CC BY
38
УДК 681.3.067
П1ДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТ1 СИСТЕМ АКТИВНОГО В1БРОАКУСТИЧНОГО ЗАХИСТУ МОВНО1 ШФОРМАЦИ
Загоровський Д.1.
Розглянут1 проблеми захисту акустичног тформаци; сформульоват вимоги щодо покращення характеристик Их складових частин та тдвищення ефективност1 в цглому.
Вступ
Ушкальна особливють мовно! шформаци обумовлюе 11 виняткову щн-нiсть, а отже викликае особливий iнтерес i високу защкавлешсть у перехо-пленi. На сьогодшшнш день захист мовно! шформаци здшснюеться двома основними методами: пасивним та активним. Обидва методи спрямоваш на зменшення вiдношення мрiвень мовного сигналу^вень шуму" (сигнал/шум) для зниження розбiрливостi мови. При цьому пасивш методи захисту зменшують рiвень мовного сигналу, а активнi - збшьшують рiвень шумiв. Для перехвату мовно! шформаци використовуеться великий арсенал портативних засобiв акустично! розвщки, якi дозволяють здобувати необхiдну шформащю за рiзними каналами: акустичному, вiброакустич-ному, електроакустичному, акустооптичному. Це примушуе основну увагу придiляти активним методам захисту, як полягають у створенш маскую-чих акустичних та вiбрацiйних завад засобам розвiдки, тобто використан-ням вiброакустичного маскування iнформацiйних сигналiв, яке придатне для захисту мовно! шформаци за всiма каналами витоку. На ринку засобiв захисту шформаци системи вiброакустичного зашумлення представленi достатньо широко i iнтерес до них постшно зростае.
г\ • • • • •• • 1 •••
Загальш в1домост1 про активн1 методи захисту мовно1 шформаци.
В загальному випадку системи активного вiброакустичного захисту (САВЗ) складаються з генератора шуму та з сукупност вiброперетворюва-чiв (ВП) i акустичних випромiнювачiв.
Генератор шуму створюе спецiальну шумову перешкоду ("бший", "ро-жевий" або "мовоподiбний" шум), яка повинна бути передана шженерним та будiвельним конструкцiям, а також випромшюватися в акустичному дь апазонi (у вентиляцшш канали, димоходи тощо).
ВП слугують для передачi генеровано! шумово! завади на такi конструкций як стiни, перекриття, перегородки, трубопроводи, батаре! опалюваль-но! системи, вжна та дверi. Найчастiше зустрiчаються ВП двох тишв: п'езоелектричнi та електромагнггш. Для конкретно! марки генератора шуму використовують набiр ВП, що розрiзняються в залежностi вiд констру-кцiй, на якi вони можуть бути встановлеш. Головним чином ця вщмшшсть полягае у потужностi вiбрацiйних випромiнювань (амплiтудi вiбрацiй) до-статшх для передачi необхiдного рiвня коливань на вщповщт конструкций та в масогабаритних показниках, безпосередньо пов'язаних з потужшстю.
Акустичш випромiнювачi використовують для передачi генеровано! за-вади в акустичному дiапазонi в вентиляцшш шахти, димоходи, iншi акустичш канали витоку шформацп [1].
Ан^зуючи параметри генераторiв САВЗ, можна визначити проблеми, яю постають при !х використаннi: висока споживана потужнiсть; невелика кiлькiсть ВП, що "обслуговуються"; виникнення паразитних акустичних шумiв; незадовiльнi масогабаритш показники; невисокi ККД тощо.
Шляхи зниження паразитних акустичних перешкод
При робот ВП, яю встановленi на реальнш будiвельнiй конструкций у примщенш створюються паразитнi акустичнi шуми, що знижують комфо-ртнiсть роботи в примщенш, що захищаеться. 1снують два мехашзми утворення паразитних акустичних перешкод: 1) акустичш коливання ге-неруе працюючий перетворювач; 2) коливання випромшюються в повiтря вiбруючою конструкцiею. Рiвень паразитних акустичних перешкод, ство-рюваних системою вiброзашумлення, е однiею з важливших И характеристик. Тому при шдвищенш ефективностi роботи систем вiброакустичного захисту, за звичай, постае задача зменшення вказаного рiвня шумiв при збереженнi високо! вiбровiддачi. Ршення ще! задачi - перш за все в пошу-ку нових варiантiв конструкцiй, матерiалiв, технологiй виготовлення, що дозволяють значно знизити рiвень вiбрацiй вiдкритих частин корпуса вiб-роперетворювача. ВП, що працюють у системах вiброакустичного зашум-лення, повинш мати достатньо широку частотну смугу - не менше нiж смуга частот мовного сигналу. У цьому зв'язку питання узгодження пере-творювача iз середовищем здобувають особливу важливють. При пору-шеннi коливань у конструкщях, що мають високий акустичний ошр (цеге-льнi стiни, бетонш перекриття), узгодження в широкому частотному дiапа-зонi простiше здiйснюеться з пристроями, яю мають високий мехашчний iмпеданс рухливо! системи. Саме тому найбшьш перспективними на сьо-годшшнш день е п,езоелектричнi ВП. У зв'язку з тим, що паразитш акустичш перешкоди утворюються перевипромшенням коливань в повггря вь бруючою конструкщею, можна значно знизити акустичне випромшюван-ня ВП, розташовуючи його не на поверхш будiвельноl конструкций а в спецiально пiдготовленiй закритш нiшi [2]. Однак подiбне рiшення можливе
не завжди i не для всiх типiв конструкцш (приклад - вiкна, труби т.п.).
■ ■ • • •• * 1 ••• *
Полшшення якост1 захисту акустично1 1нформаци корекц1ею
спектра створюваних шум1в
Високi вимоги висуваються i до iншого компонента САВЗ - джерела електричного сигналу захисного зашумлення - вiброакустичного генератора. По-перше, ус канали кожного з генераторiв повинш бути цшком неза-лежними, тобто до складу кожного каналу мають входити - задаючий генератор бшого шуму, коректор спектру, вихщний шдсилювач. Ця обстави-на важлива як для пiдвищення надшност пристрою в цiлому так i для по-
лшшення якост захисту - адже шдвищення ефективностi САВЗ потребуе вдосконалення технiчних рiшень стосовно складових частин (вихiдних блокiв) генератора шуму.
Одшею з головних вимог до сучасних систем е використання багато-смугового еквалайзера для корекци спектра. Через те, що звукова амплггу-дно частотна характеристика (АЧХ) конструкцш, що зашумлюються, мае, як правило, ютотну нерiвномiрнiсть, у бшьшосл випадкiв простими засо-бами корекци (регуляторами тембру ВЧ i НЧ, малосмуговими еквалайзе-рами) обiйтися не вдаеться. Як показуе практика, п'ятисмуговий еквалай-зер з регулюванням на центральних частотах октавних смуг (250, 500, 1000, 2000, 4000 Гц) е найбшьш оптимальним коректором спектра захис-ного сигналу. Адже у вЫх стандартних методиках юпипв пристро!в вiбро-акустичного захисту вимiр основних параметрiв i, в першу чергу, вимiр рь вня вiброприскорень у спек^ октавних смуг не випадково проводиться саме на вказаних п'яти частотах; тому саме на цих частотах слщ забезпечи-ти максимально можливi дiапазони регулювання рiвнiв складового спектра захисного зашумлення. Зважаючи на те, що деяк типовi будiвельнi конс-трукци створюють iстотну нерiвномiрнiсть у дiапазонi частот захисного шуму (до 35 - 40 дБ, особливо при зашумленш вжон), та сам вiброперет-ворювач мае визначену власну нерiвномiрнiсть спектра, яка при тдклю-ченнi його до вiброакустичного навантаження за звичай зростае, в сучасних системах зашумлення мае бути передбачена порiвняно велика глибина регулювання спектра вихщного сигналу [3]. Тому в рядi випадюв звичайна глибина регулювання спектра (до 20...25 дБ) недостатня i виливаеться (на-прикшщ) як паразитний акустичний шум, що випромшюеться конструкти-вними елементами (наприклад, вiконним склом) у простр примiщення, що захищаеться. Це призводить до порушення комфортност акустично1 обстановки, зводить практично до нуля переваги методу вiброакустичного захисту. Застосування ж у подiбних випадках еквалайзерiв з досить великою глибиною регулювання (40 дБ i бшьше) дозволяе ефективно адаптува-ти рiвень захисного зашумлення до рiвня вщгуку сигналу, що маскуеться, забезпечуючи в необхщному дiапазонi частот (177...5600Гц) або хоча б на центральних частотах згаданих октавних смуг нормовану величину пере-вищення. При цьому мае мюце мiнiмiзацiя розглянутого паразитного акус-тичного шуму, а отже збер^аються умови акустичного комфорту.
Нов1 техн1чн1 р1шення виконання вихвдного п1дсилювача у склад1
генератора в1броакустичного зашумлення
Сказане мае значення для шдвищення ефективност захисту мовно1 ш-формаци в активних системах, але головним вузлом, який забезпечуе не-обхiдний рiвень потужностi вЫе1 системи, е вихщний пiдсилювач генератора шуму. Основними вимогами до цього шдсилювача е забезпечення максимально: середньоквадратично1 напруги на виходi (в режимi високоом-
ного виходу) не менше 25 В (в режимi низькоомного виходу - не менше 12 В), яка безпосередньо пов'язана з рiвнем вiбрацiйних коливань, що необ-хщно створити для ефективного захисту. До того ж спектр вихщного сигналу, який коригуеться еквалайзером, не повинен спотворюватися вихщ-ним шдсилювачем, що висувае додатковi вимоги до його АЧХ. Серед вка-заних задач найголовнiшою е зниження рiвня споживано! потужностi.
Економiчним пiдсилювачам класу В властивi значш спотворення сигналу малого рiвня, пiдсилювачi класу А мають малий ККД. Компромiснi рiшення класу АВ не вирiшують повнiстю жодну з означених вище проблем [4]. ККД означених пiдсилювачiв та потужшсть, при якiй спостерша-еться мтмум спотворень сигналу, наведенi в таблищ:
Таблиця
Клас шдсилення Теоретичний ККД Реальний ККД Потужшсть, при якш спо-стерiгаеться мiнiмум спотворень
A 50% 15...30% мала
AB Залежить вщ режиму 40...50% середня
B 78% 50.60% середня
З таблицi видно, що лише половина (в кращому випадку) потужност^ яка споживаеться шдсилювачем, поступае в навантаження. Це, зокрема, призводить до на^вання транзисторiв вихщного каскаду. Для пiдвищення економiчностi аналогових пiдсилювачiв запропоновано чимало технiчних ршень, якi можна звести в три групи:
• паралельна робота на загальне навантаження малопотужного каскаду класу А i потужного класу B (клас Super А)
• робота на загальне навантаження каскадiв з рiзною напругою жив-лення (клас G)
• керування напругою живлення вихщного каскаду (клас H).
Проте складшсть вказаних конструкцiй не виправдовуе отримано! еко-номп i пiдсилювачi цих типiв не отримали розповсюдження.
З огляду на сказане виникае щея використання для вирiшення постав-лених задач цифрових пiдсилювачiв класу D, основною перевагою яких е високий (до 95%) ККД.
Режим D або ключовий режим роботи транзистора, полягае в тому, що на його вхщ подаються прямокутш iмпульси велико! ампл^уди, якi повш-стю вiдкривають та закривають транзистор. Отже, головна особливють таких пiдсилювачiв - використання замiсть шдсилення широтно^мпульсно! модуляцi! (Ш1М). На вщмшу вiд аналогових пiдсилювачiв, де вихщний сигнал е мзбiльшеною кошею" вхiдного, вихiдним сигналом пiдсилювачiв класу D е iмпульси прямокутно! форми, ампл^уда яких постiйна, а трива-лiсть ("ширина") змiнюеться залежно вщ амплiтуди аналогового сигналу,
що поступае на вхщ тдсилювача. Частота iмпульсiв (частота дискретиза-ци) постiйна i в залежност вiд вимог, що висуваються до тдсилювача, складае вщ декшькох десяткiв до сотень кiлогерцiв. Шсля формування iм-пульси пiдсилюються вихщними транзисторами, що працюють в ключо-вому режимi. Перетворення iмпульсного сигналу в аналоговий вщбуваеть-ся у фшк^ низьких частот на виходi пiдсилювача або безпосередньо в на-вантаженнi. Транзистор, який використовуеться в якост ключа знаходить-ся в одному з двох сташв: "повшстю вщкритий" або "повшстю закритий". В першому - близьке до нуля падшня напруги мiж вихiдними електродами транзистора, в другому - його струм близький до нуля. Завдяки цьому втрати енерги в транзисторi маль Спотворення зростають при збшьшенш частоти сигналу i зниженнi частоти дискретизаци. Вiд частоти дискретизаци залежить i вихiдна потужнiсть - iз зростанням частоти зменшуються ш-дуктивностi котушок i знижуються втрати у вихщному фiльтрi. Всi функци обробки сигналу на сьогоднiшнiй день можуть бути зосереджеш в однш мiкросхемi при мiнiмумi зовнiшнiх компонеипв. Пiдсилювачi мало1 i сере-дньо! потужностi виготовляються в iнтегральному виконанш. В пiдсилю-вачах велико1 потужносл вихiдний каскад виконуеться на дискретних компонентах. Вихщний LC-фiльтр у вшх випадках е окремим елементом. Подiбно аналоговим пiдси-лювачам, iмпульснi шдси-лювачi роздiляються на пiд-класи АБ i ВО, причому !х переваги i недолiки теж по-дiбнi. Вiдмiннiсть роботи пiдсилювачiв клаЫв АБ i ВО видно з рис. 1 В шдси-лювачах класу АБ при вiд-сутност вхiдного сигналу вихiдний каскад продовжуе роботу, утворюючи в наван-таженш рiзнополярнi iмпуль-си однаково1 тривалостi. Це дозволяе полiпшити яюсть передачi слабких сигналiв, але значно знижуе економiчнiсть i породжуе ряд техшчних проблем. Зокрема, доводиться боротися з так званим ^зним струмом, який виникае при одночасному перемиканш вихщних транзисторiв.
Практичне застосування знаходять бiльш простi по конструкци пiдси-лювачi класу ВО, вихщний каскад яких у вiдсутностi сигналу генеруе iм-пульси дуже мало1 тривалостi або знаходиться в сташ спокою. Проте в пiд-силювачах цього типу найбшьш сильно виявляеться основний недолж методу - залежшсть рiвня нелiнiйних спотворень вщ частоти дискретизацil i частоти сигналу. Крiм того, спотворення зростають при передачi сигналiв
Рис. 1. Форма 1мпульс1в на виход1 тдсилювача (до £С-фшьтру)
малого рiвня. Створення високояюсного широкосмугового пiдсилювача класу D вимагае значного ускладнення конструкцi!. Для створення еконо-мiчного вихiдного шдсилювача генератора у складi САВЗ мовно! шформа-цi! не потрiбно високо! якостi сигналу, що вiдтворюеться (адже "яюсть" шуму визначаеться його некорельовашстю), тому можна використовувати бiльш прост та економiчнi варiанти конструкцi! шдсилювача класу D.
Як приклад можна навести мжросхему TDA8925 вихiдного комутуючо-го каскаду, яку запропонувала фiрма Philips Semiconductors для створення шдсилювача потужност звуково! частоти (ППЗЧ) класу D з вихщною по-тужшстю вiд 2 х 15 до 2 х 25 Вт з ККД бiльше 94%. Мiкросхема TDA8925 (ППЗЧ) живиться вщ двохполярного джерела з напругою вщ ±7,5 до ±30 В i мае власний споживаний струм близько 25 мА. Завдяки ключовому режиму роботи силового каскаду ППЗЧ i, вщповщно, високому ККД вщпа-дае необхщшсть в радiаторi охолодження. Мiкросхема ППЗЧ оснащена дь агностичним виводом, напруга низького рiвня на якому сигналiзуе про пе-регрiв вихiдного каскаду або про коротке замикання в ланцюзi наванта-ження. TDA8925 мае захист виводiв вiд статично! електрики i виконана в пластмасовому корпус DBS17P для звичайного друкованого монтажу.
Висновки
Основною тенденцiею пiдвищення ефективност САВЗ е вдосконалення складових частин генератора шуму, при цьому головну увагу слщ придшя-ти вихщному пiдсилювачу потужностi. Перехiд до пiдсилювачiв класу D сприяе пiдвищенню ефективност САВЗ мовно! iнформацi!.
Л1тература
1. Хорёв А.А. Защита информации от утечки по техническим каналам. Часть1. Технические каналы утечки информации//М.: Гостехкомиссия РФ, 1998.-316 с.;
2. Коршагин В.Л. Защита от утечки речевой информации: практические аспекты реализации//Защита информации. INSIDE №2, 2005, с.45-49.
3. Сравнительный анализ характеристик систем виброакустического зашумления. Галанский В., Вещенко Н., Королёв Т. и др.//Правове, нормативне та метролопчне за-безпечення системи захисту шформаци в Укра!ш. 2003, вип.7, с. 217-221.
4. Добрусенко С. Двухканальный аудиоусилитель класса T с минимальными динамическими искажениями//Электроника: Наука, Технология, Б1знес. №7, 2005, с.60-64.
Загоровский Д.И. Повышение эффективности систем активной виброакустической защиты речевой информации
Рассмотрены основные проблемы защиты акустической информации; сформулированы требования связанные с улучшением характеристик их составных частей и повышения эффективности в целом.
Zagorovsky D.I. Increase of efficiency of active vibroacustics protection of the speech information systems.
The basic problems of protection of the acoustic information are considered; the requirements connected with improvement of the characteristics of their components and increase of efficiency as a whole are formulated.
