Спектральные методы закрытия речевого сообщения в каналах связи

    Процесс инверсии спектра сигнала при  передаче и его восстановления при приеме иллюстрируется на рис. 3. 

    Схема инвертора представляет собой балансный  смеситель. При частоте гетеродина F_г, равной сумме граничных частот F_н и F_в преобразуемого сигнала (3700 Гц для стандартного телефонного канала с F_н = 300 Гц и F_в = 3400 Гц) нижняя полоса частот после смесителя воспроизводится в исходной полосе частот, т.е. в полосе канала в инверсном виде. При приеме производится повторная инверсия и исходный сигнал восстанавливается.

    Качество  восстановленной речи зависит от качества (на передающей и на приемной сторонах) смесителей, фильтров, ограничивающих спектр входного сигнала и выделяющих нижнюю полосу частот преобразованного сигнала, а также от коррекции на приемной стороне частотных искажений канала, влияние которых также сказывается инверсно: затухание канала в высокочастотной части спектра на приеме сказывается в низкочастотной части сигнала и наоборот.

    При перехвате сигнал с инвертированным  спектром может быть легко восстановлен любым аналогичным аппаратом (не обязательно однотипным), а при соответствующей тренировке — воспринят человеком непосредственно.

    Для повышения стойкости защиты некоторые  изготовители вводят переменную частоту  гетеродина, устанавливаемую партнерами по договоренности в форме числового  кода-пароля, вводимого в аппарат при переходе в защищенный режим.

    Возможности такого дополнительного частотного сдвига, приводящего к несовпадению спектра передаваемого сигнала  и номинальной частотной полосы канала связи и, соответственно, к  ухудшению качества восстановленной речи, ограничены несколькими сотнями герц. Достигаемый эффект весьма условен. Действительно, при прослушивании восстановленного сигнала, в случае неравенства частот гетеродинов на передаче и на приеме, в первый момент возникает ощущение неестественной и непонятной речи, которое, однако, почти не мешает воспринимать ее смысл после некоторой адаптации.

    Процесс преобразования с фиксированными перестановками спектральных компонент речевого сигнала  при передаче и его восстановления при приеме иллюстрируется на рис. 4. 

    При таком преобразовании разборчивость  речевого сигнала нарушается в значительно  большей степени, чем при простой  инверсии. Следует, однако, учитывать, что выбор вариантов частотных  перестановок весьма ограничен. Фильтры, выделяющие частотные полосы в исходном и в линейном сигнале, имеют конечную крутизну характеристики, в результате чего на заметном частотном интервале в окрестности границы частотных полос будет происходить заметное невосстановимое смешение различных компонент сигнала. Полная полоса частот (300-3400 Гц) составляет 3,5 октавы. При формировании трех полос (по 1,2 октавы на каждую полосу) и при использовании фильтров 8-го порядка (нарастание затухания около 48 дБ/октаву) затухание в середине (!) соседней полосы составит не более 30 дБ, что предопределяет низкое качество восстановленной речи. Существенное увеличение порядка фильтров настолько усложняет аппаратуру, что она теряет преимущества перед другими вариантами преобразователей. В тоже время число возможных перестановок из трех полос — всего лишь 6, из четырех полос — 24, т.е. даже в условиях прямого перехвата, не говоря уже об анализе записи, подбор нужной подстановки не составит труда.

    Наиболее  существенным положительным качеством  рассматриваемых преобразователей (Б.1 и Б.2.1) является их автономность, т.е. отсутствие необходимости во взаимной синхронизации передающего и приемного аппарата и, соответственно, отсутствие задержки связи на время проведения синхронизации и возможных срывов защищенного режима из-за качества канала, недостаточного для проведения синхронизации. Если удалось установить связь в открытом режиме после включения партнерами инверторов будет реализован и защищенный режим.

    Положительными  качествами такой аппаратуры также  являются:

• дешевизна (цены инверторов спектра порядка 30 — 50 USD);
• возможность построения схем, не вносящих задержку сигнала;
• малая критичность к качеству используемого канала связи и предельная простота в управлении.

    Аппаратура  может включаться между телефонным аппаратом и линией в стандартный  двухпроводной стык между телефонным аппаратом и микротелефонной трубкой, может использоваться в виде накладки на микротелефонную трубку с акустической передачей преобразованного сигнала. Переход в защищенный режим происходит по взаимной договоренности партнеров после установления соединения. Переход происходит немедленно после нажатия соответствующей клавиши (или другого управляющего действия). Включение и выключение защищенного режима осуществляется каждым партнером самостоятельно, синхронизация действий не требуется.

    При разговоре в линии прослушивается характерный сигнал, по структуре  полностью повторяющий передаваемую речь. Восстановленный сигнал имеет  высокое качество. В дешевых аппаратах  с недостаточной фильтрацией  возможно наличие свистящих тонов  и изменение тембра голоса говорящего. Наличие посторонних шумов в помещении, из которого ведется передача, сказывается на качестве восстановленного сигнала так же, как в открытом режиме, на стойкость защитного преобразования почти не влияет.

2. Преобразования  с временными перестановками (скремблированием)  
   и временной инверсией элементов речевого сигнала  
   со статическим законом перестановки (В.1, В.2.1.)

    Принцип работы аппаратуры сходен с разрушением  и последующим восстановлением  мозаичной картины, что обусловило появление названия «аппаратура мозаичных преобразований».

    Данный  класс аппаратуры требует наличия  в своем составе блока запоминания  сигнала с управляемым доступом по записи и считыванию. Временная  перестановка элементарных отрезков речевого сигнала и восстановление их последовательности на приеме занимают соответствующий интервал времени. Поэтому обязательным свойством такой аппаратуры является заметная задержка сигнала на приемной стороне.

    Процессы  преобразования сигнала показаны на рис. 4. 

    Чем меньше длительность элементарных отрезков, на которые разбивается исходный речевой сигнал и чем больше элементов участвуют в операции перестановки, тем сложнее процесс восстановления речи по перехваченному линейному сигналу.

    Однако  при передаче по каналу связи возникают краевые искажения элементарных отрезков. При восстановлении речи на приемной стороне это приводит к появлению «сшивок», ухудшающих качество восстановленного сигнала. С учетом характеристик реальных телефонных каналов длительность элементарных отрезков сигнала ограничена снизу на уровне 15 — 20 миллисекунд.

    Увеличение  числа перемешиваемых элементов  мозаики — увеличение «глубины перестановки»  — ограничено возрастанием задержки восстановленного сигнала на приеме. При диалоге заметные неудобства возникают при задержке более 0,3 сек, а при задержке более 1 сек диалог становится невозможным. Оба указанных фактора определяют глубину перестановки на уровне 16 — 64 элементарных отрезков речи.

    Маскирующее воздействие на структуру сигналов в линии связи может быть достигнуто временной инверсией (воспроизведением в обратном направлении по отношению к записи) всех или отдельных отрезков. Такое преобразование неэффективно на коротких отрезках (с продолжительностью менее длительности одного элементарного звука речи). Применение длинных отрезков уменьшает возможность их перемешивания. Поэтому временная инверсия применяется исключительно как дополнительное преобразование в комбинации с временными перестановками. При этом наиболее эффективна временная инверсия всех отрезков.

    Временные перестановки и временная инверсия при правильном выборе параметров перестановки исключают непосредственное прослушивание  речи в канале связи, но при анализе  записи или при оперативном анализе  сигнала на месте перехвата статическая  перестановка, повторяющаяся из кадра в кадр, легко выявляется по спектральным и амплитудным связям отрезков, в результате чего исходная речь может быть восстановлена с применением несложной аппаратуры (ПЭВМ с аудиоплатой).

    В то же время по своему составу и  сложности алгоритма аппаратура с фиксированными перестановками незначительно отличается от аппаратуры с переменными перестановками, управляемыми криптоблоком. Поэтому в настоящее время для цепей защиты информации применяются почти исключительно аппараты с переменными перестановками.

3. Преобразования  с временными или  частотными перестановками (скремблированием) с переменными  перестановками  
   под управлением криптоблока и комбинированные  
   мозаичные преобразования (Б.2.2, В.2.2, БВ)

    Применение  переменных перестановок позволяет значительно затруднить восстановление исходной речи по перехвату сигнала в канале. При правильном выборе криптоалгоритма удачный подбор перестановки на одном интервале никак не способствует подбору перестановок на последующих интервалах. Кроме того, введение криптоалгоритма с индивидуальным ключом исключает возможность использования для перехвата однотипного аппарата.

    Аппаратура  строится, как правило, на базе сигнальных процессоров, имеет в своем составе  АЦП, ЦАП, криптоблок управления перестановкой, систему ввода или формирования ключа. Обязательным этапом рабочего процесса является начальная синхронизация взаимодействующих аппаратов и их последующая подсинхронизация.

    Как следствие, эта аппаратура заметно  дороже аппаратуры частотной инверсии — 200 - 400 USD за единицу.

    При переходе в защищенный режим по договоренности абонентов возникает интервал прерывания речевой связи, который занимает процесс синхронизации и установления взаимодействия криптоблоков. В ряде изделий в это же время абонент, используя тастатуру телефонного аппарата или тастатуру скремблера, или персональный узел памяти, должен ввести ключ. В результате переход в защищенный режим может занимать до 10 — 20 секунд. При этом надо учитывать, что при плохом качестве канала синхронизация и переход в защищенный режим могут не состояться, хотя связь в открытом режиме, пусть и при плохом качестве, поддерживается.

    Наличие временной задержки при передаче сигнала при работе по двухпроводной  линии неизбежно приводит к возникновению  «эха» (это же характерно и для статических временных перестановок). В современной аппаратуре связи отработаны весьма совершенные алгоритмы подавления эха, широко применяемые в скоростных модемах. Однако человеческое ухо реагирует на уровни эхо-сигналов, заведомо несущественные для модемов. Поэтому даже в наиболее удачных моделях скремблеров подавление эха до не замечаемого абонентом уровня достигается только при случайном удачном сочетании параметров линии связи.

    Криптоблок, управляющий процессом перестановок, может использовать как симметричную, так и несимметричную («с открытым ключом») ключевую систему. Варианты с несимметричной системой предпочтительнее, так как упрощают эксплуатационный процесс и исключают вскрытие записи при хищении личного ключа. Однако и в этом случае применение личного пароля полезно, так как исключает вхождение в связь посторонних лиц.

    Учитывая  то вышеуказанное обстоятельство, что  при самом совершенном криптоалгоритме  передаваемая речь может быть восстановлена  по перехвату линейного сигнала  по остаточным признакам взаимного расположения элементарных отрезков, применение в скремблерах очень мощных криптоалгоритмов и ключевых кодов большой длины не оправдано. Вполне достаточной является длина ключевого кода порядка 9 десятичных (30 двоичных) знаков в симметричной ключевой системе и 30 десятичных (около 100 двоичных) — в несимметричной ключевой системе.

    При разговоре в линии прослушивается характерный “рваный” сигнал, в  котором достаточно легко определяется структура передаваемой речи. Восстановленный  сигнал имеет высокое качество, мало отличающееся от качества речи в открытом режиме на том же канале. Наличие посторонних шумов в помещении, из которого ведется передача, сказывается на качестве восстановленного сигнала так же, как в открытом режиме. Однако ритмические помехи, создающие «шкалу времени» параллельную преобразуемому сигналу, могут повлиять на стойкость защитного преобразования.

    Аппаратура  может включаться между телефонным аппаратом и линией в стандартный  двухпроводной стык, между телефонным аппаратом и микротелефонной трубкой, может использоваться в виде накладки на микротелефонную трубку с акустической передачей преобразованного сигнала.

    Таким образом, основными положительными качествами аппаратуры мозаичных преобразований — скремблеров — являются:

• относительно высокая стойкость защиты передаваемого речевого сигнала, исключающая его непосредственное прослушивание даже при наличии группы высокотренерованных аудиторов и требующая для восстановления речи значительных затрат времени при использовании специализированных измерительно-вычислительных комплексов, применяемых государственными спецслужбами;
• относительно низкая стоимость;
• простота эксплуатации (для моделей, специально разработанных для непрофессионального пользователя).