CC BY
46
УДК 621.391, 621.396
Е.Е. Глуховская, А.О. Мантуров
СИСТЕМА ЗАЩИЩЕННОЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ НЕАВТОНОМНОГО КОНТУРА «RL-МДП-ДИОД» С ПАРАМЕТРИЧЕСКИМ НЕЛИНЕЙНЫМ ПОДМЕШИВАНИЕМ
Рассмотрены особенности построения системы защищенной передачи информации на принципе нелинейного подмешивания и инверсного преобразования «ток-напряжение-ток». Рассматривается возможность модификации известной системы на основе контура «RL-диод с pn-переходом» за счет введения схемотехнического эквивалента центров захвата неосновных носителей Предложены принципы построения альтернативной системы, где в качестве нелинейного элемента используется диод структуры «металл-диэлектрик-полупроводник».
Защита информации, динамический хаос, инверсная система E.E. Glukhovskaya, A.O. Manturov
SECURE INFORMATION TRANSMISSION SYSTEM BASED ON NONAUTONOMOUS RL-MOS DIODE CIRCUIT WITH PARAMETRICAL NONLINEAR MIXING
The features of the secure information transmission system based on the principle of non-linear mixing and inverse «current-voltage-to-current» transform is discussed.
The principle of the alternative system design, where the non-linear element is Metal-Insulator-Semiconductor Diode, is proposed. The possibility of modification of the well-known system based on the circuit «RL-pn-Junction Diode» through the introduction of circuit equivalent of minority carrier traps considered also.
Secure Information Transmission, Dynamical Chaos, Inverse System
Введение
Использование принципа инверсного преобразования сигнала при его передаче с помощью хаотических последовательностей известно достаточно давно [1]. В частности, в [2] рассмотрено по-
строение инверсной неавтономной системы для передачи информации хаотическим сигналом, порождаемым неавтономной последовательной цепью «сопротивление - индуктивность - полупроводниковый диод с рп-переходом» (RL-диод контур). В предложенной системе имеются «передатчик» и «приемник», содержащие идентичные по параметрам RL-диод контуры, а к «передатчику» подводятся сигнал внешнего воздействия вида E sin ®t и информационный сигнал S(t). Под воздействием сигнала внешнего воздействия в «передатчике» возбуждаются хаотические колебания, в которых присутствует и передаваемый информационный сигнал S(t). Таким образом, обеспечивается защищенность передачи информации между «передатчиком» и «приемником» путем маскировки передаваемого сообщения несущим хаотическим сигналом в канале связи
Результаты моделирования вышеописанной системы передачи информации с помощью средств LT SPICE показали [3], что вне зависимости от метода введения информационного сигнала S(t) в формируемый хаотический сигнал, степень маскировки передаваемого сообщения оказывается невысокой. В частности, наличие информационного сигнала, введенного в несущий хаотический сигнал, возможно обнаружить путем анализа реализации сигнала в канале связи. Из рассмотрения результатов численного моделирования можно видеть, что указанная демаскировка наблюдается как в реализации U(t), так и в спектре мощности, рассчитанном для сигнала U(t). Попытки снизить степень демаскировки путем уменьшения действующей амплитуды сигнала S(t) не приводят к существенному повышению скрытности передаваемого сообщения, и, с другой стороны, ограничены ухудшением отношения «сигнал/шум» на выходе «приемника». В связи с изложенным целью данной работы явилось создание простейшей системы защищенной передачи информации на принципах инверсного преобразования, на основе применения цепей вида «RL-полупроводниковый диод», с повышенной степенью маскировки передаваемого сообщения. Очевидно, что поставленная задача может быть решена путем существенного усложнения структуры схемы, формирующей хаотический сигнал (например, за счет перехода к сигналам с высокой размерностью фазового пространства, или за счет применения автономных схем, генерирующих хаотические колебания [1]). Другой подход состоит в использовании нелинейного элемента - диода, с достаточно сложной эквивалентной схемой (или, иначе говоря, с более сложной динамикой неосновных носителей, «ответственных» за возбуждение хаотических режимов в нелинейном неавтономном контуре «RL-диод»). В настоящей работе рассматривается именно такой подход, для чего в качестве нелинейного элемента-диода в состав неавтономного контура «RL-диод» введен диод структуры «Металл-Диэлектрик-Полупроводник» (МДП) [4].
Система защищенной передачи информации с неавтономным контуром «RL- МДП диод»
Построим модель системы передачи информации на принципе инверсного преобразования «ток - напряжение - ток», в которой в качестве нелинейного элемента будет выступать МДП-диод. Модель МДП-диода представим в виде эквивалентной схемы [4], содержащей источник тока, управляемый напряжением i(U), нелинейную емкость C(U) и инерционную цепь из последовательно соединенных сопротивления Rs и емкости Cs. Инерционная цепь RsCs позволяет имитировать действие центров захвата заряда неосновных носителей (поверхностных состояний в МДП-диоде) [4]. Моделирование системы передачи информации будем выполнять с привлечением средств симулятора LT SPICE (рис. 1).
Рис. 1. Система передачи информации на основе неавтономного контура «RL- МДП-диод»
При незначительной расстройке параметра Ts=RsCs (постоянная времени поверхностных состояний) в «приемнике» наблюдается появление сигнала ошибки восстановления сигнала внешнего воздействия E sin ®t, что хорошо заметно на реализации V(Output) (рис.2 а,б).
б
Рис. 2. Появление ошибки восстановления сигнала внешнего воздействия при расстройке постоянной времени инерционной цепи схемы «передатчика» Тбтх относительно постоянной времени цепи «приемника» Тбях: а - Тбтх< Тбях Обвх=5пФ, б - Тэтх^бях Обвх=6пФ
Ошибка восстановления возникает в «приемнике» на участках реализации напряжения в канале связи У(1е81:), соответствующих быстрому изменению тока в цепи ИЬ-диод контура «передатчика». В свою очередь, указанные быстрые изменения связаны с процессами аккумуляции-релаксации заряда неосновных носителей в области пространственного заряда МДП-диода, а также на поверхностных состояниях [4]. Интересно отметить, что при расстройке параметра т8 в схеме «передатчика» в сторону увеличения или уменьшения относительно данного значения т8 в схеме «приемника», полярность сигнала ошибки на выходе «приемника» изменяется. Указанное явление, очевидно, возможно использовать для «модуляции» хаотического сигнала в канале связи передаваемым информационным сигналом. Схема, реализующая такой принцип «модуляции» с использованием схемотехнического аналога МДП-диода, приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема системы защищенной передачи информации со схемотехническим эквивалентом МДП-диода на основе силового диода типа 1 N4007 и инерционной цепи, включающей варикап и сопротивление.
V2 - источник информационного сигнала
Принцип параметрического нелинейного подмешивания
Физически модуляция (расстройка) параметра Ts в МДП-диоде может быть осуществлена за счет изменения изгиба зон на границе «диэлектрик-полупроводник» [4]. При этом по мере достижения границей зоны проводимости энергетических уровней поверхностных состояний последние будут включаться в процессы обмена неравновесными носителями с областью пространственного заряда, и, таким образом, изменять суммарную емкость МДП-диода. Благодаря квазинепрерывному распределению энергетического спектра поверхностных состояний их полная емкость будет меняться непрерывно согласно изменению приложенного к МДП-диоду напряжения. Отметим, что принципиальная разница между предлагаемым подходом и ранее известным принципом нелинейного подмешивания состоит в том, что информационный сигнал не формирует прямого тока через диод в контуре «RL-диод» и, следовательно, не порождает неосновных носителей, аккумуляция и релаксация которых приводит к хаотизации колебаний тока в контуре. Хаотические колебания возбуждаются только за счет действия сигнала внешнего воздействия E sin ®t, но их характеристики зависят от параметра, влияющего на накопление неосновных носителей. В свою очередь, именно указанный параметр подвергается модуляции информационным сигналом. В схеме, приведенной на рис. 3, для имитации квазинепрерывного изменения емкости поверхностных состояний используется варикап D3. Путем задания начального постоянного смещения на варикапе в отсутствие информационного сигнала производится настройка схемы «передатчика» под значение параметра Ts «приемника», при этом сигнал ошибки на выходе «приемника» становится двуполярным.
194
a
Рис. 4. Восстановление информационного сигнала: а - информационный сигнал на входе «передатчика», б - восстановленный информационный сигнал на выходе детектора огибающей
При введении информационного сигнала (гармонический сигнал частотой 1 кГц, рис. 4а) возникает модуляция постоянной времени ts схемы «передатчика», а на выходе приемника появляется сигнал ошибки, огибающая которого полностью повторяет передаваемый информационный сигнал. Таким образом, в схеме «передатчика» реализуется, по сути, параметрическая модуляция хаотического сигнала, а сам используемый принцип введения информации в хаотический сигнал оказывается основанным на модуляции параметра пассивной схемы (контура «RL-диод»), демонстрирующей хаотическое поведение. При анализе реализации и спектра мощности сигнала в канале связи не обнаруживается присутствие введенного информационного сигнала. Указанная маскировка сохраняется даже для достаточно больших амплитуд информационного сигнала (в эксперименте величина амплитуды информационного сигнала была выбрана 1 В). Для восстановления информационного сигнала на выходе «приемника» может быть использована схема детектора огибающей, на выходе которого присутствует полностью восстановленный информационный сигнал (рис. 4б).
Заключение
В работе рассмотрен альтернативный подход к построению системы защищенной передачи информации на принципах инверсного преобразования, использующей простую неавтономную схему «индуктивность - сопротивление - полупроводниковый диод» в качестве модулируемого источника хаотического сигнала. Благодаря особенностям используемого диода структуры «Металл-Диэлектрик-Полупроводник», в схеме «передатчика» реализуется управление хаотическими колебаниями без существенного (или же заметного) изменения реализации или спектра мощности хаотического сигнала в канале связи, что позволяет увеличить скрытность самого факта передачи информации в открытом канале связи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дмитриев А.С. Динамический хаос как парадигма современных систем связи / А.С. Дмитриев, А.И. Панас, С.О. Старков // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 1997. № 10. С. 4-26.
2. Bohme F. The Chaotizer-Dechaotizer Channel F. Bohme, W. Schwarz // IEEE transactions on circuits and systems. 1. Fundamental theory and applications. 43(7), 1996. P. 596-599
3. Мантуров А.О. Моделирование простой схемы передачи информации на основе нелинейного неавтономного осциллятора / А.О. Мантуров, Е.Е. Глуховская, Ю.А. Тимошенко // Вестник СГТУ. 2009. №4 (43). Вып. 2. С. 128-130.
4. Зи С. Физика полупроводниковых приборов / С. Зи. М.: Мир, 1984.
Глуховская Елена Евгеньевна -
аспирант кафедры «Информационная безопасность автоматизированных систем» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Elena E. Glukhovskaya -
Postgraduate
Department of Information Security
of Automated Systems
Gagarin Saratov State Technical University
Мантуров Алексей Олегович -
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Информационная безопасность автоматизированных систем» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Статья поступила в редакцию 12.08.12, принята к опубликованию 06.11.12
Alexey O. Manturov -
Ph. D., Associate Professor Department of Information Security of Automated Systems Gagarin Saratov State Technical University
а
б
