Патент на изобретение №2350023

(54) СПОСОБ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА МАСКИРУЮЩЕГО АКУСТИЧЕСКОГО (ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО) ШУМА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области передачи информации и может использоваться для защиты акустической речевой информации при ее передаче по каналам связи. Достигаемый технический результат – повышение точности оценки качества маскирующего акустического шума. Способ характеризуется тем, что маскирующий акустический шум преобразуют в электрический сигнал, осуществляют дискретизацию, строят гистограммы закона распределения мгновенных значений электрического сигнала и закона распределений значений напряжения огибающей электрического сигнала, вычисляют энтропийный коэффициент качества значений напряжений огибающей электрического сигнала, а используемый для оценки качества маскирующего акустического шума энтропийный коэффициент определяют как произведение энтропийных коэффициентов качества огибающей и мгновенных значений напряжения электрического сигнала. 1 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области передачи информации, а конкретнее, к области способов и устройств защиты акустической речевой информации при ее передаче по каналам связи.

Уровень техники

Известны способы оценки качества маскирующего акустического (виброакустического) шума (далее по тексту описания – маскирующего шума), создаваемого для защиты акустической речевой информации при передаче ее по каналам связи (см., например [1] стр.3-5, [2], [3] стр.9-11, [4] стр.229-246, [5]).

В известных способах для оценки качества маскирующего шума определяют эталонные статистические характеристики мгновенных значений маскирующего шума (нормальный закон распределения), при которых достигается максимальный маскирующий эффект. Затем определяют энтропийный коэффициент качества для реального излученного маскирующего шума, статистические характеристики которого отклоняются от эталонных. Используют полученное значение энтропийного коэффициента для оценки качества маскирующего шума [1-3].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, описанный в [1-3]. Способ заключается в том, что в течение времени t10 c принимают маскирующий шум, преобразуют его в электрический сигнал, осуществляют дискретизацию отсчетов мгновенных значений электрического сигнала, измеряют для всех дискретных моментов времени t_j(j=) уровни напряжений электрического сигнала, выбирают среди всех измеренных значений максимальный u_max и минимальный u_min уровень напряжения сигнала, разбивают весь диапазон измеренных значений напряжения электрического сигнала на N уровней, в которых напряжение u_i i-го уровня вычисляют по формул

u_i=(i-N/2)·u,

где i= – номер уровня напряжения электрического сигнала;

N – количество уровней напряжения электрического сигнала;

подсчитывают в течение интервала времени t количество N_i пересечений электрическим сигналом каждого i-го уровня, рассчитывают количество S пересечений электрическим сигналом всех уровней по формуле

вычисляют вероятности р_i пересечения каждого i-го уровня по формуле

строят гистограмму закона распределений мгновенных значений электрического сигнала p_i(u_i) (i=), вычисляют с использованием гистограммы средневзвешенное значение u_cp напряжения электрического сигнала на интервале [u_min, u_max] по формуле

вычисляют с использованием гистограммы среднеквадратическое значение напряжения электрического сигнала на интервале [u_min, u_max] по формуле

вычисляют с использованием гистограммы энтропию Н закона распределения мгновенных значений напряжений электрического сигнала по формуле

,

вычисляют энтропийный коэффициент качества ^M мгновенных значений напряжений электрического сигнала относительно эталонного нормального закона распределения мгновенных значений напряжений электрического сигнала по формуле

,

используют полученное значение ^M энтропийного коэффициента качества мгновенных значений напряжений электрического сигнала в качестве значения энтропийного коэффициента качества маскирующего шума для оценки качества маскирующего шума.

Описанный способ-прототип имеет существенный недостаток. При наличии спектральных составляющих в маскирующем шуме имеет место большая погрешность определения энтропийного коэффициента качества маскирующего шума, поскольку в этом случае закон распределения мгновенных значений напряжений электрического сигнала будет мало отличатся от нормального закона распределения. В то же время наличие спектральных составляющих в маскирующем шуме резко снижает его качество, поскольку значительная часть энергии маскирующего шума будет сосредоточена в спектральных составляющих, которые не обладают маскирующими свойствами и которые могут быть удалены при приеме акустического речевого сигнала режекторными фильтрами.

Таким образом, в изобретении решается проблема повышения точности определения качества маскирующего шума.

Раскрытие изобретения

Решение проблемы достигается тем, что в известном способе оценки качества маскирующего шума, заключающемся в том, что принимают в течение времени t10 c маскирующий шум, преобразуют его в электрический сигнал, осуществляют дискретизацию отсчетов мгновенных значений электрического сигнала, измеряют для всех дискретных моментов времени t_j(j=) уровни напряжений электрического сигнала u(t_j), выбирают среди всех измеренных значений максимальный u_max и минимальный и u_min уровень напряжения сигнала, разбивают весь диапазон измеренных значений напряжения электрического сигнала на N уровней, в которых напряжение u_i i-го уровня вычисляют по формуле

u_i=(i-N/2)·u,

где i= – номер уровня напряжения электрического сигнала;

N – количество уровней напряжения электрического сигнала;

подсчитывают в течение интервала времени t количество N_i пересечений электрическим сигналом каждого i-го уровня, рассчитывают количество S пересечений электрическим сигналом всех уровней по формуле

вычисляют вероятности p_i пересечения каждого i-го уровня по формуле

строят гистограмму закона распределения мгновенных значений электрического сигнала p_i(u_i) (i=) вычисляют с использованием гистограммы средневзвешенное значение u_cp напряжения электрического сигнала на интервале [u_min, u_max] по формуле

вычисляют с использованием гистограммы среднеквадратическое значение напряжения электрического сигнала на интервале [u_min, u_max] по формуле

вычисляют с использованием гистограммы энтропию Н закона распределения мгновенных значений напряжений электрического сигнала по формуле

вычисляют энтропийный коэффициент качества ^M мгновенных значений напряжений электрического сигнала относительно эталонного нормального закона распределения мгновенных значений напряжений электрического сигнала по формуле

согласно изобретению вычисляют для всех дискретных значений времени t_j(j=) уровень напряжения U(t_j) огибающей электрического сигнала по формуле

где u(t_j) – уровень напряжения электрического сигнала для j-го момента времени;

выбирают среди всех вычисленных значений максимальный U_max и минимальный U_min уровень напряжения огибающей электрического сигнала, вычисляют количество уровней N⁰ напряжения огибающей электрического сигнала по формуле

разбивают весь диапазон значений напряжения огибающей электрического сигнала на N⁰ уровней, в которых напряжение U_l l-го уровня вычисляют по формуле

U_l=(l-N⁰/2)·u,

где l= – номер уровня напряжения огибающей электрического сигнала;

N⁰ – количество уровней напряжения огибающей электрического сигнала,

подсчитывают количество пересечений N огибающей электрического сигнала каждого l-го уровня, рассчитывают количество S₀ пересечений огибающей электрического сигнала всех уровней по формуле

рассчитывают вероятности Р⁰ _l пересечения огибающей электрического сигнала каждого l-го уровня по формуле

строят гистограмму закона распределений значений напряжения огибающей электрического сигнала P(U_l)(l=), рассчитывают с использованием гистограммы второй момент закона распределения значений напряжения огибающей электрического сигнала по формуле

рассчитывают с использованием гистограммы математическое ожидание m натурального логарифма значений напряжения огибающей электрического сигнала по формуле

вычисляют с использованием гистограммы энтропию H⁰ закона распределения значений напряжений огибающей электрического сигнала по формуле

вычисляют энтропию Н^p эталонного релеевского закона распределения по формуле

где параметр релеевского закона распределения;

с=0,577 – постоянная Эйлера,

вычисляют энтропийный коэффициент качества ⁰ огибающей электрического сигнала по формуле

вычисляют энтропийный коэффициент качества маскирующего шума по формуле

=^M·⁰,

используют полученное значение энтропийного коэффициента качества для оценки качества маскирующего шума.

Эти отличительные по сравнению с прототипом признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию “новизна”.

В предлагаемом способе оценки качества маскирующего шума перечисленная совокупность существенных признаков в указанном порядке обеспечивает высокую точность оценки качества маскирующего шума, так как учитывается влияние гармонических составляющих в спектре излученного маскирующего шума на энтропийный коэффициент качества этого шума. Для этого используют эталонные статистические характеристики огибающей сигнала, при которых достигается максимальный маскирующий эффект.

Поскольку закон распределения огибающей маскирующего сигнала имеет жесткую функциональную связь с энергетическим спектром этого сигнала, то появление в нем гармонических составляющих, а также малейшее отклонение спектра маскирующего сигнала от эталонного приводит к изменению закона распределения огибающей этого сигнала. Эталонный закон распределения огибающей является релеевским законом. Поскольку спектр речи также аппроксимируется релеевским законом, то в этом случае будет достигаться максимальный маскирующий эффект. Этот максимальный маскирующий эффект соответствует стационарному случайному процессу, у которого мгновенные значения случайной величины подчинены нормальному закону распределения, а значения огибающей случайной величины подчинены релеевскому закону распределения.

Поскольку эталонный закон распределения мгновенных значений маскирующего сигнала является нормальным, то в качестве ограничения для сравниваемых законов распределения рассматривают только дисперсию. В этом случае максимальной энтропией будет обладать нормальный закон распределения по отношению ко всем другим законам распределения.

Поскольку эталонный закон распределения огибающей маскирующего сигнала является релеевским, то в этом случае в качестве ограничения для сравниваемых законов распределения рассматривают второй момент закона распределения и математическое ожидание логарифма случайной величины, так как в этом случае максимальной энтропией будет обладать релеевский закон распределения по отношению ко всем другим законам распределения, в том числе и по отношению к нормальному закону распределения [4, 5].

Именно новое свойство совокупности признаков, приводящих к существенному увеличению точности при оценке качества маскирующего шума, позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию “изобретательский уровень”.

Краткое описание чертежей

Описание изобретения сопровождается чертежом, где обозначено:

блок 1 – источник маскирующего шума;

блок 2 – измерительный микрофон;

блок 3 – персональный компьютер со звуковой картой.

Осуществление изобретения

Предлагаемый способ оценки качества маскирующего шума опробован в лабораторных условиях. Изготовлен опытный образец устройства для реализации данного способа. Кроме того, данный способ может быть реализован с использованием персонального компьютера со звуковой картой, к которой подключается измерительный микрофон или вибропреобразователь. Пример реализации данного способа представлен на чертеже.

Маскирующий шум формируют в блоке 1 и излучают в окружающее пространство. В блоке 2 принятый шум преобразуют в электрический сигнал, который подают на звуковую плату персонального компьютера (блок 3). В звуковой плате персонального компьютера осуществляют дискретизацию по времени принятого электрического сигнала, измерение уровней сигнала для дискретных моментов времени и оцифровку измеренных уровней. Оцифрованный сигнал записывают в отдельный файл и осуществляют его обработку в блоке 3. В блоке 3 производят построение гистограммы закона распределения мгновенных значений электрического сигнала, с использованием гистограммы вычисляют средневзвешенное значение напряжения электрического сигнала, с использованием гистограммы вычисляют среднеквадратическое значение напряжения электрического сигнала, с использованием гистограммы вычисляют энтропию закона распределения мгновенных значений напряжений электрического сигнала, вычисляют энтропийный коэффициент качества мгновенных значений напряжений электрического сигнала относительно эталонного нормального закона распределения мгновенных значений напряжений электрического сигнала, вычисляют уровни огибающей электрического сигнала, строят гистограмму закона распределений значений напряжения огибающей электрического сигнала, с использованием гистограммы вычисляют второй момент закона распределения значений напряжения огибающей электрического сигнала, с использованием гистограммы вычисляют математическое ожидание натурального логарифма значений напряжения огибающей электрического сигнала, с использованием гистограммы вычисляют энтропию закона распределения значений напряжений огибающей электрического сигнала, вычисляют энтропию эталонного релеевского закона распределения, вычисляют энтропийный коэффициент качества огибающей электрического сигнала, вычисляют энтропийный коэффициент качества маскирующего шума.

В соответствии с представленным описанием была проведена оценка энтропийного коэффициента качества маскирующего шума, представляющего собой чисто гармоническое колебание. При использовании прототипа для оценки качества маскирующего шума получено значение энтропийного коэффициента, равное 0,53. При использовании предлагаемого способа для оценки качества маскирующего шума получено значение энтропийного коэффициента, равное 0,02. Теоретическое значение энтропийного коэффициента качества маскирующего шума в этом случае равно 0.

Таким образом, предложенный способ позволяет существенно повысить точность оценки качества маскирующего шума по отношению к прототипу, особенно тогда, когда в спектре маскирующего шума имеются гармонические составляющие, поскольку статистические характеристики огибающей маскирующего шума в этом случае подчинены не релеевскому закону, а закону Райса.

Реализация предлагаемого способа не вызывает затруднений, так как все блоки и узлы, входящие в устройство, реализующее способ, общеизвестны и широко описаны в технической литературе.

Источники информации

1. А.А.Хореев. Системы виброакустической маскировки. – М.: Специальная техника, 2003, №6.-12 с.

2. ГОСТ Р ИСО 5479-2002. Статистические методы. Проверка отклонения распределения вероятностей от нормального распределения. – М.: Издательство стандартов, 2002. – 30 с.

3. М.В.Федоров. Метод идентификации форм распределений малых выборок. – М.: Рос.хим. ж. (Ж. Рос.хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2002, №3, – 3 с.

4. В.Я.Розенберг. Радиотехнические методы измерения параметров процессов и систем. – М.: Стандартиздат, 1970. – 308 с.

5. Г.Я.Мирский. Радиоэлектронные измерения. – М.: Энергия, 1969. – 367 с.

Формула изобретения

Способ оценки качества маскирующего акустического (виброакустического) шума, заключающийся в том, что принимают в течении времени t10 c маскирующий акустический (виброакустический) шум, преобразуют его в электрический сигнал, осуществляют дискретизацию отсчетов мгновенных значений электрического сигнала, измеряют для всех дискретных моментов времени t_j(j=) уровни напряжений электрического сигнала u(t_j), выбирают среди всех измеренных значений максимальный u_max и минимальный u_min уровень напряжения сигнала, разбивают весь диапазон измеренных значений напряжения электрического сигнала на N уровней, в которых напряжение j-го уровня вычисляют по формуле

u_i=(i-N/2)·u,

где i=j,N – номер уровня напряжения электрического сигнала;

N – количество уровней напряжения электрического сигнала;

подсчитывают в течении интервала времени t количество N_i пересечений электрическим сигналом каждого i-го уровня, рассчитывают количество S пересечений электрическим сигналом всех уровней по формуле

,

вычисляют вероятности pi пересечения каждого i-го уровня по формуле

,

строят гистограмму закона распределений мгновенных значений электрического сигнала p_i(u_i) (i=), вычисляют с использованием гистограммы средневзвешенное значение u_ср напряжения электрического сигнала на интервале [u_min, u_max] по формуле

,

вычисляют с использованием гистограммы среднеквадратическое значение напряжения электрического сигнала на интервале [u_min, u_max] по формуле

,

вычисляют с использованием гистограммы энтропию Н закона распределения мгновенных значений напряжений электрического сигнала по формуле

,

вычисляют энтропийный коэффициент качества ^M мгновенных значений напряжений электрического сигнала относительно эталонного нормального закона распределения мгновенных значений напряжений электрического сигнала по формуле

,

отличающийся тем, что вычисляют для всех дискретных значений времени t_j(j=) уровень напряжения U(t_j) огибающей электрического сигнала по формуле

,

где u(t_j) – уровень напражения электрического сигнала для j-го момента времени;

,

выбирают среди всех вычисленных значений максимальный u_max и минимальный u_min уровень напряжения огибающей электрического сигнала, вычисляют количество уровней N^o напряжения огибающей электрического сигнала по формуле

,

разбивают весь диапазон значений напряжения огибающей электрического сигнала на N⁰ уровней, в которых напряжение U_l l-го уровня вычисляют по формуле

U_l=(l-N⁰/2)·u,

где l= – номер уровня напряжения огибающей электрического сигнала;

N⁰ – количество уровней напряжения огибающей электрического сигнала, подсчитывают количество пересечений N огибающей электрического сигнала каждого l-го уровня, рассчитывают количество S₀ пересечений огибающей электрического сигнала всех уровней по формуле

,

рассчитывают вероятности P пересечения огибающей электрического сигнала каждого l-го уровня по формуле

,

строят гистограмму закона распределений значений напряжения огибающей электрического сигнала Р(U_l)(l=), рассчитывают с использованием гистограммы второй момент ² ₀ закона распределения значений напряжения огибающей электрического сигнала по формуле

,

рассчитывают с использованием гистограммы математическое ожидание m натурального логарифма значений напряжения огибающей электрического сигнала по формуле

,

вычисляют с использованием гистограммы энтропию Н⁰ закона распределения значений напряжений огибающей электрического сигнала по формуле

,

вычисляют энтропию Н^p эталонного релеевского закона распределения по формуле

,

где – параметр релеевского закона распределения;

с=0,577 – постоянная Эйлера,

вычисляют энтропийный коэффициент качества ⁰ огибающей электрического сигнала по формуле

,

вычисляют энтропийный коэффициент качества маскирующего акустического (виброакустического) шума по формуле =^M·⁰, используют полученное значение энтропийного коэффициента качества для оценки качества маскирующего акустического (виброакустического) шума.

РИСУНКИ