Шифратор голосовых телефонных сообщений

      Поэтому для реализации этого метода нужно разработать устройство, позволяющее выполнять следующие функции: преобразование акустического сигнала в электрический, изменение спектра полученного сигнала (шифрование), последующее преобразование электрического сигнала в акустический. При этом единственной зоной, в которой возможна случайная утечка информации – это акустический канал между источником (получателем) сообщений и микрофоном шифратора. Исходя из этого, приведем структурную схему применения шифратора (рис. 1.3 и чертеж ЦТРК 467752.001.Э1).

3. Обоснование метода защиты канала телефонной связи

 

      В техническом задании требуется  защитить стандартный телефонный канал  от случайной утечки информации. Это  может быть и абонент, поднявший  трубку на спаренном аппарате, и  монтер на линии и ошибка соединения…

      Сделаем допущение, что разрабатываемый прибор должен предназначаться для широких масс потребителей. Исходя из этого, можно предположить, что ценность передаваемой ими информации незначительна, а актуальность ее во времени высока. При этом использовать сложные алгоритмы шифрования неоправданно дорого. Для простого обывателя достаточно применить один из элементарных методов, требующий специальной аппаратуры для восстановления информации. Недостатком такого подхода является необходимость наличия дешифратора у второго абонента. Этот недостаток является и достоинством, поскольку таким способом закрывается канал не только от первого абонента до АТС, но и от АТС до второго.

      Из  сделанных выше соображений из множества  способов закрытия информации можно выделить несколько, наиболее удовлетворяющие нашим условиям – это частотная инверсия и частотная перестановка. Существуют еще ряд методов, таких как – амплитудно-фазовая конверсия и временная перестановка. Последний позволяет получить значительное количество ключей шифрования, но и требует, во-первых – наличие синхронизации, во-вторых – представляет собой схемотехнически сложное устройство. Амплитудно-фазовая конверсия так же может применяться для шифрования аналогового сигнала, при этом не требуется наличие синхронизации. Но по причине отсутствия информации об эффективности этого метода, я не могу его рекомендовать.

      Сравнивая два метода – частотной инверсии и частотной перестановки, наиболее удачным вариантом является их комбинация, но на элементной базе без применения специализированных ИС реализация этого метода приведет к значительному усложнению схемы, и как результат – увеличению стоимости устройства. Наиболее простым является метод частотной инверсии.

      Если  считать фактор случайности  наиболее весомым по сравнению с ценностью информации, а срок ценности информации коротким (а именно так зачастую и бывает у законопослушных граждан), то можно сделать допущение, что использование метода частотной инверсии спектра передаваемого сообщения без дополнительных видов шифрования вполне оправдано.

      Для обеспечения связи через телефонные аппараты общего пользования следует разработать устройство акустического сопряжения телефонной трубки аппарата с источником и приемником информации (губы и уши абонентов). Конструктивное решение можно осуществить двумя способами: выполнить устройство в виде дополнительной трубки, прислоняемой к трубке телефонного аппарата или использовать выносные микрофоны и телефоны. Первый способ более удобен в обращении, но его использование накладывает ограничение на геометрические размеры трубки телефонного аппарата. Прибор, сконструированный по второму способу менее удобен, но его конструкция не критична к размеру и форме телефонных трубок. 

      Для уточнения некоторых  величин необходимо произвести расчет чувствительности акустического тракта.

      Относительный уровень звукового давления В, выраженный в дБ показывает, во сколько раз звуковое давление р больше давления нулевого порога слышимости р₀ [4].

      где р₀ = 2·10^-5 Па – давление при нулевом пороге слышимости.

      Средний суммарный уровень речи В_р во всем ее частотном диапазоне на расстоянии 8см от рта говорящего может быть принят равным 93дБ [4]. Для других расстояний от рта говорящего уровень речи В_х:

      где d – расстояние от рта говорящего до микрофона, d₀ – расстояние от рта говорящего до той точки пространства, для которой определен экспериментально суммарный уровень речи В_р. Определим звуковое давление на мембрану микрофона на расстоянии 8см:

      По  рекомендациям МККТТ  звуковое давление на передающем конце  должна составлять р = 1 Па. Значит необходимо получить коэффициент передачи устройства по звуковому давлению около единицы. Поэтому приемный и передающий тракт рассчитывается одинаково.

      Выберем микрофон CZN 15 E. Его чувствительность g составляет 58мВ/Па [5]. Определим э.д.с., развиваемую им при звуковом давлении р:

U_вх = g·p

U_вх = 0,058·0,89 = 51 мВ.

      Округлим  полученное значение до U_вх = 50мВ.

      Выберем телефоны ТДС-14. Их характеристики приведены ниже. 

 

      Звуковое давление на передающем конце должна составлять р = 1 Па (94дБ). Определим падение напряжения на телефонах:

.

      Округлим  полученное значение до U_вых = 0,25В.

      Коэффициент усиления по напряжению:

К = U_вых / U_вх

К = 0,25 / 0,05 = 5

 

      

2. Расчет электрической схемы

1. Разработка функциональной схемы шифратора

 

      Необходимо  преобразовать акустический сигнал в электрический. Для этой цели введем микрофон ВМ1.

      Поскольку напряжение, наведенное с микрофона мало, то необходимо его усилить. Эту функцию будет выполнять микрофонный усилитель А1.

      Для инвертирования спектра входного сигнала  требуется преобразование частоты. Как известно [6], в линейном режиме работы преобразователя частоты (ПЧ) условие появления на выходе преобразователя промежуточной частоты является появление на его входе частот сигнала, удовлетворяющих соотношению:

      где n = 0,1,2,3…

      Графически  преобразование частоты представлено на рис. 2.1.

Рисунок 2.1

      В нашем случае частота входного сигнала  равна промежуточной частоте. Поэтому, если применить ПЧ с частотой гетеродина f_г = 3700Гц, то мы получим на выходе ПЧ инвертированный спектр входного сигнала, но сам входной сигнал будет также присутствовать, причем их амплитуды будут примерно равны. Для разделения входного сигнала от выходного можно предложить двойное преобразование частоты. В этом случае частота гетеродина для второго преобразования выбирается из условия:

где f_н и f_в – нижняя и верхняя частоты входного сигнала.

Частота гетеродина для первого преобразования выбирается из условия:

      Выбирая f_г2 = 12000Гц, найдем f_г1:

      f_г1 = 12000 + 300 + 3400 = 15700Гц.

      Для реализации функции двух преобразований частоты необходимо применение модуляторов  А2, А3 и генераторов G1 и G2.

      Для качественного второго преобразования частоты необходимо выделить нижнюю боковую полосу. Это можно реализовать с помощью полосового фильтра А4. При этом селективность всего тракта будет определяться качеством этого фильтра.

      Далее необходимо подключить телефоны BF1. Чтобы они не шунтировали модулятор А3 необходимо ввести усилитель мощности А5.

      Поскольку передающий и приемный тракт идентичны, то напрашивается идея симплексной  связи для уменьшения электрической  схемы. При этом есть два варианта: автоматическое переключение «прием-передача» и ручное. Первый вариант не даст выигрыша в уменьшении принципиальной схемы, а второй не очень удобен в применении. Поскольку нынешнее общество разбаловано всевозможным техническим сервисом, то целесообразно использовать полную дуплексную систему с минимальным количеством регулировочных элементов. В этом случае обратный тракт должен будет состоять из микрофона BM2, микрофонного усилителя А6, модуляторов А7 и А8, полосового фильтра А9, усилителя мощности А10 и телефона BF2.

      Генераторы  гетеродинов в передающем и приемном трактах общие.

      В процессе использования прибора  может возникнуть специфическая  проблема: пользователь забывает выключить прибор после окончания сеанса связи. Вероятность возникновения подобных ситуаций можно существенно снизить, если использовать индикатор включения питания. В качестве индикатора можно рекомендовать светодиод, но он будет потреблять значительный ток (5-10мА). Поэтому можно использовать генератор с большой скважностью импульсов G3 со светодиодом HL1 в нагрузке.

      Функциональная схема шифратора приведена на рис. 2.2 и на чертеже ЦТРК 467752.001.Э2.

Рисунок 2.2 Функциональная схема шифратора телефонных сообщений

2. Синтез  принципиальной схемы  шифратора

 

      Вся схема состоит из двух идентичных трактов, поэтому будем рассматривать один из них (верхний).

      Коэффициент усиления по напряжению очень мал (К = 5), поэтому выходной усилитель А5 (А10) и полосовой фильтр А4 (А9) должны иметь суммарный коэффициент  усиления равный двум, а усилитель А1 (А6) коэффициент усиления К₁ ≈ 2,5. При таком распределении усиления модуляторы и фильтр будут работать при напряжении 0,15В, обеспечивая таким образом минимальные искажения и достаточное отношение сигнал / шум.

      Наиболее  весомой частью всей схемы является фильтр А4. Поэтому синтез принципиальной схемы целесообразно начать с него. Как видно из рис. 2.3, необходимо получить большую крутизну затухания на краях диапазона.

Рисунок 2.3 Спектральная плотность сигнала на входе фильтра А4 

      В противном случае возможно возникновение  интермодуляционных искажений, что  приведет к появлению побочных продуктов  преобразования в пределах рабочей  полосы частот. Нижняя частота входного сигнала f_н = 300Гц, верхняя частота входного сигнала f_в = 3400Гц, по формулам (2.2) и (2.3) частота второго гетеродина f_г2 = 12000Гц, а частота первого - f_г1 = 15700Гц.

      Если  принять усиление на частоте f_г2 –10дБ относительно усиления на частоте f_г2 + f_н = 12300Гц, то получится затухание:

h = (f_г2 – f_г2 + f_н) /(–10) = 300 /(–10) = –30 Гц/дБ