ГЕНЕРАТОР ШУМОВЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2014 года по МПК H03B29/00 H04K1/04 

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано для защиты информации средств вычислительной техники (СВТ), автоматизированных рабочих мест (АРМ), проводных линий связи от утечки информации в результате побочных электромагнитных излучений и наводок (ПЭМИН).

Эффективным способом предотвращения утечки информации из СВТ и АРМ является активная радиотехническая маскировка побочных электромагнитных излучений с помощью генераторов шумовых сигналов (ГШС).

Важнейшими требованиями, предъявляемыми к генераторам шумовых сигналов, являются:

широкополосность спектра выходного сигнала, диктуемая широкополосностью побочных электромагнитных излучений;

равномерность спектральной плотности мощности шумового сигнала;

устойчивость режима генерации шума;

наличие контроля работоспособности;

высокий кпд;

малые габариты и масса.

Из существующего уровня техники известен генератор шумовых сигналов, содержащий установленные в корпусе-экране первый и второй взаимосвязанные автогенераторы с первой, второй и третьей несимметричными полосковыми линиями. Каждый из автогенераторов выполнен на двух транзисторах по двухтактной схеме с общим эмиттером, первая, вторая и третья несимметричные полосковые линии выполнены в виде трехзаходной спирали Архимеда, базы первых транзисторов первого и второго автогенераторов и базы вторых транзисторов первого и второго автогенераторов соединены попарно и подключены к начальному участку первой несимметричной полосковой линии, соединённому с первым выходом первого резистора, второй вывод которого соединен с корпусом. Коллекторы транзисторов первого и второго автогенераторов подключены к начальным участкам соответственно второй и третьей несимметричных полосковых линий, концы второй и третьей несимметричных полосковых линий соединены и через второй резистор подключены к положительному вводу источника питания, соединённому через третий резистор с концом первой несимметричной полосковой линии, первый конденсатор включён между второй и третьей несимметричными полосковыми линиями, второй и третий конденсаторы включены между первой и третьей несимметричными полосковыми линиями, а выходом генератора может служить любая точка второй и третьей несимметричных полосковых линий. (Патент RU 2097906, Н03В 29/00, опубл. 27.11.97, Бюл. № 33).

Недостатки данного технического решения

Сравнительно узкий спектр выходного сигнала, ограниченный как с низкочастотной, так и с высокочастотной области спектра,

Относительно невысокая равномерность спектральной плотности мощности шумового сигнала.

Из существующего уровня техники известно устройство радиомаскировки, содержащее генератор шума и активный антенный контур, в котором генератор шума выполнен в виде системы двух генераторов, связанных между собой элементом связи, причем первый генератор содержит нелинейный усилитель с инерционным автосмещением, линию задержки, выход и вход нелинейного усилителя соединены между собой линией задержки, второй генератор содержит нелинейный усилитель, регулируемую линию задержки, вход и выход нелинейного усилителя соединены между собой регулируемой линией задержки, выход первого генератора соединен с входом второго генератора с помощью емкостного элемента связи, а активный антенный контур выполнен в виде излучающей антенны типа магнитный диполь, один конец которого соединен с выходом второго генератора, а другой - с общей шиной. Устройство радиомаскировки имеет источник низкочастотного шума, выход которого соединён с входом первого генератора. (Патент RU 2170493 Н04К 3/00, опубл. 10.07.2001 г.).

Недостатки данного технического решения

Сравнительно узкий спектр выходного шумового сигнала, ограниченный как с низкочастотной, так и с высокочастотной области спектра,

Относительно невысокая равномерность спектральной плотности мощности шумового сигнала.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является генератор шумового сигнала (ГШС) аналогичного назначения, способный частично решать поставленную в заявке задачу, принятый за прототип.

ГШС содержит контакты для подключения источника питания и расположенные в радиоэкранируемом корпусе, первый и второй автогенераторы, первый и второй переменные резисторы и первый, второй, третий и четвертый конденсаторы, причем каждый из автогенераторов выполнен на двух транзисторах по схеме с общим эмиттером, а базы первых транзисторов первого и второго автогенераторов и базы вторых транзисторов первого и второго автогенераторов соединены, первый постоянный резистор, включенный в цепь ограничения тока баз транзисторов, а в цепь регулировки уровня генерируемого шумового сигнала в качестве разделительного конденсатора включен первый конденсатор, с последовательно соединенным с ним первым переменным резистором, второй конденсатор включен в качестве блокировочного конденсатора между положительной и отрицательной клеммами источника питания, полупроводниковый диод и третий и четвертый переменные резисторы, при этом катод полупроводникового диода подсоединен к базам транзисторов и через последовательно соединенные второй переменный резистор и первый постоянный резистор - к положительной клемме источника питания, а анод - к корпусу, третий и четвертый переменные резисторы совместно с присоединенным к ним вторым постоянным резистором включены в качестве резисторов ограничения и установки коллекторных токов транзисторов первого и второго автогенераторов, а третий и четвертый конденсаторы включены в качестве конденсаторов обратной связи между соответствующими базами и коллекторами транзисторов автогенераторов. (Патент RU 2421917, Н04К 1/04, Н03В 29/00, опубл. 20.06.2011. Бюл. № 17).

Недостатками известного ГШС являются сравнительно узкий спектр выходного шумового сигнала, невысокая равномерность спектральной плотности мощности шумового сигнала, отсутствие контроля работоспособности ГШС.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение спектра выходного шумового сигнала как в низкочастотную, так и в высокочастотную область спектра, выравнивание спектральной плотности мощности шумового сигнала, возможность регулировки по уровню шумового сигнала.

1. Данная задача решается за счёт того, что заявленный генератор шумовых сигналов содержит печатную плату с контактами для подключения источника питания, содержащую первый и второй автогенераторы, третий и шестой переменные резисторы, четвертый, пятый и седьмой конденсаторы, причем каждый из автогенераторов выполнен на двух транзисторах по схеме с общим эмиттером, а базы первых транзисторов первого и второго автогенераторов и базы вторых транзисторов первого и второго автогенераторов соединены, второй постоянный резистор и третий переменный резистор, включенный в цепь ограничения тока баз транзисторов, четвёртый постоянный резистор включён в цепь ограничения токов коллекторов транзисторов, а в цепи регулировки уровня генерируемого шумового сигнала в качестве разделительного конденсатор включен седьмой конденсатор с последовательно соединенным с ним шестым переменным резистором, полупроводниковый диод подсоединен к базам транзисторов и через последовательно соединенные ограничительные резисторы- к положительной клемме источника питания, а анод диода - к корпусу, отличающийся тем, что в цепь питания генератора шумовых сигналов установлена катушка индуктивности с распределёнными параметрами, присоединённая к контакту 3 ГШС и ограничительному резистору R4, резисторам Rl, R2, контакту питания усилителя 1 и конденсатору С1.

Генератор шумовых сигналов может содержать лавинно-пролётный диод, конденсаторы С2 и СЗ, усилитель I, переменные резисторы R1 и R7, при этом образуют схему дополнительного формирования низкочастотных шумовых сигналов. Генератор шумовых сигналов может содержать индуктивности L2 и L3, конденсатор С6, переменный резистор R5, контакты выхода 1 и выхода 2, при этом генератор шумовых сигналов может иметь регулируемые выходы сигналов, контакты 5 и 6.

Генератор шумовых сигналов может быть выполнен на печатной плате в двух вариантах исполнениях, для установки в свободный слот шины PCI, для установки в корпус, устанавливаемый на кабель DVI.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведённой совокупностью признаков ГШС, является расширение спектра выходного шумового сигнала в область низких и высоких частот от 0,5 кГц до 2700 МГц, повышение равномерности спектральной плотности мощности шумового сигнала, возможность регулировки уровней шумовых сигналов.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1- принципиальная электрическая схема генератора шумовых сигналов.

Генератор шумовых сигналов (фиг. 1) содержит контакты источника питания 3, 4 и расположенные на печатной плате первый и второй автогенераторы, выполненные на транзисторах VT1, VT2, VT3 и VT4, первый, третий, пятый, шестой и седьмой переменные резисторы и первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой конденсаторы, причем каждый из автогенераторов выполнен на двух транзисторах по схеме с общим эмиттером, а базы первых транзисторов первого и второго автогенераторов и базы вторых транзисторов первого и второго автогенераторов соединены, первый переменный резистор установлен в цепь регулировки тока лавинно-пролетного шумового диода, второй постоянный резистор и третий переменный резисторы включены в цепь ограничения тока баз транзисторов, ГШС имеет два выхода - выход 1 (контакт 5) и выход 2 (контакт 6). Четвёртый постоянный резистор установлен в цепь питания автогенераторов и предназначен для ограничения коллекторных токов транзисторов автогенераторов. Пятый и шестой переменные резисторы являются нагрузками автогенераторов и предназначены для регулировки выходного сигнала по выходам 1 и 2. Седьмой переменный резистор предназначен для регулировки уровня низкочастотного шумового сигнала. Первый конденсатор, установлен в цепь питания генератора и предназначен для блокирования высокочастотных сигналов в цепи питания, второй и третий конденсаторы являются разделительными в цепи низкочастотного шумового сигнала. Четвертый и пятый конденсаторы включены в качестве конденсаторов обратной связи между соответствующими базами и коллекторами транзисторов автогенераторов. ГШС выполнен на печатной плате 14.

В цепь регулировки уровня генерируемого шумового сигнала в качестве разделительных конденсаторов включены шестой и седьмой конденсаторы с последовательно соединенным с ними пятым и шестым переменными резисторами. ГШС содержит катушку индуктивности 2 (L1) с распределёнными параметрами, присоединённую к контакту 3 ГШС и ограничительному резистору R4, резисторам R1,R2, контакту питания усилителя 1 и конденсатору С1. Две катушки индуктивности L2 и L3, при этом индуктивность L2 присоединена к коллекторам транзисторов первого автогенератора, а индуктивность L3 присоединена к коллекторам транзисторов второго автогенератора и ограничительному резистору R4, катод полупроводникового диода подсоединен к базам транзисторов и через последовательно соединенные третий переменный резистор и второй постоянный резистор к резистору R4, конденсатору С1 и индуктивности 2 (L1). Лавинно-пролетный шумовой диод VD1 формирует низкочастотный шумовой сигнал, который усиливается усилителем 1 и через регулируемый переменный резистор R7 и разделительный конденсатор СЗ поступает на базы транзисторов автогенераторов. Полупроводниковый диод VD2 установлен в цепи баз транзисторов автогенераторов в качестве нелинейного элемента.

В основе работы ГШС лежит принцип генерации высокочастотных колебаний, повторяющихся с низкой частотой шумового сигнала. Первопричиной стохастического поведения системы является естественные флуктуации начальных условий возникновения высокочастотных колебаний, амплитуда которых за счет эффекта сверхрегенеративного усиления получает значительное приращение, но не достигает стационарного значения, определяемого нелинейностью активных элементов, так как электропитание от источника питания поступает через ограничивающий резистор R4, общий для обоих автогенераторов, и ограничивает ток активных элементов. С насыщением активных элементов и зарядом конденсаторов С4, С5 обратной связи имеет место резкое уменьшение тока через эти элементы, после чего, благодаря глубокой положительной обратной связи, происходит разряд конденсаторов и возбуждение колебательных процессов. Благодаря подключению полупроводникового диода VD2, имеющего нелинейную характеристику и шумовые свойства р-n перехода, к цепям баз транзисторов, режим работы автогенераторов характеризуется хаотическим изменением частот и фаз автогенераторов, что и приводит к расширению спектра выходного сигнала. Расширение спектра в область низких частот происходит воздействием низкочастотного шумового сигнала на базы транзисторов автогенераторов и использование катушки индуктивности с распределёнными параметрами.

Инструментальные измерения проведены анализатором спектра серии PSA E 4440A, (от 3 Гц до 26,5 ГГц) компании Agilent Technologies с использованием измерительной антенны АИ5-0.

Указанные технические решения позволили расширить спектр шумового сигнала в область низких частот и, таким образом, обеспечить защиту информации технических средств, имеющих низкочастотные побочные электромагнитные излучения, к которым относятся клавиатура, принтер, сканер и другие средства.

В качестве излучающего низкочастотного элемента используется катушка индуктивности с распределёнными параметрами, которая позволяет формировать низкочастотную часть магнитной составляющей электромагнитного поля шумового сигнала.

Таким образом, ГШС (фиг.1) выполнен на четырёх транзисторах с общим эмиттером, причём базы транзисторов объединены и присоединены к аноду полупроводникового диода и резистору установки базовых токов транзисторов. Коллекторы транзисторов присоединены к конденсаторам обратной связи, разделительным конденсаторам С6 и С7 и через катушки индуктивности L1 и L2 присоединены к резистору ограничения коллекторных токов R4. Разделительные конденсаторы С6 и С7 присоединены к переменным резисторам нагрузки R5 и R6, вторые выводы резисторов соединены с общим проводом, а средние выводы резисторов являются выходами ГШС. Резистор ограничения коллекторного тока R4 и резистор задачи базовых токов R2 присоединены через катушку индуктивности с распределёнными параметрами, которая является низкочастотным излучающим элементом, к второму выводу катушки индуктивности присоединяется плюс источника питания.

Генератор шумовых сигналов реализуется следующим образом.

Лавинно-пролетный шумовой диод VD1 (фиг.1) формирует низкочастотный шумовой сигнал, который усиливается усилителем 1 и через регулируемый переменный резистор R7 и разделительный конденсатор СЗ поступает на базы транзисторов автогенераторов. Суммирование и усиление низкочастотного шумового сигнала и широкополосного сигнала автогенераторов осуществляется за счёт усилительных свойств транзисторов автогенераторов. Через разделительные конденсаторы С6 и С7 и переменные резисторы R5 и R6 шумовой сигнал поступает на выход 1 и выход 2 ГШС.

Опытные образцы генераторов шумовых сигналов были выполнены в двух конструктивных вариантах: для установки в свободный слот шины PCI и устанавливаемый на кабель DVI.

Оба варианта исполнения дали положительный результат - при проведении измерений информативный сигнал на расстоянии от 0,2 до 1 м от АРМ обнаружить не удалось.

Опытные образцы были исполнены на печатной плате из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм с использованием SMD элементов. Печатная плата размещена в цилиндрическом пластмассовом корпусе диаметром 32 мм и длиной 70 мм. Печатная плата второго варианта выполнена для установки в свободный слот PCI шины системного блока АРМ.

Испытания опытных образцов генераторов шумовых сигналов и устройств защиты информации на его основе подтверждают, что предлагаемое устройство обеспечивает перекрытие по диапазону частот от 0,5 кГц до 2700 МГц с регулируемым уровнем шумового сигнала от 10 до 75 дБ.

Таким образом достигается поставленный технический результат.

Промышленная осуществимость изобретений вытекает из описания генератора шумовых сигналов в статике и динамике и подтверждается фактом изготовления и успешного испытания опытных образцов с достижением указанного технического результата.

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано для защиты информации средств вычислительной техники, автоматизированных рабочих мест, проводных линий связи от утечки информации в результате побочных электромагнитных излучений и наводок. Техническим результатом является расширение спектра выходного шумового сигнала в область низких и высоких частот, повышение равномерности спектральной плотности мощности шумового сигнала, возможность регулировки уровней шумовых сигналов. Генератор шумовых сигналов (ГШС) имеет два выхода, регулируемых по уровню сигнала. В качестве формирователя дополнительного шумового сигнала используют лавинно-пролетный шумовой диод с усилителем и переменным резистором регулировки уровня дополнительного шумового сигнала, а в качестве излучающего низкочастотного элемента используют катушку индуктивности с распределенными параметрами, которая позволяет формировать низкочастотную часть магнитной составляющей электромагнитного поля шумового сигнала. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Генератор шумовых сигналов (ГШС), содержащий контакты для подключения источника питания, печатную плату, содержащую первый и второй автогенераторы, третий и шестой переменные резисторы, четвертый, пятый и седьмой конденсаторы, причем каждый из автогенераторов выполнен на двух транзисторах по схеме с общим эмиттером, а базы первых транзисторов первого и второго автогенераторов и базы вторых транзисторов первого и второго автогенераторов соединены, второй постоянный резистор и третий переменный резистор, включенный в цепь ограничения тока баз транзисторов, четвертый постоянный резистор включен в цепь ограничения токов коллекторов транзисторов, а в цепи регулировки уровня генерируемого шумового сигнала в качестве разделительного включен седьмой конденсатор с последовательно соединенным с ним шестым переменным резистором, полупроводниковый диод подсоединен к базам транзисторов и через последовательно соединенные ограничительные резисторы к положительной клемме источника питания, а анод диода - к корпусу, отличающийся тем, что в цепь питания генератора шумовых сигналов установлена катушка индуктивности с распределенными параметрами, присоединенная к контакту 3 ГШС и ограничительному резистору R4, резисторам R1, R2, контакту питания усилителя 1 и конденсатору С1.

2. Генератор шумовых сигналов по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит лавинно-пролетный шумовой диод, конденсаторы C2 и C3, усилитель 1, переменные резисторы R1 и R7, при этом образуют схему дополнительного формирования низкочастотных шумовых сигналов.

3. Генератор шумовых сигналов по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит индуктивности L2 и L3, конденсатор C6, переменный резистор R5, контакты выхода 1 и выхода 2, при этом генератор шумовых сигналов может иметь регулируемые выходы сигналов, контакты 5 и 6.

4. Генератор шумовых сигналов по п.1 может быть выполнен на печатной плате в двух вариантах исполнениях для установки в свободный слот шины PCI и для установки в корпус, устанавливаемый на кабель DVI.