ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.06.2021
Просмотров: 3543
Скачиваний: 3
436
Глава
19.
Скремблирование
скремблерами
,
задержка
у
временн
ы
х
скремблеров
намного
больше
,
но
существуют
раз
-
личные
методы
ее
уменьшения
.
В
скремблерах
с
временн
о
й
инверсией
речевой
сигнал
делится
на
последовательность
временн
ы
х
сегментов
,
каждый
из
которых
передается
инверсно
во
времени
—
с
конца
.
Такие
скремблеры
обеспечивают
ограниченный
уровень
закрытия
,
зависящий
от
дли
-
тельности
сегментов
.
Для
достижения
неразборчивости
медленной
речи
необходимо
,
чтобы
длина
сегментов
составляла
около
250
мс
.
Задержка
системы
в
таком
случае
со
-
ставляет
около
500
мс
,
что
может
оказаться
неприемлемым
в
некоторых
приложениях
.
Для
повышения
уровня
закрытия
прибегают
к
способу
перестановки
временн
ы
х
отрезков
речевого
сигнала
в
пределах
фиксированного
кадра
(
рис
. 19.9).
Рис
. 19.9.
Схема
работы
временн
ó
го
скремблера
с
перестановками
в
фиксированном
кадре
Правило
перестановок
является
ключом
системы
,
изменением
которого
можно
су
-
щественно
повысить
степень
закрытия
речи
.
Остаточная
разборчивость
зависит
от
дли
-
ны
отрезков
сигнала
и
длины
кадра
(
чем
длиннее
последний
,
тем
хуже
разборчивость
).
Главный
недостаток
скремблера
с
фиксированным
кадром
—
больш
а
я
величина
вре
-
мени
задержки
(
приблизительно
2
кадра
).
Этот
недостаток
устраняется
в
скремблере
с
перестановкой
временн
ы
х
отрезков
речевого
сигнала
со
скользящим
окном
.
В
нем
коли
-
чество
перестановок
ограничено
таким
образом
,
чтобы
задержка
не
превышала
установ
-
ленного
максимального
значения
.
Каждый
отрезок
исходного
речевого
сигнала
как
бы
имеет
временн
о
е
окно
,
внутри
которого
он
может
занимать
произвольное
место
при
скремблировании
.
Это
окно
скользит
во
времени
по
мере
поступления
в
него
каждого
нового
отрезка
сигнала
.
Задержка
при
этом
снижается
до
длительности
окна
.
Используя
комбинацию
временн
о
го
и
частотного
скремблирования
,
можно
значи
-
тельно
повысить
степень
закрытия
речи
.
Комбинированный
скремблер
намного
слож
-
нее
обычного
и
требует
компромиссного
решения
по
выбору
уровня
закрытия
,
остаточ
-
ной
разборчивости
,
времени
задержки
,
сложности
системы
и
степени
искажений
в
вос
-
становленном
сигнале
.
Количество
же
всевозможных
систем
,
работающих
по
такому
принципу
,
ограничено
лишь
воображением
разработчиков
.
В
качестве
примера
такой
системы
рассмотрим
скремблер
,
схема
которого
представ
-
лена
на
рис
. 19.10.
В
этом
скремблере
операция
частотно
-
временн
ы
х
перестановок
дис
-
кретизированных
отрезков
речевого
сигнала
осуществляется
с
помощью
четырех
про
-
цессоров
цифровой
обработки
сигналов
,
один
из
которых
может
реализовывать
функ
-
цию
генератора
ПСП
.
Аналоговое
скремблирование
437
Рис
. 19.10.
Блок
-
схема
комбинированного
скремблера
В
таком
скремблере
спектр
оцифрованного
аналого
-
цифровым
преобразованием
ре
-
чевого
сигнала
разбивается
посредством
использования
алгоритма
цифровой
обработки
сигнала
на
частотно
-
временн
ы
е
элементы
.
Эти
элементы
затем
перемешиваются
на
час
-
тотно
-
временн
о
й
плоскости
в
соответствии
с
одним
из
криптографических
алгоритмов
(
рис
. 19.11)
и
суммируются
,
не
выходя
за
пределы
частотного
диапазона
исходного
сиг
-
нала
.
Рис
. 19.11.
Принцип
работы
комбинированного
скремблера
В
представленной
на
рис
. 19.10
системе
закрытия
речи
используется
четыре
процес
-
сора
цифровой
обработки
сигналов
.
Количество
частотных
полос
спектра
,
в
которых
производятся
перестановки
с
возможной
инверсией
спектра
,
равно
четырем
.
Макси
-
мальная
задержка
частотно
-
временн
о
го
элемента
по
времени
равна
пяти
.
Полученный
таким
образом
закрытый
сигнал
с
помощью
ЦАП
переводится
в
аналоговую
форму
и
подается
в
канал
связи
.
На
приемном
конце
производятся
обратные
операции
по
восста
-
новлению
полученного
закрытого
речевого
сообщения
.
Стойкость
представленного
ал
-
горитма
сравнима
со
стойкостью
систем
цифрового
закрытия
речи
.
438
Глава
19.
Скремблирование
Скремблеры
всех
типов
,
за
исключением
простейшего
(
с
частотной
инверсией
),
вно
-
сят
искажение
в
восстановленный
речевой
сигнал
.
Границы
временн
ы
х
сегментов
нару
-
шают
целостность
сигнала
,
что
неизбежно
приводит
к
появлению
внеполосных
состав
-
ляющих
.
Нежелательное
влияние
оказывают
и
групповые
задержки
составляющих
рече
-
вого
сигнала
в
канале
связи
.
Результатом
искажений
является
увеличение
минимально
допустимого
соотношения
сигнал
/
шум
,
при
котором
может
осуществляться
надежная
связь
.
Однако
,
несмотря
на
указанные
проблемы
,
методы
временн
о
го
и
частотного
скремб
-
лирования
,
а
также
комбинированные
методы
успешно
используются
в
коммерческих
каналах
связи
для
защиты
конфиденциальной
информации
.
Цифровое
скремблирование
Альтернативным
аналоговому
скремблированию
речи
является
шифрование
речевых
сигналов
,
преобразованных
в
цифровую
форму
,
перед
их
передачей
(
см
.
рис
. 19.3).
Этот
метод
обеспечивает
более
высокий
уровень
закрытия
по
сравнению
с
описанными
выше
аналоговыми
методами
.
В
основе
устройств
,
работающих
по
такому
принципу
,
лежит
представленные
речевого
сигнала
в
виде
цифровой
последовательности
,
закрываемой
по
одному
из
криптографических
алгоритмов
.
Передача
данных
,
представляющих
дискре
-
тизированные
отсчеты
речевого
сигнала
или
его
параметров
,
по
телефонным
сетям
,
как
и
в
случае
устройств
шифрования
алфавитно
-
цифровой
и
графической
информации
,
осуществляется
через
устройства
,
называемые
модемами
.
Основной
целью
при
разработке
устройств
цифрового
закрытия
речи
является
сохра
-
нение
тех
ее
характеристик
,
которые
наиболее
важны
для
восприятия
слушателем
.
Од
-
ним
из
путей
является
сохранение
формы
речевого
сигнала
.
Это
направление
применяет
-
ся
в
широкополосных
цифровых
системах
закрытия
речи
.
Однако
более
эффективно
ис
-
пользовать
свойства
избыточности
информации
,
содержащейся
в
человеческой
речи
.
Это
направление
разрабатывается
в
узкополосных
цифровых
системах
закрытия
речи
.
Ширину
спектра
речевого
сигнала
можно
считать
приблизительно
равной
3,3
кГц
,
а
для
достижения
хорошего
качества
восприятия
необходимо
соотношение
сигнал
/
шум
примерно
30
дБ
.
Тогда
,
согласно
теории
Шеннона
,
требуемая
скорость
передачи
дискре
-
тизированной
речи
будет
соответствовать
величине
33
кбит
/
с
.
С
другой
стороны
,
речевой
сигнал
представляет
собой
последовательность
фонем
,
передающих
информацию
.
В
английском
языке
,
например
,
около
40
фонем
,
в
немецком
—
около
70
и
т
.
д
.
Таким
образом
,
для
представления
фонетического
алфавита
требуется
примерно
6-7
бит
.
Максимальная
скорость
произношения
не
превышает
10
фонем
в
се
-
кунду
.
Следовательно
,
минимальная
скорость
передачи
основной
технической
инфор
-
мации
речи
—
не
ниже
60-70
бит
/
с
.
Сохранение
формы
сигнала
требует
высокой
скорости
передачи
и
,
соответственно
,
использования
широкополосных
каналов
связи
.
Так
при
импульсно
-
кодовой
модуляции
(
ИКМ
),
используемой
в
большинстве
телефонных
сетей
,
необходима
скорость
передачи
,
равная
64
кбит
/
с
.
В
случае
применения
адаптивной
дифференциальной
ИКМ
скорость
понижается
до
32
кбит
/
с
и
ниже
.
Для
узкополосных
каналов
,
не
обеспечивающие
такие
Цифровое
скремблирование
439
скорости
передачи
,
требуются
устройства
,
снижающие
избыточность
речи
до
ее
переда
-
чи
.
Снижение
информационной
избыточности
речи
достигается
параметризацией
рече
-
вого
сигнала
,
при
которой
сохраняются
существенные
для
восприятия
характеристики
речи
.
Таким
образом
,
правильное
применение
методов
цифровой
передачи
речи
с
высокой
информационной
эффективностью
,
является
крайне
важным
направлением
разработки
устройств
цифрового
закрытия
речевых
сигналов
.
В
таких
системах
устройство
кодиро
-
вания
речи
(
вокодер
),
анализируя
форму
речевого
сигнала
,
производит
оценку
парамет
-
ров
переменных
компонент
модели
генерации
речи
и
передает
эти
параметры
в
цифро
-
вой
форме
по
каналу
связи
на
синтезатор
,
где
согласно
этой
модели
по
принятым
пара
-
метрам
синтезируется
речевое
сообщение
.
На
малых
интервалах
времени
(
до
30
мс
)
параметры
сигнала
могут
рассматриваться
,
как
постоянные
.
Чем
короче
интервал
анали
-
за
,
тем
точнее
можно
представить
динамику
речи
,
но
при
этом
должна
быть
выше
ско
-
рость
передачи
данных
.
В
большинстве
случаев
на
практике
используются
20-
миллисекундные
интервалы
,
а
скорость
передачи
достигает
2400
бит
/
с
.
Наиболее
распространенными
типами
вокодеров
являются
полосные
и
с
линейным
предсказанием
.
Целью
любого
вокодера
является
передача
параметров
,
характеризую
-
щих
речь
и
имеющих
низкую
информационную
скорость
.
Полосный
вокодер
достигает
эту
цель
путем
передачи
амплитуды
нескольких
частотных
полосных
речевого
спектра
.
Каждый
полосовой
фильтр
такого
вокодера
возбуждается
при
попадании
энергии
рече
-
вого
сигнала
в
его
полосу
пропускания
.
Так
как
спектр
речевого
сигнала
изменяется
от
-
носительно
медленно
,
набор
амплитуд
выходных
сигналов
фильтров
образует
пригод
-
ную
для
вокодера
основу
.
В
синтезаторе
параметры
амплитуды
каждого
канала
управ
-
ляют
коэффициентами
усиления
фильтра
,
характеристики
которого
подобны
характеристикам
фильтра
анализатора
.
Таким
образом
,
структура
полосового
вокодера
базируется
на
двух
блоках
фильтров
—
для
анализа
и
для
синтеза
.
Увеличение
количе
-
ства
каналов
улучшает
разборчивость
,
но
при
этом
требуется
б
о
льшая
скорость
переда
-
чи
.
Компромиссным
решением
обычно
становится
выбор
16-20
каналов
при
скорости
передачи
данных
около
2400
бит
/
с
.
Полосовые
фильтры
в
цифровом
исполнении
строятся
на
базе
аналоговых
фильтров
Баттерворта
,
Чебышева
,
эллиптических
и
др
.
Каждый
20-
миллисекундный
отрезок
вре
-
мени
кодируется
48
битами
,
из
них
6
бит
отводится
на
информацию
об
основном
тоне
,
один
бит
на
информацию
“
тон
–
шум
”,
характеризующую
наличие
или
отсутствие
вока
-
лизованного
участка
речевого
сигнала
,
остальные
41
бит
описывают
значения
амплитуд
сигналов
на
выходе
полосовых
фильтров
.
Существуют
различные
модификации
полосного
вокодера
,
приспособленные
для
ка
-
налов
с
ограниченной
полосой
пропускания
.
При
отсутствии
жестких
требований
на
ка
-
чество
синтезированной
речи
удается
снизить
количество
бит
передаваемой
информа
-
ции
с
48
до
36
на
каждые
20
мс
,
что
обеспечивает
снижение
скорости
до
1200
бит
/
с
.
Это
возможно
в
случае
передачи
каждого
второго
кадра
речевого
сигнала
и
дополнительной
информации
о
синтезе
пропущенного
кадра
.
Потери
в
качестве
синтезированной
речи
от
440
Глава
19.
Скремблирование
таких
процедур
не
слишком
велики
,
достоинством
же
является
снижение
скорости
пере
-
дачи
сигналов
.
Наибольшее
распространение
среди
систем
цифрового
кодирования
речи
с
после
-
дующим
шифрованием
получили
системы
,
основным
узлом
которых
являются
вокодеры
с
линейным
предсказанием
речи
(
ЛПР
).
Математическое
представление
модели
цифрового
фильтра
,
используемого
в
вокоде
-
ре
с
линейным
предсказанием
,
имеет
вид
кусочно
-
линейной
аппроксимацией
процесса
формирования
речи
с
некоторыми
упрощениями
:
каждый
текущий
отсчет
речевого
сиг
-
нала
является
линейной
функцией
P
предыдущих
отсчетов
.
Несмотря
на
несовершенст
-
во
такой
модели
,
ее
параметры
обеспечивают
приемлемое
представление
речевого
сиг
-
нала
.
В
вокодере
с
линейным
представлением
анализатор
осуществляет
минимизацию
ошибки
предсказания
,
представляющего
собой
разность
текущего
отсчета
речевого
сиг
-
нала
и
средневзвешенной
суммы
предыдущих
отсчетов
.
Существует
несколько
методов
минимизации
ошибки
.
Общим
для
всех
является
то
,
что
при
оптимальной
величине
ко
-
эффициентов
предсказания
спектр
сигнала
ошибки
приближается
к
белому
шуму
и
со
-
седние
значения
ошибки
имеют
минимальную
коррекцию
.
Известные
методы
делятся
на
две
категории
:
последовательные
и
блочные
,
которые
получили
наибольшее
распро
-
странение
.
В
вокодере
с
линейным
предсказанием
речевая
информация
передается
тремя
пара
-
метрами
:
амлитудой
,
решением
“
тон
/
шум
”
и
периодом
основного
тока
для
вокализован
-
ных
звуков
.
Так
,
согласно
федеральному
стандарту
США
,
период
анализируемого
отрез
-
ка
речевого
сигнала
составляет
22,5
мс
,
что
соответствует
180
отсчетам
при
частоте
дис
-
кретизации
8
кГц
.
Кодирование
в
этом
случае
осуществляется
54
битами
,
что
соответствует
скорости
передачи
2400
бит
/
с
.
При
этом
41
бит
отводится
на
кодирование
десяти
коэффициентов
предсказания
, 5 —
на
кодирование
величины
амплитуды
, 7 —
на
передачу
периода
основного
тона
и
1
бит
определяет
решение
“
тон
/
шум
”.
При
осущест
-
влении
подобного
кодирования
предполагается
,
что
все
параметры
независимы
,
однако
в
естественной
речи
параметры
коррелированы
и
возможно
значительное
снижение
ми
-
нимально
допустимой
скорости
передачи
данных
без
потери
качества
,
если
правило
ко
-
дирования
оптимизировать
с
учетом
зависимости
всех
параметров
.
Такой
подход
извес
-
тен
под
названием
векторного
кодирования
.
Его
применение
к
вокодеру
с
линейным
предсказанием
позволяет
снизить
скорость
передачи
данных
до
800
бит
/
с
и
менее
,
с
очень
малой
потерей
качества
.
Основной
особенностью
использования
систем
цифрового
закрытия
речевых
сигна
-
лов
является
необходимость
использования
модемов
.
В
принципе
возможны
следующие
подходы
к
проектированию
систем
закрытия
речевых
сигналов
.
1.
Цифровая
последовательность
параметров
речи
с
выхода
вокодерного
устройства
подается
на
вход
шифратора
,
где
подвергается
преобразованию
по
одному
из
крипто
-
графических
алгоритмов
,
затем
поступает
через
модем
в
канал
связи
,
на
приемной
стороне
которого
осуществляются
обратные
операции
по
восстановлению
речевого
сигнала
,
в
которых
задействованы
модем
и
дешифратор
(
см
.
рис
. 19.3, 19.4).
Модем
представляет
собой
отдельное
устройство
,
обеспечивающее
передачу
данных
по
од
-