Шифрование речевых сигналов

Речевые сигналы

Основные понятия

Существуют два класса систем связи: цифровые и аналоговые. Цифровой сигнал — сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений. Аналоговый сигнал — сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений (пример, речевой сигнал, передаваемый по телефону). Непрерывные сигналы характеризуются своим спектром. Спектром сигнала называется набор синусоидальных составляющих (называемых также гармониками или частотными составляющими). Спектр сигнала получается разложением функции, выражающей зависимость формы сигнала от времени, в ряд Фурье. Спектр периодического сигнала – линейчатый (дискретный), он состоит из гармоник с кратными частотами. Спектр непериодического сигнала – непрерывный. Пример спектра речевого сигнала (рисунок 1):

Рисунок 1 - Спектр речевого сигнала

Частотные составляющие в диапазонах 3-4 кГц и менее 300 Гц быстро убывают. Таким образом, очень высокие частотные компоненты имеют существенно меньший вклад в сигнал, чем частоты в диапазоне 500-3000 Гц. Если ограничиться частотами, не превышающими 3 кГц, и использовать высокочувствительный анализатор, то спектр, производимый некоторыми звуками, имеет вид зубчатой кривой приблизительно следующего вида (рисунок 2):

Рисунок 2 - Спектр речевого сигнала (при использовании высокочувствительного анализатора)

Пики графиков называются формантами. Изменение этих частотных компонент во времени можно изобразить на трехмерном графике (при добавлении третьей координаты – времени).

Речевой сигнал является переносчиком смысловой информации. Эта информация при прослушивании речевого сигнала может быть записана в виде текста сообщения. Слуховое восприятие речевого сигнала более богато и несет как основную текстовую информацию, так и дополнительную в виде ударений и интонаций. Элементарными единицами слуховой информации являются элементарные звуки – фонемы, а смысловыми единицами – звучащие слоги, слова и фразы. Для каждого языка имеется свой набор фонем. Информацию, передаваемую аналоговыми сигналами, также необходимо защищать, в том числе и криптографическими методами. Имеются два различных способа шифрования речевого сигнала.

Шифрование речевых сигналов

Первый способ состоит в перемешивании (скремблировании) сигнала некоторым образом. Скремблирование — это обратимое преобразование цифрового потока без изменения скорости передачи с целью получения свойств случайной последовательности. После скремблирования появление «1» и «0» в выходной последовательности равновероятны. Скремблирование — обратимый процесс, то есть исходное сообщение можно восстановить, применив обратный алгоритм. Скремблирование производится следующим образом: генерируется псевдослучайная последовательность (одинаковая для скремблера и дескремблера) бит. Вновь поступающий в скремблер бит суммируется по модулю два с битом псевдослучайной последовательности. После чего бит отправляется на выход, скремблер берет следующий входной бит псевдослучайной и входной последовательности и повторяет операцию. Обратное преобразование осуществляется в обратном порядке. Псевдослучайная последовательность используется циклически. Скремблирование применяется во многих современных системах цифровой связи. Скремблирование делается путем изменения соотношений между временем, амплитудой и частотой, не выводящих за пределы используемого диапазона.

Второй способ состоит в преобразовании сигнала в цифровую форму, к которой применимы обычные методы дискретного шифрования. Зашифрованное сообщение далее передается по каналу с помощью модема. После расшифрования полученной криптограммы вновь восстанавливается аналоговая форма сигнала[1]. Обобщенную схему преобразования аналогового сигнала в цифровой и обратно можно описать следующей схемой (рисунок 3):

[1] - А. П. Алферов, А. Ю. Зубов, А. С. Кузьмин, А. В. Черемушкин. Основы Криптографии. — М.: Гелиос, 2005. Стр. 127-129

Рисунок 3 – Обобщенная схема цифровой обработки сигнала

1. На первом этапе кодер из исходного аналогового x(t) (рисунок 3.1, а) формирует цифровой сигнал xц(nT) (рисунок 3.1, б). Состав кодера: фильтр нижних частот (ФНЧ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Аналоговый фильтр нижних частот предназначен для ограничения спектра X(jw) исходного аналогового сигнала x(t). Необходимость ограничения спектра вытекает из теоремы Котельникова, в соответствии с которой частота дискретизации fд выбирается из условия: fд 2fв, где fв – верхняя частота спектра сигнала. Выбор значения fв определяется конкретным типом сигнала и решаемой задачей. Например, для стандартного телефонного сигнала верхняя частота fв равна 3,4 кГц, а минимальная стандартная частота дискретизации fд – 8 кГц. На выходе ФНЧ получают аналоговый сигнал x2(t) с финитным (ограниченным по частоте) спектром .

Аналого-цифровой преобразователь формирует цифровой сигнал xц(nT) посредством дискретизации и квантования сигнала (рисунок 3.1, в). Дискретизация по времени - процедура взятия мгновенных значений – отсчетов – аналогового сигнала с интервалом времени, равным периоду дискретизации T. Цель квантования по уровню (квантование) - представление точных значений отсчетов x(nT) в виде двоичных чисел конечной разрядности – квантованных отсчетов xц(nT). Для этого динамический диапазон дискретного сигнала x(nT) разбивается на конечное число дискретных уровней – уровней квантования – и каждому отсчету по определенному правилу присваивается значение одного из ближайших уровней, между которыми он оказывается. Совокупность квантованных отсчетов xц(nT), n = 0,1, … называют цифровым сигналом.

2. На втором этапе устройство ЦОС преобразует цифровой сигнал xц(nT) (рисунок 3.1, в) в цифровой сигнал yц(nT) (рисунок 3.1, г) по заданному алгоритму. В реальном времени обработка сигналов должна выполняться в темпе поступления отсчетов входного сигнала xц(nT), n = 0,1, … и отвечать следующим требованиям:

- время цикла при вычислении отсчета yц(nT) не должно превышать интервала между двумя соседними отсчетами xц(nT), т.е. периода дискретизации T:

- тактовая частота процессора должна быть много выше частоты дискретизации fд сигнала xц(nT)

3. На третьем этапе декодер формирует результирующий аналоговый сигнал y(t) из цифрового сигнала yц(nT). В состав цифрового декодера декодера входят цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и сглаживающий фильтр. Цифро-аналоговый преобразователь формирует из цифрового сигнала yц(nT) (рисунок 3.1, г) ступенчатый аналоговый сигнал (рис. 3.1, д). Сглаживающий фильтр (низкочастотный) устраняет ступенчатый эффект (скачки) (рисунок 3.1,е)[2].

[2] - Солонина А.И., Улахович Д.А., Арбузов С.М., Соловьева Е.Б. Основы цифровой обработки сигналов, 2005. Стр. 10 - 12

Дата добавления: 2015-12-01