Основные характеристики речевого сигнала

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

В таблице 2.1. приведены характеристики звуковых поддиапазонов, составляющих звуковой частотный диапазон человеческой речи.

Звуковые колебания характеризуются следующими параметрами:

· звуковым давлением;

· интенсивностью звука;

· громкостью звука;

· мощностью звука.

Таблица 2.1

Основные характеристики частотного диапазона речи

Номер полосы	Частотные границы полосы fн…..fв Гц	Среднегеометрическая частота полосы fi, Гц	Весовой коэффициент полосы, ki
	90…175		0,01
	175…355		0,03
	355…710		0,12
	710…1400		0,20
	1400…2800		0,30
	2800…5600		0,26
	5600…11200		0,07

Примечание. Весовой коэффициент определяет вклад полосы в разборчивость речевого сигнала.

Энергетической характеристикой звуковых колебаний является интенсивность звука, которая зависит от амплитуды звукового давления, 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. Оно представляет собой силу, воздействующую на единицу площади, измеряется в паскалях (Па).

Звуковое давление в воздухе изменяется от 10^-5Па вблизи порога слышимости до 10³Па при самых громких звуках, например шум реактивного самолета. При средней громкости разговора переменная составляющая звукового давления составляет 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, (6)

Р_дБ = 20 lg(P_Па/P₀), дБ.

В таблице 2.2 приведены ориентировочные значения уровня громкости некоторых характерных звуков

Таблица 2.2

Ориентировочные значения уровня громкости различных звуков

Звук	Уровень громкости, дБ
Тиканье часов Шепот на расстоянии 1м Тихий разговор Речь средней громкости Громкая речь Крик Шум самолетного мотора: - на расстоянии 5м - на расстоянии 3м

 

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.

Максимумы концентрации энергии в спектре звука речи называются формантами.

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:

, (7)

где: q - вклад i-ой полосы частот в разборчивость,

p - коэффициент восприятия форманты, 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.

 

 

Рис.2. Формантное распределение энергии звукового сигнала

 

Для октавного анализа используются вклады различных частотных полос русской речи, которые приведены в таблице 2.1.

Формантную разборчивость русской речи в этом случае можно определить на основе этих данных из следующего соотношения:

А_ф=0,05(1,34W₁+2,5W₂+4,24W₃+5,88W₄+5W₅+1,04W₆), (8)

где: W₁ … W₆ – коэффициенты разборчивости на средних октавных частотах.

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 (рис. 2.3 и 2.4).

Рис.2.3. Зависимость разборчивости слогов от разборчивости формант

Рис.2.4. Зависимость понятности от разборчивости слогов

 

Разборчивость речи тесно связана с качественной характеристикой «понятность речи». Количественное соотношение понятности и разборчивости речи показано в табл.2.3.

При проведении данной лабораторной работы студенту необходимо научиться определять понятность и разборчивость речевого сигнала при преобразовании его из воздушного в структурный, а также определять на основе полученных результатов степень опасности утечки речевой информации из защищаемого помещения и необходимый уровень активной защиты.

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

 

Понятность и разборчивость речи как критерии 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 элементов речи (слогов, звуков, слов, фраз и т.п.), переданных по каналу связи. Так как в качестве элементов речи применяют звуки, слоги, слова и фразы, соответственно различают звуковую, слоговую, словесную, фразовую, смысловую и формантную разборчивость.

Таблица 2.3

Соотношение понятности и разборчивости речи

Понятность	Разборчивость %
Аф	S	W	I
Предельно допустимая	15÷22	25÷40	75÷87	91÷96
Удовлетворительная	22÷31	40÷50	87÷93	96÷98
Хорошая	31÷50	50÷80	93÷98	98÷99
Отличная	> 50	> 80	>98	>99

 

Между понятностью и разборчивостью речи существует статистическая взаимосвязь, показанная в таблице 2.3 и на рис.2.3 и 2.4. Разборчивость измеряют при помощи специальной тренированной бригады слушателей путем проведения объективно - статистических экспертиз.

Приведенные в таблице 2.3 соотношения между разборчивостью и понятностью речи справедливы при приеме разнообразной информации.

По формантной разборчивости А_ф определяют слоговую S, словесную W, фразовую разборчивость и понятность речи.

Понятность речи является фонетической характеристикой разборчивости и определяется в процессе обычных телефонных переговоров для нетренированных 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, можно также используя методы оценки качества, понимаемости, разборчивости и узнаваемости речи.

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 25–40%. Значение слоговой разборчивости менее 25% свидетельствует о неразборчивости связного текста (срыве связи). Учитывая взаимосвязь словесной и слоговой разборчивости, можно рассчитать, что срыв связи будет наблюдаться при словесной разборчивости менее 71%.

Оценка канала утечки речевой информации как раз и сводится к измерению, например, методом артикуляции или вычислению разборчивости речи и сравнению полученного значения с требуемым.

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

Эксперименты показали, что при словесной разборчивости:

- менее 60-70% невозможно получение полного представления о содержании разговора;

- менее 40-60% невозможно получение обобщенного представления о содержании разговора;

- менее 20-40% затруднено установление темы ведущегося разговора;

- менее 10-20% теряется смысловая составляющая речевого сигнала.

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

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

Математически подобное требование можно выразить следующим образом:

(Р_{сигнала} /Р_шума) < (Р_{сигнала} /Р_шума)_пред. , (9)

где: Р_{сигнала} - мощность информативного речевого сигнала в месте возможного перехвата;

Р_шума - мощность маскирующего шумового сигнала в месте возможного перехвата;

(Р_{сигнала} /Р_шума) _пред – предельно допустимое соотношение уровня акустического речевого сигнала к уровню маскирующего шумового сигнала.

Использование активных методов в настоящей лабораторной работе предполагает создание в потенциально уязвимых инженерно - технических и строительных конструкциях защищаемого помещения шумовой маскирующей помехи.

Учитывая, что условие 9 должно выполняться во всем частотном спектре, с учетом формантного распределения речевого сигнала, для создания маскирующей помехи применяют максимально некоррелированные шумовые сигналы.