Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный Университет Телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Курсовой проект

По дисциплине: «Сети и системы мобильной связи»

На тему: «Модулятор оконного стекла, используемый в целях предотвращения утечки информации по виброакустическому каналу»

Выполнил: студент группы РМ-12

Беляев А.Р.

Преподаватель:

Никитина А.В.

Санкт-Петербург 2015

Содержание

1. Основные теоретические сведения

2. Акустические и виброакустические каналы утечки информации

3. Технология работы ИК прослушивающих устройств

4. Простейший модулятор оконного стекла

5. Модулятор стекла с плавающей частотой

6. Примеры модуляторов, использующихся в настоящее время

Список используемых источников

1. Основные теоретические сведения

Речь человека - определенная последовательность звуков, характерных для данного языка, произносимых, обычно, слитно с паузами после отдельных слов или групп звуков.

Речь создается артикуляционными органами человека и в силу неодинаковости их размера у разных людей она индивидуальна.

Речь представляется тремя группами характеристик:

- физические;

- семантические;

- фонетические.

Физические характеристики речи - характеристики речи с точки зрения

волновых явлений. В этом смысле звук - колебательные движения частиц упругой среды, распространяющиеся в виде волн.

Звуковые волны в газообразных и жидких средах являются продольными (т.е. такими, в которых направления смещения частиц среды совпадают с направлением распространения волны); в твердых средах кроме продольных могут иметь место поперечные волны и их комбинации (изгибные, крутильные и т.п.).

Важнейшими характеристиками звуковых волн являются следующие.

* Диапазон частот, воспринимаемых человеческим ухом (Гц) - 16 Гц...20 кГц (<16 Гц - инфразвук, > 20 кГц - ультразвук).

* Скорость распространения звуковых волн в среде (скорость звука), н (м/с); при неизменных условиях распространения (температура, атмосферное давление и т.п.), н -- const. Так н в воздухе равна 331 м/с (при t0 - 0°С, Р=1 атм); в воде - 1490 м/с (20 °С); в бетоне 4200 ...5300 м/с.

* Длина волны л: л = , где f - частота звука в Гц; для звуковых волн л =1,65 см...20,7 м.

Интенсивность звука или сила звука I (энергетическая характеристика) - количество энергии, проходящей в секунду через единицу площади перпендикулярно к направлению распространения волны. Единицей интенсивности звука (в системе СИ) является Вт/м2.

Важнейшими характеристиками звуковых волн являются также фронт волны (плоская, сферическая, цилиндрическая волна), явления отражения, преломления, дифракции и затухания волн.

Таблица 1. Характеристики некоторых источников шума

Понятие структурных акустических волн (структурный звук). Под структурным звуком понимают механические колебания в твердом теле с частотой f = 16Гц…20кГц. Механические колебания стен, перекрытий, трубопроводов и т.п. передаются на значительные расстояния, почти не затухая, и хорошо перехватываются приемными устройствами типа стетоскоп.

Структурные (акустовибрационные) волны возникают из-за механического воздействия акустических волн на инженерные конструкции. В результате этого воздействия в конструкциях возникают напряжения и деформации, образующие структурные колебания. При этом появляются не только волны сжатия (продольные), но и поперечные волны, и их комбинации - изгибные, крутильные, волны Рэлея (поверхностные). Не вдаваясь в физику сложных волновых процессов, отметим следующее. Распространение структурных волн в инженерных конструкциях здания характеризуется:

- затуханием волн вследствие их расхождения и поглощения (перехода энергии в тепло):

- отражением на границах раздела сред (например, составные стены из разного материала, места разветвления, углы) и т.п.;

- преобразование типов волн (например, изгибных в продольные);

- излучением в воздушную среду (в основном при переходе изгибных волн в продольные).

При этом скорость распространения структурных волн зависит от частоты распространения f.

Опасность виброакустического канала утечки речевой информации состоит в большой и непредсказуемой дальности распространения звуковых волн, преобразованных в структурные колебания элементов инженерных коммуникаций с последующим преобразованием их в звуковые воздушные колебания. Экспериментальные исследования показали возможность перехвата речевой информации с высоким качеством в зданиях из железобетона через один-два этажа, по трубопроводам - через два-три этажа.

Семантические характеристики речи - характеристики смысла передаваемых понятий.

Фонетические характеристики - характеристики речи с точки зрения ее звукового состава, т.е. количества и частоты встречаемости так называемых фонем - наименьших звуковых единиц, образующих конкретные звуки данного языка. Например, в русской речи 41 фонема: 6 гласных, 3 твердых согласных, 2 мягких, 15 в твердом и мягком виде; звуки я, ю, е, ё - составные. Фонем больше, чем звуков.

Звуки речи неодинаково информативны и по-разному влияют на разборчивость речи. Наиболее информативными являются глухие согласные звуки.

2. Акустические и виброакустические каналы утечки информации

Технический канал утечки информации -- совокупность источника информации, физической среды распространения и приемника информации - технического средства разведки.

Применительно к речевой информации в защищаемом помещении источником информации является, как правило, человек; средой распространения - воздух, элементы инженерных конструкций - стены, потолки, стекла, воздуховоды и т.п. Технические средства разведки в рассматриваемом случае - это, прежде всего, стетоскопы, воспринимающие структурные акустические волны, мокрофоносодержащие устройства (диктофоны, радио и проводные закладки, мобильные телефоны и т.п.), лазерные и ИК-микрофоны, которые также называют специальными техническими средствами - СТС.

Классификация акустических каналов утечки информации

Источником образования акустического канала утечки информации являются вибрирующие, колеблющиеся тела и механизмы, такие как голосовые связки человека, движущиеся элементы машин, телефонные аппараты, звукоусилительные системы и т.д.

Рис.1 Классификация акустических каналов

Распространение звука в пространстве осуществляется звуковыми волнами. Упругими, или механическими, волнами называются механические возмущения (деформации), распространяющиеся в упругой среде. Тела, которые, воздействуя на среду, вызывают эти возмущения, называются источниками волн. Упругая волна является продольной и связана с объемной деформацией упругой среды, вследствие чего может распространяться в любой среде - твердой, жидкой и газообразной.

Когда в воздухе распространяется акустическая волна, его частицы образуют упругую волну и приобретают колебательное движение, распространяясь во все стороны, если на их пути нет препятствий. В условиях помещений или иных ограниченных пространств на пути звуковых волн возникает множество препятствий, на которые волны оказывают переменное давление (двери, окна, стены, потолки, полы и т.п.), приводя их в колебательный режим. Это воздействие звуковых волн и является причиной образования акустического канала утечки информации.

Рис.2. Образование акустических каналов

Механические колебания стен, перекрытий, трубопроводов, возникающие в одном месте от воздействия на них источников звука, передаются по строительным конструкциям на значительные расстояния, почти не затухая, не ослабляясь, и излучаются в воздух как слышимый звук. Опасность такого акустического канала утечки информации по элементам здания состоит в большой и неконтролируемой дальности распространения звуковых волн, преобразованных в упругие продольные волны в стенах и перекрытиях, что позволяет прослушивать разговоры на значительных расстояниях.

Еще один канал утечки акустической информации образуют системы воздушной вентиляции помещений, различные вытяжные системы и системы подачи чистого воздуха. Возможности образования таких каналов определяются конструктивными особенностями воздуховодов и акустическими характеристиками их элементов: задвижек, переходов, распределителей и др.

В зависимости от физической природы возникновения информационных сигналов, среды распространения акустических колебаний и способов их перехвата, акустические каналы утечки информации также можно разделить на воздушные, вибрационные, электроакустические, оптико-электронные и параметрические.

* Воздушные каналы. В воздушных технических каналах утечки информации средой распространения акустических сигналов является воздух, а для их перехвата используются миниатюрные высокочувствительные микрофоны и специальные направленные микрофоны. Микрофоны объединяются или соединяются с портативными звукозаписывающими устройствами (диктофонами) или специальными миниатюрными передатчиками. Перехваченная информация может передаваться по радиоканалу, оптическому каналу (в инфракрасном диапазоне длин волн), по сети переменного тока, соединительным линиям вспомогательных технических средств и систем (ВТСС), посторонним проводникам (трубам водоснабжения и канализации, металлоконструкциям и т.п.). Причем, для передачи информации по трубам и металлоконструкциям могут применяться не только электромагнитные, но и механические колебания.

* Вибрационные каналы. В вибрационных (структурных) каналах утечки информации средой распространения акустических сигналов являются конструкции зданий, сооружений (стены, потолки, полы), трубы водоснабжения, отопления, канализации и другие твёрдые тела. Для перехвата акустических колебаний в этом случае используются контактные микрофоны (стетоскопы).

* Электроакустические каналы. Электроакустические технические каналы утечки информации возникают за счет электроакустических преобразований акустических сигналов в электрические. Перехват акустических колебаний осуществляется через ВТСС, обладающие “микрофонным эффектом”, а также путем “высокочастотного навязывания”.

* Оптико-электронный канал. Оптико-электронный (лазерный) канал утечки информации образуется при облучении лазерным лучом вибрирующих в акустическом поле тонких отражающих поверхностей (стекол, окон, картин, зеркал и т.д.). Отраженное лазерное излучение (диффузное или зеркальное) модулируется по амплитуде и фазе (по закону вибрации поверхности) и принимается приемником оптического излучения, при демодуляции которого выделяется речевая информация.

* Параметрические каналы. В результате воздействия акустического поля меняется давление на все элементы высокочастотных генераторов ТСПИ (технические средства приема, обработки, хранения и передачи информации) и ВТСС. При этом изменяется (незначительно) взаимное расположение элементов схем, проводов в катушках индуктивности, дросселей и т.п., что может привести к изменениям параметров высокочастотного сигнала, например, к модуляции его информационным сигналом. Поэтому этот канал утечки информации называется параметрическим. Это обусловлено тем, что незначительное изменение взаимного расположения проводов в катушках индуктивности (межвиткового расстояния) приводит к изменению их индуктивности, а, следовательно, к изменению частоты излучения генератора, т.е. к частотной модуляции сигнала. Точно так же воздействие акустического поля на конденсаторы приводит к изменению расстояния между пластинами и, следовательно, к изменению его емкости, что, в свою очередь, также приводит к частотной модуляции высокочастотного сигнала генерации. Наиболее часто наблюдается паразитная модуляция информационным сигналом излучений гетеродинов радиоприемных и телевизионных устройств, находящихся в выделенных помещениях и имеющих конденсаторы переменной емкости с воздушным диэлектриком в колебательных контурах гетеродинов. Промодулированные информационным сигналом высокочастотные колебания излучаются в окружающее пространство и могут быть перехвачены и детектированы средствами радиоразведки.

3. Технология работы ИК прослушивающих устройств

Как и большинство технологий беспроводной передачи данных, беспроводная оптика требует условий прямой видимости. Правда, в отличие от радиочастотных методов, допускающих соединения в топологии точка - многоточка, атмосферные оптические линии, как правило, двухточечные. Данные передаются направленным пучком модулированного света. В качестве источника такого света обычно используются светодиоды (и тогда для формирования луча приходится применять оптические системы) или лазеры (в этом случае приходится, наоборот, бороться с точечностью источника, но об этом немного позднее). Механизмы поглощения света в прозрачной атмосфере во многом аналогичны происходящим в оптоволокне. В результате, в атмосфере свет распространяется в тех же окнах прозрачности - 850, 1310 и 1550 нм, что позволяет использовать весьма распространенную элементную базу, применяемую в оптоволоконной оптике (производимую во все нарастающем количестве) и заимствовать заметную часть наработок и технологий, на разработку которых иначе потребовались бы немалые средства: микролинзы, оптические усилители, спектральные маски, голографическая оптика и методы спектрального уплотнения каналов.

Общая элементная база и принципы обработки сигнала определяют общий диапазон скоростей - от нескольких мегабит до терабит в секунду (верхний предел обусловлен, скорее, платежеспособным спросом).

По существу, атмосферные оптические линии комплиментарны оптоволоконным: этот тезис только подтверждают пассивные атмосферные оптические линии, не содержащие никаких активных элементов. На вход такой линии поступает оптический сигнал из специализированного световода (рассчитанного, видимо, на чуть большие мощности сигнала). Принятый сигнал усиливается оптической системой и по специальному многомодовому оптоволокну с малой дисперсией поступает на вход конвертера. Отсутствие активных элементов позволяет не заботиться о подаче электропитания (проблемы с выпадением росы, видимо, решаются с помощью специальных покрытий) и минимизировать стоимость выносного блока (по существу, содержащего только оптическую часть, большая часть ноу-хау сосредоточена в модуле специализированного конвертера). И, соответственно, минимизировать ущерб от вандализма и обеспечить повышенную защиту данных. В качестве наглядного примера: пассивные беспроводные оптические системы⁴ TereScope 1 (рис.3), представляющие собой набор линз в относительно красивой коробке, обеспечивают беспроводную передачу данных, подаваемых со специализированных интерфейсов, со скоростью 100 Мбит/с на расстояния до 200-500 метров (в зависимости от типа активного оборудования). В минимальной комплектации такими интерфейсами могут быть медиаконвертеры MC-102/P (10/100BaseT). Другой вариант комплекта TereScope 1 включает два приемопередающих устройства TereScope 1, два отрезка специального оптического кабеля длиной 25 или 50 м и два коммутатора OptiSwitch-200 с интерфейсами PAL и четырьмя портами Ethernet 10/100 Мбит/с. Специализированные модули расширения

EM2004-2PAL для коммутаторов OptiSwitch выпускаются в вариантах для расстояний работы до 200 м (модель EM2004-2PAL/A) и до 500 м (EM2004-2PAL/C). Реализованная в них поддержка (QoS) обеспечивает разделение полосы пропускания сети на потоки с гарантированной доставкой пакетов и определенной скоростью (от 1 Кбит/с до 1 Гбит/с).

Рис.3 Инфракрасная система передачи данных

В более общем случае атмосферные беспроводные оптические (инфракрасные) системы, разумеется, содержат активное оборудование.

Нелицензируемость, а по сути - неограниченность используемого оптического частотного спектра позволяет не прибегать к сложным схемам модуляции - большинство ИК систем использует простейшее кодирование по принципу «включено/выключено» (On-Off Keying, OOK) - в точности такое же, что используется в волоконно-оптических системах передачи данных. Общий метод модуляции позволяет реализовать прозрачность ИК систем для различных протоколов передачи данных (ATM, Ethernet, Feber Channel, и т. д.) и использовать, по сути, общую элементную базу.

Простая калькуляция - два медиаконвертера общей ценой в 200-300 долларов и набор оптики, пусть даже ценой около 300 долларов за комплект, позволяют предположить, что стоимость атмосферной оптической линии может быть уже сейчас в пределах одной тысячи долларов. Жизнь, между тем, показывает обратное: цены начинаются с отметки 2-2,5 тысяч долларов, со средним значением около 4-5 тысяч долларов за линию со скоростью 100 Мбит/с. Столь впечатляющий разрыв обусловлен, увы, стоимостью входящих в решение ноу-хау и затратами на разработку и все еще относительно низкими объемами производства.

Вместе с тем, определяющее влияние на жизненность применяемых сетевых решений все еще имеет американский рынок, на который сейчас выходят беспроводные решения, использующие нелицензируемые диапазоны частот 2,4 и 5 ГГц и обеспечивающие реальные скорости передачи данных на уровне 25-30 Мбит/с.

Можно предположить, что результатом намечающейся конкуренции может стать значительное снижение цен на атмосферные линии, в особенности с учетом того, что затраты на разработку, как правило, уже неоднократно окупились.

Построение всех ИК систем передачи практически одинаково - интерфейсный модуль, модулятор излучателя, оптическая система передатчика, оптическая система приемника, демодулятор приемника и интерфейсный блок приемника. Но все системы по технологическому признаку можно разделить на две группы. Одна группа, которая использует полупроводниковые ИК диоды (с излучением с поверхности), а вторая группа, которая использует для излучения полупроводниковые ИК лазерные диоды (с излучение с торца перехода). Главное различие систем сказывается на их главных характеристиках - скорости и дальности передачи. Первая группа - это в основном короткоходные системы до 1 км со скоростями до 20 Мбит/с, вторая - обеспечивает значительно большие дальности передачи, в зависимости от погодных условий и требований к качеству канала, со скоростями до 622 Мбит/с (коммерческие системы) или до 10 Гбит/с (опытные системы). Откуда же такое существенное различие?

Главное преимущество ПП диодов - высокое время наработки на отказ. Величина в 400,000 часов при мощности в 400 мВт здесь не редкость. Кроме того, каналы, использующие п/п диоды менее чувствительны к резонансному поглощению в атмосфере благодаря широкой полосе излучения (типичные значения около 50 нм).

Форма сечения луча от п/п диодов практически круглая. Но здесь все преимущества п/п диодов заканчиваются. Т.е. начинаются недостатки. Инерционность п/п диодов при высоких мощностях излучения не позволяет достичь высоких скоростей передачи. Из-за широкой полосы излучения существуют сложности (правда, чисто теоретические) в передаче высокоскоростного сигнала - разные моды сигнала добираются до приемника с различной задержкой и на больших дистанциях и очень высоких скоростях сигнал на выходе приемника распознать уже крайне сложно. Т.е. передатчик должен передавать как можно более узкополосный сигнал с наименьшим количеством мод. В идеале это должна быть одна мода. Такими, или близкими к таким , характеристиками обладают лазерные диоды. Однако при такой передаче нельзя забывать, что эта единственная мода может попасть на полосу резонансного поглощения какого- нибудь газа в атмосфере, и тогда все плюсы лазерных диодов обернутся явными минусами. При правильном выборе компонентов потенциальные возможности развития систем с применением лазерных диодов выглядят впечатляюще. Время наработки на отказ для лазерных диодов мощностью 1000 мВт и выше уже достигло уровней 130,000 часов.

И все же, у лазерных диодов есть один врожденный недостаток - сильно выраженная эллиптичность луча. Для борьбы с этим пороком применяют различные методы - от весьма корректных - оптических систем с призматическими линзами, до грубых - ограничением апертуры оптической системы с неизбежной потерей части мощности.

Однако, мир не только черно - белый. Есть промежуточная группа - системы, использующие для передатчиков VCSEL лазерные диоды (с излучением с поверхности в результате объемного резонанса/многоуровневого переотражения).

Эти устройства обладают преимуществами как лазерных диодов - узкая полоса излучения (в некоторых режимах - всего одна мода), так и преимуществами п/п диодов - высокое время наработки на отказ, круглая форма сечения луча. Но ничего не бывает бесплатно. Жертвой является доступная мощность излучения.

Сегодня она не превышает 7 мВт на диод в многомодовом режиме, поэтому, для увеличения выходной мощности применяют несколько излучателей, работающих синхронно. Но здесь уже начинаются другие сложности, т.к. обеспечить абсолютную синхронность с минимальными фазовыми сдвигами очень сложно. С развитием технологии, переспективы VCSEL диодов обнадеживают.

Все ИК системы передачи внешне очень похожи. Однако параметры систем различаются значительно. Все дело, конечно, в сбалансированном выборе параметров. В отличие от многих других систем, здесь очень важна именно сбалансированность. За примером ходить далеко не надо. Многие разработчики стремясь повысить дальность путем уменьшения угла расхождения луча, доводят его до таких величин, когда даже микровибрация зданий и конструкций от проходящей рядом дороги, ветровой нагрузки может привести к расстройке системы. На такие системы повышенное влияние оказывает эффект дрожания атмосферы из-за восходящих тепловых потоков в жаркий период. На практике, величина угла расхождения луча менее 2 мрад становится неприемлемой для очень многих условий эксплуатации. Некоторые российские и зарубежные системы грешат этим недостатком. Слишком же большое раскрытие луча приводит к неэффективному использованию светового потока.

Если говорить о самых эффективных системах на сегодняшний момент, т.е. обеспечивающих высокие скорости передачи на большие (для ИК систем) расстояния, то здесь нельзя не отметить достижения фирмы PAV Data Systems Ltd. Благодаря самой высокой энерговооруженности луча, оригинальной технологии получения круглого сечения луча и сбалансированности параметров, сейчас серийно выпускаются системы на 622 Мбит/с, дальность систем превышает 6 км с достаточно высоким коэффициентом готовности для условий средней полосы России. Такие параметры получены благодаря большому опыту работы фирмы в данной области и, наверное, самой большой установленной базе систем (более 5000). Здесь нет ничего фантастического - просто для передачи используется система из 3-х лазеров, каждый со средней мощностью 100 мВт, и высокочувствительные APD (лавинные) фотодиоды в приемнике.

Кстати, о приемниках и фотодиодах. Здесь наметилось полное единодушие у проектировщиков систем. Все высокоскоростные системы используют лавинные фотодиоды, а низкоскоростные обычные кремниевые p-i-n фотодиоды, у которых чувствительность почти на порядок ниже.

Применение новейшей технологии мультиплексирования по длине волны, реализованной в оптоволоконных системах, не имеет принципиальных ограничений на применение ее в беспроводных ИК системах передачи. Первые шаги в этом направлении уже сделаны. Первопроходцем оказалась компания Lucent Technologies со своим опытным продуктом WaveStar OpticAir, обеспечивающим скорость передачи до 10 Гбит/с на четырех длинах волн.

Причем ранее, эта компания не была заметна среди активных игроков на этом поле. Этот факт позволяет сделать вывод, что интерес к этому сектору рынка начинают проявлять киты индустрии, которые до последнего времени были просто наблюдателями. Единственным подводным камнем здесь может быть все то же резонансное поглощение в атмосфере, которое на разных длинах волн может существенно различаться. Но, не смотря на это, открывающиеся перспективы сулят потребителям огромные возможности.

4. Простейший модулятор оконного стекла

Рис.4 Простейший модулятор

В качестве модулятора используется малогабаритное реле постоянного тока Р1, которое питается от сети через понижающий трансформатор Т1. Корпус реле приклеивается к стеклу клеем “Момент”. Если нет подходящего трансформатора, то можно воспользоваться бестрансформаторной схемой питания модулятора.

виброакустический канал прослушивающий модулятор

Рис.5 Способ крепления к стеклу

Рис.6 Бестрансформаторная схема модулятора.

Следует отметить, что некоторые профессиональные оптическо-лазерные системы перехвата имеют возможность отфильтровывать нежелательные помехи, поэтому использование простого модулятора может быть неэффективным.

5. Модулятор стекла с плавающей частотой

Рассмотрим модулятор стекла с плавающей частотой, созданный на микросхеме K561ЛE5. Этот модулятор предназначен для создания помех устройствам, считывающим звуки с поверхности оконного стекла. Модулятор питается от сети переменного тока напряжением 220 В.

Рис.7 Схема модулятора стекла

Напряжение сети гасится резисторами R1 и R2 и выпрямляется диодом VD1 типа КД102А. Конденсатор С1 уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. Модулятор выполнен на одной микросхеме K561ЛE5. По своему схемному построению он напоминает генератор качающей частоты или частотный модулятор.

На элементах DD1.3 и DD1.4 собран управляющий генератор низкой частоты. С его выхода прямоугольные импульсы поступают на интегрирующую цепочку R5, С4.

При этом конденсатор С4 то заряжается через резистор R5, то разряжается через него. Поэтому на конденсаторе С4 получается напряжение треугольной формы, которое используется для управления генератором на элементах DD1.1, DD1.2.

Этот генератор собран по схеме симметричного мультивибратора. Конденсаторы С2 и СЗ поочередно заряжаются через резисторы R3 и R4 от источника треугольного напряжения. Поэтому на выходе генератора будет иметь место сигнал, частота которого «плавает» в области звуковых частот речевого диапазона. Поскольку питание генератора нестабилизи-ровано, то это приводит к усложнению характера генерируемых сигналов. Нагрузкой генератора служат пьезокерамические излучатели ZQ1 и ZQ2 типа ЗП-1.

6. Примеры модуляторов, использующихся в настоящее время

Список используемых источников

http://www.alt-1c.ru/

http://sasoft.qrz.ru/___/radio/liter/shp/2_17.htm

http://nauchebe.net/2012/10/sxema-modulyatora-stekla-dlya-zashhity-ot-proslushivaniya-v-pomeshhenii-cherez-okno/

«Инженерно-техническая защита информации»

"ЗАЩИТА РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ ОТ УТЕЧКИ ПО

АКУСТИЧЕСКИМ И ВИБРОАКУСТИЧЕСКИМ КАНАЛАМ", Южанин М.В.

Размещено на Allbest.ru