Способ маскировки электромагнитного канала утечки речевой информации в цифровых радиолиниях связи
METHOD OF MASKING ELECTROMAGNETIC CHANNEL OF SPEECH INFORMATION LEAKAGE IN DIGITAL RADIO LINES

Изобретение относится к области создания искусственных помех для маскировки электромагнитных каналов утечки речевой информации и может быть использовано для обеспечения защиты речевой информации в цифровых радиолиниях связи в условиях необходимости выполнения требований по электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и заданных энергетических характеристиках радиосистемы передачи и вероятности ошибочного приема.
Методы технической разведки основываются на том, что процессы обработки, хранения и передачи информации всегда обуславливаются возникновением побочных полей рассеивания различной физической природы или наведением токов и напряжений в неинформационных физических цепях. Указанные обстоятельства обуславливают повышение требований к показателям, методам и средствам, обеспечивающим защиту информации. В связи с этим разработка способов практической защиты речевой информации от ее утечки по различным техническим каналам является весьма актуальной задачей.
Проблема возникновения микрофонного эффекта широко известна, в частности известна возможность образования электромагнитного технического канала утечки речевой информации, иногда называемого каналом прямого прохождения, обусловленная наличием случайных электроакустических преобразователей, называемых случайными микрофонами, в отдельных элементах технической системы, что описано, например, в учебном пособии «Защита информации техническими средствами», авторы Ю.Ф. Каторин, А.В. Разумовский, А.И. Спивак / Под ред. Ю.Ф. Каторина – Спб: НИУ ИТМО, 2012, на c.174-178, в учебном пособии «Защита информации от утечки по техническим каналам», автор В.К. Железняк – Спб: ГУАП, 2006, на с.23, 44, 63 и в руководстве по применению «Capturing and Measuring Microphonics and Phase-Hits with the RTSA» / Application Note 37W-18577-1 – Tectronix, 2005, с. 1-19.
Механизм образования канала утечки речевой информации может быть следующим. В ходе передачи речевого сообщения происходит воздействие акустического давления не только на микрофон гарнитуры, но и, например, на составные элементы опорного генератора передающего радиоустройства, что приводит к нежелательной узкополосной модуляции выходной частоты генератора по закону изменения акустического давления. Далее, как правило, в процессе преобразования частоты, продукты нежелательной модуляции попадают в основной канал передачи радиоустройства, усиливаются и после излучения в эфир возникает возможность несанкционированного перехвата речевого сообщения.
Одним из подходов к обеспечению защиты речевой информации от утечки по электромагнитному каналу является снижение уровня акустического давления на электронные компоненты, подверженные микрофонному эффекту, путем демпфирования и звукоизоляции. Например, сюда относятся известные способы, представленные в патентах [1, 2].
Основным недостатком этих способов является тот факт, что они направлены лишь на снижение уровня продуктов нежелательной модуляции и не способны устранить их полностью. Кроме того, применение звукоизолирующих материалов в радиопередающих устройствах негативно сказывается на их параметрах, поскольку это приводит к изменению температурных режимов работы ключевых радиокомпонентов.
Также известен широкий класс способов пассивной защиты передающих устройств, основанных на применении экранирования и фильтрации электромагнитных наводок и помех. Например, к этому классу могут быть отнесены известные способы, представленные в патентах [3, 4]. Указанные способы обладают теми же недостатками, что и способы звукоизоляции. Кроме того, данные способы не эффективны для устранения наводок, попадающих в основной канал передачи.
Другим направлением защиты информации техническими средствами является создание искусственных помех в электромагнитных каналах утечки информации генераторами маскирующих сигналов, мощность которых превышает мощность электромагнитных сигналов утечки информации. Это существенно снижает возможность обнаружения и приема информации. Известны способы [5-7] защиты радиолиний связи посредством создания маскирующих помех в широкой полосе частот, мощность которых превышает мощность электромагнитных сигналов побочных электромагнитных излучений и наводок.
Недостатком этих способов является создание непреднамеренных помех широкому классу радиоэлектронных устройств, расположенных в непосредственной близости от передатчика маскирующих излучений.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ маскировки электромагнитного канала утечки речевой информации в цифровых радиолиниях связи, описанный в статье [8], принятый за прототип.
Способ-прототип заключается в следующем.
Формируют шумовой (маскирующий) сигнал в требуемом диапазоне частот, выполняют его полосовую фильтрацию, осуществляют предварительное усиление, реализуют его модуляцию низкочастотным шумовым сигналом, усиливают его и излучают в эфир, возбуждая им антенну. При этом сложение мощности маскирующего сигнала и продуктов нежелательной модуляции осуществляется в эфире.
Способ осуществляется следующим образом. На вход полосового фильтра поступает шумовой сигнал с маломощного генератора шума, который формирует шумовой сигнал в требуемом диапазоне частот. На выходе полосового фильтра появляется шумовой сигнал в заданной полосе частот. Далее шумовой сигнал поступает на предварительный усилитель, где усиливается и поступает на первый вход модулятора. Кроме этого в предварительном усилителе предусмотрен вход для подачи с устройства управления выходной мощностью шума сигнала, определяющего мощность сигнала на выходе предварительного усилителя. На второй вход модулятора поступает сигнал с устройства управления шириной полосы зашумления. С выхода модулятора, сформированный с помощью процесса модуляции шумовой сигнал, поступает на усилитель мощности. Здесь он усиливается до требуемого уровня и передается в антенну. С блока управления шириной полосы зашумления на второй вход модулятора поступает низкочастотный шумовой сигнал, например, шумоподобный сигнал, сформированный некоторым автоматом. Маскирование продуктов нежелательной модуляции речевым сигналом обеспечивается сложением в эфире мощности маскирующего сигнала и излучаемого радиопередающей станцией сигнала.
Способ-прототип не предусматривает обмена служебной информацией с каждой радиостанцией, поэтому генератор шума не может получать от них информацию о включении излучения полезного сигнала, частоте и ширине полосы излучаемого сигнала. Это в свою очередь будет приводить к ухудшению чувствительности приемника радиостанции, поскольку шумовой генератор излучает шум в моменты приёма сигнала. Также устройство, реализующее способ-прототип, будет создавать помехи для радиоэлектронных средств, использующих соседние частотные каналы, поскольку необходимо маскировать шумом весь диапазон рабочих частот, если радиостанция в ходе работы меняет частотные каналы, или наибольшую из возможных полос частот, если радиостанция использует при передаче различные полосы сигнала.
Способ эффективно работает в случае отсутствия жестких требований по электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и предотвращает или существенно уменьшает электромагнитную утечку информации, в том числе и речевой.
Недостаток способа-прототипа заключается в том, что он подразумевает работу внешнего излучателя шума на отдельную антенну или антенны. Различие фактических диаграмм направленности антенн радиостанции и излучателя шума, вызванное, в том числе, расположением антенн и влиянием близко расположенных предметов, не позволяет обеспечить маскирование с нужным качеством по всем азимутальным направлениям, что является потенциальной уязвимостью.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка эффективного способа маскировки электромагнитного канала утечки речевой информации в цифровых радиолиниях связи, не нарушающего требований по электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и незначительно ухудшающего энергетические характеристики радиосистемы.
Для решения поставленной задачи в способе маскировки электромагнитных каналов утечки речевой информации в цифровых радиолиниях связи, заключающемся в формировании маскирующего шумового сигнала в требуемом диапазоне частот, выполнении его фильтрации, сложении маскирующего шумового сигнала и продуктов нежелательной модуляции, согласно изобретению, сложение маскирующего шумового сигнала выполняют внутри радиостанции без излучения в эфир на внешнюю относительно передающей радиостанции антенну; при фильтрации выделяют полосу маскирующего шумового сигнала, совпадающую с шириной полосы излучаемого полезного сигнала; при масштабировании уровень маскирующего шумового сигнала задают по критерию не увеличения вероятности ошибки принимаемого сигнала.
Заявляемый способ заключается в следующем.
Источник шумового сигнала формирует маскирующий шумовой сигнал с требуемыми спектральными характеристиками. Фильтр нижних частот ограничивает полосу частот маскирующего сигнала полосой передаваемого полезного сигнала. Маскирующий сигнал масштабируется по уровню так, что сложение его с передаваемым полезным сигналом не увеличит вероятность ошибки принимаемого сигнала. Сформированный маскирующий сигнал суммируется с передаваемым полезным сигналом внутри передающей радиостанции, причем отношение сигнал/шум для продуктов нежелательной модуляции существенно уменьшается. При этом усиление сигнала и излучение его в эфир возбуждением антенны выполняется с уже замаскированными шумом продуктами нежелательной модуляции речевым сигналом.
Другими словами, задача обеспечения адаптивной маскировки электромагнитных каналов утечки речевых сигналов, решена применением нескольких операций: нахождением простого и дешевого пути формирования маскирующего шумового сигнала в полосе излучаемого полезного сигнала, и ограничением уровня маскирующего сигнала уровнем, который не приводит к существенному увеличению вероятности ошибки принимаемого сигнала.
Первое решение состоит в программной реализации процессов генерации, фильтрации, задания уровня и наложения маскирующего сигнала (шума). В этом случае генератор маскирующего шума располагается непосредственно внутри радиопередающего устройства и ему доступна вся необходимая информация о включении излучения, частоте и ширине полосы излучаемого сигнала. Таким образом, становится возможным накладывать маскирующий шум уже на этапе модуляции полезным сигналом. Отметим, что введение генератора маскирующего шума в состав цифровых радиостанций, включающих в себя сигнальный процессор или ПЛИС в качестве блока цифровой обработки, сводится к простому и дешевому обновлению конфигурационных файлов.
Второе решение состоит в расчете максимально возможной мощности маскирующего шума, добавление которого в полосу полезного сигнала практически не увеличивает вероятность ошибки приема полезного сигнала, однако для продуктов нежелательной модуляции отношение сигнал/шум изменяется существенно и прием их становится весьма затруднен или невозможен.
Многие цифровые программно-определяемые радиопередающие устройства с возможностью использования средств маскировки речи включает в свой состав микросхемы сигнального процессора или программируемой логической интегральной схемы, на базе которых реализуется, в том числе, функциональный блок формирования и цифровой обработки сигналов. Простейшая реализация способа подразумевает, например, программную модификацию реализации блока формирования и цифровой обработки сигналов.
Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг. 1, где обозначено:
7 – блок формирования и цифровой обработки сигналов, включающий в себя: 1 – модуль цифрового источника шумового сигнала, 2 – модуль цифрового фильтра нижних частот, 3 – модуль цифрового масштабирования сигнала, 4.1 – 4.2 – цифровой модуль суммирования, 5 – модуль помехоустойчивого кодирования, 6 – модуль цифрового модулятора.
Блок формирования и цифровой обработки сигналов 7 содержит последовательно соединенные модуль помехоустойчивого кодирования 5 и модуль цифрового модулятора 6, два выхода которого соединены с соответствующими входами первого 4.1 и второго 4.2 цифровых модулей суммирования. Последовательно соединенные модуль цифрового источника шумового сигнала 1, модуль цифрового фильтра нижних частот 2 и модуль цифрового масштабирования сигнала 3, выход которого соединен с соответствующими входами первого 4.1 и второго 4.2 цифровых модулей суммирования, выходы которых являются первым и вторым выходами блока 7, вход которого является входом модуля помехоустойчивого кодирования 5.
Работает устройство, реализующее предлагаемый способ, следующим образом.
Входной оцифрованный, кодированный вокодером и зашифрованный в маскираторе (на фиг. 1 не показаны) речевой сигнал поступает на блок формирования и цифровой обработки сигналов 7, кодируется в модуле помехоустойчивого кодирования 5 и поступает на вход цифрового модулятора 6. На данном этапе сигнал может не содержать продуктов нежелательной модуляции, тем не менее, в модуле цифрового источника шумового сигнала 1 формируется маскирующий шумовой сигнал, который фильтруется в модуле фильтра нижних частот 2 для ограничения полосы шумового сигнала до величины, не превышающей ширины полезного сигнала, формируемого цифровым модулятором 6. В модуле цифрового масштабирования сигнала 3 задается уровень маскирующего шумового сигнала с ограниченной полосой путем умножения отчетов сигнала на рассчитываемую на основании информации об уровне продуктов нежелательной модуляции прямого прохождения речевого сигнала, а также требований к величине вероятности ошибочного приема. Сформированный таким образом маскирующий сигнал суммируется в модулях суммирования 4.1 – 4.2 с выходными сигналами цифрового модулятора 6 и поступает на выходы блока 7. Таким образом, обеспечивается предварительное зашумление полосы сигнала, в которой на последующих стадиях преобразования сигнала мог бы образоваться электромагнитный канал утечки речевой информации.
Заявляемый способ легко реализуем, например, известными и давно освоенными промышленностью программными алгоритмами.
Модули цифрового источника шумового сигнала 1, фильтра нижних частот 2, цифрового масштабирования сигнала 3 и суммирования 4 выполняются традиционно.
Модуль цифрового источника шумового сигнала 1 может быть реализован с помощью сдвигового регистра с линейной обратной связью, например, в соответствии с алгоритмом и исходным текстом из книги «Прикладная криптография. Протоколы, алгоритмы, исходные тексты на языке Си». Шнайер Б. – Триумф, 2013. (раздел 16.2, с. 279).
Модуль фильтра нижних частот 2 может быть спроектирован и реализован, например, в соответствии с алгоритмом из книги «Цифровая обработка сигналов. Практическое руководство для инженеров и научных работников». Смит С. – Додэка-XXI, 2012. (с. 334-336).
Модуль цифрового масштабирования сигнала 3 реализуется умножением на константу, что является базовой операцией, как и суммирование в модуле 4, и не требует специального алгоритма для реализации.
Заявляемый способ внедрен в радиопередающее устройство путем программной реализации предложенного алгоритма. Результаты испытаний показали, что обеспечивается маскировка продуктов нежелательной модуляции, возникающих в результате прямого прохождения речевого сигнала, и не формируются помехи в соседних частотных каналах.
При этом стоимость изменений и дополнительных средств оказалась несопоставимо ниже по сравнению с известными решениями этой задачи, а электромагнитная совместимость – существенно выше.
Проведем доказательство эффективности заявляемого способа.
В частном случае, рассмотрим влияние добавления маскирующего шума в полосу сигнала на ухудшение качества приёма на примере когерентного приемника двоичных ортогональных сигналов с частотной манипуляцией (FSK).
Как известно, вероятность ошибки  при приёме такого сигнала когерентным демодулятором описывается формулой [9, стр. 245]
,
где  Q(x) – функция гауссова интеграла ошибок, определяемая как
;
– энергия, приходящаяся на один двоичный символ информации, в данном случае совпадает с энергией одного передаваемого символа;
– спектральная плотность шума на входе приёмника.
При передаче сигналов FSK ширина полосы приемника W в герцах обычно равна скорости передачи символов ; можно считать, что TW = 1 [9, стр. 254]. Тогда мощность шума  можно найти как , тогда .
Мощность принимаемого сигнала S, соответственно, , тогда .
Выразим отношение  через мощности сигнала и шума в полосе принимаемого сигнала на входе приёмника.
При заданном отношении мощностей сигнала и шума на входе получим выражение для вероятности ошибки при заданном отношении мощностей сигнала и шума в полосе приёма:
.
Пусть канал передачи информации обеспечивает максимальную ошибку 5 % [10], тогда в соответствии с [9, стр. 1060] отношение мощностей 1.65 или SNR= 10⋅lg(1.65) =2.175 дБ.
После добавления в полосу сигнала маскирующей помехи мощность шума на входе приёмника увеличится на мощность маскирующего сигнала. Примем мощность сигнала за 1. Тогда мощность шума N = 1/1.65 = 0.60606. Пусть маскирующая помеха имеет уровень в 100 раз по мощности меньше, чем сигнал, . Маскирующая помеха и шум являются независимыми процессами. Поэтому их сумма будет иметь мощность , что приведёт к уменьшению величины SNR до уровня 1/ =1.647 (2.168 дБ).
Уменьшение SNR за счёт добавления маскирующей помехи в рассматриваемом случае составит 0.007 дБ, что практически не увеличит вероятность ошибки принимаемого сигнала. Однако отношение сигнал/шум для продуктов нежелательной модуляции изменится более заметно. Например, если в результате прямого прохождения уровень паразитного сигнала на выходе передатчика составит -40 дБс (фиг. 2а) относительно полезного сигнала, то после добавления маскирующей помехи с уровнем -20 дБс (фиг. 2б) сигнал прямого прохождения на выходе передатчика будет на 20 дБ ниже уровня добавленной маскирующей помехи и его прием станет весьма затруднен или невозможен.
Следовательно, заявляемый способ обеспечивает одновременное обеспечение маскировки электромагнитного канала утечки речевой информации и выполнение требований к электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств в цифровых радиолиниях связи при заданных энергетических характеристиках радиосистемы передачи и вероятности ошибочного приема.
Таким образом, предлагаемые изменения способа маскировки электромагнитного канала утечки речевой информации позволяют простыми средствами получить несомненно значимый технический результат.
Достигаемый технический результат – одновременное обеспечение маскировки электромагнитного канала утечки речевой информации и выполнение требований к электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств в цифровых радиолиниях связи при заданных энергетических характеристиках радиосистемы передачи и вероятности ошибочного приема.
Литература:
1. Авторское свидетельство №34635. Приспособление для устранения микрофонного эффекта в супергетеродинных приемниках. Биншток В.В., Грачев Е.Т. 28.02.1933.
2. US 20100246147. Microphonics suppression in high-speed communications systems. Y. Qin, F.S. Matsumoto, E. Tiongson. 16.11.2006.
3. US 4831211. EMI/RFI sealed microphonics isolation apparatus and methods. L. D. McPherson, E. Saenz. 08. 06.1988.
4. US 6239359. Circuit board RF shielding. F.L. Peter, F.W. Verdi. 11.05.1999.
5. Патент № 2277758. Способ маскировки электромагнитных каналов утечки речевых сигналов звукоусилительной аппаратуры. – Железняк В.К. МПК H04K 3/00, H03B 29/00 – 8 c. – Опубл. 10.06.2006 г., Бюл. №16.
6. Патент № 2360365. Устройство радиомаскировки. – Иванов В.П. МПК H04K 3/00. – 13 c. – Опубл. 27.06.2009 г., Бюл. №18.
7. Патент № 2493594. Способ защиты обрабатываемой информации средствами вычислительной техники путем зашумления информативных побочных электромагнитных излучений и наводок, устройство защиты информации для реализации способа. – Лепеха Ю.П. МПК G06F 21/00, H04K 3/00. – 10 c. – Опубл. 27.06.2013 г., Бюл. №18.
8. Землянухин П.А. Многоканальный адаптивный генератор шума для маскирования ПЭМИН // Известия ЮФУ. – С.82-93.
9. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр. : Пер. с англ. – М. : Издательский дом «Вильямс», 2003. – 1104 с.
10. Маковий В.А. Сравнительная оценка экономических затрат на подавление связи в тактическом звене / В.А. Маковий, В.И. Николаев, В.Н. Поветко // Теория и техника радиосвязи. – 2016. – №3. – C.88-93.
11. Grayver E. Implementing software defined radio. – Springer. 2013th Edition. – 2014. p. 270.