 2014-11-29