Спектральные методы закрытия речевого сообщения в каналах связи

    2. Речевой обмен в естественных  условиях подвержен влиянию множества  разнообразнейших помех, и в  процессе эволюции речевой и  слуховой аппарат человека сформировали прекрасно сопряженную и исключительно помехоустойчивую систему. Поэтому, если для технических систем отношение шум/сигнал, необходимое для подавления восприятия сигнала, составляет обычно десятки процентов, то для речи подавление смыслового восприятия происходит при отношении шум/сигнал в несколько сотен процентов, а подавление признаков речи (невозможность фиксации факт разговора) достигается при отношении шум/сигнал близком к 10. В том же случае, когда «шумовой» сигнал содержит значительную детерминированную составляющую, которая может быть отфильтрована при перехвате, требуемое значение уровня «шума» еще более возрастает. При оценке защитного эффекта шума «на слух» при отсутствии специальных навыков очень легко ошибиться, т. к. при длительном прослушивании шума и, тем более, при многократном прослушивании записи выявляются многие элементы речи, невоспринимаемые при кратковременной (в течение нескольких секунд) оценке.

    3. Следует учитывать, что и защищаемый  речевой сигнал и защитный шум распространяются в пространстве и обеспечить полную идентичность распределения их в пространстве крайне сложно. Поэтому во многих случаях защитный шум может быть в значительной степени подавлен методами направленного или многоканального приема. Хорошо известный даже по бытовой звукозаписывающей технике факт: микрофон надо направить на источник звука, при произвольном же расположении микрофона будет записан не столько нужный звук, сколько окружающие шумы. Точно так же высокое отношение шум/сигнал при одном варианте съема сигнала еще не гарантирует столь же высокую эффективность защитного шума при другом варианте съема сигнала, используемого злоумышленником, а при использовании нескольких специально выбранных точек съема может быть ослаблен защитный эффект большинства источников защитного шумового поля. При этом, конечно, нельзя не учитывать, что применение многоканального приема требует как высокой квалификации злоумышленника, так и значительной свободы его действий по отношению к перехватываемому каналу связи.

    Для того, чтобы исключить возможность  применения нападающей стороной методов  многоканального приема можно полностью  совместить пути распространения защищаемого  сигнала и защитного шума, но тогда  будет исключено восприятие речи и абонентом, для которого она предназначена. Чтобы выполнить основную задачу — обеспечить связь, можно было бы предложить формирование идентичных шумовых сигналов на передающей и на приемной стороне. При этом на передающей стороне шум складывался бы с защищаемым сигналом, а на приемной — вычитался из принимаемого суммарного сигнала. Несмотря на кажущуюся простоту такого варианта, он в течение многих десятилетий не находил реального применения в силу сложности и нестабильности передаточной характеристики канала связи и несовершенства аппаратуры записи и воспроизведения. Компенсация защитного шума на приемной стороне оставалась неполной, причем «остаток» оказывался неприемлемо большим для качественного восприятия речи принимающим абонентом. Следует отметить, что в настоящее время в связи с развитием методов цифровой записи и воспроизведения звука и методов цифровой фильтрации с применением быстродействующих сигнальных процессоров, позволяющих обеспечить быструю и точную адаптацию к характеристике канала связи, методы защиты, основанные на полном объединении полезного сигнала и защитного шума в канале связи могут получить новую жизнь.

    Варианты Б, В, БВ изменяют форму (спектр) сигнала в канале, проводя перемешивание (скремблирование) отдельных временных или спектральных отрезков исходного сигнала (подробнее реализация таких преобразований рассматривается во второй части стати). При этом в линейном сигнале неизбежно сохраняются отдельные обобщенные признаки преобразуемого речевого сигнала, в которых проявляется взаимная связь перемешиваемых отрезков. Это принципиально исключает высокую стойкость преобразования. По перехвату сигнала в линии связи при использовании достаточно мощного измерительно-вычислительного комплекса исходная речь может быть с приемлемым для смыслового восприятия качеством восстановлена независимо от примененного закона перестановки, управляющего криптоалгоритма, количества ключей и порядка их ввода. Исторически аппаратура такого типа возникла и получила распространение в 40-х годах во время расцвета аналоговой техники обработки информации. Однако тогда же были обнаружены и доказаны принципиальные ограничения достигаемой защищенности преобразованного сигнала. В результате, начиная с 50-х годов, аппаратура этих типов для защиты наиболее важных сообщений не применяется.

    Варианты В.1, В.2 производят криптографические преобразования цифрового сообщения. Никакие физические признаки исходной речи в канале связи не обнаруживаются и степень защищенности определяется только примененным алгоритмом шифрования, размерностью и методом формирования ключа, выполнением правил пользования аппаратурой и ключевой системой.

    Примечания:

    1. Указание на «аналоговый»  или «цифровой»  канал условно.  Для вариантов  А, Б.2.2, В.2.2 и БВ требуется взаимная синхронизация и обмен служебными посылками между взаимодействующей аппаратурой защиты двух партнеров, т.е. присутствует цифровой режим, однако, поскольку этот режим не связан непосредственно с речевым обменом, требования к его скоростным характеристикам достаточно свободны.

    С другой стороны, символьный (цифровой) обмен (вариант Г) в протяженных каналах всегда осуществляется через модемное преобразование в виде аналогового сигнала.

    2. Аппаратура по  вариантам Б, В (скремблеры) в настоящее время выполняются на цифровой элементной базе с применением оцифровки речевого сигнала для внутренних преобразований (фильтрации, переноса частот, запоминания и перестановок элементов сигнала), а скремблеры с переменной перестановкой имеют в своем составе цифровой криптоблок для управления текущей перестановкой и формирования ключей в несимметричных ключевых системах. Это позволяет отдельным поставщикам в рекламе злоупотреблять термином “цифровой аппарат защиты”, необоснованно представляя скремблеры как аппараты шифрования цифровой формы речевого сигнала, имеющие по ряду показателей существенные преимущества.

2. Применение  защитного шума

    В системах акустической и виброакустической  маскировки используются шумовые, «речеподобные» и комбинированные помехи.

    Наиболее  часто из шумовых используются следующие  виды помех:

• «белый» шум (шум с постоянной спектральной плотностью в речевом диапазоне частот);
• «розовый» шум (шум с тенденцией спада спектральной плотности 3 дБ на октаву в сторону высоких частот);
• шум с тенденцией спада спектральной плотности 6 дБ на октаву в сторону высоких частот;
• шумовая «речеподобная» помеха (шум с огибающей амплитудного спектра, подобной речевому сигналу).

    В системах акустической и виброакустической  маскировки, как правило, используются помехи типа «белого» и «розового» шумов.

    В ряде систем виброакустической маскировки возможна регулировка уровня помехового сигнала. Например, в системах «Кабинет»  и ANG-2000 осуществляется ручная плавная  регулировка уровня помехового сигнала, а в системе «Заслон-2М» – автоматическая (в зависимости от уровня маскируемого речевого сигнала). В комплексе «Барон» возможна независимая регулировка уровня помехового сигнала в трех частотных диапазонах (центральные частоты: 250, 1000 и 4000 Гц). Система «Шорох-1» позволяет регулировать форму генерируемой помехи пятиполосным октавным эквалайзером.

    «Речеподобные»  помехи формируются (синтезируются) из речевых сигналов. При этом возможно формирование помехи как из скрываемого  сигнала, так и из некоррелированных со скрываемым сигналом речевых фрагментов (отрезков).

    Характерным представителем помех, формируемых  из речевых фрагментов, некоррелированных  со скрываемым сигналом, является помеха типа "речевой хор". Такая помеха формируются путем смешения фрагментов речи нескольких человек (дикторов).

    Среди помех, формируемых из скрываемого  сигнала, можно выделить два типа: «речеподобную» реверборационную и  «речеподобную» инверсионную.

    «Речеподобная»  реверборационная помеха формируется  из фрагментов скрываемого речевого сигнала путем многократного их наложения с различными уровнями.

    «Речеподобная»  инверсионная помеха формируется из скрываемого речевого сигнала путем  сложной инверсии его спектра.

    Комбинированные помехи формируются путем смешения различного вида помех, например помех типа «речевой хор» и «белый» шум, «речеподобных» реверборационной и инверсионной помех и т.п.

    «Речеподобная»  помеха типа «речевой хор» и комбинированная  помеха типа «речевой хор» и «белый»  шум реализованы в комплексе  «Барон». Для этих целей в его состав кроме обычного генератора шума включены три радиоприемника, независимо настраиваемые на различные радиовещательные станции FM (УКВ-2) диапазона

    «Речеподобная»  комбинированная (реверборационная и  инверсионная) помеха используется в  системе акустической маскировки «Эхо». Помеха формируется путем многократного наложения смещенных на различное время задержек разноуровневых сигналов, получаемых путем умножения и деления частотных составляющих скрываемого речевого сигнала.

1. Оценка  эффективности применения шумовых помех

    Оценка  эффективности шумовых помех  осуществляется инструментально-расчетным  методом, обеспечивающим требуемую  достоверность получаемых результатов  оценки.

    Оценка  эффективности «речеподобных» помех, и особенно формируемых из скрываемого  речевого сигнала, осуществляется методом артикуляционных испытаний (измерений).

    Проведем  оценку некоторых видов шумовых  и «речеподобных» помех.

    Методом математического моделирования  получены зависимости словесной  разборчивости W от интегрального отношения  сигнал/шум q в полосе частот 180… 5600 Гц при различном виде шумовых помех, которые представлены на рис. 7.  

    Рис. 7. Зависимость словесной разборчивости W от интегрального отношения сигнал/шум q в полосе частот 180…5600 Гц.

    1 – «белый» шум; 2 – «розовый»  шум; 3 – шум со спадом спектральной плотности 6 дБ на октаву в сторону высоких частот; 4 – шумовая «речеподобная» помеха 

    Анализ  полученных результатов  показал, что:

    1. Наиболее эффективными являются  помехи типа «розовый» шум  и шумовая «речеподобная» помеха. При их использовании для скрытия смыслового содержания ведущегося разговора (W = 0,4) необходимо обеспечить превышение уровня помех над уровнем скрываемого сигнала в точке возможного размещения датчика средства акустической разведки на 4,9…5,0 дБ, а для скрытия тематики разговора (W = 0,2) – на 8,8…9,0 дБ.

    2. Помеха типа «белого» шума  по сравнению с помехами типа  «розовый» шум и шумовая «речеподобная»  обладает несколько худшими маскирующими  свойствами, проигрывая по энергетике 0,8…1,2 дБ.

    3. Значительно более низкими маскирующими свойствами обладает шумовая помеха со спадом спектральной плотности 6 дБ на октаву в сторону высоких частот. По сравнению с помехами типа «розовый» шум и шумовая «речеподобная» она проигрывает по энергетике 4,1…4,2 дБ, а при равной мощности приводит к повышению разборчивости более чем в полтора раза. 

    В результате экспериментальных  исследований установлено:

1. «Речеподобная» помеха типа «речевой хор», сформированная из «незашумленных» фрагментов речи различных дикторов при примерном равенстве уровней громкости, обладает низкими маскирующими свойствами, соизмеримыми с маскирующими свойствами «белого» шума.
2. Шумовая «речеподобная» помеха по сравнению с «белым» шумом при равной энергетике обеспечивает относительное снижение разборчивости речи на 15…30 %.
3. Комбинированная «речеподобная» помеха, содержащая «зашумленную» смесь речевых сигналов и музыкальных фрагментов при доминировании одного из них, обладает существенно лучшими маскирующими свойствами по сравнению с шумовой «речеподобной» помехой. Она при равной энергетике приводит к относительному снижению разборчивости речи на 25…40 %.
4. «Речеподобная» реверборационная помеха является наиболее эффективной из исследуемых помех. По сравнению с «белым» шумом она обеспечивает энергетический выигрыш более чем на 5 дБ.

3. Защита  речевой информации в канале связи   
   путем преобразования сигнала

    В настоящее время находят применение все вышеперечисленные способы  преобразования сигнала. Несмотря на их существенно различные защитные свойства, разнообразие запросов потребителей обеспечивает наличие на рынке «ниши» для каждого типа преобразователей сигнала.

1. Преобразования  с инверсией спектра  и статическими перестановками спектральных компонент  речевого сигнала (Б.1 и Б.2.1).

    Схемотехническая  реализация двух рассматриваемых вариантов заметно отличается, что и обусловливает их раздельное рассмотрение. Однако с точки зрения достигаемых результатов по защищенности сигнала в канале связи оба варианта аналогичны.