スクランブラー

電気通信において、スクランブラーは、送信側で信号を転置または反転するか、またはメッセージをエンコードして、適切に設定されたデスクランブル装置を備えていない受信機でメッセージが理解できないようにする装置です。暗号化は通常、デジタル領域で実行される操作を指しますが、スクランブルは通常、アナログ領域で実行される操作を指します。スクランブルは、元の信号にコンポーネントを追加したり、元の信号の重要なコンポーネントを変更したりして、元の信号の抽出を困難にすることで実現されます。後者の例には、テレビ信号の垂直または水平同期パルスを削除または変更することが挙げられます。テレビは、そのような信号から画像を表示できなくなります。最近のスクランブラーの中には、実際には暗号化装置であるものもあり、内部操作ではなく使用上の類似性からその名前が残っています。

電気通信および録音において、スクランブラー（ランダマイザーとも呼ばれる）は、送信前にデータ ストリームを操作するデバイスです。操作は、受信側でデスクランブラーによって元に戻されます。スクランブリングは、衛星、無線中継通信、PSTNモデムで広く使用されています。スクランブラーは、 FECコーダの直前に配置することも、FEC の後で変調またはライン コードの直前に配置することもできます。このコンテキストでのスクランブラーは暗号化とは何の関係もありません。その目的は、メッセージを理解不能にすることではなく、送信されるデータに有用なエンジニアリング プロパティを与えることです。

スクランブラーは、望ましくないシーケンスを削除せずにシーケンス (ホワイトニング シーケンスと呼ばれる) を他のシーケンスに置き換え、その結果、厄介なシーケンスの発生確率を変更します。すべて 0、すべて 1、またはその他の望ましくない周期的な出力シーケンスを生成する入力シーケンスがあるため、これは明らかに絶対確実ではありません。したがって、スクランブラーは、コーディング ステップを通じて不要なシーケンスを削除するライン コードの良い代替品ではありません。

スクランブラー (またはランダマイザー) は次のいずれかになります。

1. 入力文字列を、一見ランダムな同じ長さの出力文字列に変換するアルゴリズム（たとえば、反転するビットを疑似ランダムに選択するなど）であり、同じ値のビットの長いシーケンスを回避します。このコンテキストでは、ランダマイザーはスクランブラーとも呼ばれます。
2. 予測不可能な (つまり、エントロピーが高い)、偏りのない、通常は独立した (つまり、ランダムな) 出力ビットのアナログまたはデジタル ソース。「真の」ランダム ジェネレーターは、ランダム シード値を拡張する(より実用的な)決定論的な 疑似 ランダム 乱数ジェネレーターに供給するために使用できます。

スクランブリングが使用される主な理由は 2 つあります。

• 冗長なライン コーディングに頼ることなく、受信機器で正確なタイミング回復を可能にします。タイミング回復回路 (クロック回復も参照)、自動ゲイン制御、および受信機のその他の適応回路 (「0」または「1」のみで構成される長いシーケンスの除去) の動作が容易になります。
• キャリア上のエネルギー分散により、キャリア間の信号干渉が低減されます。信号のパワー スペクトルが実際の送信データに依存することがなくなり、最大パワー スペクトル密度の要件を満たすように分散が強化されます (パワーが狭い周波数帯域に集中すると、受信領域の非線形性によって生じる相互変調(クロス モジュレーションとも呼ばれる) により、隣接チャネルに干渉する可能性があるため)。

スクランブラーは、インターリーブ コーディングと変調に加えて、物理層システム標準の重要なコンポーネントです。統計特性が優れており、ハードウェアでの実装が容易なため、通常は線形フィードバック シフト レジスタ(LFSR)に基づいて定義されます。

物理層の標準化団体では、下位層（物理層とリンク層）の暗号化もスクランブルと呼ぶのが一般的です。^{[1] [2]}これは、（従来の）メカニズムもフィードバックシフトレジスタに基づいているためであると考えられます。

DVB-CAやMPEなどのデジタルテレビの一部の規格では、リンク層での暗号化をスクランブルと呼びます。

加法スクランブラー(同期スクランブラーとも呼ばれます) は、疑似ランダム バイナリ シーケンス(PRBS) (モジュロ 2 の加算)を適用して入力データ ストリームを変換します。読み取り専用メモリに格納された事前に計算された PRBSが使用される場合もありますが、多くの場合は線形フィードバック シフト レジスタ(LFSR) によって生成されます。

送信 LFSR と受信 LFSR (つまり、スクランブラーとデスクランブラー) の同期動作を保証するには、同期ワードを使用する必要があります。

同期ワードは、データ ストリーム内に等間隔で (つまり、各フレームで) 配置されるパターンです。受信機は、隣接するフレームでいくつかの同期ワードを検索し、それによって、LFSR を事前に定義された初期状態で再ロードする必要がある場所を決定します。

加法デスクランブラーは、加法スクランブラーと同じデバイスです。

加法スクランブラー/デスクランブラーは、その LFSR の多項式 (上の図のスクランブラーの場合は) とその初期状態によって定義されます。 ${\displaystyle 1+z^{-14}+z^{-15}}$

乗法スクランブラー（フィードスルーとも呼ばれる）は、入力信号をZ 空間のスクランブラーの伝達関数で乗算するため、このように呼ばれます。これらは離散線形時間不変システムです。乗法スクランブラーは再帰的であり、乗法デスクランブラーは非再帰的です。加法スクランブラーとは異なり、乗法スクランブラーはフレーム同期を必要としないため、自己同期とも呼ばれます。乗法スクランブラー/デスクランブラーは同様に多項式によって定義されます（図のスクランブラーの場合は です）。これはデスクランブラーの伝達関数でもあります。 ${\displaystyle 1+z^{-18}+z^{-23}}$

スクランブラーにはいくつかの欠点があります。

• どちらのタイプも、最悪の入力条件下ではランダム シーケンスを生成できない可能性があります。
• 乗法スクランブラーは、デスクランブル中にエラーの乗算を引き起こします (つまり、デスクランブラーの入力で 1 ビットのエラーが発生すると、出力でw個のエラーが発生します。ここで、 w はスクランブラーのフィードバック タップの数に等しくなります)。
• 加算スクランブラーはフレーム同期によってリセットされる必要があります。これが失敗すると、完全なフレームをデスクランブルできないため、大量のエラーが伝播します。(あるいは、何が送信されたかがわかっている場合は、スクランブラーを同期できます)
• 加法スクランブラーのランダム シーケンスの有効長はフレーム長によって制限されますが、これは通常 PRBS の周期よりもはるかに短くなります。フレーム同期にフレーム番号を追加することで、フレーム番号に応じてランダム シーケンスを変更し、ランダム シーケンスの長さを拡張できます。

最初の音声スクランブラーは、第二次世界大戦直前にベル研究所で発明されました。これらの装置は、2 つの信号を混合したり、1 つの信号を「減算」したりできる電子機器で構成されていました。2 つの信号は、電話とレコード プレーヤーによって提供されました。それぞれに同じノイズ録音を含む、一致するレコードのペアが作成されました。録音は電話で再生され、混合信号が回線を介して送信されました。次に、一致するレコードを使用して遠端でノイズが減算され、元の音声信号はそのまま残りました。盗聴者はノイズの多い信号しか聞こえず、音声を理解できませんでした。

そのうちの 1 つは、ウィンストン チャーチルとフランクリン D. ルーズベルトの電話会話に (他の用途とともに) 使用されましたが、ドイツ人によって傍受され、解読されました。少なくとも 1 人のドイツ人エンジニアが戦前にベル研究所で働いており、解読方法を考案していました。後のバージョンは大きく異なっていたため、ドイツ チームは解読できませんでした。初期のバージョンは「A-3」( AT&T 社製) として知られていました。SIGSALYと呼ばれる無関係のデバイスは、より高レベルの音声通信に使用されました。

ノイズは、2 枚 1 組で作られた大型のシェラックレコードに録音され、必要に応じて出荷され、使用後は破棄されました。この方法はうまくいきましたが、非常に扱いにくいものでした。2 つのレコードを同期させるだけでも困難でした。戦後の電子機器の発達により、短い入力トーンに基づいて疑似ランダム ノイズを作成することで、このようなシステムの操作がはるかに容易になりました。使用時には、発信者が電話にトーンを流すと、両方のスクランブラー ユニットがその信号を聞き、同期します。ただし、この方法ではセキュリティが限定的でした。電子回路に関する基本的な知識を持つリスナーであれば、通信を傍受できるほど十分に類似した設定の機械を製作できる場合が多かったためです。

スクランブラーを同期させる必要性から、ジェームズ・H・エリスは非秘密暗号化のアイデアを思いつき、それが最終的にRSA暗号化アルゴリズムとディフィー・ヘルマン鍵交換の発明につながった。これは、どちらもリベスト、シャミア、エイドルマン、あるいはディフィーとヘルマンによって公に再発明されるずっと前のことである。

最新のスクランブラーは、言葉の本当の意味でのスクランブラーではなく、暗号化マシンと組み合わせたデジタイザーです。これらのシステムでは、元の信号が最初にデジタル形式に変換され、次にデジタル データが暗号化されて送信されます。最新の公開鍵システムを使用しているため、これらの「スクランブラー」は、以前のアナログのスクランブラーよりもはるかに安全です。これらのタイプのシステムのみが、機密データに対して十分に安全であると考えられています。

音声反転スクランブルは、静的なポイントの周りの周波数帯域を反転するだけの単純なものから、反転ポイントをランダムかつリアルタイムに変更し、複数の帯域を使用するさまざまな複雑な方法まであります。

ケーブルテレビで使用される「スクランブラー」は、実際のセキュリティを提供するものではなく、偶発的な信号盗難を防止するために設計されています。これらのデバイスの初期バージョンは、単にテレビ信号の重要なコンポーネントの 1 つを「反転」し、クライアント側で表示用に再度反転していました。後期のデバイスはわずかに複雑になり、そのコンポーネントを完全にフィルタリングしてから、信号の他の部分を調べて追加しました。どちらの場合も、回路は、ある程度の知識のある愛好家であれば簡単に構築できます。(テレビの暗号化を参照してください。)

スクランブルとデスクランブルのための電子キットは、愛好家向けのサプライヤーから入手できます。スキャナー愛好家は、カーレースや公共放送のスクランブル通信を盗聴するために、スキャナーをよく使用します。また、FRSラジオでもよく使用されます。これは、スクランブルについて学ぶ簡単な方法です。

「スクランブリング」という用語は、妨害を意味するときに誤って使用されることがあります。

ケーブルテレビにおけるデスクランブルとは、ケーブルテレビ会社がプレミアムテレビサービス用に提供したスクランブルまたは暗号化されたビデオ信号をスクランブラーで処理し、同軸ケーブルで供給して家庭に届け、セットトップボックスで信号を再処理してデスクランブルし、テレビで視聴できるようにする行為です。デスクランブラーは、スクランブルされたチャンネルの画像と音声を復元するデバイスです。ケーブルテレビシステムのプレミアムおよびペイパービューチャンネルの暗号化を解除するには、 ケーブルコンバータボックスと一緒にデスクランブラーを使用する必要があります。

• [1] 11/12GHz衛星サービスのためのDVBフレーミング構造、チャネルコーディングおよび変調（EN 300 421）
• V.34 ITU-T勧告
• インテルサット地球局規格IESS-308
•  この記事には、連邦規格 1037Cのパブリック ドメイン マテリアルが組み込まれています。一般調達局。2022 年 1 月 22 日にオリジナルからアーカイブされました。( MIL-STD-188 をサポート)。