ЭЛЕКТРОННЫЙ ЗАМОК
ELECTRONIC LOCK

Предлагаемое устройство относится к технике защиты различных объектов от доступа посторонних лиц, в частности к электронным замкам.
Известны электронные замки (авт. свид. СССР №№358.495, 475.450, 506.693, 592.693, 699.155, 878.889, 1.000.547, 1.201.472, 1.252.468, 1.326.718, 1.776.744; патенты РФ №№2.002.020, 2.037.046, 2.043.476, 2.159.836, 2.240.413; патенты США №№4.831.860, 5.209.088; патенты Великобритании №№2.141.774, 2.261.254; патенты ФРГ №№3.407.128, 3.907.326; патенты Франции №№2.559.193, 2.692.309; патенты Японии №№59-192.167, 60-29.912; Дикарев В.И. и др. Защита объектов и информации от несанкционированного доступа. СПб, 2004, с.53-153 и др.)
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Электронный замок» (патент РФ №2.240.413, Е05В 49/00, 2003), который и выбран в качестве прототипа.
При нахождении вблизи замка средства для кодирования, выполненного, например, в виде ключа или брелка, передатчик излучает радиосигнал, частота которого преобразуется в средстве для кодирования, после чего опять излучается и принимается усилителем (приемником), настроенным на эту частоту. При совпадении частоты настройки с частотой принимаемого сигнала замок открывается.
Каждый сотрудник объекта охраны имеет свой индивидуальный модулирующий код, который записан в блоке 16 памяти и в персональном ключе (средстве 6 для кодирования). При этом средство 6 для кодирования выполнено в виде линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), в качестве отводов которой использованы гребенчатые системы электродов встречно-штыревого преобразователя (ВШП) поверхностных акустических волн. Средство 6 для кодирования является простым, надежным и миниатюрным устройством (типа брелка, кольца или небольшого медальона), которое не затрудняет обычную жизнедеятельность владельца, но несет на себе необходимую уникальную информацию об этом владельце. Второе важное достоинство этого устройства - предоставляемая возможность дистанционного считывания им информации неограниченное число раз, без какого бы то ни было участия владельца.
Недостатком данного устройства является низкая надежность и помехоустойчивость к узкополосным помехам.
Технической задачей изобретения является повышение надежности и помехоустойчивости электронного замка путем подавления узкополосных помех.
Поставленная задача решается тем, что электронный замок, содержащий в соответствии с ближайшим аналогом расположенные на объекте охраны радиопередатчик, последовательно включенные радиоприемник, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, узкополосный фильтр, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, и первый фильтр нижних частот, последовательно включенные блок памяти, коррелятор, пороговый блок и исполнительный блок, кинематически связанный с механическим замком, и элементы включения, выполненные в виде механического замка с выключателем питания, соединенного с радиопередатчиком и радиоприемником, а также средство для кодирования, расположенное вне объекта охраны и выполненное в виде линии задержки на поверхностных акустических волнах, в качестве отводов которой использованы гребенчатые системы электродов встречно-штыревого преобразователя поверхностных акустических волн, и отражающих решеток и представляет собой пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным преобразователем и набором отражателей, при этом преобразователь подключен к микрополосковой приемопередающей антенне, которая также изготовлена на поверхности пьезокристалла, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен третьим и четвертым перемножителями, двумя фазовращателями на +90°, фазовращателем на -90°, вторым и третьим фильтрами нижних частот и двумя вычитателями, причем к выходу узкополосного фильтра последовательно подключены первый фазовращатель на +90°, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, второй фильтр нижних частот, первый вычитатель, второй фазовращатель на +90° и второй вычитатель, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, а выход подключен ко второму входу коррелятора, к выходу узкополосного фильтра последовательно подключены фазовращатель на -90°, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, и третий фильтр нижних частот, выход которого соединен со вторым входом первого вычитателя.
Структурная схема предлагаемого электронного замка представлена на фиг.1; временные диаграммы, поясняющие принципы работы электронного замка, изображены на фиг.2.
Электронный замок содержит расположенные на объекте охраны радиопередатчик 4, последовательно включенные радиоприемник 5, первый перемножитель 12, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра 15 нижних частот, узкополосный фильтр 14, второй перемножитель 13, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника 5, первый фильтр 15 нижних частот, второй вычитатель 28, коррелятор 17, второй вход которого соединен с выходом блока 16 памяти, пороговый блок 18 и исполнительный блок 3, кинематически связаный с механическим замком, последовательно подключенные к выходу узкополосного фильтра 14 первый фазовращатель 20 на +90°, третий перемножитель 22, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника 5, второй фильтр 24 нижних частот, первый вычитатель 26 и второй фазовращатель 27 на +90°, выход которого соединен со вторым входом второго вычитателя 28, последовательно подключенные к выходу узкополосного фильтра 14 фазовращатель 21 на -90°, четвертый перемножитель 23, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника 5, и третий фильтр 25 нижних частот, выход которого соединен со вторым входом первого вычитателя 26, и элементы включения, выполненные в виде механического замка 1 с выключателем 2 питания, соединенные с радиопередатчиком 4 и радиоприемником 5, а также средство 6 для кодирования, расположенное вне объекта охраны и выполненное в виде линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), в качестве отводов которой использованы гребенчатые системы электродов 8 встречно-штыревого преобразователя (ВШП) поверхностных акустических волн, и отражающих решеток 11 и представляет собой пьезокристалл 19 с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным преобразователем и набором отражателей, при этом преобразователь подключен к микрополосковой приемопередающей антенне 7, которая также изготовлена на поверхности пьезокристалла 19.
Центральная частота и полоса пропускания ВШП определяются шагом размещения электродов и их количеством. Порядок размещения электродов несет индивидуальную информацию о владельце средства 6 для кодирования. Изготовление ВШП осуществляется стандартными методами фотолитографии и травлением тонкой металлической пленки, осажденной на пьезоэлектрическом кристалле. Возможности современной фотолитографии позволяют создавать ВШП, работающие на частотах до 3 ГГц.
3
Как правило, скорость распространения ПАВ составляет 3·10 м/с. Это примерно на пять порядков меньше скорости распространения электромагнитных колебаний, в связи с этим на одном сантиметре пьезокристалла можно уместить такую же информацию, как и в километровом кабеле.
Электронный замок работает следующим образом.
При нажатии на ручку 1 замка замыкаются контакты, подавая питание на радиопередатчик 4 и радиоприемник 5. Радиопередатчик 4 излучает сигнал высокой частоты (фиг.2, а):
c
c
c
c
c
u(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤T,
c
c
с
c
где U, w, φ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала.
c
Причем длительность T сигнала определяется временем нажатия на ручку замка. Указанный сигнал принимается приемопередающей антенной 7 средства 6 для кодирования, где он преобразуется в акустическую волну. Работа электродных преобразователей 8 основана на том, что переменные в пространстве и времени электрические поля, создаваемые в пьезоэлектрическом кристалле системой электродов, вызывают из-за пьезоэффекта упругие деформации, которые распространяются в кристалле в виде ПАВ. Акустическая волна распространяется по кристаллу и через некоторое время достигает отражающих решеток 11, которые отражают волну назад с фазой, определяемой положением решеток, и амплитудой, пропорциональной коэффициенту отражения. Отраженная акустическая волна модифицируется уникальным, зависящим от топологии ВШП образом. Затем акустическая волна претерпевает в ВШП обратное преобразование в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией, который поступает в антенну 7 и излучается в пространство.
Сформированный фазоманипулированный (ФМн) сигнал имеет следующий вид (фиг.2, в):
1
1
c
к
с
c
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
к
i
к
э
э
э
где φ(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.2, б), причем φ(t)=const при Кτ<t<(к+1)τ и может изменяться скачком при t=Кτ, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1,2,…,N; i=1,2,…,n);
э
с
с
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т(Т=N·τ).
i
Причем модулирующий код M(t) является индивидуальным для каждого сотрудника, имеющего доступ к электронному замку, а следовательно, и санкционированный доступ к объекту охраны.
Входная смесь, содержащая полезный ФМн-сигнал:
1
1
c
к
с
c
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T
и узкополосную помеху
п
п
п
п
п
u(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤Т,
п
c
ф
где w-w=Δw≤Δw,
ф
Δw - полоса пропускания фильтров низкой частоты,
c
с выхода радиоприемника 5, настроенного на несущую частоту w, одновременно поступает на первые входы перемножителей 12, 13, 22 и 23. На второй вход перемножителя 13 с выхода узкополосного фильтра 14 подается опорное напряжение (фиг.2, г):
0
0
c
с
c
u(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤T.
На выходе фильтра 15 нижних частот образуется низкочастотное напряжение:
2
1
п
0
1
c
к
с
u(t)=[u(t)+u(t)]·u(t)={U·Cos[wt+φ(t)+φ]+
п
п
п
0
c
c
2
к
3
п
c
п
с
U·Cos(wt+φ)}·U·Cos(wt+φ)=U·Cosφ(t)+U·Cos[(w-w)t+φ(t)-φ],
2
1
0
3
п
0
где U=½U·U; U=½U·U.
2
к
3
п
c
п
с
Следовательно, на выходе фильтра 15 нижних частоты наряду с полезной составляющей U·Cosφ(t) появляется помеховая составляющая U·Cos[(w-w)t+φ+φ]. На выходе перемножителя 12 образуется гармоническое напряжение:
0
1
п
2
1
c
к
с
u(t)=[u(t)+u(t)]·u(t)={U·Cos[wt+φ(t)+φ]+
п
п
п
2
к
3
п
c
п
c
0
c
с
U·Cos(wt+φ)}·{U·Cosφ(t)+U·Cos[(w-w)t+φ(t)-φ]}=U·Cos(wt+φ),
которое выделяется узкополосным фильтром 14.
0
Опорное напряжение u(t) одновременно подается на вторые входы перемножителей 22 и 23 через фазовращатели 20 на +90° и 21 на -90° соответственно. На выходах фильтров 24 и 25 нижних частот образуются низкочастотные напряжения соответственно:
3
1
п
01
1
c
к
с
u(t)=[u(t)+u(t)]·u(t)={U·Cos[wt+φ(t)+φ]+
п
п
п
0
c
с
2
к
U·Cos(wt+φ)}·U·Cos(wt+φ+90°)=U·Cos[φ(t)-90°]+
3
п
c
п
с
U·Cos[(w-w)t+φ(t)-φ-90°],
1
п
02
1
c
к
c
u(t)=[u(t)+u(t)]·u(t)={U·Cos[wt+φ(t)+φ]+
п
п
п
0
c
c
2
к
U·Cos(wt+φ)}·U·Cos(wt+φ-90°)=U·Cos[φ(t)+90°]+
3
п
c
п
c
U·Cos[(w-w)t+φ(t)-φ+90°].
На выходе вычитателя 26 получается разность:
5
3
4
4
п
c
п
c
u(t)=u(t)-u(t)=U·Sin[(w-w)t+φ(t)-φ]-Sin90°
4
п
c
п
c
=U·Sin[(w-w)t+φ(t)-φ],
4
3
2
где U=½U .
5
Анализ выражения u(t) показывает, что оно представляет собой оценку помеховой составляющей, которая отличается от помеховой составляющей на выходе фильтра 15 нижних частот амплитудой и поворотом по фазе на +90°.
5
2
2
5
Это напряжение u(t) через фазовращатель 27 на +90° подается на второй вход второго вычитателя 28, на первый вход которого поступает напряжение u(t) с выхода фильтра 15 нижних частот. Равенство амплитуд помеховых составляющих на выходах второго вычитателя 28 может быть достигнуто за счет выбора коэффициентов усиления перемножителей 13, 22 и 23. После вычитания напряжений u(t) и u(t) на выходе второго вычитателя 28 образуется низкочастотное напряжение:
н
2
к
u(t)=U·Cosφ(t).
i
Следовательно, перемножители 12 и 13, узкополосный фильтр 14 и фильтр 15 нижних частот обеспечивают выделение модулирующего кода M(t) из принимаемого ФМн-сигнала, т.е. синхронное его детектирование.
i
Применяемые блоки, обеспечивающие синхронное детектирование принимаемого ФМн-сигнала, свободны от явления "обратной работы" и позволяют достоверно выделять модулирующую функцию M(t) (ее аналог) из принимаемого ФМн-сигнала.
н
i
n
Аналог модулирующего кода u(t) (фиг.2, д) с выхода второго вычитателя 28 поступает на первый вход коррелятора 17, на второй вход которого подаются модулирующие коды M(t)-M(t), записанные заранее в блоке 16 памяти, где n - количество сотрудников, имеющих доступ к электронному замку, а следовательно, и санкционированный доступ к объекту охраны.
пор
пор
пор
Каждый сотрудник объекта охраны имеет свой индивидуальный модулирующий код, который записан в блоке 16 памяти и в персональном ключе (средство 6 для кодирования). Выделенный из принимаемого ФМн-сигнала аналог модулирующего кода в корреляторе 17 со своим прототипом, записанным в блоке 16 памяти, образует максимальное напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ). Это напряжение превышает пороговый уровень U в пороговом блоке 18. Пороговый уровень U выбирается таким, чтобы его превышали только максимальные значения корреляционных функций. При превышении порогового уровня U в пороговом блоке 18 формируется управляющее напряжение, которое включает исполнительный механизм 3.
1
n
При отсутствии вблизи электронного замка средства для кодирования, которое может быть выполнено в виде ключа или брелка, сигнал на первом входе коррелятора 17 отсутствует и замок не открывается. Замок не открывается и в том случае, если модулирующий код, записанный в брелке его владельца, не соответствует ни одному из кодов M(t)-M(t), записанных в блоке 16 памяти.
Используемые сложные сигналы с фазовой манипуляцией обладают структурной и энергетической скрытностью. Они позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию.
Положительным свойством средства для кодирования на ПАВ является надежность и миниатюрные размеры, а также малые затраты на длительную эксплуатацию (отсутствие батареи и большое время наработки на отказ).
Большим преимуществом предлагаемого электронного замка является пассивное средство для кодирования, которое при облучении формирует специальным образом синтезированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией.
Таким образом, предлагаемый электронный замок по сравнению с прототипом обеспечивает повышение надежности и помехоустойчивости электронного замка. Это достигается за счет подавления узкополосных помех фазокомпенсационным методом.