СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЧЕПОДОБНОГО МАСКИРУЮЩЕГО СИГНАЛА Российский патент 2007 года по МПК H04K1/02 

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.

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

Однако в настоящее время известно множество эффективных способов (например, корреляционный), 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 способа 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.

Известен способ 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 начкет 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).

Наиболее известный способ создания речеподобного шумового сигнала - мозаичные частотные и временные перестановки составляющих речевого сигнала. Он применен, например, в скремблере «ГРОТ», описанном в «Каталоге МАСКОМ» центра безопасности информации, изд. 2001 г.

Он предусматривает разделение текущего речевого спектра или временного интервала речевого сигнала на частотные или временные фрагменты и взаимную перестановку их по заданному алгоритму. Этот способ наиболее близок к заявляемому и поэтому выбран нами за прототип.

Способ 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 способа 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, способ-прототип дорог, 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 речевой 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 (имеются в виду точки осциллограммы электрического сигнала, взаимное расположение на временной оси моментов, в которые осциллограмма пересекает временную ось. Другими словами, точки пересечения нуля - это моменты времени, в которых мгновенное значение сигнала равно нулю). Именно поэтому клиппированная речь (т.е. речь, максимально усиленная и ограниченная по амплитуде, 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 воспроизведимого 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 известный способ формирования речеподобного маскирующего сигнала, образуемого из исходного речевого сигнала, внесены существенные изменения, а именно:

- речеподобный сигнал создают из исходного речевого сигнала путем его фазовой модуляции шумовым сигналом, что приводит к разрушению его формантной структуры путем изменениям моментов пересечения нуля исходным речевым сигналом.

Фазовая модуляция исходного речевого сигнала шумовым сигналом хаотически изменяет моменты пересечения нуля исходным речевым сигналом.

Хаотическое изменение (модуляцию) моментов пересечения нуля исходным речевым сигналом шумовым можно производить также несколько иначе - перед фазовой модуляцией исходный речевой сигнал клиппируют, а затем клиппированный речевой сигнал подвергают фазовой модуляции. В этом случае фазовую модуляцию можно осуществить, например, следующим образом. Клиппированный сигнал сначала интегрируют, преобразуя в пилообразный, затем полученный пилообразный сигнал суммируют с шумовым сигналом, после чего полученный суммарный сигнал усиливают и клиппируют.

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 и 2, где:

фиг.1 - пример структурной схемы реализации способа;

фиг.2 - диаграмма напряжений схемы фиг.1.

На схеме фиг.1 приняты следующие обозначения: 1 - источник речевого сигнала, 2 - источник шума, 3, 6, 7 - фильтры нижних частот, 4, 8 - компараторы, 5 - интегратор, 9 - аналогоцифровой преобразователь, 10 - сумматор.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:

а - форма исходного речевого сигнала на выходе источника 1;

б - форма сигнала на выходе фильтра нижних частот 3;

в - форма сигнала на выходе компаратора 4;

г - форма сигнала на выходе интегратора 5;

д - форма сигнала на выходе фильтра нижних частот 6;

е - форма сигнала на выходе компаратора 8.

Простейшая реализация способа (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 4 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 нижних частот к входу аналого-цифрового преобразователя 9. Выходы компаратора 8 и аналого-цифрового преобразователя 9 через сумматор 10 соединены с выходом устройства.

Способ по фиг.1 реализуется следующим образом. Сигнал от источника речевого сигнала (фиг.2а) через фильтр 3 нижних частот поступает на первый (+) вход компаратора 4. При подаче речевого сигнала через фильтр нижних частот с частотой среза 2000 Гц сигнал, поступающий на вход компаратора 4, будет иметь вид фиг.2б. На опорном входе компаратора 4 - нулевой потенциал. На выходе компаратора 4 образуется клиппированный речевой сигнал, т.е. речевой сигнал усиливается и клиппируется, превращаясь в последовательность прямоугольных импульсов (фиг.2в). Затем клиппированный сигнал интегрируется интегратором 5, преобразуя прямоугольные импульсы в пилообразные (фиг.2г). 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 шума 2 (фиг.2г). 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 исходным аналоговым речевым сигналом, причем величина задержки каждого последующего фронта хаотически меняется в соответствии с сигналом шума (фиг.2д). Аналого-цифровое преобразование полученного маскирующего сигнала, произведенного блоком 9, образует цифровой сигнал, маскирующий исходный речевой сигнал в цифровой форме. Фильтр нижних частот 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 нарушены форманты исходного сигнала, так как моменты пересечения нуля исходным речевым сигналом промодулированы шумовым сигналом.

Возможна также реализация способа посредством непосредственной фазовой модуляции исходного речевого сигнала.

Промышленная применимость.

Заявленный способ неоднократно реализован заявителем, в частности, по схеме фиг.1.

При этом не возникло никаких технических трудностей. Примененные элементы (компараторы, интеграторы, фильтры нижних частот, аналого-цифровой преобразователь, сумматор) 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, заявленный способ соответствует критериям изобретения - он нов, неочевиден и промышленно применим.

Изобретение относится к области создания искусственных помех для маскировки акустических и электромагнитных каналов утечки речевой информации. Технический результат - повышение маскирующего действия речеподобного шумового сигнала. Для этого речеподобный сигнал создают из исходного маскируемого сигнала путем модуляции шумовым сигналом моментов пересечения нуля маскируемым сигналом. Модуляцию моментов пересечения нуля речевого сигнала можно производить путем фазовой модуляции речевого сигнала шумовым. Модуляцию моментов пересечения нуля речевого сигнала можно производить также и по другому алгоритму - клипируют речевой сигнал, интегрируют полученный клиппированный сигнал, складывают полученный пилообразный сигнал с шумовым сигналом, после чего полученный суммарный сигнал клиппируют. Для маскировки речевого сигнала в цифровой форме полученный маскирующий сигнал суммируют с таким же сигналом, преобразованным в цифровую форму. Модулирующий сигнал является шумовым. Контрольное прослушивание показало, что сформированный сигнал неразборчив, хотя по форме сохраняет речеподобность. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ формирования речеподобного маскирующего сигнала, образуемого из исходного речевого сигнала, отличающийся тем, что речеподобный сигнал создают из исходного речевого сигнала путем его фазовой модуляции шумовым сигналом, что приводит к разрушению формантной структуры исходного речевого сигнала.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед фазовой модуляцией исходный речевой сигнал клиппируют, а для осуществления фазовой модуляции клиппированный исходный речевой сигнал вначале интегрируют, преобразуя его в пилообразный, затем полученный пилообразный сигнал суммируют с шумовым сигналом, после чего полученный суммарный сигнал усиливают и клиппируют.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что полученный речеподобный маскирующий сигнал суммируют с таким же сигналом, преобразованным в цифровую форму.