Критерии выбора полос частотного анализа речевых сигналов

Вопросы оценки защищенности речевой информации (РИ), циркулирующей в выделенных помещениях (ВП), от утечки по техническим каналам являются предметом регулярных обсуждений специалистами на конференциях, научных семинарах и в печати [1 – 3]. Отдельного рассмотрения заслуживает обоснование выбора полосы частот при анализе речевых сигналов (РС), в т.ч. ширина таких полос. В настоящее время в действующих нормативно-методических документах ФСТЭК России оценка защищенности РС (определение отношения сигнал-шум – SNR) проводится в октавных полосах [4] без какого-либо обоснования такого выбора. При этом отдельные исследователи [5] справедливо отмечают, что при наличии у злоумышленника (ЗЛ) аппаратуры негласного контроля с возможностями фильтрации шумов в более узких (третьоктав- ных) полосах, реальное значение SNR и разборчивости речи (РР) окажется больше за счет исключения из анализа частотных полос, в которых сигнал более зашумлен. В связи с этим, когда технические возможности аппаратуры измерения акустических и вибрационных сигналов позволяют проводить анализ в более узких частотных полосах, чем октавные, необходимо для оценки защищенности РИ определить возможности расчета РР и в более узких (чем октавные) частотных полосах. Закономерен вопрос о критериях выбора полос анализа РС и о ширине таких полос (параметрах частотного разрешения) при расчете РР.

В приложениях защиты информации целесообразно рассматривать модели, определяющие семантику РС. Различают три основных типа переносчиков информации: тональный, с помощью которого передаются звонкие звуки речи; шумовой, с помощью которого передаются глухие звуки речи; импульсный, с помощью которого передаются взрывные звуки речи [6, 7]. Передача информации осуществляется путем модуляции определенных параметров каждого из указанных переносчиков [6]. Наибольшим числом видов (параметров) модуляции, и, как следствие, наибольшей информационной емкостью, обладает тональный переносчик, а наименьшей – импульсный.

Одним из наиболее распространенных способов представления РС в частотной области является преобразование Фурье [8 – 11]. Во многих программных продуктах Фурье-преобразование играет ведущую роль и активно применяется в задачах исследования, обработки и передачи сигналов, в том числе и речи. Так, для описания вокализованных участков РС на коротких временных интервалах его анализа- синтеза часто используется модель РС [10, 12, 13]:

к

s(f) = ^ak(f) cos kQt,

4=1

где a_k(t) – амплитуда k -й гармоники основного тона; Ω = 2πf_от ; f_от – частота основного тона; k – номер гармоники, обертона.

Вокализованные участки речи (речевые вокализмы – РВ) в таком случае можно представить как звучание отдельных обертонов, входящих в состав исследуемого звукового фрагмента. Параметры таких узкополосных составляющих РС: амплитуды, частоты и фазы, далее называемые «следами РВ», – содержатся в динамических спектральных развертках, или ДСГ РС [14].

Следы фонообъектов в виде модуляционных параметров амплитуд и фаз узкополосных сигналов, их составляющих, проявляются на изображениях динамических спектрограмм в виде совокупности контуров (линий) перепада яркости или треков (цепочек) локальных и глобальных экстремумов цветовой насыщенности в уровнях одного цвета. Пример ДСГ, или графической сонограммы РС, с треками РВ приведен на рис. 1 .

На рис. 1 по оси абсцисс отложено время, по оси ординат – частота. В уровнях серого цвета указана мощность РС на данной частоте в данный момент времени. Наибольшие значения соответствуют – черному цвету, наименьшие – белому.

Как было отмечено выше, мероприятия по защите РИ необходимо проводить с учетом возможностей ЗЛ по фильтрации шумов в более узких полосах, чем октавные. При этом ЗЛ, анализируя речь конкретного диктора, имеет возможность оптимизировать параметры фильтра (в т.ч. полосы разрешения) со-

F, Гц

Рис. 1. Графическая сонограмма речевого сигнала:

1 – трек первой гармоники РВ, 2 – трек второй гармоники РВ

гласно индивидуальным характеристикам диктора и его РС. В соответствии с технологиями шумоочистки [15 – 17] реконструкция искаженных шумами и помехами РС проводится по трекам (следам РС) вокализованных звуков, наблюдаемых ( рис. 1 ) на ДСГ. В этом случае полосы анализа не могут быть меньше девиации соответствующих обертонов частоты основного тона (ЧОТ). В противном случае неизбежна потеря существенной части информации и энергии сигнала.

Поэтому представляется закономерным в качестве объективного параметра – полос частотного анализа, соответствующих вышеперечисленным условиям, выбрать диапазон изменения (девиации) треков вокализованных звуков РС, т.е. ЧОТ ( ∆F_от ) и ее обертонов.

По результатам выполненных экспериментов было определено, что для низкочастотных сегментов РС значе- ния девиации обертонов РВ не превышают ширины критических полосок слуха (табл. 1).

С учетом вышеизложенного и закономерностей формирования РС можно определить, что, например, в области октавы с f_срi = 500 Гц оптимальная ширина полосы анализа вокализованных сегментов РС составляет не более 100…140 Гц ( табл. 1 ), а не 355 Гц, как это принято в действующих нормативно-методических документах ФСТЭК России. В таком случае соответствующее значение SNR существенно возрастает – минимум на 3…5 дБ, т.е. не менее чем в 1,5…2 раза.

В заключение следует отметить:

• ♦    критерий выбора полос анализа учитывает возможности современных методов и технологий восстановления РС, искаженных шумами и помехами;

• ♦    ширина оптимальных полос анализа РС определяется значениями девиа-

• Таблица 1. Критические полоски слуха с указанием ширины полосы, Гц (по Цвикеру)

Номер полосы Fср, Гц Ширина, Гц Номер полосы Fср, Гц Ширина, Гц Номер полосы Fср, Гц Ширина, Гц 1 51 80 9 1000 160 17 3400 550 2 150 100 10 1170 190 18 4000 700 3 250 100 11 1370 210 19 4800 900 4 350 100 12 1600 240 20 5800 1100 5 450 110 13 1850 280 21 7000 1300 6 570 120 14 2150 320 22 8500 1800 7 700 140 15 2500 380 23 10500 2500 8 840 150 16 2900 450 24 13500 3500 ции его вокализованных сегментов, и не превышает ширины соответствующих критических полос слуха;

• ♦    при наличии априорных данных (образцы голосов дикторов) о параметрах анализируемого РС ши-

• рину полосы такого анализа можно дополнительно уменьшить до значений девиации его вокализованных сегментов;

• ♦    при оценках защищенности РИ, базирующихся на определении

параметров РР с учетом возможностей современных технологий шумопонижения, необходимо вводить дополнительные поправки для соответствующих значений SNR