Разработка способов преобразования речевой информации при передаче по телефонной линии связи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Рябинин, Евгений Леонидович

• Рябинин, Евгений Леонидович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Рябинин, Евгений Леонидович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ МОДЕЛИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ.

1.1. Модель системы передачи речевой информации.,.

1.2. Анализ способов несанкционированного доступа к открытому каналу связи и способов защиты от них.

1.3. Модель системы передачи информации по открытому каналу связи с использованием криптографических способов защиты информации.

1.4. Характеристика источника информации.

1.5. Известные методов кодирования речевых сигналов.

1.5.1. Временное сигнальное кодирование.

1.5.2. Спектральное кодирование сигнала.

1.5.3. Модельное кодирование источника.

1.5.4. Гибридные методы кодирования речи.

1.5.5. Сравнение методов кодирования речи.

1.5.6. Выбор метода кодирования речевого сигнала.

1.6. Определение требований к применяемым алгоритмам шифрования.

1.7. Оценка стойкости защиты информации, передаваемой в информационно-измерительных системах.

1.7.1. Условия криптоанализа зашифрованных сообщений.

1.7.2. Совершенная секретность.

1.7.3. Практическая стойкость.

1.7.4. Оценка стойкости криптосистемы, основанная на вероятностной модели нарушителя.

1.7.5.Оценка криптостойкости с помощью энтропии.

1.7.6.Выбор способа оценки криптостойкости.

1.8. Выводы по главе.

1.9. Постановка задачи.

2. ФОРМИРОВАНИЕ МОДЕЛИ КОДИРОВАНИЯ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА.

2.1. Модель вычисления спектра сигнала с помошью преобразования Фурье.

2.2. Модель вычисления спектра сигнала с помошью преобразования Уолша.

2.3. Модель вычисления спектра сигнала с помошью преобразования Хаара.

2.4. Модель вычисления спектра сигнала в с помощью дискретного косинусного преобразования.

2.5. Определение критерия оценки моделей вычисления спектра речевого сигнала.

2.6. Исследование моделей вычисления спектра речевого сигнала.

2.6.1. Сравнение ортогональных преобразований по объёму вычислений.

2.6.2. Сравнение ортогональных преобразований по возможности сжатия получаемого результата.

2.6.3 Выбор ортогонального преобразования.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ СПЕКТРА РЕЧЕВОГО СИГНАЛА, ПОЛУЧЕННОЙ С ПОМОЩЬЮ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ХААРА.

3.1. Особенности статистической обработки речевых сигналов.

3.2. Выбор модели анализа структуры спектра речевого сигнала.

3.3. Анализ информативности коэффициентов спектра Хаара.

3.4. Анализ статистических связей между смежными коэффициентами Хаара в соседних уровнях.

3.5. Анализ статистических связей между коэффициентами Хаара в пределах временного окна.

3.6. Анализ зашифрованного спектра речевого сигнала.

3.7. Анализ шифрования первых 64-х коэффициентов спектра речевого сигнала.

3.8.Анализ первых 64-х коэффициентов зашифрованного спектра речевого сигнала при использовании ключей большой разрядности.

4. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА, ОСУЩЕСТВЛЯЮЩЕГО ПЕРЕДАЧУ РЕЧЕВОГО СООБЩЕНИЯ ПО ТЕЛЕФОННОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ.

4.1. Описание пользовательского интерфейса.

4.1.1. Настройка параметров шифрования речевого сигнала.

4.1.2. Настройка параметров сжатия речевого сигнала.

4.1.3. Настройка способа передачи речевого сигнала.

4.2. Анализ результатов, обеспечиваемых разработанным программным обеспечением.

4.3. Описание работы основных блоков программного комплекса.

4.2.1. Реализация алгоритма вычисления спектра речевого сигнала. Преобразование Хаара.

4.2.2. Реализация алгоритма сжатия речевого сигнала.

4.2.3. Реализация алгоритма шифрования речевого сигнала.

4.2.4. Синхронизация временных интервалов работы передатчика и приёмника речевого сигнала.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка способов преобразования речевой информации при передаче по телефонной линии связи»

Актуальность темы. Применение современных средств вычислительной техники и связи, а также современных методов обработки и передачи информации во всех сферах человеческой деятельности на сегодняшний день приняло всеобщий характер, а создаваемые на их основе информационно-измерительные системы (ИИС) и сети становятся более сложными и широко используемыми.

Одним из наиболее распространённых каналов передачи информации в ИИС является телефонных канал, по которому может передаваться информация, представленная как в аналоговом, так и в цифровом виде.

Следует отметить, что использование телефонного канала, являющегося открытым каналом с малой пропускной способностью, в качестве средства передачи информации в ИИС имеет ряд недостатков, к которым относятся: проблема передачи широкополосных сигналов, а также обеспечение установленного статуса надёжности передаваемой информации.

Обращаясь к проблеме обеспечения надёжности информации, передаваемой в ИСС, следует отметить, что анализ возможных угроз нарушения целостности хранимой и передаваемой информации показывает, что несанкционированный доступ (НСД) к передаваемой конфиденциальной информации является источником большого ущерба для частных организаций. В Стенфордском институте были проведены углубленные исследования причин нарушения целостности хранимой и обрабатываемой информации. На основании этих исследований специалисты института пришли к выводу, что, несмотря на принимаемые меры, злоумышленные действия в ИС приняли почти массовый характер. При этом по оценкам специалистов 85% случаев несанкционированного проникновения в информационные системы вообще остаются нераскрытыми.

В настоящее время разработано множество средств, осуществляющих кодирование речевой информации для защищённой передачи по телефонным линиям связи. Однако следует отметить, что большинство из них имеет техническую реализацию, недостатками которой являются: габариты, высокая стоимость, необходимость использования отдельного питания, а также отсутствие возможности гибкого изменения алгоритма защиты.

На основании вышесказанного можно сделать вывод, что задача разработки ИИС, осуществляющей кодирование речевой информации с целью обеспечения её защищённой передачи по открытому каналу связи с малой пропускной способностью с использованием стандартных средств является актуальной.

Объектом исследования диссертационной работы является информационная система, состоящая из датчика, средств преобразования речевого сигнала, средств передачи информации (линии связи), средств, осуществляющих восстановление речевого сигнала на приёмном конце, а также средств воспроизведения.

Для обеспечения целостности информации, передаваемой в указанной ИИС, необходимо проводить её преобразование, которое удобнее всего осуществлять в цифровой форме. Передача речевой информации в цифровой форме требует обеспечения полосы пропускания канала связи, равной 7 КГц. В рассматриваемой ИИС передача информации осуществляется с использованием телефонного канала связи, имеющего малую пропускную способность, недостаточную для передачи оцифрованного речевого сигнала. На основании вышесказанного предметом исследования настоящей работы являются способы преобразования передаваемого речевого сигнала в режиме реального времени с целью обеспечения передачи его по узкополосному каналу связи, а также обеспечения защиты последнего от несанкционированного доступа.

Целью диссертационной работы является разработка методов создания ИИС, используемой для кодирования и передачи речевой информации по открытым каналам связи с малой пропускной способностью с использованием стандартных средств.

В соответствии с поставленной целью автором решены следующие задачи:

1. Проведён анализ существующих способов кодирования речевых сигналов в ИИС.

2. Обобщены требования, предъявляемые к эффективности использования различных способов кодирования речевых сигналов.

3. Выбран способ предобработки речевого сигнала с датчика для применения методов его последующего сжатия и защиты, обеспечивающий выполнение следующих требований: a. осуществление преобразования речевого сигнала без потерь; b. малый объём вычислений, достаточный для работы информационной системы в режиме реального времени; c. обеспечение минимального объема передаваемых данных для последующего согласования с пропускной способностью узкополосного канала связи. 4

4. Проведено исследование различных моделей вычисления спектра сигналов.

5. Выбрана модель вычисления спектра речевого сигнала, имеющая минимальный объём вычисления, а также обеспечивающая наибольшие возможности для последующего сжатия.

6. Проведено исследование выбранной модели спектра речевого сигнала, на основании которого: a. предложен способ сокращения избыточности речевого сигнала, обеспечивающий высокую степень сжатия, а также имеющий малый объём вычислении. b. предложен способ оценки качества защиты речевого сообщения, основанный на вычислении энтропии для выборок смежных частот его спектра, а также оценки степени приближенности полученного результата к энтропии белого шума, а также разработан подход к шифрованию, обеспечивающий высокую степень защиты речевого сигнала от несанкционированного доступа (НСД) при использовании ключей малой длины.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Обосновано применение вейвлета Хаара для эффективного кодирования речевого сигнала путём исследования изменения среднеквадратичной ошибки восстановления его во временной форме в зависимости от удаления наименее информативных частот из его спектра.

2. На основании анализа модели спектра речевого сигнала разработан способ его кодирования, позволяющий осуществлять эффективное сжатие речевых сигналов, а также защиту от несанкционированного доступа с использованием ключей малой длины.

3. Предложен способ оценки качества шифрования речевого сообщения, основанный на вычислении энтропии для выборок смежных частот спектра Хаара, полученного для речевого сигнала, а также оценки степени приближенности полученной энтропии к энтропии белого шума.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана методика преобразования речевого сигнала в ИСС, позволяющая осуществлять эффективное сжатие последнего, а также проводить шифрование с использованием ключей малой длины.

2. Создан аппаратно-программный комплекс, осуществляющий передачу речевого сигнала по открытым каналам связи с малой пропускной способностью.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика преобразования речевого сигнала в ИИС для передачи по узкополосным каналам связи, основанная на удалении неинформативных частот из его спектра.

2. Способ оценки эффективности преобразования речевого сигнала для осуществления защищенной передачи по открытым каналам связи.

Реализация результатов работы. Предложенные в работе методы кодирования речевого сигнала внедрены в ООО «Интерсвязь», а также в учебный процесс на кафедре "Робототехника и автоматизация производства" Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" при преподавании следующих дисциплин: «Информатика», «Системы автоматизации и управления».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на 19-ой юбилейной сессии, посвященной «Дню радио», научно-технических конференциях и семинарах профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета 2003, 2004 и 2005 гг.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх разделов и заключения, изложенных на 158 страницах машинописного текста и включающих 77 рисунков и 21 таблицы, 6 приложений на 28 страницах и списка использованной литературы из 77 наименований.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Рябинин, Евгений Леонидович

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

По диссертационной работе можно сформулировать следующие основные выводы и результаты:

1. Определён способ кодирования речевых сигналов. В качестве наиболее подходящего способа выбран способ, основанный на представлении речевых сигналов в спектральной области.

2. Проведён анализ известных моделей вычисления спектра речевого сигнала. В качестве критерия сравнения рассматриваемых моделей выбран комплексный критерий, в состав которого входят следующие показатели: скорость работы алгоритма вычисления спектра, эффективность выполнения последующего сжатия, а также способность отражения нестационарности речевых сигналов.

3. В качестве способа преобразования речевого сигнала из временной в спектральную форму выбрано преобразование Хаара.

4. На основании анализа структуры спектра Хаара, полученного для речевого сигнала, разработан метод кодирования речевых сигналов, обеспечивающий эффективное сжатие информации при передаче в ИИС по каналам связи с малой пропускной способностью.

5. На основании анализа инфомативных частот спектра Хаара, полученного для речевого сигнала, разработан метод кодирования, обеспечивающий эффективную защиту речевой информации при передаче в ИИС по открытым каналам связи.

6. Предложен способ оценки эффективности защиты речевого сигнала при передаче в ИИС по открытым каналам связи, основанный на вычислении энтропии его спектра как для отдельно взятых временных окон, так и для выборок смежных частот и оценке степени приближённости полученного результата к энтропии белого шума.

7. Разработан программный комплекс, осуществляющий кодирование, сжатие, шифрование и передачу речи по телефонной линии связи.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Рябинин, Евгений Леонидович, 2005 год

1. Аграновский К.Ю. Системы передачи информации. Л.: Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР, 1983.

2. Арипов М.Н. Передача дискретной информации по низкочастотным каналам связи. -М.: Связь, 1980 128 с.

3. Асеев В.Н. Элементы теории представления и анализа сигналов. Калинин. Калининский ун-т, 1982. - 80 с.

4. Ахмед A. Pao K.P. Ортогональные преобразования при обработке цифровых сигналов. -М.: Связь, 1980.

5. Баранов Л.А. Кванотование по уровню и временная дискретизация в цифровых системах управления. — М.: Энергоатомиздат, 1990 — 304 с.

6. Бенеш В.Э. Математические основы теории телефонных сообщений.

7. Берлекэмп Э. Алгебраическая терия кодирования. М.: «Мир», 1971.

8. Богданович В. А. Теория устойчивости, обнаружения, различения и оценивания сигналов. -М.: Связь, 1985.

9. Боккер Л. Передача данных. — М.: Связь, 1980.

10. Бояринов И.М. Помехоустойчивое кодирование информации. М.: Наука, 1983 -195 с.

11. Буга H.H. Основы теории связи и передачи данных. М.: Связь, 1969.

12. Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов. М.: «Сов. радио», 1970. — 375 с.

13. Васильев В.И. Системы связи. М.: Высшая школа, 1987. - 279 с.ф 14. Величкин А.И. Передача аналоговых сообщений по цифровым каналам связи. М.: «Радио и связь», 1983. - 240 с.

14. Величкин А.И. Теория дискретной передачи непрерывных сообщений.

15. М.: «Сов. радио», 1970. 296 с.А

16. Вентцель Е.С. Овчаров Л.А. Прикладные задачи теории вероятностей. М.: Радио и связь, 1983. — 416 с.

17. Виноградов Р.И. Основы построения дискретных систем передачи, обнаружения, отображения и обнаружения информации. Л, 1971.tV

18. Витерби А.Д. Омура Дж.К. Принципы цифровой связи и кодирования. М.: Радио и связь, 1982. - 536 с.

19. Власенко В. А. Методы синтеза быстрых алгоритмов свёртки и спектрального анализа сигналов. М.: Наука, 1990 — 179 с.

20. Воллернер Н.Ф. Аппратурный спектральный анализ сигналов. М.: Советское радио, 1977. 208 с.

21. Галлагер Р. Теория информации и надёжная связь. М.: «Сов. радио», 1974 -324 с.

22. Гельман М.М. Дискретное преобразование и кодирование широкополосных сигналов. М.: Радио и связь, 1985. - 160 с.

23. Герасименко В.А. Защита информации в автоматизированных системах обработки данных, т. 1,2. М.: Энергоатомиздат, 1994.

24. Герасименко В.А., Малюк A.A. Основы защиты информации. М.: МИФИ, 1997.-538 с.

25. Глинченко A.C. Цифровая обработка сигналов. Красноярск. Красноярский гос. технический университет. 2001. — 199 с.

26. Гойхман Э.Ш. Передача информации в АСУ. М.: Связь, 1976. 279 с.

27. Грушо A.A., Тимонина Е.Е. Теоретические основы защиты информации. -М.: Яхтсмен, 1996. 266 с.

28. Гуревич. М.С. Спектры радиосигналов. М.: Связь, 1963. 311 с.

29. Дженнингс Ф.Д. Практиеская передача данных. — М.: Мир, 1989. — 272 е., ил.

30. Дидук Г.А. Сигналы и их математические модели. Л.: 1978. - 61 с.

31. Диффи У., Хеллман М.Э. Защищенность и имитостойкость. Введение в криптографию. ТИИЭР, 1997, №3.

32. Еремеев И.С. Устройства сжатия информации. М.: Энергия, 1980. - 161 с.

33. Зяблов В.В. Высокоскоростная передача сообщений в реальных каналах. — М.: «Радио и Связь», 1992. 288 с.

34. Иванова Т.И. Компьютерные технологии в телефонии. М.: «Эко-Трендз», 2002.-300 с.

35. Игнатов В.А. Теория информации и передачи сигналов. М.: «Радио и Связь», 1991.-279 с.

36. Каневкий P.E. Сжатие и поиск инфомрации. М.: «Радио и связь», 1989. -167 с.

37. Клюев Н.И. Информационные основы передачи сообщений. М.: «Сов. радио», 1966. 360 с.

38. Колесник В.Д. Декодирование циклических кодов. М.: Связь, 1968. - 251 с.

39. Кодирование и передача дискретных сообщений в системах связи. М.: «Наука», 1976.

40. Латхи Б.П. Системы передачи информации. М.: Связь, 1971.

41. Левин Л.С. Плоткин М.А. Цифровые системы передачи информации. — М.: Радио и связь, 1982. 216 с.

42. Леонидов И.М., Фомин В.В., Шахов В.Г. Анализ степени защиты закрытой радиотелефонной связи. // Депонированные работы, 1996, №12, с.47, реф.№6069-ж.д.96. 20 с.

43. Леонидов И.М., Фомин В.В., Шахов В.Г. Устройство защиты радиотелефонных переговоров // Материалы научно-практической конференции "Инфотранс-96". СПб, 1996.

44. Лекции по теории систем связи. — М.: Мир, 1964. 401 с.

45. Лившиц B.C. Системы массового обслуживания с конечным числом источников.

46. Макаров С.Б. Цикин И.А. Передача дискретных сообщений по радиоканалам с ограниченной полосой пропускания. — М.: Радио и связь, 1998.-304 с.

47. Мамиконов А.Г., Кульба В.В., Шелков A.B. Достоверность, защита и резервирование информации в АСУ. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 326 с.

48. Маржин Дж. Системный анализ передачи данных. М.: «Мир», 1975.49.' Маржин Дж. Телксвязь и ЭВМ. М.: «Машиностроение», 1981.- 687 с.

49. Мартынов Ю.М. Обработка информации в системах передачи данных. М.: Связь, 1969.-200 с.

50. Массовое обслуживание в системах передачи информации. Сборник статей. -М.: Наука. 1969.

51. Месси Дж. Введение в современную криптологию. ТИИЭР, 1998, №5.

52. Методы и устройства цифровой и аналоговой обработки и формирования сигналов. Воронеж. Воронежский политехнический ин-т 1990 — 168 с.

53. Нуссбаумер Г. Быстрое преобразование Фурье и алгоритмы вычисления свёрток.

54. Общесистменые вопросы защиты информации. М.: «Радиотехника», 2003. -296 с.

55. Питерсон И. Коды, исправляющие ошибки. М.: Мир, 1976.

56. Прокис Дж. Цифровая связь. М.: «Радио и связь», 2000. — 800с.

57. Применение ортогональных методов при обработке сигналов и анализе систем. Свердловск: ЧПИ, 1983. - 150с.

58. Рабинер. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Связь, 1983.

59. Расторгуев С.П. Программные методы защиты информации в компьютерах и сетях. М.: Яхтсмен, 1993. - 237 с.

60. Речевое общение в автоматизированных системах. — М.: «Наука», 1975. — 126 с.

61. Скалин Ю.В. Цифровые систеым передачи. М.: Радио и связь, 1988. - 272 с.

62. Соловьёв В.Ф. Рациональное кодирование при передаче сообщений. — М.: «Энергия», 1970. 65 с.

63. Солодовников А.И. Основы теории и методы спектральной обработки информации. Л.: Издательство ЛГУ, 1986. - 269 с.

64. Стейн С. Джонс Д. Принципы современной теории связи и их применеие к передаче дискретных сообщений. — М.: Связь, 1971.

65. Удалов А.П. Избыточное кодирование при передаче информации двоичными кодами. М.: Связь, 1964.

66. Фланган Дж. Анализ, синтез и восприятие речи. — М.: Связь, 1968. — 396с.

67. Фланган Д.Л. Анализ, синтез и восприятие речи. М.: Связь, 1968.

68. Финк JI.M. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Советское радио, - 1970.

69. Хармут Х.Ф. Передача информации ортогональными функциями. — М.: Связь, 1975.

70. Хоффман Л.Д. Современные методы защиты информации. М.: Советское радио, 1980.-264с.

71. Цемель Г.И. Опознавание речевых сигналов. — М.: Наука, 1971.

72. Шеннон К. Теория связи в секретных системах. М.: Иностранная литература, с. 333-402.

73. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. — М.: Иностранная литература, с. 243-302.

74. Ширман Я.Д. Разрежение и сжатие сигналов. М.: «Сов. радио», 1974. -360 с.

75. Элементы теории передачи дискретной информации. М.: Связь, 1972. -232 с.

76. Яковлев А.Н. Основы вейвлет-преобразования сигналов. — М.: «СайнсПресс», 2003. 80 с.