Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Пятница, 24 ноября
 
 


Это интересно!

Ранее

Мультимедийные возможности процессора Samsung S3C6410

Насыщенный рынок электроники диктует жесткие условия производителям комплектующих и компонентов, потому в лидеры удается выбиться лишь избранным, тем, кто наряду с современными технологиями может предложить приемлемое по стоимости решение. Одним из таких решений является процессор S3C6410 от компании Samsung. Его высокая производительность, богатая периферия, набор интерфейсов и контроллеров памяти позволяют разработчикам создавать целый спектр электронных устройств с расширенными мультимедийными возможностями. В размах данной статьи мы рассмотрим характеристики процессора S3C6410 и попробуем разобраться, в каких электронных устройствах он может занять свое достойное место.

Новые стандарты IEEE 802.1: единая сеть для всех типов данных

В статье описаны протоколы передачи аудио- и видеопотоков по линиям Ethernet.

3D-технологии

В статье кратко описаны основные походы к созданию и воспроизведению трехмерного видео. Выделены достоинства и недостатки каждой технологии. Рассмотрены стандарты передачи цифрового 3D-сигнала.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

17 мая

Перспективы использования электромагнитного оружия в информационной борьбе и методы защиты от него

В связи с появлением и развитием электромагнитного оружия РЧ-диапазона появилось большое количество российских и зарубежных публикаций по этой тематике, посвященных техническим и боевым характеристикам этих систем. Целью данной статьи является систематизация сведений о факторах физического воздействия электромагнитного оружия (ЭМО) средней мощности на электронные системы и о технических средствах защиты от них. Приведены некоторые методики численных оценок воздействия ЭМО, принципиальные электрические схемы защиты электронных устройств и результаты исследования, проведенного автором.



1. Виды и принципы действия ЭМО

Радиочастотное электромагнитное излучение (РЧЭМИ) — новое перспективное средство радиоэлектронной борьбы, получившее свое развитие в 90-е гг. прошлого века и продемонстрировавшее способность в высокой степени нарушать функционирование информационных систем.

Эффективность использования РЧЭМИ обусловлена высокой плотностью информационных потоков в основных сферах деятельности современных государств по управлению экономикой, производством, обороной страны. Нарушение, даже кратковременное, функционирования информационно-управляющих систем может вызвать тяжелые последствия.

Средства радиоэлектронного нападения также могут использоваться злоумышленниками для взлома электронных замков (в т.ч. замков-невидимок!), электронных пломбирующих устройств, для кратковременной блокировки работы электронных объектовых систем безопасности (СКУД и др.) при проникновении на объект. Активные ЭМ-помехи могут использоваться злоумышленниками и при взломе автомобильных охранных систем. Для организации такого рода атак может применяться РЧЭМИ средней мощности (до 1 ГВт в импульсе) трех типов на основе вакуумных электронных трубок с сетчатым катодом — виркаторов [1]; спиральных генераторов частоты с взрывным сжатием магнитного поля (взрывомагнитные генераторы частоты — ВМГЧ) [1] и полупроводниковых генераторов наносекундных помех [2].

Рассмотрим кратко принципы действия этих видов РЧЭМИ.

1.1. Виркатор

Идея, лежащая в основе виркатора (см. рис. 1а), заключается в ускорении мощного потока электронов сетчатым анодом. Электроны, испускаемые графитовым катодом 1 и проходящие анод 2, формируют за ним облако пространственного заряда 3, которое осциллирует с частотами микроволнового диапазона. Их значение определяется размерами резонансной полости пространственного заряда. Мощность ЭМИ выводится с помощью конической рупорной структуры 4. Уровни мощности виркаторов лежат в диапазоне 500 кВт…3 ГВт в импульсе в диапазоне волн от сантиметрового до дециметрового. Длительность импульса виркатора составляет несколько микросекунд. Излучение виркатора в силу резонансного принципа действия носит узкополосный (1—2% от центрального значения длины волны) и направленный характер (единицы градусов). Габариты виркаторов достигают порядка 2 куб.м.

Рис. 1. Блок-схемы виркатора (а) и SOS-генератора (б)

Атаку с применением виркаторов невозможно обнаружить без специальных приборов, поэтому в случае неудачи преступники могут повторить попытку. К недостаткам виркаторов следует отнести, во-первых, узкополосность радиоизлучения и настройку на рабочую частоту атакуемых устройств, что потребует проведения предварительной технической разведки последних, и, во-вторых, относительную сложность и высокую стоимость технологии изготовления.

1.2. Спиральный взрывомагнитный генератор частоты

Принцип действия ВМГЧ основан на прямом преобразовании химической энергии взрывчатого вещества (ВВ) в электромагнитное излучение.

На сегодняшний день (из неядерных) именно химические ВВ имеют максимальную плотность хранения энергии ~10000 Дж/куб.см. Эта величина на 4 порядка больше плотности энергии в щелочном заряженном аккумуляторе и на 5 порядков выше, чем в высоковольтном конденсаторе. Кроме того, два последних типа источников не позволяют за единицы микросекунд преобразовать накопленную энергию в излучение.

ВМГЧ состоит из медной трубки, снаряженной ВВ, соосной трубке спиральной обмотки индуктивностью 5…10 мкГн, к которой подключен высоковольтный, предварительно заряженный конденсатор, имеющий емкость порядка 0,01…0,1 мкФ. Обмотка имеет переменную плотность для максимального усиления тока в LC-контуре. К конденсатору подключается антенна, которой может стать кусок толстого медного кабеля. Взрыв расширяет трубу, образуя сходящийся конус, который подключает заряженный конденсатор и далее, двигаясь по виткам спирали, последовательно закорачивает их. Осциллирующий в переменном LC-контуре ток усиливается по закону [1] I = (Lo/L)∙Io, где I и Io — текущее и начальное значения тока; L и Lо — текущее и начальное значения индуктивности соответственно (единицы нГн…единицы мкГн).

Таким образом, усиление может достигать порядка 1000, и при начальном токе в 3…5 А величина тока в антенне в конце процесса составляет 3…5 кА. Кроме того, компрессия магнитного поля в трубке вызывает (в соответствии с законом электромагнитной индукции) появление в нарастающих по частоте и амплитуде колебаний тока дополнительных гармоник, что существенно расширяет спектр излучаемой ЭМ-помехи. Она становится сверхширокополосной (СШП) — отношение центральной частоты к полосе излучаемых частот близко к 1. Как известно, СШП-сигналы имеют однородное пространственное распределение (круговая диаграмма направленности).

Взрывомагнитный генератор излучает не один импульс, а пачку — волновой цуг длительностью ~10 мкс с непрерывно меняющейся частотой. Мощность излучения за первые 3 мкс составляет ~240 МВт, за оставшиеся 7 мкс — 6 ГВт.

1.3. Полупроводниковые генераторы наносекундных импульсных помех

Принцип действия генераторов основан на эффекте SOS (Semiconductor Opening Switch — полупроводниковый размыкатель) — наносекундной коммутации сверхплотных токов в специальных полупроводниковых диодах.

Блок-схема SOS-генератора показана на рисунке 1б. Управляемое микроконтроллером 1 тиристорное зарядное устройство 2 осуществляет импульсный отбор энергии от источника питания 6, которая за время 10…100 мкс при напряжении 1…2 кВ поступает в магнитный компрессор 3. Он сжимает энергию во времени до 300…600 нс и повышает напряжение до сотен кВ. SOS-диод 4 выступает в роли усилителя мощности, отдавая в нагрузку 5 высоковольтные импульсы 5…100 нс с пиковой мощностью до 5 ГВт и током 5 кА. Нагрузка через коаксиальный кабель согласована с выходной антенной. Частота повторения импульсов может достигать 2 кГц. Длительность импульсного пакета равна 30…60 с.

Достоинствами таких генераторов являются сверхширокополосность, малогабаритность, круговая диаграмма направленности и большая длительность излучения.

2. Физические факторы воздействия РЧЭМИ на электронные системы

Целью электромагнитной атаки на электронные устройства является временное «ослепление» его электронных схем, вызванное перегрузкой сигнальных и силовых цепей под действием наведенных облучением токовых помех и частичной деградации цифровых и аналоговых полупроводниковых элементов. Необходимое минимальное время воздействия ЭМ-облучения должно значительно (в 100—1000 раз) превышать длительность цикла обработки информации электронным устройством, например, цикл обмена сигналами идентификации между RFID-меткой (пультом ДУ) и считывателем в системах контроля доступа или автомобильной сигнализации. Стойкое поражение цели нецелесообразно, т.к. требует очень большой мощности.

Эффекты воздействия РЧЭМИ многообразны и трудно предсказуемы. Однако можно выделить ряд основных процессов, происходящих при облучении цели.

2.1. Проникновение переменной магнитной компоненты ЭМ-излучения в проводящее вещество индуцирует в нем токи, которые приводят к локальным падениям напряжения и генерируют мощные наводки даже в хорошо экранируемых электронных блоках.

2.2. Поскольку экранирование неидеально (наличие кабельных вводов, индикаторов и т.д.), то из-за дифракционных явлений РЧЭМИ может проникать внутрь.

2.3. Любое электронное устройство излучает. Поэтому на основании теоремы взаимности, утверждающей, что электрическая цепь принимает ЭМ-волну данной частоты с данного направления тем эффективнее, чем эффективнее она излучает на данной частоте в данном направлении, любое электронное устройство превращается в приемник РЧЭМИ-сигнала.

По спектральному составу помехи РЧЭМИ условно делятся на кондуктивные (0,1–30 МГц) и радиопомехи (выше 30 МГц).

Воздействие ЭМИ по физическому принципу и степени опасности для РЭА подразделяют на 3 категории:

– воздействие напряжений помех на схемы функциональных частей в результате прохождения тока наводки через резистивные, емкостные и индуктивные элементы, соединенные с внешними разъемами РЭА;

– воздействие напряжений помех в цепях аппаратуры, индуцированных электромагнитными полями, которые возникают в момент воздействия РЧЭМИ;

– воздействие напряжений помех на клеммы аппаратуры, вызванных протеканием тока по экранам кабелей, корпусным цепям и элементам конструкции.

Величину наведенной разности потенциалов U на электронный компонент размером L можно оценить из следующих соотношений:

U = E∙L,

где E — напряженность электрического поля в точке приема;

,

где P — мощность электрического поля в точке приема; µ и é — магнитная и электрическая проницаемости среды; µ0 и é0 — магнитная и электрическая постоянные.

Значение величины мощности в точке приема для конкретного типа излучателя можно оценить по изложенной, например, в [3] методике.

Как показали проведенные исследования, вероятность вывода из строя включенной аппаратуры существенно выше, в 2—4 раза, чем выключенной.

Особую опасность представляют микро- и наносекундные импульсные помехи для аппаратуры, содержащей программируемые компоненты (микроконтроллеры, DSP и т.д.), поскольку они могут воздействовать на цепи сброса процессоров и задающих генераторов, что приводит к сбоям работы управляющих программ. Хотя многие электронные компоненты оборудованы цепями защиты для стока электростатических зарядов, периодическое высокое импульсное напряжение вызывает их повреждение.

3. Методы защиты РЭС от электромагнитного радиочастотного оружия

Методы защиты условно можно разделить на пассивные (применение различного рода экранов) и интеллектуальные (специальная защитная схемотехника с использованием внешних электромагнитных сенсоров).

Пассивные методы

3.1. Наиболее эффективный метод защиты РЭА состоит в том, чтобы поместить ее целиком в электропроводящую ячейку, называемую клеткой Фарадея. Однако большая часть РЭА должна иметь внешние коммуникации, что приводит к появлению «точек входа», через которые организованные ЭМ-помехи могут проникать в аппаратуру и вызывать ее повреждение. Поэтому на входе в блок электропроводящих каналов должны применяться специальные защитные схемы и металлические экранированные кабельные вводы.

3.2. Заземление и корпусирование электронных блоков. Если электронное устройство состоит из конструктивно законченных блоков, то существуют два типа земляных шин — корпусная и схемная. Корпусная шина, согласно требованиям электробезопасности, подключается к земляной шине, проложенной в помещении. Схемные шины должны быть изолированы от корпусов и объединяться индивидуальными проводами в точке В, а корпусные — в точке А, приближенной к точке В (см. рис. 2). При несоблюдении этого требования импульсные напряжения, создаваемые уравнивающими и наведенными токами на земляной шине, фактически прилагаются к входным компонентам схем, что может вызвать ложные срабатывания и, возможно, их отказы.

Рис. 2. Два типа шин заземления

Для уменьшения глубины проникновения магнитной составляющей в корпус защищаемого устройства его экран должен выполняться из проводящих немагнитных материалов, например, нержавеющих сталей. Как показали проведенные исследования, экран толщиной 1мм, выполненный из нержавеющей стали марки 08Х22Н6Т, ослабляет низкочастотное переменное магнитное поле примерно в 250—300 раз. В эксперименте магнитное поле создавалось псевдослучайной импульсной последовательностью токов амплитуды 2 А/200 В постоянного напряжения, проходящей через соленоид с индуктивностью ~2 Гн, который коммутировался электронным ключом. Спектр сигнала имел частоту среза 1 кГц и неравномерность в полосе частот ±2 дБ. Относительные изменения величины поля внутри корпуса (с экраном и без) регистрировались с помощью одноосевого магниторезистивного сенсора HMC 1001 фирмы Honeywell в полосе частот спектра. В процессе эксперимента был зафиксирован также разогрев экранированного корпуса до температуры 60…65°С, вероятно, из-за воздействия вихревых токов Фуко. Но эта проблема решается с помощью конвекционного теплообмена материала корпуса с внешней средой. Для повышения скорости теплообмена возможно ребристое выполнение боковых граней корпуса.

Интеллектуальные методы

Интеллектуальные (активные) методы состоят в специальной защитной схемотехнике на основе микроконтроллера или DSP. К ним подключаются датчики электромагнитного облучения (детекторы напряженности поля) на разные частотные диапазоны, чтобы перекрыть весь наиболее энергетически значимый участок спектра излучения РЧЭМИ (10 МГц…3 ГГц), и датчики превышения номинального тока в информационных магистралях. Детектор поля должен обладать интегральной чувствительностью не хуже –40 дБм. При разработке схемотехники защиты от электромагнитных помех современной РЭА необходимо учесть следующие факторы.

– Импульсные помехи даже сравнительно небольшой энергии могут иметь значительную амплитуду по напряжению. Действительно, энергия импульса, выделяющаяся на активном сопротивлении, определяется как

,

где u = u(t) — напряжение; r — сопротивление; Т — длительность импульса.

Таким образом, при меньшей длительности импульс той же энергии может иметь большую амплитуду. Большие значения пикового напряжения импульса могут привести к пробою элементов на входе электронного модуля, не рассчитанных на слишком высокое напряжение. Возникающая при пробое дуга может сохраняться и после окончания импульса за счет обычного напряжения питания.

– Динамические характеристики самого блока питания также повышают опасность возникновения помех в цепях питания с ростом их частоты. Современные блоки питания имеют структуру системы автоматического регулирования. Обычно такая система проектируется в расчете на относительно низкочастотные возмущения на входе. Попадание на вход высокочастотных помех может вызвать нежелательную реакцию системы (резонансные эффекты, автоколебания и т.д.). В результате стабильность напряжения на выходе блока питания нарушается, вызывая отказ аппаратуры. С дальнейшим ростом частоты помехи (от десятков МГц до ГГц) большое значение начинают играть паразитные емкостные и индуктивные связи. В результате (как и в случае информационных цепей) составляющие помехи могут в обход установленных защитных элементов проникать вглубь аппаратуры и нарушать работу ее цифровых узлов.

3.3. Схемотехническая защита цепей электропитания показана на рисунке 3. Эта схема включается в цепь первичной обмотки силового трансформатора и состоит из сверхбыстрых (~30 мс) предохранителей F1 и F2; ограничителя напряжения D1, D2 (супрессоры, или TVS-диоды); сетевого фильтра и оптосимисторных ключей D3 и D4. TVS-диод представляет собой быстродействующий стабилитрон, оптимизированный по времени срабатывания и максимуму поглощаемой мощности [4]. Супрессоры популярной серии 1.5КЕ фирмы Transil поглощают мощность 1500 Вт импульса треугольной формы и могут пропускать ток до 200 А в течение 1 мс. TVS-диод обладает высоким быстродействием, в отличие от газоразрядных ограничителей (разрядников), которые из-за значительного времени срабатывания (более 0,5 мкс) не обеспечивают защиту многих полупроводниковых приборов и микросхем, т.к. для них недопустимы пропускаемые разрядниками начальные выбросы напряжения.

Рис. 3. Схемотехническая защита цепей электропитания

Преимуществом TVS-диодов перед разрядниками является то, что напряжение пробоя у них ниже напряжения ограничения (у разрядников оно значительно выше напряжения поддержания разряда), поэтому при их применении, в отличие от разрядников, защищаемые цепи не шунтируются после прохождения импульса тока переходного процесса. Время срабатывания TVS-диодов — менее 10 нс. Это позволяет использовать их для защиты различных радиочастотных цепей, в состав которых входят чувствительные к переходным процессам полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы. Другой важной характеристикой TVS-диодов является барьерная емкость р-n-перехода. Малоемкостные TVS-диоды (С = 90…100 пФ) применяются для защиты линий связи переменного тока с частотой до 100 МГц от выбросов напряжения.

Силовой кабель должен быть заключен в электростатический экран — отрезок водопроводной трубы, соединенной с клеммой заземления щита электропитания. При превышении сигналом с датчика электромагнитного мониторинга некоторого порогового значения микропроцессор основного устройства размыкает ключи D3 и D4, снимая электропитание с защищаемого устройства. Трансформатор целесообразно помещать в заземленный экран из нержавеющей стали.

3.4. Один из вариантов схемотехнической защиты слаботочных информационных цепей показан на рисунке 4 (предложен автором статьи для защиты от внешних ЭМ-помех блока управления электромагнитным клапаном трубопроводной арматуры). Защитная электронная схема включается между выходом с информационной линии и буферными интерфейсными приемопередатчиками. Схема состоит из ограничителя входного напряжения D1, D2 на уровне 12 В (быстродействующие супрессоры 1.5КЕ12); Г-образного двухзвенного LC-фильтра; интегрального быстродействующего (15 мкс) датчика тока D3 на эффекте Холла ACS 704ELC-015 (Allegro Microsys Inc.); быстродействующего нормально замкнутого ключа D4 и диодного ограничителя D5, D6 до уровня входного напряжения электронного блока. Дифференциальный каскад на операционном усилителе TLC 1078 требуется для согласования диапазона выходных сигналов сенсора D3 с входным диапазоном АЦП.

Рис. 4. Вариант схемотехнической защиты слаботочных информационных цепей

ФНЧ-фильтр предназначен для подавления кондуктивных помех. Его амплитудно-частотная характеристика определяется полосой частот информационного сигнала. Интегральный сенсор тока имеет диапазон измерения ±15 А и линейную передаточную характеристику «ток-напряжение». Он подключен к порту АЦП микроконтроллера (МК) электронного блока. При превышении тока из-за наводки в этой цепи некоторого порогового значения управляющий сигнал МК размыкает ключ, предотвращая проникновение ЭМ-помехи в основное устройство. При необходимости алгоритм отключения цепи можно продублировать с датчика ЭМ-мониторинга.

Протяженная (свыше 0,5 м) слаботочная информационная магистраль должна быть выполнена из экранированной витой пары, заземленной только в одной точке — со стороны приемника или передатчика полезных сигналов. В отдельных случаях, когда требуется высокая степень защиты аппаратуры, информационная магистраль может прокладываться внутри заземленных трубок из нержавеющей стали.

В рассмотренных вариантах защиты в качестве детектора поля можно рекомендовать прибор ST 107 российской компании «СмерШ Техникс».

3.5. С точки зрения устойчивости к внешним ЭМ-помехам, в информационных цепях наиболее эффективно применение волоконно-оптического кабеля. Если не требуются высокие скорости передачи более 10 Мбит/с, можно применять дешевый (по цене коаксиального кабеля) пластиковый оптический кабель POF. Пластиковое оптоволокно (Plastic Optical Fiber) появилось как дешевая альтернатива медной проводке в локальных сетях и в автомобилях. POF-кабель имеет малый вес, невысокую стоимость, технологичность в монтаже (для разрезания можно использовать простые ножницы или скальпель). Но одно из самых главных преимуществ POF заключается в отсутствии чувствительности к электромагнитным помехам. Без существенного ослабления сигнала (2…3 дБ) POF-кабель можно применять на дистанции до 100 м.

3.6. Внутренняя помехоустойчивость цифровых электронных схем во многом определяется топологией печатной платы и расположением на ней компонентов. Поэтому при проектировании помехоустойчивой печатной платы следует руководствоваться принципами, изложенными в [5].

3.7. Программная защита электронного блока. Поскольку большинство современных видов РЭА содержит микроконтроллеры/микропроцессоры, можно использовать дополнительное программное обеспечение для мониторинга электромагнитной атаки и управления схемами защиты. При этом к портам АЦП микроконтроллера должны быть подключены датчики электромагнитного облучения и датчики тока в информационных магистралях.

3.8. Оценка устойчивости к поражающему действию РЧЭМИ производится в соответствии с методиками испытаний на электромагнитную совместимость, изложенных в ГОСТ Р 51717 (кондуктивные помехи), ГОСТ Р 51317, ГОСТ Р 51648–51652 (радиопомехи).

3.9. Защита телефонных линий и компьютерных сетей представляет отдельную сложную научно-техническую проблему, и ее анализ выходит за рамки данной статьи.

4. Выводы

Статья далеко не исчерпывает всех методов и средств защиты от РЧЭМИ и не претендует на полноту анализа функционального воздействия современного электромагнитного радиочастотного оружия на РЭА, особенно с учетом быстрого совершенствования средств радиоэлектронной борьбы. В настоящее время пока не существует полной физической и математической модели воздействия СШП-помех на электронные устройства. НИОКРы в этом направлении активно ведутся в ряде промышленно развитых стран.

Вместе с тем, появление на российском рынке доступных импортных компонентов силовой и мощной СВЧ-электроники наряду с программными пакетами проектирования и моделирования РЭА, например Orcad, Protel, в принципе позволяет высококвалифицированным специалистам создавать отдельные виды РЧЭМИ в условиях даже кустарного производства. Это приводит к возрастанию потенциальной угрозы электромагнитной атаки со стороны хакерских и террористических преступных группировок. Это обстоятельство следует учитывать при проектировании РЭА для ответственных применений, таких как системы государственного и военного назначения, инфраструктура управления объектами электро- и газоэнергетики, информационные банковские системы, электронные системы безопасности объектов. Наряду с основными методами защиты аппаратуры, принципы которых изложены в данной статье, необходимо применять и организационные меры безопасности — введение охранных зон, размеры которых превышают радиус поражения РЧЭМИ; периодический визуальный осмотр информационных шлейфов и помещений на предмет обнаружения посторонних предметов и несанкционированных подключений; проведение непрерывного радиомониторинга на охраняемом объекте.

Литература

1. А.Б. Прищепенко. Взрывы и волны. Взрывные источники электромагнитного излучения радиочастотного диапазона. М. Бином. — 2008 г. С. 8—10, 61—63, 79—84.

2. В. Слюсар. Генераторы супермощных электромагнитных импульсов в информационных войнах. Электроника: НТБ. №5. 2002 г.

3. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. Справочник по физике. М. Наука. 1995 г. С. 350—354.

4. Б. Ю. Семенов. Силовая электроника: от простого к сложному. М. Солон Пресс. 2008 г. С. 194—196.

5. Болл Р. Стюарт. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров. М. Додека. 2007 г. Гл. 8, 9.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Валерий Жижин, вед. инженер-разработчик, ЗАО «Криогенная технология»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2017 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты