Торокин А.А. Инженерно-техническая защита информации, 2005

Магнитные

Рис. 5.2. Принципы работы электродинамического

акустоэлектрического преобразователя

Если провод длиной L под действием акустической волны со звуковым давлением Р перемещается со скоростью V в магнитном поле с индукцией В, то в нем при условии перпендикулярности си­ ловых магнитных линий проводу и скорости его перемещения, воз­ никает ЭДС величиной е = LBV. Так как V = PS/ZMC(Р — звуковое давление, S — площадь провода, на которую оказывает давление акустическая волна, ZMC— величина механического сопротивле­ ния движению провода), то е = LBSP / Zmc.

Наибольшей чувствительностью обладают электродинамичес­ кие акустоэлектрические преобразователи в виде динамических головок громкоговорителей (см. рис. 5.3).

Сущность преобразования состоит в следующем. Под давле­ нием акустической волны соединенная с диффузором катушка в виде картонного цилиндра с намотанной на нем тонкой проволо­ кой перемещается в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом цилиндрической формы. В соответствии с законом элек­ тромагнитной индукции в проводах катушки возникает электро­ движущая сила (ЭДС), величина которой пропорциональна гром­ кости звука.

131

Рис. 5.3. Схема электродинамического громкоговорителя

Аналогичный эффект возникает в электромагнитных акусто­ электрических преобразователях. К ним относятся электромаг­ ниты электромеханических звонков и капсюлей телефонных аппа­ ратов, шаговые двигатели вторичных часов, кнопочные извещатели ручного вызова пожарной службы охраняемого объекта и др. Электрические сигналы индуцируются в катушках электромагни­ тов этих устройств в результате изменений напряженности созда­ ваемых ими полей, вызванных изменениями под действием акус­ тической волны воздушного зазора между сердечником и якорем электромагнита или статора (неподвижной части) и ротора (под­ вижной) части электродвигателя. Для приведенной на рис. 5.4 схе­ мы электромагнитного акустоэлектрического преобразователя на­ пряжение Е на концах проволоки, намотанной на катушке, пропор­ ционально количеству витков W, площади s и относительной маг­ нитной проницательности цо сердечника, обратно пропорциональ­ но расстоянию Д между полюсом сердечника и подвижного якоря.

Перечень бытовых радио- и электроприборов, в которых воз­ никают подобные процессы и которые устанавливаются в служеб­ ных и жилых помещениях, достаточно велик. К ним относятся: те­ лефонные аппараты с электромеханическими звонками, вторич­ ные электрические часы системы единого времени предприятия или организации, вентиляторы и др. Уровни опасных сигналов в этих цепях зависят от конструкции конкретного типа средства и их значения имеют значительный разброс. Например, опасные сигна­ лы, создаваемые звонковой цепью телефонного аппарата, могут до­ стигать значений долей и единиц мВ.

132

Рис. 5.4. Схема электромагнитного акустоэлектрического

преобразователя

Активными акустоэлектрическими преобразователями яв­ ляются также некоторые кристаллические вещества (кварц, сегнетовая соль, титанат и ниобат бария и др.), которые широко при­ меняются в радиоаппаратуре для стабилизации частоты и филь­ трации сигналов, в качестве акустических излучателей сигналов вызова в современных телефонных аппаратах вместо электроме­ ханических звонков. На поверхности этих веществ при механичес­ кой деформации их кристаллической решетки (давлении на повер­ хность, изгибе, кручении) возникают электрические заряды.

В пассивных акустоэлектрических преобразователях акус­ тическая волна изменяет параметры элементов схем средств, в ре­ зультате чего изменяются параметры циркулирующих в этих схе­ мах электрических сигналов. В большинстве случаях под действи­ ем акустической волны изменяются параметры индуктивностей и емкостей электрических цепей. В соответствии с этим акустоэлектрические преобразователи называются индуктивными и емкост­

ными.

Если схема электрической цепи содержит катушку с витками проволоки, то под действием акустической волны изменяются рас­ стояние между витками и геометрические размеры самой катушки. В результате этого, как следует из соответствующих формул, изме­ няется индуктивность катушки. Если, например, катушка является элементом частотно-задающего контура генератора, то изменение индуктивности вызывает частотную модуляцию сигнала генера­ тора. В итоге информация, записанная в параметры акустической

133

волны, переписывается в параметры электрического сигнала, спо­ собного перенести ее к злоумышленнику на большое расстояние. Аналогичная картина наблюдается при изменении под действием акустической волны емкости контура генератора.

Если акустоэлектрический преобразователь представляет со­ бой реактивное сопротивление, величина которого меняется в со­ ответствии с параметрами акустического сигнала, то изменение этого сопротивления вызывает амплитудную модуляцию тока в цепи.

Разновидностью индуктивного является магнитострикционный акустоэлектрический преобразователь. Магнитострикция проявляется в изменении магнитных свойств ферромагнитных ве­ ществ (электротехнической стали и ее сплавов) при их деформи­ ровании (растяжении, сжатии, изгибании, кручении). Такое явле­ ние называется Виллари-эффектом или обратной магнитострикцией, открытым итальянским физиком Э. Виллари в 1865 г. Этот эф­ фект обусловлен изменением под действием механических напря­ жений доменной структуры ферромагнетика. Прямая магнитост­ рикция заключается в изменении геометрических размеров и объ­ ема ферромагнитного тела при помещении его в магнитное поле. В результате обратной магнитострикции под действием акустичес­ кой волны изменяется магнитная проницаемость сердечников кон­ туров, дросселей, трансформаторов радио- и электротехнических устройств, что приводит к эквивалентному изменению значений индуктивностей цепи и модуляции протекающих через них высо­ кочастотных сигналов.

К наиболее распространенным случайным акустоэлектрическим преобразователям относятся:

•вызывные устройства телефонных аппаратов;

•динамические головки громкоговорителей, электромагнитные капсюли телефонных трубок, электрические двигатели вторич­ ных часов системы единого времени и бытовых электроприбо­ ров;

•катушки контуров, дросселей, трансформаторов, провода мон­ тажных жгутов, пластины (электроды) конденсаторов;

•пьезоэлектрические вещества (кварцы генераторов, виброакустические излучатели акустических генераторов помех);

134

• ферромагнитные материалы в виде сердечников трансформато­ ров и дросселей.

Угроза информации от акустоэлектрического преобразователя зависит, прежде всего, от его чувствительности. Чувствительность акустоэлектрического преобразователя характеризуется отноше­ нием величины электрического сигнала на его выходе или измене­ ния падающего на нем напряжения к силе звукового давления на поверхность чувствительного элемента преобразователя на часто­ те f = 1000 кГц и измеряется в В/Па или мВ/Па. Очевидно, что чем выше чувствительность случайного акустоэлектрического преоб­ разователя, тем больше потенциальная угроза от него для безопас­ ности акустической информации.

Чувствительность в мВ/Па некоторых акустоэлектрических преобразователей приведена в табл. 5.1 [11].

Опасные сигналы, образованные акустоэлектрическими пре­ образователями, могут:

•распространяться по проводам, выходящим за пределы контро­ лируемой зоны;

•излучаться в эфир;

•модулировать другие, более мощные электрические сигналы, к которым возможен доступ злоумышленников.

\

Техническую основу для реализации первой угрозы создают, например, неработающий громкоговоритель городской ретрансля­ ционной сети и звонковая цепь телефонных аппаратов устаревших, но широко еще применяемых типов (ТА-68М, ТА-72М, ТАН-70-2, ТАН-76-3, ТА-1146, ТА-1162, ТА-1164 и др.). Головка громкогово­ рителя непосредственно подключается к кабелю (двухжильному проводу) при приеме первой программы городской ретрансляци­ онной сети через согласующий трансформатор, который повыша­ ет амплитуду опасных сигналов до 30-40 мВ. Сигнал такой амп­ литуды может распространяться по проводам ретрансляционной сети на значительные расстояния, достаточные для снятия инфор­ мации злоумышленником за пределами территории организации. Однако если в радиотрансляционной сети идет передача речи или музыки, то сигналы этой передачи, имеющие существенно боль­ шую (в 100-200 раз) амплитуду и совпадающий диапазон частот, подавляют опасные сигналы. Поэтому работающие громкоговори­ тели, может быть, и мешают работе людей, но исключают утечку информации из помещений через акустоэлектрические преобразо­ ватели в громкоговорителях.

Иная ситуация с акустоэлектрическими преобразователями в телефонных аппаратах. Телефонные линии постоянно подключены к источнику тока напряжением порядка 60 В. Хотя опасные сигна­ лы на выходе звонковой сети составляют единицы и доли мВ, их не­ трудно отделить с помощью фильтра от значительно более высоко­ го напряжения постоянного тока в телефонной линии. Постоянный ток фильтр не пропускает, а опасные сигналы с речевой информа­ цией от акустоэлектрических преобразователей с частотами в зву­ ковом диапазоне проходят через фильтр с малым ослаблением, а затем усиливаются до необходимого значения.

Опасными сигналами на выходе акустоэлектрических преоб­ разователей, имеющими даже весьма малые значения (доли мил­ ливольт), нельзя пренебрегать. Во-первых, чувствительность сов­ ременных радиоприемников и усилителей электрических сигналов превышает в десятки и сотни раз уровни наиболее распространен­ ных опасных сигналов, а, во-вторых, маломощные опасные сиг­ налы могут модулировать более мощные электрические сигналы и поля и таким образом увеличивать дальность распространения

136

опасных сигналов. Например, если опасные сигналы попадают в цепи генераторов (гетеродинов) любого радиоили телевизионно­ го приемника, то они модулируют гармонические колебания этих генераторов по амплитуде или частоте и распространяются за пре­ делы помещения уже в виде электромагнитной волны. Также поля опасных сигналов на выходе акустоэлектрических преобразова­ телей, которые сами по себе из-за малой напряженности не несут большой угрозы безопасности информации, могут наводить в це­ пях рядом расположенных радиоэлектронных средств электричес­ кие сигналы с аналогичным эффектом.

5.2.Паразитные связи и наводки

Влюбом радиоэлектронном средстве или электрическом при­ боре наряду с токопроводами (проводами, проводниками печатных плат), предусмотренными их схемами, возникают многочисленные побочные пути, по которым распространяются электрические сиг­ налы, в том числе опасные сигналы акустоэлектрических преоб­ разователей. Эти пути создаются в результате паразитных связей

инаводок. Первопричиной их являются поля, создаваемые элект­ рическими зарядами и токами в цепях радиоэлектронных средств

иприборов.

Постоянные электрические заряды и электрический ток в эле­ ментах и цепях радиосредств и электрических приборов создают соответствующие электрические и магнитные поля, а заряды и ток переменной частоты — электромагнитные поля. Поля распростра­ няются в пространстве и воздействуют на элементы и цепи других технических средств и систем. Кроме того, для функционирования средств и систем необходимо обеспечить гальваническое соедине­ ние их элементов. Из-за гальванических соединений возникают до­ полнительные пути для распространения сигналов одних узлов и блоков по цепям других. В результате воздействия побочных по­ лей и влияния через проводники и резисторы сигналов одних уз­ лов и блоков на сигналы других блоков и узлов возникают пара­ зитные связи и наводки как внутри радиоэлектронных средств, так и между рядом расположенными средствами. Эти связи и на­ водки ухудшают работу узлов, блоков и средств в целом. Поэтому при проектировании радиоэлектронных средств уровни этих пара­

137

зитных связей и наводок снижают до допустимых значений. Чем выше требования к характеристикам средств, тем требуются боль­ шие усилия, а следовательно, и затраты для нейтрализации пара­ зитных связей и наводок. Основная часть высокой цены (десятки тысяч долларов) высокоточных контрольно-измерительных при­ боров фирм Hewlett Packard, Ronde & Scwarz и др. приходится на меры по уменьшению паразитных связей и наводок.

Однако несмотря на принимаемые меры по снижению уровня паразитных связей и наводок для обеспечения требуемых харак­ теристик радиоэлектронного средства, остаточный их уровень со­ здает угрозы для информации, содержащейся в информационных параметрах сигналов, циркулирующих в радиоэлектронном средс­ тве. Поэтому любое радиоэлектронное средство или электри­

ческий прибор следует с точки зрения информационной безо­ пасности рассматривать как потенциальный источник угрозы безопасности информации.

Известны три вида паразитных связей:

•емкостная;

•индуктивная;

•гальваническая.

Емкостная связь образуется в результате воздействия элек­ трического поля, индуктивная — воздействия магнитного поля, гальваническая связь — через общее активное сопротивление.

Модель емкостной паразитной связи представлена на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Паразитная емкостная связь

138

На этом рисунке Ua — потенциал заряда точки А относитель­ но корпуса, создающий электрическое поле. В результате воздейс­ твия этого поля в точке В возникает заряд противоположного зна­ ка. Величина потенциала заряда (наведенного напряжения) Ub точ­ ки В относительно корпуса определяется соотношением емкостно­ го сопротивления Сп, и сопротивлений Zb:

где Zn = 1 / jcoCn — емкостное сопротивление между точками А и В, со — круговая частота изменения потенциала заряда точки А.

Емкость Сп является паразитной и создает емкостную паразит-

В большинстве реальных случаях Zn» Z b, поэтому Pc~ Z BjcoCn. Следовательно, коэффициент паразитной емкостной связи пропор­ ционален величине паразитной емкости и частоте колебаний элек­ трического поля.

Емкостная паразитная связь возникает между любыми элемен­ тами схемы: проводами, радиоэлементами схемы и корпусом (шас­ си). Величина паразитной емкости на единицу длины проводов, па­ раллельно расположенных на удалении b друг от друга, определя­ ется по формуле:

где d — диаметр проводов; ео — абсолютное значение диэлектри­ ческой постоянной.

Из этой формулы следует, что величина емкости пропорцио­ нальна диэлектрической проницаемости среды, диаметру прово­ дов и обратно пропорциональна расстоянию между проводами. Максимальная паразитная емкость возникает между проводами

139

катушек, в которых витки проводов наматываются вплотную друг к другу (b ~ d) и пропитываются лаком (еа ~ 4,5 ■10_п Ф/м). Эта ем­ кость составляет 4,4 • 10~10 Ф/м или 44 пФ/м. Емкость между дву­ мя параллельными проводами длиной 100 мм и диаметром 0,1 мм уменьшается с 0,75 пф до 0,04 пф при увеличении расстояния меж­ ду ними с 2 до 50 мм. Для проводов диаметром 2 мм эта емкость при тех же условиях больше и составляет 5-0,07 пф [12].

Так как между рядом расположенными основными и вспомо­ гательными средствами существует паразитная емкостная связь, способствующая передаче сигналов с защищаемой информацией от ОТСС к ВТСС, то для определения величины наводки надо знать их паразитные емкости. Эти емкости называются собственными емкостями радиоэлектронного средства и электрического прибо­ ра. Вычислить собственную емкость можно только для простей­ ших конфигураций типа штырь, шар, диск. Например, для шты­ ря длиной L паразитная емкость составляет Сп ~ 0,1L, для диска Сп ~ 0,35D, шара — Cn ~ 0,56D, где D — диаметр шара и диска. Для реальных радиоэлектронных средств сложной конфигурации собс­ твенная емкость Сп определяется экспериментально путем разме­ щения средства в однородном электрическом поле и измерением наведенного напряжения на его выходе UH. Предварительно изме­ ряется наведенное эталонное напряжение U в простейшем уст­ ройстве (диске, шаре и др.) с известной (эталонной) собственной емкостью Спэ, помещенном в это поле. На основе полученных дан­ ных собственная емкость исследуемого средства определяется ме­ тодом замещения, в соответствии с которым Сп = С U /U .

Паразитная индуктивная связь иллюстрируется рис. 5.6.

Цепь А Цепь В

Рис. 5.6. Паразитная индуктивная связь

140