Устройство измерения максимальной разборчивости речи

Устройство измерения максимальной разборчивости речи

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники.

Изобретение относится к распознаванию речи, конкретно - к измерению максимально возможной разборчивости речи в крайне неблагоприятных условиях, в шуме, при малых отношениях сигнал/шум и предназначено, в основном, для определения степени защиты объектов от утечки речевой информации по нескольким каналам утечки одновременно, т.е. в реальных условиях.

Уровень техники.

Известны различные устройства измерения разборчивости речи. Популярно экспертное прослушивание в месте приема акустических сигналов, составленных из специально подобранных фраз, слов или слогов (программ), которые излучаются в месте генерации речи, с последующей обработкой результатов для определения разборчивости (П.М.Полковский, А.Д.Ткаченко. Электроакустические тракты с обратной связью. - М.: Связь, 1969; ГОСТ 71-53-85 "Измерение разборчивости артикуляционным или тональным методом"; ГОСТ В 20775-75. "Передача речи по трактам связи, оборудованным аппаратурой засекречивания. Требования к разборчивости речи. Метод измерения"). В указанных работах описаны подобные устройства измерения, применяемая при этом аппаратура и методы математической обработки. Устройства технически просты, но измерения недостаточно воспроизводимы и точны в условиях слабых акустических сигналов, поскольку зависит от интеллекта экспертов, а главное - трудоемки и требуют участия большого числа экспертов.

Более объективен способ и устройства, основанные на последовательном акустическом излучении отдельных тональных составляющих слышимого спектра в месте передачи и определении любыми экспертами порога их слышимости в месте приема, причем фактически в месте приема могут находиться только микрофоны, соединенные через усилители с головными телефонами экспертов (Н.Б.Покровский. Расчет и измерение разборчивости речи. - М.: Связь, 1962). Уровень акустического излучения каждой составляющей увеличивают до порога слышимости ее экспертом. Зафиксированные уровни излучения математически обрабатывают с учетом кривой слышимости человека и таким образом определяют минимальный уровень речевого сигнала для получения заданной разборчивости речи в месте приема. Полученные сведения, естественно, можно использовать также и для определения максимального уровня акустического сигнала, при котором в заданном месте приема речь будет гарантированно неразборчива, т.е. обеспечен заданный уровень защиты от утечки акустической информации. Однако и этот способ трудоемок, поскольку также требует участия многих экспертов и времени. Кроме того, оценка разборчивости производится не на реальном уровне акустических сигналов, а на тех, которые соответствуют порогу слышимости в заданном месте. Это часто недопустимо, поскольку, как известно, паразитные каналы передачи акустической информации (стены, пол, окна, мебель, двери и т.п.) обычно неравномерно ослабляют частотные составляющие речи и степень защиты информации от утечки, рассчитанная по результатам описанных измерений, может не соответствовать реальным.

В настоящее время наиболее распространены аппаратурные способы на основе тонального метода разборчивости речи (например, П.М.Полковский, А.Д.Ткаченко. Электроакустические тракты с обратной связью. - М.: Связь, 1969, ГОСТ В 20775-75, Полезная модель №27259). Они предусматривают измерение разборчивости при любых соотношениях сигнал/шум исключительно техническими средствами, без использования экспертного прослушивания. Наиболее современно устройство по патенту на полезную модель №27259, опубл. 10.01.2003. Оно наиболее близкое к заявляемому устройству по большинству существенных признаков и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Ниже приводится подробное описание устройства-прототипа.

Оно поясняется фиг.1 - примером упрощенной структурной схемы, где: 1- генератор N частотного испытательного сигнала, 2 - акустический излучатель (громкоговоритель), 3 - акустический приемник (микрофон), 4 - N-полосный измеритель отношений сигнал/шум, 5 - вычислитель уровня разборчивости речи.

Устройство состоит из последовательно соединенных генератора 1 испытательного сигнала, громкоговорителя 2, размещенного в месте реального размещения источника звуковых сигналов, микрофона 3, размещенного в месте прослушивания, N-полосного измерителя 4 отношений сигнал/шум на каждой из N частот испытательных сигналов и вычислителя 5 уровня разборчивости речи.

Устройство работает следующим образом. После размещения громкоговорителя 2 и микрофона 3 в указанных местах включают устройство. Генератор 1 генерирует испытательный акустический сигнал заданного уровня, состоящий из последовательности N частот, разнесенных по средним частотам N полос, на которые разделен слышимый спектр речи. Громкоговоритель 2 излучает указанные сигналы. Микрофон 3 преобразует сигналы (полученные при указанных излучениях и в паузах между ними) в электрические. Во время паузы этим же приемником принимают и измеряют только сигнал шума в этой полосе. По результатам измерений определяют значения мощности принятого сигнала этой тональной частоты, исходя из независимого линейного сложения мощностей сигнала и шума, и определяют отношения сигнал/шум на этой тональной частоте. Затем процедуру повторяют на следующей тональной частоте, затем на следующей, пока не будут определены отношения сигнал/шум на всех тональных частотах испытательного сигнала. Это происходит в N-полосном измерителе 4 отношений сигнал/шум. Таким образом, на вход вычислителя 5 уровня разборчивости поочередно поступают измеренные соотношения сигнал/шум для всех N излучаемых частот. Вычислитель 5 уровня разборчивости по измеренным отношениям сигнал/шум производит вычисление разборчивости речи. Расчет производится на основе известных соотношений и теорий, суть которых заключается в том, что вначале по вышеуказанным измеренным отношениям сигнал/шум определяют коэффициенты разборчивости на каждой частоте испытательного сигнала. По определенным отношениям сигнал/шум на всех тональных частотах испытательного сигнала вычисляют коэффициент разборчивости речи на фоне реальных шумов - на основе известных методик (см., например, статью A.A.Колесникова, В.Ф.Комаровича, В.К.Железняка. Корреляционная теория разборчивости речи - в журнале "Вопросы радиоэлектроники", серия "Общие вопросы радиоэлектроники", 1995, вып.1, стр.3-9; Н.Б.Покровский. Расчет и измерение разборчивости речи. - М.: Связь, 1962).

По ним определяют усредненное (среднеарифметическое) значение коэффициента разборчивости. Затем по определенному среднеарифметическому значению коэффициента разборчивости и известной кривой зависимости словесной разборчивости от значения коэффициента разборчивости определяют словесную разборчивость речи (подробнее смотри, например, в статье В.К.Железняка и др. "Некоторые методические подходы к оценке эффективности защиты речевой информации" в журнале "Специальная техника" 2000 г., №4, стр.39-45).

Другими словами, сущность устройства, как и большинства других устройств измерения разборчивости, заключается в последовательном излучении в точке передачи испытательных N тональных акустических колебаний в речевом диапазоне частот, акустическом приеме полученных сигналов в заданной точке приема, N-полосном измерении отношений сигнал/шум на всех N частотах испытательного сигнала и последующем вычисление по ним коэффициента разборчивости речи - по известным методикам.

Описанные устройства широко используются для работ по измерению разборчивости речи, т.е. для определения качества прослушивания. Однако в настоящее время не менее значительной проблемой стала борьба с подслушиванием, т.е. уменьшение разборчивости в местах возможной утечки информации, предотвращение несанкционированного прослушивания. В этом случае (в отличие от задачи определения качества прослушивания) соотношение сигнал/шум мало и злоумышленнику трудно разобрать речевой сигнал. Как известно, в таких случаях для подслушивания используют не только акустический, но и все другие возможные каналы утечки информации, улавливая и обрабатывая, в частности, магнитные поля, создаваемые звукоусилительной аппаратурой, и виброакустические колебания, связанные с ее работой. Сигналы этих каналов могут в некоторых случаях оказаться более разборчивыми, чем акустические. В таких случаях применение описанного устройства для контроля разборчивости речи не приемлемо, оно не отражает возможный уровень разборчивости речи.

Естественно, вышеописанное устройство измерения акустической разборчивости можно видоизменить и приспособить для измерения разборчивости речи по другим возможным каналам утечки информации, наиболее существенными из которых являются магнитный, электрический и виброакустический каналы. Тогда можно будет оценить уровень максимальный разборчивости, как наибольший из всех перечисленных каналов. Однако и эти устройства не могут измерить реального уровня защиты речевой информации от несанкционированного прослушивания, поскольку при использовании для прослушивания записей сигналов всех возможных каналов утечки возможна дальнейшая совместная обработка этих записей для извлечения речевой информации (см., например, А.Г.Охонский, А.А.Алисеев и др. Помехоустойчивость информационных радиосистем управления: Учебное пособие. Изд-во МГАП "Мир книги", 1993, в котором описаны схема оптимального различителя двух детерминированных сигналов, максимально правдоподобное оценивание параметра сигнала с начальной фазой, оптимальная обработка сигналов для моделей полезного сигнала со случайной начальной фазой в виде квадратурной обработки сигнала. Это может позволить получить уровень разборчивости, больший, чем максимум в любом из отдельных каналов. Такая возможность связана с тем, что, как известно, каждый канал утечки информации частотнозависим. Соответственно, частотные зависимости отношений сигнал/шум каналов различны. Соотношения сигнал/шум будут различными в одной и той же частотной полосе по разным каналам утечки. Исходя из этого гипотетически возможно наиболее чувствительное, наиболее рациональное повышения разборчивости речи, предусматривающее разделение полученных для анализа сигналов каждого канала на несколько частотных полос и перебор всех возможных комбинаций сигналов частотных полос каналов между собой для получения наибольшей разборчивости. Реализация такого устройства подслушивания, сложна, дорога, но тем не менее она возможна.

Для оценки защиты звукоусилительной аппаратуры при таком многоканальном методе подслушивания (который, по нашим сведениям, еще пока нигде аппаратурно не реализован, но вполне осуществим) необходима методика измерения максимальной разборчивости, учитывающая его предельные возможности. Ее мы назвали измерение "максимальной разборчивости".

Известное устройство - прототип такого измерения обеспечить не может.

Задача изобретения.

Задачей настоящего изобретения является повышение достоверности измерения разборчивости речи при нескольких каналах утечки речевой информации.

Решение задачи - сущность изобретения.

Поставленная задача решена тем, что в известное устройство измерения разборчивости речи, содержащее последовательно соединенные генератор акустического испытательного сигнала в виде последовательности N частот, распределенных по средним частотам полос, на которые разделен слышимый спектр, с паузами между частотами, излучатель, приемник акустического сигнала, N-полосный измеритель отношений сигнал/шум и вычислитель разборчивости, причем генератор и N-полосный измеритель имеют синхронно управляемые тактовым синхронизатором переключатели полос пропускания, внесены существенные изменения и дополнения, а именно:

- параллельно приемнику акустического сигнала установлены К приемников других видов сигналов, образованных излучением акустического испытательного сигнала, например, магнитных, электрических, виброакустических,

- в точке приема дополнительно размещают К приемников других видов сигналов, образованных акустическим испытательным сигналом, например электрического, магнитного, виброакустического сигналов,

- каждая частота N-частотного испытательного сигнала и пауза повторены циклически К+1 раз.

- выходы акустического приемника и К приемников других сигналов подключены ко входу N-полосного измерителя отношений сигнал/шум через переключатель приемников, синхронизованный с началом каждого из К+1 цикла повторения,

- выход N-частотного измерителя отношений сигнал/шум соединен со входом вычислителя разборчивости через устройство выбора в каждом цикле наибольших величин отношений сигнал/шум на каждой частоте испытательного сигнала,

- при этом тактовый генератор имеет дополнительные выходы для организации циклов генератора, управления переключателем приемников и устройством выбора.

Раскрытие изобретения.

Сущность изобретения состоит в обеспечении измерений разборчивости при наибольших из всех видов принятых сигналов соотношениях сигнал/шум в каждой полосе частот. При несанкционированном подслушивании условия получения максимальной разборчивости даже теоретически не могут быть лучшими. Таким образом, мы определяем именно максимальную разборчивость речи.

Пример упрощенной структурной схемы устройства представлен на фиг.1, где приняты следующие обозначения: 1 - генератор N-частотного испытательного сигнала, 2 - акустический излучатель (громкоговоритель), 3 - приемник акустических сигналов (микрофон), 4 - N-полосный измеритель отношений сигнал/шум, 5 - вычислитель уровня разборчивости речи, 6 - приемник магнитных сигналов, 7 - приемник электрических сигналов, 8 - приемник виброакустических сигналов, 9 - переключатель приемников, 10 - устройство выбора наибольшего отношения сигнал/шум, 11 - тактовый синхронизатор. В примере число других видов приемников - К=3 (магнитный, электрический и виброакустический).

Устройство состоит из последовательно соединенных генератора 1 N-частотного испытательного сигнала, громкоговорителя 2, размещенного в месте реального размещения источника речевых сигналов, микрофона 3, приемников 6, 7, 8 магнитных, электрических и виброакустических сигналов, размещенных в месте прослушивания, переключателя 9 приемников, N-полосного измерителя 4 отношений сигнал/шум, устройства 10 выбора наибольшего отношения сигнал/шум и вычислителя 5 уровня разборчивости речи.

Работа устройства синхронизируется таковым синхронизатором 11.

Вначале размещают источник акустического испытательного сигнала (громкоговоритель 2) в точке размещения источника речевого сигнала, а приемников акустического 3, магнитного 6, электрического 7 и виброакустического 8 сигналов в точке приема речевой информации.

Генератор 1 генерирует, излучатель 2 излучает испытательный акустический сигнал заданного уровня, который представляют собой, чаще всего, последовательность тональных частот, распределенных по средним частотам N полос, на которые разделен слышимый спектр, с паузами между частотами. При этом излучение и пауза на каждой частоте циклически повторяют К+1=4 раза.

Переключая в каждом цикле переключателем 9 приемники 2, 6, 7, 8 поочередно, принимают и N-полосным измерителем 4, измеряют в точке приема полученные акустические, магнитные, электрические и виброакустические сигналы при излучениях и в паузах между ними. При этом принятые сигналы разделены N узкополосными фильтрами на частоты, соответствующие частотам испытательного сигнала. Узкополосные фильтры переключаются синхронизатором 11 одновременно с изменением частот генерации испытательного сигнала. Поскольку измеряют уровни полученных сигналов на выходе каждого приемника (в нашем примере - акустический, магнитный, электрический и виброакустический), определяют четыре отношения сигнал/шум на каждой частоте испытательного сигнала. Затем устройство выбора 9 выбирает на каждой частоте испытательного сигнала (т.е. каждой полосе слышимого спектра) наибольшее отношение сигнал/шум. Работа переключателя 9 приемников и устройство 10 выбора наибольшего отношения сигнал/шум синхронизована тактовым синхронизатором 11. Таким образом, на вход вычислителя 5 уровня разборчивости поочередно поступают наибольшие соотношения сигнал/шум для всех N излучаемых частот. Вычислитель 5 уровня разборчивости по измеренным отношениям сигнал/шум производит вычисление разборчивости речи. Расчет производится на основе известных соотношений и теорий, суть которых заключается в том, что вначале по вышеуказанным измеренным отношениям сигнал/шум определяют коэффициенты разборчивости на каждой частоте испытательного сигнала. По ним определяют усредненное (среднеарифметическое) значение коэффициента разборчивости. Затем по определенному среднеарифметическому значению коэффициента разборчивости и известной кривой зависимости словесной разборчивости от значения коэффициента разборчивости определяют максимальную словесную разборчивость речи (подробнее смотри, например, в статье В.К Железняка и др. "Некоторые методические подходы к оценке эффективности защиты речевой информации" в журнале "Специальная техника", 2000 г., №4, стр.39-45).

Основные отличия заявленного устройства от прототипа:

- параллельно приемнику акустического сигнала установлены К приемников других видов сигналов, образованных излучением акустического, например, магнитных, электрических, виброаустических,

- каждая частота последовательности N-частотного испытательного сигнала и пауза повторены циклически К+1 раз,

- выходы акустического приемника и К приемников других сигналов подключены ко входу N-полосного измерителя отношений сигнал/шум через переключатель приемников, переключаемый синхронизатором в начале каждого из К+1 цикла,

- выход N-частотного измерителя отношений сигнал/шум соединен со входом вычислителя разборчивости через устройство выбора в каждом цикле (т.е. на каждой частоте испытательного сигнала) наибольшего значения отношения сигнал/шум,

- при этом тактовый генератор имеет дополнительные выходы для организации циклов генератора, управления переключателем приемников и устройством выбора.

Такое устройство неизвестно из доступных источников информации Совокупность перечисленных отличий является творческим достижением изобретателем, она неочевидна для специалиста.

Промышленная применимость.

Заявленное устройство легко осуществимо, как схемно, так и программно. Схемно - средствами, хорошо освоенными промышленностью, что следует из вышеприведенного описания примера выполнения.

В частности, приемником акустических сигналов может быть микрофон, магнитных сигналов магнитная антенна (см., например, патент РФ 2152624 "Измеритель напряженности магнитной составляющей переменного электромагнитного поля", электрических сигналов - электрическая антенна (см., например патент РФ 2152623 "Измеритель напряженности электрической составляющей переменного электромагнитного поля", виброакустических сигналов - пьезоэлектрический преобразователь (см., например, И.К.Колесникова и др. Основы гидроакустики и гидроакустические станции.- Л.:Судостроение,1970 г.) Выбор наибольшего значения сигнал/шум можно выполнить, например, на основе схемы или с схемами запоминания.

Остальные составляющие устройства - генератоы последовательности N испытательных сигналов, излучатели, N-полосный измеритель отношений сигнал/шум, вычислитель уровня разборчивости - неоднократно реализовывались в известных устройствах измерения разборчивости (см., например, свидетельство 27259 на полезную модель, опубл. 10.01.2003 в Бюл. №1 за 2003 г.)

Заявленное устройство реализовано на ФГУП "Информакустика", успешно прошло метрологические и сертификационные испытания и уже применяется при измерениях максимальной разборчивости речи. При этом никаких практических сложностей, связанных с использованием изобретения, не встретилось.

Реально полученные преимущества перед прототипом состоят в повышении достоверности измерения уровня разборчивости речи. Произведенные измерения гарантируют действительно потенциально максимальную разборчивость, учитывающую использование подслушивающим лицом все возможные каналы утечки речевой информации. В частности, максимальная разборчивость, измеренная в процессе испытаний при использовании в дополнении к акустическому каналу только одного магнитного канала, оказалась выше на 5 дБ, чем измеренная способом-прототипом. Такая погрешность известных устройств измерения недопустима.

Достигнутая достоверность определения разборчивости речи позволяет гарантированно установить отсутствие каналов утечки информации, так как разборчивость определяется исходя из использования всех возможных каналов утечки и наиболее рациональной обработки их сигналов.

Таким образом, по нашему мнению, заявленное техническое решение отвечает всем критериям, предъявляемым к изобретениям, - оно ново, неочевидно и промышленно применимо.

Устройство измерения максимальной разборчивости речи, содержащее последовательно соединенные генератор акустического испытательного сигнала в виде последовательности N частот, распределенных по средним частотам полос, на которые разделен слышимый спектр, с паузами между частотами, излучатель, приемник акустического сигнала, N-полосный измеритель отношений сигнал/шум и вычислитель разборчивости, причем генератор и N-полосный измеритель имеют синхронно управляемые тактовым синхронизатором переключатели полос пропускания, отличающееся тем, что параллельно приемнику акустического сигнала установлены К приемников других видов сигналов, образованных излучением акустического испытательного сигнала, например, магнитных, электрических, виброакустических, каждая частота последовательности N-частотного испытательного сигнала и пауза повторены циклически К+1 раз, выходы акустического приемника и К приемников других сигналов подключены ко входу N-полосного измерителя отношений сигнал/шум через переключатель приемников, синхронизованный с началом каждого из К+1 цикла повторения испытательной частоты, выход N-частотного измерителя отношений сигнал/шум соединен со входом вычислителя разборчивости через устройство выбора в каждом цикле наибольших величин отношений сигнал/шум, при этом тактовый генератор имеет дополнительные выходы для организации К+1 циклов генератора и синхронного управления переключателем приемников и устройством выбора.