Электромагнитная совместимость при обеспечении информационной безопасности

Вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС) непосредственно связаны с обширной областью радиотехники, электроники и электротехники. Миниатюризация оборудования, а также его возрастающая сложность, интеграция и взаимодействие делают электронные системы и компоненты более уязвимыми при электромагнитных воздействиях. Более высокие токи, напряжения и уровни мощности оборудования увеличивают уровни этих воздействий, а интегрирование и взаимопроникновение силовых и информационных компонентов физически сближают источники и приемники электромагнитных наводок.
Проблема ЭМС не только теоретическая, но и практическая, например, функционирование многочисленных промышленных предприятий, интеллектуальных зданий и объектов особой важности, офисных помещений, сетей электроснабжения целых областей (регионов) зависит от информационно-управляющих систем. Известны многочисленные случаи выхода из строя банковских информационных систем из-за мощных грозовых разрядов, нарушения электропитания. Можно привести примеры из других областей, когда помехи в информационных системах приводили к серьезным, а порой и к катастрофическим последствиям. Поэтому обеспечение электромагнитной совместимости является не только задачей функциональной надежности электронных и электронно-вычислительных систем, но и информационной безопасности в целом.
Технический комитет Международной электротехнической комиссии (МЭК) установил следующую классификацию электромагнитных явлений, принятую техническим комитетом Европейского комитета по стандартизации в области электротехники



ЯВЛЕНИЯ
ПРОЯВЛЕНИЕ


Кондуктивные низкочастотные


гармоники, интергармоники,
системы передачи сигналов по сетям электроснабжения,
колебания напряжения,
провалы и прерывания напряжения,
разбаланс напряжений (в многофазных цепях),
изменение частоты электропитания,
наведенные низкочастотные напряжения,
постоянный ток в сетях переменного тока




Низкочастотные, в виде поля излучения


Магнитные поля:
— непрерывные,
— переходные,
Электрические поля




Кондуктивные высокочастотные

Непосредственно введенные или наведенные напряжения или токи:
незатухающие колебания,
модулируемые волны,
однонаправленные переходные процессы,
колебательные переходные процессы




Высокочастотные, в виде поля излучения


магнитные поля,
электрические поля,
электромагнитные поля:
— незатухающие колебания,
— модулируемые волны,
— переходные процессы




Как видно из таблицы, электромагнитные явления в виде помех различного проявления могут являться существенными источниками угроз безопасности. Здесь необходимо сделать следующие замечания:

термин ЭМС больше не ограничен областью высоких частот и применяется к целому спектру явлений в полосе частот от 0 Гц до нескольких гигагерц;
по практическим соображениям было принято целесообразным разделить явления по составу спектра на низкочастотные и высокочастотные. Граница была установлена на уровне 9 кГц;
помехи включаются в кондуктивные или излучаемые высокочастотные явления.

Четкого разграничения частей радиоэлектронного устройства на источники и приемники наводки сделать нельзя. Иногда один и тот же элемент может являться одновременно и источником, и приемником наводки. Например, промежуточный каскад многокаскадного усилителя является источником наводки для всех предыдущих каскадов и приемником наводки от всех последующих. Поэтому на первом этапе решения конкретной задачи удобно считать все элементы устройства потенциальными источниками и приемниками наводки, выбирая затем методом последовательного исключения наиболее вероятные варианты, подлежащие детальной проработке.
Чем выше соотношение уровней мощностей и напряжений между какими-либо частями и устройства, тем вероятнее наводка с одной из этих частей на другую. При одинаковых коэффициентах паразитной связи на резонансных контурах, работающих на основной частоте, возбуждается большее напряжение, чем в апериодических или в расстроенных цепях. Поэтому из всех элементов радиоустройства наиболее вероятными источниками наводки являются элементы с самыми высокими уровнями высокочастотной или импульсной мощности. Наиболее вероятными приемниками наводки являются элементы с наименьшим уровнем высокочастотной мощности, содержащие резонансные контуры, настроенные на частоты, излучаемые вероятными источниками наводки.
К вероятным источникам наводок можно отнести:

сеть питания переменного тока;
мощные генераторы высокой частоты, особенно работающие в нелинейном режиме, и импульсные;
импульсные модуляторы с высоким напряжением и большим током;
двигатели внутреннего сгорания с электрическим зажиганием;
электросварочные аппараты;
электропечи с дуговым разрядом;
генераторы импульсов, особенно с большим током;
генераторы развертки, особенно с высоким напряжением и малым временем обратного хода;
обмотки реле, контакторов, соленоидов и других приборов, имеющие большую индуктивность и работающие в режиме включения — выключения;
электродвигатели, работающие в режиме включения — выключения;
коллекторные электродвигатели;
выключатели, переключатели и контактные пары реле;
флуоресцентные осветительные приборы;
феррорезонансные стабилизаторы напряжения;
выходные и силовые трансформаторы. Дроссели питания с зазором;
выходные и предвыходные каскады усилителей высокой, промежуточной и низкой частот;
недостаточная и ненадежная металлизация аппаратуры.

Вероятные приемники наводок:

все радиоприемники, особенно чувствительные и работающие в длинноволновом диапазоне;
электронно-лучевые трубки;
спусковые устройства (триггеры, мультивибраторы и другие элементы импульсной и вычислительной техники) с высокой чувствительностью срабатывания;
входные и первые промежуточные каскады усилителей всех типов;
входные трансформаторы усилителей низкой частоты;
длинные кабели, соединяющие разные устройства или части одного устройства, особенно при наличии двух и более заземлений.

Можно выделить наводки, наблюдаемые на основной частоте и на гармониках. Первый вид наводок наблюдается, когда в пределах одного или нескольких радиоэлектронных устройств имеются источники наводки, паразитно связанные с чувствительными приемниками наводки, работающими на частотах источников. Второй вид возникает в устройствах, содержащих элементы, работающие на кратных частотах. Если элемент, имеющий относительно высокий уровень мощности, работает в нелинейном режиме, то гармоники основной частоты, получающиеся на его выходе, могут по цепям паразитной связи попадать на вход чувствительного элемента, настроенного на кратную частоту.
Примером такого вида наводки может служить радиостанция с совмещенным расположением радиопередатчиков и радиоприемников, работающих на различных частотах. В таких станциях невозможна работа приемников на гармониках основных частот передатчиков.
Другим примером высокочастотной наводки на гармониках может служить диапазонный супергетеродинный приемник с большим усилением по высокой и промежуточной частотам. В этих приемниках принимаются меры для ослабления паразитных связей отдельно в усилителях высокой и промежуточной частот во избежание их неустойчивой работы. Однако обычно не принимаются меры по ослаблению связей выхода усилителя промежуточной частоты со входом усилителя высокой частоты и с антенной, так как считается, что такая система работает на двух различных частотах, и обратная связь безопасна. Иногда же выходной каскад усилителя промежуточной частоты и детектор, работающие в нелинейном режиме, создают достаточно мощные гармоники промежуточной частоты, попадающие на вход приемника. При настройке усилителя высокой частоты на эти гармоники получается самовозбуждение или искажение частотных характеристик.
К наводке на основной частоте относится также наводка фона сети питания на чувствительные усилители низкой частоты. В этом случае источником наводки являются трансформатор, провода и другие элементы, соединенные с сетью питания, особенно если она работает на повышенной частоте, принятой в подвижных установках, а приемниками наводки являются первые каскады усилителей.
Задачи ЭМС можно сформулировать следующим образом:

все источники наводки, находящиеся в разрабатываемой аппаратуре, не должны мешать ее нормальному функционированию;
разрабатываемая аппаратура не должна мешать нормальному действию окружающей аппаратуры, за исключением случаев принципиальной невозможности осуществления этого;
в разрабатываемой аппаратуре должны быть приняты меры к тому, чтобы окружающая аппаратура, в том числе аппаратура несанкционированного блокирования, управления и доступа к информации, не мешала нормальному функционированию изделия.

Для решения первых двух задач необходимо встраивать помехоподавляющие элементы (экраны, фильтры, развязывающие и искрогасящие цепи) во все вероятные источники наводки, что гарантирует отсутствие наводки не только на данный конкретный приемник ее, но и на все другие, которые могут обнаружиться в дальнейшем. В случаях, когда наводка поступает на приемник по входным цепям вместе с сигналами и на тех же частотах, подавление наводки у источника является единственным способом избавления от нее. В остальных случаях для большей надежности полезно решать и третью задачу – вводить помехоподавляющие элементы в приемники наводки, хотя бы частично.
Наилучший эффект получается при совмещении основных и помехоподавляющих элементов в единую конструкцию. При этом исключается возможность прохождения помех помимо подавляющих элементов.
Экспериментальные работы по подавлению наводок сложны и занимают много времени. Поэтому при конструктивной проработке аппаратуры полезно с запасом вводить помехоподавляющие элементы во все вероятные источники и приемники наводки. А также использовать математическое моделирование различных элементов РЭА и процессов их электромагнитного взаимодействия с применением современных информационных технологий на ранних этапах проектирования. Такой подход позволит получить экономию временных затрат, стоимости, веса и объема изделия.
Электромагнитная совместимость РЭА непосредственно зависит от внутренних и внешних электромагнитных связей. Между двумя электрическими цепями, находящимися на некотором расстоянии друг от друга, могут возникнуть электромагнитные связи через:

электрическое поле;
магнитное поле;
электромагнитное поле излучения;
провода и волноводы, соединяющие эти цепи.

Напряженность ближних электрического и магнитного полей в свободном пространстве обратно пропорциональна квадрату расстояния от элемента, возбуждающего поле. Напряженность электромагнитного поля излучения обратно пропорциональна первой степени расстояния. Напряжение на конце проводной линии или волновода с увеличением расстояния падает весьма медленно, за исключением случая стоячих волн в линии, когда небольшие изменения расстояния могут приводить к значительному увеличению или уменьшению напряжения. Из этой зависимости различных видов связи от расстояния между цепями следует, что при малых расстояниях действуют все четыре вида связи, с увеличением расстояния, в первую очередь, исчезают связи через ближние электрическое и магнитное поля, во вторую очередь, перестает влиять электромагнитное поле излучения, и на большом расстоянии влияет только связь по проводам и волноводам.
Теоретически полная взаимная независимость электрического и магнитного полей может наблюдаться только в статических условиях. Однако при решении большинства практических задач пренебрежимо малые величины электрических и магнитных полей не учитывают. Поэтому паразитная связь через ближнее электрическое поле рассматривается как емкостная связь через малую паразитную емкость без учета появляющегося при этом магнитного поля. Аналогично паразитная связь через ближнее магнитное поле ниже рассматривается как индуктивная связь через малую паразитную взаимную индуктивность без учета появляющегося при этом электрического поля.
Рассмотрим некоторые виды паразитных связей, присутствующих в любой РЭА и в той или иной мере оказывающих влияние на информационную безопасность [2].
Элементы, цепи, тракты, соединительные провода и линии связи любых электронных систем и схем постоянно находятся под воздействи­ем собственных (внутренних) и сторонних (внешних) электромагнитных полей различного происхождения, индуцирующих или наводящих в них значительные напряжения. Такое воздействие называют электромагнитным влиянием или просто влиянием на элементы цепи. Насколько скоро такое влияние образуется с непредусмотренными связями, то говорят о паразитных (вредных) связях и наводках, которые также могут привести к образованию каналов утечки информации.
Основными видами паразитных связей в схемах электромагнитных устройств являются емкостные, индуктивные, электромагнитные, электромеханические связи и связи через источники питания и заземления радиоэлектронных средств. Удобно рассмотреть паразитные связи и наводки на примере широко распространенных усилительных схем различного назначения.
Паразитные емкостные связи. Эти связи обусловлены электрической емкостью между элементами, деталями и проводниками усилителей, несущих потенциал сигна­ла. Так как сопротивление емкости, создающей паразитную емкостную связь, падает с ростом частоты (x с = 1/wС), проходящая через него энергия с повышением частоты увеличивается. Поэтому паразитная емкостная связь может привести к самовозбуждению на частотах, превышающих высшую рабочую частоту усилителя.
Чем больше усиление сигнала между цепями и каскадами, имеющими емкостную связь, тем меньшей емкости достаточно для его самовозбуждения. При усилении в 105 раз (100 дБ) для самовозбуждения усилителя звуковых частот иногда достаточно паразитной емкости между входной и выходной цепями С пс = 0,01 пФ

Рис. 1. Схема транзисторного усилителя.
Паразитные индуктивные связи. Такие связи обусловлены наличием взаимоиндукции между проводниками и деталями усилителя, главным образом между его трансформаторами. Паразитная индуктивная обратная связь между трансформаторами усилителя, например, между входным и выходным трансформаторами, может вызвать самовозбуждение в области рабочих частот и на гармониках.
Для усилителей с малым входным напряжением очень опасна индуктивная связь входного трансформатора с источниками переменных магнитных полей (трансформато­рами питания). При расположении такого источника в нескольких десятках сантиметров от входного трансформатора наводимая на вторичной обмотке трансформатора средних размеров ЭДС может достигнуть нескольких милливольт, что в сотни раз превосходит допустимое значение. Значительно слабее паразитная индуктивная связь проявляется при тороидальной конструкции входного трансформатора. Паразитная индуктивная связь ослабляется при уменьшении размеров трансформаторов
Паразитные электромагнитные связи приводят к самовозбуждению отдельных каскадов звуковых и широкополосных усилителей на частотах порядка десятков и сотен мегагерц. Эти связи обычно возникают между выводными проводниками усилительных элементов, образующими колебательную систему с распределенными параметрами на резонансной частоте определенного значения.
Паразитные электромеханические связи проявляются в устройствах, корпус усилителя подвергается вибрации (сотрясению).
Транзисторы почти не обладают микрофонным эффектом, поэтому паразитная электромеханическая связь проявляется в основном в ламповых усилителях.
Обратная связь в устройствах звуковых частот. Обратная связь представляет собой передачу сигналов из последующих цепей в предыдущие те в направлении, обратном нормальному, например, из выходной цепи усилительного элемента или усилителя в его входную цепь.
Для оценки обратной связи воспользуемся следующими понятиями k – коэффициент усиления усилителя без обратной связи, равный отношению его выходного U вых напряжения к входному U вх , и β – коэффи­циент передачи напряжения цепи обратной связи, равный отношению ее выходного напряжения Uсв к выходному напряжению усилителя U вых , являющемуся входным напряжением цепи обратной связи

Обратная связь может вызываться:

физическими свойствами и конструкцией усилительных элементов (такую обратную связь называют внутренней обратной связью);
паразитными индуктивными, емкостными и другими связями между входными и выходными цепями (такую обратную связь называют паразитной обратной связью).

Паразитные обратные связи не всегда поддаются расчету и могут существенно изменить свойства усилителей. Если напряжение обратной связи Uсв совпадает по фазе с входным напряжением U вх и имеет с ним одинаковое направление, обратную связь называют положительной. При положительной обратной связи коэффициент усиления усилителя

Это уравнение показывает, что положительная обратная связь при β k < 1 увеличивает коэффициент усиления усилителя. Из него же видно, что при положительной обратной связи и β k = 1  k CB становится бесконечно большим. В этом случае даже при отсутствии сигнала на входе усилителя ничтожно малые составляющие напряжения его собственных шумов усилятся до полной амплитуды выходного напряжения. Такое явление называют самовозбуждением усилителя. При положительной обратной связи и значении β k > 1 усилитель обычно самовозбуждается и переходит в режим паразитной генерации.
Самовозбуждение может возникнуть и в усилителе с отрицательной обратной связью из-за того, что на частотах, где усилитель вместе с цепью обратной связи вносит сдвиг фазы 180°, отрицательная обратная связь превращается в положительную, и если на этих частотах значение β k ≥ 1, то усилитель самовозбуждается. Самовозбуждение усилителей обычно происходит на очень низких или очень высоких частотах, выходящих за пределы рабочей полосы частот. В этом случае акустические сигналы, поступающие на усилитель, модулируют частоту самовозбуждения и излучаются в эфир усилителем как обычным радиопередатчиком.
В системах с обратной связью, используемых в качестве усилителя, термином устойчивость определяют наличие или отсутствие в системе собственных установившихся колебаний. В то время как система, не имеющая цепей обратной связи, всегда устойчива, введение обратной связи может оказаться причиной возникновения колебаний в системе.
Амплитудные и фазовые характеристики усилителя и цепи обратной связи являются функциями частоты, и по этой причине обратная связь может быть положительной при одних частотах и отрицательной – при других. Следовательно, система, имеющая отрицательную обратную связь в среднечастотном диапазоне, может оказаться системой с положительной обратной связью при частотах, удаленных от этого диапазона, и быть каналом утечки информации.
Паразитные обратные связи через источники питания. Обратные связи через источники питания в многокаскадном усилителе возникают вследствие того, что источник питания имеет внутреннее сопротивление. Так выходной ток сигнала I вых усилителя, изображенного на рис. 2, проходя через источник питания Е пит , создает на внутреннем сопротивлении z последнего падение напряжения U = I вых z. Это напряжение, вместе с постоянной составляющей напряжения источника питания, подается на предыдущие каскады, а затем через элементы межкаскадной связи попадает на входы усилительных элементов, создавая в усилителе паразитную обратную связь. В зависимости от фазы по отношению к сигналу это напряжение может увеличивать напряжение сигнала и при достаточной глубине может привести к его самовозбуждению.

Рис. 2. Паразитная обратная связь через источник питания.
Опасный сигнал может попасть в цепь электрического питания, создавая канал утечки информации. В линию электропитания высокая частота передается за счет паразитных емкостей трансформаторов блоков питания (рис. 3).

Рис. 3. Схема утечки информации по цепям питания:
В – выпрямитель; В Т – входной трансформатор.
Утечка информации по цепям заземления. Заземление – это устройство, состоящее из заземлителей и проводников, соединяющих заземлители с электронными и электрическими установками, приборами, машинами. Заземлителем называют проводник или группу про­водников, выполненных из проводящего материала и находящихся в не­посредственном соприкосновении с грунтом. Заземлители могут быть любой формы – в виде труб, стержня, полосы, листа, проволоки и т.п. Заземлители, в основном, выполняют защитную функцию и предназна­чаются для соединения с землей приборов защиты.

Отношение потенциала заземлителя U 3 к стекающему с него току I з называется сопротивлением заземлителя R 3 . Значение сопротивления заземлителя зависит от удельного сопротивления грунта и площади соприкосновения заземлителей с землей (рис. 4).

Рис. 4. Эквивалентная схема заземления.
В зависимости от структуры влияющего электромагнитного поля и конструкции цепи, подверженной влиянию, различают систематические и случайные влияния. К систематическим влияниям относятся взаимные наводки, возникающие по всей длине линии. К случайным относятся влияния, возникающие вследствие ряда случайных причин и неподдающихся точной оценке. Существуют реальные условия наводок с одного неэкранированного провода на другой, параллельный ему провод той же длины, когда оба они расположены над «землей». В табл. 1 приведены примерные данные взаимного влияния различных типов линий и меры их защиты.
Таблица 2. Влияния в цепях связи и стандартные меры защиты



Тип линии
Преобладающее влияние
Меры защиты


Воздушные
линии связи
Систематическое влияние, возрастающее с увеличением частоты сигнала
Скрещивание цепей, оптимальное расположение цепей


Коаксиаль­ный кабель
Систематическое влияние через третьи цепи (с повышением частоты влияние убывает вследствие поверхностного эффекта)
Экранирование и ограничение диапазона рабочих частот снизу


Симметрич­ный кабель
Систематическое и случайное влияния, возрастающие с частотой
Оптимизация шагов скрутки и конструкций кабеля, пространственное разделение цепей, экранирование


Оптический кабель
Систематическое и случайное влияния (от частоты сигнала практически не зависят)
Экранирование оптических волокон, пространственное разделение оптических волокон



Степень ослабления излучения кабеля в зависимости от расстояния и частоты излучения определяется по формуле:

где d – расстояние от кабеля; λ – длина волны излучения.
В дальней зоне (начиная от расстояний больших 6λ от источника возмущения) электрическое поле принимает плоскую конфигурацию и распространяется в виде плоской волны, энергия которой делится поровну между электрической и магнитной компонентами.
Сильные магнитные поля, как правило, создаются цепями с низким волновым сопротивлением, большим током и малым перепадом напряжений, а интенсивные электрические поля – цепями с большим сопротивлением, высоким напряжением и малым током.
Электромагнитная совместимость при обеспечении информационной безопасности является сложной неоднозначной задачей. Поэтому затронутые аспекты являются далеко не полным рассмотрением данного вопроса. Для комплексного рассмотрения данного вопроса следует производить полный анализ всех вероятных ситуаций с поправкой на будущие изменения в инфраструктуре.
Литература:

Кечиев Л. Н., Степанов П. В. ЭМС и информационная безопасность в системах телекоммуникаций:
Издательский Дом «Технологии», 2005
Волин М. Л. Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре. – М.: Радио и связь, 1981 –2 9 6 с., илл.
Научная библиотека КиберЛенинка: http://cyberleninka.ru/article/n/elektromagnitnaya-sovmestimost-v-zadachah-informatsionnoy-bezopasnosti#ixzz4SyFzFaGr


Автор: Богдан Шкляревский, ведущий специалист Центра обеспечения информационной безопасности
Batafsil | Подробно | Read more... InfoCOM