Проектирование генератора шума для противодействия системам съёма информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Не секрет, что технический прогресс неуклонно идет вперед. В настоящее время стало все сложнее обеспечивать конфиденциальность разговоров. На рынке появились различные устройства подслушивания разговоров, работающие по каналам GSM и FM. Размеры и технические характеристики устройств, предназначенных для сбора информации, из года в год становятся все меньше, все чувствительней и доступней. Если раньше возможностью скрытно получать информацию обладали лишь спецслужбы, то сейчас устройства для незаконного получения информации доступны любому[8].

Сегодня никто не может дать гарантию, что в помещении, нет подслушивающих устройств, жучков или диктофонов. В век миниатюрных устройств жучок или скрытая камера могут быть установлены где угодно. В силу своей конструкции они способны передавать информацию на несколько сотен метров[6].

Следовательно, существует необходимость ограничивать использование средств радиоаппаратуры в местах, в которых данный вид телекоммуникации или запрещен полностью, или в которых его необходимо прекращать при определенных условиях (экзамен в ВУЗе, крупное собрание и т.д.). С этими задачами справляется генераторы волновых помех - подавители радиосигнала [9].



1. Генераторы радиошума. Общие сведения

За век радиовещания человек стал использовать в различных целях всевозможные диапазоны. Связь посредством раций или мобильных телефонов, теле- и радиовещание, WiFi и радиоуправление механизмами и много других применений. Не заставило себя ждать появление технических средств и действий направленных на обратный процесс - воспрепятствованию осуществления радиосвязи.

Самый простой, эффективный и универсальный способ для этого - глушение радиосигнала. Принцип глушения весьма прост. Может показаться, что для того, чтобы не допустить распространения определенного сигнала, например, радиостанции, необходимо что-то сделать с ее источником. Но напротив, действие глушения направлено на приемник, точнее на все приемники, оказавшиеся в зоне действия глушения. Достаточно начать вещание другого сигнала на необходимой частоте и добиться, чтобы его уровень в необходимой зоне превосходил уровень сигнала, который необходимо глушить.

Часто, это достаточно просто сделать. Например, радиостанции. Они имеют достаточно мощные "киловатные" передатчики. Но источник их сигнала часто удален от приемника. И расположив источник помехи, генератор шума, вблизи приёмника, достаточно будет небольшой мощности, чтобы шум превосходил полезный сигнал и, так сказать, "забивал" его. Соответственно, чем дальше от приемника находится источник помехи, тем большую мощность он должен иметь. Используя аналогию, можно представить ситуацию, когда вы перекрикиваетесь с человеком, находящимся на некотором удалении от Вас, а кто-то другой включает рядом с вами громкую музыку. И вы перестаете слышать своего собеседника.

Такой нехитрый способ работает для всех частотных диапазонов и длин волн радиосвязи. Какой сигнал должна передавать глушилка? В принципе, любой, главное, чтобы он удачно препятствовал восприятию заглушаемого сигнала. Белый шум, другие бессмысленные звуковые последовательности. А, например, финские военные, во время Зимней войны, для обеспечения разминирования советских радиоуправляемых мин, передавали на частоте их работы быстрые, ритмичные польки.

Одним из известных применений глушения радиосигналов является многолетняя борьба властей Советского Союза с вещанием западных радиостанций, работавших из-за границы на территорию СССР. По всей стране было установлено большое количество радиомачт - глушилок. Которые, кроме всего прочего, постоянно выдавали в эфир помехи именно на частотах этих станций. Наиболее широко и разнообразно глушение сигналов используют военные и спецслужбы. Это часть радиоэлектронной борьбы. Используется как для нарушения связи противника, так и для нарушения работы РЛС летательных аппаратов.

Охрана высших лиц государств производит глушение, например для воспрепятствования активации радиоуправляемых взрывных устройств и нарушения связи между возможными злоумышленниками [1].

GSM связь, также как и WiFi могут глушиться, ведь частоты их работы известны. Для этого существует соответствующее устройство весьма небольшого размера - джаммеры. Мобильную связь иногда умышленно глушат, например, в больницах или конференц-залах.

Тем не менее, это более сложная задача чем, к примеру, для радиовещания. Ведь базовых станций в городах установлено много и их сигнал достаточно мощный. Карманные джаммеры зачастую не способны его перебить либо могут это сделать на очень малом расстоянии от приемника. Как и в прочих случаях глушат не сигнал мобильника для базовой станции, а сигнал базовой станции для приемника мобильника. Телефон перестает слышать базовую станцию, теряет сеть [2].



1.1 Классификация

В основе деления генераторов шума на классы лежат различные характеристики случайных сигналов. По форме сигнала генераторы шума делятся на два больших класса: генераторы непрерывных (аналоговых) и генераторы дискретных (импульсных) случайных сигналов. По частотному диапазону генерируемых колебаний генераторы шума делятся на следующие группы: инфранизкочастотные, низкочастотные, видеочастотные и сверхвысокочастотные. По ширине полосы генерируемых частот различают узкополосные (средняя частота значительно больше, чем ширина всего спектра частот) и широкополосные генераторы шума. В последних ширина спектра близка (по порядку величины) к средней частоте. Такие генераторы называют иногда генераторами "белого шума". Реже за основу классификации берут вероятностные характеристики, точнее, законы распределения мгновенных значений шумового колебания. Если определяющим при эксплуатации является закон распределения, например при моделировании задач с пороговыми сигналами, то целесообразно генераторы шума именовать соответственно закону:

1. генераторами нормального, или гауссова шума, у которых мгновенные значения шумового колебания в каждый данный момент времени распределены по нормальному, или гауссову закону ;

2. генераторами релеевского шума, у которых флуктуации мгновенных значений выходного напряжения следуют закону распределения Релея.

Приведенное деление является весьма условным. Генератор шума, который называют широкополосным, может работать в режиме генерации нормального, или релеевского шума, генератор нормального шума может быть и узкополосным и широкополосным.

Генераторы шума отличаются исключительным разнообразием элементов, образующих их. Это объясняется, с одной стороны, широким выбором первичных источников шума, а с другой стороны, исключительным многообразием практических требований к самим генераторам.

От генератора в самом общем случае требуется, чтобы он давал широкополосный шум с равномерной спектральной плотностью в заданном диапазоне частот, имел возможность регулировки и контроля выходной мощности и обеспечивал неизменность выходных параметров шума (средней мощности и законов распределения мгновенных значений)[11].

1.2 Применение вооруженными силами

Радиоэлектронное подавление в армии - комплекс мероприятий и действий по нарушению работы или снижению эффективности боевого применения противником радиоэлектронных систем и средств путём воздействия на их приёмные устройства радиоэлектронными помехами.

Радиоэлектронное подавление обеспечивается созданием активных и пассивных помех, применением ложных целей, ловушек и др. способами. Пассивные средства - используют принцип отражения (переизлучения).

Целью глушения (подавления) является недопущение получения полезной информации получателем сигнала или, по меньшей мере, создание ему неудобств. Объектом глушения может быть любой недостаточно защищённый от внешних воздействий сигнал: радиопередачи, радара, радиомаяка, беспроводной сети, мобильного телефона и т.д. Глушение может применяться как в условиях реальных боевых действий, так и в порядке информационной войны или даже конкурентной борьбы предприятий электросвязи или вещания.

Объектами воздействия в ходе РЭБ являются важные радиоэлектронные объекты (элементы систем управления войсками, силами и оружием, использующие радиосредства), нарушение или срыв работы которых приведёт к снижению эффективности применения противником своих вооружений [3].



2. Технические характеристики

2.1 Назначение и область применения устройства

Жучками называются такие закладные миниатюрные электронные устройства, которые обеспечивают перехват информации. Обычно они состоят из микрофона и радиопередатчика, который может передавать подслушанный звуковой сигнал на достаточно большие расстояния с применением электромагнитных волн.

Жучки представляют собой наиболее популярное средство для прослушивания чужих разговоров. Их преимущества заключаются в простоте использовании и установки, относительной дешевизне, возможности камуфляжа и, конечно же, миниатюрном размере.

Существуют различные виды закладных подслушивающих устройств. Например, радиозакладки с параметрической стабилизацией частоты (подвержены влиянию атмосферных изменений) и жучки с кварцевой стабилизацией частоты (дают более качественный звук) [9].

Наилучшей защитой от шпионского оборудования на сегодняшний день являются подавители сигнала. Принцип работы подавителя сигнала основан на приеме, анализе и подавлении радиосигнала. Эти устройства могут подавлять сигнал, как прослушивающих жучков, так и мобильных телефонов в современных диапазонах, в том числе 3G. Подавители сигнала обычно используются на конференциях, в театрах, во время проведения экзаменов и на других важных мероприятиях, где недопустимы утечки информации и отвлекающие факторы. Так же существуют портативные подавители сигнала, которые можно брать с собой[4].

Разрабатываемое устройство ориентировано на блокирование жучков и других незаконно установленных устройств. Глушитель диктофонов, жучков генерирует шумы, заглушающие работу подслушивающих устройств.

Подавители жучков отличаются, прежде всего, подавляемым диапазоном. Это может быть диапазон частот, который законодательно предназначен для использования в целях осуществления оперативно-розыскной деятельности, то есть 400-450 МГц для передачи акустической информации (для радиомикрофонов) и 1100-1300 МГц для передачи видеосигнала (видеопередатчиков).

2.2 Анализ схем реализации

1) Генератор радиошума на интегральной микросхеме 561ЛА7

На рисунке 2.1 показана принципиальная схема передатчика на интегральной микросхеме 561ЛА7

Рисунок 2.1 - Принципиальная схема передатчика на интегральной микросхеме[4]

Данный генератор подавляет работу радиожучков, работающих в диапазоне частот от 70 МГц до 150 МГц на расстоянии до 20 метров. Питается генератор от БП с напряжением 15В, при токе не менее 0,5 А. Достаточно простого диодного моста и выпрямителя с конденсатором пару тысяч мкФ.

Работает схема следующим образом: генератор на КТ368 работает в режиме сильного самовозбуждения по ВЧ, и генерирует гармоники вблизи основной частоты контура - 100±10МГц. Этот режим задаётся повышенной ёмкостью конденсатора 12пФ. Для нормальной генерации он обычно ставится не более 10пФ, поэтому для настройки необходимо установить подстроечный конденсатор.

Далее сигнал ВЧ усиливается двумя широкополосными каскадами. В первом можно поставить любой ВЧ транзистор, а во втором нужно что-нибудь мощнее. Антенна представляет собой отрезок провода или телескопическую антенну, но чтобы самим не попасть под помехи - сигнал подаётся через экранированный кабель.

Просто создать несущую частоту, хоть и широкополосную, будет мало. Мощные передатчики могут и пробиться через нее. Для того чтоб стало невозможным прослушание, модулируем сигнал ВЧ простым генератором на К561ЛА7, К561ЛЕ5 или аналогичных микросхемах. Частота модуляции около 1 - 3 кГц с периодом 0.1 - 0.3с[4].

2) Генератор радиошума на транзисторах серии BFR

На рисунке 2.2 показана принципиальная схема передатчика на транзисторах серии BFR.

Блок из транзисторов VT1 и VT2, резисторов R1 и R2, конденсаторов С1 и С2 является мультивибратором, задающим необходимую частоту. В дальнейшем сигнал мультивибратора усиливается транзистором VT3 и через разделительный конденсатор С4 передается на нагрузку (антенну). Через резисторы R3 и R5 осуществляется обратная связь питания эмиттеров транзисторов.

Рисунок 2.2 - Принципиальная схема передатчика на транзисторах серии BFR



Данный генератор подавляет работу радиожучков, работающих в диапазоне частот от 80 МГц до 210 МГц на расстоянии до 10 метров[4].

Генератор подавления радиопередатчиков на кт939

На рисунке 2.3 показана принципиальная схема передатчика на КТ939

Рисунок 2.3 - Принципиальная схема передатчика на КТ939

Постановщик радиопомех предназначен для работы в системе активной защиты информации. Постановщик радиопомех во включенном состоянии создает электромагнитные помехи в эфире с интенсивностью достаточной для маскирования информативных излучений от используемой оргтехники, в том числе от электронной вычислительной техники, а так же обеспечивает эффективное подавление излучений маломощных передатчиков диапазона 30 МГц - 1000 МГц. Данная модификация прибора, кроме того, может применяться для предотвращения активации радиомикрофонов с дистанционным управлением, посредством воздействия на входные цепи приемника дистанционного управления.

Основные технические характеристики:

1. Уровень помехового сигнала на выходных разъемах в поддиапазонах частот 10кГц-100кГц(F=200Гц) не менее 65 дБ

150кГц-30МГц(F=9кГц) не менее 65 дБ

30МГц-1ГГц(F=120кГц) не менее 45 дБ

2. Нормированная спектральная плотность помехи, создаваемой ПРП (измеренная на расстоянии 3м от антенной системы, выполненной в виде рамки из провода размером 2х2 м)

10кГц-30МГц не менее 95-103 дБ

30МГц-300МГц не менее 103-118 дБ

300МГц-1ГГц не менее 100-118дБ

3. Энтропийный коэффициент качества помехи не менее 0.8

4. Напряжение питания 220 В 50 Гц

Устройство построено по классической схеме шумового генератора радиочастотного диапазона.

Следует отметить, что тепловой режим работы схемы очень тяжелый. На транзисторы VT1-VT4 необходимы радиаторы не менее 100 кв. см. на каждый, при условии хорошей внутренней вентиляции корпуса. Резисторы R1 и R2 лучше заменить на один 4,7 Ома мощностью 10 Вт.

Обобщенные данные для сравнения характеристик представлены в таблице 2.1

Таблица 2.1 - Аналоги устройства и их характеристики

Наименование изделия	Сравниваемые параметры:
	Диапазон частот	Ток потребления, А	Напряжение потребления, В	Радиус действия, м
Tetra Fast (прототип)	350 МГц-2,5 ГГц	0.2	9	~10-50
Генератор радиошума на интегральной микросхеме 561ЛА7	70 МГц-150 МГц	0.5	15	~20
Генератор радиошума на транзисторах серии BFR	80 МГц-210 МГц	0.5	12	~10
Передатчик на кт939	30 МГц - 1 ГГц	1,5	~220	~30



2.3 Принцип работы схемы генератора шума

В основе работы широкополосного шумового генератора лежит влияние положительной обратной связи на усилительные элементы (транзисторы). В связи с отсутствием какой-либо резонансной системы, в схеме отсутствует элемент, способный удерживать частоту работы устройства в определенном четком диапазоне, что позволяет генератору "плавать" по частотам.

Частота периодически сдвигается под воздействием множества факторов - частотных свойств транзисторов, влияния параметров печати и внешней среды, напряжения питания и т.д.

Когда таких генераторных каскадов расположено рядом четыре с общими элементами нагрузки и обратной связи, общий спектр принимает размытый, непрерывный и случайный характер.

На уровне электрических токов принцип работы генератора можно описать следующим образом: генератор состоит из делителя напряжения (R1,R2), 2-х LC генераторов с положительной обратной связью (на транзисторах VТ1, VТ2 и транзисторах VТ3, VТ4) и выходных фильтров (С4, С5). После прохождения делителя напряжения ток поступает на базы транзисторов Т1-Т4. После этого LC - генераторы начинают генерировать сигналы. Каждый генератор работает, но не на частоте свободных колебаний контура, а на частоте вынужденных колебаний, из-за этого генератор излучает две частоты: большую - на частоте вынужденных колебаний и меньшую на частоте свободных колебаний контура. При первой итерации (работа процесса до повторения) две частоты образуют четыре: две исходные и две суммарноразностные. При второй итерации четыре частоты производят ещё большее число суммарноразностных частот. В результате, при большом числе итераций получается целый спектр частот, который в приёмниках смешивается с входным сигналом и образует ещё большее число суммарноразностных частот[4]. Осциллограмма выходного сигнала приведена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Осциллограмма выходного сигнала.



3. Расчет генератора шума

Общим свойством рассматриваемых шумовых помех является их широкоспектральность. Этот термин указывает на то, что ширина энергетического спектра помехи существенно превосходит полосу пропускания приёмника.

Ширкоспектральность шумовой помехи позволяет считать, что её спектральная плотность SЭ.ВХ в пределах частотной характеристики приёмника является постоянной величиной. Помехи такого вида принято сводить к единому эквиваленту - белому шуму, спектральная плотность которого принимается равной SЭ.ВХ и считается постоянной в бесконечных пределах. Таким образом, величина SЭ.ВХ может служить исчерпывающей характеристикой шумовой помехи.

Расчет прохождения шума и сигнала через тракт радиоприемного устройства необходим при проведении анализа его помехоустойчивости. Количественная оценка помехоустойчивости может быть определена минимальным сигналом, при котором обеспечивается требуемая точность воспроизведения принимаемой информации. Уровень помехи при этом считается заданным.

3.1 Прохождение шума через высокочастотный тракт приемника

Расчет действия одного шума (без сигнала) в тракте приемника представляет интерес, когда радиоприемное устройство находится в режиме ожидания сигнала.

В это время в тракте приемника действует только шум, который может вызвать ложную регистрацию сигнала

Выходное напряжение u(t) ВЧ тракта, на входе которого действует широкоспектральный шум, представляет собой колебательный процесс, амплитуда U и фаза ц которого медленно и случайным образом изменяются во времени:

u(t) = U (t) cos [щ0 t - ц (t)]. (3.1)

Частота щ0 колебаний равна центральной частоте настройки ВЧ тракта. Такой процесс называется квазигармоническим.

Случайная функция времени U(t) носит название огибающей квазигармонического процесса. Физическое объяснение многих особенностей квазигармонического колебания удобнее провести, если представить (3.1) в виде

,(3.2)

Где

Можно показать, что случайные функции UC(t) и US(t) независимы, подчиняются нормальному закону распределения, центрированы около нуля и имеют одинаковую дисперсию

DU=U2Ш ,

где UШ--эффективное значение квазигармонического напряжения.

Таким образом, квазигармоническое колебание u(t) в записи (3.2) определяется как сумма двух квазигармонических колебаний uC(t) и uS(t). Примерный вид их реализации представлен на рис. 3.2.



Рис. 3.2. Форма ортогональных составляющих квазигармонического процесса

Огибающую V(t) можно представить вектором V (рис. 3.3)

Рисунок. 3.3. Векторная диаграмма для огибающей аддитивной смеси квазигармонического шума и сигнала длина которого равна

(3.3)

Вероятностный расчёт прохождения шума через ВЧ каскад радиоприёмного устройства изложен в [5].

3.2 Прохождение шума через амплитудный линейный детектор

Схема детектора показана на рис. 3.4. Предполагается, что нагрузка детектора безынерционна по отношению к огибающей.

Разделительная цепь RpCp задерживает только постоянную составляющую, пропуская флуктуации (t) без потерь.

При действии на входе линейного детектора квазигармонического колебания с огибающей U(t) на резисторе R нагрузки образуется случайное напряжение

Рисунок. 3.4. Детектор кваэигармонических колебаний.

Плотность вероятности напряжения Е, так же как и для огибающей, подчиняется закону Релея:

. (3.5)

Линейность зависимости Uш лежит в основе удобного способа определения эффективного напряжения квазигармонического шума. Измерив постоянную составляющую тока в резисторе R нагрузки детектора с помощью обычного магнитоэлектрического прибора, вычисляют UШ так:

UШ=I=(R/1,25KД). (3.6)

Плотность вероятности флуктуации s(l) определяется формулой

(3.7)

На рис. 3.5. показаны графики р(?) для нескольких значений КДUШ.



Рисунок. 3.5. График плотности вер-ти флуктуации выходного Uдет-ра.

Исходная формула для расчета энергетического спектра флуктуации e(t) имеет вид:

(3.8)

На рис. 3.6. показан характер изменения энергетического спектра флуктуации (t) при изменении шумовой полосы ВЧ тракта.

Рисунок. 3.6. Изменение формы энергетического спектра флуктуации выходного напряжения линейного детектора при вариации полосы пропускания

Прохождение шумового сигнала через тракт приёмника включает в себя прохождение шума совместно с гармоническим и модулированным сигналом.

В качестве усилительного элемента VT1 в каскаде предварительного усиления выбран транзистор КТ315.

В качестве усилительного элемента VT2 во втором усилительном каскаде выбран транзистор КТ608.

Схема обеспечивает выходной сигнал мощностью около 0,5 Вт.

технический радиочастотный генератор волновой



Выводы

Для защиты информации от утечки и для обеспечения информационной безопасности создан генератор радиошума. Этот прибор относится к средствам активной аппаратной защиты информации и предназначен для защиты объектов информатизации.

Данные устройства эффективно используются как для подавления радиосигналов потребительского уровня (моб. телефоны, WiFi) когда их использование является нежелательным, так и в военных целях (сигналы вражеского развед. самолета). Этот факт говорит об универсальности применения генераторов радиошума и возможности их использования для защиты от несанкционированного использования радиоустройств.

В данной работе спроектирован генератор шума для противодействия системам съёма информации. Рассчитан первичный источник случайной информации. Рассмотрены некоторые вопросы прохождения шума через каскады радиоприёмного устройства.



Список использованных источников

1. Глушение радиосигнала - журнал "Чип и Дип", 2011, №4, стр.35с.

2. Кое-что о подавлении радиосигналов в частном порядке - Экспертный глянцевый журнал Mobi , 2005, №6, 31с.

3. Электронный ресурс: URL:wikipedia.org - "Радиоэлектронная борьба."

4. Электронный ресурс: URL: platan.ru - "Платан. Каталог продукции."

5. Справочник по радиоэлектронным устройствам: в 2-х томах. Т.1 / Бурин Л. И., Васильев В.П. и др.; ред. Д. П. Линде. - М: Энергия, 1978. - 440с.

Размещено на Allbest.ru

...