Паразитные связи и наводки

В любом радиоэлектронном средстве или электрическом при­боре наряду с токопроводами (проводами, проводниками печатных плат), предусмотренными их схемами, возникают многочисленные побочные пути, по которым распространяются электрические сиг­налы, в том числе опасные сигналы акустоэлектрических преоб­разователей. Эти пути создаются в результате паразитных связей и наводок. Первопричиной их являются поля, создаваемые элект­рическими зарядами и токами в цепях радиоэлектронных средств и приборов.

Постоянные электрические заряды и электрический ток в эле­ментах и цепях радиосредств и электрических приборов создают соответствующие электрические и магнитные поля, а заряды и ток переменной частоты — электромагнитные поля. Поля распростра­няются в пространстве и воздействуют на элементы и цепи других технических средств и систем. Кроме того, для функционирования средств и систем необходимо обеспечить гальваническое соедине­ние их элементов. Из-за гальванических соединений возникают до­полнительные пути для распространения сигналов одних узлов и блоков по цепям других. В результате воздействия побочных по­лей и влияния через проводники и резисторы сигналов одних уз­лов и блоков на сигналы других блоков и узлов возникают пара­зитные связи и наводки как внутри радиоэлектронных средств, так и между рядом расположенными средствами. Эти связи и на­водки ухудшают работу узлов, блоков и средств в целом. Поэтому при проектировании радиоэлектронных средств уровни этих паразитных связей и наводок снижают до допустимых значений. Чем выше требования к характеристикам средств, тем требуются боль­шие усилия, а следовательно, и затраты для нейтрализации пара­зитных связей и наводок. Основная часть высокой цены (десятки тысяч долларов) высокоточных контрольно-измерительных при­боров 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 харак­теристик радиоэлектронного средства, остаточный их уровень со­здает угрозы для информации, содержащейся в информационных параметрах сигналов, циркулирующих в радиоэлектронном средс­тве. Поэтому любое радиоэлектронное средство или электри­ческий прибор следует с точки зрения информационной безо­пасности рассматривать как потенциальный источник угрозы безопасности информации.

Известны три вида паразитных связей:

• емкостная;

• индуктивная;

• гальваническая.

Емкостная связь образуется в результате воздействия элек­трического 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

На этом рисунке U_a — потенциал заряда точки А относитель­но корпуса, создающий электрическое поле. В результате воздейс­твия этого поля в точке В возникает заряд противоположного зна­ка. Величина потенциала заряда (наведенного напряжения) U_b точ­ки В относительно корпуса определяется соотношением емкостно­го сопротивления С_п, и сопротивлений Z_b:

где Z = L/jωC_п— емкостное сопротивление между точками А и В, ω — круговая частота изменения потенциала заряда точки А. Емкость С является паразитной и создает емкостную паразитную связь между точками А и В. Отношение называется коэффициентом паразитной емкостной связи.

В большинстве реальных случаях Z_п>>Z_b, поэтому β_c≈Z_bjωC_п. Следовательно, коэффициент паразитной емкостной связи пропор­ционален величине паразитной емкости и частоте колебаний элек­трического поля.

Емкостная паразитная связь возникает между любыми элемен­тами схемы: проводами, радиоэлементами схемы и корпусом (шас­си). Величина паразитной емкости на единицу длины проводов, па­раллельно расположенных на удалении b друг от друга, определя­ется по формуле:

где d — диаметр проводов; ε_α — абсолютное значение диэлектри­ческой постоянной.

Из этой формулы следует, что величина емкости пропорцио­нальна диэлектрической проницаемости среды, диаметру прово­дов и обратно пропорциональна расстоянию между проводами. Максимальная паразитная емкость возникает между проводами катушек, в которых витки проводов наматываются вплотную друг к другу (b ≈ d) и пропитываются лаком (ε_α ≈ 4,5 • 10^-11 Ф/м). Эта ем­кость составляет 4,4 • 10^-10 Ф/м или 44 пФ/м. Емкость между дву­мя параллельными проводами длиной 100 мм и диаметром 0,1 мм уменьшается с 0,75 пф до 0,04 пф при увеличении расстояния меж­ду ними с 2 до 50 мм. Для проводов диаметром 2 мм эта емкость при тех же условиях больше и составляет 5-0,07 пф.

Так как между рядом расположенными основными и вспомо­гательными 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 прибо­ра. Вычислить собственную емкость можно только для простей­ших конфигураций типа штырь, шар, диск. Например, для шты­ря длиной L паразитная емкость составляет С_п≈0,lL, для диска С_п≈0,35D, шара — C_п≈0,56D, где D — диаметр шара и диска. Для реальных радиоэлектронных средств сложной конфигурации собс­твенная емкость С_п определяется экспериментально путем разме­щения средства в однородном электрическом поле и измерением наведенного напряжения на его выходе U_н. Предварительно изме­ряется наведенное эталонное напряжение U_нэ в простейшем уст­ройстве (диске, шаре и др.) с известной (эталонной) собственной емкостью С_пэ, помещенном в это поле. На основе полученных дан­ных собственная емкость исследуемого средства определяется ме­тодом замещения, в соответствии с которым С_п = С_пэ U_н /U_нэ.

Паразитная индуктивная связь иллюстрируется рис. 5.6.

Рис. 5.6. Паразитная индуктивная связь

Переменный ток, протекающий по цепи А, создает магнит­ное поле, силовые линии которого достигают проводников другой цепи В и наводят в ней ЭДС величиной

где ω — круговая частота переменного тока в цепи A; Z_a — полное сопротивление цепи А; М — паразитная взаимная индуктивность между цепями А и В.

ЭДС величиной U_в создает в цепи В ток I_в, обратно пропорцио­нальный суммарному сопротивлению Z_b цепи В и сопротивлению нагрузки Z_н Этот ток вызывает на нагрузке напряжение наводки U_н = U_в Z_н /(Z_в + Z_н) = U ωM_пZ_н/Z_а(Z_в+Z_н). Отношение β_и = U_н /U_а =

ωM_пZ_н/Z_a(Z_в + Z_п) называется коэффициентом паразитной ин­дуктивной связи. Он, как следует из приведенного выражения, пропорционален частоте переменного тока и величине паразитной взаимной индуктивности и обратно пропорционален сопротивле­нию цепей.

Взаимная индуктивность замкнутых цепей зависит от взаим­ного расположения и конфигурации проводников. Она тем больше, чем большая часть магнитного поля тока в одной цепи пронизыва­ет проводники другой цепи.

Следует различать взаимную индуктивность между проводни­ками разных цепей от индуктивности проводника. Индуктивность характеризует свойство проводника препятствовать изменению проходящего через него тока, которое обусловлено явлением самоиндукции. Она возникает, когда силовые линии переменного магнитного поля пронизывают проводники, по которым протека­ет ток, создающий это магнитное поле. Следовательно, переменное магнитное поле, как гоголевская унтер-офицерская вдова, способ­но само себя высечь.

Гальваническую паразитную связь еще называют связью через общее сопротивление, входящее в состав нескольких це­пей. Такими общими сопротивлениями могут быть сопротивле­ние соединительных проводов и устройств питания и управления. Например, узлы и блоки компьютера, осуществляющего обработ­ку информации, соединены с напряжением +5 В блока питания. Для установки «0» триггеров дискретных устройств на соответствующие их входы подается одновременно соответствующий сиг­нал управления. На рис. 5.7 приведена упрощенная схема, иллюст­рирующая возникновение гальванической связи.

Рис. 5.7. Паразитная гальваническая связь

В соответствии с ним к блоку питания через общие сопротив­ления Z₀₁, Z₀₂ и Z₀₃ подключены узел 1 и узел 2 радиоэлектронного средства. Сигнал напряжением U_и 1-го узла создает токи I_ц1, и I_ц2, в результате которых на эквивалентном сопротивлении Z_н 2-го узла возникает напряжение наводки U_н. Отношение β_г = U_н /U_и называ­ется коэффициентом паразитной гальванической связи.

Если побочные поля и электрические токи являются носителя­ми защищаемой информации, то паразитные наводки и связи мо­гут приводить к утечке информации. Следовательно, паразитные связи и наводки представляют собой побочные физические про­цессы и явления, которые могут приводить к утечке защищаемой информации.

Возможность утечки информации через паразитные связи и наводки носит вероятностный характер и зависит от многих фак­торов, в том числе от конфигурации, размеров (относительно пе­риода колебаний протекающих токов) и взаимного положения из­лучающих и принимающих токопроводящих элементов средств. В отличие от предусмотренных для связи функциональных антенн, конструкция и характеристики которых определяются при создании радиопередающих и радиоприемных средств, эти элементы можно назвать случайными антеннами.

Случайными антеннами могут быть монтажные провода, со­единительные кабели, токопроводы печатных плат, выводы радио­деталей, металлические корпуса средств и приборов и другие эле­менты средств. Параметры случайных антенн существенно хуже функциональных. Но из-за небольших расстояний между переда­ющими и приемными случайными антеннами (в радиоэлектрон­ном средстве или одном помещении) они создают угрозы утечки информации.

Случайные антенны имеют сложную и часто априори неопре­деленную конфигурацию, достаточно точно рассчитать значения их электрических параметров, совпадающих с измеряемыми, очень сложно. Поэтому реальную случайную антенну заменяют ее моде­лями в виде проволочной антенны — отрезка провода (вибратора) и рамки.

В ближней зоне вибратор создает преимущественно электри­ческое поле. Свойства проволочной антенны преобразовать элек­трический сигнал в радиосигнал и антенна характеризу­ются действующей высотой h_д и измеряеся в м. Действующая высота передающей антенны пред­ставляет собой параметр, связывающий напряженность электри­ческого поля, создаваемого антенной в направлении главного из­лучения, с уровнем сигнала в самой антенне. Действующая высо­та приемной антенны равна отношению ЭДС в приемной антен­не к напряженности вызывающего ее электрического поля: h=U_a/E_a. При этом предполагается, что приемная антенна ориенти­рована в пространстве в соответствии с поляризацией электромаг­нитного поля и прием осуществляется с направления максимально­го уровня поля. Так как отношение напряженностей электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля возле случай­ной антенны равно волновому сопротивлению среды (Z_в = Е_а/H_а), то h_д = U_а/H_аZ_в.

Коэффициент усиления случайной антенны в виде замкну­той цепи (рамки) оценивается с помощью параметра, названного действующей длиной антенны L_д = U_a/Н_а. По аналогии со спо­собами определения собственной емкости средства действующая высота (длина) случайной антенны находится методом замеще­ния.

Паразитные связи могут вызывать утечку информации по проводам и создавать условия для возникновения побочных элек­тромагнитных излучений. За счет паразитных связей возникают опасные сигналы в проводах кабелей различных линий и цепей, в том числе в цепях заземления и электропитания, а также возни­кают паразитные колебания в усилителях, дискретных устройс­твах.

Дата добавления: 2014-01-07