Локализация сигналов методом фильтрации и заземление технических средств

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

“БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РЕФЕРАТ

На тему:

«Локализация сигналов методом фильтрации. Заземление технических средств. Звукоизоляция помещений»

МИНСК, 2008

Фильтрация

Одним из методов локализации опасных сигналов, циркулирующих в технических средствах и системах обработки информации, является фильтрация. В источниках электромагнитных полей и наводок фильтрация осуществляется с целью предотвращения распространения нежелательных электромагнитных колебания за пределы устройства -- источника опасного сигнала. Фильтрация в устройствах -- рецепторах электромагнитных полей и наводок должна исключить их воздействие на рецептор.

В системах и средствах информатизации и связи фильтрация может осуществляться:

-- в высокочастотных трактах передающих и приемных устройств для подавления нежелательных излучений -- носителей опасных сигналов и исключения возможности их нежелательного приема;

-- в различных сигнальных цепях технических средств для устранения нежелательных связей между устройствами и исключения прохождения сигналов, отличающихся по спектральному составу от полезных сигналов;

-- в цепях электропитания, управления, контроля, коммутации технических средств для исключения прохождения опасных сигналов по этим цепям;

-- в проводных и кабельных соединительных линиях для защиты от наводок;

-- в цепях электрочасофикации, пожарной и охранной сигнализации для исключения прохождения опасных сигналов и воздействия навязываемых высокочастотных колебаний.

Одна из возможных схем фильтрации опасных сигналов, создаваемых или воспринимаемых техническим средством по различным цепям, представлена на рис. 1.

Фильтрация в различных цепях осуществляется с помощью фильтров, дросселей и трансформаторов.

В целях фильтрации в технических средствах систем информатизации и связи широко используют различные фильтры (нижних и верхних частот полосовые, заграждающие и т.д.). Основное назначение фильтра -- пропускать без значительного ослабления сигналы с частотами, лежащими в рабочей полосе частот, и подавлять сигналы с частотами, лежащими за пределами этой полосы.

Количественно эффективность ослабления (фильтрации) нежелательных (в том числе и опасных) сигналов защитным фильтром оценивается в соответствии с выражением:

где U₁(P₂) -- напряжение (мощность) опасного сигнала на входе фильтра (рис. 1); U₂(P₂) -- напряжение (мощность) опасного сигнала на выходе фильтра при включенной нагрузке.

Основные требования, предъявляемые к защитным фильтрам, заключаются в следующем:

-- величины рабочих напряжения и тока фильтра должны соответствовать величинам напряжения и тока цепи, в которой фильтр установлен;

-- эффективность ослабления нежелательных сигналов должна быть не меньше заданной в защищаемом диапазоне частот;

-- ослабление полезного сигнала в полосе прозрачности фильтра должно быть незначительным, не влияющим на качество функционирования системы;

-- габариты и масса фильтров должны быть, по возможности, минимальными;

-- фильтры должны обеспечивать функционирование при определенных условиях эксплуатации (температура, влажность, давление, удары, вибрация и т.д.);

-- конструкции фильтров должны соответствовать требованиям техники безопасности.

К фильтрам цепей питания наряду с общими предъявляются следующие дополнительные требования:

-- затухание, вносимое такими фильтрами в цепи постоянного тока или переменного тока основной частоты, должно быть незначительным (например, 0,2 дБ и менее) и иметь большое значение (более 60 дБ) в полосе подавления, которая в зависимости от конкретных условий может быть достаточно широкой (до 10¹⁰ Гц).

-- сетевые фильтры должны эффективно работать при больших проходящих токах, высоких напряжениях и высоких уровнях мощности рабочих и подавляемых электромагнитных колебаний;

-- ограничения, накладываемые на допустимые уровни нелинейных искажений формы напряжения питания при максимальной нагрузке, должны быть достаточно жесткими (например, уровни гармонических составляющих напряжения питания с частотами выше 10 кГц должны быть на 80 дБ ниже уровня основной гармоники).

Фильтры нижних частот. Фильтр, у которого полоса прозрачности находится в пределах от =0 (постоянный ток) до некоторой граничной частоты _гр, называется фильтром нижних частот (ФНЧ).

Фильтры верхних частот. Фильтр, у которого полоса прозрачности занимает все частоты выше некоторой определенной граничной частоты _гр, называется фильтром верхних частот (ФВЧ). В таком фильтре постоянный ток и все колебания с частотами ниже определенной граничной частоты должны задерживаться, а колебания частот >_гр -- беспрепятственно пропускаться.

Полосовые и заграждающие (режекторные) фильтры. Полосовые фильтры характеризуются тем, что обе частоты _гр1, и _гр2 ограничивающие полосу прозрачности, конечны и ни одна из них не равна нулю.

В ряде случаев ставится задача задержания определенной полосы частот и в то же время пропускания всех остальных частот. Такая задача решается заграждающим фильтром.

С точки зрения конструктивного исполнения фильтры могут быть выполнены на элементах с сосредоточенными параметрами (фильтры, предназначенные для работы на частотах до 300 МГц) и на элементах с распределенными параметрами (коаксиальные, волноводные, полосковые, применяемые на частотах свыше 1 ГГц). В диапазоне частот 300 МГц_1 ГГц могут использоваться фильтры, включающие элементы, как с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами.

Разделительные трансформаторы. Должны обеспечивать развязку первичной и вторичной цепей по сигналам наводки. Это означает, что во вторичную цепь трансформатора не должны проникать наводки, появляющиеся в цепи первичной обмотки. Проникновение наводок во вторичную обмотку объясняется наличием нежелательных резистивных и емкостных цепей связи между обмотками.

Для уменьшения связи обмоток по сигналам наводок часто применяется внутренний экран, выполняемый в виде заземленной прокладки или фольги, укладываемой между первичной и вторичной обмотками. С помощью этого экрана наводка, действующая в первичной обмотке, замыкается на землю.

Разделительные трансформаторы используются с целью решения ряда задач, в том числе для:

-- разделения по цепям питания источников и рецепторов наводки, если они подключаются к одним и тем же шинам переменного тока;

-- устранения асимметричных наводок;

-- ослабления симметричных наводок в цепи вторичной обмотки, обусловленных наличием асимметричных наводок в цепи первичной обмотки.

2. Заземление технических средств

Заземление технических средств систем информатизации и связи должно быть выполнено в соответствии с определенными правилами. Основные требования, предъявляемые к системе заземления, заключаются в следующем:

1. Система заземления должна включать общий заземлитель, заземляющий кабель, шины и провода, соединяющие заземлитель с объектом;

2. Сопротивления заземляющих проводников, а также земляных шин должны быть незначительными;

3. Каждый заземляемый элемент должен быть присоединен к заземлителю или к заземляющей магистрали при помощи отдельного ответвления. Последовательное включение в заземляющий проводник нескольких заземляемых элементов запрещается;

4. В системе заземления должны, по возможности, отсутствовать замкнутые контуры, образованные соединениями или нежелательными связями между сигнальными цепями и корпусами устройств, между корпусами устройств и землей;

5. Следует избегать использования общих проводников в системах экранирующих заземлений, защитных заземлений и сигнальных цепей;

6. Качество электрических соединений в системе заземления должно обеспечивать минимальное сопротивление контакта, надежность и механическую прочность контакта в условиях климатических воздействий и механических нагрузок;

7. Контактные соединения должны исключать возможность образования оксидных пленок на контактирующих поверхностях и связанных с этими пленками нелинейных явлений;

8. Контактные соединения должны исключать возможность образования гальванических пар для предотвращения коррозии в цепях заземления;

9. Запрещается использовать в качестве заземляющего устройства нулевые фазы электросетей, металлоконструкции зданий, трубы систем отопления, водоснабжения, канализации и т.д.

Комплексные сопротивления заземляющих проводников должны обладать минимальными активным сопротивлением и собственной индуктивностью. Поэтому заземляющие проводники должны иметь минимально возможную длину l_з, значительно меньшую длины волны электромагнитного поля -- источника наводки. На практике должно выполняться условие l_з<0,02. Для уменьшения сопротивления форма и размеры поперечного сечения заземляющих проводников должны выбираться таким образом, чтобы на частоте наводки обеспечивались малые активное и реактивное сопротивления. Сопротивление заземления этих средств не должно превышать 4 Ом.

Для устранения замкнутых контуров в системе заземления используют различные методы. На рис. 2 представлены три способа разрыва нежелательных контуров в цепях заземления: а -- с помощью разделительных трансформаторов; б -- с помощью дросселей, работающих в синфазном режиме, в -- с помощью оптронов.

В целях исключения использования общих проводников в системах раз личных заземлений можно изолировать друг от друга цепи возврата сигнальных токов, цепи возврата постоянных токов питания и цепи возврата переменных токов питания. В этом случае необходимо построить систему заземления, состоящую из трех независимых контуров, сходящихся в одной точке. Такой подход позволяет оптимизировать каждую заземляющую цепь в отдельности. Например, цепи заземления схем распространения сигналов в диапазо-не частот до нескольких мегагерц должны иметь низкое сопротивление и по ним должен течь маленький ток. Заземляющая цепь источников питания постоянного тока должна быть рассчитана на низкое сопротивление, но на значительно больший ток, а заземления источников питания по сети переменного тока должны иметь низкое сопротивление и выдерживать токи в сотни ампер.

3. Согласованные нагрузки волноводных, коаксиальных и волоконно_оптических линий

Поглощающие согласованные нагрузки. Поглощающие согласованные нагрузки используются в целях полного поглощения энергии электромагнитных колебаний.

Волноводные нагрузки низкого уровня мощности (до десятков ватт), как правило, представляют собой отрезки короткозамкнутых волноводов с помещенными внутрь поглотителями (СВЧ-резисторами). В поглотителях происходит преобразование электромагнитной энергии в тепло. В СВЧ диапазоне такое преобразование может происходить на поверхности проводила за счет токов проводимости и в толще диэлектрика с большими потерями.

В качестве твердых объемных поглотителей используются смеси полупроводящих окислов из мелкодисперсного карбонильного железа с твердыми наполнителями (полистирол, эпоксидная смола, различные виды керамики с примесью проводящих веществ).

Поглощающие нагрузки применяются в качестве эквивалентов антенн излучающих радиоэлектронных средств, а также для других целей (в циркуляторах, переключателях, делителях мощности и т.д.). Эквиваленты антенн используются при проведении различного рода измерений в высокочастотных трактах радиотехнических средств специального назначения в процессе их разработки, испытаний и эксплуатации, а также при проведении регламентных работ на этих средствах.

Антенные насадки. Антенные насадки используются при проведении испытаний специальных радиотехнических средств методом закрытых трактов. В этом случае радиоканал (антенна передающего устройства -- среда распространения радиосигнала -- антенна приемного устройства) замещается антенной насадкой, исключающей (или существенно ослабляющей) излучение радиосигнала в окружающее пространство.

Использование антенной насадки позволяет локализовать радиоизлучение в пределах ее рабочего объема и существенно ослабить (на 30--40 дБ) уровень радиоизлучений, проникающих во внешнее пространство.

Соединители волноводных, коаксиальных и оптических трактов. Соединителями волноводных трактов называют элементы, обеспечивающие соединение отдельных отрезков волноводов и узлов друг с другом. От качества электрического контакта в местах соединения зависит такая важная характеристика как электрогерметичность тракта. Если в месте соединения контакт ненадежен, то возможно излучение электромагнитного поля из щелей в окружающее пространство. В настоящее время используют два основных типа соединения волноводов -- контактные и дроссельные. Контактное соединение может быть неразъемным и разъемным. Неразъемное соединение можно осуществить, например, с помощью внешних муфт. Возможна реализация неразъемных контактных соединений путем стыковки и холодной сварки торцов волноводов.

Разъемные контактные соединения выполняются с помощью специальных контактных фланцев. Плоские контактные фланцы за счет соприкосновения тщательно обработанных торцевых поверхностей обеспечивают непосредственный электрический контакт между соединяемыми волноводами. Контактные поверхности фланцев стягиваются между собой болтами или струбцинами.

Соединение гибких и жестких коаксиальных волноводов осуществляется с помощью специальных разъемов. Разъемные соединительные устройства обычно используются в оконечной аппаратуре.

4. Звукоизоляция помещений

Основная идея пассивных средств защиты акустической информации - это снижение соотношения сигнал/шум в возможных точках перехвата информации за счет снижения информативного сигнала.

При выборе ограждающих конструкций выделенных помещений в процессе проектирования необходимо руководствоваться следующими правилами:

-- в качестве перекрытий рекомендуется использовать акустически неоднородные конструкции;

-- в качестве полов целесообразно использовать конструкции на упругом основании или конструкции, установленные на виброизоляторы;

-- потолки целесообразно выполнять подвесными, звукопоглощающими со звукоизолирующим слоем;

-- в качестве стен и перегородок предпочтительно использование многослойных акустически неоднородных конструкций с упругими прокладками (резина, пробка, ДВП, МВП и т.п.).

Прохождение волн через препятствия осуществляется различными путями:

-- через поры, окна, щели, двери и т.д. (путем воздушного переноса):

-- через материал стен, по трубам тепло-, водо- и газоснабжения и т.д. за счет их продольных колебаний (путем материального переноса);

-- через материал стен и перегородок помещения за счет из поперечных колебаний (путем мембранного переноса).

Выделение акустического сигнала на фоне естественных шумов происходит при определенных соотношениях сигнал/шум. Производя звукоизоляцию, добиваются его снижения до предела, затрудняющего (исключающего) возможность выделения речевых сигналов, проникающих за пределы контролируемой зоны по акустическому или виброакустическому (ограждающие конструкции, трубопроводы) каналам.

Для сплошных, однородных, строительных конструкций ослабление акустического сигнала, характеризующее качество звукоизоляции на средних частотах, рассчитывается по формуле:

где q_ог, - масса 1 м² ограждения, кг; f - частота звука, Гц.

Во временно используемых помещениях применяют складные экраны. Применение звукопоглощающих материалов, преобразующих кинетическую энергию звуковой волны в тепловую, имеет некоторые особенности, связанные с необходимостью создания оптимального соотношения прямого и отраженного от преграды акустических сигналов. Чрезмерное звукопоглощение снижает уровень сигнала, большое время реверберации приводит к ухудшению разборчивости речи.

Поглощающие материалы могут быть сплошными и пористыми. Обычно пористые материалы используют в сочетании со сплошными. Один из распространенных видов пористых материалов -- облицовочные звукопоглощающие материалы. Их изготавливают в виде плоских плит или рельефных конструкций (пирамид, клиньев и т.д.), располагаемых или вплотную, или на небольшом расстоянии от сплошной строительной конструкции (стены, перегородки, ограждения и т.п.).

Отдельную группу звукопоглощающих материалов составляют резонансные поглотители. Они подразделяются на мембранные и резонаторные. Мембранные поглотители представляют собой натянутый холст (ткань), тонкий фанерный (картонный) лист, под которым располагают хорошо демпфирующий материал (материал с большой вязкостью -- например, поролон, губчатую резину, строительный войлок и т.д.). В такого рода поглотителях максимум поглощения достигается на резонансных частотах.

Повышение звукоизоляции стен и перегородок помещений достигается применением слоистых или раздельных их конструкций. В многослойных перегородках и стенах целесообразно подбирать материалы слоев с резко отличающимися акустическими сопротивлениями (например, бетон--поролон).

Звукоизолирующая способность сложных стен, имеющих дверные и оконные проемы, зависит от звукоизоляции дверей и окон. Увеличение звукоизолирующей способности дверей достигается плотной пригонкой полотна дверей к коробке, устранением щелей между дверью и полом, применением уплотняющих прокладок, обивкой или облицовкой полотен дверей специальными материалами и т.д. При недостаточной звукоизоляции однослойных дверей используются двойные двери с тамбуром, облицованные звукопоглощающим материалом.

Звукопоглощающая способность окон, так же как и дверей, зависит главным образом от поверхностной плотности стекла и прижатия притворов. Обычные окна с двойными переплетами обладают более высокой (на 4--5 дБ) звукоизолирующей способностью по сравнению с окнами со спаренными переплетами. Применение упругих прокладок значительно улучшает звукоизоляционные качества окон. В случаях, когда необходимо обеспечить повышенную звукоизоляцию, применяют окна специальной конструкции (например, двойное окно с заполнением оконного проема органическим стеклом толщиной 20--40 мм и с воздушным зазором между стеклами не менее 100 мм). Повышенное звукопоглощение обеспечивается применением конструкции окон на основе стеклопакетов с герметизацией и заполнением зазора между стеклами различными газовыми смесями.

Между помещениями зданий и сооружений проходит много технологических коммуникаций (трубы тепло-, газо-, водоснабжения и канализации, кабельная сеть энергоснабжения, вентиляционные короба и т.д.). Для них в стенах и перекрытиях сооружений делают соответствующие отверстия и проемы. Их надежная звукоизоляция обеспечивается применением специальных гильз, прокладок, глушителей, вязкоупругих заполнителей и т.д. Обеспечение требуемой звукоизоляции в вентиляционных каналах достигается использованием сложных акустических фильтров и глушителей.

ЛИТЕРАТУРА

Деднев М.А. Защита информации в банковском деле и электронном бизнесе. М.: Кудиц-образ, 2004. - 512 с.

Конеев И.Р. Информационная безопасность предприятия. СПб.: БХВ_Петербург, 2003. - 752 с.

В.А. Богуш, Т.В. Борботько, А.В. Гусинский. Электромагнитные излучения. Методы и средства защиты. Под ред. Л.М. Лынькова. Мн.: Бестпринт, 2003.