CC BY
93
КОЗЛАЧКОВ1 Сергей Борисович, кандидат технических наук БОНЧ-БРУЕВИЧ2 Андрей Михайлович, кандидат технических наук
КРИТЕРИИ ВЫБОРА ПОЛОС ЧАСТОТНОГО АНАЛИЗА РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ
Предложен объективный критерий выбора параметров полос частотного анализа при оценке защищенности речевых сигналов.
Ключевые слова: защита информации, речевые вокализмы,, разборчивость речи.
We propose an objective criterion for selecting the parameters of the bands of frequency analysis in assessing the security of voice signals.
Keywords: information security, speech vocalism, speech intelligibility.
Вопросы оценки защищенности речевой информации (РИ), циркулирующей в выделенных помещениях (ВП), от утечки по техническим каналам являются предметом регулярных обсуждений специалистами на конференциях, научных семинарах и в печати [1 — 3]. Отдельного рассмотрения заслуживает обоснование выбора полосы частот при анализе речевых сигналов (РС), в т.ч. ширина таких полос. В настоящее время в действующих нормативно-методических документах ФСТЭК России оценка защищенности РС (определение отношения сигнал-шум — ЯЫЯ) проводится в октавных полосах [4] без какого-либо обоснования такого выбора. При этом отдельные исследователи [5] справедливо отмечают, что при наличии у злоумышленника (ЗЛ) аппаратуры негласного контроля с возможностями фильтрации шумов в более узких (третьоктав-
ных) полосах, реальное значение ЯЫИ и разборчивости речи (РР) окажется больше за счет исключения из анализа частотных полос, в которых сигнал более зашумлен. В связи с этим, когда технические возможности аппаратуры измерения акустических и вибрационных сигналов позволяют проводить анализ в более узких частотных полосах, чем октавные, необходимо для оценки защищенности РИ определить возможности расчета РР и в более узких (чем октавные) частотных полосах. Закономерен вопрос о критериях выбора полос анализа РС и о ширине таких полос (параметрах частотного разрешения) при расчете РР. В приложениях защиты информации целесообразно рассматривать модели, определяющие семантику РС. Различают три основных типа переносчиков информации: тональный, с помощью которого передаются звонкие звуки
речи; шумовой, с помощью которого передаются глухие звуки речи; импульсный, с помощью которого передаются взрывные звуки речи [6, 7]. Передача информации осуществляется путем модуляции определенных параметров каждого из указанных переносчиков [6]. Наибольшим числом видов (параметров) модуляции, и, как следствие, наибольшей информационной емкостью, обладает тональный переносчик, а наименьшей — импульсный. Одним из наиболее распространенных способов представления РС в частотной области является преобразование Фурье [8 — 11]. Во многих программных продуктах Фурье-преобразование играет ведущую роль и активно применяется в задачах исследования, обработки и передачи сигналов, в том числе и речи. Так, для описания вокализованных участков РС на коротких временных интервалах его анализа-
' — МГТУ им. Н.Э. Баумана, ст. преподаватель; 2 — МГТУ им. Н.Э. Баумана, доцент.
синтеза часто используется модель РС [10, 12, 13]:
к
к=1
где ak(t) — амплитуда к-й гармоники основного тона; О = 2п^т; !от — частота основного тона; к — номер гармоники, обертона.
Вокализованные участки речи (речевые вокализмы — РВ) в таком случае можно представить как звучание отдельных обертонов, входящих в состав исследуемого звукового фрагмента. Параметры таких узкополосных составляющих РС: амплитуды, частоты и фазы, далее называемые «следами РВ», — содержатся в динамических спектральных развертках, или ДСГ РС [14].
Следы фонообъектов в виде модуляционных параметров амплитуд и фаз узкополосных сигналов, их составляющих, проявляются на изображениях динамических спектрограмм в виде совокупности контуров (линий) перепада яркости или треков (цепочек) локальных и глобальных экстремумов цветовой насыщенности в уровнях одного цвета. Пример ДСГ, или графической сонограммы РС, с треками РВ приведен на рис. 1.
На рис. 1 по оси абсцисс отложено время, по оси ординат — частота. В уровнях серого цвета указана мощность РС на данной частоте в данный момент времени. Наибольшие значения соответствуют — черному цвету, наименьшие — белому.
Как было отмечено выше, мероприятия по защите РИ необходимо проводить с учетом возможностей ЗЛ по фильтрации шумов в более узких полосах, чем октавные. При этом ЗЛ, анализируя речь конкретного диктора, имеет возможность оптимизировать параметры фильтра (в т.ч. полосы разрешения) со-
1000-
8 Г, с
Рис. 1. Графическая сонограмма речевого сигнала: 1 - трек первой гармоники РВ, 2 - трек второй гармоники РВ
гласно индивидуальным характеристикам диктора и его РС. В соответствии с технологиями шумоочистки [15 — 17] реконструкция искаженных шумами и помехами РС проводится по трекам (следам РС) вокализованных звуков, наблюдаемых (рис. 1) на ДСГ. В этом случае полосы анализа не могут быть меньше девиации соответствующих обертонов частоты основного тона (ЧОТ). В противном случае неизбежна потеря существенной части информации и энергии сигнала. Поэтому представляется закономерным в качестве объективного параметра — полос частотного анализа, соответствующих вышеперечисленным условиям, выбрать диапазон изменения (девиации) треков вокализованных звуков РС, т.е. ЧОТ (АРот) и ее обертонов.
По результатам выполненных экспериментов было определено, что для низкочастотных сегментов РС значе-
ния девиации обертонов РВ не превышают ширины критических полосок слуха (табл. 1).
С учетом вышеизложенного и закономерностей формирования РС можно определить, что, например, в области октавы с !ср1 = 500 Гц оптимальная ширина полосы анализа вокализованных сегментов РС составляет не более 100...140 Гц (табл. 1), а не 355 Гц, как это принято в действующих нормативно-методических документах ФСТЭК России. В таком случае соответствующее значение ЯЫЯ существенно возрастает — минимум на 3.5 дБ, т.е. не менее чем в 1,5.2 раза. В заключение следует отметить:
♦ критерий выбора полос анализа учитывает возможности современных методов и технологий восстановления РС, искаженных шумами и помехами;
♦ ширина оптимальных полос анализа РС определяется значениями девиа-
Таблица 1. Критические полоски слуха с указанием ширины полосы, Гц (по Цвикеру)
Номер полосы FCp, Гц Ширина, Гц Номер полосы Fcp, Гц Ширина, Гц Номер полосы Fcp, Гц Ширина, Гц
1 51 80 9 1000 160 17 3400 550
2 150 100 10 1170 190 18 4000 700
3 250 100 11 1370 210 19 4800 900
4 350 100 12 1600 240 20 5800 1100
5 450 110 13 1850 280 21 7000 1300
6 570 120 14 2150 320 22 8500 1800
7 700 140 15 2500 380 23 10500 2500
8 840 150 16 2900 450 24 13500 3500
МЕТОДЫ
ции его вокализованных сегментов, и не превышает ширины соответствующих критических полос слуха; ♦ при наличии априорных данных (образцы голосов дикторов) о параметрах анализируемого РС ши-
рину полосы такого анализа можно дополнительно уменьшить до значений девиации его вокализованных сегментов; ♦ при оценках защищенности РИ, базирующихся на определении
параметров РР с учетом возможностей современных технологий шумопонижения, необходимо вводить дополнительные поправки для соответствующих значений
Литература
'. Железняк В.К., Макаров Ю.К., Хорев А.А. Некоторые методические подходы к оценке эффективности защиты речевой информации./ Специальная, техника, 2000. — № 4. — С. 39 — 45.
2. Халяпин Д.Б. Вас подслушивают? Защищайтесь! / Под ред. Л.И. Арефьевой. — М.: НОУШО «Баярд», 2004. — 432 с.
3. Хорев А. А., Макаров Ю. К. К оценке эффективности защиты, акустической (речевой) информации./ Специальная, техника, 2000. - № 5. - С. 46 - 56.
4. Герасименко В.Г., Лаврухин Ю.Н., Тупота В.И. Методы, защиты, акустической речевой информации от. утечки по техническим. каналам.. — М.: РЦИБ «Факел», 2008. — 256 с.
5. Каргашин В. Л. Совершенствование методических принципов оценки защищенности помещений от. утечки речевой информации. http://www.bnti.ru/showart.asp?aid=579&lvl=03.03.04.
6. Голубинский А.Н. Алгоритм, оценки частоты, основного тона и обертонов речевого сигнала спектральным, методом../ Современные проблемы, борьбы, с преступностью: Сборник материалов международной научно-практической конференции. - Воронеж, 2006. - С. 4' - 42.
7. Ролдугин С.В. Голубинский А.Н., Вольская. Т.А. Модели речевых сигналов для. идентификации личности по голосу./ Радиотехника, 2002. - № ''. - С. 79 - 8'.
8. Дворянкин С.В. Использование вектора приведенных начальных фаз гармоник речевого сигнала как дополнительного признака верификации говорящего./ Информатизация правоохранительных систем.: Международная, конференция. - М., '996. - С. '74 - '77. (Сборник научных трудов Академии управления. МВД РФ).
9. Дворянкин С.В. Цифровая, шумоочистка аудиоинформации. - М.: ИП РадиоСофт, 20''. - 208 с.
'0. Калинцев Ю.К. Разборчивость речи в цифровых вокодерах. - М.: Радио и связь, '99'. - 220 с.
''. Рабинер Л.Р., Шафер Р.В. Цифровая, обработка речевых сигналов: Пер. с англ. / Под ред. М.В. Назарова, Ю.Н. Прохорова. - М.: Радио и связь, '98'. - 495 с.
'2. Дворянкин С.В. Компьютерные технологии защиты, речевых сообщений в каналах электросвязи. - М.: МТУСИ, '999. -52 с.
'3. Дворянкин С.В. Нормировка слов в системах распознавания речи./ Информатизация правоохранительных систем: Международная конференция. - М., '996. - С. '89 - '9'. (Сборник научных трудов Академии управления. МВД РФ).
'4. Дворянкин С.В. Эксперименты, по восстановлению искаженной шумами речи./ Управление безопасностью, май 2004. -С. 42 - 46.
'5. Дворянкин С.В. Взаимосвязь цифры, и графики, звука и изображения./ Открытые системы,, 2000. - № 3. - С. 34 - 52.
'6. Моделирование и генерация, сигналов речевых вокализмов в приложениях оценки защищенности речевой информации./ С.В. Дворянкин [и др.]./ Проектирование и технология электронных средств, 2007. - № 4. - С. 33 - 37.
'7. Халяпин Д.Б., Рюмин А.А. Коктейль из звуков. Использование динамических спектрограмм, для. оценки качества зашум-ления речевого сигнала./ Information Security. Информационная безопасность, 2005. - № 4. - С. 28 - 29.
