CC BY
114
УДК 621.396
DOI: 10.17586/0021-3454-2017-60-1-25-31
ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМЫ АКТИВНОГО ЗАШУМЛЕНИЯ ПОБОЧНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ДАННЫХ ПО СТАНДАРТУ DVI
А. В. Паршуткин, А. В. Егин, В. В. Вознюк, Д. В. Левин
Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского, 197198, Санкт-Петербург, Россия
E-mail: [email protected]
Рассмотрены процессы подавления технических средств перехвата побочных электромагнитных излучений при передаче данных по стандарту DVI. Предложена математическая модель формирования побочных электромагнитных излучений при функционировании растровых систем отображения информации. Приводится имитационная модель оценивания результативности воздействия помех, формируемых системой активного зашумления, на техническое средство перехвата побочных электромагнитных излучений.
Ключевые слова: побочные электромагнитные излучения, растровые системы отображения информации
В современных растровых системах отображения информации (РСОИ), таких как мониторы, проекторы, видеостены и др., для обеспечения четкости изображения и высокой скорости его передачи применяются цифровые интерфейсы организации обмена данными. Наиболее распространенным стандартом цифровой передачи данных является DVI (Digital Visual Interface) [1—3]. При передаче и отображении данных в системах, использующих стандарт DVI, возникают сверхширокополосные побочные электромагнитные излучения (ПЭМИ) с частотами от сотен килогерц до единиц гигагерц [4—5]. Для защиты от утечки информации по каналу ПЭМИ применяются генераторы шума или системы активного зашумления (САЗ) с широкополосными шумовыми помехами. Мощность излучения таких помех в ряде ситуаций является недопустимо высокой и вызывает проблемы электромагнитной совместимости. Для снижения заданной мощности излучения помех без потерь их эффективности в теории и практике радиоэлектронного подавления широко используется сочетание маскирующих (шумовых) и имитирующих (структурных) помех [2, 5—7]. В условиях неопределенности структуры и алгоритмов функционирования приемников перехвата ПЭМИ необходимо использовать оценки результативности совместного применения структурных и шумовых помех. Для формирования этих оценок требуется создание модели оптимального приемника системы перехвата для заданного сочетания сигнала ПЭМИ, помехи и шумового сигнала. Поэтому актуальность исследований, направленных на разработку математических моделей формирования и перехвата ПЭМИ в условиях применения системы активного зашумления, не вызывает сомнений.
Именно эта задача является предметом исследования в настоящей статье. Созданию математических моделей предшествовали процесс уточнения модели образования ПЭМИ при передаче данных по стандарту DVI и разработка статистически оптимальной модели технического средства перехвата.
В растровых системах отображения информации могут обрабатываться статические и динамические данные. При этом единичный кадр всегда можно представить набором прямоугольных фрагментов, т.е. элементарных информационных блоков изображения ^, b = 1,2,..., B, где B — общее количество прямоугольных фрагментов, формирующих
изображение на экране монитора. Для кадра с числом строк Mk и числом пикселов в строке N прямоугольный блок графической информации размером Ms х Ns можно представить матрицей яркости Am n . Цвет отображаемого на экране монитора пиксела задается различными комбинациями уровней яркости трех каналов цветности (RGB). Для отдельного пиксела уровень яркости задается целым числом в диапазоне от 0 до 255. В самом общем виде элементы amn матрицы яркости являются векторами и отражают уровни яркости, каждый их которых в соответствии с алгоритмом, определенным в стандарте DVI, кодируется десятибитовой последовательностью TMDS (Transition Minimized Differential Signaling) [8]. Эта последовательность передается в виде электрического сигнала по прямому и инверсному каналам DVI, причем TMDS-код определяется не только текущим значением яркости ain пиксела
в соответствующем i-м, i е {R,G,B} , канале цветности, но и уровнем яркости ain_i предыдущего пиксела.
Передаваемые по DVI от видеоадаптера к экрану монитора прямой sfb и инверсный sJb сигналы в пределах блока графической информации могут быть представлены следующими выражениями:
Ns
4(ain_hanО = Xsib(ain_han*_nT_(t))rect[(t_nT_^(t))/°,5T]; (1)
n=1
Ns
4 (ain_1, ain, *) = _ X sib (ain_1, ain, * _ m _ (t))rect[(t _ nT _ ^ (t)) / 0, 5т] (2)
n=1
где rect(z) = 1 при |z| < 1 и rect(z) = 0 в остальных случаях; Çj (t), j е {п, и}, — случайные
отклонения момента передачи кода соответствующего пиксела; т — длительность вывода сигнала одного пиксела.
Сигналу видеоадаптера присуще периодическое повторение с частотой кадров и фрагментов изображения. Поэтому при распознавании элементарного информационного блока изображения Хь необходимо учитывать возможность накопления полезного сигнала на входе технического средства перехвата ПЭМИ за счет многократного повторения неизменяющихся данных, отображаемых на экране монитора. В этом случае блок Хь может быть описан как сумма сигналов вида (1) и (2), который при моделировании можно представить в виде вектор-строки длиной Nb = KNsMs :
K Ms Ns
sjb (Xb , a *) = XXX {sib (aimn_1, aimn, * _ *0 _ m _ Tcm _ Ткk _ (t )) X
k=1 m =1 n =1
xrect[(* _ *0 _ пт _ Tcm _ Ткk _ (*)) / 0,5т]}, (3)
где K — число выводимых кадров изображения; Тс — длительность вывода одной строки; Тк — длительность вывода одного кадра изображения; *0 — момент времени начала вывода первого элемента информационного блока, *0 = f (M0,N0); j е {п, и}; a — вектор неинформативных (служебных) параметров.
Учитывая известные решения во временной области для поля элементарного излучателя, возбуждаемого коротким видеоимпульсом, электрическую еь ( sb, r, * ) составляющую электромагнитного поля на расстоянии r от источника излучения можно записать как [9]
еъ , г, г) = -4^-slb (кь, а, Г - г / с) ® У-1[^С/, г)], (4)
4п г дг
где Цо — магнитная проницаемость окружающей среды, с — скорость света, ® — операция
свертки, — оператор обратного преобразования Фурье, g (/, г) — излучательная характеристика канала БУ1.
В любой точке пространства, в которой возможен перехват информации, существует аддитивная смесь прямых и инверсных сигналов ПЭМИ ЯОБ-каналов: е^- (г, г, Я), е^- (г, г, Я)
и еБ- (г, г, Я):
3 2
еЕ (sъ, г, Я, г) = ХЕ е- (*ъ, г, Я, г), (5)
I=1 -=1
где Я — вектор местоположения технического средства перехвата ПЭМИ.
В стандарте БУ1 последовательность единиц соответствует „высокому" уровню сигнала без интервалов между отдельными кодовыми символами, поэтому при постоянном уровне сигнала видеокарты, например при выводе последовательности нулей или единиц, излучения нет. Временная структура информационного сигнала ПЭМИ представляет собой последовательность дельта-образных радиоимпульсов, излученных в пространство в моменты времени, соответствующие скачкам напряжения [6].
Видеоимпульсы, соответствующие кодовым значениям яркостей ЯОБ-каналов (прямого и инверсного типов), имеют близкую к трапециевидной форму (рис. 1, кривые 1 и 2 соответственно). Наличие колебаний амплитуды sijъ и фронтов импульсов (г), а также различие
амплитудно-фазовых излучательных характеристик прямого и инверсного каналов приводят к формированию схожих, но отличающихся моментами образования импульсов ПЭМИ прямого и инверсного сигналов. Суммарное значение напряжения в каналах БУ1 в результате отличается от нулевого (рис. 1, кривая 3). Сложение радиоимпульсов прямого и инверсного каналов БУ1 со случайными временными задержками (г) и фазовыми сдвигами приводит к
биениям суммарной амплитуды импульсов (рис. 1, кривая 4).
А, мВ
о
-1
о 5 10 15 г, мкс
Рис. 1
Сигнал на входе приемника перехвата представляет собой аддитивную смесь сигналов ПЭМИ, помех гъ ^, г, Я, г), формируемых системой активного зашумления, а также тепловых шумов самого приемного устройства и естественных фоновых шумов Пф (г) :
/, еъ, гъ, г) = еЕ Оъ, г, г, Я) + гъ С%, г, г, Я) + Пф (г). (6)
При приеме сигнала и (Я, /, еъ, ^, г) на основе связей (1)—(6) можно восстановить информацию элементарного блока изображения Хъ .
При оценивании результативности воздействия помех, формируемых САЗ, на техническое средство перехвата информации, необходимо определиться с моделью приемника перехвата ПЭМИ.
При формировании САЗ маскирующих помех оптимальный приемник перехвата ПЭМИ должен содержать коррелятор [7], описываемый выражением
Т
1 н
u (т) = | u0 - т, г, К^, (7)
0
где Тн = KTк — длительность накопления данных элементарного информационного блока изображения Хь .
При обнаружении полезного сигнала в приемнике отклик коррелятора сравнивается с некоторым пороговым значением, а при приеме одного детерминированного сигнала из множества известных вычисляется максимум взаимной корреляции. В задаче поблочной идентификации выводимой в системе информации модель оптимального приемника может быть представлена многоканальным коррелятором с решающим устройством, реализующим адаптивное правило принятия решений в зависимости от структуры и параметров помех, формируемых САЗ.
Рассмотрим ситуацию, когда изображение представлено элементарными блоками двух цветов. В этом случае в состав оптимального приемника перехвата ПЭМИ должны входить двухканальный коррелятор и решающее устройство. В техническом средстве перехвата может быть предусмотрено два решения: перехваченный сигнал соответствует блоку первого цвета или блоку второго.
В каждом канале коррелятора вычисляется значение функции взаимной корреляции Я¿1, где d, / = 1, 2, аддитивной смеси сигнала ПЭМИ 1-го (I/) цвета с помехой и опорного сигнала, формируемого излучением ¿-го цвета (^). В условиях многократных статистических испытаний при изменении маскирующей шумовой помехи функции Я^ приобретают случайный характер. Результатом обработки выборок случайных величин Япри фиксированном количестве кадров К и отношении q амплитуды сигнала ПЭМИ к амплитуде шумовой помехи является возможность получения гистограмм распределений относительных частот значений функций взаимных корреляций смесей сигналов ПЭМИ с белым гауссовым шумом Яц) и опорным сигналом ^ (рис. 2). На основе гистограмм распределений получены
эмпирические плотности вероятностей ).
v-10-
25 20 15 10 5 0
-100
-50
0
50
150
200
250
Я
100
Рис. 2
На рис. 3 показано влияние на зависимость р(Яц) количества анализируемых кадров изображения при q = 0,2 в первом канале коррелятора при обнаружении ПЭМИ, сформированного пикселами черного цвета (уровень яркости каналов RGB — 0) на белом фоне изо-
2
бражения (уровень яркости — 255): К=5 — пунктирная кривая, К=10 — сплошная кривая, К= 20 — штрихпунктирная кривая.
25 20 15 10 5 0
(R2)
MR:) t * р\
W ч / V V /' \
•• * * 4\
* / t / v7 i % \/ \ч V
V / уу / / < 4, ^_
-100 -50 0 50 100 150 200 250 R
Рис. 3
Увеличение времени накопления сигналов приводит к росту как математического ожидания Mr случайных величин Ry, так и их среднеквадратических отклонений or^ . В свою
очередь, изменение количества кадров изображения приводит к росту отношения M r^J o r^
(рис. 4). Анализ представленной на рис. 4 зависимости показал также, что уменьшение отношения q приводит к увеличению отношения Mr^Jor^ при несовпадении принятого сигнала
с опорным; на рисунке q=10 соответствует сплошная линия, q=5 — пунктирная, q=2,5 — штрихпунктирная.
M Т
Jo
12
9 6 3 0
Р1
R2) .
P1(R1)
10
11
к
4 5 6 7 8 9 Рис. 4
Моделирование побочного электромагнитного излучения при передаче данных по стандарту БУ1 показало, что ТМББ-код, с позиции оптимального обнаружения, является энергетическим параметром. Это связано с тем, что для разных кодовых последовательностей изменяется не только местоположение импульсов ПЭМИ на временной оси, но и их количество. Поэтому при обработке целесообразно использовать не взаимную корреляционную функцию, а коэффициент взаимной корреляции следующего вида [7]:
ЯсС1
Pdl =-
0 d 01
(8)
где с с, О — среднеквадратические отклонения опорного сигнала ¡с, суммарной смеси сигнала 11 и помехи, поступающей на вход С канала коррелятора.
Формирование окончательного решения в задаче перехвата ПЭМИ (т. е. при распознавании цвета перехваченного изображения) основано на использовании оптимальной схемы различения детерминированных неортогональных сигналов с вычитанием откликов двух каналов коррелятора [7]. Применение указанной схемы позволяет выполнить переход к одномерным случайным величинам путем вычисления разности
5р/ =Р1/ -Р2/.
Учитывая, что в общем случае случайные величины р^ и Р2/ (т.е. отклики разных каналов коррелятора на сигнал ¡^) являются независимыми, плотность распределения одномерной случайной величины р(5р/) , характеризующей сигнал ¡1 (рис. 5), будет определяться по формуле [10]
го
р(5р/) = | Р1(Р2/ -§Р/)Р2(Р2/М(Р2/) .
-го
Данные, полученные при статистической обработке случайных величин §Р/, позволяют оценить результативность воздействия помех, формируемых системой активного зашумле-ния, на оптимальный приемник перехвата ПЭМИ. Для этого необходимо задать критерий принятия решения о цвете перехваченного излучения.
Рис. 5
Таким образом, в результате представленного исследования на основе имитационного моделирования процесса формирования побочного электромагнитного излучения получены зависимости распределений эмпирических плотностей вероятностей значений функции взаимной корреляции аддитивной смеси сигналов ПЭМИ и шумовой помехи с опорным сигналом излучения заданного цвета. Показаны зависимости изменения эмпирических плотностей вероятностей от количества кадров изображения при использовании оптимального приемника перехвата ПЭМИ, выполненного в виде двухканального коррелятора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хорев А. А. Техническая защита информации. Т.1. Технические каналы утечки информации. М.: НПЦ „Аналитика", 2008. 436 с.
2. Паршуткин А. В., Солодянников А. В. Методика оценки качества защиты информации на основе использования обобщенных информационных показателей качества // Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. 2000. № 2. С. 7—13.
3. Паршуткин А. В. Концептуальная модель взаимодействия конфликтующих информационных и телекоммуникационных систем // Вопр. кибербезопасности. 2014. № 5 (8). С. 2—6.
4. Максимов Ю. Н., Сонников В. Г., Петров В. Г. и др. Технические методы и средства защиты информации / Под ред. В. Г. Сонникова. СПб: Полигон, 2000. 320 с.
5. Паршуткин А. В., Егин А. В., Святкин С. А. Применение структурных и шумовых помех для защиты информации от утечки по каналу побочных электромагнитных излучений // Вопр. оборонной техники. Сер. 16: Технические средства противодействия терроризму. 2016. № 3-4 (93—94). С. 27—34.
6. Паршуткин А. В., Вознюк В. В., Гусаров А. А. и др. Аппаратурный анализ сигналов / Под ред. А. В. Паршуткина. СПб: ВКА им. А. Ф. Можайского, 2015. 212 с.
7. Тихонов В. И., Харисов В. Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. М.: Радио и связь, 2004. 608 с.
8. Паршуткин А. В., Святкин С. А., Бажин Д. А., Сазыкин А. М. Радиоэлектронные информационные воздействия в конфликтах информационных и телекоммуникационных систем // Вопр. оборонной техники. Сер. 16: Технические средства противодействия терроризму. 2015. № 5—6. С. 13—17.
9. Крымский В. В., Бухарин В. А., Заляпин В. И. Теория несинусоидальных электромагнитных волн. Челябинск: Изд-во ЧГТУ, 1995. 108 с.
10. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1974. 832 с.
Сведения об авторах
Андрей Викторович Паршуткин — д-р техн. наук, профессор; ВКА им. А. Ф. Можайского, кафедра систем и средств радиоэлектронной борьбы космического назначения; E-mail: [email protected]
Александр Валентинович Егин — соискатель; ВКА им. А. Ф. Можайского, кафедра систем и средств
радиоэлектронной борьбы космического назначения Валерий Васильевич Вознюк — канд. техн. наук, доцент; ВКА им. А. Ф. Можайского, кафедра сис-
тем и средств радиоэлектронной борьбы космического назначения Дмитрий Викторович Левин — канд. техн. наук; ВКА им. А. Ф. Можайского, кафедра систем и
средств радиоэлектронной борьбы космического назначения; E-mail: [email protected]
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
систем и средств радиоэлектронной 14.06.16 г.
борьбы космического назначения
Ссылка для цитирования: Паршуткин А. В., Егин А. В., Вознюк В. В., Левин Д. В. Применение системы активного зашумления побочных электромагнитных излучений при передаче данных по стандарту DVI // Изв. вузов. Приборостроение. 2017. Т. 60, № 1. С. 25—31.
APPLICATION OF ACTIVE NOISE SYSTEM TO SIDE ELECTROMAGNETIC RADIATION WHEN TRANSMITTING DATA IN DVI STANDARD
A. V. Parshutkin, A. V. Egin, V. V. Voznuk, D. V. Levin
A. F. Mozhaisky Military Space Academy, 197198, St. Petersburg, Russia E-mail: [email protected]
Processes of suppression of technical means for interception of side electromagnetic radiation by DVI standard interface are considered. A mathematical model is proposed for the side electromagnetic radiation arising from operation of raster information display systems. An imitation model for evaluating the active noise system impact on technical mean of interception of side electromagnetic radiation is presented.
Keywords: side electromagnetic radiation, raster information display systems
Data on authors
Andrey V. Parshutkin — Dr. Sci., Professor; A. F. Mozhaisky Military Space Academy, Department
of Electronic Warfare Systems and Means for Space Purpose; E-mail: [email protected] Aleksander V. Egin — Applicant; A. F. Mozhaisky Military Space Academy, Department of Electronic Warfare Systems and Means for Space Purpose Valéry V. Voznuk — PhD, Associate Professor; A. F. Mozhaisky Military Space Academy, De-
partment of Electronic Warfare Systems and Means for Space Purpose Dmitry V. Levin — PhD; A. F. Mozhaisky Military Space Academy, Department of Electronic
Warfare Systems and Means for Space Purpose; E-mail: [email protected]
For citation: Parshutkin A. V., Egin A. V., Voznuk V. V., Levin D. V. Application of active noise system to side electromagnetic radiation when transmitting data in DVI standardI // Izv. vuzov. Priborostroenie. 2017. Vol. 60, N 1. P. 25—31 (in Russian).
DOI: 10.17586/0021-3454-2017-60-1-25-31
