Введение к работе
Актуальность темы. Защита информации является неотъемлемой частью инфокоммуникационных систем. В настоящее время все большее внимание уделяется защите речевой информации, что связано с ростом речевого общения в современной информационной среде.
С развитием цифровой связи в радиотехнике широкое распространение получили методы гаммирования, криптографические алгоритмы. Изначально аналоговый речевой сигнал преобразуется в цифровую форму. К полученным после кодирования коэффициентам или параметрам сигнала применяется алгоритм шифрования. Такие системы имеют высокий уровень защиты и требуют вычислительных ресурсов. В условиях помех такие алгоритмы работают не эффективно. Для широкого спектра задач требуются алгоритмы, применяющиеся при наличии достаточно сильных помех.
Наряду с математическими методами защиты речевой информации широко востребованы методы, использующие алгоритмы цифровой обработки сигналов (ЦОС). Значительный интерес представляют алгоритмы скремблирования, использующие быстрые линейные ортогональные преобразования (быстрое преобразование Фурье, быстрое вейвлет-преобразование) и банки дискретных фильтров. Как правило, они основаны на манипуляциях со спектральными коэффициентами линейного преобразования сигналов. Такие алгоритмы при скремблировании вызывают относительно небольшое изменение полосы частот сигнала и весьма низкую остаточную разборчивость сигнала в канале связи. При использовании быстрых преобразований увеличивается степень закрытия информации, однако возрастает и вычислительная сложность алгоритма обработки, возникает задержка сигнала. Ортогональные скремблеры не лишены общих недостатков скремблеров и вносят искажения в восстановленный речевой сигнал, определяемые дисперсией в канале и ошибкой синхронизации. Таким образом, проблема разработки новых быстродействующих алгоритмов защиты речевой информации, работающих в условиях шумов, является актуальной.
Степень разработанности проблемы. Основополагающие работы по технической защите речевой информации связаны с именами таких отечественных ученых, как Сердюков П.Н., Барсуков B.C., Хорев А.А., Герасименко В.А., Кравченко В.Б., Железняк В.К. На практике линейные преобразования сигнала осуществляются посредством банков фильтров. Большой вклад в развитие теории банков фильтров, многоскоростной фильтрации внесли работы отечественных и зарубежных ученых Витязева В.В., Степашкина А.И., Чобану М.К., Nguyen T.Q., Moulin Р. Практическому применению банков фильтров для защиты информации посвящен ряд работ у нас в стране и за рубежом таких известных ученых, как Петраков А.В., Дворянкин СВ., Bopardikar A.S., Creusere CD. Связь банков дискретных фильтров и вейвлет-анализа показана в работах Meyer Y., Vetterli М., Strang G.
Для синтеза используемых в работе фильтров используются методы теории вейвлетов. В этой области широко известны работы Малла С, Добеши П., Чуй К., Блаттера К., Ковачевич Д. Заметный вклад в развитие вейвлет-анализа внесли отечественные ученые Воробьев В.П. , Грибунин В.Г., Умняшкин СВ., Бехтин Ю.С.
Наряду с «классическим» вейвлет-преобразованием кратности разложения 2 используется и вейвлет-преобразование большей кратности М. В развитии теории М-полосных банков вейвлет-фильтров большую роль сыграли работы таких авторов, как Дворкович В.П., Дворкович А.В., Bums C.S., Gopinath R.A., Vetterli М.
Теории и практической реализации методов цифровой обработки речевых сигналов в радиотехнике посвящено много работ. Классическими являются работы Рабинера Л., Шафера Р., Янга Б., Мермелштейна П., Левинсона С. и др.
В области психоакустики и восприятия речевых сигналов наибольшую известность получили работы Бекеши Г., Скаларта П., Moore В., Hartmann W. Среди российской школы известны работы Алдошиной И., Чистович Л.
Рост передаваемых конфиденциальных речевых данных в каналах связи требует быстродействующих систем закрытия речи, простых в реализации, устойчивых к воздействию внешних шумов, искажениям в канале. Данная работа посвящена разработке таких систем.
Целью работы является разработка и исследование методов маскирования речевой информации, позволяющих модернизировать или построить новые радиотехнические системы конфиденциальной связи.
В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие основные задачи:
определение критериев для построения надежной системы защиты речи с высокой степенью закрытия информации и качеством восстановленного сигнала;
разработка метода синтеза согласованных вейвлет-фильтров;
разработка алгоритма защиты речевой информации с использованием цифровых банков вейвлет-фильтров;
исследование рабочих параметров предложенной системы защиты;
оценка степени закрытия речевой информации, стойкости системы к атакам, влияния размерности ключевой последовательности.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы цифровой обработки сигналов, теории вейвлет-анализа. Широко использовались также методы компьютерного моделирования.
Объектом исследования является помехоустойчивая система защиты, применяемая в радиотехнических системах маскирования речевых сигналов.
Предметом исследований являются согласованные вейвлет-фильтры, используемые на этапе построения системы защиты речи и косвенно определяющие её характеристики.
Научная новизна
Разработан метод синтеза согласованных вейвлет-фильтров (СВФ), формируемых по входной последовательности и удовлетворяющих свойству ортогональности вейвлет-базиса.
Разработан алгоритм защиты речи, использующий СВФ на этапе построения банка фильтров анализа-синтеза, согласованного с ключом.
Предложена модификация системы защиты речевой информации, опирающаяся на двойное использование маскирующего шума.
Разработан обобщенный вариант системы защиты для нескольких пользователей.
Получены рабочие параметры системы защиты, определяющие степень закрытия системы, качество восстановленного сигнала, помехоустойчивость.
Практическая значимость
Предложенный алгоритм маскирования речевых сигналов имеет простую реализацию и позволяет модернизировать существующий парк радиостанций без существенных материальных затрат.
Использование быстрых алгоритмов ЦОС позволяет применять алгоритм в задачах защиты речи в реальном времени. Вычислительная сложность для входного сигнала в 256 отсчетов - по 2048 операций сложения и умножения, что соизмеримо с быстродействием быстрого вейвлет-преобразования.
Предложенный алгоритм защиты речевых сигналов является помехоустойчивым и остается работоспособным при значительных искажениях данных. Для сравнения с современными системами защиты речи выигрыш по параметру отношение мощностей полезный сигнал / внешний шум составляет 3-4 дБ.
Алгоритм с двойным использованием маскирующего шума позволяет увеличить степень закрытия системы, что по сравнению с исходным алгоритмом по отношению мощностей полезный сигнал / маскирующий шум лучше на 7-10 дБ.
Представленный метод синтеза вейвлет-фильтров позволяет расширить область применения вейвлет-анализа за счет возможности синтеза фильтров с заданными свойствами. Рассчитанные согласованные вейвлет-фильтры могут быть использованы в задачах фильтрации, сжатия речевых сигналов и изображений.
Результаты работы внедрены в соответствующие разработки ЗАО «ИТ-Центр-Ярославль» и ГУЗ ЯО «МИАЦ». Отдельные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова в рамках дисциплин «Цифровая обработка речевых сигналов», «Цифровые фильтры», а также в научно-исследовательские работы при выполнении исследований в рамках гранта «Развитие нелинейной теории цифровой обработки сигналов и изображений в технических системах» (грант РФФИ № 10-08-01186). Все результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.
Достоверность материалов диссертационной работы обусловлена применением адекватного математического аппарата, подтверждена результатами проведенного компьютерного моделирования.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:
12, 13 международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение», Москва, 2010-2011.
XVIII международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии», Москва, МЭИ, 2010.
XVI международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2010.
международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны», Пенза, 2011.
IX международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Суздаль, 2011.
IX всероссийской научно-технической конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем», Чебоксары, 2011.
Региональной конференции «Ярославский край. Наше общество в третьем тысячелетии», Ярославль, 2010.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе две статьи в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Содержание работы изложено на 117 страницах. Список литературы включает 141 наименование. В работе представлено 53 рисунка.
