Материал: Методичка_лб-04_монитор

9

Лабораторная работа №4

Исследования побочных электромагнитных излучений монитора персонального компьютера

1. Цель и задачи лабораторной работы

Исследование побочных электромагнитных излучений (ПЭМИ) монитора персонального компьютера в диапазоне частот 30 – 1000 Мгц с использованием программно-аппаратного комплекса на основе приемника AR-5000A, сопряженного с персональным компьютером типа "ноутбук". Приобретение основных навыков работы с программно-аппаратным комплексом, генераторами шума и генераторами стандартных ВЧ – сигналов.

2. Теоретическое введение

2.1 Побочные электромагнитные излучения персонального компьютера

Работа персонального компьютера (ПК), как и любого другого электронного устройства, сопровождается электромагнитными излучениями радиодиапазона. Для ПК эти излучения регистрируются в диапазоне до 1 ГГц с максимумом в полосе 50 МГц-300 МГц. Такой широкий спектр излучения объясняется тем, что в устройствах вычислительной техники (ВТ) информацию переносят последовательности прямоугольных импульсов малой длительности. Поэтому непреднамеренное излучение будет содержать составляющие с частотами как первых гармоник, так и гармоник более высоких порядков. К появлению дополнительных составляющих в побочном электромагнитном излучении приводит и применение в ВТ высокочастотной коммутации.

Говорить о какой-либо диаграмме направленности электромагнитных излучений ПК не приходится, так как на практике расположение его составных частей (системный блок, монитор, соединительные кабели и провода питания) относительно друг друга имеет неограниченное число комбинаций. Поляризация излучений ПК - линейная. В конечном счете она определяется расположением соединительных кабелей, так как именно они являются основными источниками излучений в ПК, у которых системный блок имеет металлический кожух

Самым мощным источником излучения в ПК является система синхронизации. Однако перехват немодулированных гармоник тактовой частоты вряд ли сможет кого-нибудь заинтересовать. При использовании для перехвата ПЭМИ обычного бытового радиоприемника возможно распознавание на слух моментов смены режимов работы ПК, обращения к накопителям информации на жестком и гибком магнитных дисках, нажатия клавиш и т.д. Но подобная информация может быть использована только как вспомогательная и не более. Таким образом, не все составляющие побочного излучения персональных компьютеров являются опасными с точки зрения реального перехвата обрабатываемой в них информации. Для восстановления информации анализ уровня электромагнитных излучений недостаточен, нужно еще знать их структуру. Поэтому в техническом плане проще всего решается задача перехвата информации, отображаемой на экране монитора ПК.

Информация, отображенная на экране монитора, может быть восстановлена в монохромном виде с помощью обыкновенного телевизионного приемника. При этом на экране телевизионного приемника изображение будет состоять из черных букв на белом фоне, а на экране монитора ПК - из белых букв на черном фоне. Это объясняется тем, что в отличие от дисплея максимум видеосигнала в телевизионном приемнике определяет уровень черного, а минимум - уровень белого. Выделение из ПЭМИ ПК информации о сигнале синхронизации изображения представляет собой довольно сложную техническую задачу. Гораздо проще эта проблема решается использованием внешних перестраиваемых генераторов синхросигналов. Даже при использовании обычных комнатных телевизионных антенн перехват информации может быть осуществлен на расстояниях порядка 10-15 метров. При использовании направленных антенн с большим коэффициентом усиления дальность перехвата возрастает до 50-80 метров. При этом лучшее качество восстановления информации соответствует текстовым изображениям. Современный уровень развития электроники позволяет изготовить подобные устройства перехвата информации небольших размеров, что обеспечит необходимую скрытность их работы.

2.2 Информативные побочные электромагнитные излучения

Информативными ПЭМИ называются сигналы, которые представляют собой ВЧ – несущую, модулируемую информацией, обрабатываемой средствами вычислительной техники (СВТ), например изображением, выведенным на монитор (рис.1), данными, обрабатываемыми на устройствах ввода-вывода и т.д.

Рисунок 1 – Сигнал изображения, выводимый на монитор

Неинформативными ПЭМИ называют сигналы, анализ которых может дать представление только о режиме работы СВТ и никак не отражает характер обрабатываемой информации. Согласно действующим нормативно-методическим документам (НМД), при проведении специсследований требуется измерять информативные ПЭМИ, то есть такие излучения и наводки, создаваемые исследуемым техническим средством, которые содержат обрабатываемую данным техническим средством информацию. Такие излучения составляют лишь малую долю от всего спектра излучений технического средства. Все прочие излучения не должны фиксироваться.

2.3 Источники пэми

В СВТ выделяют два основных вероятных источников ПЭМИ: сигнальные кабели и высоковольтные блоки. Для излучения сигнала в эфир необходима согласованная на конкретной частоте антенна. Такой антенной являются длинные линии передачи данных – соединительные кабели. В то же время усилители видеосигналов в электронно-лучевых трубках мониторов СВТ имеют большую энергетику и также выступают как излучающие системы.

2.4 Методы поиска сигналов пэми

Для того чтобы выделить информационные ПЭМИ, на исследуемом техническом средстве предусматривают специальные тестовые режимы работы. Требования к тестам определяются в соответствующих ГОСТах и методиках. Информационные ПЭМИ от технического средства в тестовом режиме должны иметь максимально возможный уровень и легко опознаваться на слух. При поиске ПЭМИ исследователь прослушивает через головные телефоны сигналы на выходе демодулятора измерительного прибора, одновременно наблюдая осциллограммы этих сигналов. Если обнаружен сигнал, похожий на искомый тестовый сигнал, исследователь путем выключения и включения тестового режима исследуемого технического средства убеждается в том, что сигнал действительно генерируется именно этим средством и является информационным побочным излучением (наводкой). Таким образом, первым критерием для исследователя является информационная окраска искомого сигнала. Второй, не менее важный критерий, – изменение уровня на частоте обнаруженного сигнала при включении и выключении теста на исследуемом техническом средстве. Инженер может столкнуться с трудностями при регистрации измерений уровня, если уровень ПЭМИ в тестовом режиме незначительно отличается от уровня в штатном режиме, и в этом случае, зачастую, приходится принимать решение об отнесении данного сигнала к спектру ПЭМИ, основываясь только на наличии информационной окраски.

Как известно, большинство информационных ПЭМИ представляют собой последовательность прямоугольных импульсов (пачек прямоугольных импульсов). Спектр такого сигнала описывается функцией (sin x)/x и имеет следующий вид (см. рисунок 2).

Рисунок 2 – Спектр ПЭМИ

В связи с тем, что уровень боковых составляющих сигналов, имеющих звуковую огибающую, ниже уровня центрального пика, при уровне сигнала, незначительно превышающем уровень шума, боковые составляющие могут оказаться ниже уровня шума, и звуковая огибающая не будет слышна. Для того чтобы все же услышать звуковую огибающую, требуется подносить антенну вплотную к техническому средству, тем самым, повышая отношение сигнал/шум. Для измерения же уровня сигнала антенну, в соответствии с методикой, следует относить на расстояние 1м.

На сегодняшний день широко используется четыре основных метода поиска сигналов ПЭМИ, а также их комбинации.

Первый метод – метод сравнения панорам. Он заключается в том, что при включении тестового режима в радиоэфире появляются новые сигналы (сигналы ПЭМИ), которые легко обнаружить путем сравнения двух панорам: с включенным и выключенным тестовым сигналом. Этот универсальный метод позволяет находить сигналы ПЭМИ, модулированные тестовым сигналом.

На практике данным методом устойчиво обнаруживаются только сильные сигналы ПЭМИ, превышающие уровень шума не менее, чем на 6-10 дБ. Более слабые сигналы модулируются шумом и обнаруживаются нестабильно.

Для выявления слабых сигналов используются алгоритмы накопления и усреднения, которые уже давно применяются для выделения сигналов из шума. На рис.3 показан один и тот же участок спектра, полученный без усреднения (левая часть рисунка) и с усреднением 15 раз). Применение алгоритмов усреднения на сертификационных испытаниях дало возможность стойко выявлять сигналы, что находятся всего на 0,5 дБ выше уровня шума и даже на 1 дБ ниже уровня шума.

Рисунок 3 – Участок спектра, полученный без усреднения (левая часть рисунка) и с усреднением 15 раз (правая часть рисунка)

Второй метод - метод аудио-визуального поиска сигналов ПЭМИ. Его суть заключается в том, что оператор просматривает спектры сигналов, полученные при включенном и выключенном тестовом сигнале. Подозрительные сигналы исследуются по виду осциллограмм, спектрограмм и демодулированному аудиосигналу.

Обычно этим методом обнаруживаются только те сигналы, которые можно услышать в динамиках и увидеть на графиках, то есть сигналы, имеющие отношение сигнал/шум больше 2—4 дБ. Реализация методов накопления и усреднения при получении панорам обеспечила визуальное обнаружение даже тех сигналов, которые на слух идентифицируются с большим трудом.

Третий метод – поиск сигнала по гармоникам – заключается в прогнозировании частоты гармоники, очень точной настройке на нее и последующем подборе оптимальной полосы пропускания, исходя из конкретных условий приема.

В данном методе поиска эффективно используется свойство пикового детектора: амплитуда сигнала не изменяется при изменении полосы пропускания, а шум уменьшается пропорционально корню квадратному из полосы пропускания. Практические результаты показали, что данным методом легко выявляют даже такие сигналы, которые опытному оператору найти крайне тяжело. Тридцать-сорок частот ПЭМИ монитора – нормальное явление для этого метода выявления.

Отображенный в последнее время в рекламе корреляционный метод поиска вместе с преимуществами имеет и ряд недостатков, что снижает его применение в измерительных комплексах.

2.5 Приборы для измерения пэми

В настоящее время для проведения исследований ПЭМИ допустимо использовать лишь такой комплекс аппаратуры, основу которого составляет измерительный приемник или анализатор спектра с набором соответствующих измерительных антенн.

Селективные микровольтметры вполне подходят для высокоточных измерений напряженности слабых электрических и магнитных полей. В то же время они не дают возможности наблюдать панораму сигналов и не выдерживают сравнения с современными измерительными приемниками и анализаторами спектра по производительности и эргономичными показателями.

Измерительные приемники в наибольшей степени отвечают требованиям, которые предъявляются к аппаратуре для исследований ПЭМИ. Они обеспечивают высокую точность измерений при сравнительно небольших трудозатратах.

Значительная часть измерительных приемников дает возможность видеть панораму исследуемого диапазона частот, анализировать сигналы при одновременном наблюдение результатов их детектирования разными типами детекторов. Однако цена измерительных приемников достаточно высока.

Анализаторы спектра по своими функциональным возможностям вполне сопоставимы с измерительными приемниками. На стадии обнаружения ПЭМИ они иногда даже удобнее приемников.

В большинстве анализаторов спектра отсутствует преселектор. Вместе с тем, цена современного анализатора спектра вдвое - втрое ниже цены аналогичного по частотному диапазону измерительного приемника.

В некоторых отдельных ситуациях можно признать допустимым использование для обнаружения и измерения ПЭМИ сканирующего радиоприемника, который калибрируется посредством внешнего эталонного генератора. Однако потребители должны иметь четкое представление применения такой аппаратуры.

В настоящее время существуют также автоматизированные измерительные комплексы ПЭМИ, такие как “Навигатор”, которые позволяют вести поиск сигналов, как в автоматических, так и в полуавтоматических и ручных режимах.

З. Порядок проведения измерений

Инструментальная часть метода включает:

• Установку режима тестирования для исследуемого ПК в соответствии с требованиями к тестовым режимам работы технических средств.

• Определение инструментальным путем частотного спектра ПЭМИ излучаемого монитором (сигнальным кабелем монитора) исследуемого ПК, состоящего из набора спектральных составляющих f₁, f₂,..., f_i,… f_k (где i — натуральные числа от 1 до k; k — число, соответствующее полному набору спектральных составляющих).

• Определение направления максимального излучения по каждой спектральной составляющей ПЭМИ.

• Установку антенны приемника AR5000A на расстоянии R₀ от исследуемого ПК (источника излучения). Исходя из требований минимального влияния суммарной погрешности (ошибки в выборе расстояния) на результат измерений, значение расстояния R₀ от исследуемого монитора ПК до места установки антенны рекомендуется принять равным 1м.

• Измерение напряженности электромагнитного поля по электрической составляющей Е, в диапазоне частот от 9 кГц до 1000 МГц в направлении минимального расстояния до границы контролируемой зоны (КЗ) объекта (разведопасное направление).

Частотный спектр ПЭМИ исследуемого ПК определяют по идентификационным признакам (чаще по звуковой окраске) тестового режима его работы. Для обнаружения всех информативных составляющих сигналов ПЭМИ антенну измерительного приемника устанавливают на минимальном расстоянии от исследуемого ПК. Анализ спектра производят в диапазоне частот от 9 кГц до 1000 МГц. По результатам анализа определяют f₁, f₂,...,f_i,…f_k..

Направление максимального ПЭМИ для 1-ой спектральной составляющей информативного сигнала определяют в горизонтальной плоскости путем поворота ПК на 360 градусов вокруг своей оси (рис. 4).

Рис.4 – Схема размещения ПК при проведении измерений.

Направлением максимального излучения считают то направление, при котором регистрируется максимальное значение измеряемой величины.

На частотах f₁,f₂,…..,f_i,…f_k. при расстоянии от исследуемого монитора ПК до места установки антенны приемника равным 1м измеряются (в дБ) ряды значений напряженности электрической составляющей поля Е_i в диапазоне частот от 9 кГц до 1000 МГц, создаваемые информативным сигналом.

При выключенном ПК на частотах f₁,f₂,…..,f_i,…f_k измеряются ряды значений напряженности E_шi создаваемые шумом в месте проведения измерений.

Величины Е_i и E_шi измеряются в дБ относительно 1 мкВ/м. При расчетах используются значения этих величин в мкВ/м. Перевод выполняется по формулам:

Е_i=10^{0,05Еi(дБ)} (мкВ/м);

Е_шi=10^{0,05Ешi(дБ)} (мкВ/м).

Вычисляется значение напряженности электромагнитного поля по электрической составляющей Е_ci, созданного тестовым информативным сигналом на частотах f_i , по формуле

Е_ci =

где Е_i — уровень напряженности поля при работе ПК в тестируемом режиме;

Е_шi — уровень шума (напряженность поля при выключенном ПК).

Результаты измерений заносятся в таблицу 1.

Табл.1