Анализ методов высокочастотного навязывания в проводных линиях Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Список литературы:

1. Charmaine Kenny, Krzysztof Mosurski. Distributed Systems Group-Random Number Generators: An Evaluation and Comparison of Random.org and Some Commonly Used Generators, Trinity College Dublin, April, 2005.

2. Алхуссайн А.Х., Стефанюк В.Л. Design And Implementation of Encryption Algorithm Based on Genetic Algorithm and Pseudorandom Number Generators // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». - Пенза: Пензенский государственный университет, 2014. - Т. 1. - С. 255-258.

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАВЯЗЫВАНИЯ В ПРОВОДНЫХ ЛИНИЯХ

© Ахметова А.А.*, Панцыр Р.Я.*

Московский институт электронной техники, г. Москва

Одним из наиболее сложных и трудоемких процессов выявления демаскирующих признаков закладных устройств в проводных коммуникациях был и остается процесс поиска акустопараметрических преобразователей. Эффективные поисковые мероприятия невозможны без понимания особенностей построения и функционирования закладных устройств такого типа. Статья посвящена анализу параметрических акустоэлектрических преобразователей и схемы их построения, основам высокочастотного навязывания параметрического преобразователя, а также анализу методов амплитудного и частотного навязывания.

Ключевые слова акустопараметрический преобразователь, высокочастотное навязывание, закладное устройство, амплитудное навязывание, частотное навязывание.

Анализ параметрических акустоэлектрических преобразователей

Акустоэлектрическое преобразование - преобразование акустической энергии (энергии упругих колебаний) в электромагнитную. При этом имеет место, в основном, двойное преобразование энергии: акустомеханическое, при котором за счет звукового давления возникают колебания некоторой механической системы и механоэлектрическое, в результате которого часть энергии колебаний механической системы переходит в электрическую.

Основной технический показатель акустоэлектрического преобразователя - его чувствительность ^ к воздействию звукового поля, определяемая как отношение параметра электрического сигнала на выходе преобразователя к вызывающему его звуковому давлению:

* Магистрант кафедры «Информационная безопасность».

* Доцент кафедры «Информационная безопасность», кандидат технических наук.

ц = и / Р,

где и - напряжение на выходе преобразователя; Р - воздействующее звуковое давление.

С точки зрения выявления закладных устройств (ЗУ) в проводных линиях, предназначенных для негласного получения информации, все многообразие акустоэлектрических преобразователей можно разделить на два класса [5]:

1. Индукционные акустоэлектрические преобразователи - воздействие звукового давления на которые, приводит к появлению в выходных цепях ЭДС опасного сигнала, т.е. преобразователи акустической энергии в электрическую (пьезоэлектрические, электретные, электродинамические, электромагнитные, магнитострикционные преобразователи) (рис. 1а). Индукционный акустоэлектрический преобразователь можно представить в виде источника напряжения иоп0) которое изменяется пропорционально воздействующему звуковому давлению Р. Rвн - внутреннее сопротивление источника. Чувствительность такого преобразователя определяется его электромеханическими свойствами и представляет собой отношение амплитуды опасного сигнала на его выходе к амплитуде вызвавшего его звукового давления;

2. Параметрические (модулирующие) - в которых под действием акустических колебаний происходит изменение какого либо электрического параметра преобразователя (сопротивления, емкости или индуктивности), что в свою очередь приводит к преобразованию энергии внешнего источника постоянного тока в энергию переменного тока, или к модуляции опасным сигналом высокочастотного напряжения внешнего источника переменного тока (конденсаторные и резистивные преобразователи) (рис. 1б). Такой преобразователь можно представить как переменное комплексное сопротивление z(t), изменяющееся под действием звукового давления. Для появления на выходе параметрического преобразователя напряжения опасного сигнала его надо подключить к внешнему источнику тока I. Тогда амплитуда напряжения опасного сигнала будет равна произведению силы этого тока на амплитуду изменения комплексного сопротивления Д2. Т.е. чувствительность помимо свойств самого преобразователя зависит и от силы протекающего через него тока.

Таким образом, для выявления ЗУ в проводных линиях, выполненных в виде параметрического акустоэлектрического преобразователя необходим источник внешних воздействий. Следует отметить, что такие проводные ЗУ могут не содержать нелинейных элементов.

Выделяют следующие основные группы параметрических акустоэлектрических преобразователей [1]:

и г

I ) и оп (<)

а) Индукционный: л = иоп / Р б) Параметрический: л = / Р Рис. 1. Акустоэлектрические преобразователи

1. Электростатические преобразователи, действие которых основано на изменении электрической емкости воздушного конденсатора при колебаниях одного из электродов. Различают конденсаторные и электретные электростатические преобразователи. Электромеханическая схема конденсаторного преобразователя приведена на рис. 2 [1].

5

С й

Р

ип

и0

+

V

Рис. 2. Конденсаторный преобразователь

На конденсатор с площадью пластин S через высокоомное сопротивление RН подано поляризующее напряжение и0. Если расстояние d между электродами конденсатора изменяется под воздействием звукового давления Р (2М - механическое сопротивление звуковому давлению), то соответственно изменяется емкость конденсатора С0: ДС / С0 = -ДЛ/Л. Изменение емкости вызывает изменение напряжения на конденсаторе Ди/и0 = ДС/С0. Это дополнительное напряжение Ди будет являться опасным сигналом иоп от действия звукового давления. Акустическая чувствительность такого преобразователя:

и0 • а

й -а ■ 2,

к

вн

й

к

Н

где а - частота акустических воздействий.

Увеличение акустической чувствительности достигается уменьшением зазора между обкладками конденсатора и увеличением площади его пластин.

2. Приемники звука, принцип действия которых основан на изменении электрического сопротивления чувствительного элемента под действием звукового давления - резистивные преобразователи, например угольные микрофоны или полупроводниковые приемники, в которых используется т.н. тензо-резистивный эффект - зависимость сопротивления полупроводника от механических напряжений. Для работы таких преобразователей к ним, как и к конденсаторным преобразователям, необходимо приложить внешнее напряжение.

Если к таким преобразователям приложить не постоянное, а переменное гармоническое напряжение, то изменение сопротивления преобразователя приведет к амплитудной модуляции воздействующего напряжения. Таким образом, такие преобразователи могут использоваться и в электрических цепях, развязанных по постоянному току. Съем информации, за счет воздействия переменным током на проводные линии, к которым подключены параметрические акустоэлектрические преобразователи, получил название высокочастотного навязывания (ВЧ-навязывания).

ВЧ-навязывание параметрического преобразователя

В качестве параметрического преобразователя рассмотрим угольный микрофон, сопротивление которого изменяется под воздействием акустического давления. Положим, что закон изменения звукового давления, приводящего в колебание мембрану микрофона, подчиняется уравнению

p = Pm•sm(юt), где Р1п - амплитуда звукового давления.

Если допустить линейную зависимость между звуковым давлением и изменением сопротивления угольного микрофона, то сопротивление в динамическом состоянии этого микрофона можно выразить формулой

RМ = Rд - гш^ш((М),

где гт - амплитуда добавочного переменного сопротивления, вызванного колебаниями мембраны, и ю - угловая частота звуковой волны. Что же касается величины Rд, то она является так называемым динамическим сопротивлением и представляет собой некоторое среднее значение, относительно которого происходит изменение сопротивления угольного микрофона в его динамическом состоянии.

Рассмотрим цепь микрофона, находящегося под действием синусоидально изменяющегося звукового давления и воздействием ВЧ колебания аппаратуры навязывания (рис. 3) [3].

ХСк

R г

BF1 [О,

s(t)

О

Рис. 3. Схема исследуемой цепи

Угольный микрофон BF1 через емкостное сопротивление Хск развязывающего конденсатора подключен к источнику переменного тока s(t) с внутренним сопротивлением RГ. Пусть воздействующий сигнал изменяется по синусоидальному закону s(t) = ин^ш(юн4), где ин - амплитуда напряжения воздействующего сигнала, юн - его угловая частота. Тогда ток в микрофонной цепи равен

. = ин ■ 5шОяО

Хск + К + Кг - гт • )

Обозначив R = Хск + ЯГ + Яд, перепишем последнее равенство в виде

• 81п(^ t)

i =

^(l — m ■ sin(G))

или

i = Uh ) (1 + m ■ sin(Gt) + m2 ■ sin2 (rnt) + m3 ■ sin3 (rnt) +...),

где m = rm / R - коэффициент модуляции.

Из рассмотрения этого выражения видно, что синусоидальной форме изменений звукового давления соответствует несинусоидальная форма модулирующего тока. При небольшом коэффициенте модуляции m представляется возможным пренебречь членами, заключенными в скобки, начиная с третьего и далее, тогда напряжение опасного сигнала, соответствующее изменению звукового давления можно записать в виде:

UH . , .

Uоп =~R~ rm sin(Gt)

Амплитудная модуляция опасным сигналом зондирующего высокочастотного сигнала приведена на рисунке 4.

•иаи Ун

Рис. 4. Вид опасного зондирующего высокочастотного сигнала

Максимальное отклонение амплитуды сигнала от среднего значения Ц: будет определять амплитуду опасного сигнала ^п-

Приближение, допущенное за счет пренебрежения членами предыдущего уравнения дало несколько преуменьшенное значение опасного сигнала, точная величина которого:

ин ...

2 - г2

т

Для повышения отношения сигнал/шум на выходе аппаратуры навязывания целесообразно до амплитудного детектора установить полосовой фильтр на частоту % согласованный по полосе со спектром опасного сигнала [4].

Анализ схемы построения аппаратуры ВЧ-навязывания

Схема аппаратуры ВЧ-навязывания параметрических акустоэлектриче-ских преобразований приведена на рисунке 5.

Акустический сигнал

Рис. 5. Схема выявления параметрического микрофонного эффекта

На параметрический преобразователь, подключенный к проводной линии, воздействует акустический сигнал речевого диапазона частот. Параметрический акустоэлектрический преобразователь на рис. 5 представлен в виде переменного сопротивления Zn, изменяющегося под действием акустического давления. Сопротивление линии - Zn. Для выявления параметрического микрофонного эффекта используют специальную аппаратуру навязывания, представляющую собой генератор воздействующего сигнала s(t) с внутренним сопротивлением Zr и детектор Д.

Изменение сопротивления Zn можно выявить как при амплитудной, так и при частотной модуляции воздействующего сигнала s(t).

Анализ метода амплитудного навязывания

Если исследуемая цепь питается идеальным генератором тока (Zr = да), т.е. амплитуда питающего тока постоянна (I = const), то напряжение на входе детектора (при входном сопротивлении детектора равным да и Zn = 0)

U = I • Zn.

Тогда, изменение под действием акустического давления сопротивления Zn на величину AZ от его среднего значения приведет к амплитудной модуляции напряжения генератора uH(t), и напряжение на выходе амплитудного детектора Д будет повторять воздействующий акустический сигнал.

Амплитуда опасного сигнала на выходе детектора будет пропорциональна величине AZ:

иоп = I • AZ.

Как известно, для эффекта модуляции частота несущей fH должна быть выше верхней границы частотного диапазона модулирующего колебания, т.е. выше верхней границы речевого частотного диапазона, вследствие чего этот эффект называют высокочастотным навязыванием.

В общем случае, величина AZ комплексная, т.е. содержит как активную, так и реактивную составляющие и, следовательно, амплитуда опасного сигнала зависит от частоты воздействующего сигнала fH. При емкостном характере входного сопротивления:

AZ = 1/(2л fH АС),

где АС - максимальное отклонение входной емкости от среднего значения, амплитуда опасного сигнала растет с уменьшением частоты, а при индуктивном:

AZ = 2л fH AL,

где AL - изменение индуктивности, - растет с увеличением fH.

У реальных генераторов тока внутреннее сопротивление 2Г конечно, и увеличение тока через 2П (для увеличения уровня опасного сигнала) достигается увеличением амплитуды воздействующего сигнала иН.

Так как уровень опасного сигнала иоп при амплитудном навязывании зависит не только от параметров акустоэлектрического преобразователя, но и от параметров воздействующего сигнала, целесообразно иоп измерять при максимально возможной для данного проводной линии амплитуде воздействующего сигнала иНтах, либо учитывать ее возможное увеличение до Цитах. Тогда:

ии

и__ = и'

Н тах

и'н

где и'оп - уровень опасного сигнала при амплитуде воздействующего сигнала и'Н; ЦНтах - предельный уровень сигнала в проводных линиях, не вызывающий необратимых нарушений ее работоспособности или обнаружения попытки съема информации.

Коэффициент модуляции может быть измерен как отношение удвоенной максимальной амплитуды боковой составляющей иб частотного спектра амплитудно-модулированного сигнала к амплитуде несущей:

т = 2

ил

К иН ;

Тогда, уравнение для вычисления иоп при амплитудной модуляции можно записать в виде:

Ц оп т,ЦНтах.

Для повышения отношения сигнал / шум на выходе аппаратуры навязывания целесообразно до амплитудного детектора установить полосовой фильтр на частоту согласованный по полосе со спектром опасного (речевого) сигнала (рис. 6) [2, 3].

Рис. 6. Схема повышения отношения сигнал / шум

Для повышения избирательности при перестройке частоты генератора часто используют синхронное амплитудное детектирование.

Так как частота несущего АМ колебания (частота воздействующего сигнала) точно известна в точке приема, в качестве детектора целесообразно использовать синхронный амплитудный детектор, обладающей наибольшей помехозащищенностью (рис. 7) [2].

Синхронный АМ детектор представляет собой смеситель (умножитель двух сигналов), на один вход которого подается модулированное в результате ВЧ «навязывания» колебание, а на второй - сигнал от ВЧ генератора (опорный канал). В результате умножения на выходе смесителя будет присутствовать модулирющее колебание (опасный сигнал), которое выделяется фильтром нижних частот (ФНЧ). Так как уровень сигнала на выходе синхронного детектора будет максимальным при нулевой разности фаз между детектируемым и опорным сигналами, смеситель целесообразно выполнять с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) опорного канала. Построение приемной части аппаратуры, когда частоты принимаемого сигнала и сигнала опорного канала совпадают, получила название авдодинного приема.

АМ сигнал ^ Смеситель с ФАПЧ ФНЧ Выход

Опорный канал ь

Рис. 7. Синхронный амплитудный детектор

Важными техническими характеристиками аппаратуры ВЧ «навязывания» являются рабочий диапазон воздействующих частот (обычно от десятков кГц до десятков МГц) и выходная мощность зондирующего сигнала (обычно приводится как амплитуда напряжения при заданной величине нагрузки).

Анализ метода частотного навязывания

Для частотной модуляции воздействующего колебания параметрический преобразователь необходимо включить в частотно-зависимую обратную связь генератора аппаратуры навязывания таким образом, чтобы изменение параметров преобразователя приводило к изменению частоты этого генератора. Детектор Д, в этом случае, частотный.

Зависимость частоты генератора ^Н от изменения 2П определяется способом подключения управляемого реактивного элемента к генератору. В любом случае, отношение девиации частоты М к модулирующей частоте F

не может превышать отношения Д2 к 2П и называется индексом частотной модуляции р [2, 3]:

Индекс частотной модуляции может быть измерен как отношение удвоенной максимальной амплитуды боковой составляющей иб к амплитуде несущей:

Как и для случая амплитудной модуляции, уровень опасного сигнала прямо пропорционален амплитуде воздействующего сигнала:

Известно, что частотная модуляция обладает большей помехоустойчивостью, однако для выявления параметрического микрофонного эффекта частотное навязывание, по сравнению с амплитудным, имеет ряд недостатков:

- ниже уровень опасного сигнала, так как индекс частотной модуляции в реальных частотных модуляторах в несколько раз меньше отношения Д2 к 2П;

- трудно обеспечить одновременно большой индекс частотной модуляции и высокую стабильность несущей частоты;

- схема построения частотного модулятора с максимальным индексом модуляции зависит от характера входного сопротивления ЗУ (резистивное, емкостное или индуктивное);

- трудно обеспечить высокий индекс модуляции при изменении частоты ^ воздействующего сигнала в широком диапазоне.

По этим причинам, при низком уровне помех, для выявления возможности утечки речевой информации за счет параметрических акустоэлектриче-ских преобразований более эффективным является амплитудное высокочастотное навязывание.

Следует отметить, что для защиты от параметрического преобразователей не достаточно зашумления линий в речевом диапазоне частот, так как спектр опасного сигнала при модуляции переносится на несущую частоту. В этом случае используют зашумление во всем диапазоне частот возможных воздействий по проводным линиям, либо применяют дополнительную динамическую нагрузку линии, изменяющуюся по шумовому закону.

При исследованиях проводных линий на отсутствие акустоэлектриче-ских преобразований при воздействиях радиочастотным сигналом, следует учитывать возможность образовании в линии стоячих волн, за счет отраже-

Ц оп = Р ,ЦНтах.

ний воздействующих сигналов от несогласованной нагрузки. Так как согласование входного сопротивления преобразователя с волновым сопротивлением линии во всем частотном диапазоне возможных воздействий практически невозможно, для исключения попадания аппаратуры навязывания в узлы напряжений, исследования следует проводить при подключениях к линии в нескольких, достаточно удаленных друг от друга точках.

Список литературы:

1. Воробьёв С.Н. Цифровая обработка сигналов: учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / С.Н. Воробьёв. - М.: Издательский центр «Академия», 2013. - 320 с. - (Сер. Бакалавриат).

2. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1986. - 512 с.: ил.

3. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. / О.А. Стеценко. - М.: Высш. шк., 2007. - 432 с.: ил.

4. Иванов И.И. Электротехника и основы электроники: учебник для вузов по направлениям и специальностям в области техники и технологии / И.И. Иванов, Г.И. Соловьев, В.Я. Фролов. - 7-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Лань, 2012. - 736 с. - (Учебники для вузов. Специальная литература).

5. Хорев А.А. Техническая защита информации: учеб. пособие для студентов вузов: в 3 т. Т. 1. Технические каналы утечки информации. - М.: НПЦ «Аналитика», 2008. - 436 с.: ил.

ОЦЕНИВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ РИСКАМИ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ

© Демин Д.С.*

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,

г. Москва

В статье рассматривается ряд идей по решению вопросов «редких событий», характеризующих интегральные уровни рисков возникновения технологических неопределенностей со значительными уровнями ущербов. Автор уделяет основное внимание предложениям об использовании при проектировании вычислительных систем показателей качества систем типа «нечеткая оптимизация», «нечеткая оценка эффективности», «нечеткое решение», «приемлимая надежность». При таком

* Студент Аэрокосмического факультета.