Исследования генератора акустического и виброакустического шума с перенастраиваемой огибающей спектра


Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ





                И.Л. РЕВА





ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕНЕРАТОРА АКУСТИЧЕСКОГО И ВИБРО АКУСТИЧЕСКОГО ШУМА С ПЕРЕНАСТРАИВАЕМОЙ ОГИБАЮЩЕЙ СПЕКТРА



Учебно-методическое пособие








НОВОСИБИРСК
2012

УДК 621.373:534(075.8) Р32



Рецензенты:
канд. техн. наук, доцент В.Е. Хиценксг, д-р техн. наук, профессор Ю.А. Пасынков



Работа подготовлена на кафедре защиты информации и утверждена Редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия




      Рева И.Л.
Р 32 Исследования генератора акустического и виброакустическо-го шума с перенастраиваемой огибающей спектра : учеб.-метод. пособие / И.Л. Рева. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012. - 26 с.

         ISBN 978-5-7782-1880-2

         Учебно-методическое пособие включает в себя теоретическую часть и три лабораторных работы. Предназначено для студентов IV и V курсов специальностей 090104 «Комплексная безопасность объектов информатизации» и 090105 «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем».










УДК 621.373:534(075.8)


ISBN 978-5-7782-1880-2

©РеваИ.Л.,2012

                     © Новосибирский государственный технический университет, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ



Введение........................................................ 4

1. Цель практикума............................................
2. Краткие сведения из теории ................................
   2.1. Общие положения.......................................
   2.2. Акустические и виброакустические каналы утечки информации.
Методы и средства защиты................................
3. Состав учебно-лабораторного стенда.........................
4. Содержание и порядок выполнения лабораторных работ.........
   4.1. Экспериментально-ознакомительная работа...............
   4.2. Экспериментально-расчетная оценка эффективности шумов.
   4.3. Формирование помехи «речевой хор».....................
5. Контрольные вопросы........................................
6. Требования к содержанию отчета.............................
7. Список рекомендуемой литературы............................
8. Приложение ................................................

5
5
5

6
15
16
16
17
22
22
23
24
25

ВВЕДЕНИЕ


   Настоящее учебно-методическое пособие предназначено для студентов направления «Информационная безопасность» при изучении дисциплин «Технические методы и средства защиты информации», «Инженерно-техническая защита информации», а также может быть полезно при переподготовке специалистов в области защиты информации.
   Даны краткие теоретические сведения, состав учебно-лабораторного стенда позволяет ознакомиться с техническими средствами защиты помещений и определить эффективность применяемых средств защиты. В качестве примера приведен конкретный состав стенда НГТУ.

            1. ЦЕЛЬ ПРАКТИКУМА


   1.1.  Изучение принципов построения и особенностей практического применения систем защиты речевой информации от утечки по акустическим и виброакустическим каналам на примере генератора шума NGVS-1 (Noise generator with variable spectrum - генератор шума с изменяемым спектром).
   1.2.  Экспериментально-расчетная оценка эффективности разного вида шумов с одинаковыми интегральными уровнями.


            2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ*


2.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

   Ухо человека обладает свойствами частотного анализатора, дискретным восприятием по частотному и динамическому диапазонам (аналоговый звуковой сигнал превращается в последовательность электрических импульсов двоичного типа). Все эти операции осуществляются во внутреннем ухе, в так называемой улитке. В улитке находится основная (базилярная) мембрана, состоящая из большого числа волокон, слабо связанных между собой. Вдоль основной мембраны расположены нервные окончания, каждое из которых (а их свыше 20 000) возбуждается от прикосновения к ним волокон основной мембраны, посылая в слуховой центр мозга электрические импульсы. Там эти импульсы подвер



    * Ввиду ограничения объема пособия материал дается в тезисном изложении. Более подробные сведения изложены в [1-7].

5

гаются сложному анализу, в результате которого человек определяет передаваемое сообщение [1].



2.2. АКУСТИЧЕСКИЕ И ВИБРОАКУСТИЧЕСКИЕ КАНАЛЫ УТЕЧКИ ИНФОРМАЦИИ. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ

   •    Технический канал утечки информации - совокупность источника информации, физической среды распространения и приемника информации - технического средства разведки.
   Применительно к речевой информации в защищаемом помещении источником информации становится, как правило, человек; средой распространения - воздух, элементы инженерных конструкций - стены, потолки, стекла, воздуховоды и т.п. Технические средства разведки в рассматриваемом случае - это, прежде всего, стетоскопы, воспринимающие структурные акустические волны, мокрофоносодержащие устройства (диктофоны, радио- и проводные закладки, «мобильники» и т.п.), лазерные и ИК- микрофоны [2].
   •    Методы и средства защиты речевой информации от утечки по акустическому и виброакустическому каналам основаны на уменьшении отношения «сигнал/шум» (Lсₜ /Lₘ/). При этом различают пассивные и активные методы.
   Пассивные методы направлены на уменьшение уровня информативного сигнала Lс за счет улучшения звуке- и виброизоляции инженерных конструкций и установки фильтрующих устройств в проводных коммуникациях.
   Активные методы основаны на увеличении уровня шума L.,. по отношению к естественному (фоновому) и реализуются с помощью технических средств, основу которых составляют различные генераторы шума.
   Технические средства защиты можно подразделить на две группы: средства защиты помещений и средства защиты речевой информации.
   К первой группе относится аппаратура постановки помехи на границе защищаемого помещения («вдоль» ограждающих конструкций) -это генераторы акустического и виброакустического шума. Ко второй группе - аппаратура акустического зашумления, располагающаяся в непосредственной близости от места нахождения участников переговоров [2].


6

   Для второй группы вероятность утечки речевой информации за счет средств технического разведки, содержащих микрофоны, близка к нулю, но возникает проблема обеспечения комфортности переговоров, поскольку участники находятся под непосредственным воздействием акустического шума.
   •    Помехи. Акустические помехи по происхождению могут быть естественными и искусственными. Естественные помехи - природного происхождения: шумы океанов, морей, дождя, ветра и т.п. Искусственные помехи создаются устройствами, излучающими энергию акустических колебаний. В зависимости от источника образования эти помехи бывают непреднамеренными, вызываемыми источниками искусственного происхождения (работающие машины, шум транспорта, разговоры в помещении и т.п.), и преднамеренными, создаваемыми специально для исключения возможного перехвата информации и нарушения функционирования акустических технических средств разведки (TCP). Непреднамеренные помехи создаются источниками как естественного, так и искусственного происхождения и не предназначены для нарушения функционирования акустических TCP. Однако при проведении защитных мероприятий их необходимо учитывать в общей сумме помех.
   Преднамеренные искусственные помехи, создаваемые специальным средствами акустической разведки, по характеру их воздействия можно подразделить на маскирующие и имитирующие помехи.
   Маскирующие помехи увеличивают количество принятых сигналов, снижающих информативность сообщения, создающих фон, при котором затрудняются или полностью исключаются обнаружение, распознавание, выделение информативных сигналов.
   Имитирующие (дезинформирующие) помехи - сигналы, создаваемые техническими средствами помех для внесения ложной информации в акустические TCP. По структуре они близки к защищаемым и поэтому создают в оконечном устройстве TCP сигналы, подобные реальным (информативным), снижают пропускную способность системы, вводят в заблуждение операторов, перехватывающих акустическую информацию, приводят к потере части информативных сигналов [3].
   По принципу взаимодействия с защищаемым информативным сигналом различают аддитивные и мультипликативные помехи.
   Аддитивная помеха - помеха, представляемая не зависящим от сигнала случайным слагаемым, которое складывается с сигналом.

7

   Мультипликативная помеха - помеха, представляемая не зависящим от сигнала случайным множителем, влияющим на уровень сигнала и его спектральную структуру.
   По временной структуре излучения помехи подразделяют на непрерывные и импульсные. Непрерывные помехи (акустические и электромагнитные) представляют собой непрерывные излучения, модулированные по амплитуде, частоте или фазе. Импульсные помехи имеют вид модулированных импульсов.
   В зависимости от используемого соотношения ширины спектров помех и информативных сигналов маскирующие помехи подразделяются на заградительные, прицельные и прицельно-заградительные. Заградительные помехи имеют ширину спектра частот, значительно превышающую полосу, занимаемую информативным сигналом. Это дает возможность гарантированно подавлять несколько источников информативного сигнала без предварительного определения их несущих частот (например, побочных электромагнитных излучений ПЭВМ).
   Прицельные помехи имеют ширину спектра, соизмеряемую (обычно превышающую в 1,5...2 раза) спектр информативного сигнала. Такие помехи характеризуются высокой спектральной плотностью мощности. Они излучаются в относительно узкой полосе частот и могут быть реализованы маломощными передатчиками. Подобные системы используются, например, для подавления сигналов радиозакладных устройств.
   Одним из способов формирования заградительных помех является использование скользящих по частоте помех, образуемых при быстрой перестройке передатчика узкополосных помех в широкой полосе частот (прицельно-заградительных). При наличии схем защиты эффективность таких помех может оказаться ниже, чем заградительных. Направленность излучений подобных активных устройств защиты зависит от среды воздействия: акустической воздушной (направленность акустических излучателей), акустической структурной (радиус действия вибраторов на определенных видах несущих конструкций), электромагнитной (в проводных системах - гарантированными расстояниями зашумления, воздушных - направленностью устройств подавления). В зависимости от интенсивности воздействия на акустические и электромагнитные TCP помехи описательно могут быть подразделены на слабые (по уровню не превышающие рабочие сигналы), средние (по уровню соизмеримые с рабочими сигналами) и силь

8

ные (по уровню значительно превышающие рабочие сигналы). Однако в настоящее время степень воздействия помех и соответственно защиты информации определяется методиками защиты информации, учитывающими как мощность, так и вид используемой помехи [4].
   В последнее время в системах акустической и виброакустической маскировки используются шумовые, речеподобные и комбинированные помехи. Наиболее широко используются;
   •     «белый» шум - шум с постоянной спектральной плотностью в речевом диапазоне частот;
   •     «розовый» шум - шум со спадом спектральной плотности на 3 дБ на октаву в сторону высоких частот;
   •     «коричневый» шум со спадом 6 дБ спектральной плотности на октаву в сторону высоких частот;
   •     шумовая «речеподобная» помеха - шум с огибающей амплитудного спектра, подобной речевому сигналу. Характерным представителем помех, формируемых из речевых фрагментов, является помеха типа «речевой хор». Такая помеха формируется посредством смешения фрагментов речи нескольких человек (дикторов), отрезков речевых сигналов. При этом в качестве подобного сигнала возможно использовать сам скрываемый сигнал с помощью синтезатора речеподобных помех [5].
   Комбинированные помехи формируются смешением различного вида помех, например помех типа «речевой хор» и «белый» шум, «речеподобных» помех и т.п. Поскольку при защите выделенного помещения рассматриваются также возможные каналы утечки информации через аппаратуру, установленную в них, активные способы защиты следует предусматривать как для воздушной и структурной волны, так и для преобразованного в электромагнитные колебания информативного сигнала. Используемые для этих целей помехи являются посторонними акустическими или электромагнитными колебаниями различного происхождения, мешающими приему полезного (информативного) сигнала и точному воспроизведению сообщений.
   Воздействуя на приемные устройства TCP, помехи искажают прослушиваемые техническими средствами разведки сигналы, затрудняют или исключают выделение полезной информации, снижают дальность действия таких средств разведки. На рис. 1 показаны спектральные характеристики наиболее распространенных помех [1].
   В практике часто приходится иметь дело с энергетическим спектром сигнала (шума). Под ним подразумевается огибающая квадратичных значений амплитуд частотных составляющих сигнала (для

9

Рис. 1. Спектральные уровни некоторых шумов:
1 - белого; 2 - розового; 3 -речевого. На графике показан суммарный для каждого типа шума

дискретных спектров) или плотности спектра квадрата амплитуд Л²(х) (для сплошных спектров). Последняя будет представлять собой спектральную плотность по интенсивности, т. е. спектральной плотностью называют интенсивность звука в полосе частот шириной в единицу частоты. В акустике эту полоску берут равной 1 Гц, ¹af
т. е. спектральная плотность I = -f^-, где IAf - интенсивность, измеренная

в узкой полоске частот Af. Измерения для этой цели проводят с по

мощью узкополосных фильтров (обычно третьоктавных). Единица спектральной плотности - [ватт/кв. метр на герц].
   Для удобства введена логарифмическая мера оценки плотности спектра аналогично оценке по уровню интенсивности. Эта мера называется уровнем спектральной плотности или спектральным уровнем.

Спектральный уровень В -101g

- 101g J +120, где Iо= 10⁻¹²Вт/м²,

т. е. то же условное (нормированное) значение, что и для оценки уров
ня интенсивности, поэтому размерность — выражается в единице на Iо
герц (Гц ¹). Очень часто для представления спектра вместо спектральной плотности пользуются интенсивностью или звуковым давлением, измеренными в октавной, полуоктавной или третьоктавной полосах частот, и соответственно определяют уровни в этих полосах. В этом слу
чае спектральный уровень В -101g

( г А -----1=201g
I (A/oKTI0))

(п
—
I Г¹ .

101g Af

(p₀ = 2-10⁵ Па), а уровень в октавной полосе Гокт

= 101g

= 201g

       1, где Af₀KT I P0 )

- ширина соответствующей октавной полосы.

Вычитая первое из второго, имеем Гокт - В = 101g Af,.

10

    Если известны спектральные или октавные уровни сигнала, то можно определить его суммарный уровень. Если спектр задан в форме уровней в октавных (третьоктавных или полуоктавных) полосах, то достаточно перевести эти уровни (в каждой из полос) в относительные интенсивности-^^ = 10⁰,¹ L°KT и затем просуммировать все эти интенсивности, а по
    IО
суммарной интенсивности для всего спектра найти суммарный уровень (г. А               (_ л..._ А               Л л, D
Lᵥ = 101g — I = 101g Е-----I либо Lᵥ = 101g J1О⁰,¹ Bdf. Его также
  -     Л10 )      Ч    ¹0 )                 f^     '
называют интегральным уровнем.
    Если спектр сигнала неравномерный, то суммарный (интегральный) уровень можно приближенно найти делением частотного диапазона на п полос Afₖ, в пределах каждой из которых спектральный уровень Вк примерно постоянен [1]:

Lₛ = 101g Е10⁰,¹ Bk Afk .
k=1


   В табл. 1 приведены спектральные и интегральные уровни для разного вида помех (сокращенно СУ и ИУ);


Таблица 1

№ п/п Границы октавы, Средняя частота, Ширина полосы, СУ белого шума, ИУ белого шума СУ розового шума, ИУ розового шума СУ речи, дБ ИУ речи 70,5 дБ СУ формантной ИУ формантной 
      Гц              Гц               дБ             дБ              70,5 дБ        дБ                70,5 Дб                                      помехи, дБ    помехи 70,5 дБ
1        90...180     125              19,5           30              49,5           42,5              62               34               53,5           21,5            41      
2        180...355    250              22,5           30              52,5           39,5              62               44               66,5           38,5            61      
3        355...710    500              25,5           30              55,5           36,5              62               41               66,5           39,5            65      
4       710...1400    1000             28,5           30              58,5           33,5              62               33               61,5           36,5            65      
5     1400...2800     2000             31,5           30              61,5           30,5              62               25               56,5           31,5            63      
6     2800...5600     4000             34,5           30              64,5           27,5              62               19               53,5           26,5            61      
7     5600. ..11200   8000             37,5           30              67,5           24,5              62               12               49,5           20,5            58      

11