Формирователь речеподобного шумового сигнала

Формирователь речеподобного шумового сигнала

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники.

Изобретение относится к области создания искусственных помех для маскировки акустических и электромагнитных каналов утечки речевой информации.

Уровень техники.

Известно, что ценность экономической, политической, научно-технической информации многократно превышает ценность материальных объектов. Поэтому чрезвычайно актуальны средства защиты от несанкционированной утечки информации государственного, оборонного, научно-технического и коммерческого содержания.

Кроме организационных мер, предписывающих персоналу определенные правила поведения, для защиты содержательной информации применяют сложные технические средства. В частности, для уменьшения утечки информации по акустическим и радиоканалам, по телефонной сети, по цепям питания используемой аппаратуры и т.п. применяют специальные схемы маскирования информационных сигналов, уменьшающие возможность их несанкционированного прослушивания (например, Роткевич В. и Роткевич П. «Техника измерений при радиоприеме», М.: Связь, 1969, стр.374-381).

В работе Хорева А.А. («Методы и средства поиска электронных устройств перехвата информации», М.: Минобороны РФ, стр.24) представлены примеры сетевых закладок, которые устанавливают в электрические розетки, в удлинители; в аппаратуру, питающуюся от сети переменного тока, или непосредственно в силовую линию. Закладки предназначены для съема речевой информации. Аппаратура усиления речевой информации должна быть защищена по каналу утечки через сеть питания. Без принятия мер защиты усилительная аппаратура вносит реакцию в сеть в соответствии с усиливаемыми сигналами, что дает возможность их выделения из сети, т.е. возможность утечки информации. Применение сетевых фильтров и эквивалентов сети в таком диапазоне частот почти не ослабляет электрические сигналы. Сетевые фильтры на звуковые частоты громоздки и обеспечивают в диапазоне 100-10000 Гц затухание порядка 5-10 дБ, чего явно недостаточно.

Другим направлением защиты информации техническими средствами является создание искусственных помех в электромагнитных каналах утечки информации - генераторов маскирующих сигналов, мощность которых превышает мощность электромагнитных сигналов утечки информации. Это существенно снижает возможность обнаружения и приема информации. Современная модификация такого способа маскировки приведена, например, в заявке В.Железняка №2005103317 от 10 февраля 2005 г. (Способ маскировки электромагнитных каналов утечки речевых сигналов звукоусилительной аппаратуры). Способ предусматривает генерацию, усиление и излучение маскирующего шумового сигнала и отличается тем, что усиление шумового сигнала производят в режиме В или АВ, применяют импульсную автокомпенсационную стабилизацию напряжения питания усилителя мощности шумового сигнала, при этом фильтруют стабилизированное напряжение фильтром верхних частот.

Маскирующий шумовой сигнал поступает в излучающую антенну (акустическую, вибрационную, электрическую, магнитную). Мощность излучаемого шумового сигнала должна многократно превышать мощность сигналов утечки маскируемых сигналов.

Устройство эффективно предотвращает или существенно уменьшает электромагнитную утечку информации и по эфиру и по промышленной сети переменного тока.

Однако в настоящее время известно множество эффективных устройств (например, корреляторы), позволяющих выделить речевой сигнал даже на фоне мощных шумов. При этом первым шагом для организации подслушивания является выявление самого факта наличия сигнала в анализируемой смеси сигнала и маскирующего его шума. Если известно, что в этой смеси имеется сигнал - рано или поздно сигнал будет выделен.

Развитием устройств маскирования является выбор вида маскирующего сигнала. Для обеспечения скрытности (исключения возможности подслушивания) необходимо:

либо излучать чрезвычайно мощные речевые и музыкальные сигналы, подавляющие сигналы акустических и электромагнитных утечек маскируемых речевых сигналов (сигналы каналов утечки информации имеют несопоставимо меньшие мощности),

либо максимально подавить признаки речи из возможных каналов утечки маскируемых речевых сигналов, что требует чрезвычайно больших мощностей маскирующих шумов и, тем не менее, не исключает возможности обнаружения речевого сигнала.

Еще одним недостатком использования шумового сигнала в качестве маскирующего является то, что его пик-фактор по критерию 3σ составляет 9,5 дБ (по напряжению), в то время как пик-фактор речи составляет 14 дБ. Для подавления речевого сигнала необходимо увеличить уровень шумового сигнала таким образом, чтобы перекрыть уровень речевого сигнала. Увеличение уровня шумового сигнала разрушает в большой мере переходы через нуль речевого сигнала, т.е. сигнал в шумах обнаружить практически невозможно. Мерой разрушения речевого сигнала является разрушение переходов через нуль до такой степени, что их закон становится практически нормальным, так как известно, что при глубоком амплитудном ограничении речевого сигнала его разборчивость остается высокой.

Известны устройства маскирования путем излучения в эфир ложных отвлекающих речевых сигналов. Для повышения надежности маскировки ложный отвлекающий речевой сигнал может быть выполнен малоразборчивым. Подслушивающая сторона в конце-концов обнаружит его на фоне многих других сигналов и начнет активно анализировать. Это отвлечет ее от поисков реально маскируемого источника, тем самым на время обеспечит его скрытность (В.Г.Грибунин, И.Н.Оков, И.В.Туринцев. «Цифровая стеганография. Аспекты защиты», М.: СОЛОН-пресс, 2002 г.).

Наиболее известны устройства создания речеподобного шумового сигнала путем мозаичных частотных и временных перестановок составляющих речевого сигнала. Они реализованы, например, в скремблере «ГРОТ», описанном в «Каталоге МАСКОМ» центра безопасности информации, изд. 2001 г. (ксерокопия приложена).

Устройство производит разделение текущего речевого спектра или временного интервала речевого сигнала на частотные или временные фрагменты и взаимную перестановку их по заданному алгоритму. Это устройство наиболее близко к заявляемому и поэтому выбран нами за прототип.

Устройство успешно используется многие годы, позволяет сделать речевой сигнал неразборчивым в цепях передачи и каналах возможной утечки информации, но при этом может быть полностью восстановлен на приемном конце.

Однако при применении этого устройства остается принципиальная возможность восстановления исходного сигнала подслушивающей стороной, например, путем раскрытия алгоритма перестановок элементов речевого сигнала посредством компьютерной обработки подозрительного записанного фрагмента или похищения алгоритма обработки. Частично это можно исправить периодическим изменением алгоритма, но это не гарантирует скрытности речевой информации, поскольку момент раскрытия алгоритма подслушивающей стороной неизвестен маскируемой стороне.

К тому же, речь, преобразованная в цифровую форму, плохо маскируется шумовым сигналом, так как сигнал в цифровой форме является сложным, а шумовой сигнал - простым.

Кроме того, устройство-прототип дорого, поскольку требует создания перестраиваемых маскирующих кодирующих и декодирующих устройств и соблюдения режима секретности кодирования на всех объектах-пользователях.

Задача изобретения

Задача изобретения - повысить маскирующее действие речеподобного шумового сигнала и удешевить его реализацию. Необходимо сформировать маскирующий сигнал, который одновременно маскирует аналоговый сигнал и речевой сигнал в цифровой форме.

Сущность изобретения - решение задачи.

Исходные предпосылки.

Теоретики разборчивости речи показали, что разборчивость искаженной речи зависит главным образом от сохранения неизменными точек пересечения речевым сигналом нуля. Именно поэтому клиппированная речь (т.е. речь, максимально усиленная, когда остались неизменными только точки пересечения нуля) вполне разборчива и даже узнаваема. Известно также, что точки пересечения нуля являются одними из основных характеристик: формант речи. Поэтому вышеизложенную мысль можно выразить иначе - разборчивость речи определяется сохранением ее формантной структуры (Р.К.Потапов. «Речевое управление роботом», М.: Радио и связь, 1989).

Из известности этих фактов заявитель предположил обратную зависимость - можно исказить речь до полной неразборчивости путем разрушения ее формантной структуры. Это можно осуществить путем модуляции шумовым сигналом точек пересечения нуля речевого сигнала.

Известно, что фазовые дрожания речевого сигнала по случайному закону в аппаратуре связи, магнитной записи обусловливают частотную модуляцию как гармонического, так и импульсного сигнала (Дворецкий И.М., Дриацкий И.Н. «Цифровая передача сигналов звукового вещания». М.: Радио и связь, 1989), снижающие качество воспроизводимого речевого сигнала, т.е. его разборчивость. В работе Вымяна Г.В. («Передача речи по сетям электросвязи». - М.: Радио и связь, 1985, с.13) формантами называются усиленные частотные области спектра данного звука, позволяющие отличить его при слуховом восприятии от других звуков. Звуки речи отличаются по своему спектральному составу друг от друга как числом формант, так и расположением их в частотном спектре. Под спектром формант понимается зависимость наивероятнейшего в течение длительного времени спектрального уровня формант В от частоты f.

В работе Потапова Р.К. («Речевое управление роботом». - М.: Радио и связь, 1989, стр.9) определено понятие частоты форманты, как максимума спектральной плотности речевого сигнала либо как максимальная средняя частота спектра в области соответствующей форманты, определяемая количеством ее переходов за единицу времени в соответствующем диапазоне частот. Одним из способов выделения формант является определение максимального числа пересечений речевого сигнала через нуль в соответствующей частотной области путем измерения плотности переходов речевого сигнала. Разрушение плотности переходов речевого сигнала в соответствующей частотной области снижает разборчивость речи.

В работе Бабуркина В.Н., Гензеля Г.С. и Павлова Н.Н. («Электроакустистика и радиовещание. Акустические вопросы вещания». - М.: Связь, 1967, с. 208) показано, что паразитная частотная модуляция в виде детонации искажает звуковые сигналы. Паразитная частотная модуляция искажает спектральное распределение звукового сигнала (Кантор Л.Я. «Методы повышения помехоустойчивости приема ЧМ сигналов». М.: Связь, 1967). В работе Раковского В.В. («Измерение в аппаратуре записи звука кинофильмов». М.: Искусство, 1962, с.56-63) представлены пороговые уровни восприимчивости слуха к паразитной частотной модуляции. Они составляют от 0,003% до 0,03% в зависимости от частоты модулируемого колебания и частоты модуляции. Увеличение паразитной частотной модуляции снижает разборчивость речи.

Задача решена тем, что в формирователь речеподобного шумового сигнала из исходного речевого сигнала, содержащий последовательную цепь, содержащую первый компаратор, интегратор и второй компаратор, а также источник шумового сигнала, выход которого через фильтр нижних частот соединен с опорным входом второго компаратора, при этом источник речевого сигнала через фильтр нижних частот соединен с первым входом первого компаратора, а второй вход первого компаратора имеет нулевой потенциал, внесены существенные изменения, а именно:

- введены сумматор, аналого-цифровой преобразователь и фильтр нижних частот, причем выход второго компаратора подключен к первому входу сумматора и через фильтр нижних частот подсоединен ко входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подсоединен к второму входу сумматора, выход которого является выходом формирователя.

Другим вариантом решения задачи - введение в формирователь речеподобного шумового сигнала из исходного речевого сигнала, содержащий последовательную цепь, содержащую первый компаратор, интегратор и второй компаратор, а также источник шумового сигнала и источник речевого сигнала, выход которого через схему привязки уровня соединен с первым входом первого компаратора, второй вход которого имеет нулевой потенциал, а также схему привязки уровня, следующих изменений:

- введены сумматор и вторая последовательная цепь, содержащая третий компаратор, второй интегратор, второй интегратор и четвертый компаратор, при этом выход источника шумового сигнала через схему привязки уровня подсоединен к первому входу третьего компаратора, второй вход которого имеет нулевой потенциал, и дополнительно соединен через фильтр нижних частот с опорным входом второго компаратора, а выход источника речевого сигнала через фильтр нижних частот дополнительно соединен с опорным входом четвертого компаратора, причем выходы второго и третьего компараторов соединены со входами сумматора, выход которого является выходом формирователя. Схемы привязки уровня могут быть выполнены в виде разделительного конденсатора и диода, подключенного между первым входом компаратора и общим проводом, анодом ко входу. Опорным входам первого и третьего компараторов рекомендуется иметь потенциалы Е1 и Е2, причем напряжение Е1 выбрано равным среднеквадратическому значению напряжения речевого сигнала на первом (+) входе первого компаратора, а напряжение Е2 выбрано равным среднеквадратическому значению напряжения шума на первом (+) входе третьего компаратора.

Укрупненно можно сказать, что предложенные устройства реализуют следующий принцип: для модуляции моментов пересечения речевым сигналом нуля его вначале клиппируют (т.е. предельно ограничивают), затем клиппированный сигнал интегрируют, преобразуя в пилообразный, затем полученный пилообразный сигнал суммируют с шумовым сигналом, и после этого полученный суммарный сигнал предельно усиливают и ограничивают (т.е. опять клиппируют). Для повышения маскирующего действия (для исключения пауз, связанных с паузами в маскируемой речи) полученный речеподобный сигнал суммируют со вторым речеподобным сигналом, для образования которого клиппируют шумовой сигнал (не имеющих пауз), а затем модулируют речевым сигналом точки пересечения нуля клиппированным шумовым сигналом.

Для маскирования речевого сигнала в цифровой форме полученный речеподобный маскирующий сигнал суммируют с этим же сигналом, преобразованным в цифровую форму.

Раскрытие сущности изобретения.

Сущность способа поясняют фиг.1, 2, 3, 4 и 5, где:

фиг.1 - пример структурной схемы реализации способа,

фиг.2 - пример двухканальной структурной схемы реализации способа,

фиг.3 - диаграмма напряжений схемы фиг.1.

на фиг.1, 2 приняты следующие обозначения:

1 - источник речевого сигнала, 2 - источник шумового сигнала, 3, 6, 7 фильтры нижних частот, 4, 8, 11, 15 - компараторы, 5, 14 - интеграторы, 10 - сумматор, 12, 13 - схемы привязки уровня, 9 - аналогово-цифровой преобразователь.

На фиг.3 приняты следующие обозначения:.

U₁ - форма исходного речевого сигнала на выходе источника 1,

U₂ - форма сигнала на выходе фильтра нижних частот 3,

U₃ - форма сигнала на выходе компаратора 4,

U₄ - форма сигнала на выходе интегратора 5,

U₅ - форма сигнала на выходе фильтра нижних частот 6,

U₆ - форма сигнала на выходе компаратора 8.

Простейшая реализация устройства (фиг.1) состоит из компаратора 4 к первому входу которого через фильтр нижних частот 3 и разделительный конденсатор (для исключения постоянной составляющей) подключен источник 1 речевого сигнала, ко второму - нулевое постоянное напряжение. Выход компаратора 3 через интегратор 5 подключен к первому (+) входу компаратора 8. Источник шумового сигнала 2 через фильтр 6 нижних частот подключен к опорному (-) входу компаратора 8. Выход компаратора 8 подключен через фильтр 7 ко входу аналого-цифрового преобразователя 9.

Выходы компаратора 8 и аналого-цифрового пребразователя 9 через сумматор 10 соединены с выходом устройства.

Устройство по фиг.1 реализуется следующим образом. Сигнал от источника речевого сигнала (фиг.3а) через фильтр 3 нижних частот поступает на первый (+) вход компаратора 4. При подаче речевого сигнала через фильтр 3 нижних частот с частотой среза 2000 Гц сигнал, поступающий на вход компаратора 4, будет иметь вид фиг.3б. На опорном входе компаратора 4 - нулевой потенциал. На выходе компаратора 4 образуется клиппированный речевой сигнал, т.е. речевой сигнал предельно ограничивается, превращаясь в последовательность прямоугольных импульсов (фиг.3в). Затем клиппированный сигнал интегрируется интегратором 5, преобразуя прямоугольные импульсы в пилообразные (фиг.3г). Полученные пилообразные импульсы поступают на первый (+) вход компаратора 8. В это же время на опорный (-) вход компаратора 8 через фильтр 6 нижних частот поступает сигнал от источника шумового сигнала 2 (фиг.3г). Этот шумовой сигнал непрерывно сдвигает порог срабатывания компаратора 8, в результате чего на его выходе образуется клиппированный сигнал, фронты которого задержаны (сдвинуты во времени) относительно точек пересечения нуля исходного аналогового речевого сигнала, причем величина задержки каждого последующего фронта хаотически меняется в соответствии с сигналом шума (фиг.3д). Аналого-цифровое преобразование полученного маскирующего сигнала, произведенное блоком 9, образует цифровой сигнал, маскирующий речевой сигнал в цифровой форме. Фильтр нижних частот 7 необходим, чтобы ограничить спектр сигнала перед преобразованием. В сумматоре 10 образуется объединенный речеподобный шум, маскирующий одновременно речевой сигнал и в аналоговой и в цифровой форме.

Разборчивость речи нарушена, поскольку точки пересечения нуля промодулированы шумовым сигналом - нарушены форманты исходного сигнала.

Устройство (фиг.2) состоит из компаратора 4, к первому (+) входу которого через схему 12 привязки уровня подключен источник 1 речевого сигнала, к опорному (-) входу - постоянное напряжение E₁. Выход компаратора 4 через интегратор 5 подключен к первому (+) входу компаратора 11, выход которого подключен ко входу сумматора 10. Фиг.2 содержит также компаратор 8, к первому (+) входу которого через схему 13 привязки уровня подключен источник 2 шумового сигнала, к опорному входу - постоянное напряжение Е₂. Выход компаратора 8 через интегратор 14 подключен к первому (+) входу компаратора 15, выход которого подключен к другому входу сумматора 10. При этом источник 1 речевого сигнала через фильтр 3 нижних частот соединен с опорным (-) входом компаратора 15, а источник 2 шумового сигнала через фильтр 6 нижних частот - к опорному (-) входу компаратора 11.

Напряжение E₁ выбрано равным среднеквадратическому значению напряжения речевого сигнала на первом (+) входе компаратора 4, а напряжение Е₂ выбрано равным среднеквадратическому значению напряжения шума на первом (+) входе компаратора 8.

Схема привязки уровня 12 и 13 состоит из разделительного конденсатора и диода, подключенного между первым входом компаратора и общим проводом, анодом к нему. Эти схемы работают следующим образом. Конденсатор заряжается через диод до пикового значения отрицательной полуволны переменного напряжения речевого сигнала или шума, приложенного ко входу схемы. Напряжение на конденсаторе, суммируясь с входным, приводит к тому, что отрицательные пики суммарного напряжения «привязаны» к потенциалу общего провода. Мгновенные значения сигнала на входе компаратора оказываются положительными (если диод идеальный).

Схема фиг.1 весьма проста и работоспособна, но имеет некоторые недостатки:

а) при отсутствии речевого сигнала (и в паузах) отсутствует выходной речеподобный шум, что можно идентифицировать, как признак наличия речи.

б) для модуляции моментов пересечения нуля используется только низкочастотная составляющая шума (для чего установлен фильтр нижних частот 6). Если исключить этот фильтр, спектр выходного сигнала компаратора 4 будет сильно отличаться от речеподобного из-за биений близких частотных составляющих в спектрах речи и шума.

Устройство фиг.2 устраняет эти недостатки путем создания 2-го канала, в котором в дополнение к шумовой модуляции моментов пересечения нулей речевым сигналом введена речевая модуляция моментов пересечения нуля шумовым сигналом, в котором нет пауз. Устройство фиг.2 работает следующим образом. При поступлении речевого сигнала 1 через схему 12 привязки уровня на первый (+) вход компаратора 4 (на опорном входе компаратора - потенциал E₁) на выходе компаратора 4 образуется клиппированный речевой сигнал, т.е. предельно усиленный и ограниченный. Затем клиппированный сигнал интегрируется интегратором 5, преобразуя прямоугольные импульсы в пилообразные. Полученные пилообразные импульсы поступают на первый (+) вход компаратора 11. В это же время на опорный (-) вход компаратора 11 через фильтр 6 нижних частот поступает сигнал от источника шума 2. Шум непрерывно сдвигает порог срабатывания компаратора 11, в результате чего на его выходе образуется клиппированный сигнал, прямоугольные импульсы которого задержаны (сдвинуты) в соответствии с сигналом шума (смотри фиг.3). Шумовой сигнал 2 через схему 13 привязки уровня поступает на первый (+) вход компаратора 8, на опорный вход подается потенциал Е₂. На выходе компаратора 8 образуется клиппированный шумовой сигнал, т.е. он предельно усилен и ограничен. Затем клиппированный сигнал интегрируется интегратором 14, преобразуя прямоугольные импульсы в пилообразные. Полученные пилообразные импульсы поступают на первый (+) вход компаратора 15. В это же время на опорный (-) вход компаратора 15 через фильтр 3 нижних частот поступает речевой сигнал от источника 1. Речевой сигнал непрерывно сдвигает порог срабатывания компаратора 15, в результате чего на его выходе образуется клиппированный шумовой сигнал, прямоугольные импульсы которого задержаны (сдвинуты) в соответствии с речевым сигналом (аналогично процессам фиг.1 для речевого сигнала). Клиппированные речеподобные выходные сигналы компараторов 11 и 15 суммируются сумматором 10.

Разборчивость речи нарушена, поскольку точки пересечения нуля промодулированы шумовым и речевым сигналами - нарушены форманты исходного сигнала. При этом образование речеподобного шумового сигнала происходит и при отсутствии речи (в паузе) - за счет непрерывности шумового сигнала, для образования которого введен второй канал формирователя и сумматор.

На опорные входы компараторов 4 и 8 поданы постоянные положительные напряжения E₁ и Е₂, равные среднеквадратическому напряжению шума и речи соответственно. Эти напряжения могут быть установлены, например, с помощью резистивного делителя.

При наличии напряжений на опорных входах компараторов 4 и 8 выходной сигнал формирователя будет менее коррелирован с исходным, так как выходной сигнал компаратора меняет полярность не в моменты, когда исходные сигнал и шум пересекают нулевой уровень.

Чем меньше значение этих напряжений, тем меньше корреляция. Однако средняя частота импульсов на выходе компаратора при этом уменьшается, а при увеличении этих напряжений корреляция вначале растет, а затем падает, также уменьшается и частота. При указанном выше значении напряжений соблюдается компромисс.

Промышленная применимость.

Заявленные устройства изготовлены и испытаны заявителем.

При этом не возникло никаких технических трудностей. Примененные элементы (компараторы, интеграторы, фильтры нижних частот, схемы привязки уровня) давно известны, доступны и не потребовали никаких доработок. Формирователь недорог и малогабаритен.

Контрольное прослушивание сформированного сигнала подтвердило его полную неразборчивость при сохранении речеподобности.

Таким образом, по нашему мнению, заявленное устройство соответствует критериям изобретения - оно новое, неочевидное и промышленно применимое.

1. Формирователь речеподобного шумового сигнала из исходного речевого сигнала, содержащий последовательную цепь, содержащую первый компаратор, интегратор и второй компаратор, а также источник шумового сигнала, выход которого через фильтр нижних частот соединен с опорным входом второго компаратора, при этом источник речевого сигнала через фильтр нижних частот соединен с первым входом первого компаратора, а второй вход первого компаратора имеет нулевой потенциал, отличающийся тем, что введены сумматор, аналого-цифровой преобразователь и фильтр нижних частот, причем выход второго компаратора подключен к первому входу сумматора и через фильтр нижних частот подсоединен ко входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подсоединен к второму входу сумматора, выход которого является выходом формирователя.

2. Формирователь речеподобного шумового сигнала из исходного речевого сигнала, содержащий последовательную цепь, содержащую первый компаратор, интегратор и второй компаратор, а также источник шумового сигнала и источник речевого сигнала, выход которого через схему привязки соединен с первым входом первого компаратора, второй вход которого имеет нулевой потенциал, а также схему привязки уровня, отличающийся тем, что введены сумматор и вторая последовательная цепь, содержащая третий компаратор, второй интегратор и четвертый компаратор, при этом выход источника шумового сигнала через схему привязки уровня подсоединен к первому входу третьего компаратора, второй вход которого имеет нулевой потенциал, и дополнительно соединен через фильтр нижних частот с опорным входом второго компаратора, а выход источника речевого сигнала через фильтр нижних частот дополнительно соединен с опорным входом четвертого компаратора, причем выходы второго и третьего компараторов соединены со входами сумматора, выход которого является выходом формирователя.

3. Формирователь по п.2, отличающийся тем, что схемы привязки уровня выполнены в виде разделительного конденсатора и диода, подключенного между первым входом компаратора и общим приводом, анодом ко входу.

4. Формирователь по п.2, отличающийся тем, что входы первого и третьего компараторов имеют потенциалы Е1 и Е2, причем напряжение Е1 выбрано равным среднеквадратическому значению напряжения речевого сигнала на первом (+) входе первого компаратора, а напряжение Е2 выбрано равным среднеквадратическому значению напряжения шума на первом (+) входе третьего компаратора.