Низкочастотные и высокочастотные излучения технических средств

Большую угрозу безопасности информации создают также побочные излучения радио- и электротехническими средствами электромагнитных полей, содержащих защищаемую информацию. Источниками излучений могут быть цепи, содержащие статичес­кие или динамические заряды (электрический ток), в информаци­онные параметры которых тем или иным способом записывается защищаемая информация. Носители защищаемой информации в виде статических или динамических зарядов могут попадать в эти цепи непосредственно, если эти цепи участвуют в обработке, пере­даче и хранении защищаемой информации или сами элементы це­пей обладают свойствами акустоэлектрических преобразователей, или опосредованно, когда опасные сигналы проникают в излучаю­щие цепи через паразитные связи.

Вид излучения и характер распространения электромагнитно­го поля в пространстве зависит от частоты колебаний поля и вида излучателя. Различают низкочастотное и высокочастотные опас­ные излучения.

Под низкочастотными излучениями понимаются излучения электромагнитных полей, частоты которых соответствуют звуко­вому диапазону. Источниками таких излучений являются устройс­тва и цепи звукоусилительной аппаратуры (микрофоны, усилители мощности, аудиомагнитофоны, громкоговорители и их согласую­щие трансформаторы, кабели между микрофонами и усилителями, усилителями и громкоговорителями, цепи, содержащие случайные акустоэлектрические преобразователи, телефонные аппараты и ка­бели внутренней АТС и др.).

Наибольшую угрозу создают средства звукофикации помеще­ний для озвучивания акустической информации, содержащей го­сударственную или коммерческую тайну. Эти средства включают микрофоны, усилители мощности, громкоговорители, устанавли­ваемые на стенах больших помещений (залов для совещаний, кон­ференц-залов) или в спинки кресел, а также соединительные кабе­ли. Причем часто усилители мощности размещаются в техничес­ком помещении, удаленном на значительном расстоянии от кон­ференц-зала. По проводам кабелей звукоусилительной аппаратуры протекают большие токи, составляющие доли и единицы ампер. Эти токи создают мощные магнитные поля, которые, во-первых, могут распространяться за пределы выделенного помещения, зда­ния и даже организации, а во-вторых, наводить ЭДС в любых токо-проводящих конструкциях, в том числе в цепях электропитания и металлической арматуре зданий.

К высокочастотным опасным излучениям относятся элект­ромагнитные поля, излучаемые цепями радиоэлектронных средств, по которым распространяются высокочастотные (выше звукового диапазона) сигналы с секретной (конфиденциальной) информаци­ей. Можно утверждать, что если не приняты специальные допол­нительные меры, то источниками подобных опасных побочных ВЧ-излучений могут быть любые цепи радио- и электрических средств. К основным источникам побочных излучений с мощнос­тью, достаточной для распространения электромагнитного поля за пределы контролируемой зоны, например помещения, относятся:

•гетеродины радио- и телевизионных приемников;

•генераторы подмагничивания и стирания аудио- и видеомагни­тофонов;

•усилители и логические элементы в режиме паразитной генера­ции;

• электронно-лучевые трубки средств отображения защищаемойинформации (мониторов, телевизоров);

•элементы ВЧ-навязывания;

•мониторы, клавиатура, принтеры и другие устройства компью­теров, в которых циркулируют сигналы в параллельном коде.

Гетеродины радио- и телевизионных приемников являются генераторами гармонических колебаний, необходимыми для пре­образования частоты принимаемого сигнала в промежуточную частоту. Гармоническое колебание с гетеродина подается на сме­ситель, на нелинейном элементе (диоде или транзисторе) которого осуществляется преобразование входного (принимаемого) сигна­ла в сигнал промежуточной частоты. Частоты сигналов гетероди­нов отличаются на величину промежуточной частоты (465 кГц — для ДВ-, СВ- и КВ-диапазонов, 10 МГц — для УКВ-диапазонов) от принимаемых сигналов и могут иметь значения от сотен кГц до десятков ГГц. Если элементы контура (индуктивность и емкость) гетеродина обладают свойствами акустоэлектрических преобразо­вателей или в него проникают опасные сигналы от других акус­тоэлектрических преобразователей, то возможна амплитудная или частотная модуляция сигналов гетеродина. Мощность излучения модулированных сигналов гетеродина тем больше, чем ближе зна­чения длины волны гармонического колебания к длине цепей, по которым протекают сигналы гетеродинов. Часто она бывает доста­точной для подслушивания речевой информации в кабинете руко­водителя с включенным радио- или телевизионным приемником с помощью бытовых радиоприемников в соседних помещениях или даже зданиях.

Генераторы сигналов высокочастотного подмагничивания и стирания магнитофонов создают гармонические колебания на частотах в сотни кГц. Генераторы сигналов высокочастотного под­магничивания необходимы для обеспечения аналоговой аудио- и видеозаписи с малыми нелинейными искажениями. Зависимость остаточной намагниченности магнитной пленки от напряженности магнитного поля в головке записи нелинейная, что вызывает нели­нейные искажения в записанном сигнале. Путем подачи в магнит­ную головку наряду с током записи дополнительного тока нодмаг-ничивания с частотой около 100 кГц и амплитудой, в 6-8 раз пре­вышающей максимальную амплитуду тока записи, устанавливает­ся рабочая точка для тока записи на линейном участке кривой на­магничивания магнитной ленты. В результате выбора оптимально­го тока подмагничивания удается уменьшить нелинейные искаже­ния сигналов записи до единиц процентов.

Генератор высокочастотного стирания обеспечивает стира­ние записанной на магнитную ленту информации путем размаг­ничивания ее магнитного слоя практически до нуля. Для этого в стирающую головку аудиомагнитофона подается ток с частотой 50-100 кГц. При такой частоте тока стирания и уменьшения напря­женности магнитного поля головки в результате удаления стирае­мого элементарного участка движущейся магнитной ленты от за­зора стирающей магнитной головки происходит многократное пе-ремагничивание участка с убывающей до нуля намагниченностью. В отличие от высокочастотного стирания уничтожение информа­ции путем воздействия на магнитный слой магнитным полем пос­тоянного магнита, который применяется в качестве стирающей го­ловки в специальных диктофонах, обеспечивается путем намагни­ченности магнитного слоя ленты до насыщения.

Паразитная генерация может возникнуть при определенных условиях в усилителях и логических элементах дискретной техни­ки. Логический элемент рассматривается в данном контексте как усилитель с очень высоким коэффициентом усиления.

Математическую модель усилителя независимо от числа кас­кадов усиления можно представить в виде комплексной передаточ­ной функции К_ус(со)е^]<рус(ш), где К (о>) и (р_ус(со) — зависящие от час­тоты со = 2nf коэффициент усиления и фаза выходного сигнала по отношению к входному. В усилителе напряжения фаза выходно­го сигнала для нечетного числа каскадов усиления изменяется на 180°, а при четном числе каскадов совпадает с фазой входного сиг­нала.

Так как между элементами усилителя всегда существуют ем­костные, индуктивные и гальванические паразитные связи, то на входе усилителя наряду с усиливаемым внешним сигналом при­сутствуют сигналы, проникшие во входные цепи через паразит­ную обратную связь, в том числе с выхода усилителя. Паразитную обратную связь можно также представить математической моде­лью К ((й)е'^>ч°^с(ш'^>. Обобщенная математическая модель усилителя с обратной связью представлена на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Модель усилителя с обратной связью

Связь между выходом и входом усилителя описывается урав­нением:

Режим усиления переходит в режим генерации, когда выход­ной сигнал достигает максимального значения и поддерживает­ся на этом уровне независимо от u_bx. Это условие выполняется при нулевом значении знаменателя указанного выше выражения. Следовательно, режим генерации возникает при 1 - К _с(со)К_ос(со) Для этого необходимо выполнить два условия

Первое условие определяет минимально необходимую для воз­никновения паразитной генерации величину коэффициента пара­зитной обратной связи. Чем выше коэффициент усиления усили­теля, тем меньший коэффициент паразитной обратной связи со­здает предпосылки для возникновения генерации. Например, если К = 10, то для возникновения генерации необходимо проникнове­ние 0,1 части выходного сигнала на вход усилителя. Для усилите­ля с К _с = 100 достаточно поступления на его вход 0,01 части выход­ного сигнала. Эта зависимость объясняет возможность паразитной генерации в логических элементах дискретной техники. Высокий коэффициент усиления логического элемента и высокая частота спектральных составляющих фронта дискретного сигнала созда­ют благоприятные условия для возникновения паразитной генера­ции в логических элементах.

Второе условие предусматривает, что изменение фазы сигна­ла обратной связи должно быть противоположно величине фазо­вого сдвига усилителя. Это означает, что фазы внешнего сигна­ла и сигнала обратной связи должны быть приблизительно равны­ми. Обратная связь, при которой фаза сигнала на входе усилите­ля совпадает с фазой сигнала обратной связи, называется положи­тельной, а когда фазы этих сигналов противоположные — отри­цательной. Если положительная обратная связь способствует па­разитной генерации, то отрицательная, наоборот, повышает ста­бильность работы усилителя, но за счет некоторого снижения на­пряжения на выходе усилителя. Поэтому в усилителях с высоким коэффициентом усиления для исключения паразитной генерации создают между каскадами отрицательную обратную связь, а так­же применяют комплекс мер по уменьшению паразитных связей. С этой целью при монтаже используют короткие экранированные провода, элементы входных и выходных цепей разносят на макси­мально возможное расстояние, экранируют трансформаторы уси­лителей, в цепи питания предварительных каскадов устанавлива­ют RC-фильтры низких частот, усилительные каскады размещают в одну линию и др.

Опасность паразитной генерации состоит также в том, что она часто возникает на частотах выше рабочего диапазона и без спе­циальных исследований не обнаруживается. Действительно, с рос­том частоты обрабатываемых сигналов уменьшаются значения па­разитных емкостных и индуктивных сопротивлений между кас­кадами. В результате этого увеличиваются К_ос и сдвиг фазы сиг­налов, прошедших через паразитные связи. Поэтому возможность выполнения условий генерации в усилителе на частотах, превы­шающих верхнюю частоту рабочего диапазона частот усилителя, повышается. Хотя на этой частоте полезные сигналы на вход уси­лителя не подаются, но на его входе присутствуют сигналы, обус­ловленные тепловым шумом и проникшие через паразитную об­ратную 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 сигна­ла U_oc и дальнейшее увеличение сигнала на входе усилителя и т. д. Происходит лавинообразный процесс нарастания амплитуды сиг­нала на входе и выходе усилителя, завершаемый процессом непре­рывной генерации на частоте со _и. Поэтому не рекомендуется, на­пример, 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 информаци­онные параметры паразитного колебания, т. е. происходит его мо­дуляция информационными сигналами. Это явление возникает в случае, если цепи паразитного генератора содержат акустоэлектрические преобразователи или в них попадают опасные сигналы от других случайных акустоэлектрических преобразователей уси­лителя.

Люминофор электронно-лучевых трубок средств отображения под действием электронов излучает, кроме света, электромагнит­ное поле в широком диапазоне радиочастот с напряженностью, ко­торая обеспечивает возможность перехвата сигналов на удалении в десятки метров. Учитывая, что сигналы управления электронным лучом трубки подаются последовательно во времени, их побочные ВЧ-излучения создают серьезную угрозу для отображаемой на эк­ране трубки информации.

Устройства компьютера, в которых распространяются сигна­лы в последовательном коде (мониторы, клавиатура, принтеры и другие), также представляют собой источники опасных сигналов. Замена монитора компьютера на электронно-лучевой трубке на жидкокристаллический монитор не устраняет проблему защиты информации, отображаемой на его экране. Хотя экран жидкокрис­таллического монитора не создает опасные излучения, но в уст­ройстве управления значениями пикселей строки монитора при­сутствуют последовательные информационные сигналы. Спектр этих сигналов имеет широкий спектр в диапазоне сотен МГц. В ре­зультате их перехвата возможно восстановление изображения.

К излучающим элементам ВЧ-навязывания относятся ра­дио- и механические элементы, которые обеспечивают модуляцию подводимых к ним внешних электрических и радиосигналов. К та­ким элементам относятся:

— нелинейные элементы, на которые одновременно поступают низкочастотный электрический сигнал с защищаемой информа­цией (опасный сигнал) и высокочастотный гармонический сиг­нал;

— токопроводящие механические конструкции, изменяющие свой размер и переотражающие внешнее электромагнитное поле. Если на нелинейный элемент (диод, транзистор) подаются 2 сигнала: низкочастотный сигнал u_c(t), в информационные пара­метры которых записана информация, и высокочастотный (сотни кГц —-единицы МГц) гармонический сигнал и_вч от внешнего гене­ратора, то в токе через нелинейный элемент появятся высокочас­тотные составляющие, модулированные по амплитуде опасным сигналом. Действительно, ток, протекающий в нелинейном эле­менте в момент времени t, определяется суммой напряжений этих сигналов и сопротивлением цепи, в которой находится нелиней­ный элемент. В общем случае зависимость тока от напряжений сигналов имеет вид 1_ю = f[u_c(t)_tu₈₄(t)]. Из-за нелинейности функ­ции f(x) в токе возникают составляющие, представляющие различ­ные комбинации ее аргументов. Действительно, если функция f(x)описывается квадратичной зависимостью, то 1_пэ - k[u_e(t) + u_B,_t(t)]² = = k[u (t)² + 2u_c(t)u_n,,(t) + u(t)_B4²], где k — нормирующий коэффициент. Если'представить" высокочастотный сигнал как u_B4(t) = A_a4sinco_B4t, a опасный сигнал — в виде ряда Фурье

то произведение

Из этого выражения следует наличие в спектре тока высоко­частотных гармоник опасного сигнала, несущих защищаемую ин­формацию. Этот ток создает электромагнитное поле, мощность ко­торого зависит не только от мощности сигналов, но и от соотно­шения длины его волны и длины цепи, по которой протекает ток. Такой вариант реализуется путем подачи внешнего высокочастот­ного электрического сигнала в телефонную проводную линию. Рассмотренный вариант реализуется путем подачи внешнего элек­трического сигнала в телефонную проводную линию,

Другим видом излучателя ВЧ-навязывания являются механи­ческие конструкции, способные изменять свой размер под действи­ем акустической волны и переотражать внешнее электромагнитное поле. Такие конструкции, как правило, образуют замкнутую по­лость с токопроводящими поверхностями, одна из которых — тон­кая и способна колебаться в соответствии с акустическим сигна­лом мембрана. При колебании мембраны изменяются геометричес­кие размеры полости. Полость представляет собой колебательный контур, собственная частота которого определяется ее геометри­ческими размерами. При облучении конструкции электромагнит­ным полем с частотой колебания, равной собственной частоте кон­тура, 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 излучатель ВЧ-навязывания по существу представляет собой пассив­ный 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 свобод­ном пространстве описывается 4 уравнения Максвелла, приведен­ными им в 1873 г. в труде «Трактат об электричестве и магнетиз­ме». 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 элект­рического поля. Второе уравнение обобщает закон Мектрбмагнит-нойиндукции, открытый Фарадеемв 1831 г., и указывает на то 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 по­верхностью. Четвертое уравнение позволяет сделать вывод о том, что число силовых линий магнитного поля, входящих в среду не­которого объема, равно числу силовых линий, выходящих из это­го объема. Это возможно при условии отсутствия в природе маг­нитных зарядов.

Из уравнений Максвелла также следует, что автономно (неза­висимо) в природе могут существовать только постоянные элек­трические и магнитные поля. Поле, излучаемое зарядами и тока­ми переменной частоты, является электромагнитным. В нем при­сутствуют электромагнитные и электрические компоненты, кото­рые описываются взаимно перпендикулярными векторами. В зави­симости от вида излучателя и расстояния от него до точки измере­ния характер изменения и соотношения между этими компонента­ми отличаются и изменяются Характер распространения электро­магнитного поля поддается точному математическому описанию для моделей излучателей в виде элементарных вибраторов. В ка­честве элементарного вибратора рассматривается модель излуча­теля, размеры которой существенно меньше длины волны излучае­мого электромагнитного поля и расстояния от излучатиля до точки измерения. Для такой модели параметры излучения во всех/точках принимаются равными. Различают элементарные электрический вибратор и магнитную рамку. Электрический вибратор возбужда­ется источником переменной электродвижущей силы (источншш зарядов), магнитная рамка — протекающим по рамке током. В реальных условиях, с учетом переотражения электрамш нитных волн от многочисленных преград (зданий, стен, помоений, автомобилей и т. д.), характер распространения столь сложен', что в общем случае не поддается строгому аналитическому описанию.

В зависимости от соотношения геометрических размеровмияг точников излучений и расстояния от них до точки измерения поля различают сосредоточенные и распределенные источники.

Сосредоточенные источники имеют размеры, существенно меньшие, чем расстояние от источника до точки наблюдения. К сосре­доточенным источникам относится большинство радиоэлектрон­ных средств и их узлов, а также головки громкоговорителей. Для распределенных источников их геометрические размеры соизмеримы или больше расстояния до них. Типовые распределенные источники электромагнитного излучения — провода кабелей линий связи.

5.4. Электромагнитные излучения