Особенности выбора средства измерения для автоматизированных программно-аппаратных комплексов исследования ПЭМИН..

Особенности выбора средства измерения для автоматизированных программно-аппаратных комплексов исследования ПЭМИН..

КОНДРАТЬЕВ Андрей Валерьянович,
НАГОРНЫЙ Сергей Иванович,
ДОНЦОВ Вадим Владимирович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
ЛОБАШЕВ Алексей Константинович, кандидат технических наук, доцент

Особенности выбора средства измерения для автоматизированных программно-аппаратных комплексов исследования ПЭМИН

Вопросы сопровождения и практического проведения аттестации объектов информатизации (ОИ) по требованиям безопасности информации занимают важное место в вопросах обеспечения государственной тайны. Такого вида работы регламентируются нормативными документами ФСТЭК (Гостехкомиссии) России, в которых предписано, что все ОИ, предназначенные для обработки информации, составляющей государственную тайну, а также ведения секретных переговоров, необходимо подвергать обязательной аттестации по требованиям безопасности информации. В нормативных документах определены процессуальные и технические подробности проведения аттестации объектов. Вместе с тем анализ этих документов показывает, с одной стороны, объемность изложенных в них нормативно-правовых и процессуальных вопросов, с другой стороны, сложную техническую реализацию конкретных исследований и измерений, которые необходимо выполнить в процессе проведения аттестации.

Для технической реализации проведения аттестации необходимо в совершенстве знать теоретические и практические вопросы в разных областях науки — акустики и виброакустики, спектрального анализа, антенно-фидерных устройств, законов распространения радиоволн, нормативно-правовых актов и руководящих документов по защите средств вычислительной техники (СВТ), метрологии и т.д. Не менее сложными вопросами являются приобретение и грамотное применение дорогостоящих и сложных современных технических средств по проведению аттестации. Одной из насущных проблем, которая была выявлена в процессе применения сложных измерительных комплексов, является соответствие (или несоответствие) предъявляемым критериям качества (соответствия декларированным требованиям) и в конечном итоге — правильности проведенных специальных исследований (СИ). Отметим, что использование современных автоматизированных программно-аппаратных комплексов (АПАК) при аттестации ОИ является приоритетным направлением. Особой осторожности и тщательности требует выбор таких уникальных, дорогих и технически сложных изделий, как АПАК, предназначенные для проведения специальных исследований СВТ. При этом большое значение для работы АПАК имеет выбор средства измерения — измерительного прибора, который в значительной степени определяет стоимость и потребительские свойства АПАК.

Исследование данной проблемы, с точки зрения авторов, целесообразно начать с изучения соответствующих стандартов. Отметим, что в настоящее время на территории РФ действуют следующие основные стандарты, регламентирующие деятельность в части исследования ПЭМИН:

1. ГОСТ 29339-92 «Защита информации от утечки за счет ПЭМИН при ее обработке средствами вычислительной техники»;
2. ГОСТ Р50752-95 «Защита информации от утечки за счет ПЭМИН при ее обработке средствами вычислительной техники. Методика испытаний»;
3. ГОСТ Р50543-93 «Конструкции базовые несущие средств вычислительной техники. Требования по обеспечению защиты информации и электромагнитной совместимости методом экранирования»;
4. ГОСТ Р51319-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы для измерения индустриальных радиопомех»;
5. ГОСТ Р51320-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные»;
6. РМЭК 60950-2002 «Безопасность оборудования информационных технологий»;
7. РД 50-715-92 «Защита информации от утечки за счет ПЭМИН при ее обработке средствами вычислительной техники».

Принимая во внимание, что часть ГОСТов содержит сведения, относящиеся к государственной тайне, общие подходы к обоснованию методики выбора измерительного приемника, с точки зрения авторов, можно изложить с учетом анализа международных стандартов, например ANSI C 63.2-1980 и ему аналогичных (Karl-Otto Muller «Procedures for Granting Licenses for the Operanion of RF Devices, Radio and TV Receivers in Western Germany», Rohde & Schwarz, Germany, 1987), определяющих порядок измерения ПЭМИН средств вычислительной техники.

Из рассмотрения представленных материалов следует, что наиболее критичными характеристиками измерительной аппаратуры, применяемой для исследования ПЭМИН СВТ, является максимальная чувствительность прибора в заданных пределах измерения. На чувствительность прибора наибольшее влияние оказывает величина собственных шумов прибора и антенно-фидерных устройств. Величина собственных шумов прибора носит нормированный характер и указывается в паспорте прибора с обязательным перечислением настроек и параметров, при которых производились измерения.

В качестве собственного шума обычно понимается тепловой шум, который характеризует как радиоприемники, так и анализаторы спектра (Christoph Rausher «Fundamentals of Spectrum Analysis», Rohde & Schwarz GmbH&Co. KG, Germany, 2002). Если брать во внимание строго научную точку зрения, тепловой шум «по Найквисту», то есть шум резистора 50 Ом, на порядки ниже шумов измерительного тракта, приведенных к входу приемника. Это дробовые шумы, шумы класса «1/f», фликкер-шумы, шумы преобразования и еще ряд источников, специфичных для активных полупроводниковых структур. Общий результат всех этих шумов может рассматриваться как условно «белый». Отметим, что определяющим является шум преселектора (при его наличии) или шум каскада первого смесителя (при отсутствии преселектора). Из-за собственного шума отношение сигнал/шум на входе устройства уменьшается. Поэтому собственный шум – это мера чувствительности анализатора спектра. Он позволяет делать заключения о требуемом минимальном уровне входного сигнала, который анализатор может обнаружить. Собственный шум радиоприемника может учитываться различными способами, причем обычно он выражается через коэффициент шума или шум-фактор.

Безразмерный коэффициент шума F четырехполюсного элемента есть частное от деления отношения сигнал/шум на входе четырехполюсника и отношения сигнал/шум на его выходе.

F = (S1/N1)/(S2/N2), (1)

где S1/N1 — отношение сигнал/шум на входе цепи,
S2/N2 — отношение сигнал/шум на выходе цепи.

Шум-фактор (коэффициент шума в децибелах) определяется формулой:

NF = 10 log F (2)

Общий коэффициент шума Fобщ каскадно-включенных цепей, показанных на рис. 1, определяется так:

где Fi — коэффициент шума индивидуального каскада,
Gi — коэффициент передачи индивидуального каскада.

Рис. 1. Каскадное соединение шумящих цепей

Для пассивных цепей с потерями, таких, как кабели или регулируемые аттенюаторы, справедливо следующее соотношение:

F = 10a/10
и NF = a, (4)

где F — коэффициент шума цепи,
NF — шум-фактор цепи,
a — вносимое цепью ослабление, дБ.

Уравнение (3) показывает, что коэффициент шума первого каскада полностью учитывается в общем коэффициенте шума каскадной цепи. Аттенюатор расположен на входе анализатора спектра и представляет собой пассивный каскад, коэффициент шума которого может быть рассчитан с помощью выражения (4).

Поэтому общий коэффициент шума анализатора зависит от установки аттенюатора. Возрастание ослабления на 10 дБ, к примеру, приводит в результате к повышению на 10 дБ общего шум-фактора. Поэтому максимальная чувствительность достигается при установке аттенюатора на 0 дБ (рис. 2).

Чувствительность анализаторов спектра обычно характеризуется средним уровнем индицируемого шума (СУИШ) – параметром, который может быть непосредственно определен по изображению на дисплее анализатора спектра.

Вырабатываемый входными цепями радиоприемника шум является практически «белым» шумом, это означает, что он не содержит никаких дискретных компонент. Вероятность того, что величина напряжения шума попадает в определенный диапазон значений, может быть определена из гауссовского распределения, так что часто используется обозначение «гауссовский шум».

Индицируемый шум соответствует шумовому напряжению, вырабатываемому детектором огибающей. Соответствующая шумовая мощность может быть рассчитана интегрированием шумовой плотности в шумовой полосе радиоприемника, представляющей собой шумовую полосу всех каскадов, стоящих перед детектором. В случае анализаторов спектра эта полоса определяется шумовой полосой ПЧ-фильтра. Соответственно индицируемый шум зависит от установки полосы разрешения.

Рис. 2. Индицируемый средний уровень шума анализатора
спектра как функция радиочастотного ослабления

Поскольку спектральная плотность мощности «белого» шума постоянна в пределах шумовой полосы, то индицируемый средний уровень шума может быть рассчитан (в случае если шум-фактор анализатора и шумовая полоса ПЧ-фильтра известны) следующим образом:

LИСШ = 10 log (kTBш.ПЧ /10-3W) + NFAC — 2,5 дБ, (5)

где LИСШ — уровень индицируемого среднего шума, дБм,
k — постоянная Больцмана, k = 1,38×10-23 Вт/Гц,
T — окружающая температура в градусах Кельвина,
Bш.ПЧ — шумовая полоса ПЧ-фильтра,
NFАС — шум-фактор анализатора спектра, дБ,
-2,5 дБ — ошибка в определении шума детектором выборки и при усреднении логарифмических значений уровня.

Для температуры окружающей среды 290 К индицируемый средний уровень шума определяется формулой:

LИСШ = -174 дБм (1 Гц) + 10 log (Bш.ПЧ /Гц) дБ + NFAC — 2,5 дБ.  (6)

Значение -174 дБм (1 Гц) соответствует мощности теплового шума, действующего на омическом сопротивлении в полосе 1 Гц при средней температуре 290 К. Это уровень собственного шума или абсолютный минимальный уровень шума при данной температуре.

Детектор выборки, обычно используемый для шумовых измерений с помощью анализаторов спектра, определяет арифметическое среднее значение шума. В случае гауссовских шумов это на 1,05 дБ ниже среднеквадратического значения (эффективной шумовой мощности). Из-за усреднения результатов по логарифмической шкале путем усреднения по нескольким откликам,индицируемый шум уменьшается еще на 1,45 дБ. При вычислении индицируемого среднего уровня шума в соответствии с уравнением (6) все это учитывается при вычитании 2,5 дБ. Эта коррекция допустима только для гауссовских шумов, которые принимаются в качестве модели теплового шума.

Из уравнения (5) может быть выведено следующее соотношение для оценки вариации уровня индицируемого шума при изменении установки полосы ПЧ с BПЧ1 на BПЧ2:

DLИСШ = 10 log (Bш.ПЧ2 / Bш.ПЧ1), (7)

где Bш.ПЧ1, Bш.ПЧ2 — шумовые полосы ПЧ-фильтра до и после перестройки, Гц,
DLИСШ —  вариация индицируемого шума как функция вариации ПЧ-полосы, дБ.

Если оба фильтра ПЧ имеют одинаковые соотношения между полосой по уровню 3 дБ и шумовой полосой, то разницу в индицируемом шуме можно вычислить из полосы по уровню 3 дБ. Имеет место следующее соотношение:

DLИСШ = 10 log (BПЧ2 / BПЧ1), (8)

где BПЧ1, ВПЧ2 — полосы по уровню 3 дБ фильтра ПЧ до и после перестройки, Гц.

Рис. 3 иллюстрирует влияние различных значений полосы ПЧ на индицируемый шум. Из-за различных практических реализаций фильтров ПЧ в анализаторе спектра шум-фактор анализатора может также зависеть от выбранного значения полосы разрешения.

Предел чувствительности анализатора может быть также определен из индицируемого среднего уровня шумов. Он понимается как минимальный уровень входного гармонического сигнала, обеспечивающий превышение уровня шума на 3 дБ на индикаторе анализатора, и называется минимальным детектируемым сигналом. Поскольку на анализаторе спектра показывается сумма входного сигнала и шума (S + N), то это условие выполняется при уровне входного сигнала, который соответствует эффективному уровню шумов собственного теплового шума (S = N). В этом случае отношение сигнал/шум определяется по формулам:

(S + N)/ N = 2
и 10 log ((S + N)/ N) = 3 дБ, (9)

где N — соответствует индицируемому уровню шумов при использовании среднеквадратического детектора.

Рис. 3. Индицируемый средний уровень шума при различных полосах разрешения

Рис. 4. Типовые значения уровня индицируемого шума
анализатора спектра (фрагмент полной спецификационной таблицы)

Перечень характеристических данных (спецификационная таблица) для индицируемого среднего уровня шумов должен всегда включать полосу разрешения и установку аттенюатора. Типовые установки: РЧ-аттенюатора – 0 дБ, полоса разрешения – самая узкая.

Максимальная чувствительность анализатора спектра реализуется при установке аттенюатора на 0 дБ. Очень важно, чтобы при этом первый смеситель анализатора не был перегружен сигналом высокого уровня, действующим даже вне частотного диапазона измерений.

Чтобы еще более снизить индицируемый уровень шума, необходимо уменьшить полосу разрешения. Необходимо найти компромисс между низким индицируемым шумом и высокой скоростью измерений. Для индикации входных сигналов с очень низким отношением сигнал/шум полезно уменьшить полосу видеосигнала, а также полосу разрешения или увеличить время развертки при использовании среднеквадратического детектора. Отклик при этом сглаживается, поэтому входной сигнал индицируется яснее. Таким образом, стабилизируются измеряемые уровни, что необходимо как условие получения точного воспроизводимого результата.

Для измерений уровня важно знать частотную зависимость коэффициента усиления предварительного усилителя. Это значение усиления в децибелах нужно вычесть из измеряемых уровней. Многие анализаторы спектра предлагают возможность учета частотной зависимости коэффициента усиления с помощью специальных таблиц для пересчета. Измеренный спектр, таким образом, может быть определен с правильными уровнями.

Высокая чувствительность анализатора спектра исключительно важна для многих применений, в которых полоса разрешения ограничена стандартами. В этих случаях снижение индицируемого шума путем сужения полосы разрешения не допускается. Чувствительность важна также для высоких скоростей измерений. При низкой чувствительности для достижения достаточно низкого индицируемого шума требуются узкополосные ПЧ-фильтры, что, в свою очередь, увеличивает время развертки. Анализаторы спектра, обладающие низким значением шум-фактора, позволяют применять широкие полосы разрешения и, следовательно, более короткие времена развертки.

Практика показывает, что вышерассмотренным требованиям по чувствительности и частотной избирательности, предъявляемым к аппаратуре при исследованиях ПЭМИН, отвечает довольно узкий круг средств измерения. В настоящее время для проведения исследований ПЭМИН допустимо использовать только такой комплекс аппаратуры, основу которого составляет измерительный приемник или анализатор спектра с набором соответствующих измерительных антенн. Некоторые обобщенные характеристики этих приборов представлены в табл. 1.

Из сравнения характеристик этих приборов видно, что селективные микровольтметры в целом подходят для измерений напряженности слабых электрических и магнитных полей. В то же время из-за нестабильности «ухода» характеристик и высокой погрешности измерений (в среднем более 5 дБ) они не выдерживают сравнения с современными измерительными приемниками и анализаторами спектра. Кроме того, они не дают возможности наблюдать панораму исследуемых сигналов.

Измерительные приемники в наибольшей степени отвечают требованиям, предъявляемым к аппаратуре для исследований ПЭМИН. Они обеспечивают высокую точность измерений при сравнительно небольших трудозатратах (что, впрочем, относится и к анализаторам спектра). Значительная часть измерительных приемников (и анализаторов спектра) позволяет видеть панораму исследуемого диапазона частот, анализировать сигналы при одновременном наблюдении результатов их детектирования различными типами детекторов. Однако цена измерительных приемников весьма высока.

Анализаторы спектра по своим функциональным возможностям вполне сопоставимы с измерительными приемниками. На стадии обнаружения ПЭМИН они иногда даже удобнее приемников. У большинства анализаторов спектра, представленных на российском рынке, отсутствует преселектор. Вместе с тем цена современного анализатора спектра в 2 — 3 раза ниже цены аналогичного по частотному диапазону измерительного приемника.

Таблица 1. Сравнительные характеристики измерительных приборов, применяемых для исследований ПЭМИН