Главная
(495) 740-43-40
доб. 13-10
Регистрация

Особенности выбора средства измерения для автоматизированных программно-аппаратных комплексов исследования ПЭМИН

25.11.2013

Особенности выбора средства измерения для автоматизированных программно-аппаратных комплексов исследования ПЭМИН

Кондратьев А.В.,
Нагорный С.И.,
Донцов В.В., к.т.н., с.н.с.
Лобашев А.К., к.т.н., доцент 

 
Вопросы сопровождения и практического проведения аттестации объектов информатизации (ОИ) по требованиям безопасности информации занимают важное место в вопросах обеспечения государственной тайны. Такого вида работы регламентируются нормативными документами ФСТЭК (Гостехкомиссии) России, в которых предписано, что все ОИ, предназначенные для обработки информации, составляющей государственную тайну, а также ведения секретных переговоров, подвергать обязательной аттестации по требованиям безопасности информации. В нормативных документах определены «процессуальные» и «технические» подробности проведения аттестации объектов. Вместе с тем, анализ этих документов показывает с одной стороны «объемность» изложенных в них нормативно-правовых и процессуальных вопросов, с другой стороны – сложную техническую реализацию конкретных исследований и измерений, которые необходимо выполнить в процессе проведения аттестации.
Для технической реализации проведения аттестации необходимо «в совершенстве» знать теоретические и практические вопросы в разных областях науки - акустики и виброакустики, спектрального анализа, антенно-фидерных устройств, распространения радиоволн, нормативно-правовых актов и руководящих документов по защите средств ЭВТ, метрологии и т.д. Не менее «простыми» вопросами являются приобретение и «грамотное» применение дорогостоящих и сложных современных технических средств по проведению аттестации. Одной из насущных проблем, которая была выявлена в процессе применения сложных измерительных комплексов – это соответствие (или несоответствие) предъявляемым критериям качества (соответствия декларированным требованиям), и в конечном итоге - правильности проведенных специальных исследований (СИ). Отметим, что использование современных автоматизированных программно-аппаратных комплексов (АПАК) при аттестации ОИ является приоритетным направлением. Особой осторожности и «тщательности» требует выбор таких уникальных, дорогих и технически сложных изделий, как автоматизированные программно-аппаратные комплексы, предназначенные для проведения специальных исследований средств вычислительной техники (СВТ). При этом, большое значение для работы АПАК имеет выбор средства измерения - измерительного прибора, который в значительной степени определяет стоимость и потребительские свойства АПАК.
Исследование данной проблемы, с нашей точки зрения, целесообразно начать с изучения соответствующих стандартов. Отметим, что в настоящее время на территории РФ действует следующие основные стандарты, регламентирующие деятельность в части исследования ПЭМИН:
1. ГОСТ 29339-92 «Защита информации от утечки за счет ПЭМИН при её обработке средствами вычислительной техники»;
2. ГОСТ Р50752-95 «Защита информации от утечки за счет ПЭМИН при её обработке средствами вычислительной техники. Методика испытаний»;
3. ГОСТ Р50543-93 «Конструкции базовые несущие средств вычислительной техники. Требования по обеспечению защиты информации и электромагнитной совместимости методом экранирования»;
4. ГОСТ Р51319-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы для измерения индустриальных радиопомех»;
5. ГОСТ Р51320-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные»;
6. РМЭК 60950-2002 «Безопасность оборудования информационных технологий»;
7. РД 50-715-92 «Защита информации от утечки за счет ПЭМИН при её обработке средствами вычислительной техники».
Принимая во внимание, что часть ГОСТов содержит сведения, относящиеся к государственной тайне, общие подходы к обоснованию методики выбора измерительного приемника, с нашей точки зрения, можно изложить с учетом анализа международных стандартов, например ANSI C 63.2-1980 и ему аналогичных (Karl-Otto Muller «Procedures for Granting Licenses for the Operanion of RF Devices, Radio and TV Receivers in Western Germany», Rohde&Schwarz, Germany 1987), определяющих порядок измерения ПЭМИН средств вычислительной техники.
Из рассмотрения представленных материалов следует, что наиболее критичными характеристиками измерительной аппаратуры, применяемой для исследования ПЭМИН СВТ, является максимальная чувствительность прибора в заданных пределах измерения. На чувствительность прибора наибольшее влияние оказывает величина собственных шумов прибора и антенно-фидерных устройств. Величина собственных шумов прибора носит нормированный характер и указывается в паспорте прибора с обязательным перечислением настроек и параметров, при которых производились измерения.
В качестве собственного шума обычно понимается тепловой шум, который характеризует как радиоприемники, так и анализаторы спектра (Christoph Rausher «Fundamentals of Spectrum Analysis», Rohde&Schwarz GmbH&Co. KG, Germany 2002). Если брать во внимание «строго» научную точку зрения, тепловой шум «по Найквисту», то есть шум резистора 50 Ом, на порядки ниже шумов измерительного тракта, приведённых к входу приёмника. Это дробовые шума, шумы класса «1/f», фликкер-шумы, шумы преобразования и ещё ряд источников, специфичных для активных полупроводниковых структур. Общий результат всех этих шумов может рассматриваться как условно «белый». Отметим, что определяющим является шум преселектора (при его наличии) или шум каскада первого смесителя (при отсутствии преселектора). Из-за собственного шума отношение сигнал/шум на входе устройства уменьшается. Поэтому собственный шум – это мера чувствительности анализатора спектра. Он позволяет делать заключения о требуемом минимальном уровне входного сигнала, который анализатор может обнаружить. Собственный шум радиоприемника может учитываться различными способами, причем обычно он выражается через коэффициент шума или шум-фактор.
Безразмерный коэффициент шума F четырехполюсного элемента есть частное от деления отношения сигнал/шум на входе четырехполюсника и отношения сигнал/шум на выходе этого четырехполюсника. Имеет место следующее соотношение: 



Уравнение (3) показывает, что коэффициент шума первого каскада полностью учитывается в общем коэффициенте шума каскадной цепи. Аттенюатор расположен на входе анализатора спектра и представляет собой пассивный каскад, коэффициент шума которого может быть рассчитан с помощью выражений (4). 
Поэтому общий коэффициент шума анализатора зависит от установки аттенюатора. Возрастание ослабления на 10 дБ, к примеру, приводит в результате к повышению на 10 дБ общего шум-фактора. Поэтому максимальная чувствительность достигается при установке аттенюатора на 0 дБ (см. рис. 2). 
Чувствительность анализаторов спектра обычно характеризуется средним уровнем индицируемого шума (СУИШ) – параметром, который может быть непосредственно определен по изображению на дисплее анализатора спектра. 
Вырабатываемый входными цепями радиоприемника шум является, практически, «белым» шумом, что означает, что он не содержит никаких дискретных компонент. Вероятность того, что величина напряжения шума попадает в определенный диапазон значений, может быть определена из гауссовского распределения, так что часто используется обозначение «гауссовский шум». 
Индицируемый шум соответствует шумовому напряжению, вырабатываемому детектором огибающей. Соответствующая шумовая мощность может быть рассчитана интегрированием шумовой плотности в шумовой полосе радиоприемника, представляющей собой шумовую полосу всех каскадов, стоящих перед детектором. В случае анализаторов спектра эта полоса определяется шумовой полосой ПЧ фильтра. Соответственно, индицируемый шум зависит от установки полосы разрешения.


Рис.2. Индицируемый средний уровень шума анализатора спектра как функция радиочастотного ослабления
Поскольку спектральная плотность мощности «белого» шума постоянна в пределах шумовой полосы, то индицируемый средний уровень шума может быть рассчитан в случае, если шум-фактор анализатора и шумовая полоса ПЧ фильтра известны, следующим образом: 

Значение –174 дБм (1 Гц) соответствует мощности теплового шума, действующего на омическом сопротивлении в полосе 1 Гц при средней температуре 290 К. Это – уровень собственного шума или абсолютный минимальный уровень шума при данной температуре. 
Детектор выборки, обычно используемый для шумовых измерений с помощью анализаторов спектра, определяет арифметическое среднее значение шума. В случае Гауссовских шумов это на 1,05 дБ ниже среднеквадратического значения (эффективной шумовой мощности). Из-за усреднения результатов по логарифмической шкале путем усреднения по нескольким откликам, индицируемый шум уменьшается еще на 1,45 дБ. При вычислении индицируемого среднего уровня шума в соответствии с уравнением (6), все это учитывается вычитанием 2,5 дБ. Эта коррекция допустима только для Гауссовских шумов, которые принимаются в качестве модели теплового шума. 
Из уравнения (5) может быть выведено следующее соотношение для оценки вариации уровня индицируемого шума при изменении установки полосы ПЧ с BПЧ1 на BПЧ2: 

Если оба фильтра ПЧ имеют одинаковые соотношения между полосой по уровню 3 дБ и шумовой полосой, то разницу в индицируемом шуме можно вычислить из полосы по уровню 3 дБ. Имеет место следующее соотношение:
 

Рисунок 3 иллюстрирует влияние различных значений полосы ПЧ на индицируемый шум. Из-за различных практических реализаций фильтров ПЧ в анализаторе спектра, шум-фактор анализатора может также зависеть от выбранного значения полосы разрешения.

Предел чувствительности анализатора может быть также определен из индицируемого среднего уровня шумов. Он понимается как минимальный уровень входного гармонического сигнала, обеспечивающий превышение уровня шума на 3 дБ на индикаторе анализатора, и называемый минимальным детектируемым сигналом. Поскольку на анализаторе спектра показывается сумма входного сигнала и шума (S + N), то это условие выполняется при уровне входного сигнала, который соответствует эффективному уровню шумов собственного теплового шума (S = N). В этом случае отношение сигнал/шум определяется по формуле: 



Рис.3. Индицируемый средний уровень шума при различных полосах разрешения



Рис.4. Типовые значения уровня индицируемого шума анализатора спектра (фрагмент полной спецификационной таблицы)


Перечень характеристических данных (спецификационная таблица) для индицируемого среднего уровня шумов должен всегда включать полосу разрешения и установку аттенюатора. Типовые установки: РЧ аттенюатора – 0 дБ, полоса разрешения – самая узкая. 
Максимальная чувствительность анализатора спектра реализуется при установке аттенюатора на 0 дБ. Очень важно, чтобы при этом первый смеситель анализатора не был перегружен сигналом высокого уровня, действующим даже вне частотного диапазона измерений. 
Чтобы еще более снизить индицируемый уровень шума, необходимо уменьшить полосу разрешения. Необходимо найти компромисс между низким индицируемым шумом и высокой скоростью измерений. Для индикации входных сигналов с очень низким отношением сигнал/шум полезно уменьшить полосу видеосигнала, а также полосу разрешения или увеличить время развертки при использовании среднеквадратического детектора. Отклик при этом сглаживается, поэтому входной сигнал индицируется яснее. Таким образом, стабилизируются измеряемые уровни, что необходимо как условие получения точного воспроизводимого результата. 
Для измерений уровня важно знать частотную зависимость коэффициента усиления предварительного усилителя. Это значение усиления в децибелах нужно вычесть из измеряемых уровней. Многие анализаторы спектра предлагают возможность учета частотной зависимости коэффициента усиления с помощью специальных таблиц для пересчета. Измеренный спектр может быть, таким образом, определен с правильными уровнями. 
Высокая чувствительность анализатора спектра исключительно важна для многих применений, в которых полоса разрешения ограничена стандартами. В этих случаях снижение индицируемого шума путем сужения полосы разрешения не допускается. Чувствительность важна также для высоких скоростей измерений. При низкой чувствительности для достижения достаточно низкого индицируемого шума, требуются узкополосные ПЧ фильтры, что, в свою очередь, увеличивает время развертки. Анализаторы спектра, обладающие низким шум-фактором, позволяют применять широкие полосы разрешения и, следовательно, более короткие времена развертки. 
Изучение практики показывает, что вышерассмотренным требованиям по чувствительности и частотной избирательности, предъявляемым к аппаратуре при исследованиях ПЭМИН, отвечает довольно узкий круг средств измерения. В настоящее время для проведения исследований ПЭМИН допустимо использовать только такой комплекс аппаратуры, основу которого составляет измерительный приёмник или анализатор спектра с набором соответствующих измерительных антенн. Некоторые обобщённые характеристики этих приборов представлены в таблице 1. 
Из сравнения характеристик этих приборов видно, что селективные
микровольтметры, в целом, подходят для измерений напряжённости слабых электрических и магнитных полей. В то же время, из-за нестабильности «ухода» характеристик и высокой погрешности измерений (в среднем, более 5 дб) они не выдерживают сравнения с современными измерительными приёмниками и анализаторами спектра. Кроме того, они не дают возможность наблюдать панораму исследуемых сигналов
Измерительные приёмники в наибольшей степени отвечают требованиям, предъявляемым к аппаратуре для исследований ПЭМИН. Они обеспечивают высокую точность измерений при сравнительно небольших трудозатратах (что, в прочим, относится и к анализаторам спектра). Значительная часть измерительных приёмников (и анализаторов спектра) позволяет видеть панораму исследуемого диапазона частот, анализировать сигналы при одновременном наблюдении результатов их детектирования различными типами детекторов. Однако цена измерительных приёмников весьма высока.
Анализаторы спектра по своим функциональным возможностям вполне сопоставимы с измерительными приёмниками. На стадии обнаружения ПЭМИН они иногда даже удобнее приёмников. У большинства анализаторов спектра, представленных на российском рынке, отсутствует преселектор. Вместе с тем, цена современного анализатора спектра в два-три раза ниже цены аналогичного по частотному диапазону измерительного приёмника.
Примечания:
* - без преселектора;
** - зависит от конкретного типа прибора.
Таким образом, из приведенных выше рассуждений можно сделать вывод: при необходимости проведения СИ ПЭМИН средств ЭВТ, которые изначально проектировались в защищённом исполнении и обеспечивают весьма низкие уровни ПЭМИН, необходимо применять измерительный приёмник или анализатор спектра, смирившись с необходимостью серьёзных материальных затрат. Отметим, что и в этом случае приходится проводить исследования применяемого в АПАК приемника для проверки соответствия техническим параметрам, установленными нормативными актами, регулирующими порядок измерения ПЭМИН.
В качестве примера выбора измерительного прибора и «корректности» его применения рассмотрим одно из применяемых в АПАК средство, предназначенное для измерения ПЭМИН и построенное на базе анализатора спектра FSH3 фирмы Rohde&Schwarz. Особенностью этого анализатора является малый вес, небольшие габариты и автономное электропитание. Им удобно производить измерения в труднодоступных местах на границе контролируемой зоны, где нет возможности подключиться к системе электроснабжения объекта. Анализатор спектра R&S FSH3, в соответствии с метрологическим сертификатом и паспортом фирмы-изготовителя прибора, предназначен для контроля параметров сетей радиовещания и радиосвязи, а так же для использования при обслуживании и ремонте телекоммуникационного оборудования в полевых и лабораторных условиях. Назначение прибора определяет и его технические характеристики:
- диапазон частот…………………………………………………………………...……….от 100 кГц до 3 ГГц;
- средний уровень собственных шумов (в диапазоне от 10 МГц до 3 ГГц 
при полосе пропускания 1 кГц, видео полосе 10 Гц, опорном уровне <-30дБм)………..............…-105 дБм.
Для подтверждения правильности и «корректности» использования этого прибора в АПАК «Навигатор» нами были проведены исследование этого прибора. Измерения с учетом приведенной выше действующей нормативной и технической базы проведения СИ для прибора R&S FSH3 (модель 1145.5850.03, заводской номер 101456) выявили и определили следующие технические параметры в соответствии с международным стандартом АNSI C 63.2 – 1980 (частотные диапазоны и соответствующие им полосы пропускания, уровень 6 дБ):

Рис. 5. Измеренная характеристика шумов прибора R&S FSH3 в диапазоне 100-150 КГц:

Рис. 6. Измеренная характеристика шумов прибора R&S FSH3 в диапазоне 150 КГц – 1 МГц:

Рис. 7. Измеренная характеристика шумов прибора R&S FSH3 в диапазоне 1 МГц – 30 МГц:

Рис. 8. Измеренная характеристика шумов прибора R&S FSH3 в диапазоне 30 МГц – 100 МГц:

Рис. 9. Измеренная характеристика шумов прибора R&S FSH3 в диапазоне 100 МГц – 2 ГГц:

Измерения проводились в соответствии с методиками ГОСТ 22261-94 «Средства измерения электрических и магнитных величин. Общие технические условия» и МИ 1201-86 «Анализаторы спектра последовательного действия. Методика поверки».
Проведенный нами анализ характеристик прибора R&S FSH3, полученных в различных частотных диапазонах с учетом потерь в антенно-фидерном тракте на различных частотах, погрешностей измерения прибора и пороговой чувствительности на уровне 6 дб (в соответствии со стандартом АNSI C 63.2 – 1980) при проведении измерений ПЭМИН, позволяет сделать вывод: - прибор FSH3 с комплектом придаваемых антенн по своим техническим характеристикам (диапазону измерений и чувствительности в поддиапазонах, ширине полос пропускания по поддиапазонам) не соответствует техническим параметрам средства измерения, установленным нормативными актами, регулирующими порядок измерения ПЭМИН. (ГОСТ 29339-92, п.3; ГОСТ Р 50752-95 п.2; «Сборник методических документов….» раздел 1, п.1.5, п.п.1.5.2). Соблюдение требований данных документов обязательно, (так как их наличие обязательно в органе по аттестации, а соблюдение их требований обязательно при проведении СИ. Данный ГОСТ прописан в РД ФСТЭК как необходимый при проведении СИ, соответственно по закону о «Техническом регулировании», его требования обязательны к выполнению. 
Исходя из вышеизложенного, становится очевидным, что в комплексах, сертифицированных МО РФ для измерения уровней ПЭМИН СВТ, применен анализатор спектра FSH3, не предназначенный (по чувствительности и диапазону измерения) для этих целей (ГОСТ 29339-92, п.3, п.п.3.3).
Таким образом, тематика по выбору средства измерения для АПАК показала актуальность рассматриваемого материала. В данной статье произведен анализ основных отечественных и зарубежных стандартов, позволяющих рассмотреть общие подходы к обоснованию рекомендации выбора измерительного приемника для АПАК. Приведены математические модели и графические соотношения для расчета основных параметров измерений, а именно коэффициента шума, расчета чувствительности в зависимости от полосы разрешения. На основании приведенных расчетов приведены сравнительные характеристики измерительных приборов, применяемых для исследований ПЭМИН и сделаны соответствующие рекомендации по выбору приемников. 
Наконец, на основе представленного материала, проведены исследования для конкретного измерительного приемника (анализатора спектра FSH3), применяемого в АПАК «Навигатор» и сделаны важные, с точки зрения пользователя, выводы о том, что исследованный прибор - FSH3 с комплектом придаваемых антенн по своим техническим характеристикам (диапазону измерений и чувствительности в поддиапазонах, ширине полос пропускания по поддиапазонам) не соответствует техническим параметрам, установленным нормативными актами, регулирующими порядок измерения ПЭМИН. Исходя из проведенных исследований, можно сформулировать и некоторые весьма существенные рекомендации по измеряемым приемникам. А именно: средство измерения, применяемое в АПАК по основным техническим характеристикам (чувствительности, пересчитанной для соответствующих частотных полос, диапазону измерений и др.) в обязательном порядке должен соответствовать требованиям, изложенным в НМД ФСТЭК России (ГОСТ 29339-92, п.3)


Возврат к списку

Яндекс.Метрика