Разработка лабораторной установки по исследованию каналов утечки речевой информации

Ряд элементов в приемном и передающем комплексе могут быть общими при их последовательном применении в процессе проведения соответствующих измерений.

1.7.2 Акустоэлектрический канал

Данный канал образуется за счет наличия в технических средствах акустоэлектрических преобразований. Если линии связи от технических средств выходят за пределы контролируемого пространства (доступ к ним не ограничен), то в этом случае данный канал может являться каналом утечки речевой информации.

Оценка защищенности данного канала сводится к определению уровня наведенного сигнала в техническом средстве за счет акустоэлектрических преобразований в последнем.

Структура измерений параметров акустоэлектрического канала аналогична рассмотренной в разделе 1.7.1 с той лишь разницей, что исследуемым элементом может являться устройство обладающее акустоэлектрическими преобразованиями. В приемном комплексе в качестве устройства регистрирующего уровень наведенного сигнала служит селективный микровольтметр или анализатор спектра.

2. РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

2.1 Цель лабораторных исследований акустических каналов утечки речевой информации

Целью лабораторных исследований является исследование частотных свойств элементов возможных каналов утечки речевой информации (стены, двери, воздуховоды, окна, помещения, в котором циркулирует конфиденциальная информация, устройства, обладающие акустоэлектрическими преобразованиями) 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.

2.2 Основные требования, предъявляемые к лабораторной установке

При построении функциональной схемы лабораторной установки по исследованию акустических, вибрационных и акустоэлектрических каналов утечки речевой информации возникают проблемы следующего характера:

Для возбуждения исследуемого элемента канала встает вопрос о развитии акустического поля с уровнем звукового давления до 120 дБА в месте расположения элемента, что создает определенный дискомфорт при проведении лабораторных работ. В качестве способа позволяющего решить данную проблему предлагается использовать звукопоглощающую негабаритную конструкцию (камеру). Внутри камеры устанавливается требуемое звуковое давление с помощью акустической системы. На выходе камеры ставим исследуемые образцы, имитирующие ограждающие конструкции и инженерные коммуникации, которые представляют собой каналы утечки информации.

При исследовании акустоэлектрических каналов утечки информации помимо развития поля с требуемым высоким уровнем звукового давления возникает проблема уменьшения больших внешних наводок, создаваемых электромагнитными полями, от работающих в зоне расположения исследуемых образцов технических средств, на фоне которых становится проблематично выловить наведенный на исследуемые образцы сигнал. Эту проблему можно решить с помощью экранированной камеры, позволяющей понизить уровень внешних помех, а также использованием заземления измерительных приборов.

Таким образом, можно сделать вывод о необходимости создания экранированной звукопоглощающей камеры, являющейся основой лабораторной установки для проведения комплекса лабораторных работ связанных с исследованием воздушных, вибрационных и акустоэлектрических каналов утечки речевой информации.

Для создания тестового сигнала, представляющего собой акустический шумовой сигнал с нормальным распределением плотности вероятности мгновенных значений в пределах каждой октавной полосы частот (175…5600 Гц), с уровнем звукового давления 90-110 дБ необходимо разработать датчик акустического поля, включающий в себя генератор шума, октавный эквалайзер, усилитель мощности звуковой частоты. Для более точного исследования каналов утечки информации рекомендуется проводить анализ в полосе частот (175…10000 Гц), с уровнем звукового давления 120 дБА.

В качестве исследуемых устройств акустоэлектрических каналов могут использоваться телефонные аппараты, электродинамические громкоговорители и другие технические средства, обладающие "микрофонным эффектом". Как правило их линии связи являются симметричными, что также необходимо учитывать при постановке экспериментов. В силу того, что большинство измерительных приборов имеет несимметричные входы, встает вопрос о создании согласующего усилителя с симметричным входом и несимметричным выходом, через который будут подключаться к измерительным приборам исследуемые устройства.

При проведении экспериментальных исследований необходим контроль уровня звукового давления, развиваемого в месте расположения исследуемого элемента. Решение этой задачи может быть осуществлено установкой в месте предполагаемого расположения исследуемого элемента высокочувствительного измерительного микрофона.

На основании вышесказанного схема лабораторной установки должна содержать набор стандартной (выпускаемой промышленностью) и нестандартной аппаратуры:

К стандартной аппаратуре относятся:

- генератор звуковой частоты типа Г4-103 или подобный генератор с аналогичными характеристиками;

- импульсный шумомер 00014 с набором октавных фильтров;

- селективный микровольтметр типа В6-9 или селективный усилитель У2-8, используемый для определения величины звукового давления внутри камеры и для измерения величины наведенного сигнала на исследуемое устройство. В качестве такого прибора может использоваться селективный нановольтметр Unipan 233, или ряд аналогичных устройств;

- генератор шума низкочастотный, или любой другой (нестандартный) с аналогичными характеристиками (например магнитофон, с записями испытательных шумов);

- акустическая система с мощностью не менее 10 Вт;

- измерительный микрофон электродинамического принципа действия любого типа;

- вибропреобразователь (акселерометр).

К нестандартной аппаратуре, которую необходимо изготовить относится:

- датчик акустического поля;

- экранированная звукопоглощающая камера;

- согласующий усилитель.

Функциональная схема лабораторной установки по исследованию воздушных и вибрационных каналов утечки речевой информации, на основании вышеизложенного, имеет вид представленный на рис.2.1.

Положение ключей:

- К1 в положении 1, К2 в положении 1, К3 в положении 2 - реализуется тональный метод исследования акустического канала утечки информации;

- К1 в положении 1, К2 в положении 2, К3 в положении 2 - реализуется тональный метод исследования вибрационного канала утечки информации;

- К1 в положении 2, К2 в положении 1, К3 в положении 2 - реализуется шумовой метод исследования акустического канала утечки информации;

- К1 в положении 2, К2 в положении 2, К3 в положении 2 - реализуется шумовой метод исследования вибрационного канала утечки информации;

- К1 в положении 1, К2 в положении 1, К3 в положении 1 - реализуется калибровка микрофона 1 при тональном методе исследования каналов утечки информации;

- К1 в положении 2, К2 в положении 1, К3 в положении 2 - реализуется калибровка микрофона 1 при шумовом методе исследования акустического канала утечки информации;

Функциональная схема лабораторной установки по исследованию акустоэлектрических каналов утечки информации приведена на рис. 2.2

Положение ключей:

- К1 в положении 1, К2 в положении 1 - реализуется тональный метод исследования акустоэлектрического канала утечки информации;

- К1 в положении 2, К2 в положении 1 - реализуется шумовой метод исследования акустоэлектрического канала утечки информации;

- К1 в положении 1, К2 в положении 2, подключается измерительный микрофон 2 - реализуется калибровка микрофона 1 при тональном методе исследования каналов утечки информации;

- К1 в положении 2, К2 в положении 2, подключается измерительный микрофон 2 - реализуется калибровка микрофона 1 при шумовом методе исследования каналов утечки информации;

Рис. 2.1. Функциональная схема лабораторной установки по исследованию воздушных и вибрационных каналов утечки информации

Рис. 2.2.. Функциональная схема лабораторной установки по исследованию акустоэлектрических каналов утечки информации

3. РАЗРАБОТКА НЕСТАНДАРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

3.1 Определение электрических и акустических параметров экранированной звукопоглощающей камеры

К основным параметрам экранированной звукопоглощающей относятся степень поглощения звуковых колебаний и экранирующая способность в отношении влияния на исследуемые образцы внешних электромагнитных полей.

В качестве камеры принята металлическая камера с габаритами 90014001300 мм

В соответствии с техническим заданием она должна удовлетворять следующим условиям:

- подавление электрических и магнитных полей 20-40 дБ;

- подавление звукового давления 20-40 дБ;

- максимальные габариты камеры 150015001500 мм

В качестве звукопоглощающего материала принят поролон. Выбор остановим в его пользу в силу незначительной стоимости данного вида звукопоглотителя, распространенности и доступности в продаже. Конечно, можно использовать и другие звукопоглощающие материалы с более высокой степенью поглощения, но во-первых нам не требуется такая качественная звукоизоляция для выполнения санитарных норм в лаборатории, а во-вторых стоимость качественных звукопоглотителей на порядок выше стоимости поролона. При правильной установке поглотителя внутри камеры можно добиться общего уровня звукоизоляции, удовлетворяющего техническому заданию.

Для расчета эффективности экранирования камерой электрических и магнитных полей воспользуемся ориентировочными формулами (3.1) и (3.2) [6]:

, (3.1)

, (3.2)

где ЭЭ и Эм - эффективность экранирования для электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля;

ЭПЛ - эффективность экранирования полупространства от падающей плоской волны бесконечным экраном;

- 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 200200 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.

Страницы: 1, 2, 3