Доступ: Анонимный

Эффективность применения устройства активной защиты речевой информации на основе генераторов специальных сигналов.

Возможные каналы утечки речевой информации.

В зависимости от физической природы возникновения информационных сигналов, среды распространения акустических колебаний и способов их перехвата, механические каналы утечки акустической (речевой) информации можно разделить на воздушные, вибрационные, оптико-электронные и параметрические.

Воздушные технические каналы утечки информации.

В этих каналах средой распространения акустических сигналов является воздух, и для их перехвата используются миниатюрные высокочувствительные микрофоны и специальные направленные микрофоны. Миниатюрные микрофоны объединяются (или соединяются) с портативными звукозаписываующими устройствами или миниатюрными передатчиками. Автономные устройства, конструктивно объединяющие миниатюрные микрофоны и передатчики, называют акустическими закладками.

Перехваченная закладными устройствами речевая информация может передаваться по радиоканалу, оптическому каналу, по сети переменного тока, соединительным линиям ВТСС, посторонним проводникам (трубам водоснабжения и канализации, металлоконструкциям и т.п.). Причём, для передачи информации по трубам и металлоконструкциям могут использоваться не только электромагнитные, но и механические ультразвуковые колебания.

Приём информации, передаваемой закладными устройствами, осуществляется, как правило, на специальные приёмные устройства, работающие в соответствующем диапазоне волн. Однако встречаются закладные устройства, приём информации с которых, можно осуществить с обычного телефонного аппарата. Такие устройства устанавливаются или непосредственно в корпусе телефонного аппарата, находящегося в контролируемом помещении и называемом “телефоном-наблюдателем”, или подключаются к телефонной линии, чаще всего в телефонной розетке. Побочное устройство конструктивно объединяет миниатюрный микрофон и специальный блок коммуникации, и часто называются “телефонное ухо”. Использование информационных акустических закладок требует проникновения на контролируемый объект (в помещение). В том случае, когда это не удаётся, для перехвата речевой информации используются направленные микрофоны.

Вибрационные технические каналы.

В вибрационных технических каналах утечки информации средой распространения акустических сигналов являются конструкции зданий, сооружений, канализации и другие твердые тела. Для перехвата акустических колебаний в этом случае используются контактные микрофоны (стетоскопы).

По вибрационному каналу также возможен перехват информации с использованием закладных устройств. В основном для передачи информации используется радиоканал, поэтому такие устройства часто называют радиосистемами. Возможно использование закладных устройств с передачей информации по оптическому каналу, а также по ультрозвуковому каналу (по металлоконструкциям здания).

Электроакустические каналы утечки информации.

Электроакустические каналы утечки информации возникают за счет электроакустических преобразований акустических сигналов в электрические, и включают перехват акустических колебаний через ВТСС, обладающих “микрофонным эффектом”, а также путем высокочастотного навязывания.

Некоторые элементы ВТСС, в том числе трансформаторы, катушки индуктивности, электромагниты вторичных электрочасов, звонков телефонных аппаратов, дроссели ламп дневного света и т.д. обладают свойствами изменять свои параметры (емкость, индуктивность, сопротивление) под действием акустического поля, создаваемого источником акустических колебаний. Изменения параметров приводит либо к появлению на данных элементах ЭДС, изменяющейся по закону воздействующего информационного сигнала (акустического поля), либо к модуляции токов, протекающим по этим элементам, информационным сигналом. ВТСС, кроме указанных элементов, могут содержать непосредственно электроакустические преобразователи: некоторые датчики пожарной сигнализации, громкоговорители ретрансляционной сети и т. д. Причем из ВТСС, обладающих “микрофонным эффектом”, наибольшую чувствительность к акустическому полю имеют абонентские громкоговорители.

Перехват акустических колебаний в данном канале утечки осуществляется путем непосредственного подключения к соединительным линиям ВТСС, специальных высокочувствительных усилителей НЧ.

Например, подключая такие средства к соединительным линиям телефонных аппаратов с электромеханическими вызывными звонкам, можно прослушивать разговоры, ведущиеся в помещениях, где установлены эти аппараты.

Технический канал утечки информации путем ВЧ навязывания может быть осуществлен путем несанкционированного контактного введения токов высокой частоты в линии, имеющие функциональные связи с нелинейными или параметрическими элементами ВТСС, на которых происходит модуляция ВЧ сигнала информационным. Информационный сигнал в данных элементах ВТСС появляется вследствие “микрофонного эффекта” последних. В силу того, нелинейные или параметрические элементы для ВЧ сигнала, как правило, представляют собой несогласованную нагрузку, промодулированный ВЧ сигнал будет от нее отражаться и распространятся в противоположном направлении по линии или излучатся. Для приема отраженных или излученных ВЧ-сигналов используются спецприемники с высокой чувствительностью. Для исключения влияния зондирующего и переотраженного сигналов могут использоваться импульсные сигналы.

Оптико-электронный технический канал утечки.

Этот канал образуется при облучении лазерным лучом вибрирующих в акустическом поле тонких отражающих поверхностей (стекол, картин, зеркал). Отраженное лазерное излучение модулируется по амплитуде и фазе (по закону вибрации поверхности) и принимается приемником лазерного излучения, при демодуляции которого выделяется речевая информация. Причем, лазер и приемник могут быть установлены в одном или разных местах.

Исходя из выше перечисленных особенностей ТСПИ и ВТСС, а также возможностей современных технических разведок можно заключить, что существует потенциальная опасность возникновения технического канала утечки информации. И эта проблема должна решатся совершенствования применяемого оборудования (ТСПИ и ВТСС), так и применение средств активной защиты, которым будет служить проектируемое устройство.

Возможности технических разведок и аппаратура съема информации.

Радиомикрофоны

Акустические системы радиоподслушивания (радиозакладки) обеспечивают реализацию одного из способов несанкционированного доступа к источникам конфиденциальной информации – подслушиванию – с передачей воспринимаемых разговоров или звуковых сигналов техники к злоумышленнику по радиоканалу. Практика использования таких систем для получения разведывательной информации показала, что по применению и конструктивным особенностям они подразделяются на микрофонные и телефонные радиозакладки.

Для эффективной борьбы с радиозакладками необходимо иметь представление об особенностях их построения и основных характеристиках. Поэтому вначале рассмотрим общие принципы действия и построения радиозакладок.

Микрофонные радиозакладки – это миниатюрные радиопередатчики с встроенным или вынесенным микрофоном, которые применяются, если радиопередатчик по каким-либо причинам не может передавать информацию из интересующей зоны, например, из-за особенностей распространения радиоволн или жесткого режима радиоконтроля.

Простейшие радиозакладки содержат три основных узла, определяющих технические возможности и методы их использования:

• микрофон, воспринимаемый акустические колебания разговаривающих лиц, и превращающих их в электрические сигналы;
• радиопередатчик, воспринимающий электрические сигналы от микрофона и передающий их по радиолинии на приемник, позволяющий злоумышленнику воспринимать содержание переговоров;

• источник питания радиопередатчика, определяющий продолжительность непрерывной работы радиозакладок.

Радиомикрофоны являются самыми распространенными техническими средствами ведения разведки. Их популярность объясняется, прежде всего, удобством их оперативного использования, дешевизной, очень небольшими размерами. Микрофон определяет зону акустической чувствительности (до 20-30 метров), радиопередатчик- дальность действия радиолинии. Определяющими параметрами с точки зрения дальности действия для передатчика являются мощность, стабильность несущей частоты, диапазон частот, вид модуляции.

Технические данные радиомикрофонов находятся в следующих пределах:

Вес от 5 до 350 г.
Габариты от 1 см³ до 8 дм³
Частотный диапазон от 27 до 900 Мгц
Дальность без ретранслятора от 10 до 1500 м
Время непрерывной работы. от нескольких часов до нескольких лет.

Таблица 1.1.

Технические данные радиомикрофонов промышленного изготовления.

По конструктивному исполнению радиозакладки могут быть простыми, работающими как обычные передатчики с амплитудной или частотной модуляцией. Но могут быть и весьма сложными: иметь в своем составе устройства дистанционного управления, автоматического включения при определенных условиях, системы накопления информации и передачи ее короткими сериями на повышенных скоростях и другие.

Наличие такого большого количества моделей радиомикрофонов объясняется тем, что в различных ситуациях требуется определенная модель. Все радиомикрофоны отличаются мощностью передатчика, дальностью действия и т.д.

Интересными являются изделия CAL-201 и CAL-205, замаскированные под калькуляторы, с питанием от сети. Существуют модели, выполненные в виде заколки, зажима для галстука, наручных часов и др.

Высокочувствительные миниатюрные микрофоны в авторучке, наручных часах, в значке и др. позволяют записать беседу в шумном месте. Интересной является схема оперативного применения радиомикрофона, реализованная в изделии SIPE-PS.

Это комплект, состоящий из бесшумного пистолета с прицельным расстоянием 25 м и радиомикрофона-стрелы, которей предназначен для установки в местах, физический доступ которым невозможен. Аналогичный комплект фирмы CCS включает арбалет и несколько стрел-дротиков. Это модель STG-4301. Микрофон обеспечивает контроль разговора в радиусе до 10 м, а передатчик передает сигнал на приемник, находящийся на расстоянии до 100 м.

Широко практикуется применение радиомикрофонов с питанием от внешних источников, в том числе от телефонной и радиосети. Например, отечественный прибор ЛСТ-4 устанавливается в розетках электропитания, а ЛСТ-4 – в телефонной розетке. Оригинальной является модель HR 560 LICHT WUD. Этот радиомикрофон встроен в цоколь обыкновенной лампочки накаливания, с дальностью действия до 250 м. ЧМ-радиомикрофон AD-45-3, устанавливаемый в телефонной розетке, предназначен для контроля помещений. Питание осуществляется от телефонной линии, дальность до 150 м.

Радиомикрофон SIPE MT,с ЧМ-передатчиком и с питанием от солнечной батареи, выполнен в виде стакана для виски, дальность действия которого в диапазоне 130-150 МГц составляет 100 м.

В радиомикрофоне типа TRM-1532 и TRM-1530 применено дистанционное включение. Это радиомикрофон с ЧМ-передатчиком диапазона 380-400 МГц или 100- 150 МГц и дальность до 300 м.

Модель STG-4001включается от звука, а выключается автоматически через 5 секунд после исчезновения звука, дальность действия до 500 м, а частота 130-150 МГц. Следует подчеркнуть, что такого рода радиомикрофоны довольно трудно обнаружить.

Использование телефонной линии для прослушивания помещений.

В этом случае телефонная линия используется не только для передачи телефонных сообщений, но и для прослушивания помещения. Чтобы включить подобное устройство нужно набрать номер абонента, первые два гудка “проглатываются” устройством, т.е. телефон не звонит. После этого необходимо положить трубку и через определенное время позвонить снова, только после этого система включается в режим прослушивания.

Подобным образом работают, например, устройства ST-01 ELSY, UM-103. Устройство БОКС-Т позволяет контролировать помещение из любой точки земного шара по телефону. Модель TS-20-1 позволяет дополнительно контролировать подключенные к ней датчики охранной сигнализации. Электропитание всех моделей осуществляется от телефонной линии с напряжением 60 В.

Необходимо иметь в виду, что существуют так называемые “беззаходовые” системы передачи акустической информации по телефонной линии, позволяющие прослушивать помещения без установки какого-либо дополнительного оборудования.

Лазерные микрофоны

В качестве примера рассмотрим лазерный микрофон HP-150 фирмы "Hewlett Packard" с дальностью действия до 1000 м. Он сконструирован на основе гелий неонового или полупроводникового лазера.

Луч лазера, отраженный от стекла помещения, в котором ведутся переговоры, оказывается промодулированным звуковой частотой. Принятый фотоприемником отраженный луч детектируется, звук усиливается и записывается.

Существует отечественная система ЛСТ-ЛА2 с дальностью действия менее 100 м. Следует отметить, что эффективность применения такой системы возрастает с уменьшением освещенности оперативного пространства.

Гидроакустические датчики

Звуковые волны распространяются в воде с очень небольшим затуханием. Этот принцип можно применять, используя жидкость, находящуюся в системах водоснабжения и канализации. Такую информацию можно получить в пределах здания, но радиус прослушивания будет очень сильно зависеть от уровня шумов, особенно в водопроводе. Ещё более эффективным будет использование гидроакустического передатчика, установленного в батарее прослушиваемого помещения.

СВЧ и ИК передатчики

Для повышения скрытности в последние годы стали использовать инфракрасный канал. В качестве передатчика звука от микрофона используется полупроводниковый лазер. В качестве примера рассмотрим устройство TRM-1830. Дальность действия днем составляет 150 м, ночью – 400 м, время непрерывной работы – 20 часов. Габариты не превышают 26x22x20 мм. К недостаткам подобной системыx можно отнести необходимость прямой видимости между передатчиком и приемником и влиянием помех. Повысить скрытность получения информации можно также с помощью использования канала СВЧ диапазона – более 10 ГГц. Передатчик, выполненный на диоде Ганна, может иметь очень большие габариты.

К преимуществам такой системы можно отнести отсутствие помех, простоту и отсутствие в настоящее время эффективных средств контроля.

К недостаткам следует отнести необходимость прямой видимости, хотя и в меньшей степени, так как СВЧ сигнал может все-таки огибать небольшие препятствия и проходят (с ослаблением) сквозь тонкие диэлектрики, например, шторы на окнах.

Стетоскопы

Стетоскоп представляет собой вибродатчик, усилитель и головные телефоны. Размеры датчика, на примере устройства DTI, составляют 2.2? 8 см, диапазон частот-300-3000 МГц, коэффициент усиления 20000. С помощью подобных устройств можно осуществлять прослушивание разговоров через стены толщиной до 1 м. Стетоскоп может оснащаться проводным, радио или другим каналом передачи информации. Основным преимуществом стетоскопа можно считать трудность обнаружения, т.к. он может устанавливаться в соседних помещениях.

В качестве примера приведем два устройства – SIPE RS и SIPE OPTO 2000, отличающиеся каналом приема. Мощность передатчика SIPE RS – 20 мВт, дальность-250 м Инфракрасная система SIPE OPTO 2000 обеспечивает радиус действия до 500 м и имеет широкую диаграмму направленности. Существуют стетоскопы, в которых чувствительный элемент, усилитель и радиопередатчик объединены в одном корпусе. Примером такого устройства является стетоскоп АД-50. Этот компактный стетоскоп позволяет не только прослушивать разговоры через стены, оконные рамы, двери, но и передавать информацию по радиоканалу. Имеет высокую чувствительность и обеспечивает хорошую разборчивость речевого сигнала. Его рабочая частота составляет 470 МГц, дальность передачи – до 100 м.

1. Обоснование применения методов и средств активной защиты акустических и виброакустических каналов утечки.

Рис.1. Обобщенная схема применения активных систем виброакустического зашумления.

Для того чтобы проанализировать существенное влияние объекта защиты на степень соответствия аппаратуры определенным тактическим, техническим, конструктивным, эргономическим и экономическим показателям, рассмотрим обобщенную ситуацию использования активных систем виброакустического зашумления [3], которая показана на рис. 1 в виде блок-схемы.

На схеме показаны возможные составляющие и компоненты, определяющие эффективность активной защиты с учетом всех факторов влияния. Исходный речевой акустический сигнал (ИРС) в помещении L_о следует рассматривать как сигнал прямого акустического поля, то есть неискаженный влиянием акустических свойств самого помещения. Сигнальные свойства процесса L_о не являются детерминированными, так как зависят от таких характеристик, как голосовые особенности диктора, специфика переговоров (беседа, выступление, телефонный разговор), наличия в помещении средств усиления звука, особенностей передаваемого речевого сообщения, языка, на котором происходит передача информации, количество дикторов. В связи с этим вопрос создания обоснованных тестов (эквивалента речи) по их виду и уровню громкости является самостоятельной проблемой.

В помещении, которое для акустического сигнала является линейной системой с некоторой переходной характеристикой h_п, формируется сложная картина пространственно-частотного распределения акустического сигнала, зависящая от архитектурно-акустических параметров (АСП) – размеров помещения, типов акустической облицовки поверхностей, наличие мягкой мебели и предметов интерьера в помещении, даже влажности воздуха и его температуры. Именно этот акустический сигнал, который является сложной композицией прямой и диффузной (равномерной в пространстве) составляющих поля, создает сигналы в каналах утечки информации как вибрационного, так и акустического типов, причем картина акустического поля существенно изменяется при перемещении источника звука, то есть может быть нестационарная во времени.

Акустические каналы утечки создаются при прохождении механических колебаний воздушной среды через конструкции с ослабленными значениями звукоизоляции или при полном отсутствии таковых, как, например, для воздуховодных каналов типа систем вентиляции. Вибрационные каналы утечки создаются при преобразовании акустических колебаний воздушной среды в механические колебания твердых сред, которыми являются ограждающие строительные конструкции помещений и инженерно-технические коммуникации. Оба типа каналов утечки представляют собой единый вид механических колебаний, которые обладают очевидным свойством распространяться в пространстве, создавая тем самым предпосылки для проникновения сигнала на значительном удалении от исходного помещения. Все возможные в помещении вибрационные и акустические каналы утечки (ВАКУ) обладают собственными переходными линейными характеристиками h_i, которые и определяют спектрально-энергетические параметры речевого сигнала в каналах утечки. В реальном помещении количество типов каналов утечки N практически соответствует числу однородных участков ограждающих конструкций и коммуникаций – каждый элемент ограждения (перегородка, окно, дверь, колонна, перекрытие) и каждая коммуникация (трубопровод, воздуховод, кабельные линии) представляют собой индивидуальный канал, сигналы в которых коррелированны, но существенно различны по мощности и ее распределению по частоте.

Эффективность каналов утечки зависит не только от степени линейных искажений исходного речевого сигнала, но и от различного рода помех и шумов, которые действуют в каналах утечки. Необходимо отметить, что в защищаемом помещении уже существует некоторая акустическая помеха, которая может приводить к искажению восприятия речи – шумы помещения (ШП) N_ш(t), например, сигналы вещания, переговоры других лиц, шумы вентиляции, шумы кондиционера, уличные шумы. В зависимости от акустических свойств помещения, в первую очередь его размеров, эти шумы могут существенно снизить качество восприятия речи даже при расположении датчика информации непосредственно во внутреннем объеме помещения, а тем более при приеме речи на удалении от источника сигнала. Собственные шумы помещения, как и речевой сигнал, создают акустическое поле, определяемое параметрами помещения и также как и речевой сигнал проникают в канал утечки информации. Кроме них в канале действуют и другие типы шумов и помех, независимых от шумов помещения, которые создаются различными источниками шумов (ИШ). В общем случае они коррелированны между собой, так как один источник шумов может создавать помеху как в акустическом, так и в вибрационном каналах. Каждый из источников шумов создает в канале утечки помеху с индивидуальными спектральными характеристиками N_сi(t).

Таким образом, в месте возможного расположения датчиков приема речевых сигналов Д_i существует аддитивная смесь речевого сигнала L_сi(t) и шумов, определяемых совокупностью шумов помещения и каналов утечки. Следовательно, каждый из датчиков негласного контроля информации обеспечивает собственную величину качества принимаемой информации, которая может характеризоваться некоторым объективным показателем, например, разборчивостью речи, отношением сигнал/помеха. Учитывая случайный и нестационарный во времени характер сигналов и помех, показатель качества приема речи на фоне шумов является функцией времени и должен иметь тенденцию к стационарности только за значительный период усреднения, что предъявляет жесткие требования к оценке начальных эффективностей каналов утечки на участках с относительно однородной структурой.

Активная защита применяется в ситуациях, когда начальная эффективность каналов утечки превышает некоторое требуемое нормативное значение, и заключается в создании дополнительных мешающих помех N_i, независимых статистически от существующих шумов. Очевидно, что активная защита должна использоваться только для случаев, когда собственные помехи имеют недостаточный уровень мощности или неудачное спектральное распределение, то есть аппаратура должна генерировать помехи в местах возможного расположения датчиков негласного контроля в случаях слабых естественных помех или наличия мощного речевого сигнала в канале. Преимуществом использования активной защиты по сравнению с ориентацией на защищенность помещения по собственным помехам канала является возможность создания помех с требуемым спектральным распределением и высокой степенью стационарности (постоянства) во времени.

Однако указанными аспектами не ограничиваются проблемы практического применения методов и аппаратуры активной защиты. Появление в каналах утечки дополнительных вибрационных и акустических помех существенно изменяет ситуацию шумовой обстановки в защищаемом и смежных помещениях. Помехи проникают обратно по виброакустическим каналам утечки (ВАКУ) в исходное помещение, приводя к появлению в нем дополнительных мешающих акустических шумов N_o. Эти же шумы по паразитным виброакустическим каналам (ПВАК) проникают в смежные помещения, в том числе посторонние, создавая в них шум N_пi.

Акустический шум, проникающий в защищаемое помещение, нарушает комфортность работы защищаемого лица (группы лиц), особенно если уровень шумов N_о превышает собственные шумы помещения N_ш. Причем ситуация усугубляется сравнением начальной и получившейся после установки аппаратуры защиты шумовой акустической обстановки не в пользу последней. Для объективной оценки степени воздействия мешающих акустических шумов на человека можно ориентироваться на действующие в стране санитарные нормы, на допустимые уровни акустических шумов в помещениях различных типов и времени их воздействия на человека. Однако необходимо помнить, что субъективная негативная оценка человеком мешающего влияния шума наступает при уровнях, меньших, чем регламентированных нормативами, особенно при длительном их воздействии. Аналогично шумы, проникающие в смежные помещения, снижают комфортность работы в них, а учитывая, что эти помещения могут не принадлежать к организации, осуществляющей защиту, ситуация может привести к более серьезным мерам воздействия со стороны сторонних организация или государственных надзорных структур. Практической проблемой является невозможность измерения уровня дополнительных шумов в помещениях посторонней организации без согласования с ними.

Следовательно, возможности активной защиты ограничены принципиально и полностью определяются свойствами вибрационных и акустических каналов утечки и паразитных каналов распространения сигналов и шумов. Задача комплексной защиты рассматриваемых каналов может быть сформулирована следующим образом: необходимо обеспечить некоторое минимальное требуемое значение функционала, характеризующего показатель защиты

j [L_ci(t, f), N_ш(t, f), N_i(t, f), N_ci(t, f)] < j ₀

при условии, что побочные остаточные шумы в защищаемом и смежном помещениях не превышает санитарных нормативов

N_o(t, f) < N_сан(t, f), N_п(t, f) < N_сан(t, f),

где f – частота;
j ₀ - предельный нормативный параметр на показатель защиты;
N_сан(t, f) - санитарные нормативы.

В качестве показателя защиты могут рассматриваться различные функционалы от простых - типа отношения сигнал/помеха, до сложных - типа расчетной разборчивости речи, более адекватных решаемой задаче.

Учитывая, что каждый из сигнальных и шумовых процессов зависит от акустических свойств защищаемого помещения, каналов утечки и паразитных каналов, то задача реализации мер защиты выглядит достаточно сложной. Причем общая степень выполнения указанных выше требований зависит от величин, определяющих ослабление сигналов и помех, в большей степени, чем от величины дополнительных защитных помех.

Это можно увидеть на простом примере. Пусть величина ослабления речевого сигнала в канале утечки равна A, тогда уровень помех, который требуется создать в канале, равен величине N = L_c*A/q, где L_c – уровень речевого сигнала в защищаемом помещении; q - требуемое для защиты отношение сигнал/помеха. Уровень помех, проникающих обратно в помещение, в первом приближении можно определить, считая канал утечки симметричным, по формуле N_п = N*A. Тогда допустимый уровень помех, который можно создавать в канале утечки должен удовлетворять условию N_д = L_cA²/q < N_сан. Отсюда следует, что аппаратурные возможности генераторов вибрационных и акустических помех ограничены двумя типами нормативов (q, N_сан), уровнем исходного речевого сигнала (L_c) и амплитудно-частотными характеристиками каналов утечки (A) во второй степени. Следовательно, увеличение пассивной защиты в 2 раза (3 дБ) приводит к ослаблению требований в 4 раза (6 дБ), а изменение мощности помех приводит только к соответствующему пропорциональному изменению показателя защиты.

Из рассмотрения обобщенной схемы каналов утечки можно сделать следующие важные выводы, необходимые для совершенствования аппаратуры формирования вибрационных и акустических помех:

• в комплект аппаратуры должны входить излучатели как вибрационного, так и акустического типов, рассчитанные на установку в типовых условиях;
• общее количество излучателей обеих типов должно быть достаточным для оптимального решения некоторой типовой задачи защиты с учетом конструктивных элементов помещения (трубопроводов, окон, дверей, перекрытий и пр.);
• помеховые сигналы в каналах излучения должны быть независимы для исключения возможности снижения защитных свойств при использовании коррелированности помех в системах негласного контроля информации;
• каналы излучения должны позволять регулировать уровни мощности излучения и спектры помеховых сигналов раздельно по различным каналам излучения, что позволяет минимизировать энергетические затраты;
• аппаратура должна допускать установку и контроль по основному параметру защиты;
• аппаратура должна позволять устанавливать уровень защищенности с учетом требований на допустимый уровень остаточных акустических шумов;
• разработчик должен предлагать комплекс мер пассивной защиты, который применим к различным ситуациям с учетом особенностей разработанной аппаратуры.

Методы построения аппаратуры активной защиты речевой информации.

Акустические генераторы шума используются для зашумления акустического диапазона в помещениях и в линиях связи. В широком смысле под шумом понимают помехи, представляющие собой смесь случайных и кратковременных периодических сигналов. В узком смысле под шумом понимают так называемый белый шум, характеризующийся тем, что его амплитудный спектр распределен по нормальному закону, а спектральная плотность мощности постоянна для всех частот.

Для защиты переговоров от прослушивания используют генераторы акустической шумовой помехи - белого шума. Они позволяют замаскировать полезную информацию на фоне шума. В отличие от однотональной или многотональной периодической помехи, музыки, шума двигателя и т.п., которые путем специальной обработки сигнала могут быть отфильтрованы, помехи типа белого шума практически не поддаются полной фильтрации и поэтому являются наиболее эффективными для закрытия информации. Кроме того, акустические генераторы белого шума эффективны еще и тем, что воздействуют непосредственно на входные низкочастотные тракты подслушивающих систем независимо от особенностей их схемотехники и принципов передачи информации [5].

Виды шумов

Нормальным, или гауссовским, шумом называют флуктуирующие электрические колебания, взятые в любой точке на оси времени, описываются плотностью распределения вероятностей Гаусса. В современной радиоэлектронике нормальный шум имеет большое значение. Это объясняется тем, что он генерируется многими элементами радиотехнических схем: резисторами, лампами, полупроводниковыми приборами, фотоумножителями и т.д.

Релеевским называется стационарный шум, мгновенные значения которого в каждый данный момент времени, т.е. взятые в определенный момент времени, подчиняются закону распределения Релея. По этому закону распределены мгновенные значения огибающей нормального шума на выходе узкополосной избирательной системы (контуры, полосовые фильтры и др.). Эта огибающая может быть выделена на нагрузке линейного, квадратичного или какого-либо другого детектора огибающей.

Хаотические импульсные или пуассоновские шумы. Они воспринимаются в виде отдельных, изолированных импульсов. Если импульсы шума возникают не только независимо друг от друга, но при этом не перекрываются по моменту появления на сколь угодно малом интервале времени, то число их m в любой фиксированный промежуток времени Т удовлетворяет распределению вероятностей Пуассона. Отличительной особенностью пуассоновских шумов является то, что образующие их импульсы случайны по времени появления, в тоже время амплитуды и длительности импульсы могут быть постоянными величинами.

Тепловой шум. Ядра образуют электронные оболочки атомов. Чем ближе электрон к ядру, тем сильнее он с ним связан. Слабее всего связаны с ядром электроны, находящиеся на наружных оболочках. Именно эти электроны подвержены наибольшим воздействиям со стороны других атомов, если подходят к ним достаточно близко. Пока внешнего электрического поля нет, электроны в объеме проводника, изготовленного из металла, совершают внутреннее хаотическое движение. Во время движения электроны чаще сталкиваются с тепловыми колебаниями ионов (атомов) и дефектами кристаллической решетки, реже - друг с другом.

Вследствие того, что каждый электрон под воздействием теплового возбуждения движется хаотично и прерывисто, в объеме проводника появляются элементарные импульсы тока разной полярности, длительность каждого из которых в среднем равняется времени свободного пробега.

Тепловой шум должен иметь следующий характер:

1. Постоянная составляющая тока равна нулю.

2. Мгновенные значения тока оказываются распределенными по нормальному закону.

3. Т.к. тепловые шумы обусловлены хаотическим движением носителей тока, то они не зависят от материала. Это верно, пока резистор изготовлен из однородного материала.

4. Тепловые шумы связаны с атомным строением вещества, с дискретной природой электрического.

Независимость теплового шума от протекания тока объясняется тем, что скорость дрейфа электронов под воздействием электрического поля внешней ЭДС очень мала по сравнению со скоростью теплового движения электронов. Это верно для металлов, но перестает быть справедливым для полупроводников, обладающих значительно большей подвижностью, чем металлы.

Спектр мощности теплового шума весьма протяженный и верхняя его граница лежит в области частот 10¹³ –10¹⁴ Гц.

Дробовой шум. Название "дробовой шум" было введено Шотки, который количественно исследовал шумы диода. При очень малом токе катода ток представляется зернистым, т.к. состоит из отдельных электронов. Например, в диоде прямого накала, электроны под действием высокой температуры и притяжения со стороны анода вылетают из катода, ускоряются под действием поля анода, пролетая через промежуток катод - анод, и наконец достигают анода.

Перелет каждого электрона от катода к аноду во внешней цепи вызывает импульс анодного тока. Элементарные импульсы тока, поступающие на анод в единицу времени, доставляют с катода на анод заряд, определяющий средний анодный ток лампы. Вследствие случайности термоэммисии с катода число электронов, поступающих на анод в каждый данный момент времени, будет не одинаковым, хотя в среднем их число в секунду, а следовательно, и постоянная составляющая анодного тока будут неизменны. Отклонение от среднего числа электронов обусловливают флуктуации или шумы анодного тока. Спектральная плотность шумов анодного тока ограничивается сверху величиной 1 ГГц.

Источники шумов

Под первичными источниками шума понимается задающий шумящий генератор, выходное напряжение которого в последующих каскадах может усиливаться и преобразовываться по частоте.

Источники шума, применяемые в качестве первичных, весьма многочисленны. Например, ими могут быть: активное сопротивление, электронная лампа, газонаполненный триод, неоновая лампа, лампа дневного света, полупроводниковый диод или триод, фотоумножитель и др.

Общие требования, которым должен удовлетворять источник шума, следующие:

1. Равномерная спектральная плотность мощности шума в заданном диапазоне (желательно, чтобы неравномерность была не больше 1-2 дБ).

2. Достаточно большое напряжение (мощность) шума в заданной полосе частот.

3. Неизменность и воспроизводимость характеристик шума во времени и при изменении внешних условий.

4. Взаимозаменяемость источников шума без необходимости перестройки всего генератора.

В связи с этими требованиями, наиболее важными характеристиками источника шума являются:

1. Диапазон частот, в которой спектральную плотность мощности можно считать равномерной.

2.Спектральная плотность мощности или же действующее значение напряжения в заданном диапазоне частот.

3.Воспроизводимость характеристик шума от одного источника шума к другому.

Токовые шумы непроволочных резисторов. В зависимости от технологии изготовления, шумы реальных резисторов, применяемых в радиоаппаратостроении, могут оказаться значительно больше теплового шума, при этом наблюдается их сильная зависимость от напряжения, падающего на резисторе, и от силы тока, протекающего через него.

Проводящие слои непроволочных резисторов состоят из большого числа микроскопичиских малых проводящих частиц, непосредственно соприкасающиеся друг с другом. При протекании тока через проводящий слой, его проводимость несколько меняется случайным образом вследствие нарушения контактов между токопроводящими частицами. Флуктуации проводимости вызывают случайные колебания тока, которые в свою очередь создают на сопротивлении напряжение шума. Наибольшая спектральная плотность мощности шума непроволочного сопротивления сосредоточена в области низких частот 5-1000 Гц.

Добавочный шум в резисторах с большой мощностью рассеивания и большими размерами меньше, чем в резисторах малой мощности.

На рисунке 1.5 приведена диаграмма распределения различных типов резисторов по усредненной величине коэффициента токов шумов, под которым понимается отношение действующего значения шума в микровольтах в частотной декаде к приложенному напряжению постоянного тока в вольтах.

Шум с равновероятным законом распределения амплитуд. Этот вид шума возникает, когда аналоговые сигналы преобразуются в дискретную или цифровую форму. Чем уже интервал квантования, тем меньше шум. Практически и положительная и отрицательная ошибки определяются случаем. В итоге получается шум, мгновенные значения которого в каждый момент времени имеет равновероятный или прямоугольный закон распределения.

Шумовые диоды. Шумовые диоды используются в качестве эталонов шумовой мощности на частотах до 300 МГц и выше. Они всегда находятся в режиме насыщения анодного тока. Основное требование к катоду шумового диода заключается в том, чтобы он имел явно выраженный ток насыщения. Этому свойству хорошо удовлетворяют вольфрамовый или ториево-вольфрамовый катоды.

Шумовой диод можно использовать как широкополосный источник шума. Нижняя граница равна примерно 500-1000 Гц, а для вольфрамового значительно меньше. Верхняя граница частот расположена обычно в области 300-400 МГц.

Шумы газоразрядных ламп. В газоразрядных приборах - тиратрон, трубки с неоновым и аргоновым наполнением и др. - газ при прохождении тока через приборы находятся в особом состоянии ионизации, которое называется плазмой. Электронный газ в плазме обладает активной проводимостью, и вследствие случайного движения в нем электронов он генерирует шум.

Тиратрон. В качестве источника шума часто применяют тиратрон или газонаполненный триод. Выходное напряжение шума на нагрузке тиратрона достигает сотен милливольт, а в особых случаях и единиц вольт (в полосе частот от долей герца до 3-6 МГц). Однако спектральная плотность шумов тиратрона неравномерна. При помощи магнита неравномерности энергетического спектра сглаживаются, а выходное напряжение шума повышается в 5-10 раз. При наличии магнита спектр тиратронного источника шума равномерен с точностью до 1.5-8 дБ в широкой области частот от 10 Гц до 5 МГц.

Неоновая лампа. Миниатюрная неоновая лампа также может быть использована в качестве источника шума. Работает она подобно тиратрону, но т.к. рабочий ток через нее значительно меньше, то и выходное напряжение оказывается меньше. Напряжение шума достигает десятков милливольт при полосе до нескольких мегагерц, но спектральная плотность мощности неравномерна.

Газоразрядные стабилизаторы напряжения. Они также нашли применение в качестве источников шума. Наибольший шум выделяется на нагрузке при минимальном токе лампы. Абсолютное значение напряжения шума может достигать единиц милливольт при полосе от нескольких десятков герц до нескольких мегагерц.

Фотоэлектронный умножитель. Напряжение шума достигает десятых долей милливольта. Уровень шума на выходе весьма равномерен и лежит в пределах ± 1 дБ в полосе частот от 2 Гц до 6 МГц. Причиной электрических флуктуаций в этом источнике шума является дробовой эффект фототока.

Шумы полупроводниковых диодов. Шумы полупроводниковых диодов обусловливаются дискретностью заряда его носителей и прерывностью эмиссии носителей заряда. Первая причина приводит к появлению дробового шума, а вторая порождает полупроводниковый шум. Второй тип шума преобладает на низкой частоте, и обычно на частотах выше 1000 Гц он уже сильно уменьшается и остается только дробовой шум.

Полупроводниковый шум имеет две составляющие - поверхностную и рекомбинационную. Поверхностная составляющая обусловлена в основном различными явлениями на поверхности полупроводника. Рекомбинационная составляющая с хаотическими колебаниями электропроводимости полупроводника. Наиболее интенсивные шумы возникают в германиевом n-p - переходе, имеющем обратное смещение и работающем в режиме лавинного пробоя.

Полупроводниковые диоды в режиме тунельного пробоя также используются в качестве источников шума.

В качестве источников шума обычно применяются стабилитроны, или опорные диоды в режиме лавинного пробоя либо специальные лавинные диоды. Спектр шума в диапазоне от нескольких килогерц до 30-40 МГц имеет неравномерность ± 1,5 дБ.

Общий недостаток полупроводниковых диодов - источников шума - это отсутствие взаимозаменяемости. Преимуществами являются: малое потребление, прочность, малые вес и размеры.

Кремниевый транзистор типа n-p-n, у которого база свободна, а выводы эмиттера и коллектора используются как электроды диода, может также в лавинном режиме, при этом получается достаточно равномерный шум в диапазоне от нескольких килогерц до сотен мегагерц.

Трохотронный источник шума. Электровакуумные коммутационные приборы являются хорошими источниками шума. Это их свойство объясняется возникновением в электронном пучке хаотических колебаний плотности тока.

В режиме генерирования шумов электронный пучок устанавливается таким образом, чтобы он попадал только на одну из пластин. Если пучок раздваивается и попадает одновременно на две пластины, то можно получить заметно большой уровень шума, спектральная плотность мощности которого почти постоянна в диапазоне от нескольких герц до 3 ГГц.

Схемы построения генераторов шума

Генератор белого шума

Самым простым методом получения белого шума является использование шумящих электронных элементов (ламп, транзисторов, различных диодов) с усилением напряжения шума [4].

Источником шума является полупроводниковый диод - стабилитрон VD1 типа КС168, работающий в режиме лавинного пробоя при очень малом токе. Сила тока через стабилитрон VD1 составляет всего лишь около 100 мкА. Шум, как полезный сигнал, снимается с катода стабилитрона VD1 и через конденсатор С1 поступает на инвертирую щий вход операционного усилителя DA1 типа КР140УД1208. На не инвертирующий вход этого усилителя поступает напряжение смещения, равное половине напряжения питания с делителя напряжения выполненного на резисторах R2 и R3. Режим работы микросхемы определяется резистором R5, а коэффициент усиления - резистором R4. С нагрузки усилителя, переменного резистора R6 , усиленное напряжение шума поступает на усилитель мощности, выполненный на микросхеме DA2 типа К174ХА10. С выхода усилителя шумовой сигнал через конденсатор С4 поступает на малогабаритный широкополосный громкоговоритель В1. Уровень шума регулируется резистором R6.

Стабилитрон VD1 генерирует шум в широком диапазоне частот от единиц герц до десятков мегагерц. Однако на практике он ограничен АЧХ усилителя и громкоговорителя. Стабилитрон VD1 подбирается по максимальному уровню шума, так как стабилитроны представляют собой некалиброванный источник шума. Он может быть любым с напряжением стабилизации менее напряжения питания.

Для получения калиброванного по уровню шума генератора используют специальные шумящие вакуумные диоды. Спектральная плотность мощности генерируемого шума пропорциональна анодному току диода. Широкое распространение получили шумовые диоды двух типов 2ДЗБ и 2Д2С. Первый генерирует шума полосе до 30 МГц, а второй - до 600 МГц. Принципиальная схема генератора шума на шумящих вакуумных диодах приведена на рис.

Резистор R1 типа МЛТ-0,25. Резистор R2 проволочный, он используется совместно с диодом 2ДЗБ.

Цифровой генератор шума

Цифровой шум представляет собой временной случайный процесс, близкий по своим свойствам к процессу физических шумов и называется поэтому псевдослучайным процессом. Цифровая последовательность двоичных символов в цифровых генераторах шума называется псевдослучайной последовательностью, представляющей собой последовательность прямоугольных импульсов псевдослучайной длительности с псевдослучайными интервалами между ними. Период повторения всей последовательности значительно превышает наибольший интервал между импульсами. Наиболее часто применяются последовательности максимальной длины - М-последовательности, которые формируются при помощи регистров сдвига и сумматоров по модулю 2, использующихся для получения сигнала обратной связи.

Принципиальная схема генератора шума с равномерной спектральной плотностью в рабочем диапазоне частот.

Этот генератор шума содержит последовательный восьмиразрядный регистр сдвига, выполненный на микросхеме К561ИР2, сумматор по модулю 2 (DD2.1), тактовый генератор (DD2.3, DD2.4) и цепь запуска (DD2.2), выполненные на микросхеме К561ЛП2.

Тактовый генератор выполнен на элементах DD2.3 и DD2.4 по схеме мультивибратора. С выхода генератора последовательность прямоугольных импульсов с частотой следования около 100 кГц поступает на входы "С" регистров сдвига DD1.1 и DD1.2, образующих 8-разpядный pегистpа сдвига. Запись инфоpмации в pегистpа пpоисходит по входам "D". На вход "D" pегистpа DD1.1 сигнал поступает с элементa обратной связи сумматора по модулю 2 - DD2.1. При включении питания возможно состояние регистров, когда на всех выходах присутствуют низкие уровни. Так как в регистрах М-последовательности запрещено появление нулевой комбинации, то в схему введена цепь запуска генератора, выполненная на элементе DD2.2. При включении питания последний формирует на своем выходе уровень логической единицы, который выводит регистр из нулевого состояния. На дальнейшую работу генератора цепь запуска не оказывает никакого влияния. Сформированный псевдослучайный сигнал снимается с 8-го разряда регистра сдвига и поступает для дальнейшего усиления и излучения. Напряжение источника питания может быть от 3 до 15 В.

Изменением тактовой частоты можно регулировать диапазон частот шума и интервал между спектральными составляющими для заданной неравномерности спектра.

Генераторы шума промышленного производства и их характеристики приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2.

ГШ промышленного производства

Статья опубликована на сайте: 23.03.2004