УСТРОЙСТВО РАДИОМАСКИРОВКИ
RADIO CAMOUFLAGE DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при создании передатчиков радиопомех в системах радиотехнической маскировки и защиты информации, обрабатываемой средствами вычислительной техники, от утечки по каналам побочных электромагнитных излучений и наводок (ПЭМИН). Побочные электромагнитные излучения и наводки средств вычислительной техники занимают диапазон частот от единиц килогерц до 1800 МГц, в этом же диапазоне возможен прием этих излучений и восстановление обрабатываемой компьютером информации с помощью специальных приемников. В связи с этим, для защиты информации от несанкционированного использования необходимо применение специальных средств, препятствующих перехвату ПЭМИН. Одним из таких средств является маскировка излучений с помощью шумовых электромагнитных помех [1].
Известен генератор шума для передатчиков помех в системах защиты информации и блокирования мобильной телефонной связи, создающий маскирующие помехи [2]. Генератор шума содержит n усилительных элементов, две объединенные многорезонансные колебательные системы, которые соединены между собой цепью обратной связи. Недостатком данного устройства является нестабильность работы генератора и зависимость характеристик шумового сигнала от внешних и внутренних дестабилизирующих факторов (изменение нагрузки, температуры, разброс параметров активных элементов).
Известна также система пространственного зашумления «Октава-PC», предназначенная для исключения утечки информации по каналам побочных электромагнитных излучений и наводок и содержащая связанные с генератором шума через устройство согласования два идентичных антенных модуля, которые размещены в ортогональных плоскостях, при этом имеется возможность электрического согласования импедансов антенных модулей с выходным сопротивлением генератора шума для электрической и магнитной компонент электромагнитного поля [3]. Недостатком данной системы является то, что используются два идентичных антенных модуля, которые формируют в пространстве идентичные поля шума, суперпозиция которых не позволяет устранить пространственную неравномерность амплитудно-частотной характеристики системы.
Известно устройство защиты вычислительной техники от утечки информации по каналам побочных электромагнитных излучений [4], содержащее генератор шума и рамочную антенну, в котором за счет изменения конфигурации рамочной антенны достигается создание равномерной напряженности электромагнитного маскирующего поля в трех ортогональных плоскостях. Недостатком данного устройства является то, что энергетический спектр маскирующего сигнала смещается в область низких частот.
В [5] приведено устройство радиомаскировки, содержащее генератор шума в виде системы двух связанных генераторов и излучатель, в которое с целью создания маскирующего электромагнитного поля в пространстве и повышения уровня наведенных маскирующих помех в электрических сетях и инженерных коммуникациях с необходимым соотношением информативный сигнал/помеха в диапазоне возможного перехвата введены разветвитель с одним входом и N выходами, N буферных каскадов, выполненных в виде усилителей с инерционным автосмещением, и (N-1) дополнительных излучателей, при этом выход генератора шума подключен к входу разветвителя, каждый выход последнего соединен с входом соответствующего буферного каскада, а вход каждого излучателя подключен к выходу соответствующего буферного каскада. Недостатком данного устройства является то, что это сложное и дорогостоящее изделие используется только на ответственных объектах и из экономических соображений не находит широкого применения.
Известно устройство радиомаскировки [6], содержащее генератор шума, выполненный в виде системы двух связанных генераторов, первый из них является генератором с запаздывающей обратной связью и инерционным автосмещением, а второй выполнен с регулируемой обратной связью, выход первого генератора соединен с входом второго с помощью элемента связи, активный антенный контур в виде излучающей антенны типа "магнитный диполь", один конец которой соединен с выходом второго генератора, а другой - с общей шиной, и источник низкочастотного шума, дополнительно введен разветвитель, вход которого соединен с выходом источника низкочастотного шума, а выходы - с входами первого и второго генераторов соответственно. Недостатком данного устройства является малая интенсивность маскирующего электромагнитного поля и большая неравномерность спектральной плотности мощности шума в высокочастотной части рабочего диапазона частот.
Из известных устройств радиомаскировки наиболее близким к предлагаемому по технической сущности являются устройства радиомаскировки [7-8], содержащие генератор шума и активный антенный контур. Генератор шума выполнен в виде системы двух генераторов, связанных между собой элементом связи, причем первый генератор содержит нелинейный усилитель с инерционным автосмещением и цепью запаздывающей обратной связи, второй генератор содержит нелинейный усилитель и цепь регулируемой запаздывающей обратной связи, выход первого генератора соединен со входом второго генератора с помощью емкостного элемента связи, а активный антенный контур выполнен в виде излучающей антенны, один конец которой соединен с выходом второго генератора, а другой - с общей шиной. Для повышения стабильности работы устройства радиомаскировки в схему введен источник низкочастотного шума, выход которого соединен с входом первого генератора. Недостатком данного устройства является низкий уровень спектральной плотности мощности шума в высокочастотной области рабочего диапазона, что обусловлено ограниченными возможностями одиночной антенны при работе в полосе частот от 0,01 до 1800 МГц.
Техническая задача, на решение которой направлена предлагаемое изобретение, состоит в расширении рабочего диапазона в область верхних частот и снижении неравномерности спектральной плотности шумового сигнала. В соответствии с [9, 10], полоса частот маскирующих колебаний устройств радиомаскировки должна превышать частотный диапазон ПЭМИН средств вычислительной техники, а отношение уровней маскирующих колебаний должно быть на 10÷15 дБ больше уровня информативных излучений во всем частотном диапазоне ПЭМИН.
Для этого в устройство радиомаскировки, содержащее генератор шума, активный антенный контур и источник низкочастотного шума, в котором генератор шума выполнен в виде системы двух связанных генераторов, первый из них является генератором с запаздывающей обратной связью и инерционным автосмещением, второй генератор с регулируемой обратной связью, выход первого генератора соединен со входом второго генератора с помощью элемента связи, активный антенный контур выполнен в виде излучающей рамочной антенны типа магнитный диполь, один конец которой соединен с выходом второго генератора, а другой - с общей шиной, выход источника низкочастотного шума соединен с входом первого генератора, введена плоская спиральная антенна, а связь между генераторами осуществляется с помощью упомянутого элемента связи, который представляет собой тройник ненаправленного действия со ступенчатыми согласующими трансформаторами, плечо (а) элемента связи соединено с выходом генератора 1, плечо (в) элемента связи соединено с входом второго генератора, плечо (с) элемента связи соединено с плоской спиральной антенной.
Перечень чертежей:
Фиг.1 - Структурная схема заявляемого устройства радиомаскировки.
Фиг.2 - Спектрограммы колебаний:
а) генератор 1, б) генератор 2, в) генератора шума.
Фиг.3 - Схемы антенн устройства радиомаскировки и их диаграммы направленности:
а) архимедова спираль, б) логарифмическая спираль, в) диаграмма направленности спиральной антенны, г) рамочная антенна, д) диаграмма направленности рамочной антенны.
Фиг.4 - Электрическая схема устройства конкретной реализации.
Фиг.5 - Распределение в пространстве электромагнитного поля, формируемого антеннами на частотах рабочего диапазона: а - 50 МГц, 6 - 500 МГц, в - 1800 МГц.
• - рамочная антенна;
◇ - спиральная антенна;
▬ - рамочная и спиральная антенна.
Фиг.6 - Уровни спектральной плотности информативных и маскирующих сигналов:
1 - ПЭМИН, 2 - устройство радиомаскировки с рамочной антенной, 3 - устройство радиомаскировки с рамочной и спиральной антеннами.
Заявляемое устройство радиомаскировки, структурная схема которого представлена на фиг.1, содержит генератор шума, представляющий собой неавтономную систему двух связанных генераторов, и состоит из генераторов 1, 2 и элемента связи 3 между ними, плоскую спиральную антенну 4, рамочную антенну типа магнитный диполь 5 и источник низкочастотного шума 6.
Генератор 1 содержит нелинейный усилитель 7, линию задержки 8 с запаздыванием Т и инерционную цепь автосмещения 9, выход нелинейного усилителя 7 соединен с его входом через линию задержки 8, инерционная цепь автосмещения 9 включена между общим электродом активного элемента и общей шиной. Выход генератора 1 соединен с входом генератора 2 с помощью элемента связи 3.
Генератор 2 содержит нелинейный усилитель 10 и регулируемую линию задержки 11, выход нелинейного усилителя 10 соединен с входом через регулируемую линию задержки 11. Линия задержки 11 обеспечивает возможность регулировки положение собственных частот этого генератора.
Элемент связи 3 представляет собой тройник (разветвление по модулю два Y), ненаправленного действия, со ступенчатыми согласующими трансформаторами.
Плоская спиральная антенна 4 соединена с генератором шума с помощью элемента связи 3 - плечо (с) и представляет собой двухзаходную спираль, каждый проводник которой имеет форму архимедовой (или логарифмической) спирали на диэлектрическом основании.
Рамочная антенна 5 представляет собой магнитный диполь, который включен в цепь питания второго генератора и через антенну проходит полный ток этого генератора. Таким образом, к генератору шума подключены две антенны различных типов, которые взаимно дополняют друг друга в отношении формирования в пространстве результирующего электромагнитного поля шума с заданными характеристиками.
Источник низкочастотного шума 6 содержит источник шумового напряжения и усилительно-ограничительное устройство. Выход источника низкочастотного шума соединен с входом первого генератора.
Устройство радиомаскировки работает следующим образом.
Генератор шума, являющийся основной составной частью рассматриваемого устройства, представляет собой систему связанных генераторов со многими степенями свободы, характер колебаний в которой определяется совокупностью таких параметров, как соотношение частот колебаний парциальных генераторов, величина связи между ними, режим работы, уровень и характер внешнего воздействия. Генератор 1 формирует многочастотные колебания с максимумами спектральной плотности на собственных частотах, интервал между которыми составляет величину  (фиг.2,а). Нелинейные свойства активного элемента, инерционность и запаздывание сигнала в цепи обратной связи определяют сложную динамику колебаний генератора. Имеется область параметров, при которых в генераторе обеспечивается существование режимов с хаотической динамикой [11].
Генератор 2 также формирует многочастотные колебания с максимумами спектральной плотности на своих собственных частотах, интервал между которыми  (фиг.2,б).
При совместной работе двух генераторов, в результате их взаимодействия, спектр колебаний обогащается дополнительными составляющими с неэквидистантной расстановкой собственных частот. Лавинное размножение комбинационных составляющих парциальных генераторов, происходящее в связанной системе, и их нелинейное взаимодействие приводит к дополнительной хаотизации колебательного процесса через последовательность бифуркаций удвоения периода. Сценарии перехода к хаосу могут содержать различное число бифуркаций в зависимости от всей совокупности параметров [12].
Элемент связи 3, обладая ненаправленным действием, создает условия взаимодействия подключенных к нему генераторов 1 и 2. Выбором соотношения волновых сопротивлений (L, ρ) микрополосковых трансформаторов элемента связи, достигается необходимая частотная характеристика генератора шума в рабочем диапазоне частот.
Для повышения стабильности режима хаотических колебаний в устройство радиомаскировки введен источник низкочастотного шума 6. Воздействие внешнего низкочастотного шума на генераторы способствует разрушению режимов синхронных колебаний и повышению стабильности широкополосного шума, полоса которого определяется полосой пропускания системы (фиг.2,в).
Излучающие антенны устройства радиомаскировки преобразует энергию электромагнитных колебаний высокой частоты, сосредоточенную в колебательных цепях, в энергию радиоволн. Плоская спиральная антенна (фиг.3,а, б), имеющая диаграмму направленности в виде двух широких лепестков (фиг.3,в), формирует поле излучения с круговой поляризацией в направлении оси, перпендикулярной плоскости антенны. Рамочная антенна (фиг.3,г) формирует поле в виде сферической волны с максимумами в экваториальной плоскости (фиг.3,д). Частотная независимость антенн основана на принципе электродинамического подобия, т.е. изменение длины волны сопровождается пропорциональным изменением линейных размеров активной области антенны.
В качестве примера конкретной реализации заявляемого устройства на фиг.4а приведена принципиальная электрическая схема устройства радиомаскировки. Генератор шума выполнен на основе генераторов на транзисторах VT4, VT5. Первый генератор на транзисторе VT4 содержит цепь запаздывающей обратной связи L1 (Т=5,6 нс), выполненную в виде микрополосковой линии, и цепь инерционного автосмещения R11, С6. Интервал между собственными частотами этого генератора составляет ~180 МГц. Второй генератор выполнен на транзисторе VT5 и содержит регулируемую цепь запаздывающей обратной связи L3, С7, С8 (Т=2,5÷3,0 нс). Интервал между собственными частотами этого генератора может регулироваться при изменении емкости конденсатора С8 в пределах 330÷400 МГц. Связь между генераторами осуществляется с помощью элемента связи в виде тройника со ступенчатыми согласующими трансформаторами в микрополосковом исполнении и емкостной развязкой по постоянному току с помощью конденсаторов С5, С7, С8. В качестве низкочастотного источника шума используется шумовой диод VД1, работающий в режиме лавинного пробоя р-н-перехода и трехкаскадный усилитель-ограничитель на транзисторах VT1-VT3. Источник шума формирует шумовой сигнал в полосе частот от единиц килогерц до 6 МГц. С выхода транзистора VT3 шумовой сигнал поступает на вход генератора 1. Определенный подбор постоянной времени цепи инерционного автосмещения R11, С6 и времени запаздывания сигналов в цепях обратной связи этих генераторов позволяет сформировать широкополосный шумовой сигнал в полосе частот от 100 кГц до 2000 МГц.
Плоская спиральная антенна WA1 изготовлена печатным способом на листе диэлектрика с размерами 0,5×0,5 м. Двухзаходная спираль образована двумя идентичными лентами, повернутыми относительно друг друга на 180 градусов, и соединена с генератором шума с помощью коаксиального кабеля. Рамочная антенна WA2 выполнена в виде одновиткового проводника диаметром 0,6 метра. Оптимальным взаимное расположение антенн 4 и 5 в пространстве является положение, когда плоскость рамочной антенны расположена в плоскости спиральной антенны. В этом случае минимумам напряженности поля рамочной антенны соответствуют максимальным значениям поля для спиральной антенны. Распределение в пространстве электромагнитного поля, формируемого антеннами заявляемого устройства радиомаскировки, представлено на фиг.5. Кривая (•) отображает диаграмму направленности спиральной антенной, кривая (◇) - рамочной. Результирующее распределение в пространстве электромагнитного поля устройства радиомаскировки с двумя антеннами (магнитный диполь, спиральная антенна) при их совместной работе представлено на фиг.5 (сплошная линия), на трех частотах рабочего диапазона: а) - 50 МГц, б) - 500 МГц, в) - 1800 МГц. В условиях помещений с множеством отражающих поверхностей диаграммы направленности антенн существенно искажаются, однако анализ работы устройства радиомаскировки с различными типами антенн показывает, что совместная работа двух антенн - спиральной и рамочной, дает наилучшие результаты. Вместе с тем, за счет суперпозиции компенсируется неравномерность спектральной плотности маскирующего электромагнитного поля, обусловленная амплитудно-частотными свойствами и диаграммами направленности каждой из антенн.
Конструктивно опытный образец устройства радиомаскировки, изготовленный в соответствии с заявляемым изобретением, представляет собой печатную плату размером 120×100 мм, которая расположена в пластмассовом корпусе с закрепленными на нем одновитковой рамочной и плоской спиральной антеннами. Электропитание устройства радиомаскировки осуществляется от источника постоянного тока (сетевого адаптера) с напряжением 12 В.
Результирующая картина шумового электромагнитного маскирующего поля, сформированного в окружающем пространстве заявляемым устройством радиомаскировки, представлена на фиг.6. Графическое отображение изменения спектральной плотности мощности шума от частоты показывает, что уровень маскирующего сигнала на 13÷18 дБ превышает уровень побочных информативных излучений средств вычислительной техники во всем частотном диапазоне ПЭМИН. Неравномерность спектральной плотности мощности шума маскирующего электромагнитного поля не превышает 8 дБ/октаву, что обеспечивает лучшие эксплуатационные характеристики по сравнению с известными аналогами и прототипом. При этом частотный диапазон устройства радиомаскировки, по сравнению с прототипом, увеличен до 2000 МГц, что соответствует нормативным требованиям [10], предъявляемым к системам активной радиотехнической маскировки (защиты) информации на объектах вычислительной техники 1-3 категории.
Литература
1. Иванов В.П., Лебедев М.Н., Сак В.В. Устройство радиомаскировки информационных излучений СВТ. - Информационно-методический журнал «Защита информации. Конфидент, №1, 2001, с.35-37.
2. Дидук Л.И., Акиньшина Г.Н. «Генератор шума». Патент №2292109, Россия. Дата публикации 2007.01.20.
3. Олейников СВ., Световидов В.Н. «Широкополосная антенная система пространственного зашумления устройства защиты «Октава-PC». Полезная модель №64835, Россия. Дата публикации 2007.07.10.
4. Гороховатский А.Н., Заплетин Ю.В., Безгинов И.Г. «Устройство защиты вычислительной техники от побочных электромагнитных излучений». Патент №2204882, Россия. Дата публикации 2003.05.20.
5. Безруков В.А., Иванов В.П., Лебедев М.Н. «Устройство радиомаскировки», Патент №2224376, Россия. Дата публикации 20.02.2004 г.
6. Иванов В.П., Лебедев М.Н., Волков А.И. «Устройство радиомаскировки», Полезная модель №38257, Россия. Дата публикации 2004.01.08, Бюл. №15.
7. Лебедев М.Н., Иванов В.П. «Генераторы с хаотической динамикой». Приборы и техника эксперимента. - М.: Наука, 2002 г., №2, с.94-99.
8. Безруков В.А., Иванов В.П., Калашников B.C., Лебедев М.Н. «Устройство радиомаскировки». Патент №2170493, Россия, Дата публикации 2001.07.10.
9. ГОСТ Р 50752-95. Информационная технология. Защита информации от утечки за счет побочных электромагнитных излучений при ее обработке средствами вычислительной техники. Методы испытаний.
10. Сборник норм по защите технических средств от утечки информации за счет побочных излучений и наводок. Гостехкомиссия России, 1998 г.
11. Кислов В.Я. Динамический хаос и его использование для генерирования, приема и обработки колебаний и информации. Радиотехника и электроника. 1993, Т.38. вып.10, с.1783-1815.
12. Дмитриев А.С, Кислов В.Я. Стохастические колебания в радиофизике и электронике. - М.: Наука. 1989. С.278.