Цифровое радиоустройство с встроенной маскировкой электромагнитного канала утечки речевой информации
DIGITAL RADIO DEVICE WITH BUILT-IN MASKING OF ELECTROMAGNETIC CHANNEL OF SPEECH INFORMATION LEAKAGE

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для создания перспективных цифровых радиоустройств с программируемой архитектурой для обеспечения конфиденциальности речевой радиосвязи в условиях существования побочных электромагнитных полей и наводок.
Такие приемники описаны, например, в книгах «Cognitive radio technology», Second Edition,  Elsevier Science & Technology Books, 2009. - p.p. 828, автора Bruce Alan Fette и «Software defined radio: enabling technologies», John Wiley & Sons, Chichester, UK, 2002.–p.p. 442 автора W. Tuttlebee, Ed.
Техническая сущность таких устройств заключается в обеспечении базовых параметров программным обеспечением; применении блоков аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразований, программируемых блоков цифровой обработки сигналов и управления; наличии опорного генератора; применении пассивной защиты речевой информации от утечки по электромагнитному каналу.
Методы технической разведки основываются на том, что процессы обработки и передачи информации всегда обуславливаются возникновением побочных полей рассеивания различной физической природы или наведением токов и напряжений в неинформационных физических цепях. Указанные обстоятельства обуславливают повышение требований к средствам обеспечения защиты информации. В связи с этим разработка цифровых радиоустройств с встроенной защитой речевой информации от утечки по различным техническим каналам является весьма актуальной задачей.
Проблема возникновения микрофонного эффекта широко известна, в частности известна возможность образования электромагнитного технического канала утечки речевой информации, иногда называемого каналом прямого прохождения, обусловленная наличием случайных электроакустических преобразователей, называемых случайными микрофонами, в отдельных элементах технической системы, что описано, например, в учебном пособии «Защита информации техническими средствами», авторов Ю.Ф. Каторин, А.В. Разумовский, А.И. Спивак / Под ред. Ю.Ф. Каторина – Спб: НИУ ИТМО, 2012, на c.174-178, в учебном пособии «Защита информации от утечки по техническим каналам», автора В.К. Железняк – Спб: ГУАП, 2006, на с.23, 44, 63 и в руководстве по применению «Capturing and Measuring Microphonics and Phase-Hits with the RTSA» / Application Note 37W-18577-1 – Tectronix, 2005. на с. 1-19.
В существующих аналогах, защита речевой информации от утечки по электромагнитному каналу обеспечивается пассивными методами [1-4] снижения уровня акустического давления на электронные компоненты, подверженные микрофонному эффекту путем демпфирования и звукоизоляции, а также экранированием и фильтрацией электромагнитных наводок и помех. Основным недостатком этих устройств является невозможность полного устранения продуктов нежелательной модуляции и обеспечение лишь некоторого снижения их уровня. Кроме того, применение звукоизолирующих материалов в радиопередающих устройствах негативно сказывается на их параметрах, поскольку это приводит к изменению температурных режимов работы ключевых радиокомпонентов. Фильтрация же не позволяет устранить наводки, попадающие в основной канал передачи.
Известны устройства активной радиотехнической маскировки [5], формирующие искусственные помехи в электромагнитных каналах утечки информации с помощью генераторов маскирующих сигналов, мощность которых, в соответствии с нормативными документами Федеральной службы по техническому и экспортному контролю, превышает мощность электромагнитных сигналов утечки информации. Это существенно снижает вероятность реализации угрозы утечки речевой информации по электромагнитному каналу.
Недостатком известных устройств является создание непреднамеренных помех широкому классу радиоэлектронных устройств, расположенных в непосредственной близости от передатчика маскирующих излучений.
В ходе патентного поиска не было найдено встраиваемых в радиоустройства активных средств маскировки электромагнитных сигналов утечки информации, поэтому в качестве прототипа, принято наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому радиоустройство с типовой программно-определяемой модульной архитектурой, описанное в руководстве пользователя [6].
На фиг.1 представлена структурная схема устройства-прототипа, где обозначено:
1, 12 – первый и второй фильтры нижних частот (ФНЧ);
2 – блок коммутации приемопередающей антенны (БКППА);
3 – блок радиочастотного модуля;
4 – блок модема;
5 – блок управления;
6 – блок вокодера;
7 – динамик;
8 – микрофон;
9 – блок периферийных устройств (БПУ);
10 – управляемый кварцевый генератор (УКГ);
11 – блок импульсно-фазовой автоподстройки частоты (БИФАПЧ);
13 – управляемый генератор (УГ);
14 – усилитель мощности.
Устройство-прототип содержит первый ФНЧ 1, к первому входу-выходу которого подключена приемопередающая антенна, а второй выход-вход соединен с входом-выходом БКППА 2, выход которого соединен с первым входом блока радиочастотного модуля 3, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами блока модема 4, первый управляющий выход которого соединен с первым управляющим входом блока радиочастотного модуля 3 и управляющим входом БКППА 2. При этом второй управляющий выход блока модема 4 соединен со вторым управляющим входом блока радиочастотного модуля 3, третий выход которого через усилитель мощности 14 соединен с входом БКППА 2. Первый выход блока модема 4 через последовательно соединенные блок управления 5 и блок вокодера 6 подсоединен к динамику 7. Микрофон 8 подключен ко второму входу блока вокодера 6, второй выход которого соединен со вторым входом блока управления 5, третья группа выходов и третья группа входов которого соединены с соответствующими группами входов и выходов блока периферийных устройств 9. Второй выход и второй управляющий выход блока управления 5 соединены с соответствующими входами блока модема 4, второй и третий выходы которого соединены со вторым входом УГ 13 и входом УКГ 10 соответственно. Выход УКГ 10 через последовательно соединенные БИФАПЧ 11 и второй ФНЧ 12 соединен с первым входом УГ 13, выход которого соединен со вторыми входами блока радиочастотного модуля 3 и БИФАПЧ 11, управляющий вход которого подключен ко второму управляющему выходу блока управления 5.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Оператор посредством элементов управления, входящих в состав блока периферийных устройств 9 переводит радиоустройство в необходимый режим приема или передачи и задает частоту настройки. Блок управления 5, обрабатывая входные сигналы, поступающие с блока 9, определяет выбранный оператором режим и отправляет соответствующий сигнал управления блоку модема 4, который обрабатывает его и формирует сигналы управления для переключения в соответствующий режим приема или передачи БКППА 2 и радиочастотного модуля 3. Аналогично блоку управления 5 передается частота настройки приема или передачи и на основании этой информации формируются соответствующие сигналы управления, в том числе коэффициенты деления, которые по линии управления передаются в блок импульсно-фазовой автоподстройки частоты 11.
В режиме приема на вход приемопередающей антенны радиоустройства поступает радиочастотный сигнал и проходит через первый ФНЧ 1, в котором происходит фильтрация помех, находящихся вне полосы приема. С выхода ФНЧ 1 принимаемый сигнал поступает на второй вход БКППА 2 и коммутируется на вход блока радиочастотного модуля 3. В блоке 3 осуществляется перенос сигнала на промежуточную частоту и его аналого-цифровое преобразование, в результате чего на выходе блока 3 формируется квадратурный цифровой сигнал, который поступает для дальнейшей цифровой обработки в блок модема 4. В блоке 4 осуществляется демодуляция цифрового сигнала, а также возможна трансляция сигналов управления от блока управления 5 блоку радиочастотного модуля 3. Цифровой сигнал после демодуляции через блок управления 5 поступает в блок вокодера 6, где осуществляется его декодирование, возможно, демаскирование и цифро-аналоговое преобразование. С выхода вокодера 6 аналоговый сигнал поступает на вход динамика 7, который в режиме приема является выходом радиоустройства.
В режиме передачи входом радиоустройства является микрофон 8, который преобразует речевую информацию в аналоговый сигнал, который поступает на вход блок вокодера 6, где осуществляется его аналого-цифровое преобразование, возможно маскирование, кодирование и в результате формируется цифровой сигнал, который через блок управления 5 поступает в блок модема 4, в котором осуществляется цифровая обработка модулирующего сигнала, выполняется цифро-аналоговое преобразование и формируются аналоговые модулирующие сигналы для двухточечной модуляции синтезатора частот, выполненного на базе блоков 10, 11, 12 и 13. В соответствии со схемой двухточечной модуляции модулирующий аналоговый сигнал подается одновременно на вход УКГ 10 и управляемого генератора 13, а параметры синтезатора частот обеспечиваются параметрами второго ФНЧ 12 и настройками коэффициента деления блока импульсно-фазовой автоподстройки частоты 11. В результате на выходе УГ 13 формируется модулированный радиочастотный сигнал, который через блок радиочастотного модуля 3 транслируется на усилитель мощности 14, в котором осуществляется собственно усиление. Через БКППА 2 сигнал коммутируется на первый ФНЧ 1, в котором выделяется необходимая полоса для излучения на приемопередающую антенну, которая в режиме передачи является выходом радиоустройства.
Механизм образования канала утечки речевой информации в устройстве-прототипе может быть следующим. В ходе передачи речевого сообщения происходит воздействие акустического давления не только на микрофон 8, но и, например, на составные элементы управляемого кварцевого генератора 10, что приводит к нежелательной узкополосной модуляции выходной частоты генератора по закону изменения акустического давления. Далее, в процессе синтеза частоты, продукты нежелательной модуляции попадают в основной канал передачи радиоустройства, усиливаются и после излучения в эфир возникает возможность несанкционированного перехвата речевого сообщения.
Недостатками устройства-прототипа являются:
1) применение пассивных методов снижения уровня акустического давления на электронные компоненты подверженные микрофонному эффекту обеспечивают лишь некоторое снижение уровня продуктов нежелательной модуляции;
2) для повышения защищенности радиоустройства от утечки речевой информации по электромагнитному каналу необходимо применение внешних устройств активной радиотехнической маскировки, что приводит к созданию непреднамеренных помех широкому классу радиоэлектронных устройств, расположенных в непосредственной близости от передатчика маскирующих излучений.
Задачей изобретения является реализация активной маскировки электромагнитного канала утечки речевой информации, без нарушения требований по электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и существенного ухудшения энергетических характеристик радиосистемы.
Для решения поставленной задачи в цифровое радиоустройство с встроенной маскировкой электромагнитного канала утечки речевой информации, содержащее первый фильтр нижних частот (ФНЧ), к первому входу-выходу которого подключена приемопередающая антенна, а второй выход-вход соединен с входом-выходом блока коммутации приемопередающей антенны (БКППА), выход которого соединен с первым входом блока радиочастотного модуля, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами блока модема, первый управляющий выход которого соединен с первым управляющим входом блока радиочастотного модуля и управляющим входом БКППА, при этом второй управляющий выход блока модема соединен со вторым управляющим входом блока радиочастотного модуля, третий выход которого через усилитель мощности соединен с входом БКППА; первый выход блока модема через последовательно соединенные блок управления и блок вокодера подсоединен к динамику; микрофон подключен ко второму входу блока вокодера, второй выход которого соединен со вторым входом блока управления, третья группа выходов и третья группа входов которого соединены с соответствующими группами входов и выходов блока периферийных устройств; второй выход и второй управляющий выход блока управления соединены с соответствующими входами блока модема, третий выход которого соединен с входом управляемого кварцевого генератора (УКГ), выход которого через последовательно соединенные блок импульсно-фазовой автоподстройки частоты (БИФАПЧ) и второй ФНЧ соединен с первым входом управляемого генератора, выход которого соединен со вторыми входами блока радиочастотного модуля и БИФАПЧ, управляющий вход которого подключен ко второму управляющему выходу блока управления, согласно изобретению, дополнительно введены последовательно соединенные блок источника шумового сигнала с равномерным распределением мгновенных значений амплитуды (БИШС), третий ФНЧ, блок масштабирования сигнала (БМС), блок суммирования и ключ, выход которого соединен с входом управляемого генератора; второй выход блока модема соединен с другим входом блока суммирования; первый управляющий выход блока модема подсоединен к управляющему входу ключа.
Функциональная схема заявляемого устройства представлена на фиг. 2, где обозначено:
1, 12, 16 – первый, второй и третий фильтры нижних частот (ФНЧ);
2 – блок коммутации приемопередающей антенны (БКППА);
3 – блок радиочастотного модуля;
4 – блок модема;
5 – блок управления;
6 – блок вокодера;
7 – динамик;
8 – микрофон;
9 – блок периферийных устройств (БПУ);
10 – управляемый кварцевый генератор (УКГ);
11 – блок импульсно-фазовой автоподстройки частоты (БИФАПЧ);
13 – управляемый генератор (УГ);
14 – усилитель мощности;
15 – блок источника шумового сигнала с равномерным распределением мгновенных значений амплитуды (БИШС);
17 – блок масштабирования сигнала (БМС);
18 – блок суммирования;
19 – ключ.
Заявляемое устройство содержит первый ФНЧ 1, к первому входу-выходу которого подключена приемопередающая антенна, а второй выход-вход соединен с входом-выходом БКППА 2, выход которого соединен с первым входом блока радиочастотного модуля 3, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами блока модема 4, первый управляющий выход которого соединен с первым управляющим входом блока радиочастотного модуля 3, управляющим входом БКППА 2 и управляющим входом ключа 19. При этом второй управляющий выход блока модема 4 соединен со вторым управляющим входом блока радиочастотного модуля 3, третий выход которого через усилитель мощности 14 соединен с входом БКППА 2. Первый выход блока модема 4 через последовательно соединенные блок управления 5 и блок вокодера 6 подсоединен к динамику 7. Микрофон 8 подключен ко второму входу блока вокодера 6, второй выход которого соединен со вторым входом блока управления 5, третья группа выходов и третья группа входов которого соединены с соответствующими группами входов и выходов блока периферийных устройств 9. Второй выход и второй управляющий выход блока управления 5 соединены с соответствующими входами блока модема 4, второй выход которого соединен с одним входом блока суммирования 18. Третий выход блока модема 4 соединен с входом УКГ 10, выход которого через последовательно соединенные БИФАПЧ 11 и второй ФНЧ 12 соединен с первым входом УГ 13, выход которого соединен со вторыми входами блока радиочастотного модуля 3 и БИФАПЧ 11, управляющий вход которого подключен ко второму управляющему выходу блока управления 5. Кроме того, выход БИШС 15 через последовательно соединенные третий ФНЧ 16 и блок масштабирования сигнала 17 соединен с другим входом блока суммирования 18, выход которого через ключ 19 подключен ко второму входу УГ 13.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Оператор посредством элементов управления, входящих в состав блока периферийных устройств 9 переводит радиоустройство в необходимый режим приема или передачи и задает частоту настройки. Блок управления 5, обрабатывая входные сигналы, поступающие с блока 9, определяет выбранный оператором режим и отправляет соответствующий сигнал управления блоку модема 4, который обрабатывает его и формирует сигналы управления для переключения в соответствующий режим приема или передачи блоков коммутации приемопередающей антенны 2, радиочастотного модуля 3 и ключа 19, причем в режиме приема ключ 19 размыкается. Аналогично блоку управления 5 передается частота настройки приема или передачи, и на основании этой информации формируются соответствующие сигналы управления, в том числе коэффициенты деления, которые по линии управления передаются в блок импульсно-фазовой автоподстройки частоты 11.
В режиме приема на вход приемопередающей антенны радиоустройства поступает радиочастотный сигнал и проходит через первый ФНЧ 1, в котором происходит фильтрация помех, находящихся вне полосы приема. С выхода ФНЧ 1 принимаемый сигнал поступает на второй вход БКППА 2 и коммутируется на вход блока радиочастотного модуля 3, в котором осуществляется перенос сигнала на промежуточную частоту и его аналого-цифровое преобразование, в результате чего на выходе блока формируется квадратурный цифровой сигнал, который поступает для дальнейшей цифровой обработки в блок модема 4. В блоке 4 осуществляется демодуляция цифрового сигнала, а также возможна трансляция сигналов управления от блока управления 5 блоку радиочастотного модуля 3. Цифровой сигнал после демодуляции через блок управления 5 поступает в блок вокодера 6, где осуществляется его декодирование, возможно, демаскирование и цифро-аналоговое преобразование. С выхода вокодера 6 аналоговый сигнал поступает на вход динамика 7, который в режиме приема является выходом радиоустройства.
В режиме передачи входом радиоустройства является микрофон 8, который преобразует речевую информацию в аналоговый сигнал. Воздействие акустического давления происходит не только на микрофон 8, но и на составные элементы управляемого кварцевого генератора 10, что приводит к нежелательной модуляции (узкополосной) выходной частоты генератора по закону изменения акустического давления. Сигнал с выхода микрофона 8 поступает на вход блок вокодера 6, где осуществляется его аналого-цифровое преобразование, возможно маскирование, кодирование и в результате формируется цифровой сигнал, который через блок управления 5 поступает в блок модема 4, в котором осуществляется цифровая обработка модулирующего сигнала, выполняется цифро-аналоговое преобразование и формируются аналоговые модулирующие сигналы для двухточечной модуляции синтезатора частот, выполненного на базе блоков 10, 11, 12 и 13. В соответствии со схемой двухточечной модуляции модулирующий аналоговый сигнал подается одновременно на вход управляемого кварцевого генератора 10 и через блок суммирования 18 и ключ 19 – на вход управляемого генератора 13, а параметры синтезатора частот обеспечиваются параметрами второго ФНЧ 12 и настройками коэффициента деления блока импульсно-фазовой автоподстройки частоты 11. На второй вход блока суммирования 18 подается маскирующий шумовой сигнал, который формируется в БИШС 15, фильтруется третьим ФНЧ 16, а уровень маскирующего сигнала задается в блоке масштабирования сигнала 17. В результате на выходе управляемого генератора 13 формируется модулированный радиочастотный сигнал с замаскированными шумовым сигналом продуктами нежелательной модуляции в полосе сигнала. Далее через блок радиочастотного модуля 3 сигнал транслируется на усилитель мощности 14, в котором осуществляется собственно усиление, и через БКППА 2 сигнал коммутируется на первый ФНЧ 1, в котором выделяется необходимая полоса для излучения на приемопередающую антенну, которая в режиме передачи является выходом радиоустройства.
К несомненным преимуществам такой реализации устройства относится внутреннее расположение источника маскирующего шумового сигнала, что устраняет проблему различия фактических диаграмм направленности антенн радиостанции и излучателя маскирующего шума в случае внешнего устройства защиты, что позволяет обеспечить маскирование с нужным качеством по всем азимутальным направлениям. Кроме того, ограниченность полосы маскирующего сигнала полосой излучаемого сигнала не приводит к созданию непреднамеренных помех прочим радиоэлектронным устройствам и это позволяет выполнить требования к электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств при заданных энергетических характеристиках радиосистемы передачи и вероятности ошибочного приема.
Реализация блоков 1 – 14 заявляемого устройства аналогична блокам устройства-прототипа и может быть выполнена в соответствии со схемами, представленными в руководстве пользователя [6], а также монографией Пауль Хоровиц и Уинфилд Хилл «Искусство схемотехники» в 2-х томах. Москва Мир 1986г. Реализация третьего ФНЧ 16 аналогична реализации первого 1 и второго 12 ФНЧ устройства прототипа и также может быть выполнена в соответствии с вышеуказанной монографией.
Реализация блока источника шумового сигнала с равномерным распределением мгновенных значений амплитуды 15 известна и является обычной инженерной задачей, и может быть выполнена, например, в соответствии со статьей Маковий В.А. Формирование сигналов с мультимодальным распределением / В.А. Маковий // Теория и техника радиосвязи. – 2012. – №2. – C.95.
Блок 17 может быть выполнен, например, в виде аттенюатора, как описано в монографии Пауль Хоровиц и Уинфилд Хилл «Искусство схемотехники» в 2-х томах. Том 2. Москва Мир 1986г. стр. 296.
Выполнение блока 18 может быть, как описано, например, в монографии Пауль Хоровиц и Уинфилд Хилл «Искусство схемотехники» в 2-х томах. Том 2. Москва Мир 1986г. стр.297.
Блок 19 может быть выполнен, например, как описано в монографии Пауль Хоровиц и Уинфилд Хилл «Искусство схемотехники» в 2-х томах. Том 1. Москва Мир 1986г. стр.390.
Приведем доказательство эффективности работы заявляемого устройства.
В частном случае, рассмотрим влияние добавления маскирующего шума в полосу сигнала на ухудшение качества приёма на примере когерентного приемника двоичных ортогональных сигналов с частотной манипуляцией (FSK).
Как известно, вероятность ошибки  при приёме такого сигнала когерентным демодулятором описывается формулой [7, стр. 245]
,
где  Q(x) – функция гауссова интеграла ошибок, определяемая как
;
– энергия, приходящаяся на один двоичный символ информации, в данном случае совпадает с энергией одного передаваемого символа;
– спектральная плотность шума на входе приёмника.
При передаче сигналов FSK ширина полосы приемника W в герцах обычно равна скорости передачи символов ; можно считать, что TW = 1 [7, стр. 254]. Тогда мощность шума  можно найти как , тогда .
Мощность принимаемого сигнала S, соответственно,  , тогда .
Выразим отношение  через мощности сигнала и шума в полосе принимаемого сигнала на входе приёмника.
При заданном отношении мощностей сигнала и шума на входе получим выражение для вероятности ошибки при заданном отношении мощностей сигнала и шума в полосе приёма:
.
Пусть канал передачи информации обеспечивает максимальную ошибку 5 % [8], тогда в соответствии с [7, стр. 1060] отношение мощностей 1.65 или SNR= 10∙lg(1.65) =2.175 дБ.
После добавления в полосу сигнала маскирующей помехи мощность шума на входе приёмника увеличится на мощность маскирующего сигнала. Примем мощность сигнала за 1. Тогда мощность шума N = 1/1.65 = 0.60606. Пусть маскирующая помеха имеет уровень в 100 раз по мощности меньше, чем сигнал, . Маскирующая помеха и шум являются независимыми процессами. Поэтому их сумма будет иметь мощность , что приведёт к уменьшению величины SNR до уровня 1/ =1.647 (2.168 дБ).
Уменьшение SNR за счёт добавления маскирующей помехи в рассматриваемом случае составит 0.007 дБ, что практически не увеличит вероятность ошибки принимаемого сигнала. Однако отношение сигнал/шум для продуктов нежелательной модуляции изменится более заметно. Например, если в результате прямого прохождения уровень паразитного сигнала на выходе передатчика составит - 40 дБс (фиг.5а) относительно полезного сигнала, то после добавления маскирующей помехи с уровнем
-20 дБс (фиг.5б) сигнал прямого прохождения на выходе передатчика будет на 20 дБ ниже уровня добавленной маскирующей помехи и его прием станет весьма затруднен или невозможен.
Следовательно, заявляемое радиоустройство обеспечивает увеличение защищенности радиоустройства от утечки речевой информации по электромагнитному каналу прямого прохождения, при выполнении требований к электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств при заданных энергетических характеристиках радиосистемы передачи и вероятности ошибочного приема.
Литература:
1. Авторское свидетельство №34635. Приспособление для устранения микрофонного эффекта в супергетеродинных приемниках. Биншток В.В., Грачев Е.Т. 28.02.1933.
2. US20100246147A1. Microphonics suppression in high-speed communications systems. Y. Qin, F.S. Matsumoto, E. Tiongson. 16.11.2006.
3. US4831211A. EMI/RFI sealed microphonics isolation apparatus and methods. L. D. McPherson, E. Saenz. 08. 06.1988.
4. US6239359B1. Circuit board RF shielding. F.L. Peter, F.W. Verdi. 11.05.1999.
5. Патент № 2170493. Устройство радиомаскировки. – Безруков В.А., Иванов В.П, Лебедев М.Н. – Опубл. 10.07.2001 г.
6. Руководство пользователя UM9943. SDR Demonstrator: 2-slot TDMA Digital Radio User Manual / CML Microcircuits Communication Semiconductors. – 2015.
7. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр. : Пер. с англ. – М. : Издательский дом «Вильямс», 2003. – 1104 с.
8. Маковий В.А. Сравнительная оценка экономических затрат на подавление связи в тактическом звене / В.А. Маковий, В.И. Николаев, В.Н. Поветко // Теория и техника радиосвязи. – 2016. – №3. – C.88-93.