Способ измерения разборчивости речи
Изобретение относится к измерению разборчивости речи и предназначено для оценки защиты объектов от несанкционированной утечки акустической речевой информации в реальных условиях. Технический результат состоит в повышении точности и достоверности измерений разборчивости речи. Для этого в способе осуществляют объектную коррекцию тракта измерений, для проведения которой поочередно излучают отдельные частоты испытательного сигнала заданного уровня и на каждой частоте измеряют фактический уровень акустических сигналов в месте их излучения, сравнивают измеренные уровни акустических сигналов с заданными уровнями на тех же частотах, определяют отклонение измеренных уровней акустических сигналов от заданных и корректируют частотную характеристику тракта измерений для компенсации разницы между заданными и измеренными уровнями испытательных сигналов в месте их реального излучения. 2 ил.
Область техники.
Изобретение относится к распознаванию речи, конкретно - к измерению разборчивости речи в крайне неблагоприятных условиях, в шуме, при малых отношениях сигнал/шум, и предназначено, в основном, для определения степени защиты помещений от несанкционированной утечки акустической речевой информации в реальных условиях.
Уровень техники.
Известны различные способы измерения разборчивости речи. Наиболее простой, но и наименее точный - оценивать разборчивость по соотношению заданного интегрального уровня акустического сигнала и измеренного интегрального уровня шума в точке прослушивания. Более точные способы - экспертное прослушиваниe в месте приема акустических сигналов, составленных из специально подобранных фраз, слов или слогов (программ), которые излучаются в месте генерации речи, с последующей обработкой результатов для определения разборчивости ("Акустика", справочник под редакцией М.А.Сапожкова, - М.: Радио и связь, 1989; ГОСТ В 20775-75. "Передача речи по трактам связи, оборудованным аппаратурой засекречивания. Требования к разборчивости речи. Метод измерения"; О.Н.Новоселов, А.Ф.Фомин "Основы теории и расчета информационно-измерительных систем", М.: Машиностроение, 1991). В частности, в указанных работах П.М.Полковского, А.Д.Ткаченко "Электроакустические тракты с обратной связью" и ГОСТе В 20775-75 описаны подобный способ измерения, применяемая при этом аппаратура и методы математической обработки. Способ технически прост, но недостаточно воспроизводим и точен в условиях слабых сигналов, т.е. при разборчивости слогов речи менее 25%, поскольку зависит, в частности, от интеллекта экспертов, а главное - трудоемок и требует участия большого числа экспертов.
Более объективен способ, основанный на последовательном излучении отдельных тональных составляющих слышимого спектра в месте передачи и определении любыми экспертами порога их слышимости в месте приема, причем фактически в месте приема могут находиться только микрофоны, соединенные через усилители с головными телефонами экспертов (Н.Б.Покровский "Расчет и измерение разборчивости речи", - М.: Связь, 1962). Уровень акустического излучения каждой составляющей увеличивают до порога слышимости ее экспертом. Зафиксированные уровни излучения математически обрабатывают с учетом кривой слышимости человека и таким образом определяют минимальный уровень речевого сигнала для получения заданной разборчивости речи в месте приема. Полученные сведения, естественно, можно использовать также и для определения максимального уровня акустического сигнала, при котором в заданном месте приема речь будет гарантированно неразборчива, т.е. обеспечен заданный уровень защиты от утечки акустической информации. Однако и этот способ трудоемок, поскольку также требует участия многих экспертов и времени. Кроме того, оценка разборчивости производится не на реальном уровне акустических сигналов, а на тех, которые соответствуют порогу слышимости в заданном месте. Это часто недопустимо, поскольку, как известно, паразитные каналы передачи акустической информации (стены, пол, окна, мебель, двери и т.п.) обычно неравномерно ослабляют частотные составляющие речи и степень защиты информации от утечки, рассчитанная по результатам описанных измерений, может не соответствовать реальным.
В настоящее время наиболее распространены аппаратурные способы на основе тонального метода разборчивости речи (например, П.М.Полковский, А.Д.Ткаченко "Электроакустические тракты с обратной связью", ГОСТ В 20775-75, Полезная модель №27259). Они предусматривают измерение разборчивости при любых соотношениях сигнал/шум исключительно техническими средствами, без использования экспертного прослушивания. Наиболее современно устройство по патенту на полезную модель №27259, опубл. 10.01.2003. Оно наиболее близкое к заявляемому способу по большинству существенных признаков и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Ниже приводится подробное описание способа-прототипа.
Способ предусматривает размещение источника акустических испытательных сигналов в точке размещения источника речевого сигнала, а приемника - в точке размещения приемника несанкционированной утечки акустической информации. Излучают последовательность тональных звуковых частот заданного уровня с паузами между ними, причем частоты излучения распределены по средним частотам N полос, на которые разделен слышимый спектр речи. В течение излучения каждой частоты приемником испытательного сигнала через полосовой фильтр, настроенный на эту частоту, принимают и измеряют суммарный акустический сигнал, образованный в месте приема этой частотой и акустическим шумом в этой полосе. Во время паузы приемником принимают и измеряют только сигнал шума в этой полосе. По результатам измерений определяют значения мощности принятого сигнала этой тональной частоты, исходя из независимого линейного сложения мощностей сигнала и шума, и определяют отношения сигнал/шум на этой тональной частоте. Затем процедуру повторяют на следующей тональной частоте, затем на следующей, пока не будут определены отношения сигнал/шум на всех тональных частотах испытательного сигнала. По определенным отношениям сигнал/шум на всех тональных частотах испытательного сигнала вычисляют разборчивость речи сигнала на фоне реальных шумов - на основе известных методик (см., например, статью А.А.Колесникова и др. "Корреляционная теория разборчивости речи" - в журнале "Вопросы радиоэлектроники", серия "Общие вопросы радиоэлектроники", 1995, вып.1, стр.3-9; Н.Б.Покровский "Расчет и измерение разборчивости речи", - М.: Связь, 1962).
Другими словами, сущность способа, как и большинства других аппаратурных способов измерения разборчивости, заключается в последовательном излучении в точке передачи испытательных N тональных акустических колебаний в речевом диапазоне частот, приеме полученных сигналов в заданной точке приема, N-полосном измерении отношений сигнал/шум на всех N частотах испытательных сигналов и последующем вычислении по ним коэффициента разборчивости речи - по известным методикам. Сущность способа поясняется фиг.1 - примером упрощенной структурной схемы реализации способа, где 1 - генератор N-частотного испытательного сигнала, 2 - акустический излучатель (громкоговоритель), 3 - приемник акустических сигналов (микрофон), 4 - N-полосный измеритель отношений сигнал/шум, 5 - вычислитель уровня разборчивости речи.
Устройство состоит из последовательно соединенных генератора 1 испытательных сигналов, громкоговорителя 2, размещенного в месте реального размещения источника звуковых сигналов, микрофона 3, размещенного в месте прослушивания, N-полосного измерителя 4 отношений сигнал/шум на каждой из N частот испытательных сигналов и вычислителя 5 уровня разборчивости речи.
Устройство работает следующим образом. После размещения громкоговорителя 2 и микрофона 3 в указанных местах включают устройство. Генератор 1 генерирует испытательный акустический сигнал заданного уровня, состоящий из последовательности N частот, разнесенных по средним частотам N полос, на которые разделен слышимый спектр речи. Громкоговоритель 2 излучает указанные сигналы. Микрофон 3 преобразует полученные сигналы в электрические, N-полосный измеритель 4 отношений сигнал/шум определяет отношения сигнал/шум на каждой частоте испытательного сигнала. Таким образом, на вход вычислителя 5 уровня разборчивости поочередно поступают измеренные соотношения сигнал/шум для всех N излучаемых частот. Вычислитель 5 уровня разборчивости по измеренным отношениям сигнал/шум производит вычисление разборчивости речи. Расчет производится на основе известных соотношений и теорий, суть которых заключается в том, что вначале по вышеуказанным измеренным отношениям сигнал/шум определяют коэффициенты разборчивости на каждой частоте испытательного сигнала. По ним определяют усредненное (среднеарифметическое) значение коэффициента разборчивости. Затем по определенному среднеарифметическому значению коэффициента разборчивости и известной кривой зависимости словесной разборчивости от значения коэффициента разборчивости определяют словесную разборчивость речи (подробнее смотри, например, в статье В.К.Железняка и др. Некоторые методические подходы к оценке эффективности защиты речевой информации в ж. "Специальная техника" №4, 2000 г., стр.39-45).
Описанный способ широко используется для работ по измерению разборчивости речи, т.е. для определения качества прослушивания. Однако в настоящее время не менее значительной проблемой стала борьба с подслушиванием, т.е. уменьшение разборчивости в местах возможной утечки информации, предотвращение несанкционированного прослушивания. В этом случае (в отличие от задачи определения качества прослушивания) соотношение сигнал/шум мало. Применение описанного способа для контроля указанных параметров не всегда приемлемо из-за его недостаточной точности. Суммарный акустический сигнал утечки может быть образован и нелинейными путями, поэтому для обеспечения достоверности измерения необходимо производить именно на реальном уровне сигнала в месте передачи, который очень мал в точке приема. Известно также, что уровень реального суммарного акустического сигнала в точке передачи (место размещения источника защищаемой информации) зависит не только от мощности излучения, но и от вторичных акустических сигналов - отраженных от элементов конструкции помещений (стены, потолок, оконные стекла, мебель), от реверберационных помех, от вибрационных, от магнитных, от образованных другими путями, например, искусственными акустическими помехами, создаваемыми техникой, инженерными сооружениями, деятельностью человека (Л.А.Лепендин "Акустика", М.: Высшая школа, 1978, глава VII, стр.346-370).
Эта зависимость нелинейна и частотнозависима, что существенно снижает достоверность измерений коэффициента разборчивости. Причем исключить указанные отклонения фактического уровня акустического излучения от заданного в заранее необследованном помещении принципиально невозможно. К тому же акустические характеристики даже заранее обследованного помещения в месте излучения могут заметно изменяться при изменении атмосферы, температуры, дня и ночи, наличия и перемещения оборудования, мебели, людей и от многого другого. Перечисленные вторичные акустические сигналы и помехи существенно влияют на результаты измерения разборчивости речи, снижая их точность и достоверность.
Это - большой недостаток описанного способа.
Задача изобретения.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности и достоверности измерения разборчивости речи.
Решение задачи - сущность изобретения.
Поставленная задача решена тем, что в известный способ измерения разборчивости речи, предусматривающий размещение источника акустических испытательных сигналов в точке размещения источника речевого сигнала, а приемника - в точке размещения приемника несанкционированной утечки акустической информации, последовательное излучение N-частотного испытательного акустического сигнала заданного уровня, причем частоты излучения распределены на средних частотах N полос, на которые разделен слышимый спектр речи, прием и измерение акустических сигналов, образованных в месте приема на всех N частотах испытательного сигнала, определение по результатам измерений соотношений сигнал/шум на каждой частоте испытательного сигнала, последующее вычисление уровня разборчивости речи по определенным отношениям сигнал/шум,
внесены существенные изменения и дополнения, а именно:
- перед излучением испытательного акустического сигнала производят объектную коррекцию частотной характеристики тракта измерений, для чего
- поочередно излучают все N тональных частот испытательного акустического сигнала заданного уровня и на каждой частоте измеряют фактический уровень акустических сигналов в месте их излучения,
- сравнивают измеренные уровни акустических сигналов с заданными уровнями на тех же частотах и определяют отклонение измеренных уровней акустических сигналов от заданных,
- корректируют частотную характеристику тракта измерений для компенсации разницы между заданными и измеренными уровнями акустических испытательных сигналов в месте их реального излучения.
Раскрытие изобретения.
Сущность изобретения состоит в обеспечении измерений на каждой частоте именно на заданных уровнях акустических сигналов, поскольку возможные отклонения от заданных уровней за счет отражений, резонансов, нелинейности излучателя и т.п. заранее, перед началом измерений учитываются, измеряются и компенсируются в месте приема (прослушивания). Эту операцию мы назвали общим термином - объектная коррекция, поскольку она устраняет, в основном, специфические искажения измерений, связанные с особенностями объектов (помещений).
Пример упрощенной структурной схемы устройства, реализующего описанный способ, представлен на фиг.2, где приняты следующие обозначения: 1 - генератор N-частотного испытательного сигнала, 2 - акустический излучатель (громкоговоритель), 3 - приемник акустических сигналов (микрофон), 4 - N-полосный измеритель отношений сигнал/шум, 5 - вычислитель уровня разборчивости речи, 6 - измеритель уровня акустического сигнала в месте излучения, 7 - устройство сравнения, 8 - регулируемый корректор частотной характеристики.
Устройство состоит из последовательно соединенных генератора 1 N-частотного испытательного сигнала, громкоговорителя 2, размещенного в месте реального размещения источника звуковых сигналов, микрофона 3, размещенного в месте прослушивания, регулируемого корректора 8 частотной характеристики, N-полосного измерителя 4 отношений сигнал/шум и вычислителя 5 уровня разборчивости речи. Непосредственно перед акустическим излучателем 2 размещен измеритель 6 уровня акустического сигнала, выход которого соединен с устройством сравнения 7. Работа устройства синхронизируется тактовым синхронизатором.
Способ реализуется следующим образом.
Размещают источник акустического испытательного сигнала (громкоговоритель 2) в точке размещения реального источника акустического сигнала, а приемник акустического сигнала (микрофон 3) в точке возможного размещения приемника акустической информации. Перед началом измерений разборчивости речи производят объектную коррекцию частотной характеристики тракта измерений, для чего поочередно генерируют генератором 1 и излучают громкоговорителем 2 отдельные тональные частоты испытательного сигнала заданного уровня и на каждой частоте измеряют измерителем 6 фактические уровни акустического сигнала в месте их излучения, сравнивают устройством 6 измеренные уровни акустических сигналов с заданными уровнями на тех же частотах, определяют отклонение измеренных уровней от заданных и регулируемым корректором 8 корректируют частотную характеристику тракта измерений разборчивости для компенсации разницы между заданными и измеренными уровнями испытательных сигналов в месте их реального излучения.
Затем начинают измерение разборчивости, для чего генерируют генератором 1 и излучают излучателем 2 испытательные акустические сигналы заданного уровня, которые представляют собой, чаще всего, последовательность тональных частот, распределенных по средним частотам N полос, на которые разделен слышимый спектр, с паузами между частотами. Принимают приемником 3 в точке измерения полученные акустические сигналы при излучениях и в паузах, производят объектную коррекцию частотной характеристики тракта измерений корректором 8. Затем N-полосным измерителем 4 разделяют их узкополосными фильтрами на частоты, соответствующие частотам испытательного сигнала, измеряют уровни полученных сигналов, затем определяют отношения сигнал/шум на каждой частоте испытательного сигнала и вычисляют вычислителем 5 разборчивость речи на фоне реальных шумов на основе корреляционной теории разборчивости речи (Л.А.Лепендин "Акустика", М.: Высшая школа, 1978, глава VII, стр.346-370), являющейся развитием формантной разборчивости речи (см., например, Н.Б.Покровский "Расчет и измерение разборчивости речи", - М.: Связь, 1962 и патент на полезную модель №27259, опубл. 10.01.2003).
Основное отличие заявленного способа от прототипа - это введение перед началом измерений разборчивости операции объектной коррекции частотной характеристики тракта измерений, для чего поочередно излучают частоты испытательного сигнала заданного уровня, на каждой частоте измеряют фактические уровни излучения в месте их излучения, сравнивают измеренные уровни акустических сигналов с заданными уровнями на тех же частотах, определяют отклонение измеренных уровней от заданных и корректируют частотную характеристику тракта измерений разборчивости для компенсации разницы между заданными и измеренными уровнями акустических испытательных сигналов в месте их реального излучения.
Такой способ нам неизвестен из доступных источников информации.
Совокупность перечисленных отличий является творческим достижением изобретателей, она неочевидна для специалиста.
Промышленная применимость.
Заявленный способ легко осуществим как схемно, так и программно схемносредствами, хорошо освоенными промышленностью, что следует из вышеприведенного описания примера выполнения.
В частности, измерение фактического уровня акустического сигнала можно выполнить измерителем уровня или шумомером, сравнение с заданным уровнем можно выполнить визуально (сравнением с эталоном или таблицей) или вычитающим устройством. Регулируемым корректором частотной характеристики может быть, в частности, многополосный регулятор тембра. Устройство, реализующее описанный способ, построено на ФГУП "Информакустика", успешно прошло метрологические и сертификационные испытания и уже применяется при измерениях коэффициента разборчивости речи. При этом никаких практических сложностей, связанных с использованием изобретения, не встретилось.
Реально полученные преимущества перед прототипом состоят в повышении достоверности и точности измерения коэффициента разборчивости речи. В частности, гарантированный нижний уровень определения отношения сигнал/шум на 10 дБ ниже нулевого уровня порога слышимости уха (2×10-5 Па) и величина разборчивости снижена в 1,5 раза, погрешность измерения снижена более чем вдвое в связи с устранением влияния вторичных источников акустических сигналов. Достоверность определения разборчивости речи в условиях слабого сигнала и шумов высокого уровня позволяет гарантировано установить отсутствие каналов утечки информации, так как разборчивость определяется ниже номинальной величины, заданной нормативно-методическими документами.
Таким образом, по нашему мнению, заявленное техническое решение отвечает всем критериям, предъявляемым к изобретениям, оно ново, неочевидно и промышленно применимо.
Способ измерения разборчивости речи, предусматривающий размещение источника акустических испытательных сигналов заданной мощности в точке размещения источника речевого сигнала, а приемника - в точке размещения приемника несанкционированной утечки акустической информации, последовательное излучение N-частот испытательных акустических сигналов заданного уровня, причем частоты излучения распределены по средним частотам N полос, на которые разделен слышимый спектр речи, прием и измерение акустических сигналов, образованных в месте приема на каждой частоте испытательного сигнала, определение по результатам измерений отношений сигнал/шум на каждой частоте испытательного сигнала и вычисление уровня разборчивости речи по определенным выше отношениям сигнал/шум, отличающийся тем, что перед излучением испытательных акустических сигналов производят объектную коррекцию частотной характеристики измерений, для чего поочередно излучают отдельные частоты испытательного сигнала заданного уровня и на каждой частоте измеряют фактический уровень акустических сигналов в месте их излучения, сравнивают измеренные уровни акустических сигналов с заданными уровнями на тех же частотах, определяют отклонение измеренных уровней акустических сигналов от заданных и корректируют частотную характеристику тракта измерений для компенсации разницы между заданными и измеренными уровнями испытательных сигналов в месте их реального излучения.
