Кодування мовлення

Кодування мовної інформації Вступ Необхідність кодування мовної інформації виникла не так давно, але на сьогоднішній момент, у зв'язку з бурхливим розвитком техніки зв'язку, особливо мобільного зв'язку, вирішення цієї проблеми має велике значення при розробці систем зв'язку. Величезне поширення в наш час отримали побутові радіотелефони. Вони дозволяють користувачеві не бути прив'язаним до одного місця в перебігу телефонної розмови, немає необхідності стрімголов мчати до телефону, почувши дзвінок (якщо, звичайно, ви взагалі його дзвінок почуєте). До того ж у багатьох моделях існують різні зручності для користувача: зв'язок між трубкою і базовим апаратом, гучний зв'язок (гарна в разі, коли "сіли" акумулятори в трубці). По всіх перерахованих вище переваг ці апарати завоювали велику популярність і отримали велике поширення. Але оскільки апаратів стало багато, то виникла проблема визначення "свій-чужий", а оскільки обмін даними між трубкою і базовим апаратом ведеться на радіочастотах (27 МГц, 900 МГц), розмова по радіотелефону можна легко підслухати, з'явилася необхідність кодування (або шифрування) мовної інформації. Відразу необхідно обмовитися, що мовна інформація принципово відрізняється від іншого виду - текстів (рукописних і в електронному вигляді). При шифруванні тексту ми маємо справу з обмеженим і виразно відомим нам набором символів. Тому при роботі з текстом можна використовувати такі шифри, як шифри перестановки, шифри заміни, шифри збивання і т.д. Мова ж не можна (принаймні на сьогоднішньому рівні розвитку технологи розпізнавання мови) представити таким набором будь-яких знаків або символів. Тому застосовуються інші методи, які, у свою чергу, діляться на аналогові і цифрові. В даний час більше поширені цифрові методи, на них-то ми і зупинимося. Принцип цифрового кодування полягає в наступному: аналоговий сигнал від мікрофона подається на АЦП, на виході якого маємо n-розрядний код (при підборі хорошої частоти дискретизації користувач на іншому кінці лінії може й не здогадатися, що голос його співрозмовника оцифрували, а потім (на базовому апараті) перевели назад в аналогову форму). Потім цей код шифрується за допомогою всіляких алгоритмів, переноситься в діапазон радіочастот, модулюється і передається в ефір. Зловмисник у своєму "шпигунському" приймальнику почує просто шум (при хорошому кодуванні). Правда, з досвіду підслуховування (випадкового) радіопереговорів людей, що користуються скремблерами можна без зусиль визначити, що цей шум має зовсім не природне походження, оскільки після натискання тангетти шум зникав, а потім знову з'являвся. Але визначити, про що говорили ці люди, було неможливо без серйозних знань в області криптології і відповідної апаратури. У телефонних переговорах цієї проблеми немає, оскільки канал дуплексний, і необхідність у тангетте відпадає, а шифрування відбувається безперервно протягом усієї розмови. Систем шифрування, зрозуміло, безліч, але для побутових (а, отже, максимально дешевих) радіотелефонів застосовні лише деякі, прості, але в той же час достатньо надійні. Система кодування мови Пропонована система кодування мови задовольняє двом основним вимогам: вона дешева у виконанні і володіє достатньою надійністю від злому (зламати можна будь-яку, навіть саму стійку криптографічну систему). Обгрунтування вибору методу кодування В основі техніки шумоподібних сигналів лежить використання в каналі зв'язку для переносу інформації декількох реалізацій цих сигналів, поділ яких на прийомі здійснюється за допомогою селекції їх за формою. При цьому впевнене поділ сигналів може бути отримано при введенні частотної надмірності, тобто при використанні для передачі повідомлень смуги частот, істотно більш широкої, ніж займає передане повідомлення. Селекція сигналів за формою є видом селекції, узагальнюючим амплітудну, частотну, фазову та імпульсну селекції. Переваги: ​​шумоподобний сигнал дозволяє застосовувати новий вид селекції - за формою. Це означає, що з'являється нова можливість розділяти сигнали, що діють в одній і тій же смузі частот і в одні і ті ж проміжки часу. Принципово можна відмовитися від методу поділу робочих частот даного діапазону між працюючими радіостанціями і селекцією їх на прийомі з допомогою частотних фільтрів. Цікавою особливістю системи зв'язку з шумоподібних сигналів є її адаптивні властивості - із зменшенням числа працюючих станцій завадостійкість діючих автоматично зростає. Недоліки: перехід до більш складного носію інформації призводить, природно, до відомого ускладнення систем зв'язку. Теоретичні та експериментальні дослідження показують, що виключення більше половини смуги частот6 займаної шумоподібним сигналом, не порушують нормальної роботи системи. Природно, що при цьому має місце зниження завадостійкості, пропорційне ширині смуги вирізуваного ділянки спектру. Отже, розглянутий метод передачі дозволяє вирішити завдання нормального прийому сигналів при наявності досить потужних заважають станцій у смузі пропускання. Тим самим може бути вирішена задача, з якою метод частотної селекції принципово не може впоратися. Опис методу кодування Слабке місце багатьох систем кодування - це статистична слабкість коду, тобто, аналізуючи статистику за певний період, можна скласти думку про те, що це за система і тоді діяти більш спрямовано. Тобто різко скорочується час пошуку ключа. Дана система оперує шумоподібних сигналів, які за своїми властивостями, в тому числі і статистичним, практично ідентична білому гауссовскому шуму. Дещо прояснити ситуацію. За визначенням складнощі Закону генерації ряду чисел, якщо складність послідовності {gi} дорівнює m, то будь-які m +1 послідовні її значення залежні. Якщо ж ця залежність представима лінійної, то виходить реккурентное співвідношення такого вигляду: c0gi + c1gi-1 +...+ cmgi-m = 0 При цьому c0 c0 зобов'язані бути ненульовими. Кожен наступний член послідовності визначається з m попередніх. Простий їх вид реалізації виходить, коли всі складові приймають лише значення 0 і 1, що робить їх дуже зручно уявними на ЕОМ. Поля біт можна представити як вектора, кожна компонента яких приймає значення з GF (2). Такі вектора зручно розглядати як многочлени: (10010101) = x7 + x4 + x2 +1. Неразложимость многочлена: над полем комплексних чисел будь многочлен розкладемо на лінійні множники або, по-іншому має стільки коренів, яка його ступінь. Однак це не так для інших полів - у полях дійсних або раціональних чисел многочлен x2 + x +1 коренів не має. Аналогічно, у полі GF (2) многочлен x2 + x +1 теж не має коренів. Генератор псевдовипадкових чисел У даному випадку можна скористатися відносно простим методом генерації псевдовипадковою послідовності: а саме - аналізом теплових шумів стабілітрона, що працює в режимі пробою. Шуми посилюються і подаються на тригер Шмідта, а потім передаючи отримані біти в регістр зсуву. Оскільки теплові шуми мають досить випадковий характер, то і послідовність буде випадковою. Формування коду Для формування коду використовується 5-розрядний первинний ключ, що отримується з генератора псевдовипадкових чисел. Таким чином, на початковому етапі формування ключа ми маємо кількість комбінацій 25-2 = 30 (-2 оскільки комбінація 00000 є неприпустимою). Потім первинний ключ подається на два генератори (два для збільшення кількості кодів - див. нижче), що виробляють з цього ключу 31-розрядні м-послідовності. Ці послідовності перемножуються за модулем 2, циклічно зрушуючи, і утворюючи два вкладених циклу, видають 312 варіантів ключа. Разом, загальне число допустимих комбінацій становить 30 * 312. Ці 312 варіантів зберігаються в ОЗУ базового апарату. Вибір одного ключа здійснюється шляхом повторного звернення до генератора псевдовипадкових чисел. Разом, отримуємо непогану для даних умов криптографічного захисту цифру 30 * 313 = ~ 900000 комбінацій, не кажучи про те, що треба ще здогадатися, який метод застосовується для кодування. При цьому статистичні властивості даної послідовності практично не відрізняються від м-послідовності. Також можлива апаратна реалізація схеми формування коду, але принципового значення це не має, оскільки швидкодію тут ролі не грає - код формується при покладеній трубці, а цей час більше хвилини. Програма складена для процесора i80386 і оперує розширеними (32-розрядними) регістрами. Можна, звичайно, реалізувати її на більш дешевому процесорі (із сімейства SISC - це i8086, i8080, i80186 або i80286), але програма ускладниться, до того ж збільшиться час виконання програми, але це не головне; найголовніше, що кодування мови також здійснюється програмно, і тут час виконання програми критично. Також можна реалізувати програму на RISC-процесорі. Цей спосіб більш перспективний. Структурна схема прийому сигналу На представленій схемі приймача відображені основні, принципові моменти прийому сигналу. Отже, фазоманіпулірованний сигнал (див. діаграму внизу) приходить з високочастотної частини приймача (тут не зображена) і потрапляє на смуговий фільтр, що пропускає конкретний діапазон частот. Таким чином усуваються перешкоди, що мають частоту поза пропускається діапазону. Потім сигнал йде на блоки множення, на які також подається з опорного кварцового термостатированной генератора. Сигналів два, вони зрушені по фазі відносно один одного на 180 градусів. Це необхідно для подальшого порівняння. Отже, ланцюг розгалузилася. Після множення виходить сигнал, зображений на діаграмі. (Моделювання в Matlab 4.2c) Після сигнал подається на фільтр нижніх частот, що згладжують сигнал (див. діаграму 2 і 3 нижче). Якщо фаза сигналу опорного генератора збігається з прийшли сигналом, ми маємо щось схоже на Потім сигнал подається на АЦП, причому частота дискретизації вибрана таким чином, що на кожен елемент припадає два відліку (див. діаграму 4 нижче). Це необхідно для надійного декодування сигналу. Декодування виконується шляхом множення (програмного) оцифрованих відліків на ключ. Сигнал згортається, і з 31-розрядного коду виходить один біт корисної інформації, яка потім за рівнем аналізується і робиться висновок про прийшла інформації: це 1 або 0. Друга гілка схеми служить для фазового автопідстроювання під час розмови. Сигнал множиться (програмно) на ключ і інверсне значення ключа, потім згладжується в інтеграторі. Далі формується сигнал помилки, який, будучи поданим на опорний генератор, підлаштовує його фазу по максимальному абсолютним значенням напруги помилки. Висновок Представлена ​​система кодування мови для побутових радіотелефонів не претендує на якусь особливу оригінальність. Тут використовувалися ідеї, які з'явилися ще в 50-ті роки з роботами К. Шеннона, розвинувши ідею А. В. Котельникова про те, що потенційна завадостійкість системи зв'язку при дії гауссових перешкод інваріантна по відношенню до ширини смуги частот. Довгий час (до 80-х років) ці ідеї не знаходили застосування через недосконалість технічної бази, перш за все регістрів і мікропроцесорів. Зараз багато нові розробки в галузі зв'язку використовують ці ідеї через їх очевидних переваг: простоти реалізації, низькій вартості і гарної стійкості таких кодів до перешкод. Можна навести приклад однієї з перших систем, що використала шумоподібні сигнали - це система "RAKE". Після неї почалося широке застосування шумоподібних сигналів в наземній і космічного зв'язку. Застосування завадостійкого і в той же час безпечного (в достатній мірі) від несанкціонованого прослуховування кодування, на погляд автора цих рядків, дуже хороший варіант для побутових застосувань.