ОБОБЩЕННЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ КАНАЛОВ ПЕРЕХВАТА АКУСТИЧЕСКОЙ РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 004.056:621.37

ГРНТИ 47.49.27:49.33.35

ОБОБЩЕННЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ КАНАЛОВ ПЕРЕХВАТА АКУСТИЧЕСКОЙ РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ

А.Н. КАТРУША, кандидат технических наук

ВУНЦВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)

Для перехвата акустической речевой информации конфиденциального характера широко используются методы активного воздействия электромагнитными полями и электрическими сигналами на различные объекты, находящиеся в области действия акустической волны. При отражении зондирующих сигналов, модулированных низкочастотными речевыми сигналами, и перехвате их специальными приемниками образуются различные параметрические каналы утечки акустической речевой информации. В статье с позиции обобщения рассмотрены параметрические каналы утечки акустической речевой информации: каналы высокочастотного навязывания и облучения, каналы прямой и обратной высокочастотной прокачки. Предложено для анализа возможностей ведения акустической речевой разведки по параметрическим каналам использовать теорию параметрических четырехполюсников. Применение обобщенного подхода позволило ввести единую характеристику - спектральную плотность комплексной передаточной функции параметрического канала, случайно меняющуюся во времени под воздействием акустической речевой волны. Разработана математическая модель обобщенного параметрического канала перехвата информации. Получена формула для расчета спектральной плотности комплексной передаточной функции параметрического канала при изменении параметров канала под воздействием акустической речевой волны случайного характера. Введение условия медленного изменения речевого сигнала относительно быстроменяющегося зондирующего высокочастотного сигнала позволило получить решение в явном виде. Разработана методика расчета средней мощности информативного речевого сигнала в боковой полосе октавы на основе нахождения спектральной плотности передаточной функции канала перехвата.

Ключевые слова: защита информации, параметрические каналы утечки информации, параметрические четырехполюсники, акустическая речевая разведка, обобщенный метод анализа.

Введение. Акустическая речевая разведка является одним из наиболее распространенных методов получения информации конфиденциального характера. В настоящее время, кроме простой акустической разведки, проводимой с помощью акустической аппаратуры, широкое распространение получили способы добывания речевой информации не из акустических волн, а из электромагнитных и электрических колебаний, в параметры которых заложена разведываемая речевая информация [1]. Это так называемые активные параметрические каналы утечки речевой информации, которые в зависимости от вида зондирующего и обратно принимаемого колебания можно подразделить на следующие:

- канал высокочастотного навязывания (ВЧН);

- канал высокочастотного облучения (ВЧО);

- канал высокочастотной прокачки (ВЧП) прямой;

- канал высокочастотной прокачки (ВЧП) обратный.

Как правило, считается, что это различные каналы, и для оценки защищенности информации от утечки по таким параметрическим каналам необходимы различные методики,

включая различные параметры и критерии оценки защищенности. Даже при рассмотрении одного канала высокочастотного облучения предлагаются разные параметры для оценки. Например, в работе [1] предлагается использовать индекс амплитудной модуляции, а в работах [2, 3] - эффективную площадь рассеяния (ЭПР) [4] на комбинационных частотах и спектральную плотность ЭПР. В то же время в некоторых работах, например, в [5], указывается на единую физическую сущность параметрических каналов и необходимость разработки общих подходов к оценке защищенности информации от утечки по различным параметрическим каналам. Однако в работе [5] не показаны пути решения данной задачи.

Актуальность. Многообразие параметрических каналов утечки акустической речевой информации приводит к необходимости разработки различных методик оценки эффективности их функционирования, что требует разработки достаточно громоздкого теоретического аппарата физического анализа таких каналов, введения различных показателей и критериев оценки возможностей перехвата информации по параметрическим каналам. На практике это выражается в необходимости использования различных инструментально-расчетных методик оценки защищенности информации от перехвата по параметрическим каналам. В то же время различные параметрические каналы можно объединить одним физическим принципом, заключающимся в воздействии мощным электромагнитным полем или электрическим сигналом на объекты, попадающие в поле действия акустической волны, и приеме отраженных от объектов высокочастотных электромагнитных волн или электрических сигналов в проводных линиях, модулированных информативным речевым сигналом. В связи с этим применение единого подхода к анализу параметрических каналов позволяет разработать единый методический аппарат оценки защищенности от перехвата по параметрическим каналам, а также унифицировать характеристики каналов.

Цель работы - разработка обобщенного метода анализа активных параметрических каналов перехвата конфиденциальной речевой информации; выбор единых характеристик для различных параметрических каналов, определение которых позволит проводить физически адекватную оценку защищенности информации.

Обобщенная схема активных параметрических каналов утечки речевой информации. Если проанализировать индивидуальные схемы параметрических каналов в отношении зажимов, к которым подключаются генератор зондирующего колебания и приемник отраженного сигнала, то нетрудно установить, что все данные каналы можно представить в виде параметрического четырехполюсника. Следовательно, для анализа таких каналов можно применять известную теорию параметрических четырехполюсников [6]. Обобщенная схема активных параметрических каналов перехвата информации представлена на рисунке 1. Формируемое генератором зондирующего сигнала гармоническое колебание с частотой /0 подается на вход параметрического канала, представляемого четырехполюсником.

частота зондирования

/о

Генератор зондирующего сигнала

ГС

Информативный звуковой сигнал

звуковая частота

уковой сиг/

комоинационные частоты Го±Р

иг

к-9

I

Параметрический

канал

(модулятор)

Функция нредачи но мощности на комбинационных частотах

1

¿у

Приемник перехвата \

6-

Рисунок 1 - Обобщенная схема параметрических каналов утечки информации

На канал воздействует звуковая волна с частотой ¥ . В результате передаточная функция канала меняется во времени по закону изменения звукового сигнала. При этом на входе приемника перехвата, кроме составляющей на частоте зондирования, присутствуют составляющие на боковых частотах /0 ± ¥ [7].

В канале ВЧН зажимы 1-1 подключаются к входу линии, а зажимы 2-2 к выходу линии (рисунок 2). В частном случае входные и выходные зажимы могут совмещаться. При воздействии звуковой волны на объект меняется согласование линии с объектом, что может привести к модуляции принимаемого высокочастотного сигнала низкочастотным звуковым сигналом.

Рисунок 2 - Схема канала высокочастотного навязывания

В прямом канале ВЧП зажимы 1-1 подключаются ко входу линии, подходящей к объекту зондирования, а зажимы 2-2 к приемной антенне (рисунок 3). При воздействии звуковой волны на объект меняется согласование линии с объектом. В результате излучаемая объектом высокочастотная электромагнитная волна имеет модуляцию низкочастотным звуковым сигналом.

Рисунок 3 - Схема прямого канала высокочастотной прокачки

В обратном канале ВЧП зажимы 1-1 подключаются к передающей антенне, а зажимы 2-27 к выходу линии, подведенной к объекту зондирования (рисунок 4). Зондирующая электромагнитная волна воздействует на объект и линию. В проводной линии наводятся высокочастотные токи. Под воздействием акустической волны меняется согласование линии с объектом, что приводит к появлению модуляции речевым сигналом.

Рисунок 4 - Схема обратного канала высокочастотной прокачки

В канале ВЧО зажимы 1-1 и 2-27 подключаются к передающей и приемной антеннам соответственно (рисунок 5). В частном случае передающая и приемная антенны могут находиться в одной точке (совмещаться) или может использоваться одна приемо-передающая антенна. Под воздействием звуковой волны меняется эффективная площадь рассеяния объекта. В результате рассеянная объектом электромагнитная волна модулируется низкочастотным звуковым сигналом.

Рисунок 5 - Схема канала высокочастотного облучения

Методика расчета спектральной плотности комплексной передаточной функции по мощности параметрического канала перехвата информации. Нахождение комплексной передаточной функции параметрического канала в общем случае при произвольном воздействии на канал и произвольном изменении параметров канала является достаточно сложной задачей, так как требует нахождения меняющейся во времени импульсной характеристики канала [6]. Однако эту задачу можно существенно упростить, полагая, что происходят достаточно медленные изменения параметров канала в сравнении с быстрыми изменениями воздействующего на канал колебания. При этом воздействующее колебание имеет гармонический характер. Такие условия, как правило, выполняются для активных параметрических каналов перехвата информации, когда частоты спектральных составляющих звуковой волны существенно ниже частоты зондирующего колебания.

Рассмотрим сначала параметрический канал в отсутствии воздействия акустической речевой волны (без изменения параметров канала).

Мгновенное значение зондирующего напряжения на выходе генератора (на входе канала) описывается формулой гармонического колебания

и

1 () = ио с°8(

(1)

где и0 - амплитуда напряжения; /0 - частота зондирующего колебания.

Воспользовавшись методом комплексных амплитуд, запишем уравнение передачи канала перехвата информации для комплексной амплитуды напряжения на выходе канала

(2)

где й1т - комплексная амплитуда напряжения на входе канала; к (/0) - комплексная передаточная функция четырехполюсника при частоте зондирования /0.

При воздействии акустической волны на элементы канала передаточная функция будет медленно меняться во времени, повторяя изменение акустической волны. В результате комплексная амплитуда напряжения на выходе канала также будет медленно изменяться во времени

(3)

где - комплексная передаточная функция четырехполюсника при частоте зондирования

/0, медленно меняющаяся во времени.

Таким образом, формула (3) является обобщением уравнения (2) передачи канала перехвата информации на случай произвольного медленного изменения передаточной функции.

Пример медленно меняющегося модуля передаточной функции (ПФ) представлен на рисунке 6.

В общем виде временная зависимость передаточной функции параметрического канала представляется в виде суммы постоянной составляющей И (/(1) (ПФ стационарного канала

в отсутствии воздействия акустической волны) и переменной составляющей Д/?(/0, / ),

характеризующей отклонения передаточной функции от стационарного значения И ( /(1)

Л(/0,г) = Л(/0)+ал(/0,Г) = 4+АЛ(/0,Г).

(4)

ы и

Рисунок 6 - Примерная зависимость передаточной функции параметрического канала от времени

Спектральную плотность (СП) передаточной функции по напряжению можно найти, воспользовавшись преобразованием Фурье [6]

(5)

где f = const; f - меняющаяся частота; j - мнимая единица. Подставив (4) в (5), получим

Я(/0,/) = J (4 + Ah(f0j)y^ftdt = \ J e-<2"ftdt+ J Ah(o,0,ty^ftdt

—OO —OO —OO

= A0S(/) + Atf(/0,/),

(6)

где 5(/) = - дельта-функция Дирака; АЯ(/0,/)= | ДА(/0,ф - спектр

—да —да

медленно меняющейся части передаточной функции.

Пример амплитудно-частотного спектра передаточной функции по напряжению приведен на рисунке 7.

Рисунок 7 - Спектральная плотность передаточной функции

Видно, что спектр имеет постоянную составляющую I), соответствующую

спектральной плотности классической передаточной функции при отсутствии воздействия звуковой волны, и боковые составляющие, возникающие при воздействии звуковой волны. На выходе активного параметрического канала напряжение зависит от времени

u

(/о, t) = щ (t) h(f0, t) = U0h(f0, t) cos (2Tify) .

(7)

Тогда спектральное представление сигнала можно записать в виде

со

(8)

Пользуясь известным соотношением cos ( 2%f0t ) = 0,5 ^ eJ + eJ ^, запишем спектральную плотность принимаемого напряжения

U2 (Л,/) = 0,5 U0 J h(f0,t)(e<2^ +е-™)е-'2*'Л =

—да

00 00 = 0,5U0 J h^ty^-^dt + OtSU, J h(f0,tymf+Mdt =

—00 —00

= 0,5С/0Я(/0,/-/0) + 0,5С/0Я(/0,/ + /0).

(9)

Получается двусторонний спектр, образуемый путем переноса спектра передаточной функции описываемой выражением (6), на частоты _/0 и ~/0, и умножения

на величину 0,5и0.

Пример спектра напряжения на выходе четырехполюсника при спектральной плотности передаточной функции, соответствующей рисунку 7, приведен на рисунке 8.

Рисунок 8 - Спектр сигнала на выходе канала

эо

В действительности, так как речевой сигнал является случайным, изменение передаточной функции также случайна во времени.

Найдем спектральную плотность передаточной функции в соответствии с методикой, предложенной в [7]. Как известно [8], статистический спектр можно выразить через текущий спектр реализации.

Мощность сигнала, выделяемая в нагрузке сопротивлением Я за время ^, может быть записана в виде

U1 U1 о

R

(10)

где

Э = 21---а} - энергия сигнала.

R

Как следует из выражения (10), средняя мощность зависит от времени наблюдения. Однако при бесконечном увеличении t1 средняя мощность становится мощностью стационарного случайного процесса [6, 8]

P = lim P = lim

U -—00 1 tu — да

2r|^(/o,/)

7 i

'i о

R

2 Л

"j о

i —lim

R -да

ph(fo,/) 11

,2 Л

au

df jV,(./„../>//. (11)

Из анализа (11) очевидно выражение для спектральной плотности мощности

2

G ( fo,f ) = J

(12)

Подставив (9) в (11), получим

- - U2 да 1

P = limPt f-lim

и —да h R J 1 и —да

R 0 2 u

И/0,/-/0)

2 Л

' 1

df = Po P ( fo ) ,

(13)

U~ г 1

где P0 =—— - пиковая мощность колебания; hPпик (f0 ) = J_ lim

R

Iii

2 '1 -

И/о,/"/о)

2 Л

и

df -

передаточная функция по пиковой мощности.

Тогда для спектральной плотности передаточной функции по пиковой мощности можно записать выражение

HP ( f0, f ) = 1 lim

P пик / r\ ^

2 и1—да

\H{Uf-f,)\ 4

(14)

Выражение (13) можно записать через передаточную функцию по средней за период колебания мощности сигнала в виде

Р = ^ Г 11т

2К 0 '1 ^

я(/0,/-/0)р

/ = РрКор (/о ) .

(15)

Соответственно спектральная плотность передаточной функции по средней мощности имеет вид

Нр ср ( /о, / ) = Нш

(16)

Если звуковая волна отсутствует, А//(У0,/) = 0, = /г08(/), то получим

известную формулу коэффициента передачи по средней мощности в стационарном канале

К ср ( Л )= Г

Ч252(/)

4Г = К2)К№ = К2-

(17)

То есть передаточная функция по средней мощности в стационарном канале равна квадрату передаточной функции по напряжению.

Следует отметить, что в работе [3] была получена формула для расчета «спектральной плотности ЭПР» в канале перехвата речевой информации за счет высокочастотного облучения. При этом спектральная плотность передаточной функции может быть выражена через «спектральную плотность ЭПР» [3]

Кр (Го,/ ) =

(4л)3 г4

г(/о,/),

(18)

где ст (/0, /) - «спектральная плотность ЭПР»; г - расстояние до объекта; X 0 - рабочая длина

волны; 01,02 - коэффициенты усиления антенн.

Таким образом, спектральная плотность мощности принимаемого сигнала может быть рассчитана через спектральную плотность передаточной функции параметрического канала по мощности в соответствии с выражением

О(/о , /) = РоНрпик (/о , /) = РсрНрср (/о , /) .

(19)

Предлагаемая характеристика параметрического канала утечки информации -спектральная плотность передаточной функции по мощности - является обобщенной характеристикой для различных типов каналов и позволяет сразу рассчитать спектральную плотность мощности принимаемого сигнала на основе известной пиковой или средней мощности зондирующего колебания на входе канала.

Для оценки возможности перехвата речевой информации необходим расчет мощности сигнала в октавах с граничными частотами Еп 1 ,¥п2, где п - номер октавы. Для передаточной функции канала перехвата получим выражение

К срп =/о У Нрср / /) /+/о У нРср / /) / = 2/о У нРср (/,, /) /:

/о У

/о У

/о + Рп 2

2 [ lim

Л + Рп\

И/о,/-/о)|

ч

/о Уп2

2 Л

(2о)

а/.

В результате мощность речевого сигнала в октаве может быть рассчитана по формуле

Рп ~ РрКРсрп ~ 2 рКРсрп • (21)

Выводы. Предложен метод анализа, базирующийся на теории параметрического четырехполюсника и позволяющий с единой позиции рассматривать параметрические каналы утечки акустической речевой информации конфиденциального характера. Такой подход предоставляет возможность ввести единые универсальные характеристики и критерии для оценки и контроля защищенности акустической речевой информации от утечки по различным параметрическим каналам и на этой основе обеспечить понимание физической взаимосвязи этих разнородных каналов.

Предложено в качестве основной характеристики обобщенного параметрического канала использовать его передаточную функцию К , изменяющуюся во времени под воздействием акустического речевого сигнала. Получена формула для расчета спектральной плотности комплексной передаточной функции по мощности, при изменении во времени передаточной функции канала по случайному закону изменения амплитуды речевого сигнала.

Предложена методика расчета средней мощности принятого речевого сигнала в боковой полосе частот, основанная на определении в этой полосе спектральной плотности передаточной функции канала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лысов А.В. Электромагнитное зондирование акустически возбужденных объектов (радиолокационные системы акустической разведки). СПб.: Медиа-папир, 2020. 678 с.

2. Авдеев В.Б., Катруша А.Н. Методика расчета эффективной площади рассеяния провода на комбинационных частотах, вибрирующего под действием акустической речевой волны // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 2. С. 58-65.

3. Авдеев В.Б., Богданова Д.В., Катруша А.Н., Катруша С.А. Спектральные преобразования в методе перехвата речевой информации за счет высокочастотного облучения объекта, вибрирующего под воздействием акустической речевой волны // Телекоммуникации. 2022. № 12. С. 14-21.

4. Разиньков С.Н., Богословский А.В., Буслаев А.Б. Анализ эффективной площади рассеяния беспилотного радиоэлектронного комплекса с применением системы электродинамического моделирования // Воздушно-космические силы. Теория и практика. 2022. № 21. С. 124-136. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://vva.mil.ru/upload/site21/ B7st1fUZlu.pdf (дата обращения 30.08.2024).

5. Лысов А.В. Общая классификация активных методов акустической разведки // Защита информации. Инсайд. 2022. № 4. С. 45-49.

6. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь, 1986. 512 с.

7. Авдеев В.Б., Катруша А.Н., Катруша С.А. Спектральный анализ рассеянного фазомодулированного излучения при высокочастотном облучении диполя, находящегося под воздействием акустической речевой волны // Телекоммуникации. 2023. № 9. С. 6-18.

8. Харкевич А.А. Спектры и анализ. М.: Гос. изд-во техн.-теорет. литературы, 1957. 236 с.

ы и

REFERENCES

1. Lysov A.V. Elektromagnitnoe zondirovanie akusticheski vozbuzhdennyh ob'ektov (radiolokacionnye sistemy akusticheskoj razvedki). SPb.: Media-papir, 2020. 678 p.

2. Avdeev V.B., Katrusha A.N. Metodika rascheta 'effektivnoj ploschadi rasseyaniya provoda na kombinacionnyh chastotah, vibriruyuschego pod dejstviem akusticheskoj rechevoj volny // Radiotehnika. 2022. T. 86. № 2. pp. 58-65.

3. Avdeev V.B., Bogdanova D.V., Katrusha A.N., Katrusha S.A. Spektral'nye preobrazovaniya v metode perehvata rechevoj informacii za schet vysokochastotnogo oblucheniya ob'ekta, vibriruyuschego pod vozdejstviem akusticheskoj rechevoj volny // Telekommunikacii. 2022. № 12. pp. 14-21.

4. Razin'kov S.N., Bogoslovskij A.V., Buslaev A.B. Analiz 'effektivnoj ploschadi rasseyaniya bespilotnogo radio'el ektronnogo kompleksa s primeneniem sistemy ' elektrodinamicheskogo modelirovaniya // Vozdushno-kosmicheskie sily. Teoriya i praktika. 2022. № 21. pp. 124-136. ['Elektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: http://vva.mil.ru/upload/site21/B7st1fUZlu.pdf (data obrascheniya 30.08.2024).

5. Lysov A.V. Obschaya klassifikaciya aktivnyh metodov akusticheskoj razvedki // Zaschita informacii. Insajd. 2022. № 4. pp. 45-49.

6. Gonorovskij I.S. Radiotehnicheskie cepi i signaly. M.: Radio i svyaz', 1986. 512 p.

7. Avdeev V.B., Katrusha A.N., Katrusha S.A. Spektral'nyj analiz rasseyannogo fazomodulirovannogo izlucheniya pri vysokochastotnom obluchenii dipolya, nahodyaschegosya pod vozdejstviem akusticheskoj rechevoj volny // Telekommunikacii. 2023. № 9. pp. 6-18.

8. Harkevich A.A. Spektry i analiz. M.: Gos. izd-vo tehn.-teoret. literatury, 1957. 236 p.

© Катруша А.Н., 2024

Катруша Алексей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры радиоэлектроники, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А, [email protected].

g' и

UDC 004.056:621.37

GRNTI 47.49.27:49.33.35

GENERALIZED METHoD of ANALYsis of PARAMETRIC ACousTIC

eavesdropping channels

A.N. KATRUSHA, Candidate of Technical Sciences

MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)

Interception of sensitive acoustic speech information by active influence of electromagnetic fields and electric signals on various objects in the area of acoustic wave action is currently relevant. Reflected probing high-frequency signals acquire speech modulation. They are intercepted by special receivers and form parametric channels of acoustic eavesdropping. The paper considers the generalization of four different parametric channels of acoustic eavesdropping. These are high-frequency imposition and irradiation channels, direct and reverse high-frequency pumping channels. We proposed to analyze the possibilities of acoustic intelligence through parametric channels using the theory of parametric four-terminal network. The generalized approach allowed us to introduce a single characteristic for different channels. This is the spectral density of the complex transfer function of a parametric channel, which varies randomly in time under the influence of an acoustic speech wave. We developed the mathematical model of the generalized parametric channel of acoustic eavesdropping. In the paper, the condition of slow change of the speech signal, which has a random character, relative to the probing high-frequency signal is accepted. As a result, we explicitly obtained the formula for calculating the spectral density of the complex transfer function of the parametric channel. The spectral density of the transfer function of acoustic eavesdropping channels is found in the octave sideband. Based on this, we developed a methodology for calculating the average power of an informative speech signal.

Keywords: information protection, parametric information leakage channels, parametric four-terminal network, acoustic eavesdropping, generalized analysis method.