Исследование уровня побочных электромагнитных излучений

Исследование уровня побочных электромагнитных излучений (ПЭМИ) от средств вычислительной техники (СВТ) основывается на общих принципах измерений напряженностей электрических и магнитных полей. Специфика этих измерений состоит в том, что, во-первых измеряемые сигналы являются маломощными, во-вторых заранее сложно предсказать картину электромагнитных излучений конкретного СВТ. Поэтому, измерению уровня сигналов ПЭМИ всегда предшествует процесс верификации, (от англ. Verification-проверка) т.е. подтверждение того, что обнаруженный сигнал действительно является искомым-информативным.

Исследование ПЭМИ требует широкого спектра знаний общего характера: приемного, антенно-фидерного оборудования, проведения антенных измерений, работ по верификации сигналов и т.д.

Информативными называются сигналы, представляющие собой ВЧ несущую, модулированную информацией обрабатываемой на СВТ, например, изображением выводимым на монитор, данными обрабатываемыми на устройствах ввода-вывода и т.д.

Неинформативными ПЭМИ называются сигналы, анализ которых может дать представление только о режиме работы СВТ и никак не отражает характер информации обрабатываемой на СВТ.

Что представляет собой спектр информационного сигнала и почему необходимо знать его структуру?

Как правило, любой информационный сигнал дополнительно промодулирован неинформационным низкочастотным сигналом (Рис. 1). Для монитора это обратный ход строчной и кадровой развертки, для принтера – перевод каретки или листа и т.д. Неинформационная низкочастотная помеха искажает форму (модулирует сигнал) информационного сигнала и является причиной систематической составляющей погрешности измеряемого уровня сигнала. Для того чтобы грамотно бороться с данной систематикой необходимо выполнять два условия. Во-первых, для обнаружения и измерения сигнала необходимо использовать пиковый детектор. Во-вторых, время измерения уровня сигнала (или фона) должно быть больше длительности неинформационного модулирующего сигнала.

Следует обратить внимание, что при модуляции ВЧ несущей информативного ПЭМИ низкочастотным неинформативным сигналом, спектр сигнала информативного ПЭМИ будет иметь вид, показанный на рисунке 2. Математически это выглядит как спектр функции sin(x)/x.

Такую картину можно наблюдать на экране анализатора спектра если уменьшить полосу пропускания до единиц кГц. Поскольку все сигналы представленные на рисунке 2 являются, независимо от амплитуды, одним и тем же информативным ПЭМИ, то для проведения расчетов все эти сигналы можно суммировать. В то же время, уровень основного энергетического лепестка сигнала превышает уровень ближайшего к нему лепестка как правило на 10-15 дБ. При таких соотношениях энергетики сигналов, вклад всех боковых лепестков в расчет зон будет составлять единицы процентов. Поэтому на практике в список сигналов для расчета вносят только частоту и уровень центрального энергетического лепестка. Кроме того, при использовании полос пропускания номиналом 100кГц и выше, все боковые лепестки сливаются с основным и исследователь даже не подозревает о их наличии. При проведении работ с использованием селективных вольтметров, данная картина так же не обнаруживается, поскольку поиск ведется по максимуму амплитуды и громкости тестового сигнала.

Какие СВТ не имеют информативного ПЭМИ? ПЭМИ не имеют устройства, работающие с информацией представленной в аналоговом виде, например, копировальные аппараты, использующие прямое светокопирование.

Что такое тип кодирования и вид кода тестового сигнала?

Видом кода называется способ преобразования низкочастотного сигнала (изменение его частоты, амплитуды, фазы) необходимое для передачи информации.

С точки зрения исследования ПЭМИ существуют следующие виды кода:

- потенциальное кодирование. В этом случае информативным (содержащим информацию) является амплитуда сигнала. Такой вид кодирования применяется, например, для передачи видеосигнала на монитор.

- импульсное однополярное кодирование. В этом случае информацию несет фаза сигнала, а полярность сигнала не меняется. Применяется в сетях связи.

- импульсное разнополярное кодирование. Здесь информативным является не только фаза, но и полярность сигнала.

Типом кодирования сигнала называется способ организации потока данных. Последовательное кодирование характерно для последовательных линий передачи данных, где скорость передачи данных выражается в бодах и во времени одновременно передается одна двоичная единица информации (например – компьютерная сеть или монитор). Параллельное кодирование характерно для параллельных систем передачи данных. В таких системах скорость передачи выражается, как правило, в байтах и информация передается по нескольким каналам (н-р проводам) одновременно. Примером может служить LPT порт компьютера.

У СВТ выделяют два основных узла – вероятных источника ПЭМИ: сигнальные кабели и высоковольтные блоки. Для излучения сигнала в эфир необходима согласованная на конкретной частоте антенна. Такой антенной хорошо выступают длинные линии передачи данных – соединительные кабели. В то же время, усилители лучей монитора имеют гораздо большую энергетику и тоже выступают в качестве излучающих систем. Их антенной системой являются как соединительные шлейфы, так и другие длинные цепи, гальванически связанные с этими узлами.

Корректно ли использовать активные антенные системы для измерения ПЭМИ?

Корректно. Активные антенны характеризуются широким диапазоном частот измерений и повышенным уровнем шума по сравнению с пассивными антеннами. Широкий диапазон рабочих частот (например, от 50кГц до 1 ГГц) существенно сокращает время проведения специсследований и удешевляет используемую аппаратуру. Уровень собственных шумов (как правило –30…+10 дБ) позволяет уверенно проводить специсследования для СВТ по 2-й и 3-й категории. Для проведения специсследований защищенной аппаратуры (как правило для объектов 1-й категории) лучше использовать набор узкополосных пассивных антенн.

Для проведения антенных измерений существует несколько типов измерительных приборов: селективные вольтметры, измерительные приемники, анализаторы спектра.

Селективные вольтметры (нановольтметры) идеально подходят для измерений напряженности электрического и магнитного поля. Но, они не имеют визуальных органов отображения картины панорамы исследуемого диапазона частот и поэтому не выдерживают конкуренции с их импортными собратьями – измерительными приемниками как по эргономическим показателям, так и по производительности.

Измерительные приемники сочетают в себе лучшие черты селективных вольтметров (наличие преселектора) и анализаторов спектра (визуальное представление панорамы анализируемого диапазона частот). Но, к сожалению, это очень дорогое удовольствие.

Анализаторы спектра по функциональным возможностям смело конкурируют с измерительными приемниками, но ряд метрологических характеристик из-за отсутствия преселектора у них хуже. Зато их цена в 4-5 раз ниже цены аналогичного по предоставляемому сервису измерительного приемника.

Существует мнение, что если анализаторы спектра, не имеют преселектора – их нельзя использовать для измерения ПЭМИ. Эта позиция абсолютно ошибочна, поскольку простейшие исследования технической документации показали, что метрологические параметры, непосредственно зависящие от наличия преселектора (например, величина интермодуляции третьего и выше порядков), у анализаторов спектра фирмы Hewlett Packard оказалась сравнимы с аналогичными параметрами селективных нановольтметров произведенных еще во времена СЭВ («СМВ-8,5», «СМВ-11» и т.д.) и отечественных измерительных приемников (П5-42).

Все очень просто. Любое увеличения качества измерений влечет за собой увеличение стоимости средств измерений. Если задача требует характеристик измерительного приемника, например, для исследования аппаратуры в защищенном исполнении (не путать аппаратуру, которая изначально проектировалась для высшего класса защиты с экранированной и доработанной аппаратурой), то, безусловно, придется пойти на дополнительные расходы и приобрести СМВ или измерительный приемник.

Но вот чем действительно нельзя проводить измерения, так это откалиброванными и доработанными связными приемниками. Не будем детально рассматривать причины этого (применение не "метрологической" элементной базы, "не те" схемные решения, отсутствие специальных требований к повторяемости изделий и т.д.). Отметим только два момента.

Никто и никогда не сможет гарантировать, что такой приемник будет измерять правильно через час, неделю, месяц, год после проведения калибровки (а так же при изменении температуры, влажности, условий эксплуатации или после перевозки) потому, что для них не проводились теоретические расчеты по стабильности параметров, влияющих на метрологические характеристики и не проводились их испытания в соответствии с методиками проведения испытаний для присвоения типа средств измерений.

Отсутствие детектора позволяет измерять либо только уровень сигнала только той формы, по которому калибровался приемник. Измерение сигналов любой другой формы приводит к непредсказуемым погрешностям результатов измерений. Иногда встречающиеся попытки заменить отсутствие детектора термином "квазипиковый" детектор с программируемыми (изменяющимися) характеристиками без их представления есть ни что иное как страховка производителя от неприятностей со стороны метрологических контролирующих органов по поводу несоблюдения ГОСТ Р51319-99, и обман покупателя. Любой детектор является (в том числе и непонятно какой) "нестандартным" квазипиковым детектором.

Непосредственно измерениям предшествует подготовительный этап, который состоит в коммутации антенных систем с приемной аппаратурой с помощью кабелей. Единственное требование к оператору на этом этапе - элементарная внимательность. Необходимо помнить, что поскольку антенны всегда калибруются с кабелем, то и использовать их необходимо с тем же кабелем, несмотря на искушение заменить более длинным или более тонким.

Корректность последующих измерений зависит и от качества кабелей и фиксации разъемов. Очевидно, что кабели не должны иметь повреждений, а разъемы должны быть правильно подогнаны и затянуты. Проверить качество коммутации, можно произвольно изменяя положение кабеля и радиус изгиба. При этом уровень сигнала на приемной аппаратуре не должен изменяться.

При проведении измерений антенну следует располагать не ближе 3-х ее геометрических размеров от исследуемого объекта. Под размером понимается диаметр для рамочной антенны, расстояние между вибраторами для диполя. При этом желательно, чтобы оператор находился в дальней зоне (не менее 10 длин волн измеряемого сигнала), если это затруднительно, то хотя бы на максимально возможном удалении.

Идеальным местом для антенных измерений является безэховая экранированная камера. На практике такого добиться практически невозможно. Поэтому, необходимо стремиться к тому, чтобы не вводить дополнительные возмущения электромагнитного поля в помещении. Для этого необходимо, чтобы:

- тестируемая аппаратура и тестирующая аппаратура находились друг от друга на максимальном удалении;

- не допускать передвижение людей и предметов в помещении;

- оператор должен находиться всегда в одном и том же месте (после проведения ручных операций он должен возвращаться на свое место);

- на время исследований не включать в помещении, где проводится проверка, устройств, которые могут вносить сильные помехи (механические устройства с электромоторами, лампы дневного света и т.д.).