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 потерьb. малый объём вычислений, достаточный для работы информационной системы в режиме реального времениc. 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.

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.