Виды побочных электромагнитных излучений и наводок
Физическую основу случайных опасных сигналов, возникающих во время работы в выделенном помещении радиосредств и электрических приборов, составляют побочные электромагнитные излучения и наводки (ПЭМИН). Процессы и явления, образующие ПЭМИН, по способам возникновения можно разделить на 4 вида:
· не предусмотренные функциями радиосредств и электрических приборов преобразования внешних акустических сигналов в электрические сигналы;
· паразитные связи и наводки;
· побочные низкочастотные излучения;
· побочные высокочастотные излучения.
За рубежом побочные электромагнитные излучения называют «компрометирующими» излучениями (compromising emanations). Факты побочных излучений отмечены еще в XIX веке. Например, в 1884 г. в телефонных аппаратах на улице Грей-Стоун-Род в Лондоне прослушивались телеграфные сигналы, излучаемые неглубоко и параллельно проложенными под землей телеграфными проводами. Первые работы по изучению этих излучений появились еще в 20-е годы, но полномасштабные исследования их начались с 40-50-х годов XX века. Этому способствовало то, что развитие радиоприемной техники к этому времени создало возможности по практическому добыванию информации из побочных излучений. Например, после Второй мировой войны американскими спецслужбами были обнаружены побочные излучения и восстановлен в результате их перехвата информационный сигнал телетайпа советского представительства в Берлине. С середины 80-х годов постоянно растет количество по этой проблеме не только закрытых, но и открытых публикаций.
Побочные преобразования акустических сигналов в электрические сигналы. Преобразователи внешних акустических сигналов в электрические сигналы называются акустоэлектрическими преобразователями.К акустоэлектрическим преобразователям относятся физические устройства, элементы, детали и материалы, способные под действием переменного давления акустической волны создавать эквивалентные электрические сигналы или изменять свои параметры. Классификация акустоэлектрических преобразователей по физическим процессам, создающим опасные сигналы, приведена на рис. 6.1.
Рис. 6.1.Классификация акустоэлектрических преобразователей
На выходе активных акустоэлектрических преобразователей под действием акустической волны возникают электрические сигналы. У пассивных акустоэлектрических преобразователей те же действия акустической волны вызывают лишь изменения параметров преобразователей.
По способам формирования электрического сигнала активные акустоэлектрические преобразователи могут быть электродинамическими, электромагнитными и пьезоэлектрическими.
Опасные сигналы в электродинамических акустоэлектрических преобразователяхвозникают в соответствии с законом электромагнитной индукции при перемещении провода в магнитном поле под действием акустической волны.
Наибольшей чувствительностью обладают электродинамические акустоэлектрические преобразователи в виде динамических головок громкоговорителей (см. рис. 6.2).
Рис. 6.2. Схема электродинамического громкоговорителя
Сущность преобразования состоит в следующем. Под давлением акустической волны соединенная с диффузором катушка в виде картонного цилиндра с намотанной на нем тонкой проволокой перемещается в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом цилиндрической формы. В соответствии с законом электромагнитной индукции в проводах катушки возникает электродвижущая сила (ЭДС), величина которой пропорциональна громкости звука.
Аналогичный эффект возникает в электромагнитных акустоэлектрических преобразователях.К ним относятся электромагниты электромеханических звонков и капсюлей телефонных аппаратов, шаговые двигатели вторичных часов, кнопочные извещатели ручного вызова пожарной службы охраняемого объекта и др. Электрические сигналы индуцируются в катушках электромагнитов этих устройств в результате изменений напряженности создаваемых ими полей, вызванных изменениями под действием акустической волны воздушного зазора между сердечником и якорем электромагнита или статора (неподвижной части) и ротора (подвижной) части электродвигателя. Для приведенной на рис. 6.3 схемы электромагнитного акустоэлектрического преобразователя напряжение Е на концах проволоки, намотанной на катушке, пропорционально количеству витков W, площади s и относительной магнитной проницательности µо сердечника, обратно пропорционально расстоянию Δ между полюсом сердечника и подвижного якоря.
Рис. 6.3. Схема электромагнитного акустоэлектрического преобразователя
Перечень бытовых радио- и электроприборов, в которых возникают подобные процессы и которые устанавливаются в служебных и жилых помещениях, достаточно велик. К ним относятся: телефонные аппараты с электромеханическими звонками, вторичные электрические часы системы единого времени предприятия или организации, вентиляторы и др. Уровни опасных сигналов в этих цепях зависят от конструкции конкретного типа средства и их значения имеют значительный разброс. Например, опасные сигналы, создаваемые звонковой цепью телефонного аппарата, могут достигать значений долей и единиц мВ.
Активными пьезоэлектрическими акустоэлектрическими преобразователямиявляются также некоторые кристаллические вещества (кварц, сегнетовая соль, титанат и ниобат бария и др.), которые широко применяются в радиоаппаратуре для стабилизации частоты и фильтрации сигналов, в качестве акустических излучателей сигналов вызова в современных телефонных аппаратах вместо электромеханических звонков. На поверхности этих веществ при механической деформации их кристаллической решетки (давлении на поверхность, изгибе, кручении) возникают электрические заряды.
В пассивных акустоэлектрических преобразователяхакустическая волна изменяет параметры элементов схем средств, в результате чего изменяются параметры циркулирующих в этих схемах электрических сигналов. В большинстве случаях под действием акустической волны изменяются параметры индуктивностей и емкостей электрических цепей. В соответствии с этим акустоэлектрические преобразователи называются индуктивнымии емкостными.
Если схема электрической цепи содержит катушку с витками проволоки, то под действием акустической волны изменяются расстояние между витками и геометрические размеры самой катушки. В результате этого, как следует из соответствующих формул, изменяется индуктивность катушки. Если, например, катушка является элементом частотно-задающего контура генератора, то изменение индуктивности вызывает частотную модуляцию сигнала генератора. В итоге информация, записанная в параметры акустической волны, переписывается в параметры электрического сигнала, способного перенести ее к злоумышленнику на большое расстояние. Аналогичная картина наблюдается при изменении под действием акустической волны емкости контура генератора.
Если акустоэлектрический преобразователь представляет собой реактивное сопротивление, величина которого меняется в соответствии с параметрами акустического сигнала, то изменение этого сопротивления вызывает амплитудную модуляцию тока в цепи.
Разновидностью индуктивного является магнитострикционный акустоэлектрический преобразователь. Магнитострикцияпроявляется в изменении магнитных свойств ферромагнитных веществ (электротехнической стали и ее сплавов) при их деформировании (растяжении, сжатии, изгибании, кручении). Такое явление называется Виллари-эффектом или обратной магнитострикцией, открытым итальянским физиком Э. Виллари в 1865 г. Этот эффект обусловлен изменением под действием механических напряжений доменной структуры ферромагнетика. Прямая магнитострикция заключается в изменении геометрических размеров и объема ферромагнитного тела при помещении его в магнитное поле. В результате обратной магнитострикции под действием акустической волны изменяется магнитная проницаемость сердечников контуров, дросселей, трансформаторов радио- и электротехнических устройств, что приводит к эквивалентному изменению значений индуктивностей цепи и модуляции протекающих через них высокочастотных сигналов.
К наиболее распространенным случайным акустоэлектрическим преобразователям относятся:
· вызывные устройства телефонных аппаратов;
· динамические головки громкоговорителей, электромагнитные капсюли телефонных трубок, электрические двигатели вторичных часов системы единого времени и бытовых электроприборов;
· катушки контуров, дросселей, трансформаторов, провода монтажных жгутов, пластины (электроды) конденсаторов;
· пьезоэлектрические вещества (кварцы генераторов, виброакустические излучатели акустических генераторов помех);
· ферромагнитные материалы в виде сердечников трансформаторов и дросселей.
Угроза информации от акустоэлектрического преобразователя зависит, прежде всего, от его чувствительности. Чувствительностьакустоэлектрического преобразователя характеризуется отношением величины электрического сигнала на его выходе или изменения падающего на нем напряжения к силе звукового давления на поверхность чувствительного элемента преобразователя на частоте f = 1000 кГц и измеряется в В/Па или мВ/Па. Очевидно, что чем выше чувствительность случайного акустоэлектрического преобразователя, тем больше потенциальная угроза от него для безопасности акустической информации.
Чувствительность в мВ/Па некоторых акустоэлектрических преобразователей приведена в таблице 6.1.
Таблица 6.1
Опасные сигналы, образованные акустоэлектрическими преобразователями, могут: распространяться по проводам, выходящим за пределы контролируемой зоны; излучаться в эфир; модулировать другие, более мощные электрические сигналы, к которым возможен доступ злоумышленников.
Техническую основу для реализации первой угрозы создают, например, неработающий громкоговоритель городской ретрансляционной сети и звонковая цепь телефонных аппаратов устаревших, но широко еще применяемых типов (ТА-68М, ТА-72М, ТАН-70-2, ТАН-76-3, ТА-1146, ТА-1162, ТА-1164 и др.). Головка громкоговорителя непосредственно подключается к кабелю (двухжильному проводу) при приеме первой программы городской ретрансляционной сети через согласующий трансформатор, который повышает амплитуду опасных сигналов до 30-40 мВ. Сигнал такой амплитуды может распространяться по проводам ретрансляционной сети на значительные расстояния, достаточные для снятия информации злоумышленником за пределами территории организации. Однако если в радиотрансляционной сети идет передача речи или музыки, то сигналы этой передачи, имеющие существенно большую (в 100-200 раз) амплитуду и совпадающий диапазон частот, подавляют опасные сигналы. Поэтому работающие громкоговорители, может быть, и мешают работе людей, но исключают утечку информации из помещений через акустоэлектрические преобразователи в громкоговорителях.
Иная ситуация с акустоэлектрическими преобразователями в телефонных аппаратах. Телефонные линии постоянно подключены к источнику тока напряжением порядка 60 В. Хотя опасные сигналы на выходе звонковой сети составляют единицы и доли мВ, их нетрудно отделить с помощью фильтра от значительно более высокого напряжения постоянного тока в телефонной линии. Постоянный ток фильтр не пропускает, а опасные сигналы с речевой информацией от акустоэлектрических преобразователей с частотами в звуковом диапазоне проходят через фильтр с малым ослаблением, а затем усиливаются до необходимого значения.
Опасными сигналами на выходе акустоэлектрических преобразователей, имеющими даже весьма малые значения (доли милливольт), нельзя пренебрегать. Во-первых, чувствительность современных радиоприемников и усилителей электрических сигналов превышает в десятки и сотни раз уровни наиболее распространенных опасных сигналов, а, во-вторых, маломощные опасные сигналы могут модулировать более мощные электрические сигналы и поля и таким образом увеличивать дальность распространения опасных сигналов. Например, если опасные сигналы попадают в цепи генераторов (гетеродинов) любого радио- или телевизионного приемника, то они модулируют гармонические колебания этих генераторов по амплитуде или частоте и распространяются за пределы помещения уже в виде электромагнитной волны. Также поля опасных сигналов на выходе акустоэлектрических преобразователей, которые сами по себе из-за малой напряженности не несут большой угрозы безопасности информации, могут наводить в цепях рядом расположенных радиоэлектронных средств электрические сигналы с аналогичным эффектом.
Паразитные связи и наводки. В любом радиоэлектронном средстве или электрическом приборе наряду с токопроводами (проводами, проводниками печатных плат), предусмотренными их схемами, возникают многочисленные побочные пути, по которым распространяются электрические сигналы, в том числе опасные сигналы акустоэлектрических преобразователей. Эти пути создаются в результате паразитных связей и наводок. Первопричиной их являются поля, создаваемые электрическими зарядами и токами в цепях радиоэлектронных средств и приборов.
Постоянные электрические заряды и электрический ток в элементах и цепях радиосредств и электрических приборов создают соответствующие электрические и магнитные поля, а заряды и ток переменной частоты — электромагнитные поля. Поля распространяются в пространстве и воздействуют на элементы и цепи других технических средств и систем. Кроме того, для функционирования средств и систем необходимо обеспечить гальваническое соединение их элементов. Из-за гальванических соединений возникают дополнительные пути для распространения сигналов одних узлов и блоков по цепям других. В результате воздействия побочных полей и влияния через проводники и резисторы сигналов одних узлов и блоков на сигналы других блоков и узлов возникают паразитные связи и наводки как внутри радиоэлектронных средств, так и между рядом расположенными средствами. Эти связи и наводки ухудшают работу узлов, блоков и средств в целом. Поэтому при проектировании радиоэлектронных средств уровни этих паразитных связей и наводок снижают до допустимых значений. Чем выше требования к характеристикам средств, тем требуются большие усилия, а следовательно, и затраты для нейтрализации паразитных связей и наводок. Основная часть высокой цены (десятки тысяч долларов) высокоточных контрольно-измерительных приборов фирм Hewlett Packard, Ronde & Scwarz и др. приходится на меры по уменьшению паразитных связей и наводок.
Однако, несмотря на принимаемые меры по снижению уровня паразитных связей и наводок для обеспечения требуемых характеристик радиоэлектронного средства, остаточный их уровень создает угрозы для информации, содержащейся в информационных параметрах сигналов, циркулирующих в радиоэлектронном средстве. Поэтому любое радиоэлектронное средство или электрический прибор следует с точки зрения информационной безопасности рассматривать как потенциальный источник угрозы безопасности информации.
Известны три вида паразитных связей:
• емкостная;
• индуктивная;
• гальваническая.
Емкостная связьобразуется в результате воздействия электрического поля, индуктивная — воздействия магнитного поля, гальваническая связь — через общее активное сопротивление.
Модель емкостной паразитной связи представлена на рис. 6.4.
Рис, 6.4.Паразитная емкостная связь
На этом рисунке Ua — переменное напряжение точки А относительно корпуса, создающий электрическое поле. В результате воздействия этого поля в точке В также возникает переменное напряжение.
Так как между рядом расположенными основными и вспомогательными средствами связи существует паразитная емкостная связь, способствующая передаче сигналов с защищаемой информацией от основных технических средств и систем (ОТСС) к вспомогательным техническим средствам и системам (ВТСС), то для определения величины наводки надо знать их паразитные емкости. Эти емкости называются собственными емкостямирадиоэлектронного средства и электрического прибора.
Паразитная индуктивная связьиллюстрируется рис. 6.5.
Рис. 6.5. Паразитная индуктивная связь
Переменный ток, протекающий по цепи А, создает магнитное поле, силовые линии которого достигают проводников другой цепи В и наводят в ней ЭДС
Взаимная индуктивность замкнутых цепей зависит от взаимного расположения и конфигурации проводников. Она тем больше, чем большая часть магнитного поля тока в одной цепи пронизывает проводники другой цепи.
Гальваническую паразитную связьеще называют связью через общее сопротивление, входящее в состав нескольких цепей. Такими общими сопротивлениями могут быть сопротивление соединительных проводов и устройств питания и управления. Например, узлы и блоки компьютера, осуществляющего обработку информации, соединены с напряжением +5 В блока питания. Для установки «0» триггеров дискретных устройств на соответствующие их входы подается одновременно соответствующий сигнал управления. На рис. 6.6 приведена упрощенная схема, иллюстрирующая возникновение гальванической связи.
Рис. 6.6. Паразитная гальваническая связь
В соответствии с ним к блоку питания через общие сопротивления Z01, Z02 и Z03 подключены узел 1 и узел 2 радиоэлектронного средства. Сигнал напряжением Uи 1-го узла создает токи Iц1 и Iц2 в результате которых на эквивалентном сопротивлении Zн 2-го узла возникает напряжение наводки Uh. Отношение β = Uн /Uи называется коэффициентом паразитной гальванической связи.
Если побочные поля и электрические токи являются носителями защищаемой информации, то паразитные наводки и связи могут приводить к утечке информации. Следовательно, паразитные связи и наводки представляют собой побочные физические процессы и явления, которые могут приводить к утечке защищаемой информации.
Возможность утечки информации через паразитные связи и наводки носит вероятностный характер и зависит от многих факторов, в том числе от конфигурации, размеров (относительно периода колебаний протекающих токов) и взаимного положения излучающих и принимающих токопроводящих элементов средств. В отличие от предусмотренных для связи функциональных антенн, конструкция и характеристики которых определяются при создании радиопередающих и радиоприемных средств, эти элементы можно назвать случайными антеннами.
Случайными антеннами могут быть монтажные провода, соединительные кабели, токопроводы печатных плат, выводы радиодеталей, металлические корпуса средств и приборов и другие элементы средств. Параметры случайных антенн существенно хуже функциональных. Но из-за небольших расстояний между передающими и приемными случайными антеннами (в радиоэлектронном средстве или одном помещении) они создают угрозы утечки информации.
Случайные антенны имеют сложную и часто априори неопределенную конфигурацию, достаточно точно рассчитать значения их электрических параметров, совпадающих с измеряемыми, очень сложно. Поэтому реальную случайную антенну заменяют ее моделями в виде проволочной антенны — отрезка провода (вибратора) и рамки.
Паразитные связи могут вызывать утечку информации по проводам и создавать условия для возникновения побочных электромагнитных излучений. За счет паразитных связей возникают опасные сигналы в проводах кабелей различных линий и цепей, в том числе в цепях заземления и электропитания, а также возникают паразитные колебания в усилителях, дискретных устройствах и др.
Серьезную угрозу безопасности информации создают наводки сигналов ОТСС на провода и кабели, выходящие за пределы контролируемой зоны (рис. 6.7).
Рис. 6.7. Паразитные наводки
Когда ток проходит по проводникам первой цепи (Ц1), вокруг них создается магнитное поле, силовые линии которого пронизывают проводники второй цепи (Ц2). В результате этого по цепи Ц2 потечет помимо основного еще и переходной ток, создающий помеху основному. Защищенность от взаимных помех оценивается так называемым переходным затуханием Z = 101gPcl/Pн2 , где Рс1 и Рн2 — мощность сигналов в 1-й цепи и наводки от них во 2-й цепи. Для надежной защиты информации переходное затухание должно быть не менее величины 101gPc/Pпр, где Рс и Рпр — мощность сигнала с информацией и чувствительность приемника злоумышленника, перехватывающего наведенный сигнал. Так как кабели в здании укладываются в специальных колодцах и нишах, то между кабелями за счет их достаточно близкого и параллельного на большом расстоянии расположения возникают достаточно большие паразитные связи между кабелями внутренней и городской АТС, других информационных линий связи, цепями электропитания и заземления. Так как сотрудники организации при разговоре по телефонам внутренней АТС чаще допускают нарушения режима секретности (конфиденциальности), чем во время разговора по городской АТС, то при регулярном подслушивании разговоров по внутренней АТС можно добыть ценную информацию.
Современная архитектура служебных помещений предусматривает создание между межэтажными перекрытиями и потолком (полом) свободного пространства для прокладки различных кабелей (электропитания, внутренней и городской АТС, трансляции, оперативной и диспетчерской связи, сетей передачи данных и др.). Это создает дополнительные возможности для возникновения между проводами кабелей паразитных связей и появления опасных сигналов, распространяющихся за пределы контролируемой зоны.
Низкочастотные и высокочастотные излучения технических средств.Большую угрозу безопасности информации создают также побочные излучения радио- и электротехническими средствами электромагнитных полей, содержащих защищаемую информацию. Источниками излучений могут быть цепи, содержащие статические или динамические заряды (электрический ток), в информационные параметры которых тем или иным способом записывается защищаемая информация. Носители защищаемой информации в виде статических или динамических зарядов могут попадать в эти цепи непосредственно, если эти цепи участвуют в обработке, передаче и хранении защищаемой информации или сами элементы цепей обладают свойствами акустоэлектрических преобразователей, или опосредованно, когда опасные сигналы проникают в излучающие цепи через паразитные связи.
Вид излучения и характер распространения электромагнитного поля в пространстве зависит от частоты колебаний поля и вида излучателя. Различают низкочастотное и высокочастотные опасные излучения.
Под низкочастотными излучениями понимаются излучения электромагнитных полей, частоты которых соответствуют звуковому диапазону. Источниками таких излучений являются устройства и цепи звукоусилительной аппаратуры (микрофоны, усилители мощности, аудиомагнитофоны, громкоговорители и их согласующие трансформаторы, кабели между микрофонами и усилителями, усилителями и громкоговорителями, цепи, содержащие случайные акустоэлектрические преобразователи, телефонные аппараты и кабели внутренней АТС и др.).
Наибольшую угрозу создают средства звукофикации помещений для озвучивания акустической информации, содержащей государственную или коммерческую тайну. Эти средства включают микрофоны, усилители мощности, громкоговорители, устанавливаемые на стенах больших помещений (залов для совещаний, конференц-залов) или в спинки кресел, а также соединительные кабели. Причем часто усилители мощности размещаются в техническом помещении, удаленном на значительном расстоянии от конференц-зала. По проводам кабелей звукоусилительной аппаратуры протекают большие токи, составляющие доли и единицы ампер. Эти токи создают мощные магнитные поля, которые, во-первых, могут распространяться за пределы выделенного помещения, здания и даже организации, а во-вторых, наводить ЭДС в любых токопроводящих конструкциях, в том числе в цепях электропитания и металлической арматуре зданий.
К высокочастотным опасным излучениямотносятся электромагнитные поля, излучаемые цепями радиоэлектронных средств, по которым распространяются высокочастотные (выше звукового диапазона) сигналы с секретной (конфиденциальной) информацией. Можно утверждать, что если не приняты специальные дополнительные меры, то источниками подобных опасных побочных ВЧ-излучений могут быть любые цепи радио – и электрических средств. К основным источникам побочных излучений с мощностью, достаточной для распространения электромагнитного поля за пределы контролируемой зоны, например помещения, относятся:
· гетеродины радио- и телевизионных приемников;
· генераторы подмагничивания и стирания аудио- и видеомагнитофонов;
· усилители и логические элементы в режиме паразитной генерации;
· электронно-лучевые трубки средств отображения защищаемой информации (мониторов, телевизоров);
· элементы ВЧ-навязывания;
· мониторы, клавиатура, принтеры и другие устройства компьютеров, в которых циркулируют сигналы в параллельном коде.
Гетеродины радио- и телевизионных приемниковявляются генераторами гармонических колебаний, необходимыми для преобразования частоты принимаемого сигнала в промежуточную частоту. Гармоническое колебание с гетеродина подается на смеситель, на нелинейном элементе (диоде или транзисторе) которого осуществляется преобразование входного (принимаемого) сигнала в сигнал промежуточной частоты. Частоты сигналов гетеродинов отличаются на величину промежуточной частоты (465 кГц — для ДВ-, СВ- и КВ-диапазонов, 10 МГц — для УКВ-диапазонов) от принимаемых сигналов и могут иметь значения от сотен кГц до десятков ГГц. Если элементы контура (индуктивность и емкость) гетеродина обладают свойствами акустоэлектрических преобразователей или в него проникают опасные сигналы от других акустоэлектрических преобразователей, то возможна амплитудная или частотная модуляция сигналов гетеродина. Мощность излучения модулированных сигналов гетеродина тем больше, чем ближе значения длины волны гармонического колебания к длине цепей, по которым протекают сигналы гетеродинов. Часто она бывает достаточной для подслушивания речевой информации в кабинете руководителя с включенным радио- или телевизионным приемником с помощью бытовых радиоприемников в соседних помещениях или даже зданиях.
Генераторы сигналов высокочастотного подмагничивания и стираниямагнитофонов создают гармонические колебания на частотах в сотни кГц. Генераторы сигналов высокочастотного подмагничивания необходимы для обеспечения аналоговой аудио- и видеозаписи с малыми нелинейными искажениями. Зависимость остаточной намагниченности магнитной пленки от напряженности магнитного поля в головке записи нелинейная, что вызывает нелинейные искажения в записанном сигнале. Путем подачи в магнитную головку наряду с током записи дополнительного тока подмагничивания с частотой около 100 кГц и амплитудой, в 6-8 раз превышающей максимальную амплитуду тока записи, устанавливается рабочая точка для тока записи на линейном участке кривой намагничивания магнитной ленты. В результате выбора оптимального тока подмагничивания удается уменьшить нелинейные искажения сигналов записи до единиц процентов.
Генератор высокочастотного стирания обеспечивает стирание записанной на магнитную ленту информации путем размагничивания ее магнитного слоя практически до нуля. Для этого в стирающую головку аудиомагнитофона подается ток с частотой 50-100 кГц. При такой частоте тока стирания и уменьшения напряженности магнитного поля головки в результате удаления стираемого элементарного участка движущейся магнитной ленты от зазора стирающей магнитной головки происходит многократное перемагничивание участка с убывающей до нуля намагниченностью. В отличие от высокочастотного стирания уничтожение информации путем воздействия на магнитный слой магнитным полем постоянного магнита, который применяется в качестве стирающей головки в специальных диктофонах, обеспечивается путем намагниченности магнитного слоя ленты до насыщения.
Паразитная генерацияможет возникнуть при определенных условиях в усилителях и логических элементах дискретной техники. Логический элемент рассматривается в данном контексте как усилитель с очень высоким коэффициентом усиления.
Так как между элементами усилителя всегда существуют емкостные, индуктивные и гальванические паразитные связи, то на входе усилителя наряду с усиливаемым внешним сигналом присутствуют сигналы, проникшие во входные цепи через паразитную обратную связь, в том числе с выхода усилителя. Обобщенная математическая модель усилителя с обратной связью представлена на рис. 6.8.
Рис. 6.8. Модель усилителя с обратной связью
Режим усиления переходит в режим генерации, когда выходной сигнал достигает максимального значения и поддерживается на этом уровне независимо от Ubx.
Например, если К = 10, то для возникновения генерации необходимо проникновение 0,1 части выходного сигнала на вход усилителя. Для усилителя с К = 100 достаточно поступления на его вход 0,01 части выходного сигнала. Эта зависимость объясняет возможность паразитной генерации в логических элементах дискретной техники. Высокий коэффициент усиления логического элемента и высокая частота спектральных составляющих фронта дискретного сигнала создают благоприятные условия для возникновения паразитной генерации в логических элементах.
Второе условие предусматривает, что изменение фазы сигнала обратной связи должно быть противоположно величине фазового сдвига усилителя. Это означает, что фазы внешнего сигнала и сигнала обратной связи должны быть приблизительно равными. Обратная связь, при которой фаза сигнала на входе усилителя совпадает с фазой сигнала обратной связи, называется положительной,а когда фазы этих сигналов противоположные — отрицательной.Если положительная обратная связь способствует паразитной генерации, то отрицательная, наоборот, повышает стабильность работы усилителя, но за счет некоторого снижения напряжения на выходе усилителя. Поэтому в усилителях с высоким коэффициентом усиления для исключения паразитной генерации создают между каскадами отрицательную обратную связь, а также применяют комплекс мер по уменьшению паразитных связей. С этой целью при монтаже используют короткие экранированные провода, элементы входных и выходных цепей разносят на максимально возможное расстояние, экранируют трансформаторы усилителей, в цепи питания предварительных каскадов устанавливают RC-фильтры низких частот, усилительные каскады размещают в одну линию и др.
Опасность паразитной генерации состоит также в том, что она часто возникает на частотах выше рабочего диапазона и без специальных исследований не обнаруживается. Действительно, с ростом частоты обрабатываемых сигналов уменьшаются значения паразитных емкостных и индуктивных сопротивлений между каскадами. В результате этого увеличиваются Кос и сдвиг фазы сигналов, прошедших через паразитные связи. Поэтому возможность выполнения условий генерации в усилителе на частотах, превышающих верхнюю частоту рабочего диапазона частот усилителя, повышается. Хотя на этой частоте полезные сигналы на вход усилителя не подаются, но на его входе присутствуют сигналы, обусловленные тепловым шумом и проникшие через паразитную обратную связь. Любая шумовая реализация на входе усиливается усилителем и частично возвращается через паразитную обратную связь на его вход. При равенстве фаз величина суммарного сигнала на входе усилителя повышается, что приводит к росту сигнала на выходе усилителя. Следствием этого является увеличение сигнала Uoc и дальнейшее увеличение сигнала на входе усилителя и т. д. Происходит лавинообразный процесс нарастания амплитуды сигнала на входе и выходе усилителя, завершаемый процессом непрерывной генерации на частоте ωрез. Поэтому не рекомендуется, например, применять в усилителях низкой частоты высокочастотные транзисторы, которые усиливают шумы с частотами выше верхней границы рабочего диапазона частот.
Паразитная генерация усилителя или логического элемента создает угрозу информации, если она записывается в информационные параметры паразитного колебания, т. е. происходит его модуляция информационными сигналами. Это явление возникает в случае, если цепи паразитного генератора содержат акустоэлектрические преобразователи или в них попадают опасные сигналы от других случайных акустоэлектрических преобразователей усилителя.
Люминофор электронно-лучевых трубок средств отображения под действием электронов излучает, кроме света, электромагнитное поле в широком диапазоне радиочастот с напряженностью, которая обеспечивает возможность перехвата сигналов на удалении в десятки метров. Учитывая, что сигналы управления электронным лучом трубки подаются последовательно во времени, их побочные ВЧ-излучения создают серьезную угрозу для отображаемой на экране трубки информации.
Устройства компьютера, в которых распространяются сигналы в последовательном коде (мониторы, клавиатура, принтеры и другие), также представляют собой источники опасных сигналов. Замена монитора компьютера на электронно-лучевой трубке на жидкокристаллический монитор не устраняет проблему защиты информации, отображаемой на его экране. Хотя экран жидкокристаллического монитора не создает опасные излучения, но в устройстве управления значениями пикселей строки монитора присутствуют последовательные информационные сигналы. Спектр этих сигналов имеет широкий спектр в диапазоне сотен МГц. В результате их перехвата возможно восстановление изображения.
К излучающим элементам ВЧ-навязыванияотносятся радио - и механические элементы, которые обеспечивают модуляцию подводимых к ним внешних электрических и радиосигналов. К таким элементам относятся:
· нелинейные элементы, на которые одновременно поступают низкочастотный электрический сигнал с защищаемой информацией (опасный сигнал) и высокочастотный гармонический сигнал;
· токопроводящие механические конструкции, изменяющие свой размер и переотражающие внешнее электромагнитное поле.
Если на нелинейный элемент (диод, транзистор) подаются 2 сигнала: низкочастотный сигнал uс(t), в информационные параметры, которых, записана информация, и высокочастотный (сотни кГц – единицы ГГц) гармонический сигнал uвч от внешнего генератора, то в токе через нелинейный элемент появятся высокочастотные составляющие, модулированные по амплитуде опасным сигналом.
Из этого следует наличие в спектре тока высокочастотных гармоник опасного сигнала, несущих защищаемую информацию. Этот ток создает электромагнитное поле, мощность которого зависит не только от мощности сигналов, но и от соотношения длины его волны и длины цепи, по которой протекает ток. Такой вариант реализуется путем подачи внешнего высокочастотного электрического сигнала в телефонную проводную линию.
Другим видом излучателя ВЧ-навязывания являются механические конструкции, способные изменять свой размер под действием акустической волны и переотражать внешнее электромагнитное поле. Такие конструкции, как правило, образуют замкнутую полость с токопроводящими поверхностями, одна из которых – тонкая и способна колебаться в соответствии с акустическим сигналом мембрана. При колебании мембраны изменяются геометрические размеры полости. Полость представляет собой колебательный контур, собственная частота которого определяется ее геометрическими размерами. При облучении конструкции электромагнитным полем с частотой колебания, равной собственной частоте контура, возникают резонансные явления и переотражается максимум энергии облучаемого поля. При колебаниях мембраны изменяются частота и напряженность переотраженного поля. После приема переотраженного поля из него можно выделить путем демодуляции электрический сигнал, соответствующий акустическому. Такой излучатель ВЧ-навязывания по существу представляет собой пассивный акустоэлектрический преобразователь подводимой энергии.
Дальность распространения излучаемого ВЧ-электромагнитного поля зависит от его мощности, частоты колебания, величины затухания поля в среде и характера распространения поля.
Характер распространения электромагнитного поля в свободном пространстве описывается 4 уравнения Максвелла, приведенными им в 1873 г. в труде «Трактат об электричестве и магнетизме». Эти уравнения явились обобщением открытых ранее законов электрического и магнитного полей.
В соответствии с первым уравнением любое магнитное поле создается электрическими токами и изменением во времени электрического поля. Второе уравнение обобщает закон электромагнитной индукции, открытый Фарадеем в 1831 г., и указывает на то, что в результате изменения магнитного поля в любой среде появляется электрическое поле. Из третьего уравнения Максвелла следует, что поток вектора электрической индукции через любую замкнутую поверхность равен сумме зарядов в объеме, ограниченном этой поверхностью. Четвертое уравнение позволяет сделать вывод о том, что число силовых линий магнитного поля, входящих в среду некоторого объема, равно числу силовых линий, выходящих из этого объема. Это возможно при условии отсутствия в природе магнитных зарядов.
Из уравнений Максвелла также следует, что автономно (независимо) в природе могут существовать только постоянные электрические и магнитные поля. Поле, излучаемое зарядами и токами переменной частоты, является электромагнитным. В нем присутствуют электромагнитные и электрические компоненты, которые описываются взаимно перпендикулярными векторами. В зависимости от вида излучателя и расстояния от него до точки измерения характер изменения и соотношения между этими компонентами отличаются и изменяются. Характер распространения электромагнитного поля поддается точному математическому описанию для моделей излучателей в виде элементарных вибраторов. В качестве элементарного вибратора рассматривается модель излучателя, размеры которой существенно меньше длины волны излучаемого электромагнитного поля и расстояния от излучателя до точки измерения. Для такой модели параметры излучения во всех точках принимаются равными. Различают элементарные электрический вибратор и магнитную рамку. Электрический вибратор возбуждается источником переменной электродвижущей силы (источником зарядов), магнитная рамка — протекающим по рамке током.
В реальных условиях, с учетом переотражения электромагнитных волн от многочисленных преград (зданий, стен помещений, автомобилей и т. д.), характер распространения столь сложен, что в общем случае не поддается строгому аналитическому описанию.
В зависимости от соотношения геометрических размеров источников излучений и расстояния от них до точки измерения поля различают сосредоточенные и распределенные источники.Сосредоточенные источники имеют размеры, существенно меньшие, чем расстояние от источника до точки наблюдения. К сосредоточенным источникам относится большинство радиоэлектронных средств и их узлов, а также головки громкоговорителей. Для распределенных источников их геометрические размеры соизмеримы или больше расстояния до них. Типовые распределенные источники электромагнитного излучения – провода кабелей линий связи.
Утечка информации по цепям электропитания. К цепям, имеющим выход за пределы контролируемой зоны и в которые могут проникнуть опасные сигналы через паразитные связи любых видов, относятся, прежде всего, цепи электропитания. Поэтому предотвращение утечки информации по этим цепям является одной из задач инженерно-технической защиты информации.
Цепи электропитания обеспечивают передачу электрической энергии в виде переменного электрического тока напряжением 380/220 В и частотой 50 Гц от внешних источников (подстанций) подавляющему большинству устанавливаемых в помещениях радио- и электрических приборов (технических средств и систем – ТСС). Соединение источника и приемника производят при помощи трех или четырех проводов. При трехпроводной линии передачи источники могут быть соединены как треугольником, так и звездой (рис. 6.9).
Рис. 6.9. Схема цепей электропитания здания
В последнем случае точка соединения концов обмоток трансформатора (нейтральный провод – нейтрал) остается неподключенной и схема подключения не имеет нейтрального провода. Чаще используемую четырехпроводную линию передачи электроэнергии применяют при соединении фаз источника и приемника звездой. Один из проводов соединяет точки нейтралей и заземляется (рис. 6.9). Напряжение каждой фазы относительно нейтрального провода (фазовое напряжение) при соединении звездой составляет 220 В, линейное напряжение (между фазами) больше – 380 В. Трехфазное напряжение применяется для электропитания в основном мощных электродвигателей различных технических средств, однофазное напряжение 220 В – для электропитания радиоэлектронных средств и бытовых маломощных электрических приборов (ламп освещения, вентиляторов, холодильников, электронагревательных приборов и др.).
В качестве первичных источников электропитания ТСС используются трансформаторные подстанции (ТПС) типа ТП 6-10/04 кВ или другие, понижающие трехфазное напряжение 6…10 кВ от центрального распределительного пункта (ЦРП) или главной понижающей подстанции (ГПП) до трехфазного напряжения 380 В. К потребителям электроэнергия от трансформаторной подстанции подается, как правило, по радиальной схеме, в соответствии с которой каждый потребитель или их группа питается по отдельной линии от соответствующего коммутационного узла. Линии передачи представляют собой, как правило, четырехжильные силовые кабели.
Так как цепи электропитания выходят за пределы охраняемой зоны, то распространение по ним опасных сигналов создает угрозу безопасности защищаемой информации. Существуют, по крайней мере, 4 причины появления опасных сигналов в цепях электропитания.
Первой причиной является наведение в них ЭДС полями НЧ и ВЧ побочных излучений ОТСС.
Вторая причина обусловлена модуляцией тока электропитания токами радиоэлектронного средства (РЭС). Иллюстрирующая эту причину модель представлена на рис. 6.10.
Рис. 6.10. Модель цепи электропитания
Источником электропитания радиоэлектронного средства является блок питания, который можно представить в виде передаточной функции K(jω). Нагрузкой вторичного источника электропитания являются узлы и блоки РЭС. Эту нагрузку можно представить в виде сопротивления или проводимости GH(t). Величина проводимости нагрузки меняется в соответствии с характером изменения величины обрабатываемого полезного сигнала S(t), или. GH(t) ≡ S(t). Поэтому ток в цепи электропитания блока Iэп будет пропорционален величине обрабатываемого полезного сигнала S(t). Из анализа следует, что ток в цепи электропитания содержит составляющие с частотами полезного сигнала, которые можно выделить и с которых можно снять информацию.
Типовой вторичный источник питания (блок питания) состоит из следующих последовательно соединяемых узлов:
· сетевого трансформатора с коэффициентом трансформации п;
· выпрямителя;
· фильтра блока питания;
· стабилизатора;
· устройства для защиты блока питания от короткого замыкания.
Трансформатор преобразует напряжение 220 В в напряжение питания узла (блока) радиоэлектронного средства. Для получения постоянного напряжения переменный ток выпрямляется и с целью уменьшения пульсаций фильтруется. Параметры фильтра определяются из условия обеспечения допустимого коэффициента пульсаций напряжения питания порядка 1-2% выходных каскадов РЭС, токи в которых составляют большую часть токов через эквивалентную нагрузку с проводимостью G .
Каждый из узлов блока питания оказывает определенное влияние на K(jω). Наибольшие искажения вносят фильтр питания и стабилизатор, которые можно представить в виде фильтра низкой частоты с максимальной частотой пропускания около 30 Гц. Следовательно, типовой вторичный источник питания пропускает от РЭС в цепи электропитания сигналы в диапазоне 0-30 Гц. Если в радиоэлектронном средстве осуществляется обработка (усиление) речевых сигналов, то вторичный источник питания вырезает из его спектра участок шириной до 30 Гц и подавляет спектральные составляющие большей частоты. Учитывая, что спектр речевого сигнала лежит в диапазоне сотен Гц-единиц кГц, вторичный источник питания не пропускает спектральные составляющие речевого сигнала, но пропускает его огибающую. Огибающая речевого сигнала имеет полосу до 60-100 Гц, но его основная энергия сосредоточена в полосе до 30 Гц. Попадание огибающей речевого сигнала в цепи электропитания позволяет при ее перехвате понять смысл сообщения.
В соответствии с третьей причиной опасный сигнал может попасть в цепи электропитания через паразитные связи элементов схемы и элементов блока питания. Например, между первичной и вторичной обмотками сетевого (силового) трансформатора существуют индуктивная и емкостная паразитные связи, через которые опасные сигналы могут поступать от узлов и блоков РЭС в цепи электропитания без существенного ослабления его сердечником трансформатора.
Четвертая причина вызвана процессами в импульсных блоках питания РЭС, которые применяются вместо традиционных блоков питания с силовыми трансформаторами для частоты 50 Гц. Силовой трансформатор низкой частоты традиционного блока питания имеет большие габариты и вес, которые сдерживают миниатюризацию бытовой и профессиональной радиоаппаратуры. Также велики размеры и вес элементов фильтров (индуктивностей и конденсаторов) выпрямителя блока питания при преобразовании напряжений на частоте 50 Гц. С повышением частоты питающего напряжения уменьшаются габариты и вес блока питания. Поэтому для радиоаппаратуры, устанавливаемой, например, на борту самолетов, используются источники электропитания на более высокой частоте 400 Гц.
В современных импульсных блоках питания напряжение 220 В от первичного источника коммутируется электронным ключом, управляемым импульсным генератором с частотой повторения импульсов порядка 100 кГц. Высокочастотное питающее напряжение подается на импульсный трансформатор, выпрямитель, стабилизатор и фильтр блока питания с существенно меньшими габаритами и весом.
Однако высокочастотный ток, протекающий через ключ, имеет сложную форму и, соответственно, широкий спектр. Этот спектр может содержать составляющие, образующиеся в результате комбинаций сигналов импульсного генератора и информационных сигналов, проникающих через паразитные связи из узлов РЭС в элементы блока питания. Высокая частота этих опасных сигналов обеспечивает условия для их излучения в эфир с уровнем, достаточным для обнаружения и приема на удалении нескольких десятков метров.
Дата добавления: 2015-04-10; просмотров: 6602;