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Le variazioni elettriche indotte al microfono vengono campionate per poi essere convertiti in un segnale digitale.
Prima di tutto si tratta il segnale analogico con un filtro di precampionamento al fine di eliminare le frequenze più alte, per limitare lo spettro del segnale e quindi escludere l’errore di aliasing nella fase di ricostruzione evitando la sovrapposizione delle code degli spettri.
Un’altra funzione di tale filtro è quella di adattare in ampiezza il segnale al numero di livelli disponibili per la successiva fase di campionamento.

Nel seguente ordne il segnale verrà trattato in modo da ottenere un segnale digitale :

- campionamento (sampling), è un’operazione nel dominio del tempo con la quale si prelevano ad istanti predeterminati i campioni del segnale analogico. I campioni vengono presi 8000 volte al secondo, essendo la banda del segnale vocale limitata a 4 kHz, e quindi la velocità di campionamento risulta 8 kHz. Infatti dal teorema di Nyquist risulta che la frequenza di campionamento deve essere almeno doppia rispetto a quella massima contenuta nel segnale.

- mantenimento (holding), è un’operazione che determina la durata di tempo durante cui si deve mantenere il valore del segnale campionato, affinché possa essere convertito in forma numerica.

- quantizzazione (quantizing), un’operazione di approssimazione con cui si definiscono i livelli a cui riferire il valore del campione analogico da convertire in digitale. Consiste nel suddividere l’intervallo di misura, da zero al fondoscala, in un determinato numero di livelli che definiscono come viene suddiviso e approssimato il campione analogico.

- codificazione (coding), la tecnica di conversione analogico-numerica che ai valori che assume il campione quantizzato fa corrispondere la sequenza di impulsi binari. Nel caso del GSM ogni campione viene convertito in un valore a 8 bit, quindi in uno dei 2⁸= 256 differenti valori.

Per quanto riguarda la crittografia, il GSM adotta due algoritmi fondamentali: A5 e A8.

L’A5 è un codificatore di tipo a flusso (stream cipher). L’insieme degli algoritmi si divide in: algoritmi a blocco (block cipher) e algoritmi a flusso (stream cipher). I primi codificano e decodificano il testo a blocchi o gruppi di bit. I secondi operano bit a bit, producendo per ogni bit del testo in chiaro un singolo bit cifrato in uscita. Uno stream cipher è tipicamente implementato come un circuito logico XOR (esclusive-or) tra il flusso dei dati ed una opportuna sequenza di bit chiave (key-stream), in genere ripetizione periodica di una sequenza base. Componente base di molti codificatori di flusso è il registro a scorrimento con retroazione lineare LFSR (Linear Feedback Shift Register), ovvero un registro a scorrimento che ad ogni passo effettua la traslazione introducendo un bit funzione degli stati precedenti.

Scelta opportunamente la rete di retroazione, può funzionare come generatore di numeri pseudocasuali.

L’algoritmo A5 consiste di tre registri a scorrimento a retroazione lineare (LFSR) rispettivamente di 19, 22 e 23 bit, sincronizzati. Utilizzando una chiave di cifratura K_C di 64 bit e il numero della trama TDMA di 22 bit, esso produce una sequenza di 114 bit (key-stream) che viene utilizzata per crittografare i 114 bit significativi di dati in chiaro.

La chiave di cifratura K_C utilizzata dall’algoritmo A5 viene generata sia nel terminale e precisamente all’interno della SIM-card, e sia nella home network e precisamente nell’AuC (Authentication Center), attraverso l’algoritmo di generazione della chiave di cifratura A8. L’A8 è una key-dependent one-way hash function. Una funzione hash è una trasformazione che dato un ingresso m arbitrario di dimensione variabile, restituisce in uscita una stringa a lunghezza fissa chiamata valore hash (h=H(m)). Le funzioni hash devono soddisfare:

· Input di dimensioni qualsiasi.

· Output di dimensione fissa.

· H(x) facile da calcolare per ogni dato x.

· H(x) a senso unico, cioè difficile da invertire.

· H(x) collision free, cioè dato x è impossibile trovare x <> y tale che H(x)=H(y).

Due processi che sono in possesso della stessa chiave segreta, possono autenticarsi vicendevolmente accordandosi su una sequenza a cui applicare la funzione hash con la chiave e confrontando i risultati ottenuti. Solo nel caso che le due chiavi siano uguali, i risultati saranno identici.

Come viene illustrato nello schema sotto, in ingresso all’A8 vengono posti:

il numero casuale utilizzato nella fase di autenticazione (RAND) e la chiave di autenticazione K_I.

Il numero casuale di autenticazione è composto da 128 bit, e viene prodotto dalla rete GSM, precisamente dall’AuC, e inviato alla MS, ad ogni richiesta di autenticazione (per esempio ad ogni chiamata). La chiave di autenticazione K_I è connessa all’identità dell’utente e risiede sia nella SIM-card che nell’AuC. L’AuC ha perciò il compito fondamentale di memorizzare in modo sicuro e protetto le chiavi K_I degli utenti. Infine l’A8 produce la chiave K_C che, come già detto, servirà per criptare i dati nell’A5. La chiave K_C è diversa ad ogni collegamento, dipendendo dal RAND.

In base alle diverse potenze con cui trasmettono il segnale i vari tipi di telefoni GSM si dividono in 5 categorie, da un massimo non specificato ad un minimo di 0.8 Watt (i cellulari palmari odierni sono di classe 4).

La seguente tabella riassume queste cinque classi.

Classe