Bachelor's Thesis

White noise generator for indoor sound masking

Final Thesis 5.69 MB Appendix 45.56 MB

Author of thesis: Oliver Kapusta

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Pavel Hanák, Ph.D.

Reviewer: Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D.

Abstract:

The work focuses on the design and experimental evaluation of a white audio noise generator using a cryptographically secure source of randomness. A TRNG module with support for continuous health tests and data acquisition was implemented, producing 2 GB of random bits. These outputs were evaluated using Dieharder, NIST SP 800-22, and NIST SP 800-90B to verify the quality of the generated randomness. The work also includes the design of an electronic system integrating the TRNG, a microcontroller, and an audio output stage. For the acoustic part, multiple piezoelectric and membrane transducers were measured to analyze their ability to generate broadband noise. The practical outcome is a prototype of a white-noise generator with verified cryptographic quality, validated spectral characteristics, and experimentally evaluated transducer performance, suitable for acoustic masking applications.

Keywords:

White noise generator, Acoustic masking, Eavesdropping protection, Cryptographic entropy, NIST SP 800-90B, TRNG (True Random Number Generator), I2S bus, Printed circuit board (PCB), Piezoelectric speakers

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Student obhájil bakalářskou práci s výhradami a odpověděl na otázky členů komise a oponenta. Otázky: 1) Jak byste správně řešil současný nebo časově vyvážený přenos audio dat do obou I2S zesilovačů? 2) Proč jste nepoužil pro generování náhodného čísla některou z metod uvednou v teoretickém úvodu, např. ChaCha20? Případně proč jste nevyužil na TRNG z STM32 přímo, pro generování všech audio vzorků? 3) Jaké je praktické využití vč. modelového nasazení? 4) Jaká je účinost pro využití na hůře dostupných optických kabelech např. v podlaze?

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Information Security (BPC-IBE)

Composition of Committee

doc. Ing. Jan Jeřábek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Ivo Lattenberg, Ph.D. (místopředseda)
Mgr. Martin Erlebach (člen)
Ing. Eva Holasová, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Ilgner, Ph.D. (člen)
Ing. Kryštof Zeman, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Rusz, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Pavel Hanák, Ph.D.

Pan Kapusta si vybral poměrně náročné zadání, ve kterém měl provést měření vhodnosti elektroakustických měničů pro rozvibrování optických vláken a k tomuto účelu sestrojit nejméně 3 kusy generátorů audio šumu. To zahrnovalo výběr TRNG, analýzu jeho entropie, návrh a realizaci desky plošných spojů, mechanické konstrukce i firmwaru. Zadání téměř celé splnil, avšak podcenil náročnost realizace, především pájení součástek. Přestože jsem s téměř měsíčním předstihem nakoupil materiál pro výrobu 5 kusů generátoru, nakonec je plně funkční jen jeden z nich. Text práce proto student dopisoval těsně před odevzdáním, což se též negativně projevilo na jeho kvalitě. Konzultace sice byly pravidelné, ale jen občas efektivní. Zvláště u návrhu zapojení a desky bylo zřejmé, že student problematice nerozumí a dokola opakoval některé chyby. I po 5 či 6 iteracích na desce zůstaly chyby, které však naštěstí šlo dodatečně opravit. Podobnou zkušenost měl i prof. Münster a Ing. Bukovský, u kterých student prováděl měření na optických vláknech. Z těchto důvodů BP navrhuji hodnotit stupněm C. Points proposed by supervisor: 75

Grade proposed by supervisor: C

Reviewer’s report
Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D.

Student se v práci zabýval návrhem generátoru bílého audio šumu pro akustické maskování a omezení prostorového odposlechu pomocí optických vláken. Zadání bylo poměrně náročné, protože spojovalo kryptograficky kvalitní zdroj náhodnosti, digitální audio, výkonové zesilovače, návrh DPS, mechanickou konstrukci a experimentální měření měničů. Je třeba ocenit rozsah praktické práce, návrh vlastní DPS, osazení prototypů a provedení měření piezoelektrických i membránových měničů.

Práce však obsahuje technické nedostatky. Výhradu mám ke generování finálního audio šumu. Autor sice testuje hardwarový TRNG mikrokontroléru STM32, ale výsledný audio signál je podle popisu generován pomocí xorshift32 seedovaného pouze 32bitovou hodnotou. xorshift32 není kryptograficky bezpečný PRNG a takové řešení nesplňuje požadavek na 128bitovou kryptografickou entropii finálního maskujícího signálu. Testy TRNG proto neprokazují bezpečnost celého generátoru.

Další nedostatky jsou ve schématu a DPS. Problematické je například zapojení indikačních LED, kde tranzistory LED prakticky zkratovávají. Zapojení má invertovanou logiku a při napájení z 12 V a odporu 1 kΩ teče při sepnutí tranzistoru zbytečný proud přibližně 12 mA, což je nevhodné i z hlediska ztrátového výkonu. Rizikové je také napájení 1,8V větve lineárním stabilizátorem přímo z 12 V bez dostatečného tepelného posouzení a nedostatečně zdůvodněný návrh výstupních LC filtrů pro konkrétní měniče.

Přestože bylo osazeno více desek, plně funkční je podle závěru práce pouze jeden kus, takže není přesvědčivě splněn požadavek na výrobu a ověření alespoň tří kusů generátoru.
Experimentální část s měniči je prakticky zajímavá, ale metodika vyhodnocení není vždy dostatečně vysvětlena. Není zcela jasné, zda použité „kanály“ měřicího systému skutečně odpovídají frekvenčním pásmům, prahování na 50 % maxima není zdůvodněno a část označená jako měření SNR ve skutečnosti standardní SNR nevyhodnocuje.
Po formální stránce je práce rozsáhlá, ale nevyrovnaná. Obsahuje duplicity, nepřesnosti, hůře čitelná schémata, jazykové chyby a věcné chyby v seznamu zkratek. Některá tvrzení, zejména v oblasti kryptografické bezpečnosti, jsou silnější, než odpovídá doloženým výsledkům.
Celkově student vykonal značné množství práce a dosáhl částečně funkčního prototypu. Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení C / 70 bodů. Topics for thesis defence:
  1. Jak byste správně řešil současný nebo časově vyvážený přenos audio dat do obou I2S zesilovačů?
  2. Proč jste nepoužil pro generování náhodného čísla některou z metod uvednou v teoretickém úvodu, např. ChaCha20? Případně proč jste nevyužil na TRNG z STM32 přímo, pro generování všech audio vzorků?
Points proposed by reviewer: 70

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová