1.3. Технические каналы утечки информации, обрабатываемой тспи и передаваемой по каналам связи

В настоящее время для передачи информации используют в основном КВ, УКВ, радиорелейные, тропосферные и космические каналы связи, а также кабельные и волоконно-оптические линии связи. В зависимости от вида каналов связи технические каналы перехвата информации можно разделить на электромагнитные, электрические и параметрические.

1.3.1. Электрические линии связи

Средства передачи электрических сигналов [3]. Работа любого электронного устройства основана на получении, обработке и передаче информации, пред­ставленной в виде электрических сигналов. В передаче электрического сигнала участвуют источник, средства пе­редачи и приемник сигнала. Устройства передачи электриче­ских сигналов от источника к приемнику называют электромагнитными линиями связи или кратко – линиями связи. Линии связи используют в качестве средства пере­дачи энергию электрического поля, магнитного поля, элек­тромагнитного поля излучения, электрические проводники и волноводы.

Напряженность электрического и магнитного полей в пространстве убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от элемента, являющегося источником поля. Минимальные потери энергии характерны для однородного электрического поля, локали­зованного в определенной области пространства, например, в электрических конденсаторах.

Для создания магнитных полей применяют катушки ин­дуктивности с ферромагнитными сердечниками или без них. На­личие ферромагнитного сердечника способствует локализа­ции магнитного поля в пределах сердечника и снижению потерь энергии. В катушках без сердечника пространство распространения магнитного поля ненамного больше. В электронных устройст­вах конденсаторы и катушки индуктивности используют как средства для формирования требуемых частотных и фазовых характеристик линий связи.

Полная независимость между электрическим и магнитным полями может иметь место только в статических режимах. При упорядоченном перемещении электрических зарядов возникает электрический ток и, как следствие, магнитное поле. С другой стороны, при любом перемещении проводника в магнитном поле появляется ЭДС, что сопровождается появлением электрического поля. Таким образом, электрическое и магнитное поля неразрыв­но связаны и являются составляющими электромагнитного поля. Любое изменение магнит­ного поля сопровождается индукцией ЭДС, изменяющую вектор электри­ческого поля. Отсутствие полной независимости электриче­ского и магнитного полей принципиально не позволяет создать идеальные конденсаторы, не обладающие паразитной ин­дуктивностью, и идеальные катушки индуктивности, не имеющие собственной паразитной емкости.

Электромагнитная волна (ЭМВ) излучения представля­ет собой совокупность электрического и магнитного полей, распространяющихся в пространстве со скоростью света. В электромагнитной волне электрическое и магнитное поля не разделены пространственно, и в любой момент времени энергия магнитного поля равна энергии электрического по­ля. Поэтому в случаях, когда поля разделены, электричес­кое поле сосредоточено в конденсаторе, а магнитное – в ка­тушке индуктивности, излучения ЭМВ не происходит. Ус­ловия для излучения создаются в открытом контуре, к ко­торому можно перейти, раздвинув обкладки конденсатора и растянув витки катушки индуктивности (рис. 1.3) таким образом, чтобы при этом сохранилась резонансная частота контура, а его выходное сопротивление равнялось волново­му сопротивлению среды.

Поскольку токи смещения охва­тывают большое пространство, становится возможным эф­фективное излучение ЭМВ. В электронных устройствах применя­ют преимущественно проводные линии связи. Рассмотренная модель объясняет причину электромагнитных излучений отдельных проводных линий реальных электронных устройств.

Эффективное излучение имеет место тогда, когда размеры открытого контура (антенны) соиз­меримы с длиной волны электрического сигнала. При дефектах конструирования может возникнуть ЭМВ излучения, создающая помехи работе дру­гих устройств, или могут возникнуть условия, при которых принимается ЭМВ излучения из окружающего простран­ства другими устройствами, что будет соответствовать образованию канала утечки информации.

Рис. 1.3. Преобразование замкнутого колебательного контура в антенну

Виды проводных электрических линий связи [3]. Проводные линии связи подразделяются на симметричные, несимметрич­ные, коаксиальные.

Симметричные двухпроводные линии связи (рис. 1.4) имеют два провода, по одному из которых течет прямой ток, а по другому – обратный. Симметричные двухпроводные линии могут быть реализованы в виде двух параллельных проводов, закрепленных на изолирующих распорках (рис. 1.4,а ), или иметь непрерывную гибкую оболочку (рис. 1.4,б) из диэлектрика, или в виде двух свитых проводов (рис. 1.4,в), или в виде двух одинаковых печатных проводников, расположенных с одной (рис. 1.4,г) или с двух (рис. 1.4,д) сторон печатной платы. Линии связи (ЛС), выполненные на печатной плате, называют полосковыми.

Несимметричные однопроводные линии связи (рис. 1.5) состоят из одного провода, по которому проходит прямой ток. В качестве обратного провода могут использоваться корпус блока, земляная шина, шина питания или провод, общий для нескольких линий связи. Несимметричные однопроводные линии могут быть реализованы в виде одиночного объем­ного (рис. 1.5, а) или печатного (рис. 1.5, б – г) проводни­ков. В несимметричных однопроводных ЛС токи, текущие по прямому и обратному проводам, в общем случае не равны между собой.

Рис. 1.4. Электрическая схема и варианты конструктивного исполнения двухпроводных симметричных линий связи:

а — жесткая линия на распорках; б — гибкая ленточная линия; в — витая пара; г — односторонняя печатная линия; д — двусторонняя печатная линия; U_г—на­пряжение генератора; R_н—сопротивление нагрузки

Коаксиальный кабель, представляющий собой экранированный провод состо­ит из двух цилиндрических проводов, встав­ленных концентрично один в другой (рис. 1.6, а). Прямой ток проходит по центральному проводу, обратный – по оболоч­ке (рис. 1.6, б).

Параметры линий связи [3]. Линии связи обладают электрическими и конструктив­ными параметрами. Электрические параметры ЛС подразделяются на первичные и вторичные.

К первичным параметрам относятся L_п – погонная индук­тивность, С_п – погонная емкость, R_п – погонное сопротив­ление потерь, G_n – погонная проводимость линии.

К вторичным параметрам относятся Z_в – волновое сопро­тивление, К_в – коэффициент укорочения волны в линии.

Конструктивные параметры составляют длина линии l_c , форма и размеры проводников, расстояние между проводниками, электромагнитные свойства материала проводников и окружающей сре­ды.

Вторичные параметры линии определяются че­рез первичные и конструктивные параметры:

где  — частота сигнала, передаваемого линией связи; – скорость распространения электромаг­нитной волны в открытом пространстве (скорость света); – скорость распространения электромаг­нитной волны в линии связи; – абсолютная магнитная проницаемость вакуума, Гн/м; – абсолютная диэлектрическая постоянная вакуума; ,, – от­носительные магнитная и диэлектрическая постоянные сре­ды, в которой расположены проводники линии.

Рис. 1.6. Коаксиальная линия связи (а) и электрическая схема ее вклю­чения (б)

Электромонтаж­ные линии связи в микроэлектронных устройствах могут иметь вид системы проводников круглого сече­ния в объемном монтажном пространстве, или вид плоских проводников на печатной плате.

Взаимная индуктивность двух электромонтажных ЛС зависит от взаимного расположения и расстояния между проводами линий. Для двух линий, лежащих в параллель­ных плоскостях (рис. 1.7,а), взаимная индуктивность

(1.1)

для линий, лежащих во взаимно перпендикулярных плос­костях рис. (1.7,б),

(1.2)

Рис. 1.7. Линии связи, лежащие в параллельных (а) и взаимно перпен­дикулярных плоскостях (б)

Взаимная индуктивность двух одиночных проводов (рис. 1.8) определяется выражением

(1.3)

Рис. 1.8. К расчету взаимной индуктивности двух одиночных проводов

Расчет помех (наводок) в каналах связи [3]. При работе электронных устройств имеют место паразитные свя­зи, помехи, элементы.

Паразитная связь обусловлена не предусмотренной электрической схемой и конструкцией изделия связью меж­ду элементами устройства или устройством и внешней сре­дой, приводящая к появлению помехи.

Помехи представляют собой электрические сигналы, не предусмотрен­ные электрической схемой изделия. Помехи подразделяются на шумы и наводки. Наводки – это помехи, возникающие из-за паразитных связей. Шумы – это электриче­ские сигналы (помехи), обусловленные в электронных при­борах их внутренними свойствами независимо от наличия внешних связей и сигналов.

Паразитные связи обусловлены неидеальностью конструирования электрической схемы, поэтому значения наво­док в основном определяются конструкцией изделия.

Паразитными называют элементы, появившиеся в резуль­тате неидеальности практической реализации электрической схемы из-за невозможности создания проводников и линий связи, не обла­дающих сопротивлением, индуктивностью и емкостью.

Канал связи может являться как источником, так и приемником помех. Если два канала связи имеют взаим­ную паразитную связь, то и наводки, а, следовательно, и утечка информационных сигналов, возникают в обоих ка­налах взаимно. Уровень наводок и их влияние на работу канала связи зависит от относительного уровня сигна­лов в каналах.

В электронных устройствах чаще дру­гих имеет место внешняя параллельная емкостная па­разитная связь. Эквивалентная схема паразитной емкост­ной связи представлена на рис. 1.9. Сопротивление Z_вх1 представлено в виде параллельно соединенных и , что правомерно для большинства устройств, работающих на низких и средних частотах. Второй канал показан упрощенно, так как его параметры слабо влияют на значение наводки из второго канала в первый.

Рассмотрим расчет помехи , наводимой из второго канала в первый. Напряжение сигнала во втором канале (на сопротивлении ) определяется выражением

(1.4)

Входное сопротивление первого канала связи для сигна­ла наводки образуется параллельным соединением следу­ющих элементов: выходного сопротивления генератора паразитной емкости линии связи , входного сопро­тивления приемника сигнала и входной емкости прием­ника сигнала, т. е.

где – импеданс паразитной емкости

– входное сопротивление и собственная емкость первого канала.

При гармоническом сигнале во втором канале амплитуда помехи определяется по выражению

(1.5)

где – постоянная времени первого канала связи; – постоянная времени цепи паразитной связи первого канала со вторым; – частота гармонического сигнала во втором канале.

Рис. 1.9. Эквивалентная схема внешней емкостной параллельной па­разитной связи между двумя каналами

Передаточная функция канала емкостной параллельной паразитной связи

(1.6)

а в соответствии с передаточной функцией определяется амплитудно-частотная характеристика

(1.7)

где – частота гармонического сигнала во втором канале.

Появление паразитных связей последовательного вида возможно при наличии общих проводов и не равных нулю значений выходных сопротив­лений вторичных источников питания, шин питания, земля­ных цепей.

Причиной появления последовательной помехи (наводки) на высоких частотах является паразитная связь из-за взаимной индуктивности между проводами (рис. 1.10). В этом случае отсутствие общих проводов не гарантирует отсутствие токовой наводки.

При гармоническом сигнале токовая наводка

(1.8)

В случае импульсных сигналов величина токовой наводки в первом канале связи определяется крутизной фронтов t_ф импульса во втором канале:

(1.9)

Таким образом, паразитные связи могут проявляться и при отсутствии гальванического соединения источника и приемника наводки.

Паразитные связи через посторонний провод [3]. Пусть между двумя устройствами, размещенными в двух отдельных экра­нированных блоках и образующими две линии связи – первую и вторую, проходит третий провод, не отно­сящийся к линиям связи 1 и 2, т. е. являющийся посторон­ним для линий связи 1 и 2, но имеющий с ними паразитные емкости и (рис. 1.11) или паразитные взаимоиндуктивности и (рис. 1.12).

Рис. 1.10. Эквивалентная схема последовательной паразитной связи через паразитную взаимную индуктивность

Рис. 1. 11. Паразитная емкостная связь через посторонний провод и ее эквивалентная схема

Рис. 1. 12. Паразитная индуктивная связь через посторонний провод и ее эквивалентная схема

Значение навод­ки можно рассчитать по формулам (1.6) – (1.8), считая третий провод приемником наводки по отношению к кана­лу связи 2 и источником наводки по отношению к каналу 1. Анализ показывает, что в случае емкостной паразитной внешней связи через посторон­ний провод уменьшение величины собственного сопротивления R₃ постороннего провода снижает наводки, при индуктивной паразитной связи снижение сопротивления R₃ увеличивает сигнал наводки. Если в схеме на рис. 1.11 замкнуть ключ SA1, то наводка исчезнет. В схеме на рис. 1.12 наводка возможна только при замкнутом ключе SA1, так как только в этом случае возникает потокосцепление постороннего провода. В сложных системах не всегда возможно определить посторонний провод, создающий па­разитную связь.