Scrambler - Scrambler

Nas telecomunicações , um codificador é um dispositivo que transpõe ou inverte sinais ou de outra forma codifica uma mensagem do lado do remetente para tornar a mensagem ininteligível em um receptor não equipado com um dispositivo de decodificação configurado apropriadamente. Enquanto a criptografia geralmente se refere a operações realizadas no domínio digital , o embaralhamento geralmente se refere a operações realizadas no domínio analógico . A codificação é realizada pela adição de componentes ao sinal original ou pela alteração de algum componente importante do sinal original para dificultar a extração do sinal original. Exemplos do último podem incluir a remoção ou alteração dos pulsos de sincronização vertical ou horizontal em sinais de televisão; as televisões não serão capazes de exibir uma imagem desse tipo de sinal. Alguns embaralhadores modernos são, na verdade , dispositivos de criptografia , o nome remanescente devido às semelhanças no uso, em oposição à operação interna.

Em telecomunicações e gravação , um misturador (também conhecido como randomizador ) é um dispositivo que manipula um fluxo de dados antes de transmitir. As manipulações são revertidas por um decodificador no lado receptor. O embaralhamento é amplamente utilizado em satélite , comunicações de retransmissão de rádio e modems PSTN . Um scrambler pode ser colocado logo antes de um codificador FEC , ou pode ser colocado depois do FEC, logo antes da modulação ou código de linha . Um misturador, neste contexto, não tem nada a ver com criptografia , já que a intenção não é tornar a mensagem ininteligível, mas dar aos dados transmitidos propriedades úteis de engenharia.

Um misturador substitui sequências (conhecidas como sequências de clareamento ) por outras sequências sem remover sequências indesejáveis ​​e, como resultado, altera a probabilidade de ocorrência de sequências vexatórias. Claramente, não é à prova de falhas, pois há sequências de entrada que produzem todos zeros, todos uns ou outras sequências de saída periódicas indesejáveis. Um misturador, portanto, não é um bom substituto para um código de linha , que, por meio de uma etapa de codificação, remove sequências indesejadas.

Objetivos de embaralhamento

Um misturador (ou randomizador) pode ser:

  1. Um algoritmo que converte uma string de entrada em uma string de saída aparentemente aleatória de mesmo comprimento (por exemplo, selecionando pseudo-aleatoriamente os bits a serem invertidos), evitando assim longas sequências de bits do mesmo valor; neste contexto, um randomizador também é conhecido como um misturador.
  2. Uma fonte analógica ou digital de bits de saída imprevisíveis (ou seja, alta entropia), imparciais e geralmente independentes (ou seja, aleatórios). Um gerador "verdadeiramente" aleatório pode ser usado para alimentar um gerador de número aleatório pseudo-aleatório determinístico (mais prático) , que estende o valor de semente aleatório .

Existem duas razões principais pelas quais o embaralhamento é usado:

  • Para permitir a recuperação de tempo precisa no equipamento receptor sem recorrer a codificação de linha redundante. Facilita o trabalho de um circuito de recuperação de temporização (ver também recuperação de relógio ), um controle automático de ganho e outros circuitos adaptativos do receptor (eliminando longas sequências consistindo em '0' ou '1' apenas).
  • Para dispersão de energia na portadora, reduzindo a interferência do sinal entre as portadoras . Ele elimina a dependência do espectro de potência de um sinal sobre os dados reais transmitidos, tornando-o mais disperso para atender aos requisitos de densidade espectral de potência máxima (porque se a potência estiver concentrada em uma banda de frequência estreita, pode interferir nos canais adjacentes devido à intermodulação ( também conhecida como modulação cruzada) causada por não linearidades do trato receptor).

Os embaralhadores são componentes essenciais dos padrões do sistema da camada física , além da codificação e modulação intercaladas . Eles geralmente são definidos com base em registros de deslocamento de feedback linear (LFSRs) devido às suas boas propriedades estatísticas e facilidade de implementação em hardware.

É comum que os corpos de padrões da camada física também se refiram à criptografia da camada inferior (camada física e camada de link ) como embaralhamento. Isso pode muito bem ser porque os mecanismos (tradicionais) empregados também são baseados em registros de mudança de feedback. Alguns padrões para televisão digital , como DVB-CA e MPE , referem-se à criptografia na camada de link como embaralhamento.

Tipos de misturadores

  • Misturadores aditivos (síncronos)
  • Scramblers multiplicativos (auto-sincronizáveis)

Misturadores aditivos (síncronos)

Um misturador aditivo (descrambler) usado em DVB

Os embaralhadores aditivos (também chamados de síncronos ) transformam o fluxo de dados de entrada aplicando uma sequência binária pseudo-aleatória (PRBS) (por adição de módulo dois). Às vezes, um PRBS pré-calculado armazenado na memória somente leitura é usado, mas mais frequentemente ele é gerado por um registro de deslocamento de feedback linear (LFSR).

A fim de assegurar uma operação síncrona do LFSR de transmissão e recepção (isto é, codificador e decodificador ), uma palavra de sincronização deve ser usada.

Uma palavra de sincronização é um padrão colocado no fluxo de dados em intervalos iguais (ou seja, em cada quadro ). Um receptor procura algumas palavras de sincronização em quadros adjacentes e, portanto, determina o lugar quando seu LFSR deve ser recarregado com um estado inicial predefinido .

O decodificador aditivo é o mesmo dispositivo que o decodificador aditivo.

O embaralhador / decifrador aditivo é definido pelo polinômio de seu LFSR (para o embaralhador na imagem acima, ele é ) e seu estado inicial .

Scramblers multiplicativos (auto-sincronizáveis)

Um misturador multiplicativo usado na recomendação V.34
Um descrambler multiplicativo usado na recomendação V.34

Misturadores multiplicativos (também conhecidos como furo de passagem ) é assim chamado porque eles executam uma multiplicação do sinal de entrada pelo embaralhador de função de transferência em Z-espaço . Eles são sistemas lineares invariantes no tempo . Um decodificador multiplicativo é recursivo e um decodificador multiplicativo não é recursivo. Ao contrário dos embaralhadores aditivos, os embaralhadores multiplicativos não precisam da sincronização de quadros, por isso também são chamados de auto-sincronização . O codificador / descodificador multiplicativo é definido de forma semelhante por um polinómio (para o codificador da imagem é ), que também é uma função de transferência do descodificador.

Comparação de misturadores

Os embaralhadores têm certas desvantagens:

  • Ambos os tipos podem falhar na geração de sequências aleatórias nas piores condições de entrada.
  • Os embaralhadores multiplicativos levam à multiplicação de erros durante o decodificador (isto é, um erro de bit único na entrada do decifrador resultará em erros w em sua saída, onde w é igual ao número de toques de feedback do decifrador).
  • Os embaralhadores aditivos devem ser redefinidos pela sincronização de quadros; se isso falhar, ocorrerá uma propagação massiva de erros, pois um quadro completo não pode ser decodificado.
  • O comprimento efetivo da sequência aleatória de um misturador aditivo é limitado pelo comprimento do quadro, que normalmente é muito mais curto do que o período do PRBS. Ao adicionar números de quadro à sincronização de quadro, é possível estender o comprimento da sequência aleatória, variando a sequência aleatória de acordo com o número do quadro.

Ruído

Os primeiros embaralhadores de voz foram inventados na Bell Labs no período imediatamente anterior à Segunda Guerra Mundial . Esses conjuntos consistiam em componentes eletrônicos que podiam misturar dois sinais ou, alternativamente, "subtrair" um sinal de volta. Os dois sinais foram fornecidos por um telefone e um toca-discos . Um par correspondente de registros foi produzido, cada um contendo a mesma gravação de ruído . A gravação foi tocada no telefone e o sinal mixado foi enviado pela transmissão. O ruído foi então subtraído na extremidade usando o registro correspondente, deixando o sinal de voz original intacto. Os bisbilhoteiros ouviriam apenas o sinal barulhento, incapazes de entender a voz.

Um deles, usado (entre outras funções) para conversas telefônicas entre Winston Churchill e Franklin D. Roosevelt, foi interceptado e desembaralhado pelos alemães . Pelo menos um engenheiro alemão havia trabalhado no Bell Labs antes da guerra e descobriu uma maneira de quebrá-los. As versões posteriores eram suficientemente diferentes que a equipe alemã não conseguiu decifrá-las. As primeiras versões eram conhecidas como " A-3 " (da AT&T Corporation ). Um dispositivo não relacionado chamado SIGSALY foi usado para comunicações de voz de nível superior.

O ruído era fornecido em grandes discos fonográficos feitos em pares, enviados quando necessário e destruídos após o uso. Isso funcionou, mas foi extremamente estranho. Conseguir apenas a sincronização dos dois registros foi difícil. A eletrônica do pós-guerra tornou esses sistemas muito mais fáceis de trabalhar, criando ruído pseudo-aleatório com base em um tom de entrada curto. Em uso, o chamador tocaria um tom no telefone e ambas as unidades codificadoras ouviriam o sinal e se sincronizariam com ele. Isso fornecia segurança limitada, entretanto, já que qualquer ouvinte com um conhecimento básico de circuitos eletrônicos poderia frequentemente produzir uma máquina com configurações semelhantes o suficiente para interromper as comunicações.

Criptográfico

Foi a necessidade de sincronizar os embaralhadores que sugeriu a James H. Ellis a ideia da criptografia não secreta , o que levou à invenção do algoritmo de criptografia RSA e da troca de chaves Diffie-Hellman muito antes de qualquer um deles ser reinventado publicamente por Rivest , Shamir e Adleman ou por Diffie e Hellman .

Os últimos embaralhadores não são embaralhadores no verdadeiro sentido da palavra, mas sim digitalizadores combinados com máquinas de criptografia. Nesses sistemas, o sinal original é primeiro convertido para a forma digital e, em seguida, os dados digitais são criptografados e enviados. Usando sistemas modernos de chave pública , esses "misturadores" são muito mais seguros do que seus equivalentes analógicos anteriores. Apenas esses tipos de sistemas são considerados seguros o suficiente para dados confidenciais.

O embaralhamento de inversão de voz pode ser tão simples quanto inverter as bandas de frequência em torno de um ponto estático para vários métodos complexos de alterar o ponto de inversão aleatoriamente e em tempo real e usando várias bandas.

Os "misturadores" usados ​​na televisão a cabo são projetados para evitar o roubo casual de sinal, não para fornecer qualquer segurança real. As primeiras versões desses dispositivos simplesmente "inverteram" um componente importante do sinal de TV, reinvertendo-o na extremidade do cliente para exibição. Dispositivos posteriores eram apenas um pouco mais complexos, filtrando aquele componente inteiramente e então adicionando-o examinando outras partes do sinal. Em ambos os casos, o circuito pode ser facilmente construído por qualquer aquarista razoavelmente experiente. (Consulte Criptografia de televisão .)

Kits eletrônicos para embaralhamento e descodificação estão disponíveis em fornecedores amadores. Os entusiastas do scanner costumam usá-los para ouvir comunicações embaralhadas em corridas de carros e algumas transmissões de serviço público. Também é comum em rádios FRS . Esta é uma maneira fácil de aprender sobre embaralhamento.

O termo "embaralhamento" às vezes é usado incorretamente quando se refere a interferência .

Descramble

Descramble no contexto da televisão a cabo é o ato de pegar um sinal de vídeo codificado ou codificado fornecido por uma empresa de televisão a cabo para serviços de televisão premium , processado por um codificador e, em seguida, fornecido por um cabo coaxial e entregue ao domicílio onde um aparelho o top box reprocessa o sinal, decodificando-o e tornando-o disponível para visualização no aparelho de televisão . Um decodificador é um dispositivo que restaura a imagem e o som de um canal codificado. Um decodificador deve ser usado com um conversor de cabo para poder descriptografar todos os canais premium e pay-per-view de um sistema de televisão a cabo.

Veja também

Referências

Links externos e referências

  • [1] Estrutura de enquadramento DVB , codificação de canal e modulação para serviços de satélite de 11/12 GHz (EN 300 421)
  • Recomendação V.34 ITU-T
  • INTELSAT Earth Station Standard IESS-308
  •  Este artigo incorpora  material de domínio público do documento General Services Administration : "Federal Standard 1037C" .(em apoio a MIL-STD-188 )