Características de la elección de un instrumento de medición para software y hardware automatizados sistemas de investigación PEMIN..
KONDRATIEV Andrey Valeryanovich,
NAGORNY Sergey Ivanovich,
DONTSOV Vadim Vladimirovich, candidato de ciencias técnicas, investigador principal
LOBASHEV Alexey Konstantinovich, candidato de ciencias técnicas, profesor asociado
Características de la elección de un instrumento de medición para complejos de investigación automatizados de software y hardware PEMIN
Las cuestiones de soporte y certificación práctica de los objetos de tecnología de la información (IO) según los requisitos de seguridad de la información ocupan un lugar importante en materia de protección de los secretos de estado. Este tipo de trabajo está regulado por los documentos reglamentarios de la FSTEC (Comisión Técnica Estatal) de Rusia, que estipulan que toda la información operativa destinada a procesar información que constituya un secreto de estado, así como la realización de negociaciones secretas, debe estar sujeta a una certificación obligatoria según a los requisitos de seguridad de la información. Los documentos reglamentarios definen los detalles técnicos y de procedimiento de la certificación de objetos. Al mismo tiempo, el análisis de estos documentos muestra, por un lado, el volumen de cuestiones jurídicas y procesales que en ellos se exponen, y por otro, la compleja ejecución técnica de estudios y mediciones específicas que deben realizarse durante el proceso. proceso de certificación.
Para la implementación técnica de la certificación, es necesario tener un conocimiento perfecto de cuestiones teóricas y prácticas en diversos campos de la ciencia — acústica y vibroacústica, análisis espectral, dispositivos alimentadores de antenas, leyes de propagación de ondas de radio, normativas y directrices para la protección de equipos informáticos (CT), metrología, etc. Cuestiones no menos complejas son la adquisición y el uso adecuado de medios técnicos modernos, costosos y complejos, para la certificación. Uno de los problemas urgentes que se identificó en el proceso de uso de sistemas de medición complejos es el cumplimiento (o incumplimiento) de los criterios de calidad requeridos (cumplimiento de los requisitos declarados) y, en última instancia, — la corrección de los estudios especiales (SI). Cabe señalar que el uso de modernos sistemas automatizados de software y hardware (AHSC) a la hora de certificar OI es una prioridad. Se requiere especial cuidado y minuciosidad en la selección de productos únicos, costosos y técnicamente complejos como APAK, destinados a estudios especiales de SVT. Al mismo tiempo, la elección del instrumento de medición — es de gran importancia para el funcionamiento de APAC. un dispositivo de medición que determina en gran medida el costo y las propiedades del consumidor de APAC.
Desde el punto de vista de los autores, es aconsejable comenzar el estudio de este problema estudiando los estándares relevantes. Cabe señalar que actualmente están vigentes en la Federación de Rusia las siguientes normas básicas que regulan las actividades relacionadas con la investigación PEMIN:
- GOST 29339-92 «Protección de la información contra fugas debido a PEMIN cuando se procesa mediante tecnología informática»;
- GOST R50752-95 «Protección de información contra fugas debido a PEMIN cuando se procesa mediante tecnología informática»; de la tecnología informática. Metodología de prueba»;
- GOST R50543-93 «Estructuras portantes básicas de equipos informáticos. Requisitos para garantizar la protección de la información y la compatibilidad electromagnética mediante blindaje”;
- GOST R51319-99 “Compatibilidad electromagnética de equipos técnicos. Instrumentos para medir interferencias de radio industriales»;
- GOST R51320-99 «Compatibilidad electromagnética de equipos técnicos. Interferencia de radio industrial»;
- РМЭК 60950-2002 «Seguridad de los equipos de tecnología de la información»;
- РД 50-715-92 «Protección de la información contra fugas debido a PEMIN cuando se procesa por computadora tecnología» .
Teniendo en cuenta que algunos GOST contienen información relacionada con secretos de estado, se pueden esbozar enfoques generales para justificar la metodología para seleccionar un receptor de medición, desde el punto de vista de los autores, teniendo en cuenta el análisis de estándares internacionales, por ejemplo ANSI C 63.2. -1980 y similares (Karl-Otto Muller “Procedures for Granting Licenses for the Operanion of RF Devices, Radio and TV Receivers in Western Germany”, Rohde & Schwarz, Alemania, 1987), que determinan el procedimiento para medir PEMIN de computadora equipo.
De la consideración de los materiales presentados se desprende que la característica más crítica del equipo de medición utilizado para estudiar PEMIN SVT es la sensibilidad máxima del dispositivo dentro de los límites de medición especificados. La sensibilidad del dispositivo está más influenciada por el ruido intrínseco del dispositivo y de los dispositivos alimentadores de antena. La cantidad de ruido intrínseco del dispositivo está estandarizada y se indica en el pasaporte del dispositivo con una lista obligatoria de las configuraciones y parámetros en los que se realizaron las mediciones.
Por ruido propio se entiende habitualmente el ruido térmico, que caracteriza tanto a los receptores de radio como a los analizadores de espectro (Christoph Rausher “Fundamentals of Spectrum Analysis”, Rohde & Schwarz GmbH&Co. KG, Alemania, 2002). Si tenemos en cuenta un punto de vista estrictamente científico, el ruido térmico “según Nyquist”, es decir, el ruido de una resistencia de 50 ohmios, es varios órdenes de magnitud menor que el ruido del camino de medición referido a la entrada del receptor. Estos son el ruido de disparo, el ruido de clase 1/f, el ruido de parpadeo, el ruido de conversión y otras fuentes específicas de las estructuras semiconductoras activas. El resultado global de todos estos ruidos se puede considerar convencionalmente «blanco». Tenga en cuenta que el factor determinante es el ruido del preselector (si está presente) o el ruido de la primera etapa del mezclador (si no hay preselector). Debido a su propio ruido, la relación señal/ruido en la entrada del dispositivo disminuye. Por tanto, el ruido propio es una medida de la sensibilidad de un analizador de espectro. Permite sacar conclusiones sobre el nivel mínimo requerido de señal de entrada que el analizador puede detectar. El ruido propio del receptor de radio se puede tener en cuenta de varias maneras y normalmente se expresa en términos de figura de ruido o factor de ruido.
La figura de ruido adimensional F de un elemento de cuatro polos es el cociente de la relación señal/ruido dividido por el ruido en la entrada del cuadripolo y la relación señal/ruido en su salida.
F = (S1/N1)/(S2/N2), (1)
donde S1/N1 — relación señal-ruido en la entrada del circuito,
S2/N2 — la relación señal-ruido en la salida del circuito.
El factor de ruido (factor de ruido en decibeles) está determinado por la fórmula:
NF = 10 log F (2)
La figura de ruido general Ftot de los circuitos en cascada que se muestran en la Fig. 1, se define de la siguiente manera:
donde Fi — figura de ruido de escenario individual,
Gi — coeficiente de transmisión de la etapa individual.
Fig. 1. Conexión en cascada de circuitos ruidosos
Para circuitos pasivos con pérdidas, como cables o atenuadores ajustables, se cumple la siguiente relación:
F = 10a/10
y NF = a, (4)
donde F — figura de ruido del circuito,
NF — factor de ruido del circuito,
a — atenuación introducida por el circuito, dB.
La ecuación (3) muestra que el factor de ruido de la primera etapa está completamente incluido en el factor de ruido general del circuito en cascada. El atenuador está ubicado en la entrada del analizador de espectro y es una cascada pasiva, cuyo factor de ruido se puede calcular usando la expresión (4).
Por lo tanto, el factor de ruido general del analizador depende de la ajuste del atenuador. Un aumento de 10 dB en la atenuación, por ejemplo, da como resultado un aumento de 10 dB en el factor de ruido general. Por lo tanto, la sensibilidad máxima se logra cuando el atenuador se establece en 0 dB (Fig. 2).
La sensibilidad de los analizadores de espectro generalmente se caracteriza por el nivel de ruido promedio mostrado (ANL), un parámetro que se puede determinar directamente desde la pantalla del analizador de espectro.
El ruido generado por los circuitos de entrada de un receptor de radio es prácticamente ruido «blanco», lo que significa que no contiene ningún componente discreto. La probabilidad de que un valor de voltaje de ruido caiga dentro de un cierto rango de valores se puede determinar a partir de una distribución gaussiana, por lo que a menudo se utiliza la notación «ruido gaussiano».
El ruido mostrado corresponde al voltaje de ruido generado por el detector de envolvente. La potencia de ruido correspondiente se puede calcular integrando la densidad de ruido en el ancho de banda de ruido del receptor de radio, que es el ancho de banda de ruido de todas las etapas delante del detector. Para los analizadores de espectro, este ancho de banda está determinado por el ancho de banda de ruido del filtro IF. En consecuencia, el ruido mostrado depende de la configuración del ancho de banda de resolución.
Fig. 2. El analizador de espectro
indicó el nivel de ruido promedio en función de la atenuación de RF
Dado que la densidad espectral de potencia del ruido blanco es constante dentro de la banda de ruido, el nivel de ruido promedio indicado se puede calcular (si se conocen el factor de ruido del analizador y el ancho de banda de ruido del filtro IF) de la siguiente manera:
LISH = 10 registros (kTBsh.FC /10-3W) + NFAC — 2,5 dB, (5)
donde LISH — nivel de ruido medio indicado, dBm,
k — Constante de Boltzmann, k = 1,38×10-23 W/Hz,
T — temperatura ambiente en grados Kelvin,
Wsh.FC — Banda de ruido del filtro IF,
NFAC — factor de ruido del analizador de espectro, dB,
-2,5 dB — error al determinar el ruido mediante el detector de muestreo y al promediar los valores del nivel logarítmico.
Para una temperatura ambiente de 290 K, el nivel de ruido promedio indicado está determinado por la fórmula:
LISH = -174 dBm (1 Hz) + 10 log (Vf.IF /Hz) dB + NFAC — 2,5 dB. (6)
El valor -174 dBm (1 Hz) corresponde a la potencia de ruido térmico que actúa sobre la resistencia óhmica en la banda de 1 Hz a una temperatura media de 290 K. Este es el nivel de ruido propio o el nivel de ruido mínimo absoluto a una temperatura determinada. .
El detector de muestreo, comúnmente utilizado para mediciones de ruido con analizadores de espectro, determina la media aritmética del ruido. En el caso del ruido gaussiano, éste es 1,05 dB por debajo del valor RMS (potencia de ruido efectiva). Al promediar los resultados en una escala logarítmica mediante el promedio de múltiples respuestas, el ruido indicado se reduce en 1,45 dB adicionales. Al calcular el nivel de ruido medio indicado según la ecuación (6), todo esto se tiene en cuenta restando 2,5 dB. Esta corrección sólo es válida para el ruido gaussiano, que se toma como modelo de ruido térmico.
De la ecuación (5), se puede derivar la siguiente relación para estimar la variación del ruido indicado. nivel al cambiar la configuración del ancho de banda IF con HPV1 a HPV2:
DLISS = 10 log (Vsh.VCh2/Vsh.VCh1), (7)
donde Wsh.FC1, Wsh.FC2 — bandas de ruido del filtro IF antes y después de la sintonización, Hz,
DLISSH — variación del ruido indicado en función de la variación del ancho de banda de FI, dB.
Si ambos filtros de FI tienen la misma relación entre el ancho de banda de 3 dB y el ancho de banda de ruido, entonces el La diferencia en el ruido indicado se puede calcular a partir de la banda a un nivel de 3 dB. Se produce la siguiente relación:
DLISSH = 10 log (HPV2/HPV1), (8)
donde HPV1, VPH2 — ancho de banda a un nivel de 3 dB del filtro IF antes y después de la sintonización, Hz.
Arroz. La Figura 3 ilustra el efecto de diferentes valores de ancho de banda de FI en el ruido mostrado. Debido a las diferentes implementaciones prácticas de los filtros IF en un analizador de espectro, el factor de ruido del analizador también puede depender del ancho de banda de resolución seleccionado.
El límite de sensibilidad del analizador también se puede determinar a partir del nivel de ruido promedio mostrado. Se entiende como el nivel mínimo de la señal armónica de entrada que asegura que el nivel de ruido esté 3 dB por encima del indicador del analizador, y se denomina señal mínima detectable. Dado que el analizador de espectro muestra la suma de la señal de entrada y el ruido (S + N), esta condición se cumple en un nivel de señal de entrada que corresponde al piso de ruido efectivo del piso de ruido térmico (S = N). En este caso, la relación señal-ruido está determinada por las fórmulas:
(S + N)/N = 2
y 10 log ((S + N)/N) = 3 dB, (9)
donde N — corresponde al nivel de ruido indicado cuando se utiliza un detector RMS.
Fig. 3. Nivel de ruido promedio indicado en diferentes bandas de resolución
Fig. 4. Valores típicos del nivel de ruido indicado
analizador de espectro (fragmento de la tabla de especificaciones completa)
La lista de datos característicos (tabla de especificaciones) para el nivel de ruido promedio indicado siempre debe incluir la resolución ancho de banda y configuración del atenuador. Configuraciones típicas: atenuador de RF – 0 dB, ancho de banda de resolución – el más estrecho.
La máxima sensibilidad del analizador de espectro se logra ajustando el atenuador a 0 dB. Es muy importante que el primer mezclador del analizador no esté sobrecargado con una señal de alto nivel que funcione incluso fuera del rango de frecuencia de medición.
Para reducir aún más el nivel de ruido indicado, es necesario reducir el ancho de banda de resolución. Se debe encontrar un equilibrio entre un bajo ruido indicado y una alta velocidad de medición. Para indicar señales de entrada con relaciones señal-ruido muy bajas, es útil reducir el ancho de banda de la señal de vídeo así como el ancho de banda de resolución o aumentar el tiempo de barrido cuando se utiliza un detector RMS. La respuesta se suaviza, por lo que la señal de entrada se muestra más claramente. De este modo, los niveles medidos se estabilizan, lo cual es necesario como condición para obtener un resultado preciso y reproducible.
Para mediciones de nivel, es importante conocer la dependencia de la frecuencia de la ganancia del preamplificador. Este valor de ganancia de decibeles debe restarse de los niveles medidos. Muchos analizadores de espectro ofrecen la posibilidad de tener en cuenta la dependencia de la frecuencia de la ganancia mediante tablas de conversión especiales. De este modo, el espectro medido se puede determinar con los niveles correctos.
La alta sensibilidad de un analizador de espectro es extremadamente importante para muchas aplicaciones donde el ancho de banda de resolución está limitado por los estándares. En estos casos no se permite reducir el ruido indicado estrechando el ancho de banda de resolución. La sensibilidad también es importante para altas velocidades de medición. A baja sensibilidad, se requieren filtros IF de banda estrecha para lograr un ruido indicado suficientemente bajo, lo que a su vez aumenta el tiempo de barrido. Los analizadores de espectro con baja figura de ruido permiten el uso de anchos de banda de amplia resolución y, por tanto, tiempos de barrido más cortos.
La práctica demuestra que los requisitos antes mencionados de sensibilidad y selectividad de frecuencia impuestos a los equipos para los estudios PEMIN se cumplen con una gama bastante estrecha de instrumentos de medición. Actualmente, para realizar estudios PEMIN, está permitido utilizar únicamente un conjunto de equipos de este tipo, cuya base es un receptor de medición o un analizador de espectro con un conjunto de antenas de medición correspondientes. Algunas características generalizadas de estos dispositivos se presentan en la tabla. 1.
Al comparar las características de estos instrumentos, se puede ver que los microvoltímetros selectivos son generalmente adecuados para medir la intensidad de campos eléctricos y magnéticos débiles. Al mismo tiempo, debido a la inestabilidad de la «salida» de las características y al alto error de medición (en promedio más de 5 dB), no se pueden comparar con los receptores de medición y analizadores de espectro modernos. Además, no brindan la oportunidad de observar un panorama de las señales que se están estudiando.
Los receptores de medición son los que mejor cumplen con los requisitos de los equipos para la investigación PEMIN. Proporcionan una alta precisión de medición con relativamente poco trabajo (lo que, por cierto, también se aplica a los analizadores de espectro). Una parte importante de los receptores de medición (y analizadores de espectro) le permite ver un panorama del rango de frecuencia en estudio, analizar señales y observar simultáneamente los resultados de su detección mediante varios tipos de detectores. Sin embargo, el precio de los receptores de medición es muy alto.
En cuanto a su funcionalidad, los analizadores de espectro son bastante comparables a los receptores de medición. En la etapa de detección de PEMIN, a veces resultan incluso más convenientes que los receptores. La mayoría de los analizadores de espectro del mercado ruso no tienen preselector. Al mismo tiempo, el precio de un analizador de espectro moderno es de 2 — 3 veces menor que el precio de un receptor de medición similar en rango de frecuencia.
Tabla 1. Características comparativas de los instrumentos de medición utilizados para la investigación PEMIN
| Características | Microvoltímetros selectivos |