СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ РАЗБОРЧИВОСТИ РЕЧИ НЕСКОЛЬКИХ ИСТОЧНИКОВ
METHOD FOR SIMULTANEOUS MEASUREMENT OF SPEECH INTELLIGIBILITY OF SEVERAL SOURCES

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения разборчивости речи и предназначено для оценки защиты объектов от несанкционированной утечки акустической речевой информации (АРИ) в реальных условиях.
Известен «Способ измерения разборчивости речи» по патенту РФ №2284585 от 27 сентября 2007 г., заключающийся в том, что в нем для повышения точности и достоверности разборчивости речи измерение проводится с объектной коррекцией тракта измерений для компенсации разницы между заданными и измеренными уровнями испытательных сигналов в месте их реального излучения[1].
Недостатком прототипа является то, что он не позволяет проводить распознавание речи с заявленным техническим результатом в реальной сигнальной и шумовой обстановке ввиду жесткой единовременной фиксации точек излучения и приема испытательных сигналов.
Известен инструментально-расчетный формантный способ для оценки разборчивости речи, основанный на результатах экспериментальных исследований, проведенных и опубликованных в 1962 году Н.Б. Покровским. Суть способа заключается в разложении речи на элементарные сигналы, учете потерь этих элементарных сигналов при их прохождении через тракт и нахождении относительного числа их, дошедшего без искажений до уха слушающего. Такими элементарными сигналами, формирующими звуки речи, могут считаться форманты. Оценивая формантную разборчивость речи, всю анализируемую область частот разбивают на 20 смежных полос, с центральными частотами и граничными частотами, в пределах каждой из которых спектры речи и шума, а также плотность вероятностей формант можно считать практически неизменными. Формантную разборчивость вычисляют как сумму разборчивостей формант в каждой из полос. Для оценки разборчивости речи необходимо измерить уровни скрываемого речевого сигнала и шума (помехи) в месте возможного размещения акустических приемников или в месте возможного прослушивания речи без применения технических средств. При этом считается, что распознавание речевой информации возможно, если рассчитанное по результатам измерения значение словесной разборчивости речи превышает установленные нормы[2].
Принципиально трудноразрешимой задачей для формантного подхода является оценка разборчивости речи в условиях малых соотношениях сигнал/шум. Частично эту проблему удается преодолеть с помощью тестовых сигналов повышенного уровня. Однако на следующем этапе - при пересчете соотношений сигнал/шум в показатель разборчивости речи, проблема низкой точности оценивания вновь возникает из-за малых абсолютных значений коэффициента восприятия.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявленному способу и принятому за прототип является «Способ измерения разборчивости речи» по патенту РФ №2620569 от 26.05.2017 г., заключающийся в том, что в нем для уменьшения времени и повышения точности вычисления уровня разборчивости речи применяют пространственно-распределенный преобразователь акустического сигнала (ПРП АС) на основе оптического волокна (ОВ) и используют в режиме реального времени схему измерения «точка-многоточка» (состоящей из одного источника акустических сигналов и множества приемников) [3].
Недостатком прототипа является то, что он не позволяет проводить одновременное распознавание речи нескольких источников с заявленным техническим результатом в реальной сигнальной и шумовой обстановке ввиду отсутствия реализации схемы измерения «многоточка-многоточка» (множество источников - множество приемников) в режиме реального времени.
Из уровня техники не выявлено решений, касающихся способов одновременного измерения разборчивости речи нескольких источников, характеризующихся заявленной совокупностью признаков, следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию патентоспособности - «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от аналогов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Задачей изобретения является разработка способа, обеспечивающего уменьшение времени и повышение точности одновременного измерения уровня разборчивости речи нескольких источников акустической речевой информации (АРИ) за счет применения пространственно-распределенного преобразователя акустического сигнала (ПРП АС) на основе оптического волокна (ОВ) в качестве K комбинаций микрофон-приемник, что позволяет реализовать схему измерения «многоточка-многоточка» в режиме реального времени.
k
а
Технический результат достигается тем, что в известном способе измерения разборчивости речи, заключающемся в том, что прокладывают по заданным точкам выделенного помещения пространственно-распределенный преобразователь акустического сигнала, представленный оптическим волокном, программно разбивают его на K измерительных участков и задают K точек измерения, каждая из которых выступает отдельным приемником акустических сигналов, подключают пространственно-распределенный преобразователь акустического сигнала к измерительному модулю, расположенному в месте несанкционированного съема информации, излучают оптическим излучателем измерительного модуля тестовый импульсный сигнал, по максимальному времени возврата отраженного тестового импульсного сигнала определяют длину L пространственно-распределенного преобразователя акустического сигнала, в соответствии с которой вычисляют период Т посылки измерительных импульсных сигналов таким образом, чтобы каждый последующий измерительный импульсный сигнал излучался после приема отраженного сигнала предыдущего измерительного импульсного сигнала, излучают измерительные импульсные сигналы с периодом Т, приемником измерительного модуля принимают акустически модулированную последовательность отраженных измерительных импульсных сигналов от различных заданных K точек выделенного помещения, идентифицируемых временем возврата отраженных измерительных импульсных сигналов t, демодулируют акустическую составляющую принятых отраженных измерительных импульсных сигналов от различных K точек выделенного помещения, измеряют уровень естественного шума в отсутствии акустических испытательных сигналов в различных K точках выделенного помещения в слышимом спектре речи Δƒ, дополнительно в выделенном помещении размещают М источников акустических испытательных сигналов заданной мощности, последовательно каждым из М источников акустических испытательных сигналов излучают N частот испытательных акустических сигналов заданного уровня, причем частоты излучения распределены по средним частотам N полос, на которые разделен слышимый спектр речи, принимают и измеряют уровень акустического сигнала с шумом на каждой частоте акустических испытательных сигналов в различных K точках выделенного помещения, вычисляют соотношение сигнал/шум в различных K точках выделенного помещения, строят вариационный ряд значений соотношений сигнал/шум, выбирают старший член вариационного ряда для выделения характера изменения индивидуальных особенностей источника акустических испытательных сигналов, выделяют и запоминают характер изменения индивидуальных особенностей источника акустических испытательных сигналов, одновременно излучают М источниками акустических испытательных сигналов на N частотах акустические сигналы, принимают и измеряют уровень акустических сигналов с шумом на каждой частоте акустических сигналов в различных K точках выделенного помещения, вычисляют соотношение сигнал/шум в различных K точках выделенного помещения, по индивидуальным признакам строят вариационный ряд значений соотношений сигнал/шум для каждого из М источников акустических испытательных сигналов, по старшему члену вариационного ряда каждого из М источников акустических испытательных сигналов вычисляют уровень разборчивости речи.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается уменьшение времени и повышение точности одновременного измерения уровня разборчивости речи нескольких источников за счет применения пространственно-распределенного преобразователя акустического сигнала и реализации схемы измерения «многоточка-многоточка» в режиме реального времени. В качестве ПРП АС используется ОВ, которое заменяет любое необходимое количество точечных комбинаций микрофон-приемник в различных точках выделенного помещения (ВП) любой формы.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг. 1 - Структурная схема устройства, реализующего предложенный способ и механизм воздействия акустического сигнала на ОВ, где:
1 - измерительный модуль;
2 - оптический излучатель;
3 - оптический делитель мощности;
4 - приемник оптического сигнала;
5 - устройство анализа и управления измерительного модуля;
6 - демодулятор;
7 - пространственно-распределенный преобразователь акустического сигнала (ПРП АС) на основе оптического волокна (ОВ) в выделенном помещении (ВП);
8 - примеси в оптическом волокне;
9 - модуляция оптического сигнала внешним воздействием (звуковой волной);
10 - источник акустических испытательных сигналов (АИС);
11 - измерительное оптическое излучение;
12 - отраженный от примесей оптического волокна акустически модулированный оптический сигнал;
фиг. 2 - Расположение источников АИС и заданных оптимальных точек приема акустического сигнала в ВП, где:
13 - участок оптического волокна за пределами выделенного помещения;
14 - точки измерения (акустические датчики) вдоль пространственно-распределенного преобразователя акустического сигнала на основе оптического волокна;
фиг. 3 - Корректировка оптимальных точек приема акустического сигнала вдоль проложенного ОВ по результатам измерений, где:
15 - коррекция точек измерения вдоль пространственно-распределенного преобразователя акустического сигнала на основе оптического волокна.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
Применение ПРП АС на основе ОВ 7, использующего акустооптический эффект, для распознавания речи за границами ВП через штатные волоконно-оптические инфотелекоммуникации различного назначения, расположенных в них, является следствием появления и развития волоконно-оптических технологий.
Источники АИС 10 воздействуют на ПРП АС на основе ОВ 7 штатных волоконно-оптических систем передач ВП и вызывают модуляцию оптического сигнала 9 акустическими частотами [4]. Модулированный акустической составляющей внешнего воздействия отраженный оптический сигнал 12 выходит за пределы ВП и принимается подключенным по ОВ 13 измерительным модулем 1 с дальнейшей демодуляцией акустической составляющей и измерением разборчивости речи известными методами, основанными на методах, изложенных в [2].
Измерительный модуль 1 состоит (см. фиг. 1) из оптического излучателя 2, оптического делителя мощности 3, обеспечивающего введение отраженного оптического сигнала в тракт приема измерительного модуля, преемника оптического сигнала 4 и устройства анализа и управления 5 измерительного модуля 1, имеющего в своем составе демодулятор 6, обеспечивающий демодуляцию акустической составляющей (Δfa) преобразованного приемником оптического сигнала 4 акустически модулированного оптического отраженного сигнала 12, при этом устройство анализа и управления 5 последовательно соединено с оптическим излучателем 2, выход которого соединен с входом оптического делителя мощности 3, выход которого соединен со входом приемника оптического сигнала 4, соединенного с демодулятором 6.
k
Принцип действия измерительного модуля 1 с ПРП АС на основе ОВ реализован на принципе действия оптического рефлектометра: в тестируемый ПРП АС на основе ОВ 7 оптическим излучающим элементом 2 вводится мощное измерительное оптическое излучение 11 (импульс) и анализируются характеристики рассеянного на примесях 8, распределенных по всей длине ПРП АС на основе ОВ 7, отраженного назад оптического излучения 12. За счет чувствительности приемной части измерительного модуля 4 к фазовой (амплитудной, частотной, поляризационной) модуляции (например, при использовании интерферометра Маха-Цендера [5]) в ПРП АС на основе ОВ возможно как измерение акустических воздействий по всей тестируемой длине волокна, так и локализация измерения на любом его участке за счет разного времени возврата отраженных от примесей оптических сигналов t (фиг. 1). Изменение акустического давления на коротких участках ПРП АС на основе ОВ 7 определяется по разности рефлектограмм во времени и анализируются либо компьютером с помощью специального программного обеспечения, либо оператором визуально и на слух. Таким образом, ПРП АС на основе ОВ используется как система K распределенных точек измерения (акустических датчиков) 14.
Заявленный способ может применяться в ВП любой формы, при этом источники АИС 10 также могут занимать в нем любое место. Для этого внутри ВП задают точки измерения 14, через которые прокладывают ПРП АС на основе ОВ 7. В дальнейшем, по результатам измерений, положение этих точек может корректироваться вдоль расположенного ПРП АС на основе ОВ 15. Также возможно использовать штатные волоконно-оптические инфотелекоммуникации ВП. В этом случае используют любые, определенные по результатам измерений, оптимальные точки приема акустического сигнала вдоль имеющихся ОВ. Измерительный модуль (ИМ) 1 подключают к ОВ за границей ВП 13.
Далее проводят одновременное измерение разборчивости речи нескольких источников, для чего:
max
1) излучают оптическим излучателем 2 измерительного модуля 1 тестовый импульсный сигнал для определения по максимальному времени возврата отраженного тестового импульсного сигнала t, длины L ПРП АС на основе ОВ.
ОВ
max
Например: при периметре ВП равном 70 метров (Р=70 м) и длине L пространственно-распределенного преобразователя акустического сигнала, равной этому периметру (L=Р), максимальное время возврата отраженного тестового импульсного сигнала, при принятой скорости света в кварцевом ОВ (соответствующего рекомендации МСЭ-Т G.652.D) с=204000 км/с, будет равно 686 наносекунд (t=686 нс). При этом, по теореме Котельникова, для гарантированного восстановления акустического сигнала в диапазоне частот от 20 Гц до 8 кГц необходимо получать отсчеты с периодом 125 мкс;
2) в соответствии с длиной L пространственно-распределенного преобразователя акустического сигнала на основе ОВ вычисляют период Т посылки измерительных импульсных сигналов таким образом, чтобы каждый последующий измерительный импульсный сигнал излучался после приема отраженного сигнала предыдущего измерительного импульсного сигнала;
3) определяют участок ПРП АС, который непосредственно находится внутри ВП. Для этого любым из М источников АИС 10, находящихся в ВП, излучают установленный акустический сигнал и по характеру его воздействия на ОВ определяют участок контролируемого ОВ, находящегося в границах ВП.
ВП
Поскольку волоконно-оптические телекоммуникации, находящиеся внутри контролируемого ВП объекта, как правило, проложены не только внутри ВП, но и через другие помещения объекта, то необходимо определить участок L ПРП АС, который непосредственно находится внутри ВП. Данное действие необходимо для снижения нагрузки на измерительное устройство, что уменьшит время оценки разборчивости речи источников АИС, а также снижения мощности измерительных оптических импульсных сигналов, что обеспечит уменьшение влияния нелинейных эффектов внутри ОВ на рассеянные на примесях волокна отраженные оптические сигналы [6];
ВП
4) программно разбивают участок L ПРП АС на основе ОВ 7 на K измерительных участков и задают K точек 14 измерения каждая из которых выступает отдельным приемником акустических сигналов.
Данное действие обеспечивает «многоточку» с приемной стороны, что обеспечивает в дальнейшем выбор оптимальной, в отношении соотношения сигнал/шум, пары источник/приемник для каждого из М источников АИС 10;
а
5) измеряют уровень естественного шума в отсутствии акустических испытательных сигналов в различных K точках 14 в слышимом спектре речи Δƒ.
Для этого:
k
- оптическим излучателем 2 измерительного модуля 1 в отсутствии источников АИС 10 излучают измерительные импульсные сигналы с периодом Т, а приемником 4 измерительного модуля 1 принимают акустически модулированную последовательность отраженных измерительных импульсных сигналов от различных заданных K точек 14 ВП, идентифицируемых временем возврата акустически модулированных отраженных измерительных импульсных сигналов f;
- демодулируют акустическую составляющую принятых акустически модулированных фоновым шумом отраженных на примесях 8 измерительных импульсных сигналов от различных К точек 14 ВП в отсутствии источников АИС 10;
- измеряют в отсутствии источников АИС 10 уровень естественного шума в различных K точках 14 ВП;
6) размещают М источников АИС 10 в ВП и последовательно, каждым из М источников АИС 10:
а
- излучают N частот заданного уровня, причем частоты излучения распределены по средним частотам N полос, на которые разделен слышимый спектр речи Δƒ;
- принимают и измеряют уровень акустического сигнала с шумом на каждой частоте от каждого из М источников АИС 10 в различных K точках 14 ВП;
- вычисляют соотношение сигнал/шум в различных K точках 14 ВП;
- строят вариационный ряд значений соотношений сигнал/шум;
- выбирают старший член вариационного ряда для выделения характера изменения индивидуальных особенностей источника АИС 10;
- выделяют и запоминают характер изменения индивидуальных особенностей источника АИС 10.
Выходные данные по 5 пункту позволят, при одновременном излучении М источниками АИС, выделять любой из источников на фоне других, принимая их демодулированные сигналы за шум. На практике данные об индивидуальных акустических особенностях источников акустической речевой информации, определяющихся неравномерностью их амплитудно-частотной характеристики и спектральной плотностью речи [2], получают из любого доступного источника (аудио записи, телефонные переговоры, корпоративные базы данных и т.д.).
7) одновременно излучают М источниками АИС 10 на N частотах акустические сигналы;
8) принимают и измеряют уровень акустических сигналов с шумом на каждой частоте акустического испытательного сигнала в различных K точках 14 ВП.
На этом этапе реализуется схема измерения «многоточка-многоточка» в режиме реального времени, что отличает заявленный способ от любого известного.
9) вычисляют соотношение сигнал/шум в различных K точках 14 ВП;
10) по индивидуальным признакам строят вариационный ряд значений соотношений сигнал/шум для каждого из М источников АИС 10;
11) по старшему члену вариационного ряда каждого из М источников АИС 10 вычисляют их уровень разборчивости речи известным способом [7].
Одновременное измерение акустической обстановки ВП в K точках при наличии нескольких источников АИС соответствует схеме измерения, состоящей из множества передатчиков и множества приемников - «многоточка-многоточка», в отличие от современных способов измерения, которые одновременно с одним преобразователем акустического сигнала работают по схемам «точка-точка» (один источник - один приемник) [7], «точка-многоточка» (один источник - множество приемников) [3]. «Многоточка» с измерительной стороны позволяет существенно снизить время вычисления и измерения уровня разборчивости речи за счет отсутствия необходимости физического изменения положения приемника для получения наилучшего соотношения сигнал/шум. Кроме того K распределенных по ВП комбинаций микрофон-приемник позволяет, для каждого из хаотически расположенных в помещении М источников АИС, вычислить в реальном режиме времени оптимальную точку приема с лучшим соотношением сигнал/шум, что реализует схему измерения «многоточка-многоточка» и обеспечивает повышение точности вычисления уровня разборчивости речи.
Таким образом, за счет применения пространственно-распределенного преобразователя акустического сигнала и реализации схемы измерения «многоточка-многоточка» достигается выполнение технического результата.
Источники информации:
1. RU, патент №2284585 С1, МПК G10L 15/00, H04R 29/00, 2007, Бюл. №27.
2. Покровский Н.Б. Расчет и измерение разборчивости речи. Москва: Связьиздат, 1962 г.
3. RU, патент №2620569 С1, МПК G10L 15/00, H04R 29/00, 2017 Бюл. №15.
4. Гринев А.Ю., Наумов К.П., Пресленев Л.Н., Тигин Д.В. Оптические устройства в радиотехнике: Учеб. пособие для вузов / Под ред. В.Н. Ушакова. Изд. 2-е, испр. и доп. - М.: Радиотехника, 2009, стр. 86-152.
5. Быков В.П. Лазерная электродинамика. Элементарные и когерентные процессы при взаимодействии лазерного излучения с веществом. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006, стр. 50-77.
6. Цуканов В.Н., Яковлев М.Я. Волоконно-оптическая техника. Практическое руководство. - М.: Инфра-Инженерия, 2014. - 304 с.
7. Рева И.Л. Сравнительный анализ объективных методов оценки разборчивости речи. Сборник научных трудов НГТУ - 2010. №1(59). - 91-102.