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

и

■у' •

Опасность паразитной генерации состоит также в том, что она часто возникает на частотах выше рабочего диапазона и без спе­ циальных исследований не обнаруживается. Действительно, с рос­ том частоты обрабатываемых сигналов уменьшаются значения па­ разитных емкостных и индуктивных сопротивлений между кас­ кадами. В результате этого увеличиваются Кос и сдвиг фазы сиг­ налов, прошедших через паразитные связи. Поэтому возможность выполнения условий генерации в усилителе на частотах, превы­ шающих верхнюю частоту рабочего диапазона частот усилителя, повышается. Хотя на этой частоте полезные сигналы на вход уси­ лителя не подаются, но на его входе присутствуют сигналы, обус­ ловленные тепловым шумом и проникшие через паразитную об­ ратную связь. Любая шумовая реализация на входе усиливается усилителем и частично возвращается через паразитную обратную связь на его вход. При равенстве фаз величина суммарного сигнала на входе усилителя повышается, что приводит к росту сигнала на выходе усилителя. Следствием этого является увеличение сигна­ ла U и дальнейшее увеличение сигнала на входе усилителя и т. д. Происходит лавинообразный процесс нарастания амплитуды сиг­ нала на входе и выходе усилителя, завершаемый процессом непре­ рывной генерации на частоте юрсз. Поэтому не рекомендуется, на­ пример, применять в усилителях низкой частоты высокочастотные транзисторы, которые усиливают шумы с частотами выше верхней границы рабочего диапазона частот.

Паразитная генерация усилителя или логического элемента создает угрозу информации, если она записывается в информаци­ онные параметры паразитного колебания, т. е. происходит его мо­ дуляция информационными сигналами. Это явление возникает в случае, если цепи паразитного генератора содержат акустоэлектрнческие преобразователи или в них попадают опасные сигналы от других случайных акустоэлектрических преобразователей уси­ лителя.

Люминофор электронно-лучевых трубок средств отображения под действием электронов излучает, кроме света, электромагнит­ ное поле в широком диапазоне радиочастот с напряженностью, ко­ торая обеспечивает возможность перехвата сигналов на удалении в Десятки метров. Учитывая, что сигналы управления электронным

описывается квадратичной зависимостью, то i = k[uc(t) + uB4(t)]2 = = k[u(t)2 + 2uc(t)uB4(t) + u(t)B42], где k — нормирующий коэффициент. Если представить высокочастотный сигнал как uB4(t) = A^inccM:, а опасный сигнал — в виде ряда Фурье

П

Из этого выражения следует наличие в спектре тока высоко­ частотных гармоник опасного сигнала, несущих защищаемую ин­ формацию. Этот ток создает электромагнитное поле, мощность ко­ торого зависит не только от мощности сигналов, но и от соотно­ шения длины его волны и длины цепи, по которой протекает ток. Такой вариант реализуется путем подачи внешнего высокочастот­ ного электрического сигнала в телефонную проводную линию. Рассмотренный вариант реализуется путем подачи внешнего элек­ трического сигнала в телефонную проводную линию.

Другим видом излучателя ВЧ-навязывания являются механи­ ческие конструкции, способные изменять свой размер под действи­ ем акустической волны и переотражать внешнее электромагнитное поле. Такие конструкции, как правило, образуют замкнутую по­ лость с токопроводящими поверхностями, одна из которых — тон­ кая и способна колебаться в соответствии с акустическим сигна­ лом мембрана. При колебании мембраны изменяются геометричес­ кие размеры полости. Полость представляет собой колебательный контур, собственная частота которого определяется ее геометри­ ческими размерами. При облучении конструкции электромагнит­ ным полем с частотой колебания, равной собственной частоте кон­ тура, возникают резонансные явления и переотражается максимум энергии облучаемого поля. При колебаниях мембраны изменяются частота и напряженность переотраженного поля. После приема переотраженного поля из него можно выделить путем демодуляции электрический сигнал, соответствующий акустическому. Такой из­

лучатель ВЧ-навязывания по существу представляет собой пассив­ ный акустоэлектрический преобразователь подводимой энергии.

Дальность распространения излучаемого ВЧ-электромагнит- ного поля зависит от его мощности, частоты колебания, величины затухания поля в среде и характера распространения поля.

Характер распространения электромагнитного поля в свобод­ ном пространстве описывается 4 уравнения Максвелла, приведен­ ными им в 1873 г. в труде «Трактат об электричестве и магнетиз­ ме». Эти уравнения явились обобщением открытых ранее законов электрического и магнитного полей.

В соответствии с первым уравнением любое магнитное поле создается электрическими токами и изменением во времени элект­ рического поля. Второе уравнение обобщает закон электромагнит­ ной индукции, открытый Фарадеем в 1831 г., и указывает на то, что в результате изменения магнитного поля в любой среде появляется электрическое поле. Из третьего уравнения Максвелла следует, что поток вектора электрической индукции через любую замкнутую поверхность равен сумме зарядов в объеме, ограниченном этой по­ верхностью. Четвертое уравнение позволяет сделать вывод о том, что число силовых линий магнитного поля, входящих в среду не­ которого объема, равно числу силовых линий, выходящих из это­ го объема. Это возможно при условии отсутствия в природе маг­ нитных зарядов.

Из уравнений Максвелла также следует, что автономно (неза­ висимо) в природе могут существовать только постоянные элек­ трические и магнитные поля. Поле, излучаемое зарядами и тока­ ми переменной частоты, является электромагнитным. В нем при­ сутствуют электромагнитные и электрические компоненты, кото­ рые описываются взаимно перпендикулярными векторами. В зави­ симости от вида излучателя и расстояния от него до точки измере­ ния характер изменения и соотношения между этими компонента­ ми отличаются и изменяются. Характер распространения электро­ магнитного поля поддается точному математическому описанию для моделей излучателей в виде элементарных вибраторов. В ка­ честве элементарного вибратора рассматривается модель излуча­ теля, размеры которой существенно меньше длины волны излучае­ мого электромагнитного поля и расстояния от излучателя до точки

154

измерения. Для такой модели параметры излучения во всех точках принимаются равными. Различают элементарные электрический вибратор и магнитную рамку. Электрический вибратор возбужда­ ется источником переменной электродвижущей силы (источником зарядов), магнитная рамка — протекающим по рамке током.

Вреальных условиях, с учетом переотражения электромаг­ нитных волн от многочисленных преград (зданий, стен помеще­ ний, автомобилей и т. д.), характер распространения столь сложен, что в общем случае не поддается строгому аналитическому описа­ нию.

Взависимости от соотношения геометрических размеров ис­ точников излучений и расстояния от них до точки измерения поля различают сосредоточенные и распределенные источники.

Сосредоточенные источники имеют размеры, существенно мень­ шие, чем расстояние от источника до точки наблюдения. К сосре­ доточенным источникам относится большинство радиоэлектрон­ ных средств и их узлов, а также головки громкоговорителей. Для распределенных источников их геометрические размеры соизме­ римы или больше расстояния до них. Типовые распределенные ис­ точники электромагнитного излучения — провода кабелей линий связи.

5.4.Электромагнитные излучения сосредоточенных источников

Если сосредоточенный анизотропный излучатель представить в виде точки, от которой электромагнитные волны распространя­ ются по всем направлениям с одинаковой энергией, то фронт вол­ ны образует сферу. Но по мере увеличения расстояния от излучате­ ля кривизна сферы уменьшается и волна приближается к плоской электромагнитной волне.

По характеру распространения электромагнитной волны от со­ средоточенного источника окружающего его пространство делят на 3 зоны: ближнюю, переходную и дальнюю. Условная граница между ними размыта. Ближняя зона располагается на удалении г < Х/2п от источника. Пространство на расстояние г > ЗХ/2п рас­ сматривается как да'льняя зона. Размытая граница между ближ­ ней и дальней зонами называется переходной зоной.

В результате анализа уравнений Максвелла в разных зонах, можно сделать следующие выводы.

1.Если в качестве источника поля используется электрический вибратор, то в ближней зоне преобладает электрическое поле, на­ пряженность Е которого убывает с расстоянием в зависимости 1/г3. Магнитное поле электрического вибратора имеет меньшую напря­ женность, но убывающую медленнее — Н ~ 1/г2. При таком харак­ тере распространения электромагнитного поля электрического виб­ ратора в переходной зоне значения напряженности электрической

имагнитной составляющих сближаются, принимают одинаковые значения и убывают в дальней зоне обратно пропорционально г.

2.Если источником поля является магнитная рамка, то в ближ­ ней зоне Н » Е. В этом случае характер распространения магнит­ ной и электрической составляющих меняется на обратный: боль­ шая по величине напряженность Н магнитного поля уменьшается

вближней зоне обратно пропорционально г3, меньшая напряжен­ ность Е электрического поля — обратно пропорциональна г2. В пе­ реходной зоне зависимость напряженности электрического и маг­ нитного полей от г изменяется от соотношения 1/г2 до соотношения 1/г в дальней зоне.

3.Величина связи между электрическими и магнитными ком­ понентами электрического поля и равная Z = Е/Н называется по аналогии с законом Ома волновым сопротивлением. Волновое сопротивление Zf) свободного пространства (в вакууме) в дальней зоне равно 377 Ом. Так как напряженность электрического поля, излучаемого электрическим вибратором, в ближней зоне сущест­ венно выше напряженности магнитного поля, то в ней волновое со­

противление Z » z 0. Поэтому электрическое поле в ближней зоне называют также высокоимпедансным. В связи с тем что в ближ­ ней зоне напряженность магнитного поля, излучаемого магнитной рамкой, значительно больше напряженности электрического поля, в ней волновое сопротивление Z « Ъ - Такое поле называют низ-

коимпедансным.

4. В обобщенном виде характер электромагнитного поля и из­ менения волнового сопротивления в зависимости от расстояния ее источника иллюстрируется на рис. 5.10.

156

1 МОм

Рис. 5.10. Волновое сопротивление пространства

электромагнитному полю

Обозначения: 1 — ближняя зона, 2 — переходная зона, 3 — дальняя

зона, 4 — высокоомное электрическое поле, 5 — низкоомное магнитное поле, 6 — электромагнитное поле. Пунктиром на рисунке показана мате­ матическая зависимость, аппроксимирующая реальную.

На рисунке наглядно видно, что в зависимости от источника излучения для ближней зоны характерно преобладание электри­ ческого (с высоким волновым сопротивлением) или магнитного (с низким волновым сопротивлением) полей. С увеличением рас­ стояния от штыревой антенны волновое сопротивление уменьша­ ется со скоростью приблизительно 20 дБ/декада от больших зна­ чений (сотни кОм) до малых значений и на большом расстоянии асимптотически приближается к волновому сопротивлению ваку­ ума. Волновое сопротивление рамочной антенны, наоборот, снача­ ла увеличивается от долей Ома со скоростью 20 дБ/декада до сотен кОм и затем также асимптотически приближается к волновому со­ противлению вакуума. В переходной зоне наблюдаются колебания волнового сопротивления. В дальней зоне независимо от вида ис­ точника присутствует электромагнитное поле, волновое сопротив­ ление которому в вакууме составляет 377 Ом.

157

Следовательно, при оценке уровней радиосигналов вблизи ис­ точников излучения необходимо учитывать существенно более сложный характер распространения электромагнитной волны по сравнению с традиционно рассматриваемым в дальней зоне.

5.5. Электромагнитные излучения

распределенных источников

/

Основными распределенными источниками магнитного, элек­ трического и электромагнитного полей являются симметричные и несимметричные кабели. Характер излучения полей для симмет­ ричных и несимметричных кабелей существенно различается.

К несимметричным относятся кабели, провода которых име­ ют разные электрические параметры или по проводникам проте­ кают разные токи. Примеры несимметричного кабеля — коакси­ альный телевизионный кабели и ленточные кабели для соединения устройств компьютера. В коаксиальном кабеле токи протекают по центральному проводу и экрану, имеющие различные электричес­ кие параметры. Проводники ленточных кабелей имеют одинако­ вые электрические параметры, но по информационным и корпус­ ным проводникам протекают разные токи. Несимметричном ка­ бель, по которому протекает электрический ток (рис. 5.11), образу­ ет магнитную рамку, напряженность излучения которого пропор­ циональна току и площади рамки.

Рис. 5.11. Несимметричный кабель

158

Показанная на рисунке цепь образует магнитную рамку пло­ щадью Sp = L h . Чем больше площадь рамки и ток, протекающий в ней, тем выше уровень ее электромагнитного излучения. ,

Симметричный кабель состоит из четного количества про­ водов с одинаковыми электрическими и магнитными свойства­ ми. По двум из них распространяется одинаковый по величине, но противоположный по фазе электрический ток. Токи в этих про­ водах создают магнитные поля одинаковой напряженности и про­ тивоположными по направлению магнитными силовыми лини­ ями. В точке пространства, равноудаленном от обоих проводов, поля взаимно компенсируют друг друга и излучение отсутству­ ет. Однако в точках пространства, находящихся на разном рассто­ янии от проводов, напряженность поля от более близкого прово­ да будет превышать напряженность от более удаленного и пол­ ной компенсации противоположных по фазе полей не произойдет. Следовательно, напряженность поля симметричного кабеля может изменяться от 0 до максимального значения при измерении ее в точке, находящейся в плоскости проводов симметричного кабеля (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Модель электромагнитного излучения

симметричного кабеля

Напряженность остаточного магнитного поля из-за асиммет­ ричности расположения проводов (без учета магнитного поля Земли и других его источников) для этой модели определяется по формуле:

159

н- Ia

2m(r + a)

где I — ток в проводах; а — расстояние между параллельными проводами; г — расстояние от точки измерения напряженности В до ближайшего провода.

1а Так как г » а, то Н ~ ------ . Следовательно, мощность излу-

2пт

чения поля симметричным кабелем пропорциональна расстоянию между проводами и обратно пропорциональна квадрату расстоя­ ния от них.

Асимметричность расположения проводов симметрично­ го кабеля по отношению к поверхности Земли или других токо­ проводящих поверхностей вызывает неравенство паразитных свя­ зей между проводниками этих кабелей и другими токопроводя­ щими поверхностями. В результате этого в них возникают некомпенсируемые токи, которые создают дополнительные побочные электромагнитные излучения. Физические явления, приводящие к асимметричности токов в земле, иллюстрируются моделью на рис. 5.13.

Провод 2 линии

Рис. 5.13. Цепь Пикара

Приведенная на рисунке цепь называется цепью Пикара, со противления Zm|j, Z)ib, Znb, Zml, Znh и Z i23 которой обозначают со противления, возникающие за счет паразитных связей между ис

160