Способ измерения разборчивости речи
METHOD OF MEASURING THE CONVERGENCE OF SPEECH

Изобретение относится к измерению разборчивости речи и предназначено для оценки защиты объектов от несанкционированной утечки акустической речевой информации (АРИ) в реальных условиях.
Известен способ измерения разборчивости речи по ГОСТ Р 50840-95 («Передача речи по трактам связи. Методы оценки качества, разборчивости и узнаваемости»), основанный на экспертном прослушивании в месте приема акустических сигналов, составленных из специальных слогов, слов и фраз, которые излучают в месте расположения источника АРИ, с последующей обработкой для определения разборчивости.
Основными недостатками данного способа являются: большие трудозатраты (измерения производятся группой операторов (дикторов и аудиторов), не имеющих явных дефектов речи и слуха, в возрасте от 18 до 30 лет, в составе которой должно быть не менее трех дикторов (двух мужчин и одной женщины) и трех аудиторов); большие временные затраты (время работы группы должно быть не более 4 часов в день; для оценки разборчивости речи требуется работа артикуляционной бригады в составе 3 человек в течение 10 дней, не считая времени на предварительную тренировку).
Известен инструментально-расчетный формантный способ для оценки разборчивости речи, основанный на результатах экспериментальных исследований, проведенных и опубликованных в 1962 году Н.Б. Покровским (Покровский Н.Б. Расчет и измерение разборчивости речи. Москва: Связьиздат, 1962 г.). Идея 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.
Принципиально трудноразрешимой задачей для формантного подхода является оценка разборчивости речи в условиях малых отношениях сигнал/шум. Частично эту проблему удается преодолеть с помощью тестовых сигналов повышенного уровня. Однако на следующем этапе - при пересчете отношений 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 является «Способ измерения разборчивости речи» по патенту РФ №2284585 от 10 февраля 2005 г. (Железняк В.К., МПК G10L 15/00 (2006/01), H04R 29/00 (2006.01), опубликовано 27.09.2007, Бюл. №27), 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.
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.
Техническим результатом изобретения является уменьшение времени и повышение точности вычисления уровня разборчивости речи за счет применения пространственно-распределенного преобразователя акустического сигнала (ПРП АС).
k
Технический результат достигается тем, что в заявленном способе измерения разборчивости речи, предусматривающем размещение источника акустических испытательных сигналов заданной мощности в точке размещения источника речевого сигнала, а приемника - в месте несанкционированного съема информации, измерение уровня естественного шума выделенного помещения (ВП) в слышимом спектре речи , последовательное излучение N частот испытательных акустических сигналов (ИАС) заданного уровня, причем частоты излучения распределены по средним частотам N полос, на которые разделен слышимый спектр речи, прием и измерение уровня ИАС с шумом на каждой частоте испытательного сигнала, вычисление по результатам измерений отношений сигнал/шум на каждой частоте испытательного сигнала и вычисление уровня разборчивости речи по определенным выше отношениям сигнал/шум, дополнительно прокладывают по заданным точкам ВП ПРП АС, представленный оптическим волокном (ОВ), подключают ПРП АС к измерительному модулю, излучают передатчиком измерительного модуля тестовый импульсный сигнал, определяют по максимальному времени возврата отраженного тестового импульсного сигнала длину L пространственно-распределенного ПРП АС, в соответствии с которой вычисляют период посылки измерительных импульсных сигналов Т 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, заведомо определенных К точек выделенного помещения, идентифицируемых временем возврата отраженных измерительных импульсных сигналов t, демодулируют акустическую составляющую принятых отраженных измерительных импульсных сигналов от различных К точек ВП, измеряют уровень шума в отсутствии ИАС в различных К точках ВП, измеряют уровень акустического сигнала с шумом на каждой частоте ИАС в различных К точках ВП, вычисляют соотношение сигнал/шум в различных К точках ВП, строят вариационный ряд значений соотношения сигнал/шум, выбирают старший член вариационного ряда для вычисления уровня разборчивости речи и вычисляют уровень разборчивости речи по старшему члену вариационного ряда.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается уменьшение времени и повышение точности оценки уровня разборчивости речи за счет применения ПРП АС. Причем в качестве ПРП АС используется ОВ, которое заменяет любое необходимое количество точечных комбинаций микрофон-приемник в различных точках ВП любой формы.
Из уровня техники не выявлено решений, касающихся способов измерения разборчивости речи, 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 прототипов 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».
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
Фиг. 1 - состав измерительного модуля и механизм воздействия акустического сигнала на ОВ;
Фиг. 2 - расположение источника АРИ и заданных оптимальных точек приема акустического сигнала в ВП;
Фиг. 3 - схема прокладки ОВ в ВП и подключения к нему измерительного модуля;
Фиг. 4 - корректировка оптимальных точек приема акустического сигнала вдоль проложенного ОВ по результатам измерений;
Фиг. 5 - пример акустического воздействия на ОВ в составе оптического кабеля, полученного при использовании измерительного модуля «Дунай» компании «Т8».
Заявленный способ реализуется следующим образом.
Применение ПРП АС на основе ОВ, использующего акусто-оптический 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.
Источник АРИ воздействует на ОВ штатных волоконно-оптических систем передач ВП и вызывает модуляцию оптического сигнала акустическими частотами (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). Модулированный акустической составляющей отраженный оптический сигнал выходит за пределы ВП, принимается измерительным модулем (фиг. 1) с дальнейшей демодуляцией акустической составляющей и распознаванием речи любыми известными методами.
Измерительный модуль состоит из:
оптического передатчика - лазера (Л, фиг. 1);
преемника оптического сигнала - фото детектора (ФД, фиг. 1);
оптического делителя мощности (ОДМ, фиг. 1), обеспечивающего введение отраженного оптического сигнала в тракт приема измерительного модуля;
устройства анализа и управления измерительного модуля, имеющего в своем составе демодулятор (ДМ, фиг. 1), обеспечивающий демодуляцию акустической составляющей () преобразованного фотодетектором акустически модулированного оптического отраженного сигнала.
k
Принцип действия измерительного модуля с ПРП АС на основе ОВ реализован на принципе действия оптического рефлектометра: в тестируемое ПРП АС (ОВ) оптическим передатчиком (Л, фиг. 1) вводится мощный измерительный оптический импульс и анализируются характеристики рассеянного на примесях, распределенных по всей длине ПРП АС (фиг. 1), отраженного назад оптического излучения. За счет чувствительности приемной части измерительного модуля к фазовой модуляции (например, при использовании интерферометра Маха-Цендера (Быков В.П. Лазерная электродинамика. Элементарные и когерентные процессы при взаимодействии лазерного излучения с веществом. - М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2006, стр. 50-77)) в ПРП АС 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 определяется по разности рефлектограмм во времени и анализируется либо компьютером с помощью специального программного обеспечения, либо оператором визуально и на слух. Таким образом, ПРП АС на основе ОВ используется как система распределенных акустических датчиков.
Заявленный способ может применяться в ВП любой формы, при этом источник АРИ также может занимать в нем любое место. Для этого внутри ВП задают точки (фиг. 2), через которые прокладывают ПРП АС (фиг. 3). В дальнейшем, по результатам измерений, положение этих точек может корректироваться вдоль проложенного ПРП АС (фиг. 4). 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 подключают к ПРП АС за границей ВП (фиг. 3).
Далее проводят измерения разборчивости речи для чего:
max
1) излучают передатчиком измерительного модуля тестовый импульсный сигнал для определения, по максимальному времени возврата отраженного тестового импульсного сигнала t, длины L ПРП АС.
OB
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) c=204000 км/с, будет равно 686 наносекунд (t=686 нс). При этом, согласно 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 ПРП АС вычисляют период посылки измерительных импульсных сигналов Т таким образом, чтобы каждый последующий измерительный импульсный сигнал излучался после приема отраженного сигнала предыдущего измерительного импульсного сигнала;
4) последовательно излучают N - частот ИАС заданного уровня распределенных по средним частотам N полос, на которые разделен слышимый спектр речи ;
k
5) передатчиком измерительного модуля излучают измерительные импульсные сигналы с периодом Т, а приемником измерительного модуля принимают акустически модулированную последовательность отраженных измерительных импульсных сигналов от различных заданных К точек ВП, идентифицируемых временем возврата акустически модулированных отраженных измерительных импульсных сигналов t;
6) демодулируют акустическую составляющую принятых акустически модулированных отраженных измерительных импульсных сигналов от различных К точек ВП;
7) измеряют в отсутствие ИАС уровень естественного шума в различных К точках ВП;
8) измеряют уровень акустического сигнала с шумом на каждой частоте ИАС в различных К точках ВП и вычисляют соотношение сигнал/шум в каждой точке;
9) строят вариационный ряд значений соотношения сигнал/шум и выбирают его старший член для вычисления уровня разборчивости речи;
10) вычисляют уровень разборчивости речи по старшему члену вариационного ряда любым известным способом (Рева И.Л. Сравнительный анализ объективных методов оценки разборчивости речи. Сборник научных трудов НГТУ - 2010. - №1(59). - 91 - 102).
Пример акустического воздействия на ОВ (ПРП АС) в составе оптического кабеля, полученного при использовании измерительного модуля «Дунай» компании «Т8», приведен на фигуре 5. Фигура включает четыре основных окна (сверху - вниз): первое и второе окна - участок мониторинга оптической линии связи (ОВ), третье и четвертое - участок воздействия на оптическую линию связи. Первое и третье окно отражают изменение воздействия на ОВ по его линейной длине, второе и четвертое отражают воздействие во времени на ОВ по его линейной длине. В первом окне, для учета естественных шумов, установлен порог чувствительности измерительного модуля во времени, за счет чего ярко выражен участок воздействия на ОВ. В третьем окне видно, что одно акустическое воздействие имеет несколько точек отсчета и измерения. Это позволяет выбрать лучшее соотношение сигнал/шум для последующего измерения разборчивости речи. В четвертом окне это воздействие отображено во времени.
Единовременное измерение акустической обстановки ВП в К точках при наличии одного источника АРИ соответствует схеме измерения, состоящей из одного передатчика и множества приемников - «точка-многоточка», в отличие от современных способов измерения, которые единовременно с одним преобразователем акустического сигнала работают по схеме «точка-точка» (Рева И.Л. Сравнительный анализ объективных методов оценки разборчивости речи. Сборник научных трудов НГТУ - 2010. - №1 (59). - 91-102; «Способ измерения разборчивости речи» - патент на изобретение RU 2284585 С1 от 10 февраля 2005 года). «Многоточка» с измерительной стороны позволяет существенно снизить время вычисления уровня разборчивости речи за счет отсутствия необходимости физического изменения положения приемника для получения наилучшего соотношения сигнал/шум. Возможность выбора в реальном режиме времени лучшего соотношения сигнал/шум от К точек ВП обеспечивает повышение точности вычисления уровня разборчивости речи.
Таким образом, за счет применения пространственно-распределенного преобразователя акустического сигнала достигается выполнение технического результата.