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 контрольноизмерительных приборов фирм HP, 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:

a) емкостная;

b) индуктивная;

c) 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 рисунок3.6

 

 

 

Рисунок 3.6 - Паразитная емкостная связь.

На этом рисунке Uа — 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) точки В относительно корпуса определяется соотношением емкостного сопротивления , и сопротивлений

(3.4)

где Zп=1 /j — емкостное сопротивление между точками А и В, — круговая частота изменения потенциала заряда точки А. Емкость является паразитной и создает емкостную паразитную связь между точками А и В: Отношение

(3.5)

называется коэффициентом паразитной емкостной связи.

В большинстве реальных случаях Zп» , поэтому . 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:

(3.6)

где d — диаметр проводов; еа — 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 ( Ф/м). Эта емкость составляет 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 [12].

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 Сп~0,1L, для диска Сп~0,35D, шара — Сп ~ 0,56D, где D — диаметр шара и диска. Для реальных радиоэлектронных средств сложной конфигурации собственная емкость Сп определяется экспериментально путем размещения средства в однородном электрическом поле и измерением наведенного напряжения на его выходе Uн. Предварительно измеряется наведенное эталонное напряжение Uнэ в простейшем устройстве (диске, шаре и др.) с известной (эталонной) собственной емкостью , помещенном в это поле. На основе полученных данных собственная емкость исследуемого средства определяется методом замещения, в соответствии с которым

. (3.7)

Паразитная индуктивная связьиллюстрируется рисунке3.7

Цепь А Цепь В

 

 

Uн

 

Рисунок 3.7 - 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

(3.8)

где — круговая частота переменного тока в цепи А; Zа — полное сопротивление цепи А; Мn — паразитная взаимная индуктивность между цепями А и В.

ЭДС величиной Uв создает в цепи В ток Iв, обратно пропорциональный суммарному сопротивлению цепи В и сопротивлению нагрузки Zн. Этот ток вызывает на нагрузке напряжение наводки ). Отношение

(3.9)

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.

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 «О» триггеров дискретных устройств на соответствующие их входы подается одновременно соответствующий сигнал управления. На рисунке3.8 приведена упрощенная схема, иллюстрирующая возникновение гальванической связи.

 

 

Рисунок 3.8 - 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 Uи 1-го узла создает токи Iц1 , и Iц2, в результате которых на эквивалентном сопротивлении Zн (2-го узла возникает напряжение наводки Uн . Отношение 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 преобразоватьэлектрический сигнал в поле (радиосигнал) и наоборот характеризуются параметром антенны, названным действующей высотой п и измеряемым 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: . 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 ( ), то

Коэффициент усиления случайной антенны в виде замкнутой цепи (рамки) оценивается с помощью параметра, названного действующей длиной антенны . 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 и др.