CC BY
9Научная статья Original article УДК 621.316
НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЗАМЫКАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ МОЩНЫХ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ
СИГНАЛОВ
NEUTRALIZATION OF ELECTRONIC CLOSING DEVICES BY USING POWERFUL ULTRA-WIDEBAND SIGNALS
IjJI
Бикбулатов Радмир Ильдарович, студент 2 курс, факультет «Автоматизация технологических процессов и производств», Институт теплоэнергетики, Россия, г. Казань
Тазеев Нияз Фанисович, студент 2 курс, факультет «Автоматизация технологических процессов и производств», Институт теплоэнергетики, Россия, г. Казань
Bikbulatov Radmir Ildarovich, 2nd year student, faculty "Automation of technological processes and production", Institute of Thermal Power Engineering, Russia, Kazan
Tazeev Niyaz Fanisovich, 2nd year student, faculty "Automation of technological processes and production", Institute of Thermal Power Engineering, Russia, Kazan
Аннотация: Широкополосные сигналы позволяют обеспечить высокую помехоустойчивость передачи данных в канале при соотношении сигнал/шум по мощности близком к единице, а при определенных условиях и ниже
2722
единицы. Актуальной задачей является выбор широкополосных сигналов и их обработка. Рассмотрены возможности применения сверхширокополосных сигналов для нейтрализации электронных запирающих устройств в случае внеполосного воздействия. Введены типовые модели деструктивных воздействующих широкополосных и сверхширокополосных сигналов на системы связи специального назначения. Приведены числовые значения временных и энергетических характеристик излучаемых последовательностей сигналов, обеспечивающих деградацию полупроводниковых элементов в случае внеполосного воздействия.
Annotation: Broadband signals allow for high noise immunity of data transmission in a channel with a signal-to-noise power ratio close to one, and under certain conditions below one. An urgent task is the selection of broadband signals and their processing. The possibilities of using ultra-wideband signals to neutralize electronic locking devices in the case of out-of-band exposure are considered. Typical models of destructive influencing broadband and ultra-broadband signals on special-purpose communication systems are introduced. Numerical values of the time and energy characteristics of the emitted signal sequences providing degradation of semiconductor elements in the case of out-of-band exposure are given.
Ключевые слова: сверхширокополосный, система контроля доступа, функциональное поражение, нейтрализация, внеполосный.
Keywords: ultra-broadband, access control system, functional damage, neutralization, out-of-band.
В настоящее время в телекоммуникационных системах передачи данных, системах управления, радиолокации и навигации все шире применяют специальные сигналы, называемые широкополосными (ШПС) [1]. Наибольшее применение ШПС находят сегодня в беспроводных сетях передачи данных. Интерес к ШПС не только не ослабевает, а напротив -
2723
только усиливается с развитием и внедрением новых инфокоммуникационных технологий. Свойства широкополосных сигналов, в сочетании с оптимальными методами их обработки, позволяют обеспечить высокую помехоустойчивость передачи данных в канале при соотношении сигнал/шум по мощности близком к единице, а при определенных условиях и ниже единицы. В этом случае передачу полезных данных в канале практически невозможно заметить и, тем более, распознать их.
Постановка проблемы.
Электронный замок - одна из основных составляющих систем контроля доступа, достаточно распространенное устройство, которое можно встретить на большинстве охраняемых объектов. Функциональность современных электронных замков такова, что они не являются отдельной деталью запирающего механизма, а интегрируются в общую систему безопасности [2].
Для того чтобы электромеханический замок предоставлял доступ на объект только определенным лицам, необходимо просто известить их о запрограммированном коде. Анализ конструкций современных замков показал, что их элементной базой являются радиокомпоненты: диоды, транзисторы, микросхемы, процессоры. Для открывания электронных замков используют брелки, цифровые коды или биометрические механизмы, то есть в конструкции обязательно присутствует приемник сигнала, который и обеспечивает открывание защищаемого объекта [3].
Несмотря на очевидные преимущества современных систем контроля доступа, их составляющие чувствительны к воздействию мощных электромагнитных импульсов (ЭМИ), что приводит к отказу электронных элементов конструкции, основа которых - твердотельные полупроводниковые структуры (диоды, транзисторы и микросхемы). Использование мощного электромагнитного излучения может привести к функциональному поражению системы [4]. В данном случае под функциональным поражением понимается такое состояние системы, при котором наблюдается
2724
кратковременное или длительное нарушение работоспособности электронной аппаратуры, что связано с невозобновляемыми отказами полупроводниковых элементов. Технология функционального поражения предполагает использование ЭМИ малой продолжительности (до 1 нс) и большой пиковой мощности.
Отметим, анализ последних исследований и публикаций. В настоящее время проведены теоретические исследования и созданы сверхширокополосные (СШП) радиотехнические системы разного назначения [1; 2]. Основу таких систем составляет тракт формирования и излучения СШП сигналов, представляющий собой достаточно отработанное техническое решение. Поэтому такой тракт может быть положен в основу разработки и создания конкурентоспособных средств нейтрализации систем контроля доступа, включая электронные замки.
Под СШП сигналом понимают сигнал наносекундной продолжительности с большой относительной шириной спектра ( Df/fcep □ 1, где Df- ширина спектра, fcep - средняя частота). Основным преимуществом использования таких сигналов является то, что НПС средство не предназначено для поражения одной конкретной системы или класса систем, а может использоваться для поражения широкого диапазона различных систем
[5].
Целью данной работы является сбор и анализ информации относительно технологии СШП; разработка программных методов обработки СШП сигналов; разработка и непосредственная реализация приемо-передающего устройства UWB сигнала на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Большинство современных систем беспроводной связи, применяемых в повседневной жизни используют технологию излучения и приема узкополосных сигналов (Wi-Fi, BlueTooth и т. д.). Эти системы имеют существенные недостатки, такие как слабая помехоустойчивость, высокое энергопотребление, а также низкая скорость передачи данных
2725
(особенно технология BlueTooth). Эти проблемы решаются путем замены традиционных систем узкополосной связи на широкополосную и сверхширокополосную. Основная идея технологии заключается в использовании сверхширокополосного сигнала для передачи информации при помощи импульснокодовой модуляции.
Изложение основного материала. Известны два способа функционального поражения (нейтрализации) радио элементной базы электронных замков: внутри полосный и внеполосный.
Внутри полосный способ является энергетически более выгодным, но требует наличия антенной системы у нейтрализуемого объекта. Поэтому основным способом нейтрализации систем контроля доступа можно считать внеполосный способ, при котором функциональное поражение управляющей элементной базы спец вычислителей существенно зависит как от характеристик радиоэлектронных элементов, так и от конструктивного выполнения впечатляющего объекта, например, от конструкции и характеристик экранов, размеров и формы технологических отверстий, элементов монтажа, взаимного расположения радиоэлектронных элементов на монтажных платах и т.п. [6]. Поэтому в данном случае для оценки необходимой мощности ЭМИ целесообразно использовать результаты специальных экспериментальных исследований по устойчивости данного типа устройства к воздействию ЭМИ малой продолжительности и большой мощности.
Способы подавления опасных электрических сигналов, распространяющихся из контролируемой зоны по кабелям (электрическим проводам), могут быть пассивными и активными. Первые обеспечивают уменьшение уровня опасных сигналов, вторые - повышение уровня помех.
Энергетический порог для достижения эффекта деградации радиоэлектронных элементов определяется временем релаксации тепловых процессов, который для полупроводниковых приборов и интегральных
2726
микросхем составляет >10...100 нс. Для усиления теплового воздействия, что приводит к деградации радиоэлементов, необходимы периодические последовательности СШП сигналов. Выражение для оценки, требуемой для нейтрализации радиоэлектронных элементов мощности на входе полупроводникового прибора, имеет вид [4]:
(1)
где Кп - постоянное повреждение, зависящее от типа полупроводникового элемента и имеющее размерность [кВт/мкс 1/2 ■ см -2]; тХ - суммарное время воздействия ЭМИ; Sp—n - площадь р-п перехода [см2].
Приведенное выражение позволяет определить суммарную мощность, необходимую для деградации элементов, в случае внемугового воздействия на них периодической последовательности импульсов:
где КВП - дополнительный коэффициент
послабления, определяемый экспериментально.
В таблице приведены значения мощности внеполосного воздействия для пачки ультракоротких импульсов тХ=100 мс.
Таблица значение мощности внеполосного воздействия
Типы полупроводниковых элементов Кп Бр - п, см2 тХ, мс Р£р , мВт
К вп= 30 дБ К вп= 40 дБ
Диоды и транзисторы 0,1 10-3...5 10-2 102 3102 ... 2104 3103 ... 2105
Диоды СВЧ 0,01 10-3 ... 5 10-2 102 3101 ... 2103 3102 ... 2104
2727
Интегральные 10-4 ... 3101 ... 3102 ...
схемы и большие 0,1 102
210-3 6102 6103
интегральные схемы
Результаты указанных расчетов показывают, что мощность, необходимая для деградации элементов в случае внеполосного воздействия должна быть в пределах от 30 до 2 105 мВт. Для создания мощностей такого уровня необходимо в дальнейшем предложить соответствующую конструкцию СШП антенной системы. Выводы
В статье приведены временные и энергетические характеристики последовательностей СШП сигналов, достаточные для нейтрализации систем контроля доступа, основным элементом которых являются электронные замки. Полученные данные могут использоваться в разработке требований к СШП средств нейтрализации электронных замков.
Литература
1. 1.Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев Ю.А. Сети и системы радиодоступа. - М.: Эко-Трендз, 2005. - 384с.
2. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. - М.: Радио и связь, 1989. - 192 с.
3. Иммомореев И.Я. Сверхширокополосные радары: новые возможности, необычные проблемы, системные особенности. - Вестник МГТУ, 1998, №4, с. 128-133.
4. Иммореев И.Я., Синявин А.Н. Изучение сверхширокополосных сигналов. Сб. Антенны, 2001, №47.
5. Вишневский В.И., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. М.: Техносфера, 2006. - 288с.
2728
6. Иммореев И.Я., Судаков А. Сверхширокополосные и узкополосные системы связи. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 2003. №2.
Literature
1. 1.Grigoriev V.A., Lagutenko O.I., Raspaev Yu.A. Networks and radio access systems. - M.: Eco-Trends, 2005. - 384s.
2. Astanin L.Yu., Kostylev A.A. Fundamentals of ultra-wideband radar measurements. - M.: Radio and Communications, 1989. - 192 p.
3. Immoreev I.Ya. Ultra-wideband radars: new opportunities, unusual problems, system features. - Bulletin of MSTU, 1998, No. 4, pp. 128-133.
4. Immoreev I.Ya., Sinyavin A.N. Study of ultra-wideband signals. Sat. Antennas, 2001, No. 47.
5. Vishnevsky V.I., Lyakhov A.I., Portnoy S.L., Shakhnovich I.V. Broadband wireless information transmission networks. Moscow: Technosphere, 2006. -288s.
6. Immoreev I.Ya., Sudakov A. Ultra-broadband and narrowband communication systems. ELECTRONICS: Science, Technology, Business, 2003. No. 2.
© Бикбулатов Р.И., Тазеев Н.Ф., 2022 Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «$>1ид№е1» №4/2022.
Для цитирования: Бикбулатов Р.И., Тазеев Н.Ф. НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЗАМЫКАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ МОЩНЫХ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ// Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «БШёКеЪ» №4/2022.
2729
