Способ формирования маскирующей помехи для защиты речевой информации
Владельцы патента RU 2622631:
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации" (Академия ФСО России) (RU)
Изобретение относится к области защиты информации. Техническим результатом изобретения является снижение уровня мощности маскирующей помехи при сохранении уровня эффективности защиты речевой информации от несанкционированного прослушивания. Способ формирования маскирующей помехи для защиты речевой информации заключается в том, что формируют шумовой и маскирующий сигнал с последующим их смешиванием. При этом маскирующий сигнал формируют путем суммирования нормированных спектров мощности, выбранных случайным образом мод речевого сигнала, полученных путем применения преобразования Хуанга-Гильберта к записям речевого сигнала различной длительности и содержания. 4 ил.
Изобретение относится к области защиты информации и может быть использовано для маскирования речевых сигналов (PC) в каналах утечки конфиденциальной информации.
Известен способ маскирования речевой информации, передаваемой по проводным линиям связи, который основан на зашумлении линии связи в речевом диапазоне частот за счет линейного сложения речевого информационного сигнала с превышающим его по уровню шумовым сигналом. При этом демаскирование производят посредством адаптивной фильтрации принятого сигнала с компенсацией шумовой составляющей и выделением информационной составляющей, а зашумление линии связи осуществляют со стороны передатчика (см. патент РФ №2249307, кл. H04K 1/02. Способ защиты речевого информационного сигнала, передаваемого по линиям связи / В.Н. Световидов, М.Б. Федоров. Опубл. 27.03.2005).
Недостатком этого способа является то, что для обеспечения необходимого уровня маскирования PC требуется значительное превышение уровня мощности шума над уровнем мощности сигнала, а это является демаскирующим признаком при передаче конфиденциальной информации.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к предлагаемому изобретению является способ формирования маскирующей помехи, который заключается в формировании шумового и маскирующего сигналов и их смешивании, при этом маскирующий сигнал формируется путем смешивания формантных сигналов, кратковременные автокорреляционные функции которых дополнительно маскируют кратковременные автокорреляционные функции вокализованных участков речевого сигнала. При этом формируется помеха с более высокими маскирующими свойствами (см. патент РФ №2154893, кл. Н03В 29/00. Способ и устройство формирования маскирующей помехи / Ф.С. Воевода, В.К. Железняк, В.Ф. Комарович, В.В. Панкин. Опубл. 20.08.2000).
Недостаток способа прототипа аналогичен недостатку способа аналога: для обеспечения необходимого уровня маскирования PC требуется значительное превышение уровня мощности шума над уровнем мощности сигнала, а это является демаскирующим признаком при передаче конфиденциальной информации.
Задачей изобретения является создание способа формирования маскирующей помехи, позволяющего снизить уровень мощности маскирующей помехи относительно уровня мощности маскируемого речевого сигнала не снижая эффективность защиты речевой информации.
Эта задача решается тем, что способ формирования маскирующей помехи для защиты речевой информации, заключающийся в том, что формируют шумовой и маскирующий сигналы с их последующим смешиванием, согласно изобретению дополнен тем, что для формирования маскирующего сигнала из заранее сформированной базы данных мод PC случайным образом выбирают моды. Осуществляют дискретное преобразование Фурье (ДПФ) выбранных мод, затем производят оценку спектров мощности мод и их нормировку в соответствии со значениями максимальной мощности в формантных областях маскируемого PC. [Форманта - область концентрации энергии в спектре речевого сигнала (см. М.А. Сапожков. Речевой сигнал в кибернетике и связи. - М.: Связьиздат, 1963, с. 414)]. После чего нормированные спектры мощности суммируют, получают амплитудный спектр, формируют стационарные участки маскирующего сигнала, длительность которых задают с учетом статистических свойств речевого сигнала, присваивают спектр фаз речевого сигнала, развернутый на 180°, подвергают обратному дискретному преобразованию Фурье (ОДПФ), преобразуют в аналоговую форму.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает возможность снизить уровень мощности маскирующей помехи относительно уровня мощности маскируемого речевого сигнала при сохранении уровня эффективности защиты речевой информации.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявляемого способа формирования маскирующей помехи условию патентоспособности "новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Заявленное изобретение поясняется следующими фигурами:
фиг. 1 - эпюры напряжений временных реализаций фонемы «А» и ее пяти мод, полученных путем применения преобразования Хуанга-Гильберта;
фиг. 2 - процедура формирования спектра исходного сегмента маскирующего сигнала;
фиг. 3 - блок-схема алгоритма, реализующего заявленный способ;
фиг. 4 - спектр маскирующей помехи, сформированной согласно заявленному способу, и спектр маскируемого PC при коэффициенте перекрытия спектров, равном 0,9.
Реализация заявленного способа формирования маскирующей помехи для защиты речевой информации заключается в следующем.
На подготовительном этапе записывают PC различных дикторов, отличающихся длительностью и содержанием.
К каждой из записей последовательно применяют преобразование Хуанга-Гильберта, сущность которого заключается в том, что любой случайный процесс, а в частности PC, может быть представлен в виде аддитивной смеси мод сигнала gν(t) и остатка r(t) (см. Huang N.Е., Shen Z., Long S.R. The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis //Proc. R. SOC. London, Ser. A. 1998. no. 454. P. 903-995):
где ν=1, 2, …, V; V - число мод сигнала.
Каждую моду PC gν(t) подвергают аналого-цифровому
преобразованию (АЦП) и записывают в базу данных. База данных представляет собой таблицу, количество столбцов которой равно числу мод V, а количество строк таблицы равно количеству сегментов анализа записей дикторов Q.
Сформированную базу данных мод PC записывают в долгосрочную память.
На фиг. 1 представлены эпюры напряжений фонемы «А» и ее пяти мод, полученных путем применения преобразования Хуанга-Гильберта.
На первом этапе маскируемый PC s(t) подвергают АЦП с частотой дискретизации ƒ∂=8 кГц.
Отсчеты преобразованного PC сегментируют на D участков локальной стационарности длительностью 32 мс по 256 отсчетов в каждом.
Каждый сегмент последовательно подвергают дискретному преобразованию Фурье, результатами которого являются оценки спектра амплитуд и спектра фаз обрабатываемого сегмента PC APC(k, d), ФPC(k, d), где k - дискретная нормированная частота, d=1, 2, …, D. (см. А.И. Солонина, С.М. Арбузов. Цифровая обработка сигналов. Моделирование в MATLAB. - СПБ.: БХВ - Петербург, 2008. с. 339).
Спектр амплитуд сегмента PC APC(k, d) преобразуют в спектр мощности сегмента PC 
.
В спектре мощности каждого из анализируемых сегментов выделяют L формант и для каждой форманты определяют максимальное значение спектра мощности 
, где l=1, 2, …, L.
На втором этапе формируют сегменты маскирующего сигнала.
Генератор случайных чисел генерирует W наборов по L случайных целых чисел z(w, l), где w=1, 2, …, W, распределенных по нормальному закону от 1 до Q, где Q - количество строк базы данных мод PC.
В соответствии с номерами строк базы данных выбирают W наборов по L мод речевого сигнала g(n, w, l), где n - дискретное нормированное время.
Каждую из мод подвергают ДПФ и оценивают спектр мощности соответствующей моды 
, а также определяют максимальное значение спектра мощности каждой из мод 
.
Значения спектров мощности мод PC нормируют в соответствии с выражением
Путем сложения L нормированных спектров мощности мод каждого из W наборов формируют W спектров мощности маскирующего сигнала в соответствии с выражением
Процедура формирования спектра мощности сегмента маскирующего сигнала проиллюстрирована на фиг. 2.
Для каждого из w-го спектра сегмента маскирующего сигнала оценивают коэффициент перекрытия спектра:
где 
- значение мощности w-той маскирующего сигнала на k-м отсчете; 
- значение мощности речевого сигнала на k-м отсчете.
На следующем шаге определяют максимальный коэффициент перекрытия спектра среди W частных коэффициентов Ymax - max Y(w) и проверяют условие:
При невыполнении этого условия, характеристические компоненты выбирают заново и вышеописанные процедуры повторяют.
Если условие выполняется, то спектр мощности сегмента маскирующего сигнала, обладающий максимальным перекрытием спектра принимают за исходный спектр мощности маскирующего сигнала.
На третьем этапе формируют стационарных участков маскирующего сигнала.
Речевой сигнал представляет собой квазистационарный случайный процесс с периодом локальной стационарности длительностью до 100 мс. Средняя длительность гласных звуков составляет 180 мс, средняя длительность согласных 95 мс (см. В.Г. Михайлов, Л.В. Златоустова. Измерение параметров речи. - М.: Радио и связь, 1987. с. 26).
Генератором случайных чисел задают значение количества стационарных сегментов маскирующего сигнала DP, учитывающее статистику длительности фонем русского языка.
Исходный спектр мощности маскирующего сигнала повторяют на количестве сегментов DP. Для каждого следующего сегмента маскируемого PC пересчитывают коэффициент перекрытия спектра, и проверяют выполнение требования соответствия его значений норме YMC≥0,9.
В случае невыполнения данного требования процесс формирования спектра мощности исходного сегмента маскирующего сигнала повторяют вновь.
Сформированный спектр мощности маскирующего сигнала преобразуют в спектр амплитуд маскирующего сигнала. Присваивают спектр фаз PC ФPC(k, d), развернутый на 180°и осуществляют обратное дискретное преобразование Фурье (ОДПФ).
Маскирующий сигнал подвергают цифроаналоговому преобразованию (ЦАП) и смешивают с шумовым сигналом.
Блок-схема алгоритма, реализующего заявленный способ представлена на фиг. 3.
Для проверки результативности заявляемого способа были проведены эксперименты путем моделирования в программной среде MATLAB.
Для тестовой фразы «Актеры и актрисы драматического театра часто покупают в этой аптеке антибиотики» (см. ГОСТ Р 50840-95 "Передача речи по трактам связи. Методы оценки качества, разборчивости и узнаваемости"), сформирована маскирующая помеха согласно способу-прототипу и маскирующая помеха согласно заявленному способу.
В результате имитационного моделирования были получены следующие результаты: маскирующая помеха, реализованная согласно способу-прототипу обеспечивает коэффициент перекрытия спектра мощности маскирующей помехи над спектром мощности маскируемого речевого сигнала YMP≥0,9 при превышении уровня мощности помехи над уровнем мощности маскируемого речевого сигнала на NSR1=15 дБ. Маскирующая помеха, сформированная согласно предлагаемого способа, обеспечивает аналогичное значение коэффициента перекрытия при превышении уровня мощности помехи над уровнем мощности маскируемого речевого сигнала на NSR2=13,5 дБ. Что говорит о том, что заявленный способ обеспечивает снижение уровня мощности помехи на 1,5 дБ. Следовательно, технический результат, заявленный в задаче изобретения, достигнут.
Спектр мощности сформированной заявленным способом маскирующей помехи и спектр маскируемого PC при коэффициенте перекрытия спектра, равном 0,9, изображен на фиг. 4.
«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием современной элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие данный способ.
Таким образом, предложенный способ формирования маскирующей помехи для защиты речевой информации обеспечивает снижение уровня мощности помехи по сравнению со способом прототипом.
Способ формирования маскирующей помехи для защиты речевой информации, заключающийся в том, что формируют шумовой и маскирующий сигналы с последующим их смешиванием, отличающийся тем, что для формирования маскирующего сигнала из базы данных мод речевого сигнала случайным образом выбирают моды речевого сигнала, которые получают применением преобразования Хуанга-Гильберта к записям речевого сигнала разной длительности и содержания, в последующем моды подвергают дискретному преобразованию Фурье, получают спектры мощности мод речевого сигнала, их оценивают, нормируют, суммируют между собой, получают спектр амплитуд маскирующего сигнала, формируют стационарные участки маскирующего сигнала, длительность которых задают с учетом статистических свойств речевого сигнала, присваивают спектр фаз маскируемого речевого сигнала, развернутого на 180°, подвергают обратному дискретному преобразованию Фурье, преобразуют в аналоговую форму.
