ПРИМЕНЕНИЕ ЭНТРОПИЙНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА МАСКИРУЮЩЕЙ ШУМОВОЙ ПОМЕХИ

Быков Н.А.; Лагутин П.С.; Быкова Ю.С.; Королёв М.В.

УДК 621.391.8

Быков Н.А.

Сотрудник Академии ФСО России г. Орёл, РФ Лагутин П.С.

Сотрудник Академии ФСО России г. Орёл, РФ Быкова Ю.С.

Студент Кубанского Государственного технологического университета г. Краснодар, РФ Научный руководитель: Королёв М.В.

Сотрудник Академии ФСО России г. Орёл, РФ

ПРИМЕНЕНИЕ ЭНТРОПИЙНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА МАСКИРУЮЩЕЙ ШУМОВОЙ ПОМЕХИ

Аннотация

В статье приводятся виды распределения шумовых помех, предназначенных для маскировки полезного акустического сигнала и защиты от негласного съема информации. Рассмотрены альтернативные показатели качества маскирующей шумовой помехи, связанные с энтропией.

Ключевые слова:

акустический канал, речевой сигнал, утечка, маскирующая помеха, нормальное распределение,

энтропия, коэффициент подавления, белый шум.

Summary

The article presents types of noise interference distribution intended for masking of useful acoustic signal and protection from tacit information capture. Alternative quality indicators of masking noise interference related

to entropy are considered

Keywords:

acoustic channel, speech signal, leakage, masking noise, normal distribution, entropy,

suppression ratio, white noise.

В современных условиях для защиты речевой информации от утечки по акустическому и виброакустическому каналам достаточно широко используются т.н. активные меры защиты - применение различного рода генераторов шумовых помех. При этом на практике достаточно важное значение имеет качество шумовой помехи, используемой для маскировки речевых сигналов. Маскирующие шумовые помехи, применяемые для защиты информации от утечки по техническим каналам, должны обладать такими характеристиками и свойствами, чтобы в точке приема информативных сигналов за пределами контролируемой зоны после приема сигнала утечки априорная неопределенность о нем сохранялась. Для выполнения этого требования необходимо, прежде сего, построить адекватную модель канала утечки информации и знать способ обработки принятых сигналов. При этом в первом приближении можно считать, что речевые сигналы имеют распределение, близкое к нормальному, среда распространения сигнала описывается линейной функцией и обработка сигнала осуществляется линейным приемником [1].

Указанные обстоятельства практически исключают возможность применения для целей маскировки речевого сигнала детерминированных помех с линейными спектрами, а также шумовых маскирующих помех, содержащих дискретные спектральные составляющие, нерационально использующие мощность маскирующей помехи.

Маскирующая помеха должна содержать элемент неопределенности, чтобы на ее фоне было сложно вычислить полезный сигнал. Мерой неопределенности маскирующей помехи, рассматриваемой как случайный процесс, является энтропия этой помехи, определяемая выражением:

да

Н (иш) = - | м>(иш)1п(ишмиш ,

—да

где м?(иш) - распределение шумовой помехи.

В том случае, когда рассматриваемая шумовая помеха ограничена по амплитуде сверху и снизу, энтропия будет максимальна для маскирующей помехи, подчиняющейся равномерному закону распределения.

Если же шумовая помеха ограничена по средней мощности, то максимальную энтропию она будет иметь, если соответствующий закон распределения является нормальным.

В реальных условиях шумовая помеха ограничена как по средней мощности, так и по амплитудам максимальных выбросов. Соответственно, оптимальное по максимуму энтропии распределение плотности вероятности такой помехи будет отличаться как от равномерного, так и от нормального распределений.

На практике маскирующее качество шума оценивается энтропийной мощностью шума и коэффициентом качества шума, определяемых из следующих предпосылок [2].

Шумовая помеха, имеющая ограниченную ширину спектра Д/ и ограниченную длительность во времени Т, может быть однозначно определена с помощью конечного числа отсчетов 2ТА/ . Если при

этом рассматриваемая шумовая помеха может быть представлена как стационарный случайный процесс, то энтропия такой маскирующей помехи может быть представлена как

Нпомехи = 2ТА/ 1п-\/2леаш , (1)

где О ш - спектральная плотность мощности шума.

Под энтропийной мощностью реального шума с полосой Д/ и длительностью Т принято понимать мощность белого нормального шума с той же полосой и длительностью, энтропия которого равна энтропии рассматриваемого шума [2]:

Нш = 2ТА/ш Нш, (2)

где Нш - энтропия на одну степень реального шума.

Приравнивая выражения (1) и (2), получаем:

2ТМшНш = 2ТА/ 1пржвРш0 , (3)

где Ршо - мощность нормального шума с полосой Д/ и длительностью Т. Из выражения (3) находим энтропийную мощность реального шума:

Рш0 = X1- « 2"' 2%е

Коэффициентом качества шума п называется отношение энтропийной мощности реального шума к его средней мощности Рш [3]:

Л = РЩ0. Рш

Практически важной характеристикой маскирующей шумовой помехи является коэффициент подавления Кп, под которым понимается [3] минимально необходимое отношение мощности данной

шумовой помехи к мощности сигнала на входе приемного устройства, при котором достигается информационный ущерб при приеме сигналов:

К — (рШ0) . лп v р /min

На практике коэффициент подавления достаточно легко определяется опытным путем. Он связан с коэффициентом качества шума выражением [3]:

К пО

Л -

К п

где К по - коэффициент подавления при воздействии на приемник белого гауссова шума;

К п - коэффициент подавления при воздействии на приемник реального шума. Достоинством коэффициента подавления и энтропийной мощности

как характеристик шумовой помехи является то, что они количественно связаны с энергетическими затратами, требующимися для маскировки сигналов. Однако эта связь является достаточно приближенной, поскольку указанные характеристики не связаны с частотно-временными и вероятностными характеристиками маскируемых речевых сигналов.

В общем случае рассмотренные энтропийные меры качества маскирующего шума напрямую не связаны с параметрами и характеристиками маскируемых сигналов. Они позволяют получить сравнительную характеристику реальных шумов по сравнению с гауссовыми шумами. В то же время в ряде случаев гауссовы шумы могут оказаться оптимальными при маскировке реальных сигналов с различными распределениями и с разными частотно-временными характеристиками, позволяя повысить степень защищенности речевой информации от утечки.

Список использованной литературы:

1. Фридл Ж.-Б., Дютар Д. Теория шума и представление данных // Компания «ЛЕТИ», Санкт-Петербург, 2017 Физика звука. И. И. Яворский, И. В. Журбин. М., 2010.

2. Акустика и акустоэлектроника. В. З. Золотарев., 2011. (ГОСТ 7.0.5-2008)

3. Информационная энтропия и ее применение в анализе данных. А.Р. Асланян, 2011. [ISBN: 978-5-17080609-2].

4. Боровский А.В. Шумы и вибрации в электрических и электронных аппаратах // Москва: нергоатомиздат, 1985.

5. ГОСТ 30145-94. Маскирование шумовой помехи. Основные понятия и определения. Москва: Стандартинформ, 1995.

6. ГОСТ Р 31129-2006. Маскирование шумовой помехи. Общие требования. Москва: Изд-во стандартов, 2007.

7. Чижов, А.В. Маскирование шумовой помехи при обработке сигналов в системах автоматического управления. Москва: Техника, 2012.

Текст научной работы на тему «ПРИМЕНЕНИЕ ЭНТРОПИЙНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА МАСКИРУЮЩЕЙ ШУМОВОЙ ПОМЕХИ»