Генератор шумовых импульсов
NOISE PULSE GENERATOR

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может найти применение для защиты средств вычислительной техники от утечки обрабатываемой информации в результате побочных электромагнитных излучений.
Эффективным способом предотвращения утечки информации из средств ВТ и РЭА является активная радиотехническая маскировка побочных электромагнитных излучений с помощью генераторов шумовых сигналов.
Важнейшими требованиями, предъявляемыми к генераторам шумовых сигналов такого рода, являются: широкополосность спектра выходного сигнала, диктуемая широкополосностью побочных электромагнитных излучений; высокая равномерность спектральной плотности мощности шума; устойчивость режима генерации шума; высокий кпд; малые габариты и масса.
Известные из литературы генераторы шумовых сигналов не удовлетворяют комплексу перечисленных требований.
Наиболее простым способом увеличения ширины спектра, формируемого генератором шумового сигнала, является применение в качестве первичных источников шума генераторных шумовых диодов с более широкой полосой генерируемых случайных сигналов.
В генераторах шума 1АР9, 1СФ17, 1ВЛ17, построенных по четырехканальной схеме с двоичной дискретизацией выходных сигналов каждого канала и последующим их перемножением, используются шумовые диоды типа 2Г401Б как наиболее широкополосные из всей серии диодов 2Г401. Полоса генерируемого сигнала диода указанного типа составляет от 500 кГц до 3,5 МГц, однако его нормированная спектральная плотность является наименьшей для диодов сери 2Г401 и не превышает . Появляется необходимость широкополосного усиления сигнала шумового диода минимум на 14 дБ, что, с учетом дополнительной защитной фильтрации в тракте усиления, приводит к снижению верхней частоты полосы усиленного сигнала в каждом канале до 1,7…2,3 МГц. В результате верхняя частота спектра выходных шумовых импульсов генератора не превышает 7…9 МГц.
В настоящее время ОАО «ЦВЕТОТРОН» (г. Минск) производит шумовой диод ND201L с увеличенной верхней граничной частотой спектра генерируемого шумового сигнала до 10 МГц, но с малой нормированной спектральной плотностью, составляющей . Пониженное значение спектральной плотности выходного сигнала диода существенно усложняет реализацию широкополосного усиления этого сигнала (минимум на 43 дБ) для обеспечения его последующей двоичной дискретизации. Успешное решение этой задачи позволит увеличить значение верхней частоты спектра выходных шумовых импульсов (*) примерно до 40 МГц (Комплексная защита информации: материалы XIV Международной конференции (19-22 мая 2009 г., Могилев), Минск, 2009, Буслюк В.В., Ворончук С.И., Лешкевич И.В., Дереченник С.С. Кремниевые диоды - генераторы шума серии ND 100 для криптографических схем, с. 61).
Известен генератор псевдослучайных последовательностей, содержащий генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с первыми сигнальными входами с первого по m триггеров соответственно, выходы которых через m умножителей соединены с n входами сумматора по модулю два соответственно, выход которого соединен со вторым, сигнальным входом первого триггера, введены последовательно соединенные делитель частоты, двухвходовый сумматор по модулю два и формирователь адреса, выход которого шиной соединен со вторым входом оперативно-запоминающего блока, первый вход которого соединен с выходом сумматора по модулю два, кроме того, выход генератора тактовых импульсов соединен с входом делителя частоты и со вторым входом двухвходового сумматора по модулю два, выход которого соединен с третьим входом оперативно-запоминающего блока (патент РФ №2223593, Н03В 29/00, G06F 7/58, опубл. 10.02.2004).
Введение последовательно соединенных делителя частоты, двухвходового сумматора по модулю два и формирователя адреса, оперативно-запоминающего блока увеличивает длину псевдослучайных последовательностей импульсов. Недостатком данного генератора является детерминированность процесса.
n
Известен генератор случайных чисел, включающий генератор псевдослучайной последовательности (ПСП) на регистре сдвига с обратной связью на сумматорах по модулю 2, к генератору ПСП дополнительно подключен формирователь пуассоновских импульсов. В состав формирователя пуассоновских импульсов последовательно включены шумовой диод, согласующий усилитель аналогового шума, активный полосовой фильтр и аналого-цифровой преобразователь. В цепь обратной связи регистра сдвига дополнительно введен сумматор по модулю 2, ко второму входу которого подключен формирователь пуассоновских импульсов. Регистр сдвига с обратной связью реализован программно. К аналого-цифровому преобразователю формирователя пуассоновских импульсов подключена схема контроля по средней частоте потока. К регистру сдвига подключен блок контроля статистических характеристик генерируемых случайных чисел. Циклическая структура регистра сдвига с числом разрядов «n» и линейной обратной связью на сумматорах по модулю 2 определяется свойствами ассоциированного с регистром двоичного многочлена. Двоичный многочлен соответствующий регистру сдвига выбран неприводимым и примитивным, поэтому регистр генерирует бинарную последовательность полного периода 2-1. Регистр сдвига с линейной обратной связью и дополнительно включенный сумматор по модулю 2 выполнены программно. Формирователь случайных пуассоновских импульсов выполнен аппаратно и образован первичным источником аналогового шума - шумовым диодом (RU 99672, Н03В 29/00, опубл. 20.11.2010). Недостатком этого генератора является использование ПСП для формирования случайных импульсов, что вносит частичную детерминированность в выходной шумовой сигнал.
Задача изобретения - расширение спектра выходного шумового сигнала за счет использования дополнительного тракта формирования случайных импульсов наносекундной длительности.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в генераторе шумовых импульсов, включающем основной генератор, содержащий блок формирования шумовых импульсов, состоящий из четырех идентичных и независимых каналов формирования шумовых импульсов, сумматор по модулю 2, выходной ключевой усилитель, схему контроля отсутствия паразитного самовозбуждения в трактах формирования шумовых импульсов, антенно-фидерное устройство, источник питания, к основному генератору подключен снабженный дополнительной системой электропитания дополнительный тракт формирования случайных импульсов наносекундной длительности, состоящий из блока формирования наносекундных импульсов из выходных шумовых импульсов основного генератора шума, и реализованного на принципе задержки по времени выходных импульсов с сумматора по модулю 2 основного генератора с последующим логическим умножением по схеме И незадержанного и инвертированного задержанного сигналов, и блока усилительных ключевых каскадов шумовых импульсов наносекундной длительности, к выходу которого подключен ждущий мультивибратор в режиме перезапуска, при этом основной генератор и дополнительный тракт выполнены с наличием гальванической развязки как друг от друга, так и от корпуса изделия.
Технический результат изобретения состоит в многократном расширении спектра выходного сигнала. Дополнение основного генератора шума трактом формирования случайных импульсов наносекундной длительности позволяет расширить спектр шумового сигнала методами импульсной схемотехники.
Ограничение в расширении спектра шумового сигнала определяется только возможностью формирования и усиления по току импульсов длительностью менее 7…10 нс.
Можно сделать вывод о том, что применение дополнительного тракта формирования случайных наносекундных импульсов совместно с основным генератором шума является наиболее рациональным способом расширения спектра генерируемых шумовых импульсов.
Изобретение поясняется фиг. 1, на которой приведена схема основного генератора, фиг. 2, на которой приведена схема дополнительного тракта формирования импульсов наносекундной длительности, фиг. 3, на которой показана спектрограмма мгновенной выборки последовательности случайного импульсного сигнала на выходе дополнительного тракта. Основу схемы основного генератора шума (см. фиг. 1) составляют блок формирования шумовых импульсов 1, который включает четыре идентичных и независимых канала формирования шумовых импульсов. В каждом канале первичный шумовой сигнал с генераторного шумового диода 1a, 1б, 1в, 1г подвергается широкополосному усилению с последующим ограничением и преобразованием в дискретные (двоичные) шумовые импульсы.
Выходные импульсные сигналы 1-го и 2-го, а также 3-го и 4-го каналов суммируются по модулю 2 и результирующие сигналы данного суммирования так же суммируются друг с другом по модулю 2 в сумматоре 2. Результатом этих операций является увеличение числа перепадов в двоичном шумовом сигнале за единицу времени примерно в четыре раза, что эквивалентно соответствующему расширению полосы спектра шумовых импульсов.
Усиление выходных (*) шумовых импульсов по току осуществляется выходным ключевым усилителем 3. В коллекторную цепь усилителя включено антенно-фидерное устройство 4, обеспечивающее наведение шумового сигнала в определенные электрические цепи изделия, а также емкостное разделительное устройство 6 для подведения шумового тока к точке соединения клеммы заземления с корпусом изделия. Схема контроля отсутствия паразитного самовозбуждения 5 в трактах формирования шумовых импульсов вырабатывает (по входному сигналу 5а ее включения) последовательно друг за другом сигналы выключения пар диодов-генераторов сигналов первичного шума. В этом случае, при отсутствии паразитного самовозбуждения каналов формирования шумовых импульсов, средняя частота выходных шумовых импульсов уменьшается примерно в два раза. Если этого не происходит, что свидетельствует о наличии паразитного самовозбуждения, схема контроля формирует выходной сигнал контроля работы генератора шумовых сигналов 5б, соответствующий аварийному режиму. Схема контроля 5 также постоянно отслеживает среднюю частоту выходных шумовых импульсов с целью выявления выхода из строя каналов формирования шумовых импульсов. Схема контроля 5 вырабатывает сигнал для управления ключами 7а и 7б для замыкания первичных источников шума.
Предложен способ увеличения ширины спектра, формируемого основным генератором шумового сигнала, который заключается в введении в схему генератора шума дополнительного тракта формирования случайных импульсов наносекундной длительности. Моменты появления данных импульсов совпадают с фронтами выходных шумовых импульсов (*) на фиг. 1 (11 на фиг. 2) основного генератора и, следовательно, их появление сохраняет случайный характер.
Верхняя граница спектра для таких импульсов определяется, в первом приближении, значением частоты, численно равной обратному значению длительности импульса. Таким образом, при длительности импульса 10 нс верхняя граница его спектра соответствует частоте 100 МГц.
Спектр такого сигнала имеет «лестничный» характер и содержит спектральные составляющие отстоящие друг от друга по частоте на случайно изменяющееся значения от 10 МГц (при формировании основным генератором шумового импульса длительностью 100 нс) до 500 кГц (при формировании основным генератором шумового импульса длительностью 2 мкс).
В качестве иллюстрации такого спектра на фиг. 3 приведена спектрограмма мгновенной выборки последовательности случайного импульсного сигнала при длительности сформированных импульсов 12 нс (по уровню 0,5) и периоде их повторения 120 нс (частота появления спектральных составляющих 8,3 МГц).
Сформированные импульсы наносекундной длительности должны быть усилены по току (в импульсе) с помощью ключевого усилителя тока, подключенного прямо к входу блока питания (блоки 1СФ5, 1ВЛ5), зашумляя фидер питания изделия. Это же напряжение с входа блока питания должно быть использовано для выработки необходимых номиналов напряжений питания схемы дополнительного тракта, что требует его полной гальванической развязки от основного генератора.
Дополнительный тракт оснащен схемой контроля наличия шумовых наносекундных импульсов, вырабатывающей сигнал аварии в случае прекращения их формирования. Для проверки работоспособности схемы контроля на дополнительный тракт должен поступать внешний сигнал отключения схемы формирования наносекундных импульсов.
Дополнительный тракт формирования импульсов наносекундной длительности может быть конструктивно отделен от основного генератора шума для обеспечения возможности его крепления к тому из узлов (блоков) изделия, электрические цепи которого подлежат ВЧ-зашумлению.
Основу схемы дополнительного тракта (см. фиг. 2) составляют:
- схема формирования наносекундных импульсов 8 из выходных шумовых импульсов 11 основного генератора шума;
- усилительные ключевые каскады шумовых импульсов наносекундной длительности 9.
Формирование наносекундных импульсов из выходных шумовых импульсов основного генератора реализовано на принципе задержки по времени выходных импульсов основного генератора с последующим логическим умножением по схеме И незадержанного и инвертированного задержанного сигналов.
Задержка сигнала по времени осуществляется с помощью интегрирующей RC цепи с разрядным диодом, имеющим предельно малое время восстановления.
Усилительные ключевые каскады выполнены с использованием ВЧ-транзисторов и состоят из буферного 9а, предоконечного 9б и оконечного каскадов 9в.
Буферный каскад 9а предназначен для согласования с выходной цепью интегральной микросхемы, обеспечивающей формирование наносекундного импульса. Предоконечный каскад 9б вырабатывает необходимое для включения транзистора оконечного каскада значение его тока базы. Оконечный каскад 9в обеспечивает требуемое значение тока выходного наносекундного импульса. Все три каскада потребляют ток от схемы электропитания 16а (с выходным напряжением 5В) и 16б (с выходным напряжением 12В) только в моменты формирования наносекундных импульсов.
Контроль наличия вырабатываемых в дополнительном тракте наносекундных импульсов осуществляется с помощью блока контроля 10, который содержит аналог перезапускаемого ждущего мультивибратора, реализованного на интегральных счетчике импульсов и вспомогательном опорном генераторе счетных импульсов.
Счетные импульсы регулярно увеличивают код состояния счетчика, однако поступающие на вход его «сброса» наносекундные шумовые импульсы обнуляют счетчик, не позволяя мультивибратору завершить формирование выходного импульса и, тем самым, получить на выходе блока контроля 10 напряжение, соответствующее аварийному режиму.
Отсутствие шумовых импульсов обеспечит завершение цикла работы аналога ждущего мультивибратора и появление на выходе блока контроля 10 напряжения, сигнализирующего об аварии дополнительного тракта формирования наносекундных шумовых импульсов.
Проверка контроля работоспособности дополнительного тракта формирования наносекундных шумовых импульсов осуществляется сигналом 12 принудительного выключения схемы формирования наносекундных импульсов.
Выходные шумовые импульсы сумматора 2 по модулю 2 основного генератора шума (являющиеся входными для блока формирования наносекундных шумовых импульсов), входной сигнал выключения 12 блока формирования наносекундных импульсов 8 и выходной сигнал 13 блока контроля 10 работоспособности дополнительного тракта проходят через оптоэлектрический буфер 14. Это обеспечивает полную гальваническую развязку дополнительного тракта формирования наносекундных шумовых импульсов от основного генератора шума.
Электропитание блока формирования наносекундных шумовых импульсов, а также буферного и предоконечного каскадов усиления осуществляется от параметрических стабилизаторов напряжения соответственно 5В (16а) и 12В (16б). Электропитание оконечного каскада усиления обеспечивается непосредственно от внешнего источника электропитания изделия.
Ток электропитания оконечного усилителя 9в, возникающий только в течение времени формирования шумового наносекундного импульса, является шумовым маскирующим добавлением к общему току потребления изделия от внешнего источника электропитания 27В.
Подведение импульсного шумового тока к точке соединения клеммы заземления изделия с его корпусом осуществляется с выхода предоконечного ключевого усилителя 9б через емкостное разделительное устройство 15.