Краткие теоритические сведения

Часть 1. Теоритические сведения

Цели и учебные вопросы

Цели лабораторной работы:

1) ознакомление с технологией проведения инструментальных измерений и проведения расчетов по определению величин опасного сигнала вибрационного канала утечки речевой конфиденциальной информации;

2) получение практических навыков:

- по работе с измерительными приборами: генератором среднегеометрических частот октавных полос речевого сигнала, селективный нановольтметр UNIPAN-237, преобразователем пьезоэлектрическим виброизмерительным ДН-3-М1, акустическими излучателями, шумомер;

- по проведению расчетов и анализу результатов полученных измерений величин опасного сигнала;

- по работе с нормативными документами, справочными материалами и проведению анализа полученных в работе результатов.

Учебные вопросы:

1) исследование условий образования вибрационных каналов утечки речевой конфиденциальной информации за пределы защищаемого помещения (контролируемой зоны);

2) определение величины опасного сигнала в вибрационных каналах утечки речевой конфиденциальной информации;

3) анализ величин опасного сигнала относительно критерия защищенности ЗП от утечки речевой конфиденциальной информации по вибрационному каналу.

Учебная группа: студенты 3 курса – 0,5 учебной группы (12-15 человек).

Время: 4 учебных часа.

Место: Лаборатория «Технические средства обеспечения безопасности»

Учебное и материальное обеспечение:

А) Используемые технические средства:

· активный акустический излучатель;

· селективный нановольтметр UNIPAN-237;

· преобразователь пьезоэлектрический виброизмерительный ДН-3-М1

· персональный компьютер;

· шумомер.

Краткие теоритические сведения

Структурные волны.Одним из широко используемых способов несанкционированного получения акустической (речевой) конфиденциальной информации из защищаемого помещения является съем информации с внешних сторон (Рис.1.) несущих конструкций защищаемого помещения (стены, пол, потолок, окна, инженерно-технические сооружения и т.п.). Такое получение информации возможно в случае несоответствия величин виброизоляции элементов несущей конструкции ЗП в октавной полосе требованиям нормативных документов ФСТЭК России.

Рис. 2.1. Образование технического канала утечки конфиденциальной речевой информации по вибрационному каналу

Под структурным (вибрационным) звуком понимают механические колебания в твердом теле с f = 16 Гц ÷ 20 кГц; механические колебания стен, перекрытий, трубопроводов и т.п. передаются на значительные расстояния, почти не затухая, и хорошо перехватываются приемными устройствами типа стетоскоп. Структурные (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).

Вибрацию характеризуют амплитудами смещения, скорости или ускорения колеблющегося объекта исследования. Применяются и логарифмические шкалы. При измерениях колебательной скорости используют уровни скорости:

L_v=20 lg (v_rms/v₀) [дБ],

где v_rms – среднеквадратичное значение скорости колеблющегося объекта, v₀=5*10^-8 м/с (это значение соответствуют эффективному значению колебательной скорости в плоской волне в воздухе с эффективным значением звукового давления р ₀ = 2*10^-5 Па, соответствующим порогу слышимости).

Уровень вибрационного ускорения определяется формулой:

L_а=20 lg (а_rms/а₀),

где а_rms – среднеквадратичное значение ускорения, а₀=3,14*10^-4 м/с². Аналогичным образом определяется и уровень вибрационного смещения:

L_у=20 lg (у_rms/у₀),

где у_rms – среднеквадратичное значение смещения, у₀=8*10^-12 м. Значения а₀ и у₀ соответствуют ускорению и смещению на частоте 1000 Гц при значении колебательной скорости v₀=5*10^-8 м/с.

Между уровнями L_v, L_а и L_у существуют соотношения:

L_у= L_v + 60 – 20*lgf;

L_a= L_v – 60 + 20*lgf,

где f – частота в Гц.

В некоторых случаях в качестве v₀ используют значение v₀=10^-8 м/с, а в качестве а₀ – ускорение свободного падения.

Степень проникновения акустической энергии информатив­ного сигнала из воздушной среды в несущие конструкции зави­сит от отношений акустических сопротивлений этих сред:

N = p₁C₁/p₂C₂ ,

где p₁ и p₂ - плотность строительного материала несущей конструкции и воздуха, соответственно; и - скорость звука в материале несущей конструкции и воздуха.

Примечание: В воздухе при нормальных условиях (температура окружающей среды 20°С и атмосферное давление 760 мм pт.cт.) скорость звука составляет 331.46 м/с. В твёрдых телах скорость звука составляет 2000—6000 м/с.

Это положение имеет 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.

Опасность вибрационного канала утечки речевой информации состоит в большой и непредсказуемой дальности распространения звуковых волн, преобразованных в структурные по элементам инженерных коммуникаций с возможностью перехвата их с помощью специальных технических средств. Экспериментальные исследования показали возможность перехвата речевой информации с высоким качеством в зданиях из железобетона через один-два этажа, по трубопроводам – через два-три этажа.

Так, например, под воздействием звукового сигнала с уровнем 70 dB кирпичная стена толщиной 0, 5 метра совершает вибрационные колебания с ускорением 3x10^-5g. При использовании современных средств измерения виброколебаний подобный сигнал может быть реально прослушан.

Учитывая, что пространственная ориентация строительных и инженерно-технических конструкций здания является многомерной, соответственно различают утечку речевой информации:

· в одномерной плоскости, например, по трубам отопления и вентиляционным коробам, в пределах этажа здания;

· в двухмерной плоскости, например, по стеновым перекрытиям смежных помещения и этажей;

· в трехмерном пространстве, например, по инженерным коммуникациям и строительным конструкциям, распределенных по всему объему здания.

Опасность данного канала утечки речевой информации заключается в том, что, несмотря на затухание преобразованного сигнала и наличие внешних помех, подобное неконтролируемое распространение структурных колебаний по зданию создает реальные предпосылки к подслушиванию информации техническими средствами из близлежащих помещений.

Для оценки акустической защищенности защищаемого помещения (ЗП) могут быть использованы:

- метод оценки защищенности от утечки речевой конфиденциальной информации по величине коэффициентов звукоизоляции его ограждающих конструкций ЗП в октавной полосе;

- метод оценки защищенности от утечки речевой конфиденциальной информации по величине словесной разборчивости -W.

По первому методы необходимо определить коэффициент виброизоляции ограждающих конструкций, который рассчитывается по формуле:

G_i = V_c1i – V_c2i ,дБ,

где, V_c1i – уровень тестового вибрационного сигнала в ЗП, измеряется в дБ; V_c2i – уровень тестового вибрационного сигнала в контрольной точке.

V_c2i = V_(c+ш)i – V_шi,дБ.

При включенном акустическом источнике измеряется уровень суммарного вибрационного сигнала и шума V_(c+ш)i в точке контроля, а при выключенном АИ – уровень вибрационного шума V_шi.

при ,

где: D - поправка к расчетному значению уровня тестового вибрационного сигнала в контрольной точке, определяемая из таблицы 2.1.

Таблица 2.1

Таблица значений величины D

	³ 10	6 ¸10	4 ¸ 6				0,5
D

Так как в данном методе необходимо провести расчёты по пяти октавным полосам, а возможно и больше (125 Гц, 250 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 2000 Гц, 4000 Гц, 8000 Гц), а так же необходим второй пьезоэлектрический вибропреобразователь ДН-3-М, то метод оценки защищенности от утечки речевой конфиденциальной информации по величине коэффициентов звукоизоляции его ограждающих конструкций ЗП в октавной полосе использоваться не будет.

Поэтому в этой лабораторной работе используется метод оценки защищенности от утечки речевой конфиденциальной информации по величине словесной разборчивости - W.

Так как важнейшая функция нашего органа слуха состоит в обеспечении общения с помощью речи, и получения при этом максимальной информативности, существует понятие «разборчивость речи». Применительно к случаю защиты информации должна обеспечиваться требуемая «разборчивость речи» для ведущих переговоры в ЗП и минимальная «разборчивость речи» для мест откуда может проводиться перехват этих переговоров.

Основные характеристики речевого сигнала.Основу речи составляют звуки, которые, распространяясь в упругих средах, например, воздухе, или твердых материалах строительных и инженерно-технических конструкциях здания, переносят информацию, воспринимаемую органами слуха и техническими средствами приема акустических сигналов, на расстояния [1,2].

Звуки составляют основу речи, которая служит главным средством общения между людьми. Частотный диапазон речи приведен в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Звуковые колебания характеризуются следующими параметрами: звуковым давлением, интенсивностью звука, громкостью, мощностью звука.

Энергетической характеристикой звуковых колебаний является интенсивность звука, которая зависит от амплитуды звукового давления, а также от свойств среды распространения и формы волны. Одной из характеристик любой произвольной точки звукового поля является звуковое давление, вызываемое переменной составляющей звуковой волны.

Звуковое давление – это переменная часть давления, возникающего при прохождении звуковой волны в среде распространения. Эта сила, воздействующая на единицу площади, измеряется в паскалях (Па). Звуковое давление в воздухе изменяется от 10^-5 Па вблизи порога слышимости до 10³Па при самых громких звуках (шум реактивного самолета). При средней громкости разговора переменная составляющая звукового давления равняется примерно 0,1Па.

Иногда для характеристики звука применяется уровень звукового давления, выраженный в децибелах (дБ), как отношение величины данного звукового давления Р к пороговому значению звукового давления, равного

Р₀ = 2 * 10^-5 Па,

Р_дБ = 20 lg(P_Па/P₀), дБ (1)

В таблице 2.3 приведены ориентировочные значения уровня громкости некоторых звуков

Таблица 2.3

Ориентировочные значения уровня громкости некоторых звуков и типовой интегральный уровень очень громкой речи

Речевой тракт человека представляет собой сложный акустический фильтр с рядом резонансных полостей, создаваемых артикуляционными органами речи, поэтому выходной сигнал, т.е. произносимая речь, имеет спектр с огибающей сложной волнообразной формы, показанной на рис.2.2.

Максимумы концентрации энергии в спектре звука речи называются формантами.

Рис. 2.2. Формантное распределение энергии звукового сигнала.

Объективные измерительные и расчетные оценки разборчивости речи проводятся с помощью вычисления разборчивости формант. Доказано, что восприятие человеком формант обладает свойством аддитивности, т.е. каждый участок речевого диапазона вносит свой вклад в общую разборчивость речи. Формантная разборчивость (А) равна:

где q - вклад i -ой полосы частот в разборчивость; p - коэффициент восприятия форманта, который зависит от отношения сигнал/помеха в i-ой полосе (S/N); k - число полос речевого диапазона.

Деление речевого диапазона на 20 полос вносящих в разборчивость одинаковые вклады на практике неудобно, т.к. получающиеся частотные полосы нестандартны. В акустических измерениях используют октавные и третьоктавные частотные полосы. Для октавного анализа вклады частот русской речи равны следующим значениям приведенным в таблице 2.2,

Формантную разборчивость для русской речи в этом случае можно определить из следующего соотношения:

А_ф=0,05(1,34W₁+2,5W₂+4,24W₃+5,88W₄+5W₅+1,04W₆).

Где: W₁-W₆ – коэффициенты разборчивости на средних октавных частотах (таблица 2.2).

Суммарная разборчивость зависит от качественного приема каждой частотной полосы.

Минимальная формантная разборчивость А_ф, при которой еще возможно понимание смысла речевого сообщения (суммарная вероятность приема формант) равна 15%. Существует определенная связь между формантной, слоговой, словесной и фразовой разборчивостью.

При проведении данной лабораторной работы студенту необходимо научиться определять понятность и разборчивость речевого сигнала при преобразовании последнего из воздушного в структурный и определять на основе полученных результатов степень опасности утечки речевой информации из защищаемого помещения.

Возможная дальность распространения речевого сигнала связана с «мощностью» его источника, например тихая речь, громкая речь, со средним уровнем громкости, речь, усиленная техническими средствами.

Понятность и разборчивость речи как критерий защищенности. Понятность речи – основная характеристика, определяющая пригодность канала как для передачи, так и для перехвата речи. Непосредственное определение этой характеристики может быть осуществлено статистическим методом с привлечением диктора и определенного числа слушателей. Разработан также косвенный метод количественного определения понятности через ее разборчивость.

Разборчивость – это отношение числа правильно принятых элементов речи (слогов, слов, фраз) к общему числу переданных по каналу элементов (слогов, звуков, слов, фраз и т.п.). Так как в качестве элементов речи применяют звуки, слоги, слова и фразы соответственно различают звуковую, слоговую, словесную, фразовую, смысловую и формантную разборчивость. Между ними существует статистическая взаимосвязь (таблица 2.4 и рис.2.3).

Рис. 2.3.а. Зависимость разборчивости слогов от разборчивости формант

Рис. 2.3.б. Зависимость разборчивости слогов от разборчивости

Разборчивость речи тесно связана с качественной характеристикой «понятность речи» (табл. 2.3).

Разборчивость измеряют при помощи специальной тренированной бригады слушателей путем проведения объективно – статистических экспертиз.

Зависимость между разборчивостью и понятностью речи, приведенная в таблице 2.4., справедлива при приеме самой разнообразной информации

Таблица 2.4

По формантной разборчивости Аф определяют слоговую S, словесную W, фразовую разборчивость и понятность речи (Таблица 2.4 и рис. 2.3.а,б,).

Понятность речи является фонетической характеристикой разборчивости и определяется в процессе обычных телефонных переговоров для натренированных абонентов.

Градации понятности:

- отличная (о) – понятность полная, без переспросов;

- хорошая (х) – возникает необходимость в отдельных переспросах редко встречающихся слов или названий;

- удовлетворительная (у) – трудно разговаривать, необходимы переспросы;

- предельно допустимая (пд) – требуются многократные переспросы одного и того же материала с передачей отдельных слов по буквам при полном напряжении слуха;

Определить требования к величине W необходимой для выбранной степени защиты акустической информации возможно также из методов оценки качества, понимаемости, разборчивости и узнаваемости.

Так в соответствии с ГОСТ Р 50840–95 понимание передаваемой по каналам связи речи с большим напряжением внимания, переспросами и повторениями наблюдается при слоговой разборчивости 0.25–0.40, в случае слоговой разборчивости менее 0.25 имеет место неразборчивость связного текста (срыв связи). Учитывая взаимосвязь словесной и слоговой разборчивости, можно рассчитать, что срыв связи будет наблюдаться при словесной разборчивости менее 0.71.

Задача оценки канала утечки речевой информации как раз и сводится к измерению (например, методом артикуляции) или вычислению разборчивости речи и сравнению значения с требуемым

В качестве используемых элементов речи могут выступать слога и слова, определяющие соответственно слоговую и словесную разборчивость. При этом, понятность речи напрямую зависит от количественных критериев словесной разборчивости (W).

Экспериментальные работы показали, что:

- при словесной разборчивости менее 0.60-0.70 невозможно получение полного представления о содержании разговора;

- при словесной разборчивости менее 0.40-0.60 невозможно получение обобщенного представления о содержании разговора

- при словесной разборчивости менее 0.20-0.40 затруднено установление темы ведущегося разговора;

- при словесной разборчивости менее 0.10-0.20 теряется смысловая составляющая речевого сигнала.

В реальных условиях в месте приема измеренного звукового сигнала всегда присутствуют внешние шумы, ухудшающие качество принятого сигнала.

Таким образом, разборчивость речи можно определить как функцию двух переменных: измеренного полезного (L2_сигн.) и шумового сигнала (L_шум).

W = f (L2_сигн., L_шум)

Исходя из изложенного выше, для создания условий, неблагоприятных для приема акустических сигналов в целях обеспечения конфиденциальности речевой информации (например, в выделенных помещениях), необходимо применение организационно-технических, либо конструктивных решений, позволяющих уменьшить уровень принятого полезного звукового сигнала или увеличить уровень акустического шума.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: