Оценка эффективности защиты акустической (речевой) информации

Критерии эффективности защиты акустической (речевой) информации во многом зависят от целей, преследуемых при организации защиты, например:

- скрыть смысловое содержание ведущегося разговора;

- скрыть тематику ведущегося разговора и т.д.

Процесс восприятия речи в шуме сопровождается потерями составных элементов речевого сообщения. Понятность речевого сообщения характеризуется количеством правильно принятых слов, отражающих качественную область понятности, которая выражена в категориях подробности справки о перехваченном разговоре, составляемой "агентом".

Проведенный анализ показал возможность ранжирования понятности перехваченного речевого сообщения. Из практических соображений может быть установлена некоторая шкала оценок качества перехваченного речевого сообщения:

Перехваченное речевое сообщение содержит количество правильно понятых слов, достаточное для составления подробной справки о содержании перехваченного разговора.

Перехваченное речевое сообщение содержит количество правильно понятых слов, достаточное только для составления краткой справки-аннотации, отражающей предмет, проблему, цель и общий смысл перехваченного разговора.

Перехваченное речевое сообщение содержит отдельные правильно понятые слова, позволяющие установить предмет разговора.

При прослушивании фонограммы перехваченного речевого сообщения возможно установить факт наличия речи, но нельзя установить предмет разговора.

В соответствии с ГОСТ Р 50840-95 понимание передаваемой речи с большим напряжением внимания, переспросами и повторениями наблюдается при слоговой разборчивости 25 – 40 %, а при слоговой разборчивости менее 25 % имеет место неразборчивость связного текста (срыв связи) на протяжении длительных интервалов времени. Учитывая взаимосвязь словесной и слоговой разборчивости, можно рассчитать, что срыв связи будет наблюдаться при словесной разборчивости менее 71%.

Практический опыт показывает, что составление подробной справки о содержании перехваченного разговора невозможно при словесной разборчивости менее 60 – 70 %, а краткой справки-аннотации – при словесной разборчивости менее 40 – 50 %. При словесной разборчивости менее 20 30 % значительно затруднено установление даже предмета ведущегося разговора, а при словесной разборчивости менее 10 % это практически невозможно даже при использовании современной техники фильтрации помех.

Проведенные многочисленные измерения и расчеты показали, что без применения специальных методов и средств защиты акустической (речевой) информации качество перехватываемых средствами акустической разведки сообщений вполне достаточно для составления подробной справки о содержании перехваченного разговора (см. табл. 2).

Для снижения разборчивости речи необходимо стремиться уменьшить отношение "уровень речевого сигнала/уровень шума" (сигнал/шум) в местах возможного размещения датчиков аппаратуры акустической разведки. Уменьшение отношения сигнал/шум возможно путем или уменьшения (ослабления) уровня речевого сигнала (пассивные методы защиты), или увеличения уровня шума (создания акустических и вибрационных помех) (активные методы защиты).

Таблица 2

Разборчивость речи при перехвате информации средствами разведки по прямому акустическому и виброакустическому каналам

Место установки датчика аппаратуры акустической разведки	Вид принимаемого сигнала	Разборчивость, %
слоговая	словесная
За окном на расстоянии 1,0…1,5 м от оконной рамы при закрытой форточке	Акустический	20 - 30	67 – 80
За окном на расстоянии 1,0…1,5 м от оконной рамы при открытой форточке	Акустический	70 – 80	97 – 98
На оконной раме или внешнем оконном стекле при закрытой форточке	Вибрационный	25 - 30	71 – 80
За дверью (без тамбура)	Акустический	50 - 70	91 – 97
За перегородкой из материалов типа гипсолит, асбестоцемент	Акустический	25 - 40	71 – 87
На перегородке из материалов типа гипсолит, асбестоцемент	Вибрационный	35 - 60	84 – 95
На железобетонной стене	Вибрационный	30 – 80	80 – 98
В воздуховоде (6 - 8 м от ввода)	Акустический	40 - 60	87 – 95
На трубопроводе (через этаж)	Вибрационный	60 - 70	95 – 97

Ослабление акустических (речевых) сигналов осуществляется путем звукоизоляции помещений, которая направлена на локализацию источников акустических сигналов внутри них.

Звукоизоляция оценивается величиной ослабления акустического сигнала и обеспечивается с помощью архитектурных и инженерных решений, а также применением специальных строительных и отделочных материалов.

Звукоизоляция строительных конструкций приведена в табл. 3.

Таблица 3

Звукоизоляция строительных конструкций

№ п/п	Элементы конструкций	Примечание	Звукоизоляция (дБ) на частотах, Гц
1.	Кирпичная кладка	0,5 кирпича 1,0 кирпич 1,5 кирпича 2,0 кирпича 2,5 кирпича	40 44 48 52 55	42 51 55 59 60	48 58 61 65 67	54 64 65 70 70	60 65 65 70 70
2.	Стена (0,5 кирпича, гипсолитовые плиты толщиной 8 мм, обои)	без отверстий
с незаделанными отверстиями для воздухопровода
с незаделанными отверстиями под электропроводку
3.	Железобетонная плита	100 мм 160 мм 200 мм 300 мм 400 мм	40 47 44 50 55	44 51 51 58 61	50 60 59 65 67	55 63 65 69 70	60 - 65 69 70
4.	Межэтажное перекрытие из бетонных плит	незаделанные щели между плитами, сколот угол одной из плит

Оценка эффективности шумовых помех осуществляется инструментально-расчетным методом, подробно изложенным в [4] и обеспечивающим требуемую достоверность получаемых результатов оценки.

Оценка эффективности "речеподобных" помех, и особенно формируемых из скрываемого речевого сигнала, осуществляется методом артикуляционных испытаний (измерений).

Проведем оценку некоторых видов шумовых и "речеподобных" помех.

Методом математического моделирования с использованием формулы получены зависимости словесной разборчивости W от интегрального отношения сигнал/шум q в полосе частот 180…5600 Гц при различном виде шумовых помех, которые представлены на рис. 1. В табл. 6 приведены значения отношений сигнал/шум в октавных полосах q_i, при которых словесная разборчивость составляет W = 0,2; 0,3 и 0,4.

Рис. 1. Зависимость словесной разборчивости W от интегрального отношения сигнал/шум q в полосе частот 180…5600 Гц

1 – “белый” шум;
2 – “розовый” шум;
3 – шум со спадом спектральной плотности 6 дБ на октаву в сторону высоких частот;
4 – шумовая “речеподобная” помеха

Анализ полученных результатов показал, что:

1. Наиболее эффективными являются помехи типа "розовый" шум и шумовая "речеподобная" помеха. При их использовании для скрытия смыслового содержания ведущегося разговора (W = 0,4) необходимо обеспечить превышение уровня помех над уровнем скрываемого сигнала в точке возможного размещения датчика средства акустической разведки на 4,9…5,0 дБ, а для скрытия тематики разговора (W = 0,2) – на 8,8…9,0 дБ.

2. Помеха типа "белого" шума по сравнению с помехами типа "розовый" шум и шумовая "речеподобная" обладает несколько худшими маскирующими свойствами, проигрывая по энергетике 0,8…1,2 дБ.

3. Значительно более низкими маскирующими свойствами обладает шумовая помеха со спадом спектральной плотности 6 дБ на октаву в сторону высоких частот. По сравнению с помехами типа "розовый" шум и шумовая "речеподобная" она проигрывает по энергетике 4,1…4,2 дБ, а при равной мощности приводит к повышению разборчивости более чем в полтора раза.

Таблица 6

Значения отношений сигнал/шум, при которых обеспечивается требуемая эффективность защиты акустической (речевой) информации

Вид помехи	Словесная разборчивость W, %	Отношение сигнал/шум qi в октавных полосах	Отношение с/ш в полосе частот 180…5600 Гц
"Белый" шум		+ 0,8	- 2,2	- 10,7	- 18,2	- 24,7	- 10,0
	+ 3,1	+ 0,1	- 8,4	- 15,9	- 22,4	- 7,7
	+ 5,1	+ 2,1	- 6,4	- 13,9	- 20,4	- 5,7
"Розовый" шум		- 5,9	- 5,9	- 11,4	- 15,9	- 19,4	- 8,8
	- 3,7	- 3,7	- 9,2	- 13,7	- 17,2	- 6,7
	- 1,9	- 1,9	- 7,4	- 11,9	- 15,4	- 4,9
Шум со спадом спектральной плотности 6 дБ на октаву		- 14,1	- 11,1	- 3,6	- 15,1	- 15,6	- 13,0
	- 12,0	- 9,0	- 11,5	- 13,0	- 13,5	- 10,8
	- 10,0	- 7,2	- 9,7	- 11,2	- 11,7	- 9,0
Шумовая "речеподобная" помеха		- 3,9	- 7,9	- 12,9	- 15,9	- 16,9	- 9,0
	- 1,7	- 5,7	- 10,7	- 13,7	- 14,7	- 6,8
	+ 0,1	- 3,9	- 8,9	- 11,9	- 12,9	- 5,0

Результаты экспериментальных исследований эффективности трех видов "речеподобных" двух видов шумовых помех представлены в [2].

При проведении экспериментов скрываемый речевой сигнал формировался программным методом на ПЭВМ, преобразовывался в звуковой формат, смешивался с помеховым сигналом и воспроизводился через акустические колонки. В качестве скрываемого сигнала использовались случайные пятизначные цифровые группы.

Оператор программно-аппаратного комплекса осуществлял прием "зашумленных" пятизначных групп, записывал их и сравнивал результаты с исходной таблицей цифровых групп, предъявляемой ему после завершения цикла воспроизведения.

В качестве помех исследовались: помеха типа "белого" шума, шумовая "речеподобная", помеха типа "речевой хор", "речеподобная" реверборационная и "речеподобная" комбинированная помехи.

Шумовая "речеподобная" помеха формировалась из "белого" шума в соответствии с огибающей амплитудного спектра скрываемого речевого сигнала путем оценки спектральных параметров речевого сигнала в пяти октавных полосах диапазона 100…6000 Гц и корректировки уровня шума в тех же полосах таким образом, чтобы выдерживалось заданное соотношение "сигнал/помеха" в пределах всего диапазона частот защищаемого речевого сигнала.

"Речеподобная" помеха типа "речевой хор" формировалась путем микширования фрагментов речи трех дикторов радиовещательных станций УКВ-диапазона при примерно равных уровнях смешиваемых сигналов.

"Речеподобная" реверборационная помеха формировалась из фрагметов скрываемого речевого сигнала путем многократного их наложения с различными уровнями.

Комбинированная "речеподобная" помеха формировалась путем микширования отрезков речевых сигналов, музыкальных фрагментов и "белого" шума при доминировании уровня одного из фрагментов над общим уровнем остальных сигналов на 2…4 дБ.

В результате экспериментальных исследований установлено:

"Речеподобная" помеха типа "речевой хор", сформированная из "незашумленных" фрагментов речи различных дикторов при примерном равенстве уровней громкости, обладает низкими маскирующими свойствами, соизмеримыми с маскирующими свойствами "белого" шума.

Шумовая "речеподобная" помеха по сравнению с "белым" шумом при равной энергетике обеспечивает относительное снижение разборчивости речи на 15…30 %.

Комбинированная "речеподобная" помеха, содержащая "зашумленную" смесь речевых сигналов и музыкальных фрагментов при доминировании одного из них, обладает существенно лучшими маскирующими свойствами по сравнению с шумовой "речеподобной" помехой. Она при равной энергетике приводит к относительному снижению разборчивости речи на 25…40 %.

"Речеподобная" реверборационная помеха является наиболее эффективной из исследуемых помех. По сравнению с "белым" шумом она обеспечивает энергетический выигрыш более чем на 5 дБ.

К сожалению, учитывая, что при испытаниях в качестве скрываемого сигнала использовались не слова из артикуляционных таблиц, а цифровые группы, нельзя использовать полученные результаты исследований для количественной оценки эффективности систем акустической и виброакустической маскировки.

Артикуляционные испытания эффективности "речеподобной" комбинированной помехи, реализованной в системе акустического зашумления "Эхо", проведены на базе сертификационной лаборатории НПП "Квазар-Ц".

Артикуляционные испытания проводила бригада операторов в составе трех дикторов (двух мужчин и одной женщины) в возрасте от 18 до 30 лет, не имеющих явных дефектов речи, и трех аудиторов в возрасте от 21 до 22 лет, не имеющих дефектов слуха.

При подготовке к проведению измерений была осуществлена запись тестового речевого текста (артикуляционных таблиц слов), читаемых дикторами, на диктофоне MZ-R50 фирмы Sony.

Каждая таблица содержала 50 слов. При записи чтение слов осуществлялось диктором ровным голосом при нормальном темпе речи, средней громкости и интервале между словами (3 ± 0,3) с. Диктор выдерживал постоянный ритм речи на протяжении чтения всей таблицы. Каждым диктором было записано по 20 таблиц.

При проведении испытаний тестовый речевой текст воспроизводился на диктофоне MZ-R50 через активную звуковую колонку. При этом регулятор громкости магнитофона устанавливался в положение, при котором интегральный (измеренный измерителем уровня шума и вибраций ВШВ- 003- М2) уровень речевых сигналов в месте установки микрофона системы акустического зашумления соответствовал громкой речи (L_s = 70 дБ).

Настройка системы акустического зашумления проводилась в соответствии с инструкцией по эксплуатации. В качестве имитатора средства акустической разведки использовался магнитофон PMD 201 фирмы "Marantz" (далее по тексту "контрольный" магнитофон), микрофон которого был установлен в зоне акустической маскировки ("зоне защиты") системы на расстоянии 1,5 м от границы "зоны переговоров".

Измерения разборчивости речи проводила бригада аудиторов, прошедшая специальное обучение (тренировку), путем прослушивания на головные телефоны тестового речевого текста (артикуляционных таблиц), записанного в условиях помех, создаваемых системой акустического зашумления (далее по тексту "контрольного" текста).

При прослушивании через головные телефоны "контрольного" текста аудитор записывал прослушанные слова в специальный бланк. Допускалось неограниченное количество прослушиваний фрагментов записи. Если при многократном прослушивании слово не было понято, то аудитор прочеркивал соответствующую пронумерованную строку в бланке принятых слогов.

Цикл измерений включал в себя прослушивание всеми аудиторами от всех дикторов 20 артикуляционных таблиц, записанных в условиях шума. Всего тремя аудиторами было прослушано 60 таблиц по 50 слов.

Обработка результатов измерений была проведена в соответствии с ГОСТом Р 50840-95 [3].

Анализ результатов артикуляционных испытаний показал, что словесная разборчивость составляет от 6 до 32 %, при среднем ее значении (при исключении сомнительных результатов измерений) W_ср = 12,4 % и среднеквадратическом отклонении s = 3,4 %.

Одновременно с артикуляционными испытаниями с использованием измерителя уровня шума и вибраций ВШВ- 003- М2 производилось изменение уровней тестовых сигналов (при отключенной системе акустического зашумления) и помех (при включенной системе акустического зашумления) в пяти октавных полосах в точке размещения микрофона "контрольного" магнитофона.

Измерения проводились при воспроизведении первой из очередной контрольной группы таблиц (в каждую группу было включено по пять артикуляционных таблиц) для каждого диктора.

Анализ спектра помехи показал, что его форма близка к форме спектра "розового" шума с некоторым "завалом" в области высоких частот (см. табл. 7).

Таблица 7

Значения уровней помехи в октавных полосах l_шi системы акустической маскировки "Эхо" в "зоне защиты" при среднем положении регулятора громкости и среднем уровне речевого сигнала

Наименование характеристики	Положение регулятора тона	Среднегеометрические частоты октавных полос fcpi, Гц
Уровень помехи в октавной полосе Lшi, дБ	Крайнее левое
Среднее
Крайнее правое

Рассчитанная по результатам измерений по формуле (1) словесная разборчивость составила от 13,5 до 22 %, при среднем значении W_cр = 18 %.

Значение словесной разборчивости, определенное инструментально-расчетным методом, несколько выше рассчитанного по результатам артикуляционных испытаний, что подтверждает большую эффективность "речеподобных" комбинированных (реверборационных и инверсионных) помех по сравнению с шумовыми.

В процессе экспериментальных исследований также установлено, что по сравнению с шумовыми "речеподобные" комбинированные (реверборационные и инверсионные) помехи оказывают значительно меньшее раздражающее воздействие на нервную систему человека.