Воронеж 2012

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИИ

Воронежский институт

Кафедра информационной безопасности

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

студентам 5 курса специального факультета

к практическому занятию по теме № 1 дисциплины

² Шифрование в аналоговой телефонии²

Тема 2. Исследование частотных характеристик речевых сигналов.

Учебные вопросы:

1. Понятие канала связи. Канал связи тональных частот.

2. Соотношение полосы пропускания канала связи тональных частот и спектра речевого сигнала.

3. Амплитудная и амплитудно-частотная характеристики канала связи.

Время: 2 часа

Обсуждено и одобрено на заседании методической секции

кафедры информационной безопасности

Протокол № 2 от 17 сентября 2012 г.

Составил:

профессор кафедры

информационной безопасности,

д. т. н., профессор

О. С. Авсентьев

Воронеж 2012

Учебно-воспитательные цели занятия:

Образовательные:

- изучение студентами простейших частотных преобразований спектра речевого сигнала;

- приобретение студентами практических навыков по построению устройств криптографических преобразований аналогового типа.

Развивающие:

- развитие комплексного восприятия проблемы обеспечения информационной безопасности;

- формирование профессионального мышления специалиста по защите информации.

Воспитательные:

- воспитание чувства служебного долга за обеспечение сохранности служебной и государственной тайны;

- формирование навыков профессионального общения и взаимодействия со специалистами в области защиты информации.

Учебные вопросы:

1. Понятие канала связи. Канал связи тональных частот.

2. Соотношение полосы пропускания канала связи тональных частот и спектра речевого сигнала.

3. Амплитудная и амплитудно-частотная характеристики канала связи.

Задачи:

- совершенствование знаний изучаемой дисциплины;

- определение частотных характеристик спектра речевых сигналов;

- ознакомление с элементами криптоанализа на основе использования избыточности языка;

- выработка комплексного представления об обеспечении безопасности информации при помощи криптографических средств;

- формирование навыков построения речи с использованием технической терминологии и самостоятельной работы с научно-технической литературой;

- проведение текущего контроля качества конспектирования лекционного материала и его изучения.

Форма проведения занятия - самостоятельная работа под руководством преподавателя (с элементами устного опроса по ранее изученному материалу).

Распределение времени и содержание структурных частей ЗАНЯТИЯ:

1. Организационная часть - 5 минут

Проверка наличия и готовности студентов к занятию (внешний вид, тетради, ручки).

2. Вступительная часть - 5 минут

Объявление темы, целей, задач, учебных вопросов занятия, значения изучаемой темы в процессе обучения специалистов по защите информации.

3. Основная часть - 60 минут

Письменный контроль (устный опрос) ранее изученного материала - 10 мин.

Контрольные вопросы.

1. Основные характеристики речевых сигналов.

2. Методы криптографических преобразований аналоговых речевых сигналов.

3. Принципы частотных преобразований аналоговых речевых сигналов.

4. Принципы работы преобразователей частоты.

Изучение учебных вопросов - 50 мин.

Преподаватель последовательно объявляет учебные вопросы занятия. Для каждого учебного вопроса делается вступительная теоретическая часть в тесной связи с ранее изученным материалом, при этом посредством устного опроса студентов проверяется уровень его усвоения.

Производится постановка задачи на самостоятельное работу студентов с использованием имеющейся литературы.

4. Подведение итогов - 5 минут.

Преподаватель подводит краткие итоги занятия, производит выборочный контроль качества конспектирования и усвоения предложенного материала, объявляет отметки.

Задание на самоподготовку:

Подготовить ответы на следующие вопросы:

1. К каким последствиям может привести несоответствие полосы пропускания канала связи спектру передаваемого речевого сигнала.

2. Критерии оценки качества канала связи.

3. Определение АЧХ канала тональных частот.

4. Определение амплитудной характеристики канала тональных частот.

5. Заключительная часть - 5 минут.

Преподаватель разъясняет курсантам значение изученного материала темы № 1 для формирования целостного представления о принципах построения шифрсистем РФ и перспективах их развития.

Л И Т Е Р А Т У Р А

Основная:

1. Алферов А. П., Зубов А. Ю., Кузьмин А. С., Черемушкин А. В. Основы криптографии: Учебное пособие. -М.: Гелиос АРВ, 2001. -480 с., ил.

2. В. Жельников. Криптография от папируса до компьютера. М, 1996.

Дополнительная:

1. Г. Фролов. Тайны тайнописи. М., 1992.

Задание по подготовке к практическому занятию

1. Изучить материал лекции по теме №1.

2. Повторить основные понятия, принципы моделирования и построения шифрсистем и их особенности.

3. Подготовить ответы на контрольные вопросы, заданные на лекционном занятии по теме № 1.

1. Понятие канала связи. Канал связи тональных частот.

Канал связи – это совокупность источника информации, получателя информации, среды распространения информационного сигнала и устройств сопряжения источника и получателя информации со средой распространения информационного сигнала.

Основные зарактеристики канала связи ТЧ:

- полоса пропускания;

- остаточное затухание;

- амплитудная характеристика;

- амплитудно-частотная характеристика (АЧХ);

- неравномерность АЧХ.

Задание студентам №1

Изучить основные характеристики речевых сигналов, сравнить их с характеристиками канала связи ТЧ.

По результатам сравнения сделать качественные выводы и предложить меры для достижения согласования.

2. Соотношение полосы пропускания канала связи тональных частот и спектра речевого сигнала.

Тональные частоты - это частоты звукового диапазона 20 Гц – 20000 Гц.

Речевой сигнал – это сложный сигнал, состоящий из множества составляющих звукового диапазона.

Если ограничиться частотами, не превышающими 3 кГц, и использовать высокочувствительный анализатор, то спектр, производимый некоторыми звуками, имеет вид зубчатой кривой приблизительно следующего вида:

Рис. 2. Огибающая спектра речевого сигнала

Мы видим несколько пиков графика, называемых формантами. Изменение этих частотных компонент во времени можно изобразить на трехмерном графике (при добавлении третьей координаты — времени).

Речевой сигнал является переносчиком смысловой информации. Эта информация при прослушивании речевого сигнала может быть записана в виде текста сообщения. Слуховое восприятие речевого сигнала более богато и несет как основную текстовую информацию, так и дополнительную в виде ударений и интонаций. Элементарными единицами слуховой информации являются элементарные звуки — фонемы, а смысловыми единицами — звучащие слоги, слова и фразы. Для каждого языка имеется свой набор фонем. Например, в русском и английском языках имеется около 40 фонем.

Множество фонем разбивается на три класса. Гласные образуют одно семейство, согласные и некоторые другие фонетические звуки (для английского языка — это, например, звуки ch, sh), образуют два класса, называемые взрывными звуками и фрикативными звуками. Гласные производятся движением голосовых связок под воздействием потоков воздуха. Проходя через гортань, они превращаются в серию вибраций. Затем воздушный поток проходит через некоторое число резонаторов, главными из которых являются нос, рот и горло, превращаясь в воспринимаемые человеческим ухом фонемы. Возникающие звуки зависят от формы и размеров этих резонаторов, но, в значительной степени, они характеризуются низкочастотными составляющими.

Гласные звуки производятся в течение длительного времени. Как правило, требуется около 100 мс для достижения его пиковой амплитуды. Взрывные звуки производятся путем " перекрытия" воздушного потока с последующим его выпусканием с взрывным эффектом. Блокирование воздушного потока может осуществляться различными способами — языком, нёбом или губами. Например, звук " п" произносится при блокировании воздушного потока губами. Взрывные звуки характеризуются их высокочастотными составляющими. До 90% их пиков амплитуды имеют длительность, не превышающую 5 мсек. Фрикативные звуки производятся частичным перекрытием воздушного потока, что дает звук, похожий на " белый шум". Этот звук затем фильтруется резонаторами голосового тракта. Фрикативный звук обычно богат пиками амплитуды длительностью 20 - 50 мс и сконцентрирован по частоте от 1 до 3 кГц. Пример фрикатива — звук " ссс... ".

Другой важной характеристикой человеческой речи является частота основного тона. Это — частота вибраций голосовых связок. Среднее значение этой частоты колеблется у разных людей, и у каждого говорящего имеется отклонение в пределах октавы выше или ниже этой центральной частоты. Обычно у мужчины частота основного тона колеблется около 1300 Гц, у женщины она выше.

Речевые сигналы не только передают информацию, но и дают сведения о голосовых характеристиках говорящего, что позволяет идентифицировать его по голосу. Можно использовать высоту, форманты, временную диаграмму и другие характеристики речевого сигнала, чтобы попытаться сформировать сигнал, схожий с оригиналом. Это воспроизведение может быть в некоторой степени неестественным и некоторые индивидуальные характеристики говорящего будут утеряны. Такие принципы репродукции лежат в основе вокодера, о котором будет сказано далее.

Основная энергия речевого сигнала содержится в диапазоне 100 – 4000 Гц.

Канал связи тональных частот (ТЧ) имеет полосу пропускания 300 – 3400 Гц.

Задание студентам №2

Изучить основные частотные и временные характеристики речевых сигналов, сравнить их по звучанию.

По результатам сравнения сделать качественные выводы о результативности методов частотных и временных преобразований речевого сигнала.

Предложить варианты построения устройств шифрования с учетом возможностей их практической реализации.

3. Амплитудная и амплитудно-частотная характеристики канала связи.

Амплитудная характеристика (АХ) канала связи ТЧ – это зависимость уровня сигнала на выходе канала связи от его уровня на входе.

Основное требование – линейность АХ в динамическом диапазоне речевого сигнала.

АЧХ – это зависимость остаточного затухания канала связи от частоты.

Основное требование к АЧХ – неравномерность в полосе пропускания, удовлетворяющая требованиям в соответствии с рекомендациями МККТТ.

Задание студентам №3

Определить соответствие основных частотных характеристик речевых сигналов АХ и АЧХ канала связи ТЧ.

Предложить варианты реализации устройств приведения этих характеристик в соответствие с учетом возможностей их практической реализации.

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИИ

Воронежский институт

Кафедра информационной безопасности

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

к практическому занятию по теме № 1 дисциплины

² Шифрование в аналоговой телефонии²

Тема 1. Исследование частотных характеристик речевых сигналов.

Учебные вопросы:

1. Понятие канала связи. Канал связи тональных частот.

2. Соотношение полосы пропускания канала связи тональных частот и спектра речевого сигнала.

3. Амплитудная и амплитудно-частотная характеристики канала связи.

Время: 2 часа

Обсуждено и одобрено на заседании методической секции

кафедры информационной безопасности

Протокол № 1 от 24 сентября 2012 г.

Составил:

профессор кафедры

информационной безопасности,

д. т. н., профессор

О. С. Авсентьев

Воронеж 2012
Цель занятия:

- изучение простейших шифров и их свойств;

- приобретение курсантами практических навыков по построению шифров и их композиций.

Учебные вопросы:

1. Понятие канала связи. Канал связи тональных частот.

2. Соотношение полосы пропускания канала связи тональных частот и спектра речевого сигнала.

3. Амплитудная и амплитудно-частотная характеристики канала связи.

Задачи:

- совершенствование знаний студентов;

- определение частотных характеристик речевых сообщений;

- ознакомление студентов с элементами криптоанализа на основе использования избыточности языка;

- формирование у студентов навыков построения речи с использованием технической терминологии и самостоятельной работы с научно-технической литературой;

- проведение текущего контроля качества конспектирования лекционного материала и его изучения студентами.

Форма проведения занятия - самостоятельная работа студентов под руководством преподавателя (с элементами устного опроса по ранее изученному материалу).

Задание по подготовке к практическому занятию

1. Изучить материал лекции по теме № 1.

2. Повторить основные понятия, принципы моделирования и построения шифрсистем и их особенности.

3. Подготовить ответы на контрольные вопросы, заданные на лекционных занятиях по теме № 1.

Распределение времени и содержание структурных частей ЗАНЯТИЯ:

1. Организационная часть - 5 минут

Прием рапорта. Проверка наличия и готовности студентов к занятию (внешний вид, тетради, ручки).

3. Вступительная часть - 5 минут

3. Основная часть - 60 минут

Письменный контроль (устный опрос) ранее изученного материала - 10 мин.

Контрольные вопросы:

1. Основные характеристики речевых сигналов.

2. Методы криптографических преобразований аналоговых речевых сигналов.

3. Принципы частотных преобразований аналоговых речевых сигналов.

4. Принципы работы преобразователей частоты.

Изучение учебных вопросов - 50 мин.

Производится постановка задачи на самостоятельное работу студентов с использованием имеющейся литературы.

4. Подведение итогов - 5 минут.

Задание на самоподготовку:

Подготовить ответы на следующие вопросы:

2. Критерии оценки качества канала связи.

3. Определение АЧХ канала тональных частот.

4. Определение амплитудной характеристики канала тональных частот.

5. Заключительная часть - 5 минут.

Преподаватель разъясняет студентам значение изученного материала темы № 1 для формирования целостного представления о принципах построения шифрсистем РФ и перспективах их развития.

Л И Т Е Р А Т У Р А

Основная:

3. Алферов А. П., Зубов А. Ю., Кузьмин А. С., Черемушкин А. В. Основы криптографии: Учебное пособие. -М.: Гелиос АРВ, 2001. -480 с., ил.

4. В. Жельников. Криптография от папируса до компьютера. М, 1996.

Дополнительная:

1. Г. Фролов. Тайны тайнописи. М., 1992.