Совершенствование методических принципов оценки защищенности помещений от утечки речевой информации..

Совершенствование методических принципов оценки защищенности помещений от утечки речевой информации..

Совершенствование методических принципов оценки защищенности помещений от утечки речевой информации.

Кандидат технических наук
В. Л. Каргашин
Специальная техника, № 6, 2001

При проведении практических работ по защите виброакустических каналов утечки речевой информации из помещений большое внимание должно уделяться обоснованности требований к интегральному уровню специально формируемых маскирующих помех. Как правило, гарантированная защита не может быть обеспечена выполнением только пассивных мер защиты, то есть усилением звукоизоляции и виброизоляции конструкций, введением звукопоглощения и вибропоглощения в тракты утечки речевых сигналов. В таких ситуациях необходимо использовать активные меры защиты, основанные на создании дополнительных вибрационных и акустических помех в каналах утечки информации. При этом в защищаемом и смежных помещениях создается побочный акустический шум, который можно отнести к мешающим факторам для нормальной работы персонала в помещениях [1]. Несмотря на то, что появление такого шума является обоснованной платой за защиту, объективно создаются ненормальные условия для работы сотрудников с точки зрения производственной санитарии. Следовательно, снижение интегрального уровня побочных акустических шумов при проведении активных мер защиты в виброакустических каналах представляет собой важную задачу защитных мероприятий, так как при высоком уровне побочных акустических шумов не исключаются ситуации, когда активная защита будет применяться только в исключительных случаях с позиций интересов защищаемого лица, снижая эффективность проведенных мероприятий.

Предложенный в работе [2] показатель защищенности виброакустических каналов утечки по расчетной разборчивости речи предоставляет при выработке требований по мерам пассивной и активной защиты существенно большие возможности, чем традиционный показатель по отношению сигнал/помеха. Это связано с тем, что расчетная разборчивость речи представляет собой функционал, значение которого может быть оптимизировано по различным приемлемым из практических соображений критериям.

Функционал является некоторой взвешенной суммой от аргумента, который для формантной разборчивости имеет следующий вид [3]:

,

где  — нижняя и верхняя границы частот речевого диапазона,  — распределение формант по частотному диапазону, следовательно,  как плотность распределения,  — уровень ощущения формант, который определяется отношением сигнал/помеха,  — коэффициент восприятия формант, который не зависит от частоты, а только от отношения сигнал/помеха.

Уровень ощущения формант определяется выражением:

,

где  — спектр речевого сигнала,  — отношение спектров речи и формант,  — спектр помехи.

В практических задачах уровень ощущения формант рассчитывается в зависимости от величин сигналов и помех в дБ, что не меняет возможности оптимизации функционала по любому из параметров.

Таким образом, формантная разборчивость представляет собой интеграл от функции частоты в ограниченных пределах, что позволяет решать задачи по оптимизации разборчивости по различным критериям. Наиболее понятная практическая задача, которая может быть поставлена при проведении защитных мероприятий, формулируется как поиск спектра помехи , обеспечивающего значение разборчивости не более заданного нормативного  при минимальной интегральной мощности помехи во всем диапазоне частот . Другими словами, заданная степень защиты речевой информации по показателю формантной разборчивости речи, может быть реализована помехами с различным спектром и уровнем мощности, в том числе и с минимальным интегральным уровнем. Возможность реализации защиты с помощью помехи с минимальным уровнем позволяет обеспечить минимальное побочное воздействие специальных маскирующих помех на человека, то есть максимизировать комфортность работы, совмещенную с безопасностью. Причем оптимальное решение означает, что для некоторого конкретного случая данное решение является единственным. Сама задача может быть расширена при условии учета частотных характеристик ослабления речевого сигнала и помехи до точки установки излучателя помехи и обратно в защищаемое или смежное помещения. Для целей пассивной защиты оптимизация возможна, например, по показателю обеспечения защиты с минимальным интегральным ослаблением в полосе частот речевого сигнала.

Очевидно, что полное решение поставленной задачи методами вариационного исчисления достаточно сложно, если оперировать спектрами сигналов и помех, также как и вычисление разборчивости по интегральной формуле. В связи с этим в практической деятельности интеграл заменяется взвешенной суммой, а все расчеты проводятся в стандартных частотных полосах. Отметим, что в [3] было предложено применять 20 частотных полос, в каждой из которых выполняется условие , где  — верхняя и нижняя границы i-го частотного диапазона. Так как распределение формант по частотному диапазону неравномерно, то такое равноартикуляционное распределение разборчивости приводит к границам частотных полос, которые существенно отличаются от стандартных. Как правило, все измерения в акустике проводятся в октавных или третьоктавных частотных полосах, то в [2] предложено, наоборот, выбрав стандартные границы частот, получить различные веса формант по спектру речи. Таким образом, расчет формантной разборчивости речи осуществляется по следующей формуле:

,

где  — весовой вклад соответствующей частотной полосы в разборчивость, причем ,  — коэффициент восприятия формант, который может быть выражен как функция от уровней сигналов и помехи, измеренных в частотных полосах, причем эти уровни могут быть измерены в дБ, как это принято в акустике,  — номер стандартной частотной полосы,  — число стандартных частотных полос, учитываемых при расчетах (5 при октавном анализе, рекомендованном в [2]).

Поскольку функционал или его приближение представляют собой непрерывные функции от уровней сигнала и помехи, то нормативное значение показателя защиты, строго говоря, может быть достаточно произвольным в рамках аппроксимаций используемых функций. Предложенная в [2] методика аналитически достаточно сложна для применения даже для ограниченного числа частотных полос. Так как разработка нормативов является формальной процедурой и потребителю не существенны теоретические и экспериментальные основы появления тех или иных соотношений между измеренными величинами, то возможны более простые методики расчета формантной разборчивости, которые формально приводят к достижению требований защиты, но в силу простоты расчета позволяют получить наглядные методы решения задачи защиты, в том числе и ее оптимизации.

Рассмотрим с этих позиций методику расчета аналогичного параметра, принятого в США [4]. Формантная разборчивость при этом называется индекс артикуляции и формализация расчета настолько велика, что определить наглядные физические основы принятых способов расчета не представляется возможным. Оценка нормативного показателя осуществляется по результатам измерений сигнала и помехи в третьоктавных частотных полосах, но допускается применение и октавного анализа.

Сущность методики заключается в следующем. В качестве эталона принимается уровень речевого сигнала на 12 дБ превышающий средний уровень речи. Измеряются значения отношения сигнал/помеха в октавных или третьоктавных частотных полосах DIFFi в дБ. Если DIFFi ? 30, то DIFFi = 30 дБ, если DIFFi ? 0, то DIFFi = 0. Полученные разности умножаются на частотно-зависимые весовые коэффициенты WFi, что дает значение артикуляционного индекса по частотным полосам:

.

Суммарный индекс артикуляции рассчитывается по формуле:

.

Полученное значение является показателем, который функционально связан с разборчивостью речи, и может использоваться для нормирования различных задач, в частности для оценки качества звуковых трактов.

Значения уровней речевого сигнала на расстоянии 1 метр от источника и весовых коэффициентов приведены в Таблице 1. Для сравнения там же приведены аналогичные показатели для методики [2], причем уровни речи по стандарту США для сопоставления снижены на 12 дБ. В Таблице 1 также приведены рассчитанные по формуле относительные весовые вклады октавных частотных полос, которые по существу эквивалентны весовым вкладам формант.

Таблица 1

Обращает на себя внимание существенное различие в спектрах средней речи, которое скорее всего вызвано не реальными отличиями спектров, а заложенными в них прибавками, соответствующими отечественному понятию формантного параметра речи. Наиболее интересно, что сумма относительных коэффициентов для американского стандарта равна 0.999, то есть практически 1, а для отечественного равна 0.91. Неточное равенство этой суммы 1 для обоих стандартов вызывает недоумение, так как принципиально не позволяет получить полную разборчивость речи для значительного превышения сигнала над шумами. Потеря 9 % разборчивости в отечественной методике вызвана тем, что в расчет не входит октавная полоса 8000 Гц. По видимому, эта частотная полоса в американском стандарте учтена путем формального дополнительного взвешивания всех коэффициентов.

Для сравнения двух методик были проведены расчеты разборчивости речи и артикуляционного индекса в зависимости от отношения сигнал/помеха для 5 видов спектров помехи. В качестве помех были рассмотрены «белый шум», «розовый шум», шум, спектр которого спадает на 3 дБ с ростом частоты, и два типа шумов с неравномерным спектром, октавные уровни которых изменяются на 10 дБ в смежных октавных полосах. Спектры рассмотренных помех для суммарного уровня 30 дБ приведены на рисунке 1.

Рис. 1. Спектры шумов

Зависимости разборчивости речи и артикуляционного индекса от отношения сигнал/помеха приведены на рисунке 2.

Рис. 2. Зависимости разборчивости речи и индекса артикуляции от отношения сигнал/помеха

Анализ зависимостей разборчивости речи и артикуляционного индекса показывает, что англоязычная речь как бы более разборчива, чем русская, тогда как приведенные в [2] графики слоговой и словесной разборчивости показывают, что, наоборот, английская речь менее разборчива, чем русская. Это противоречие вызвано пренебрежением в отечественной методике октавной полосой 8 кГц, что приводит к занижению разборчивости речи. Поскольку методика [2] предлагается для оценки степени защищенности речевой информации, то в норматив заранее вводится некоторая степень ослабления защиты, неадекватно отражающая не только формальную сторону оценки защищенности, но и фактическую ее недостаточность в конкретных ситуациях. Поэтому методика [2] должна быть дополнена соответствующими коэффициентами, позволяющими рассчитывать разборчивость речи с учетом октавной полосы 8 кГц, обеспечивая полную адекватность методики в случае большого отношения сигнал/шум.

Если в методике [2] учесть октавную полосу частот 8 кГц, то различия в разборчивости и индексе артикуляции стандарта США становятся практически несущественны. На рисунке 3 приведены расчетные ошибки  между значениями разборчивости речи для методики без учета и с учетом октавной полосы 8 кГц и индексом артикуляции в зависимости от отношения сигнал/шум для рассмотренных выше типов помех.

Рис. 3. Погрешности расчета разборчивости

Из приведенных расчетов погрешностей следует, что очевидно существенное снижение погрешности оценки разборчивости для корректированного расчета формантной разборчивости по сравнению с методикой, учитывающей только 5 октавных частотных полос. Это снижение имеет место для всех типов спектров помех. В Таблице 2 приведены среднеквадратические погрешности по всему использованному в расчетах отношениях сигнал/помеха.

Таблица 2

Из расчетов, приведенных в Таблице 2 следует, что для уточненного расчета разборчивости речи, который учитывает 6 частотных полос анализа погрешность оценки разборчивости существенно меньше в среднем по большому диапазону изменений отношения сигнал/шум и различных типов спектров помех. Следовательно, для более достоверной оценки защищенности помещений по показателю разборчивости речи необходимо проводить расчеты с учетом октавной частотной полосы со среднегеометрической частотой 8 кГц и отсутствие ее в методике [2] является необоснованным.

Встает также вполне закономерный вопрос о выборе допустимого частотного разрешения анализа сигналов и помех для расчета разборчивости речи. С позиций возможного воздействия методами линейной фильтрации на смесь сигнала и помехи с целью выбора частотных полос с повышенным отношением сигнал/помеха мероприятия по защите необходимо также проводить с учетом максимального частотного разрешения, которое позволяет более адекватно отражать ситуацию негласного контроля, в первую очередь в условиях действия помех с неравномерным по частотному диапазону спектром. Реально при проведении мероприятий по защите используется стандартная измерительная аппаратура, в то время как мероприятия по негласному контролю предполагает применение более совершенной аппаратурой контроля, в том числе и по параметру частотного разрешения. Следует отметить, что в области строительной акустически и виброметрии имеется очевидная тенденция к анализу виброакустических сигналов и помех в более узких частотных полосах, чем октавные, что объясняется возможностями современной технологии строительных материалов в области звукоизоляции и звукопоглощения и виброизоляции и вибропоглощения создавать материалы с резонансными свойствами.

При оценке степени защищенности по показателю разборчивости речи в октавных частотных полосах большая погрешность будет для ситуаций, когда ослабление сигнала по диапазону частот или спектр маскирующих шумов неравномерны в пределах большего частотного разрешения. Так как уровень ощущения формант в широкой полосе частот определяется максимальным значением уровня в более узкой полосе частот, то расчет разборчивости в октавной полосе частот даст меньшее значение разборчивости, чем расчет по отдельным третьоктавным частотным полосам. При наличии на приемной стороне аппаратуры негласного контроля с возможностями фильтрации шумов в третьоктавных полосах реальное значение разборчивости речи окажется больше за счет исключения из анализа третьоктавных частотных полос, в которых сигнал более зашумлен.

Пусть в октавной полосе суммарный уровень шума определяется уровнями шума в третьоктавных частотных полосах , так что . Если уровень шума в одной из третьоктавных полос превышает уровни в других полосах более чем на 8…10 дБ, например, выполняется условие , то . Следовательно, при оценке защищенности по методике [2] все расчеты парциальных вкладов разборчивости в октавной полосе будут исходить из уровня . Тогда как при учете неравномерности шума с третьоктавным частотным разрешением реальная разборчивость речи в двух третьоктавных полосах будет выше. Достаточно отфильтровать на приемной стороне одну третьоктавную полосу с максимальным уровнем шума и разборчивость речи в канале утечки окажется выше, чем оцененная по предлагаемой в [2] методике. Следовательно эта методика имеет существенный недостаток и должна быть скорректирована с учетом возможностей анализа сигналов и шумов в частотных полосах больших, чем октавные.

В настоящее время, когда технические возможности аппаратуры измерения акустических и вибрационных сигналов позволяют проводить анализ в более узких частотных полосах, чем октавные, необходимо для методик оценки защищенности речевой информации заложить возможности расчета разборчивости речи и в третьоктавных частотных полосах.

В настоящее время на рынке техники защиты предлагаются средства оценки качества виброакустических трактов, которые основаны на принципах оценки нормативного показателя в виде разборчивости речи. Очевидно, что преимущество должно отдаваться тем техническим средствам, которые не только позволяют оценивать предложенный в [2] нормативный параметр, но и осуществляют все расчетные процедуры дополнительно в третьоктавных частотных полосах, а также расширяют анализ сигналов и шумов до октавной полосы 8 кГц. Кроме того, для применения активной защиты также необходимы генераторы виброакустических помех, которые позволяют устанавливать требуемый спектр помехи в частотных полосах с разрешением не менее третьоктавного. В этом случае защита может быть оптимизирована по уровню побочных мешающих акустических шумов.

Таким образом, в развитие методологии оценки защищенности помещений от утечки речевой информации по виброакустическим каналам необходимо совершенствование критериев оценки разборчивости речи по следующим направлениям:

— корректировка методики, позволяющая учитывать октавную частотную полосу 8 кГц, то есть расширение границ частотного диапазона до 6 октав;
— разработка методик для измерительной аппаратуры с большим частотным разрешением для анализа сигналов и шумов в третьоктавных частотных полосах;
— упрощение методик расчета в части аппроксимации функции восприятия формант, формально приемлемой для расчета критерия защиты, но более простой для практических расчетов.

Литература.

1. Каргашин В. Л. Проблемы активной защиты виброакустических каналов. Специальная техника, № 6, 1999.
2. Железняк В. К., Макаров Ю. К., Хорев А. А. Некоторые методические подходы к оценке эффективности защиты речевой информации. Специальная техника, № 4, 2000.
3. Покровский Н. Б. Расчет и измерение разборчивости речи. М.: Связьиздат, 1962.
4. The science and applications of acoustics/Daniel R. Raichel. Springer-Verlag New York, Inc., 2000, 598 p.