Способ маскировки электромагнитного канала утечки речевой информации в цифровых радиолиниях связи

Изобретение относится к области создания искусственных помех для маскировки электромагнитных каналов утечки речевой информации. Технический результат – одновременное обеспечение маскировки электромагнитного канала утечки речевой информации и выполнение требований к электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств в цифровых радиолиниях связи при заданных энергетических характеристиках радиосистемы передачи и вероятности ошибочного приема. Для этого процесс генерации, фильтрации, задания уровня и наложения маскирующего шума выполняется программно в цифровом виде в функциональном блоке цифровой обработки (сигнальный процессор или ПЛИС) программно-определяемого передатчика. Ширина полосы маскирующего шумового сигнала совпадает с шириной полосы излучаемого полезного сигнала. Выбор уровня маскирующего шумового сигнала осуществляется по критерию не увеличения вероятности ошибки принимаемого сигнала. Уменьшение отношения сигнал/шум за счёт добавления маскирующего помехового сигнала практически не увеличивает вероятность ошибки принимаемого сигнала, однако для продуктов прямого прохождения отношение сигнал/шум изменяется более существенно и несанкционированный прием речевой информации сильно затрудняется. 2 ил.

 

Изобретение относится к области создания искусственных помех для маскировки электромагнитных каналов утечки речевой информации и может быть использовано для обеспечения защиты речевой информации в цифровых радиолиниях связи в условиях необходимости выполнения требований по электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и заданных энергетических характеристиках радиосистемы передачи и вероятности ошибочного приема.

Методы технической разведки основываются на том, что процессы обработки, хранения и передачи информации всегда обуславливаются возникновением побочных полей рассеивания различной физической природы или наведением токов и напряжений в неинформационных физических цепях. Указанные обстоятельства обуславливают повышение требований к показателям, методам и средствам, обеспечивающим защиту информации. В связи с этим разработка способов практической защиты речевой информации от ее утечки по различным техническим каналам является весьма актуальной задачей.

Проблема возникновения микрофонного эффекта широко известна, в частности известна возможность образования электромагнитного технического канала утечки речевой информации, иногда называемого каналом прямого прохождения, обусловленная наличием случайных электроакустических преобразователей, называемых случайными микрофонами, в отдельных элементах технической системы, что описано, например, в учебном пособии «Защита информации техническими средствами», авторы Ю.Ф. Каторин, А.В. Разумовский, А.И. Спивак / Под ред. Ю.Ф. Каторина – Спб: НИУ ИТМО, 2012, на c.174-178, в учебном пособии «Защита информации от утечки по техническим каналам», автор В.К. Железняк – Спб: ГУАП, 2006, на с.23, 44, 63 и в руководстве по применению «Capturing and Measuring Microphonics and Phase-Hits with the RTSA» / Application Note 37W-18577-1 – Tectronix, 2005, с. 1-19.

Механизм образования канала утечки речевой информации может быть следующим. В ходе передачи речевого сообщения происходит воздействие акустического давления не только на микрофон гарнитуры, но и, например, на составные элементы опорного генератора передающего радиоустройства, что приводит к нежелательной узкополосной модуляции выходной частоты генератора по закону изменения акустического давления. Далее, как правило, в процессе преобразования частоты, продукты нежелательной модуляции попадают в основной канал передачи радиоустройства, усиливаются и после излучения в эфир возникает возможность несанкционированного перехвата речевого сообщения.

Одним из подходов к обеспечению защиты речевой информации от утечки по электромагнитному каналу является снижение уровня акустического давления на электронные компоненты, подверженные микрофонному эффекту, путем демпфирования и звукоизоляции. Например, сюда относятся известные способы, представленные в патентах [1, 2].

Основным недостатком этих способов является тот факт, что они направлены лишь на снижение уровня продуктов нежелательной модуляции и не способны устранить их полностью. Кроме того, применение звукоизолирующих материалов в радиопередающих устройствах негативно сказывается на их параметрах, поскольку это приводит к изменению температурных режимов работы ключевых радиокомпонентов.

Также известен широкий класс способов пассивной защиты передающих устройств, основанных на применении экранирования и фильтрации электромагнитных наводок и помех. Например, к этому классу могут быть отнесены известные способы, представленные в патентах [3, 4]. Указанные способы обладают теми же недостатками, что и способы звукоизоляции. Кроме того, данные способы не эффективны для устранения наводок, попадающих в основной канал передачи.

Другим направлением защиты информации техническими средствами является создание искусственных помех в электромагнитных каналах утечки информации генераторами маскирующих сигналов, мощность которых превышает мощность электромагнитных сигналов утечки информации. Это существенно снижает возможность обнаружения и приема информации. Известны способы [5-7] защиты радиолиний связи посредством создания маскирующих помех в широкой полосе частот, мощность которых превышает мощность электромагнитных сигналов побочных электромагнитных излучений и наводок.

Недостатком этих способов является создание непреднамеренных помех широкому классу радиоэлектронных устройств, расположенных в непосредственной близости от передатчика маскирующих излучений.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ маскировки электромагнитного канала утечки речевой информации в цифровых радиолиниях связи, описанный в статье [8], принятый за прототип.

Способ-прототип заключается в следующем.

Формируют шумовой (маскирующий) сигнал в требуемом диапазоне частот, выполняют его полосовую фильтрацию, осуществляют предварительное усиление, реализуют его модуляцию низкочастотным шумовым сигналом, усиливают его и излучают в эфир, возбуждая им антенну. При этом сложение мощности маскирующего сигнала и продуктов нежелательной модуляции осуществляется в эфире.

Способ осуществляется следующим образом. На вход полосового фильтра поступает шумовой сигнал с маломощного генератора шума, который формирует шумовой сигнал в требуемом диапазоне частот. На выходе полосового фильтра появляется шумовой сигнал в заданной полосе частот. Далее шумовой сигнал поступает на предварительный усилитель, где усиливается и поступает на первый вход модулятора. Кроме этого в предварительном усилителе предусмотрен вход для подачи с устройства управления выходной мощностью шума сигнала, определяющего мощность сигнала на выходе предварительного усилителя. На второй вход модулятора поступает сигнал с устройства управления шириной полосы зашумления. С выхода модулятора, сформированный с помощью процесса модуляции шумовой сигнал, поступает на усилитель мощности. Здесь он усиливается до требуемого уровня и передается в антенну. С блока управления шириной полосы зашумления на второй вход модулятора поступает низкочастотный шумовой сигнал, например, шумоподобный сигнал, сформированный некоторым автоматом. Маскирование продуктов нежелательной модуляции речевым сигналом обеспечивается сложением в эфире мощности маскирующего сигнала и излучаемого радиопередающей станцией сигнала.

Способ-прототип не предусматривает обмена служебной информацией с каждой радиостанцией, поэтому генератор шума не может получать от них информацию о включении излучения полезного сигнала, частоте и ширине полосы излучаемого сигнала. Это в свою очередь будет приводить к ухудшению чувствительности приемника радиостанции, поскольку шумовой генератор излучает шум в моменты приёма сигнала. Также устройство, реализующее способ-прототип, будет создавать помехи для радиоэлектронных средств, использующих соседние частотные каналы, поскольку необходимо маскировать шумом весь диапазон рабочих частот, если радиостанция в ходе работы меняет частотные каналы, или наибольшую из возможных полос частот, если радиостанция использует при передаче различные полосы сигнала.

Способ эффективно работает в случае отсутствия жестких требований по электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и предотвращает или существенно уменьшает электромагнитную утечку информации, в том числе и речевой.

Недостаток способа-прототипа заключается в том, что он подразумевает работу внешнего излучателя шума на отдельную антенну или антенны. Различие фактических диаграмм направленности антенн радиостанции и излучателя шума, вызванное, в том числе, расположением антенн и влиянием близко расположенных предметов, не позволяет обеспечить маскирование с нужным качеством по всем азимутальным направлениям, что является потенциальной уязвимостью.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка эффективного способа маскировки электромагнитного канала утечки речевой информации в цифровых радиолиниях связи, не нарушающего требований по электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и незначительно ухудшающего энергетические характеристики радиосистемы.

Для решения поставленной задачи в способе маскировки электромагнитных каналов утечки речевой информации в цифровых радиолиниях связи, заключающемся в формировании маскирующего шумового сигнала в требуемом диапазоне частот, выполнении его фильтрации, сложении маскирующего шумового сигнала и продуктов нежелательной модуляции, согласно изобретению, сложение маскирующего шумового сигнала выполняют внутри радиостанции без излучения в эфир на внешнюю относительно передающей радиостанции антенну; при фильтрации выделяют полосу маскирующего шумового сигнала, совпадающую с шириной полосы излучаемого полезного сигнала; при масштабировании уровень маскирующего шумового сигнала задают по критерию не увеличения вероятности ошибки принимаемого сигнала.

Заявляемый способ заключается в следующем.

Источник шумового сигнала формирует маскирующий шумовой сигнал с требуемыми спектральными характеристиками. Фильтр нижних частот ограничивает полосу частот маскирующего сигнала полосой передаваемого полезного сигнала. Маскирующий сигнал масштабируется по уровню так, что сложение его с передаваемым полезным сигналом не увеличит вероятность ошибки принимаемого сигнала. Сформированный маскирующий сигнал суммируется с передаваемым полезным сигналом внутри передающей радиостанции, причем отношение сигнал/шум для продуктов нежелательной модуляции существенно уменьшается. При этом усиление сигнала и излучение его в эфир возбуждением антенны выполняется с уже замаскированными шумом продуктами нежелательной модуляции речевым сигналом.

Другими словами, задача обеспечения адаптивной маскировки электромагнитных каналов утечки речевых сигналов, решена применением нескольких операций: нахождением простого и дешевого пути формирования маскирующего шумового сигнала в полосе излучаемого полезного сигнала, и ограничением уровня маскирующего сигнала уровнем, который не приводит к существенному увеличению вероятности ошибки принимаемого сигнала.

Первое решение состоит в программной реализации процессов генерации, фильтрации, задания уровня и наложения маскирующего сигнала (шума). В этом случае генератор маскирующего шума располагается непосредственно внутри радиопередающего устройства и ему доступна вся необходимая информация о включении излучения, частоте и ширине полосы излучаемого сигнала. Таким образом, становится возможным накладывать маскирующий шум уже на этапе модуляции полезным сигналом. Отметим, что введение генератора маскирующего шума в состав цифровых радиостанций, включающих в себя сигнальный процессор или ПЛИС в качестве блока цифровой обработки, сводится к простому и дешевому обновлению конфигурационных файлов.

Второе решение состоит в расчете максимально возможной мощности маскирующего шума, добавление которого в полосу полезного сигнала практически не увеличивает вероятность ошибки приема полезного сигнала, однако для продуктов нежелательной модуляции отношение сигнал/шум изменяется существенно и прием их становится весьма затруднен или невозможен.

Многие цифровые программно-определяемые радиопередающие устройства с возможностью использования средств маскировки речи включает в свой состав микросхемы сигнального процессора или программируемой логической интегральной схемы, на базе которых реализуется, в том числе, функциональный блок формирования и цифровой обработки сигналов. Простейшая реализация способа подразумевает, например, программную модификацию реализации блока формирования и цифровой обработки сигналов.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг. 1, где обозначено:

7 – блок формирования и цифровой обработки сигналов, включающий в себя: 1 – модуль цифрового источника шумового сигнала, 2 – модуль цифрового фильтра нижних частот, 3 – модуль цифрового масштабирования сигнала, 4.1 – 4.2 – цифровой модуль суммирования, 5 – модуль помехоустойчивого кодирования, 6 – модуль цифрового модулятора.

Блок формирования и цифровой обработки сигналов 7 содержит последовательно соединенные модуль помехоустойчивого кодирования 5 и модуль цифрового модулятора 6, два выхода которого соединены с соответствующими входами первого 4.1 и второго 4.2 цифровых модулей суммирования. Последовательно соединенные модуль цифрового источника шумового сигнала 1, модуль цифрового фильтра нижних частот 2 и модуль цифрового масштабирования сигнала 3, выход которого соединен с соответствующими входами первого 4.1 и второго 4.2 цифровых модулей суммирования, выходы которых являются первым и вторым выходами блока 7, вход которого является входом модуля помехоустойчивого кодирования 5.

Работает устройство, реализующее предлагаемый способ, следующим образом.

Входной оцифрованный, кодированный вокодером и зашифрованный в маскираторе (на фиг. 1 не показаны) речевой сигнал поступает на блок формирования и цифровой обработки сигналов 7, кодируется в модуле помехоустойчивого кодирования 5 и поступает на вход цифрового модулятора 6. На данном этапе сигнал может не содержать продуктов нежелательной модуляции, тем не менее, в модуле цифрового источника шумового сигнала 1 формируется маскирующий шумовой сигнал, который фильтруется в модуле фильтра нижних частот 2 для ограничения полосы шумового сигнала до величины, не превышающей ширины полезного сигнала, формируемого цифровым модулятором 6. В модуле цифрового масштабирования сигнала 3 задается уровень маскирующего шумового сигнала с ограниченной полосой путем умножения отчетов сигнала на рассчитываемую на основании информации об уровне продуктов нежелательной модуляции прямого прохождения речевого сигнала, а также требований к величине вероятности ошибочного приема. Сформированный таким образом маскирующий сигнал суммируется в модулях суммирования 4.1 – 4.2 с выходными сигналами цифрового модулятора 6 и поступает на выходы блока 7. Таким образом, обеспечивается предварительное зашумление полосы сигнала, в которой на последующих стадиях преобразования сигнала мог бы образоваться электромагнитный канал утечки речевой информации.

Заявляемый способ легко реализуем, например, известными и давно освоенными промышленностью программными алгоритмами.

Модули цифрового источника шумового сигнала 1, фильтра нижних частот 2, цифрового масштабирования сигнала 3 и суммирования 4 выполняются традиционно.

Модуль цифрового источника шумового сигнала 1 может быть реализован с помощью сдвигового регистра с линейной обратной связью, например, в соответствии с алгоритмом и исходным текстом из книги «Прикладная криптография. Протоколы, алгоритмы, исходные тексты на языке Си». Шнайер Б. – Триумф, 2013. (раздел 16.2, с. 279).

Модуль фильтра нижних частот 2 может быть спроектирован и реализован, например, в соответствии с алгоритмом из книги «Цифровая обработка сигналов. Практическое руководство для инженеров и научных работников». Смит С. – Додэка-XXI, 2012. (с. 334-336).

Модуль цифрового масштабирования сигнала 3 реализуется умножением на константу, что является базовой операцией, как и суммирование в модуле 4, и не требует специального алгоритма для реализации.

Заявляемый способ внедрен в радиопередающее устройство путем программной реализации предложенного алгоритма. Результаты испытаний показали, что обеспечивается маскировка продуктов нежелательной модуляции, возникающих в результате прямого прохождения речевого сигнала, и не формируются помехи в соседних частотных каналах.

При этом стоимость изменений и дополнительных средств оказалась несопоставимо ниже по сравнению с известными решениями этой задачи, а электромагнитная совместимость – существенно выше.

Проведем доказательство эффективности заявляемого способа.

В частном случае, рассмотрим влияние добавления маскирующего шума в полосу сигнала на ухудшение качества приёма на примере когерентного приемника двоичных ортогональных сигналов с частотной манипуляцией (FSK).

Как известно, вероятность ошибки при приёме такого сигнала когерентным демодулятором описывается формулой [9, стр. 245]

,

где Q(x) – функция гауссова интеграла ошибок, определяемая как

;

– энергия, приходящаяся на один двоичный символ информации, в данном случае совпадает с энергией одного передаваемого символа;

– спектральная плотность шума на входе приёмника.

При передаче сигналов FSK ширина полосы приемника W в герцах обычно равна скорости передачи символов ; можно считать, что TW = 1 [9, стр. 254]. Тогда мощность шума можно найти как , тогда .

Мощность принимаемого сигнала S, соответственно, , тогда .

Выразим отношение через мощности сигнала и шума в полосе принимаемого сигнала на входе приёмника.

При заданном отношении мощностей сигнала и шума на входе получим выражение для вероятности ошибки при заданном отношении мощностей сигнала и шума в полосе приёма:

.

Пусть канал передачи информации обеспечивает максимальную ошибку 5 % [10], тогда в соответствии с [9, стр. 1060] отношение мощностей 1.65 или SNR= 10⋅lg(1.65) =2.175 дБ.

После добавления в полосу сигнала маскирующей помехи мощность шума на входе приёмника увеличится на мощность маскирующего сигнала. Примем мощность сигнала за 1. Тогда мощность шума N = 1/1.65 = 0.60606. Пусть маскирующая помеха имеет уровень в 100 раз по мощности меньше, чем сигнал, . Маскирующая помеха и шум являются независимыми процессами. Поэтому их сумма будет иметь мощность , что приведёт к уменьшению величины SNR до уровня 1/ =1.647 (2.168 дБ).

Уменьшение SNR за счёт добавления маскирующей помехи в рассматриваемом случае составит 0.007 дБ, что практически не увеличит вероятность ошибки принимаемого сигнала. Однако отношение сигнал/шум для продуктов нежелательной модуляции изменится более заметно. Например, если в результате прямого прохождения уровень паразитного сигнала на выходе передатчика составит -40 дБс (фиг. 2а) относительно полезного сигнала, то после добавления маскирующей помехи с уровнем -20 дБс (фиг. 2б) сигнал прямого прохождения на выходе передатчика будет на 20 дБ ниже уровня добавленной маскирующей помехи и его прием станет весьма затруднен или невозможен.

Следовательно, заявляемый способ обеспечивает одновременное обеспечение маскировки электромагнитного канала утечки речевой информации и выполнение требований к электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств в цифровых радиолиниях связи при заданных энергетических характеристиках радиосистемы передачи и вероятности ошибочного приема.

Таким образом, предлагаемые изменения способа маскировки электромагнитного канала утечки речевой информации позволяют простыми средствами получить несомненно значимый технический результат.

Достигаемый технический результат – одновременное обеспечение маскировки электромагнитного канала утечки речевой информации и выполнение требований к электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств в цифровых радиолиниях связи при заданных энергетических характеристиках радиосистемы передачи и вероятности ошибочного приема.

Литература:

1. Авторское свидетельство №34635. Приспособление для устранения микрофонного эффекта в супергетеродинных приемниках. Биншток В.В., Грачев Е.Т. 28.02.1933.

2. US 20100246147. Microphonics suppression in high-speed communications systems. Y. Qin, F.S. Matsumoto, E. Tiongson. 16.11.2006.

3. US 4831211. EMI/RFI sealed microphonics isolation apparatus and methods. L. D. McPherson, E. Saenz. 08. 06.1988.

4. US 6239359. Circuit board RF shielding. F.L. Peter, F.W. Verdi. 11.05.1999.

5. Патент № 2277758. Способ маскировки электромагнитных каналов утечки речевых сигналов звукоусилительной аппаратуры. – Железняк В.К. МПК H04K 3/00, H03B 29/00 – 8 c. – Опубл. 10.06.2006 г., Бюл. №16.

6. Патент № 2360365. Устройство радиомаскировки. – Иванов В.П. МПК H04K 3/00. – 13 c. – Опубл. 27.06.2009 г., Бюл. №18.

7. Патент № 2493594. Способ защиты обрабатываемой информации средствами вычислительной техники путем зашумления информативных побочных электромагнитных излучений и наводок, устройство защиты информации для реализации способа. – Лепеха Ю.П. МПК G06F 21/00, H04K 3/00. – 10 c. – Опубл. 27.06.2013 г., Бюл. №18.

8. Землянухин П.А. Многоканальный адаптивный генератор шума для маскирования ПЭМИН // Известия ЮФУ. – С.82-93.

9. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр. : Пер. с англ. – М. : Издательский дом «Вильямс», 2003. – 1104 с.

10. Маковий В.А. Сравнительная оценка экономических затрат на подавление связи в тактическом звене / В.А. Маковий, В.И. Николаев, В.Н. Поветко // Теория и техника радиосвязи. – 2016. – №3. – C.88-93.

11. Grayver E. Implementing software defined radio. – Springer. 2013th Edition. – 2014. p. 270.

Способ маскировки электромагнитного канала утечки речевой информации в цифровой радиолинии связи, заключающийся в формировании маскирующего шумового сигнала в требуемом диапазоне частот, выполнении его фильтрации, сложении маскирующего шумового сигнала и продуктов нежелательной модуляции, отличающийся тем, что сложение маскирующего шумового сигнала выполняют внутри радиостанции без излучения в эфир на внешнюю относительно передающей радиостанции антенну; при фильтрации выделяют полосу маскирующего шумового сигнала, совпадающую с шириной полосы излучаемого полезного сигнала; при масштабировании уровень маскирующего шумового сигнала задают по критерию не увеличения вероятности ошибки принимаемого сигнала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиоэлектронному подавлению систем управления высокоточным оружием и может быть использовано при разработке комплексов защиты воздушных и наземных объектов, в основу которых положено использование когерентных помех, создаваемых из двух точек пространства.

Изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в лазерных локационных системах, системах оптико-электронного противодействия, а также системах защиты оптико-электронных средств (ОЭС) от мощного лазерного излучения.
Изобретение относится к области обеспечения устойчивости функционирования лазерных средств дальнометрирования в условиях действия оптических помех с фиксированной задержкой по времени и может быть использовано в технике, где используются различные излучатели.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при разработке средств радиоэлектронного подавления приемных устройств навигационной аппаратуры потребителей глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), в частности, размещаемых на кораблях, самолетах, крылатых ракетах, беспилотных летательных аппаратах, в системах высокоточного оружия и т.д.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для создания перспективных цифровых радиоустройств с программируемой архитектурой в условиях существования побочных электромагнитных полей и наводок для обеспечения конфиденциальности речевой радиосвязи.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для нарушения штатной работы радиолокационных станций (РЛС) контрбатарейной борьбы (КББ) противника.

Изобретения относятся к области радиолокации и могут быть использованы в радиолокационных станциях (РЛС) для защиты от импульсных, в том числе, ответных помех. Достигаемый технический результат - компенсация импульсной помехи, при исключении компенсации сигналов, отраженных от цели.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться для радиоподавления приемной аппаратуры спутников-ретрансляторов (CP) низкоорбитальной системы спутниковой связи (НССС).

Изобретение относится к области радиотехники, может быть использовано в системах радиоконтроля, а именно - для создания преднамеренных помех любого типа в реальном времени, в том числе, имитационных помех.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в импульсно-доплеровской бортовой радиолокационной станции (БРЛС) для обеспечения энергетической скрытности ее работы на излучение при обнаружении воздушной цели-носителя станции радиотехнической разведки (РТР).

Изобретение относится к области создания искусственных помех для маскировки электромагнитных каналов утечки речевой информации. Технический результат – одновременное обеспечение маскировки электромагнитного канала утечки речевой информации и выполнение требований к электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств в цифровых радиолиниях связи при заданных энергетических характеристиках радиосистемы передачи и вероятности ошибочного приема. Для этого процесс генерации, фильтрации, задания уровня и наложения маскирующего шума выполняется программно в цифровом виде в функциональном блоке цифровой обработки программно-определяемого передатчика. Ширина полосы маскирующего шумового сигнала совпадает с шириной полосы излучаемого полезного сигнала. Выбор уровня маскирующего шумового сигнала осуществляется по критерию не увеличения вероятности ошибки принимаемого сигнала. Уменьшение отношения сигналшум за счёт добавления маскирующего помехового сигнала практически не увеличивает вероятность ошибки принимаемого сигнала, однако для продуктов прямого прохождения отношение сигналшум изменяется более существенно и несанкционированный прием речевой информации сильно затрудняется. 2 ил.

Наверх