Система регистрации непреднамеренных электромагнитных излучений в ближнем поле электронных устройств Российский патент 2024 года по МПК G01R29/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой сканирующую систему, осуществляющую регистрацию, обнаружение и идентификацию источников непреднамеренных электромагнитных излучений в ближнем поле электронных устройств.

Уровень техники

Построение сканирующих регистраторов непреднамеренных электромагнитных излучений (ЭМИ) электронных устройств в ближнем поле с высоким уровнем чувствительности и одновременно высоким уровнем селективности излучений, обладающих низким уровнем мощности и заданными характеристиками регистрируемых радиосигналов, представляет собой сложную техническую проблему. Такие задачи возникают при разработке электронной аппаратуры на многослойных печатных платах, предназначенных в том числе для высокоскоростной передачи данных между отдельными блоками и/или разъёмами печатных плат для обеспечения целостности сигналов, контроля уровня перекрёстных искажений и обеспечения электромагнитной совместимости внутри печатной платы и между отдельными блоками электронной аппаратуры. Определяющим свойством регистрируемых радиосигналов является циклостационарность, проявляющаяся в периодичности корреляционных характеристик первого и второго порядка, что позволяет обеспечить высокую селективность обнаруживаемых случайных сигналов на фоне стационарных шумов и радиоизлучений с отличающимися корреляционными характеристиками.

Известным способом селекции радиосигналов является использование согласованных фильтров для обнаружения сигнала с заданными характеристиками во временной и частотной областях на фоне стационарного белого шума (Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Дрофа, 2006. С. 564-574). Согласованный фильтр является линейным устройством, частотная характеристика которого является комплексно-сопряжённой со спектральной плотностью обнаруживаемого сигнала, а импульсная характеристика согласованного фильтра является инвертированной по времени к форме обнаруживаемого радиосигнала. Основным недостатком согласованного фильтра при регистрации непреднамеренных ЭМИ является случайный характер регистрируемых сигналов, что не позволяет воспользоваться известной теорией формирования согласованного фильтра, основным условием которой является детерминированность формы обнаруживаемых сигналов на фоне шума.

Одним из известных способов селекции полезных случайных сигналов на фоне мешающих шумовых случайных сигналов является использование Винеровской фильтрации (Kay S.M. Fundamentals Of Statistical Signal Processing, V.1 Detection Theory. Pearson Education, 1993. P. 400-409, fig. 12.7). Частотная характеристика фильтра Винера по мощности формируется исходя из заданных известных зависимостей спектральных плотностей мощности полезного и мешающего случайных процессов, что позволяет повысить качество предсказания цифровых отсчётов полезного сигнала на основе использования зарегистрированных отсчётов сигнала на входе фильтра Винера. Недостатком такого подхода при обнаружении и регистрации непреднамеренных ЭМИ является нестационарный характер регистрируемого случайного процесса, что не позволяет определить частотные характеристики, формирующие передаточную функцию Винеровского фильтра.

Ещё одним способом уменьшения влияния мешающих случайных сигналов на регистрацию и обнаружение непреднамеренных излучений является использование циклостационарных свойств случайных процессов для определения характеристик сигналов в системах передачи информации. Для таких сигналов используется кодирование передаваемой информации при формировании сигнала в линии связи, а также тактирование передаваемых сигналов, используемых для передачи логических символов, составляющих передаваемые информационные сообщения. Поскольку циклостационарные свойства таких случайных сигналов проявляются в периодичности автокорреляционных функций и результатов циклического усреднения по времени, они могут использоваться для обнаружения и идентификации параметров информационных сигналов на фоне стационарных шумов и циклостационарных сигналов с другими значениями периодов повторения корреляционных характеристик (Cyclostationarity in communications and signal processing. Ed. by Gardner W.А., IEEE, 1994. P. 39-46, fig. 8, 9). Основная проблема при формировании циклостационарных характеристик регистрируемых непреднамеренных ЭМИ в ближнем поле заключается в реализации синхронного циклического усреднения, для которого требуется наличие опорного колебания, синхронного с обнаруживаемым информационным сигналом. Поскольку опорное колебание недоступно в процессе сканирования ближнего поля, практическая реализация циклического усреднения возможна только при наличии априорной информации о циклической частоте обнаруживаемого случайного сигнала, что существенно ограничивает возможности сканирующих регистраторов непреднамеренных электромагнитных излучений ближнего поля электронных устройств.

Известно бесконтактное устройство для непрерывного контроля входного импеданса в каждой точке печатной платы (CN 110531161). Недостатком данного устройства является использование одиночного пробника и регистрация узкополосных гармонических колебаний с неизвестной амплитудой и начальной фазой, что не позволяет проводить обнаружение и измерение параметров широкополосных случайных сигналов.

Также известен сканер ближнего электрического поля для двухсторонних и многослойных печатных плат (RU 2604113), в котором реализовано трёхмерное позиционирование одиночного пробника для измерения интенсивности ЭМИ источников, находящихся в области сканирования для решения задач электромагнитной совместимости двухсторонних и многослойных печатных плат. Недостатком такого решения является наличие одиночного пробника, что не позволяет анализировать пространственные корреляционные характеристики распределённых по поверхности печатной платы источников случайных радиосигналов.

Из известных устройств наиболее близким является «3-координатный сканер для регистрации электромагнитных излучений в ближнего поля печатных плат FLS 106 PCB set» компании Langer EMV-Technik (https://www.langer-emv.de/en/product/langer-scanner/41/fls-106-pcb-set-pcb-scanner-3-axis-positioning-system/44), выбранный в качестве прототипа. Он позволяет проводить трехмерное сканирование ближнего поля с подбором высоты расположения пробника над поверхностью печатной платы, что достигается наличием блока управления положением пробника. В качестве регистратора радиосигналов с выходов пробников используется анализатор спектра. В устройстве сканирующего регистратора отсутствует канал синхронизации, что не позволяет реализовать синхронное циклическое усреднение, для которого требуется наличие опорного колебания, синхронного с обнаруживаемым информационным сигналом.

Недостатком прототипа является отсутствие возможности реализации циклического усреднения измеряемых случайных радиосигналов, что не позволяет проводить обнаружение и идентификацию параметров информационных сигналов на фоне стационарных шумов и циклостационарных сигналов с другими значениями периодов повторения корреляционных характеристик, которые могут излучаться параллельно функционирующими линиями передачи информации исследуемой печатной платы.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей изобретения является усовершенствование системы регистрации непреднамеренных ЭМИ электронных устройств в ближнем поле с целью повышения чувствительности и обеспечения высокого уровня селективности случайных информационных сигналов, обладающих низким уровнем мощности, при расширении функциональных возможностей регистратора за счёт обнаружения и идентификации параметров корреляционных характеристик циклостационарных случайных сигналов.

Блок-схема предлагаемого решения изображена на фиг. 1.

Технический результат заключается в повышении чувствительности и обеспечении высокого уровня селективности случайных информационных сигналов при осуществлении измерений с использованием сканирующего регистратора ближнего электромагнитного поля для контроля уровня перекрёстных искажений и обеспечения электромагнитной совместимости внутри печатной платы и между отдельными блоками электронной аппаратуры. Сущность технического решения состоит в том, что в известный сканирующий регистратор ЭМИ электронных устройств в ближнем поле, содержащий сканирующий пробник 3, систему позиционирования пробника 1, устройство управления системой позиционирования 2 и анализатор спектра дополнительно введены опорный пробник электромагнитного поля 4, многоканальный цифровой осциллограф 5, автоматизированное рабочее место для обработки зарегистрированных сигналов и отображения полученных результатов 6, где выходы сканирующего и опорного пробников соединены с отдельными входами цифрового многоканального анализатора сигналов.

Краткое описание чертежей (если они содержатся в заявке)

Фиг. 1 изображает блок-схему предлагаемого решения. На ней использованы следующие обозначения:

1 - система позиционирования пробника (СПП)

2 - устройство управления позиционером (УУП)

3 - сканирующий пробник (СП)

4 - опорный пробник (ОП)

5 - многоканальный цифровой осциллограф (МЦО)

6 - автоматизированное рабочее место (АРМ)

Фиг. 2 изображает схему осуществления сканирования в ближнем поле. Сокращения отсутствуют, пояснения содержатся в разделе «Осуществление изобретения».

Осуществление изобретения

Предлагаемая система работает следующим образом. Сигнал с выхода опорного пробника электромагнитного поля 4, предварительно установленного в пространственной позиции, в которой наблюдается максимальная мощность источника излучения, определяющего заданную циклическую частоту регистрируемого информационного сигнала, подаётся на вход 2 многоканального цифрового осциллографа 5. Сигнал опорного пробника используется в качестве сигнала синхронизации, необходимого для проведения циклостационарного усреднения случайного информационного сигнала в каждой позиции сканирующего пробника 3, поступающего на вход 1 многоканального цифрового осциллографа 5. Устройство управления позиционером 2 осуществляет перемещение сканирующего пробника 3 по заранее сформированной траектории с помощью системы позиционирования пробника 1. Сигналы двух пробников, зарегистрированные одновременно, передаются на автоматизированное рабочее место 6 для дальнейшей обработки и вывода результатов идентификации источников непреднамеренных ЭМИ.

Схема осуществления сканирования в ближнем поле изображена на фиг. 2.

Сканирование ближнего поля осуществляется последовательным перемещением пробника по узлам сетки сканирования. Высота расположения пробника над поверхностью исследуемого устройства h должна быть выбрана в соответствии с конфигурацией объекта исследования и расположением на его поверхности навесных элементов. Размер шага сканирования пробника выбирается таким образом, чтобы полностью использовать пространственное разрешение при минимальном количестве точек измерения. Размер шага сканирования выбирается соизмеримым с наименьшим размером пробника.

Дискретный сигнал, регистрируемый осциллографом на выходе пробника магнитного поля в каждой позиции прямоугольной сетки над поверхностью печатной платы, можно записать следующим образом:

где - отсчеты измеренного сигнала в l-й точке сканирования, - дельта-функция Кронекера, I - число измеренных отсчетов, L - число точек сканирования над поверхностью исследуемого устройства.

В виду случайности последовательности данных в исследуемом устройстве, измеренные случайные сигналы можно рассматривать как реализации циклостационарных дискретных по времени случайных процессов с циклической частотой , равной скорости передачи данных. Для измеренного сигнала в l-й точке сканирования оценка периодической автокорреляционной функции определяется путем циклического усреднения:

где - целое число отсчетов на бит, - период дискретизации, - доступное для циклического усреднения целое число периодов.

Для различения характеристик электромагнитных излучений для тактовых и периодических сигналов, не несущих информацию о передаваемых данных, при обработке измеренных сигналов требуется учитывать оценку периодической функции математического ожидания циклостационарного случайного процесса. Оценка периодической функции математического ожидания измеренного сигнала определяется с помощью процедуры циклического усреднения:

Соответствующее циклическое вычитание периодической функции математического ожидания из измеренного сигнала дает сигнал . Эта операция позволяет выявить скрытую циклостационарность случайного процесса, соответствующую излучению исследуемого устройства при передаче информационного сигнала. Двумерная автоковариационная функция оценивается для каждой точки сканирования следующим образом:

Полученные временные характеристики позволяют разложить мощность измеренных электромагнитных излучений на мощность периодической компоненты с периодом и мощность непериодической компоненты излучения циклостационарного информационного сигнала.

Выбор положения ОП осуществляется в соответствии с найденным максимумом отношения мощности циклостационарного сигнала к мощности стационарных шумов и помех. Для заданной циклической частоты точка положения ОП выбирается по следующему правилу:

где

- среднее значение за циклический период функции дисперсии циклостационарного излучения. Среднее значение включает в себя оценку мощности стационарных шумов наблюдения и помех с периодами циклостационарности, не кратными .

Для повышения уровня селекции циклостационарного сигнала с периодом кратным и повышения чувствительности системы сканирования в ближнем поле результаты сканирования с использованием двух пробников для каждой точки сканирования используются для определения взаимной корреляционной функции синхронно измеренных сигналов в точке расположения ОП и в l-й точке сканирования

Двумерная взаимно-ковариационная функция оценивается следующим образом:

Высокий уровень селекции циклостационарного сигнала с периодом кратным при использовании предложенной схемы сканирования достигается автоматическим формированием опорного сигнала для циклической взаимной корреляции измеренных сигналов. Характеристикой мощности циклостационарного сигнала является его двумерная корреляционная функция, требующая синхронного усреднения. Способ формирования опорного сигнала одновременного с сигналом, измеренным сканирующим пробником, позволяет выполнить синхронное циклическое усреднение для получения оценки двумерной взаимно-ковариационной функции, позволяющей обнаруживать области распределения излучения циклостационарного сигнала над поверхностью печатной платы ниже собственных шумов системы измерения.

Источник информации

1. Сборник действующих договоров, соглашений и конвенций, заключенных СССР с иностранными государствами. Вып. XXXI. - M., 1977. С. 106-115. СССР присоединился к данному документу 30 сентября 1975 г. Дата вступления в силу для Российской Федерации - 3 октября 1976 г.

Использование: для регистрации непреднамеренных электромагнитных излучений электронных устройств в ближнем поле. Сущность изобретения заключается в том, что система регистрации непреднамеренных электромагнитных излучений электронных устройств в ближнем поле включает в себя сканирующий пробник, позиционирующую систему управления пробником, измерительный прибор и персональный компьютер, при этом в нее дополнительно введен опорный пробник электромагнитного поля и в качестве измерительного прибора введён многоканальный цифровой осциллограф для синхронной регистрации сигналов двух пробников, а также посредством компьютера реализована процедура обнаружения и идентификации источников непреднамеренных электромагнитных излучений электронных устройств с использованием алгоритмов циклостационарного усреднения. Технический результат: обеспечение возможности отбора случайных информационных сигналов с высокой степенью чувствительности. 2 ил.

Система регистрации непреднамеренных электромагнитных излучений электронных устройств в ближнем поле, включающая в себя сканирующий пробник, позиционирующую систему управления пробником, измерительный прибор и персональный компьютер, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен опорный пробник электромагнитного поля и в качестве измерительного прибора введён многоканальный цифровой осциллограф для синхронной регистрации сигналов двух пробников, а также реализована процедура обнаружения и идентификации источников непреднамеренных электромагнитных излучений электронных устройств с использованием алгоритмов циклостационарного усреднения.