Разработка учебно-лабораторного стенда для изучения волоконно-оптического канала утечки акустической информации

3.1 Акустическое (речевое) воздействие

Перед изучением волоконно-оптического канала утечки речевой информации следует детально рассмотреть физические принципы формирования и восприятия человеческой речи, известные каналы утечки речевой информации и методики их оценки.

Общие положения

Речь человека - определенная последовательность звуков, характерных для данного языка, произносимых, обычно, слитно с паузами после отдельных слов или групп звуков.

Речь создается артикуляционными органами человека и в силу неодинаковости их размера у разных людей речь любого человека индивидуальна.

Речь представляется тремя группами характеристик:

физические;

семантические;

фонетические.

Физические характеристики речи - характеристики речи с точки зрения волновых явлений. В этом смысле звук - колебательные движения частиц упругой среды, распространяющиеся в виде волн.

Звуковые волны в газообразных и жидких средах являются продольными (т.е. такими, в которых направления смещения частиц среды совпадают с направлением распространения волны); в твердых средах кроме продольных могут иметь место поперечные волны и их комбинации (изгибные, крутильные и т.п.).

Важнейшими характеристиками звуковых волн являются следующие:

* Диапазон частот, воспринимаемых человеческим ухом (Гц) - 16 Гц ч20 кГц (< 16 Гц - инфразвук, > 20кГц - ультразвук).

* Скорость распространения звуковых волн в среде (скорость звука)-V(м\с); при неизменных условиях распространения (температура, атмосферное давление и т.п.), V -const. Так V в воздухе равна 331 м\с (при t0 -00С, Р=1 атм); в воде -1490 м\с (20оС); в бетоне 4200ч5300 м\с.

* Длина волны л:

л = V\f,

где f - частота звука в Гц; для звуковых волн л= 1,65см ч 20,7м.

* Звуковое давление (Р) давление звуковой волны, которое она оказывает на среду при распространении в ней. Строго говоря, это переменная часть давления, т.е. разность между мгновенными значениями давления в точке среды при прохождении волны и статическим давлением в этой же точке (Р- линейная характеристика).

Р - сила, действующая на единицу поверхности: Р = F/S. Единицей измерения Р в системе СИ является Паскаль, Па (Ньютон/ метр2). для справки: 1Па в 105 раз меньше 1 атм.

Звуковое давление в воздухе изменяется от 2·10-5 Па (порог слышимости, Ро) до 105 Па (болевой порог).

Часто Р выражается в дБ:

Р

Р (дБ) = 20 lg ---------;

Ро

Динамический диапазон Р, воспринимаемый человеческим ухом, равен ~140дБ

* Интенсивность звука или сила звука I (энергетическая характеристика) - количество энергии, проходящей в секунду через единицу площади перпендикулярно к направлению распространения волны. Единицей интенсивности звука (в системе СИ) является Вт/м2

I

I (дб) = 10 lg (-----------), где I0 = 10 -12 Вт/м2

I0

Важнейшими характеристиками звуковых волн являются также фронт волны (плоская, сферическая, цилиндрическая волна), явления отражения, преломления, дифракции и затухания волн.

Понятие структурных акустических волн (структурный звук)

Под структурным звуком понимают механические колебания в твердом теле с частотой f = 16 Гцч20 кГц. Механические колебания стен, перекрытий, трубопроводов и т.п. передаются на значительные расстояния, почти не затухая, и хорошо перехватываются приемными устройствами типа стетоскоп. Структурные (акусто-вибрационные) волны возникают из-за механического воздействия акустических волн на инженерные конструкции. В результате этого воздействия в конструкциях возникают напряжения и деформации, образующие структурные колебания. При этом возникают не только волны сжатия (продольные), но и поперечные их комбинации - изгибные, крутильные, волны Рэлея (поверхностные). Не вдаваясь в физику сложных волновых процессов, стоит отметить, что распространение структурных волн в инженерных конструкциях здания характеризуется:

затуханием волн вследствие их расхождения и поглощения (перехода энергии в тепло);

отражением на границах раздела сред (например, составные стены из разного материала, места разветвления, углы) и т.п.;

преобразованием типов волн (например, изгибных в продольные);

излучением в воздушную среду (в основном, при переходе изгибных волн в продольные).

При этом скорость распространения структурных волн зависит от частоты распространения f.

Опасность виброакустического канала утечки речевой информации состоит в большой и непредсказуемой дальности распространения звуковых волн, преобразованных в структурные колебания элементов инженерных коммуникаций с последующим их преобразованием в звуковые воздушные колебания. Экспериментальные исследования показали возможность перехвата речевой информации с высоким качеством в зданиях из железобетона через один-два этажа, по трубопроводам - через два-три этажа.

* Семантические характеристики речи - характеристики смысла передаваемых понятий.

* Фонетические характеристики - характеристики речи с точки зрения ее звукового состава, т.е. количества и частоты встречаемости, так называемых, фонем - наименьших звуковых единиц, образующих конкретные звуки данного языка. Например, в русской речи 41 фонема: 6 гласных, 3 твердых согласных, 2 мягких, 15 в твердом и мягком виде, 4 составных (я, ю, е, ё). Фонем больше, чем звуков.

Звуки речи неодинаково информативны и по-разному влияют на разборчивость речи. Наиболее информативными являются глухие согласные звуки.

Понятие разборчивости речи

Особенности строения речевого тракта человека обуславливают сложную волнообразную форму огибающей спектра произносимых звуков.

Максимумы концентрации энергии в спектре звука называются формантами. Каждый звук имеет несколько формант и свою индивидуальную спектральную огибающую, т.е. расположение формант на частотной оси, соотношение их уровней и характер изменения (рисунок 3.1).

Форманта - ключевое понятие в теории разборчивости речи. Разборчивость речи - основной показатель технической защищенности речевой информации, выражается процентным (или относительным количеством) правильно принятых элементов речи (звуков, слогов, слов, фраз) на выходе технического канала из общего их числа. Соответственно различают звуковую (D), слоговую (S), словесную (W) и фразовую (I) разборчивость. Между ними существует однозначная связь (для данного языка), установленная экспериментальным путем на основе так называемых артикуляционных испытаний.

Рис. 3.1 - Спектр огибающей фонемы «3»

Разборчивость речи тесно связана с качественной характеристикой «понятность речи», что представлено в таблице ниже:

Таблица 3.1 - Соотношение разборчивости и понятности речи

Экспериментально-расчетный метод оценки разборчивости речи.

Наиболее существенный вклад в развитие отечественной теории разборчивости внесли Покровский Н.Б., Быков Ю.С., Сапожков М.А.. В настоящее время для оценки разборчивости речи в задачах защиты информации принят экспериментально-расчетный метод, предложенный Н.Б. Покровским, суть которого заключается в следующем. Весь частотный (речевой) диапазон разделяется на «n» полос, в общем случае произвольных, например, равноартикуляционных, октавных, третьоктавных и т.п. Учитывая, что восприятие человеком формант обладает свойством аддитивности (т.е. когда каждая частотная полоса речевого диапазона вносит свой линейный вклад в суммарную разборчивость речи), можно записать:

Аф = У Афi = У gi Pi(1)

где gi - вклад i-той частотной полосы в cуммарную разборчивость Аф;

Pi - коэффициент восприятия формант человеческим ухом в i-той полосе частот.

Вклад gi каждой i-той частотной полосы в суммарную разборчивость формант можно оценить по так называемому формантному распределению (рис. 3.2), математический смысл которого - функция распределения вероятности встречаемости (наличия) формант по частотному диапазону.

Рис. 3.2 - Формантное распределение

Так, для принятого на практике октавного разбиения частотного диапазона gi имеют следующие значения (табл.3.2). Необходимо отметить, что в разных источниках значения gi несколько различаются. Кроме того, при использовании только пяти октавных полос, Аф= 0,91?1, т.е. «теряется» 9% формантной разборчивости (табл.3.2).

Таблица 3.2 - Октавное разбиение частот

Далее в экспериментальном разделе для выявления модуляции будет использоваться тональный сигнал с частотой 2кГц. Поиск модулированного сигнала будет также производиться на этой частоте.

Если бы слушающий заведомо принимал все, что передает говорящий, т.е. если бы был идеальный канал «источник речевой информации - приемник», то независимо от числа полос и их ширины формантная разборчивость была бы равна 1:

Аф = У Афi = 1

Однако в реальных условиях часть формант не воспринимается из-за целого ряда причин: недостаточная громкость, искажения в тракте, шум, помехи и т.п. Поэтому всегда Аф ? 1. Данное обстоятельство учитывается коэффициентом восприятия формант Pi (по сути Р - вероятность правильного приема формант, 0 < Pi ? 1).

Коэффициент восприятия является функцией уровня ощущения формант, т.е. количеством формант, интенсивность которых выше некоторого порогового значения. Для большинства практических случаев уровень ощущения Е определяется по формуле:

Е = Вґр - в - Вш (2)

где Вґр - спектральная плотность формант;

в - коэффициент затухания тракта «источник-приемник»;

Вш - спектральная плотность шума.

На рисунке 3.3 приведены усредненные спектры русской речи Вр и соответствующий спектр формант Вґр, а на рисунке 3.4 разность этих спектров Д В, которая в большинстве случаев считается постоянной, что, вообще говоря, несправедливо для громкой речи.

Рис. 3.3 - Усредненные спектры русской речи и формант

Рис. 3.4 - Разница между спектром речи и формант

Числовые значения Д В для 5-ти октавных полос даны в табл. 2.

На рисунке 3.5 приведена зависимость коэффициента восприятия Р от уровня ощущений E.

Рис. 3.5 - Зависимость коэффициента восприятия от уровня ощущений

Нетрудно показать, что формулу (2) можно представить в следующем виде:

Eґ= (Вр -Д В) - Вш - в = (Вр - Вш) -Д В- в (3)

Рассмотрев принципы формирования речевого канала утечки в уже хорошо изученных ситуациях и методику их оценки, можно перейти к рассмотрению волоконно-оптического канала утечки речевой информации.

3.2 Структура оптоволокна

Оптоволокно состоит из сердцевины, оболочки и защитной оболочки. По типу конструкции, вернее, по размеру сердцевины оптические волокна делятся на одномодовые и многомодовые. Строго говоря, употреблять эти понятия следует относительно конкретной используемой длины. Многомодовое волокно имеет диаметр сердечника (обычно 50 или 62,5 мкм) почти на два порядка больше, чем длина световой волны. Это означает, что свет может распространяться в волокне по нескольким независимым путям (модам). При этом очевидно, что разные моды имеют разную длину, и сигнал на приемнике будет заметно "размазан" по времени. Из-за этого хрестоматийный тип ступенчатых волокон с постоянным коэффициентом преломления по всему сечению сердечника, уже давно не используется по причине большой модовой дисперсии, низкой пропускной способности и относительно большего затухания, вызванного дисперсией сигналов с различными модами.

Рис. 3.6 - Многомодовое оптоволокно

Одномодовое оптоволокно представляет собой сердцевину диаметром 9 мкм и оболочку диаметром 125 мкм. Такой кабель позволяет передавать сигналы на расстояние до 50 км со скоростью до 2,5 Гбит/с без регенерации.

Рис. 3.7 - Одномодовое оптоволокно

По сравнению с другими линиями связи, ВОЛС имеет ряд достоинств и недостатков:

Достоинства:

Высокая пропускная способность, обусловленная большой частотой несущей (порядка 1 ТГц);

Очень малое затухание (линии вплоть до 100 км могут обойтись без регенерации сигнала);

Устойчивость к электромагнитным помехам;

Электробезопасность (оптоволокно искробезопасно и не представляет опасность взрыво- и пожарообразования);

Сравнительная дешевизна (по сравнению с медными проводами, кварц, который составляет ядро оптоволокна, более распространён);

Долговечность (срок службы ВОЛС не менее 25 лет).

Недостатки:

Высокая цена активного оборудования (активное оборудование превращает электрические сигналы в световые и наоборот);

Сварка оптоволокна - дорогой процесс из-за дороговизны оборудования, поэтому восстановление при обрывах оптоволокна гораздо сложнее, чем при обрывах меди.

3.3 Структура канала утечки и явление полного внутреннего