Разработка лабораторной установки по исследованию каналов утечки речевой информации

5

РЕФЕРАТ

В настоящем дипломном проекте разработан лабораторный стенд по исследованию прямых акустических, вибрационных, и акустоэлектрических каналов утечки речевой информации. С помощью данной установки можно получить оценку по защите каналов по различным критериям. Для прямого акустического и вибрационного каналов оценка защищенности проводится по энергетическим и смысловым критериям. Стенд позволяет проводить измерения величины наведенного в линию сигнала при воздействии акустического поля на исследуемый образец. Кроме того стенд позволяет производить проверку средств защиты и снятие их характеристик подавления.

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, СИМВОЛЫ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1.1 Классификация каналов утечки речевой информации

1.2 Физические характеристики и особенности распространения речевого сигнала

1.3 Сущность электроакустического канала утечки речевой информации

1.4 Особенности спектров речевых сигналов

1.5 Способы анализа спектральных характеристик

1.6 Основные критерии защищенности каналов утечки речевой информации

1.7 Основные принципы оценки защищенности каналов утечки речевой информации

2. РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

2.1 Цель лабораторных исследований акустических каналов утечки речевой информации

2.2 Основные требования, предъявляемые к лабораторной установке

3. РАЗРАБОТКА НЕСТАНДАРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

3.1 Определение электронных и акустических параметров экранированной звукопоглощающей камеры

3.2 Разработка структурной и функциональной схемы акустического излучателя

3.3 Разработка принципиальной схемы акустического излучателя

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Методика проведения лабораторных работ по исследованию воздушных и вибрационных каналов утечки речевой информации

4.2 Методика проведения лабораторных работ по исследованию акустоэлектрических каналов утечки речевой информации

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

5.1 Калибровка измерительного микрофона

5.2 Экспериментальные исследования воздушного канала

5.3 Экспериментальные исследования вибрационного канала

5.4 Экспериментальные исследования акустоэлектрического канала

6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

6.1 Сетевой график

6.2 Экономическая оценка разработки

6.3 Инвестиционная привлекательность разработки

6.4 Выводы по экономической части

7. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ

7.1 Введение

7.2 Безопасность проекта

7.3 Экологичность проекта

7.4 Анализ возможных чрезвычайных ситуаций

7.5 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Спецификация

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Экспериментальные исследования воздушного канала утечки речевой информации

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Экспериментальные исследования акустоэлектрического канала утечки речевой информации

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Параметры сетевого графика

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, СИМВОЛЫ И СОКРАЩЕНИЯ

ИМ1 - измерительный микрофон 1;

ИМ2 - измерительный микрофон 2;

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;

ГЗЧ - генератор звуковой частоты;

ДАП - датчик акустического поля;

СМ - селективный микровольтметр;

ГШ - генератор шума;

ОЭ - октавный эквалайзер.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, в связи с резким повышением интереса к проблемам технической защиты информации, возникла необходимость в подготовке специалистов, способных квалифицированно решать вопросы в данной области.

На сегодняшний день существует множество технических каналов утечки информации, разновидностью которых являются каналы утечки речевой информации, подразделяющиеся на воздушные, вибрационные, акустоэлектрические, параметрические и др.

В данном дипломном проекте нас будут интересовать воздушные, вибрационные, акустоэлектрические каналы утечки речевой информации.

Одним из условий анализа свойств данных каналов является развитие звукового давления с большим уровнем, поэтому встает вопрос о разработке необходимого набора аппаратуры, способной развить требуемое звуковое давление.

Для исследования выше перечисленных каналов в лабораторных условиях возникает необходимость в создании конструкции, способной сымитировать данные каналы.

В результате получаем - цель дипломного проекта: разработать лабораторный стенд по исследованию акустических, вибрационных и акустоэлектрических каналов утечки речевой информации и методики проведения экспериментов.

1.АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1.1 Классификация каналов утечки речевой информации

Человеческая речь является одним из древнейших, самым естественным и наиболее распространенным способом обмена информации между людьми [1]. Попытки услышать слова, сказанные для чужих ушей, существуют, наверное, столько же времени, сколько и членораздельная, информационно насыщенная речь. Хорошо известно, что еще в античные времена применялись системы подслушивания, представляющие собой проложенные в стенах домов полые звуководы и соединяющие апартаменты, предназначенные для важных гостей, с помещениями хозяев.

Достижения технического прогресса позволяют сегодня использовать широкий спектр методов и устройств передачи и хранения информации. Тем не менее, и в настоящее время особый интерес вызывает контроль речевой информации, живого разговора. Это связано с рядом специфических особенностей, присущих именно речевой информации и связанных с некоторыми чертами человеческой психики:

- конфиденциальностью, предполагающей, что устно делаются сообщения или отдаются распоряжения, которые не могут быть доверены никакому носителю информации или средству передачи;

- оперативностью, заключающейся в том, что информация может быть перехвачена в момент ее озвучивания;

- виртуальностью, состоящей в том, что, исследуя живую речь человека, можно сделать заключение о его эмоциональном состоянии, личном отношении к сообщению, составить психологический портрет и т. д.

Нелишне также напомнить о том, что перехваченная речевая информация, особенно так называемый первичный сигнал (речь, не прошедшая никакой обработки), является, по существу, документом с личной подписью человека, озвучившего сообщение, так как современные методы анализа речи позволяют однозначно идентифицировать его личность.

Перечисленные уникальные особенности, присущие речевой информации, объясняют ее исключительную ценность, а следовательно, и высокую заинтересованность возможного противника в ее перехвате.

Кроме речевой информации к акустическим, относятся также сигналы образующиеся в результате работы технических средств предназначенных для обработки конфиденциальной информации (принтер, телетайп и т.д.)

Перехват акустической информации заключается в приеме, обработке и регистрации акустических и вибрационных сигналов, в восстановлении и анализе речи с целью выявления содержащихся в ней разведывательных сведений. Функционально-техническую структуру канала перехвата речевой информации (технического канала утечки речевой информации) показанную на рис. 1.1 образуют источник первичного сигнала (говорящий человек или устройство звуковоспроизведения), соответствующий тип аппаратуры акустической речевой разведки и физическая среда между ними.

Рис. 1.1. Структура канала перехвата речевой информации.

В процессе ведения акустической речевой разведки добывание разведывательных данных, в зависимости от физической природы возникновения информационных сигналов, среды распространения акустических колебаний и способов перехвата, может осуществляться по следующим техническим каналам утечки речевой информации:

- воздушный (прямой акустический);

- вибрационный;

- оптико-электронный;

- акустоэлектрический;

- параметрический.

Под воздушным каналом утечки речевой информации понимается технический канал перехвата информации, в котором в качестве приемного устройства аппаратуры разведки используются микрофоны различных типов и конструкций (в том числе специальные направленные микрофоны), регистрирующие акустическое поле защищаемого речевого сигнала.

Вибрационный канал утечки речевой информации - технический канал перехвата информации, в котором в качестве приемного устройства аппаратуры акустической речевой разведки используются контактные виброприемники (вибродатчики) различных типов и конструкций, регистрирующие вибрационное поле защищаемого речевого сигнала непосредственно на ограждающих конструкциях объектов защиты (стены, потолки, полы) и на элементах их инженерно-технических систем (трубы водоснабжения, отопления, канализации и другие твердые тела).

Оптико-электронный (лазерный) канал утечки речевой информации - технический канал перехвата информации, в котором используется аппаратура дистанционного лазерного зондирования отражающих поверхностей объектов защиты, попадающих в акустическое поле речевого сигнала.

Акустоэлектрический канал утечки речевой информации - технический канал перехвата информации, возникающий за счет преобразования акустических сигналов в электрические, включает перехват акустических колебаний через вспомогательные технические средства и системы (ВТСС), обладающих "микрофонным эффектом".

Параметрический канал утечки речевой информации - в результате воздействия акустического поля меняется давление на все элементы высокочастотных генераторов технических средств приема, обработки, хранения и передачи информации (ТСПИ) и ВТСС. При этом меняется (незначительно) взаимное расположение элементов схем, проводов в катушках индуктивности, дросселей и т.п., что может привести к изменениям параметров высокочастотного сигнала, например, к модуляции его информационным сигналом.

Классификация технических каналов утечки акустической (речевой) информации приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Классификация технических каналов утечки речевой информации

1.2 Физические характеристики и особенности распространения речевого сигнала

Звуковое поле характеризуется следующими характеристиками: линейные, энергетические[2].

К линейным характеристикам звукового поля относят звуковое давление, скорость колебаний и акустическое сопротивление среды.

Звуковое давление представляет силу, действующую на единицу поверхности, и измеряется в Па. Скоростью колебаний называют скорость движения частиц среды под действием проходящей звуковой волны (м/с). Удельным акустическим сопротивлением называется отношение звукового давления к скорости колебаний (Пас/м).

К энергетическим характеристикам звукового поля относят интенсивность звука.

Интенсивностью звука или силой звука называют количество энергии, проходящее в секунду через единицу площади, перпендикулярной к направлению распространения волны (Вт/м²).

В акустике за уровень параметра принимают величину, пропорциональную логарифму относительного значения этого параметра. Таким образом, при использовании десятичных логарифмов для параметра К уровень

N = alg (K/K0),

где а - коэффициент пропорциональности, определяемый размером выбранных логарифмических единиц. Как правило пользуются единицей измерения децибел (дБ), и поэтому пользуются следующими выражениями для определения уровней: для энергетических параметров NЭ = 10lg (KЭ/K0Э) и для линейных

NЛ = 20lg (KЛ/K0Л). К0

- условное значение параметра, к которому относят величину этого параметра.

За условное (нормированное) значение нулевого уровня электрической мощности Р0 принимают 1 мВт. Абсолютный уровень электрической мощности

NР = 10lg (Р/Р0) = 10lg (РВт/10^-3),

РВт - мощность в ваттах. Этот уровень мощности измеряется в децибелах мощности (дБм).

Уровень по звуковому давлению в децибелах для воздуха определяют относительно звукового давления по величине, соответствующей нулевому значению уровня интенсивности для удельного акустического сопротивления равного 400 кг/м²с, то есть уровень определяется выражением

LР = 20lg (Р/Р0) = 20lg (РПа/210^-5),

где Р0 = 210^-5 Па - условное действующее значение для нулевого уровня по звуковому давлению, РПа - действующее значение звукового давления, Па.

Человеческая речь представляет собой шумоподобный акустический сигнал, несущий амплитудную и частотную модуляцию [1]. Основная энергия акустических колебаний речевого сигнала заключена в диапазоне 70 Гц - 7 кГц, причем более 95% смысловой информации размещается в более узком диапазоне - 200 Гц - 5 кГц. Акустические колебания выше и ниже этих частот несут информацию об эмоциях и личности говорящего (устный почерк), способствует узнаваемости и несколько повышают разборчивость речи в условиях повышенных шумов.

Динамические характеристики разговорной речи весьма различны и во многом зависят от внешних условий, в которых находится говорящий. Так, спокойный, доверительный разговор, ведущийся собеседниками, находящимися рядом друг с другом, происходит обычно с уровнем порядка 55 дБ (звуковое давление); выступление в зале, а нередко и разговор по телефону около 75 дБ. При этом динамический диапазон речи также меняется в довольно широких пределах 25-45 дБ.

Акустические колебания, распространяющиеся в помещении, падают на ограждающие конструкции, в основном отражаются от них, а частично взаимодействуют с ними, вызывая соответствующие колебания конструкций, и распространяются далее в виде вибрационных колебаний. Вследствие добротности большинства строительных материалов, вибрационные колебания, вызванные речевым сигналом, могут быть приняты на значительном удалении от места проведения разговора. В этой связи следует отметить два важных аспекта. Во-первых, степень проникновения акустической энергии из воздушной среды в твердое тело зависит от соотношения акустических сопротивлений этих сред:

??~????C1????2C2, (1.1)

где ?1 и ?2 - плотность материала строительной конструкции и воздуха;

C1 и C2 - скорость звука в материале строительной конструкции и воздухе.

Это положение имеет простое и практически важное следствие, которое получило в строительной акустике название «закон массы» - чем больше масса единицы площади конструкции, тем меньше вибрационные колебания, вызванные звуком, или, проще говоря, чем толще стена, тем выше звукоизоляция.

Высокие акустические характеристики строительных конструкций создают хорошие условия для распространения вибраций, вызванных прочими источниками, такими как уличные шумы, протекание воды в системах отопления, шаги, хлопки дверей, работа бытовой аппаратуры и т. д., что создает при приеме речевой информации, распространяющейся по строительным конструкциям, комплекс так называемых структурных помех.

Следует отметить, что спектры структурных помех имеют, как правило, спадающий в сторону высоких частот характер и близки к спектрам вибраций речевых сигналов.

Уровень структурных помех в здании и величина звукоизоляции выделенного помещения являются основными факторами, определяющими возможность перехвата информации по акустическому и виброакустическому каналу.

1.3 Сущность электроакустического канала утечки речевой информации

Некоторые элементы ВТСС, в том числе электромагниты вторичных электрочасов, звонков телефонных аппаратов, дроссели ламп дневного света и т.п., обладают свойством изменять свои параметры (емкость, индуктивность, сопротивление) под действием акустического поля, создаваемого источником акустических колебаний. Изменение параметров приводит к появлению на данных элементах электродвижущей силы (ЭДС), изменяющейся по закону воздействующего информационного акустического поля. Например, акустическое поле, воздействуя на якорь электромагнита вызывного телефонного звонка, вызывает его колебание. В результате чего изменяется магнитный поток сердечника электромагнита. Изменение этого потока вызывает появление ЭДС самоиндукции в катушке звонка, изменяющейся по закону изменения акустического поля.

ВТСС, кроме указанных элементов, могут содержать непосредственно электроакустические преобразователи. К таким ВТСС относятся некоторые датчики пожарной сигнализации, громкоговорители ретрансляционной сети и т.д. Эффект электроакустического преобразования акустических колебаний в электрические, называют "микрофонным эффектом". Причем, из ВТСС, обладающих "микрофонным эффектом", наибольшую чувствительность к акустическому полю имеют абонентские громкоговорители и некоторые датчики пожарной безопасности, датчики разбития стекла.

1.4 Особенности спектров речевых сигналов

Акустический сигнал от первичного источника звука, как правило, имеет непрерывно изменяющиеся форму и состав спектра. Эти спектры могут быть дискретными, сплошными и смешанными, высокочастотными и низкочастотными [1].

В практике часто приходится иметь дело с энергетическим спектром сигнала. Под ним подразумевается огибающая квадратичных значений амплитуд частотных составляющих сигнала (для дискретных спектров) или плотности спектра квадрата амплитуд А²(х) (для сплошных спектров). Последняя будет представлять собой спектральную плотность по интенсивности

J() = kA²(), (1.2)

т. е. спектральной плотностью называют интенсивность звука в полоске частот равной 1 Гц, т. е. спектральная плотность

J = If / f, (1.3)

где If - интенсивность, измеренная в узкой полоске частот f = 1Гц.

Для удобства введена логарифмическая мера оценки плотности спектра аналогично оценке по уровню интенсивности. Эта мера называется уровнем спектральной плотности, или спектральным уровнем. Спектральный уровень

B = 10lg (J / I0) = 10lg JВт + 120 ,(1.4)

где I0 = 10 ^-15 Вт / м² - условное (нормированное) значение, аналогичное для оценки уровня интенсивности. Размерность J выражается в единице на герц (Гц ^-1).

Часто для представления спектра вместо спектральной плотности пользуются интенсивностью или звуковым давлением, измеренными в октавной, полуоктавной или третьоктавной полосе частот (октава представляет собой частотный интервал, для которого отношение крайних частот равно 2), и соответственно определяют уровни в этих полосах. В этом случае спектральный уровень

B = 10lg (Iокт / fоктI0) = 20lg (pокт / p0) - 10lg fокт, (p0 = 210^-5 Па) ,(1.5)

а уровень в октавной полосе

L_окт = 10lg (Iокт / I0) = 20lg (pокт / p0), (1.6)

где fокт - ширина соответствующей октавной полосы. Вычитая (1.6) из (1.5), имеем

Lокт - B = 10lg fокт ,(1.7)

то есть разность между линейным и октавным анализом определяется, логарифмом от октавной полосы.

1.5 Способы анализа спектральных характеристик

В настоящее время существует несколько различных способов анализа спектральных характеристик речевого сигнала. Остановимся на линейном, октавном и третьоктаном анализе [1].

Линейный анализ - это исследование спектра с полосой пропускания одинаковой ширины во всем диапазоне частот. Октавный и третьоктавный анализ - исследование спектра с полосой пропускания, имеющей одинаковую относительную ширину полосы пропускания, то есть отношение f/f₀ постоянно во всем диапазоне частот (f - полоса пропускания, f₀ - средняя частота полосы). Это означает, что абсолютная ширина полосы пропускания для октавного и третьоктавного анализа тем выше, чем выше средняя частота. Международными рекомендациями и ГОСТ 17168-71 установлены номиналы средних частот:

- для октавного анализа средние частоты определяются по формуле

f_ср.п = 10^{3n / 10} (Гц), (1.8)

где -1 n 14, то есть всего 16 полос;

нижние частоты октавной полосы - ;

верхние частоты октавной полосы - .

для третьоктавного анализа средние частоты определяются по формуле

f_ср.п = 10 ^{n / 10} (Гц), (1.9)

где -4 n 43, то есть всего 48 полос;

нижние частоты октавной полосы - ;

верхние частоты октавной полосы - .

Исследование спектральных характеристик в октавных полосах используется для определения эффективности принятых мер защиты информации в соответствии с требованиями Гостехкомиссии России.

Линейный и третьоктавный анализы предназначены для более детального исследования спектра сигналов и помех.

1.6 Основные критерии защищенности каналов утечки речевой информации

Защита речевой информации является одной из важнейших задач в общем комплексе мероприятий по обеспечению информационной безопасности объекта или учреждения.

Для ее перехвата предполагаемый «противник» (лицо или группа лиц, заинтересованных в получении информации) может использовать широкий арсенал портативных средств акустической речевой разведки, позволяющих перехватывать речевую информацию по прямому акустическому, вибрационному, акустоэлектрическому и оптико-электронному каналам, к основным из которых относятся [3]:

- портативная аппаратура звукозаписи (малогабаритные диктофоны, магнитофоны и устройства записи на основе цифровой схемотехники);

- направленные микрофоны;

- электронные стетоскопы;

- электронные устройства перехвата речевой информации (закладные устройства) с датчиками микрофонного и контактного типов с передачей перехваченной информации по радио, оптическому (в инфракрасном диапазоне длин волн) и ультразвуковому каналам, сети электропитания, телефонным линиям связи, соединительным линиям вспомогательных технических средств или специально проложенным линиям;

- оптико-электронные (лазерные) акустические системы и т.д. Портативная аппаратура звукозаписи и закладные устройства с датчиками микрофонного типа (преобразователями акустических сигналов, распространяющихся в воздушной и газовой средах) могут быть установлены при неконтролируемом пребывании физических лиц («агентов») непосредственно в выделенных (защищаемых) помещениях. Данная аппаратура обеспечивает регистрацию речи средней громкости при удалении микрофона на расстояние до 10-15 м от источника речи [3].

Электронные стетоскопы и закладные устройства с датчиками контактного типа позволяют перехватывать речевую информацию без физического доступа «агентов» в выделенные помещения. При этом датчики закладных устройств наиболее часто устанавливаются вблизи мест возможной утечки речевой информации:

- микрофонного типа (в выходах кондиционеров и каналах систем вентиляции);

- контактного типа (преобразователи виброакустических сигналов, распространяющихся по строительным конструкциям зданий, инженерным коммуникациям и т. п.) (на наружных поверхностях зданий, на оконных проемах и рамах, в смежных (служебных и технических) помещениях за дверными проемами, ограждающими конструкциями, на перегородках, трубах систем отопления и водоснабжения, коробах воздуховодов вентиляционных и других систем).

Экспериментальные исследования показали, что с использованием данных средств разведки обеспечивается перехват речевой информации с высоким качеством через ограждающие конструкции в железобетонных зданиях через 1-2 этажа, по трубопроводам через 2-3 этажа и по вентиляционным каналам на расстоянии до 20-30 м [4].

Применение для ведения разведки направленных микрофонов и оптико-электронных (лазерных) акустических систем не требует проникновения «агентов» не только в выделенные и смежные с ними помещения, но и на охраняемую территорию объекта. Разведка может вестись из соседних зданий или автомашин, находящихся на автостоянках, прилегающих к зданию.

С использованием направленных микрофонов возможен перехват речевой информации из выделенных помещений при наличии открытых оконных проемов (форточек или фрамуг) в условиях города (на фоне транспортных шумов) на расстояниях до 50 м [I]. За городом при оптимальных условиях дальность разведки может составлять до 80-100 м днем и до 200 м в ночное время.

Максимальная дальность разведки с использованием оптико-электронных (лазерных) акустических систем, снимающих информацию с внутренних стекол, составляет 150-200 м в городских условиях (наличие интенсивных акустических помех, запыленность атмосферы) и до 500 м в загородных условиях [5].

Защита речевой информации достигается проектно-архитектурными решениями, проведением организационных и технических мероприятий, а также выявлением электронных устройств перехвата информации.

Использование тех или иных методов и средств определяется характеристиками объекта защиты и аппаратуры разведки, условиями ее ведения, а также требованиями, предъявляемыми к эффективности защиты акустической (речевой) информации.

Для оценки защищенности каналов утечки информации используются два критерия: энергетический и смысловой.

Энергетическим показателем является распределение отношений "сигнал / шум", дБ, в октавных полосах частот в контрольных точках для нормированного энергетического спектра речевого сигнала.

Смысловым критерием является словесная разборчивость речи - относительное или процентное количество принятых специально тренированными слушателями (артикулянтами) слов из общего количества переданных по тракту.

Для оценки разборчивости речи целесообразно использовать инструментально-расчетный метод, основанным на результатах экспериментальных исследований, проведенных Н. Б. Покровским. [3] Суть этого метода заключается в следующем.

Энергетический спектр речи разбивается на N частотных полос, в общем случае произвольной ширины f = f_Bi - f_Hi (f_Bi - -верхнее значение частоты i-й полосы, f_Hi - нижнее значение частоты i-й полосы).

Для каждой i-й (i = 1... N) частотной полосы инструментальным методом измеряются уровень сигнала L_c.i, дБ и уровень шума (помехи) L_шi., дБ.

Далее для каждой 1-й частоты расчетным методом определяются:

- отношение «уровень речевого сигнала / уровень акустического шума (помехи);

. (1.10)

- формантный параметр А_i, на среднегеометрической частоте полосы, характеризующий энергетическую избыточность дискретной составляющей речевого сигнала в полосе, по формуле (1.11):

(1.11)

- весовой коэффициент полосы к_i, характеризующий вероятность наличия формант речи в данной полосе, по формуле (1.12):

,(1.12)

где к() и к() - значения весового коэффициента для верхней и нижней граничных частот, рассчитываемые по формуле (1.13):

(1.13)

- спектральный индекс артикуляции (понимаемости) речи R_i (информационной вес i-й спектральной полосы частотного диапазона речи), по формуле (1.14):

, (1.14)

где коэффициент р_i определяется по формуле (1.15):

(1.15)

Далее для общей частотной полосы спектра речевого сигнала рассчитываются:

- интегральный индекс артикуляции речи R, по формуле ()1.16:

.(1.16)

- зависимость словесной разборчивости от интегрального индекса артикуляции речи по формуле (1.17):

 (1.17)

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.

1.7 Основные принципы оценки защищенности каналов утечки речевой информации

1.7.1 .Воздушный и вибрационный каналы

Оценка защищенности воздушного и вибрационного каналов основывается на инструментально-расчетном способе определения отношений "речевой сигнал / акустический (вибрационный) шум" (далее "сигал / шум") в контрольных точках в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 250, 500, 1000, 2000, 4000 Гц с последующим сравнением полученных отношений "сигнал / шум" с нормированными значениями, или с последующим пересчетом полученных значений "сигнал / шум" в числовую величину словесной разборчивости речи и сравнения ее с нормированным значением.

Для проведения инструментального контроля с использованием аппаратуры общего применения должны быть сформированы передающий и приемный измирительные комплексы. Структура измерений показана на рис.1.3



Рис. 1.3. Структура измерений параметров каналов утечки речевой информации

Передающий измерительный комплекс должен содержать:

- генератор шума;

- усилитель мощности;

- акустический излучатель;

- измерительный микрофон;

- шумомер;

- полосовые октавные фильтры со среднегеометрическими частотами 250, 500, 1000, 2000, 4000 Гц.

В качестве тестового (контрольного) сигнала рекомендуется использовать акустический шумовой сигнал с нормальным распределением плотности вероятности мгновенных значений в пределах каждой октавной полосы частот. В зависимости от технических возможностей используемых генераторов шума контрольный сигнал может излучаться одновременно во всех октавных полосах (в полосе частот 175…5600 Гц), либо в последовательно в каждой отдельно взятой полосе. С целью сокращения времени на проведение контроля рекомендуется использовать тестовый (контрольный) сигнал, излучаемый одновременной во всех октавных полосах.

Допускается также использование гармонических (тональных сигналов) со среднегеометрическими частотами октавных полос. В этом случае в контрольной точке необходимо провести не менее трех измерений на частотах f_срi f,

где f_срi - среднегеометрическая частота i - октавной полосы;

f - частотная поправка, равная (10…15) % от f_срi.

В качестве исследуемых элементов могут выступать различные преграды, воздуховоды, инженерные коммуникации и т.п.

Приемный измерительный комплекс должен содержать:

- измерительный микрофон;

- виброприемник (акселерометр);

- шумомер;

- полосовые октавные фильтры со среднегеометрическими частотами 250, 500, 1000, 2000, 4000 Гц.

Вместо шумомера в измерительных комплексах могут быть использованы спектральные анализаторы.

В передающем измерительном комплексе рекомендуется использовать генераторы шума, обеспечивающие возможность независимой регулировки уровня шумового сигнала в каждой из пяти октавных полос со среднегеометрическими частотами 250, 500, 1000, 2000, 4000 Гц.

Усилитель мощности и акустический излучатель должны обеспечивать уровень звукового давления излучаемого акустического шумового сигнала на расстоянии 1 м от апертуры акустического излучателя не менее 110 дБ.

В качестве акустического излучателя целесообразно использовать малогабаритные акустические системы с неравномерностью АЧХ звукового давления в полосе частот 175…5600 Гц, не превышающей 6дБ.

Шумомер, используемый в передающем и приемном комплексах, должен соответствовать классу 1 или 2 по ГОСТ 17168-82.

Октавные фильтры приемной части измерительного комплекса должны соответствовать классу 1 или 2 по ГОСТ 17168-82.

Ряд элементов в приемном и передающем комплексе могут быть общими при их последовательном применении в процессе проведения соответствующих измерений.

1.7.2 Акустоэлектрический канал

Данный канал образуется за счет наличия в технических средствах акустоэлектрических преобразований. Если линии связи от технических средств выходят за пределы контролируемого пространства (доступ к ним не ограничен), то в этом случае данный канал может являться каналом утечки речевой информации.

Оценка защищенности данного канала сводится к определению уровня наведенного сигнала в техническом средстве за счет акустоэлектрических преобразований в последнем.

Структура измерений параметров акустоэлектрического канала аналогична рассмотренной в разделе 1.7.1 с той лишь разницей, что исследуемым элементом может являться устройство обладающее акустоэлектрическими преобразованиями. В приемном комплексе в качестве устройства регистрирующего уровень наведенного сигнала служит селективный микровольтметр или анализатор спектра.

2. РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

2.1 Цель лабораторных исследований акустических каналов утечки речевой информации

Целью лабораторных исследований является исследование частотных свойств элементов возможных каналов утечки речевой информации (стены, двери, воздуховоды, окна, помещения, в котором циркулирует конфиденциальная информация, устройства, обладающие акустоэлектрическими преобразованиями) при различных значениях звукового давления, развиваемого падающей на исследуемый элемент волной акустического колебания. Определение степени защищенности исследуемых каналов по энергетическому критерию и критерию словесной разборчивости речи.

В процессе проведения этих работ студенты должны определить степень защищенности каналов и предложить необходимые меры по его защите, в случае неудовлетворительных результатов.

2.2 Основные требования, предъявляемые к лабораторной установке

При построении функциональной схемы лабораторной установки по исследованию акустических, вибрационных и акустоэлектрических каналов утечки речевой информации возникают проблемы следующего характера:

Для возбуждения исследуемого элемента канала встает вопрос о развитии акустического поля с уровнем звукового давления до 120 дБА в месте расположения элемента, что создает определенный дискомфорт при проведении лабораторных работ. В качестве способа позволяющего решить данную проблему предлагается использовать звукопоглощающую негабаритную конструкцию (камеру). Внутри камеры устанавливается требуемое звуковое давление с помощью акустической системы. На выходе камеры ставим исследуемые образцы, имитирующие ограждающие конструкции и инженерные коммуникации, которые представляют собой каналы утечки информации.

При исследовании акустоэлектрических каналов утечки информации помимо развития поля с требуемым высоким уровнем звукового давления возникает проблема уменьшения больших внешних наводок, создаваемых электромагнитными полями, от работающих в зоне расположения исследуемых образцов технических средств, на фоне которых становится проблематично выловить наведенный на исследуемые образцы сигнал. Эту проблему можно решить с помощью экранированной камеры, позволяющей понизить уровень внешних помех, а также использованием заземления измерительных приборов.

Таким образом, можно сделать вывод о необходимости создания экранированной звукопоглощающей камеры, являющейся основой лабораторной установки для проведения комплекса лабораторных работ связанных с исследованием воздушных, вибрационных и акустоэлектрических каналов утечки речевой информации.

Для создания тестового сигнала, представляющего собой акустический шумовой сигнал с нормальным распределением плотности вероятности мгновенных значений в пределах каждой октавной полосы частот (175…5600 Гц), с уровнем звукового давления 90-110 дБ необходимо разработать датчик акустического поля, включающий в себя генератор шума, октавный эквалайзер, усилитель мощности звуковой частоты. Для более точного исследования каналов утечки информации рекомендуется проводить анализ в полосе частот (175…10000 Гц), с уровнем звукового давления 120 дБА.

В качестве исследуемых устройств акустоэлектрических каналов могут использоваться телефонные аппараты, электродинамические громкоговорители и другие технические средства, обладающие "микрофонным эффектом". Как правило их линии связи являются симметричными, что также необходимо учитывать при постановке экспериментов. В силу того, что большинство измерительных приборов имеет несимметричные входы, встает вопрос о создании согласующего усилителя с симметричным входом и несимметричным выходом, через который будут подключаться к измерительным приборам исследуемые устройства.

При проведении экспериментальных исследований необходим контроль уровня звукового давления, развиваемого в месте расположения исследуемого элемента. Решение этой задачи может быть осуществлено установкой в месте предполагаемого расположения исследуемого элемента высокочувствительного измерительного микрофона.

На основании вышесказанного схема лабораторной установки должна содержать набор стандартной (выпускаемой промышленностью) и нестандартной аппаратуры:

К стандартной аппаратуре относятся:

- генератор звуковой частоты типа Г4-103 или подобный генератор с аналогичными характеристиками;

- импульсный шумомер 00014 с набором октавных фильтров;

- селективный микровольтметр типа В6-9 или селективный усилитель У2-8, используемый для определения величины звукового давления внутри камеры и для измерения величины наведенного сигнала на исследуемое устройство. В качестве такого прибора может использоваться селективный нановольтметр Unipan 233, или ряд аналогичных устройств;

- генератор шума низкочастотный, или любой другой (нестандартный) с аналогичными характеристиками (например магнитофон, с записями испытательных шумов);

- акустическая система с мощностью не менее 10 Вт;

- измерительный микрофон электродинамического принципа действия любого типа;

- вибропреобразователь (акселерометр).

К нестандартной аппаратуре, которую необходимо изготовить относится:

- датчик акустического поля;

- экранированная звукопоглощающая камера;

- согласующий усилитель.

Функциональная схема лабораторной установки по исследованию воздушных и вибрационных каналов утечки речевой информации, на основании вышеизложенного, имеет вид представленный на рис.2.1.

Положение ключей:

- К1 в положении 1, К2 в положении 1, К3 в положении 2 - реализуется тональный метод исследования акустического канала утечки информации;

- К1 в положении 1, К2 в положении 2, К3 в положении 2 - реализуется тональный метод исследования вибрационного канала утечки информации;

- К1 в положении 2, К2 в положении 1, К3 в положении 2 - реализуется шумовой метод исследования акустического канала утечки информации;

- К1 в положении 2, К2 в положении 2, К3 в положении 2 - реализуется шумовой метод исследования вибрационного канала утечки информации;

- К1 в положении 1, К2 в положении 1, К3 в положении 1 - реализуется калибровка микрофона 1 при тональном методе исследования каналов утечки информации;

- К1 в положении 2, К2 в положении 1, К3 в положении 2 - реализуется калибровка микрофона 1 при шумовом методе исследования акустического канала утечки информации;

Функциональная схема лабораторной установки по исследованию акустоэлектрических каналов утечки информации приведена на рис. 2.2

Положение ключей:

- К1 в положении 1, К2 в положении 1 - реализуется тональный метод исследования акустоэлектрического канала утечки информации;

- К1 в положении 2, К2 в положении 1 - реализуется шумовой метод исследования акустоэлектрического канала утечки информации;

- К1 в положении 1, К2 в положении 2, подключается измерительный микрофон 2 - реализуется калибровка микрофона 1 при тональном методе исследования каналов утечки информации;

- К1 в положении 2, К2 в положении 2, подключается измерительный микрофон 2 - реализуется калибровка микрофона 1 при шумовом методе исследования каналов утечки информации;

Рис. 2.1. Функциональная схема лабораторной установки по исследованию воздушных и вибрационных каналов утечки информации

Рис. 2.2.. Функциональная схема лабораторной установки по исследованию акустоэлектрических каналов утечки информации

3. РАЗРАБОТКА НЕСТАНДАРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

3.1 Определение электрических и акустических параметров экранированной звукопоглощающей камеры

К основным параметрам экранированной звукопоглощающей относятся степень поглощения звуковых колебаний и экранирующая способность в отношении влияния на исследуемые образцы внешних электромагнитных полей.

В качестве камеры принята металлическая камера с габаритами 90014001300 мм

В соответствии с техническим заданием она должна удовлетворять следующим условиям:

- подавление электрических и магнитных полей 20-40 дБ;

- подавление звукового давления 20-40 дБ;

- максимальные габариты камеры 150015001500 мм

В качестве звукопоглощающего материала принят поролон. Выбор остановим в его пользу в силу незначительной стоимости данного вида звукопоглотителя, распространенности и доступности в продаже. Конечно, можно использовать и другие звукопоглощающие материалы с более высокой степенью поглощения, но во-первых нам не требуется такая качественная звукоизоляция для выполнения санитарных норм в лаборатории, а во-вторых стоимость качественных звукопоглотителей на порядок выше стоимости поролона. При правильной установке поглотителя внутри камеры можно добиться общего уровня звукоизоляции, удовлетворяющего техническому заданию.

Для расчета эффективности экранирования камерой электрических и магнитных полей воспользуемся ориентировочными формулами (3.1) и (3.2) [6]:

, (3.1)

, (3.2)

где Э_Э и Э_м - эффективность экранирования для электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля;

Э_ПЛ - эффективность экранирования полупространства от падающей плоской волны бесконечным экраном;

- длина волны;

R - эквивалентный радиус экрана;

, (3.3)

где a, b, c - линейные размеры экрана.

Таким образом, получаем:

. (3.4)

. (3.5)

В качестве экранирующего материала возьмем сталь толщиной 0,5 мм для которого Э_ПЛ = 150 дБ на частоте 10 кГц.

Рассчитаем эффективность экранирования:

. (3.6)

. (3.7)

Как видим, камера с такими линейными размерами, выполненная из данного материала пригодна для экранирования внешних электромагнитных полей.

Реальное затухание звукового давления и электромагнитных волн оценим практическим способом.

Конструкция и размеры камеры приведены в приложении 1

3.2 Разработка структурной и функциональной схемы акустического излучателя

При разработке структурной схемы датчика акустического поля требуется выполнить следующие условия технического задания:

· развиваемое звуковое давление на расстоянии 1 м от излучателя не менее 120 дБ (20 Па).

· тип генерируемых колебаний:

- шум с распределением мгновенных значений по нормальному закону с независимой регулировкой уровня в октавных полосах на средне - геометрических частотах 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц; диапазон регулировки ±20 дБ.

- гармонические колебания с частотами fср.г. ±15%, где fср.г.=250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. С независимой регулировкой уровней по частотам в диапазоне ±20 дБ.

Как следует из задания, в качестве первичного источника акустических сигналов необходимо разработать генератор шума с нормальным распределением мгновенных значений, возможно в качестве генератора шума использовать внешние источники: кассетный магнитофон с записью шума, стандартные источники шума. В случае с гармоническими колебаниями воспользуемся обычным генератором низкой частоты (Г3-102, Г3-112, и др.).

Для независимой регулировки уровня в октавных полосах на средне - геометрических частотах 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц встает вопрос о разработке октавного эквалайзера.

Наконец, для того чтобы развить требуемое звуковое давление, нужно первичный сигнал усилить с помощью усилителя мощности звуковой частоты.

На выходе акустического излучателя стоит акустическая система, которая создает требуемое звуковое давление.

Таким образом, можно выделить структуру акустического излучателя, состоящую из четырех основных блоков:

- источник первичного сигнала;

- октавный эквалайзер;

- усилитель мощности звуковой частоты;

- акустическая система.

Структурная схема акустического излучателя изображена на рис. 3.1

Рис. 3.1. Структурная схема акустического излучателя.

Разработку функциональной схемы датчика акустического поля начнем с выбора акустической системы. Она должна удовлетворять следующим условиям:

- диапазон воспроизводимых частот 100 Гц-10000 Гц;

- развиваемое звуковое давление 20 Па;

- экранированный точечный излучатель;

Из ряда диффузорных электродинамических громкоговорителей выбираем громкоговоритель 10ГД-36, со следующими основными параметрами:

- диапазон воспроизводимых частот 63 Гц-20000 Гц;

- паспортная мощность 15 Вт;

- номинальное электрическое сопротивление 4 Ом;

- развиваемое стандартное звуковое давление 0,2 Па;

- габариты 200200 мм.

Под точечным понимается излучатель, линейные размеры которого не превышают 10% размеров исследуемой преграды. Данный громкоговоритель удовлетворяет этому условию. Для экранирования электрических и магнитных полей создаваемых магнитной системой громкоговорителя закроем диффузор заземленной мелкоячеистой металлической сеткой.

Звуковое давление PЗВ (Па), развиваемое громкоговорителем, жестко связано с подаваемой на него электрической мощностью W (Вт) (мощность, рассеиваемая на сопротивлении, равном по величине номинальному электрическому сопротивлению громкоговорителя, при напряжении, равном напряжению на зажимах громкоговорителя) и средним стандартным звуковым давлением PСТ (Па) (среднее звуковое давление, развиваемое громкоговорителем в номинальном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии 1 м от рабочего центра при подведении к нему напряжения, соответствующего электрической мощности равной 0,1 Вт) соотношением (3.8).

. (3.8)

Таким образом, чтобы получить звуковое давление 20 Па необходимо к громкоговорителю подвести электрическую мощность:

. (3.9)

Естественно, что приведенные числа являются ориентировочными, так как обусловлены определенными уровнями шума, его спектральными характеристиками, а также заданным стандартным звуковым давлением громкоговорителя. Однако они позволяют выдвинуть максимальные требования к характеристикам усилителя мощности.

Отсюда следует, что необходимо разработать усилитель с выходной мощностью не менее 10 Вт и коэффициентом усиления не менее 50 дБ. Значительный запас мощности, которым обладает усилитель, позволяет получить большой динамический диапазон громкости, что улучшает стабильность работы при номинальной мощности и обеспечивает незначительные нелинейные искажения. Максимальная выходная мощность, которая может быть передана в нагрузку, определяется максимальными значениями напряжения, действующего на выходе усилителя, и тока, протекающего через усилитель при заданной нагрузке.

Для регулировки уровня входного напряжения подаваемого на вход усилителя нужно использовать регулятор громкости.

Для независимой регулировки уровня в октавных полосах на средне - геометрических частотах 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц встает вопрос о разработке октавного эквалайзера, представляющего собой набор полосовых фильтров с регулировкой уровня на выходе, с последующим суммированием всех полос.

В качестве датчика шума возможно использование как внутреннего, так и внешнего источника. Внешними источниками могут являться стандартный генератор шума, магнитофонная запись с шумом и ряд других устройств.

Для простоты работы и минимизации стандартной аппаратуры необходимо разработать внутренний (встроенный) генератор шума.

При использовании внутреннего генератора шума необходимо, усилить выходной сигнал с генератора, для обеспечения нормальной работы октавного эквалайзера и достижения нужного коэффициента усиления.

Учитывая сказанное выше, функциональная схема акустического излучателя имеет вид представленный на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Функциональная схема акустического излучателя.

3.3.Разработка принципиальной схемы акустического излучателя

3.3.1 Усилитель мощности с регулятором громкости

В настоящее время существует множество различных схем усилителей мощности звуковой частоты, как отечественного, так и зарубежного производства. При выборе схемного решения устройства будем придерживаться следующих критериев:

- Коэффициент усиления не менее 50 дБ;

- Выходная мощность не менее 10 Вт;

- Сопротивление нагрузки 4 Ом;

- Частотный диапазон от 100 Гц до 10 кГц;

- Минимальное количество навесных элементов.

Выбор остановим на усилителе мощности низкой частоты, разработанный фирмой SGS THOMSON MICROELECTRONICS, со следующими основными показателями:

- Коэффициент усиления 84 дБ;

- Выходная мощность 15 Вт;

- Сопротивление нагрузки 4 Ом;

- Частотный диапазон от 30 Гц до 20 кГц;

- Напряжение питания 6В - 18В.

Основным усилительным элементом выступает микросхема TDA 2030 (отечественный аналог - микросхема серии К174УН19). В качестве простейшего регулятора громкости может служить обычный переменный резистор, включенный по схеме делителя напряжения. Принципиальная схема усилителя мощности с регулятором громкости представлена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Принципиальная схема усилителя мощности низкой частоты с регулятором громкости.

3.3.2 Расчет октавного эквалайзера

Октавный эквалайзер представляет собой набор полосовых фильтров со срединными частотами 250 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 2000 Гц, 4000 Гц, 8000 Гц и соответствующими октавами 177 Гц - 354 Гц, 354 Гц - 707 Гц, 707 Гц - 1410 Гц, 1410 Гц - 2830 Гц, 2830 Гц - 5660 Гц, 5660 Гц - 11300 Гц, с последующей независимой регулировкой уровня напряжения сигнала. На выходе фильтров смесь сигналов суммируется с помощью буферного усилителя, представляющего собой операционный усилитель, включенный по стандартной схеме приведенной на рис 3.4.

Рис. 3.4. Схема включения операционного усилителя, работающего в режиме усиления.

В качестве устройства, реализующего необходимые характеристики, выберем полосовой фильтр со сложной отрицательной обратной связью, который отличается простотой реализации и удовлетворяет заданным требованиям.