秘話 技術
アナログフィルタ使用時、その特性の制限から分割できる周波数ブロック数には限度がある。周波数の分割数が少ない場合、周波数ブロックを置換する組み合わせの数が少なくなる。実際に秘話装置として実用になる秘話性が高い組み合わせはさらに少ない。そのため、分割数が少ない帯域分割法は十分な暗号強度を持たない。
実際、アメリカ政府高官用の国際電話回線で使われたA-3は、第二次世界大戦が始まるとドイツにより24時間体制で盗聴されていたことが分かっている。
この方式の応用として、離散フーリエ変換 (DFT) を用いてフーリエ係数を求め、係数の置換を行った後に逆DFTでアナログ信号に戻す方式がある。DFT/逆DFTによる時間遅延が発生するが、比較的音質が良く 80〜90程度の分割が容易に実現できる。係数の置換パターンを決める際に秘話性の低い組み合わせをできるだけ除外するのは周波数ブロックの分割数が少ない場合と同様である。
時間セグメント置換 (Time Segment Permutation, Time Element Scrambling) は特定の長さの音声信号を複数の時間ブロック（セグメント）に分け、置き換えを行う秘話方法である。音声に含まれる周波数成分は時間と共に連続的に変化していくが、セグメントの置き換えを行うことでこの連続性が無くなり聞き取りにくくなる。この方式ではいったん音声を何らかの記憶媒体に保存し、書き込みとは別の順序でセグメント単位に読みだすことで置換を行う。一般的には特定の長さ（フレーム長）の音声信号に対して置換を行う。周波数領域でのスクランブルと異なり、この方式では必ず音声の遅延が発生する。また送信側と受信側とが同じ置換を行うためにタイミング同期の手段が必要になる。復号後の音質は帯域分割の置換方法より良いとされるが、秘話性はあまり高くない。
この方式は第二次世界大戦中に多くの国で研究が行われ、アメリカの戦術通信用秘話装置SIGJIPなどで使われた。当時は複数の読み取りヘッドを持った複雑な磁気記録装置が必要だったが、現在では音声信号をデジタル信号に変換しデジタルメモリに記憶させて読みだせばよいため、容易に実現できるようになった。
この方式では、セグメントの長さや1フレームあたりのセグメントの数、音声の遅延時間はすべてトレードオフの関係にある。セグメントの長さが短かすぎると波形の連続性が崩れて帯域幅が広がり音質が悪化するためあまり短くできない。しかし長すぎる場合は1セグメント内の情報が多くなり秘話性が低下する。置換の単位となるフレーム全体の長さはセグメント長と1フレームあたりのセグメント数が増えるほど長くなる。音声の遅延が増えるためスムーズな会話ができなくなる。音声の遅延を減らすためにセグメント数を少なくすると置換の組み合わせも少なくなるため十分な暗号強度が得られない。遅延時間や音質のバランスを考慮し、1フレームあたりのセグメント長は帯域幅の広がりがほとんど無視できる20〜60mS程度、1フレームのセグメント数は8から10程度が選ばれる。各セグメントの置換方法が常に同じだと解読は容易なので、置換方法を時間的に変化させることが多い。
セグメント数として8を選んだ場合、置換の組み合わせは計算上 8!=40320 通りあるが、全ての組み合わせが実際に使えるわけではない。秘話性は置換の仕方により変化し、元の音声波形とあまり大きく違わない組み合わせは使用できない。スクランブル後の信号の残留了解度の予測は難しい場合があり、ヒアリングテストにより残留了解度が低くなるような組み合わせを選択する。
また、複数の置換方法を切り替えて使う場合、ある置換方法でスクランブルした出力を別の置換方法で復号した場合の残留了解度が低くなるようにする必要がある。
時間セグメント置換の方式は、大きく分けてホッピングウィンドウ (Hopping Window) 方式とスライディングウィンドウ (Sliding Window) 方式の2種類がある。ホッピングウィンドウは音声信号を一定の時間長のフレームに切り出し、それぞれのフレームの内部でセグメントの置換を行った後に送出する方式である。スライディングウィンドウではセグメント単位で連続的に処理を行う方式で、音声信号を1セグメントずつ読み込みながら過去の1セグメントのいずれかを選んで出力していく。
ホッピングウィンドウ方式は最も単純で素直な方式である。システム全体の遅延時間も容易に計算できる。送信側でのフレーム単位のスクランブルのためにフレーム長分の遅れが発生し、受信側でもフレーム単位で元の音声信号に戻すため同じ時間遅延する。1フレームのセグメント数を n、セグメント長を T とすれば、システム全体では必ず 2nT の遅延時間が発生する。1フレームを8のセグメントに分けセグメント長として50mSを選んだ場合、送信から受信までのシステム全体の遅延時間は0.8秒となる。これは会話中に遅延に気が付く程度に大きな時間と言える。
スライディングウィンドウ方式の遅延時間の計算はもっと複雑になる。送出するセグメントとして任意のものを選べる場合、どのようにセグメントを選ぶかにより遅延時間が変わり、いつまでも送出されないセグメントが生じえるため受信側で無限に近い長さのバッファが必要になってしまう。このような問題を避けるため、セグメントの最大遅延時間を設定し制御を行う。セグメント長を T、最大遅延時間に相当するセグメント数を k とし、この時間に達したもっとも古いセグメントは直ちに送出されるよう制御を行うと、この方式の遅延時間は (k+1)T になる。スライディングウィンドウ方式ではホッピングウィンドウ方式と比較し遅延時間をほぼ半分にできる。受信する側では送信側と同期して送出されるセグメントを受け取り元の信号を再構成する必要があるが、この方式では過去に送出されたセグメントの情報が同期と再構成のために必要で、途中から受信を始める場合に同期をとるのが難しいという問題点がある。
周波数領域、時間領域のいずれのスクランブル方式でも、単体では残留了解度を十分に下げられない。秘話性を高める一つの方法は、周波数領域のスクランブルと時間領域のスクランブルとを組み合わせることである。この方式は時間・周波数スクランブルや二次元スクランブル (Two-Dimensional Scramble) と呼ばれる。
周波数スクランブルで音声の周波数スペクトルの形を変えると共に、周波数スクランブルだけでは残ってしまう音声のリズムを時間スクランブルで分散させることにより秘話性を高める。この方式は、例えば第二次大戦中にソビエトで開発されスターリングラード攻防戦の頃にモスクワ-トビリシ間の無線電話などで使用された秘話装置"Sable-P"（露: Соболь-П）で使われた。
時間領域、周波数領域のそれぞれのスクランブル方式の組み合わせにより多くの方式が考えられるが、代表的なものは時間セグメント置換と帯域分割とを組み合わせるものである。これは音声信号を時間軸と周波数軸の二次元にブロック分けしそれらを置換する方式で、時間・周波数セグメント置換 (Time-Frequency Segment Permutation) とも呼ばれる。方式が複雑で使用するメモリも単純な時間セグメント置換と比べると多く必要になるが、秘話性や暗号強度は向上する。DSP技術の発達に伴い実装も比較的容易になった。時間領域のみでセグメント置換を行う方式の残留了解度は50%程度なのに対し、時間、周波数それぞれでセグメントに分けて置換を行う時間・周波数セグメント置換では20%程度と低く、秘話性はかなり向上する。
変換領域スクランブル (Transform Domain Scramble) とは何らかの線形変換を用いてスクランブルを行う方法である。サンプリングした音声信号を変換により全く異なる係数に展開した後に係数の並べ替えを行い、逆変換により時間領域のアナログ信号に戻して送出する。受信側では、受信した信号をサンプリングして送信側と同じ変換を行い、得られた係数列を送信側と逆に並べ替えて元の配置に戻してから逆変換を行って音声信号を復元する。デジタル信号処理とハードウェアの発達により、このような処理を手軽に行うことができるようになった。
使用される変換として、離散フーリエ変換 (Discrete Fourier Transform, DFT)、離散コサイン変換 (Discrete Cosine Transform, DCT)、離散ウォルシュアダマール変換 (Discrete Walsh Hadamard Transform) や偏長球波動関数 (Prolate Spheroidal Wave Function) を用いる方法などがある。離散フーリエ変換を用いる場合は音声信号を周波数領域で置換を行う帯域分割方式の一種と考えることもでき、アナログフィルタを用いる古典的な方法と比べはるかに秘話性を高くできる。
これらの変換の中で、DFTやDCTはスクランブル後の信号の了解度である残留了解度が低い。インプリメントも比較的容易である。
変換は一定の長さの時間単位（フレーム）で行われ、その中に含まれる N 個の音声信号のサンプル値を変換により別の N 個の係数に展開する。送信側と受信側とでフレーム単位に処理が行われるため、音声の遅延時間はサンプル値の数 N が増えるほど大きくなる。同時に、N が大きくなるほど係数を置換する組み合わせが増えるため暗号強度が高くなる。これらのバランスと処理の容易さから、一般的に N として256前後の値が選ばれる。
暗号強度に関係する係数の置換の組み合わせの数は最大 N! になるが、帯域分割方式の場合と同様、全ての組み合わせが使えるわけではない。スクランブル後の信号の了解度である残留了解度の高い組み合わせは使えない。実際には、元の係数の位置と置換後の位置の差ができるだけ大きくなるような組み合わせのみが使われる。またフレームごとに組み合わせを変化させることで解読を困難にする。
この方式は残留了解度が低く暗号強度も他のアナログスクランブラーと比べ高くできるが、通信路の影響を受けやすいという問題点もある。アナログフィルターを用いた帯域分割方式のような古典的な方式では波形が正しく伝送されなくても受信側では問題なく復調できるが、変換領域スクランブルでは伝送される信号の波形が大きく変わると受信側で同じ変換を行っても元の係数を正しく復元できず、受信結果が元の信号と大きく異なってしまう。アナログ音声用の多くの通信装置や伝送路は波形伝送についてあまり考慮されていないため、このスクランブル方式をそのまま使用するとひずみが大きくなり十分な性能を得ることができない。そのため、本方式で十分な性能を得るためには、伝送路のひずみや周波数で異なる遅延特性を補償するチャネルイコライザー技術が重要になる。
音声信号を直接操作するスクランブル方式として極性反転方式や雑音混入方式が古くから知られている。
極性反転方式は音声のサンプル値を疑似乱数を使い不規則に極性反転する方式である。受信側でも同じ疑似乱数で極性反転することで元の音声信号を復元できる。この方式は残留了解度が低いが、波形伝送が必要で通信路の影響を受けやすい。また、どのように不規則な極性反転を行ったとしても単純な全波整流回路で極性反転の効果をキャンセルでき、波形は異なったものとなるが、容易に解読できるという欠点がある。このような解読方法は第二次世界大戦の頃から知られていた。
雑音混入方式は音声にあらかじめ用意した雑音を加える方式である。受信側では同じ雑音を引くことで元の音声信号を復元する。この方式では元の音声信号が聞き取れないようかなり高い振幅の雑音信号を加える必要がある。そのため、伝送路の非線形性や遅延特性のばらつきなどにより波形が崩れると受信側で雑音をキャンセルしきれず、高レベルの雑音が残ってしまう。一般にこの方式は復調した音声のS/N比が十分でない。