Разработка маскиратора аналоговых речевых сигналов

УДК 004

А. П. Карпов

РАЗРАБОТКА МАСКИРАТОРА АНАЛОГОВЫХ РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ

Аннотация. В данной статье рассмотрены проблемы защиты конфиденциальной речевой информации. Приведен обзор современных средств и алгоритмов защиты речевой информации. Проведен анализ преимуществ и недостатков уже имеющихся алгоритмов защиты информации. Рассмотрен алгоритм маскирования речевых сигналов и способ его реализации. Отмечены преимущества данного алгоритма перед аналогичными.

Ключевые слова: защита конфиденциальной речевой информации, устройства и алгоритмы защиты информации, маскиратор аналоговых речевых сигналов.

Современное состояние проблемы защиты речевой информации характеризуется постоянным расширением арсенала средств негласного съема и перехвата акустических (речевых) сигналов, технические характеристики и способы применения которых неуклонно совершенствуются [1]. Это обусловлено следующими факторами:

- стремительным развитием в последние годы технических средств мультимедиа;

- тем, что значительная часть передаваемой по общедоступным сетям информации -аудиоинформация, в том числе речевые сигналы;

- высокой полиинформативностью речевых сообщений;

- разнообразием информационных угроз в отношении акустической (речевой) информации и особенностями сценариев их развития и реализации.

В связи с этим особый интерес представляют исследования, направленные на выявление принципиально новых подходов к защите речевой информации, позволяющих существенно усложнить процесс негласного съема акустических (речевых) сигналов из каналов связи.

Сегодня особый интерес представляют быстрые алгоритмы маскирования, адаптированные под большинство мобильных устройств и приложений, способные в режиме реального времени преобразовывать речевую информацию в защищенный формат.

Речевой сигнал - сложный акустический сигнал, источником которого является человеческая речь [2]. Непрерывные сигналы характеризуются своим спектром. Спектр сигнала - эквивалентный ему набор синусоидальных составляющих [3]. Спектр речевого сигнала - непрерывный, однако частотные составляющие в диапазонах больше 3 кГц и менее 300 Гц вносят существенно меньший вклад в сигнал, поэтому, как правило, спектр речевого сигнала рассматривают в диапазоне от 0,3 до 3 кГц.

Главной целью разработки систем речевой связи являются выявление, передача и сохранение тех характеристик речи, которые наиболее важны для восприятия слушателем. Безопасность связи при передаче речевых сообщений основывается на использовании большого количества различных методов и средств преобразования речевого сигнала. Они меняют характеристики речи таким образом, что она становится неразборчивой или неузнаваемой для подслушивающего лица, перехватившего обработанное речевое сообщение.

Имеются два различных способа маскирования речевого сигнала. Первый состоит в перемешивании (скремблировании) сигнала некоторым образом. Это делается путем изменения соотношений между временем, амплитудой и частотой исходного сигнала. Второй способ состоит в преобразовании сигнала в цифровую форму, к которой применимы обычные методы дискретного шифрования [3].

Техника, технология, управление

В последнее время и у разработчиков, и у потребителей средств смысловой защиты речевых сообщений наблюдается все более устойчивая тенденция к применению новых компьютерных технологий обеспечения безопасности речевой связи без использования классических криптографических методов [4].

При меньших финансовых затратах на разработку (прежде всего программного обеспечения), распространение и приобретение подобных технологий они могут стать своеобразным буфером между криптографическими системами и системами физической защиты речевых сообщений в каналах связи. Кроме того, с помощью таких технологий удается решать ряд других не менее важных задач. Например, можно осуществлять скрытную передачу речевых сообщений в различных каналах связи, изменять свой голос для достижения его неузнаваемости при сохранении естественности звучания. Кроме того, аналоговое скремблирование может использоваться там, где применение цифровых систем закрытия речи затруднено из-за наличия возможных ошибок при передаче данных, например наземные линии связи с плохими характеристиками, отечественные каналы связи для телефонов общего пользования, каналы дальней радиосвязи, особенно КВ-диапазона.

Простейшей формой аналоговых преобразований являются преобразования сигнала в частотной области, в частности инверсия его спектра, когда низкие частоты исходного спектра становятся верхними, а верхние - нижними. В области высоких частот при демодуляции осуществляется перенос отфильтрованного сигнала в область низких частот и его фильтрация. Кроме того, при обработке на более высоких частотах информационного сигнала увеличивается энергия информативного сигнала, что приводит к повышению вероятности утечки информации по техническим каналам.

На основе данного способа маскирования сигнала был разработан способ маскирования аналоговых речевых сигналов (Патент РФ № 2546614). Данный способ свободен от ряда недостатков описанного выше способа маскирования, взятого за прототип. Суть преобразования заключается в следующем: аналоговый речевой сигнал дискретизирует-ся со стандартной частотой 8000 Гц. Дискретизированный речевой сигнал поступает на вход полосового фильтра с полосами среза 0,3 кГц и 3,4 кГц. Над отфильтрованным сигналом выполняется дискретное преобразование Фурье, в результате которого получаются коэффициенты разложения. Далее осуществляется перестановка коэффициентов разложения в обратном порядке. Затем выполняется обратное дискретное преобразование Фурье, после которого спектр речевого сигнала становится инверсным по отношению к первоначальному [5]. Алгоритм преобразования является симметричным: для восстановления исходного сигнала необходимо проделать те же действия в том же порядке.

Особенностью предлагаемого преобразования является то, что сигнал становится инверсным по времени. Помимо этого, у рассматриваемого способа маскирования сигналов есть ряд преимуществ перед аналогами:

- сокращено время выполнения преобразований над аналоговым сигналом;

- способность работы в полосе стандартного телефонного канала;

- возможность организации большого ансамбля кодов;

- естественность звучания;

- относительно низкая энергия информативного сигнала, что уменьшает вероятность утечки информации по техническим каналам.

На основании теоретических выкладок возникает вопрос о целесообразности практической реализации маскиратора аналоговых сигналов по рассмотренному алгоритму. Будет ли устройство востребовано, компенсируют ли преимущества результатов затраты на разработку изделия и др.?

На данный момент на рынке устройств защиты речевой информации от НСД востребованы асинхронные маскираторы речи (АМР) - устройства защиты речевой инфор-

Вестник Пензенского государственного университета № 1 (13), 2016

мации на основе алгоритмов речевой обработки, не требующие обязательной синхронизации ключей для введения неразборчивости в речевой сигнал в процессе сеанса связи. Примером АМР может служить разрабатываемый частотный инвертор. АМР просты в использовании, имеют низкую себестоимость, а их современные реализации обеспечивают уровень защиты речевого сигнала, сравнимый со скремблерами и даже с шифраторами [6].

В связи с этим предлагается разработать маскиратор аналоговых речевых сигналов по рассмотренному алгоритму. Маскиратор может быть выполнен как в виде самостоятельного модуля, так и в составе целевого устройства. Алгоритм маскирования сигнала целесообразно разработать на языке С/С++, после чего провести отладку и тестирование маскиратора на макетной плате фирмы Texas Instruments TMDSDSK5510.

Таким образом, маскиратор речевых сигналов, разрабатываемый по данной технологии, будет обладать рядом неоспоримых преимуществ по сравнению с аналогами: достаточно невысокой стоимостью, относительно высокой стойкостью, максимальной оперативностью, повышенным качеством восстановленного сигнала, устойчивой работой на каналах среднего и низкого качества. Кроме того, достоинством предлагаемого маскира-тора по отношению к аналогам можно считать то, что в процессе инверсии спектра информативные сигналы на более высокой частоте не появляются.

Список литературы

1. Мишуков, А. А. Образный анализ и маскирование речевой информации / А. А. Мишуков, Р. А. Устинов, Н. С. Дворянкин // Информационные технологии, связь и защита информации МВД России. - 2012. - Вып. 2

2. Домарев, В. В. Безопасность информационных технологий. Системный подход. - Киев : ООО «ТИД "ДС"», 2002. - 688 с.

3. Основы криптографии / А. П. Алферов, А. Ю. Зубов, А. С. Кузьмин, А. В. Черемушкин. - М. : Гелиос АРВ, 2002. - 480 с.

4. Дворянкин, С. В. Маскирование речевых сообщений на основе современных компьютерных технологий / С. В. Дворянкин, Е. Н. Клочкова, Р. В. Калужин // Специальная Техника. - 2001. -

№ 3.

5. Пат. 2546614 Российская Федерация. Способ маскирования аналоговых речевых сигналов / Ти-монин С. О., Кашаев Е. Д., Коршунов М. С., Иванов А. П., Нуждин Н. А., Симаков М. Н. 2015. -Бюл. № 33.

6. Дворякин, С. В. Маскирование речевой информации: перспективные методы и средства С. В. Дворякин, А. А. Мишуков // Спецтехника и связь. - 2009. - № 3.

Карпов Артем Павлович Karpov Artem Pavlovich

студент, student,

Пензенский государственный университет Penza State University E-mail: Artem.karpei@mail.ru

УДК 004 Карпов, А. П.

Разработка маскиратора аналоговых речевых сигналов / А. П. Карпов // Вестник Пензенского государственного университета. - 2016. - № 1 (13). - C. 62-64.