Разработка лабораторной установки по исследованию каналов утечки речевой информации

l - длина волны;

R – эквивалентный радиус экрана;

,                                            (3.3)

где a, b, c – линейные размеры экрана.

Таким образом, получаем:

.                               (3.4)

.                                      (3.5)

В качестве экранирующего материала возьмем сталь толщиной 0,5 мм для которого ЭПЛ = 150 дБ на частоте 10 кГц.

Рассчитаем эффективность экранирования:

.                      (3.6)

.                       (3.7)

Как видим, камера с такими линейными размерами, выполненная из данного материала пригодна для экранирования внешних электромагнитных полей.

Реальное затухание звукового давления и электромагнитных волн оценим практическим способом.

Конструкция и размеры камеры приведены в приложении 1

3.2 Разработка структурной и функциональной схемы акустического излучателя

При разработке структурной схемы датчика акустического поля требуется выполнить следующие условия технического задания:

·  развиваемое звуковое давление на расстоянии 1 м от излучателя не менее 120 дБ (20 Па).

·  тип генерируемых колебаний:

-  шум с распределением мгновенных значений по нормальному закону с независимой регулировкой уровня в октавных полосах на средне - геометрических частотах 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц; диапазон регулировки ±20 дБ.

-  гармонические колебания с частотами fср.г. ±15%, где fср.г.=250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. С независимой регулировкой уровней по частотам в диапазоне ±20 дБ.

Как следует из задания, в качестве первичного источника акустических сигналов необходимо разработать генератор шума с нормальным распределением мгновенных значений, возможно в качестве генератора шума использовать внешние источники: кассетный магнитофон с записью шума, стандартные источники шума. В случае с гармоническими колебаниями воспользуемся обычным генератором низкой частоты (Г3-102, Г3-112, и др.).

Для независимой регулировки уровня в октавных полосах на средне - геометрических частотах 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц встает вопрос о разработке октавного эквалайзера.

Наконец, для того чтобы развить требуемое звуковое давление, нужно первичный сигнал усилить с помощью усилителя мощности звуковой частоты.

На выходе акустического излучателя стоит акустическая система, которая создает требуемое звуковое давление.

Таким образом, можно выделить структуру акустического излучателя, состоящую из четырех основных блоков:

-  источник первичного сигнала;

-  октавный эквалайзер;

-  усилитель мощности звуковой частоты;

-  акустическая система.

Структурная схема акустического излучателя изображена на рис. 3.1

Рис. 3.1. Структурная схема акустического излучателя.

Разработку функциональной схемы датчика акустического поля начнем с выбора акустической системы. Она должна удовлетворять следующим условиям:

-  диапазон воспроизводимых частот 100 Гц-10000 Гц;

-  развиваемое звуковое давление 20 Па;

-  экранированный точечный излучатель;

Из ряда диффузорных электродинамических громкоговорителей выбираем громкоговоритель 10ГД-36, со следующими основными параметрами:

-  диапазон воспроизводимых частот 63 Гц-20000 Гц;

-  паспортная мощность 15 Вт;

-  номинальное электрическое сопротивление 4 Ом;

-  развиваемое стандартное звуковое давление 0,2 Па;

-  габариты 200´200 мм.

Под точечным понимается излучатель, линейные размеры которого не превышают 10% размеров исследуемой преграды. Данный громкоговоритель удовлетворяет этому условию. Для экранирования электрических и магнитных полей создаваемых магнитной системой громкоговорителя закроем диффузор заземленной мелкоячеистой металлической сеткой.

Звуковое давление PЗВ (Па), развиваемое громкоговорителем, жестко связано с подаваемой на него электрической мощностью W (Вт) (мощность, рассеиваемая на сопротивлении, равном по величине номинальному электрическому сопротивлению громкоговорителя, при напряжении, равном напряжению на зажимах громкоговорителя) и средним стандартным звуковым давлением PСТ (Па) (среднее звуковое давление, развиваемое громкоговорителем в номинальном диапазоне частот на рабочей оси на расстоянии 1 м от рабочего центра при подведении к нему напряжения, соответствующего электрической мощности равной 0,1 Вт) соотношением (3.8).

.                                       (3.8)

Таким образом, чтобы получить звуковое давление 20 Па необходимо к громкоговорителю подвести электрическую мощность:

.            (3.9)

Естественно, что приведенные числа являются ориентировочными, так как обусловлены определенными уровнями шума, его спектральными характеристиками, а также заданным стандартным звуковым давлением громкоговорителя. Однако они позволяют выдвинуть максимальные требования к характеристикам усилителя мощности.

Отсюда следует, что необходимо разработать усилитель с выходной мощностью не менее 10 Вт и коэффициентом усиления не менее 50 дБ. Значительный запас мощности, которым обладает усилитель, позволяет получить большой динамический диапазон громкости, что улучшает стабильность работы при номинальной мощности и обеспечивает незначительные нелинейные искажения. Максимальная выходная мощность, которая может быть передана в нагрузку, определяется максимальными значениями напряжения, действующего на выходе усилителя, и тока, протекающего через усилитель при заданной нагрузке.

Для регулировки уровня входного напряжения подаваемого на вход усилителя нужно использовать регулятор громкости.

Для независимой регулировки уровня в октавных полосах на средне - геометрических частотах 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц встает вопрос о разработке октавного эквалайзера, представляющего собой набор полосовых фильтров с регулировкой уровня на выходе, с последующим суммированием всех полос.

В качестве датчика шума возможно использование как внутреннего, так и внешнего источника. Внешними источниками могут являться стандартный генератор шума, магнитофонная запись с шумом и ряд других устройств.

Для простоты работы и минимизации стандартной аппаратуры необходимо разработать внутренний (встроенный) генератор шума.

При использовании внутреннего генератора шума необходимо, усилить выходной сигнал с генератора, для обеспечения нормальной работы октавного эквалайзера и достижения нужного коэффициента усиления.

Учитывая сказанное выше, функциональная схема акустического излучателя имеет вид представленный на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Функциональная схема акустического излучателя.

3.3.Разработка принципиальной схемы акустического излучателя

3.3.1  Усилитель мощности с регулятором громкости

В настоящее время существует множество различных схем усилителей мощности звуковой частоты, как отечественного, так и зарубежного производства. При выборе схемного решения устройства будем придерживаться следующих критериев:

-  Коэффициент усиления не менее 50 дБ;

-  Выходная мощность не менее 10 Вт;

-  Сопротивление нагрузки 4 Ом;

-  Частотный диапазон от 100 Гц до 10 кГц;

-  Минимальное количество навесных элементов.

Выбор остановим на усилителе мощности низкой частоты, разработанный фирмой SGS THOMSON MICROELECTRONICS, со следующими основными показателями:

-  Коэффициент усиления 84 дБ;

-  Выходная мощность 15 Вт;

-  Сопротивление нагрузки 4 Ом;

-  Частотный диапазон от 30 Гц до 20 кГц;

-  Напряжение питания ±6В - ±18В.

Основным усилительным элементом выступает микросхема TDA 2030 (отечественный аналог - микросхема серии К174УН19). В качестве простейшего регулятора громкости может служить обычный переменный резистор, включенный по схеме делителя напряжения. Принципиальная схема усилителя мощности с регулятором громкости представлена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Принципиальная схема усилителя мощности низкой частоты с регулятором громкости.

3.3.2 Расчет октавного эквалайзера

Октавный эквалайзер представляет собой набор полосовых фильтров со срединными частотами 250 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 2000 Гц, 4000 Гц, 8000 Гц и соответствующими октавами 177 Гц – 354 Гц, 354 Гц – 707 Гц, 707 Гц – 1410 Гц, 1410 Гц – 2830 Гц, 2830 Гц – 5660 Гц, 5660 Гц – 11300 Гц, с последующей независимой регулировкой уровня напряжения сигнала. На выходе фильтров смесь сигналов суммируется с помощью буферного усилителя, представляющего собой операционный усилитель, включенный по стандартной схеме приведенной на рис 3.4.

Рис. 3.4. Схема включения операционного усилителя, работающего в режиме усиления.

В качестве устройства, реализующего необходимые характеристики, выберем полосовой фильтр со сложной отрицательной обратной связью, который отличается простотой реализации и удовлетворяет заданным требованиям.

Соответствующая схема фильтра приведена на рис. 3.5

Рис. 3.5. Схема полосового фильтра со сложной отрицательной связью

Примем С1 = С2 = С

Его передаточная функция имеет следующий вид:

.                (3.10)

Из сравнения этого выражения с передаточной функцией полосового фильтра в общем случае:

                                                                        (3.11)

гдеAr – коэффициент передачи на резонансной частоте;

Q – добротность.

следует, что коэффициент при p2 должен быть равен 1, отсюда находим резонансную частоту fр

.

.

.                                                         3.12)

Подставив это выражение для резонансной частоты в передаточную функцию (3.10), и приравняв соответствующие коэффициенты к коэффициентам выражения (3.11), получим остальные формулы для вычисления характеристик фильтра:

.

.                   (3.13)

.

.

.(3.14)

из которых видно, что коэффициент передачи, добротность и резонансная частота рассматриваемого полосового фильтра могут выбираться произвольно.

Выражение для полосы пропускания фильтра получим из формулы:

.(3.15)

Для нахождения параметров схемы R1, R2 и R3 зафиксируем с,B,fр и возьмем Аr =-1

 Þ .                                     (3.16)

 Þ  Þ .                         (3.17)

 Þ  Þ

Þ

.                                                      (3.18)

Для нахождения АЧХ фильтра подставим в выражение (3.10).  и возьмем его модуль.

.        (3.19)

 - АЧХ фильтра

По изложенной выше методике рассчитаем параметры схемы для всех шести полос и построим АЧХ фильтров. Расчет и построение проведем с помощью профессионального приложения Mathcad 7 Professional

Данные расчетов приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1.

Параметры схемы полосовых фильтров

АЧХ фильтров приведены на рис. 3.6.а и 3.6.б

а)

б)

Рис. 3.6. АЧХ полосовых фильтров

а) для fср=250 Гц, 500 Гц, 1000 Гц;

б) для fср=2000 Гц, 4000 Гц, 8000 Гц,

гдеН0(f) – АЧХ фильтра с fСР = 250 Гц;

Н1(f) – АЧХ фильтра с fСР = 500 Гц;

Н2(f) – АЧХ фильтра с fСР = 1000 Гц;

Н3(f) – АЧХ фильтра с fСР = 2000 Гц;

Н4(f) – АЧХ фильтра с fСР = 4000 Гц;

Н5(f) – АЧХ фильтра с fСР = 8000 Гц.

В качестве активного элемента выберем микросхему серии К157 УД2, которая представляет собой двухканальный операционный усилитель общего назначения, построенный по "стандартной" трехкаскадной схеме с защитой выхода от короткого замыкания. Типовая схема включения операционного усилителя приведена на рис. 3.7. Для обеспечения устойчивой работы ОУ в каждом каскаде необходимо подключить емкость коррекции С1, С2 величиной от 0 до 30 пФ.

Напряжение питания ОУ выбирается из диапазона питающих напряжений  ±3В - ±18В.

Рис. 3.7. Типовая схема включения операционного усилителя К157УД2

Нумерация и назначение выводов:

1, 14 – частотная коррекция 1 канала;

2 – неинвертирующий вход 1 канала;

3 – инвертирующий вход 1 канала;

4 – отрицательный источник питания;

5 – инвертирующий вход 2 канала;

6 – неинвертирующий вход 2 канала;

7, 8 – частотная коррекция 2 канала;

9 – выход 2 канала;

10, 12 – свободный вывод;

11 – положительный источник питания;

13 – выход 1 канала.

В качестве пассивных элементов выбираем резисторы типа МЛТ 0,125, СП3-04А, конденсаторы типа К10-17а.

3.3.2  Генератор шума с предусилителем

В качестве первичного источника шума в данном дипломном проекте выбран полупроводниковый стабилитрон Д814. Основным требованием к первичному источнику шума является стабильность характеристик последнего.

Хотя генераторы на стабилитронах обладают рядом недостатков по сравнению с другими источниками шума, при малых сопротивлениях нагрузки эти недостатки пропадают и на таких генераторах становится возможным создание довольно стабильных устройств.

В качестве предусилителя воспользуемся операционным усилителем К157 УД2 построенным по схеме усиления.

Принципиальная схема генератора шума с предусилителем представлена на рис. 3.8

Рис. 3.8. Принципиальная схема генератора шума с предусилителем

3.3.3  Согласующий усилитель

Согласующий усилитель – устройство, осуществляющее переход от симметричной линии к несимметричной. Он представляет из себя дифференциальный усилитель с симметричным входом и несимметричным выходом.

Данный усилитель должен быть малошумящим, чтобы его собственные шумы не превышали уровень наведенного сигнала Uс. Коэффициент усиления желательно иметь как можно больше, но усилитель не должен самовозбуждаться. Усиленный сигнал должен значительно превышать уровень собственных шумов усилителя. В данном лабораторном стенде коэффициент усиления согласующего усилителя равен 100.

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1  Методика проведения лабораторных работ по исследованию воздушных и вибрационных каналов утечки речевой информации

Целью лабораторных исследований является исследование частотных свойств элементов воздушных и вибрационных каналов утечки речевой информации (стены, двери, воздуховоды, окна, помещения, в котором циркулирует конфиденциальная информация) при различных значениях звукового давления, развиваемого падающей на исследуемый элемент волной акустического колебания. Определение степени защищенности исследуемых каналов по энергетическому критерию и критерию словесной разборчивости речи.

В процессе проведения этих работ студенты должны определить степень защищенности каналов и предложить необходимые меры по его защите, в случае неудовлетворительных результатов.

Исследования проводятся в соответствии со схемой представленной на рис. 2.1. и заключается в выполнении следующих этапов.

1.  Подготовительный этап.

Собрать схему в соответствии с рис 2.1;

Провести калибровку измерительных приборов: селективного микровольтметра В6-9 (СМ) (селективного усилителя У2-8);

Провести калибровку измерительного микрофона 1 (ИМ1) по схеме указанной в пункте 5.1.2;

С помощью генератора шума (ГШ) и ДАП сформировать низкочастотный отрезок "белого шума" в полосе частот 175¸10000 Гц. Для чего октавным эквалайзером (ОЭ) на ДАП установить уровень шума в октавах со среднегеометрическими частотами 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц в соответствии с выражением 4.1:

P = Pmin + n×3 дБА                                        ,(4.1)

где Рmin – давление в октаве с fср = 250 Гц;

n – порядковый номер октавы.

Измерения проводить с помощью шумомера 00014 (режим "EXT") и октавного фильтра 00016 (режим "FIL", настройка поочередно на 250 Гц, 500 Гц, 1 кГц, 2 кГц, 4 кГц, 8 кГц);

  Установить на выходе камеры исследуемую преграду;

  Подключить СМ к ИМ 1.

2.  Этап первичных измерений и обработки данных.

  Установить внутри камеры давление звукового поля с интегральным уровнем Ринт = Ринт min. Контроль осуществляется с помощью СМ и графика на рис. 5.4;

  Провести измерение уровня внешних шумов в месте установки исследуемой преграды Lшi в октавных полосах с fсрi = 250 Гц, 500 Гц, 1 кГц, 2 кГц, 4 кГц, 8 кГц с помощью измерительного микрофона 2 (ИМ 2), шумомера 00014 и октавного фильтра 00016;

  Установить внутри камеры давление звукового поля с интегральным уровнем Ринт = Ринт min + DL,. Контроль осуществляется с помощью СМ и графика на рис. 5.4;

  Провести измерение уровня смеси сигнал+шум в месте установки исследуемой преграды L(с+ш)i в октавных полосах с помощью шумомера 00014 и октавного фильтра 00016;

  Вычислить октавный уровень акустического сигнала по формуле 4.2;

.                      (4.2)

Вычислить отношение «уровень речевого сигнала / уровень акустического шума (помехи) qi в октавных полосах c fсрi по формуле (4.3);

.                         (4.3)

Вычислить формантный параметр DАi, на среднегеометрической частоте полосы, характеризующий энергетическую избыточность дискретной составляющей речевого сигнала в полосе, по формуле (1.11);

Вычислить весовой коэффициент полосы кi, характеризующий вероятность наличия формант речи в данной полосе, по формулам (1.12) и (1.13);

Спектральный индекс артикуляции (понимаемости) речи ri (информационной вес i-й спектральной полосы частотного диапазона речи), по формулам (1.14) и (1.15);

- Далее для общей частотной полосы спектра речевого сигнала рассчитываются интегральный индекс артикуляции речи R, по формуле (1.16);

Зависимость словесной разборчивости речи W от интегрального индекса артикуляции речи по формуле (1.17);

Последовательно устанавливая внутри камеры давление с интегральным уровнем Рn = Ринт min + n×DP, где DP = 10 дБ, n = 1, 2…, при этом для уровня Рn при котором октавный уровень L(с+ш) £ Lш берется добавка DL, т.е. Рn = Ринт min + n×DP + DL, для уровня Рn при котором октавный уровень L(с+ш) £ Lш, Рn = Ринт min + n×DP, для уровня Рn при котором октавный уровень L(с+ш) > Lш;

Для каждого значения Рn повторить пункты 2.4. – 2.11;

Построить зависимость W=W(Pn) и семейство кривых qi (f) при различных значениях Рn;

  Включить генератор шума "Эхо" непосредственно возле исследуемой преграды;

Установить с помощью регулировок на ГШ "Эхо" интегральный уровень шума Lшэ = Lш + 20дБА;

Повторить пункты 2.3. – 2.14;

Сравнить полученные результаты;

По полученным результатам сделать соответствующие выводы о степени защищенности воздушного канала утечки речевой информации, предложить меры защиты в случае неудовлетворительных результатов.

Методика проведения лабораторных работ по исследованию вибрационных каналов утечки речевой информации аналогична предыдущей с той лишь разницей что, в качестве устройства регистрирующего октавные уровни вибрационных сигнала и шума V(с+ш) и Vш применяется контактный вибропреобразователь (акселерометр), и вибрационный шум с ГШ "Эхо" создается с помощью вибратора (динамик без диффузора)

4.2   Методика проведения лабораторных работ по исследованию акустоэлектрических каналов утечки речевой информации

Целью лабораторных работ является исследование уровней наведенного сигнала в линии связи исследуемого устройства (телефонный аппарат, датчик пожарной сигнализации, система оповещения и т.д.) в зависимости от величины развиваемого на данное устройство звукового давления в диапазоне частот речевого сигнала.

Исследования проводятся в соответствии со схемой представленной на рис. 2.2. и заключается в выполнении следующих этапов.

1.Подготовительный этап.

1.1.  Собрать схему в соответствии с рис 2.2;

1.2.  Установить испытуемый образец внутрь камеры на виброизолирующую прокладку и подключить его к согласующему усилителю (СУ);

1.3.  Провести калибровку измерительных приборов: селективного микровольтметра В6-9 (СМ) (селективного усилителя У2-8);

1.4.  Провести калибровку измерительного микрофона 1 (ИМ1) по схеме указанной в пункте 5.1.3;

1.5.  С помощью генератора звуковой частоты (ГЗЧ) и датчика акустического поля (ДАП) на частоте f = 1кГц задать звуковое давление внутри камеры 110-120 дБА и сорентировать испытуемый образец относительно акустического излучателя в положении максимального показания стрелочного индикатора СМ;

1.6.  помощью генератора шума (ГШ) и ДАП сформировать низкочастотный отрезок "белого шума" в полосе частот 175¸10000 Гц. Для чего октавным эквалайзером (ОЭ) на ДАП установить уровень шума в октавах со среднегеометрическими частотами 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц в соответствии с выражением 4.4:

P = Pmin + n×3 дБА,                                       (4.4)

где Рmin – давление в октаве с fср = 250 Гц;

n – порядковый номер октавы.

Измерения проводить с помощью шумомера 00014 (режим "EXT") и октавного фильтра 00016 (режим "FIL", настройка поочередно на 250 Гц, 500 Гц, 1 кГц, 2 кГц, 4 кГц, 8 кГц);

1.7.Закрыть камеру.

2.Этап измерений.

2.1.Определение числа точек измерений.

2.1.1. Включить ГШ и ДАП с настройками "белого шума";

2.1.2. Перестраивая СМ в диапазоне в диапазоне частот 175¸10000 Гц найти "пики" уровней наведенного сигнала;

2.1.3. Определить частоту "пиков" fпi, для чего на вход СМ, не изменяя настроек, подключит ГЗЧ и регулировкой частоты добиться максимального показания стрелочного индикатора СМ. Частота ГЗЧ является искомой величиной;

2.1.4. Перестраивая, относительно найденной частоты пика, СМ найти минимумы значений уровня наведенного сигнала слева и справа от частоты пика;

2.1.5. Определить частоты минимумов наведенного сигнала fmнi и fmвi аналогично пункта 2.2.3

где fmнi – частота соответствующая минимальному значению ниже fп;

fmвi – частота соответствующая минимальному значению выше fп;

2.1.6. Находится частотная полоса выброса Dfi = fmвi – fmнi;

2.1.7. Из ряда значений Dfi выбирается наименьшее;

2.1.8. Определить число точек частотного анализа в соответствии с выражением (4.5):

,                                       (4.5)

где DF = 5600 – 175 Гц – полоса анализа.

2.1.9. Минимальное число точек анализа определяется количеством среднегеометрических значений октавных полос анализируемого спектра nmin = 5;

Данная процедура иллюстрируется графически на рис. 4.1

Рис. 4.1. Графическая иллюстрация нахождения числа точек измерения.

3.  Этап исследований.

3.1  Настроить СМ на частоту f1=250 Гц и измерить уровень шумов Uш.изм1 наводимый на исследуемое устройство с учетом коэффициента усиления СУ=100, т.е. провести нормировку Uш1=Uш.изм1/100;

3.2  Подключить ГЗЧ к ДАП и задать частоту f1=250 Гц;

3.3  С помощью СМ определить Pmin при котором фиксируется значение Uс+ш;

3.4  Изменяя давление Р = Рmin + n×DP,

где DP = 10 дБА;

n = 1, 2…N.

Р £ Рmin + nmax×DP = Pmax, проводится операция фиксирования U(с+ш)изм на данной частоте, с учетом нормировки U(с+ш)= U(с+ш)изм/100

3.5  Установить частоту на ГЗЧ fi= fi + n×Df;

3.6  Повторить пункты 3.1. – 3.4. для частот fi;

3.7  Вычислить значение уровня наведенного сигнала Uci по формуле (4.6) и построить семейство кривых Uc(f, Р).

                                    (4.6)

3.8  Полученные данные с учетом коэффициента усиления СУ сводятся в табл. 4.1

Таблица 4.1

Результаты экспериментальных данных

3.9  Для заданных нормированных значений Eн и Р0 определить степень защищенности канала по величине допустимого звукового давления в месте установки исследуемого образца Рдоп, исходя из следующих соображений;

3.10  Для значений величины акустического давления в месте установки исследуемого образца Рn находится коэффициент акустоэлектрических преобразований (КАЭП) по формуле (4.7)

.                                           (4.7)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8