صوت آمن

الصوت الآمن (أو الكلام الآمن أو التشفير الصوتي ) هو مصطلح في علم التشفير يشير إلى تشفير الاتصالات الصوتية عبر مجموعة من أنواع الاتصالات مثل الراديو أو الهاتف أو بروتوكول الإنترنت .

يعود استخدام تشفير الصوت إلى الحرب العالمية الثانية، حين كانت الاتصالات الآمنة ذات أهمية قصوى للقوات المسلحة الأمريكية. في ذلك الوقت، كان يتم إضافة ضوضاء إلى الإشارة الصوتية لمنع الأعداء من التنصت على المحادثات. تتم إضافة الضوضاء بتشغيل تسجيل صوتي متزامن مع الإشارة الصوتية، وعندما تصل الإشارة الصوتية إلى جهاز الاستقبال، تُطرح إشارة الضوضاء، تاركةً الإشارة الصوتية الأصلية. ولطرح الضوضاء، كان على جهاز الاستقبال الحصول على نفس إشارة الضوضاء تمامًا، وكانت تسجيلات الضوضاء تُسجل في أزواج فقط؛ واحد للمرسل وواحد لجهاز الاستقبال. وجود نسختين فقط من التسجيلات يجعل من المستحيل على جهاز استقبال خاطئ فك تشفير الإشارة. لتطبيق هذا النظام، تعاقد الجيش مع مختبرات بيل ، التي طورت نظامًا يُسمى SIGSALY . في نظام SIGSALY، استُخدمت عشر قنوات لأخذ عينات من طيف تردد الصوت من 250  هرتز إلى 3  كيلوهرتز، وقناتان لأخذ عينات من درجة الصوت والضوضاء الخلفية. في زمن مشروع SIGSALY، لم يكن الترانزستور قد طُوّر بعد، وكانت عملية أخذ العينات الرقمية تتم بواسطة دوائر تستخدم صمام ثايراترون المفرغ من طراز 2051. استخدم كل طرفية من أطراف SIGSALY أربعين رفًا من المعدات، بلغ وزنها 55 طنًا، وشغلت غرفة كبيرة. تضمنت هذه المعدات أجهزة إرسال واستقبال لاسلكية، بالإضافة إلى مشغلات أسطوانات فونوغرافية ضخمة. كان الصوت يُضبط على أسطوانتين من الفينيل مقاس 410 ملم (16 بوصة) تحتويان على نغمة صوتية بتقنية إزاحة التردد (FSK). كانت الأسطوانات تُشغل على مشغلات أسطوانات دقيقة وكبيرة بالتزامن مع إرسال الصوت. 

منذ ظهور تشفير الصوت وحتى اليوم، شهدت تقنيات التشفير تطورًا هائلًا. فقد حلت التكنولوجيا الرقمية محل الطرق التناظرية القديمة لتشفير الصوت، وبفضل استخدام خوارزميات معقدة، أصبح تشفير الصوت أكثر أمانًا وكفاءة. ومن أحدث طرق تشفير الصوت تقنية التشفير الفرعي (Sub-band code). في هذه التقنية، تُقسّم إشارة الصوت إلى نطاقات تردد متعددة، باستخدام مرشحات تمرير نطاق متعددة تغطي نطاقات تردد محددة. ثم تُحوّل إشارات الخرج من مرشحات تمرير النطاق إلى ترددات منخفضة لتقليل عرض النطاق، مما يقلل معدل أخذ العينات. بعد ذلك، تُكمّم إشارات الترددات المنخفضة وتُشفّر باستخدام تقنيات خاصة مثل تعديل رمز النبض (PCM). بعد مرحلة التشفير، تُجمع الإشارات وتُرسل عبر شبكة الاتصالات. وعندما تصل الإشارة إلى جهاز الاستقبال، تُطبّق عليها عمليات عكسية لإعادتها إلى حالتها الأصلية. ^{[ 1 ]} وقد طُوّر نظام تشويش الكلام في مختبرات بيل في سبعينيات القرن الماضي على يد سوبهاش كاك ونيكيل جايانت . ^{[ ٢ ]} في هذا النظام، استُخدمت مصفوفات التبديل لتشويش التمثيلات المشفرة (مثل تعديل رمز النبض ومتغيراته) لبيانات الكلام. طورت موتورولا نظام تشفير صوتي يُسمى الحماية الصوتية الرقمية (DVP) كجزء من الجيل الأول من تقنيات التشفير الصوتي. يستخدم DVP تقنية تشفير ذاتية التزامن تُعرف باسم التغذية الراجعة للتشفير (CFB). إن العدد الهائل من المفاتيح المحتملة المرتبطة بخوارزمية DVP المبكرة، يجعل الخوارزمية قوية للغاية وتوفر مستوى عالٍ من الأمان. وكما هو الحال مع أنظمة التشفير الأخرى ذات المفتاح المتناظر، فإن مفتاح التشفير مطلوب لفك تشفير الإشارة باستخدام خوارزمية فك تشفير خاصة.

يتضمن نظام الصوت الرقمي الآمن عادةً مكونين: مُحَوِّل رقمي لتحويل الكلام إلى إشارات رقمية، ونظام تشفير لضمان السرية. ومن الصعب عمليًا إرسال الإشارة المشفرة عبر دوائر الاتصال الصوتية نفسها المستخدمة لنقل الصوت غير المشفر، مثل خطوط الهاتف التناظرية أو أجهزة الراديو المحمولة ، نظرًا لتوسع عرض النطاق الترددي.

وقد أدى ذلك إلى استخدام مُشفِّرات الصوت ( vocoders ) لتحقيق ضغط نطاق ترددي مُحكم لإشارات الكلام. وتُعدّ أنظمة STU-III وKY-57 و SCIP التابعة لوكالة الأمن القومي أمثلةً على أنظمة تعمل عبر دوائر الصوت الحالية . في المقابل، يتطلب نظام STE خطوط ISDN ذات نطاق ترددي واسع للتشغيل العادي. أما بالنسبة لتشفير GSM و VoIP ، وهما تقنيتان رقميتان في الأصل، فيمكن استخدام بروتوكول ZRTP القياسي كتقنية تشفير شاملة .

تستفيد متانة الصوت الآمن بشكل كبير من ضغط بيانات الصوت إلى معدلات بت منخفضة للغاية بواسطة مكون خاص يُسمى ترميز الكلام أو ضغط الصوت أو مُشفّر الصوت (المعروف أيضًا باسم مُشفّر الصوت ). تشمل معايير ضغط الصوت الآمن القديمة CVSD و CELP و LPC-10e و MELP ، بينما يُعدّ معيار MELPe الأحدث والأكثر تطورًا.

يُعدّ معيار MELPe ، أو MELP المُحسّن (التنبؤ الخطي بالإثارة المختلطة)، معيارًا لترميز الكلام تابعًا لوزارة الدفاع الأمريكية، ويُستخدم بشكل رئيسي في التطبيقات العسكرية والاتصالات عبر الأقمار الصناعية، بالإضافة إلى أنظمة الصوت الآمنة وأجهزة الراديو الآمنة. وقد قادت وكالة الأمن القومي الأمريكية (NSA ) وحلف شمال الأطلسي (الناتو) عملية تطويره بدعمٍ منه. يُعرف معيار MELPe الأمريكي للصوت الآمن أيضًا باسم MIL-STD-3005، بينما يُعرف معيار MELPe الخاص بالناتو باسم STANAG -4591.

ابتكر آلان مكري أول نظام ترميز صوتي بتقنية MELP حوالي عام 1995. ^{[ 3 ]} وتم توحيد هذا النظام في عام 1997 تحت مسمى MIL-STD-3005. ^{[ 4 ]} وقد تفوق على أنظمة الترميز الصوتي الأخرى المرشحة في مسابقة وزارة الدفاع الأمريكية، بما في ذلك: (أ) نظام الترميز التوافقي الانتقائي للتردد (FSHC)، (ب) نظام الإثارة متعدد النطاقات المتقدم (AMBE)، (ج) نظام الإثارة متعدد النطاقات المحسن (EMBE)، (د) نظام الترميز بتحويل الموجة الجيبية (STC)، و(هـ) نظام الترميز LPC للنطاقات الفرعية (SBC). ونظرًا لانخفاض تعقيده مقارنةً بنظام الترميز الموجي الاستيفائي (WI)، فاز نظام MELP في مسابقة وزارة الدفاع الأمريكية وتم اختياره لمعيار MIL-STD -3005.

بين عامي 1998 و2001، تم تطوير مُشفِّر صوتي جديد قائم على معيار MELP بنصف معدل البت (أي 1200  بت/ثانية)، وأُضيفت تحسينات جوهرية إلى معيار MIL-STD-3005 من قِبل شركات SignalCom (التي استحوذت عليها مايكروسوفت لاحقًا )، وAT&T Corporation ، و Compandent ، شملت ما يلي: (أ) مُشفِّر صوتي جديد إضافي بنصف معدل البت (أي 1200 بت/ثانية)، (ب) تحسين كبير في التشفير (التحليل)، (ج) تحسين كبير في فك التشفير (التوليف)، (د) معالجة مسبقة للضوضاء لإزالة ضوضاء الخلفية، (هـ) تحويل الترميز بين تدفقات البت بمعدل 2400  بت/ثانية و1200  بت/ثانية، و(و) مُرشِّح لاحق جديد. كان الهدف من هذا التطوير المهم هو إنشاء مُشفِّر جديد بنصف معدل البت وجعله متوافقًا مع معيار MELP القديم. تم اعتماد بروتوكول MELP المحسّن (المعروف أيضًا باسم MELPe) كمعيار MIL-STD-3005 الجديد في عام 2001، وذلك من خلال ملاحق وإضافات أُضيفت إلى المعيار الأصلي، مما أتاح الحصول على نفس جودة بروتوكول MELP القديم بسرعة 2400 بت/ثانية بنصف السرعة. ومن أهم مزايا بروتوكول  MELPe الجديد بسرعة 2400 بت/ثانية أنه يستخدم نفس تنسيق البتات الخاص ببروتوكول MELP، وبالتالي يمكنه العمل مع أنظمة MELP القديمة، ولكنه يوفر جودة أفضل في كلا الطرفين. يوفر MELPe جودة أفضل بكثير من جميع المعايير العسكرية القديمة، لا سيما في البيئات الصاخبة مثل ساحات المعارك والمركبات والطائرات.

في عام 2002، وبعد منافسة واختبارات مكثفة،  اعتُمدت تقنية MELPe التابعة لوزارة الدفاع الأمريكية، بتردد 2400 و1200 بت/ثانية، كمعيار لحلف الناتو ، والمعروفة باسم STANAG -4591. ^{[ 5 ]} وكجزء من اختبارات الناتو لمعياره الجديد، خضعت MELPe للاختبار مقارنةً بتقنيات أخرى مرشحة، مثل HSX (الإثارة التوافقية العشوائية) الفرنسية، و SB -LPC (الترميز التنبؤي الخطي ذو النطاق المنفصل) التركية ، بالإضافة إلى معايير الصوت الآمنة القديمة، مثل FS1015 LPC-10e (2.4  كيلوبت/ثانية)، و FS1016 CELP (4.8  كيلوبت/ثانية)، و CVSD (16  كيلوبت/ثانية). لاحقًا، فازت MELPe أيضًا في منافسة الناتو، متفوقةً على جميع التقنيات المرشحة الأخرى، فضلًا عن جودة جميع معايير الصوت الآمنة القديمة (CVSD و CELP و LPC-10e ). خلصت مسابقة الناتو إلى أن نظام MELPe قد حسّن الأداء بشكل ملحوظ (من حيث جودة الكلام ووضوحه ومقاومته للتشويش)، مع تقليل متطلبات الإنتاجية. وشملت اختبارات الناتو أيضًا اختبارات التوافق التشغيلي، باستخدام أكثر من 200 ساعة من بيانات الكلام، وأُجريت في ثلاثة مختبرات اختبار حول العالم. وقامت شركة Compandent Inc، كجزء من مشاريع MELPe التي نُفذت لصالح وكالة الأمن القومي الأمريكية (NSA ) وحلف الناتو ، بتزويد الوكالة والحلف بمنصة اختبار خاصة تُعرف بجهاز MELCODER ، والتي مثّلت المرجع الذهبي لتطبيق MELPe في الوقت الفعلي. وتُعدّ أجهزة FLEXI-232 الطرفية للبيانات (DTE) منخفضة التكلفة، المصنّعة من قِبل Compandent والمستندة إلى المرجع الذهبي MELCODER ، شائعة الاستخدام على نطاق واسع لتقييم واختبار MELPe في الوقت الفعلي، عبر قنوات وشبكات متنوعة، وفي ظروف ميدانية مختلفة.

خلصت مسابقة الناتو إلى أن نظام MELPe قد حسّن الأداء بشكل ملحوظ (من حيث جودة الكلام ووضوحه ومقاومته للضوضاء)، مع تقليل متطلبات الإنتاجية. كما شملت اختبارات الناتو اختبارات التوافق التشغيلي، واستخدمت أكثر من 200 ساعة من بيانات الكلام، وأُجريت في ثلاثة مختبرات اختبار حول العالم.

في عام 2005، أُضيف إصدار جديد  من بروتوكول MELPe بمعدل 600 بت/ثانية من قِبل مجموعة تاليس ( فرنسا ) (دون منافسة واختبارات مكثفة كما هو الحال بالنسبة لبروتوكول MELPe بمعدل 2400/1200 بت/ثانية) ^{[ 6 ]} إلى معيار الناتو STANAG-4591، وهناك جهود أكثر تقدماً لخفض معدلات البت إلى 300 بت/ثانية وحتى 150 بت/ثانية. ^{[ 7 ]}

في عام 2010، قامت مختبرات لينكولن، وكومباندنت ، وبي بي إن، وجنرال دايناميكس بتطوير جهاز MELP بسرعة 300 بت/ثانية لصالح وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA). ^{[ 8 ]} كانت جودته أفضل من جهاز MELPe بسرعة 600 بت/ثانية، لكن زمن تأخيره كان أطول.

• جهاز تشويش إذاعي
• ميلبي
• مساعدة
• علم التشفير
• ضوضاء شبه عشوائية
• سيغسالي
• SCIP
• هاتف آمن
• معدات طرفية آمنة
• فينسون
• شبكة افتراضية خاصة عبر بروتوكول الإنترنت (VoIP VPN)
• أنظمة التشفير التابعة لوكالة الأمن القومي
• ZRTP
• حوض السمك (هاتف آمن)