Гизатуллин монография 1

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ»

З.М. ГИЗАТУЛЛИН

ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ВНУТРИ ЗДАНИЙ ПРИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Монография

Казань 2012

УДК 004.3; 621.391.82

Ги 46

Рецензенты:

докт. техн. наук Л.Н. Кечиев (Московский государственный институт электроники и математики (технический университет); докт. техн. наук В.Ю. Кириллов (Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)

Гизатуллин З.М.

Ги 46 Помехоустойчивость средств вычислительной техники внутри зданий при широкополосных электромагнитных воздействиях: Монография. Казань: Изд-во Казан. гос. техн.

ун-та, 2012. 254 с.

ISBN 987-5-7579-1682-8

Рассмотрена проблема помехоустойчивости средств вычислительной техники, установленных внутри зданий, при внешних широкополосных электромагнитных воздействиях. Предложена технология обеспечения помехоустойчивости средств вычислительной техники внутри зданий, отличающаяся наличием методики сквозного прогнозирования и новыми методиками и техническими решениями для его повышения.

УДК 004.3; 621.391.82

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ЭМС – электромагнитная совместимость; СВТ – средства вычислительной техники; ЭСР – электростатический разряд; ЭМИ – электромагнитный импульс; ЯВ – ядерный взрыв;

СЭТ – средства электромагнитного терроризма; ИЗ – интеллектуальное здание; ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика;

НВТТЛ – низковольтная транзисторно-транзисторная логика; GTL – низковольтная высокоскоростная логика;

HSTL – высокоскоростная логика;

ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика на переключателях тока; ПЭСЛ – позитивная ЭСЛ; НВПЭСЛ – низковольтная позитивная ЭСЛ;

LVDS – низковольтная передача дифференциальных сигналов; КМОП – комплементарная логика на транзисторах металл-

оксид-полупроводник; СКС – структурированная кабельная система;

МПП – многослойная печатная плата; МЭК – Международная электротехническая комиссия;

CISPR – Международный специальный комитет по радиопомехам;

UTP – неэкранированная витая пара;

STP – экранированная витая пара;

FTP – фольгированная витая пара; ГИТ – генератор импульсного тока; ММ – математическая модель.

3

ВВЕДЕНИЕ

Современное общество быстро становится все более зависимым от эффективного функционирования средств вычислительной техники (СВТ). Эта зависимость включает почти весь аспект современной жизни, от развлечений, спортивных состязаний и деятельности в свободное от работы время до критически важных основных функций общества, таких как передача электроэнергии, медицинское обслуживание, телекоммуникации, транспортировка, банковское дело и финансы, пищи и водоснабжения, чрезвычайных услуг, радио/телевидения и принятие решения. При данной зависимости, одним из центральных вопросов становится способность СВТ сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него внешних электромагнитных помех, т.е. помехоустойчивость. Электромагнитные поля, создаваемые всевозможными источниками, неизбежно вызывают напряжения и токи (электромагнитные помехи) во внешних или внутренних цепях современных СВТ, которые могут привести к временному нарушению их функционирования или к физическому разрушению элементов. Проблема помехоустойчивости является частью общей теории обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) [1 – 3].

Помехоустойчивость СВТ – это его способность сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него внешних электромагнитных помех. Выделяют четыре критерия качества функционирования: нормальное, в соответствие с заданными требованиями; временное ухудшение качества или прекращение функционирования с последующим восстановлением нормального

4

функционирования без вмешательства оператора (с вмешательством оператора); невосстанавливаемое ухудшение качества [2].

Создающие электромагнитные помехи электромагнитные поля создаются источниками, излучение которых не предусмотрено их функциональным назначением и источниками естественного происхождения. А также, в отдельную категорию выделяются преднамеренные источники, которые целенаправленно создают электромагнитные поля для нарушения помехоустойчивости СВТ. При решении задач помехоустойчивости, электромагнитную обстановку разделяют на существующую и предполагаемую. Если источники электромагнитных полей заранее известны, известны их параметры, местоположение, которое остается неизменным, то данная электромагнитная обстановка определяется как существующая. На практике, в основном, приходится сталкиваться с предполагаемой электромагнитной обстановкой. Электромагнитная обстановка может быть стабильной и нестабильной во времени. Нестабильная электромагнитная обстановка характерна для движущихся СВТ или перемещающихся в пространстве, источников электромагнитных полей. Если в основу отличительных признаков электромагнитной обстановки положить место расположения источников электромагнитных полей, оказывающих воздействие на помехоустойчивость СВТ, то источники можно подразделить на внешние и внутренние. Когда данные источники не являются составной частью самих СВТ, то они являются внешними [4 – 6].

По временной форме, электромагнитные поля, создающие помехи, разделяются на импульсные и регулярные [6]. Импульсные электромагнитные поля – это одиночные электромагнитные импульсы или их последовательность, произвольные по форме и различные по амплитуде (напряженности). Данные электромагнитные импульсы проявляются в случайные моменты времени, причем для последовательности импульсов интервалы между ними, как правило, намного больше длительности самих импульсов. Как правило, энергия спектра данных электромагнитных импульсов сосредото-

5

чена в относительно широком спектре (ширина спектральной полосы по уровню – 10 дБ – до 25 % от центральной частоты [6]). Регулярные помехи определяются как гармонические.

В рамках данной работы будут рассмотрены наиболее опасные, вероятные и масштабные широкополосные электромагнитные источники (электростатический разряд (ЭСР), разряд молнии, ядерный взрыв (ЯВ), источники преднамеренного локального электромагнитного воздействия), которые представляют серьезную опасность для помехоустойчивости современных СВТ. Каждый из них имеет свои особенности, специфику механизмов воздействия на помехоустойчивость, но на данном этапе внедрения современных СВТ есть необходимость и возможность рассматривать их

вкомплексе. В начале рассмотрим представленные в научной литературе исследования по каждому из указанных источников в отдельности и более подробно.

Из материалов международных симпозиумов по ЭМС последних лет видно, что вопросом воздействия ЭСР активно занимаются специалисты из США [7 – 10], Китая [11 – 14], Швейцария [15], Японии [16], Германии [17], Италии [17 – 20] и других стран [21]. В решение задач связанных с воздействием ЭСР также внесли большой вклад российские ученые и специалисты: Кечиев Л.Н., Пожидаев Е.Д., в области анализа электромагнитных помех при ЭСР и методов защиты от его воздействия [22, 23], Кириллов В.Ю., Соколов А.Б., в области разработки методов и средств исследований и испытаний воздействия ЭСР на бортовые системы космических аппаратов [24 – 29], Файзулаев Б.Н, Логачев В.В, Усанов А.П., в области экспериментальных исследований воздействия ЭСР на электронные средства [30 – 33], Горлов М.И., Андреев А.В., в области исследований непосредственного воздействия ЭСР на интегральные схемы [34, 35], Каверзнев В.А., Грошева Г.Д.,

вобласти исследований методов и средств защиты полупроводниковых изделий от воздействия ЭСР [36], Гизатуллин З.М., Чермошенцев С.Ф., в области моделирования электромагнитных помех от

6

ЭСР [181, 182] и Потапов Г.П. в области электризации летательных аппаратов [37]. Среди зарубежных авторов необходимо отметить работы Джоввета Ч. [36], Бокслейтера В. [38], Хабигера Э. [39]

иШваба А. [40], в которых даны описания некоторых механизмов воздействия и упрощенные, аналитические подходы для решения задач связанных с воздействием ЭСР. Как видим, для большинства перечисленных работ, касающихся анализа воздействия ЭСР на элементы, наиболее характерным является экспериментальный подход для решения данной задачи, упрощение конфигурации решаемой задачи и множество подходов и методов для защиты от непосредственного воздействия ЭСР на элементы СВТ.

Разряд молнии представляет собой источник электромагнитных помех большой мощности. Известен случай, когда разряд молнии в систему молниеотводов современного высотного здания в Мюнхене вывел из строя более 200 единиц СВТ в самом здании

ив зданиях на удалении до 1 км, нанеся при этом ущерб порядка 500 млн марок. В г. Кельн воздействие разряда молнии вывел из строя 110 компьютеров, 25 принтеров, 25 графопостроителей и другое оборудование [41, 42]. Разряд молнии представляет собой разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров. Ам- плитудно-временные характеристики импульса тока молнии изменяются в широких пределах и носят вероятностный характер [43]. В решение задач связанных с электромагнитным воздействием разряда молнии внесли большой вклад российские ученые и специалисты: Разевиг Д.В. [43], Кравченко В.И. [6], Комягин С.И. [44, 45], Фоминич Э.Н. [46] и др. Среди зарубежных авторов необходимо отметить работы Ракова В.А. [47 – 49], Чавки Г.Г. [51, 52], Корди Б. [53], Рашиди Ф. [54], Орланди А. [55] и др. В целом, в их работах содержатся результаты экспериментальных и теоретических исследований тока разряда молнии; электромагнитных полей разряда молнии; анализ воздействия разряда молнии на систему молниезащиты зданий; анализ растекания токов молнии; анализ перенапряжений

7

влиниях электропередачи и другие аспекты данного явления. Из материалов международных симпозиумов по ЭМС последних лет видно, что данными вопросами анализа электромагнитного воздействия разряда молнии активно занимаются специалисты из США

[50, 55, 56], Швейцария [53], Германии [57 – 59], Польши [49, 52],

Индии [56], Ирана [53] и многих других стран.

Кроме совокупности внешних электромагнитных факторов естественного происхождения, существуют источники искусственного преднамеренного характера. Наиболее мощным преднамеренным искусственным источником электромагнитных импульсов (ЭМИ) является ЯВ. Причиной возникновения ЭМИ радиочастотного диапазона могут оказаться многие физические процессы, протекающие при развитии ядерного взрыва. Задачам анализа воздействия ЭМИ ЯВ посвящено достаточно большое количество исследования, но в связи с ограничениями по данной тематики, полноценных работ можно выделить несколько: Мырова Л.О., Чепиженко А.В. [60], описаны особенности, механизм образования и воздействия ЭМИ, рассмотрены задачи проектирования СВТ с учетом воздействия ЭМИ ЯВ; Лоберев В.М [61], описана физика ядерного взрыва; Балюк Н.В., Кечиев Л.Н., Степанов П.В. и др. [62 – 70], разработка и анализ нормативных документов

вобласти испытаний технических средств на воздействие данного ЭМИ, результаты испытаний технических средств на воздействие ЭМИ, методики расчета наведенных токов и напряжений и др. Среди зарубежных авторов необходимо отметить полноценную работу Риккетса Л.У. [71].

Широкое использование современных цифровых СВТ в различных сферах общества и бизнеса ставит вопрос об их надежности от преднамеренного локального электромагнитного воздействия. Данные источники – « Средства электромагнитного терроризма» (СЭТ) [72] – направлены именно на целенаправленное искажение, уничтожение или блокирование информации в СВТ. Своим возникновением проблема «электромагнитного терроризма», в ос-

8

новном обязана развитию техники генерации мощных коротких сверхширокополосных ЭМИ, которые в руках злоумышленника могут служить оружием наступательной информационной войны. Этот вид угрозы в течение долгого времени признавался вооруженными силами, но сегодня получает повышенное внимание угроза против гражданских систем, как частных, так и общественных. На сегодняшний день, данная проблема непременно обсуждается на всех крупных конференциях и симпозиумах, которые в той или иной мере затрагивают вопросы ЭМС и защиты информации. Из материалов международных симпозиумов по ЭМС последних лет видно, что данным вопросом активно занимаются специалисты из Германии [73 – 76], США [77 – 79], Англии [80], Швеции [81]

идругих стран. Большой вклад в решение задач связанных с воздействием средств электромагнитного терроризма также внесли российские ученые: Мырова Л.О., Кечиев Л.Н., Соколов А.А., Балюк Н.В.

идр.[3, 64, 82 – 92] в области решении задач анализа стойкости систем связи, создании методов измерений и экспериментальной проверки методик расчета, наведенных сверхширокополосных ЭМИ токов и напряжений в кабельных линиях, экранах и антеннах; Газизов Т.Р., в области систематизации результатов научных исследований по проблеме преднамеренных электромагнитных помех

иразработке методов защиты [93 – 97]; Сухаруков С.А., Барсуков В.С., в области классификации воздействия средств электромагнитного терроризма и предложении мер защиты гражданских систем [98 – 102]; Сахаров К.Ю., Михеев О.В., Туркин В.А. в области разработки экспериментальных генераторов и средств измерения сверхкоротких электромагнитных импульсов [103 – 106]; Парфенов Ю.В., Фортов В.Е., Жуков В.Н. [78, 107, 108] в области анализа электромагнитного воздействия по сети питания; Воскобович В.В. [109, 110] – в области обеспечения стойкости перспективных систем связи к воздействию мощных импульсных электромагнитных помех; Петровский В.И. [111, 112] – в области обеспечения информационной безопасности и электромагнитной совместимости

9

технических средств; Рябов Ю.Г. [113] – в области выработки общих положений по сохранению живучести и обеспечению защиты радиоэлектронных средств от воздействия электромагнитного оружия и электромагнитного терроризма. Среди зарубежных авторов необходимо отметить работы группы исследователей Нитча Д., Гарбе Х., Кампа М., Сабас Ф. и др. [73 – 76], Бакстрома М. [81], Радаски У.А., Баума К.И. [78, 114], Соннемана Ф. [115], Кери Г., Руссо П. [18], Джин К. [116]. В данных работах представлены результаты экспериментальных исследований, описания параметров и некоторых механизмов воздействия ЭМИ СЭТ, представлены упрощенные аналитические подходы для решения задачи анализа воздействия средств электромагнитного терроризма на некоторые компоненты современных электронных средств и информационных сетей.

Также в целом, различным аспектом ЭМС электронных и радиоэлектронных средств, в том числе и вопросам экранирования электромагнитных воздействий, посвящены работы Кравченко В.И. [6],

Кечиева Л.Н. [85, 117 – 119], Акбашева Б.Б. [85, 120 – 122], Седельни-

кова Ю.Е., Шувалова Л.Н., Шаброва А.В., Даутова О.Ш., Петровского В.И., Идиатуллова З.Р., Чермошенцева С.Ф. [123 – 131], Иба-

туллина Э.А. [132, 133], Гурвича И.С. [134], Дианова В.Н. [135],

Барнса Дж. [136], Кадена Г.Н. [137], Надеева А.Ф. [138], Никити-

ной В.Н. [139 – 141], Полонского Н.Б. [142], Сливкина В.Г. [143],

Тухаса В.А. [144], Степанова П.В. [145 – 147], Гроднева И.И. [148], Коровкина Н.В. [149], Якимова А.В. [150], Уильямса Т. [151, 152] и др.

Несмотря на множество теоретических и практических работ, направленных на повышение помехоустойчивости электронных средств, в частности СВТ, на сегодняшний день, например, только экономические потери от воздействия ЭСР составляют сотни и даже миллионы долларов. Например, по данным печати, электронная промышленность США ежегодно теряет от 10 % до 18 % продукции в результате повреждения ЭСР. Ежегодно затраты на ремонт аппаратуры и дополнительное обслуживание в результате отказов от ЭСР составляют около млрд долларов [23].

10