7.2. Аналогове скремблювання
Найбільша частина апаратури засекречування мовних сигналів використовує в даний час метод аналогового скремблювання [13], оскільки, по-перше, це дешевше, по-друге, ця апаратура застосовується в більшості випадків у стандартних телефонних каналах зі смугою 3 кГц, по-третє, забезпечується комерційна якість дешифрованої мови і, по-четверте, гарантується досить висока стійкість закриття.
Аналогові скремблери перетворять вихідний мовний сигнал за допомогою зміни його амплітудних, частотних і часових параметрів у різних комбінаціях. Скрембльований сигнал може потім бути переданий по каналі зв'язку в тій же смузі частот, як і вхідний, відкритий. В апаратах такого типу використовується один чи кілька принципів аналогового скремблювання [13] з числа перерахованих нижче:
1) скремблювання в частотній області: частотна інверсія (перетворення спектра сигналу за допомогою гетеродина і фільтра), частотна інверсія і зсув (частотна інверсія з мінливим стрибкоподібно зсувом несучої частоти), поділ смуги частот мовного сигналу на ряд піддіапазонів з наступною їхньою перестановкою й інверсією;
2) скремблювання в часовій області (розбивка блоків або частин мови на сегменти з перемішуванням їх у часі з наступним прямим і/чи реверсивним зчитуванням);
3) комбінація часового і частотного скремблювання.
Як правило, усі перестановки яким-небудь чином виділених сегментів або ділянок мови в часовій і/чи в частотної областях здійснюються за законом псевдовипадкової послідовності, вироблюваної шифратором на ключі, що міняється від одного мовного повідомлення до іншого [13].
Методи мовного скремблювання вперше з'явилися під час другої світової війни. Серед останніх досягнень у цій області слід зазначити широке використання інтегральних схем, мікропроцесорів і процесорів цифрової обробки сигналів (ЦПОС). Усе це забезпечило високу надійність пристроїв закриття мови зі зменшенням їхнього розміру і вартості.
Аналоговим скремблерам удалося уникнути багатьох труднощів, зв'язаних з передачею мовного сигналу і/чи його параметрів, властивим цифровим системам закриття мови, і в теж час досягти значеного рівня розвитку, що забезпечує середню і навіть високий ступінь захисту мовних повідомлень. Оскільки скрембльовані мовні сигнали в аналоговій формі лежать у тій же смузі частот, що і вхідні відкриті, це означає, що їх можна передавати по звичайним комерційним каналам зв'язку, які використовуються для передачі мови, без вимоги якого-небудь спеціального обслуговування, такого, як, наприклад, модеми. Тому пристрої мовного скремблювання не такі дорогі і значно менш складні, ніж пристрої дискретизації з наступним цифровим шифруванням.
Аналогові скремблери, по їхньому режиму роботи, можна розбити на два наступних класи [13]:
1) статичні системи, схема кодування яких залишається незмінною протягом усієї передачі мовного повідомлення;
2) динамічні системи, що постійно генерують кодові підстановки в ході передачі (код може бути змінений у процесі передачі кілька разів протягом кожної секунди).
Очевидно, що динамічні системи забезпечують більш високий ступінь захисту, оскільки різко обмежують можливість легкого прослуховування переговорів сторонніми особами.
Процес аналогового скремблювання являє собою складне перетворення мовного сигналу з його наступним відновленням (зі збереженням розбірливості мови) після проходження перетвореного сигналу по вузькосмугових каналу зв'язку, підданому впливу шумів.
Можливе перетворення мовного сигналу по трьох параметрах: амплітуді, частоті і часу. Вважається, що використовувати амплітуду недоцільно, тому що змінення в часі загасання каналу і відношення сигнал/шум роблять надзвичайно складним точне відновлення амплітуди переданого сигналу. Практичне застосування одержало тільки частотне і часове скремблювання і їхні комбінації. Як вторинні ступіні скремблювання в цих системах можуть використовуватися обмежені види амплітудного скремблювання [13].
Як уже відзначалося вище, існує два основних види частотних скремблерів -інверсний і смуговий. Обоє засновані на перетвореннях спектра вхідного мовного сигналу для приховання переданої інформації і відновленні отриманого мовного повідомлення шляхом зворотних перетворень.
Інверсний скремблер здійснює перетворення мовного спектра, тотожне повороту частотної смуги мовного сигналу навколо деякої середньої точки (рис. 7.2). При цьому досягається ефект перетворення низьких частот у високі частоти, і навпаки.
Даний спосіб забезпечує невисокий рівень закриття, тому що при перехопленні легко встановлюється величина частоти, що відповідає середній точці інверсії в смузі спектра мовного сигналу.
Деяке підвищення рівня закриття забезпечує смуго-здвиговий інвертор, що здійснює поділ смуги на дві субсмуги, при цьому точка розбивки виступає в ролі деякого ключа системи [13]. Надалі кожна субсмуга інвертується навколо своєї середньої частоти. Цей вид скремблювання, однак, також занадто простий для розкриття при перехопленні і не забезпечує надійного закриття. Підвищити рівень закриття можна шляхом зміни за деяким законом частоти, що відповідає точці розбивки смуги мовного сигналу (ключа системи) [13].
Рис. 7.2. Принцип роботи інвертора спектра мови
Мовний спектр можна також розділити на кілька частотних смуг рівної ширини і зробити їхнє перемішування й інверсію за деяким правилом (ключ системи). Так функціонує смуговий скремблер (рис. 7.3).
Рис.7.3. Принцип роботи 4-х смугового скремблера мови
Часові скремблери засновані на двох основних способах закриття: інверсії за часом сегментів мови і їхній часовій перестановці [13]. У порівнянні з частотними скремблерами затримка в часових скремблерів набагато більше, але існують різні методи її зменшення.
У скремблерах з часовою інверсією мовний сигнал поділяється на послідовність часових сегментів і кожний з них передається інверсно в часі - з кінця [13]. Такі скремблери забезпечують обмежений рівень закриття, що залежить від тривалості сегментів. Відомо, що для досягнення розбірливості повільної мови необхідно, щоб довжина сегмента складала близько 250 мс. Це означає, що затримка системи буде дорівнює приблизно 500 мс, що може виявитися неприйнятним для деяких додатків.
Для підвищення рівня закриття застосовують перестановки часових відрізків мовного сигналу в межах фіксованого кадру (рис. 7.4). Правило перестановок є ключем системи, зміною якого можна істотно підвищити ступінь закриття мови. Залишкова розбірливість залежить від тривалості відрізків сигналу і кадру і зі збільшенням останнього зменшується [13].
Рис. 7.4. Схема роботи часового скремблера з перестановками у фіксованому кадрі
Головним недоліком скремблера з фіксованим кадром є велике значення часу затримки системи, яка дорівнює подвоєній тривалості кадру [13]. Цей недолік усувається в скремблеру з перестановкою часових відрізків мовного сигналу з ковзним вікном. У ньому число комбінацій можливих перестановок обмежено таким чином, що затримка будь-якого відрізка не перевершує встановленого максимального значення. Кожен відрізок вихідного мовного сигналу як би має часове вікно, усередині якого він може займати довільне місце при скремблюванні. Це вікно сковзає в часі в міру надходження в нього кожного нового відрізка сигналу. Затримка при цьому знижується до тривалості вікна [13].
Використовуючи комбінацію часового і частотного скремблювання, можна значно підвищити ступінь закриття мови. Комбінований скремблер набагато складніше звичайного і вимагає компромісного рішення на вибір рівня закриття, залишкової розбірливості, часу затримки, складності системи і ступеня спотворень у відновленому сигналі [13]. Кількість же всіляких систем, що працюють по такому принципі, обмежено лише людською уявою. В [13] представлені різні варіанти комбінованих скремблерів на основі частотно-часових перестановок.
Як приклад такої системи розглянемо скремблер, схема якого представлена на рис. 7.5, де операція частотно-часових перестановок дискретизованих відрізків мовного сигналу здійснюється за допомогою чотирьох процесорів цифрової обробки сигналів, один із яких може реалізовувати функцію генератора випадкової послідовності (ключа системи закриття).
Рис. 7.5. Блок-схема комбінованого скремблера. (ПСП - псевдовипадкова послідовність)
Зміна ключа системи дозволяє підвищити ступінь закриття, але вимагає введення синхронізації на прийомній стороні системи. Основна частина енергії мовного сигналу зосереджена в невеликій області низькочастотного спектра (від 300 до 3500 Гц), тому вибір варіантів перемішування обмежений, і багато систем характеризуються відносно високою залишковою розбірливістю [13].
Істотне підвищення ступеня закриття мови може бути досягнуте шляхом реалізації в смуговому скремблері швидкого перетворення Фур'є (ШПФ). При цьому кількість припустимих перемішувань частотних смуг значно збільшується, що забезпечує високий ступінь закриття без погіршення якості мови. Можна додатково підвищити ступінь закриття шляхом здійснення затримок різних частотних компонентів сигналу на різну величину. Приклад реалізації такої системи показаний на рис. 7.6. [13].
Рис. 7.6. Основна форма реалізації аналогового скремблера на основі ШПФ
Головним недоліком виконання ШПФ є виникнення в системі великої затримки сигналу (до 300 мс) [13], яка обумовлена використанням вагових функцій. Це значно ускладнює застосування таких пристроїв у дуплексних системах зв‘язку.
У такому скремблері спектр оцифрованого аналогово-цифровим перетворювачем (АЦП) мовного сигналу розбивається за допомогою використання алгоритмів цифрової обробки сигналів на частотно-часові елементи, що потім перемішуються на частотно-часовій площині відповідно до одного із криптографічних алгоритмів (Рис. 7.7) і додаються, не виходячи за межі частотного діапазону вихідного сигналу.
Рис. 7.7. Принцип роботи комбінованого скремблера
У представленій в [13] системі закриття мови використовуються чотири процесори цифрової обробки сигналів. Кількість частотних смуг спектра, в яких виробляються перестановки з можливою інверсією спектра, - чотири. Максимальна затримка частотно-часового елемента за часом дорівнює п'яти. Отриманий у такий спосіб закритий сигнал за допомогою цифро-аналогового перетворювача (ЦАП) переводиться в аналогову форму і подається в канал зв'язку. На прийомному кінці виробляються зворотні операції по відновленню отриманого закритого мовного повідомлення. Стійкість представленого алгоритму порівнянна зі стійкістю систем цифрового закриття мови.
Далі розглянемо особливості застосування аналогових скремблерів у системах радіозв‘язку. Як відомо, скремблери всіх типів, за винятком найпростішого (з частотною інверсією), вносять спотворення у відновлений мовний сигнал. Границі часових сегментів порушують цілісність сигналу, що неминуче приводить до появи позасмугових складових. Небажаний вплив роблять і групові затримки складових мовного сигналу в каналі зв'язку. Результатом спотворень є збільшення мінімально припустимого відношення сигнал/шум, при якому може здійснюватися надійний зв'язок.
Однак, незважаючи на зазначені проблеми, методи часового і частотного скремблювання, а також комбіновані методи успішно використовуються в комерційних каналах радіозв'язку для захисту конфіденційної інформації.Особливість засобів радіозв'язку, на відміну від приведених вище, полягає в їх <ефірній оголеності>поширенні на досить великі відстані. Це ще більш полегшує процедуру прослуховування: одержати доступ до радіоканалу незрівнянно простіше, ніж наблизитися до оптоволоконного кабелю, що лежить у коробах на глибині декількох метрів під землею. Таким чином, знімання інформації з ефіру є один з основних способів для осіб, що займаються промисловим шпигунством, тому що це не вимагає фізичної присутності поблизу джерела або одержувача повідомлення. В даний момент індустрія виробництва засобів радіозв'язку прагне до того, щоб цілком перейти на виробництво цифрового обладнання. Але частка аналогового на ринку усе ще значна. Крім того, потрібно враховувати і те, що багато вітчизняних організацій на 90 % використовують аналогові пристрої. Так, силові структури, структури безпеки, охорони й інші подібні їм державні установи широко застосовують професійне устаткування з фазовою чи частотною модуляцією. Ці радіосигнали є аналоговими і, відповідно, можуть бути легко прослухані. Тому питання захисту інформації, переданої по аналогових каналах зв'язку, для України надзвичайно актуальним, і цю задачу необхідно вирішувати. Ця необхідність не є чимось нездійсненним. У таких ситуаціях використовують скремблер - один з найбільш популярних пристроїв захисту радіопереговорів від прослуховування при використанні аналогового радіоустаткування. Скремблери для радіостанцій виробляються багатьма фірмами; серед них -Transcrypt International, Communico, MX СОМ, MIDIAN, Selectone, а також фірми, що роблять радіотермінали. Розглянемо деякі найбільше часто використовувані методи перетворень низькочастотного сигналу в малогабаритних аналогових скремблерах.
Мовний спектр, переданий по радіоканалу, знаходиться в діапазоні 300-3000 Гц. Спад амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) обумовлений тим, що найбільша потужність сигналу знаходиться в низькочастотній частині спектра. Такий сигнал надходить у частотний інвертор спектра скремблера, де низькочастотні складові мовного сигналу перетворюються у високочастотні і навпаки. У результаті інверсний сигнал займає ту ж смугу частот, що і вихідний.Розворот спектра в цьому випадку відбувається щодо несущої частоти, що може бути фіксованою в простих скремблерах чи змінювати своє значення в часі плавно або стрибками в більш складних. Фіксована частота або її зміна є ключем системи. У таких скремблерах кількість частот інверсії може бути від 1 до 16. Це дає можливість поділу абонентів по групах. Однократна частотна інверсія сигналу є найпростішим видом аналогового скремблювання і забезпечує найнижчу криптографічну стійкість. При закритті радіосигналу за допомогою одиночної частотної інверсії нескладно розібрати (користаючись звичайним приймачем) майже до половини мовної інформації в залежності від темпу мови, теми розмов. Наприклад, цілком прослухати такий сигнал можна, маючи радіостанцію з убудованим інвертором частоти або спеціалізований радіоприймач-сканер (наприклад, AR-16 японської фірми AOR LTD). Достоїнством цього методу є дуже якісне відновлення інверсного (отриманого з ефіру) сигналу. Крім того, вартість таких пристроїв невисока. Широку гаму інверсних скремблерів ще здавна представляла компанія Midian (серії VPU-1, VPU-2, VPU-8). Найбільш відомі моделі однократної інверсії - ST-20, ST-022 (Selectone), SC20-400 (Transcrypt International).
Використовується також частотна інверсія двох і більш піддіапазонів мовного спектра. Спочатку смуга всього мовного спектра поділяється на частотні піддіапазони (у більшості випадків на два), що потім інвертуються . Ключем цієї системи є частота розбивки спектра сигналу. Ці скремблери, на відміну від моделей, що використовують однократну частотну інверсію, трохи підвищують рівень захищеності інформації.
Для значного підвищення рівня закриття інформації застосовують динамічні скремблери. У динамічних скремблерах, на відміну від статичних, параметри перетворення мовного сигналу змінюються в часі, відповідно ці типи скремблерів вимагають синхронізації передавальних і прийомних сторін. У залежності від типу скремблера синхронізація може передаватися як на початку повідомлення, так і під час його передачі. Англійська фірма Pentone представляє скремблер SCR1 з частотною інверсією двох поддиапазонов. Подібний пристрій робить і вітчизняна компанія <Мікро Радіо> - модель KMR-1. Ці типи скремблерів можуть бути як статичними, так і динамічними.
Існують також скремблери в яких використовується безперервна зміна несущої частоти мовного сигналу під час усієї розмови. Несуща частота змінюється в часі по пилкоподібній траєкторії. У більшості таких скремблерів синхронізація параметрів зміни частоти присутня протягом усього часу розмови. Тому що ця синхронізація передається одночасно з мовним сигналом, то відновлений сигнал виходить не дуже високої якості. Однак при звичайному прослуховуванні цей метод робить мову цілком невпізнанною.
На ринку використовують скремблери як з повільним хитним кодом - VPU-10A, VPU-10B (Midian), так і зі швидким -ST-25, ST-26 (Selectone), SC20-440, SC20-450 (Transcrypt International).
В деких скремблерах використовується стрибкоподібна зміна частоти інверсії. Частота в цьому випадку змінюється псевдовипадковим чином, стрибкоподібно. Закономірність зміни повинна бути однаковою як у пристрої, що шифрує, так і в тому, що дешифрує. У більшості таких пристроїв у переданому сигналі присутній початковий синхронізуючий пакет, у якому міститься алгоритм зміни частоти інверсії для прийомної сторони. У більш складних динамічних скремблерах для підвищення рівня захисту переданої інформації такий алгоритм може змінюватися при кожному наступному встановленні сеансу зв'язку. Мовний сигнал у випадку використання цього типу скремблерів, на відміну від простого статичного, втрачає свою цілісність. У залежності від моделі скремблера частота інверсії може мінятися від 1 до 1000 разів у секунду. Чим більше кількість змін у секунду, тим вище рівень захисту інформації, але, як наслідок, нижче якість відновленого сигналу.
Недолік більшості скремблерів зі стрибкоподібною зміною частоти інверсії в тім, що для передачі синхронізуючого пакета оператор змушений у початковий момент робити паузу. У випадку зв'язку через ретранслятор радіостанція з таким скремблером не завжди може надійно з'єднуватися з іншою радіостанцією. Справа в тім, що в ретрансляторах існує так звана прозорість (нелінійність звукових трактів), внаслідок чого первісний пакет, проходячи через тракти ретранслятора, може спотворитися. Для підвищення надійності такого з'єднання необхідно збільшити тривалість передачі первісного пакета (іноді до 1 с), що може створювати значні незручності.
Перевага таких скремблерів полягає в тім, що у випадку досить швидкої зміни частоти інверсії (наприклад, 800-1000 разів/с) вони мають відносно високий рівень захисту переданої інформації. Наприклад, якщо швидкість зміни складає один раз у секунду, то 40-60 % інформації можна прослухати дуже простим технічним методом