Устройство измерения разборчивости речи

Устройство измерения разборчивости речи

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники.

Изобретение относится к распознаванию речи, конкретно к измерению разборчивости речи в крайне неблагоприятных условиях, в шуме, при малых отношениях сигнал/шум и предназначено, в основном, для определения степени защиты помещений от несанкционированной утечки акустической речевой информации в реальных условиях.

Уровень техники.

Известны различные способы измерения разборчивости речи. Наиболее простой, но и наименее точный - оценивать разборчивость по соотношению заданного интегрального уровня акустического сигнала и измеренного интегрального уровня шума в точке прослушивания. Более точные способы - 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 ("Акустика", справочник под редакцией М.А.Сапожкова. М.: Радио и связь, 1989; П.М.Полковский, А.Д.Ткаченко "Электроакустические тракты с обратной связью". М.: Связь, 1962; ГОСТ В 20775-75. "Передача речи по трактам связи, оборудованным аппаратурой засекречивания. Требования к разборчивости речи. Метод измерения"; О.Н.Новоселов, А.Ф.Фомин "Основы теории и расчета информационно-измерительных систем", М.: Машиностроение, 1991).

В частности, в упомянутых работах П.М.Полковского, А.Д.Ткаченко "Электроакустические тракты с обратной связью", стр.141-143 и ГОСТ В 20775-75 описан подобный способ измерения, применяемая при этом аппаратура и методы математической обработки. Способ технически прост, но недостаточно воспроизводим и точен в условиях слабых сигналов, т.е. при разборчивости слогов речи менее 25%, поскольку зависит, в частности, от интеллекта экспертов, а главное - трудоемок и требует участия большого числа экспертов.

Более объективен способ, основанный на последовательном 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", ГОСТ В 20775-75, Полезная модель №27259, опубл. 10.01.2003). Они предусматривают измерение разборчивости при любых соотношениях сигнал/шум исключительно техническими средствами, без использования экспертного прослушивания.

Настоящее изобретение относится к усовершенствованию таких устройств. Наиболее удачно устройство по свидетельству на полезную модель №27259, опубл. 10.01.2003, Бюл. №1, 2003.

Оно - самое близкое к заявляемому способу по большинству существенных признаков и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Ниже приводится подробное описание устройства-прототипа - фиг.1.

Устройство состоит из последовательно соединенных генераторов 1 N частотного испытательного сигнала, акустического излучателя (громкоговорителя) 2, размещенного в месте реального размещения источника звуковых сигналов, приемника акустических сигналов (микрофона) 3, размещенного в месте прослушивания, N-полосного измерителя 4 отношений сигнал/шум на каждой частоте испытательных сигналов и вычислителя 5 уровня разборчивости речи.

Устройство работает автоматически и синхронизируется тактовым синхронизатором.

Устройство работает следующим образом. После размещения громкоговорителя 2 в месте реального нахождения источника акустической информации, а микрофона 3 - в месте прослушивания (место предполагаемой утечки акустической информации) включают устройство. Генератор 1 генерирует последовательность N-частот, распределенных на средних частотах N полос, на которые разделен слышимый спектр, с паузами между частотами. Для этого генератор 1 имеет переключатель частот и выключатель на выходе, управляемые тактовым синхронизатором. Громкоговоритель 2 излучает указанные сигналы с паузами. Микрофон 3 преобразует полученные сигналы в электрические, измеритель 4 отношений сигнал/шум определяет отношения сигнал/шум на каждой частоте испытательного сигнала. Для этого измеритель имеет на входе N-полосный фильтр, переключаемый синхронно с переключением частот генерации за счет управления от тактового синхронизатора. Таким образом, на вход вычислителя 6 разборчивости поочередно поступают измеренные соотношения сигнал/шум для всех N излучаемых частот. Вычислитель 5 уровня разборчивости по измеренным соотношениям производит вычисление разборчивости речи. Расчет производится на основе известных методик и теорий, суть которых заключается в том, что вначале по вышеуказанным измеренным значениям отношений сигнал/шум определяют коэффициент разборчивости на каждой из N частот, 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 коэффициент словесной разборчивости речи (подробнее смотри, например, статью А.А.Колесникова и др. "Корреляционная теория разборчивости речи" в ж. "Вопросы радиоэлектроники", серия "Общие вопросы радиоэлектроники", 1995, вып.1. стр.3-9 и Н.Б.Покровский "Расчет и измерение разборчивости речи", М.: Связь, 1962).

Описанное устройство широко используется 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. Применение описанного устройства для контроля указанных параметров не всегда приемлемо из-за недостаточной точности измерений. Суммарный акустический сигнал утечки может быть образован и нелинейными путями, поэтому для обеспечения достоверности измерения необходимо производить именно на реальном уровне сигнала в месте передачи, который очень мал в точке приема. Известно также, что уровень реального суммарного акустического сигнала в точке передачи (место размещения источника защищаемой информации) зависит не только от мощности излучения, но и от вторичных акустических сигналов, отраженных от элементов конструкции помещения (стены, потолок, оконные стекла), от реверберационных помех (Л.А.Лепендин. "Акустика", М.: Высшая школа, 1978, глава VII), от вибрационных, от магнитных и образованных другими путями. Эта зависимость нелинейна и частотнозависима, что существенно снижает достоверность измерений коэффициента разборчивости. Причем исключить указанные отклонения фактического уровня акустического излучения от заданного в заранее необследованном помещении принципиально невозможно. К тому же акустические характеристики даже заранее обследованного помещения в месте излучения могут заметно изменяться при изменении атмосферы, температуры, дня и ночи, наличия и перемещения оборудования, мебели, людей и от многого другого.

Перечисленные вторичные акустические сигналы в известных нам устройствах весьма существенно влияют на результаты измерения разборчивости речи, снижая их точность и достоверность.

Но они не должны отражаться на результатах измерений.

Задача изобретения.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности и достоверности измерения разборчивости речи.

Решение задачи - сущность изобретения.

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

внесены существенные изменения и дополнения, а именно:

- в генератор испытательного сигнала введен режим ручного переключения частот генерации и пауз между ними,

- непосредственно перед излучателем установлен измеритель уровня, выход которого соединен с устройством сравнения,

- перед измерителем отношений сигнал/шум введен регулируемый корректор частотной характеристики.

Раскрытие изобретения.

Сущность изобретения состоит в обеспечении измерений исходных для расчета отношений сигнал/шум именно на заданном уровне каждой частоты N-частотного испытательного акустического сигнала, поскольку возможные отклонения от заданного уровня за счет отражений, резонансов, нелинейности излучателя и т.п. заранее, перед началом измерений будут учтены, измерены и скомпенсированы в месте приема (прослушивания). Эту операцию мы назвали объектной коррекцией, поскольку она устраняет, в основном, специфические искажения измерений, связанные с особенностями объектов (помещений).

Сущность изобретения поясняется упрощенной структурной схемой устройства, представленной на фиг.2, где приняты следующие обозначения: 1 - генератор N-частотного испытательного сигнала, 2 - акустический излучатель, 3 - приемник акустических сигналов (микрофон), 4 - N-полосный измеритель отношений сигнал/шум, 5 - вычислитель уровня разборчивости речи, 6 - измеритель уровня акустического сигнала в месте излучения, 7 - устройство сравнения, 8 - регулируемый корректор частотной характеристики, 9 - вход ручного управления генератором.

Устройство состоит из последовательно соединенных генератора 1 N-частотного испытательного сигнала, имеющего вход 9 ручного управления, громкоговорителя 2, размещенного в месте реального размещения источника звуковых сигналов, микрофона 3, размещенного в месте прослушивания, регулируемого корректора 8 частотной характеристики, N-полосного измерителя 4 отношений сигнал/шум и вычислителя 5 уровня разборчивости речи. Непосредственно перед акустическим излучателем 2 размещен измеритель 6 уровня акустического сигнала, выход которого соединен с устройством сравнения 7.

Устройство работает следующим образом.

Размещают источник акустического испытательного сигнала (громкоговоритель 2) в точке размещения реального источника акустического сигнала, а приемник акустического сигнала (микрофон 3) в точке возможного размещения приемника акустической информации. Перед началом измерения разборчивости речи производят объектную коррекцию частотной характеристики измерений, для чего переключают генератор 1 в режим ручного управления (9) и поочередно генерируют генератором 1 и излучают громкоговорителем 2 отдельные тональные частоты N-частотного испытательного сигнала заданного уровня. Измеритель 6 акустического сигнала на каждой частоте измеряет фактический уровень акустических сигналов непосредственно в месте их излучения. Измеренный уровень акустического сигнала сравнивают с заданным (расчетным) уровнем на этой частоте посредством устройства сравнения 7. После определения отклонение измеренного уровня от заданного регулируемым корректором 8 изменяют его коэффициент передачи на этой частоте для компенсации разницы между заданным и измеренным уровнями испытательного сигнала в месте их реального излучения. Эту процедуру повторяют на каждой частоте испытательного сигнала.

Затем переходят к измерению разборчивости речи, производимой аналогичной прототипу. Переходят к автоматическому режиму работы устройства. Генератор 1 генерирует, излучатель 2 излучает N-частотные испытательные акустические сигналы заданного уровня, которые представляют собой последовательность N тональных частот, распределенных по средним частотам N полос, на которые разделен слышимый спектр, с паузами между частотами. В точке измерения микрофон 3 принимает полученные акустические сигналы, как при излучениях испытательных частот, так и в паузах между ними, преобразуя их в электрические сигналы. Полученные электрические сигналы корректируются корректором 8, после чего они канализируются N полосовыми фильтрами на частоты, соответствующие частотам испытательного сигнала, измеряются уровни полученных сигналов, затем определяются отношения сигнал/шум на каждой частоте испытательного сигнала и вычисляется разборчивость речи на фоне реальных шумов на основе корреляционной теории разборчивости речи (см., например, статью В.К.Железняка "Корреляционная теория разборчивости речи" в ж. "Вопросы радиоэлектроники", серия "Общие вопросы радиоэлектроники", 1995, вып.1, стр.3-9), являющейся развитием форматной разборчивости речи (Н.Б.Покровский. "Расчет и измерение разборчивости речи", М.: Связь, 1962) и полезной модели РФ №27259

Основным отличием заявленного устройства от прототипа - наиболее близкого по технической сущности является - введение нескольких новых элементов и дополнительного режима работы генератора для обеспечения проведения объектной коррекции частотной характеристики тракта измерений.

Новым в изобретении является -

- введение режима ручного управления генератором испытательного сигнала,

- введение измерителя уровня испытательного сигнала непосредственно в место излучения испытательных сигналов,

- введение устройства сравнения измеренного и заданного уровней испытательных сигналов,

- введение регулируемого корректора частотной характеристики перед измерителем отношений сигнал/шум.

Такое устройство нам неизвестно из доступных источников информации.

Совокупность перечисленных отличий является творческим достижением изобретателей, 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, ручной режим управления генератором обеспечивается, например, отключением тактового синхронизатора. Измерение фактического уровня акустического сигнала можно выполнить измерителем уровня. Сравнение с заданным уровнем можно производить визуально (сравнением с эталоном) или вычитающим устройством. Регулируемым корректором частотной характеристики может быть, в частности, полосовой регулятор тембра.

Устройство построено на ФГУП "Информакустика", успешно прошли метрологические и сертификационные испытания и уже применяются при измерениях коэффициента разборчивости речи. При этом никаких практических сложностей, связанных с использованием изобретения, не встретилось.

Реально полученные преимущества перед прототипом состоят в повышении достоверности и точности измерения коэффициента разборчивости речи. В частности, гарантированный нижний уровень определения отношения сигнал/шум оказался на 10 дБ ниже нулевого уровня порога слышимости уха (2×10^-5 Па), вследствие чего величина разборчивости снижена в 1,5 раза. Погрешность измерения снижена более, чем вдвое - в связи с устранением влияния вторичных источников акустических сигналов. Достоверность определения разборчивости речи в условиях слабого сигнала и шумов высокого уровня позволяет гарантировано установить отсутствие каналов утечки информации, так как разборчивость определяется ниже нормированной величины, заданной нормативно-методической документацией.

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

Устройство измерения разборчивости речи, содержащее в точке размещения источника акустического сигнала последовательно соединенные генератор испытательного сигнала в виде последовательности N частот, распределенных по средним частотам N полос, на которые разделен слышимый спектр, с паузами между частотами и излучатель испытательного сигнала, а в точке измерения содержащее последовательно соединенные микрофон, N-полосный измеритель отношений сигнал/шум и вычислитель разборчивости, причем генератор испытательного сигнала и N-полосный измеритель имеют синхронно управляемые тактовым синхронизатором переключатели частот генерации и полос пропускания, отличающееся тем, что в генератор испытательного сигнала введен режим ручного переключения частот генерации и пауз между ними, непосредственно перед излучателем установлен измеритель уровня, выход которого соединен с устройством сравнения, а перед измерителем отношений сигнал/шум введен регулируемый корректор частотной характеристики.