Общий порядок проведения измерения

Собрать схему, включить, прогреть и откалибровать все средства измерения. Далее оператор плавно изменяет частоту звукового генератора в требуемом диапазоне частот, поддерживая звуковое давление на исследуемое ВТСС в диапазоне 74...94 дБ. Обычно огибающая сигналов АЭП имеет резко изрезанный характер с пиками и провалами. Рекомендуется фиксировать все пики сигнала. Если их много - то наибольшие. При использовании нановольтметра 232Ь не забывать тщательно подстраивать фазу опорного сигнала на каждой «подозрительной» частоте.

Особо следует заметить, что «задавать» заранее какой-либо «шаг» частот методически абсолютно неверно. Пики и выбросы сигнала АЭП могут возникнуть на любой частоте, а механические резонансные явления, которые обычно ответственны за такие выбросы, бывают весьма узкополосными. Испытание плавно меняющимся тоном - принципиальное методическое требование. Если используется генератор низкой частоты с дискретной перестройкой, то нужно перестраиваться с «шагом» не более 10 Гц.

Действующие методики имеют достаточно обобщенный характер и не могут в силу этого отразить всего многообразия их применения при проведении специальных исследований.

Так, например, при исследовании сигналов АЭП в сети электропитания технических средств промышленной частоты 220 В (50 Гц), как указывалось выше, необходимо проводить измерения и при включенной и при отключенной сети электропитания, причем независимо от того, где располагается высоковольтная трансформаторная подстанция, в пределах контролируемой зоны объекта или за ее пределами - непреднамеренное (а хуже того - преднамеренное) отключение сети электропитания возможно и в том и в другом случае. В первом случае оценку следует давать по нормам сети питания и только по несимметричной составляющей, аво втором -по нормам для линий связи при всех возможных вариантах подключения измерительного приемника к сети питания или сетевому шнуру ТС. В то же время при гарантированном питании объекта категории не ниже «первой» или особой группы первой категории (о чем в обязательном порядке у заказчика должен быть утвержденный «Акт...») проводить исследования в сети питания в режиме ее отключения нет необходимости. При бесперебойном питании, при кажущейся более высокой степени надежности электропитания объем измерений в значительной степени увеличивается по сравнению с питанием гарантированным. Это объясняется несколькими причинами:

- в большинстве источников бесперебойного питания (АБП) имеется функция «обхода», при включении которого исследуемая сеть становится обычной негарантированной с соответствующими к ней подходами;

- сеть электропитания, организованная с использованием АБП в общем случае не может относиться с точки зрения защиты информации к сети питания промышленной частоты (так называемая «чистая» сеть с точки зрения наличия в ней помех), в связи с чем, на данную сеть распространять нормы для сети питания некорректно;

- как следствие изложенного в предыдущем пункте для оценки защищенности сети с АБП необходимо проводить измерение «обратного» затухания АБП, т.е. использовать блок только как буферное устройство, вносящее некоторое и всегда конечное затухание сигналам АЭП; сразу стоит отметить, что задача измерения обратного затухания АБП «под нагрузкой» не самая простая;

- всегда следует помнить, что время работы АБП конечно и ни каким образом не связано со временем возможного отключения сети.

Всех такого рода (или любого другого) частных случаев методика проведения специальных исследований, естественно, содержать не может (вспомним о проведении подробного анализа, о котором говорилось ранее). Образно говоря, именно поэтому специальные исследования названы не измерениями, а именно исследованиями; и каждый, работающий в этой области знаний, должен быть именно исследователем.

Следует акцентировать внимание еще на одной достаточно распространенной ошибке при проведении специальных исследований в части акустоэлектрических преобразований технических средств, касающейся применения средств защиты от возможной утечки за счет АЭП.

При применении указанных средств на объектах заказчика даже среди специалистов в области специальных исследований бытует достаточно распространенное мнение о том, что применение сертифицированных средств защиты или типовых схем защиты, предусмотренных регламентирующими документами, не требует проверки их эффективности.

Приведем простой пример.

Многочисленными исследованиями доказано, что уже применение правильно спроектированного 4-каскадного транзисторного усилителя в режиме «А» без обратной связи (ООС) с трансформаторными входом и выходом при хорошей экранировке как самого усилителя, так и отдельно трансформаторов, обеспечивает величину обратного затухания примерно 120 дБ. Введение в таком же усилителе 100% отрицательной обратной связи для улучшения характеристик самого усилителя снижает величину обратного затухания практически до 0, а применение местных ООС в различных комбинациях в каждом конкретном случае будет изменять величину обратного затухания на определенную величину, характеризующую только данную комбинацию ООС. В то же время регламентирующим документом допускается использование в ВП 3-й категории абонентских громкоговорителей, обладающих чрезвычайно высокими уровнями сигналов АЭП (достигающих 10 и более мВ) с применением буферного усилителя, размещаемого в пределах КЗ, без каких-либо ограничений на его параметры и проверки его параметров. В общем случае - это нонсенс.

Еще один пример.

Паспортными данными на изделие МП-2, имеющего сертификат Гостехкомиссии России, определена величина напряжения шумового сигнала на выходе устройства без нагрузки в пределах от 1 до 2 мВ. Устройство предназначено для защиты трехпрограммных громкоговорителей по цепи радиотрансляции, полоса пропускания в НЧ диапазоне которых в соответствии с ГОСТом должна быть не менее 10 кГц. Логично предположить, что измерение шумового сигнала следует проводить также в полосе примерно 10 кГц или еще проще широкополосным среднеквадратичным вольтметром. Однако при всей логичности такого подхода, именно здесь кроется достаточно часто повторяемая ошибка, заключающаяся в следующем:

- при измерении с помощью только вольтметра вполне вероятно допустить ошибку, приняв измеренные, например, высшие гармоники сети питания громкоговорителя и продукты преобразования выпрямителя, проникающие в абонентскую линию, за шумовой сигнал при неисправном генераторе шума;

- применение осциллографа совместно с вольтметром существенно увеличивает шансы на получение относительно достоверных измерений, но полностью не исключает допущения значительной ошибки, так как определить соответствие спектра шумового сигнала заданному практически не представляется возможным.

Единственно правильным решением оператора при проверке эффективности данного устройства (только в части работоспособности генератора шума, так как устройство МП-2 обеспечивает и ряд других функций) будет исследование спектральной характеристики с помощью узкополосного (селективного) вольтметра или анализатора спектра с одновременным измерением широкополосного шумового сигнала.

И последний пример.

Хорошо известно каждому, кто хотя бы непродолжительное время занимался СИ или схемотехникой радиотехнических устройств, что динамический громкоговоритель является прекрасным микрофоном (в прямом смысле этого слова), т.е. обладает высоким коэффициентом преобразования акустического сигнала в электрический. На объектах заказчиков во многих случаях в категорированных помещениях присутствуют музыкальные центры, имеющие акустические агрегаты мощностью до 50 Вт и более. Естественно, линии этих агрегатов не выходят даже за пределы помещения, в котором они расположены, не говоря уже о границах контролируемой зоны. Так что же, на данный преобразователь можно закрыть глаза и не принимать его во внимание? Нет, нельзя! И вот по каким причинам:

- при включенном бестрансформаторном усилителе мощности музыкального центра его выходное сопротивление достаточно мало и режим работы акустического агрегата близок к режиму «короткого замыкания». При 'воздействии на этот агрегат акустического сигнала в катушке громкоговорителя протекает ток достаточно большой величины, который определяет некую величину магнитного поля от громкоговорителя;

- при отключенном от сети питания усилителе выходное сопротивление, например, двухтактного выходного усилителя резко возрастает, а режим работ громкоговорителя в этом случае будет близок к режиму «холостого хода». На выходе линии громкоговорителя при воздействии на него акустического сигнала образуется достаточной величины разность потенциалов и связанное с ней электрическое поле.

Вполне допустим вариант, при котором граница контролируемой зоны проходит на небольших (до единиц метров) расстояниях от ограждающих конструкций выделенного помещения. Учитывая, что музыкальный центр, как правило, размещается вдоль стен выделенного помещения (и не обязательно вдоль внутренних) создаваемые электромагнитные поля от громкоговорителей при акустическом воздействии на них могут быть перехвачены и за границей контролируемой зоны.

Возникает резонный вопрос, что делать в этой ситуации? Закорачивание опасно, обрыв тоже опасен! Ответ может быть только один - измерять!

По измеренным значениям рассчитать размер зоны и сравнить полученный результат с расстоянием до границы контролируемой зоны. При R2, меньшем расстояния до границы контролируемой зоны, утечка информации невозможна.

Конечно, возможен и противоположный вариант. В этом случае необходимо принимать организационные меры: переместить музыкальный центр или акустические агрегаты на безопасное расстояние в пределах выделенного помещения или вынести его из выделенного помещения. В крайнем случае, можно использовать и пространственное электромагнитное зашумление акустических агрегатов.

Приведенные примеры, конечно, не отражают всего многообразия ситуаций, с которыми приходится сталкиваться на объектах при проведении специальных исследований.

Одним из наиболее опасных, сточки зрения утечки информации, является канал утечки за счет модуляции колебаний встроенных в технические средства автогенераторов.

Для понимания физических процессов, приводящих к образованию канала утечки информации за счет модуляции колебаний автогенераторов сигналами акустоэлектрических преобразований рассмотрим простейшую схему LC-автогенератора с включенным LC-контуром в цепи положительной обратной связи (ПОС).

На самом деле различных схем генераторов достаточно много, но практически все они, как гармонические, так и релаксационные, строятся с применением в цепи ПОС либо LC-контура с полным или неполным включением реактивного элемента (индуктивности или емкости), либо фазосдвигающих RC цепей (рис 5.13).

Генераторы с неполным включением реактивности на вход усилительного элемента получили название «трехточки». Независимо от схем автогенераторов, применяемых в конкретных технических средствах, все рассуждения об образовании данного канала утечки остаются общими.

Физические принципы образования электрического сигнала под воздействием акустического сигнала уже рассмотрены выше и повторяться не имеет смысла. Стоит только отметить, что для ВЧ генераторов даже незначительное отклонение значений реактивных элементов от номинала приводит к значительному изменению его параметров. Покажем это на примере приведенной выше схемы автогенератора.

Из курса радиотехники известно, что фазовая характеристика параллельного колебательного контура вблизи резонансной частоты определяется формулой

φ_к = arctg(2QΔf / f_p), (5.3)

где Δf = f- f_p- относительная расстройка колебательного контура; f_p- резонансная частота контура.

Тогда

Δf = f_ptg φ_к /2Q (5.4)

Определим величину расстройки для следующих параметров контура: L = 160 мкГн; С = 160пФ; Q = 50 в предположении, что на данный генератор действует гармонический акустический сигнал, под воздействием которого суммарный фазовый сдвиг за счет всех φ_к дестабилизирующих факторов (изменения емкости и индуктивности, емкости монтажа и каких-то иных факторов, в данном случае это не принципиально) составил φ_к = 25°.

В этом случае величина расстройки Δf составит 4500 Гц.

Несколько усложним приведенный пример, предполагая, что на автогенератор воздействует одновременно сложное колебание, представляющее сумму гармонических колебаний, каждое из которых в отдельности приводит к изменению тех или иных параметров контура, пусть даже в разной степени. В этом случае можно считать, что φ_к является некоторой функцией от частоты воздействующего акустического сигнала Ω, а

Фк = Ψ(Ω). (5.5)

Следовательно, и величина расстройки колебательного контура Δf, и частота выходного сигнала автогенератора также будут являться функциями от Ω, т.е.

Δf = ς(Ω); (5.6)

F_ген. = Υ(Ω). (5.7)

Но ведь с некоторым приближением и речевой сигнал может быть представлен суммой ортогональных составляющих, т.е. при акустическом воздействии речевого сигнала на автогенератор возможна модуляция его колебаний речевым сигналом.

Рассуждая подобным образом, несложно определить и логическую цепочку модуляции колебаний релаксационных автогенераторов воздействующим на них сигналом АЭП.

Кроме рассмотренного примера модуляции колебаний ВЧ автогенераторов при проведении СИ нельзя забывать и об еще одном (хотя и очень распространенном) физическом принципе, приводящем к «паразитной» модуляции. Речь идет о нелинейном усилении сигналов. В интересующем нас случае конкретно об усилителях ВЧ сигналов различного рода и выполняющих достаточно разные функции. Не сильно греша перед истиной можно утверждать, что всякий усилитель является в определенной степени (вопрос только в большей или меньшей) нелинейным. На нелинейном усилении построена вся теория модуляторов, хорошо проработанная в теоретической радиотехнике.

Типовая упрощенная схема транзисторного амплитудного модулятора и поясняющие его работу диаграммы получения однотонального AM сигнала приведена на рис. 5.14.

Для упрощения рассуждений сквозная характеристика транзистора - зависимость тока коллектора /_к от напряжения база-эмиттер и_бз на диаграмме аппроксимирована двумя отрезками прямых линий. Вследствие перемещения рабочей точки относительно U₀ по закону НЧ сигнала e(f) происходит изменение угла отсечки

А) б)

Рис. 5.14. Схема модулятора (а) и эпюры токов и напряжений (б)

тока в кривой несущего колебания. В результате импульсы коллекторного тока 4 окажутся промодулированными по амплитуде, а выделенное резонансным контуром выходное напряжение также оказывается промоделированным. Не останавливаясь на параметрах элементов, влияющих на качество работы модулятора, отметим только, что для многотональной амплитудной модуляции (реальные сигналы) все приведенные здесь рассуждения полностью справедливы.

Хрестоматийный пример образования такого «паразитного» амплитудного детектора - наводка НЧ сигнала АЭП от встроенного громкоговорителя (или выходного трансформатора УНЧ) на входную цепь тракта ПЧ супергетеродинного приемника, построенного с использованием LC-контуров, или на входные LC-цепи усилителя ВЧ сигнала трехпрограммного громкоговорителя. Чем не классический модулятор.

На самом деле различного рода схем «паразитных» модуляторов в исследуемых технических средствах может быть великое множество. Не всегда это может приводить к образованию канала утечки, но и исключать такую возможность нельзя.

Для измерений в высокочастотной области, т.е. модуляционного акустоэлектрического преобразования схема измерений претерпевает некоторые изменения (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Схема измерения модуляционного АЭП

Как видно из схемы, изображенной на рис.5.15, основой измерительного комплекса является измерительный приемник (анализатор спектра). К нему подключается либо антенна (если ведутся измерения ПЭМИ), либо тот или иной пробник (если ведутся измерения в отходящей линии), а чаще всего последовательно и то, и другое. К выходу ПЧ приемника могут подключаться либо измеритель модуляции (для непосредственного измерения), либо низкочастотные измерительные приборы (НЧ анализаторы спектра) при измерении методом боковых частот. Для выявления модуляции «на слух» на НЧ выход приемника могут включаться головные телефоны.

При подготовке к проведению измерений необходимо ознакомиться с документацией на проверяемое техническое средство с целью определения принципов построения и всех возможных режимов работы изделия. Приступая к измерению, оператор должен ясно представлять себе, что, где и в каких режимах должно проверяться. Зачастую этот анализ не может быть проведен в полном объеме из-за отсутствия технической документации или неполной ясности о работе тех или иных узлов. Это, как правило, в значительной степени увеличивает время непосредственно измерений. Сразу отметим, проведение измерений без предварительного анализа, «в темную» - самый неэффективный способ, требующий неоправданно больших трудозатрат и, как правило, приводящий к серьезным ошибкам.

Первой задачей оператора является измерение всех выявленных в процессе предварительного анализа излучаемых в эфир и/или присутствующих в отходящих линиях сигналов, обусловленных работой встроенных автогенераторов в составе технических средств, а также их гармоник. Теоретически часть этих частот при реальных измерениях может быть и не обнаружена за счет:

- существующих в эфире и отходящих от ТС помех (при этом меры по борьбе с помехами должны быть приняты максимальные); здесь кстати вспомнить об экранированной камере;

- малой действующей высоты «случайных антенн», способных излучать сигналы тех или иных колебаний автогенераторов внутри самого ТС;

- преднамеренного или непреднамеренного (за счет размещения других блоков и модулей) экранирования как самих автогенераторов, так и отходящих от них физических цепей;

- наличия буферных каскадов на пути распространения сигналов автогенераторов и ряда других причин.

Эмпирических методов такого выявления довольно много и в настоящем курсе невозможно подробно рассказать о них всех. Каждый оператор должен решать эту задачу самостоятельно применительно к реальным условиям проведения измерений.

Обнаружением всех частот, на которых работают встроенные автогенераторы, выявленных в процессе анализа, задача не ограничивается. Всегда существует вероятность того, что проведенный анализ не является полным. К примеру, в современных сверхбольших интегральных микросхемах, как аналоговых, так и цифровых, имеется достаточно большое количество технологических генераторов, колебания которых теоретически также вполне могут модулироваться сигналами АЭП. В супергетеродинных приемниках при преобразовании входного радиосигнала неизбежно появление так называемых «зеркальных» частот, что так же должно учитываться при измерениях, несмотря на то, что такого автогенератора в приемнике нет. И хотя разработчики современных приемников стремятся максимально уменьшить уровень сигналов на этих частотах, вероятность модуляции «зеркальных» частот сигналами АЭП все-таки остается. Вспомним и о возможных различного рода «паразитных» модуляторах, о которых было сказано выше.

В связи с этим, кроме частот, определенных в результате проведенного анализа, необходимо обязательно проводить дополнительный поиск сигналов во всем диапазоне частот от 10 кГц до 1000 МГц. Все выявленные при поиске частоты также должны проверяться на наличие модуляции. В некоторых случаях обнаружение несущих частот автогенераторов и «продуктов» преобразований удобно проводить, использовав в качестве источника акустического сигнала датчик тест-сигнала, создающий на выходе акустический сигнал с 1...3 частотами в речевом диапазоне, промодулированных (манипулированных) частотой 0,5...2 Гц (упомянутая выше «пищалка»). Еще лучше такой сигнал подать на вход технического средства (если есть такая возможность). Такого рода сигналы очень хорошо выявляются на слух. Естественно, такого рода предварительный анализ нельзя считать окончательным, но некоторое снижение трудозатрат все же достигается.

На всех выявленных частотах необходимо измерить коэффициент и/или индекс модуляции акустическим сигналом. Способ определения вида модуляции (амплитудная или частотная) подробно изложен в упомянутой выше методике и приводить его здесь нет необходимости.

При проведении измерений следует иметь в виду следующее:

- при малых индексах угловой (частотной, фазовой) модуляции спектр сигнала полностью совпадает со спектром сигнала при амплитудной модуляции;

- при частотной модуляции индекс модуляции увеличивается прямо пропорционально номеру гармоники сигнала, и это еще раз подтверждает необходимость проведения исследований на максимально возможном измеряемом количестве гармоник сигналов автогенераторов.

Как уже указывалось ранее, выводы «ОС отсутствует» или «Модуляция опасным сигналом не обнаружена» недопустимы. В этих случаях необходимо проводить расчет «по шумам».

При организации работ следует учитывать, что измерения в области акустоэлектрических преобразований относятся к числу наиболее сложных инструментальных работ. Приходится учитывать очень большое число различных помех, создаваемых самим техническим средством, достаточно сложных и непостоянных во времени процессов, которые могут внести большие погрешности. Сами измерения весьма сложны, требуют значительных затрат времени. До настоящего времени не существует реальных средств автоматизации этих измерений, и поэтому почти все зависит от квалификации оператора.

Некоторую иллюстрацию затрат времени и объема работ может дать такой пример. Например, на исследования представлен телевизионный приемник (не видеодвойка) системы SEKAM, который в процессе эксплуатации будет работать в системе коллективного приема программ центрального и местного вещания на 10 точно определенных телевизионных каналах диапазона метровых и дециметровых волн. Известно, что в процессе эксплуатации приема других частотных каналов не предполагается.

При оценке трудозатрат на исследование возможной модуляции . колебаний ВЧ сигналов в данном телевизоре следует иметь в виду измерения модуляции на десяти частотах гетеродина с проверкой наличия модуляции и на их гармониках, промежуточных частот изображения и звука, а также их гармониках, на каждой рабочей частоте и гармониках цветовых поднесущих, частоте строчной развертки и ее гармониках, на гармониках ШИМ сигнала импульсного блока питания, далее частоты возможных биений между всеми ними в различных комбинациях и ряда, возможно, других генераторов и модуляторов. И все это в условиях достаточно высокого уровня помех, создаваемых работой различных узлов и блоков самого телевизора, не говоря уже о внешних помехах. Вариантов, как видим, достаточно много. Выполнение таких исследований, если их выполнять в полном объеме (а другого просто не дано) может занять не один рабочий день.

Обратим внимание еще на один немаловажный аспект. Как уже отмечалось при рассмотрении области акустики и виброакустики, нормированные величины опасных сигналов заданы на границе контролируемой зоны. Достаточно часто встречается вариант, при котором на выходе некого ВТСС, ну, скажем, телефонного аппарата, опасный сигнал несколько превышает норму. Однако нельзя забывать, что до границы контролируемой зоны, т.е. до того места, где потенциальный противник может подключиться именно к этой линии, тянется 50...70 м телефонной пары. Линий без затухания не бывает. При этом совершенно естественно предположение, что опасный сигнал может достаточно ослабнуть для того, чтобы норма была выполнена. И снова мы приходим к необходимости измерить реальное затухание, на сей раз в электрической линии. Однако, в принципе, ничего в методе не меняется. Необходимо ввести в линию большой тестовый сигнал, в этой же точке измерить его величину. А потом измерить тот же сигнал на другом конце линии. В общем-то, вполне тривиально.

Какие-то сложности могут быть только при осуществлении подключений к линии (ввода сигнала в линию и вывода из нее), например, к линии электропитания. Необходимо защитить генератор от сетевого напряжения и в то же время создать достаточный тестовый сигнал. Конструкции и схемы таких переходных устройств существуют, и грамотные специалисты в области специальных исследований владеют необходимым оборудованием и умением его применять.

Вопрос, которого необходимо здесь коснуться, - это вопрос о выборе частот, на которых должно оценивается реальное затухание.

Естественно, эти частоты должны выбираться из диапазона, в котором присутствует опасный сигнал. В пределе - весь диапазон, установленный регламентирующими документами. А вот «шаг» пробных частот не регламентирован. Поэтому мы считаем необходимым выбирать его настолько «частым», чтобы значения затухания в двух соседних по частоте точках не различались более, чем на 3 дБ. При выполнении этого условия можно быть уверенным, что не пропущены некие диапазоны частот с аномально низким затуханием.

Если в исследованном диапазоне затухание сильно разнится, то для финального расчета нужно брать либо минимальное его значение, либо усреднять его, обычно по среднеквадратичному закону.

Однако обольщаться на этот счет все-таки не стоит! Реальное затухание сильно зависит от частоты и среды распространения. В области речевых частот, например, километрическое (т.е. на километр длины) затухание телефонной пары с жилой диаметром 0,5 мм в многопарном кабеле на частоте 800 Гц составляет не более 1,5 дБ. В силовых цепях электропитания затухание сигнала речевого спектра может быть и несколько большим (правда, это не утверждение, а предположение), но поскольку на сегодня передача информации по сильноточным цепям в речевом диапазоне частот практически не применяется, то и не исследованы параметры передачи типовых силовых кабелей, а соответственно, заранее сказать что-либо определенное о вносимом той или иной цепью питания не представляется возможным.

В ВЧ диапазоне частот затухание низкочастотных (например, телефонных) кабелей также не нормируется и дать предварительную оценку затухания кабеля не представляется возможным.

Надо также иметь в виду, что при распространении ВЧ сигнала даже небольшого уровня, вполне вероятно взаимное влияние между кабелем, несущим информацию, и проложенными рядом с ним другими кабелями за счет параллельного пробега. Теория взаимных влияний между отдельными цепями хорошо проработана еще в 30 - 50 гг. XX в., и нет необходимости приводить ее в данном пособии. К услугам заинтересованных специалистов большое количество различного рода пособий, учебников и монографий на эту тему. Скажем только одно, вероятность перехода ВЧ сигнала на параллельно идущие кабели всегда существует, а степень ее малости можно оценить только экспериментально. Но для этого потребуется проведение измерений не в одном (влияющем) кабеле, а во всем пучке кабелей, имеющих параллельный пробег с влияющим, часто расходящимся на несколько направлений (например, телефонные, сигнализации, оповещения и ряд других).

Еще одним «подвидом» специальных исследований в области акустоэлектрических преобразований являются исследования эффективности различных видов систем активной защиты. Достаточно часто приходится это оценивать, особенно в части прямого акустоэлектрического преобразования, т.е. при зашумлении линий. Как правильно измерить сигналы и оценить эффективность систем активной защиты?

Во-первых, должен быть измерен опасный сигнал в соответствии с методикой в отсутствии зашумления. Рассчитано значение эквивалентного сигнала. Отдельно снимается (измеряется) спектр зашумляющего сигнала системы активной защиты в той же линии и, как правило, в той же точке. Точнее - огибающая спектральной плотности. Почему именно спектр, а не интегральное значение во всей заданной полосе частот?

Не так уж редок случай, когда в заданном диапазоне (не столь важно узок он или широк, важен принципиальный подход) огибающая шумового сигнала весьма неравномерна. При этом не исключен вариант, при котором в каких-то частотных интервалах соотношение сигнал/шум будет меньше нормируемого, хотя при использовании интегральных значений все укладывается в норму. Именно поэтому, если огибающая спектральной плотности шума оказалась заметно неравномерной, нужно либо отдельно рассчитывать соотношения сигнал/шум для разных частотных интервалов, либо подставлять при расчете минимальное значение шума. И снова приходится указывать, что все принятые допущения и варианты измерений и расчетов должны быть изложены в протоколе.

При проведении специальных исследований технических средств необходимо рассматривать еще один канал возможной утечки - канал, образуемый за счет «паразитной» высокочастотной генерации (ПВЧГ) усилительных устройств в широком смысле этого слова. Возникновение генерации в усилительных устройствах всегда связано с наличием в них обратной связи (под которой понимается процесс передачи части выходного сигнала усилителя на его вход), как специально вводимой в схемы усилителей для стабилизации его параметров, так и образующейся за счет различного рода «паразитных связей» (емкости и индуктивности монтажа), старения элементов, и как следствие этого изменения их параметров и ряда других причин.

В топологии построения современных микросхем предусмотреть все «паразитные связи» практически невозможно. Дополнительно к этому в современных электронных схемах ПВЧГ в значительной мере определяется в том числе и очень высокой граничной частотой применяемых в настоящее время транзисторов f_rp, (часто называемой частотой единичного усиления), микросхемы ведь тоже состоят в основном из транзисторов. Перечислять все причины возникновения ПВЧГ не имеет смысла - они подробно излагаются в курсе теоретической радиотехники.

В практике проведения исследований по наличию/отсутствию ПВЧГ встречались случаи, когда причиной появления «паразитной» в.ч. генерации в усилителях звукового диапазона частот в области 50...200 МГц являлось превышение допустимого уровня примесей в кристалле микросхемы аналогового усилителя.

Нередки случаи возникновения ПВЧГ в усилительных устройствах, выполненных с применением транзисторов и с достаточно низкой граничной частотой (чаще всего в блоках питания различных технических средств) далеко за пределами f_rp. Объяснение этому явлению достаточно простое. С одной стороны, разработчики радиотехнических устройств при разработке схемотехники, как правило, выбирают транзисторы с f_rp как минимум на порядок выше, чем максимальная частота усиливаемых сигналов. С другой стороны, «поведение» частотной характеристики за пределами f_rp паспортными данными на транзисторы не нормируется. Достаточно часто встречаются случаи (и это подтверждено многочисленными экспериментами), когда АЧХ коэффициента усиления транзистора за пределами граничной частоты имеет резкий подъем (К_ус » 1), т.е. транзистор снова начинает усиливать.

Типовая схема усилителя с ОС приведена на рис. 5.16.

В приведенной схеме U_BX - напряжение на входе собственно усилителя; U_oc - напряжение обратной связи; К = U_BыX /U₀ - коэффициент усиления собственно усилителя (без ОС); β= U_0C/ U_BыX -коэффициент передачи петли обратной связи.

В теории усилительных устройств коэффициент усиления усилителя с обратной связью принято определять как

а параметр kβ= U_0C/ U_BыX - как фактор обратной связи, или коэффициент усиления разомкнутого кольца обратной связи.

Величина (1 kβ -) носит название глубины обратной связи.

Как следует из формулы (5.8), при значениях 0 < kβ < 1 коэффициент усиления усилителя с обратной связью К_ос становится больше коэффициента усиления собственно усилителя К. Это соответствует положительной обратной связи (ГЮС), при которой напряжение обратной связи U_oc поступает на вход усилителя в фазе с входным U_BX, вследствие чего

U₀=U_BX+U_0C (5.9)

Значение kβ = 1 характеризует условие самовозбуждение усилителя, когда он превращается в автогенератор широкого спектра частот, независимо от частоты входного сигнала.

Когда напряжение ОС находится в противофазе с входным, формула (5.9) перепишется следующим образом

U₀=U_BX-U_0C

В этом случае нетрудно показать, что

К_ос = К/(1 + kβ),

т.е. коэффициент усиления усилителя уменьшится в 1 + kβ раз. Такая обратная связь в усилителях называется отрицательной.

Наиболее наглядно влияние обратной связи на коэффициент усиления усилителя с ОС иллюстрируется с помощью графика (рис. 5.17), на котором можно выделить три характерные области:

- kβ = 0, так как К ≠ 0, то β = 0 и коэффициент усиления усилителя равен К;

- kβ -> 1, Кос->∞. Физически бесконечно большая величина коэффициента усиления означает, что усилитель превращается в автогенератор электрических колебаний;

- kβ < 0, что соответствует отрицательной ОС, частным случаем которой является 100 % ОС, при которой K_ос = 1 /β и не зависит от усиления собственно усилителя.

Практические схемы усилителей с ОС всегда содержат реактивные элементы, накапливающие энергию. Как уже говорилось выше, это могут быть межэлектродные емкости транзисторов и микросхем, паразитные емкости монтажа, индуктивности печатных проводников и монтажных проводов и т.д.

Реактивные элементы создают дополнительные фазовые сдвиги усиливаемых сигналов. Если на какой-то частоте сумма этих фазовых

К_ос

k

1/β

-1 1

-

-k β ООС 0 ПОС k β

Рис. 5.17. Влияние обратной связи на коэффициент усиления усилителя

сдвигов достигает 180°, то ОС из отрицательной переходит в положительную, превращая усилитель в автогенератор. В этом случае говорят о неустойчивости усилителя. Именно такой режим характеризует появление «паразитной» ВЧ генерации. Изменение параметров усилителей может быть вызвано, в частном случае, и воздействием акустических сигналов на элементы исследуемых ТС, о чем говорилось в разделе по модуляции.

В теоретической радиотехнике разработано много критериев определения устойчивости усилителей, наибольшее распространение из которых получил частотный критерий или критерий Найквиста, при котором исследуется комплексный частотный коэффициент передачи усилителя с разомкнутым кольцом обратной связи, так называемой амплитудно-фазовой характеристики (АФХ). По определенной методике с помощью АФХ определяют устойчивость усилителя.

Совершенно понятно, что такая методика определения устойчивости приемлема только для относительно типовых и простейших усилительных каскадов, и то только при их разработке, расчет всего многообразия усилителей, входящих в состав д