CC BY
257
УДК 681.322.067
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАСКИРУЮЩИХ И ИМИТАЦИОННЫХ ПОМЕХ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ
Е.Н. Глущенко, С.Н. Панычев, В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет
Приводятся результаты обоснования универсального показателя, пригодного для применения в моделях оценки эффективности маскирующих шумовых и имитационных помех, применяемых для защиты речевой информации. Предложена практически реализуемая инструментально-расчетным способом методика количественной оценки показателя
Ключевые слова: защита речевой информации, показатель, эффективность, помеха
Одним из основных способов активной защиты речевой информации в категорируемых помещениях от утечки по акустическому каналу является применение маскирующих шумовых помех [1]. Для оценки качества таких помех используют как энергетические, так и вероятностные энтропийные показатели. К наиболее употребляемым на практике энергетическим показателям качества шумовых помех относятся: спектральная плотность мощности шума, коэффициент подавления, защитное отношение. В качестве энтропийных показателей эффективности шумовых маскирующих радиопомех применяют следующие показатели:
- энтропия плотности распределения вероятностей (ПРВ) мгновенных значений амплитуд помех (числовая характеристика, которая характеризует дезинформационное действие шума при приеме сигнала в шумах);
- энтропийная мощность реального шума;
- энтропийный коэффициент качества шума (ЭККШ) (нормируемая характеристика серийно выпускаемых генераторов маскирующих шумов).
Маскирующие шумовые помехи являются универсальными для маскировки акустических сигналов во всем возможном частотном диапазоне их существования. Обычно они реализуются на практике шумовыми генераторами - постановщиками заградительных по частоте помех. Степень близости генерируемых шумов к идеальному гауссову шуму оценивается показателем ЭККШ. Недостатком этого вида помех является их невысокая энергетическая эффективность. 1
Вместе с тем, теория и практика защиты акустической информации показывает, что наиболее эффективной для маскирования речевой информации помехой является не гауссов шум, а рече-подобная помеха: шум с огибающей амплитудного спектра, подобной речевому сигналу. Объясняется это не только большей спектральной плотностью мощности помехи, но и близостью статистических
Глущенко Евгений Николаевич - ОАО «НТЦ РЭБ», ведущий инженер, тел. 8-905-654-02-78 Панычев Сергей Николаевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8-915-583-90-02
Питолин Владимир Михайлович - ВГТУ, д-р техн. наук,
профессор, тел. 8-908-141-66-95
Самоцвет Николай Андреевич - ВГТУ, аспирант, тел.
8-951-871-87-04
свойств акустических маскируемых сигналов и имитационной речеподобной помехи. Теоретическое обоснование такого рода помех приводится в ряде работ В. Железняка и А. Хорева (укажем одну совместную их работу [2]). Оценка качества имитационных прицельных по частоте маскирующих помех имеет свою специфику, которую необходимо учитывать при практическом применении показателей качества защиты акустической информации. Важно учитывать, что закон распределения мгновенных значений амплитуд помехи имеет жесткую функциональную связь с ее энергетическим спектром.
Современная теория оценки эффективности имитационных радиопомех [3] базируется на моделях оценки относительных информационных потерь за счет влияния помех на цифровые приемные устройства. При этом в основу этих моделей положены известные энергетические показатели (коэффициент подавления, защитное отношение) с учетом влияния видов и параметров законов распределения мгновенных значений амплитуд сигналов и помех на эффективность процесса маскирования сигналов. Таким образом, в упомянутой работе впервые предложен показатель, объединяющий как энергетические, так и вероятностно-информационные свойства шумов и помех.
Целью настоящей статьи является обоснование универсального показателя, пригодного для оценки энергетической и информационной эффективности маскирующих и имитационных помех, применяемых для защиты акустической информации.
Универсальный показатель для оценки эффективности маскирующих и имитационных помех должен удовлетворять следующим требованиям:
- простота, наглядность, возможность экспериментальной оценки по простой инженерной методике;
- инвариантность к видам и параметрам помех (пригодность для оценки качества маскирующих помех любого вида);
- возможность количественного учета вклада энергетических и информационно-статистических свойств помех в общий показатель эффективности маскирующих радиопомех;
- показатель должен быть связан с традиционно применяемыми энергетическими и энтропийны-
ми показателями качества маскирующих шумов и помех.
Указанным требованиям удовлетворяет следующий показатель (назовем его энтропийным коэффициентом подавления (ЭКП)). Введем его в следующем виде:
Рп (а)
КПЭ (А) =
Рс (А)'
(1)
Рп (а)
где г П 4 ' - плотность распределения вероятностей (ПРВ) мгновенных значений амплитуд помехи (шума) в полосе приема;
Рс (А) - ПРВ мгновенных значений амплитуд маскируемого сигнала.
Предложенный показатель (1) учитывает одновременно как энергетические, так и вероятностные свойства помех и маскируемого сигнала (который в общем случае также может иметь вероятностные свойства). При этом отношение моментных характеристик - математических ожиданий ПРВ рп (А) и рс (А) в (1) есть энергетическое отношение помеха-
сигнал по амплитуде или численное значение коэффициента подавления. Отношение дисперсий законов распределений рп (А) и рс (А) соответствует энергетическому отношению помеха-сигнал по мощности.
Статистическая мера различия форм законов распределения ПРВ рп (А) и рс (А) в (1) характеризует вероятностную эффективность маскирующих шумов и помех. Если формы законов распределений маскируемого сигнала и имитационной помехи близки, то такая помеха является эффективной. С ПРВ мгновенных значений амплитуд помех и сигналов можно оперировать как с математическими функциями. В результате деления функции рп (А) на функцию рс (А) получается функция ПРВ мгновенных значений амплитуд Кш (А), однозначно характеризующая результирующую энергетическую и информационно-вероятностную эффективность маскирующих или имитационных помех.
На основе общего показателя качества маскирования речевых сигналов (1) можно предложить и другие частные показатели, которые традиционно применяются в моделях оценки качества акустической информации. Так, например, вычисление энтропии ПРВ позволяет заменить отношение функций ПРВ на отношение числовых характеристик (энтропии рп(А) и рс (А)). Напомним, что энтропия ПРВ - это численная характеристика, показывающая отличие конкретной формы ПРВ мгновенных значений сигналов и помех от формы стандартного гауссова распределения. В этом случае функция Кш (А) заменяется точечной оценкой, а именно числом, соответствующим отношению энтропий ПРВ.
Из анализа (1) следует, что энергетические и информационно-вероятностные характеристики в предложенном показателе тесно связаны между собой. Так, например, форма закона распределения
помехи или маскирующего шума влияет на энергетическое отношение помеха-сигнал (энергетический коэффициент подавления). В свою очередь, увеличение математического ожидания или дисперсии мгновенных амплитуд помехи может приводить к изменению формы ПРВ Кш (А). Это обстоятельство необходимо учитывать при обосновании и выборе оптимальных в энергетическом и (или) информационно-вероятностном смысле маскирующей помехи. При этом изменение формы ПРВ мгновенных амплитуд помехи соответствующим образом позволяет снизить требования к мощности помехи, достаточной для маскирования сигнала с тем же качеством. Существующие показатели для оценки качества защиты речевой информации маскирующими помехами не позволяют в полной мере учитывать взаимосвязь энергетических и информационно-вероятностных характеристик сигналов и маскирующих помех.
На основании показателя (1) может быть сформулирован энтропийный критерий качества маскирующих шумов и помех в следующем виде:
Котн (А) =
Кпэн (А) КР (А)
(2)
где Кпэн (А) - ЭКП (1) при воздействии на типовой приемник акустического сигнала стандартного белого гауссова шума;
К (А) - ЭКП при воздействий на приемник реального маскирующего шума либо имитационной помехи.
Из (2) следует ясный физический смысл энтропийного коэффициента качества шума: это степень ухудшения информационно-энергетического показателя (ЭКП) при применении вместо стандартного гауссова шума реальной маскирующей помехи. Замена функционалов в (2) на точечные оценки позволяет нормировать этот критерий. Он изменяется от 0 до 1. Значению 1 при этом соответствует гауссов шум.
Таким образом, учет законов распределений амплитуд сигналов и помех позволит более адекватно оценивать эффективность технических мероприятий по защите акустической информации.
Показатель (1) и критерий (2) связывают энергетические характеристики маскирующих шумов и помех (отношение помеха-сигнал) с вероятностными характеристиками помех и маскируемых сигналов (ПРВ мгновенных значений амплитуд или законы распределения амплитуд сигналов и помех). Предложим практически реализуемую инженерную методику их количественной оценки с помощью современной цифровой измерительной техники.
Технология преобразования стационарного энергетического спектра маскирующего шума (а равно помехи или сигнала) в ПРВ (закон) распределения мгновенных значений амплитуд включает три этапа:
- на первом этапе энергетический спектр помехи посредством математической операции обратно-
го преобразования Фурье преобразуют во временную последовательность изменения амплитуд шума;
- на втором этапе сигнальной обработки определяют диапазон разброса амплитуд шума от минимального до максимального значения и разбивают этот диапазон на равномерные интервалы. После этого производят подсчет относительных частот попадания мгновенных отсчетов амплитуд в каждый интервал;
- после построения и сглаживания гистограммы распределения мгновенных значений амплитуд шума в графическом либо аналитическом виде воспроизводится ПРВ или закон распределения амплитуд шума.
Математическое ожидание закона распределения, как уже отмечалось, есть усредненная амплитуда шума, а форма ПРВ позволяет оценить близость маскирующего шума по статистическим свойствам к идеальному белому шуму (имеющему наилучшие маскирующие свойства) либо к закону распределения амплитуд маскируемого речевого сигнала.
При обработке шумов, помех и сигналов во временной области первый этап указанной технологической процедуры не выполняется. С помощью цифрового приемного устройства оценка качества помехи производится следующим образом [4].
Реализации шума или помехи в виде электрического сигнала шума или помехи записывают в оперативной памяти измерительного приемника (например, векторного анализатора спектра) в течение заданного интервала времени, а затем подвергают операции дискретизации во времени с требуемым шагом дискретизации. На следующем этапе обработки записанного массива информации для
всех дискретных моментов времени t . (j = 1,M)
измеряют уровни напряжений электрического сигнала помехи или шума, выбирают среди всех измеренных значений максимальный Wmax и минимальный u уровни напряжения помехи (шума)
и разбивают весь диапазон измеренных значений указанных напряжений на N уровней. Напряжение u • каждого i — го уровня вычисляют по формуле
u
, = (i—N/2)* Au,
(3)
где I = 1, N — номер уровня напряжения исследуемого сигнала шума или помехи; N - количество уровней напряжения исследуемого электрического сигнала;
U^^ Q "V" U •
Au—mn.
N
(4)
После выполнения математических операций (3) в течение интервала времени ? вычисляют количество N. пересечений электрическим сигналом
каждого I — го уровня и рассчитывают общее количество пересечений 5 — тым электрическим сигналом всех уровней по формуле
N
S =nn . i=1 '
На следующем этапе алгоритмической статистической обработки электрического сигнала помехи или шума рассчитывают вероятности р. пересечения каждого I — го уровня по формуле
Ni Pi =i~.
(6)
По результатам измерений вероятностей (6) строят гистограмму закона распределений мгновенных значений исследуемого сигнального процесса
р1 (и. ),(/ = ).
После построения гистограммы вычисляют средневзвешенное значение (оценку математического ожидания) ит обрабатываемого массива мгновенных значений электрического сигнала шума или помехи на интервале [и^-п> итах] по формуле
U
m
N
= I UiPi, i=1 1 1
(7)
после чего рассчитывают среднеквадратическое отклонение напряжения электрического сигнала шума (помехи) по формуле
(8)
а=\К (Ui — Um )2 Pi .
На заключительных этапах алгоритмизированной процедуры определения энтропийно-информационного показателя потерь информации за счет влияния помех и шумов вычисляют следующие параметры:
- энтропию Н^ (и) плотности распределения
вероятностей мгновенных значений напряжения электрического сигнала помехи или шума по формуле
N
Hn (u) = —I Pi ln Pi,
i=1
(9)
- энтропийный коэффициент качества шума Т](и) с любым законом распределения мгновенных значений напряжения
l(u) =
ехр{Яп (u)}
(10)
•\lneo2
Измерительные процедуры (3) - (10) повторяют при подаче вместо шума или помехи полезного сигнала на вход приемника.
Таким образом, измерительная процедура определения информационно-энтропийных показателей качества помех выполняется последовательно в два этапа. На первом этапе на вход исследуемого цифрового приемника подают помеху заданного вида, а на втором этапе - типовой (тестовый) полезный информационный маскируемый сигнал.
Завершается практическая реализация определения оцениваемого показателя или критерия в соответствии с предложенной технологией нахожде-
N
i=1
нием частного от деления функций в соответствии с формулами (1) или (2).
Предложен универсальный показатель эффективности маскирующих и имитационных помех для защиты речевой информации, основанный на оценке моментных характеристик законов распределения мгновенных значений амплитуд сигналов и помех. Применение инструментально-расчетной методики оценки предложенных показателей с помощью современной цифровой измерительной техники существенно повышает качествосовременных моделей оценки качествамаскирующих шумов и помех, применяемых длязащиты акустической информации.
Литература
1. Бененсон, Л.Д. Рассеяние электромагнитных волн антеннами [Текст] / Л.Д. Бененсон, Я.Н. Фельд // Радиотехника и электроника. - 1988. - Т. 33. - №2. - С. 225 - 245.
2. Воскресенский, Д.И. Эффективная поверхность рассеяния остронаправленных антенн и антенных решеток [Текст] / Д.И. Воскресенский, Л.И. Пономарев, А.В. Шаталов / Вопросы снижения эффективной поверхности рассеяния, под ред. П.Я. Уфимцева. - М.: ИРЭ РАН. - 1989. -С. 117 - 125.
3. Панычев, С.Н. Влияние характеристик рассеяния антенн на точность измерения параметров излучающих систем в ближней зоне [Текст] / С.Н. Панычев, Э.А. Соломин // Измерительная техника. - 1995. - №5. - С. 56 - 58.
4. Гладышев, А.К. Влияние характеристик рассеяния антенны на показатели качества функционирования РЭС [Текст] / А.К. Гладышев, Е.Ф. Иванкин, С.Н. Панычев // Измерительная техника. - 1995. - №2. - С. 48 - 50.
5. Еремин, В.Б. Характеристики рассеяния антенн и фазированных антенных решеток. [Текст] / В.Б. Еремин, С.Н. Панычев // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. - 1997. - №8. - С. 61 - 70.
6. Панычев, С.Н. Оценка влияния характеристик рассеяния антенны на энергетические параметры спутниковых систем связи. [Текст] / С.Н. Панычев // Известия вузов. Радиоэлектроника. - 2001. - №3-4. - С. 74 - 79.
7. Панычев, С.Н. Косвенный метод определения структурной составляющей рассеяния антенны. [Текст] / С.Н. Панычев, Э.А. Соломин // В сб.: Радиопромышленность. - М.: НИИЭИР. - 1993. - С. 60 - 62.
8. Панычев, С.Н. Оценка влияния характеристик рассеяния измерительных антенн на точность измерения плотности потока энергии электромагнитного поля. [Текст] / С.Н. Панычев, П.М. Мусабеков // Метрология. -1998. - Т.6. - С. 36 - 41.
9. Панычев, С.Н. Методика расчета энергетических потерь в радиолиниях, обусловленных рассеянием радиоволн на антеннах СВЧ. [Текст] / С.Н. Панычев // Антенны. - №. 5(51). - 2001. - С. 68 - 70.
10. Гладышев, А.К. Экспериментально-расчетная модель оценки характеристик рассеяния апертурных антенн. [Текст] / А.К. Гладышев, С.Н. Панычев, Е.Ф. Иванкин // Метрология. - 1993. - №11. - С. 24 - 28.
11. Гладышев, А.К. Оценка возможности применения измерительных антенн в качестве рабочих мер ЭПР. [Текст] / А.К. Гладышев, С.Н. Панычев, Е.Ф. Иванкин // Измерительная техника. - 1993. - №2. - С. 57 - 59.
12. Ибрагимов, Н.Г., Панычев С.Н., Савинов В.А. Методика и результаты эксперимента по исследованию характеристик отражения рупорной антенны в широком диапазоне частот. [Текст] / Н.Г. Ибрагимов, С.Н. Панычев,
B.А. Савинов. - В кн.: Антенные измерения. ВНИИРИ. Ереван. - 1990. - С. 191 - 192.
13. Кузнецов, А.А. Характеристики рассеяния линейных вибраторных решеток Ван-Атта. [Текст] / А.А. Кузнецов // Журнал радиоэлектроники. - 2014. - №5. - С. 37 - 43.
14. Формализованный подход к генерации рациональных вариантов развития системы испытаний техники радиоэлектронной борьбы. [Текст] / С.Н. Панычев, Д.М. Бывших, С.В. Суровцев, Н.А. Самоцвет // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2014. - Т. 10. - № 3.1. - С. 71-75.
15. Волков, А. В. Синтез схемы дальномера-пеленгатора на основе процедур пересечения и объединения с обработкой сигнала во временной области [Текст] /А.В. Волков, В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. - № 4. - С. 12-14
16. Оптимальный прием и обработка радиосигналов в нелинейном канале ВЧ-облучения для дистанционного снятия акустической информации [Текст] / В.Б. Авдеев,
C.Н. Панычев, Н.Г. Денисенко, Н.А. Самоцвет, М.С. Сковпин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10. - № 5. - С. 94-98
17. Расчетно-инструментальный метод анализа прохождения случайного процесса через нелинейную цепь [Текст] / С.Н. Панычев, М.Ф. Пашук, В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет, А.Е. Ломовских // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10. -№ 5. - С. 109-113.
18. Экспериментально-расчетный метод определения двухсигнальной избирательности цифровых радиоприемных устройств [Текст] / В.М. Питолин, С.Н. Паны-чев, Н.А. Самоцвет, С.А. Акулинин // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2013. - Т. 9. - №.6.3. - С. 45-48.
19. Питолин, В.М. Анализ методов формирования сигналов и помех с заданными законами распределения параметров [Текст] / В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет, А.В. Волков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т.9. - №.5.1. - С. 34-36.
20. Панычев, С.Н. Алгоритм формирования имитационных помех с заданными спектральными и информационными свойствами [Текст] / С.Н. Панычев, С.В. Суровцев, С.В. Канавин // Труды XIX Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» RLNC- 2013. - Воронеж. - Т.3. - С. 2012-2017.
21 . Суровцев, С.В. Когнитивный алгоритм корреляционно-фильтровой обработки сложных сигналов на фоне гауссовых шумов [Текст] / С.Н. Панычев, С.В. Суровцев, Н.А. Самоцвет / Труды XX Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» RLNC- 2014. - Воронеж. - Т.4. - С. 2000-2008.
22. Самоцвет, Н.А. Экспериментально-расчетный метод определения двухсигнальной избирательности цифровых радиоприемных устройств. [Текст] / С.Н. Па-нычев, В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет, С.В. Суровцев // Материалы ежегодной Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы». - Воронеж: ВГТУ кафедра «Системы автоматизированного проектирования и информационные системы». - 2014. - С. 4-8
23. Самоцвет, Н.А. Методы формирования и обработки радиопомех с учетом их статистических свойств на основе технологий векторной генерации и анализа радиосигналов [Текст] / С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет, Е.А. Сытник // Материалы IV НТК молодых ученых и специалистов «Актуальные вопросы развития систем и средств ВКО». - М.: ГСКБ «Алмаз-Антей». - 2013. - С. 300-306.
24. Авдеев, В.Б. Особенности современных методов моделирования приема и обработки случайных радиосигналов на фоне шумов и помех. [Текст] / Авдеев В.Б., С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет // Доклад на конференцию 04.10.2013 Воронежский институт ФСИН. Воронежского института ФСИН России. - 2013. - №4. - С. 90-97.
25. Самоцвет, Н.А. Моделирование приёма и обработки случайных радиосигналов и помех [Текст] / С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет, М.С. Сковпин // Материалы XII Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве». - Воронеж: ВГТУ. - 2013. - С. 18-19.
26. Герасименко, В.Г. Методы защиты акустической речевой информации от утечки по техническим каналам. [Текст] / В.Г. Герасименко, Ю.Н. Лаврухин, В.И. Тупота // Инженерный журнал «Наука и инновации» Выпуск №11(23). - Москва: РЦИБ «Факел». - 2013. - С. 258-262.
27. Железняк, В.К. Некоторые методические подходы к оценке эффективности защиты речевой информации.
[Текст] / В.К. Железняк, Ю.К. Макаров, А.А. Хорев // Спецтехника. - 2000. - № 4. С. 39-45.
28. Владимиров, В.И. Избранные вопросы радиоэлектронного подавления цифровых сигналов систем радиосвязи. [Текст] / В.И. Владимиров, И.В. Владимиров, В.В. Наметкин // Оценка удельной пропускной способности цифрового канала передачи информации при наличии помех. - Воронеж: ВАИУ. - 2010. - С. 34-44.
29. Пат. 2350023 Российская Федерация, МПК H04B17/00. Способ оценки качества маскирующего акустического (вибро-акустического шума) [Тескст] / Тупота В.И., Герасименко В.Г, Бортников А.Н. , Бурмин В.А. , Самсонов А.А. , Петигин А.Ф. , Железняк В.К. ; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение Государственный научно-исследовательский испытательный институт проблем технической защиты информации Федеральной службы по техническому и экспортному контролю. - № 2007127289/09 ; заявл. 16.07.2007 ; опубл. 20.03.2009, Бюл. № 8. - 4 с.
Воронежский государственный технический университет
Центр системных исследований и разработок филиал ОАО "Научно-технический центр радиоэлектронной борьбы"
UNIVERSAL PERFORMANCE INDICATORS DISGUISES AND SIMULATION INTERFERENCE
PROTECTION VOICE INFORMATION
E.N. Glushchenko, S.N. Panychev, V.M. Pitolin, N.A. Samotcvet
Justification of universal indicator suitable for evaluating the energy and information efficiency of simulation and masking noise used to protect the acoustic information. The indicator combines both energy and probabilistic-information properties of noise and interference, and is based on an assessment of the torque characteristics of the distribution laws of amplitudes of signals and noise.
Key words: protecting speech information, rate, efficiency, interference
