Основы практической защиты информации

УДК 681.36 ББК 32.88 ПЗО Рецензенты: Ю.В. Лазарев, М.К. Цыбулин, О.А. Шорин

Петраков А.В. ПЗО

Основы практической защиты информации. — М.: Радио и связь, 1999. — 368 с: ил. I8ВN 5-256-01507-9. В последние два—три года в учебные планы всех вузов и факультетов связи вошла новая дисциплина «Основы защиты информации». Настоящее учебное издание предназначено в помощь изучающим эту дисциплину как в университетах, колледжах и институтах повышения квалификации на специальностях 2009, 2010, 2011, 2012, 2102 (связи), так и на смежных

специальностях при изучении дисциплин «Защита информации» или «Техническая защита информации». Табл. 44. Илл. 109. Библиогр. 87 назв. ББК 32.88

Петраков Алексей Васильевич — доктор технических наук, профессор, опубликовал более 400 научно-технических работ по автоматизации связи, прецизионным телевизионным системам реального времени и защите информации, основными из которых являются монографии «Автоматические телевизионные комплексы для регистрации быстропротекающих процессов» (Атомиздат, 1979; Энергоатомиздат, 1987), «Совмещение телевизионных растров» (Радио и связь, 1985), «Телевидение предельных возможностей» (Знание, 1991), «Введение в электронную почту» (Финансы и статистика, 1993), «Утечка и защита информации в телефонных каналах» (Энергоатомиздат, 1996, 1997, 1998), «Защита и охрана личности, собственности, информации» (Радио и связь, 1997), «Телеохрана» (Энергоатомиздат, 1998), «Охрана и защита современного предприятия» (Энергоатомиздат, 1999). Петраков А.В. — один из основателей Международной академии информатизации, с 1991 г. является ее академиком.

I8ВN 5-256-01507-9

Петраков А.В., 1999

Предисловие Информации, ее утечке, охране и защите стало модным и необходимым уделять внимание в человеческом общении, в прессе и технической литературе. Если основные информационные процессы — передача, прием, распространение, преобразование, запоминание — были интересны всегда, то в последние годы в нашей стране резко возросла видимая (открытая) часть интересов к вопросам добычи, утечки, сохранности и защиты информации. Рост интересов проявляется в возникновении многих новых фирм, предприятий, магазинов-мастерских по добыче и защите информации, создании редакций технических и идеологических журналов, проведении научно-технических конференций, выставок, форумов (например [79]), включении дисциплин подобной направленности в учебные планы университетов (МТУС1/1, МИФ1/1 и многих других) и колледжей. На какое-либо расстояние информация передается в подавляющем преимуществе по каналам электро- и радиосистем в виде сообщений в аналоговой или цифровой форме. Все сообщения, требующие высоконадежной (достоверной) доставки (задачи бухгалтерского учета, оперативного управления промышленным производством, денежные данные и т.д.), передаются в цифровой форме с вероятностями ошибок 10~8... 1О~10. Такое качество доставки сообщений от адресанта к адресату обеспечивают оконечные (на передаче и приеме) канальные устройства электро- и радиосистем. Но они не обеспечивают охрану и защиту достоверных цифровых электрорадиосообщений от несанкционированного к ним доступа посторонних приемников (лиц) и использования перехваченной информации в корыстных или непредназначенных (непредсказуемых) целях. Беспокоиться о сохранности (недоступности) смысла передаваемого сообщения следует в первую очередь адресанту и адресату, заботясь об охране и защите информации. Утечка (утеря) информации влечет за собой в конечном итоге экономические потери. Безусловно, охрана и защита собственности — это экономическая категория (обворовали квартиру, угнали автомобиль и т.д.). Сюда же (особенно в последние годы) следует отнести вопросы защиты личности (поправка здоровья зачастую связана со значительными экономическими затратами). Таким образом, защита информации — это краеугольное начало благосостояния личности с его собственностью, в том числе и коллективной. На много десятков процентов — это проблемы электросвязи. Как при передаче информации, так и при ее защите превалируют методы, системы и устройства, использующие принципы электро- и радиотехники, многоканальной проводной и радиосвязи, автоматики и телевидения.

Важнейший информационный процесс — передача информации от адресанта до адресата, а это сфера деятельности связистов всех специальностей. Так как в последние годы информация стала финансовой категорией, то это влечет за собой необходимость практической защиты- информации и, как следствие, подготовки специалистов (изучение соответствующих дисциплин в вузах связи) этой направленности. При необходимости обеспечения информационной безопасности противостояние угрозам информации должно быть направлено против: а) утери (утраты, разрушения, хищения, уничтожения); 6) искажения (модификации, подлога, замены); в) копирования (несанкционированного ознакомления, получения). Противодействующие утечке информации технические устройства и способы целесообразно разделить на устройства и способы: а) охраны информации; 6) защиты информации. Устройства и способы охраны информации предупреждают о несанкционированном прослушивании (подглядывании), съеме информации. Устройства охраны предупреждают, например: «Вас подслушивают!» или «Ваша информация может попасть и не к Вашему адресату!». Устройства и способы защиты информации резко уменьшают (ослабляют до 103... 106...ДО9... 1012 и т.д. раз) возможности незаконно прослушивающих (несанкционированно принимающих) устройств. Устройства и способы защиты позволяют пользоваться техникой связи, по сути не обращая внимания на фактор прослушивания (несанкционированного доступа), то есть совершеннее техники охраны. Неотъемлемые составляющие содержания практической защиты информации: правовой, организационный и инженерно-технический аспекты охранно-защитных мероприятий. Автор неоднократно докладывал фрагменты настоящего учебного пособия на научно-технических конференциях МТУСИ [72], на Международных конференциях [64, 70, 73] и форумах по информатизации [75, 77], на пленумах учебно-методического объединения вузов связи [76], получал одобрение м поддержку, за что благодарит всех участвовавших в обсуждении. Автор считает необходимым поблагодарить своих соавторов по отдельным публикациям охранно-защитной направленности В.С. Лагутина, Е.Г. Новикову, Н.В. Савлукова, А.П. Вронеца, В.Н. Алексеенко, О.В. Казарина, а также коллег СВ. Дворянкина, Л.М. Ухлинова, В.И. Ярочкина, чьими советами и помощью пользовался. Все вопросы, замечания по книге, пожелания следует направлять в адрес издательства: 103473, Москва, 2-й Щемиловский пер. д. 4/5.

Автор

Введение Цели несанкционированного сбора информации проще всего объяснить в настоящее время одним понятием — коммерческий интерес. Но... Информация разнохарактерна и равноценна, степень ее секретноети (конфиденциальности) зависит от лица или группы лиц, кому она Принадлежит, а также сферы их деятельности. Бизнесмену необходимы данные о конкурентах: их слабые и сильные стороны, рынки сбыта, условия финансовой деятельности, технологические секреты. Нелишним будет и знание шагов, которые конкуренты предпринимают против.своих коллег по бизнесу [3, 5]. Политик, администратор или просто известный в определенных кругах человек — уже информант: интересны уклад его личной жизни, связи, истинное отношение к тем или иным общественным явлениям, или лицам, источники доходов и т.д. Конкуренты или недоброжелатели могут использовать каким-либо образом полученные данные в своих корыстных интересах. Вообще-то личная жизнь человека всегда была любопытна для окружающих. Знание конфиденциальной информации всегда помогает быстрее и эффективнее решать стоящие перед человеком проблемы, как-то: избежать деловых отношений с недобросовестным партнером; избежать или пресечь готовящееся против или невыгодное действие; путем постановки конкурента в безвыходное положение или шантажа решить проблемы наиболее коротким и быстрым путем.. Естественно, не следует использовать криминально ориентированные пути для достижения своих целей, но современному деловому человеку необходимо представлять, как это могут сделать другие по отношению к нему или к третьим и что эти другие могут не обращать внимание на существующие правовые и морально-этические барьеры. Каналы утечки информащш . Несанкционированное получе ние информации частного и коммерческого характера можно классифицировать по возможным группам каналов утечки информации: акустический контроль помещения, автомобиля, непосредственно человека; контроль и прослушивание телефонных каналов связи, перехват факсовой и модемной передачи сообщений; перехват компьютерной информации (в том числе радиоизлучений компьютера), несанкционированное внедрение в базы данных; скрытая фото- и видеосъемка с помощью специальной оптики; визуальное наблюдение за объектом; несанкционированное ознакомление с документами; аналитическое ознакомление с открытыми публикациями фирмы (предприятия); .

аналитическое исследование процессов деятельности предприятия, его полезного продукта и отходов производства; несанкционированное получение информации о личности путем подкупа или шантажа должностных лиц соответствующих служб, сотрудников, знакомых, обслуживающего персонала или родственников, знающих о роде деятельности.

Приемы сбора акустической (телефонной) информации [1/ 5]. . • 1. Перехват акустической информации при помощи радиомикрофо нов («жучков»), назначением которых является передача по радиокана лу акустической информации об объекте. Радиомикрофоны бывают: непрерывно излучающие (простейшие); .. с включением на передачу при появлении в контролируемом помещении разговоров или шумов (акустоматы); дистанционно управляемые, т.е. включающиеся и выключающиеся при помощи передатчика дистанционного управления на время, необходимое для контроля объекта. Они могут быть приспособленными как для ношения на теле человека и одежде, так и замаскированными под предметы обихода. В тех случаях, когда установка «жучка» непосредственно на объекте невозможна, применяются стетоскопные передатчики, которые позволяют прослушать переговоры через твердую преграду (стену, стекло, корпус автомобиля и т.д.), причем чем тверже и однороднее преграда, тем лучше они работают. «Жучки» различают по: диапазону используемых частот (40 МГц. ..1,5 ГГц); долговременности работы (от 5 ч до 1. года); дистанции передачи (от 15 м до 10 км); виду модуляции: амплитудная (АМ), частотная (ЧМ), узкополосная ЧМ, широкополосная, шумоподобная и др. Различают «.жучки» по тем или иным способам закрытия (фактически по шифровке сигнала). Применение радиопередающих средств предполагает обязательное наличие приемника, при помощи которого осуществляется прием инфор■мации от «жучка». Они также бывают разные (бытовые и специальные). 2. Прослушивание при помощи метода так называемой «высоко частотной (ВЧ) наводки», основанное на подключении к одному теле фонному проводу высокочастотного генератора, а к другому амплитуд ного детектора с усилителем, что позволяет прослушивать помещение через телефон с лежащей трубкой. Физика процесса проста — ВЧ ко лебания проходят через микрофон или обмотки звонка, обладающие «микрофонным эффектом», и модулируются акустическими сигналами помещения, где установлен телефонный аппарат. Промодулированный 6

■

.

" .

'

.

щ

дл сравнительно дороги и сложны в эксплуатации. ■ И1 мал демодулируется амплитудным детектором и после усиления я 10. Системы магнитной записи звука. К ним относятся различного гонт для прослушивания и записи. ра рода диктофоны и регистраторы. Обычно они используются челове3. Прослушивание при помощи «жучков», использующих в качестве бот ком, который входит в состав группы, ведущей какие-либо переговоры, канала передачи силовую сеть. «Жучки», встраиваемые в электриче ы или является просто собеседником. ские розетки, удлинители, тройники, бытовую аппаратуру, используют вто дли передачи акустической информации силовую сеть 127, 220 В. К рог 7 их достоинствам можно отнести неограниченное время работы и слож о ность обнаружения. тип Прием информации от таких «жучков» осуществляется специальа ными приемниками, подключаемыми к силовой сети в радиусе до 300 м это от «жучка» (по длине проводки) до силового трансформатора, обслуго живающего здание или комплекс зданий. не 4.Акустические закладки, ведущие передачу в инфракрасном диа тре пазоне (ИК передатчики) и, естественно, спецприемники к ним. буе Харак тся теризуются они крайней сложностью обнаружения. Срок работы . этих 9'. изделий 1.. .3 суток, но следует иметь в виду, что прослушать их Систем пере ы, дачу можно только в прямом визуальном контакте, т.е. использ непосредственно ующие видя закладку. Поэтому размещаются они у окон, перемо вентиляционных от дуляци верстий и т.п., что облегчает задачу их поиска. ю 5.Акустические радиопередающие закладки, использующие «двой радиои ную модуляцию». Физика процесса такова: акустический сигнал злучени мо я на недулирует промежуточную несущую, а полученный в результате линейн сигнал ых подается на вход непосредственно передатчика. Попытка элемен прослушать тах, такую закладку (даже очень хорошим сканирующим входящ приемником) ни их в к чему не ведет — слышен будет лишь шум. Так что это состав закладки с различн очень неплохим «закрытием». ой 6.Закладки и переговорные устройства, использующие в качестве электро канала передачи элементы конструкций зданий, воду и другие нной среды. техники 7.Системы накапливания информации и скоростной передачи ее или по команде от оператора. специа 8.Прослушивание помещения посредством так называемого лазер льно ного микрофона, который представляет собой систему, помеща позволяющую на емых в расстоянии до 300 м считывать вибрацию оконных стекол и контрол преобра ируемы зовывать ее в слышимую речь^. Лазерные микрофоны можно х разде помеще лить на два типа: ниях. для работы первого типа необходимо «метить» стекло — наносить Такие на него пятно специальной краски, отражающей лазерный луч обратно сив место излучения, где он принимается фртоприемным устройством; стемы

I

Иногда диктофон используется как закладка, если у него есть си стема включения от голоса (акустомат), а противник регулярно посе* щает контролируемое помещение. Диктофоны могут комплектоваться дополнительными устройствами, как-то: выносными микрофонами с отдельным питанием и усилителем; выносными вибромикрофонами (стетоскопными), позволяющими записать разговор через стену; микрофонами с достаточно длинным кабелем (применяются для записи разговоров, например на кухне, через вентиляционную шахту). 11. Прослушивание переговоров группы лиц при помощи направленных микрофонов. Направленные микрофоны позволяют прослушивать и записывать разговор на довольно значительных расстояниях (реально до 70 м). Всего существует три вида направленных микрофонов: микрофон-зеркало имеет параболический отражатель Диаметром 0,3...2 м, в фокусе которого находится чувствительный обычный микрофон; микрофон-трубка может камуфлироваться (маскироваться) под трость или зонтик; плоские направленные микрофоны могут встраиваться в стенку , атташе-кейса или носиться в виде жилета под рубашкой и пиджаком. Они наиболее удобны в эксплуатации, так как у оператора в руках нет никаких предметов, которые привлекали бы внимание и вызывали настороженность информанта. 12. Всемирно-дистанционную возможность прослушивания помеще- ?! ния дает применение так называемой «междугородной закладки», которая представляет собой устройство, подключаемое к телефонной линии или встраиваемое в телефон и имеющее свой встроенный или выносной I микрофон. Позвонив, даже из другого города, на телефон, оборудован- | ный таким образом, и передав специальный код включения, оператор отключает телефон абонента, не позволяя ему зазвонить, и начинает 1 прослушивать разговоры и акустические шумы контролируемого поме- I щения по телефонной линии. Если абонент в момент прослушивания вдруг решит куда-либо позвонить и снимет трубку, то устройство мгновенно отключится, и телефон будет работать совершенно нормально. 13. Теперь самым распространенным способом несанкционированного получения информации частного и коммерческого характера стало прослушивание Телефонных переговоров объекта благодаря тому, что: для того чтобы установить аппаратуру для прослушивания, не требуется особых навыков1; не требуется вторжения в помещение, где установлен телефон объекта; по стоимости аппаратура для телефонного прослушивания вполне доступна даже малообеспеченным гражданам; телефонные переговоры представляют большой интерес для лиц, занимающихся сбором информации.

8

Для прослушивания телефонных переговоров объекта можно непосредственно подключить к линии телефонный капсюль или магнитофон с системой автоматического включения записи с началом разговора объекта по телефону (подключение может осуществляться как в помещении, где установлен телефон, так и в любом месте линии от абонента до АТС включительно) или установить на линии радиопередающую эпкладку (телефонный «жучок»). Телефонные «жучки» бывают двух |ипов: с параллельным подключением к линии (они труднее всего обнаруживаются, но требуют внешний источник питания); с последовательным включением в разрыв одного провода телефонной линии. Питание «жучка» осуществляется от АТС по телефонной линии и в эфир он выхолит (т.е. начинает передачу) с подъемом телефонной трубки абонентом. Для приема информации от радиопередающих телефонных закладок используются такие же приемники, как и для акустических «жучков». 14.Специальные двухканальные приемники, позволяющие прини мать на довольно значительном расстоянии разговоры объекта по быювым радиотелефонам. 15.Кроме смысловой информации средства прослушивания теле фонных переговоров позволяют определить номер телефона, на кото рый звонит объект. 16.Существует техника, позволяющая непосредственно, либо ис пользуя магнитофонную запись обмена двух факсов или модемов, по лучить расшифровку и распечатку документа. Это — о речевой по чте. Речь может быть также записана в память компьютера для по следующей передачи. 17.Перехват компьютерной информации. Для дистанционного не- ■ санкционированного считывания содержимого чьего-либо компьютера есть два наиболее распространенных способа. Первый — прием па разитных радиоизлучений компьютера, а точнее, его дисплея, с син хронизацией изображения приемом импульсов развертки, излучаемых строчным трансформатором. Аппаратура для этого вида технической разведки достаточно проста и изготавливается на базе обычного мало

габ дис ари пле тно я. го Вт тел орой еви способ зор , а. базиру От ющийс мечя на ено приеме поя высоко вле частот ние ных уст наводо рой к в ств,силову поз ю сеть вол через яю блок щи питани х я на компью уда тера, лентребуе ии т до непоср 50 едстве м нного полподклю уча чения к ть силово уст й сети ойч и иву послед ю ующей кар чрезвы тин чайно ку- сложно коп й ию обрабо сод тки ер принят жи ой мог инфор о мации. кон 18. тро лир Несанк уе ционир мог ованно о е

внедрение в базы данных пока не полу чило (в нашей стране) широкого распространения по причине низкого уровня развития компьютерной обработки информации в коммерческих кругах. Компьютерные «взломщики» пока ограничиваются проработкой вопросов бесплатного получения коммерческой информации из инфор мационных сетей общего пользования. " ' .

9

Сбор оптической (визуальной) информации, которая затем может быть передана по телефонным каналам.

19. Скрытые фото- и видеосъемки, визуальное наблюдение' и до смотр обеспечиваются фото- и видеокамерами различных типов: камкордеры (камеры, совмещенные с видеомагнитофоном); скрытые (миниатюрные), т.е. камуфлированные под обычные предметы, встраиваемые в бытовую технику и передающие видеоинформацию либо по кабелю, либо с помощью собственных миниатюрных телевизионных передатчиков; камеры, замаскированные под пачку сигарет, заколку для галстука, сумку, кейс, книгу, наручные часы. Эта техника может снабжаться специальными насадками и объективами, включающими: эндоскопы — гибкие световые насадки, снабженные объективами и системой управления (поворот объектива относительно оси гибкого шнура-световода), которые могут дополняться системой подсветки для осмотра и фотографирования темных помещений и полостей (например бензобак автомобиля); объективы-иглы — устройства, устанавливаемые на стандартные фото- и видеокамеры и предназначенные для съемки через отверстия небольшого диаметра (до 5 . . . б мм); телескопические объективы (телевики), дающие возможность вести съемку с дальних дистанций (существуют объективы с увеличением до 1500 раз); объективы-камуфляжи, помогающие приспособить фото- и видеокамеры для скрытой съемки из сумок, кейсов и т.п.; объективы, совмещенные с прибором ночного видения (с 1/1К подсветкой или без таковой) и предназначенные для съемки в темное время суток. 20. К специальной оптике относятся перископические системы: различного рода бинокли, монокуляры, в том числе ночного виде ния, могущие совмещаться с дальномером, направленным микрофоном; инвертор дверного глазка, представляющий собой оптическую систему, приставляемую к стандартному глазку и дающую возможность осмотра внутреннего помещения через дверной глазок. 21.Иглы для чтения корреспонденции без вскрытия конверта (такая игла вводится в незаклеенный уголок конверта и позволяет читать даже сложенную корреспонденцию под мощной лампой). 22.Рентгеновское телевизионное оборудование. Следует знать, что корреспонденцию, содержащую информацию конфиденциального ха рактера, лучше отсылать в конверте с полностью заклеенными клапа нами и во внутреннем конверте из черной фотографической бумаги, а ■встречи и совещания проводить в помещениях с соблюдением мер пре досторожности, о которых будет сказано чуть дальше. 23.Визуальное наблюдение за объектом (слежка) является самым древним, хорошо отработанным и очень эффективным методом

сбора 10

конфиденциальной информации, причем данные, получаемые этим способом, очень трудно, а Порой и невозможно добыть другими средствами. Скептикам следует знать, что профессиональное ведение слежки в корне отличаетсяя от художественного образа этого метода ведения разведки, в том числе экономической, и при правильном ее проведении может нанести значительный ущерб коммерческой структуре, физическому лицу. Целями и задачами визуального наблюдения являются: 1.Внешнее изучение коммерческой структуры. Сюда входит полу чение данных как: количество служащих фирмы, режим работы органи зации, наличие охраны и сущность охранных мероприятий, распорядок работы и личной жизни руководства, уязвимые звенья в среде сотрудни ков (в том числе и выявление лиц, перспективных для вербовки путем подкупа, шантажа или иного метода), круг постоянных посетителей и при их установлении, т.е. выяснении личности и рода занятий, получе ние информации о профиле фирмы, связях и возможностях руководства. 2.Изучение частной жизни интересующего лица: место жительства (постоянное или временное), распорядок дня, привычки (в том числе и вредные), сексуальная ориентация, материальная обеспеченность (по внешним признакам), контакты с партнерами по коммерции, исполь зование автотранспорта (личного и служебного), маршруты движения, наиболее часто посещаемые места проведения досуга, состав, квалифи кация и возможная уязвимость личной охраны. По результатам визуального наблюдения проводятся анализ и затем следующий этап слежки — внутреннее изучение коммерческой структуры и сбор компрометирующей информации, для чего широко и успешно применяются технические средства. Получив в результате разносторбннюю информацию об организации и ее служащих, определяются слабые стороны, выявляются служащие, которые при дальнейшей обработке (подкуп, страх огласки и т.д.) начинают поставлять коммерческую информацию и информацию другого рода. В мире множество детективных агентств и иных организаций, которые специализируются только на этом виде сбора информации (слежка или визуальное наблюдение)'. При этом они не ограничиваются обработкой только организаций и фирм, а выполняют заказы на получение

информации на физических лиц. К темам заказов можно отнести: супружескую неверность; проблемы отцов и детей; проверки предположительно недобросовестных партнеров и т.д. В детективных агентствах и службах безопасности этот метод только начинает развиваться. В криминальных же структурах такой вид сбора информации начал развиваться с момента создания первых частных предприятий, в том числе и подпольных.

быть сосчитано). Получение результата (информации) адресатом" (наблюдателем) уменьшает неопределенность. В качестве меры неопределенности ситуации К. Шеннон и предложил термин «энтропия». Количественно энтропия подсчитывается по формуле

1. Введение в электрорадиосвязь (количество и качество конфиденциальной информации) 1.1. Информация, сообщения, данные, сигналы К-концу двадцатого века понятием информация стали пользоваться люди всех возрастов и специальностей, вкладывая в него различные понятия (смысл). Философы, математики, связисты-инженеры, корреспонденты-журналисты, следователи-прокуроры и многие другие безусловно чувствуют в понятии «информация» различную наполненность, хотя это по-научному совсем не информация, а сообщение, или данные, или что-то совсем другое. Чтобы как-то, хотя бы приблизительно, определиться в этих понятиях, кратко рассмотрим их по литературным источникам. Сначала о понятии «информация». Оно из группы понятий «интронизация», «инкассация», «интоксикация» и т.д. и по аналогии означает «введение в форму» по какому-то вопросу, т.е. обучение чему-то конкретному, подсказывание. Научное определение термина «информация» основано на вероятностных свойствах полученных сведений и, чем менее вероятно событие (процесс, явление и т.д.), о котором сообщается, тем больше информации несет это сообщение. Из известного примера о длительно отсутствующем отце, получившем два сообщения: «У вас родился сын» и «У вас родилась двойня», следует, что во втором сообщении информации гораздо больше, чем в первом, так как вероятность рождения двойни примерно в 100 раз меньше, чем рождение одного ребенка, хотя можно видеть, что количество слов (да и букв) в обоих сообщениях почти одинаково. Математики, физики, инженеры по специальности «Передача информации» в своей терминологии и в своем кругу инженерно-научных работников имеют в виду именно вероятностный характер информации и для ее количественной оценки используют понятие энтропии. Энтропия служит для оценки количества информации и означает меру степени неопределенности ситуации (случайного события, случайной величины) при условии, что общее число исходов конечно (может

12

где к — коэффициент, учитывающий выбранное основание логарифма; Pi — вероятность г-го исхода; п — общее число исходов. Преимущественно энтропия измеряется в двоичных единицах (битах), если основанием логарифма выбрано число 2; если основание логарифма равно 10, то энтропия измеряется в десятичных логарифмических единицах (дитах); если основанием выбрано число е, то в натуральных логарифмических единицах (натах). Благодаря знаку минус, стоящему перед символом суммирования, энтропия всегда положительна, может принимать минимальное и максимальное значения, причем максимальна для ситуации с равновероятными исходами. Энтропия оказалась удобной мерой, пригодной для количественной оценки информации в кибернетике, теории информации, теории связи. Чем меньше вероятность некоторого события, т.е. чем оно неожиданнее, тем большее количество информации получит адресат, если это событие произошло. Для конкретного примера, если вероятность появления положительной токовой посылки равна 0,25 f то эта посылка несет 2 бита информации, при этом вероятность появления отрицательной токовой посылки равна 0,75, и она несет 0,4 бита информации. Журналисты, различные корреспонденты, работники правоохранительной сферы и все государственные чиновники в понятие «информация» вкладывают сведения (сообщения) о лицах, предметах, событиях, явлениях и процессах независимо от формы их представления, используемые в целях получения знаний, принятия решений. Они считают, что информация может быть открытой и информацией ограниченного доступа, которая подразделяется на конфиденциальную и секретную. Конфиденциальная информация — служебная, профессиональная (промышленная), коммерческая, личная и иная информация, правовой режим которой устанавливается ее собственником на основе законов о коммерческой, профессиональной (промышленной) тайне, государственной службе и других законодательных актов и требует защиты. Специальная отметка — гриф конфиденциальности на носителе информации или в сопроводительных документах на него свидетельствует о том, что носитель содержит конфиденциальную информацию [13]. Секретная информация — информация, содержащая сведения, составляющие государственную тайну. Гриф секретности — реквизиты, свидетельствующие о степени секретности сведений, содержащихся в их носителе, представленные на 13

г

самом секретно» и «Секретно». носите Таким образом, информация — это совокупность некоторых ле и сведений о состоянии какой-либо материальной системы (предмете, (или) в процессе, событии), предназначенных для передачи, распределения, сопров преобразования, хранения или непосредственного использования. одите Обычно в технике связи информация представляется льных (выглядит) в виде сообщений (данных) устно, письменно или по докум каналам электросвязи. ентах Сообщение — форма представления информации (текст, речь, не изображение, цифровые данные и т.д.). него. Связь — система передачи сообщений (сведений, данных) от отВ РФ правителя к получателю. При электрической связи передача сообщесущес ний осуществляется с помощью системы электросвязи электрическими твуют сигналами, передаваемыми по проводам или без проводов в виде электри тромагнитных волн и однозначно отображающими сообщение. степен Теперь . уже понятно, что не каждое передаваемое сообщение несет в и секрет себе информацию, а только такое, которое снимает неопределенность ности (хотя бы частично) о состоянии материальной системы. Данные — сведения о лицах, предметах, событиях, явлениях и сведе процессах (независимо от формы их проявления), отображенные на ний, состав материальном носителе и используемые в целях сохранения знаний ляющи (передача данных — связь между ЭВМ). Закрытые данные — данные, доступные ограниченному кругу х пользователей. Как правило, ограничение доступа осуществляется си^гостай ну, и стемой разграничения с помощью определенных правил (паролей). Зашифрованные данные — данные, хранящиеся в соотве тствую зашифрованном виде (в документах, в памяти ЭВМ и т.п.), т.е. к которым применен способ криптографической защиты. щие им Здесь же рассмотрим понятие «дезинформация», которое грифы означает секрет способ маскировки, заключающийся в преднамеренном ности: распространении «Особ ложных сведений о лицах, предметах, событиях, явлениях и ой процессах k важно и в имитации их деятельности. сти», Здесь же.кратко определим широко распространенные понятия, «Созачастую заменяющие термин «информация». верше Документ — документированные сведения при наличии опреденно ленных реквизитов.

Д окуме нтиро ванны е сведе ния — зафик сиров анное на матер иальном носит еле сообщ ение с указан ием источн ика его проис хожде ния. Д окуме нтаци я — совоку пность докум ентов, оформ ленна я по единым прави лам, подра зделя ющаяс я на норма тивносправо чную, конструктор

скую, проектную, проектно-сметную, номическую, эксплуатационную и т.п.

14

техническую,

технико-эко-

Документы служебные — надлежащим образом оформленные для выдачи гражданам, организациям и предприятиям документы для осуществления возложенных на них обязанностей: внутренние — для использования внутри организации или предприятия; внешние—для сношения с другими организациями и предприятиями. Достоверность — оценка вероятности отсутствия ошибок в документах (схемах, данных). Достоверность сообщения — соответствие полученных сведений действительной обстановке, достигаемое обозначением времени свершения событий, сведения о которых передаются; тщательным изучением и сопоставлением данных, полученных из различных источников; дополнительной проверкой сомнительных сведений; своевременным скрытием дезинформационных и маскировочных мероприятий; исключением искаженной информации, передаваемой по техническим средствам. Сигналы могут быть звуковые, зрительные, электромагнитные и пр. Но сообщения передаются преимущественно электрическими (электромагнитными) сигналами с помощью системы электрорадиосвязи. В общем виде система связи схематически показана на рис. 1.1. Следует подчеркнуть, что отправитель и получатель информации не включены в систему связи, а система связи есть совокупность технических средств (передатчика, линейных устройств и приемника) для передачи сообщений [б]. Передатчик и приемник связаны между собой линией связи. Линия может представлять собой, например, пару проводов или ограниченную зону пространства, по которой электромагнитные волны распространяются от передатчика к приемнику. . • При осуществлении связи отправитель подает сообщение, которое поступает на передатчик. В нем сообщение превращается в электрический сигнал таким образом, чтобы сигнал на приемном конце мог быть снова превращен в сообщение, соответствующее поданному. Это обратное превращение выполняется приемником. Так текст телеграммы (сообщение) превращается телеграфным аппаратом на передающем конце (передатчиком) в определенную последовательность импульсов электрического тока (сигналы). Эти импульсы воздействуют на буквопечатающий .аппарат на приемном конце (приемник), который восстанавливает сообщение в форме текста.

15

16

На рис. 1.2 представлен комплекс технических средств электрорадиосвязи, образующий первичную сеть (кабель, волновод, связь через I/IC3 и т.д.) каналов на территории РФ (да и всего мира), и построенные на ее базе вторичные сети, предназначенные для.удовлетворения потребностей предприятий, организаций, учреждений и населения в передаче любых сообщений (телефония, электронная почта (ЭП), телевидение и т.д.), преобразованных в сигналы электросвязи [51]. Превращение сообщения в'сигнал состоит из трех операций, которые могут быть независимыми или совмещенными. Эти три операции следующие: преобразование, кодирование, модуляция [53]. Под преобразованием понимается превращение неэлектрических величин, соответствующих первоначальному сообщению в первичные электрические сигналы. Так, в телефонии переменное звуковое давление, определяющее звук речи, преобразуется в соответствующим образом изменяющийся электрический ток посредством микрофона. При передаче изображения с помощью факсимильной связи оно ощупывается (сканируется) узким лучом света. При этом отраженный свет попадает на фотоэлемент, преобразующий колебания светового потока в соответствующие колебания электрического тока. В обоих этих пр'имерах микрофон и фотоэлемент являются преобразователями соответствующих переменн-ых величин (звукового давления и светового потока) в электрическую величину (ток или напряжение). Источники сообщений и соответствующие сообщениям первичные электрические сигналы могут быть дискретными и непрерывными. В предыдущих примерах микрофонный электрический сигнал и электрический сигнал, вырабатываемый фотоэлементом, это непрерывные сигналы (они также называются аналоговыми). Непрерывным (аналоговым) называется источник, который за конечный интервал времени может создать (иметь) бесконечное множество состояний. Примерами непрерывных сообщений могут служить также музыка, изменение температуры некоторого объекта, изменение атмосферного давления и т.п. Непрерывные сообщения и соответствующие им сигналы представляют собой непрерывные функции времени. Пример непрерывного сигнала c(t) представлен на рис. 1.3,а. Простейший случай дискретного сообщения представляет собой текст или, в шифрованном виде, последовательность чисел. Таковы сообщения в телеграфии. Любая телеграфная азбука или телеграф ный код могут рассматриваться как порядковые номера букв или да же как некоторые числа. Под кодированием и понимается построение сигнала по некоторому определенному принципу, имеющему обычно сравнительно несложное математическое выражение (код Морзе, код Бодо), и обязательно в дискретном виде, т.е. в виде сигнала, который имеет конечное (счетное) число значений за определенный (конечный) интервал времени. Десятичное счисление по всей видимости возникло только вследствие наличия у нас на руках десяти пальцев, которые использовались 17

Рис. 1.3. Виды сигналов в канале связи: а — непрерывный; б — в форме равномерного двоичного кода; в — однополярный дискретный; г — двухполярный дискретный

в качестве счетов. Никаких преимуществ эта система перед другими не имеет, а с точки зрения кодов больший интерес представляют другие системы счисления. Сущность десятичной системы в том, что, располагая десятью цифрами (от 0 до 9), мы можем записать одной цифрой любое число в пределах первого десятка. Десять — уже двузначное число, которое мы записываем единицей в разряде десятков и нулем в разряде единиц. По этому же принципу можно построить систему из любого числа цифр, например из пяти (0, 1, 2, 3 и 4). Такая пятеричная система отличается тем, что число пять, записанное в этой системе, будет уже двузначным числом, изображаемым единицей в разряде пятков и нулем в разряде единиц. Ниже представлена запись различных чисел по пятеричной системе: Десятичная система О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Пятеричная система О 1 2 3 4 10 11 12 13 14 20 21 22 Числа по двоичной системе, имеющей преимущественный интерес с точки зрения кода, записываются всего лишь при помощи двух цифр: 0 и 1: Десятичная система 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Двоичная система 0 1 10 11 100 101 ПО 111 10001001101010111100 Называя число цифр основанием системы счисления, можно-заметить, что пока рассматривались системы с основанием меньше десяти,

18

низшие по отношению к десятичной. С таким же успехом, можно строить и высшие системы, например двенадцатиричную (счет на дюжины), сторичную (счет на сотни) и т.п. Сопоставляя различные системы, можно заметить, что чем ниже основание системы, т.е. чем меньше цифр, которыми она оперирует, тем больше знаков требуется для записи данного числа по данной системе. Связь между этими величинами проста. Всякое число N можно записать в форме N = Ьп, где Ъ — основание системы счисления. Показатель п, округленный до ближайшего целого числа (т.е. целая часть п+ 1), дает количество знаков в записи числа N. Например, 32 = 2 5 . Код служит для передачи чисел. Этим определяется его связь с системой счисления. Код представляет собой набор комбинаций, составленных из различных элементов. Под элементами кода понимаются различные элементарные сигналы. При телеграфировании током одного направления наиболее отличными элементами кода могут служить посылка тока, т.е. включение тока на некоторое вполне определенное время, и отсутствие посылки. 1/1з этих двух элементов может быть построен двоичный код. Например, код Бодо является двоичным, так как состоит из двух элементов. Он относится к числу равномерных кодов, т.е. все его комбинации составлены из одинакового числа элементов и имеют одинаковую длительность. Благодаря этому каждый элемент кода занимает вполне определенное положение во времени, находясь на определенном месте внутри комбинации. Комбинации кода Бодо составляются из пяти элементов каждая; такой код называется пятизначным. Пятизначным двоичным кодом можно передать 32 различные буквы, так как 2 5 = 32. Несколько комбинаций кода Бодо приведено на рис. 1.3. Комбинации записаны в виде чисел по двоичной системе, причем 1 означает посылку тока, 0 — ее отсутствие (рис. 1.3,6). Форма тока в телеграфной линии показана на рис. 1.3,е. Если имеется возможность менять направление тока, то разумно взять в качестве элементов двоичного кода положительную и отрицательную посылки: элементы +1 и —1 (рис. 1.3,г). По существу же различие элементов в обоих рассмотренных случаях (0 и 1, +1 и —1) есть просто различие в значению тока посылки. Можно представить себе троичный код с элементами +1, 0 и —1 (кстати, именно такой код применил в 1832 г. изобретатель электрического телеграфа П.Л. Шиллинг). Исключительное применение нашел двоичный код в современных ЭВМ и системах связи. Системы передачи дискретных сообщений называются дискретными; системы, используемые для передачи непрерывных сообщений, называются непрерывными или аналоговыми. Следует подчеркнуть принципиально важное обстоятельство, заключающееся в том, что дискретные системы связи могут быть использованы также и для передачи непрерывных сообщений. В самом деле, любое сообщение можно передавать с некоторой конечной точностью, так как любой получатель может .

.

■

■

■

■

'

'

19

различить на конечном интервале только конечное число сообщений (или же для него важно получить за конечный интервал времени сведения о конечном числе состояний источников сообщений). Отсюда следует, что непрерывное сообщение с необходимой (с точки зрения получателя) точностью может быть заменено конечным множеством символов, т.е. может быть передано как дискретное сообщение. Проиллюстрируем сказанное следующим примером. Пусть по каналу связи необходимо передавать сведения о температуре какого-либо объекта (скажем, о температуре в доменной печи), Для того, чтобы контролировать ход технологического процесса, необходимо, иметь сведения о температур.е через некоторые фиксированные промежутки времени; кроме того, всякое измерение производится с некоторой погрешностью А. Принимая А за единицу, можно выразить каждый результат измерения целым числом, которое физически отображается, например, значением электрического напряжения. Следовательно, в рассматриваемом примере сведения о непрерывно изменяющейся температуре могут быть переданы при помощи дискретного электрического сигнала, представляющего собой последовательность импульсов, которые появляются через фиксированные промежутки времени, причем их амплитуды выражаются целыми числами. Итак, возможны дискретные способы обработки и передачи непрерывных (аналоговых) сигналов, при этом аналоговые сигналы подвергаются дискретизации и квантованию. Квантование по уровню соответствует фиксации дискретных уровней сигнала (рис. 1,4,а). При дискретизаций фиксируются дискретные (обычно равноотстоящие) моменты времени, при которых уровни сигнала могут принимать произвольные значения (рис. 1.4,6); при совместном квантовании по уровню и по времени (рис. 1.4,е) непрерывный сигнал заменяется дискретными значениями, ближайшими к его значениям в дискретные моменты времени. Замена непрерывной шкалы уровней дискретной называется квантованием; сигнал, представляемый последовательностью дискретных значений, называется квантованным.' Механизм квантования на передающем конце сводится к тому, что вместо данного мгновенного значения передаваемой величины (при непрерывном сообщении) передается ближайшее значение по установленной шкале дискретных уровней. Графически процесс квантования непрерывного сообщения c(t) можно представить при помощи рис. 1.4. Кривая c(t) наложена на прямоугольную сетку с ячейками AT, где А — шаг шкалы уровней. Квантование состоит в том, что вырабатываются импульсы, высота которых равна не ординате кривой, а высоте ближайшего разрешенного уровня (рис. 1.4,е). Само собой разумеется, что квантование сопровождается искажением, так как посылаемые импульсы воспроизводят функцию сообщения c(t) неточно. Разность между квантованными и исходными импульсами, обозначенную на рис. 1.4, в через £& и образующую последовательность 20

.•

Рис. 1.4. Методы передачи и обработки аналоговых сигналов: а -г- релейный; б— импульсный; в — цифровой; г — шум квантования импульсов, представленную на рис. 1.4,г, можно рассматривать как особого рода помеху. Она известна под названием «шум квантования» и должна быть не более определенного наперед заданного значения. Передача сигнала в таких системах возможна с погрешностью до этой помехи (шума квантования). В зависимости от вида квантования системы связи подразделяют следующим образом: релейные системы, в которых происходит квантование сигналов по уровню; импульсные системы, в которых происходит квантование сигналов по времени (дискретизация); цифровые или импульсно-кодовые системы, в которых происходит квантование сигналов по уровню и времени. В передаче сигналов всегда участвует некоторая физическая величина, переносящая в себе (собой) сигнал. Она зачастую называется переносчиком. Под модуляцией понимается воздействие на какой-либо параметр переносчика сигналом сообщения, в результате чего в изменениях этого параметра оказывается присутствующим передаваемый сигнал. В электросвязи переносчиком является электромагнитная волна или электрический синусоидальный ток:

г = I cos(ojt + ip), где / — амплитуда тока; ш — 2тг/ — круговая частота; ip— фаза колебаний. Соответственно для передачи сигнала этими тремя пара-

■

21

Сообщение

AM Переносчик

ЧМ ФМ Рис. 1.5. Сообщение и

следов ания (ЧИМ), Виды импуль сной модуля ции показан ы на рис. 1.6. 22 .

соответствующие ему сигналы в линии при AM, Ч М ' и ФМ метрами возможно осуществить управление колебаниями, т.е. модуляцию, путем изменения во времени одного (или сразу нескольких) из этих параметров:

при амплитудной модуляции (AM)

при частотной модуляции (ЧМ) при фазовой модуляции (ФМ)

На рис. 1.5 показаны сообщение, переносчик и соответствующие формы колебаний для этих трех видов модуляции. В современных системах связи, в особенности в многоканальных системах с временным разделением, переносчиком является периодическая последовательность коротких импульсов. Такая последовательность определяется уже большим числом параметров, а именно высотой (амплитудой) импульсов, длительностью импульсов, их положением во времени (фазой) и частотой следования. В соответствии с этим различают модуляцию последовательности импульсов по высоте — амплитудно-импульсную модуляцию (АИ М), модуляцию по длительности (ДИМ), модуляцию по фазе (ФИМ), модуляцию по частоте

Рис. 1.6.

Виды импульсной модуляции

В настоящее время в качестве самостоятельного вида модуляции широко используется импулъсно-кодовая модуляция (ИКМ), детально показанная далее на рис. 1.25.

1.2. Понятие об эксперименте по электрорадиоканалу Исторически сложилось так, что из нескольких видов электросвязи (телеграф, телефон, фототелеграф и позже другие средства) вследствие наибольшей распространенности раньше всех стали нормироваться характеристики каналов, предназначенных для телефонной связи. И сейчас телефонная связь превалирует среди многих видов электрорадиосвязи. Именно поэтому телефонный канал в электрорадиосвязи — основной, на базе которого строятся узкополосные и широкополосные каналы для других видов связи. Но прежде всего его характеристики нормируются для осуществления высококачественной телефонной связи (передачи микрофонного сигнала) [49]. На передающей стороне телефонного канала в качестве передатчика используется микрофон. Основными характеристиками микрофона являются вырабатываемая им мощность электрического разговорного сигнала Ри ^ 1 мВт и преобразуемая с небольшими искажениями из акустической в электрическую полоса частот Д/ = 0,3.. .3,4 кГц. На приемной стороне телефонный канал заканчивается телефонным капсюлем (телефоном, преобразователем электрической энергии со спектром частот 0,3.. .3,4 кГц в акустические сигналы таких же частот), основными характеристиками которого являются чувствительность по мощности Р Т к, 1 мкВт и воспроизводимый с малыми искажениями спектр акустических частот в полосе 0,3.. .3,4 кГц.

23

Рис. 1.7. Структурная схема телефонного канала: ГАТС, МАТС екая и междугородная (международная) АТС

■ город-

Ослабление (затухание) электрического сигнала от микрофона до те л е ф о н а а = 1 0 l g ( Р м / Р т ) - П р и п од стан ов ке в э то вы ражен ие Р м = 1 мВт = 10~ 3 Вт и Р т = 1 мкВт = 10~ 6 Вт получается а = 30. дБ. Это значение затухания нормируется для стандартных телефонных каналов на средней разговорной частоте 800 Гц (если совсем точно, то а = 29,7 дБ). Такие каналы называются стандартными каналами или каналами тональной частоты (канал ТЧ). Любое телефонное соединение двух абонентов (^канал) в общем случае состоит из трех участков; двух городских (от абонентов до междугородных станций) и одного междугородного (международного). Нормированное затухание телефонного канала разделяется по этим трем участкам следующим образом: 2-10,5 д'Б + 8,7 дБ = 29,7 дБ. На рис. 1.7 представлена структурная схема телефонного канала от микрофона Мд, до телефона ТБ (направление А—>Б). Регулирование значений затуханий на всех трех участках осуществляется усилителями (для повышения уровня микрофонного сигнала) или удлинителями (для увеличения затухания). В отличие, например, от телеграфной связи или радиовещания, в которых информация передается в одну сторону, телефонный канал должен быть двусторонним — одновременно должны работать два направления связи А—»Б и Б--5-А, т.е. у абонента А должен быть включен в линию также телефон Тд, а у абонента Б — микрофон МБ, ЧТО показано на рис. 1.7 пунктиром. Чтобы абонент А (Б), когда говорит, не слышал самого себя через свой телефон, электрическая схема телефонного аппарата имеет специальную схемную добавку — противоместную схему. При значительной протяженности двусторонних каналов в каждом направлении (А—*Б, Б-н-А) должны наличествовать усилительные устройства, а они — однонаправленного действия. Поэтому протяженные двусторонние каналы — четырехпроводные (там, где стоят усилители) и в таких каналах предусмотрены переходные устройства, осуществляющие переход канала с двухпроводной части на четырехпроводную и наоборот, что и показано на рис. 1.8. Одно из основных требований, предъявляемых к переходным устройствам (ПУ), состоит в обеспечении высокого переходного затухания между направлениями передачи и приема Четырехпроводного окончания канала (4—>-2), достаточного для отсутствия самовозбуждения четырехпроводной части канала. Другим основным требованием к ПУ является минимальность затухания в направлениях 1—'1 и 4—>-1, в которых 24'

'

■ ■ '

'

■

.

■

Рис. 1.8. Структурная схема четырехпроводного канала передаются информационные сигналы. Эти требования реализуются с помощью развязывающего устройства (РУ), входящего в состав ПУ. Чаще всего в качестве РУ используется симметричная трансформаторная дифференциальная система (ДС). На рис. 1.9 показана схема и условное обозначение симметричной ДС. Она состоит из дифференциального трансформатора (ДТ) и балансного контура (БК). Обмотки W\ и w^ одинаковы по своим электрическим параметрам. Электрические характеристики БК идентичны электрическим характеристикам двухпроводной абонентской линии Zn = Z&.к . В этом случае ток сигнала /, приходящий в среднюю точку ДТ, разделяется на два равных, но противоположно направленных тока 1\ = 13. Результирующая ЭДС, наведенная во вторичной обмотке ДТ, окажется равной нулю (на самом деле пренебрежимо малой, т.е. 1% и 0) и затухание в направлении 4—э-2 будет очень велико. Поскольку токи /i = Iz, то лишь половина мощности принятого сигнала будет направлена к абоненту, другая ее половина рассеивается на балансном контуре. Поэтому затухание уравновешенной ДС в направлении 4—Л равно a 4 _*i = 10 Ig2 к, 3 дБ. Такое же значение затухания в направлении 1—»2. Реально из-за потерь в ДТ эти затухания на 0,3...0,5 дБ "больше расчетных. В условиях эксплуатации к зажимам 1-1 ДС подключаются абонентские линии различного типа и протяженности, обладающие неодинаковыми входными сопротивлениями. Осуществлять настройку каждый раз

Рис. 1.9. Дифференциальная система: — условное обозначение

а— электрическая схема;, б-

25

Рис. 1.11. Структурная схема телеохранной (для телеэксперимента) системы

Рис. 1.10. Включение эхозаградителя в четырехпроводный канал считают нецелесообразным. Поэтому БК выбирают в виде постоянного сопротивления, и вследствие этого значение переходного затухания ДС (направление 4—>2) может составлять 10... 12 дБ, что недостаточно. Недостаточное значение переходного затухания ДС, наличие отражений в абонентской линии приводят к появлению эффекта электрического эха. Электрическое эхо нарушает нормальную связь, что особенно сказывается на протяженных линиях и в системах космической связи. Для уменьшения мешающего действия токов электрического эха в четырехпроводную часть канала включают эхоподавляющие устройства — эхозаградители (рис. 1.10). При появлении сигнала в направлении приема речевых сигналов дальнего абонента в направление передачи блоком передачи вносится затухание не менее 50 дБ, что эквивалентно блокировке направления передачи. При одновременном разговоре абонентов, например, когда один перебивает другого, блокировка снимается и токи эха будут проходить в направлении передачи. Для уменьшения влияния эха на интервалах одновременного разговора в направление приема вводится затухание 6...18 дБ в зависимости от уровня сигнала. Наличие речевых сигналов абонентов определяется при помощи входящих в блок управления пороговых устройств. Возвратимся к рис. 1.7 и представим себе, что вместо микрофона Мд абонента А включен какой-либо датчик Д (группа датчиков), который при активизации генерирует сигнал мощностью Ря w Рм т 1 мВт, находящийся в полосе частот 0,3.. .3,4 кГц (рис. 1.11). Если датчик генерирует сигнал, отличающийся от такого, то его (сигнал) можно усилить, ослабить, перенести с помощью модуляции в эту полосу частот и передать по телефонному каналу в приемник сигналов (ПС), включенный вместо телефона Тв абонента Б. В зависимости от обстановки (контролируемой ситуации) абонент Б (дальний охранник, наблюдатель, экспериментатор) может по каналу Б—»А, в котором вместо его микрофона МБ включено командное устройство (КУ) (-Рку « 1 м_Вт в полосе частот 0,3.. .3,4 кГц), а вместо телефона Тд абонента А включено исполнительное устройство (ИУ) с чувствительностью Ри у « 1 мкВт, работающее в

.26

полосе частот 0,3...3,4 кГц, произвести некоторые охранно-защитные операции на территории (в помещении) абонента А [9]. Теперь следует отметить, что все ранее сказанное о телефонных каналах относится и к радиоканалам, использующимся для телефонной (радиотелефонной) связи. В любой радиотелефонной станции (радиотелефоне) имеется микрофон (на передачу) и телефон и (или) громкоговоритель (при приеме). Микрофоны и телефоны радиотелефонов имеют те же (без специальных улучшений) мощностные и частотные характеристики, что микрофоны и телефоны, используемые в телефонной связи. Дальность радиотелефонной связи зависит от мощности-радиопередатчика и чувствительности радиоприемника, конструкции и размеров антенн, диапазона частот, в котором осуществлен радиоканал. Нужно подчеркнуть, что если микрофон и телефон работают в одной полосе частот (упомянутые 0,3...3,4 кГц), то дуплексный радиоканал всегда занимает две полосы частот (на передачу В. ..Г и на прием Е...Ж), разнесенные на значительный частотный промежуток (несколько мегагерц). На рис. 1.12 структурно представлена схема радиотелефонной связи, в которой точно также, как и в телефонной связи микрофон Мд может быть заменен датчиком Д (группой датчиков), телефон Тв — приемником сигналов ПС, микрофон М Б — командным устройством КУ, телефон Т А — исполнительным устройством ИУ [76]. Для передачи речи существуют два вида электро- и радиоканалов: аналоговый и дискретный.

Рис. 1.12. системы

Структурная схема радиоохранной (для телеэксперимента)

27

1.3. Физические характеристики сигналов электрорадиосвязи Д л и те л ь н о с ть , м о щ н о с ть и с п е к тр с иг н ал а. Си г н ал е ст ь в определенном смысле объект транспортировки, так как он должен быть передан по каналу связи от передатчика к приемнику. Техника связи и есть по существу техника транспортировки сигнала (это касается и транспортирования почтовых отправлений). Поэтому нужно ввести для описания сигнала такие его характеристики, которые определяли бы условия его передачи. Всякий сигнал, рассматриваемый как явление во времени, имеет начало и конец. Поэтому первой наиболее естественной характеристикой свойств сигнала является его длительность. Легко понять, что длительность сигнала просто связана с количеством сведений, которое при прочих равных условиях должно быть пропорционально длительности. С другой стороны, длительность сигнала также просто связывается с условиями работы канала связи: чем больше длительность сигнала, тем на большее время занимается канал. Длительность сигнала измеряется в единицах времени (секундах, микросекундах, миллисекундах, часах, минутах). Далее нужно дать некоторую характеристику функции сигнала в интервале его существования, т.е. на протяжении его длительности. Такой характеристикой сигнала может служить энергия или средняя мощность сигнала'как величина, оценивающая силу сигнала. Пусть U(t) — функция, описывающая изменение напряжения сигнала во времени на некотором нагрузочном сопротивлении R. Мгновенная мощность сигнала пропорциональна квадрату напряжения P c (t) = U 2 (t)/R. Средняя мощность сигнала равна энергии, выделяющейся на сопротивлении R в течение интервала времени At, отнесенной к продолжительности этого интервала

Средние мощности реальных сигналов оценивают экспериментально. Результаты измерений показывают, например, что уровни средних мощностей микрофонных сигналов от различных абонентов могут отличаться друг от друга на 30 дБ и более. Средняя мощность зависит от затухания соединительной линии, типа телефонного аппарата, пола абонента, его манеры говорить и ряда других причин. Средняя мощность микрофонного сигнала «среднестатистического» абонента принята равной 32 мкВт в начале междугородного-канала. Но мощность сигнала сама по себе не определяет свойства сигнала как переносчика сведения, так как нельзя игнорировать реальные условия передачи сигнала, определяемые наличием помех. Поэтому сигнал целесообразно характеризовать не абсолютной мощностью, а отношением мощности сигнала к 28

мощности помех. В технике электрорадиосвязи для оценки мощностей, токов и напряжений сигналов и помех используют понятие уровней, измеряемых в логарифмических единицах, выражаемых в децибелах (дБ), где Рсср иР п — соответственно, средние мощности сигнала и помехи. Определенную таким образом величину будем называть превышением сигнала над помехой или просто превышением. Нетрудно увидеть, что Н выражает не что иное, как относительный средний уровень превышения сигнала над помехой. Мгновенные мощности сигналов-электросвязи могут изменяться в довольно широких пределах. Для количественной оценки пределов изменения мгновенной мощности сигнала вводят понятие динамического диапазона, причем различают динамические диапазоны сигнала по мощности где Рс.макс и Рс.мин — соответственно, максимальная и минимальная мощности сигнала, Вт; по напряжению где 1УМакс и UMnli — соответственно, максимальное и минимальное напряжения, В; а также пикфактор

Оценены длительность сигнала и превышение. Но этого мало, так как отсутствует еще какая-либо характеристика поведения сигнала (на протяжении его длительности), которая показывала бы скорость его изменения. Это — полоса частот, которую занимает передаваемый сигнал, или ширина спектра сигнала (измеряется в герцах, килогерцах, мегагерцах). Таким образом, для описания общих свойств сигнала достаточно трех основных характеристик: длительности Тс, ширины спектра Fc, превышения сигнала над помехой Я с . Их можно себе представить в виде отрезков определенной длины, отложенных параллельно трем координатным осям: оси времени, оси частот и оси уровней [94]. Объем сигнала и емкость канала. Из предыдущего поясне ния вытекает, каким образом возникает геометрическое представление сигнала как некоторого объема в трехмерном пространстве. Этот объ ем представляется как параллелепипед с ребрами Тс, Рс, Яс («габа ритные размеры» сигнала). Такой геометрический образ представлен на рис. 1.13; Произведение трех параметров Vc = TCFCHC, можно на звать объемом сигнала. ' . '

29-

Введя понятие объема сигнала, можно сравнительно просто представить соотношения между свойствами сигнала и свойствами канала связи. Канал связи можно охарактеризовать также тремя параметрами: временем Т к , в течение которого канал предоставлен для работы; Рис. 1.13. К пояснеполосой частот FK, которую канал нию объема сигнала способен пропустить; полосой уровней Нк, зависящей от допустимой нагрузки аппаратуры канала. Очевидно, что передача сигнала, с характеристиками Тс, Fc, Hc по каналу с параметрами Т к , F K , H K возможна при условиях:

Три параметра канала можно перемножить и назвать их произведение VK = TKFKHK емкостью канала. Сигнал может быть передан по каналу, если емкость канала не менее объема сигнала, или, образно говоря, если сигнал «вмещается» в канал. Это представление связывается с геометрическим образом двух параллелепипедов, из которых один должен поместиться в другом, что возможно, очевидно, если все три стороны вмещающего параллелепипеда больше соответствующих сторон вмещаемого. Впрочем, имеются способы и устройства деформаций объема сигнала, позволяющие согласовать сигнал с каналом, так что условия возможности передачи сигнала по каналу можно смягчить и записать в более общем виде: Количество сведений в объеме сигнала. Чем больше объем сигнала, тем большее количество сведений он может перенести. Хотя назначение системы связи и состоит в передаче сообщений, а не в передаче энергии, тем не менее эти две категории тесно связаны между собой. Оказывается, что количество сведений, переносимых в единицу времени в битах, прямо пропорционально логарифму мощности сигнала:

где Р сср — средняя мощность сигнала; а — нормировочный коэффициент. Пропус кная способность канала. В действительных условиях работы системы связи в приемник поступает сигнал с примешанными к нему помехами. Количество сведений, принятых приемником, с учетом помех

30

Предельная пропускная способность системы связи, т.е. наибольшее количество сведений, которое приемник может принять (из переданных) в единицу времени, бит/с:

(1-1) Заметим, что пропускная способность неограниченно возрастает при уменьшении мощности помех. При достаточном превышении мощности сигнала над помехой единицей в скобках можно пренебречь, и количество сведений в единицу времени

Преобразования сигнала. Соотношение величин Т, F, Н зависит от того, как закодирован сигнал. Изменяя способ кодирования, можно получить разные соотношения при том же объеме сигнала и том же количестве сведений: , где — основание кода; -— число элементов сигнала. Путем выбора кода можно так преобразовать сигнал, что ширина спектра F или превышение Я изменятся в желаемое (необходимое) число раз, причем произведение этих величин остается неизменным. Инвариантом преобразования является величина В этом случае общая длительность сигнала остается неизменной. Всякого рода преобразования сигналов позволяют согласовывать их характеристики с параметрами канала связи. Смещения объема сигнала. Возможны и практически применяются другие виды деформаций сигнала, в которых участвует любая пара из трех характеристик сигнала или даже все три. Кроме того, применяются преобразования сигнала, при которых он не деформируется, но сдвигается без деформации вдоль одной из осей. Простейшим преобразованиями без деформации является преобразование без переноса. Перенос сигнала вдоль оси t на to есть попросту задержка на время , которая может быть осуществлена при помощи линии задержки или для произвольно большой задержки путем записи сигнала с последующим его воспроизведением (рис. 1.14,в). Перенос сигнала без деформации вдоль оси частот на (рис. 1.14,6) осуществляется при однополосной модуляции с помощью несущей частоты Перенос сигнала без деформации вдоль оси уровней на означает просто усиление сигнала (при переносе вверх, как на рис. 1.14,в); перенос вниз означает ослабление сигнала. Простейшим примером деформации сигнала, в которой участвуют F и Т, служит запись сигнала и воспроизведение с измененной скоростью. Если записанный, например, на магнитную ленту при скорости v сигнал воспроизвести со скоростью то длительность сигнала изменится в b раз, но во столько же раз изменятся все частоты, а стало быть, и 31

Рис. 1.14.

Перенос сигнала: а—задержка; б—модуляция; в — усиление

ширина спектра. Превышение сигнала остается при такой деформации без изменения: следовательно, неизменным останется и объем сигнала. Таким образом, должно быть понятно, что возможность передачи конкретного сигнала по конкретному каналу определяется только соотношением между объемом сигнала и емкостью канала. Согласование характеристик сигнала с параметрами канала всегда возможно путем соответствующих деформаций сигнала. Физические характеристики факсимильного сигнала. Факсимильной связью называется передача неизменяющихся в процессе передачи изображений (рисунков, чертежей, фотографий, текстов, газетных полос и т.д.) по каналам электрической связи. Первичные факсимильные сигналы получают в результате электрооптического анализа, заключающегося в преобразовании светового потока, отражаемого элементарными площадками изображения, в электрические сигналы. Эти площадки образуются фокусированием небольшого светового пятна, которое перемещается по поверхности изображения. В приемнике полученный электрический сигнал пробуждает какое-либо физическое свойство, благодаря которому окрашиваются элементарные площадки носителя записи, в результате чего получается копия переданного изображения. На рис. 1.15 показан один из возможных способов технической реализации электрооптического анализа и синтеза изображений. Бланк с передаваемым изображением накладывается на барабан Б передающего факсимильного аппарата. На поверхность изображения от лампы накаливания ЛН, проецируется яркое световое пятно, перемещающееся вдоль оси барабана. При вращении барабана световое пятно обегает его поверхность по винтовой линии, осуществляя развертку изображения. Отраженный световой поток воздействует на фотоэлемент ФЭ.'в результате чего в его цепи появляется изменяющийся во времени ток ic(t), мгновенное значение которого определяется оптической плотностью (отражающей способностью) элемента изображения. В приемной части факсимильного аппарата принятый сигнал подается на безынерционную газосветную лампу ГЛ, интенсивность свечения которой пропорциональна мгновенному значению сигнала. Пучок света от этой лампы фокусируется на поверхность барабана Б приемного аппарата. На барабане закреплена светочувствительная бумага, и он

32

вращается синхронно и синфазно с барабаном передатчика. Световое пятно от ГЛ перемещается вдоль оси барабана так же, как и в передатчике. В результате после проявления получается копия передаваемого изображения [6]. Частотный спектр первичного факсимильного сигнала определяется характером передаваемого изображения, скоростью развертки и размерами анализирующего пятна. Максимальную частоту рисунка первичного факсимильного сигнала /рис можно рассчитать, полагая, что оригинал представляет собой чередующиеся черные и белые полосы, перпендикулярные направлению развертки, причем ширина этих полос равна ширине анализирующего пятна. В этом случае

/рис ■= TcDN/120d,

(1.2)

где D — диаметр барабана, мм; N — частота вращения барабана, об/мин; d -— ширина анализирующего пятна, мм. МККТТ рекомендует следующие параметры факсимильных аппаратов: N = 120, 90 и 60 об/мин; D = 70 мм и d = 0,15 мм. Соответственно из (1.2) получаем f pH C = 1465 Гц при N = 120 об/мин /рис =' П00 Гц при N = 90 об/мин. При передаче реальных изображений получается первичный сигнал сложной формы, энергетический спектр которого содержит частоты от 0 До /рис- В зависимости от характера изображений они подразделяются на штриховые, содержащие две градации яркости (/ = 2), и полутоновые. Динамический диапазон сигнала, соответствующего полутоновому изображению, составляет приблизительно 25 дБ. Количество информации в факсимильном сигнале определим по формуле (1.1), полагая / = 2 для штрихового изображения, и В результате расчета получим Сфакс = 2,93 ■ 10 3 бит/с (для штрихового изображения и N = 120 об/мин). Наличие помех в канале приводит к появлению точек и загрязнений на воспроизводимом изображении. Качество связи оказывается удовлетворительным, если превышение факсимильного сигнала над помехой составляет приблизительно 35 дБ.

33

Важнейшим видом факсимильной связи является передача газет, т.е. передача изображений полос центральных и республиканских газет в пункты децентрализованного печатания. Для передачи газет используются специальные высокоскоростные факсимильные аппараты, обеспечивающие высокое качество копий за счет существенного увеличения четкости — уменьшения анализирующего пятна до 0,04.. .0,06 мм. При использовании аппаратуры «Газета-2» наивысшая частота передачи рисунка составляет 180 кГц, а время передачи полосы 2,5.. .3,5 мин. Изображение газетной полосы является штриховым, т.е. 1 = 2. Следовательно, количество сведений в соответствующем сигнале в единицу времени С газ = 360 кбит/с. Т е л е в и зи о н н ы й и в ид е о т е л е ф о н н ы й с иг н ал ы . В те л е в ид ении (это передача изменяющихся изображений) так же, как и в факсимильной связи, первичный сигнал формируется методом развертки. Согласно телевизионному стандарту, принятому в СССР (и РФ), число строк z = 625. Передача движущихся изображений сводится к последовательной передаче мгновенных фотографий — кадров. В секунду передается п = 25 кадров. Чтобы избежать мерцания изображения на экране приемной трубки (кинескопа), стандарт предусматривает чересстрочную развертку, при которой указанные 625 строк передаются в виде двух полукадров (каждый из которых за 1/50 долю секунды) последовательной передачей сначала нечетных (первый полукадр), затем четных (второй полукадр) строк. Число строк развертки в секунду N = nz = 15 625, время передачи одной строки Т с = 64 мкс. Во время смены строк и кадров развертывающий луч приемной трубки должен быть погашен. Кроме того, необходимо осуществить синхронизацию лучей приемной и передающей трубок. Таким образом, дополнительно к сигналу изображения необходимо передавать вспомогательные управляющие импульсы (гасящие и синхронизирующие). Электрический сигнал, включающий в себя сигнал изображения и управляющие импульсы, называется полным телевизионным сигналом. Спектр телевизионного сигнала (видеосигнала) зависит от характера передаваемого изображения, но структура спектра определяется в основном разверткой. Анализ показал, что спектр телевизионного сигнала характеризуется наличием «сгустков» энергии в областях, «окружающих» гармоники частоты строк Fc = 15625 Гц. В результате экспериментальных исследований установлено, что для черно-белых изображений почти вся мощность видеосигналов сосредоточена в области частот от 0 до 1,5 МГц, причем основная мощность сигнала сосредоточена в области от 200 до 300 кГц. Наивысшая частота эффективной части спектра черно-белого видеосигнала составляет 6 МГц. Отношение сигнал/помеха определяется как отношение размаха сигнала к действующему напряжению помехи на выходе взвешивающего фильтра. Согласно рекомендации МККТТ (МККР) защищенность телевизионного сигнала от невзвешенной флуктуационной помехи долж-

34

на быть не хуже 57 дБ, а от взвешенной 48 дБ. При таком отношении сигнал/помеха глаз различает на экране кинескопа около I ~ 100 градаций яркости. Считая, что все градации яркости равновероятны, определим динамический диапазон и информационную содержательность телевизионного сигнала:

Видеотелефонный сигнал (изображения) имеет

Использование принципов факсвидеотелефонии в телеохранных системах (в системах телеэксперимента) [41].- Наинизшая передаваемая частота от телекамеры при черно-белом изображении вдоль строк (рис. 1.16, а) и равна 50 Гц при времени кадра Т = 20 мс. Время установления сигнала густ от черно-белой границы изображения, перпендикулярного строчному направлению разВертки, в теории и на практике принимают равным времени развертки одного элемента изображения гэ. Верхняя передаваемая частота спектра от изображения с максимальной информативностью в случае изображения, представленного на рис. 1.16,б.

Обозначим число строк разложения z, формат кадра к (это отношение размера строки к размеру кадра, в обычном телевидении 4/3, в телевидении высокой четкости 16/9), число передаваемых кадров в секунду п. Число элементов в строке Учитывая, что по вертикали укладывается г строк, число элементов в кадре

Число элементов, емых в одну секунду,

передава-

Л^о = Nn = knz 2 .

Рис. 1.16. Формы видеосигналов от телекамеры: а — при наинизшей передаваемой частоте; б—при максимальной передаваемой частоте

35

Таблица 1 . 1 . Разрешающая способность телефонного канала

Время передачи одного элемента

(1.3) а верхняя граничная частота спектра

Время передачи одного кадра, с 25 • 10

Число передаваемых элементов 13 600 34 000 68 000

Размеры квадратного растра (в элементах) 116x116 184x184 ■ 260x260

(1.4)

Детальное изучение вопроса сокращения полосы частот канала для передачи спектра телевизионного изображения показывает, что полоса частот канала может быть сокращена в р — 0,75.. .0,85 раз без какого-либо ущерба для восстановления изображения. В этом случае

Последнее выражение действительно для идеальной развертки. На самом деле существуют обратные ходы разверток строчной и кадровой. При времени затрат на строчный обратный ход а время прямого хода строчной развертки равно (1 — а)Т, а на кадровый обратный /? время кадра полезно развертываемых строк равно (1 — /3)z. В таком случае аТ затрачивается на возврат луча к началу следующей строки, a /3z строк будет потеряно за время обратного хода кадровой развертки. Верхняя граничная частота спектра телевизионного сигнала с учетом упомянутого выше

При р = 0,8; а = 0,18; 0 = 0,08 имеем / макс = 6 ■ 10 6 Гц. Полоса частот стандартного канала тональной частоты А/ к ан = = 3 0 0 . . . 3400 Гц, т.е. / маК с.кан = 3400 Гц. В простейшем варианте при .& = 1 и передаче одного кадра в секунду (п = 1) по стандартному каналу тональной частоты согласно (1.3) и (1.4) время передачи одного элемента

число передаваемых элементов в кадре

(т.е. 6800 элементов). При квадратном растре (N = г 2 ) число строк равно числу элементов в строке {z — 82,5). При 100 элементах на строке может быть передано 68 строк за 1с(4/3< 100/68 < 16/9). В табл. 1.1 представлена.зависимость разрешающей способности квадратного кадра от времени передачи такого кадра по стандартному каналу тональной частоты [3, 28]. Принцип передачи изображений в видеотелефонии ■— телевизионный, но передаются малоподвижные (малоизменяющиеся) изображения

(например разговаривающие друг с другом два собеседника) с целью резкого сокращения полосы передаваемых частот сверху. Основная задача факсимильной связи — передача неизменяющихся (неподвижных) изображений [50, 54]. В стандартной видеотелефонии для передачи изображения используется z = 240-и к = 1,1:1. Отсюда N 2 = 264. При / = 30 Гц и общем времени обратного хода развертки по горизонтали и вертикали 23 % времени развертки одного полного кадра /макс =240 -132 - 1 , 2 3 - 3 0 = 1,17 МГц. При к = 1 : 1 и N= 240 им е е м / м а к с = 1, 06 МГц. Если передавать один видеотелефонный кадр изображения в 1 с, то верхняя частота /макс, которая должна пропускаться каналом, составляет 1060 кГц : 30 = 35 кГц. При передаче одного кадра за 10 с / макс = 3,5 кГц, т.е. по сути. те. же 3,4 кГц (верхняя частота стандартного телефонного канала). Некоторые фирмы демонстрируют среди телевизионных охранных систем видеоконтрольные устройства (мониторы) с одновременным представлением двух (или четырех) изображений на мониторе (рис. 1.17). Обычно две (или четыре) телекамеры находятся здесь же рядом в нескольких метрах (или десятках метров) от монитора. Эту задачу гораздо сложнее выполнить, если использовать для передачи видеосигналов от телекамер к монитору стандартный телефонный канал (ведь даже в пределах одного города это может быть несколько десятков километров) [9]. Для одновременной передачи нескольких факсвидеотелефонных изображений используют принцип комбинационных многоканальных систем передачи с амплитудно-фазовой модуляцией. Для сокращения информационной избыточности факсвидеотелефонных изображений используют методы сжатия. Передачу изображений (отдельных кадров) через телефонную сеть уже осуществляют. Для примера на рис. 1.18 представлена структурно схема передачи отдельных виРис. 1.17 Несколько деокадров ВК по телефонной линии ТЛ. В случае использования подобной схемы для изображений на мониторе: а -— от двух телекамер; б — контроля (охраны) какого-то помещения на от четырех телекамер передающей стороне отсутствует ТВ монитор

36,

AF = F T

Рис. 1.20. Форма сигналов на выходе фильтра низких частот

Рис. 1.18. Передача изображений через телефонную сеть и ПЭВМ IBM PC (обведены пунктиром), но должна наличествовать память на один кадр. Адаптер А1 согласовывает скорость передачи видеоинформации кадра контроля с пропускной способностью телефонной линии (телефонного канала). На приемной стороне адаптер А2 согласовывает канальную скорость передачи с входными характеристиками устройства отображения информации УОИ. При необходимости можно получить документ в виде твердой копии ТК. Сигналы телеграфные, передачи данных, телетекс, телекс и двоичные телемеханики-телеизмерений. Эти сигналы имеют вид последовательностей двухполярных (рйс. 1.19,а) или однополярных (рис. 1.19,6) прямоугольных импульсов. Длительность импульсов определяется скоростью передачи В, измеряемой в бодах (или битах в секунду). Введем понятие тактовой частоты FT =; 1/ги, которая численно равна скорости передачи В. Определим минимальную полосу частот F, необходимую для передачи сигнала телетекс. Следует иметь в виду, что при передаче двоичных сигналов в приемнике достаточно зафиксировать только знак импульса при двухполярном сигнале, либо наличие или отсутствие а) импульса при одно-полярном сигнале. Если частотные характеристики канала связи приближаются к характеристикам идеального фильтра низкой частоты (ФНЧ), то эффективная полоса частот двоичного сигнала составляет A F = 0 , 5 F T ( р и с . 1 . 2 0 ) . П р и н ал и Рис. 1.19. Сигналы пе- чии частотных искажений в реальных редачи данных, телеграфии, те- каналах приходится несколько расшилекс и телетекс рить полосу частот, отводимую для пе-

38

редачи импульсных сигналов. Часто принимают AF = FT = В (см. рис. 1.20). 1 Для всех случаев AF = ( 0 , 5 . . . l ) F T . На стандартной странице А4 размещается 30...40 строк машинописного текста при 60 знаках на строке. Каждый знак кодируется 5.. .8 кодовыми посылками. Поэтому машинописная страница формата А4 несет 10...20 кбит сведений (данных). В табл. 1.2 сведены оцененные нами характеристики первичных сигналов, а также приведены характеристики сигналов телефонного (от микрофона) и радиовещания [48, 50]. i Мод уля ция и сп ектры л инейны х сигн алов. В об щем сл учае для осуществления модуляции на входы устройства с нелинейной характеристикой (модулятора) подают подлежащий передаче уже закодированный сигнал (модулирующее колебание Q .= 2wF) и высокочастотное колебание (несущую) с частотой и>. В результате работы модулятора (будь то AM, ЧМ ИЛИ ФМ) на его выходе имеются исходные колебания Q и и>, гармоники исходных колебаний 20, 2ш, 3fi, За> и т.д. и комбинационные составляющие второго порядка ш ± О,, третьего 2а> ± Q, ш ± 2Г2 порядка, четвертого, пятого и т.д. порядков. Из всего множества продуктов модуляции полезными являются лишь комбинационные составляющие второго порядка ш + Й (верхняя боковая) и ш — fi (нижняя боковая), с помощью которых и осуществляется передача сигнала от п ун кта А в п ун кт Б. Таблица 1.2. Основные характеристики сигналов передачи сообщений (информации) Ширина ДинамичесПикКол-во Сигнал спектра, кГц кий диапа- фактор сведений /мин /макс зон Dc, дБ Q, ДБ Сс, бит/с Факсимильный при скорости 120 строк/с: 0 24 4,5 полутоновый 1,465 11,7-Ю3 0 штриховой 1,465 2,93-Ю3 0 180 для передачи газетных 360-Ю3 полос Понятия не 0 Передачи данных, телекс, F T (0,5...1,0) употребляются Fx телетекс, телеграф 0 40 5 Телевизионный 6000 8010е 0 30 5 Видеотелефонный 1200 12-Ю6 3,4 40 12 Телефонный 0,3' 8-М3 60 15 Вещания 0,05 10 . 180-Ю3

39

полос значительно сокращается ширина передаваемой полосы частот сигнала и резко уменьшается мощность передаваемого сигнала. Сокращение передаваемой полосы частот позволяет организовать в одном и

мин/+-'мин/+-''макс F J -Гмакс /""-'мин /+-?мин /+-^ыакс г б)

в)

Рис. 1.21. К определению полос частот, передаваемых по линии связи, при разных методах передачи амплитудно-модулированных сигналов Комбинационные составляющие третьего, четвертого, пятого и высших порядков являются, с одной стороны, вредными (излишними) и от них избавляются (их подавляют), с другой стороны, они «полезны» для шпионов и разведчиков — с их «помощью» может утекать информация. При передаче по линии полного модулированного тока, состоящего из тока несущей частоты и токов обеих боковых полос, ширина полосы частот, передаваемых по линии, составит (рис. 1.21,а) При передаче по линии тока несущей частоты и только одной бо-

ковой полосы эта ширина будет равна (рис. 1.21,6)

При передаче же тока только одной боковой полосы (рис. 1.21,в) и) —* \J

-^MHHJ

\J

-^MaKcJ — ^макс

-^ мин-

Мощность модулированного сигнала, имеющего в своем составе ток несущей частоты, значительно больше мощности модулированного сигнала, в котором этот ток отсутствует. Большая мощность тока несущей частоты вынуждает применять более мощные усилители на оконечных и промежуточных станциях. Таким образом, при передаче в линию тока только одной из боковых

осуществляется при помощи специальных схем модуляторов, состоящих из двух и даже четырех нелинейных элементов. К таким преобразователям относятся балансные, мостиковые и кольцевые преобразователи. Диапазон неиспользуемой боковой полосы в современных многоканальных системах" используется для передачи тока боковой полосы соседнего канала. Для пояснения этого на рис. 1.22 приведено расположение на шкале частот пропускаемых и задерживаемых боковых полос у трех соседних каналов многоканальной системы.

1.4. Основные параметры и характеристики стандартных каналов электрорадиосвязи .

100,6

103,7 104,3

107,4

1.4.1. Аналоговый канал — массовый канал электрорадиосвязи

Рис. 1.22. Расположение частот пропускаемых (слева) и задерживаемых (справа) боковых полос трех соседних каналов I-III ' том же диапазоне частот, используемом в данной линии, большее число каналов и, следовательно, более эффективно использовать линейные сооружения, а уменьшение мощности передаваемого сигнала позволяет использовать менее мощные усилители и строить их как групповые. Поэтому современные многоканальные системы высокочастотной связи строят главным образом по методу передачи в линию только одной из боковых полос (ОБП) (рис. 1.21,б). Устранение тока несущей частоты из состава модулированного тока

40

Этот канал чаще называют каналом тональной частоты (каналом , ■ ■ . . • ■ Выполнение норм на основные параметры и характеристики кана лов ТЧ гарантирует необходимое качество телефонной связи в единой автоматизированной сети связи (ЕАСС) и при выходе на международ ную сеть связи, а также возможность использования каналов ТЧ для электронной почты, передачи данных, телеграфирования, факсимиль ной вязи,, передачи сигналов телемеханики, телеуправления, охранной сигнализации и пр. [9, 51]. V тч).

41

затухания (рис. 1.23). 4.Частотная характеристика фазового сдвига между выходным входным сигналами. . При передаче речи фазо-частотные искажения мало влияют на качество связи. Но так как каналы ТЧ используются также для электронной почты, передачи данных и факсимильной связи, большие фазочастотные искажения недопустимы. Для оценки фазовых искажений, 42 Рис. 1.23. Шаблон допускаемых отклонений остаточного затухания канала ТЧ Рис. 1.24. Пример частотной зависимости группового времени за паздывания (ГВЗ) иде' ального (I) и реального (II) каналов К основным параметрам и характеристикам аналоговых каналов электрорадиосвязи относятся следующие. 1.Входное Z BX и выходное ZBbix сопротивления и их допустимые отклонения от нормальных значений. 2.Остаточное затухание канала άρ — рабочее затухание канала, измеренное в условиях замыкания входа и выхода канала на активные сопротивления, соответствующие номинальным значениям входного и выходного сопротивлений, при этом частота испытательного сигнала, на которой измеряется остаточное затухание, равна 800 Гц:

где а{ — затухание г'-го участка, Sj — усиление j-ro усилителя. Нормированное (номинальное ) значение измерительного уровня а входе канала рвх. к = 0 дБ, на выходе рвых к = —8,7 дБ. Таким образом, номинальное остаточное затухание канала ТЧ составляет ар = 8,7 дБ, 3.Частотная характеристика остаточного затухания и эффективно передаваемая полоса частот, т.е. полоса частот, на границах которой остаточное затухание канала отличается от номинального не более чем на некоторое допустимое значение. В пределах эффективно передава емой полосы частот нормируются допустимые отклонения остаточного затухания от номинала. Один из возможных способов нормирования за ключается в задании «шаблона» допустимых отклонений остаточного

вносимых каналом, рассматривают частотную характеристику группового времени замедления (ГВЗ), определяемого как t = db(ω)/dω, где b — фазовый сдвиг. Нормируются отклонения ГВЗ от его значения на частоте 1900 Гц на одном транзитном участке длиной 2500 км (рис. 1.24). Отклонения ГВЗ составного канала с η транзитными участками будут в η раз больше. Большие искажения не позволяют получить необходимую скорость передачи, в связи с чем возникает задача их коррекции. Частотные характеристики остаточного затухания и фазового сдвига определяют линейные искажения канала связи. 5.Амплитудная характеристика — зависимость абсолютного уров ня мощности (напряжения) на выходе канала от абсолютного уровня мощности (напряжения) на входе канала, измеренная при некоторой об условленной частоте измерительного сигнала: рВых.к = /(Рвх.к); по ней судят о нелинейных искажениях. 6.Уровень (мощность) помех в точке с нулевым измерительным уровнем. Псофометрическая мощность помех в точке с нулевым изме рительным уровнем при максимальных протяженности связи и числе транзитов не должна превышать 50 000 пВт. Соответствующее значение невзвешенной допустимой мощности помех составляет 87 000 пВт. 7.Средний и пиковый (допустимые) уровни мощности сигналам' точке с нулевым измерительным уровнем и динамический диапазон канала . ■ I где Рс макс — максимальная допустимая мощность сигнала; Рп — мощность невзвешенных помех, отнесенные к точке с нулевым измерительным, уровнем. В точке с нулевым измерительным уровнем нормируемое среднее значение мощности сигнала составляет 32 мкВт, пиковое — 2200 мкВт. 8. Пропускная способность канала, бит/с,

Ск = А/1оё2(1 + Рс.ср/Рп),

(1.5)

где Δ/ — эффективно передаваемая полоса частот канала, Гц; Р с . ср — средняя мощность сигнала; Рп — невзвешенная средняя мощность помех, отнесенные к точке с нулевым измерительным уровнем. Оценим пропускную способность канала ТЧ. Подставив в выражение (1.5) значения Δ 1 / = 3400 - 300 = 3100. Гц, Р с . с р = 32 мкВт и Р п = 87000 π Вт, получим С к « 25 · 10 3 бит/с. .

1.4.2. Стандартный цифровой канал Стандартный цифровой канал (СЦК) с пропускной способностью 64 кбит/с разработан (широко используется, а в дальнейшем будет ис-

пользоваться еще шире) прежде всего для передачи речи в реальном времени, т.е. для обычной телефонии с целью передачи сигналов частот 0,3.. .3,4 кГц.

43

Рис. 1.25. Импульсно-кодовая модуляция сигнала: о — аналоговый; б — дискретизированный с периодом дискретизации Т; в — квантованный с шагом Δ (при семи разрешающих уровнях); г — кодированный трехразрядный с тактовой частотой следования импульсов ти

Чтобы полосу частот 0,3.. .3,4 кГц (аналоговый сигнал — речь) преобразовать в цифровой поток ср скоростью 64 кбит/с, осуществляют три операции: дискретизацию, квантование и кодирование. Дискретизация осуществляется на основании теоремы В.А. Котельникова, согласно которой частота дискретизации /д должна быть не менее чем в 2 раза больше верхней преобразуемой частоты /Б, т.е. /я ^ 2/в. Для телефонии /в = 3,4 кГц. Во всех цифровых системах передачи информации во всем мире / д = 8 кГц. Следовательно, при / д = 8 кГц период дискретизации Т д = 1// д = 125 мкс. После дискретизации сигнал имеет форму отдельных выборок (рис. 1.25,а,б), называемых амплитудно-импульсно-модулированным сигналом (АИМ сигналом). Сущность квантования состоит в замене произвольных (из аналогового сигнала рис. 1.25,о) амплитуд г'дим. разрешенными амплитудами, кратными шагу квантования Δ. Процесс квантования поясняется рис. 1.25,в. Должно быть понятно, что при квантовании весь диапазон изменения гдим разбивается на некоторое число примыкающих друг к другу областей, границами которых являются уровни квантования. Разность между двумя соседними уровнями называется шагом квантования. Если шаг квантования постоянен, то квантование называется равномерным. После квантования амплитуды импульсов уже не произвольны, а соответствуют ближайшим из разрешенных уровней. Можно сказать, что с математической точки зрения квантование эквивалентно округлению чисел до ближайшего целого. Такое округление всегда связано с появлением погрешности. Разность между квантованными и неквантованными ΑΙ/1Μ сигналами называется погрешностью квантования ζ = гдим ~~ ^кв.АИМ· Очевидно, что максимальное значение ζ не превосходит Δ/2. С уменьшением Δ погрешность квантования уменьшается. На слух погрешность воспринимается как шум, похожий, на

44

собственный. Поэтому помеху, вызванную квантованием, часто называют шумом квантования. При кодировании каждому из разрешенных уровней присваивается свое кодовое обозначение (кодовая комбинация). Нумерация уровней обычно осуществляется в двоичной системе счисления. Ее использование позволяет упростить техническую реализацию кодирующих устройств. Порядок нумерации может быть произвольным, важно только, чтобы Число уровней квантования не превосходило числа различных кодовых комбинаций. На практике чаще всего встречается система нумерации, основанная на симметричном двоичном коде, обладающая некоторыми преимуществами по сравнению с другими возможными вариантами. Именно эта система рекомендована МККТТ для использования в аппаратуре связи с ИКМ. В симметричном коде 1 в крайнем левом (старшем) разряде кодовой комбинации определяет полярность кодируемого импульса (1 соответствует положительной, 0 — отрицательной полярности), а символы в остальных разрядах—^- его абсолютное значение. Пример кодирования приведен на рис. Г.25,г.'3десь число уровней квантования принято равным семи. Для их нумерации достаточно трехразрядных двоичных чисел. Различных кодовых комбинаций, содержащих три символа, существует только восемь: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Число различных га-разрядных кодовых комбинаций

М = 2m.

(1.6)

Так как каждой кодовой комбинации ставится в соответствие один уровень квантования, то выражение (1.6) определяет максимальное число уровней квантования, которое может быть получено при использовании m-разрядных кодовых комбинаций. При m = 7 число различных семиразрядных комбинаций равно 128, погрешность квантования ξ · Μ; уз = 13 + 31(mod33) = 11 -+ К; г/4 = б + 24(mod 33) = 30 -*· Э; 2/s = Η + U(mod33) = 25 -+ Ш; 2/6 = 1 + 12(mod 33) = 13 -+ Μ. Шифртекст: «ТМКЭШМ». Шифры Бофора используют формулы:

у,- = ki — Xi(modn)

и yi

= χι — ki(modn). 239

Гомофоническая замена одному символу открытого текста ставит в соответствие несколько символов шифртекста. Этот метод применяется для искажения статистических свойств шифртекста. Пример 7.3. Открытый текст: «ЗАМЕНА». Подстановка зада на табл. 7.4. '

Таблица Ц. Подстановка алфавита гомофонической замены Алфавит открытого текста А Б Ε Ж 3 Μ Η Алфавит шифртекста

17 23 31 44 48 63

97 47 76 51 67 19 15 33 59

32 55 28 84 61 34

Шифртекст: «76 17 32 97 55 31»· Таким образом, при гомофонической замене каждая буква открытого текста заменяется по очереди цифрами соответствующего столбца. Полиалфавитная подстановка использует несколько алфавитов шифртекста. Пусть используется к алфавитов. Тогда открытый текст X = ΧχΧ 2 ■

заменяется шифртекстом У = ίΐ{Χί)Ϊ2{Χ2) ■ ■ ■ f k

где fi(xj) означает символ шифртекста алфавита г для символа открытого текста Xj. Пример 7.4. Открытый текст: «ЗАМЕНА», к = 3. Подстановка задана таблицей из примера 7.3. Шифртекст: «76 31 61 97 84 48». Полиграммная замена формируется из одного алфавита с помощью специальных правил. В качестве примера рассмотрим шифр Плэйфера [27, 62]. В этом шифре алфавит располагается в матрице. Открытый текст разбивается на пары символов ж,-, Xi+i- Каждая пара символов открытого текста заменяется на пару символов из матрицы следующим образом: если символы находятся в одной строке, то каждый из символов пары заменяется на стоящий правее его (за последним символом в строке следует первый); если символы находятся в одном столбце, то каждый символ пары заменяется на символ, расположенный ниже его в столбце (за последним нижним символом следует верхний); если символы пары находятся в разных строках и столбцах, то они считаются противоположными углами прямоугольника. Символ, находящийся в левом углу, заменяется ,на символ, стоящий в другом левом углу; замена символа, находящегося в правом углу, осуществляется аналогично;

240

если в открытом тексте встречаются два одинаковых символа подряд, то перед шифрованием между ними вставляется специальный символ (например тире). Пример 7.5. Открытый текст: «ШИФР ПЛЭЙФЕРА». Матрица алфавита представлена в табл. 7.5.

А Ч Ε С Ю

Таблица 7.5. Матрица алфавита шифра Плэйфера Ж Б Μ ц в Г Η ш д 0 Щ , X У π 3 ъ Ρ и й

ь к э τ л я D ы φ —

Шифртекст: «РДЫИ-СТ-И.ХЧС». При рассмотрении этих видов шифров становится очевидным, что чем больше длина ключа (например в шифре Вижинера), тем лучше шифр. Существенного улучшения свойств шифртекста можно достигнуть при использовании шифров с автоключом. Шифр, в котором сам открытый текст или получающаяся криптограмма используются в качестве ключа, называется шифром с автоключом. Шифрование в этом случае начинается с ключа, называемого первичным, и продолжается с помощью открытого текста или криптограммы, смещенной на длину первичного ключа. Пример 7.6. Открытый текст: «ШИФРОВАНИЕ ЗАМЕНОЙ». Первичный ключ: «КЛЮЧ». Схема шифрования с автоключом при использовании открытого текста представлена в табл. 7.6.

Таблица 7.6. Схема шифрования с автоключом при использовании открытого текста ш и Φ Ρ 0 в А Η и Ε D 3 А Μ Ε Η 0 Й к л ю ч Ш ι Φ Ρ О В А Η И Ε D 3 Α Μ 36 21 52 41 40 12 22 31 24 09 34 22 10 19 39 22 16 23 Φ Τ 3 Ж Л X ю И А X й Τ Ε Χ Π Ц

в

ч

Схема шифрования с автоключом при использовании криптограммы представлена в табл. 7.7.

Таблица 7.7. Схема шифрования с автоключом при использовании криптограммы Φ Ρ О в А Η И Ε D 3 А Μ Ε Η 0 Й ш 1/ 1 к л ю ч в φ Τ 3 С Ч У X Ъ э У э ы Й 36 21 52 41 18 24 20 22 27 30 53 30 24 43 26 44 39 20 Φ Τ 3 С Ч У X Ъ э У э Ы Й щ К Й. У

в

241

Для шифрования используются и другие методы перестановки символов открытого текста в соответствии с некоторыми правилами. Пример 7.7. Открытый текст: «ШИФРОВАНИЕ ПЕРЕСТАНОВКОЙ». Ключ (правило перестановки): группы из восьми букв с порядковыми номерами 1 2 ... 8 переставить в порядок 3 8 1 5 2 7 6 4 .

Шифртекст: «ФНШОИАВРПСИЕЕЕРПНИТВАОКО». Можно использовать и усложненную перестановку. Для этого открытый текст записывается в матрицу по определенному ключу Κι. Шифртекст образуется при считывании из этой матрицы по ключу ΚιПример -7.8. Открытый текст: «ШИФРОВАНИЕ ПЕРЕСТАНОВКОЙ». Матрица из четырех столбцов приведена в табл. 7.8, где запись по строкам в соответствии с ключом К\\ 5 3 1 2 4 6, а чтение по столбцам в соответствии с ключом Кг: 4 2 3 1.

Таблица 7.8. Матрица алфавита с перестановкой из четырех столбцов 1 2 3 4 5 6

И Ε О Τ

ш

в1

Ε Ρ

D π Ε с вА АΗ Η о И Φ Ρ к О й 2

3

4

Шифртекст: «ПСНОРЙЕРВАИШЕАНФОИЕОТШВ». Наиболее сложные перестановки осуществляются по гамильтоновым путям, которых в графе может быть несколько. Пример 7.9. Открытый текст: «ШИФРОВАНИЕ ПЕРЕСТАНОВКОЙ». Ключ — гамильтонов путь на графе (рис. 7.2). Шифртекст: «ШАОНИРФВИЕЕСЕППРТОВЙАОНК».

7

_J

Чтение криптограммы -* ( 1 - 7 - 5 - 8 - 2 - 4 - 3 - 6 ) Запись открытого текста .» ( 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 )

242

Рис. 7.2. графе

Гамильтонов путь на

Необходимо отметить, что для данного графа из восьми вершин можно предложить несколько маршрутов записи открытого текста и несколько гамильтоновых путей для чтения криптограмм. В 1991 г. В.М. Кузьмич предложил схему перестановки, основанную на кубике Рубика. Согласно этой схеме открытый текст записывается в ячейки граней куба по строкам. После осуществления заданного числа заданных поворотов слоев куба считывание шифртекста осуществляется по столбцам. Сложность расшифрования в этом случае определяется числом ячеек на гранях куба и сложностью выполненных поворотов слоев. Перестановка, основанная на кубике Рубика, получила название объемной (многомерной) перестановки [27]. В 1992-94 гг. идея применения объемной перестановки для шифрования открытого текста получила дальнейшее развитие. Усовершенствованная схема перестановок по принципу кубика Рубика, в которой наряду с открытым текстом перестановке подвергаются и функциональные элементы самого алгоритма шифрования, легла в основу секретной системы «Рубикон». В качестве прообразов пространственных многомерных структур, на основании объемных преобразований которых осуществляются перестановки, в системе «Рубикон» используются трехмерный куб и тетраэдр.

7.3. Шифрование с помощью датчика псевдослучайных чисел Принцип шифрования заключается в генерации гаммы шифра с помощью генератора псевдослучайных чисел (ПСЧ) и наложении полученной гаммы на открытые данные обратимым образом (например при использовании логической операции «Исключающее ИЛИ»). Расшифрование данных сводится к повторной генерации гаммы шифра при известном ключе и наложению этой гаммы на зашифрованные данные. Зашифрованное сообщение достаточно трудно для несанкционированного расшифрования (раскрытия) в том случае, если гамма шифра не содержит повторяющихся битовых последовательностей или если период гаммы превышает длину всего зашифрованного сообщения и неизвестна никакая часть исходного текста. Шифр можно раскрыть только прямым перебором (подбором ключа). В этом случае криптостойкость определяется размером ключа. Чтобы получить линейные последовательности элементов гаммы, длина которых превышает размер шифруемых сообщений, используются генераторы ПСЧ. Например, линейный генератор ПСЧ вырабатывает последовательности псевдослучайных чисел Т{г), описываемые соотношением

Т(г + 1) = [АТ{г) + С] mod Μ,

где А и С — константы; Г(г) — исходная величина, выбранная в качестве порождающего числа [здесь Т(0) = Т(г)]. 243

Такой датчик ПСЧ генерирует псевдослучайные числа с определенным периодом повторения, зависящим от выбранных значений А и С. Значение Μ обычно устанавливается равным 2Ь, где Ъ — длина последовательности (слова ЭВМ) в битах. Различают методы конечной гаммы и бесконечной гаммы. В качестве конечной гаммы может использоваться фраза, в качестве бесконечной — последовательность, вырабатываемая датчиком псевдослучайных чисел.

Пример 7.7. Открытый текст: «ПРИКАЗ» («16 17 09 11 01 08» согласно табл. 7.1). Гамма: «ГАММА» («04 01 13 13 01»), Операция: сложение no mod 33.

2/1 = 16 + 4(mod33) = 20; у 2 = 17+'l(mod33)= 18; уз = 9+ 13(mod 33) = 22; уА = 11+I3(mod33) = 24; y 5 = l+l(mod33) = 2; j/6 = 8 + 4(mod33) = 12. Шифртекст: «УСХЧБЛ» («20 18 22 24 02 12».). Пример 7.11. Открытый текст: «ПРИКАЗ» («16 17 09 11 01 08» согласно табл. 7.1). Первые значения датчика: « 2 1 7 9 4 5 6 7». Операция: сложение no mod 2. Запишем код каждой буквы открытого текста в двоичном виде, используя пять разрядов, а каждую цифру гаммы — используя четыре рязряда:

10000 10001 01001 01011 00001 01000 Θ 00010 00001 00111 01001 00100 00101. 10010 10000 OHIO 00010 00101 01101 Шифртекст: «СПНБДК».

7.4. Стандарт шифрования данных DES — государственный стандарт США Стандарты по защите данных ЭВМ от несанкционированного доступа требовались в таких областях, как шифрование, установление подлинности личности и данных (аутентификация), контроль доступа, надежное хранение и передача данных. В результате сотрудничества трех организаций США—■ Национального бюро стандартов (NBC), Управления национальной безопасности (NSA) и фирмы IBM подобный стандарт, 244

получивший название DES (Data Encryption Standart) был разработан и опубликован в 1975 г. в специальном издании Federal Register, Его публикация вызвала полемику среди специалистов в области защиты информации. После двухлетних испытаний с целью поиска в алгоритме DES «тайной лазейки», а также по экономическим вопросам (в частности, по установлению длины ключа) было принято решение оставить стандарт без изменений. В алгоритме не было обнаружено никаких «лазеек». Эффективная длина ключа в 56 бит вполне удовлетворяла потенциальных пользователей на ближайшие 15 ... 20 лет, так как общее число ключей в этом случае оценивалось цифрой 7,6-Ю16. Важно подчеркнуть, что стандарт DES стал одним из первых «открытых» шифроалгоритмов. Все схемы, используемые для его реализации, были опубликованы и тщательно проверены. Секретным был только ключ, с помощью которого осуществляется кодирование и декодирование информации. Алгоритм DES базируется на научной работе Шеннона 1949 г., связавшей криптографию с теорией информации. Шеннон выделил два общих принципа, используемых в практических шифрах: рассеивание и перемешивание. Рассеиванием он назвал распространение влияния одного знака открытого текста на множество знаков шифротекста, что позволяет скрыть статистические свойства открытого текста. Под перемешиванием Шеннон понимал использование взаимосвязи статистических свойств открытого и шифрованного текста. Однако шифр должен не только затруднять раскрытие, но и обеспечивать легкость шифрования и дешифрования при известном секретном ключе. Поэтому была принята идея использовать произведение простых шифров, каждый из которых вносит небольшой вклад в значительное суммарное рассеивание и перемешивание. В составных шифрах в качестве элементарных составляющих чаще всего используются простые подстановки и перестановки. Подстановка относится к простейшим методам шифрования. Ключом является переставленный алфавит, буквами которого заменяют буквы нормального алфавита. Так, если букву А заменить на Б, Б на В и т.д., то слово ОХРАНА будет выглядеть как ПЦСБОБ. Шифрование простой подстановкой на коротких алфавитах типа латинского и русского обеспечивает слабую защиту лежащего в основе открытого текста. Дело в том, что распределение частот появления отдельных символов в открытом тексте сохраняется неизменным в шифротексте [10, 27]. Однако если подстановка делается в очень большом алфавите, а вероятность повторения каждого символа открытого текста в течение времени использования одного ключа мала, то стилистические свойства шифра дают очень мало информации криптоаналитику и шифр становится достаточно стойким. В случае перестановки переставляются не буквы алфавита, а буквы в сообщении открытого текста. Распределение частот отдельных .

·

·

·

·■

245

символов оказывается в шифрованном тексте таким же, что и в открытом тексте, однако распределения более высоких порядков оказываются перемешанными. В качестве примера рассмотрим перестановку, задаваемую таблицей:

1 6

2 4

3 2

4 5 1 3

б 5

При этом открытый текст разбивается на отдельные сообщения по б символов, и в каждом сообщении буквы переставляются следующим порядком: первый знак становится шестым, второй — четвертым и т.д. Тогда слово ОХРАНА преобразуется в ААХОРН. Если к результату перестановки применить описанную выше подстановку, получим ББЦПСО. При многократном чередовании простых перестановок и подстановок можно получить очень стойкий шифр (криптоалгоритм) с хорошим рассеиванием и перемешиванием. Стандарт шифрованных данных DES — один из наиболее удачных примеров криптоалгоритма, разработанного в соответствии с принципами рассеивания и перемешивания. В нем открытый текст, криптограмма и ключ являются двоичными последовательностями длиной соответственно Μ — 64, N = 64, К = 56 бит. Криптоалгоритм DES представляет собой суперпозицию элементарных шифров, состоящую из 16 последовательных шифроциклов, в каждом из которых довольно простые перестановки с подстановками в четырехбитовых группах. В каждом проходе используются лишь 48 бит ключа, однако они выбираются внешне случайным образом из полного 56-битового ключа. Алгоритм DES используется как для шифрования, так и для установления подлинности (аутентификации) данных. Он способен функционировать в четырех основных режимах: электронной кодовой книги (ЕСВ), обратной связи по шифротексту (CFB), сцепления блоков шифра (СВС) и обратной связи по выходу (OFB). Каждому режиму свойственны свои преимущества и недостатки: режим ЕСВ хорошо подходит для шифрования ключей; режим CFB обычно предназначается для шифрования отдельных символов; режим OFB нередко применяется для шифрования в спутниковых системах связи. Режимы СВС и CFB пригодны для аутентификации данных. Они позволяют использовать алгоритм DES при обмене данными между терминалом и главной ЭВМ, шифрования криптографического ключа в процедурах автоматизированного распределения ключей, шифрования файлов, почтовых отправлений, спутниковой информации и для ряда других практических задач. Прошло уже более 20 лет с момента опубликования DES в открытой литературе. Несмотря на интенсивные и тщательные исследования алгоритма специалистами, сообщений об его уязвимых местах не поступало. Единственное средство для его «взлома» — полный перебор ключей. Как уже упоминалось, это сделать весьма непросто: для проведения подобной силовой атаки, последовательно использующей каждый из почти 1017 ключей, требуется специальная многопроцессорная ЭВМ. 246

7.5. ГОСТ 28147-89 — отечественный стандарт на шифрование данных В нашей стране установлен единый алгоритм криптографического преобразования данных для систем обработки информации в сетях ЭВМ, отдельных вычислительных комплексах и ЭВМ, который определяется ГОСТ 28X47-89 [32]. Алгоритм криптографического преобразования данных предназначен для аппаратной или программной реализации, удовлетворяет криптографическим требованиям и не накладывает ограничений на степень секретности защищаемых сообщений (информации). Из-за сложности этого алгоритма здесь будут приведены только основные его концепции. Чтобы подробно изучить алгоритм криптографического преобразования, следует обратиться к ГОСТ 28147-89 [39]. Приведенный ниже материал должен использоваться лишь как ознакомительный. При описании алгоритма приняты следующие обозначения. Если L и R —■- это последовательности бит, то LR будет обозначать конкатенацию последовательностей L и R. Под конкатенацией последовательной L и R понимается последовательность бит, размерность которой равна сумме размерностей L и R. В этой последовательности биты последовательности R следуют за битами последовательности L. Конкатенация битовых строк является ассоциативной, т.е. запись ABCDE обозначает, что за битами последовательности А следуют биты последовательности В, затем Си т.д. Символом (+) обозначается операция побитового сложения по модулю 2, символом [+]. — операция сложения по модулю 2 32 двух 32разрядных чисел. Числа суммируются по следующему правилу:

. А[+)В = А+В, если А + В < 232 А[+]В = А+В-232, если А + В > 232. Символом {+} обозначается операция сложения по модулю 232 —1 двух 32-разрядных чисел. Правила суммирования чисел следующие:

А{+}В -А+В, если А + В разбивают на блоки по 64 бит в каждом, которые можно, 0 обозначить T(j). Очередная последовательность бит T(j) разделяется н-1*на две nocnefl°BaTejibHOCTn 5(0) (левые или старшие биты) и А(0) (пра&ь/ ые или мла Д шие биты), каждая из которых содержит 32 бита. Затем к выполняется итеративный процесс шифрования, который описывается ^ следующими формулами:

при i = : 1. 2....... 24; j = (i-l)( mod8) '

Α{ϊ) = f(A(i - l)[+] X(j)(+)B(i - I ) ) ; ' .

·при i =

B(i) = A(i-l); 25, 26....... 3 1 ; j = 3 2 - i

B(i) = A(i - 1); 32

при г

5(32) = f(A(n)[+]X(0)(+)B(31)),, где г обозначав67 номеР итерации (г = 1,2,..., 32). Функция / называется функцией ШЦ/'ФР06341151· ^е аргументом является сумма по модулю 232 числа А(г) h Полученного на предыдущем шаге итерации, и числа X(j) ключа (разм»^ е Р ность каждого из этих чисел равна 32 знакам). Функции ' шифрования включает две операции над полученной 32разрядной cvi/MWIOM· Первая операция называется подстановкой К. Блок подстановки » К состоит из восьми узлов замены К(1).. -^(8) с памятью 64 бит каждь>ц1|й· Поступающий на блок подстановки 32-разрядный вектор разбивается и^г восемь последовательно идущих 4-разрядных векторов, каждый из ц^оторых преобразуется в 4-разрядный вектор соответствующим узлом* замены, представляющим собой таблицу из шестнадцати Б целых чисел Диапазоне 0 ... 15. Входной! вектор определяет адрес строки в таблице, число из которой являе-м'ся выходным вектором. Затем 4-разрядные выходные векторы последоЯвательно объединяются в 32-разрядный вектор. Таблицы блока подстд Энов ки К содержат ключевые элементы, общие для сети ЭВМ и редк^ изменяемые. Вторая