СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ РАЗБОРЧИВОСТИ РЕЧИ Российский патент 2006 года по МПК G10L15/00 H04R29/00 

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 способы 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 подобный способ измерения, применяемая при этом аппаратура и методы математической обработки. Способ технически прост, но недостаточно воспроизводим и точен в условиях слабых акустических сигналов, поскольку зависит от интеллекта экспертов, а главное - трудоемок и требует участия большого числа экспертов.

Более объективен способ, основанный 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 способу по большинству существенных признаков и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Ниже приводится подробное описание способа-прототипа.

Способ предусматривает размещение источника акустического испытательного сигнала в точке размещения источника речевого сигнала, а приемника - в точке размещения приемника несанкционированной утечки акустической информации. Излучают последовательность тональных звуковых частот заданного уровня с паузами между ними, причем частоты излучения распределены по средним частотам N полос, на которые разделен слышимый спектр речи. В течение излучения каждой частоты приемником испытательного сигнала через полосовой фильтр, настроенный на эту частоту, принимают и измеряют суммарный акустический сигнал, образованный в месте приема этой частотой и акустическим шумом в этой полосе. 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. По определенным отношениям сигнал/шум на всех тональных частотах испытательного сигнала вычисляют разборчивость речи сигнала на фоне реальных шумов - на основе известных методик (см., например, статью А.А.Колесникова и др. "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).

Другими словами, сущность способа, как и большинства других аппаратурных способов измерения разборчивости, заключается в последовательном излучении в точке передачи N тональных испытательных акустических колебаний в речевом диапазоне частот, акустическом приеме полученных сигналов в заданной точке приема, N-полосном измерении отношений сигнал/шум на всех N частотах испытательных сигналов и последующем вычислении по ним коэффициента разборчивости речи - по известным методикам. Сущность способа поясняется фиг.1 - примером упрощенной структурной схемы реализации способа где: 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.

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) в электрические. Во время паузы этим же приемником принимают и измеряют только шум 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. Эти операции производит N-полосный измеритель 4 отношений сигнал/шум на каждой частоте испытательного сигнала. 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 вычисляют коэффициент разборчивости речи на фоне реальных шумов - на основе известных методик (см., например, статью А.А.Колесникова и др. "Корреляционная теория разборчивости речи" в журнале "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).

Описанный способ 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 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 и электрические 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 способа для контроля разборчивости речи не приемлемо, оно не отражает возможный уровень разборчивости речи.

Естественно, вышеописанный акустический способ измерения 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 максимальной разборчивости, как наибольший из всех перечисленных каналов. Однако и этот способ определения не отражает 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. Например, в учебном пособии А.Г.Охонского, А.А.Алисееча и др. "Помехоустойчивость информационных радиосистем управления", М.: МГАП "Мир книги", 1993, описаны схема оптимального различителя двух детерминированных сигналов, максимально правдоподобное оценивание параметра сигнала с начальной фазой и 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 возможен наиболее чувствительный, наиболее рациональный способ повышения разборчивости речи, предусматривающий 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 способа подслушивания, естественно, требует большого времени, сложной аппаратуры, 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".

Известный способ-прототип такого измерения обеспечить не может.

Задача изобретения

Задачей настоящего изобретения является повышение достоверности измерения разборчивости речи.

Решение задачи - сущность изобретения.

Поставленная задача решена тем, что в известный способ измерения разборчивости речи, предусматривающий размещение источника акустического испытательного сигнала в точке размещения источника речевого сигнала, а приемника акустического сигнала - в точке приема речевой информации, последовательное излучение N-частотного испытательного акустического сигнала заданного уровня с паузами частотами, причем частоты излучения распределены на средних частотах N полос, на которые разделен слышимый спектр речи, прием и измерение акустических сигналов, образованных в месте приема на всех N частотах испытательного сигнала и в паузах между ними, определение по результатам измерений соотношений сигнал/шум на каждой частоте испытательного сигнала, последующее вычисление уровня разборчивости речи по определенным отношениям сигнал/шум, внесены существенные изменения и дополнения, а именно:

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

- принимают и измеряют по отдельности указанные К видов сигналов, образованные в месте приема на всех N частотах испытательного сигнала и в паузах между ними,

- определяют по результатам измерений отношения сигнал/шум на каждой частоте испытательного сигнала по каждому из К видов принятых сигналов,

- выбирают на каждой частоте испытательного сигнала наибольшее из отношений сигнал/шум, измеренных по акустическому и К других видов принятых сигналов,

- и вычисляют уровень разборчивости речи по наибольшим соотношениям сигнал/шум.

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, реализующего описанный способ, представлен на фиг.2, 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 вида сигнала, 10 - устройство выбора наибольшего отношения сигнал/шум, 11 - тактовый синхронизатор.

Устройство состоит из последовательно соединенных генератора 1 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 вида сигнала, N-полосного измерителя 4 отношений сигнал/шум, устройства 10 выбора наибольшего отношения сигнал/шум и вычислителя 5 уровня разборчивости речи.

Работа устройство синхронизируется таковым синхронизатором 11.

Способ реализуется следующим образом.

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

Генерируют (1) и излучают (2) испытательный акустический сигнал заданного уровня, который представляет 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 паузы на каждой частоте циклически повторяют К+1=4 раза. Поочередно, при помощи переключателя 9 принимают (2, 6, 7, 8) и измеряют в точке приема полученные акустические, магнитные, электрические и виброакустические сигналы при излучениях и в паузах между ними, разделяют их узкополосными фильтрами на частоты, соответствующие частотам испытательного сигнала, измеряют уровни полученных сигналов, по каждому виду сигналов (чаще всего - акустический, магнитный, электрический и виброакустический) определяют отношения сигнал/шум на каждой частоте испытательного сигнала (4). Узкополосные фильтры измерителя 4 переключают синхронно с изменением частот испытательного сигнала 1 синхронизатором 11. Затем устройством выбора 9 выбирают на каждой частоте испытательного сигнала (т.е. каждой полосе слышимого спектра) наибольшее отношение сигнал/шум. 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 способа от прототипа:

- в точке приема - дополнительное размещение К приемников других видов сигналов, образованных акустическими испытательными сигналами, например электрического, магнитного, виброакустического сигналов,

- прием и измерение по отдельности указанных К других видов сигналов, принятых в месте приема на всех N частотах испытательного сигнала и в паузах между ними,

- определение по результатам измерений отношений сигнал/шум на каждой частоте испытательного сигнала по каждому из К других видов принятых сигналов,

- выбор на каждой частоте испытательного сигнала наибольшего из соотношений сигнал/шум, измеренных по акустическому и К другим видам принятых сигналов,

- вычисление уровня разборчивости речи по наибольшим соотношениям сигнал/шум.

Такой способ нам неизвестен из доступных источников информации

Совокупность перечисленных отличий является творческим достижением изобретателя, она неочевидна для специалиста.

Промышленная применимость

Заявленный способ легко осуществим, как схемно, так и программно. Схемно - средствами, хорошо освоенными промышленностью, что следует из вышеприведенного описания примера выполнения.

В частности, принимать акустические сигналы можно микрофоном, магнитные сигналы - магнитной антенной (см., например, Патент РФ №2152624 "Измеритель напряженности магнитной составляющей переменного электромагнитного поля", электрические сигналы - электрической антенной (см., например, патент РФ №2152623, виброакустические сигналы - пьезоэлектрическим преобразователем (см., например, И.К.Колесникова и др. "Основы гидроакустики и гидроакустические станции", Ленинград: Судостроение, 1970).

Выбор наибольшего значения сигнал/шум можно выполнить, например, на основе схемы ИЛИ со схемами запоминания.

Остальные составляющие способа - генерирование последовательности N испытательных сигналов, излучение, N-полосное измерение отношений сигнал/шум, вычисление уровня разборчивости - неоднократно реализовывались в известных способах измерения разборчивости (см., например, свидетельство 27259 на полезную модель, опубл. 10.01.2003 в Бюлл. №1 за 2003 г.).

Заявленный способ реализован на ФГУП "Информакустика", успешно прошел 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 в практике 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.

Изобретение относится к измерению максимально возможной разборчивости речи в крайне неблагоприятных условиях, в шуме, при малых отношениях сигнал/шум и предназначено в основном для определения защиты объектов при утечке речевой информации по нескольким каналам утечки одновременно. Технический результат - повышение достоверности измерения разборчивости речи. Для этого в способе в точке приема дополнительно размещают К приемников других видов сигналов, образованных акустическими испытательными сигналами, например электрического, магнитного, виброакустического сигналов, принимают и измеряют по отдельности акустический и указанные К видов сигналов, образованных в месте приема на всех N частотах испытательного сигнала и в паузах между ними, определяют по результатам измерений отношения сигнал/шум на каждой частоте испытательного сигнала по каждому из акустического и К других видов принятых сигналов, выбирают на каждой частоте испытательного сигнала наибольшее из соотношений сигнал/шум, измеренных по акустическому и К других видов принятых сигналов, затем вычисляют уровень разборчивости речи по наибольшим соотношениям сигнал/шум. 2 ил.

Способ измерения максимальной разборчивости речи, предусматривающий размещение источника акустического испытательного сигнала в точке размещения источника речевого сигнала, а приемника акустического сигнала - в точке приема речевой информации, последовательное излучение N-частотного испытательного акустического сигнала заданного уровня с паузами между излучениями частот, причем частоты излучения распределены на средних частотах N полос, на которые разделен слышимый спектр речи, прием и измерение акустических сигналов, образованных в месте приема на всех N частотах испытательного сигнала и в паузах между ними, определение по результатам измерений соотношений сигнал/шум на каждой частоте испытательного сигнала, последующее вычисление уровня разборчивости речи по определенным отношениям сигнал/шум, отличающийся тем, что в точке приема дополнительно размещают К приемников других видов сигналов, образованных акустическим испытательным сигналом, например электрического, магнитного, виброакустического сигналов, принимают и измеряют по отдельности акустический и указанные К видов сигналов, образованных в месте приема на всех N частотах испытательного сигнала и в паузах между ними, определяют по результатам измерений отношения сигнал/шум на каждой частоте испытательного сигнала по каждому из акустического и К других видов принятых сигналов, выбирают на каждой частоте испытательного сигнала наибольшее из соотношений сигнал/шум, измеренных по акустическому и К других видов принятых сигналов, затем вычисляют уровень разборчивости речи по наибольшим соотношениям сигнал/шум.