Конахович Г.Ф., Климчук В.П., Паук С.М., Потапов В.Г. Защита информации в телекоммуникационных системах

Подождите немного. Документ загружается.

Провода обмотки находятся в магнитном поле, что и приводит к появлению

ЭДС индукции на концах катушки. Эта ЭДС определяется по формуле

( )













++= )cos()((cos

)(

ttSt

tSB

cфнфс

, (3.1)

где

фс

N — магнитный поток, который замыкается через сердечник;

фн

—

магнитный поток, который замыкается через обмотку по воздуху; Во — вектор

магнитной индукции;

)(t

— магнитная проницаемость сердечника;

)(

tµ

—

магнитная постоянная;

)(

tϕ

к) — угол между векторами Во и осью катушки; S

— площадь поперечного сердечника; So — площадь поперечного сечения

катушки.

Индуктивные преобразователи делятся на электромагнитные, электроди-

намические и магнитострикционные.

К электромагнитным преобразователям относятся такие устройства как

громкоговоритель, электрические звонки (в том числе и вызывающие звонки

телефонных аппаратов), электрорадиоизмерительные приборы.

Примером непосредственного использования этого эффекта для цепей

акустического преобразования является электродинамический микрофон. ЭДС

на выходе катушки определяется по формуле [19]:

NkLL

LE πµ=−=

(3.2)

r где L — индуктивность, k — постоянный коэффициент; l — длина обмотки

катушки;

— магнитная проницаемость; S— площадь поперечного сечения;

N— количество витков катушки.

Возникновение ЭДС на входе такого преобразователя принято называть

микрофонным эффектом. Можно утверждать, что микрофонный эффект спо-

собен проявляться как в электродинамической, так и в электромагнитной,

конденсаторной и других конструкциях, которые широко применяются в

микрофонах разного назначения и использования.

Электромеханический звонок вызова телефонного аппарата — типичный

пример индуктивного акустоэлектрического преобразователя, микрофонный

эффект которого проявляется при положенной телефонной трубке.

ЭДС микрофонного эффекта звонка может быть определена по формуле [19]:

(3.3)

где

— акустическая чувствительность звонка, Р — акустическое давление.

NSNS

где V— магнитодвижущая сила постоянного магнита; S— площадь якоря;

—

магнитная проницаемость сердечника; N — количество обмоток катушки;

—

площадь полосного наконечника; d — величина промежутка;

— механическое

сопротивление.

По такому же принципу (принципу электромеханического звонка) образуется

микрофонный эффект и в отдельных типах электромагнитных реле разного

назначения и даже в электрических звонках вызова бытового назначения.

Акустические колебания действуют на якорь реле и вызывают его колебание.

Колебания якоря изменяют магнитный поток реле, который замыкается по

воздуху, что приводит к появлению на выходе катушки реле ЭДС микрофонного

эффекта.

Микрофонный эффект имеют также бытовые громкоговорители, ЭДС

которых определяются по формуле

PE η

BIS

(3.4)

где

— акустическая чувствительность звонка; I — длина проводника, который

двигается в магнитном поле с индукцией В; В — магнитная индукция; S —

площадь поверхности, которая подвергается влиянию давления акустического

поля;

— механическое сопротивление.

Необходимо иметь в виду, что существуют системы передачи акустической

информации из телефонных линий, позволяющие прослушивать помещение без

установки какого-либо дополнительного оборудования. Также используются

недостатки конструкции телефонного аппарата: акустические колебания влияют

на якорь звонка, который, колеблясь, вызывает появление в катушке микротоков,

модулируемых речью. ЭДС, которая наводится в катушке, в этом случае может

достигать нескольких милливольт. Дальность этой системы не превышает (из-за

затухания) нескольких десятков метров. Прием осуществляется на качественный

усилитель низкой частоты с малым уровнем шума [15].

Второй вариант "беззаходовой" системы связан с реализацией эффекта

"навязывания". Колебания частотой от 150 кГц и выше подаются на один провод

телефонной линии, а ко второму проводу присоединяется приемник. Общий

провод передатчика и приемника соединены между собой или с общей "землей",

например, сетью водоснабжения. Через элементы схемы телефонного аппарата

высокочастотные колебания поступают на микрофон, даже если он отключен от

сети, и модулируются речью. Детектор приемника выделяет речевую

информацию. Из-за существенного затухания ВЧ-сигнала в двухпроводной

линии дальность также не превышает нескольких десятков метров (без

ретранслятора).

3.4. Специальные устройства прослушивания

3.4.1. Направленные микрофоны

Обычные микрофоны способны регистрировать человеческую речь на

расстоянии, которое не превышает нескольких десятков метров. Для увеличения

дистанции, на которой можно осуществить прослушивание, практикуют

применение направленного микрофона. Другими словами, это устройство

собирает звуки только с одного направления, то есть, имеет узкую диаграмму

направленности. Такие устройства широко применяются не только в разведке, но

и журналистами, охотниками, спасателями и т.д.

Можно выделить два основных типа направленных микрофонов:

■ с параболическим отражателем;

■ резонансный микрофон.

В микрофоне с параболическим отражателем собственно микрофон рас-

положен в фокусе параболического отражателя звука. Направленный пара-

болический микрофон с усилителем AD-9 9 концентрирует звуки и усиливает их.

Он прост в эксплуатации и настройке. В комплект входит микрофон, усилитель,

кабель и головные телефоны. Электропитание — от батареи 9 В. Выпускаются

несколько моделей.

В целом, в конструкции всех этих микрофонов присутствует рукоятка

пистолетного типа, параболический отражатель диаметром около 40 см и

усилитель. Диапазон воспринимаемых частот составляет от 100-250 Гц до 15-18

кГц. Все микрофоны имеют автономное питание и гнезда для подключения к

магнитофону. Острая "игольчатая" диаграмма направленности позволяет при

отсутствии препятствий контролировать человеческую речь на расстоянии до

1200 м. В реальных условиях (в условиях города) можно рассчитывать на

дальность до 100 м. [15]

Резонансный микрофон основан на использовании явления резонанса в

металлических трубках разной длины. Например, в одной из модификаций

такого микрофона используется набор из 37 трубок длиной от 1 до 92 см.

Звуковые волны, поступающие на приемник по осевому направлению, достигают

микрофона в одинаковой фазе, а из боковых направлений (из-за отличной

скорости распространения звуковых волн в металле, а также разной длины

трубок) оказываются сдвинутыми по фазе. С точки зрения скрытого контроля

звука применение направленных микрофонов усложнено из-за нередко

неприемлемых габаритов и источников акустических помех. Кроме того, для

того, чтобы не быть прослушанным в автомобиле, достаточно просто поднять

стекло.

Можно констатировать тот факт, что на сегодняшний день на рынке су-

ществует множество средств перехвата информации с помощью направленных

микрофонов, однако такие устройства можно изготовить и самостоятельно, имея

необходимый уровень подготовки в сфере электроники. Рассмотрим некоторые

рекомендации в отношении изготовления направленных микрофонов [15].

Из большого листа бумаги с ворсом (под бархат) следует сделать трубу

диаметром 10-15 см и длиной 1,5—2 м. В один конец этой трубы вставляют

чувствительный микрофон. Лучше всего, если это будет динамический или

конденсаторный микрофон, например, динамический микрофон типа МД-64,

МД-200 или даже миниатюрный МКЭ-3. В крайнем случае, можно использовать

обычный бытовой микрофон.

Микрофон следует подключать с помощью экранированного кабеля к чув-

ствительному усилителю с маленьким уровнем собственных шумов. Если длина

кабеля превышает 0,5 м, то лучше использовать микрофонный усилитель с

дифференциальным входом, например, усилитель низких частот (УНЧ) на

операционных усилителях (ОУ). Это разрешает уменьшить синфазную состав-

ляющую помех, которые являются наводками от ближайших электромагнитных

устройств (фон 50 Гц от сети 220 В и т.д.).

Итак, если свободный конец трубы направить на источник звука, то можно

услышать разговор на расстоянии 100 м и даже больше. Это расстояние может

быть увеличено путем применения специальных селективных фильтров, которые

разрешают выделить и подавить сигнал в узкой полосе частот. Это дает

возможность повысить соотношение уровня полезного сигнала на фоне

существующих помех. В упрощенном варианте вместо специализированных

фильтров можно применять полосовой фильтр в УНЧ или воспользоваться

обычным эквалайзером (многополосным регулятором тембра), а в крайнем

случае — традиционным двухполосным регулятором тембра НЧ и ВЧ.

При конструировании чувствительного и малошумящего усилителя следует

помнить, что наибольшее влияние на качество звучания и разборчивость речи

имеют амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя, уровень его

шумов, параметры микрофона, а также их взаимная согласованность с

усилителем. Усилитель с микрофоном должен иметь коэффициент усиления 60-

80 дБ (или 1000-10000 раз).

Учитывая особенности приема полезного сигнала и его маленькую величину

в условиях действия значительного уровня помех, полезно в конструкции

усилителя предусмотреть возможность корректировки АЧХ, то есть, частотной

селекции сигнала, подлежащего обработке. Следует также учитывать, что

наиболее информативной полосой частот является полоса в диапазоне 300-3500

Гц, где расположены основные форманты звуков. Использование полосового

фильтра в усилителе позволяет увеличить дальность прослушивания в 2 и более

раз. Еще большей дальности можно достичь, используя в составе УНЧ

селективные фильтры с большой добротностью, которые разрешают выделять и

подавлять сигнал на определенных частотах [15].

Современная элементная база позволяет создавать современные УНЧ на

основе малошумящих операционных усилителей типа К548УН1, К548УН2,

К548УНЗ, КР140УД12, КР140УД20 и т.п.

Возможно также использовать современные малошумящие транзисторы,

особенно в первом каскаде. Это могут быть или малошумящие биполярные

транзисторы с высоким коэффициентом усиления типа КТ3102, КТ307 или

полевые транзисторы. Большое значение имеют и параметры других элементов.

Так, следует использовать оксидные конденсаторы К53-1, К53-14, К50-35,

неполярные КМ6, МБМ, резисторы— не хуже традиционных 5% МЛТ-0,25 и

МЛТ-0,125. Наилучший вариант резисторов — проволочные, безындукционные

резисторы. Входное сопротивление УНЧ должно соответствовать

сопротивлению источника сигнала: микрофона или датчика, который его

заменяет. Обычно входное сопротивление УНЧ стараются сделать равным или

несколько выше сопротивления источника: преобразователя сигнала на

основных частотах.

Для минимизации электрических помех необходимо для подключения

микрофона к УНЧ использовать экранированные проводники минимальной

длины. Электретный микрофон МЭК-3 следует монтировать непосредственно на

плате первого каскада микрофонного усилителя. При необходимости

значительного отдаления микрофона от УНЧ следует использовать усилитель с

дифференциальным входом, а подключения осуществлять витой парой проводов

в экране. Экран подключается к схеме в одной точке общего провода

максимально близко к первому каскаду усилителя. Это обеспечит минимизацию

уровня наведенных в проводах электрических помех.

Для повышения направленного действия микрофона и снижения акусти-

ческих помех используют параболический рефлектор, представляющий собой

параболический концентратор звука. Микрофон располагают в этом случае в

фокусе рефлектора. Еще больший эффект может дать объединение па-

раболического рефлектора с несколькими специально рассчитанными аку-

стическими резонаторами, изготовленными из алюминиевых труб разной длины.

В зависимости от длины и диаметра, каждая труба имеет собственную

резонансную частоту, поэтому, когда их используют несколько, можно

обеспечить усиления в той полосе частот, которая интересует исследователя.

Например, если взять семь труб-резонаторов из алюминия диаметром 10 мм,

то по формуле, которая позволяет рассчитать резонансную частоту в

зависимости от длины трубы (L=165/f), можно подобрать нужную длину трубы.

Так, для получения резонансной частоты 300 Гц необходимо взять трубу длиной

550 мм, а для частоты 1100 Гц, соответственно, — 150 мм.

Набор полученных таким образом резонаторов заканчивается параболическим

концентратором, в фокусе которого находятся эти резонаторы. Большое

количество резонаторов разрешает создать микрофон с узкой диаграммой

направленности и увеличить дальность прослушивания до 1 км и более.

На рис. 3.16 представлен пример УНЧ на основе специализированной

микросхемы— ИС К548УН1А, содержащей два малошумящих ОУ, ОУ и УНЧ,

созданный на базе этих ОУ (ИС К548УН1А), рассчитаны на однополярное

напряжение питания 9 В.

В представленной схеме УНЧ первый ОУ включен в варианте, который

обеспечивает минимальный уровень шумов ОУ. Выходные транзисторы данной

схемы УНЧ работают без начального сдвига (

покоя

). Искажения типа

"ступенька" практически отсутствуют благодаря глубокой отрицательной об-

ратной связи, которая охватывает второй ОУ микросхемы и выходные транзи-

сторы. При необходимости изменения режима выходных транзисторов

(

покоя

) схему необходимо соответствующим образом откорректировать:

включить в нее резистор или диоды между базами Т1 и Т2, два резистора по 3-5

К с баз транзисторов на общий провод и провод питания.

Кстати, в УНЧ в двухтактных выходных каскадах без начального сдвига

хорошо работают уже устаревшие германиевые транзисторы. Это позволяет

использовать с такой структурой исходного каскада ОУ с относительно низкой

скоростью нарастания исходного напряжения без опасности возникновения

искажений, связанных с нулевым током покоя.

Для исключения опасности возбуждения усилителя на высоких частотах

используется конденсатор С3, подключенный рядом с ОУ, и цепочка R8C8 на

выходе УНЧ (довольно часто RC на выходе усилителя можно исключить).

На рис. 3.16 а) показана схема УНЧ на ОУ ИС К548УН1А. На рис. 3.16 б)—

схема подключения динамического микрофона. На рис. 3.16 в) — схема

подключения микрофона МЭК-3. На рис. 3.16 г) — схема подключения

микрофона к УНЧ.

Элементы для схемы, показанной на рис. 3.16:

§ R1 =240-510 Ом;

§ R2 = 2,4 K;

§ R3 = 24-51 К (подстройка усиления);

§ R4 = 3-10 K;

§ R5 = 1-3 К;

§ R6 = 240 K;

§ R7 = 20-100 К (подстройка усиления);

§ R8 = 10 Ом;

§ R9 = 820-1,6 К (для 9 В);

§ С1= 0,2-0,47;

§ С2= 10-50 мкФ;

§ СЗ = 0,1пФ;

§ С4, С5 = 4,7-50 мкФ;

§ С6, С7 = 10-50 мкФ;

§ С8 = 0,1-0,47 пФ;

§ С9 = 100-500 мкФ;

§ ОУ 1 и 2 — ОУ ИС К548УН1А (б), двух ОУ в одному корпусе ИС;

§ Т1, Т2 — КТ315, КТ361 или КТ3102, КТЗ107 или аналогичные;

§ D1 — стабилитрон, например, КС 133; можно использовать светодиод в

обычном включении, например, АЛ307;

§ М — МД64, МД200 (б), МЭК-3 или аналогичный (в);

§ Т — ТМ-2А.

На рис. 3.17 представлен пример УНЧ на транзисторах.

В первых каскадах транзисторы работают в режиме микротоков, который

обеспечивает минимизацию внутренних шумов УНЧ. Здесь целесообразно

использовать транзисторы с большим коэффициентом усиления, но малым

обратным током. Это могут быть, например, 159НТ1 В (1 К = 20 нА) или КТЗ

102 (1 К = 50 нА) или аналогичные. Использование подобных транзисторов

позволяет обеспечить не только постоянную работу транзисторов при малых

коллекторных токах, но и достичь хороших усилительных характеристик при

низком уровне шумов. Выходные транзисторы могут быть как кремниевые

(КТ315 и КТ361, КТ3102 и КТ3107, и т.п.), так и германиевые (МП38А и МП42Б

и т.д.). Настройка схемы сводится к установке резистором R2 и резистором R3

соответствующих напряжений на транзисторах: 1,5 В — на коллекторе Т2 и 1,5

В — на эмиттерах Т5 и Т6. Элементы для схемы, показанной на рис. 3.17:

■ R1 = 43-51 К;

■ R2 = 51 Ом (подстройка, Uкт2 = 1,2-1,8 В);

■ R3 = 5,6-6,8 К (регулятор громкости);

■ R4 = 3K;

■ R5 = 750 Oм;

■ R6, R7 = 150K;

■ R8 = 33 К;

■ R9 = 820-l,2K;

■ R10 = 200-330 Ом;

■ Rl1 = 100 К (подстройка);

■ R12 = 1 К (подстройка тока покоя Т5 и Т6, 1-2 мА);

■ С1 = 10-50 мкФ;

■ С2 = 0,15-1мкФ;

■ С3 = 1800пФ;

■ С4 = 10-20 мкФ;

■ С5 = 1 мкФ;

■ С6 = 10-50 мкФ;

■ С7 = 100-500 мкФ;

■ Т1, Т2, ТЗ — 159НТ1В, КТ3102Е или аналогичные;

■ Т4, Т5 — КТЗ15 или аналогичные, но можно и МП38А;

■ Т6 — КТЗ61 или аналогичные, но можно и МП42Б;

■ М — МД64, МД200 (б), МЭК-3 или аналогичный (в);

■ Т — ТМ-2А.

На рис. 3.18 представлен пример УНЧ на ОУ с дифференциальным входом.

[15]

Правильно собранный и настроенный УНЧ обеспечивает значительное

подавление синфазной помехи (60 дБ и больше). Это обеспечивает выделение

полезного сигнала при значительном уровне синфазных помех. Стоит

напомнить, что синфазная помеха — это помеха, которая поступает в равных

фазах на оба входа ОУ УНЧ, например, помеха, наведенная на оба сигнальных

провода от микрофона.

Для обеспечения корректной работы дифференциального каскада необходимо

точно выполнить условие: Rl = R2, R3 = R4. Резисторы целесообразно подобрать

с помощью омметра среди 1%-резисторов с соответствующей температурной

стабильностью. Для обеспечения необходимого баланса рекомендуется один, из

четырех резисторов (например, R2 или R4) выполнить сменным. Это может быть

высокоточный сменный резистор-настройщик с внутренним редуктором. Для

минимизации шумов входное сопротивление УНЧ (значения резисторов R1 и

R2) должно соответствовать сопротивлению микрофона или датчика, который

его заменяет.

Выходные транзисторы УНЧ работают без начального сдвига (с

покоя

Искажения типа "ступенька" практически отсутствуют благодаря глубокой

отрицательной обратной связи, которая охватывает второй ОУ и выходные

транзисторы.

При необходимости схему включения транзисторов можно изменить.

Настройка дифференциального каскада: подать синусоидальный сигнал 50 Гц на

оба входа дифференциального канала одновременно; подбором величины R3 или

R4 обеспечить на выходе ОУ1 нулевой уровень сигнала 50 Гц. Для настройки

используется сигнал 50 Гц, поскольку электросеть частотой 50 Гц делает

максимальный вклад в суммарную величину напряжения помехи.

Хорошие резисторы и тщательная настройка позволяют достичь подавления

синфазной помехи 60-80 дБ и более Для повышения устойчивости работы УНЧ

целесообразно зашунтовать выводы питания ОУ конденсаторами и на выходе

усилителя включить RC-цепочку. Для этой цели можно использовать

конденсаторы КМ6.

Элементы для схемы, показанной на рис. 3.18:

■ Rl, R2 = 20 К (равно или немного больше максимального сопротивле

ния источника в рабочем диапазоне частот);

■ R3,R4=1-2M;

■ R5 = 2-10K;

■ R6=1-3K;

■ R7 = 47-300 К (подстройка усиления, К = 1 + R7/R6);

■ R8 = 10 Om;

■ R9 = 1,2-2,4 К;

■ С1,С2 = 0,1-0,22 пФ;

■ С3 = 4,7-20 мкФ;

■ С4 = 0,1 пФ;

■ ОУ — КР1407УД2, КР140УД20, КР1401УД2Б, К140УД8 или другие

ОУ в типовом включении, желательно с внутренней коррекцией;

■ Т1, Т2 — КТ3102, КТ3107 или КТ315, КТ361 или аналогичные;

■ D1 — стабилитрон, например, КС 133; можно использовать светодиод

в обыкновенном включении, например, АЛ307;

■ М — МД64, МД200 (б), МЭК-3 или аналогичный (в); Т — ТМ-2А.

Применение в выходных каскадах УНЧ низкоскоростных ОУ и эксплуатация

кремниевых транзисторов в усилителях мощности в режиме без начального

сдвига (ток покоя равняется нулю — режим В) может, как это уже отмечалось

выше, привести к переходным искажениям типа "ступенька". В этом случае для

исключения таких искажений целесообразно изменить структуру выходного

каскада таким образом, чтобы выходные транзисторы работали с небольшим

начальным током (режим АВ).

На рис. 3.19 представлен пример подобной модернизации схемы усилителя с

дифференциальным входом.