Введение в теорию разборчивости речи

Разборчивость речи основана на оценке биологического сигнала, генерируемого человеком и воспринимаемого органами слуха. Важными факторами ее оценки являются условия, в которых воспроизводится и воспринимается речь. Наиболее объективной оценкой разборчивости речи является метрологическая. При метрологической оценке разборчивости речи возникают дополнительные факторы, которые необходимо учитывать. Важнейшими факторами, влияющими на точность оценки разборчивости речи, являются искусственные помехи. Присущие же акустическому речевому сигналу реверберационные помехи обусловлены переотражениями речевого сигнала в замкнутом объеме. Кроме того, акустический речевой сигнал искажается резонансными явлениями внутри замкнутого пространства. С учетом влияющих факторов должно быть установлено соответствие между величиной, характеризующей качество восприятия речевого сигнала, и полученным результатом ее измерения.

Речевой сигнал сложен по звуковому составу. Он включает гармонические и шумовые составляющие. Для метрологической оценки разборчивости речи важно обосновать выбор измерительного сигнала.

Измерительный сигнал формируют и генерируют, используя элементы речевого сигнала (слова, слоги). Из слов или слогов сформированы артикуляционные таблицы (таблицы разборчивости речи) по ГОСТ 7153-68. В таблице учтены статистические свойства русской речи подбором слов или слогов. Измерительный сигнал, генерируемый с использованием артикуляционных таблиц, непосредственно реализуется артикуляционными бригадами.

Метод оценки разборчивости речи артикуляционными бригадами – сложный и трудоемкий. Неоспоримая ценность этого метода заключается в том, что установлены основные зависимости для получения аналитической модели оценки разборчивости речи.

В аппаратуре связи для контроля качества передачи речевого сигнала используют гармонический сигнал по ГОСТ 7153-68. Белый шум в полосе речевого сигнала для оценки качества передачи речевого сигнала используют при разбиении его на октавные либо третьоктавные полосы частот.

Обосновано и рекомендовано использование гармонического сигнала в качестве измерительного. Предложены параметры и характеристики, необходимые для расчета разборчивости речи:

· уровень спектральной плотности речевого сигнала, дБ;

· уровень спектральной плотности фонового шума в речевом диапазоне частот, дБ.

Учитывая, что спектральная характеристика речевого сигнала частотозависима, кривая чувствительности уха неравномерна в полосе речевого сигнала, спектральная плотность фонового шумового сигнала экспоненциально спадает от нижних частот, распространение речевого сигнала зависит от затухания среды распространения. Среда распространения включает прохождение речевого сигнала через элементы конструкции помещения (окна, двери), инженерные элементы (воздуховоды, системы отопления, газоводоснабжения и др.). Полосу речевого сигнала разбивают на n полос равной разборчивости. В каждой n-й полосе излучается от 1 до m полос. Этим компенсируется погрешность, обусловленная неравномерностью амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) канала утечки информации. Преимущества метода, применяющего n гармонических измерительных частот для оценки разборчивости речи, рассматривается ниже.

Шумовые сигналы в полосе речевого сигнала либо в октавных, третьоктавных полосах измеряются шумомером. Шумомеры, предназначенные для оценки характеристики шума, градуируются гармоническими сигналами. В отличие от гармонического измерительного сигнала, речевой сигнал, а также искусственные помехи, являются нестационарными.

Использование шумового сигнала в октавных полосах не исключает влияния на результаты измерений нестационарных искусственных помех окружающего пространства. Информативность канала утечки информации необходимо оценивать по единому критерию.

Таким критерием является порог минимальной разборчивости речи. В этой связи измерительным сигналом должен использоваться гармонический сигнал, который легко выделять из шумов. Обоснованный выбор элементов системы информационной автоматизированной (СИА) исключает влияние на результаты измерений факторов (реверберация, резонансные явления в помещении).

Основной формой автоматизации является разработка специального программного обеспечения, аппаратного анализа случайных процессов. При автоматизированном аппаратурном анализе случайных процессов разборчивость речи оценивается в шумах высокого уровня при слабом сигнале (т. е. при отношении сигнал/шум <<1) возникает погрешность аппаратурной аппроксимации.

Структурная схема акустической информационной системы приведена на рисунке 2.1 Акустические и вибрационные поля, ослабленные средой распространения, распространяются за пределы контролируемой зоны и могут быть перехвачены акустическим приемником. Те же поля одновременно могут воздействовать на электрические цепи и из-за параметрической модуляции наводят информационные токи (напряжения), образуя, таким образом, электроакустический канал утечки. Кроме того, поля, воздействуя на ВЧ-генераторы сложной системы, параметрически модулируют ВЧ-колебания, которые образуют электромагнитные ВЧ-поля.

Рисунок 2.1 – Структурная схема акустической информационной системы

Предметом теории разборчивости речи является раздел теории информации, представленный в форме научных знаний, дающий целостное представление о свойственных данному языку закономерностях истолкования речевых сообщений и существующих связей речевой информации при ее передаче с окружающей средой.

Исходные положения теории:

· основы корреляционной теории разборчивости речи для линейных и нелинейных каналов утечки речевой информации при слабых сигналах в шумах высокого уровня;

· способы и средства защиты речевой информации, включая локализацию сигнала в каналах утечки информации пассивными, активными и компенсационными методами;

· формирование маскирующих шумов для защиты речевой информации и оперативной оценки качества шума, метод снижения информативности демаскирующих признаков речи, метод диагностирования каналов утечки информации в речевом диапазоне частот;

· теоретическое обоснование и практическая реализация совокупности научных положений и рекомендаций по созданию автоматизированной измерительной системы разборчивости речи и оценку ее погрешности; обоснование нормативного информационного показа теля разборчивости речи для количественной оценки степени защищенности речи с учетом особенностей различных каналов утечки информации.

Принцип защиты информации заключается в снижении разборчивости речи в канале утечки информации ослаблением уровня излучаемого сигнала, увеличении затухания среды распространения, увеличении уровня маскирующих шумов, скрытности функционирования информационной системы. Для речевых сигналов критерием защищенности следует считать установленную величину разборчивости речи на выходе канала утечки информации. Факторами, учитываемыми при анализе защищенности акустических речевых сигналов, следует считать неравномерность спектральной плотности речевого сигнала, предельную бинауральную чувствительность уха в диапазоне речевого сигнала, затухание в элементах ограждающих конструкций, спектральную плотность фонового акустического шума, исключая искусственные акустические шумы и реверберационные помехи.

Кроме того, разборчивость речи определяется отношением сигнал/шум и шириной полосы речевого сигнала. Причем отношение сигнал/шум определяется на нескольких несовпадающих частотах для того, чтобы максимально учесть факторы, влияющие на величину разборчивости речи. Сужение полосы речевого сигнала снижает разборчивость речи. Качество передачи речи определяется величиной ее разборчивости. Корреляционный метод разборчивости речи учитывает:

· сужение полосы пропускания речевого сигнала;

· шумы высокого уровня и слабый сигнал;

· характеристики помещений;

· неравномерности спектральной плотности речевого сигнала в диапазоне частот; чувствительность слуха в речевом диапазоне частот;

· затухание в диапазоне частот речевого сигнала элементами конструкции помещений; спектральную плотность шума и наличия искусственных составляющих шума.

Помещения искажают звуковые волны. Акустическое поле определяется свойствами источника звука, геометрическими размерами помещений и их пропорциями, отражательными способностями элементов конструкции и фокусирующими способностями помещения. Многократные переотражения звуковых волн от элементов конструкции образуют сложное поле колебательного движения воздуха, которое затухает. Послезвучание, наблюдаемое в закрытых помещениях после выключения источника звука и обусловленное приходом в данную точку запоздавших или отраженных, или рассеянных звуковых волн, называют реверберацией. В акустике принято измерять время реверберации как время с момента выключении источника до момента, когда уровень плотности звуковой энергии уменьшается на 60 дБ.