Специальные исследования в области акустоэлектрических

Преобразований

В таком кратком курсе, как этот, невозможно рассказать обо всех возможных «тонкостях» измерений в этом виде СИ. Однако попы­таемся изложить самое основное. Вначале придется коснуться фи­зики происходящих процессов, поскольку без ее правильного пони­мания невозможна организация измерительных работ и выявление возможных ошибок и помех.

Итак, что же является физической основой того, что мы назвали акустоэлектрическим преобразованием? В качестве преобразова­телей механической энергии акустического сигнала в электрические могут выступать элементы технических средств, обладающие раз­личной природой и достаточно широким спектром физических свойств.

В первую очередь, это обратный эффект Фарадея. Напомним, что он заключается в том, что при движении проводника поперек силовых линий магнитного поля на его концах наводится ЭДС (при замкнутом проводнике - течет ток). Магнитное поле существует всегда (не будем забывать о магнитном поле Земли, не говоря уже о том, что любая деталь из сплавов железа, некоторых других ме­таллов и их сплавов всегда намагничена). Следовательно, пере­мещение любого проводника (вибрация, дрожание), особенно мно-говитковой обмотки, неизбежно вызывает появление напряжения или тока, соответствующих акустическому (вибрационному) воздей­ствию. Поэтому все моточные изделия (трансформаторы, реле, ка­тушки индуктивности, дроссели и т.д. в составе ВТСС) всегда яв­ляются источниками акустоэлектрических преобразований. Кроме того, возникающая под воздействием акустических сигналов вибра­ция всякого рода сердечников перечисленных компонентов (это более характерно для материалов с высоким \х) вызывает (за счет волн сжатия в материале) изменение их магнитной проницаемости (обратный магнитострикционный эффект, или эффект Веллари), что также вызывает появление сигнала в обмотке.

Вторая причина, часто проявляющаяся, это - различные емко­стные эффекты. Если в конденсаторе, образованном некими про­водящими элементами, одна обкладка движется относительно дру­гой - изменяется емкость этого конденсатора, следовательно, ме­няется напряжение на обкладках.

Третий, весьма часто встречающийся эффект - это пьезоэф-фект. Большое число керамических конденсаторов выполняется из материалов,типа ЦТС (цирконий-титанат свинца). Такие материа­лы всегда обладают пьезострикционным эффектом, т.е. при при­ложении к ним механического усилия (изгиб, сдвиг, сжатие и т.д.) на обкладках конденсатора генерируются электрические потенциалы, пропорциональные приложенному усилию. Короче говоря - нор­мальный пьезоэлектрический микрофон.

Есть еще ряд более «тонких» эффектов, но и этого достаточно, чтобы понять основной «закон» - «Микрофонит все!» И только из­мерениями можно доказать, что в каждом данном конкретном слу­чае и при строго определенных режимах работы технических средств сигнал акустоэлектрического преобразования меньше нор­мы. Других способов не существует.

Все изложенное выше касается прямого акустоэлектрического преобразования.

Однако необходимо помнить, что в составе многих технических средств всегда штатно работают один или несколько разного рода ВЧ автогенераторов, как синусоидальных, гак и релаксационных. Воздействие на их элементы (конденсаторы, дроссели, системы заряженных проводников и т.д., о чем говорилось выше) механиче­ских колебаний акустических сигналов, в общем случае, всегда (во прос только в какой степени) приводит к изменению амплитуды и/или частоты/фазы этих колебаний, т.е. к модуляции. ВЧ колеба­ния этих генераторов в той или иной степени излучаются в окру­жающее пространство и/или распространяются по отходящим от технических средств линиям. Так образуются модуляционные вы­сокочастотные каналы акустоэлектрических преобразований, кото­рые опасны не столько сами по себе, сколько именно тем речевым сигналом, который модулирует ВЧ колебания автогенераторов. Для этих каналов приходится учитывать и величину (амплитуду) несу­щей и коэффициент (индекс) модуляции.

Рассмотрев вкратце причины появления сигналов АЭП, позна­комимся с основными схемами измерений.

Учитывая постановку задачи для прямого акустоэлектрического преобразования (определение значений сигналов АЭП речевого диапазона частот в отходящей от ВТСС линии, выводящей за пре­делы КЗ) типовая оема измерения приведена на рис. 5.12.

Исследуемое техническое средство может быть подключено к реальной отходящей линии, к некому имитатору или не подклю­чаться ни к какой линии (режим «холостого хода»). Рассмотреть все возможные варианты и их особенности в рамках этого курса не представляется возможным, ограничимся только перечислением этих вариантов.

К отходящей линии (или к выходному разъему ВТСС) подключа­ется измерительный прибор. Причем это подключение может быть гальваническим (как показано на рисунке) или бесконтактным (с помощью токового трансформатора).

Во всех случаях необходимо проводить измерения для всех возможных вариантов подключения: симметрично, несимметрично, два провода - «земля», так называемая цепь Пикара, по «разби­тым» парам, если количество проводов более двух, по отношению к посторонней земле, два (или несколько) проводов вместе с ис­пользованием трансформатора тока или любым другим способом, который только придет в голову!!! Потенциальный противник всегда будет искать способ подключения с наилучшим отношением сиг­нал/помеха. Выбор из этого множества вариантов ложится на за­казчика, или, если заказчик не определяет область исследований -на оператора.

Гальваническое подключение осуществляется, как правило, че­рез стандартный предусилитель вольтметра (например, типа 233-5, 233-6, 233-7 нановольтметров Unipan). Установка токового транс­форматора может производиться на один провод линии или на не­сколько одновременно, выбирая наилучшую комбинацию с точки зрения перехвата. Кроме того, применяя токовый трансформатор, необходимо учитывать, что он измеряет ток в линии, а нормируется напряжение в ней. Следовательно, необходим пересчет результа­тов измерений через эквивалентное сопротивление линии или ис­точника сигнала АЭП.

Исследования любого технического средства необходимо про­водить во всех возможных режимах его работы, если не оговарива­ется перечень режимов, при которых техническое средство будет работать при эксплуатации. Так, например, исследования много­скоростного бытового вентилятора необходимо проводить при включении его на разных скоростях с учетом допустимых отклоне­ний напряжения питания при проведении измерений для каждой скорости. За конечный результат должно приниматься наибольшее значение опасного сигнала из всех измеренных при различных ре­жимах. В установках прямой директорской (диспетчерской) связи, в которых существуют телефонный (на микротелефонную трубку) и громкоговорящий (на микрофон и динамик) режимы, исследова­ния необходимо проводить как в том, так и в другом режиме, если в задании на проведение измерений не указан только какой-либо один рабочий режим. И таких примеров может быть множество.

Во всех случаях в протоколе исследований необходимо указы вать все возможные режимы работы ТС с обоснованным указани­ем, по каким причинам тот или иной режим работы не проверялся.

Схема измерения сигналов АЭП от ТС, приведенная на рис. 5.12, достаточно стандартна для теории измерений и особых пояснений, на наш взгляд, не требует.

В ней опущены очень важные на практике вопросы заземления приборов, их электропитания, взаимного размещения. Необходимо отметить, что уровень помех в тракте измерения от этих факторов может меняться в десятки и сотни раз. Неоптимальное построение измерительного комплекса может быть причиной очень далеких от реальности результатов.

Борьба с помехами в измерительных трактах хорошо освещает­ся в теории радиоизмерений и измерений в технике связи; все об­щие принципы этой теории справедливы и для данной методики, а дать рекомендации по многочисленным нюансам каждой конкрет­ной измерительной схемы просто не представляется возможным. Данную задачу решает каждый оператор самостоятельно, опираясь на свой опыт, знание предмета измерений и в какой-то степени -интуицию.

Учитывая степень малости измеряемых в подавляющем боль­шинстве сигналов акустоэлектрических преобразований, опреде­ленное внимание следует уделить снижению наводок тест-сигнала на измеряемое техническое средство и измерительный приемник.

Как правило, экранированную колонку размещают на расстоянии 1 м от исследуемого технического средства. Это расстояние не очень критично и выбирается, в первую очередь, исходя из тре­буемого уровня звукового давления в месте размещения техниче­ского средства и отсутствия наводок от колонки на исследуемое ВТСС.

Понятно, что даже хорошо экранированная колонка создает не­которые электрическое и магнитное поля, существование которых не должно вносить погрешности в измерения. Простейший способ определения того, что мы наблюдаем наводку тест-сигнала от аку­стического излучателя, измерительного тракта генератор-усилитель мощности и соединительных кабелей или непосредственно сигнал АЭП, состоит в «прикрывании» лицевой панели акустического излу­чателя звукопоглощающей шторкой с целью изменения (снижения) уровня воздействующего на ТС акустического сигнала, контроли­руемого с помощью шумомера. При этом наводка за счет воздейст­вия электромагнитного поля генераторного оборудования на техни­ческое средство, если она существует, останется неизменной, т.е. показания измерительного прибора, подключенного к техническому средству, не изменятся или, в крайнем случае, изменятся непро­порционально снижению уровня акустического сигнала. В первом случае измеряемая величина тест-сигнала, «чистая» наводка, во втором - смесь сигнала наводки и сигнала акустоэлектрических преобразований.

Другим, достаточно эффективным способом определения дос­товерности измерения именно сигнала акустоэлектрического пре­образования при той же измерительной схеме является изменение расстояния между генераторным оборудованием, включая акусти­ческий излучатель, и исследуемым техническим средством. При линейном изменении сигнала акустоэлектрического преобразова­ния от расстояния измеряемый сигнал является следствием аку­стического воздействия на техническое средство, а при изменении измеряемого сигнала по закону 1/R² - 1/ R ³ - наводка за счет элек­трического или магнитного полей генераторного оборудования. Этим способом удобно пользоваться для определения того, какая из составляющих электромагнитного поля преобладает в сигнале наводки. При изменении сигнала по закону близкому к 1/R³ наводка определяется преимущественно магнитным полем, при изменении по закону 1/R² - электрическим полем. Понимание природы обра­зования сигнала наводки определяет и меры борьбы с ней. При электрической наводке, как правило, бывает достаточно организо­вать правильную схему заземления измерительного комплекса в целом. При магнитной наводке значительное снижение можно по­лучить только симметрированием, применением экранированных симметричных кабелей со скрученными парами и разносом эле­ментов измерительного (генераторного) тракта и технических средств.

Общий порядок проведения измерения

Собрать схему, включить, прогреть и откалибровать все средст­ва измерения. Далее оператор плавно изменяет частоту звукового генератора в требуемом диапазоне частот, поддерживая звуковое давление на исследуемое ВТСС в диапазоне 74...94 дБ. Обычно огибающая сигналов АЭП имеет резко изрезанный характер с пи­ками и провалами. Рекомендуется фиксировать все пики сигнала. Если их много - то наибольшие. При использовании нановольтмет-ра 232b не забывать тщательно подстраивать фазу опорного сиг­нала на каждой «подозрительной» частоте.

Особо следует заметить, что «задавать» заранее какой-либо«шаг» частот методически абсолютно неверно. Пики и выбросы сигнала АЭП могут возникнуть на любой частоте, а механические резонансные явления, которые обычно ответственны за такие вы­бросы, бывают весьма узкополосными. Испытание плавно меняю­щимся тоном - принципиальное методическое требование. Если используется генератор низкой частоты с дискретной перестройкой, то нужно перестраиваться с «шагом» не более 10 Гц.

Действующие методики имеют достаточно обобщенный харак­тер и не могут в силу этого отразить всего многообразия их приме­нения при проведении специальных исследований.

Так, например, при исследовании сигналов АЭП в сети электро­питания технических средств промышленной частоты 220 В (50 Гц), как указывалось выше, необходимо проводить измерения и при включенной и при отключенной сети электропитания, причем неза­висимо от того, где располагается высоковольтная трансформа­торная подстанция, в пределах контролируемой зоны объекта или за ее пределами - непреднамеренное (а хуже того - преднамерен­ное) отключение сети электропитания возможно и в том и в другом случае. В первом случае оценку следует давать по нормам сети питания и только по несимметричной составляющей, а во втором -по нормам для линий связи при всех возможных вариантах подклю­чения измерительного приемника к сети питания или сетевому шнуру ТС. В то же время при гарантированном питании объекта категории не ниже «первой» или особой группы первой категории (о чем в обязательном порядке у заказчика должен быть утвержден­ный «Акт...») проводить исследования в сети питания в режиме ее отключения нет необходимости. При бесперебойном питании, при кажущейся более высокой степени надежности электропитания объем измерений в значительной степени увеличивается по срав­нению с питанием гарантированным. Это объясняется несколькими причинами:

· в большинстве источников бесперебойного питания (АБП) имеется функция «обхода», при включении которого исследуемая сеть становится обычной негарантированной с соответствующими к ней подходами;

· сеть электропитания, организованная с использованием АБП в общем случае не может относиться с точки зрения защиты ин­формации к сети питания промышленной частоты (так называе­мая «чистая» сеть с точки зрения наличия в ней помех), в связи счем, на данную сеть распространять нормы для сети питания не­корректно;

· как следствие изложенного в предыдущем пункте для оценки защищенности сети с АБП необходимо проводить измерение «об­ратного» затухания АБП, т.е. использовать блок только как буфер­ное устройство, вносящее некоторое и всегда конечное затухание сигналам АЭП; сразу стоит отметить, что задача измерения обрат­ного затухания АБП «под нагрузкой» не самая простая;

· всегда следует помнить, что время работы АБП конечно и ни каким образом не связано со временем возможного отключения сети.

Всех такого рода (или любого другого) частных случаев методи­ка проведения специальных исследований, естественно, содержать не может (вспомним о проведении подробного анализа, о котором говорилось ранее). Образно говоря, именно поэтому специальные исследования названы не измерениями, а именно исследованиями; и каждый, работающий в этой области знаний, должен быть именно и селедо вател е м.

Следует акцентировать внимание еще на одной достаточно рас­пространенной ошибке при проведении специальных исследований в части акустоэлектрических преобразований технических средств, касающейся применения средств защиты от возможной утечки за счет АЭП.

При применении указанных средств на объектах заказчика даже среди специалистов в области специальных исследований бытует достаточно распространенное мнение о том, что применение сер­тифицированных средств защиты или типовых схем защиты, пре­дусмотренных регламентирующими документами, не требует про­верки их эффективности.

Приведем простой пример.

Многочисленными исследованиями доказано, что уже примене­ние правильно спроектированного 4-каскадного транзисторного усилителя в режиме «А» без обратной связи (ООС) с трансформа­торными входом и выходом при хорошей экранировке как самого усилителя, так и отдельно трансформаторов, обеспечивает вели­чину обратного затухания примерно 120 дБ. Введение в таком же усилителе 100% отрицательной обратной связи для улучшения ха­рактеристик самого усилителя снижает величину обратного затуха­ния практически до 0, а применение местных ООС в различных комбинациях в каждом конкретном случае будет изменять величину обратного затухания на определенную величину, характеризующую только данную комбинацию ООС. В то же время регламентирую­щим документом допускается использование в ВП 3-й категории абонентских громкоговорителей, обладающих чрезвычайно высо­кими уровнями сигналов АЭП (достигающих 10 и более мВ) с при­менением буферного усилителя, размещаемого в пределах КЗ, без каких-либо ограничений на его параметры и проверки его парамет­ров. В общем случае - это нонсенс.

Еще один пример.

Паспортными данными на изделие МП-2, имеющего сертификат Гостехкомиссии России, определена величина напряжения шумо­вого сигнала на выходе устройства без нагрузки в пределах от 1 до 2 мВ. Устройство предназначено для защиты трехпрограммных громкоговорителей по цепи радиотрансляции, полоса пропускания в НЧ диапазоне которых в соответствии с ГОСТом должна быть не менее 10 кГц. Логично предположить, что измерение шумового сиг­нала следует проводить также в полосе примерно 10 кГц или еще проще широкополосным среднеквадратичным вольтметром. Одна­ко при всей логичности такого подхода, именно здесь кроется дос­таточно часто повторяемая ошибка, заключающаяся в следующем:

- при измерении с помощью только вольтметра вполне вероятно допустить ошибку, приняв измеренные, например, высшие гармо­ники сети питания громкоговорителя и продукты преобразования выпрямителя, проникающие в абонентскую линию, за шумовой сиг­нал при неисправном генераторе шума;

- применение осциллографа совместно с вольтметром сущест­венно увеличивает шансы на получение относительно достоверных измерений, но полностью не исключает допущения значительной ошибки, так как определить соответствие спектра шумового сигнала заданному практически не представляется возможным.

Единственно правильным решением оператора при проверке эффективности данного устройства (только в части работоспособ­ности генератора шума, так как устройство МП-2 обеспечивает и ряд других функций) будет исследование спектральной характери­стики с помощью узкополосного (селективного) вольтметра или анализатора спектра с одновременным измерением широкополос­ного шумового сигнала.

И последний пример.

Хорошо известно каждому, кто хотя бы непродолжительное время занимался СИ или схемотехникой радиотехнических уст­ройств, что динамический громкоговоритель является прекрасным микрофоном (в прямом смысле этого слова), т.е. обладает высоким коэффициентом преобразования акустического сигнала в электри­ческий. На объектах заказчиков во многих случаях в категориро ванных помещениях присутствуют музыкальные центры, имеющие акустические агрегаты мощностью до 50 Вт и более. Естественно, линии этих агрегатов не выходят даже за пределы помещения, в котором они расположены, не говоря уже о границах контролируе­мой зоны. Так что же, на данный преобразователь можно закрыть глаза и не принимать его во внимание? Нет, нельзя! И вот по каким причинам:

- при включенном бестрансформаторном усилителе мощности музыкального центра его выходное сопротивление достаточно ма­ло и режим работы акустического агрегата близок к режиму «корот­кого замыкания». При воздействии на этот агрегат акустического сигнала в катушке громкоговорителя протекает ток достаточно большой величины, который определяет некую величину магнитно­го поля от громкоговорителя;

- при отключенном от сети питания усилителе выходное сопро­тивление, например, двухтактного выходного усилителя резко воз­растает, а режим работ громкоговорителя в этом случае будет бли­зок к режиму «холостого хода». На выходе линии громкоговорителя при воздействии на него акустического сигнала образуется доста­точной величины разность потенциалов и связанное с ней электри­ческое поле.

Вполне* допустим вариант, при котором граница контролируемой зоны проходит на небольших (до единиц метров) расстояниях от ограждающих конструкций выделенного помещения. Учитывая, что музыкальный центр, как правило, размещается вдоль стен выде­ленного помещения (и не обязательно вдоль внутренних) созда­ваемые электромагнитные поля от громкоговорителей при акусти­ческом воздействии на них могут быть перехвачены и за границей контролируемой зоны.

Возникает резонный вопрос, что делать в этой ситуации? Зако­рачивание опасно, обрыв тоже опасен! Ответ может быть только один - измерять!

По измеренным значениям рассчитать размер зоны и сравнить полученный результат с расстоянием до границы контролируемой зоны. При R2, меньшем расстояния до границы контролируемой зоны, утечка информации невозможна.

Конечно, возможен и противоположный вариант. В этом случае необходимо принимать организационные меры: переместить му­зыкальный центр или акустические агрегаты на безопасное рас­стояние в пределах выделенного помещения или вынести его из выделенного помещения. В крайнем случае, можно использовать и пространственное электромагнитное зашумление акустических агрегатов.

Приведенные примеры, конечно, не отражают всего многообра­зия ситуаций, с которыми приходится сталкиваться на объектах при проведении специальных исследований.

Одним из наиболее опасных, с точки зрения утечки информации, является канал утечки за счет модуляции колебаний встроенных в технические средства автогенераторов.

Для понимания физических процессов, приводящих к образова­нию канала утечки информации за счет модуляции колебаний авто­генераторов сигналами акустоэлектрических преобразований рас­смотрим простейшую схему LC-автогенератора с включенным LC-контуром в цепи положительной обратной связи (ПОС).

На самом деле различных схем генераторов достаточно много, но практически все они, как гармонические, так и релаксационные, стро­ятся с применением в цепи ПОС либо LC-контура с полным или не­полным включением реактивного элемента (индуктивности или емко­сти), либо фазосдвигающих RC цепей (рис 5.13).

Генераторы с неполным включением реактивности на вход усили­тельного элемента получили название «трехточки». Независимо от схем автогенераторов, применяемых в конкретных технических сред­ствах, все рассуждения об образовании данного канала утечки оста­ются общими.

Физические принципы образования электрического сигнала под воздействием акустического сигнала уже рассмотрены выше и по­вторяться не имеет смысла. Стоит только отметить, что для ВЧ ге­нераторов даже незначительное отклонение значений реактивных элементов от номинала приводит к значительному изменению его параметров. Покажем это на примере приведенной выше схемы автогенератора.

Из курса радиотехники известно, что фазовая характеристика параллельного колебательного контура вблизи резонансной часто­ты определяется формулой

где f = f- f_p - относительная расстройка колебательного контура; f_p - резонансная частота контура. Тогда

Определим величину расстройки для следующих параметров контура: L = 160 мкГн; С = 160 пФ; Q = 50 в предположении, что на данный генератор действует гармонический акустический сигнал, под воздействием которого суммарный фазовый сдвиг ф_к за счет всех дестабилизирующих факторов (изменения емкости и индук­тивности, емкости монтажа и каких-то иных факторов, в данном случае это не принципиально) составил = 25°.

В этом случае величина расстройки f составит 4500 Гц.

Несколько усложним приведенный пример, предполагая, что на автогенератор воздействует одновременно сложное колебание, представляющее сумму гармонических колебаний, каждое из кото­рых в отдельности приводит к изменению тех или иных параметров контура, пусть даже в разной степени. В этом случае можно счи­тать, что _к является некоторой функцией от частоты воздейст­вующего акустического сигнала , а

Следовательно, и величина расстройки колебательного контура f, и частота выходного сигнала автогенератора также будут являться функциями от , т.е.

Но ведь с некоторым приближением и речевой сигнал может быть представлен суммой ортогональных составляющих, т.е. при акустическом воздействии речевого сигнала на автогенератор воз­можна модуляция его колебаний речевым сигналом.

Рассуждая подобным образом, несложно определить и логиче­скую цепочку модуляции колебаний релаксационных автогенерато­ров воздействующим на них сигналом АЭП.

Кроме рассмотренного примера модуляции колебаний ВЧ авто­генераторов при проведении СИ нельзя забывать и об еще одном (хотя и очень распространенном) физическом принципе, приводя­щем к «паразитной» модуляции. Речь идет о нелинейном усилении сигналов. В интересующем нас случае конкретно об усилителях ВЧ сигналов различного рода и выполняющих достаточно разные функции. Не сильно греша перед истиной можно утверждать, что всякий усилитель является в определенной степени (вопрос только в большей или меньшей) нелинейным. На нелинейном усилении построена вся теория модуляторов, хорошо проработанная в тео­ретической радиотехнике.

Типовая упрощенная схема транзисторного амплитудного моду­лятора и поясняющие его работу диаграммы получения одното­нального AM сигнала приведена на рис. 5.14.

Для упрощения рассуждений сквозная характеристика транзи­стора - зависимость тока коллектора l_к от напряжения база-эмиттер U_бэ на диаграмме аппроксимирована двумя отрезками прямых линий. Вследствие перемещения рабочей точки относитель­но U₀ по закону НЧ сигнала e(t) происходит изменение угла отсечки тока в кривой несущего колебания. В результате импульсы коллек­торного тока l_к окажутся промодулированными по амплитуде, а выде­ленное резонансным контуром выходное напряжение также оказыва­ется промодулированным. Не останавливаясь на параметрах эле­ментов, влияющих на качество работы модулятора, отметим только, что для многотональной амплитудной модуляции (реальные сигналы) все приведенные здесь рассуждения полностью справедливы.

Хрестоматийный пример образования такого «паразитного» ампли­тудного детектора - наводка НЧ сигнала АЭП от встроенного громкого­ворителя (или выходного трансформатора УНЧ) на входную цепь трак­та ПЧ супергетеродинного приемника, построенного с использованием LС-контуров, или на входные LC-цепи усилителя ВЧ сигнала трехпро-граммного громкоговорителя. Чем не классический модулятор.

На самом деле различного рода схем «паразитных» модулято­ров в исследуемых технических средствах может быть великое множество. Не всегда это может приводить к образованию канала утечки, но и исключать такую возможность нельзя.

Для измерений в высокочастотной области, т.е. модуляционного акустоэлектрического преобразования схема измерений претерпе­вает некоторые изменения (рис. 5.15).

Как видно из схемы, изображенной на рис.5.15, основой измери­тельного комплекса является измерительный приемник (анализатор спектра). К нему подключается либо антенна (если ведутся измере­ния ПЭМИ), либо тот или иной пробник (если ведутся измерения в отходящей линии), а чаще всего последовательно и то, и другое. К выходу ПЧ приемника могут подключаться либо измеритель моду­ляции (для непосредственного измерения), либо низкочастотные из­мерительные приборы (НЧ анализаторы спектра) при измерении ме­тодом боковых частот. Для выявления модуляции «на слух» на НЧ выход приемника могут включаться головные телефоны.

При подготовке к проведению измерений необходимо ознако­миться с документацией на проверяемое техническое средство с целью определения принципов построения и всех возможных ре­жимов работы изделия. Приступая к измерению, оператор должен ясно представлять себе, что, где и в каких режимах должно прове­ряться. Зачастую этот анализ не может быть проведен в полном объеме из-за отсутствия технической документации или неполной ясности о работе тех или иных узлов. Это, как правило, в значи­тельной степени увеличивает время непосредственно измерений. Сразу отметим, проведение измерений без предварительного ана­лиза, «в темную» - самый неэффективный способ, требующий не­оправданно больших трудозатрат и, как правило, приводящий к серьезным ошибкам.

Первой задачей оператора является измерение всех выявлен­ных в процессе предварительного анализа излучаемых в эфир и/или присутствующих в отходящих линиях сигналов, обусловлен­ных работой встроенных автогенераторов в составе технических средств, а также их гармоник. Теоретически часть этих частот при реальных измерениях может быть и не обнаружена за счет:

- существующих в эфире и отходящих от ТС помех (при этом меры по борьбе с помехами должны быть приняты максимальные); здесь кстати вспомнить об экранированной камере;

- малой действующей высоты «случайных антенн», способных излучать сигналы тех или иных колебаний автогенераторов внутри самого ТС;

- преднамеренного или непреднамеренного (за счет размеще­ния других блоков и модулей) экранирования как самих автогенера­торов, так и отходящих от них физических цепей;

- наличия буферных каскадов на пути распространения сигна­лов автогенераторов и ряда других причин.

Эмпирических методов такого выявления довольно много и в настоящем курсе невозможно подробно рассказать о них всех. Каж­дый оператор должен решать эту задачу самостоятельно примени­тельно к реальным условиям проведения измерений.

Обнаружением всех частот, на которых работают встроенные автогенераторы, выявленных в процессе анализа, задача не огра­ничивается. Всегда существует вероятность того, что проведенный анализ не является полным. К примеру, в современных сверхболь­ших интегральных микросхемах, как аналоговых, так и цифровых, имеется достаточно большое количество технологических генера­торов, колебания которых теоретически также вполне могут моду­лироваться сигналами АЭП. В супергетеродинных приемниках при преобразовании входного радиосигнала неизбежно появление так называемых «зеркальных» частот, что так же должно учитываться при измерениях, несмотря на то, что такого автогенератора в при­емнике нет. И хотя разработчики современных приемников стре­мятся максимально уменьшить уровень сигналов на этих частотах, вероятность модуляции «зеркальных» частот сигналами АЭП все-таки остается. Вспомним и о возможных различного рода «паразит­ных» модуляторах, о которых было сказано выше.

В связи с этим, кроме частот, определенных в результате прове­денного анализа, необходимо обязательно проводить дополнительный поиск сигналов во всем диапазоне частот от 10 кГц до 1000 МГц. Все выявленные при поиске частоты также должны проверяться на на­личие модуляции. В некоторых случаях обнаружение несущих час­тот автогенераторов и «продуктов» преобразований удобно прово­дить, использовав в качестве источника акустического сигнала дат­чик тест-сигнала, создающий на выходе акустический сигнал с 1...3 частотами в речевом диапазоне, промодулированных (манипулированных) частотой 0,5...2 Гц (упомянутая выше «пищалка»). Еще лучше такой сигнал подать на вход технического средства (ес­ли есть такая возможность). Такого рода сигналы очень хорошо выявляются на слух. Естественно, такого рода предварительный анализ нельзя считать окончательным, но некоторое снижение тру­дозатрат все же достигается.

На всех выявленных частотах необходимо измерить коэффици­ент и/или индекс модуляции акустическим сигналом. Способ опре­деления вида модуляции (амплитудная или частотная) подробно изложен в упомянутой выше методике и приводить его здесь нет необходимости.

При проведении измерений следует иметь в виду следующее:

- при малых индексах угловой (частотной, фазовой) модуляции спектр сигнала полностью совпадает со спектром сигнала при ам­плитудной модуляции;

- при частотной модуляции индекс модуляции увеличивается прямо пропорционально номеру гармоники сигнала, и это еще раз подтверждает необходимость проведения исследований на макси­мально возможном измеряемом количестве гармоник сигналов ав­тогенераторов.

Как уже указывалось ранее, выводы «ОС отсутствует» или «Мо­дуляция опасным сигналом не обнаружена» недопустимы. В этих случаях необходимо проводить расчет «по шумам».

При организации работ следует учитывать, что измерения в об­ласти акустоэлектрических преобразований относятся к числу наи­более сложных инструментальных работ. Приходится учитывать очень большое число различных помех, создаваемых самим техни­ческим средством, достаточно сложных и непостоянных во времени процессов, которые могут внести большие погрешности. Сами из­мерения весьма сложны, требуют значительных затрат времени. До настоящего времени не существует реальных средств автома­тизации этих измерений, и поэтому почти все зависит от квалифи­кации оператора.

Некоторую иллюстрацию затрат времени и объема работ может дать такой пример. Например, на исследования представлен теле­визионный приемник (не видеодвойка) системы SEKAM, который в процессе эксплуатации будет работать в системе коллективного приема программ центрального и местного вещания на 10 точно определенных телевизионных каналах диапазона метровых и де­циметровых волн. Известно, что в процессе эксплуатации приема других частотных каналов не предполагается.

При оценке трудозатрат на исследование возможной модуляции колебаний ВЧ сигналов в данном телевизоре следует иметь в виду измерения модуляции на десяти частотах гетеродина с проверкой наличия модуляции и на их гармониках, промежуточных частот изо­бражения и звука, а также их гармониках, на каждой рабочей часто­те и гармониках цветовых поднесущих, частоте строчной развертки и ее гармониках, на гармониках ШИМ сигнала импульсного блока питания, далее частоты возможных биений между всеми ними в различных комбинациях и ряда, возможно, других генераторов и модуляторов. И все это в условиях достаточно высокого уровня помех, создаваемых работой различных узлов и блоков самого те­левизора, не говоря уже о внешних помехах. Вариантов, как видим, достаточно много. Выполнение таких исследований, если их вы полнять в полном объеме (а другого просто не дано) может занять не один рабочий день.

Обратим внимание еще на один немаловажный аспект. Как уже отмечалось при рассмотрении области акустики и виброакустики, нормированные величины опасных сигналов заданы на границе контролируемой зоны. Достаточно часто встречается вариант, при котором на выходе некого ВТСС, ну, скажем, телефонного аппара­та, опасный сигнал несколько превышает норму. Однако нельзя забывать, что до границы контролируемой зоны, т.е. до того места, где потенциальный противник может подключиться именно к этой линии, тянется 50...70 м телефонной пары. Линий без затухания не бывает. При этом совершенно естественно предположение, что опасный сигнал может достаточно ослабнуть для того, чтобы норма была выполнена. И снова мы приходим к необходимости измерить реальное затухание, на сей раз в электрической линии. Однако, в принципе, ничего в методе не меняется. Необходимо ввести в ли­нию большой тестовый сигнал, в этой же точке измерить его вели­чину. А потом измерить тот же сигнал на другом конце линии. В об­щем-то, вполне тривиально.

Какие-то сложности могут быть только при осуществлении под­ключений к линии {ввода сигнала в линию и вывода из нее), напри­мер, к линии электропитания. Необходимо защитить генератор от сетевого напряжения и в то же время создать достаточный тесто­вый сигнал. Конструкции и схемы таких переходных устройств су­ществуют, и грамотные специалисты в области специальных ис­следований владеют необходимым оборудованием и умением его применять.

Вопрос, которого необходимо здесь коснуться, - это вопрос о выбо­ре частот, на которых должно оценивается реальное затухание.

Естественно, эти частоты должны выбираться из диапазона, в котором присутствует опасный сигнал. В пределе - весь диапа­зон, установленный регламентирующими документами. А вот «шаг» пробных частот не регламентирован. Поэтому мы считаем необходимым выбирать его настолько «частым», чтобы значения затухания в двух соседних по частоте точках не различались бо­лее, чем на 3 дБ. При выполнении этого условия можно быть уве­ренным, что не пропущены некие диапазоны частот с аномально низким затуханием.

Если в исследованном диапазоне затухание сильно разнится, то для финального расчета нужно брать либо минимальное его значе­ние, либо усреднять его, обычно по среднеквадратичному закону.

Однако обольщаться на этот счет все-таки не стоит! Реальное затухание сильно зависит от частоты и среды распространения. В области речевых частот, например, километрическое (т.е. на кило­метр длины) затухание телефонной пары с жилой диаметром 0,5 мм в многопарном кабеле на частоте 800 Гц составляет не более 1,5 дБ. В силовых цепях электропитания затухание сигнала речево­го спектра может быть и несколько большим (правда, это не утвер­ждение, а предположение), но поскольку на сегодня передача ин­формации по сильноточным цепям в речевом диапазоне частот практически не применяется, то и не исследованы параметры пе­редачи типовых силовых кабелей, а соответственно, заранее ска­зать что-либо определенное о вносимом той или иной цепью пита­ния не представляется возможным.

В ВЧ диапазоне частот затухание низкочастотных (например, телефонных) кабелей также не нормируется и дать предваритель­ную оценку затухания кабеля не представляется возможным.

Надо также иметь в виду, что при распространении ВЧ сигнала даже небольшого уровня, вполне вероятно взаимное влияние меж­ду кабелем, несущим информацию, и проложенными рядом с ним другими кабелями за счет параллельного пробега. Теория взаим­ных влияний между отдельными цепями хорошо проработана еще в 30 - 50 гг. XX в., и нет необходимости приводить ее в данном по­собии. К услугам заинтересованных специалистов большое количе­ство различного рода пособий, учебников и монографий на эту те­му. Скажем только одно, вероятность перехода ВЧ сигнала на па­раллельно идущие кабели всегда существует, а степень ее малости можно оценить только экспериментально. Но для этого потребуется проведение измерений не в одном (влияющем) кабеле, а во всем пучке кабелей, имеющих параллельный пробег с влияющим, часто расходящимся на несколько направлений (например, телефонные, сигнализации, оповещения и ряд других).

Еще одним «подвидом» специальных исследований в области акустоэлектрических преобразований являются исследования эф­фективности различных видов систем активной защиты. Достаточ­но часто приходится это оценивать, особенно в части прямого аку-стоэлектрического преобразования, т.е. при зашумлении линий. Как правильно измерить сигналы и оценить эффективность систем ак­тивной защиты?

Во-первых, должен быть измерен опасный сигнал в соответст­вии с методикой е отсутствии зашумления. Рассчитано значение эквивалентного сигнала. Отдельно снимается (измеряется) спектр зашумляющего сигнала системы активной защиты в той же линии и, как правило, в той же точке. Точнее - огибающая спектральной плотности. Почему именно спектр, а не интегральное значение во всей заданной полосе частот?

Не так уж редок случай, когда в заданном диапазоне (не столь важно узок он или широк, важен принципиальный подход) огибаю­щая шумового сигнала весьма неравномерна. При этом не исклю­чен вариант, при котором в каких-то частотных интервалах соотно­шение сигнал/шум будет меньше нормируемого, хотя при исполь­зовании интегральных значений все укладывается в норму. Именно поэтому, если огибающая спектральной плотности шума оказалась заметно неравномерной, нужно либо отдельно рассчитывать соот­ношения сигнал/шум для разных частотных интервалов, либо под­ставлять при расчете минимальное значение шума. И снова прихо­дится указывать, что все принятые допущения и варианты измере­ний и расчетов должны быть изложены в протоколе.

При проведении специальных исследований технических средств необходимо рассматривать еще один канал возможной утечки - канал, образуемый за счет «паразитной» высокочастотной генерации (ПВЧГ) усилительных устройств в широком смысле этого слова. Возникновение генерации в усилительных устройствах все­гда связано с наличием в них обратной связи (под которой понима­ется процесс передачи части выходного сигнала усилителя на его вход), как специально вводимой в схемы усилителей для стабили­зации его параметров, так и образующейся за счет различного рода «паразитных связей» (емкости и индуктивности монтажа), старения элементов, и как следствие этого изменения их параметров и ряда других причин.

В топологии построения современных микросхем предусмотреть все «паразитные связи» практически невозможно. Дополнительно к этому в современных электронных схемах ПВЧГ в значительной мере определяется в том числе и очень высокой граничной часто­той применяемых в настоящее время транзисторов f_гр,(часто назы­ваемой частотой единичного усиления), микросхемы ведь тоже со­стоят в основном из транзисторов. Перечислять все причины воз­никновения ПВЧГ не имеет смысла - они подробно излагаются в курсе теоретической радиотехники.

В практике проведения исследований по наличию/отсутствию ПВЧГ встречались случаи, когда причиной появления «паразитной» в.ч. генерации в усилителях звукового диапазона частот в области 50...200 МГц являлось превышение допустимого уровня примесей в кристалле микросхемы аналогового усилителя.

Нередки случаи возникновения ПВЧГ в усилительных устройст­вах, выполненных с применением транзисторов и с достаточно низкой граничной частотой (чаще всего в блоках питания различных технических средств) далеко за пределами f_гр. Объяснение этому явлению достаточно простое. С одной стороны, разработчики ра­диотехнических устройств при разработке схемотехники, как прави­ло, выбирают транзисторы с f_гр как минимум на порядок выше, чем максимальная частота усиливаемых сигналов. С другой стороны, «поведение» частотной характеристики за пределами f_гр паспорт­ными данными на транзисторы не нормируется. Достаточно часто встречаются случаи {и это подтверждено многочисленными экспе­риментами), когда АЧХ коэффициента усиления транзистора за пределами граничной частоты имеет резкий подъем (К_ус >> 1), т.е. транзистор снова начинает усиливать.

Типовая схема усилителя с ОС приведена на рис. 5.16.

В приведенной схеме U_вх - напряжение на входе собственно усилителя, U_oc - напряжение обратной связи; К = U_вых/U₀ - коэф­фициент усиления собственно усилителя (без ОС); = U_ос/U_вых -коэффициент передачи петли обратной связи.

В теории усилительных устройств коэффициент усиления усили­теля с обратной связью принято определять как

а параметр К = U_oc/U₀ - как фактор обратной связи, или коэффи­циент усиления разомкнутого кольца обратной связи.

Величина (1 - K) носит название глубины обратной связи.

Как следует из формулы (5.8), при значениях 0 < К < 1 коэффи­циент усиления усилителя с обратной связью К_ос становится боль­ше коэффициента усиления собственно усилителя К. Это соответ­ствует положительной обратной связи (ПОС), при которой напря­жение обратной связи U_ос поступает на вход усилителя в фазе с входным U_вх, вследствие чего

Значение K = 1 характеризует условие самовозбуждение усили­теля, когда он превращается в автогенератор широкого спектра частот, независимо от частоты входного сигнала.

Когда напряжение ОС находится в противофазе с входным, формула (5.9) перепишется следующим образом

В этом случае нетрудно показать, что

т.е. коэффициент усиления усилителя уменьшится в 1 + K раз. Та­кая обратная связь в усилителях называется отрицательной.

Наиболее наглядно влияние обратной связи на коэффициент усиления усилителя с ОС иллюстрируется с помощью графика (рис. 5.17), на котором можно выделить три характерные области:

- K = 0, так как К 0, то = 0 и коэффициент усиления усили­теля равен К;

- K 1, К_ос . Физически бесконечно большая величина ко­эффициента усиления означает, что усилитель превращается в автогенератор электрических колебаний;

- К < 0, что соответствует отрицательной ОС, частным случаем которой является 100% ОС, при которой К_ос = 1/ и не зависит от усиления собственно усилителя.

Практические схемы усилителей с ОС всегда содержат реактив­ные элементы, накапливающие энергию. Как уже говорилось выше, это могут быть межэлектродные емкости транзисторов и микро­схем, паразитные емкости монтажа, индуктивности печатных про­водников и монтажных проводов и т.д.

Реактивные элементы создают дополнительные фазовые сдвиги усиливаемых сигналов. Если на какой-то частоте сумма этих фазовых сдвигов достигает 180°, то ОС из отрицательной переходит в поло­жительную, превращая усилитель в автогенератор. В этом случае говорят о неустойчивости усилителя. Именно такой режим характе­ризует появление «паразитной» ВЧ генерации. Изменение пара­метров усилителей может быть вызвано, в частном случае, и воз­действием акустических сигналов на элементы исследуемых ТС, о чем говорилось в разделе по модуляции.

В теоретической радиотехнике разработано много критериев оп­ределения устойчивости усилителей, наибольшее распространение из которых получил частотный критерий или критерий Найквиста, при котором исследуется комплексный частотный коэффициент передачи усилителя с разомкнутым кольцом обратной связи, так называемой амплитудно-фазовой характеристики <АФХ). По опре­деленной методике с помощью АФХ определяют устойчивость уси­лителя.

Совершенно понятно, что такая методика определения устойчи­вости приемлема только для относительно типовых и простейших усилительных каскадов, и то только при их разработке, расчет всего многообразия усилителей, входящих в состав даже одного ТС, представляет собой неразрешимую задачу и в практике СИ не ис­пользуется.

Но как говорится, за все надо «платить». Платой за то, что опре­делить устойчивость любого усилителя расчетным или каким-либо другим способом невозможно, для однозначного ответа об отсутст­вии ПВЧГ при СИ приходится проводить достаточно большой объ­ем измерений во всех мыслимых и немыслимых режимах.

Специальной методики для определения наличия/отсутствия ПВЧГ при акустическом воздействии на ТС в настоящее время не существует, в связи с чем приходится использовать существующую, которая ориентирована на исследование усилителей основных тех­нических средств.

Как правило, усилители должны исследоваться:

- при изменении напряжений питания в пределах допусков, ого­воренных технической документацией;

- перегрузкой усилителей по входу и выходу в пределах, ограни­ченных либо допустимыми нелинейными искажениями (например, в схемах электронных телефонных аппаратов), либо, вообще, режи­мом, близким к термической устойчивости активных усилительных элементов (транзисторов, микросхем), а также комбинации этих режимов.

Естественно, что многие ТС, поступающие на СИ, не имеют, ес­ли так можно выразиться, «открытого» входа, на который может быть подан внешний тест-сигнал (большинство датчиков пожарной и охранной сигнализации, автономные и встроенные блоки питания и многое другое). В этом случае акустическое воздействие на ТС является единственным способом воздействия.

Аналогично методике исследований модуляции колебаний авто­генераторов, исследования ПВЧГ должны проводиться как в эфире, так и во всех проводах, отходящих от технического средства, вклю­чая и цепи питания. Некоторым отличием в методике измерений следует считать то, что исследования ПВЧГ допускается проводить при расположении измерительной антенны (возможно, и отрезком провода определенной длины) практически вплотную к техническо­му средству. Объясняется это тем, что данный канал утечки отно­сится к ненормируемым и в некотором смысле случайным, в связи с чем исследования квалифицированы только как обнаружение, а не измерения. Как и в предыдущих разделах, отметим, что при ис­следовании ПВЧГ получаемые результаты в очень сильной степени зависят от оператора, его квалификации, знания предмета иссле­дований и общей эрудиции.