Фундаментальные основы защиты информации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СЕРВИСА (ПВГУС)» УДК 004.056.5(075.8) ББК 32.973.202я73 Ф 94 Рецензенты зав. кафедрой «Тепловые двигатели» ТГУ, д-р техн. наук, проф. А. П. Шайкин, д-р техн. наук, проф. В. И. Аникин Кафедра «Современное естествознание» Ф 94 ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ Фундаментальные основы защиты информации : конспект лекций / сост. Т. С. Бочкарева, В. В. Смоленский. – Тольятти : Изд-во ПВГУС, 2009. – 160 с. Для студентов специальности 090103.65 и других специальностей и направлений. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ для студентов специальности 090103.65 и других специальностей и направлений Одобрено Учебно-методическим Советом университета Составители: Т. С. Бочкарева, В. В. Смоленский Тольятти 2009 © Бочкарева Т. С., Смоленский В. В., составление, 2009 © Поволжский государственный университет сервиса, 2009 ПРЕДИСЛОВИЕ Конспект лекций по дисциплине вузовского компонента содержит современный материал в области «Фундаментальных основы защиты информации». В нем впервые сделана попытка интегрировать сложное, многогранное знание и выразить его в виде определенной системы, выстроенной посредством общих, логически согласованных методологических подходов на основе проектирования синергетической среды в области высоких наукоёмких интеллектуальных технологий защиты информации, так необходимых для деятельности в сфере современного сервиса. Объект и предмет изучения. Природа, наградив всех живых существ безусловным рефлексом защиты своей жизни и потомства от внешних угроз в результате естественного отбора, выработала «инстинкт» самообеспечения безопасности своей жизни (инстинкт самосохранения), явившийся той основой, которая помогает выжить всему живому. Однако рассчитывать только на собственные силы в сложных условиях окружающего мира становится явно недостаточно. Проблема обеспечения безопасности человека, его собственности, не только «генетической», в том числе и информационной, становится все более актуальной. На основе системного подхода в курсе рассмотрен комплекс вопросов, связанных с обеспечением информационной безопасности: стадии жизненного цикла источника информации и его связь с компонентами окружающей среды, современные основы технических средств обеспечения информационной безопасности, их связь с созданием технических каналов утечки информации и с задачами противодействия и контроля состояния систем информационной безопасности. Суть дисциплины «Фундаментальные основы защиты информации», стало быть, не сужается до уровня только физических, технических и других основ защиты информации, ибо природа включает целое и нечто большее, чем выделенные части, поэтому целесообразно рассматривать именно «фундаментальные основы защиты ИСТ-ИН-ы», т.е. «источника информации внутри». Базовые понятия и определения. Любая деятельность человека представляет собой процесс сбора и переработки информации, принятия на ее основе решений и их выполнения. С появлением современных средств вычислительной техники информация стала выступать в качестве одного из важнейших ресурсов научно-технического прогресса. Передаваемая информация обычно касается каких-то предметов или нас самих и связана с событиями, происходящими в окружающем нас мире. Информационные процессы (сбор, обработка и передача и хранение информации) всегда играли важную роль в науке, технике и жизни общества. В ходе эволюции человечества просматривается устойчивая тенденция к автоматизации этих процессов, хотя их внутреннее содержание, но существу осталось неизменным. Сбор информации – это деятельность субъекта, в ходе которой он получает сведения об интересующем его объекте. Сбор информации может производиться или человеком, или с помощью технических средств и систем – аппаратно. Обмен информацией – это процесс, в ходе которого источник информации ее передает, а получатель – принимает. Принятую информацию получатель может использовать неоднократно. С этой целью он должен зафиксировать ее на материальном носителе. Процесс формирования исходного, несистематизированного массива информации называется накоплением информации. Хранение информации – это процесс поддержания исходной информации в виде, обеспечивающем выдачу данных по запросам конечных пользователей в установленные сроки. 3 Обработка информации – это упорядоченный процесс ее преобразования в соответствии с алгоритмом решения задачи. После решения задачи обработки информации результат должен быть выдан конечным пользователям в требуемом виде. Эта операция реализуется в ходе решения задачи выдачи информации. Выдача информации, как правило, производится с помощью внешних устройств ЭВМ в виде текстов, таблиц, графиков и пр. Информационная техника представляет собой материальную основу информационной технологии, с помощью которой осуществляется сбор, хранение, передача и обработка информации. Человек располагает наиболее совершенной информационно-управляющей системой, обладающей интеллектом – высшей формой информационных процессов. В отличие от технических систем все живые организмы имеют высокую степень универсальности, самостоятельности, жизнедеятельности, подвижности и широком диапазоне изменений окружающей среды. Технические системы и другие искусственные образования создаются для конкретных задач и всегда будут менее универсальными с меньшим набором функций, несмотря на то, что их воспроизводство будет налажено без непосредственного участия человека в технологическом процессе. В настоящее время уже есть и строятся высокоавтоматизированные заводы, производящие, например, роботы. Характер производства роботов и других машин всегда будет иметь коллективный, а не индивидуальный характер, как это имеет место у живых организмов. Развиваются и интеллектуальные возможности технических систем. Несмотря на огромное различие между живыми организмами и техническими образованиями, есть много общего в их структуре и функционировании, рассмотрим некоторые аналогии между ними. В информационно-управляющей системе человека можно выделить органы чувств; исполнительные органы с воздействием на мышцы; мозг, генерирующий, хранящий и обрабатывающий информацию; и нервные волокна – каналы связи. Современный человек имеет три мозга: древний, выполняющий функции безусловных рефлексов, как и у простейших животных, средний, размещенный над древним и выполняющий в основном более сложные функции условных рефлексов, как и у более сложных организмов, и мозг в виде двух полушарий, выполняющий еще более сложные функции генерирования, хранения, переработки и представления информации. Интеллект человека в результате его обучения и накопления опыта обусловлен только работой мозга. Специализированные технические системы и комплексы состоят из шести частей (подсистем), каждая из которых может изменяться в широком диапазоне по емкости (объему) и может иметь сложную специфичную организацию, включающую в себя сотни, тысячи и большее количество ЭВМ, микро-ЭВМ, микропроцессоров и других технических средств. Кратко назовем все шесть подсистем. 1. Органы ввода и вывода информации (ВВ): датчики для различных измерений, сигнализации, защиты, диагностики, распознавания образов и другие устройства ввода, а также органы вывода, защиты информации и исполнительные органы. 2. Устройства контролируемых пунктов и терминалов, размещаемых в непосредственной близости от датчиков и исполнительных органов. Такой КП или терминал может иметь несколько микро-ЭВМ и микропроцессоров со сложными организацией и функцинированием. КП или терминалы выполняют функции защиты, жизнеобеспечения, ввода и вывода информации и др. 3. Центр обработки информации состоит из ЭВМ, микропроцессоров, периферийного оборудования и выполняет основные функции обработки информации. 4. Каналы и сети связи. В крупных системах, размещаемых на большой территории, сети и каналы связи требуют наибольших капиталовложений, имеют сложную структуру и включают в себя оконечную аппаратуру, узлы связи, ретрансляторы, линии связи и другое оборудование с многими ЭВМ, микро-ЭВМ, микропроцессорами и другим оборудованием, автоматически выполняющим функции пакетирования информации, автоматической маршрутизации, 4 коммутации сообщении, концентрации информации, надежностные и другие процедуры, повышающие достоверность информации. 5. Базы данных – хранилища информации. Крупные базы данных и знаний создаются по проблемно-ориентированному принципу и территориально размещаются в различных пунктах, соединенных сетями связи. Базы данных в значительной мере определяют возможности и интеллект системы. 6. Подсистема отображения информации, выполняющая функции представления информации и связи всей системы с человеком, т. е. человеко-машинные функции. Уже сейчас возможности технических систем значительно превосходят возможности человека при решении простейших рутинных задач, не требующих творческого подхода, а также в подсистеме отображения информации. Однако при решении задач творческого характера человек пока имеет большие преимущества перед машиной. В структурах технических систем заложены колоссальные возможности, не достижимые для человека. 5 ЛЕКЦИЯ 1. Информационные основы развития. Понятия информации, сообщения, сигнала. Виды сигналов и их основные характеристики. Структуры системы связи и канала связи. Классификация каналов связи. Помехи и искажения в каналах связи Окружающий нас мир составляют три основные сущности: вещество, энергия и информация. Первые два из них являются видами материи и могут непосредственно влиять на наши органы чувств. Информация же, в отличие от вещества и энергии (поля), нематериальна. Энциклопедический словарь определяет информацию таким образом: «Информация (от лат. informatio – разъяснение, изложение), первоначальная – сведения, передаваемые людьми устным, письменным или другим способом (с помощью условных сигналов, технических средств и т. д.); с сер. XX в. общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом; обмен сигналами в животном и растительном мире; передачу признаков от клетки к клетке, от организма к организму; одно из основных понятий кибернетики». Наука, занимающаяся изучением образования, хранения, передачи, приёма и обработки информации, называется теорией информации или информатикой. Объект изучения этой науки – информация – является фундаментальным понятием, которому невозможно дать строгое определение (подобно веществу, энергии и другим основополагающим понятиям). Однако можно всегда дать нечёткое определение, интуитивно понятное каждому. Информация – это все сведения об окружающем нас мире, получаемые органами чувств непосредственно или с помощью приборов, изобразительных средств, произведений искусства и т. д. В этом «определении» отражён субъективный (человеческий) подход к понятию информации. Информация, воспринимаемая субъектом, зависит от его состояния, уже имеющейся у него в предыстории информации. Несмотря на свою нематериальность, информация всегда связана с материальным носителем, существует только вместе с ним во времени и пространстве. Например, носителем информации, содержащейся в письме, являются бумага и чернила; телевизионное изображение переносится радиоволнами и может храниться на магнитной ленте, закодированное определённым образом. 1.1. Информационные основы развития Длительный путь развития информации сначала на уровне неживой, а затем в условиях живой природы привел к качественно новому образованию – информации социальной, которая получила выражение в знаковой системе. Появившись у разных общностей людей, знаковые системы стали выполнять функции источников и хранителей информации об определенных вещах и явлениях в природе. В то же время знаковые системы стали способом выражения накопленного знания, стали играть роль своего рода стартовой площадки в дальнейшей познавательной деятельности и в этом плане становились базой для получения все новых и новых массивов информации. Информационная сфера – это тот пространственно-временной континуум, в котором протекает информационная деятельность человека. С помощью этого понятия можно показать двойственный характер процессов, связанных с производством, хранением, передачей, трансляцией информации. Они, с одной стороны, зависимы от человека, субъекта, определены его деятельностью, с другой – во многом от него независимы, поскольку вызваны к жизни самой природой вещей. И, наконец, существенно, что понятие информационной сферы вытекает из представлений о многогранности, многозначимости, многоуровневости информации, форм и методов ее формирования, кодирования и декодирования, приема, хранения, переработки и передачи. Сущность информационной сферы, таким образом, раскрывается через совокупность информационных процессов как результат определенной деятельности человека, как своеобразный продукт его субъектно-объектных спонтанно-детерминированных обменных отношений. Ее можно оп6 ределить как функционирующий содержательный феномен отражательных моментов, присутствующих в процессе развития и саморазвития людей, где они проявляют либо могут проявить свою информационную деятельность, заключающуюся в потреблении, производстве, хранении, кодировании, переработке, передаче информации. С развитием человеческого общества происходит изменение общения между людьми, а вместе с ним развиваются и информационные средства общения, происходит зарождение, становление и развитие информационной культуры. Информационная культура создается не сама по себе и не ради себя самой, она выступает инструментом в руках человека для его всестороннего развития, призвана содействовать этому процессу, предваряя его, активно участвуя в нем, совершенствуя его применительно к формированию нового образа жизни человека. И в этом плане информационную культуру следует рассматривать как уровень организации информационных процессов, степень удовлетворения потребности людей в информационном общении, уровень эффективности создания, сбора, хранения, переработки и передачи информации. В то же время это и деятельность, направленная на оптимизацию всех видов информационного общения, создание наиболее благоприятных условий для того, чтобы ценности культуры были освоены человеком, вошли органично в его образ жизни. 1.2. Понятия информации, сообщения, сигнала Передача сообщений из одного пункта в другой составляет основную задачу теории и техники связи. Жизнь современного общества немыслима без широко разветвленных систем передачи информации. Примерами могут служить системы телефонной и телеграфной связи, радиовещание, телевидение, радиосвязь, системы спутниковой связи, современные локальные, глобальные и интегрированные сети связи (типа электронной почты, Internet) и другие. При этом хранение, обработка и передача информации может иметь место и без использования специальных технических средств. Обычный разговор представляет собой обмен информацией. Всякая книга является хранилищем информации. Генетическая информация, записанная в структуре хромосом клетки передается при ее делении и управляет программой развития живого организма. Все вопросы, связанные с передачей информации в природе и обществе охватывает современная теория передачи сигналов. С позиций этой теории мы и будем рассматривать, и знакомиться с фундаментальными понятиями информации и сетями связи. Основополагающими понятиями теории передачи сигналов являются информация, сообщение и сигнал. В общем случае под информацией понимают совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах. Для передачи или хранения информации используются различные знаки, позволяющие представить ее в той или иной форме. Этими знаками могут быть, например, слова и фразы человеческой речи, жесты, рисунки, форма колебаний, математические символы и другие. Совокупность знаков, содержащих ту или иную информацию, называют сообщением. Так, при телеграфной передаче сообщением является текст телеграммы, т.е. последовательность знаков – букв и цифр. При разговоре по телефону сообщением является непрерывное изменение во времени звукового давления, отражающее не только содержание, но и тембр, ритм и другие свойства речи конкретного человека. Передача сообщений на расстояние осуществляется с помощью какого-либо материального носителя (бумага, дискета) или физического процесса (звуковые, электромагнитные волны, ток, напряжение и т.д.). Физический процесс, отображающий (несущий) сообщение, называется сигналом. 7 Ui(t) U(t) Un . . . U2 t U1 t Сигнал дискретный по состояниям и непрерывный по времени Сигнал непрерывный по состояниям и времени U(ti) Un Ui(ti) . . . U2 ti t1 t2 . . . tn U1 ti t1 t2 . . . tn Сигнал дискретный по состояниям и времени Сигнал непрерывный по состояниям и дискретный по времени Рисунок 1.1. Основные виды сигналов, передаваемых по сетям связи В качестве сигнала может быть использован любой физический процесс, изменяющийся в соответствии с переносимым сообщением. Сигналы формируются путем изменения выбранных параметров физического носителя по закону передаваемых сообщений. Такой процесс изменения параметров носителя называют модуляцией. Сообщение может быть функцией времени (речь, телевизионные сообщения), а может и не быть таковой (текст телеграммы, неподвижное изображение). Сигнал является всегда функцией времени, даже если сообщение таковым не является. Если сигнал представляет собой функцию времени U(t), принимающую только определенные дискретные значения Ui (i=1, .., n), то его называют дискретным по состояниям. Если сигнал U(t) может принимать любые значение из некоторого интервала, то его называют непрерывным по состояниям (аналоговым). Аналогично, если сигнал задается на всей оси времени t, то он называется непрерывным во времени, а если сигнал задается только в определенные моменты времени ti (i=1, …, n), то такой сигнал является дискретным по времени. Таким образом, основные виды сигналов, передаваемых по сетям связи можно представить как показано на рис.1.1. Например, речь – сигнал непрерывный по времени и по состояниям. Состояния (показания) датчика температуры через каждые 10 минут – сигнал непрерывный по состояниям и дискретный по времени. Если бы передаваемое сообщение было заранее известным с полной достоверностью, т.е. детерминированным, то его передача не имела бы смысла. Такое детерминированное сообщение не содержит информации. Аналогично и детерминированный сигнал не может быть переносчиком информации. Поэтому в технике связи сообщение и сигнал рассматриваются как случайная функция или случайный процесс протекающий во времени, а его основными параметрами считаются: длительность сигнала ТС, динамический диапазон НС и ширина спектра FC. Длительность сигнала ТС определяет интервал времени, в пределах которого сигнал существует. 8 Динамический диапазон НС определяет отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи. Он измеряется в децибелах. Ширина спектра FC дает представление о скорости изменения сигнала внутри интервала его существования. Ширина спектра определяет диапазон частот, в пределах которого сосредоточена основная энергия сигнала. Например, при телефонной связи требуется чтобы речь была разборчива и чтобы корреспонденты могли узнать друг друга по голосу. Чтобы это обеспечивалось, спектр речевого сигнала можно ограничить полосой частот от 300 до 3400 Гц. Обобщенная характеристика сигнала это его объем VC = TC FC HC. Рассмотрим теперь обобщенную структурную схему системы связи, представленную на рисунке 1.2. Передающее устройство A(t) ИС Преобразоват B(t) ель сообщений в сигнал (кодер источника) B*(t) К М U(t) Кодер канала Линия связи Z(t) N(t) Источник помех ~ A(t) ПС Приёмное устройство Преобразоват ~ B(t) ~ ель сигнала в сообщения(дек одер приёмника) ДК B*(t) Z(t) ДМ Декодер канала Рисунок 1.2. Обобщенная структурная схема системы связи Источником сообщений (ИС) и получателем сообщений (ПС) в различных системах связи могут быть человек или технические средства (ЭВМ, автомат и др.). Передающее устройство осуществляет преобразование сообщения А(t) в сигнал U(t), а приемное устройство преобразует принятый по линии связи сигнал Z(t) обратно в сообщение ~ A(t ) . С помощью преобразователя в предающем устройстве сообщение А(t) (которое может иметь любую физическую природу – звуковые колебания, изображения) преобразуется в первичный электрический сигнал или в первичный код B(t) (чаще всего низкочастотный). Это преобразование обычно производится с учетом только физических и статистических особенностей источника, поэтому такой преобразователь называют еще кодером источника. Далее первичный сигнал B(t) (обычно низкочастотный) преобразуется во вторичный сигнал U(t), пригодный для передачи по используемой линии связи. При этом наиболее полно учитываются характеристики линии связи, и устройство преобразования называют кодером канала или линии связи. Кодер канала включает кодер (К) первичного сигнала и модулятор (М) и преобразует первичный низкочастотный сигнал B(t) в высокочастотный сигнал U(t), обладающий помехоустойчивостью и учитывающий характеристики используемой линии связи. После передачи сигнала U(t) по линии связи происходит обратное преобразование принятого сигнала Z(t), которое включает де~ модуляцию (ДМ), декодирование (ДК) и преобразование декодированного сигнала B (t ) в со~ общение A(t) для приемника сообщений. 1.3. Энтропия и количество информации Понятие энтропии, первоначально введенное Р. Клаузиусом в 1852 г. лишь с целью более удобного описания работы тепловых двигателей, усилиями многих ученых, и, прежде всего Л. 9 Больцмана, стало играть универсальную роль, определяя многие закономерности в поведении макроскопических систем. В 30-х годах нашего столетия энтропия стала мерой вероятности информационных систем и явилась основой теории информации. Связь между энтропией и вероятностью установлена М. Планком и выражается формулой Больцмана Н = k*lnW, где Н − энтропия, W − термодинамическая вероятность состояния. Существенно, что Больцман, связав второй закон термодинамики с теорией вероятности, показал, что убывание энтропии не является невозможным, а только маловероятным. Второй закон термодинамики (принцип возрастания энтропии) становится констатацией того факта, что информация теряется различными способами, что ведет к возрастанию энтропии системы, но чтобы приобрести новую информацию и уменьшить энтропию, следует произвести новые измерения, т.е. затратить энергию. На рубеже второй половины 20 века работами Э. Шредингера (1944 г.) понятие энтропии еще более расширилось – до понимания ее как меры дезорганизации систем любой природы. Эта мера простирается от максимальной энтропии (Н=1), т.е хаоса, полной неопределенности, до исчезновения энтропии (Н=0), соответствующего наивысшему уровню организации, порядка. С помощью энтропии стало возможно количественно оценивать такие понятия, как «хаос» и «порядок». Информация и энтропия связаны потому, что они характеризуют реальную действительность с точки зрения именно упорядоченности и хаоса, причем если информация – мера упорядоченности, то энтропия – мера беспорядка, одно равно другому, взятому с обратным знаком. Альтернативность и взаимосвязь понятий энтропии и информации нашли отражение в формуле Н + I = 1. Если система эволюционирует в направлении упорядоченности, то ее энтропия уменьшается, но это требует целенаправленных усилий, внесения информации, т.е. управления. Человек всю жизнь борется с энтропией, гася ее извлечением из окружающей среды отрицательной энтропии – информации. Количество информации, отождествляемое Винером с отрицательной энтропией (негэнтропией), становится, подобно количеству вещества или энергии, одной из фундаментальных характеристик явлений природы. Важнейшей объективной характеристикой информации, не зависящей от источника, приёмника и канала связи, является количество информации. Единица количества информации (бит) является такой же фундаментальной единицей, как и метр, килограмм, секунда и другие (но не относится к физическим единицам). 1 бит – это количество информации, образующееся в результате проведения опыта, имеющего два равновероятных несовместных исхода. Например: информация, содержащаяся в результате бросания монеты (выпадение одной из двух её сторон: «орла» или «решки») равна 1 биту; вероятности рождения мальчика или девочки можно считать близкими к 0,5, следовательно, количество информации, соответствующей рождению именно мальчика (или девочки) равно также одному биту. Бит – наименьшая единица информации, на практике применяются более крупные: байт, килобит, килобайт, мегабайт и другие (см. ниже). Рассмотрим определение количества информации в общем случае. Если источник информации может находиться в одном из n дискретных состояний с вероятностью pi в каждом из них (i=1, 2, …, n), то в качестве меры неопределённости можно ввести функцию H, называемую энтропией. Будем называть каждое возможное состояние источника информации сообщением. Энтропия i-го сообщения, по определению, равна Н i = log 2 1 = − log 2 pi . Логарифмы берутся pi здесь по основанию 2 для удобства, чтобы энтропия любого из двух равновероятных и несовместных событий (при p1 = p2 = 0,5) равнялась единице. Очевидно также, что энтропия достоверного события (pi = 1) равна нулю. Наоборот, чем менее вероятно некоторое событие, тем больше его энтропия, это и понятно, ведь более редким событиям приписывается большая информационная значимость. Энтропией источника называется среднее значение энтропии сообщения: n n  n 1 Н = ∑ ( pi ⋅ H i ) = ∑  pi ⋅ log 2  = −∑ ( pi ⋅ log 2 pi ) . pi  i =1 i =1  i =1 10 Это определение энтропии, предложенное Клодом Шенноном, считается классическим. Аналогично можно определить энтропию приёмника информации. Если энтропию приёмника информации до прихода некоторого сообщения обозначить H0, а значение энтропии после получения сообщения H1, то разность этих величин H1-H0 (изменение энтропии) будет равна количеству информации, содержащейся в сообщении: n  n 1 Q = ∑  pi ⋅ log 2  = −∑ ( pi ⋅ log 2 pi ) pi  i =1  i =1 Понятие о теореме Шеннона Скорость передачи информации по каналу связи равна количеству информации, пере- даваемой в единицу времени: I = ∆Q . Скорость передачи измеряется в битах в секунду или в ∆t бодах (1 бит/с=1 бод). Максимальная скорость передачи информации называется пропускной способностью канала связи: I = ∆Qmax . ∆t Пусть источник с энтропией H передаёт эту информацию за время ∆t по каналу с пропу- H ≤ I max , то это количество информации может быть пе∆t H редано без искажений. Если, наоборот, > I max , то передача информации без искажений не∆t скной способностью Imax. Тогда, если возможна. Это довольно ясное утверждение называется теоремой Шеннона (первой). Она накладывает ограничение на максимальную скорость передачи информации. Кодирование информации Любое сообщение, как уже говорилось, может быть представлено в различной форме, то есть закодировано различными способами. Разные способы кодирования неравноценны по используемому ими количеству информации. Оптимальным кодом будет тот, при использовании которого среднее значение энтропии, приходящееся на один символ, равно энтропии источника информации. В большинстве случаев используемые системы кодирования обладают избыточностью, то есть требуют для записи большее количество информации, чем оно содержится в кодируемом сообщении. Избыточность определяется формулой E = 1– H/Q, где H – средняя (удельная) энтропия сообщения, Q – среднее количество информации, приходящееся на один символ кодированного сообщения. Чем выше избыточность кода, тем больше вероятность безошибочной передачи информации, но тем больший объём требуется для её хранения и большая пропускная способность канала передачи. Естественные человеческие языки характеризуются очень высокой степенью избыточности, также велика избыточность генома высших организмов, хранящегося в молекулах ДНК. Величина H/Q называется экономичностью кода. Для оптимального кода H/Q = 1, а избыточность отсутствует, то есть E=0. Процесс уменьшения избыточности кодирования называется сжатием информации и применяется для понижения объёма памяти, требуемой для хранения информации. Для сжатия информации, хранящейся в памяти ЭВМ, используются специальные программы – архиваторы и упаковщики. Теорема Котельникова (теорема отсчетов): любая непрерывная функция f(t), не содержащая частот выше F, полностью определяется последовательностью своих значений в моменты времени, отстоящие друг от друга на интервал ∆t = сигнала длительностью Т равно V = n = 1 . Общее число таких отсчетов для 2⋅ F T = 2 ⋅ F ⋅ T (где n – число членов разложения, т.е. от∆t счетов функции f(t)). 11 1.3 КЛАССИФИКАЦИЯ И КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНИЧЕСКИХ КАНАЛОВ УТЕЧКИ ИНФОРМАЦИИ 1.3.1. Общая характеристика технического канала утечки информации Под техническим каналом утечки информации (ТКУИ) понимают совокупность объекта разведки, технического средства разведки (ТСР), с помощью которого добывается информация об этом объекте, и физической среды, в которой распространяется информационный сигнал. По сути, под ТКУИ понимают способ получения с помощью ТСР разведывательной информации об объекте. Причем под разведывательной информацией обычно понимаются сведения или совокупность данных об объектах разведки независимо от формы их представления. Сигналы являются материальными носителями информации. По своей физической природе сигналы могут быть электрическими, электромагнитными, акустическими, и т.д. То есть сигналами, как правило, являются электромагнитные, механические и другие виды колебаний (волн), причем информация содержится в их изменяющихся параметрах. В зависимости от природы сигналы распространяются в определенных физических средах. В общем случае средой распространения могут быть газовые (воздушные), жидкостные (водные) и твердые среды. Например, воздушное пространство, конструкции зданий, соединительные линии и токопроводящие элементы, грунт (земля) и т.п. 1.3.2. Классификация и характеристика технических каналов утечки информации, обрабатываемой ТСПИ Под техническими средствами приема, обработки, хранения и передачи информации (ТСПИ) понимают технические средства, непосредственно обрабатывающие конфиденциальную информацию. К таким средствам относятся: электронно-вычислительная техника, режимные АТС, системы оперативно-командной и громкоговорящей связи, системы звукоусиления, звукового сопровождения и звукозаписи и т.д. [32]. При выявлении технических каналов утечки информации ТСПИ необходимо рассматривать как систему, включающую основное (стационарное) оборудование, оконечные устройства, соединительные линии (совокупность проводов и кабелей, прокладываемых между отдельными ТСПИ и их элементами), распределительные и коммутационные устройства, системы электропитания, системы заземления. Отдельные технические средства или группа технических средств, предназначенных для обработки конфиденциальной информации, вместе с помещениями, в которых они размещаются, составляют объект ТСПИ. Под объектами ТСПИ понимают также выделенные помещения, предназначенные для проведения закрытых мероприятий. Наряду с ТСПИ в помещениях устанавливаются технические средства и системы, непосредственно не участвующие в обработке конфиденциальной информации, но использующиеся совместно с ТСПИ и находящиеся в зоне электромагнитного поля, создаваемого ими. Такие технические средства и системы называются вспомогательными техническими средствами и системами (ВТСС). К ним относятся: технические средства открытой телефонной, громкоговорящей связи, системы пожарной и охранной сигнализации, радиофикации, часофикации, электробытовые приборы и т.д. В качестве канала утечки информации наибольший интерес представляют ВТСС, имеющие выход за пределы контролируемой зоны (КЗ), т.е. зоны, в которой исключено появление лиц и транспортных средств, не имеющих постоянных или временных пропусков. Кроме соединительных линий ТСПИ и ВТСС за пределы контролируемой зоны могут выходить провода и кабели, к ним не относящиеся, но проходящие через помещения, где установлены технические средства, а также металлические трубы систем отопления, водоснабжения и другие токопроводящие металлоконструкции. Такие провода, кабели и токопроводящие элементы называются посторонними проводниками. 12 В зависимости от физической природы возникновения информационных сигналов, а также среды их распространения и способов перехвата, технические каналы утечки информации можно разделить на электромагнитные, электрические и параметрический. 1.3.2.1. Электромагнитные каналы утечки информации К электромагнитным относятся каналы утечки информации, возникающие за счет различного вида побочных электромагнитных излучений (ЭМИ) ТСПИ: − излучений элементов ТСПИ; − излучений на частотах работы высокочастотных (ВЧ) генераторов ТСПИ; − излучений на частотах самовозбуждения усилителей низкой частоты (УНЧ) ТСПИ. Электромагнитные излучения элементов ТСПИ. В ТСПИ носителем информации является электрический ток, параметры которого (сила тока, напряжение, частота и фаза) изменяются по закону информационного сигнала. При прохождении электрического тока по токоведущим элементам ТСПИ вокруг них (в окружающем пространстве) возникает электрическое и магнитное поле. В силу этого элементы ТСПИ можно рассматривать как излучатели электромагнитного поля, модулированного по закону изменения информационного сигнала. Электромагнитные излучения на частотах работы ВЧ– генераторов ТСПИ и ВТСС. В состав ТСПИ и ВТСС могут входить различного рода высокочастотные генераторы. К таким устройствам можно отнести: задающие генераторы, генераторы тактовой частоты, генераторы стирания и подмагничивания магнитофонов, гетеродины радиоприемных и телевизионных устройств, генераторы измерительных приборов и т.д. В результате внешних воздействий информационного сигнала (например, электромагнитных колебаний) на элементах ВЧ-генераторов наводятся электрические сигналы. Приемником магнитного поля могут быть катушки индуктивности колебательных контуров, дроссели в цепях электропитания и т.д. Приемником электрического поля являются провода высокочастотных цепей и другие элементы. Наведенные электрические сигналы могут вызвать непреднамеренную модуляцию собственных ВЧ-колебаний генераторов. Эти промодулированные ВЧколебания излучаются в окружающее пространство. Электромагнитные излучения на частотах самовозбуждения УНЧ ТСПИ. Самовозбуждение УНЧ ТСПИ (например, усилителей систем звукоусиления и звукового сопровождения, магнитофонов, систем громкоговорящей связи т.п.) возможно за счет случайных преобразований отрицательных обратных связей (индуктивных или емкостных) в паразитные положительные, что приводит к переводу усилителя из режима усиления в режим автогенерации сигналов. Частота самовозбуждения лежит в пределах рабочих частот нелинейных элементов УНЧ (например, полупроводниковых приборов, электровакуумных ламп и т.п.). Сигнал на частотах самовозбуждения, как правило, оказывается промодулированным информационным сигналом. Самовозбуждение наблюдается, в основном, при переводе УНЧ в нелинейный режим работы, т.е. в режим перегрузки. Перехват побочных электромагнитных излучений ТСПИ осуществляется средствами радио-, радиотехнической разведки, размещенными вне контролируемой зоны. Зона, в которой возможны перехват (с помощью разведывательного приемника) побочных электромагнитных излучений и последующая расшифровка содержащейся в них информации (т.е. зона, в пределах которой отношение "информационный сигнал/помеха" превышает допустимое нормированное значение), называется (опасной) зоной 2. 1.3.2.2. Электрические каналы утечки информации Причинами возникновения электрических каналов утечки информации могут быть: − наводки электромагнитных излучений ТСПИ на соединительные линии ВТСС и посторонние проводники, выходящие за пределы контролируемой зоны; − просачивание информационных сигналов в цепи электропитания ТСПИ; − просачивание информационных сигналов в цепи заземления ТСПИ. 13 Наводки электромагнитных излучений ТСПИ возникают при излучении элементами ТСПИ (в том числе и их соединительными линиями) информационных сигналов, а также при наличии гальванической связи соединительных линий ТСПИ и посторонних проводников или линий ВТСС. Уровень наводимых сигналов в значительной степени зависит от мощности излучаемых сигналов, расстояния до проводников, а также длины совместного пробега соединительных линий ТСПИ и посторонних проводников. Пространство вокруг ТСПИ, в пределах которого на случайных антеннах наводится информационный сигнал выше допустимого (нормированного) уровня, называется (опасной) зоной 1. Случайной антенной является цепь ВТСС или посторонние проводники, способные принимать побочные электромагнитные излучения. Случайные антенны могут быть сосредоточенными и распределенными. Сосредоточенная случайная антенна представляет собой компактное техническое средство, например телефонный аппарат, громкоговоритель радиотрансляционной сети и т.д. К распределенным случайным антеннам относятся случайные антенны с распределенными параметрами: кабели, провода, металлические трубы и другие токопроводящие коммуникации Просачивание информационных сигналов в цепи электропитания возможно при наличии магнитной связи между выходным трансформатором усилителя (например, УНЧ) и трансформатором выпрямительного устройства. Кроме того, токи усиливаемых информационных сигналов замыкаются через источник электропитания, создавая на его внутреннем сопротивлении падение напряжения, которое при недостаточном затухании в фильтре выпрямительного устройства может быть обнаружено в линии электропитания. Информационный сигнал может проникнуть в цепи электропитания также в результате того, что среднее значение потребляемого тока в оконечных каскадах усилителей в большей или меньшей степени зависит от амплитуды информационного сигнала, что создает неравномерную нагрузку на выпрямитель и приводит к изменению потребляемого тока по закону изменения информационного сигнала. Просачивание информационных сигналов в цепи заземления. Кроме заземляющих проводников, служащих для непосредственного соединения ТСПИ с контуром заземления, гальваническую связь с землей могут иметь различные проводники, выходящие за пределы контролируемой зоны. К ним относятся нулевой провод сети электропитания, экраны (металлические оболочки) соединительных кабелей, металлические трубы систем отопления и водоснабжения, металлическая арматура железобетонных конструкций и т.д. Все эти проводники совместно с заземляющим устройством образуют разветвленную систему заземления, на которую могут наводиться информационные сигналы. Кроме того, в грунте вокруг заземляющего устройства возникает электромагнитное поле, которое также является источником информации. Перехват информационных сигналов по электрическим каналам утечки возможен путем непосредственного подключения к соединительным линиям ВТСС и посторонним проводникам, проходящим через помещения, где установлены ТСПИ, а также к их системам электропитания и заземления. Для этих целей используются специальные средства радио- и радиотехнической разведки, а также специальная измерительная аппаратура. Съем информации с использованием аппаратных закладок. В последние годы участились случаи съема информации, обрабатываемой в ТСПИ, путем установки в них электронных устройств перехвата информации - закладных устройств. Электронные устройства перехвата информации, устанавливаемые в ТСПИ, иногда называют аппаратными закладками. Они представляют собой мини-передатчики, излучение которых модулируется информационным сигналом. Наиболее часто закладки устанавливаются в ТСПИ иностранного производства, однако возможна их установка и в отечественных средствах. Перехваченная с помощью закладных устройств информация или непосредственно передается по радиоканалу, или сначала записывается на специальное запоминающее устройство, а уже затем по команде передается на запросивший ее объект. 14 1.3.2.3. Параметрический канал утечки информации Перехват обрабатываемой в технических средствах информации возможен также путем их “высокочастотного облучения”. При взаимодействии облучающего электромагнитного поля с элементами ТСПИ происходит переизлучение электромагнитного поля. В ряде случаев это вторичное излучение модулируется информационным сигналом. При съеме информации для исключения взаимного влияния облучающего и переизлученного сигналов может использоваться их временная или частотная развязка. Например, для облучения ТСПИ могут использовать импульсные сигналы. При переизлучении параметры сигналов изменяются. Поэтому данный канал утечки информации часто называют параметрическим. Для перехвата информации по данному каналу необходимы специальные высокочастотные генераторы с антеннами, имеющими узкие диаграммы направленности и специальные радиоприемные устройства. 1.3.3. Акустические каналы утечки информации Под акустической понимается информация, носителем которой являются акустические сигналы. В том случае, если источником информации является человеческая речь, акустическая информация называется речевой. Акустический сигнал представляет собой возмущения упругой среды, проявляющиеся в возникновении акустических колебаний различной формы и длительности [32]. Акустическими называются механические колебания частиц упругой среды, распространяющиеся от источника колебаний в окружающее пространство в виде волн различной длины. Первичными источниками акустических колебаний являются механические колебательные системы, например органы речи человека, а вторичными - преобразователи различного типа, в том числе электроакустические. Последние представляют собой устройства, предназначенные для преобразования акустических колебаний в электрические и обратно. К ним относятся пьезоэлементы, микрофоны, телефоны, громкоговорители и другие устройства. В зависимости от формы акустических колебаний различают простые (тональные) и сложные сигналы. Тональный - это сигнал, вызываемый колебанием, совершающимся по синусоидальному закону. Сложный сигнал включает целый спектр гармонических составляющих. Речевой сигнал является сложным акустическим сигналом в диапазоне частот от 200...300 Гц до 4...6 кГц. В зависимости от физической природы возникновения информационных сигналов, среды распространения акустических колебаний и способов их перехвата технические каналы утечки акустической (речевой) информации можно разделить на воздушные, вибрационные, электроакустические, оптико-электронный и параметрические. 1.3.3.1. Воздушные технические каналы утечки информации В воздушных технических каналах утечки информации средой распространения акустических сигналов является воздух, и для их перехвата используются миниатюрные высокочувствительные микрофоны и специальные направленные микрофоны. Миниатюрные микрофоны объединяются (или соединяются) с портативными звукозаписывающими устройствами (диктофонами) или специальными миниатюрными передатчиками. Автономные устройства, конструкционно объединяющие миниатюрные микрофоны и передатчики, называют закладными устройствами перехвата речевой информации, или просто акустическими закладками. Перехваченная закладными устройствами речевая информация может передаваться по радиоканалу, оптическому каналу (в инфракрасном диапазоне длин волн), по сети переменного тока, соединительным линиям ВТСС, посторонним проводникам (трубам водоснабжения и канализации, металлоконструкциям и т. п.). Причем для передачи информации по трубам и металлоконструкциям могут использоваться не только электромагнитные, но и механические ультразвуковые колебания. 15 Прием информации, передаваемой закладными устройствами, осуществляется, как правило, на специальные приемные устройства, работающие в соответствующем диапазоне длин волн. Однако встречаются закладные устройства, прием информации с которых можно осуществлять с обычного телефонного аппарата. Такие устройства устанавливаются или непосредственно в корпусе телефонного аппарата, находящегося в контролируемом помещении и называемом “телефоном-наблюдателем”, или подключаются к телефонной линии, чаще всего в телефонной розетке. Подобное устройство конструкционно объединяет миниатюрный микрофон и специальный блок коммутации и часто называется “телефонным ухом”. Блок коммутации подключает микрофон к телефонной линии при дозвоне по определенной схеме до “телефонанаблюдателя” или подаче в линию специального кодированного сигнала. Использование портативных диктофонов и акустических закладок требует проникновения на контролируемый объект (в помещение). В том случае, когда это не удается, для перехвата речевой информации используются направленные микрофоны. 1.3.3.2. Вибрационные технические каналы утечки информации В вибрационных (структурных) технических каналах утечки информации средой распространения акустических сигналов являются конструкции зданий, сооружений (стены, потолки, полы), трубы водоснабжения, отопления, канализации и другие твердые тела. Для перехвата акустических колебаний в этом случае используются контактные микрофоны (стетоскопы). Контактные микрофоны, соединенные с электронным усилителем называют электронными стетоскопами. По вибрационному каналу также возможен перехват информации с использованием закладных устройств. В основном для передачи информации используется радиоканал, поэтому такие устройства часто называют радиостетоскопами. Возможно использование закладных устройств с передачей информации по оптическому каналу в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн, а также по ультразвуковому каналу (по металлоконструкциям здания). 1.3.3.3. Электроакустические технические каналы утечки информации Электроакустические технические каналы утечки информации возникают за счет электроакустических преобразований акустических сигналов в электрические и включают перехват акустических колебаний через ВТСС, обладающих “микрофонным эффектом”, а также путем “высокочастотного навязывания”. Некоторые элементы ВТСС, в том числе трансформаторы, катушки индуктивности, электромагниты вторичных электрочасов, звонков телефонных аппаратов, дроссели ламп дневного света, электрические реле и т.п., обладают свойством изменять свои параметры (емкость, индуктивность, сопротивление) под действием акустического поля, создаваемого источником акустических колебаний. Изменение параметров приводит либо к появлению на данных элементах электродвижущей силы (ЭДС), изменяющейся по закону воздействующего информационного акустического поля, либо к модуляции токов, протекающих по этим элементам, информационным сигналом. Например, акустическое поле, воздействуя на якорь электромагнита вызывного телефонного звонка, вызывает его колебание. В результате чего изменяется магнитный поток сердечника электромагнита. Изменение этого потока вызывает появление ЭДС самоиндукции в катушке звонка, изменяющейся по закону изменения акустического поля. ВТСС, кроме указанных элементов, могут содержать непосредственно электроакустические преобразователи. К таким ВТСС относятся некоторые датчики пожарной сигнализации, громкоговорители ретрансляционной сети и т.д. Эффект электроакустического преобразования акустических колебаний в электрические часто называют “микрофонным эффектом”. Причем из ВТСС, обладающих “микрофонным эффектом”, наибольшую чувствительность к акустическому полю имеют абонентские громкоговорители и некоторые датчики пожарной сигнализации. Перехват акустических колебаний в данном канале утечки информации осуществляется путем непосредственного подключения к соединительным линиям ВТСС, обладающих “мик- 16 рофонным эффектом”, специальных высокочувствительных низкочастотных усилителей. Например, подключая такие средства к соединительным линиям телефонных аппаратов с электромеханическими вызывными звонками, можно прослушивать разговоры, ведущиеся в помещениях, где установлены эти аппараты. Технический канал утечки информации путем “высокочастотного навязывания” может быть осуществлен путем несанкционированного контактного введения токов высокой частоты от соответствующего генератора в линии (цепи), имеющие функциональные связи с нелинейными или параметрическими элементами ВТСС, на которых происходит модуляция высокочастотного сигнала информационным. Информационный сигнал в данных элементах ВТСС появляется вследствие электроакустического преобразования акустических сигналов в электрические. В силу того, что нелинейные или параметрические элементы ВТСС для высокочастотного сигнала, как правило, представляют собой несогласованную нагрузку, промодулированный высокочастотный сигнал будет отражаться от нее и распространяться в обратном направлении по линии или излучаться. Для приема излученных или отраженных высокочастотных сигналов используется специальные приемники с достаточно высокой чувствительностью. Для исключения влияния зондирующего и переотраженного сигналов могут использоваться импульсные сигналы. Наиболее часто такой канал утечки информации используется для перехвата разговоров, ведущихся в помещении, через телефонный аппарат, имеющий выход за пределы контролируемой зоны. Для исключения воздействия высокочастотного сигнала на аппаратуру АТС в линию, идущую в ее сторону, устанавливается специальный высокочастотный фильтр. 1.3.3.4. Оптико-электронный технический канал утечки информации Оптико-электронный (лазерный) канал утечки акустической информации образуется при облучении лазерным лучом вибрирующих в акустическом поле тонких отражающих поверхностей (стекол окон, картин, зеркал и т.д.). Отраженное лазерное излучение (диффузное или зеркальное) модулируется по амплитуде и фазе (по закону вибрации поверхности) и принимается приемником оптического (лазерного) излучения, при демодуляции которого выделяется речевая информация. Причем лазер и приемник оптического излучения могут быть установлены в одном или разных местах (помещениях). Для перехвата речевой информации по данному каналу используются сложные лазерные акустические локационные системы, иногда называемые “лазерными микрофонами”. Работают они, как правило, в ближнем инфракрасном диапазоне волн. 1.3.3.5. Параметрические технические каналы утечки информации В результате воздействия акустического поля меняется давление на все элементы высокочастотных генераторов ТСПИ и ВТСС. При этом изменяется (незначительно) взаимное расположение элементов схем, проводов в катушках индуктивности, дросселей и т. п., что может привести к изменениям параметров высокочастотного сигнала, например, к модуляции его информационным сигналом. Поэтому этот канал утечки информации называется параметрическим. Это обусловлено тем, что незначительное изменение взаимного расположения, например, проводов в катушках индуктивности (межвиткового расстояния) приводит к изменению их индуктивности, а, следовательно, к изменению частоты излучения генератора, т.е. к частотной модуляции сигнала. Или воздействие акустического поля на конденсаторы приводит к изменению расстояния между пластинами и, следовательно, к изменению его емкости, что, в свою очередь, также приводит к частотной модуляции высокочастотного сигнала генератора. Наиболее часто наблюдается паразитная модуляция информационным сигналом излучений гетеродинов радиоприемных и телевизионных устройств, находящихся в выделенных помещениях и имеющих конденсаторы переменной емкости с воздушным диэлектриком в колебательных контурах гетеродинов. Промодулированные информационным сигналом высокочастотные колебания излучаются в окружающее пространство и могут быть перехвачены и детектированы средствами радиоразведки. 17 Параметрический канал утечки информации может быть реализован и путем “высокочастотного облучения” помещения, где установлены полуактивные закладные устройства, имеющие элементы, некоторые параметры которых (например, добротность и резонансная частота объемного резонатора) изменяются по закону изменения акустического (речевого) сигнала. При облучении мощным высокочастотным сигналом помещения, в котором установлено такое закладное устройство, в последнем при взаимодействии облучающего электромагнитного поля со специальными элементами закладки (например, четвертьволновым вибратором) происходит образование вторичных радиоволн, т.е. переизлучение электромагнитного поля. А специальное устройство закладки (например, объемный резонатор) обеспечивает амплитудную, фазовую или частотную модуляцию переотраженного сигнала по закону изменения речевого сигнала. Подобного вида закладки иногда называют полуактивными. Для перехвата информации по данному каналу кроме закладного устройства необходимы специальный передатчик с направленным излучением и приемник. 1.3.4. Классификация и характеристика каналов перехвата информации при ее передаче по каналам связи Информация после обработки в ТСПИ может передаваться по каналам связи, где также возможен ее перехват. В настоящее время для передачи информации используют в основном КВ, УКВ, радиорелейные, тропосферные и космические каналы связи, а также кабельные и волоконнооптические линии связи. В зависимости от вида каналов связи технические каналы перехвата информации можно разделить на электромагнитные, электрические и индукционные. 1.3.4.1. Электромагнитный канал перехвата информации Высокочастотные электромагнитные излучения передатчиков средств связи, модулированные информационным сигналом, могут перехватываться портативными средствами радиоразведки и при необходимости передаваться в центр обработки для их раскодирования. Данный канал перехвата информации наиболее широко используется для прослушивания телефонных разговоров, ведущихся по радиотелефонам, сотовым телефонам или по радиорелейным и спутниковым линиям связи. 1.3.4.2. Электрический канал перехвата информации Электрический канал перехвата информации, передаваемой по кабельным линиям связи, предполагает контактное подключение аппаратуры разведки к кабельным линиям связи. Самый простой способ – это непосредственное параллельное подключение к линии связи. Но данный факт легко обнаруживается, так как приводит к изменению характеристик линии связи за счет падения напряжения. Поэтому средства разведки к линии связи подключаются или через согласующее устройство, несколько снижающее падение напряжения, или через специальные устройства компенсации падения напряжения. В последнем случае аппаратура разведки и устройство компенсации падения напряжения включаются в линию связи последовательно, что существенно затрудняет обнаружение факта несанкционированного подключения к ней. Контактный способ используется в основном для снятия информации с коаксиальных и низкочастотных кабелей связи. Для кабелей, внутри которых поддерживается повышенное давление воздуха, применяются устройства, исключающие его снижение, в результате чего предотвращается срабатывание специальной сигнализации. Электрический канал наиболее часто используется для перехвата телефонных разговоров. При этом перехватываемая информация может непосредственно записываться на диктофон или передаваться по радиоканалу в пункт приема для ее записи и анализа. Устройства, подключаемые к телефонным линиям связи и комплексированные с устройствами передачи информации по радиоканалу, часто называют телефонными закладками. 18 1.3.4.3. Индукционный канал перехвата информации В случае использования сигнальных устройств контроля целостности линии связи, ее активного и реактивного сопротивления факт контактного подключения к ней аппаратуры разведки будет обнаружен. Поэтому спецслужбы наиболее часто используют индуктивный канал перехвата информации, не требующий контактного подключения к каналам связи. В данном канале используется эффект возникновения вокруг кабеля связи электромагнитного поля при прохождении по нему информационных электрических сигналов, которые перехватываются специальными индукционными датчиками. Индукционные датчики используются в основном для съема информации с симметричных высокочастотных кабелей. Сигналы с датчиков усиливаются, осуществляется частотное разделение каналов, и информация, передаваемая по отдельным каналам, записывается на магнитофон или высокочастотный сигнал записывается на специальный магнитофон. Современные индукционные датчики способны снимать информацию с кабелей, защищенных не только изоляцией, но и двойной броней из стальной ленты и стальной проволоки, плотно обвивающих кабель. Для бесконтактного съема информации с незащищенных телефонных линий связи могут использоваться специальные низкочастотные усилители, снабженные магнитными антеннами. Некоторые средства бесконтактного съема информации, передаваемой по каналам связи, могут комплексироваться с радиопередатчиками для ретрансляции в центр ее обработки. 1.3.5. Классификация и характериатика способов скрытого наблюдения и съемки Наряду с информацией, обрабатываемой в ТСПИ, и акустической (речевой) информацией, важную роль играет видовая информация, получаемая техническими средствами разведки в виде изображений объектов или документов. В зависимости от характера информации и ее предназначения можно выделить следующие способы ее получения (рис.1.24): − наблюдение за объектом; − съемка объекта; − съемка (снятие копий) документов. 1.3.5.1. Наблюдение за объектом Наблюдение за объектом организуется в течение определенного (в ряде случаев длительного) времени. В зависимости от условий наблюдения и освещения для наблюдения за объектом могут использоваться различные технические средства. Для наблюдения днем - оптические приборы (монокуляры, подзорные трубы, бинокли, телескопы и т.д.), телевизионные камеры (системы), для наблюдения ночью - приборы ночного видения, телевизионные камеры (системы), тепловизоры. Для наблюдения с большого расстояния используются средства с длиннофокусными оптическими системами, а при наблюдении с близкого расстояния - камуфлированные скрытно установленные телевизионные камеры. Причем видеоизображение с телевизионных камер может передаваться на мониторы как по кабелю, так и по радиоканалу. 1.3.5.2. Съемка объектов Съемка объектов проводится для документирования результатов наблюдения и более подробного изучения объектов. Для съемки объектов используются телевизионные и фотографические средства. Причем фотоаппараты используются в случае, когда необходимо получить отдельные изображения, например, внешний вид объекта или фотоснимок сотрудника, а телевизионные - когда необходимо получить изображения динамического процесса, например технологического цикла, или действий отдельных лиц. При съемке объектов, также как и при наблюдении за ними, использование тех или иных технических средств обусловлено условиями съемки и времени суток. 19 Для съемки объектов днем с большого расстояния используются фотоаппараты и телевизионные камеры с длиннофокусными объективами или комплексированные с телескопами. Для съемки объектов днем с близкого расстояния используются портативные камуфлированные фотоаппараты и телекамеры, комплексированные с устройствами видеозаписи или передачи видеоизображений по радиоканалу. Съемка объектов ночью проводится, как правило, с близкого расстояния. Для этих целей используются портативные фотоаппараты и телевизионные камеры, комплексированные с приборами ночного видения, или тепловизоры, а также портативные закамуфлированные телевизионные камеры высокой чувствительности, комплексированные с устройствами передачи информации по радиоканалу. ЛЕКЦИЯ 2. Фундаментальные основы приема и передача информации. Технические способы и средства передачи и обработки информации 2.1. Канал передачи информации Часть рассмотренной системы связи, включающая модулятор (модем источника), линию связи и демодулятор (модем приемника) называют каналом связи – каналом передачи информации. Структурная схема канала связи показана на рис. 2.1. B*(t) ~ Модем источника Линия связи Модем приёмника B*(t) Рисунок 2.1. Структурная схема канала связи Каналы связи классифицируют по различным признакам: по назначению, по характеру линии связи, по диапазону частот, по характеру сигналов на входе и выходе канала и по другим. По назначению каналы делятся на телефонные, телеграфные, телевизионные, фототелеграфные, звукового вещания, телеметрические, смешанные и др. В зависимости от того, распространяются ли сигналы в свободном пространстве или по направляющим линиям, выделяют каналы радиосвязи и проводной связи (воздушные и кабельные линии, волноводные СВЧ тракты и др.). По линиям воздушной связи передают сигналы от 0 до 160 КГц. По кабельным линиям (которые менее подвержены влиянию помех) передают сигналы в диапазоне от 600 КГц до 60 МГц. Металлические волноводы позволяют передавать сигналы в диапазоне от 35 до 80 ГГц. Еще более перспективны оптические световоды, по которым передаются сигналы в диапазоне частот от 600000 до 900000 ГГц (0,5 – 0,3 мкм). Наряду с проводными линиями связи широкое применение получили радиоканалы в различных диапазонах частот. Эти линии во многих случаях более экономичны, позволяют быстро организовать сверхдальнюю связь без промежуточных станций и являются единственным средством связи с подвижными объектами (самолеты, корабли, автомобили, космические спутники и станции). Наибольшее распространение для передачи многоканальных сообщений получили наземные радиорелейные линии, работающие в диапазоне частот от 60 МГц до 15 ГГц (метровые, дециметровые и сантиметровые волны (УКВ диапазон)). Разновидностью радиорелейных линий связи являются тропосферные, в которых принимаются сигналы от неоднородностей тропосферы. С использованием этих линий создаются каналы дальней радиосвязи с расстоянием между ретрансляционными станциями в несколько сотен километров. Эти линии работают в диапазоне частот от 0,5 до 6 ГГц. Спутниковые линии связи являются разновидностью радиорелейных, ретрансляторы которых находятся на искусственных спутниках Земли. Их преимуществом является большая дальность связи, которая при одном спутнике-ретрансляторе достигает 10000 км. При использовании системы спутников можно организовать связь между любыми точками Земли. 20 В зависимости от характера сигналов на входе и выходе каналы связи могут быть: если ~* сигналы B* ( t ) и B ( t ) на входе и выходе канала являются дискретными, то канал называется ~ дискретным. Если входные и выходные сигналы B* ( t ) и B* ( t ) непрерывны, то канал связи называют непрерывным. Бывают дискретно-непрерывные и непрерывно-дискретные каналы связи, на вход которых подаются дискретные сигналы, а с выхода снимаются непрерывные и наоборот. То есть в общем случае канал может быть дискретным или непрерывным независимо от вида передаваемых сообщений. Резюмируя изложенное можно сказать, что для современных систем передачи информации характерен переход на все более высокие частоты. Это объясняется следующими факторами: − На высоких частотах можно получить остронаправленное излучение при малых размерах антенн. − В высокочастотном диапазоне меньше влияние атмосферных и промышленных помех. − Чем выше несущая частота, тем большее число каналов связи можно организовать без взаимных помех. − Только в высокочастотном диапазоне, начиная с метрового (30-300 МГц), можно организовать большое число широкополосных каналов, таких как каналы видеотелефонной связи и телевизионные каналы. 2.2. Физические основы современных линий передачи сигналов Все разнообразие используемых в технике и быту систем связи, в основном радиосвязи, можно свести к трем видам, отличающимся способами передачи сигнала от передатчика к приемнику. На рис. 2.3. в упрощенной форме представлены эти системы связи. В первом случае используется ненаправленная радиосвязь от передатчика к приемнику, типичная для широкого вещания радио и телевидения. Такой способ радиосвязи имеет то преимущество, что позволяет охватить практически неограниченное число абонентов – потребителей информации. Недостатками такого способа являются неэкономное использование мощности передатчика и мешающее влияние на другие аналогичные радиосистемы. В тех случаях, когда число абонентов ограничено и нет необходимости в широковещании, используется передача сигнала с помощью направленно излучающих антенн, а также при помощи специальных устройств, называемых линиями передачи Рисунок 2.3. Основные современные сис- сигнала (ЛПС) или, короче, линиями передачи (рис. 2.3.). Заметим, что этот укороченный термин притемы связи: Пер - передатчик, меняется также к линиям передачи электрической Пр - приемник, энергии, например магистральным высоковольтным ПП - приемопередатчик, линиям, соединяющим электростанции с городами. Р – ретранслятор. В нашем случае речь идет о линиях, передающих малые мощности, или, как говорили в первой половине нашего века, о слаботочных (имеется в виду слабый ток) информационных устройствах, имеющих свою специфику. В широковещательной связи обычно используется однонаправленная передача сигнала от радиостанции к потребителю, при направленной же связи, как правило, применяется двусторонняя связь, то есть на каждом конце системы связи имеются и передатчик и приемник (приемопередатчик – ПП). При направленной связи не нужны передатчики большой мощности, и их 21 можно установить на обоих концах системы. При направленной магистральной связи на дальние расстояния через пространство и в линиях передачи используются так называемые ретрансляторы (Р), которые ставятся вдоль трассы (рис. 2.3.). Они усиливают сигнал, очищают его от помех и передают (ретранслируют) дальше. Линии передачи применяются как в виде магистральных линий, так и в качестве локальных (местных) линий, например для связи передатчика или приемника с антенной, а также в местных распределительных сетях. Прежде чем рассматривать различные линии передачи, необходимо пояснить термин "сигнал". Под сигналом понимается физический процесс, несущий информацию (сообщение). Носителем сигнала в радиотехнических цепях является электрический ток, а в пространстве и линиях передачи – электромагнитная волна. Напряженность электрического поля в волне можно записать в виде: Е = А ⋅ cos[k ( z − υ ⋅ t )] где A – амплитуда волны, k = 2π/λ – волновое число, λ – длина волны, z – координата, вдоль которой распространяется волна, например, вдоль линии передачи, t – время, υ – скорость распространения волны. Действительно, если следить за горбом волны, то есть за максимальным значением косинуса, для которого аргумент равен нулю (z- υt = 0), то получим z = υt. Таким образом, горб волны движется со скоростью υ. Для электромагнитной волны в свободном пространстве υ = с, где с ~ 300 000 км/с — скорость света. В линии передачи скорость υ может отличаться от c. Частота волнового колебания f, измеряемая в герцах (1 Гц равен одному колебанию в секунду), связана с длиной волны соотношением f= υ /λ или f= с/ λ при υ = c. Наиболее простым способом наложения на волновой процесс информации является модуляция (изменение во времени) амплитуды: A = A(t). Модуляция амплитуды тока осуществляется в передатчике специальным устройством – модулятором, в котором электрический сигнал, например, звуковой частоты от микрофона накладывается на колебание высокочастотного генератора. Высокочастотный сигнал излучается антенной в пространство или линию передачи, а на другом конце в приемнике сигнал демодулируется (детектируется). Информация снимается, например, телефоном или звуковым динамиком. Амплитудная функция A(t) может быть непрерывной для сигнала, передающего звук, или импульсной для сигнала, передающего телевизионное изображение. Импульсная модуляция используется также для связи вычислительных машин, работающих, как известно, с импульсными сигналами. В современной технике связи во всех случаях, когда требуется высококачественная передача информации, применяются импульсные сигналы, которые лучше восстанавливаются при наличии помех, искажающих передачу сигналов. При меняющейся во времени амплитуде функция сигнала, строго говоря, не является гармонической, но она может быть представлена в виде суммы (или интеграла) по гармоническим функциям с частотами fn, где n = 1, 2, 3,..., близкими к частоте f, и с соответствующими амплитудами An, уже не зависящими от времени. Они составляют так называемый спектр сигнала. Ширина полосы этого спектра ∆A определяется количеством передаваемой сигналом информации за единицу времени. Чтобы сигнал и, следовательно, информация проходили через систему связи с незначительными искажениями, необходимо выполнение условия ∆f λ. Электрические кабели делятся на низкочастотные и высокочастотные, одножильные и многожильные. Кабели применяются для передачи сигналов на частотах до 1 000 000 000 Гц = 1 ГГц (1 гигагерц), что соответствует длинам волн от 30 см и более. Примером высокочастотного одножильного кабеля может служить широко известный телевизионный кабель, соединяющий антенну с телевизионным приемником. Если антенна коллективная, то кабель используется для создания распределительной сети от антенны к телевизорам в каждой квартире дома. Попыткам продвинуть применение кабеля в область более коротких волн препятствуют следующие обстоятельства. С уменьшением длины волны уменьшаются поперечный размер кабеля и особенно толщина центрального провода. Это приводит к увеличению его погонного (на единицу длины) сопротивления и, следовательно, к увеличению потерь мощности сигнала, что требует уменьшения допустимой Рисунок 2.4. Электриче- длины кабеля между ретрансляторами в магистральной линии. Если же ский коаксиальный ка- отказаться от требования d< λ, то при условии d≈ λ тем более d > λ бель. Стрелки указывают вдоль кабеля кроме основной волны (поле которой показано на рис. 2) направление электриче- смогут распространяться другие типы волн, которые нежелательны (паразитные волны), так как они имеют другие скорости распространеского поля волны ния. В приемник приходит сразу несколько сигналов на всех этих волнах с разным запаздыванием относительно друг друга. В результате сигнал оказывается искаженным. Чтобы этого избежать, необходимо создать условие распространения только одной волны – условие одноволновости. Для кабеля это возможно только при d< λ. Одноволновый 23 режим работы при d ~ λ можно осуществить, если использовать вместо электрического кабеля другую линию передачи – металлический волновод. Металлический волновод Металлический волновод представляет собой полую металлическую трубку круглого или прямоугольного сечения. Плоская (для прямоугольного волновода) или цилиндрическая (для круглого) электромагнитные волны могут распространяться по волноводу, отражаясь от стенок. В результате интерференции отраженных под определенными углами волн образуются направляемые волновые структуры с синусоидальным или близким к нему распределением поля в поперечном сечении. При этом амплитуды направляемых волн описываются функциями от поперечных координат. Такие волновые структуры называются модами (от англ. mode). В кабеле эти моды оказались мешающими, паразитными. В волноводе же при отсутствии центрального провода уже не может распространяться "кабельная" волна, но одна из мод может быть использована для передачи сигнала. Одномодовый режим работы можно осуществить, например, для круглого волновода при 1,3d < λ < 1,7d, где d — внутренний диаметр волновода. Заметим, что здесь λ = c/f. Она неравна длине волны моды в волноводе, которая имеет другое значение. Из указанного условия видно, что в одномодовом режиме волновод может работать только в полосе частот, причем для каждой полосы частот необходим свой волновод. Ниже этой полосы волны (моды) вообще не могут распространяться в волноводе, а выше начинают распространяться другие моды, возникает многоволновость. Металлические волноводы получили применение в качестве линий передачи сантиметровых и миллиметровых волн. Центры полос одномодовых режимов работы стандартных волноводов соответствуют λ = 10 см, 3,2 см и 8 мм. При уменьшении длины волны уменьшаются поперечные размеры волновода и возрастают потери мощности волны в стенках. Поэтому для волн с длинами порядка миллиметра и короче волноводы применяются лишь на очень короткие расстояния. Среди мод круглого волновода имеются волновые структуры, обладающие уникальным свойством: потери мощности этих мод уменьшаются с ростом частоты. Поле этих мод осесимметрично, и оно возбуждает в стенке волновода только поперечные токи, которые в отличие от продольных токов уменьшаются с увеличением частоты. Поэтому круглый волновод с одной из таких мод с наиболее простой структурой поля (мода Н01) разрабатывался в нашей стране и за рубежом для применения в качестве дальней магистральной линии связи в миллиметровом диапазоне волн (λ = 8 мм). Основная трудность состояла в обеспечении одномодового режима работы такого волновода. И хотя технически это оказалось возможно, круглый волновод не получил применения для дальней связи, но уже по другой, экономической причине. Прокладка волноводной линии при тех условиях, которые требовалось выполнить (прямолинейность трассы и др.), оказалась очень дорогостоящей. Диэлектрический волновод Диэлектрический волновод – это стержень из диэлектрического материала, в котором могут распространяться электромагнитные волны с малыми потерями. Для волн миллиметрового диапазона это полистирол и полиэтилен (фторопласт), мало-поглощающие, так называемые неполярные диэлектрики. Электромагнитная волна может распространяться внутри стержня, отражаясь от его границ под углом полного внутреннего отражения. Как и в металлическом волноводе, при интерференции образуются направляемые волны – моды. При этом нет потерь мощности в металле, но имеют место потери в диэлектрике. Эти потери все же достаточно велики, поэтому диэлектрические волноводы получили применение для передачи сигнала на миллиметровых волнах на сравнительно короткие расстояния (метры, десятки метров). Однако диэлектрические волноводы оказались чрезвычайно перспективными для применения в диапазоне световых волн, точнее, в диапазоне инфракрасных волн с длиной волны порядка микрометра (1.10-6 м). Они представляют собой волокна из стекла, поэтому получили название оптических волокон или волоконных световодов. Волоконные световоды мы рассмотрим несколько позже, когда речь пойдет о волнах оптического диапазона. 24 Радиорелейная линия Наряду с разработкой волноведущих линий передачи развивались и исследования с целью применения систем, использующих направленные антенны. Чтобы обеспечить передачу сигнала за пределы прямой видимости (за горизонт), антенны с ретрансляторами помещали на высоко летящие объекты: самолеты и спутники, а также на специальные мачты высотой до 100 м, устанавливаемые вдоль трассы на расстоянии 40 – 50 км друг от друга (рис. 2.5). Эта система передачи сигнала получила название радиорелейной линии. Основное конструктивное требование накладывается на размер зеркала антенны. Чтобы обеспечить хорошую направленность, Рисунок 2.5. Радиорелейная линия с диаграммой излу- то есть малый угол раствора диаграммы чения антенны: θ – угол раствора диаграммы, D – диа- излучения антенны θ, размер зеркала D должен быть достаточно большим по метр зеркала сравнению с длиной волны, поскольку θ = q ⋅ λ D , где q — величина порядка единицы, θ измеряется в радианах (1 радиан = 57°). Ра- диорелейные линии используются в диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн, поэтому размер зеркала оказывается порядка одного или нескольких метров. Радиорелейные линии сейчас широко применяются. Мачты радиорелейных линий можно увидеть вдоль магистральных шоссе и железнодорожных линий. Лучеводная линия В коротковолновой части миллиметрового диапазона волн, субмиллиметровом диапазоне (длина волны меньше миллиметра) и вплоть до светового диапазона используются лучеводные линии передачи (рис. 2.6). Линия представляет собой ряд линз на подставках в свободном пространстве или помещенных в трубу, выполняющую роль механической защиты. Расстояния между линзами таковы, что при распространении волн между линзами проявляются два конкурирующих эффекта: фокусировка пучка волн линзами, сужающая пучок, и дифракционное расширение пучка вследствие конечности размеров линз. При этом в линии, как в волноводе, при интерференции волн в пучке образуются волновые структуры, подобные волноводным модам. Возможен одномодовый режим работы линии, если выполняются соотношения λ << d << l d 2 ≅ λ ⋅ l где d – размер линзы, l – расстояние между линзами. Наименьшие дифракционные потери, то есть потери мощности изза того, что часть поля моды не попадает на следующую линзу вследствие Рисунок 2.6. Линзовая лучеводная квазиоптическая дифракционного расширения, наблюдаются, когда расстояние между линлиния зами l равно двойному фокусному расстоянию линзы. Это условие существенно отличается от того, которое получается при расчете распространения лучей между линзами по законам геометрической оптики (без учета дифракции). Из такого расчета следует, что распространение лучей вдоль линии с наименьшими потерями должно быть, когда расстояние l равно четырем фокусным расстояниям. Поэтому лучеводные линии называются еще квазиоптическими линиями, то есть почти (не совсем) оптическими. Другими вариантами лучеводных линий являются линии из фокусирующих зеркал. Как и волноводные, лучеводные линии не нашли широкого применения в качестве магистральных 25 линий дальней связи, прежде всего по экономическим причинам. Слишком дорого обходится прокладка таких линий из-за требований к точности установки линз (или зеркал). Земля "дышит", и линзы смещаются. Автоматическая же подстройка линз требует разработки специальных методов и дорогостоящих устройств. Построенные линии, однако, нашли применение в качестве измерительных линий для миллиметровых и субмиллиметровых спектрометров (измерителей спектров), а также в качестве индикаторов перемещений земной поверхности при фиксации землетрясений. Волоконно-оптическая линия Основу волоконно-оптической линии составляет волоконно-оптический кабель, главным элементом которого является волоконный световод. Волоконный световод – это стеклянное волокно из высококачественного оптического стекла. Наиболее широкое применение в настоящее время получили волокна из кварцевого стекла. Исследуются также прозрачные если не в оптическом, то в инфракрасном диапазоне волн полимерные волокна. Надо отметить, что и стекла оказались более прозрачны именно в инфракрасном диапазоне. С точки зрения электромагнитной теории волоконный световод представляет собой диэлектрический волновод оптического или инфракрасного диапазонов волн с длинами волн порядка одного или нескольких микрометров (1 мкм = 10-6 м). Волновод неоднороден в поперечном сечении. Центральная часть волокна – сердцевина оптически более плотная, то есть имеет коэффициент преломления больший, чем окружающая часть – оптическая оболочка. Распространяющаяся по сердцевине волна отражается от границы сердцевины и оболочки под углом полного внутреннего отражения (рис. 2.7). Одномодовый режим работы волоконного световода реализуется, если выполняется соотношение d (nc2 − n02 ) 2 ≤ 0,8 ⋅ λ , 1 где d – диаметр сердцевины, nc и no – показатели преломления сердцевины и оптической оболочки, λ – длина волны в свободном пространстве (не в веществе), при этом λ < d, nc – по< no. Распределение поля основной моды в поперечном сечении является функцией радиуса. Поле сосредоточено в сердцевине и резко спадает в оболочке. Конструктивно оптическое волокно – это многослойная структура, включающая сердцевину, оптическую оболочку, технологическую оболочку, слой защитного лака. Волокно помещают в защитную оболочку. Роль последней – защита оптической части от механического и химического влияния внешней среды. Эта оболочка делается обычно из полимера, в особых случаях используется также металлическое покрытие. Описанная конструкция – стеклянное волокно с защитной оболочкой – называется оптическим модулем, то есть по существу это одноволоконный оптический кабель. Как и электрические, оптические кабели могут быть одножильными (одномодульными) и многожильными (многомодульными), последние с дополнительной жесткой полимерной или металлической центральной жилой и дополнительным общим защитным покрытием. Технология изготовления оптического волокна удивительна, и о ней стоит рассказать более подробно. Для передачи сигнала по волоконному световоду на большое расстояние необходимо особо чистое стекло. В 1966 году Рисунок 2.7. Волоконный световод, nc и no - показате- ученые подсчитали, что если поглощели преломления сердцевины и оптической оболочки. ние света в стекле будет таково, что, пройдя по волокну расстояние в 1 км, мощность света уменьшится до 1% начальной мощности, то такое волокно можно использовать в качестве волоконного световода для передачи сигнала. Соответствующий коэффициент передачи по мощности К= 10-2 км-1 или в используемых в технике единицах – децибелах коэффициент α = 10lgK = -20 дБ/км. В этом случае говорят, что при прохождении сигнала имеют место потери мощности в 20 дБ/км. При таких потерях усилительные ретрансляторы можно ставить 26 через один или несколько километров, и оптический кабель уже сможет конкурировать с электрическим кабелем. Однако самые чистые оптические стекла того времени могли дать потери лишь в несколько тысяч децибел на километр. Попытки очистить стекло в процессе варки различными известными методами позволили уменьшить потери до нескольких сот децибел на километр. Основные потери мощности приходились на содержащиеся в стекле ионы металлов несмотря на их микроскопическое количество. Казалось, это был предел возможного. Но вот в 1970 году специалисты американской фирмы "Корнинггласс" получили волокно с потерями 20 дБ/км и даже несколько меньше. Используя идеи получения сверхчистых материалов, применяемые в полупроводниковой технологии, они разработали метод получения сверхчистого кварцевого стекла из газа – газовой фазы (метод парофазного осаждения стекла), причем непосредственно в процессе изготовления волокна, точнее, заготовки для оптического волокна. На рис. 2.8 схематически показан процесс получения сверхчистой сердцевины в кварцевой трубке. В трубку из кварцевого стекла вдуваются газы: хлористый кремний (SiCl4) и кислород (O2). Трубка подогревается движущейся вдоль нее горелкой. В результате окисления кремния на стенках трубки оседает плавленый кварц (SiO2). После образования слоя чистого кварца в трубку добавляется хлористый германий (GeCl4). В результате образуется слой, содержащий SiO2 с небольшой добавкой GeO2, что несколько увеличивает Рисунок 2.8. Процесс осаждения плавленого показатель преломления по сравнению с чискварца (SiO2) внутри стеклянной (кварцевой) трубки при окислении (O2) газообразного хло- тым кварцем. Затем процесс осаждения кварца прекращается, а трубка нагревается до плавлеристого кремния (SiCl4), Г – горелка. ния и схлопывается. Образуется стержень – заготовка со сверхчистыми сердцевиной и оптической оболочкой. Исходная часть трубки называется технологической оболочкой, к ней не предъявляются требования особой оптической чистоты. Полученная заготовка плавится в особой печи, и из нее вытягивается оптическое волокно нужных поперечных размеров, которое в процессе вытяжки сразу покрывается слоем защитного лака, чтобы при затвердении на поверхности стекла не образовывались микротрещины, которые существенно ухудшают механическую прочность и надежность оптического волокна. В дальнейшем и за рубежом и в нашей стране в и промышленных научноисследовательских институтах начали производить оптические кварцевые волокна с потерями порядка нескольких и даже одного децибела на километр на длинах волн λ = 0,8; 1,3 и 1,5 мкм. Длины волн определялись спектрами поглощения в стекле и наличием соответствующих генераторов – лазеров. Рекордное значение составило 0,2 дБ/км на длине волны 1,5 мкм, что близко к теоретическому пределу (0,18 дБ/км) на данной длине волны. Этот предел определяется уже не чистотой стекла, а его естественной структурной неоднородностью, приводящей к рассеянию света (рэлеевское рассеяние, названное так по имени известного английского физика Рэлея, впервые исследовавшего рассеяние волн в веществе). Чтобы лучше представить себе прогресс в получении высокочистых оптических волокон, проведем сравнение потерь в волокнах до возникновения волоконной оптики как средства связи с потерями, достигнутыми в настоящее время. Как уже говорилось, для применения прозрачных волокон в качестве волоконных световодов достаточно иметь потери в 20 дБ/км. Получаемые при обычной очистке стекла потери, например, в 2000 дБ/км соответствовали потерям в 20 дБ при длине световода в 10 м, а достигнутые потери в 0,2 дБ/км дают потери в 20 дБ уже при длине световода в 100 км. Таким образом, если в магистральной волоконно-оптической линии и требуются ретрансляторы-усилители, то их надо ставить через 100 км или более. 27 Итак, мы рассмотрели линии передачи сигнала, которые применяются: 1) как средства связи в виде магистральных линий связи на дальние расстояния, то есть в качестве междугородних линий: двухпроводные линии, электрические кабели, радиорелейные линии, волоконно-оптические линии, 2) в качестве линий внутригородской связи и во внутри-объектовой (внутри зданий) распределительной сети: электрические и волоконно-оптические кабели 3) в виде линий связи антенн с передатчиком и приемником, в частности антенны с ретранслятором в радиорелейной линии. В последнем случае кроме электрического кабеля применяются волноводы и лучеводы, которые используются также в качестве измерительных линий, с помощью которых измеряют и изучают спектры излучений и поглощений. Объемные резонаторы Колебательные контура с сосредоточенными параметрами, а также в виде отрезков длинных линий используются в дм и более длинноволновых диапазонах. На волнах короче дм они имеют низкую добротность из-за значительных потерь энергии в проводах, изоляторах и на излучение. Колебательными системами, свободными от указанных недостатков в см и мм диапазонах волн являются закрытые объемные резонаторы. Они представляют собой часть пространства, ограниченного хорошо проводящей поверхностью. В полости объемного резонатора могут иметь место э/м колебания с резко выраженными резонансными свойствами. Они могут быть в виде прямоугольного параллелепипеда, цилиндра или тора. Объемные резонаторы в виде прямоугольного параллелепипеда представляют собой волновод прямоугольного сечения, ограниченный торцевыми стенками. Э/м поле в нем приобретает характер стоячих волн. Вся энергия, запасенная в резонаторе переходит сначала в энергию электрического поля, через ¼ периода в магнитную и т.д. Возбуждение колебаний или вывод э/м энергии осуществляется с помощью рамки и ли шнура. Антенны Устройства, предназначенные для излучения или приема э/м волн, называют антеннами. Антенны разделяют на передающие и приемные. Антенна обладает свойством обратимости, согласно которому одна и та же антенна может, как излучать, так и принимать э/м волны. Основные параметры антенны в режиме излучения сохраняются и в режиме приема. Конструкция антенны зависит от диапазона волн, желаемой направленности излучения, величины излучаемой мощности и места установки. Рассмотрим основные физические параметры антенны. Введение этих параметров позволяет сравнивать различные типы антенн. Мощностью излучения называется среднее количество э/м энергии, излучаемое антенной в 1 времени. Полная мощность Р, потребляемая антенной от источника, складывается из мощности потерь и мощности излучения. Мощность потерь является следствием конечной проводимости проводников антенны, несовершенства диэлектриков: Р=Ра+Рп. В тех случаях, когда известна амплитуда токов на клеммах антенны, которую из составляющих мощности можно R I2 R A I m2 RΣ I m2 = p, = PΣ = Pu . представить в виде: П m = PП , 2 2 2 Сопротивление излучения антенны равно такому активному сопротивлению, на котором при токе, равном току на клеммах, рассеивается мощность, равная току излучения. Величина сопротивления излучения зависит от характера распространения тока вдоль провода антенны, от соотношения длины излучающего провода и длиной изучаемой э/м волны. Все полуволновые вибраторы имеют сопротивление излучения РΣ=73,1 Ом. Вибраторы с длиной в 1 волну имеют сопротивление 210 Ом. В общем случае сопротивление излучения антенны является комплексной величиной. Антенна преобразует энергию источника э/м колебаний в энергию э/м волн. КПД этого преобразователя определяется Ри/Р. Таким образом КПД тем больше, чем больше сопротивление излучения по сравнению с сопротивлением волновых потерь. Величина КПД антенны для полуволнового вибратора равна 0,9. 28 Кол-во энергии, излучаемое антенной в 1 телесного угла, неодинаково. О направленности излучения антенны судят по ее диаграмме направленности (ДН). Различают ДН по полю и по мощности. ДН по полю называется графическое выражение зависимости напряженности электрического поля, которое создается в равноудаленных от антенны точках зоны, от направления излучения. В пространстве эту зависимость представить сложно, поэтому обычно строят сечение двумя взаимно ортогональными плоскостями. Линия пересечения совпадает с максимумом ДН. Одну из этих плоскостей совмещают с вектором Е и называют Е-плоскостью, а вторую плоскость совмещают с вектором Н и называют Н-плоскостью. След сечения ДН Е-плоскостью называют ДН в Е-плоскости, а след сечения ДН в Н-плоскости – ДН в Н-плоскости. Дальняя зона излучения антенны определяется условием, при котором расстояние от антенны до точки наблюдения, которая находится в дальней зоне, R>>2.D2/λ, где D - наибольший размер излучающего раскрыва антенны. Если выполнено это условие, то можно считать, что все идущие от антенны к точке наблюдения радиолучи параллельны. Направление излучения определяется углами θ, φ в полярной системе координат. В сферической – r, θ, φ. (рис. 2.5) Обычно используются антенны с резко выраженными направленными свойствами. Это позволяет: − определять направление на объекты, отражающие э/м волны, что находит широкое применение в радиолокации и радионавигации; − увеличить дальность действия радиоэлектронных устройств за счет концентрации излучаемой энергии в узком секторе пространства; − обеспечить повышение скрытности работы радиоэлектронных систем; − уменьшить влияние умышленных помех. Коэф-т направленного действия (КНД) антенны – числовая характеристика степени концентрации энергии в пространстве, обеспечиваемой антенной. КНД – число, показывающее, во сколько раз нужно увеличить мощность излучения при переходе от направленной антенны к ненаправленной при условии, что они имеют одинаковые КПД. КНД – число, показывающее, во сколько раз мощность излучения антенны, приходящееся на 1 телесного угла в данном направлении, больше мощности излучения воображаемой ненаправленной антенны, также отнесенной к 1 телесного угла, при равенстве полных мощностей, излучаемых обеими антеннами. КНД (θ , ϕ ) = P(θ , ϕ ) , PΣ 4π где Р(θ,φ) – мощность излучения, приходящаяся на 1 телесного угла в направлении, определяемом углами θ и φ; РΣ – мощность излучения воображаемой ненаправленной антенной к 1 телесного угла. Мощность излучения антенны на 1 телесного угла зависит от направления излучения и углов θ и φ. График изменения КНД в пространстве от углов θ и φ отличается от ДН по мощности постоянным множителем. Максимальная величина КНД достигает значения нескольких единиц у слабо направленных и десятки-сотни тысяч у антенн с узкой ДН (РЛС космической связи). Для сравнения проволочных антенн различных типов вводят параметр действующая длина антенны (ДДА). Создаваемая элементарным отрезком антенны напряженность поля в точке приема, расположенной на направлении максимума ДН, определяется величиной тока в этом отрезке. Напряженность, которую создает вся антенна, определяется графически путем вычисления площади S1, ограниченной кривой распространения тока вдоль провода и осью провода. Эту площадь называют площадью тока. Антенны с одинаковой площадью тока создают одинаковые напряженности полей в равноудаленных точках приема, расположенных по максимуму ДН. Поэтому антенну длиной l можно заменить некоторой воображаемой антенной с той же площадью тока, но в которой ток одинаков по всей длине и равен току на клеммах реальной антенны. Такая воображаемая антенна будет иметь длину hд, которую и называют ДДА. Она всегда меньше реальной. Чем равномерней распределение тока по излучающему проводу, тем больше ДДА. Для наиболее распространенных антенн hд=λ/π. 29 2.3. Основные типы антенн Проволочные антенны Проволочная – отрезок прямолинейного провода. В зависимости от способа возбуждения и характера распределения ВЧ тока вдоль провода проволочные антенны подразделяют на симметричные и несимметричные вибраторы. Симметричный вибратор можно представить в виде длиной линии, разомкнутой на конце, провода которой развернуты на 180˚. Токи в симметрично расположенных относительно клемм точках обеих половин вибратора оказываются равными и направленными в одну сторону вдоль оси. Распределение тока и напряжения симметрично относительно клемм. Максимальное изменение возникает при резонансе, когда длина волны собственных колебаний вибратора совпадает с длиной волны токов питающих линий. При включении источника в вибраторе устанавливаются стоячие волны тока и напряжения, причем при резонансе вдоль его длины прикладывается половина стоячей волны тока и напряжения. Таким образом, длина волны λ0 собственных колебаний симметричного вибратора равна 2l, где l – геометрическая длина вибратора. В рассматриваемом случае длина симметричного вибратора вдвое короче λ0, поэтому его называют полуволновым вибратором. Обычно антенны располагаются вблизи хорошо проводящей поверхности. В случае, когда одна из клемм подключена к поверхности распределения тока вдоль провода несимметрично относительно точки => несимметричная антенна. Резонансная длина волны λ0 собственных колебаний заземленного вибратора в 4 раза больше l, поэтому заземленную антенну называют четвертьволновым вибратором. Сопротивление излучения четвертьволнового несимметричного вибратора равно ½ сопротивления излучения полуволнового вибратора. КНД несимметричного вибратора в 2 раза больше КНД симметричного в свободном пространстве. Действующая длина четвертьволнового несимметричность вибратора hд=λ/π. Для увеличения действующей высоты несимметричной антенны к ее верхнему концу присоединяют горизонтальные провода или сетки. Выполняя роль емкостной нагрузки для антенны, они выравнивают распределение тока вдоль провода и увеличивают ДДА. Такие антенны и их модификации находят широкое применение в связи на КВ, УКВ и дм диапазонах волн. Рупорные антенны Открытый конец прямоугольного или кругового волновода представляет собой наиболее простую антенну с плоским излучающим раскрывом. Э/м волны, излучаемые через свободный конец волновода в открытое пространство, испытывают заметное отражение из-за скачкообразного изменения фазовой скорости распределения волн при выходе. Кроме того, размеры поперечного сечения волновода малы по сравнению с длиной волны, поэтому ДН такого излучателя невелика. Недостатки могут быть частично устранены, если поперечное сечение излучающего конца расширить. В результате можно получить или секторальный, или пирамидальный, или конический рупор. По мере увеличения поперечных размеров излучающего раскрыва при заданной высоте рупора, КНД рупора вначале увеличится, достигнет максимального значения и далее уменьшится. Рупор, имеющий максимальный КНД, называется оптимальным. Ширина ДН по уровню половинной мощности оптимального пирамидального рупора может быть определена по формуле: 2Θ o0,5 E = 56λ , 2Θ o0,5 H = 78λ , bp ap где, 2Θ0,5Е, 2Θ0,5Н – ширина диаграммы направленности соответственно в Е и Н плоскостях. КНД = (0,4 K 0,6 ) ⋅ 4πS 2 . λ Рупор используется в качестве слабонаправленных антенн и значительно чаще в качестве зеркальных и линзовых антенн. Достоинством рупорных антенн является простота, небольшие размеры, малые потери. Зеркальные антенны ДН формируется за счет отраженных э/м волн, излучаемых облучателями, отраженных от металлических поверхностей той или иной формы. Наиболее часто зеркало выполняется в виде параболоида вращения. Облучатель антенны устанавливается в фокусе параболоида и излучает сферическую волны. Свойства параболоида: падающую на него сферическую волну преобразу- 30 ет в плоскую. Лучи, падающие от облучателя, отражаются от зеркала и далее распространяются параллельно главной отражающей оси зеркала. Таким образом, параболический отражатель дает возможность получения узкого пучка лучей или радиоволн с плоским фронтом. (РИСУНОК) Однако в реальных условиях происходит частичное огибание радиоволнами краев зеркала (дифракции). В силу этого лучи в пучке не строго параллельны друг другу, а несколько расходятся, образуя пучок конической формы. Расходящийся пучок лучей соответствует главному лепестку антенны. Кроме главного лепестка имеется несколько боковых лепестков. Чем больше диаметр d и чем меньше λ, тем уже ДН. Ширина основного лепестка ДН по уровню половинной мощности определяется по формуле 2Θ=65λ/d. Антенны с параболическими зеркалами применяются в самолетных РЛС обнаружения целей и в других случаях. В см диапазоне ширина ДН этих антенн по уровню половинной мощности составляет единицы градусов. КНД параболических антенн определятся по формуле КДН=(0.5…0.8)·4πS/λ2. В самолетных РЛС антенны должны иметь ДН узкую в горизонтальной плоскости и достаточно широкую в вертикальной. Мощность, отраженная от некоторого участка поверхности, сигнала на входе приемной антенны не должна зависеть от расстояния между самолетом и этим участком. Эта задача решается антенной с ДН специальной формы. Они обеспечивают распределение плотности энергии в вертикальной плоскости по закону cosec2Θ. В качестве отражателя в них используют параболоид вращения, верхняя часть которого заменена козырьком. Козырек создает значительное переизлучение в направлениях, наклоненных под большими углами к сои параболоида, рассеивая волны над самолетом. В качества излучателя самолетных антенн используются рупоры, полуволновые вибраторы и щелевые излучатели. При выносе излучателя из фокуса параболоида максимум основного лепестка ДН отклоняется от главной оси. Это можно использовать для управления ДН. См. диапазон волн обеспечивает высокую направленность излучения. Рамочные антенны Они применяются в виде витка провода прямоугольной или круглой формы. Рамочные антенны используются на волнах, длины которых много больше ее собственной. Поэтому токи в противолежащих сторонах рамки имеют противоположное направление. 2.4. Передача информации с помощью лазера Оптические квантовые генераторы Для источников света характерна некогерентность излучения, а именно, излучение источников в целом слагается из некогерентных между собой потоков, испускаемых микроскопическими элементами. Примерами некогерентного излучения могут служить: свечение газового разряда, тепловое свечение естественных и искусственных источников, люминесценция. В начале 60-х годов были созданы источники света иного типа, получившие название лазеров. В противоположность некогерентным источникам, э/м волны, зарождающиеся в разных частях лазера (удаленных друг от друга на макроскопические расстояния), оказываются когерентными между собой. В этом отношении лазеры аналогичны источникам когерентных радиоволн. Когерентность излучения проявляется практически во всех свойствах лазера. Энергия излучения зависит от подводимой энергии. Особенностью лазерного излучения является способность к концентрации энергии во времени, в пространстве, в направлении излучения, в спектре. Для нескольких лазеров характерна высокая монохроматичность излучения. В других лазерах используются очень короткий импульсы (10-12 сек), поэтому мгновенная мощность такого излучения может быть очень большой. Световой поток, выходящий из лазера, обладает очень высокой направленностью. Такое излучение можно сфокусировать на ничтожно малой площади и создать большую мощность. Напряженность электрического поля лазерного излучения составляет порядка 104 В/см, напряженность электрического поля солнечного света на экваторе – 10 В/см. Поглощение и усиление излучения, распространяющегося в среде. Пусть плоская волна частоты ω соответствует разности энергий Еm-Eк каких-либо двух состояний атомов или молекул среды, распространяется сквозь среду. Поток излучения изменяется в соответствии с законом Бугера, причем коэф-т поглощения определяется соотношением 31 α0(ω)=¼λ²amn(ω)gm[Nn/gn-Nm/gm], где amn – спектральная плотность коэф-та Эйнштейна; m и n – энергетические состояния; gm и gn – статистические веса состояний m и n; Nm и Nn – заселенности состояний. В результате переходов n в m, сопровождающихся поглощением света, поток уменьшается, в результате перехода m в n вынужденное испускание увеличивает поток. Выражение (*) устанавливает связь между непосредственно измеряемым коэф-том поглощения и коэф-тами Эйнштейна. Слагаемые Nn/gn и Nm/gm описывают вклады соответственно n→m и m→n, которые выражаются соответственно поглощением и испусканием фотонов. Мощность энергии, выделяемой или поглощаемой единицей среды, выражается следующим образом: q0(ω)dω=α0(ω)I(ω)dω=α0(ω)CU(ω)dω, I(ω)=CU(ω), где U(ω) – спектральная плотность потока; I(ω) – спектральная плотность энергии. Волны, испущенные в результате вынужденных переходов, обладают, как показал Эйнштейн, следующими свойствами: их частота, фаза, характер поляризации, направление такие же, как у излучения, вызвавшего переход. Т.о. индуцируемые фотоны неотличимы от фотонов, падающих на атомы. В условиях термодинамического равновесия среды, сквозь которую распространяется излучение Nm/gm0. Это соответствует поглощению излучения. Если тем или иным образом выполняется условие Nm/gm>Nn/gn, то коэф-т α0(ω) изменит знак и станет отрицательным. В этом случае плотность энергии, распространяемой в среде, будет возрастать, а не убывать как при термодинамическом равновесии. Т.е. за счет индуцированного изучения в световой поток будет добавляться больше фотонов, чем он теряет на возбуждение атомов при обратном переходе n→m. Соотношение между концентрациями атомов, соответствующих Nm/gm>Nn/gn, называется инверсной заселенностью. Среду с инверсной заселенностью энергетических уровней, обеспечивающую усиление распространяющегося в ней излучения, принято называть активной средой. Инверсную заселенность уровней можно образовать в газовом разряде с помощью специальных химических реакций или с помощью оптического возбуждения. Э/м волны, возникающие в результате вынужденных переходов, когерентны с волной, вызывающей эти переходы. Если поле, взаимодействующее с атомами представляет собой плоскую монохроматическую волну, то и вынужденно испущенные фотоны также образуют плоскую монохроматическую волну с той же частотой поляризации и с тем же направлением распространения. В результате вынужденного испускания изменяется амплитуда подающей волны. Можно утверждать, что вынужденное испускание усиливает, а поглощение ослабляет излучение без изменения основных его характеристик. 2.5. Методы модуляции сигналов в системах связи Модуляция представляет собой преобразование сообщения (первичного сигнала) B(t) в сигнал U(t), пригодный для передачи по данной линии связи. При этом преобразовании осуществляется согласование источника сообщений с каналом связи. Для передачи информации требуется, чтобы сигналы имели два вида параметров: параметры селекции (отбора) и информационные параметры. Параметры селекции позволяют выделить полезный сигнал из совокупности сигналов помех. Информационные параметры служат для переноса информации – в изменении этих параметров отражаются сообщения. Управление информационными параметрами переносчика в соответствии с законом изменения передаваемого сигнала (сообщения) называют модуляцией. Пусть сигнал-переносчик это X(t), а передаваемый сигнал B(t). Тогда модуляция – это преобразование двух сигналов X(t) и B(t) в один модулированный сигнал U(t): U(t) = M[X(t), B(t)]. Для выделения переданного сигнала B(t) из U(t) необходимо выполнить преобразование обратное модуляции, т.е. демодуляцию: ~ B(t) = DU(t) = М −1U(t) .     32 Если под воздействием передаваемого сигнала B(t) информационный параметр сигналапереносчика X(t) изменяется непрерывно, то все возможные виды модуляции являются непрерывными. К ним относят фазовую, амплитудную и частотную модуляцию и их комбинации. Так, если сигнал-переносчик – это гармоническое колебание, то имеем амплитудную, фазовую и частотную модуляцию гармонического колебания. Если в роли переносчика используют периодическую последовательность импульсов, то модуляция является импульсной: амплитудноимпульсная, частотно-импульсная. Если при модуляции информационный параметр переносчика X(t) принимает счетное число значений, то модуляцию называют дискретной. К ней относят амплитудную, фазовую и частотную манипуляцию. Если эти счетные значения пронумеровывают и в виде цифр передают по линии связи, то говорят о цифровой модуляции, например, импульсно-кодовая модуляция, дельта модуляция. В целом, в зависимости от характера передаваемого сигнала B(t) и переносчика X(t) (случайный стационарный процесс, случайный нестационарный процесс), вида этих сигналов (непрерывные, дискретные) и вида информационного параметра (амплитуда, частота, фаза, форма, длительность, период и т.д.) может быть предложено множество различных методов модуляции. Однако перечисленные выше методы непрерывной и дискретной амплитудной, фазовой и частотной модуляции, а также цифровой модуляции наиболее исследованы и нашли широкое практическое применение. Рассмотрим более детально некоторые из них. 2.5.1. Амплитудная модуляция (аналоговая) (АМ) Рассмотрим амплитудную аналоговую модуляцию на простом примере. Пусть передаваемый сигнал B(t), а сигнал-переносчик X(t)=cos2πfct. Тогда модулированный сигнал U(t)=B(t)X(t)=B(t)cos2πfct. Если B(t) имеет спектр, ограниченный полосой частот f ≤ W , и если ограничить W вели- чиной меньшей или равной fc, то спектры B(f - fc) и B(f + fc) не перекрываются и U(t) будет являться полосовым процессом, спектр которого ограничен полосой . (fc − W) < f < (fc + W) В зависимости от соотношения ширины спектра W и его центральной (несущей) частоты fс различают узкополосные (W « fc) и широкополосные (W ≈ fc) процессы. Пусть в нашем случае W « fc. Тогда модулированный сигнал U(t) = B(t) cos 2 рfct будет иметь форму косинусоиды с несущей частотой fc, амплитуда которой модулирована и медленно изменяется в соответствии с огибающей B(t), как показано на рис.2.9. Одним из основных свойств амплитудно-модулированных сигналов U(t) является то, что они сохраняют все детали низкочастотного модулирующего сигнала B(t), что позволяет путем демодуляции процесса U(t) полностью восстановить исходный передаваемый сигнал B(t). Полосовой амплитудно-модулированный сигнал U(t) полностью эквивалентен передаваемому сигналу B(t) в отношении содержащейся в нем информации, хотя они находятся в различных частотных диапазонах. Это различие позволяет осуществлять частотное уплотнение (разделение) каналов, когда по одной линии связи на различных несущих частотах (выбранных так, что частотные полосы различных источников сообщений не перекрываются) передается множество сообщений. 33 Рисунок 2.9. Модулированный сигнал имеет форму косинусоиды с несущей частотой fc, амплитуда которой модулирована и медленно изменяется в соответствии с огибающей B(t) X(t). 2.5.2. Фазовая и частотная аналоговая модуляции (ФМ, ЧМ) Можно показать, что любое узкополосное колебание X(t) можно представить в виде X(t) = Xc(t) cos 2πf0t + Xs(t) sin 2πf0t, где Xc(t) и Xs(t) – низкочастотные колебания, называемые квадратурными компонентами Тогда обобщенный узкополосный сигнал можно записать в виде: X (t ) = E (t ) cos[2πf 0 t + ψ (t )] , где E (t ) = X c2 (t ) + X s2 (t ) – огибающая; ψ (t ) = arctg (2.1) − X s (t ) – фаза. X c (t ) Фазомодулированный сигнал можно получить из выражения (2.1) если сделать огибающую E(t) постоянной, а фазу ψ(t) изменять пропорционально модулирующему сигналу B(t), т.е. U(t) = A cos [2πf0t + mB(t)], где m – индекс фазовой модуляции A = E(t) = const. Поскольку в этом случае модулируется не амплитуда, а фазовый угол косинусоиды, то фазовую и частотную модуляции называют угловыми. Рассмотрим принцип фазовой модуляции на примере. Пусть B(t) = cos 2πfmt и m<<1, тогда U (t ) = A cos[2πf c t + m cos 2πf m t ] ≈ A⋅m A⋅m sin 2π ( f c + f m )t − sin 2π ( f c − f m )t. 2 2 Если каждый член этого выражения записать в экспоненциальной форме, то видно, что спектр фазово-модулированного сигнала U(t) при m<<1выглядит приближенно так, как показано на рис.2.10. ≈ A cos 2πf c t − 34 U(f) A 2 j Am 4 j Am 4 f fc-fm fc fc-fm Рисунок 2.10. Принцип фазовой модуляции Фазовые соотношения между несущей и боковыми составляющими спектра показаны на рис.2.11. Здесь меньшие векторы  A ⋅ m  вращаются в противоположных направлениях вокруг  2  конца большого вектора (А), а U(t) представляет собой проекцию суммы этих векторов на горизонтальную ось. Вертикаль 2πfmt 2πfmt Am Am 2 2 А 2πfct Горизонталь Рисунок 2.11. Фазовые соотношения между несущей и боковыми составляющими спектра. При фазовой модуляции в колебании U (t ) = A cos[2πf c t + ψ (t )] несущая модулируется по фазе с помощью ψ(t). Можно определить мгновенную частоту U(t) как производную от аргумента косинуса: d [2рf ct + ш(t)] = 2рf c + dш(t ) . dt dt t Полагая dψ ( t ) = ϕ( t ) или ψ ( t ) = ϕ(τ)dτ , имеем ∫ dt −∞ t   U (t ) = A cos 2πf c t + ∫ ϕ (τ ) dτ  . −∞   Это несущая модулируемая по частоте с помощью ϕ(t). Если ϕ( t ) = − K sin 2πf m t – случай синусоидальной частотной модуляции: t K ψ ( t ) = ∫ ϕ(τ)dτ = cos 2πf m t , 2 π f m −∞ 35 K или коэффициент девиации – отношение максимальной 2πf m девиации мгновенной частоты (угловой) к частоте модуляции fm. где индекс модуляции | m |= 2.5.3. Амплитудная импульсная модуляция (АИМ) При АИМ роль переносчика информации выполняет периодическая последовательность импульсов X (t ) = A0 ∞ ∑X k = −∞ 1 (t − kT ,τ ) , где А0 – амплитуда импульсов; X1(t) – функция, описывающая одиночный импульс; Т – период повторения импульсов; τ – длительность одного импульса. Аналитическая запись АИМ сигнала: ∞ U (t ) = A0 [1 + m ⋅ B (t )] ∑ X 1 (t − kT ,τ ) , (2.2) k = −∞ где m – коэффициент модуляции. Пример амплитудной импульсной модуляции показан на рис.2.12. B(t) модулирующий сигнал t U(t)-модулированн ый сигнал t τ T Рисунок 2.12. Пример амплитудной импульсной модуляции. Определим спектр сигнала U(t). Представим X(t) в виде ряда Фурье X (t ) = ∞ ∑c e k k = −∞ jkω 2t , (2.3) 2π – круговая частота повторения импульсов. T Подставим (2.3) в (2.2) и используя преобразование Фурье получим спектр сигнала U(t): где ω2 = S (ω ) = 2π ∞ ∑ cδ (ω k = −∞ 1 ∞ ∞ k = −∞ −∞ − kω 2 ) + m ∑ c k ∫ B (t ) e − j (ω 1 − kω 2 ) t dt . Здесь δ – дельта-функция; первая сумма – это спектр немодулированного сигнала; вторая сумма показывает, что амплитудная импульсная модуляция вызывает появление возле каждой 36 составляющей этого спектра боковых полос, повторяющих спектр модулирующего сигнала. Поэтому спектр АИМ сигнала представляет собой упорядоченный набор спектров обычных АМ колебаний, в которых роль несущих выполняют гармоники частоты следования импульсной последовательности. Частоту повторения ω2 импульсов при АИ модуляции следует выбирать ω2min≥2ω1, где ω1 – средняя частота узкополосного модулирующего сигнала B(t), тогда не будет происходить наложения спектров соседних боковых частот. Частоте ω2min соответствует период Tmax. Выбирая Tmax достаточно большим, можно осуществлять по одной линии связи многоканальную передачу сигналов с временным уплотнением. 2.5.4. Амплитудная манипуляция (АМн) В этом виде дискретной модуляции информационный параметр – амплитуда – переносчика изменяется дискретно. В роли переносчика информации выступает высокочастотный гармонический сигнал X (t ) = A0 sin(ω 2 t + ϕ 0 ) , а в роли модулирующего сигнала B(t) периодическая последовательность импульсов 2iτ < t < ( 2i + 1)τ  1, B (t ) =  − 1, (2i + 1)τ < t < 2(i + 1)τ i = 0,1,2,...; i = 0,1,2,.... где τ – длительность импульса; Т = 2τ – период последовательности. Амплитуда манипулированного сигнала: 2iτ < t < (2i + 1)τ i = 0,1,2,...; 0.5A 0 (1 + m), A= 0.5A 0 (1 − m), (2i + 1)τ < t < 2(i + 1)τ i = 0,1,2,.... Коэффициент манипуляции обычно выбирают m = 1. Поэтому амплитуда манипулированного сигнала изменяется скачком в моменты времени t=iτ и принимает два значения А0 и 0, как показано на рис.2.13. АМн сигнал U(t): U (t ) = 0.5 A0 [1 + B(t )]sin(ω 2t + ϕ 0 ) . Представив B(t) в виде ряда Фурье определим спектр S(ω) АМн сигнала U(t): S(ω ) = − A 1 A 0 sin (ω 2 + t ϕ 0 ) + 0 2 2π A0 2π ∞ 1 − cos k π cos (ω 2 t − k ω1 t + ϕ 0 ) − k k =1 ∑ ∞ 1 − cos k π cos (ω 2 t + k ω1 t + ϕ 0 ). k k =1 ∑ B(t) τ t U(t) T A0 t Рисунок 2.13. Амплитуда манипулированного сигнала 37 По этой формуле можно построить спектр АМн сигнала U(t), который показан на рис.2.14. S(щ) щ щ2 - 3щ1 щ2 - щ1 щ2 щ2 + щ1 щ2 + 3щ1 Рисунок 2.14. Спектр амплитуда манипулированного сигнала Огибающая спектра представляет смещенный на несущую частоту ω2 спектр одиночного импульса B(t). При таком виде модуляции спектр модулированного сигнала U(t) получается путем переноса спектра сигнала в виде импульсов в полосу частот, определяемую несущей частотой ω2. Фазовая и частотная импульсные модуляции, а также фазовая и частотная манипуляции вводятся аналогично рассмотренным ранее фазовой и частотной аналоговой модуляции. Следует отметить, что основными недостатками амплитудной модуляции, АИМ и АМн является неэффективное использование мощности сигнала и чувствительность к нелинейным искажениям типа насыщения, при которых уменьшается расстояние между амплитудами. Этих недостатков лишены угловые (фазовые и частотные) методы модуляции, т.к. в них используются сигналы с постоянной амплитудой. Частотная манипуляция (ЧМн) – когда непрерывный периодический сигнал-переносчик типа X(t) = A cos (ωt + ϕ0), модулируется последовательностью импульсов B(t), как показано на рис. 2.15. B(t) t U(t) t Рисунок 2.15. Частотная манипуляция. При фазовой манипуляции (ФМн) информационным изменяемым параметром является фаза. Используются различные способы фазовой манипуляции 2ФМн, 4ФМн, 8ФМн (2 уровневая, 4 уровневая, 8 уровневая – число уровней для представления фазы). Например, 2ФМн показана на рис. 2.16. 38 B(t) 1 1 t U(t) t Рисунок 2.16. Фазовая манипуляция. Фаза при изменении B(t) меняется на 180°. ФМн обеспечивает максимальную помехоустойчивость. Существуют также многоступенчатые методы модуляции: ФМ-АМ, ЧМ-АМ, АИМ-АМ, ИКМ-АМ, ИКМ-ЧМ и другие. Таким образом, мы рассмотрели основные виды модуляции (амплитудная, фазовая и частотная аналоговые модуляции, амплитудно-импульсную, частотно-импульсную и широтноимпульсную модуляции, амплитудную, фазовую и частотные манипуляции (дискретные модуляции)). Цифровые методы модуляции рассмотрим в дальнейшем. 2.6. Представление аналоговых сигналов в дискретном времени. Цифровые методы модуляции сигналов. Структура и принципы функционирования аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей Современные системы связи характеризуются все более широким внедрением цифровых методов передачи информации. В таких системах подлежащее передаче сообщение состоит из последовательности дискретных символов, выбираемых из конечного алфавита. Такое представление вполне естественно для сообщений типа письменного текста, цифровых данных или машинного кода. Если же исходное сообщение является речью, музыкой и изображением (т.е. сигналом непрерывным по времени и по амплитуде), то к нему необходимо применить процесс дискретизации (преобразование из непрерывного времени в дискретное) и квантования (заменить непрерывный диапазон амплитуд конечным рядом дискретных уровней). Такое представление имеет следующие преимущества: Слабое влияние неидеальности характеристик и их нестабильности в аппаратуре связи на качество передачи информации. Возможность манипуляции с дискретной информацией с целью использования кодов, исправляющих и корректирующих ошибки засекречивания информации и ее уплотнение, откуда следует высокая помехоустойчивость даже при наличии большого уровня шумов и помех. Возможность восстановления формы сигналов в трансляторах сети связи, благодаря чему ошибки и шумы не накапливаются при передаче сигналов на большие расстояния. Универсальная форма представления различных сообщений (речь, телеизображение, дискретные данные и т.д.) и следовательно возможность унификации аппаратуры связи. Низкая чувствительность к нелинейным искажениям, что дает возможность передачи информации по групповым трактам многоканальных систем. Простое согласование с ЭВМ и электронными автоматическими телефонными станциями, что дает возможность создавать интегральные сети связи с возможностью автоматизации процедур передачи и обработки информации с помощью ЭВМ. 39 Дискретизация непрерывных сигналов во времени осуществляется на базе Теоремы отсчетов. На рис. 2.17. показан непрерывный сигнал x(t) с ограниченным спектром, т.е. S(f) = 0 при |f|>ω. Рисунок 2.17. Непрерывный сигнал x(t) с ограниченным спектром. Тогда согласно этой теореме шаг дискретизации ∆t выбирается из соотношения ∆t ≥ 1 , 2ω чтобы можно было полностью восстановить сигнал на выходе канала связи. Как видно из рис. 2.18, отсчеты, взятые в моменты времени tk = k∆t полностью определяют сигнал x(t) (если длительность сигнала Т то k = 2ωT, т.е. число отсчетов) tk=k∆t k=2ωT=2πFT ω-угловая частота f- частота в Гц Рисунок 2.18. Отсчеты, взятые в моменты времени tk = k∆t. Далее осуществляется квантование сигнала по уровню. Смысл этой процедуры заключается в том, что выбирается конечное число уровней квантования (например от –4 до +4 с равным шагом ∆U=1, т.е. 8 уровней) и каждое истинное значение высоты (амплитуды) отсчета заменяется ближайшим целым числом от –4 до +4. На рис. 2.19 показан результат квантования. Рисунок 2.19. Квантование сигнала по уровню, показана абсолютная погрешность ε1, ε2, ε3, ε4, ε5, в моменты t1, t2,…t5. 40 Как видно процесс квантования сигнала по уровню вносит ошибку квантования, и восстановленный сигнал ~x (t ) отличается от исходного сигнала x(t) на величину ошибки квантования ε(t), т.е. ~ x ( t ) = x (t ) − ε (t ) . Если квантование выполняют с равномерным шагом ∆U, то область изменения мгновенных значений шума квантования (абсолютная погрешность квантования) ε(t) заключена в пределах от − ∆U до + ∆U . На рис. 2.19 показана абсолютная погрешность ε1, ε2, ε3, ε4, ε5, в момен2 2 ты t1, t2,…t5. Обычно ошибку квантования считают равномерно распределенной в интервале  ∆U ∆U  , поэтому математическое ожидание и дисперсия ошибки равны − ;+  2 2  M[ε(t )] = 0 ; D[ε(t )] = ∆U 2 ∫ − ∆U 2 ε2 d ε ∆U 2 . = ∆t 12 Дисперсию называют мощностью шумов квантования. Она падает с ростом числа уровней квантования и при правильном выборе этого числа может стать пренебрежительно мала, по сравнению с мощностью помех. Например, 32 уровня считается достаточным для качественной передачи речевых сигналов. На практике в ряде случаев равномерное квантование не применяют, особенно в тех случаях, когда динамический диапазон передаваемых сигналов различен. В этих случаях для уменьшения погрешности квантования сжимают динамический диапазон полезных сигналов. Такое сжатие называют компрессированием динамического диапазона сигнала и связано оно с уменьшением интервала квантования полезного сигнала и, следовательно, с уменьшением мощности шумов квантования. Такое компрессирование можно делать перед квантованием и затем использовать равномерное квантование полезного сигнала. После декодирования и восстановления сигнала выполняется обратная операция, называемая экспандированием. Обе эти операции называют компандированием сигнала. Таким образом, влияние шумов квантования и помех можно уменьшить, оптимально выбирая параметры квантования и искусственно изменяя динамический диапазон полезных сигналов (компандирование). Цифровые методы передачи информации по каналам связи основаны на следующих основных преобразованиях: дискретизации, квантовании (рассмотрены выше), кодировании (рассмотрим в дальнейшем) и модуляции. Рассмотрим цифровую модуляцию. Ее сущность заключается в следующем: передаваемый непрерывный сигнал квантуется по времени и уровням; полученные после этого отсчеты сигнала в дискретные моменты времени рассматриваются как числа в той или иной системе счисления, которые затем кодируются для преобразования их в кодовые комбинации электрических сигналов. Полученной кодовой последовательностью сигналов аналоговым или дискретным способом модулируется высокочастотный сигналпереносчик. Последнее преобразование выполняется, как правило, для многоканальных систем. В остальных случаях выполняют операции квантования, дискретизации и кодирования. Наибольшее применение на практике получили такие цифровые методы модуляции как импульснокодовая модуляция (ИКМ) и дельта-модуляция (ДМ). На рисунке 2.20 показаны временные диаграммы сигналов для ИКМ. Здесь B(t) непрерывный сигнал, который ИК модуляцией преобразуется в кодовую последовательность U(t). Интервал отсчетов выбирается по Теореме отсчетов, т.е. ∆t = 1 , где ω – 2ω верхняя частота спектра B(t). Более простой по сравнению с ИКМ является дельта-модуляция, рис.2.21. Сущность этого метода заключается в том, что в каждый дискретный момент времени tk взятия отсчета передается положительный импульс постоянной амплитуды и длительности, если производная сигнала в этой точке положительна, и отрицательный импульс, если производная отрицательна. 41 Рисунок 2.20. Импульсно-кодовая модуляция Рисунок 2.21. Дельта-модуляция В результате кодирования в дельта-модуляторе исходное сообщение B(t) в виде непрерывного сигнала преобразуется в последовательность положительных и отрицательных импульсов. Для преобразования непрерывных сигналов в цифровой код и, наоборот, в системах связи используют специальные устройства аналого-цифровой (АЦП) и цифро-аналоговый (ЦАП) преобразователи. По сути дела АЦП осуществляет ИКМ, т.е. выполняет следующие операции: дискретизацию непрерывного сигнала по времени, квантование по уровню и полученная последовательность квантованных значений путем кодирования представляется в виде последовательности m-ичных кодовых комбинаций (чисел). Чаще всего кодирование здесь используется двоичное, т.е. делается запись номера уровня квантования в двоичном коде. Рассмотрим принципы функционирования аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. 42 Структурная схема АЦП может быть представлена в виде, показанном на рисунке 2.22. Рисунок 2.22. Структурная схема АЦП Принцип его работы заключается в следующем: сначала непрерывное сообщение B(t) подвергается дискретизации по времени через интервалы ∆t; полученные отсчеты B(tk) квантуются по уровням Bкв(tk); каждое квантованное значение Bкв(tk) в момент времени tk = ∆tkk кодируется соответствующим двоичным числом BИКМ(tk). Рассмотренные выше методы преобразования аналоговых сигналов предназначены для воспроизведения формы этих сигналов с максимальной точностью. Эти методы не учитывают априорных данных о сигнале и по существу применимы для любых непрерывных сигналов. 2.7. Вокодеры. Рассмотрим теперь специальную группу устройств преобразования непрерывных сигналов в цифровую форму. Эти устройства проблемно ориентированы на преобразование только речевых непрерывных сигналов и получили название вокодеры (кодеры речевых сигналов). Способы преобразования речевых сигналов в цифровую форму, используемые в вокодерах, весьма специфичны и поэтому не используются в телефонных сетях общего назначения, где наряду с речевыми сигналами должна быть обеспечена передача и других аналоговых сигналов. Кроме того, вокодеры обычно создают ненатуральное или синтетическое звучание речи. Основным назначением вокодеров является кодирование только важных для восприятия параметров речи с уменьшенным числом символов по сравнению с их общим числом, которые обеспечивают требуемый уровень качества восприятия речи. Поэтому вокодеры могут быть использованы для передачи речи в ограниченной полосе, чего не могут обеспечить другие средства. Основным их применением является: передача сигналов типа "неправильно набран номер", передача секретных сигналов, формирование речевого сигнала на выходе ЭВМ и другие. ЛЕКЦИЯ №3. ЗАПИСЬ, ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ХРАНЕНИЕ И ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ НА ФИЗИЧЕСКИХ НОСИТЕЛЯХ 3.1. Основы магнитной записи-воспроизведения Магнетики. Все вещества в природе так или иначе откликаются на действие внешнего магнитного поля. Выясним природу магнетизма вещества. Если магнетик поместить во внешнее магнитное поле, то магнитное поле В в нем будет равно сумме Во внешнего и Вс собственного поля магнетика В = Во + Вс. Согласно гипотезе Ампера в магнетике существуют микроскопические круговые токи (магнитные диполи), нормально беспорядочно ориентированные, которые под действием внешнего поля приобретают преимущественную ориентацию, т.е. магнетик намагничивается. По магнитным свойствам магнетики делятся по магнитному параметру, входящему в материальное уравнение: B = µ ⋅ µ 0 ⋅ H , где µ – магнитная проницаемость среды, показывающая, во сколько раз поле внутри магнетика больше, чем снаружи; µ0 – магнитная проницаемость (постоянная) вакуума = 4 π 10-7 Гн/м; Ферромагнетики имеют собственный дипольный момент, области спонтанной намагниченности (домены), значительную магнитную проницаемость – являются сильно магнитными веществами. Они имеют нелинейную зависимость В от Н. (кривая Столетова) и гистерезисный характер перемагничивания рис. 3.1. Намагниченность вещества характеризует вектор намагниченности r r Μ = ΧΗ , где Х - магнитная восприимчивость, Н – напряженность поля. 43 Намагниченность вещества, которая при дальнейшем увеличении поля подмагничивания не меняется, называют намагниченностью насыщения, она определяется свойствами самого ферромагнитного материала. Ферриты с наибольшей намагниченностью насыщения, как правило, имеют примеси редкоземельных металлов, например Са (самарий), Со (кобальт). На кривой гистерезиса: Мr – остаточная намагниченность; Нс – коэрцитивная сила, это такая напряженность обратного поля, при которой М= 0. Рисунок 3.1. Петля гистерезиса и зависимость намагниченности от температуры Из кривой гистерезиса видно, что ферромагнетик имеет память: два устойчивых состояния, что может использоваться для построения устройств памяти, кодирования, магнитной записи и воспроизведения информации в ЭВМ. Выясним природу явления перемагничивания ферромагнетика. В ферромагнетике в размагниченном состоянии существуют области спонтанной намагниченности (домены), размеры которых минимальны (десятки мкм), они имеют между собой границы и в силу принципа наименьшего действия Томсона будут располагаться, имея минимальную энергию, хаотически, причем суммарная намагниченность равна нулю. В результате приложения внешнего поля «правильно» расположенные домены будут возрастать в размерах за счет «неправильно» расположенных, смещения границ между ними. Дальнейшее увеличение внешнего поля приводит к тому, что весь ферромагнетик будет представлять собой один большой домен, близко ориентированный к внешнему полю. Дальнейшее увеличение поля заставляет повернуться этот домен вдоль направления поля, после этого дальнейшее увеличение поля не приведет к возрастанию намагниченности ферромагнетика, это значение называется намагниченностью насыщения. Теперь, чтобы размагнитить ферромагнетик, к нему нужно приложить уменьшающееся поле противоположного направления, причем процессы будут происходить в обратной последовательности, но когда внешнее поле равно нулю, ферромагнетик обладает остаточной намагниченностью Мr, и чтобы его размагнитить, к нему нужно приложить поле противоположного направления, равное коэрцитивной силе Нс. Далее процесс повторяется как и в предыдущем рассмотрении, только «правильно» расположенными доменами будут домены, которые в первом случае были «неправильными» (рис. 3.1). Площадь, ограниченная кривой гистерезиса, определяет работу по перемагничиванию ферромагнетика. Ферриты с ППГ (прямоугольной петлей гистерезиса) используются в импульсных устройствах памяти ЭВМ. Магнитный ключ. Среди элементов, используемых в ЭВМ, особое место занимают магнитные (ферритовые) сердечники. Ферриты представляют собой материалы, обладающие магнитными свойствами, рассмотренные выше. Изготавливаются они прессованием и последующим спеканием смеси окислов различных металлов (Mg, Ni, Co, Mn ...) с окислом железа. Получается своего рода керамика, из которой можно легко формировать сердечники любой конфигурации. Обычно сердечникам придают кольцеобразную форму, потому что при этом образуется замкнутый магнитный поток, что делает магнитную цепь более эффективной и не подверженной внешнему влиянию. На го44 товые кольца наматывают тонкие изолированные проволоки – обмотки. Вот и все устройство магнитного ключа (рис. 3.2). В общем случае магнитный сердечник имеет две обмотки: входную и выходную. Если по входной обмотке сердечника пропустить ток, то в сердечнике возникнет магнитное поле, индукция которого зависит от величины этого тока и числа витков обмотки сердечника. Возникновение магнитного поля приводит к индуцированию вихревого электрического поля согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, а, следовательно, и ЭДС в выходной обмотке сердечника. Рисунок 3.2. Устройство и принцип работы магнитного ключа Под воздействием управляющих импульсов тока, которые поступают во входную намагничивающую обмотку, ферритовый сердечник (магнитный ключ) за миллионные доли секунды меняет свое магнитное состояние, как это видно из петли перемагничивания (гистерезиса) на рис.11а. В любом из этих состояний ключ может находиться сколь угодно долго, пока не поступит новый сигнал, перемагничивающий сердечник. Например, состоянию +Вr приписывается значение «1» (ДА), другому –Вr «0» (НЕТ). Магнитный ключ, как и триггер, может быть установлен в состояние «1» импульсом тока одного направления и «сброшен» в состояние «0» импульсом тока противоположного направления. И триггер, и магнитный ключ обеспечивает запоминание того состояния, в которое они были приведены последним входным импульсом тока. Хранение информации в магнитном ключе не требует расхода мощности, она необходима только при перемагничивании сердечника из одного состояния в другое. Магнитный ключ не чувствителен к кратковременному выключению питания. Сердечник – это элементарное запоминающее устройство емкостью в один бит. Чтобы передать сигнал, несущий информацию в виде 1 и 0, выходной импульс одного сердечника используется в качестве входного для другого. Упрощенная схема соединения двух сердечников показана на рис.3.2. Каждый сердечник имеет три обмотки: входную (записывающую); выходную и тактовую (считывающую). Выходная обмотка первого сердечника С1 через диод Д соединена с входной обмоткой второго сердечника С2 для исключения ложного срабатывания. Подадим на вход первого сердечника положительный импульс. Сердечник перейдет в состояние логической единицы 1. Второй сердечник не изменит своего состояния, так как диод Д не пропустит ток, протекающий в выходной обмотке первого сердечника (согласно правилу Ленца). Лишь при подаче тактового импульса сердечник С1 перейдет в состояние 0 (перемагнитится), а возникший при этом ток (уже другого по сравнению с предыдущим направления) переведет С2 в состояние 1. Таким образом, тактовый импульс осуществляет передачу сигналов от одного магнитного сердечника к другому. На сердечники, находящиеся в состоянии 0, тактовые импульсы влияния не оказывают. Рассмотренная цепочка магнитных ключей может использоваться как сдвиговый регистр. В момент прихода импульса сдвига все двоичное число передвигается по регистру на один сердечник. Каждая новая цифра поступает в первый сердечник только после того, как все число сдвигается по регистру, освободив для новой цифры первую ячейку. 45 3.1.1. Устройства памяти с цифровой магнитной записью Магнитный метод записи сигналов известен давно, является, пожалуй, самым распространенным способом записи и воспроизведения сигналов и применяется буквально во всех отраслях, в том числе и в вычислительной технике. У магнитной памяти много достоинств. Это и большая емкость, и высокая надежность, и возможность длительного хранения даже вне машины при отключенном источнике питания, и отсутствие повреждений записи при считывании, и многократное применение носителя информации путем стирания старой записи. Все эти обстоятельства и обусловили специфику работы устройств с магнитной записью в ЭВМ. В основном это внешняя и промежуточная (буферная) память машины. При магнитной записи сигналов, несущих закодированную информацию, магнитная головка (электромагнит кольцевой формы с миниатюрным зазором, из которого магнитное поле тонко, как у пера, выходит наружу) намагничивает небольшую часть магнитного носителя, непосредственно прилегающего к головке. Намагниченные участки (магнитные диполи), создаваемые головкой, располагаются друг за другом, образуя так называемую магнитную дорожку. Если запись ведется одновременно несколькими головками, то информация будет размещаться на параллельных магнитных дорожках. При считывании намагниченный участок, проходя мимо головки, наводит в ней сигнал, соответствующий записанной информации. Для записи и воспроизведения (считывания) информации применяют либо отдельные головки, предназначенные только для записи или только для считывания, либо универсальные головки, выполняющие обе эти функции. Запись легко может быть стерта. Такой процесс осуществляется с помощью специальной стирающей головки, через обмотку которой пропускается обычно ток высокой частоты. Высокочастотное магнитное поле многократно меняет ориентацию магнитных диполей (доменов), установленных при записи определенным образом, и их ориентировка после этого становится вновь хаотичной согласно принципу наименьшего действия Томсона. Стирающую головку располагают так, чтобы старая запись сначала стиралась, а затем носитель поступал бы на новую запись. При создании ЗУ стремятся возможно полнее использовать поверхности носителя информации. Степень использования поверхности носителя информации характеризуется плотностью записи, т.е. количеством двоичных знаков, размещающихся на единице площади (1 см2). В качестве магнитного носителя применяют тонкие магнитные слои, наносимые на немагнитную основу. Материалом магнитного покрытия служат ферролаки, основными компонентами которых являются оксиды железа, хрома, никелевые, никель-кобальтовые и другие сплавы. Способы записи информации. Способность материала «запоминать» основана на явлении гистерезиса в ферритах (рис. 3.1). Материал покрытия должен обладать двумя устойчивыми состояниями остаточной индукции +Вr и –Вr. Возможно и размагниченное состояние, характеризуемое точкой 0 петли гистерезиса. Все три состояния могут быть использованы для представления информации. Существуют различные способы записи информации. Пример записи с использованием всех трех состояний – запись по трем уровням. При записи кода 1 по этому способу носитель намагничивается, например, до состояния + Вr, а при записи кода 0 - до состояния – Вr . Отсутствие информации соответствует размагниченному состоянию. Запись кода 1 и кода 0 осуществляется разнополярными импульсами тока, подаваемыми в обмотку записывающей магнитной головки. При таком способе записи в выходных цепях ЗУ единицы и нули изображаются разнополярными импульсами. Магнитная лента. Это наиболее распросртаненный и простой тип носителя магнитной записи. Он представляет собой гибкую пластмассовую пленку (основу), на которую нанесен слой, состоящий из мельчайших частиц магнитного порошка, смешанного с лаком и прочно сцепленного с основой. Магнитный барабан. Магнитную ленту можно представить как очень «длинную и тонкую память». Время поиска нужной информации велико, потому что одна считывающая головка должна просмотреть эту память по всей длине. Но если бы разрезали пленку на куски, каж- 46 дый из которых обслуживался своей головкой, время поиска стало бы меньше, т.к. каждая головка «просматривала» бы короткий участок ленты. Эта идея реализована в магнитном барабане, который можно сравнить с «короткой и толстой памятью». Такого вида память называется памятью с циклическим доступом, т.к. каждая ячейка при вращении барабана периодически проходит под магнитными головками. Барабан, по сути, - это широкая, замкнутая в кольцо магнитная лента, вокруг которой параллельно друг другу в виде замкнутых окружностей расположены магнитные дорожки. Магнитный диск. Здесь имеет место новая организация памяти – структура дискотеки. Носителем информации является диск, выполняемый обычно из материала, на который с обеих сторон наносится тонкое магнитное покрытие. Информация размещается на концентрических магнитных дорожках с обеих сторон диска. Такие диски (их может быть несколько десятков диаметром 600 – 700 мм) собирают в пакеты и устанавливают на общую ось, которая приводится во вращение электродвигателем. Считывание и запись информации осуществляется с помощью магнитных головок, которые помещаются в междисковое пространство. Как и в ЗУ на магнитных барабанах, здесь каждой дорожке может предназначаться своя (неподвижная) головка записи-считывания или головка может быть общей для нескольких дорожек и даже для нескольких поверхностей дисков (подвижная головка). Емкость магнитных дисков достигает десятков млрд. бит. Плотность записи, 100÷150 бит на мм2. Основное достоинство дисков наряду с большим объемом – высокая скорость считывания. ЗУ на магнитных дисках уже полностью решает проблему большой памяти. Здесь речь идет о возможности хранения больших массивов информации и их обработке на ЭВМ с небольшими потерями на поиск и считывание. 3.1.2. Физические основы работы тонких магнитных пленок Основу магнитной микроэлектроники составляют тонкие магнитные пленки – слои ферромагнитных веществ, нанесенные путем испарения в вакууме на немагнитную подложку. Толщина пленки, получаемая на практике, составляет тысячные, десятитысячные доли миллиметра и менее. Как и все ферромагнитные тела, пленки состоят из областей самопроизвольного намагничивания – магнитных доменов, расположенных по объему тела. Каждый домен имеет вектор намагниченности, причем в размагниченных телах эти векторы направлены таким образом, что суммарная намагниченность равна нулю. Магнитные пленки обладают рядом замечательных качеств. В них своеобразно сочетаются микро– и макроскопические свойства вещества. И это естественно. Ведь в двух измерениях пленка представляет собой обычное макроскопическое тело, тогда как в третьем измерении она является микроскопическим образованием. В отличие от объемных ферритовых тел, например ферритовых сердечников, пленки имеют толщину, при которой их структура становится однодоменной, т.е. по толщине она состоит из одного слоя доменов. В такой двумерной системе процессы намагничивания и перемагничивания происходят несколько иначе, чем в массивных ферромагнитных телах. В частности, векторы намагниченности по всей пленке могут одновременно поворачиваться по полю. Такой процесс вращения векторов называют однородным и когерентным. Он является, по-видимому, самым быстродействующим процессом перемагничивания. Пленка очень быстро переходит из одного состояния в другое. А что значит очень быстро? Ферритовый сердечник, например, перемагничивается за миллионные доли секунды. Но магнитные пленки перемагничиваются в сотни раз быстрее, т.е. за миллиардные доли секунды. Становится возможным многократное увеличение скорости записи и считывания информации на магнитных носителях. 3.2. Оптические способы записи-воспроизведения информации Свет является электромагнитной поперечной волной, с одной стороны, с другой – потоком особых частиц фотонов, распространяющихся со скоростью света. Это рассмотрение света 47 с волновой и с корпускулярной точки зрения. Рассмотрим волновую природу света и связанные с ней физические явления. В пространстве когерентные световые волны интерферируют, т.е. создается картина наложения этих волн, проявляющаяся в усилении и ослаблении света в различных точках пространства. Примером может служить радужная окраска поверхности мыльных пузырей (интерференция в тонких пленках). Интерференция − это явление наложения когерентных волн. Если свет пропустить через узкую щель или малое отверстие в непрозрачной плоскости, то за ней на экране наблюдается дифракционная картина в виде чередующихся темных и светлых областей (полос или колец). Дифракция (огибание светом препятствия) является результатом интерференции волн вторичных источников за препятствием с учетом их веса. Это известный принцип Гюйгенса-Кирхгофа-Френеля, позволяющий решать задачи дифракции в радиофизике, оптике. Регулярным оптическим прибором, с помощью которого можно наблюдать, например, спектры атомов, является дифракционная решетка, состоящая из системы щелей. Она характеризуется разрешающей способностью, зависящей от числа щелей. Дифракционные решетки с высокой разрешающей способностью строятся на магнитных ферритовых пленках с плоскими доменами. Критерий Релея позволяет различить различные спектральные полосы в том случае, если провал интенсивности (квадрата амплитуды) света не более 74%. Характеристикой оптических свойств прозрачных сред служит показатель преломления, который показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше скорости света в данной среде, n = C V , либо n= ε. Свет, распространяясь в средах, подчиняется законам геометрической или лучевой оптики, следующим из принципа Ферма: свет распространяется по наименьшей оптической длине пути (оптическая длина пути равна физической длине, умноженной на показатель преломления: L = S n). Коэффициентом отражения называется величина, характеризующая отражательные свойства материала. Он равен отношению интенсивности отраженного света, к интенсивности падающего, зависит от поляризации падающего пучка лучей, а также от соотношения показателей преломления сред, угла падения. Количественную зависимость коэффициента отражения выражают формулы Френеля. Естественный свет не поляризован. Под поляризацией понимается упорядочение светового вектора (вектор Е электромагнитной световой волны) каким-либо образом. Такое упорядочение осуществляется специальными оптическими приборами (поляризаторами), работающими, например, на явлении Брюстера (поляризации при отражении); явлении двойного лучепреломления; оптический эффект Фарадея. Дисперсия света – это явление, связанное с взаимодействием света с веществом, зависимость показателя преломления от длины волны. Белый свет, как известно, проходя через стеклянную призму, разлагается на семь цветов радуги: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Цвет характеризует частота колебания светового вектора, хотя длина его волны может меняться, проходя сквозь оптически прозрачные среды. Свет различного цвета складывается. Все цвета видимого света образуют цветовой локус, в углах которого расположены три основных цвета, от сложения которых можно получить любой цвет – это трехцветная теория цвета используется при конструировании приемников цветного изображения и дисплеев ЭВМ (красный, зеленый, синий). 3.2.1. Основы оптоэлектроники. Оптические запоминающие устройства Новые возможности открылись перед вычислительной техникой в последние годы в связи с освоением оптических методов хранения информации. Главное достоинство оптической памяти - это большая емкость, исключительно высокая плотность записи, малое время выборки информации и возможность записи и считывания информации большими, параллельными массивами. 48 Существуют два основных подхода к построению оптической памяти: ЗУ с непосредственной, поэлементной записью информации и голографические. Примерная классификация оптических ЗУ приведена на рис. 3.3. Рисунок 3.3. Классификация оптических ЗУ Их элементная база является общей для различных областей применения. Особенно перспективны голографические ЗУ. Благодаря высокой надежности хранения информации, высокой информационной емкости (1 млн. бит/см2 на плоских голограммах и 10 триллионов бит/см2 в объемных), высокой скорости выборки (0,1 триллионов бит/с и меньше) они позволяют реализовать большое число видов памяти. В ЗУ с непосредственной записью-воспроизведением предусматривается неголографический способ записи информации и электромеханический или электрооптический способы считывания. На этом принципе могут быть реализованы постоянные ЗУ большой емкости (10 триллионов бит). Лазер − новый элемент вычислительной техники. Естественным начальным этапом освоения оптических способов хранения и обработки информации является этап сочетания электронных и оптических методов оптоэлектроники. Оптоэлектроника начала развиваться до появления лазеров (на основе обычных источников света); ее основная задача состояла в осуществлении взаимных преобразований электрических и световых сигналов. Простейший оптоэлектронный прибор − оптрон − показан в трех различных вариантах на рис. 3.4. На основе оптронов возможна реализация ячеек памяти и логических элементов. Для осуществления в оптоэлектронных устройствах широкой и гибкой системы оптических связей применяют волоконную оптику – тонкие прозрачные нити, позволяющие направлять свет по любому прямолинейному или криволинейному пути между элементами схемы, подобно тому, как по металлическим проводам движутся электронные потоки. В состав оптоэлектронных устройств входят несколько видов приборов, которые поразному связаны между собой и обеспечивают задачу хранения и выдачи информации в зависимости от потребностей. Наиболее простая комбинация приборов – фоторезистор (сопротивление) и источник питания. Их можно объединить в последовательную электрическую схему с оптической обратной связью, которая и обеспечит бистабильность. Как только световой сигнал (луч) попадает на фоторезистор, сопротивление его уменьшается и тем самым обеспечивается заданный режим свечения. Кроме того, свечение источника излучения указывает на состояние элемента памяти. Состояние «1» устанавливается кратковременным приложением к схеме повышенного напряжения или освещением фотосопротивления внешним источником света; элемент памяти переключается в состояние «0» при кратковременном выключении источника питания. 49 В оптоэлектронных и вычислительных устройствах лазеры выполняют две функции: являются источниками когерентных световых волн – носителей когерентных оптических сигналов, и элементов, используемых для преобразования по частоте электрических сигналов, выполнения определенных логических операций. Рисунок 3.4. Схема простейшего оптрона в трех вариантах преобразования, где 1 − фотоизлучатель, 2 − фотоприемник, 3 и 4 − световой и электрический сигналы, 5 − оптическая связь. В оптическом устройстве, схема которого приведена на рис. 3.4, в качестве источника излучения используется лазер. Основными компонентами этой системы являются сам лазер, модулятор (устройство для управления интенсивностью луча), дефлектор (устройство для отклонения луча), формирующая и фокусирующая оптика и запоминающая среда. Это среда должна реагировать на световой луч таким образом, чтобы можно было осуществлять процесс записи или стирания информации, а также обеспечить получение на фотоприемнике сигнала считывания. При этом возможны два режима системы: на отражение и пропускание света. Для выполнения операций записи, стирания или считывания информации для некоторых запоминающих сред, помимо светового луча, требуется еще и дополнительное электрическое и магнитное поле. Здесь возможно применение лазера для испарения или нагревания материаланосителя до такой температуры, при которой на него может воздействовать внешнее поле, электрическое или магнитное которого близок по величине к длине волны излучения. Вот и получается что уникальные свойства лазера, в частности, высокая направленность, большая яркость и узкий спектр излучения, а также когерентность делают его незаменимым для устройств оптической записи и разведки. Лазер допускает фокусировку луча в пятно, диаметр длине волны в 1 мкм плотность расположения пятен может достигать 10 млн.бит/кв.см, а так как длина волны видимой части спектра составляет в среднем около 0,5 мкм, то плотность записи может быть еще больше. В таких известных магнитных системах, как барабаны, диски, карты, плотность записи, как правило, не более 0,1 млн.бит/кв.см. 3.2.3. Голография. Голографические запоминающие устройства С появлением лазеров родилось еще одно направление техники – голография. Слово «голография» переводится как «полная запись». И в голографии, как и в фотографии, решается вопрос записи информации, которую несет световая волна, отраженная от объекта, Информация об объекте содержится частично в амплитуде световой волны, частично в фазе волны (в форме ее фронта). Соответственно, говорят об амплитудной и фазовой информации. При фотографировании на фотопластинке или фотопленке фиксируется интенсивность падающей на нее световой волны. Таким образом, фотодетектор извлекает из волны и фиксирует только амплитудную информацию, фазовая же информация при этом утрачивается. Чтобы извлечь из волны и зафиксировать на фотопластинке не только амплитудную, но и фазовую информацию, надо заставить данную световую волну (ее называют объектной или сигнальной) проинтерферировать со вспомогательной (опорной) световой волной, полученной от того же лазера, которым освещается объект. На рис. 3.5.б опорная волна получена отражением от полупрозрачного зеркала. Амплитуда результирующей волны при этом содержит информацию как об амплитуде, так и о фазе исходной световой волны. Голография – это полная за- 50 пись волны: амплитуды и фазы. Фаза заключена в интерференционной картине результирующей волны, записанной на голограмме. Чтобы прочитать (восстановить) эту информацию, надо осветить голограмму опорной волной, которая теперь называется считывающей. Как только такая волна осветит голограмму, поверхность последней просветлится, возникнет как бы «окошко», в котором наблюдатель увидит объемное изображение объекта. При этом каждый участок голограммы несет информацию об объекте в целом. Рисунок 3.5. Оптическое устройство а) с применением лазера, б) схема получения голограммы. Если уничтожить 9/10 площади голограммы, то, просвечивая считывающей волной оставшийся осколок, можно восстановить контуры объекта, но качество при этом, конечно, будет хуже, утратится информация о тонких деталях предмета. Запись на голограмму оказывается весьма надежным способом хранения информации. Кроме того, на одну и ту же голограмму можно записать много изображений и считывать их независимо друг от друга. Для этого надо записывать на голограмму разные кадры, меняя всякий раз углы, под которыми на нее падает опорная волна. Оценки показывают, что на одной пластинке площадью 10х10 см2 можно записать более 100 млн.бит информации. Исключительно высокая информационная емкость голограммы в сочетании с надежностью хранения и высокой скоростью считывания информации делает ее весьма перспективной для использования в запоминающих устройствах. Голографическое ЗУ. Принципиальным элементом таких устройств является запоминающая матрица. Состоит матрица из множества небольших по размеру голограмм (диаметром 2÷5 мм). На каждой элементарной голограмме может быть записан значительный объем информации - 10кбит. Одна из возможных схем голографического запоминающего устройства показана на рис.3.6. Отклоняющее устройство 2 по команде направляет луч лазера 1 на ту или иную голограмму во вспомогательной голографической матрице 3, выполняющей функцию расщепителя светового луча. Предположим, что отклоняющее устройство направляет световой луч на голограмму А в матрице 3. Позади этой голограммы возникнут две волны: недифрагированная (она показана на рисунке двойной линией) и восстановленная голограммой расходящаяся волна. Недифрагированная волна, пройдя через линзы 4, попадает на голограмму А в запоминающей матрице 5, также попадает на голограмму А в матрице 6; эта волна является сигнальной. Если отклоняющее устройство направит луч на другую голограмму в матрице 3, то информация, поданная на транспарант 5, будет записана на другую голограмму в матрице 6 (см. пунктир). Осуществив согласование между работой отклоняющего устройства и подачей сигналов на транспарант, можно заполнить определенной информацией все элементы запоминающей матрицы 6. Рассмотренная схема может быть использована и для вывода информации из ЭВМ с последующей записью ее в оптическое ЗУ. Информация, выводимая из ЭВМ, поступает в виде управляющих электрических сигналов в транспарант. 51 При наличии соответсвующей команды отклоняющее устройство 2 направляет считывающий луч на определенную голограмму в запоминающей матрице 3. Рисунок 3.6. Одна из возможных схем голографического запоминающего устройства Накопители на оптических дисках. В настоящее время расширяются работы в области накопителей на оптических дисках (НОД), основными достоинствами которых являются следующие: высокая плотность записи информации - по крайней мере в 10 раз выше, чем на любом магнитном носителе; универсальность, т.е. пригодность для хранения информации, заданной в различной форме; возможность быстрой перезаписи огромных объемов информации и длительного хранения дисков, снятых с привода; низкая удельная стоимость хранения на бит информации. Выпускаются два типа НОД: накопители на компакт-дисках постоянной записи (КД ПЗУ) и накопители на оптических дисках с однократной записью. По формату КД ПЗУ напоминает звуковой КД, но отличается от него введением дополнительной избыточности. Емкость такого диска, имеющего стандартный диаметр 130 мм, составляет 4,7 Гбайт и выше. 5.4. Оптическая считывающая система «компакт-диска На рис. 3.7 схематично изображена оптическая система лазерного звукоснимателя. Испускаемое лазерным диодом излучение подается сначала в коллиматор – линзу, в которой излучение диода преобразуется в пучок параллельных лучей (лазерный диод в этом случае рассматривается как точечный источник излучения). Линейно поляризованное излучение с длиной волны 780 нм, преобразованное в параллельный пучок, подается на специальную призму. Так как направление поляризации пучка перпендикулярно к плоскости чертежа, пучок отражается от имеющегося в призме поляризационного слоя и отклоняется (например, направо). Поляризационная призма представляет собой оптическое прозрачное тело, которое используется для преломления, отражения или рассеивания излучения. Простейший вид такой призмы – это прямоугольная призма. Световой поток, который падает под углом 90° на боковую грань (катет) призмы, полностью отражается от гипотенузы, отклоняется на 90° и выходит из призмы через вторую ее грань. Чтобы избежать световых потерь, поверхности катетов делают полностью проницаемыми. Так как угол отражения зависит от положения призмы относительно оптической оси, необходима точная юстировка такой призмы в оптической системе. Действие поляризационной призмы основано на законе Брюстера, из которого следует, что при отражении под определенным углом, при котором отраженный луч полностью линейно поляризуется, отраженный и преломленный лучи образуют прямой угол Падающий под прямым углом к поверхности катета верхней призмы луч А на ребре преломления, которое соответствует оптической оси О, расщепляется на два луча. Так называемый необыкновенный луч практически не отклоняется. Обыкновенный луч (отклоняется в сторону. Необыкновенный луч, таким образом, проходит поляризационную призму почти без отклонения, но подвергается линейной поляризации. После полного отражения на окончательной поверхности луч выходит из призмы, проходит через четвертьволновую пластину и подается на фокусирующий объектив (четвертьволно- 52 вая пластина представляет собой специальный кристалл с различными индексами отклонения для лучей с различной поляризацией). Рисунок 3.7. Схематичное изображение лазерной считывающей головки Для поворота плоскости поляризации света на 45° применяют специальный анизотропный кристалл (рис. 3.8) с различными индексами отклонения в направлении Х и Y. Линейно поляризованный луч, падающий в точку А, проходит анизотропный кристалл толщиной d и выходит из кристалла в точке В, изменив свою фазу на 90° (λ/4 =90°). Если луч света пройдет четвертьволновую пластинку дважды, то плоскость поляризации повернется на 2х45°=90°. После такого поворота плоскости поляризации на поляризационной призме оптической системы проигрывателя CD можно разделить луч, который падает с лазера, и луч, который отражается от CD. Объектив, имеющий короткий фокус, фокусирует световой поток так, что диаметр освещенного пятна на алюминиевом слое CD внутри прозрачного материала оказывается только около 1,0 мкм. Свет на этом слое отражается и опять проходит тот же путь до поляризационного слоя в призме (направление налево). Луч на своем пути проходит четвертьволновую пластину два раза: первый раз – в прямом направлении, а затем – в обратном. Следствием этого является то, что направление поляризации обратного луча, приходящего на поляризационный слой, в противоположность лучу, приходящему с лазерного диода, оказывается повернутым на 90°. Рисунок 3.8. Вращение плоскости поляризации в Вследствие этого обратный луч не анизотропном кристалле. отражается в направлении лазера, а прохо53 дит поляризационный слой дальше. В расположенной далее призме, отшлифованной под критическим углом, обратный лазерный луч полностью отражается и через соответствующую собирающую линзу попадает на детектирующее устройство, или фотодиодную матрицу. Луч, выходящий из лазерного диода, очень узок и не имеет тенденции к расхождению. Система, состоящая из двух линз, дает возможность увеличить диаметр светового потока. Диаметр входящего пучка преобразуется в соответствии с формулой d2=dl⋅f2/fl. Такое линзовое устройство также называют кеплеровской трубой. Плоскостной оптический звукосниматель – FOP. В настоящее время в системах лазерных звукоснимателей нашла применение плоскостная система – коротко FOP-система, в которой вместо поляризационной призмы и четвертьволновой пластины используется полупроницаемая зеркальная призма, (рис. 3.9). Вырабатываемый лазерным диодом световой пучок первоначально проходит через дифракционную решетку. При прохождении светового луча через узкую щель на ее выходе образуются наряду с главным (самым ярким) лучом по меньшей мере два боковых луча. Так называемый боковой луч первого порядка содержит почти 25% энергии главного луча и используется для системы отслеживания дорожки записи. Отраженный от поверхности CD свет проходит оптические элементы в обратной последовательности. В зеркальной призме 50% отраженного от CD лазерного излучения отклоняется на детектирующее устройство. При этом предварительно лучи проходят двояковогнутую линзу прежде, чем они попадают на детекторное поле. Предварительная двояковогнутая линза делает пучок расходящимся, так что уже при малом расстоянии между зеркальной призмой и детекторным полем на поле падает световое пятно достаточного размера. Размер светового пятна должен быть таким, чтобы были освещены все элементы детекторного поля (фотодиодной матрицы) фотодетектора лазерного звукоснимателя. Рисунок 3.9. Лазерный звукосниматель (FOP) ЛЕКЦИЯ №4. Биофизические принципы создания, передачи, приема и обработки информации органами чувств. Информационная система человека 4.1 Биофизические принципы создания, передачи, приема и обработки информации органами чувств Живой организм – так сложен и многообразен, что точно описать все его характеристики и закономерности до сих пор не представляется возможным. Для лучшего понимания фундаментальных проблем защиты информации необходимо ознакомиться с различными приложениями физики в биологии в части передачи, обработки и хранения информации органами 54 чувств. Современные информационные технологии шагнули настолько далеко, что совсем «забыли», для чего они предназначены. А их предназначение облегчить человеку процесс сбора, обработки, хранения, передачи информации для адекватного принятия решений. Биосенсоры органов чувств Пять человеческих чувств – зрение, слух, вкус, обоняние и осязание – нервная система воспринимает с помощью специальных рецепторных клеток. Рецепторные клетки – «входные устройства» систем органов чувств, которые «сообщают» организму об изменениях во внешней среде. Итак, биосенсоры – датчики для получения информации о процессах, происходящих во внешней среде. Термин «биосенсоры» – скорее технический, чаще всего под ним подразумеваются прежде всего создаваемые современной биотехнологией на основе биомолекул искусственные датчики. Для физиологии «биосенсоры» – это просто рецепторные, или сенсорные, клетки. Они располагаются в органах чувств и предназначены для решения сложной диалектической задачи: изменяться под влиянием внешнего сигнала (иначе он не дойдет до нервной системы), оставаясь, однако, самими собой даже при очень сильных воздействиях. Под словом «рецептор» однозначно подразумевают белковую молекулу, избирательно взаимодействующую с гормоном, нейромедиатором или феромоном, то есть с сигнальным веществом. Что же касается понятия «сенсорные системы», то оно включает в себя не только рецепторные клетки, но и всю систему обработки передаваемых ими сигналов, то есть мозг. Таким образом, например, оптические биосенсоры, (АГУЛ фоторецепторы, превращают видимое изображение в «нейроизображение». Чтобы почувствовать, как наш мозг «видит» и обрабатывает информацию, заключенную в нейроизображении, поставим простой эксперимент. (Этот опыт много лет назад продемонстрировали сотрудники Института проблем передачи информации РАН Г. М. Зенкин и А. П. Петров.) Войдем в хорошо затемненную комнату и, оставаясь там, в течение 10—15 минут, привыкнем к темноте. Затем возьмем в правую руку заранее приготовленную импульсную фотовспышку, направим ее на ближайший предмет, скажем на собственную свободную руку, и нажмем спусковую кнопку. Вспышка длительностью около миллисекунды давно кончилась, свет уже не действует на сетчатку, но мы четко видим... нейроизображение собственной руки. Уберем ее за спину: где же она на самом деле? Глаз (точнее, зрительная система!) говорит, что рука перед нашим лицом, а соматосенсорная система утверждает, что рука за спиной... В течение примерно 10 секунд мы еще видим так называемый последовательный образ. Смотрим глазом, а видим мозгом. Это давным-давно известное человечеству свойство сенсорных систем нашло отражение в языке: «смотреть» и «видеть», если речь идет о зрении, «слушать» и «слышать» – о слухе, «нюхать» и «чуять» – это уже об обонянии. Таким образом, в основе восприятия информации извне лежат сенсорные рецепторы, которые «понимают» язык внешней среды. За ними располагаются более или менее совершенные звенья анализа информации, но они общаются и друг с другом, и с сенсорными рецепторами исключительно на языке нервных сигналов. В зависимости от физической природы воспринимаемых стимулов известные рецепторные клетки включают в себя: фоторецепторы (зрительная система), хеморецепторы (обонятельная и вкусовая системы), механорецепторы (фонорецепторы в слуховой системе, рецепторы органов равновесия, рецепторы наружных покровов тела), терморецепторы, гигро- и электрорецепторы. Возможно, в будущем этот список пополнится. С разными стимулами работают разные сенсорные системы: со светом – зрительная, с механическими колебаниями в среде – слуховая и акустико-латеральная (органы боковой линии у некоторых водных животных), с идентификацией пищевых веществ – вкусовая, с пахучими сигналами – обонятельная; положение организма в пространстве и установку тела определяет система органов равновесия; механические, температурные и ряд иных характеристик внешней среды оценивает соматосенсорная система («осязание»), а электрическую «погоду» в водоемах – электросенсорная. Как уже говорилось, этими системами в том, или ином сочетании снабжены живые организмы, но не все они представлены у человека. 55 Чувствительность и динамический диапазон сенсорных систем В ходе эволюции у многих животных чувствительность сенсорных рецепторов достигла физического предела. Так, фоторецепторы способны регистрировать акты поглощения единичных световых квантов и сигнализировать о них зрительным центрам. Наша слуховая система также находится на высшей грани чувствительности – будь наше ухо на порядок чувствительнее, оно бы воспринимало броуновский шум молекул окружающего воздуха. Электросенсорные системы таких животных, как скаты, замечают изменения напряженности электрических полей всего 0,01 – 0,10 мкВ/см, а обонятельные системы позвоночных обнаруживают 10 – 100 молекул сигнального химического вещества, например полового феромона, примерно среди 2,7 1019 молекул, составляющих 1 см3 воздуха. Диапазон естественных стимулов (его называют динамическим), в котором работают сенсорные системы, чрезвычайно широк. Так, человек пользуется зрением в диапазоне девяти порядков освещенности (от безлунной ночи до солнечных пляжей или горнолыжных курортов). Наша слуховая система, воспринимая акустические колебания между слуховым порогом чувствительности и болевым ощущением, перекрывает 12 порядков. Естественно, что для использования сенсорных систем в столь широких пределах организмам пришлось «изобрести» способы сужения динамического диапазона. Это позволяет приводить внешний сигнал к уровню, доступному для обработки. Одни приспособления (например, линзовая система глаза, ушная раковина) используются для усиления сигнала с целью выделить его из шума, создаваемого средой и самой нервной системой, другие (зрачок глаза позвоночных животных и головоногих моллюсков), наоборот, – для его ослабления. Однако помимо этих устройств сенсорные системы снабжены весьма изощренными способами фильтрации биологически важной информации, которые работают и на уровне одиночной рецепторной клетки, и на уровне сенсорных систем. Изучением принципов детектирования внешних сигналов и обработки полученной информации и занимается сенсорная физиология. Устройство сенсорных рецепторов Необходимость воспринимать внешние сигналы предопределяет и положение сенсорных клеток в организме: как правило, они располагаются на границе с внешней средой, что для весьма чувствительных клеток небезопасно. В наиболее трудных условиях оказываются хеморецепторные клетки – вкусовые и обонятельные. Правда, высшие животные предпочитают периодически отбирать для анализа небольшие отдельные пробы (например, слегка принюхиваясь), а также защищать чувствительную поверхность с помощью специальной защитной смазки (обонятельной слизи у позвоночных, рецепторной лимфы у насекомых), проницаемой для сигнальных молекул. Другие рецепторы защищены иначе. Фоторецепторы, например, изолированы от воздействия химических и механических стимулов прозрачными барьерами (светопреломляющим аппаратом). Рецепторы же органов равновесия и слуха размещаются внутри специальных сложно устроенных органов. Электрорецепторы ската тоже не имеют прямого контакта со средой, а соединяются с ней открывающимися наружу специальными каналами, которые заполнены желе, хорошо проводящим электрический ток, а стенки этих каналов выстланы слоем клеток-изоляторов. Вся система напоминает хорошо известный портативный тестер, состоящий из измерительного прибора и двух проводов со щупами. Обычно у сенсорной клетки различают входное устройство, преобразователь и выходной механизм. На входе специализированный аппарат избирательно воспринимает стимулы извне; задача преобразователя, то есть цепочки биохимических процессов, – усиливать поступивший сигнал и переводить его на язык внутриклеточных сигналов. И, наконец, уже закодированный внутриклеточный сигнал передается на выходе в нервную систему. Рецепторная клетка напоминает айсберг и, подобно ему, имеет надводную и подводную части. Подводная часть взаимодействует с другими клетками, обеспечивая жизнедеятельность своей хозяйки, а также передачу сигнала в нервную систему. Рецепторная клетка, как и любая другая, ограничена мембраной, и естественно, что любое возмущение во внешней среде 56 будет воздействовать прежде всего на надводную часть айсберга – так называемый сенсорный домен. Его мембрана и есть биосенсор органов чувств. Исследования показали, что биосенсор, как правило, оснащен специализированным органоидом – жгутиком. Сенсорные жгутики, часто видоизмененные, поистине вездесущи: они найдены в фоторецепторных клетках позвоночных животных и моллюсков; в обонятельных и слуховых клетках позвоночных и насекомых; в клетках органов равновесия позвоночных, ракообразных, моллюсков; в электрорецепторах ската. Бывает, что к одному или многим жгутикам сенсорного домена клетки добавляются еще и микроворсинки. Эти исследования, показали, что механизмы сенсорной рецепции следует искать в мембране жгутиков и микроворсинок. У позвоночных животных акт фоторецепции начинается с поглощения кванта света молекулой зрительного пигмента – родопсина. Локализован он в мембранах дисков наружного сегмента палочек и колбочек сетчатки. Сам сегмент, по конструкции похожий на пачку леченья, – не что иное, как сохранивший ножку видоизмененный жгутик: в палочках он имеет форму аккуратного цилиндра, а в колбочках – конуса. Внутри его плазматическая мембрана образует многочисленные и регулярно расположенные диски, поставленные перпендикулярно ходу световою луча. Чем длиннее наружный Рисунок 4.1. Рецепторная клетка. сегмент – тем больше дисков должен пересечь луч и тем выше вероятность поглощения кванта (или, что то же самое, – коэффициент поглощения фоторецептора). Что касается обонятельных рецепторов, у самых разных животных мембрана жгутиков и ворсинок обонятельных клеток содержит рецепторные белки, способные взаимодействовать с летучими (и даже малолетучими!) пахучими веществами – одорантами. Как правило, в каждой клетке обонятельного эпителия синтезируется набор из нескольких таких белков. В результате связывания молекул одоранта с различными белками рецепторы возбуждаются в разной степени, и на поверхности эпителия «рисуется» обонятельное «изображение», свое для каждого одоранта. В механорецелторах – так называемых во-лосковых клетках внутреннего уха и органов равновесия позвоночных животных – механическое воздействие, вызванное звуковой волной или силами инерции, отклоняет пучок тесно прилегающих друг к другу ворсинок плазматической мембраны, связанных между собой особыми мостиками. При отклонении пучка ворсинки скользят одна вдоль другой, мостики натягиваются и открывают белковые конструкции – ионные каналы в мембранах для проведения электрического импульса. Таким образом, любая рецепторная клетка настроена на восприятие определенных физических изменений во внешней среде, и детектирование сигнала происходит на молекулярном уровне. Рисунок 4.2. Фото рецепторы. 57 Преобразующие и усилительные каскады Внутриклеточным сигналом, передаваемым на выходное устройство сенсорного рецептора, то есть в нервную систему, служит изменение разности потенциалов на плазматической мембране клетки. Потенциал покоя клетки отрицателен (обычно в пределах от -40 до -60 мВ и под воздействием стимула может или увеличиваться по абсолютному значению, становясь более отрицательным, тогда клетка гиперполяризуется, или уменьшаться, тогда клетка де поляризуется. На молекулярном уровне эти события обусловлены изменением проницаемости клеточной мембраны для катионов (натрия, кальция и калия) или анионов (обычно хлора) за счет активации (открывания) или инактивации (закрывания) ионных каналов. Выходные устройства В обонятельных рецепторах позвоночных и многих беспозвоночных, механорецепторах насекомых имеется специальный механизм, кодирующий интенсивность возбуждения сенсорных клеток в виде нервных импульсов, которые распространяются по отростку клетки – аксону. Чем сильнее внешнее воздействие на сенсорный рецептор, тем больше степень его возбуждения и тем выше частота следования импульсов. Итак, в центральные отделы сенсорных систем поступает импульсная информация. На вопрос, одинаков ли импульсный язык в разных сенсорных системах, пока точного ответа нет. Нервной системе энергия как таковая нужна только для поддержания ее элементов и механизмов в рабочем состоянии. Энергия же посланного сообщения, единственно, должна быть достаточной для его надежного приема на следующем уровне. Так, если в процессе фотосинтеза у растений энергия потока световых квантов тщательно утилизируется и используется для обеспечения всех жизненно важных (функций своего хозяина, то энергия кванта, поглощенного фоторецепторной клеткой, в конечном итоге рассеивается в виде тепла. Для фоторецептора важен только сам факт прибытия кванта, а его энергия практически не используется. По-видимому, каждый тип внешнего воздействия – свет, звук, запах – может анализироваться с помощью весьма ограниченного набора базовых принципов, природных биотехнологических механизмов и нейронных сетей. 4.2 Информационная система человека. Организм человека можно сравнить со сложной информационной системой, в которой выделяются, по крайней мере, четыре уровня. − Высшим уровнем является центральная нервная система. Это особый «процессор», который решает главные задачи – самосохранение организма и его воспроизведение. − Второй уровень – это «процессоры», которые руководят исполнительными органами, выполняющими «команды» центрального «процессора», а также избавляют высший эшелон информационных связей от поступления избыточной информации и от необходимости ее обрабатывать. − Третий уровень системы – это вся совокупность основных функциональных «процесРисунок 4.3. Передача сигналов в нервной соров», которые руководят деятельностью системе человека: 1 – Многовходовый ревсех органов. Их деятельность автономна, цепторный нейрон; 2 – Многоканальный ведь сознание не может и не должно быть промежуточный нейрон; 3 – Многоуровневая связано с каждым из функционирующих орнейронная сеть - ЦНС. ганов, заниматься «мелочной опекой» их ра- 58 боты. − Четвертый уровень – это «процессоры», которые обеспечивают информационную деятельность систем обеспечения, питания всего «компьютера», его защиты от вредных внешних воздействий и «помех». Так в общих чертах можно представить себе информационную систему человека, где автономность сочетается с центральным управлением, что позволяет организму лучше приспосабливаться к складывающимся условиям, мобилизовать силы в критических ситуациях. Нейродинамические принципы формирования биофизических сигналов Для обработки сигналов в реальных системах предложен принципиально новый метод обработки биофизической информации – метод нейродинамического кодирования. Каждая рецепторная клетка организма реагирует на воздействия внешней и внутренней среды, к которым она чувствительна, в пределах ограниченной зоны, называемой рецептивным полем. Если мы проследим за работой одного зрительного анализатора сетчатки, то увидим, что он возбуждается только тогда, когда свет, проходящий через хрусталик, падает на рецептивное поле данного рецептора. Кожный рецептор воспринимает только то, что происходит в его рецептивном поле – в ограниченном участке, расположенном над ним на поверхности кожи. Конфигурация рецептивного поля отдельного рецепторного нейрона, реагирующего на тактильные раздражители, определяется конвергенцией нервных волокон от кожных рецепторов. Любые тактильные стимулы, попадающие в это поле, воспринимаются как исходящие из одного места. Стимулы, действующие в пределах более мелких участков, вообще не дифференцируются. С радиофизической точки зрения рецепторные нейроны представляют собой устройства, преобразующие аналоговые электрические сигналы, приходящие от рецепторов в последовательности бинарных импульсов. Рецепторные нейроны представляют собой динамические детекторы т.к. реагируют только на изменение параметров поступающих на их вход сигналов. Функциональная схема рецепторного нейрона представляет собой адаптивный дискретновременной преобразователь аналоговых сигналов. Рис.4.4. Рисунок 4.4. Функциональная схема рецепторного нейрона. Блок 1 представляет собой интегратор, в котором производится суммирование входных сигналов, поступающих от совокупности однородных рецепторов. Аналоговый сигнал на выходе интегратора характеризует суммарный сигнал рецептивного поля. Блок 2 представляет собой генератор тактовых импульсов, частота следования которых определяется спайковой активностью самого нейрона. Частота спайковой активности нейрона зависит от периода его относительной рефрактерности, который в свою очередь, зависит от амплитуды суммарного сигнала рецептивного поля. Рис. 4.5. Блок 3 – компаратор, в котором производится сравнение сигналов, поступающих из интегратора 1 и аппроксиматора 4 в моменты времени определяемые периодом следования импульсов генератора тактовой частоты 2. 59 Рисунок 4.5. Изменение тактовой частоты в зависимости от сигнала рецептивного поля. На выходе компаратора 3 формируется бинарный код, определяемый знаком разности, между аппроксимирующей функцией формируемой в аппроксиматоре 4 и аналоговым сигналом, поступающим из интегратора 1. Сигналы от совокупности рецепторных нейронов, представляющие собой последовательности бинарных импульсов, поступают на вход промежуточного нейрона, который представляет собой многовходовое приемо-передающее устройство с единственным выходом, рис. 4.6. Рисунок 4.6. Многоканальный промежуточный нейрон В многомодальном интеграторе 1 производится суммирование бинарных последовательностей импульсов, поступающих от рецептивных полей совокупностей нейронов различных модальностей. В физиологии сенсорных систем под модальностями понимаются каналы восприятия информации различными органами чувств, так называемые сенсорные каналы: зрение, слух, обоняние, осязание, вкус и др., а также каналы восприятия информации поступающей из внутренней среды организма. Таким образом, бинарный код на выходе компаратора 3 представляет собой последовательность бинарных импульсов, частота следования которых определяется модальностью сенсорного канала. На выходе промежуточных нейронов различных модальностей формируются последовательности бинарных импульсов, периоды следования которых определяются модальностями сенсорных каналов. Основная особенность работы промежуточных нейронов сенсорных каналов различной модальности состоит в том, что частота тактовых импульсов в генераторах 2 каналов 1,2,3 различна и определяется номером канала. Таким образом, последовательности бинарных импульсов на выходах промежуточных нейронов каналов 1,2,3 будут следовать с различной частотой. Как было показано, последовательности бинарных импульсов на выходах промежуточных нейронов сенсорных каналов формируются с частотой строго определенной для каждого канала. Эти последовательности поступают на вход центральной нервной системы, в которой формируются нейродинамические коды всех сенсорных каналов. 60 Рисунок 4.7. Принципы обработки сигналов в промежуточных нейронах сенсорных каналов различной модальности. Нейродинамические коды отдельных каналов представляют собой комбинации бинарных импульсов с конечным и строго определенным числом элементов. Нейродинамические коды формируются в различных временных интервалах, определяемых модальностью канала. Фундаментальным свойством нейродинамических кодов является то, что их количество равно числу элементов кода, а число элементов кода равно числу каналов. Реализация всей совокупности нейродинамических кодов – “нейродинамическая матрица” заканчивается, когда формируется полнозначная комбинация элементов нейродинамического кода сенсорного канала, имеющего наибольший период. Фундаментальное свойство такой модели состоит в том, что каждой элемент этой модели функционирует как модель в целом, и количество вложенностей равно числу элементов кода и равно количеству сенсорных каналов. 4.3 Общие характеристики анализаторов. Целесообразная деятельность человека основывается на постоянном приеме и анализе информации о характеристиках внешней среды и внутренних систем организма. Этот процесс осуществляется с помощью анализаторов − подсистем центральной нервной системы (ЦНС), обеспечивающих прием и первичный анализ информационных сигналов. Общая функциональная схема анализатора представлена на рис. 4.8. Центральной частью является некоторая зона в коре головного мозга. Периферическая связь − рецепторы − вынесена на поверхность тела для приема внешней информации либо размещена во внутренних системах и органах для восприятия информации об их состоянии. Проводящие нервные пути соединяют рецепторы с соответствующими зонами мозга. Рецепторы, выполняющие функции датчиков, воспринимают поступающие к ним сигналы из окружающей среды, осуществляют их частичную переработку и преобразуют их в биоэлектрические сигналы, которые затем передаются по нервным путям в ЦНС. В процессе анализа в ЦНС вырабатываются биоэлектрические команды, передающиеся по нервным путям обратно к рецепторам и обеспечивающие их оптимальную настройку в зависимости от характеристик воспринимаемых сигналов и других факторов. Наряду с центральным управлением существуют автономные периферические системы подстройки рецепторов. В зависимости от специфики принимаемых сигналов различают следующие анализаторы. Внешние: зрительный (рецептор-глаз), слуховой (рецептор-ухо), тактильный, болевой, темпера- 61 турный (рецепторы кожи), обонятельный, вкусовой. Внутренние: анализатор давления, кинестатический (рецепторы в мышцах и сухожилиях), вестибулярный (рецептор в полости уха), специальные, расположенные во внутренних органах и полостях тела. Рецептор Головной мозг Нервные связи Внешние сигналы Рисунок 4.8. Функциональная схема анализатора Основные параметры анализаторов: Абсолютная чувствительность к интенсивности сигнала характеризуется минимальным значением воздействующего раздражителя, при котором возникает ощущение. Абсолютный порог измеряется в единицах энергии, давления, температуры, количества или концентрации вещества и т.п. Предельно допустимая интенсивность сигнала (обычно близка к болевому порогу) измеряется в тех же единицах. Диапазон чувствительности к интенсивности включает все переходные значения раздражителя от абсолютного порога чувствительности до болевого порога. Дифференциальная (различительная) чувствительность к изменению интенсивности сигнала – это минимальное изменение интенсивности сигнала, ощущаемое человеком. Границы (диапазон) спектральной чувствительности (абсолютные пороги ощущений по частоте, длине волны) определяются для анализаторов, чувствительных к изменению частотных характеристик сигнала (зрительного, слухового, вибрационного), отдельно нижний и верхний пороги. Дифференциальная (различительная) чувствительность к изменению частоты сигнала (дифференциальный различительный порог по частоте). Минимальная длительность сигнала, необходимая для возникновения ощущения. Условия деятельности человека связаны с явным преобладанием зрительной информации (до 90% общего объема), на втором месте стоит использование звуковых сигналов и речи, и очень незначительный объем приходится на долю всех остальных анализаторов. Поэтому наибольшее внимание в данном пособии уделяется зрительному и слуховому анализаторам. 4.4 Зрительный анализатор Назначение зрительного анализатора – это прием и анализ информации в световом диапазоне (400÷760 нм). Строение глаза показано на рис.4. Свет, проходя через отверстие в радужной оболочке, называемое зрачком и имеющее диаметр 2÷8 мм, преломляется роговицей и хрусталиком. В результате на сетчатке, выстилающей внутреннюю поверхность глазного яблока, образуется четкое изображение внешних объектов. В сетчатке с помощью фоторецепторов (палочек и колбочек) изображение преобразуется в биоэлектрические сигналы. В месте выхода из глаза зрительного нерва, называемого слепым пятном, фоторецепторы отсутствуют и ощущения света не возникает. Сложное строение сетчатки, содержащей несколько слоев специализированных клеток различного назначения, обеспечивает предварительную обработку информации. Для дальнейшей обработки выходные сигналы по зрительному нерву, содержащему (8-10) 5 10 волокон, передаются в зрительный корковый центр. Зрительная система человека имеет механизмы, обеспечивающие ее настройку в соответствии с внешними условиями, направление глаз на воспринимаемый объект осуществляется с помощью глазодвигательных мышц, резким изображение на сетчатке разноудаленных объектов получается благодаря изменениям кривизны хрусталика, количество света, попадающего в глаз, регулируется диаметром зрачка, при значительных изменениях яркости воспринимаемых объектов изменяется чувствительность фо- 62 торецепторов (процесс адаптации). Рисунок 4.9. Строение глаза человека Глаз человека обладает определенной разрешающей способностью по угловому расстоянию. При оптимальной освещенности и контрастности два элемента, угловое расстояние между которыми меньше одной минуты, воспринимаются как единое целое. Поэтому изображение можно разбить на конечное число элементов. Если размеры каждого элемента будут порядка одной минуты, то глаз не заметит составной структуры и будет воспринимать изображение цельным. Следствием ограниченной разрешающей способности по угловому расстоянию является ограниченная разрешающая способность глаза по перемещениям. Человек не обнаружит различия в двух последовательно наблюдаемых картинах, если перемещения предметов на них невелики. При частоте смены изображений 25 Гц эффект движения передается достаточно хорошо. Сущность цветного зрения сводится к следующему. Установлено, что человеческий глаз воспринимает различные цвета благодаря колбочкам – цветочувствительным клеткам, расположенным на сетчатке глаза. Существует три вида колбочек: одни реагируют на синий, другие – на зеленый, третьи – на красный цвет. Световой поток, попадающий в глаз от рассматриваемого объекта, возбуждает колбочки. Различные колбочки при этом возбуждаются по-разному. В зависимости от соотношения возбуждений трех видов колбочек создается ощущение того или иного цвета. Смешивая в различных пропорциях красный, зеленый и синий цвета, можно получить все необходимые оттенки. Глазу свойственна инерционность зрительного ощущения (зрительная память), т.е. глаз продолжает видеть предмет в течение некоторого времени после его исчезновения. Время зрительной памяти зависит от яркости источника. Для средней яркости современных телевизионных экранов оно составляет около 0,02 с. Следовательно, если за 0,02 с показать все элементы изображения один за другим, то глаз не заметит поэлементной передачи, у человека будет впечатление, что рассматриваемое им изображение показано все сразу. Благодаря этому свойству человеческого зрения в телевидении оказалось возможным передавать изображение последовательно по элементам (развертка изображения) по одному каналу связи. 4.5. Прием и обработка аудио информации слухом. Слуховой анализатор. Прежде чем перейти к анализу механизмов, лежащих в основе нашей способности слышать, необходимо ознакомиться с основными понятиями науки о звуке – акустики. Звук можно определить как последовательность распространяющихся волн сжатия и разрежения в окружающей нас среде. Давление в звуковой волне колеблется относительно величины среднего атмосферного давления, и относительная амплитуда этих колебаний обычно не превышает 0,5%. Основными параметрами звуковой волны являются ее частота, амплитуда (или интенсивность) и скорость распространения. Частота звуковой волны полностью определяется характеристиками источника звука и скоростью его движения относительно звукоприемника (эффект Доплера). Амплитуда звука в данной точке зависит не только от мощности источника и расстояния до него, но и от свойств окружающей среды. Почти все происходящее на Земле рождает звук. Звук есть везде, и проникает повсюду. В отличие от света, звук может «преодолевать» твердые и непрозрачные преграды, а также легко 63 огибать их. Понятие о языках вызывает ассоциации с человеческой речью. В основе человеческой речи лежит излучение и приём акустических волн, распространяющихся в воздухе, а также в жидкостях и твёрдых телах. Живым организмам для генерации звуков необходимо два укрупнённых блока: механизм для излучения звуковых волн и управление генерацией звуков, формирующее сигнал-волны. Управление генерацией звуков находится в центре вокализации в лимбической системе мозга. Механизм для генерации звуков есть гортань. В формировании звуков как сигналов участвует ротовая полость в роли резонатора. Такой механизм позволяет генерировать сложные звуковые сигналы, используя мышцы для управления спектром и автокорреляцией. Управление гортанью и формой ротовой полости, необходимое для развитой речи, возможно, если в гортани выполнено специфическое механическое условие – присутствует косточка её называют гиоид (рис. 4.10). Обработка сигналов органов слуха, в частности, человека происходит по принципам известных в технике анализаторов спектра колебаний. В применениях к электромагнитным колебаниям эти приборы похожи на обычные радиоприёмники - изменяется частота настройки резонансного контура приёмника и регистрируется амплитуда колебаний в функции от частоты настройки. В ухе человека сканирование во времени резонансной акустической настройки заменяется улиткой – полостью, в которой резонанс на разных частотах имеет адрес в пространстве. Нервные клетки вдоль улитки (рецепторы) регистрируют спектр принятых ухом сигналов, обработка которого другими нервными клетками включает в себя определение функций автокорреляции в них. Рецепторы в органах слуха отличаются от рецепторов глаза. Нейроны и их связи в этой системе иные. Но аналогия с принципами зрения остаётся – слух это есть формирование случайных сигналов, передаваемых в мозг. Функция распределения этих сигналов зависит от спектра и автокорреляции принятых звуковых волн. Рисунок 4.10. Строение ротовой полости и гортани человека Слуховой анализатор. Назначение слухового анализатора – прием и анализ сигналов, передаваемых колебаниями упругой среды в диапазоне 16-20000 Гц. На рис. 4.11. показано ухо человека в разрезе. Оно состоит из трех частей: наружного, среднего и внутреннего уха. Наружное ухо – это ушная раковина и оканчивающийся в ней наружный слуховой проход. Элементы наружного уха служат для того, чтобы подводить энергию звуковых волн к барабанной перепонке – мембране, полностью перекрывающей наружный слуховой проход в самом его конце. Барабанная перепонка и соединенная с ней цепочка из трех слуховых косточек (наковальня, молоточек и стремя) – элементы среднего уха – передают звуковые колебания дальше, в элемент внутреннего уха, называемый улиткой, где они преобразуются в последовательность нервных импульсов, идущих в мозг по слуховому нерву. 64 Рисунок 4.11. Схематическое изображение уха человека: 1–ушная раковина , 2 – слуховой проход; 3 – барабанная перепонка; 4–молоточек; 5 – наковальня; 6 – стремя; 7 – мембрана овального окна; 8 улитка; 9 – мембрана круглого окна; 10 – евстахиева труба Внутреннее ухо представляет собой замкнутую полость в височной кости черепа. Только в области овального и круглого окон имеются эластичные мембраны, которые могут прогибаться. Вся полость внутреннего уха заполнена жидкостью. Последняя из слуховых косточек среднего уха – стремя – прикреплена к мембране овального окна и передает, таким образом, звуковые колебания жидкой среде внутреннего уха. Звуковые колебания, распространяющиеся во внутреннем ухе от овального до круглого окна, деформируют специальные волосковые клетки, возбуждение которых дает начало нашим слуховым ощущениям. Оптимальная конструкция среднего уха и высокая чувствительность волосковых клеток внутреннего уха позволяют воспринимать такие низкоамплитудные звуковые колебания, которые находятся за пределами чувствительности современных акустических систем. Так, минимальная интенсивность звука, которую способно почувствовать ухо человека, составляет около 10-8 Вт/м2 при частоте звука 3 кГц, а максимальная интенсивность звука, которую ухо еще может переносить, близка к 1 Вт/м2. Важно не только услышать звук, но и определить, откуда он исходит. Использование вокодеров Применение вокодеров дает повышение разборчивости речи в условиях помех, так как сигналы передаются в телеграфном режиме со специальным помехоустойчивым кодированием. Речь, передаваемая с помощью вокодерной связи идет с высоким уровнем и характеризуется разборчивостью даже при наличии сильных помех. Импульсная форма сигнала дает возможность засекречивания речи. Такую закодированную речь невозможно раскодировать современными методами. Кроме того, вокодерная связь дает возможность значительного увеличения числа каналов в системах связи. Для обычного речевого сигнала требуется пропускная способность 64 кбит в секунду, что в 25 раз больше, чем для полосного вокодера, и в 50 раз больше, чем для фонемного вокодера. Вокодерную связь в США применяют с 1959 года в военной авиации. В настоящее время выпускают аппаратуру для коммерческой связи. Выпускаются на новой элементной базе с цифровыми методами анализа и синтеза речевого сигнала. Вокодер – устройство, в передающей части которого из речевого сигнала выделяются параметры, определяющие информативность речи. К этим параметрам относятся: спектральная огибающая звуков речи и параметры основного тона, т.е. произношение звуков речи, медленно изменяющихся во времени. Параметры основного тона управляют частотой генератора основного тона, находящегося в приемной части вокодера. Напряжение от генератора, создающего импульсы, сходные с импульсами гортани, подается на сложный фильтр, имитирующий акустическую систему речевого тракта для звонких звуков. При синтезе глухих звуков речи гене- 65 ратор создает шумовое напряжение, подаваемое на фильтры, имитирующие систему речевого тракта для глухих звуков. Параметрами этих фильтров и уровнем звуковой речи управляют характеристики, выделенные из речи на передающем конце вокодера. В результате восстанавливается спектральная огибающая речевого сигнала. Качество и разборчивость – высокие. В зависимости от типа выделяемых параметров сигналы различают полосные, гармонические, формантные и фонемные вокодеры. В полосных выделяется комплекс ординат спектра в узких полосках. В гармонических – коэффициент Фурье от разложения спектральной огибающей в функцию гармоник. В формантных выделяются частоты и амплитуды формант. В фонемных – произнесенный звук. Т. к. эти параметры изменяются во времени со скоростью произнесения звуков речи 8-10 дБ/с, то частотный диапазон каждого параметра <= 20-25 Гц. Во всех типах вокодерах выделяется параметр – частота основного тона. В полосных вокодерах берут 12-18 полос. Динамический диапазон каждого параметра <= 25 дБ. При переводе параметров в импульсную форму достаточен 4-хзначный код (16 значений по 1,5 дБ), а во времени 50 отсчетов в секунду. Необходимая пропускная способность – 3600 импульсов в секунду. В гармонических вокодерах скорость передачи меньше. В наиболее распространенном типе формантных вокодеров выделяют 4 формантных частоты и 4 формантных уровня. Динамический диапазон не больше 20 дБ. Достаточен 3-значный код (8 значений по 2,5 дБ) и 40 отсчетов в 1 секунду. Пропускная способность – 900 импульсов секунду и 240 импульсов в секунду на основном тоне. Для фонемного вокодера – 300 импульсов в секунду, но теряется информация об индивидуальности говорящего. Разработана эквивалентная электрическая схема – модель звукового анализатора. Модель – 140 звеньев-резонаторов, соответствующих волокнам мембраны. Посл. индуктивности соответствуют в модели соколеблющейся массе лимфы. Ток в параллельных звеньях соответствует скорости колебаний волокон. Разрешающаяся способность слухового анализатора такова, что полоса пропускания резонатора слухового анализатора составляет для моноурального слушания - 50 Гц на частоте 300 Гц, 60 Гц на 1000 Гц, 150 Гц на 3000 Гц. Эти полосы пропускания – критические полоски звука. Критическими полосками пользуются при расчете разборчивости речи, при расчете громкости шума. Воспринимаемый ухом диапазон: 16 - 20 Гц – 16 кГц - 20 кГц. В этом диапазоне человек запоминает только несколько сотен градаций частоты, причем число этих градаций уменьшается с уменьшением интенсивности звука и в среднем составляет 150. Соседние градации в среднем отличаются друг от друга по частоте приблизительно на 4%. Человек может различить изменение частоты на 0,3% на средних частотах при условии сопоставления двух тонов, непосредственно следующих друг за другом. При медленном изменении частоты тона по синусоидальному закону слух обнаруживает эти изменения, когда девиация частоты составляет около 2% от ширины частотной группы на низких частотах – 100 Гц, минимально ощущаемая девиация – 1,8 Гц. На частотах, больших 500 Гц – 2%. Построены зависимости минимально ощущаемой девиации тона от частоты модуляции для разных частот тонов и уровня звука по интенсивности 70 дБ. Субъективную меру частоты колебания звука называют высотой. Высота тона на низких и средних частотах до 100 Гц для чистого тона почти пропорциональна частоте. На высоких частотах зависимость близка к логарифмической. Условились высоту тона с частотой 1000 Гц и уровнем ощущения 40 дБ считать равной 1000 мел. Для звука, состоящего из ряда составляющих, его высота связана с частотами и интенсивностями составляющих сложным образом. Для частоты часто применяют логарифмический масштаб. За 1 принимают октаву и ее доли. Октава – частотный диапазон, для которого отношение крайних частот равно 2. Октавы делят на ½ и 1/3. Нелинейные свойства слуха Под воздействием звука, имеющего одну частотную составляющую (чистый тон) с уровнем 100 дБ человек слышит тон 2-й гармоники, как бы имеющей уровень 88 дБ и слышит тон 3й гармоники с уровнем 74 дБ. Наличие этих гармоник в ощущении можно проследить с помощью опытов. 2-я и 3-я гармоники – субъективны. При слушании двух чистых тонов, с частота66 ми, не попадающими в одну и ту же критическую полоску слуха, человек часто слышит тон разностной частоты с достаточно высоким уровнем ощущения и с меньшим уровнем ощущений слышит тон суммарной частоты. Например, если уровень каждого из чистых тонов по 60 дБ, то уровень разностного тона – 40 дБ. При уровнях, составляющих 80 дБ, уровень разностного тона – 80 дБ. L P ≈ L1 + L2 − 80 . При воздействии сложного тона, имеющего большое число гармоник, комбинационные составляющие будут иметь частоты, равные частотам гармоник. При воздействии звука, состоящего из тонов с некратными составляющими, получается засорение спектра многочисленными комбинационными частотами, несовпадающими по частоте с исходными. Восприятие по амплитуде Порог слышимости Если волокно основной мембраны при своих колебаниях не достигает до ближайшего к нему нервного окончания, то человек такой звук не слышит. При увеличении амплитуды колебаний волокна оно касается нервного окончания и происходит раздражение. Нервное окончание начнет посылать электрические импульсы в слуховой центр мозга и звук будет услышан. Этот скачкообразный переход из неслышимого состояния в слышимое называется порогом слышимости. Абсолютное значение слухового ощущения на пороге слышимости мало, но имеет вполне конечное значение. Порог слышимости зависит от частоты. На рисунке приведены зависимости порогов слышимости, причем по y отложены уровни интенсивности звука (уровни звукового давления), по х – частоты. 1) Частотная зависимость уровня порога слышимости для биноурального слушания, когда давление создается множеством источников звука в горизонтальной плоскости вокруг головы человека. 2) Биноуральное слушание, когда источник звука перед слушателем (фронтальный порог). 3) Моноуральное слушание. Часто приходится иметь дело с различными зависимостями порога слышимости от частоты. Разница между ними обусловлена разницей в условиях измерений порога. Так, кривая 2 дана для случая измерения уровня звукового тона при слушании двумя ушами. Кривая 3 дает порог слышимости для уровней звука, измеренных около ушной раковины при слушании через телефон. Кривая 2 представляет порог для фронтального падения звуковой волны, а кривая 1 – для всестороннего падения (диффузный порог). Уровень ощущений При плавном увеличении интенсивности звука возле пороговой слуховые ощущения нарастают скачками по мере увеличения числа возбужденных нервных окончаний. Значения скачков могут быть найдены по графикам зависимости относительных изменений интенсивности звука от частоты тона. Увеличение уровня интенсивности тона в конце концов приводит к появлению ощущения боли (болевой порог). Порог на максимуме составляет по интенсивности 1 Вт/м2, тогда как минимальный порог слышимости на частоте 3 кГц – 10-13 Вт/м2. Т.о., динамический диапазон по уровню звука от порога слышимости до болевого порога – 130 дБ. Между болевым порогом и порогом слышимости несколько сотен элементарных скачков ощущения, причем на низких и высоких частотах незначительно меньше, чем на средних. Дискретное восприятие звука по частоте и амплитуде дает ≈22000 элементарных градаций во всей области слухового восприятия. Одинаковое относительное изменение раздражающей силы вызывает одинаковые приращения слухового ощущения. Слуховые ощущения пропорциональны логаI рифму раздражающей силы E = 10 ⋅ lg , где Е – уровень ощущения в дБ. I0 E = L I − L ПС , L I = 10 ⋅ lg I + 120 . Таким образом, уровень ощущения – уровень над порогом слышимости. Уровень громкости Условились за уровень громкости любого звука принимать уровень в дБ равногромкого с ним тона частотой 1 кГц. За 1 уровня громкости принята единица фон. Обозначается LG фон=LI 1000 Гц, дБ. Чтобы определить уровень громкости нужно взять чистый тон 1 кГц и изменять его уровень интенсивности до тех пор, пока его громкость не будет на слух одинаковой с громко67 стью определяемого звука. При этом искомая величина громкости этого звука в фонах будет численно равна уровню интенсивности эталонного звука. Эффект маскировки В условиях шума и помех порог слышимости для приема слабого звука возрастает. Это повышение порога слышимости – маскировка. Величина маскировки определяется величиной повышения порога слышимости для принимаемого звукового сигнала: M=Lпсш-Lпст. При повышении порога слышимости соответственно изменяется и уровень ощущения. Уровень ощущеI , где I ПСШ - интенсивность звука порога слышимости в ния в условиях шума E Ш = 10 ⋅ lg I ПСШ условиях шума. E Ш = L I − L ПСШ = ET − M , M = L ПСШ − L ПСТ , М – маскировка. Уровень ощущения звукового сигнала изменяется при изменении уровня шумовых помех, даже при неизменном уровне самого сигнала. Низкочастотные тона сильнее маскируют высокочастотные, чем наоборот. При разности частот около нескольких 10-ков Гц величина маскировки начинает уменьшаться из-за биений и при равенстве частот она имеет минимум. Такие же минимумы наблюдаются и на частотах, кратных частоте маскирующего тона. Это вызывает появление биений между маскирующим тоном и его субъективными гармониками. Кривые маскировки для ряда частот и их уровней По оси Х отложена частота маскируемого тона, по оси ординат – величина маскировки. Параметры кривых – уровень ощущений маскируемого тона. Громкость сложных звуков Если тональные или шумовые составляющие попадают в одну и туже частотную группу, то их суммирование происходит по интенсивности. Громкость такого сложного звука определяется суммарной интенсивностью, т.е. суммарный уровень для двух составляющих с одинаковым уровнем будет на 3 дБ выше и на столько же увеличится уровень громкости (если уровень составляющих выше 70 дБ). Если несколько тонов или узкополосных шумов расположены на частоте так далеко друг от друга, что их взаимной маскировкой можно пренебречь, то их суммарная громкость будет равна сумме громкостей каждой из составляющих. Если составляющие сложного звука расположены по частоте близко друг к другу и наблюдается взаимная маскировка между ними, то громкость такого сложного звука будет меньше суммы громкостей всех составляющих. Первичные акустические сигналы и их источники К первичным сигналам относят сигналы, создаваемые речью, а также шумовые сигналы. Акустические сигналы относятся к случайным процессам. В музыкальных сигналах очень большие участки могут иметь периодический характер, но в среднем для больших интервалов времени и музыкальные сигналы могут считаться случайными. Поэтому акустические сигналы определяют распределениями по времени, по уровню и частоте, средним значением по уровню, динамическим диапазоном, формой спектра, частотным диапазоном и временем корреляции отдельных участков сигнала. Динамический диапазон и уровни В процессе передачи речевой информации уровень акустического сигнала непрерывно изменяется. Диапазон изменения может быть довольно широким. На рисунке показана зависимость уровней сигнала от времени, называемая уровнеграммой. Она представляет собой временную зависимость уровня. С определенной степенью точности можно считать, что уровень сигнала изменяется по случайному закону, поэтому его можно характеризовать интегральным распределением и средними значениями для этого распределения. Установлено, что среднее распределение уровней, полученных для первичных речевых сигналов, близко к нормальному. Введено понятие квазимаксимального уровня сигнала. Для этого уровня относительная длительность существования уровней не ниже Lмакс, равна 1% для речевых и информационных сигналов. Квазиминимальный уровень – для этого уровня относительная длительность существования уровней выше Lмин составляет 99 %. Что адекватно относительной длительности существования уровней не выше Lмин, равной 1-2 %. 68 Разность между квазимаксимальным и квазиминимальным уровнями называется динамическим диапазоном речевого сигнала. Т.о. , находят динамические диапазоны для ряда первичных акустических сигналов, включая речевой. Вещательный диапазон очень широк, поэтому в большинстве случаев не может быть передан через тракты вещательных каналов без предварительной обработки, например сжатие или компрессия динамического диапазона. Речевой сигнал имеет широкий динамический диапазон по отношению к трактам связи, поэтому при передачи его также приходится предварительно сжимать. Поскольку уровень акустического сигнала изменяется в широких пределах, то введено понятие ср. уровня. Ср. уровень интенсивности акустического сигнала можно определить или исходя из того, как человек его ощущает, или как он воспринимается соответствующей аппаратурой: т.е. как среднестатистический для участков и интервалов времени, достаточно длительных, или как средний уровень, измеряемый прибором, имеющим большую постоянную времени (порядка 5 с.). Для первичных сигналов необходимо знать эти средние значения, т. к. первичный сигнал в системах связи принимается и человеком и аппаратурой. Все эти средние значения можно измерить, если соответственно подобрать постоянную времени. Для получения усредненного значения постоянную времени берут порядка 15 с. Пик-фактор – разность между квазимаксимальным и усредненным за длительное время (около 15 с. для речи) уровнями. Пикфактор показывает, на сколько ниже надо взять усредненный уровень передачи по сравнению с уровнем ограничения в канале, чтобы не перегружать канал. t 1 0  t −t П = Lmax − Lmin П = Lmax − Lср I ср = ∫ f (t ) exp − 0 dt Т −∞ T   I ср f(t) – временная зависимость интенсивности сигнала. Lср = 10 ⋅ lg = 10 ⋅ lg I ср , Вт + 120 I0 В таблице приведены данные для речи пиковой мощности и пик-фактора. Пиковое Условия Среднее звуРасстояние, значение Пик-фактор, Область пипроизнесековое давлесм мощности, дБ ков, Гц ния речи ние, Па мВт Телефонная речь: - средняя 2,5 2 0,24 12 250…500 - громкая 2,5 4 4 18 500…1000 - тихая 2,5 1 0,025 8 250…500 Обычный 100 0,05 0,5 10 250…500 разговор Оратор 100 0,1 2 12 250…500 Частотный диапазон и спектры Акустический сигналы от каждого из первичных источников звука, используемых в системах вещания, связи, как правило имеют непрерывно изменяющиеся форму и спектры. Эти спектры могут быть дискретными, сплошными и смешанными; высокочастотными, низкочастотными. Дискретные спектры – содержатся частоты (300-600-1200 Гц). Дискретные спектры могут быть гармоническими, т.е. представлять спектр сложного тона, и тонарными, т. е. представляющими суммарный спектр ряда сложных тонов, различающихся по частоте. Сигнал с гармоническим спектром может быть представлен в виде ряда Фурье сле∞ [ дующим образом: f (t ) = ∑ C K ⋅ exp i 2πkt −∞ ]= C T ∑ ∞ −∞ K ⋅ exp(ikω 1t ) . ω1 – угловая частота колебаний первой гармоники C K = c K ⋅ exp(iϕ K ) . Ск – комплексная амплитуда. 69 ∞ В вещественной f (t ) = C 0 + ∑ (a K cos kωt + bK sin kωt ) , форме: где K =1 T 2 1 2 2πkt 2 2πkt C 0 = ⋅ ∫ f (t )dt , a K = ⋅ ∫ f (t ) ⋅ cos ⋅ dt , bK = ⋅ ∫ f (t ) ⋅ sin ⋅ dt . T −T 2 T T T T ∞ Сигналы с некратными частотами: f (t ) = ∑ C K ⋅ cos(ω K t + ϕ K ), K =1 T 1 1 ⋅ ∫ f (t ) ⋅ cos ω K t ⋅ dt , bK = lim ⋅ ∫ f (t ) ⋅ sin ω K t ⋅ dt . T →∞ T T →∞ T Различают сигналы с почти периодическими и квазигармоническими спектрами. К первым относятся сигналы, состоящие из нескольких сложных тонов с некратными основными частотами. Ко вторым относятся спектры типа спектров амплитудной и частотной модуляции с несущей частотой, не кратной основной частоте модулирующего сигнала. Для сплошного спектра его плотность по амплитуде может быть найдена по следующей формуле: a K = lim S (ω ) = ∞ ∫ f (t ) ⋅ exp(iωt )dt −∞ ∞ 1 ⋅ S (ω ) ⋅ exp(iωt )dω . Сигнал можно описать: f (t ) = 2π −∫∞ Для процессов, ограниченных во времени введены понятия текущего и мгновенного спектра. S МГН (ω ) = t0 ∫ f (t ) ⋅ h(t − t ) ⋅ exp(iωt )dt , где h(t0-t) – весовая функция. −∞ На практике часто приходится иметь дело с энергетическим спектром сигнала. Под ним понимается огибающая квадратичных зн-ний амплитуд частотных составляющих сигнала (для дискретных спектров) или плотность спектра квадрата амплитуд (для сплошных спектров). Первичный речевой сигнал Речь с физической точки зрения состоит из последовательностей звуков с паузами между ними или их группами. При нормальном темпе речи паузы появляются между отрывками фраз, так как при этом слова произносятся слитно. При замедленном темпе речи, при диктовке паузы могут делаться между словами и их частями. Один и тот же звук речи каждый человек произносит по разному. Каждому свойственна своя манера произнесения звуков, но при всем разнообразии их произнесения, звуки являются физической реализацией ограниченного числа фонем. Фонема – то, что человек хочет произнести, а звук – то, что фактически произносит. В русском языке насчитывается 42 основных и 3 неопределенных фонемы. Звуки делятся на звонкие и глухие. Звонкие звуки образуются с участием голосовых связок, находящихся в напряженном состоянии. Импульсы потока воздуха, создаваемые голосовыми связками с достаточной степенью точности могут считаться периодическими. Соответствующий период повторения импульсов называется периодом основного тона. Обратная величина называется частотой основного тона. Если связки тонкие и сильно напряжены, то период получается коротким, а частота – высокой. Частота основного тона для всех голосов лежит в пределах: 70 – 450 Гц. При произнесении речи частота основного тона непрерывно изменяется в соответствии с ударением, подчеркиванием отдельных звуков и слов, а также при проявлении эмоций. Изменение частоты основного тона называется интонацией. У каждого человека совой диапазон изменения основного тона. Обычно бывает немногим более октавы. Интонация имеет большое значение для узнаваемости говорящего. Основной тон, интонация и тембр голоса служат для опознавания человека, причем достоверность опознавания выше, чем при отпечатках пальцев. Это свойство используют для создания аппаратуры, срабатывающей только для определенного голоса. Импульсы основного тона имеют пилообразную форму, и поэтому при их периодическом повторении получается дискретный спектр с большим числом гармоник (до 40) с частотами, кратными частотам 70 основного тона. Огибающая спектра основного тона имеет спад в сторону высоких частот с крутизной около 6 дБ на октаву. Поэтому, например, для мужского голоса с частотой 3 кГц ниже уровня составляющих на 100 Гц примерно на 30 дБ. При произнесении глухих звуков связки находятся в расслабленном состоянии и поток воздуха из легких свободно проходит в полость рта. Встречая на своем пути различные преграды, он образует завихрения, создающие шум со сплошным спектром. При артикуляции в речеобразующем тракте создаются резонансные полости, определенные для каждой фонемы. При произнесении звуков речи через речевой тракт проходит или тональный импульсный сигнал, или шумовой, или оба вместе. Речевой тракт представляет собой сложный акустический фильтр с рядом резонансов, создаваемых полостями рта, носа, носоглотки, т.е. с помощью артикуляционных органов речи. Вследствие этого равномерный, тональный или шумовой спектр превращается в спектр с рядом максимумов (формант) и минимумов (антиформант). Для каждой фонемы огибающая спектра имеет индивидуальную и вполне определенную форму. При произнесении речи спектр ее непрерывно изменяется и образуются формантные переходы. Речь человека: от 70 до 7000 Гц. Звонкие звуки речи, особенно гласные, имеют высокий уровень интенсивности. Глухие согласные – самый низкий уровень интенсивности. При произнесении речи громкость ее непрерывно изменяется. При произнесения взрывных звуков речи – особенно резко. Динамический диапазон уровней речи находится в пределах 35 – 45 дБ. Гласные звуки имеют длительность 0,15 сек. Согласные – 0,08 сек. Самый короткий звук (П) – 30 мсек. Звуки речи неодинаково информативны. Гласные звуки – малоинформативные, а глухие согласные – наиболее информативны. Разборчивость речи снижается при действии шумов в первую очередь из-за маскировки глухих звуков. Известно, что для передачи одного и того же сообщения по телеграфу и по обычным линиям связи требуется различная пропускная способность трактов. Для телеграфного сообщения достаточно не более 100 бит/сек (бод). А для речевого – 100000 бод. При полосе 7000 Гц и динамическом диапазоне 42 дБ требуется семизначный код. Образование звуков речи происходит путем передачи команд мускульным артикуляционным органом от речевого центра мозга. Общий поток сообщений от мозга составляет в ср. 100 бод. Вся остальная информация – сопутствующая. Речевой сигнал – модулированная несущая. Его спектр может быть описан: p(ω)=E(ω)·F(ω), где E(ω) – спектр генераторной функции, F(ω) – фильтровая функция речевого тракта – модулирующая кривая. Эта модуляция – спектральная. При ней несущая имеет широкополосный спектр, а в результате модуляции изменяется соотношение между частотными составляющими, т.е. изменяется форма огибающей спектра. Почти вся информация о звуках речи заключена в спектральной огибающей речи и ее временном изменении. Установлено, что избыточность самого речевого сигнала превышает избыточность телеграфного сигнал с таким же сообщением. Речевой сигнал отличается от телеграфного тем, что в последнем нет информации об эмоциях, личности говорящего, а также исключается сопутствующая информация. Для передачи смысла речи достаточно передавать следующие сведения: о форме огибающей спектра речи, о ее временном изменении в темпе изменения звуков речи, а также изменение основного тона речи и переходов тон-шум. ЛЕКЦИЯ №5. ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ И ГЛОБАЛЬНЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ. 5.1. Методы и средства защиты информации Понятие о компьютерной безопасности Согласно статистическим данным более 80% учреждений и организаций несут финансовые убытки из-за нарушения безопасности данных. Это связано с глубокими изменениями, вносимыми компьютерной технологией в нашу жизнь. Изменился сам подход к понятию «информация». Этот термин сейчас больше используется для обозначения специального товара, который можно купить, продать, обменять на что-то другое и т. д. При этом стоимость подобного товара зачастую превосходит в десятки, а то и в сотни раз стоимость самой вычислительной техники, в рамках которой он функционирует. 71 Большая часть пользователей не осознает, что постоянно рискует своей безопасностью, коммерческими и личными тайнами. Лишь немногие защищают свои данные. Проблемы значительно усложняются, когда начинается работа в сети, так как хакеру намного легче в это время заполучить или уничтожить информацию, находящуюся на компьютере. Существует отдельный тип программистов называемых хакерами (cracker – взломщик). Некоторые работают группами, некоторые отдельно. Их методы различны, но основной рабочий инструмент – программа-взломщик, делящаяся на два основных компонента: программа для доступа к удаленным компьютерам по телефонным сетям и словарь вероятных кодов и паролей. Задача программы-взломщика получить доступ к удаленному компьютеру с помощью подбора кодов и паролей для обеспечения доступа к системе. В вычислительной технике понятие безопасности является весьма широким. Оно подразумевает и надежность работы компьютера, и сохранность ценных данных, и защиту информации от внесения в нее изменений неуполномоченными лицами, и сохранение тайны переписки в электронной связи. Разумеется, во всех цивилизованных странах на страже безопасности граждан стоят законы, но в сфере вычислительной техники правоприменительная практика пока развита недостаточно, а законотворческий процесс не успевает за развитием технологий, поэтому надежность работы компьютерных систем во многом опирается на меры самозащиты. Под защитой информации от посторонних лиц, а также от компьютерных вирусов, принято пронимать совокупность мероприятий, методов и средств, обеспечивающих решение следующих задач: − проверка целостности данных; − исключение несанкционированного доступа и использования данных, передаваемым по линиям связи и находящихся на накопителях; − исключение несанкционированного использования хранящихся в компьютере программ (то есть защита программ от копирования). − Проблема сохранения целостности данных имеет организационный, технический и технологический аспекты. Организационный аспект включает следующие правила: − носители информации должны храниться в местах, не доступных для посторонних лиц; − важная информация должна иметь несколько копий на разных носителях; − защита данных на жестком магнитном диске должна поддерживаться периодическим копированием на другие носители; − данные, относящиеся к различным задачам, целесообразно хранить отдельно; − необходимо строго руководствоваться правилами обращения с магнитными носителями; − обучение персонала; − соблюдение правил архивирования; − хранение отдельных файлов в шифрованном виде. Технический аспект касается средств компьютерных коммуникаций. Для организации удаленного доступа чаще всего используются кабельные линии и радиоканалы. В связи с этим защита информации, передаваемой по каналам удаленного доступа, требует особого подхода. В мостах и маршрутизаторах удаленного доступа применяется сегментация пакетов - их разделение и передача параллельно по двум линиям, - что делает невозможным «перехват» данных при незаконном подключении к одной из линий. Используемая процедура сжатия передаваемых пакетов гарантирует невозможность расшифровки «перехваченных» данных. Мосты и маршрутизаторы удаленного доступа могут быть запрограммированы таким образом, что удаленным пользователям могут быть не доступны все ресурсы центрального сервера. Технологический аспект связан с различными видами ограничений, которые должен соблюдать пользователь при работе с данными. Основными каналами утечки информации, связанными с человеческим фактором, аппаратурой и программами являются: − хищение носителей информации; 72 − чтение посторонним лицом информации с экрана или из оставленных без присмотра распечаток программ; − подключение к устройствам компьютера специально разработанных аппаратных средств, обеспечивающих доступ к информации; − использование специальных технических средств для перехвата электромагнитных излучений устройств компьютера; − несанкционированный программный доступ к информации ее модификация или уничтожение; − несанкционированная расшифровка зашифрованной информации; − несанкционированное копирование информации с носителей. Применительно к средствам защиты от несанкционированного доступа определены семь классов защищенности средств вычислительной техники и девять классов защищенности автоматизированных систем. Система защиты данных от несанкционированного доступа должна обеспечивать выполнение следующих функций: − идентификация ресурсов, то есть присвоение ресурсам уникальных признаков (идентификаторов), по которым система производит аутентификацию; − аутентификация защищаемых ресурсов, то есть установление их подлинности на основе сравнения с эталонными идентификаторами; − разграничение доступа пользователей по операциям над ресурсами (программы, данные), защищаемыми с помощью программных средств; − администрирование: определение прав доступа к защищаемым ресурсам, установка системы защиты на компьютер, снятие системы защиты с компьютера, контроль целостности и работоспособности систем защиты. Компьютерные вирусы Компьютерный вирус — это программный код, встроенный в другую программу, или в документ, или в определенные области носителя данных и предназначенный для выполнения несанкционированных действий на несущем компьютере. (или Компьютерный вирус представляет собой небольшую по размерам самовоспроизводящуюся программу, написанную с целью нарушения работы компьютера или компьютерной сети незаметно для пользователя.) Парадоксально, но факт, что сама идея, теоретическое обоснование и принципы создания вирусов принадлежат человеку, стоявшему у истоков вычислительной техники и внесшему огромный вклад в ее дальнейшее развитие. Автор фундаментальных принципов программного управления обработкой информации Дж. фон Нейман в начале пятидесятых годов предложил метод создания самовоспроизводящихся программ, который первоначально был применен для создания безобидных компьютерных игр. Однако нашлись (и до сих пор находятся) люди, которые воспользовались этой технологией для достижения гораздо менее безобидных, а часто и преступных целей. Интересно, что первый из широко известных вирусов (Пакистанский вирус) был создан если не с благородной, то, по крайней мере, понятной целью. Авторы вируса хотели наказать любителей незаконного распространения программного обеспечения и заражали этим вирусом пиратские копии программных продуктов. Как показали дальнейшие события, единственным результатом этой «воспитательной» меры явилось заражение десятков тысяч компьютеров во всем мире, в том числе и в нашей стране. Что же касается борьбы с компьютерными пиратами, то для нее, вероятно, нужны другие средства. С тех пор количество известных вирусов приблизилось к 30000, а масштабы наносимого ими ущерба стали угрожать интересам национальной безопасности многих развитых стран. Это потребовало принятия срочных мер технического, организационного и юридического характера. Возможными каналами проникновения вирусов в компьютер могут быть накопители на сменных носителях информации (чаще всего - дискеты) и средства сетевых компьютерных коммуникаций. 73 Компьютерные вирусы прикрепляются к другим программным файлам («заражают» их) и активизируются при их запуске. После активизации вирус распространяется путем самокопирования в другие программы на всех доступных дисках или по доступным Internet-адресам. Как и в случае с биологическими вирусами, действие компьютерных вирусов может не проявляться в течение нескольких дней и даже недель. Некоторые вирусы действуют только в определенные часы и дни. Перед тем, как вирус ощутимо навредит системе, он может переместиться с жесткого диска на дискеты, вставляемые в дисковод, или в компьютерную сеть. Таким образом, вирус может распространяться незаметно еще до того, как начнет себя проявлять. Пользователь может обнаружить заражение вирусом по симптомам, среди которых наиболее типичны следующие: − увеличение числа файлов на диске; уменьшение объема свободной оперативной памяти; − изменение даты и времени создания файла; − увеличение размера программного файла; − появление зарегистрированных дефектных кластеров; − ненормальная работа или заметное замедление работы программы; − увеличение времени доступа к жесткому диску; − разрушение файловой структуры. − Результатом действия вируса может быть: − появление различных визуальных и звуковых эффектов; искажение программных файлов; − искажение файлов с данными; − форматирование диска или его части; − искажение загрузочной области диска; − разрушение связности файлов путем искажения FAT; − искажение данных в CMOS -памяти. − Вирусы могут быть в двух состояниях. − В активном, когда они загружены в память компьютера и получили управление для выполнения своих действий. После того, как вирус завершит эти действия, он возвращает управление зараженной программе и та продолжает работать как обычно. Тем самым внешне работа зараженной программы выглядит также как и незараженной. − В пассивном, когда они просто хранятся в файлах или загрузочных записях. При выключении компьютера вирус удаляется из памяти, но не из зараженных файлов или с диска. Поэтому при следующем запуске компьютера программа-вирус снова активизируется и прикрепится к новым программам. Особенно опасны вирусы, которые портят программы, удаляют файлы и даже форматируют диски, Internet-вирусы парализуют работу сетевых коммуникаций, почтовых, поисковых и других Internet-программ. Программные вирусы — это блоки программного кода, целенаправленно внедренные внутрь других прикладных программ. При запуске программы, несущей вирус, происходит запуск имплантированного в нее вирусного кода. Работа этого кода вызывает скрытые от пользователя изменения в файловой системе жестких дисков и/или в содержании других программ. Так, например, вирусный код может воспроизводить себя в теле других программ — этот процесс называется размножением. По прошествии определенного времени, создав достаточное количество копий, программный вирус может перейти к разрушительным действиям — нарушению работы программ и операционной системы, удалению информации, хранящейся на жестком диске. Этот процесс называется вирусной атакой. Поэтому, если не предпринимать мер по защите от вируса, то последствия заражения компьютера могут быть очень серьезными. Кроме компьютерных вирусов существуют и другие разновидности опасных программ, которые отличаются от вирусов тем, что, либо не могут размножаться и внедряться в другие 74 программы (так называемые «троянские»), либо способны только размножаться без внедрения в другие программы («черви» или репликаторы). Разновидности вирусов: − Вирусы, заражающие исполняемые и оверлейные файлы, называются файловыми. − Вирусы, поражающие загрузчик операционной системы и главную загрузочную запись жесткого диска, называются загрузочными. Такие вирусы активизируются при загрузке операционной системы и остаются в памяти компьютера, заражая загрузочные записи дискет, вставляемых в дисковод компьютера. − Вирусы, проникающие в драйверы устройств, начинает свою работу при каждом обращении к соответствующему устройству. − Троянские вирусы, распространяющиеся через Internet, представляют собой утилиты для несанкционированного администрирования удаленного компьютера. Обычный прием распространения «троянских» программ – приложение к электронному письму с «рекомендацией» извлечь и запустить якобы полезную программу. Такие послания надо уничтожать, не раскрывая. − Макрокомандые или макровирусы, которые вместе с документами популярных офисных пакетов проникают в компьютер. При этом прикладные программы офиса должны иметь средства для исполнения макрокоманд. Заражение происходит при открытии файла документа в окне программы, если в ней не отключена возможность выполнения макрокоманд. Далеко не все макровирусы безобидны, некоторые из них представляют серьезную угрозу данным. Так, например, макровирус Hot уничтожает документ спустя 14 дней после заражения. − VBS-вирусы – это сценарии (script), написанные на языке Visual Basic Script. На языке HTML вирусы написать нельзя, но для создания динамических страниц, организации взаимодействия с пользователем и прочих действий используются программные вставки-сценарии в HTML-документы. Эти сценарии используют HTML-вирусы и с их помощью записываются в HTML-файлы, находящиеся на связи в сети. Печально известный VBS-вирус ILOVEYOU располагается во вложении электронного письма с одноименным содержанием. При открытии вложения вирус автоматически распространяет свою копию по всем Internet-адресам, хранящимся в почтовой программе компьютера. Действие этого вируса парализовало на несколько часов большинство электронных коммуникаций Internet, что привело к колоссальной потере денежных средств. − DIR-вирусы, изменяющие файловую систему на диске. − «Невидимые» вирусы предотвращают свое обнаружение тем, что перехватывают обращения операционной системы (и тем самым прикладных программ) к зараженным файлам и областям диска. − Самомодифицирующиеся вирусы. Многие вирусы хранят большую часть своего тела в закодированном виде, чтобы затруднить выяснение механизма их работы. Самомодифицирующиеся вирусы используют этот прием и часто меняют параметры этой кодировки, а кроме того, изменяют и свою стартовую часть, которая служит для декодирования остальных команд вируса. Таким образом, в теле подобного вируса не имеется ни одной постоянной цепочки байтов, по которой можно было бы идентифицировать вирус. Одним из направлений борьбы с компьютерными вирусами стала разработка различных антивирусных программ, которые позволяют своевременно обнаруживать и уничтожать вирусы. Однако нужно хорошо понимать, что лекарство нельзя разработать раньше, чем появится и проявит себя болезнь. Поэтому разработка антивирусных программ принципиально отстает от разработки вирусов и всегда есть отличная от нуля вероятность того, что компьютер окажется заражен вирусом, для которого антивирусных средств пока нет. В связи с этим нельзя надеяться только на антивирусные программы, и для надежной защиты информации нужно принимать дополнительные меры. Как и в медицине, многие болезни легче предотвратить, чем лечить. 75 Для защиты от вирусов необходимо использовать общие средства защиты информации, профилактические меры, уменьшающие вероятность заражения вирусом, специализированные программы для защиты от вирусов. Программы для защиты от вирусов можно разделить на несколько видов: − Программы-детекторы позволяют обнаруживать файлы, зараженные одним из нескольких известных вирусов. − Программы-доктора, или «фаги», «лечат» зараженные программы или диски, «выкусывая» из зараженных программ тело вируса, то есть, восстанавливая программу в том состоянии, в котором она находилась до заражения вирусом. − Программы-ревизоры сначала запоминают сведения о состоянии программ и системных областей дисков, а затем сравнивают текущие состояния с исходными. При выявлении несоответствий об этом сообщается пользователю. − Доктора-ревизоры это гибриды ревизоров и докторов, то есть программы, которые не только обнаруживают изменения в файлах и системных областях дисков, но и могут в случае изменений автоматически вернуть их в исходное состояние. − Программы-фильтры располагаются резидентно в оперативной памяти компьютера и перехватывают те обращения к операционной системе, которые используются вирусами для размножения и нанесения вреда, и сообщают о них пользователю. Пользователь может разрешить или запретить выполнение соответствующей операции. − Программы-вакцины или иммунизаторы модифицируют программы и диски таким образом, что это не отражается на работе программ, но тот вирус, от которого производится вакцинация, считает эти программы или диски уже зараженными. Следует учесть, что ни один тип антивирусных программ в отдельности не может полностью защитить от вирусов, поэтому наилучшей стратегией является комплексная многоуровневая защита, использующая по очереди: − программы-детекторы, позволяющие проверять вновь полученное программное обеспечение на наличие вирусов; − программы-фильтры, первыми сообщающие о работе вируса и предотвращающие заражение программ и дисков; − ревизоры и доктора, обнаруживающие вирусы, «пробившиеся» через первый этап и вылечивающие зараженные программы. Следует учесть, что не всегда лечение оказывается правильным, поэтому необходимо иметь архивные копии программ на дискетах, защищенных от записи. Методы защиты информации Метод защиты при помощи программных паролей Согласно этому методу, реализуемому программными средствами, процедура общения пользователя с компьютером построена так, что запрещается доступ к операционной системе до тех пор, пока не будет введен пароль. Пароль держится пользователем в тайне и периодически меняется, чтобы предотвратить несанкционированное его использование. Метод паролей является самым простым и дешевым, однако, не обеспечивает надежной защиты. Во-первых, с помощью соответствующих компьютерных программ можно раскрыть действующий пароль и получить доступ к данным. Во-вторых, уязвимость метода паролей заключается в том, что пользователи зачастую выбирают очень простые и легкие для запоминания (и тем самым для разгадывания) пароли, которые не меняются длительное время, а нередко остаются прежними и при смене пользователя. Несмотря на указанные недостатки, применение метода паролей во многих случаях следует признать рациональным даже при наличии других аппаратных и программных методов защиты. Обычно метод программных паролей сочетается с другими программными методами, определяющими ограничения по видам и объектам доступа. 76 Программные методы основаны на списках, связывающих защищенные объекты данных с правом доступа к этим объектам групп пользователей. Список для управления обычно включает также все виды разрешенных операций доступа: чтение, запись или выполнение программы. Операционная система для каждого зарегистрированного пользователя хранит его краткие данные, включающие пароль пользователя (как правило, зашифрованный), идентификатор группы пользователя и соответствующий набор прав пользователя по отношению к данным. Например, операционная система Unix позволяет владельцу файлов предоставлять права другим пользователям только читать или записывать (модифицировать) для каждого из своих файлов. В случае, когда файлом является программа, которую нужно выполнить, то операционная система Unix предоставляет владельцу файла возможность определить пользователя, которому разрешается выполнение данной программы. Программные методы защиты данных на уровне операционной среды имеют аппаратную поддержку на микропроцессорном уровне. Примером подобных встроенных аппаратных средств на уровне кристалла являются все микропроцессоры фирмы Intel, следующие за 16разрядным 80286 (включая его самого). Предусмотренные в нем возможности распознавания и манипуляции объектами, например задачами, а так же аппаратная поддержка управления памятью позволяет сформировать надежное ядро защиты данных. Четыре уровня защиты позволяют обеспечить защиту системных и прикладных программ с различной степенью детализации. Метод автоматического обратного вызова Данный метод обеспечивает более надежную защиту системы от несанкционированного доступа, чем простые программные пароли. В данном случае пользователю нет необходимости запоминать пароли и следить за соблюдением их секретности. Идея системы с обратным вызовом достаточно проста. Удаленные от центральной базы пользователи не могут непосредственно с ней обращаться, а вначале получают доступ к специальной программе, которой они сообщают соответствующие идентификационные коды. После этого связь разрывается и производится проверка кодов. В случае если код, посланный по каналу связи, правильный, то производится обратный вызов пользователя с одновременной фиксацией даты, времени и адреса пользователя. К недостатку данного метода можно отнести недостаточно высокую скорость обмена. Метод шифрования данных и сведений Этот метод является одним из наиболее эффективных методов защиты. Он сильно усложняет процедуры несанкционированного доступа, даже если обычные средства защиты удалось обойти. Для этого источник информации кодирует ее при помощи некоторого алгоритма и ключа шифрования. Зашифрованные выходные данные не может прочесть никто, кроме владельца ключа. Особенно высокой надежностью обладает механизм защиты по методу шифрования данных с аппаратной поддержкой. Разработчиками фирмы Intel создано программируемое ПЗУ с доступом по ключу на базе БИС 27916. При использовании двух подобных ПЗУ с доступом по ключу, один из которых устанавливается в ЭВМ пользователя (терминальной), а другой в ЭВМ с коллективной базой данных, для доступа не нужно никаких паролей. ПЗУ выполняет функцию «замка» и «ключа», предотвращая доступ к базе данных со стороны любой удаленной ЭВМ, не содержащей одного из упомянутых ПЗУ с ключом, совпадающим с соответствующим ключом ЭВМ базы данных. При попытке обращения со стороны терминальной ЭВМ к ЭВМ с центральной базой данных оба ПЗУ проверяют, совпадают ли «замок» и «ключ», и если совпадают, то доступ к базе данных разрешается. Параметры ключа никогда не передаются по линии связи, поэтому ключ определить невозможно, даже если несанкционированно подключиться к линии связи. Алгоритм взаимодействия терминальной ЭВМ с ЭВМ базы данных распадается на два последовательных этапа. Сначала терминальная ЭВМ генерирует случайное число и посылает его по линии связи в ЭВМ базы данных. Обе машины обрабатывают это число по алгоритму шифрования с исполь- 77 зованием собственных 64-разрядных ключей. Затем ЭВМ базы данных возвращает свой зашифрованный результат терминальной ЭВМ, которая сравнивает его с собственным зашифрованным результатом. Если они совпадают, то вновь производится обмен, только теперь инициатором выступает ЭВМ базы данных. Таким образом, практически исключается несанкционированный доступ к системе, для которого необходимо провести соответствующие модификации с обеих сторон. Выбор 64-разрядной длины ключа означает, что существует более 18 ×1018 возможных уникальных значений ключа и его подбор займет достаточно много лет процессорного времени. В ряде компьютерных сетей используется «ключ», который представляет собой пластиковую карту или устройство для идентификации личности по биометрической информации (по радужной оболочке глаза, отпечаткам пальцев, размерам кисти руки и т. д.). Серверы и сетевые рабочие станции, оснащенные устройствами чтения магнитных или содержащих встроенную микросхему (смарт-карт) пластиковых карт и специальным программным обеспечением, значительно повышают степень защиты от несанкционированного доступа. Смарт-карты управления доступом позволяют реализовать такие функции, как контроль входа, доступ к устройствам компьютера, к программам, файлам и командам. Удачный пример комплексного контроля доступа в открытых системах, использующего программные и аппаратные средства защиты, представляет система Kerberos, основу которой составляют три компонента: − база данных, которая содержит информацию по всем сетевым ресурсам, пользователям, паролям, информационным ключам и т. д.; − аутентификационный сервер, задачей которого является обработка запросов пользователей на предоставление того или иного вида сетевых услуг. Получая запрос, он обращается к базе данных и определяет полномочия пользователя на совершение определенной операции. Пароли пользователей по сети не передаются, тем самым, повышая степень защиты информации; − сервер выдачи разрешений (Ticket-granting server), который получает от аутентификационного сервера «пропуск» с именем пользователя и его сетевым адресом, временем запроса, а также уникальный «ключ». Пакет, содержащий «пропуск», передается в зашифрованном виде. Сервер выдачи разрешений после получения и расшифровки «пропуска» проверяет запрос, сравнивает «ключи» и при их совпадении разрешает использование сетевой аппаратуры или программ. Защита от компьютерных вирусов Это особая и важная статья защиты информации, методы которой уже рассмотрены выше. Резервное копирование Прямое отношение к организационным мерам безопасности имеет стратегия архивирования и дублирования информации. Обычно эти ответственные операции выполняются в нерабочее время в пакетном режиме. В крупных корпоративных сетях предпочтение отдается выделенному специализированному архивационному серверу, который автоматически архивирует информацию с жестких дисков серверов и рабочих станций в определенное время, установленное администратором сети, выдавая отчет о проведенном резервном копировании. Существует программы, в которых сжатие данных реализовано на уровне драйверов. Вместо того чтобы сжимать файлы по отдельности или группами, программа сжимает целиком весь диск. Программа «на лету» упаковывает данные, записываемые на диск, и автоматически распаковывает считываемые с диска. При этом наблюдается небольшое, практически незаметное, замедление работы при чтении и записи данных на сжатый диск. Существуют две известные программы, выполняющие данный способ упаковки, это DoubleSpace и Stacker. DoubleSpace входит в поставку MS DOS, начиная с шестой версии, а Stacker поставляется отдельно. 78 Независимо от того, насколько хорошо разработаны программные методы защиты, их эффективность во многих случаях зависит от правильности действий пользователя, действий, в которых возможны ошибки и даже злой умысел. Опыт показывает, что чем меньше сотрудник знаком с компьютерами, тем большую опасность он представляет с точки зрения возможности заражения ЭВМ компьютерными вирусами. Следовательно, главным условием безопасности следует признать соответствующий уровень обучения сотрудников. Следует отметить, что регулирования доступа само по себе не является панацеей. Методы защиты от компьютерных вирусов Существуют три рубежа защиты от компьютерных вирусов: предотвращение поступления вирусов; − предотвращение вирусной атаки, если вирус все-таки поступил на компьютер; − предотвращение разрушительных последствий, если атака все-таки произошла. − Существуют три метода реализации защиты: − программные методы защиты; аппаратные методы защиты; − организационные методы защиты. − В вопросе защиты ценных данных часто используют бытовой подход: «болезнь лучше предотвратить, чем лечить». К сожалению, именно он и вызывает наиболее разрушительные последствия. Создав бастионы на пути проникновения вирусов в компьютер, нельзя положиться на их прочность и остаться неготовым к действиям после разрушительной атаки. К тому же, вирусная атака – далеко не единственная и даже не самая распространенная причина утраты важных данных. Существуют программные сбои, которые могут вывести из строя операционную систему, а также аппаратные сбои, способные сделать жесткий диск неработоспособным. Всегда существует вероятность утраты компьютера вместе с ценными данными в результате кражи, пожара или иного стихийного бедствия. Поэтому создавать систему безопасности следует в первую очередь «с конца» - с предотвращения разрушительных последствий любого воздействия, будь то вирусная атака, кража в помещении или физический выход жесткого диска из строя. Надежная и безопасная работа с данными достигается только тогда, когда любое неожиданное событие, в том числе и полное физическое уничтожение компьютера не приведет к катастрофическим последствиям. Средства антивирусной защиты Основным средством защиты информации является резервное копирование наиболее ценных данных. В случае утраты информации по любой из вышеперечисленных причин жесткие диски переформатируют и подготавливают к новой эксплуатации. На «чистый» отформатированный диск устанавливают операционную систему с дистрибутивного компакт-диска, затем под ее управлением устанавливают все необходимое программное обеспечение, которое тоже берут с дистрибутивных носителей. Восстановление компьютера завершается восстановлением данных, которые берут с резервных носителей. При резервировании данных следует иметь в виду и то, что надо отдельно сохранять все регистрационные и парольные данные для доступа к сетевым службам Интернета. Их не следует хранить на компьютере. Обычное место хранения – служебный дневник в сейфе руководителя подразделения. Создавая план мероприятий по резервному копированию информации, необходимо учитывать, что резервные копии должны храниться отдельно от компьютера. То есть, например, резервирование информации на отдельном жестком диске того же компьютера только создает иллюзию безопасности. Относительно новым и достаточно надежным приемом хранения ценных, но несанкционированных данных является их хранение в Web – папках на удаленных серверах в Интернете. Есть службы, бесплатно предоставляющие пространство (до нескольких Мбайт) для хранения данных пользователя. 79 Резервные копии конфиденциальных данных сохраняют на внешних носителях, которые хранят в сейфах, желательно в отдельных помещениях. При разработке организационного плана резервного копирования учитывают необходимость создания не менее двух резервных копий, сохраняемых в разных местах. Между копиями осуществляют ротацию. Например, в течение недели ежедневно копируют данные на носители резервного комплекта А, а через неделю их заменяют комплектом Б, и т.д. Вспомогательными средствами защиты информации являются антивирусные программы и средства аппаратной защиты. Так, например, простое отключение перемычки на материнской плате не позволит осуществить стирание перепрограммируемой микросхемы ПЗУ (флэшBIOS), независимо от того, кто будет пытаться это сделать: компьютерный вирус, злоумышленник или неаккуратный пользователь. Существует достаточно много программных средств антивирусной защиты. Они предоставляют следующие возможности. 1. Создание образа жесткого диска на внешних носителях(например, на гибких дисках). В случае выхода из строя данных в системных областях жесткого диска сохраненный «образ диска» может позволить восстановить если не все данные, то по крайней мере их большую часть. Это же средство может защитить от утраты данных при аппаратных сбоях и при неаккуратном форматировании жесткого диска. 2. Регулярное сканирование жестких дисков в поисках компьютерных вирусов. Сканирование обычно выполняется автоматически при каждом включении компьютера и при размещении внешнего диска в считывающем устройстве. При сканировании следует иметь в виду, что антивирусная программа ищет вирус путем сравнения кода программы с кодами известных ей вирусов, хранящимися в базе данных. Если база данных устарела, а вирус является новым, сканирующая программа его не обнаружит. Для надежной работы следует регулярно обновлять антивирусную программу. Желательная периодичность обновления – один раз в две недели; допустимая – один раз в три месяца. Для примера укажем, что разрушительные последствия атаки вируса W95.CIH.1075 («Чернобыль»), вызвавшего уничтожение информации на сотнях тысяч компьютеров 26 апреля 1999 года, были связаны не с отсутствием средств защиты от него, а с длительной задержкой (более года) в обновлении этих средств. 3. Контроль за изменением размеров и других атрибутов файлов. Поскольку некоторые компьютерные вирусы на этапе размножения изменяют параметры зараженных файлов, контролирующая программа может обнаружить их деятельность и предупредить пользователя. 4. Контроль за обращениями к жесткому дискую Поскольку наиболее опасные операции, связанные с работой компьютерных вирусов, так или иначе обращены на модификацию данных, записанных на жестком диске, антивирусные программы могут контролировать обращения к нему и предупреждать пользователя о подозрительной активности. Защита информации в Интернете При работе в Интернете следует иметь в виду, что насколько ресурсы Всемирной сети открыты каждому клиенту, настолько же и ресурсы его компьютерной системы могут быть при определенных условиях открыты всем, кто обладает необходимыми средствами. Для частного пользователя этот факт не играет особой роли, но знать о нем необходимо, чтобы не допускать действий, нарушающих законодательства тех стран, на территории которых расположены серверы Интернета. К таким действиям относятся вольные или невольные попытки нарушить работоспособность компьютерных систем, попытки взлома защищенных систем, использование и распространение программ, нарушающих работоспособность компьютерных систем (в частности компьютерных вирусов). Работая во Всемирной сети, следует помнить о том, что абсолютно все действия фиксируются и протоколируются специальными программными средствами, и информация как о законных, так и о незаконных действиях обязательно где-то накапливается. Таким образом, к об- 80 мену информацией в Интернете следует подходить как к обычной переписке с использованием почтовых открыток. Информация свободно циркулирует в обе стороны, но в общем случае она доступна всем участникам информационного процесса. Это касается всех служб Интернета, открытых для массового использования. Однако даже в обычной почтовой связи наряду с открытками существуют и почтовые конверты. Использование почтовых конвертов при переписке не означает, что партнерам есть, что скрывать. Их применение соответствует давно сложившейся исторической традиции и устоявшимся морально – этическим нормам общения. Потребность в аналогичных «конвертах» для защиты информации существует и в Интернете. Сегодня Интернет является не только средством общения и универсальной справочной системой – в нем циркулируют договорные и финансовые обязательства, необходимость защиты которых как от просмотра, так и от фальсификации, очевидна. Начиная с 1999, Интернет становится мощным средством обеспечения розничного торгового оборота, а это требует защиты данных кредитных карт и других электронных платежных средств. Принципы защиты информации в Интернете опираются на определение информации, сформулированное нами в первой главе этого пособия. Информация – это продукт взаимодействия данных и адекватных им методов. Если в ходе коммуникационного процесса данные передаются через открытые системы (а Интернет относится именно к таковым), то исключить доступ к ним посторонних лиц невозможно даже теоретически. Соответственно, системы защиты сосредоточены на втором компоненте информации – на методах. Их принцип действия основан на том, чтобы исключить или, по крайней мере, затруднить возможность подбора адекватного метода для преобразования данных в информацию. Одним из приемов такой защиты является шифрование данных. Понятие о несимметричном шифровании информации Системам шифрования столько же лет, сколько письменному обмену информацией. Обычный подход состоит в том, что к документу применяется некий метод шифрования ( назовем его ключом), после чего документ становится недоступен для чтения обычными средствами. Его можно прочитать только тот, кто знает ключ, - только он может применить адекватный метод чтения. Аналогично происходит шифрование и ответного сообщения. Если в процессе обмена информацией для шифрования и чтения пользуются одним и тем же ключом, то такой криптографический процесс является симметричным. Основной недостаток симметричного процесса заключается в том, что, прежде чем начать обмен информацией, надо выполнить передачу ключа, а для этого опять-таки нужна защищенная связь, то есть проблема повторяется, хотя и на другом уровне. Если рассмотреть оплату клиентом товара или услуги с помощью кредитной карты, то получается, что торговая фирма должна создать по одному ключу для каждого своего клиента и каким-то образом передать им эти ключи. Это крайне неудобно. Поэтому в настоящее время в Интернете используют несимметричные криптографические системы, основанные на использовании не одного, а двух ключей. Происходит это следующим образом. Компания для работы с клиентами создает два ключа: один – открытый (public – публичный) ключ, а другой – закрытый ( private – личный) ключ. На самом деле это как бы две «половинки» одного целого ключа, связанные друг с другом. Ключи устроены так, что сообщение, зашифрованное одной половинкой, можно расшифровать только другой половинкой (не той, которой оно было закодировано). Создав пару ключей, торговая компания широко распространяет публичный ключ (открытую половинку) и надежно сохраняет закрытый ключ (свою половинку). Как публичный, так и закрытый ключ представляют собой некую кодовую последовательность. Публичный ключ компании может быть опубликован на ее сервере, откуда каждый желающий может его получить. Если клиент хочет сделать фирме заказ, он возьмет ее публичный ключ и с его помощью закодирует свое сообщение о заказе и данные о своей кредитной карте. После кодирования это сообщение может прочесть только владелец закрытого ключа. 81 Никто из участников цепочки, по которой пересылается информация, не в состоянии это сделать. Даже сам отправитель не может прочитать собственное сообщение, хотя ему хорошо известно содержание. Лишь получатель сможет прочесть сообщение, поскольку только у него есть закрытый ключ, дополняющий использованный публичный ключ. Если фирме надо будет отправить клиенту квитанцию о том, что заказ принят к исполнению, она закодирует ее своим закрытым ключом. Клиент сможет прочитать квитанцию, воспользовавшись имеющимся у него публичным ключом данной фирмы. Он может быть уверен, что квитанция ему отправила именно эта фирма, и никто иной, поскольку никто иной доступа к закрытому ключу фирмы не имеет. Принцип достаточности защиты Защита публичным ключом (впрочем, как и большинство других видов защиты информации) не является абсолютно надежной. Дело в том, что поскольку каждый желающий может получить и использовать чей-то публичный ключ, то он может сколь угодно подробно изучить алгоритм работы механизма шифрования и пытаться установить метод расшифровки сообщения, то есть реконструировать закрытый ключ. Это настолько справедливо, что алгоритмы кодирования публичным ключом даже нет смысла скрывать. Обычно к ним есть доступ, а часто они просто широко публикуются. Точность заключается в том, что знание алгоритма еще не означает возможности провести реконструкцию ключа в разумно приемлемые сроки. Так, например, правила игры в шахматы известны всем, и нетрудно создать алгоритмы для перебора всех возможных шахматных партий, но он никому не нужен, поскольку даже самый быстрый современный суперкомпьютер будет работать над этой задачей дольше, чем существует жизнь на нашей планете. Количество комбинаций, которое надо проверить при реконструкции закрытого ключа, не столь велико, как количество возможных шахматных партий, однако защиту информации принято считать достаточной, если затраты на ее преодоление превышают ожидаемую ценность самой информации. В этом состоит принцип достаточности защиты, которым руководствуются при использовании несимметричных средств шифрования данных. Он предполагает, что защита не абсолютна, и приемы ее снятия известны, но она все же достаточна для того, чтобы сделать это мероприятие нецелесообразным. При появлении иных средств, позволяющих – таки получить зашифрованную информацию в разумные сроки, изменяют принцип работы алгоритма, и проблема повторяется на более высоком уровне. Разумеется, не всегда реконструкцию закрытого ключа производят методами простого перебора комбинаций. Для этого существуют специальные методы, основанные на исследовании особенностей взаимодействия открытого ключами с определенными структурами данных. Область науки, посвященная этим исследованиям, называется криптоанализом, а средняя продолжительность времени, необходимого для реконструкции закрытого ключа по его опубликованному открытому ключу, называется криптостойкостью алгоритма шифрования. Для многих методов несимметричного шифрования криптостойкость, полученная в результате криптоанализа, существенно отличается от величин, заявляемых разработчиками алгоритмов но основании теоретических оценок. Поэтому во многих странах вопрос применения алгоритмов шифрования данных находится в поле законодательного регулирования. В частности, в России к использованию в государственных и коммерческих организациях разрешены только те программные средства шифрования данных, которые прошли государственную сертификацию в административных органах, в частности в Федеральном агенстве правительственной связи и информации при Президенте Российской Федерации (ФАПСИ). Понятие об электронной подписи Мы рассмотрели, как клиент может переслать организации свои конфиденциальные данные (например, номер электронного счета). Точно так же он может общаться и с банком, отдавая ему распоряжения о перечислении своих средств на счета других лиц и организаций. Ему не надо ездить в банк и стоять в очереди – все можно сделать, не отходя от компьютера. Однако 82 здесь возникает проблема: как банк узнает, что распоряжение поступило именно от данного лица, а не от злоумышленника, выдающего себя за него? Эта проблема решается с помощью так называемой электронной подписи. Принцип ее создания тот же, что и рассмотренный выше. Если нам надо создать себе электронную подпись, следует с помощью специальной программы (полученной от банка) создать те же два ключа: закрытый и публичный. Публичный ключ передается банку. Если теперь надо отправить поручение банку на операцию с расчетным счетом, оно кодируется публичным ключом банка, а своя подпись под ним кодируется собственным закрытым ключом. Банк поступает наоборот. Он читает поручение с помощью своего закрытого ключа, а подпись – с помощью публичного ключа поручителя. Если подпись читаема, банк может быть уверен, что поручение ему отправили именно вы, и никто другой. Понятие об электронных сертификатах Системой несимметричного шифрования обеспечивается делопроизводство в Интернете. Благодаря ей каждый из участников обмена может быть уверен, что полученное сообщение отправлено именно тем, кем оно написано. Однако здесь возникает еще ряд проблем, например проблема регистрации даты отправки сообщения. Такая проблема возникает во всех случаях, когда через Интернет заключаются договоры между сторонами. Отправитель документа может легко изменить текущую дату средствами настройки операционной системы. Поэтому обычно дата и время отправки электронного документа не имеют юридической силы. В тех же случаях, когда это важно, выполняют сертификацию даты/времени. Сертификация даты. Сертификация даты выполняется при участии третьей, независимой стороны. Например, это может быть сервер организации, авторитет которой в данном вопросе признают оба партнера. В этом случае документ, зашифрованный открытым ключом партнера и снабженный своей электронной подписью, отправляется сначала на сервер сертифицирующей организации. Там он получает «приписку» с указанием точной даты и времени, зашифрованную закрытым ключом этой организации. Партнер декодирует содержание документа, электронную подпись отправителя и отметку о дате с помощью своих «половинок» ключей. Вся работа автоматизирована. Сертификация Web – узлов. Сертифицировать можно не только даты. При заказе товаров в Интернете важно убедиться в том, что сервер, принимающий заказы и платежи от имени некоей фирмы, действительно представляет эту фирму. Тот факт, что он распространяет ее открытый ключ и обладает ее закрытым ключом, строго говоря, еще ничего не доказывает, поскольку за время, прошедшее после создания ключа, он мог быть скомпрометирован. Подтвердить действительность ключа тоже может третья организация путем выдачи сертификата продавцу. В сертификате указано, когда он выдан и на какой срок. Если добросовестному продавцу станет известно, что его закрытый ключ каким-либо образом скомпрометирован, он сам уведомит сертификационный центр, старый сертификат будет аннулирован, создан ключ и выдан новый сертификат. Прежде чем выполнять платежи через Интернет или отправлять данные о своей кредитной карте кому-либо, следует проверить наличие действующего сертификата у получателя путем обращения в сертификационный центр. Это называется сертификацией Web – узлов. 5.2 Защита сети с помощью биометрических систем Возможности установления личности человека по его биометрическим характеристикам известны давно и широко обсуждаются уже много лет. Тем не менее, сегодня еще очень многие считают технику такой идентификации делом будущего и убеждены, что пока она остается уделом фантастических кинофильмов, поскольку практическое применение биометрических методов еще слишком дорого. Способ опознавания личности с помощью особенностей строения человеческого тела придумали и применяли еще древнеегипетские фараоны. Чтобы идентифицировать личность 83 человека, древние египтяне замеряли его рост. Первые системы биометрического контроля доступа производили идентификацию по длине пальцев. Но кроме технологии распознавания отпечатков пальцев появились и другие биометрические технологии, в частности, распознавание черт лица (на основе оптического и инфракрасного изображений), руки, пальцев, радужной оболочки, сетчатки, подписи и голоса. Сейчас создаются и другие системы, позволяющие анализировать иные характеристики человека, такие как уши, запах тела, манера работы на клавиатуре и походка. Рисунок 5.1. Биометрические системы идентификации Биометрические характеристики человека уникальны. Большинство таких ключей нельзя скопировать и точно воспроизвести. Теоретически это идеальные ключи. Однако при использовании биометрической идентификации возникает множество специфических проблем. Поэтому рассмотрим биометрические системы идентификации более подробно. Системы идентификации, анализирующие характерные черты личности человека, можно разделить (рис. 5.1) на две большие группы: − физиологические; − поведенческие (психологические). Физиологические системы считаются более надежными, т.к. используемые ими индивидуальные особенности человека почти не изменяются под влиянием его психоэмоционального состояния. Физиологические системы идентификации личности имеют дело со статическими характеристиками человека – отпечатками пальцев, капиллярными узорами пальцев, радужной оболочкой и рисунком сетчатки глаза, геометрией кисти руки, формой ушной раковины, распознаванием черт лица (на основе оптического или инфракрасного изображений). Поведенческие методы оценивают действия индивидуума, предоставляя пользователю некоторую степень контроля над его поступками. Биометрия, основанная на этих методах, учитывает высокую степень внутриличностных вариаций (например, настроение или состояние здоровья влияют на оцениваемую характеристику), поэтому такие методы лучше всего работают при регулярном использовании устройства. Поведенческие (или как их еще иногда называют – психологические) характеристики, такие как подпись, походка, голос или клавиатурный почерк, находятся под влиянием управляемых действий и менее управляемых психологических факторов. Поскольку поведенческие характеристики могут изменяться с течением времени, зарегистрированный биометрический образец должен обновляться при каждом его использовании. Хотя биометрия, основанная на поведенческих характеристиках, менее дорога и представляет меньшую угрозу для пользователей, физиологические черты позволяют идентифицировать личность 84 с высокой точностью. В любом случае оба метода обеспечивают значительно более высокий уровень идентификации, чем пароли или карты. Рисунок 5.2. Показатели биометрических систем Поскольку биометрические характеристики каждой отдельной личности уникальны, то они могут использоваться для предотвращения НСД с помощью автоматизированного метода биометрического контроля, который путем проверки (исследования) уникальных физиологических особенностей или поведенческих характеристик человека идентифицирует личность. Кроме этого, биометрические системы идентификации личности различаются (рис. 5.2) еще по ряду показателей: − пропускная способность; − стоимость; − надежность с позиции идентификации; − простота и удобство в использовании; − степень психологического комфорта; − возможность обмана системы; − способ считывания; − точность установления аутентичности; − увеличенная производительность; − затраты на обслуживание; − интеграция; − конфиденциальность. Пропускная способность системы в этом случае характеризуется временем, необходимым для обслуживания одного пользователя. Она зависит, в частности, от режима работы устройства (производится идентификация или аутентификация). При идентификации пользователя требуется больше времени, чем для аутентификации, т.к. необходимо сравнить с образцом почти все эталоны из базы данных. В режиме аутентификации пользователь должен набрать на клавиатуре свой персональный код (номер эталона в базе данных), и системе достаточно сравнить предъявляемый образец с одним эталоном. Говоря о надежности биометрической системы с позиции идентификации, мы имеем две вероятности. Речь идет о вероятности «ложных отказов» (система не признала своего) и «ложных допусков» (система приняла «чужого» за «своего»). Это особенно трудная и сложная область биометрии, т.к. система должна пропускать меньшее число самозванцев и в то же время 85 отвергать меньшее число законных пользователей. Простота и удобство в использовании во многом определяют потребительские свойства биометрических систем. Ведь все часто задают следующие вопросы. Насколько легко установить данную биометрическую систему? Требует ли система активного участия пользователя или получение характеристик слишком обременительно? Требует ли система длительного обучения? Не произойдет ли так, что обременительная или громоздкая биометрическая система аутентификации будет отвергнута так же, как мы отказываемся от использования систем, требующих ввода длинных паролей? Возможность обмана системы связана с использованием различных «дубликатов»: слепков, магнитофонных записей и т. д. Наиболее «легковерными» считаются системы опознания по лицу и голосу. Способ считывания определяет, нужно ли пользователю прикладывать свой палец к считывателю, прислоняться лицом к окуляру и т.п. или достаточно продемонстрировать «электронному» привратнику атрибут, необходимый для идентификации, например, произнести условную фразу или посмотреть в объектив видеокамеры. Исходя из этого, различают два способа считывания – дистанционный и контактный. Технология дистанционного считывания позволяет увеличить пропускную способность, избежать регулярной очистки считывателя и исключить его износ, увеличить вандалозащищенность и т.п. Точность аутентификации при использовании биометрических систем несколько отличается от точности систем, использующих пароли. Предоставление корректного пароля в системе аутентификации по паролю всегда дает корректный результат о подтверждении подлинности. Но если в биометрическую систему аутентификации представлены законные (настоящие) биометрические характеристики, это, тем не менее, не гарантирует корректной аутентификации. Такое может произойти из-за «шума» датчика, ограничений методов обработки и, что еще важнее, изменчивости биометрических характеристик (рис. 5.3). Есть также вероятность, что может быть подтверждена подлинность человека, выдающего себя за законного пользователя. Более того, точность данной биометрической реализации имеет немаловажное значение для пользователей, на которых рассчитана система. Для успешного применения биометрической технологии с целью идентификации личности важно понимать и реально оценивать эту технологию в контексте приложения, для которого она предназначена, а также учитывать состав пользователей этого приложения. Производительность зависит от таких параметров, как точность, стоимость, интеграция и удобство использования. Для улучшения характеристик опознавания систем идентификации все шире применяется интеграция нескольких биометрических систем в одном устройстве. Аутентификация совершенно бессмысленна, если система не может гарантировать, что законный пользователь действительно представил необходимые характеристики. Применение нескольких биометрик позволяет снять остроту других проблем в области идентификации личности по ее биометрическим характеристикам. Идентификация по отпечатку пальца Отпечатки пальцев у всех людей совершенно разные. Все люди, населяющие в наше время Землю, имеют, присущие только им одним, определенные отпечатки пальцев. И даже отпечатки пальцев всех предшествующих поколений людей также отличны от всех последующих. Правоохранительные органы во всем мире используют идентификацию по отпечаткам пальцев уже более ста лет, причем до нынешнего дня не выявлено ни одного случая совпадения отпечатков пальцев у разных людей, включая даже однояйцевых близнецов. В силу этого именно отпечатки пальцев руки одного человека считаются специфической, присущей только этому человеку «личной карточкой», и именно в таком качестве это свойство применяется во всем мире. Но такая особенность пальцев руки человека была обнаружена лишь к концу девятнадцатого столетия. До того времени они представлялись людям просто набором линий, ничего не обозначавшими и не обладавшими какими-либо особенностями 86 Рисунок 5.3. Изменчивость биометрических характеристик. . Кожа человека состоит из двух слоев, при этом нижний слой образует множество выступов - сосочков (от лат. papillae – сосочек), в вершине которых имеются отверстия выходных протоков потовых желез. На основной части кожи сосочки (потовые железы) располагаются хаотично и трудно наблюдаемы. На отдельных участках кожи конечностей папилляры строго упорядочены в линии (гребни), образующие уникальные папиллярные узоры. Эти узоры и отражают всю человеческую индивидуальность. Существует всего три основный типа (рис. 5.4) узора отпечатка пальца различной степени сложности: − высокой (завитки); − средней (петлевые или круговые); − низкой (дуговые). Преимущества доступа по отпечатку пальца – это простота использования, удобство и надежность. Весь процесс идентификации занимает мало времени и не требует усилий от тех, кто использует данную систему доступа. Рисунок 5.4. Типы рисунков отпечатка пальца Для практического применения система идентификации по отпечатку пальца должна обладать следующими показателями: − доля случаев ошибочной идентификации – не более 0,0001%; − доля ошибочных отказов в идентификации с первой попытки – не более 1%; − время идентификации – не более 5 с. 87 Идентификация по кисти руки При идентификации по кисти руки используются такие ее параметры, как геометрия, объемное изображение, рисунок кровеносных сосудов и т. п. Метод распознавания геометрии кисти руки основан на анализе трехмерного изображения кисти руки и получил развитие в связи с тем, что математическая модель идентификации по данному параметру требует достаточно малого объема информации – всего 9 байт, что позволяет хранить большой объем записей, и следовательно, быстро осуществлять поиск. Однако форма кисти руки также является параметром, который достаточно сильно подвержен изменениям во времени, а, кроме того, требует сканеров большого размера, что ведет к удорожанию системы. Наиболее удачное устройство измеряет геометрию руки. Для этого оно сканирует как внутреннюю, так и боковую сторону руки, используя встроенную видеокамеру и алгоритмы сжатия. Эти сканеры целесообразно применять в таких случаях ограничения доступа, когда изза грязи или травм сканирование пальцев может быть проблематичным. Более сложными являются системы, дополнительно измеряющие профиль руки (объем пальцев, объем кисти, неровности ладони, расположение складок кожи на сгибах). Данные о трехмерной геометрии руки получают путем использования одной телевизионной камеры и инфракрасной подсветки руки под разными углами. Широкому распространению таких систем препятствует несколько факторов: высокая цена самого считывателя; невысокая пропускная способность – ладонь нужно правильно расположить в считывающем устройстве; отсутствие технологий защиты от фальсификации; вместо кисти руки в считыватель можно засунуть ее муляж. В отличие от дактилоскопических считывателей, они не предъявляют повышенных требований к влажности, температуре, цвету, загрязненности и другим параметрам. Еще один вариант применения в качестве идентификатора кисть руки – это использование рисунка кровеносных сосудов на обратной стороне ладони. Такой узор уникален, его можно считывать на расстоянии и сложно воспроизвести искусственно. Особенность прибора заключается в том, что оно сканирует не поверхность пальца, а устройство внутренних органов человека (структуру сети кровеносных сосудов руки) с помощью специального инфракрасного датчика. В этом случае деформация поверхности, сухость, влажность или загрязненность рук никак не влияют на результаты распознавания. После сканирования система распознавания обрабатывает полученное изображение. Кроме рассмотренных устройств, существуют такие, которые используют для идентификации личности рисунок вен, расположенных на тыльной стороне кисти руки, сжатой в кулак. Наблюдение рисунка вен осуществляется телевизионной камерой при инфракрасной подсветке, после чего вычисляется шаблон. Идентификация по лицу Система распознавания по лицу – наиболее древний и распространенный способ идентификации. Именно такой процедуре подвергается каждый, кто пересекает границу. При этом пограничник сверяет фото на паспорте с лицом владельца паспорта и принимает решение, его это паспорт или нет. Примерно такую же процедуру выполняет компьютер, но с той лишь разницей, что фото уже находится в его памяти. Привлекательность данного метода основана на том, что он наиболее близок к тому, как мы идентифицируем друг друга. Развитие данного направления обусловлено быстрым ростом мультимедийных видеотехнологий, благодаря которым можно увидеть все больше видеокамер, установленных дома и на рабочих местах. Хотя лицо человека – уникальный параметр, но достаточно динамичный; человек может улыбаться, отпускать бороду и усы, надевать очки – все это добавляет трудности в процедуре идентификации и требует достаточно мощной и дорогой аппаратуры, что соответственно влияет на степень распространенности данного метода. Алгоритм функционирования системы опознавания достаточно прост. Изображение лица считывается обычной видеокамерой и анализируется. Программное обеспечение сравнивает введенный портрет с хранящимся в памяти эталоном. Некоторые системы дополнительно архиви- 88 руют вводимые изображения для возможного в будущем разбора конфликтных ситуаций. Весьма важно также то, что биометрические системы этого класса потенциально способны выполнять непрерывную идентификацию (аутентификацию) пользователя компьютера в течение всего сеанса его работы. Большинство алгоритмов позволяет компенсировать наличие очков, шляпы и бороды у исследуемого индивида. Было бы наивно предполагать, что с помощью подобных систем можно получить очень точный результат. Несмотря на это, в некоторых странах они довольно успешно используются для верификации кассиров и пользователей депозитных сейфов. Основными проблемами, с которыми сталкиваются разработчики данного класса биометрических систем, являются изменение освещенности, вариации положения головы пользователя, выделение информативной части портрета (гашение фона). С этими проблемами удается справиться, автоматически выделяя на лице особые точки и затем измеряя расстояния между ними. На лице выделяют контуры глаз, бровей, носа, подбородка. Расстояния между характерными точками этих контуров образуют весьма компактный эталон конкретного лица, легко поддающийся масштабированию. Задача оконтуривания характерных деталей лица легко может быть решена для плоских двухмерных изображений с фронтальной подсветкой, но такие биометрические системы можно обмануть плоскими изображениями лица-оригинала. Для двухмерных систем изготовление муляжа-фотографии – это не сложная техническая задача. Существенные технические трудности при изготовлении муляжа возникают при использовании трехмерных биометрических систем, способных по перепадам яркости отраженного света восстанавливать трехмерное изображение лица. Такие системы способны компенсировать неопределенность расположения источника освещенности по отношению к идентифицируемому лицу, а также неопределенность положения лица по отношению к видеокамере. Обмануть системы этого класса можно только объемной маской, точно воспроизводящей оригинал. Данный метод обладает существенным преимуществом: для хранения данных об одном образце идентификационного кода (одном лице) требуется совсем немного памяти. А все потому, что, как выяснилось, человеческое лицо можно поделить на относительно небольшое количество «блоков», неизменных у всех людей. Этих блоков больше, чем известных нам частей лица, но современная техника научилась выделять их и строить на их основе модели, руководствуясь взаимным расположением блоков. Более надежной разновидностью описываемого метода является идентификация по «тепловому портрету» лица или тела человека в инфракрасном диапазоне. Этот метод, в отличие от обычного, оптического, не зависит от изменений лица человека (например, появления бороды), так как тепловая картина лица меняется крайне редко. Проблемы идентификации человека по лицу существенно упрощаются при переходе наблюдений в дальний инфракрасный диапазон световых волн. Предложено осуществлять термографию идентифицируемого лица, выявляющую уникальность распределения артерий на лице, снабжающих кожу теплой кровью. Проблема подсветки для этого класса биометрических устройств не существует, так как они воспринимают только температурные перепады лица и могут работать в полной темноте. На результаты идентификации не влияют перегрев лица, его переохлаждение, естественное старение личности, пластические операции, так как они не изменяют внутреннее расположение сосудов. Методу лицевой термографии доступно различение однояйцевых близнецов, кровеносные сосуды на их лицах имеют достаточно существенные различия. Дистанционное считывание с любого расстояния вне зависимости от освещенности обеспечивает высокую пропускную способность и вандалозащищенность. Метод рассчитан на использование специализированной видеокамеры дальнего инфракрасного диапазона, что и определяет его высокую стоимость. Идентификация по глазу человека В некоторых системах идентификации в качестве ключа используется глаз человека. Существует две разновидности этих систем, использующие разные идентификаторы. В первом случае в качестве «носителя» идентификационного кода применяется рисунок капилляров (кровеносных сосудов) на сетчатке (дне) глаза, а во втором – узор радужной оболочки глаза. 89 Для начала рассмотрим способ идентификации по узору кровеносных сосудов, расположенных на поверхности глазного дна (сетчатке). Сетчатка расположена глубоко внутри глаза, но это не останавливает современные технологии. Более того, именно благодаря этому свойству, сетчатка – один из наиболее стабильных физиологических признаков организма. Сканирование сетчатки происходит с использованием инфракрасного света низкой интенсивности, направленного через зрачок к кровеносным сосудам на задней стенке глаза. Для этих целей используется лазерный луч мягкого излучения. Вены и артерии, снабжающие глаз кровью, хорошо видны при подсветке глазного дна внешним источником света. Еще в 1935 году Саймон и Голдштейн доказали уникальность дерева кровеносных сосудов глазного дна для каждого конкретного индивидуума. Сканеры для сетчатки глаза получили большое распространение в сверхсекретных системах контроля доступа, так как у них один из самых низких процентов отказа доступа зарегистрированных пользователей. Кроме того, в системах предусмотрена защита от муляжа. В настоящее время широкому распространению этого метода препятствует ряд причин: − высокая стоимость считывателя; − невысокая пропускная способность; − психологический фактор. Невысокая пропускная способность связана с тем, что пользователь должен в течение нескольких секунд смотреть в окуляр на зеленую точку. В ходе испытаний система распознавания пользователя по сетчатке глаза не разрешила допуск ни одному из более чем 2,7 млн. «посторонних», а среди тех, кто имел права доступа, лишь 1,8% были ошибочно отвергнуты системой (проводилось три попытки доступа). Как сообщается, это был самый низкий коэффициент ошибочных решений среди проверяемых систем биометрической идентификации. А самый большой процент ошибок был у системы распознавания лица – в разных сериях испытаний она отвергла от 10 до 25% законных пользователей. Еще одним уникальным для каждой личности статическим идентификатором является радужная оболочка глаза. Уникальность рисунка радужной оболочки обусловлена генотипом личности, и существенные отличия радужной оболочки наблюдаются даже у близнецов. Врачи используют рисунок и цвет радужной оболочки для диагностики заболеваний и выявления генетической предрасположенности к некоторым заболеваниям. Обнаружено, что при ряде заболеваний на радужной оболочке появляются характерные пигментные пятна и изменения цвета. Для ослабления влияния состояния здоровья на результаты идентификации личности в технических системах опознавания используются только черно-белые изображения высокого разрешения. Получаемое при сканировании радужной оболочки глаза изображение обычно оказывается более информативным, чем оцифрованное в случае сканирования отпечатков пальцев. Уникальность рисунка радужной оболочки глаза позволяет выпускать фирмам целый класс весьма надежных систем для биометрической идентификации личности. Для считывания узора радужной оболочки глаза применяется дистанционный способ снятия биометрической характеристики. Системы этого класса, используя обычные видеокамеры, захватывают видеоизображение глаза на расстоянии до одного метра от видеокамеры, осуществляют автоматическое выделение зрачка и радужной оболочки. Пропускная способность таких систем очень высокая. Вероятность же ложных срабатываний небольшая. Кроме этого, предусмотрена защита от муляжа. Они воспринимают только глаз живого человека. Еще одно достоинство этого метода идентификации – высокая помехоустойчивость. На работоспособность системы не влияют очки, контактные линзы и солнечные блики. Идентификация по голосу В современном мире все больше проявляется интерес к речевым технологиям, в частности, к идентификации личности по голосу. Это объясняется, с одной стороны, появлением высокопроизводительных вычислительных систем на базе персональных компьютеров и аппарат- 90 ных средств, позволяющих производить ввод сигнала в компьютер, а, с другой стороны, высокой потребностью систем аутентификации в разных областях жизнедеятельности человека. Привлекательность данного метода – удобство в применении. Метод проверки голоса имеет два положительных отличия от остальных биометрических методов. Во-первых, это идеальный способ для телекоммуникационных приложений. Во-вторых, большинство современных компьютеров уже имеют необходимое аппаратное обеспечение. Несмотря на остающиеся технические вопросы, в частности, на снижение надежности распознавания при наличии шумов, это весьма экономичное решение, так как микрофоны и звуковые карты уже давно получили прописку в сети. Как известно, источником речевого сигнала служит речеобразующий тракт, который возбуждает звуковые волны в упругой воздушной среде. Сформированный речевой сигнал и передается в пространстве в виде звуковых волн. Приемник сигнала – это датчик звуковых колебаний. Обычно для этих целей используют микрофон – устройство для преобразования звуковых колебаний в электрические. К настоящему моменту у нас и за рубежом реализованы системы автоматической идентификации по голосу, большинство из которых строятся по единой концептуальной схеме: − производится регистрация пользователя и вычисляется шаблон; − выбираются участки речевого потока для дальнейшего анализа; − осуществляется первичная обработка сигнала; − вычисляются первичные параметры; − строится «отпечаток» (шаблон) голоса; − производится сравнение «отпечатков» голосов и формируется решение по идентичности голосов или «близости» голоса к группе голосов. В качестве недостатка биометрических систем идентификации личности по голосу необходимо отметить, прежде всего, то, что парольную фразу трудно сохранить в тайне. Современные средства акустического прослушивания (радиожучки и другие подслушивающие устройства) позволяют достаточно успешно осуществлять несанкционированное копирование парольной фразы. Ожидается, что исключение опасности использования злоумышленниками «магнитофонов» произойдет при переходе к идентификации личности на произвольных фразах. Как потенциальное противодействие «магнитофонам» используют случайный розыгрыш парольных фраз, а также комбинирование с другими методами биометрической аутентификации. Подпись Подпись – это традиционный способ подтверждения документов, банковских операций. Подпись является таким же уникальным атрибутом человека, как и другие его биохарактеристики. Человеческий почерк непостоянен, поэтому распознавание подписи вызывает сомнение как средство автоматической идентификации личности в больших открытых системах. В общем, считается, что существование крайне нестабильных и легко имитируемых подписей — одна из основных причин снижения производительности системы, распознающей подпись человека. Но, с другой стороны, подпись — это привычный для нас метод идентификации, и он, в отличие от отпечатка пальца, не ассоциируется у нас с криминальной сферой. Любая рукопись в своеобразии начертания букв доносит до нас что-то личностное. Графологи, рассматривая частокол черточек и завитушек, много могут рассказать об их авторе. Они не только убедительно демонстрируют методы определения пола, возраста, образования, рода занятий писавшего, но и достаточное внимание уделяют экспериментальным основаниям этого научного направления. В классификации Зуева - Инсарова – автора фундаментальных работ по графологии — например, содержатся такие формальные признаки почерка, как: − сила нажима; − динамичность и напряженность движения; − вытянутость, наклон и степень связанности букв; − направление строки; − расположение и содержательность текста; 91 − способ держания орудия письма; − равномерность и соразмерность букв и слов; − ритм и выразительность письма. Устройства идентификации подписи используют, в основном, специальные ручки, чувствительные к давлению столы, или комбинацию обоих. Существует два способа обработки данных о подписи: − метод простого сравнения с образцом; − метод динамической верификации. Метод простого сравнения с образцом очень ненадежен, т. к. основан на обычном сравнении введенной подписи с хранящимися в базе данных графическими образцами. По причине того, что подпись не может быть всегда одинаковой, процент ошибок этого метода достаточно высок. Хорошо подделанная подпись вполне может удовлетворить систему опознавания. Математический аппарат метода динамической верификации намного сложнее. Он позволяет фиксировать параметры процесса подписи в реальном времени, например, скорость движения руки на разных участках, порядок нанесения штрихов, форму и направление штрихов, силу давления и длительность различных этапов подписи. Это гарантирует, что подпись не подделает даже опытный графолог, поскольку никто не может в точности скопировать поведение руки владельца подписи. Клавиатурный почерк Все люди воспринимают происходящие события по-разному. Попробуйте за короткое время прикинуть количество точек или гласных букв в длинных словах, размеры горизонтальных и вертикальных линий, — сколько будет испытуемых, столько и мнений. Эти особенности человеческой психики также подходят для идентификации. Правда, в зависимости от состояния и самочувствия человека полученные значения будут «плавать», поэтому на практике полагаются на интегральный подход, когда итог подводится по нескольким проверкам, учитывая и работу с клавиатурой. Например, способ идентификации может быть таким: на экране, на несколько секунд, появляются вертикальные или горизонтальные линии. Их размер и количество случайны. Пользователь набирает соответствующие, на его взгляд, цифры. Таким образом, выясняются: характеристики клавиатурного почерка, оценивается, насколько указанные длина и число линий близки к действительности, внимание и точность подсчета (насколько длина одной линии правильно сопоставлена с соседней). И, наконец, результаты сравниваются с эталоном. В этом методе не так важны ошибки в определении размеров, главное – чтобы они повторялись и при настройке, и при идентификации. Весьма важной характеристикой биометрической идентификации является и длина парольной фразы. Практика показывает, что парольная фраза должна быть легко запоминающейся и содержать от 21 до 42 нажатий на клавиши. При синтезе парольной фразы допустимо использование слов со смыслом. Кроме того, здесь возможен анализ таких признаков, как зависимость скорости ввода слов от их смысла, относительное время нажатия различных клавиш и др. Причем они в некоторых случаях даже более информативны: например, реакция тестируемого на различные термины укажет сферу его интересов. Действительно, химик быстрее наберет «водород», «соединение», чем «программа» или «экскаватор». А модельеру будут привычнее такие слова, как «манекен» или «выкройка». Как же можно выявить индивидуальные особенности клавиатурного почерка? Да так же, как и при графологической экспертизе: нужны эталонный и исследуемый образцы текста. Лучше, если их содержание будет одинаковым — так называемая парольная или ключевая фраза. Разумеется, по двум-трем, даже по десяти нажатым клавишам отличить пользователя невозможно. Нужна статистика. При наборе ключевой фразы компьютер позволяет зафиксировать много различных параметров, но для идентификации наиболее удобно использовать время, затраченное на ввод отдельных символов. Времена нажатий клавиш tl, t2,....tn различны и, соответственно, значения этих параметров можно употреблять для выявления характерных особенностей клавиатурного 92 почерка пользователя. Кроме того, можно использовать как контролируемые параметры интервалы между нажатием соседних клавиш. Контролируемые параметры существенно зависят от того, сколько пальцев использует при наборе пользователь, от характерных для пользователя сочетаний движений различных пальцев руки и от характерных движений рук при наборе. Например, если заставить пользователя работать одним пальцем одной руки, то клавиатурный почерк практически полностью теряет свою индивидуальность. В этом случае времена нажатия клавиш перестают отражать индивидуальность людей, т. к. интервалы между нажатиями становятся пропорциональны расстоянию между клавишами, а перекрытие нажатий соседних клавиш становится невозможным. Уникальные особенности клавиатурного почерка выявляются двумя методами: − по набору ключевой фразы; − по набору «свободного» текста. Каждый из них обязательно имеет режимы настройки и идентификации. При настройке определяются и запоминаются эталонные характеристики ввода пользователем ключевых фраз, например, время, затраченное на отдельные символы. А в режиме идентификации эталонное и полученное множества сопоставляются после исключения грубых ошибок. Набор «свободного» текста производится по самым разнообразным фразам (ключевая фраза, как правило, одна и та же), что имеет свои преимущества, позволяя получать индивидуальные характеристики незаметно, не акцентируя внимание пользователя на парольной фразе. Нужно отметить, что при использовании этих методов появляется возможность не только подтвердить подлинность, но и проанализировать его состояние. Описанный подход к защите от несанкционированного доступа позволяет: − контролировать физическое состояние сотрудников; − покончить с практикой нарушения правил безопасности при работе с паролями; − обеспечить более простой и такой же надежный метод входа в сеть. ЛЕКЦИЯ №6. КРИПТОГРАФИЯ. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ ОТ НЕСАНКЦИОНИРОВАННОГО ДОСТУПА Криптографические методы традиционно используются для шифрования конфиденциальной информации, представленной в любой материальной форме в виде: − письменных текстов; − данных, хранящихся на гибком диске; − сообщений, передаваемых в телекоммуникационных сетях; − программного обеспечения, графики или речи, закодированных цифровыми последовательностями и т. п. Эти методы могут быть использованы и для многих других приложений, связанных с защитой информации, в частности, для обнаружения фактов вторжения в телекоммуникационную или компьютерную сеть и введения в нее имитирующих сообщений. В настоящее время криптографическое преобразование информации в форму, непонятную для посторонних, является универсальным и надежным способом ее защиты. Когда объемы подлежащей закрытию информации, стали критическими, были созданы механические устройства для шифрования. Основными потребителями криптографических услуг стали дипломатические и шпионские миссии, тайные канцелярии правителей и штабы войсковых соединений. Для этого этапа развития криптографии характерно следующее: − защите подвергались исключительно текстовые сообщения, написанные на естественных языках (других типов данных в то время просто не существовало); − использовавшиеся шифры были достаточно простыми (шифрование сначала осуществлялось вручную, позднее были изобретены сравнительно несложные механические приспособления); − научный подход к построению шифров и их раскрытию отсутствовал (криптография и криптоанализ были скорее искусством, чем наукой); 93 − криптографию использовали только высшие правящие слои и военная верхушка государств; − основной задачей криптографии являлась защита передаваемых сообщений от несанкционированного ознакомления (поскольку шифровали исключительно текстовые сообщения, то никаких дополнительных методов защиты от навязывания ложных данных не применялось, т.к. в силу огромной избыточности, характерной для естественных языков, была ничтожно мала вероятность получить нечто осмысленное после расшифровки искаженного зашифрованного текста). Современная криптография изучает и развивает 4 основные направления: − симметричные криптосистемы (с секретным ключом); − несимметричные криптосистемы (с открытым ключом); − системы электронной подписи; − системы управления ключами. Теоретически шифрование данных для передачи по каналам связи компьютерной сети может осуществляться на любом уровне модели OSI (Open Systems Interconnection – Модель открытых сетевых соединений). Согласно модели OSI, коммуникационные функции разнесены по уровням. Функции каждого уровня не зависят от функций ниже- и вышележащих уровней. Каждый уровень может непосредственно общаться только с двумя соседними. Модель OSI определяет 7 уровней: верхние 3 служат для связи с конечным пользователем, а 4 нижних ориентированы на выполнение коммуникационных функций в реальном масштабе времени (рис. 6.1). На практике это обычно делается либо на самых нижних, либо на самых верхних уровнях. Если данные шифруются на нижних уровнях, шифрование называется канальным, а если на верхних, то такое шифрование называется сквозным. Оба этих подхода к шифрованию данных имеют свои преимущества и недостатки. Возможна комбинация указанных видов шифрования. Различают несколько видов шифрования в сетевых соединениях. Протоколы Прием Передача Управление прикладными программами 7. Прикладной Управление представлением данных 6. Представительный Пакеты 3. Сетевой 4. TRANSPORT Пакеты Управление сетью Кадры 2. Канальный Управление информационным каналом Биты Компьютер №1 5. SESSION Управление транспортировки данных 4. Транспортный 1. Физический 6. PRESENTATION Управление сеансами 5. Сеансовый 7. APPLICATION 3. NETWORK Кадры 2. DATALINK Биты Управление физическим каналом Передающая среда 1. PHYSICAL Компьютер №2 Рисунок 6.1. Модель открытых сетевых соединений Аппаратное шифрование Большинство средств криптографической защиты данных реализовано в виде специализированных физических устройств. Эти устройства встраиваются в линию связи и шифруют всю 94 передаваемую по ней информацию. Преобладание аппаратного шифрования над программным обусловлено несколькими причинами: − более высокая скорость шифрования; − аппаратуру легче физически защитить от проникновения извне; − аппаратура шифрования более проста в отладке. Программное шифрование файлов Любой криптографический алгоритм можно реализовать в виде соответствующей программы. Преимущества такой реализации очевидны: программные средства шифрования легко копировать, они просты в использовании, их нетрудно модифицировать в соответствии с конкретными потребностями. Во всех распространенных операционных системах имеются встроенные средства шифрования файлов. Обычно они предназначены для шифрования отдельных файлов, и работа с ключами целиком возлагается на пользователя. Поэтому применение этих средств требует особого внимания. Во-первых, ни в коем случае нельзя хранить ключи на диске вместе с зашифрованными с их помощью файлами, а, во-вторых, незашифрованные копии файлов необходимо удалить сразу после шифрования. Необходимость использования электронной цифровой подписи Собственноручная подпись под документом с давних пор используется людьми в качестве доказательства, что человек, подписавший данный документ, ознакомился с ним и согласен с его содержанием. Почему же подпись заслужила такое доверие? Основные причины этого заключаются в следующем: − подлинность подписи можно проверить (ее присутствие в документе позволяет убедиться, действительно ли он был подписан человеком, который обладает правом ставить эту подпись); − подпись нельзя подделать (подлинная подпись является доказательством того, что именно тот человек, которому она принадлежит, поставил эту подпись под документом); − подпись, которая уже стоит под одним документом, не может быть использована еще раз для подписания второго документа (подпись — неотъемлемая часть документа и ее нельзя перенести в другой документ); − подписанный документ не подлежит никаким изменениям; − от подписи невозможно отречься (тот, кто поставил подпись, не может впоследствии заявить, что он не подписывал этот документ). На самом деле, ни одно из перечисленных свойств подписи полностью, на все 100%, не выполняется. В нашем современном криминальном обществе подписи подделывают и копируют, от них отрекаются, а в уже подписанные документы вносят произвольные изменения. Однако люди вынуждены мириться с недостатками, присущими подписи, поскольку мошеннические трюки с подписями проделывать не просто и шансы быть пойманными у мошенников достаточно велики. Проблему электронной подписи можно было бы решить путем создания сложных считывающих устройств, разлагающих подпись на бумаге на элементы, переводящих эти элементы в цифровой код и на приемном конце производить операцию проверки подлинности, сверяя полученный цифровой код с хранящимся образцом. Такие технические средства уже используются, но, в основном, для защиты от несанкционированного доступа, где пользователь ставит свою подпись и в его присутствии происходит сверка. Совсем иначе обстоят дела, если документ послан по почте. При этом возникает трудная проблема: подписанный документ можно перехватить и изменить или полностью заменить, и к поддельному документу «приклеить» подпись, «отрезанную» от подлинного. Попытка использовать подпись в компьютерных файлах сопряжена с еще большими трудностями по тем причинам, что: − любой файл можно скопировать вместе с имеющейся в нем подписью; − после подписания в файл можно внести любые изменения, которые в принципе не поддаются обнаружению. 95 Эти недостатки устраняются при использовании электронной цифровой подписи, позволяющей заменить при безбумажном электронном документообороте традиционные печать и подпись. Она не имеет ничего общего с последовательностью символов, соответствующих печати или подписи, приписанной к документу. При построении цифровой подписи вместо обычной связи между печатью или рукописной подписью и листом бумаги выступает сложная зависимость между документом, секретным и общедоступным (открытым) ключами, а также цифровой подписью. Невозможность подделки электронной цифровой подписи обусловлена очень большим объемом математических вычислений. Первичные коды. Знаки сообщения в передающих устройствах преобразуются в электрическое сигналы. Для того чтобы приёмники получали знаки, соответствующие передаче , знакам присваиваются определённые условные обозначения , их кодируют. Кодирование – преобразование каждого знака в определённое электрических импульсов. Код – полный набор всевозможных комбинаций символов вторичного алфавита по заданному закону. Кодом называют сочетание посылок электрического тока, при помощи которых в условном виде передаются все буквы, цифры и знаки препинания. Кодирование производится по двоичной системе счисления (рис.6.2), в которой кодовые комбинации отображаются цифрами 1 и 0. Достоинством двоичной системы является простота реализации схем, осуществляющих кодирование, коммутирование и запоминание. Кроме того, двоичные системы обладают хорошей помехозащищённостью. Регистры Русский А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ь Ы Я Буквы русские Цифры Буквы латинские Двоичные знаки Цифры и знаки ? 2 Ш 3 = + 8 Ю ( ) . ,(зпт) 9 4 ’ 5 7 Э Щ : / 6 1 Латинский A B W G D E V Z I J K L M N O P R S T U F H C X Y Q 11000 10011 11001 01011 10010 10000 01111 10001 01100 11010 11110 01001 00111 00110 00011 01101 01010 10100 00001 11100 10110 00101 01110 10111 10101 11101 00000 11011 11111 Рисунок 6.2. Таблица телеграфного кода МКТ-2. 96 Кодовая комбинация – совокупность единичных элементов, соответствующая одному знаку. Элементом кодовой комбинации является наименьшая по времени посылка тока. Количество элементов кодовой комбинации для обозначения знаков может быть одинаковым или различным; в зависимости от этого коды называются равномерными и неравномерными. Неравномерный (некомплектный) код – комбинация с неравным количеством символов. Код Морзе, кабельный троичный код . Равномерный (комплектный) код – комбинация с равным количеством символов. Международный код Бодо, код МТК-2. Корректирующие коды. Для передачи с помощью дискретных сигналов любое сообщение кодируется (рис.6.3). Коды бывают простые (первичные) и корректирующие; равномерные или неравномерные, двоичные и многопозиционные. Многопозиционные коды требуют применения сложной аппаратуры, поэтому они применяются очень редко. Все двоичные коды, применяемые в технике передачи данных, делятся на неизбыточные (простые) и избыточные (корректирующие). Простой код характеризуется тем, что отдельные его кодовые комбинации отличаются друг от друга лишь одним элементом. Поэтому даже один ошибочно принятый элемент приводит к замене одного знака на другой. Простые коды бывают равномерные и неравномерные , все они неизбыточные. Корректирующими называют коды, которые позволяют обнаружить и исправить ошибки, возникающие под действием помех. В основе их лежит передача дополнительных кодовых элементов. Корректирующие коды являются избыточными, так как в основе их лежит передача дополнительных (к основным) проверочных элементов. Корректирующие коды строят таким образом, что для передачи информации используются лишь часть кодовых комбинаций (разрешённые комбинации), отличающиеся друг от друга более чем одним элементом. Все остальные комбинации для передачи не используются и относятся к числу запрещённых (неразрешенных). При использовании корректирующих кодов ошибка в одном разряде приводит к замене разрешенной кодовой комбинации неразрешенной, что позволяет обнаружить ошибку. Общее количество возможных комбинаций кода Nобщ всегда больше (избыточно) количества используемых комбинаций Nисп , т.е., Nобщ > Nисп . Появление в информации запрещённых символов свидетельствует о наличии ошибок. Избыточность кода используется не только для обнаружения ошибок, но и для их исправления. Избыточные коды могут обнаруживать (исправлять) не только одиночные, но и двойные, тройные и т.д. ошибки. Степень защиты от ошибок зависит от соотношения Nобщ и Nисп . Двоичные равномерные корректирующие коды делятся на непрерывные и блочные. Непрерывными кодами называются коды, в которых последовательность символов, подлежащих передачи, не подразделяется на блоки , а представляет собой непрерывную последовательность. Блочными называются коды, в которых каждому элементу сообщения соответствует блок данных из n символов. В системе передачи данных получили распространение равномерные блочные коды, в которых информационная последовательность кодовых элементов разбивается на отдельные комбинации (блоки), кодирование и декодирование которых осуществляется независимо друг от друга. Блочные методы в свою очередь делятся на разделимые и неразделимые. Разделимыми называются коды, в которых роль элементов (разрядов), входящих в состав блока, ограничена: одни элементы являются информационными (несут сообщение), другие – проверочными. Последние и вносят в код избыточность, предназначенную для обнаружения или исправления ошибок. В разделимых кодах информационные и проверочные разряды занимают всегда одни и те же места (позиции) в кодовой комбинации. Разделимые коды обозначают как (n , k) – коды, где n - длина или число разрядов (элементов) кода; k – число информационных разрядов. Разделимые коды делятся на систематические и несистематические. 97 Систематическими называются блочные разделимые (n , k) – коды, в которых проверочные элементы представляют собой линейные комбинации информационных. Эти коды образуют большую группу и широко применяются на практике. Коды Простые неизбыточные Равномерные Корректирующие избыточные Неравномерные Равномерные Блочные Неразделимые с обнаружением ошибок Неравномерные Непрерывные Разделимые С исправлением ошибок Несистематические С проверкой на постоянство веса С обнаружением ошибок С проверкой на чётность (нечётность) Рекуррентные Систематические С обнаружением ошибок С исправлением ошибок С проверкой по зеркальному отображению Циклические Хемминга Рисунок 6.3. Классификация кодов. Коды с обнаружением ошибок. Для обнаружения ошибок в принятом сообщении применяют следующие наиболее простые методы : проверка на чётность (нечётность), суммы единиц в кодовых элементах сообщения ; проверка на постоянство веса, т.е. постоянство количества единиц в кодовых комбинациях ; проверка по «зеркальному» отображению информационных посылок. Код с проверкой на чётность. В коде с проверкой на чётность - разрешёнными являются кодовые комбинации , содержащие чётное число единиц. Этот код образуется добавлением к кодовой комбинации одной избыточной посылки. Полярность дополнительной посылки выбирается так, чтобы количество единиц в новом (k + 1) элементном коде было чётным . Если при передаче одна из посылок кодовой комбинации изменит свою полярность, то сумма единиц на приёме будет нечётной. Такой код состоит из 2k разрешённых комбинаций с минимальным кодовым расстоянием d = 2. Код с проверкой на чётность позволяет обнаружить нечётное число ошибок, т.е. все нечётные ошибки (начиная с одиночной ошибки), и не обнаруживают ошибки чётной кратности (двойные, четверные и т. д. ). Код с постоянным весом. Под весом кодовой комбинации двоичного кода принято понимать количество единиц в данной кодовой комбинации. Код с постоянным весом строится так, чтобы отношение количества единиц m к количеству нулей ( n - m ) обеспечивало необходи- 98 мое количество «разрешённых» комбинаций. При этом должно соблюдаться условие, при котором «разрешённые» комбинации содержали бы (в любой последовательности) постоянное количество единиц и нулей. Проверка по зеркальному отображению. Принцип построения кода с обнаружением ошибок способом проверки по зеркальному отображению основан на преобразовании nэлементного кода в 2n-элементный код. При приёме кодовые посылки сравниваются с проверочными по признаку полярности. Коды с обнаружением и исправлением ошибок. Коды с обнаружением и исправлением ошибок более сложные. Они позволяют не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их. К ним относятся систематические, циклические и рекуррентные коды. Систематические или линейные (блочные, разделимые) коды могут быть с исправлением ошибок. При образовании кода к информационным разрядам k прибавляются проверочные или корректирующие разряды r . Проверочные разряды образуются при передаче в результате суммирования по модулю 2 информационных разрядов. Такое суммирование проводится не один, а r раз, при этом каждый раз складываются разные группы разрядов. Количество проверочных разрядов в кодовой комбинации должно отвечать требованию 2r ≥ n + 1, где n = k + r. Код Хемминга. В основу построения этого кода принят порядок, при котором из n элементов кодовой комбинации выбирается число групп r . В каждой группе количество единиц должно быть чётным. Циклические коды. Циклическими называют такие систематические коды, у которых разрешенные комбинации отличаются друг от друга сдвигом элементов на один или несколько циклов. Основное свойство циклических кодов состоит в том, что циклический сдвиг разрешённой кодовой комбинации также является разрешённой кодовой комбинацией. Если, например, комбинация 011001100 является разрешенной, то разрешёнными будут и комбинации 110011000 , 100110001 , 001100011 , 011000110 и т.д. Рекуррентные коды. В рекуррентных (непрерывных) кодах введены дополнительно проверки , охватывающие взаимной проверкой несколько кодовых комбинаций. В основу построения этих кодов заложены принципы так называемого многократного кодирования. При этом наряду с блочной избыточностью вводится серия новых проверок, при этом каждая ступень проверки охватывает всё более разнесённые во времени информационные разряды. На каждые n элементов непрерывной последовательности приходится k информационных элементов и r проверочных т.е. (n = k + r). Эти коды относятся к классу непрерывных. Ошибки исправляются путём группирования их пачки, длины которых обычно превосходят длину кодовой комбинации. Одним из простейших рекуррентных кодов является так называемый цепной код, в котором после каждого информационного элемента следует проверочный. При этом проверочные элементы формируются сложением двух информационных элементов (по модулю 2), взаимно сдвинутых на определённый промежуток , равный шагу сложения 0,5 l , где l – максимальная длина исправляемого блока (пачки) ошибок. Инверсный код представляет собой разновидность введения специальных связей между исходными первичными и вторичными кодами. В основу его построения заложен принцип двукратного повторения исходной комбинации. Четность или нечётность числа единиц в комбинации первичного кода предопределяет вид комбинации вторичного кода, в котором к исходной комбинации приписывается справа аналогичная ей (при чётности) последовательность. Для обнаружения ошибки в последовательности , состоящей из 2n элементов, на приёме производят две операции: проверка чётности единиц в первой части последовательности и поэлементное сравнение этой части со второй частью последовательности, принимаемой в позитиве или негативе. Если при этом обнаруживается несовпадение элементов двух частей, то принятая комбинация блокируется. Структуры кодеров и декодеров Как уже указывалось выше использование цифровых методов передачи сообщений и сигналов дает целый ряд преимуществ системам связи. Одним из таки преимуществ является воз99 можность использования помехоустойчивого кодирования сигналов на основе использования специальных кодов для повышения верности передачи информации. Коды источников сообщений Напомним, что источник сообщения формирует сообщение А(t) (которое может быть любой физической природы – звуковые колебания, изображения и т.д.), которое преобразователем (кодером источника) преобразуется в первичный код B(t). Поскольку сейчас мы рассматриваем цифровые методы передачи информации, будем считать, что этот первичный сигнал B(t) формируется в кодере источника (одним из рассмотренных ранее методов цифровой модуляции, например ИКМ) в виде последовательности цифровых кодовых комбинаций, каждая из которых содержит m разрядов или m единичных элементов. Иными словами каждая кодовая комбинация характеризуется основанием кода К и числом единичных элементов m. В технике передачи дискретных сообщений наибольшее распространение получили двоичные коды с основанием К=2. Поэтому в дальнейшем будем полагать, что кодовые комбинации, отображающие исходное сообщение, представляют собой m-разрядные двоичные коды. Длительность передачи одного единичного элемента кодовой комбинации (в данном случае 0 или 1) называют единичным интервалом τ0. Тогда скорость передачи единичных элементов измеряется как: B= 1 τ0 с-1 (Бод). Первичные коды сообщений можно разделить на две группы: неравномерные и равномерные. Неравномерные коды характеризуются тем, что кодовые комбинации состоят из различного числа m единичных элементов. Примером такого кода является телеграфный код Морзе, где точка –это 1, тире – 111, 0 – разделяет точки и тире, 000 – разделяет кодовые комбинации (буквы, цифры). При таком кодировании длительность кодовой комбинации, соответствующей букве Е = 4τ0, а букве Т = 6τ0, а цифре 0 - 22τ0. Неравномерность кода затрудняет при его применении различие между кодовыми комбинациями, т.к. приемник не только должен отличать единичные элементы 0 от 1, но и реагировать на длительность кодовой комбинации. Поэтому на практике в основном используют равномерные коды с постоянным числом m единичных элементов во всех кодовых комбинациях. Общее число m-элементных кодовых комбинаций двоичного равномерного кода равно К = 2m. Примером такого кода является стандартный 5-элементный телеграфный код МТК-2, принятый в качестве международного стандарта и представленный в рис. 6.2. Здесь для сокращения числа разрядов и увеличения скорости передачи одни и те же кодовые комбинации используются для передачи букв и цифр. В приемнике при помощи несложного устройства-регистра печатается тот или другой знак в зависимости от передаваемого текста. Это осуществляется передачей соответствующих управляющих сигналов – перевод на русский, возврат каретки, перевод строки и т.д. Развитие техники передачи данных и внедрение ЭВМ привели к появлению телеграфных кодов с расширенным набором команд. Поэтому существует еще стандартный телеграфный 7-элементный код КОИ-7, разработанный на основе рекомендованного МККТТ Международного кода №5 (МККТТ – международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии). Таким образом, в качестве первичных кодов B(t) будем в дальнейшем рассматривать равномерные двоичные коды с числом разрядов m. Для повышения верности передачи таких кодов по каналам связи используется дополнительное их преобразование в кодере источника, называемое помехоустойчивым кодированием. Помехоустойчивое кодирование Сущность помехоустойчивого кодирования заключается во введении в первичные коды B(t) избыточности. Поэтому помехоустойчивые коды называют избыточными. Задача помехоустойчивого кодирования заключается в таком добавлении к информационным символам первичных кодов дополнительных символов, чтобы в приемнике информации могли быть найдены 100 и исправлены ошибки, возникающие под действием помех при передаче кодов по каналам связи. Классификация помехоустойчивых кодов Существует множество различных способов введения избыточности в коды. Избыточные коды делятся на блочные и непрерывные. В блочных кодах передаваемая информация разбивается на отдельные блоки – кодовые комбинации, которые кодируются и декодируются независимо. Если число элементов первичного кода равно m, а вводимых дополнительных проверочных элементов кода равно r, то общее число элементов в кодовой комбинации блочного избыточного кода равно n = r + m. В непрерывных кодах передаваемая информационная последовательность не разделяется на блоки, а проверочные элементы размещаются в определенном порядке между информационными. На практике чаще всего используются блочные коды. Блочные коды делятся на разделимые и неразделимые. В разделимых кодах информационные и проверочные элементы во всех кодовых комбинациях занимают одни и те же позиции. Поэтому разделимые коды обозначают (n, m) коды. В неразделимых кодах деление на информационные и проверочные элементы отсутствует. Разделимые коды делятся на линейные и нелинейные. Первые названы так потому, что их проверочные элементы представляют собой линейные комбинации информационных элементов. Большую и важную группу линейных кодов образуют циклические коды. Нелинейные коды характеризуются наличием 2-х и более проверок внутри каждой кодовой комбинации. Обнаружение и исправление ошибок Наличие в кодовых комбинациях заведомо большего числа единичных элементов n>m, чем это минимально необходимо для первичного кодирования, приводит к тому, что из общего числа N=2n кодовых комбинаций (n, m) только Np=2m разрешены, а остальные (N-Np) являются запрещенными и для кодирования сообщений не используются. Избыточность помехоустойчивых кодов оценивается коэффициентом избыточности log 2 m m r = 1− = . Ku = 1− n n n log 2 По своим корректирующим свойствам избыточные коды делятся на коды, обнаруживающие ошибки, исправляющие ошибки и частично обнаруживающие и исправляющие ошибки. Очевидно, что чем больше избыточность кода, тем лучше его корректирующие свойства. Это объясняется тем, что чем больше r и значит n при заданном m, тем легче из общего числа кодовых комбинаций N выбрать Np разрешенных кодовых комбинаций, заметно отличающихся друг от друга. Степень отличия кодовых комбинаций характеризуется кодовым расстоянием d, которое определяется как число позиций единичных элементов, которым одна кодовая комбинация отличается от другой. Например, кодовое расстояние d между комбинациями 100001 и 011000 будет равно d=4. Весом V кодовой комбинации является количество входящих в нее единиц. Вес комбинации 100001 равен V=2, а вес комбинации 011000 равен V=2. 100001 ⊕ 011000 111001 С другой стороны сумма этих комбинаций по модулю 2 дает суммарную комбинацию 111001, вес которой V=4 и равен кодовому расстоянию между комбинациями-слагаемыми 100001 и 011000. Корректирующие свойства кода определяются минимальным кодовым расстоянием d0 (расстояние Хэмминга) между любыми двумя кодовыми комбинациями. Так, например, для первичного кода МТК-2, все кодовые комбинации разрешены и расстояние Хэмминга d0 = 1. 101 Это означает, что искажение хотя бы одного единичного элемента любой кодовой комбинации кода МКТ-2, приводит к замене этой кодовой комбинации на другую, т.е. ошибки не могут быть обнаружены. Для обнаружения ошибок необходимо, чтобы d0 ≥ t0 + 1, где t0 – кратность обнаруживаемых кодом ошибок. Для исправления ошибок необходимо, чтобы расстояние от принимаемой с ошибками запрещенной комбинации до переданной комбинации было меньше, чем до любой другой разрешенной комбинации. Другими словами необходимо, чтобы кратность ошибки не превышала половины кодового расстояния d0 ≥ 2tu + 1, где tu – кратность исправляемых ошибок. Определяемые из указанных выражений значения t0 и tu дают число гарантированно обнаруживаемых и исправляемых ошибок. Из этих выражений также следует, что коды, исправляющие ошибки, можно использовать для гарантированного обнаружения ошибок кратностью t0=2tu. Чтобы код обнаруживал ошибки кратностью t0 и исправлял ошибки кратностью tu кодовое расстояние должно быть d0 ≥ t0 + tu + 1. Простейшие помехоустойчивые коды Введение в коды избыточности можно осуществлять по различным правилам. Одним и наиболее часто используемым правилом является правило проверки на четность числа единиц в кодовой комбинации (разрешенной). Комбинации этого кода образуются путем добавления к m информационным элементам (битам в случае двоичного кода) одного проверочного (m+1) бита, так чтобы полное число единиц в кодовой комбинации было четным. Если А = {a1, …, am} единичные элементы первичного кода, а В – проверочный элемент, то для обеспечения четного числа единиц необходимо, чтобы b = a1 ⊕ a2 ⊕ … ⊕ am, или a1 ⊕ a2 ⊕ … ⊕ am ⊕ b = 0, где ⊕ – сумма по модулю два. Например для m=4 код с проверкой на четность будет иметь вид: А1 а2 1 1 а3 1 1 а4 1 1 b Такой код имеет d0=2 и значит, он не может исправить ни одной ошибки. Такой код может обнаружить одну ошибку. К простейшим помехоустойчивым линейным блочным кодам относится также код Хэмминга, позволяющий исправить одну ошибку и имеющий d0=3. Этот код строится следующим образом (для примера рассмотрим код (7,4)). К 4-м информационным битам а1а2а3а4 добавляем три проверочных бита b1b2b3, задавая их равенствами вида: a1 ⊕ a2 ⊕ a3 = b1, a2 ⊕ a3 ⊕ a4 = b2, a1 ⊕ a2 ⊕ a4 = b3. (при формировании этих правил каждый информационный элемент аi (i=1,2,3,4) должен участвовать как минимум в (r-1) проверках на четность из общего их числа r). Если будут выполняться эти правила, то это будет свидетельствовать об отсутствии ошибки. Невыполнение первого и третьего равенства свидетельствует об ошибочном приёме а1, первого и второго - об ошибке а3,первого, второго и третьего - об ошибке а2, второго и третьего - об ошибке а4. Представленное выше правило формирования проверочных элементов b1b2b3 кода Хэмминга позволяет путём проверки на чётность каждой кодовой комбинации определить порядковый номер искажённого элемента. Результат проверки на чётность удобно представить r=3 разрядным проверочным двоичным числом, называемым синдромом ошибки (S1,S2,S3): 102 s1 = a1 ⊕ a2 ⊕ a3 ⊕ b1, s2 = a2 ⊕ a3 ⊕ a4 ⊕ b2, s3 = a1 ⊕ a2 ⊕ a4 ⊕ b3. Имеется всего восемь возможных синдромов ошибки: один – для случая отсутствия ошибки s=(0,0,0) и семь для каждой из ошибок (по числу позиций кода n=7). Каждая из ошибок имеет свой единственный синдром. По этому синдрому можно обнаружить ошибку и указать ее позицию: s1s2s3: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Пример: Первичный код а = (а1а2а3а4) = 0001, тогда b1 = a1 ⊕ a2 ⊕ a3 = 0, b2 = a2 ⊕ a3 ⊕ a4 = 1, b3 = a1 ⊕ a2 ⊕ a4 = 1. Отсюда код Хэмминга а1а2а3а4b1b2b3 = 0001011. Этот код передается по каналу и происходит искажение одного (пусть а2 символа). a 1/ a 2/ a 3/ a 4/ b 1/ b 2/ b 3/ = 0101011 . Вычисляем синдром s= s1s2s3. s1 = a 1/ ⊕ a 2/ ⊕ a 3/ ⊕ b1/ = 0 ⊕ 1 ⊕ 0 ⊕ 0 = 1 , s 2 = a 2/ ⊕ a 3/ ⊕ a 4/ ⊕ b 2/ = 1 ⊕ 0 ⊕ 1 ⊕ 1 = 1, s 3 = a 1/ ⊕ a 2/ ⊕ a 4/ ⊕ b 3/ = 0 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 1 = 1. Синдромом 111 можно закодировать ошибку а2. Нетрудно видеть, что если код Хэмминга принят правильно, то синдром s=000, т.е. отсутствуют ошибки. Если бы ошибка была в а4, то синдром s=011. Схемная реализация кодеров и декодеров линейного блочного кода Хэмминга показана на рис. 6.4. Регистр 7 6 5 4 3 выход 2 1 вход Код Хемминга b3 b2 b1 a4 a3 a2 a1 7 6 5 4 3 2 1 b1 ⊕ b2 ⊕ ⊕ b3 ⊕ ⊕ ⊕ Выход Дешифратор ⊕ 7 a4 a3 a2 6 5 4 3 2 1 a1 Кодер (7,4) кода Декодер (7,4) кода Рисунок 6.4. Схемная реализация кодеров и декодеров линейного блочного кода Хэмминга Основной задачей при построении линейных блочных кодов как и любых других помехоустойчивых кодов является разработка правил формирования проверочных элементов. Напомним, что эти правила заключаются в том, чтобы в результате проверок на четность числа единиц в передаваемой кодовой комбинации можно было указать позиции (номера) искаженных элементов. Последовательность кодовых комбинаций первичного m разрядного кода сообщения можно записать в виде матрицы 103 a 11 A = ... a 12 ... ... ... a 1m . ... a Np1 a Np 2 ... a Npm Чтобы не записывать все кодовые комбинации этой матрицы можно записать единичную матрицу размером m×m. I= 100 010 ... ... ... 000 ... ... ... 1 а все кодовые комбинации матрицы А получить путем поэлементного сложения по модулю 2 строк единичной матрицы I во всех возможных сочетаниях. Общее число таких сложений N p = C1m + C 2m + ... + C mm = 2 m − 1 . Вообще Np = 2m и уменьшение на единицу связано с отсутствием комбинации 000…0. Для задания избыточного кода необходимо построить образующую матрицу Mn,m, левая часть которой есть единичная матрица Im первичного кода, а правая Rr,m – матрица проверочных элементов. Размерность такой матрицы n×m. M n ,m 10 01 = ... 00 ... ... ... ... 0 b11 0 b 21 ... ... 1 b m1 b12 b 22 ... b m2 ... b1r ... b 2 r ... ... ... b mr . Теперь на основе образующей матрицы М можно построить проверочную матрицу Н размерностью n×r, левая часть которой это транспонированная матрица проверочных элементов, а правая – единичная матрица b11 b 21 ... b m1 10 ... 0 b12 H n ,r = ... b1r b 22 ... ... b m 2 ... ... 01 ... 0 ... ... ... a1 b 2r a2 . ... b mr 00 ... 1 ... a m b1b 2 ... br Единицы в строках матрицы Н будут стоять на позициях элементов, участвующих в проверке на четность при формировании соответствующих bi (i = 1, 2, …, r). Таким образом, если задана образующая матрица М, то построив по ней проверочную матрицу, можно найти правила формирования проверочных групп элементов. Такой матричных подход удобен при построении линейных блочных кодов с большим числом разрядов m и r. Циклические коды Циклические коды – это разновидность линейных блочных кодов и предназначены они для обнаружения и исправления ошибок. Любое m разрядное число можно представить в виде многочлена F(x) = am-1xm-1 + am-2xm-2 + … + a1x1 + a0x0. Здесь коэффициенты a1, a2, …, am-1 равны "0" или "1". Для двоичных кодов это будет иметь вид F(x) = am-12m-1 + am-22m-2 + … + a121 + a020. Например, кодовую комбинацию 1111 можно записать F1 = x3 + x2 + x + 1, а для 1001 F2 = x3 + 1. Такое представление двоичных чисел более компактно. Над многочленами можно производить любые алгебраические операции (умножение, деление и т.д.) за исключением сложения и вычитания, которые заменяются на суммирование по модулю два. 104 F1(x) ⊕ F2(t) = x2 + x. В основе построения циклических кодов лежит представление их в виде указанных многочленов. Широкое применение таких кодов обусловлено их способностью обнаруживать и исправлять ошибки различной конфигурации, удобством математического аппарата для их описания и простотой технической реализации кодеров и декодеров. Построение циклических кодов основано на представлении первичного кода в виде многочлена степени m-1 f(x) и представления в виде многочлена степени r-1 r(x) проверочного кода. Тогда многочлен циклического кода равен F(x) = f(x)xr + r(x). r Умножение f(x) на x необходимо, чтобы сдвинуть информационные элементы на r разрядов влево и тем самым освободить справа r разрядов для записи r проверочных элементов. Построенный таким образом многочлен F(x) должен делиться без остатка на образующий многочлен M(x) степени r, т.е. F(x ) f (x )x r + r (x ) = = Q (x ) , M (x ) M (x ) или с учетом правил двоичной алгебры r (x ) . f (x )x r = Q (x ) + M (x ) M (x ) Отсюда видно, что многочлен проверочных элементов r(x) является остатком от деления f(x)xr на М(х). Так как максимальная степень остатка всегда по крайней мере на единицу меньше степени делителя, становится ясно, почему степень образующего многочлена выбирается равной r. Пример: пусть задана m=5 пятиэлементная комбинация первичного кода 10000 = f(x) = x4. Требуется построить циклический код, имея в виду возможность исправления однократных ошибок (т.е. d0=3). Этому условию удовлетворяет r=4. Возьмем в качестве образующего многоr 8 члена М(х)=х4+х+1 и разделим f ( x) * x = x = 100000000 на M ( x) = x 4 + x + 1 х8 х4 + х + 1 = M(x) 8 5 х + х + х4 х4 + х + 1 = Q(x) х5 + х4 х5 + х2 + х х4 + х2 + х х4 + х + 1 х2 + 1 = r(x) = 0101 Тогда циклический код F(x)=f(x)xr+r(x)=100000101. При приеме комбинации циклического кода f(x) ее принадлежность к разрешенной или запрещенной определяется отсутствием или наличием остатка от ее деления на образующий многочлен М(х). Для исправления ошибок нужно, чтобы остатки от деления, т.е. r(x) служили синдромами ошибки. То есть каждому варианту ошибки должен соответствовать свой остаток. Для этого необходимо правильно выбрать образующий многочлен М(х). Обычно в качестве М(х) выбирают неприводимые многочлены, которые могут быть представлены в виде произведения многочленов низших степеней. Пример таких многочленов показан в таблице 6.1. Таблица 6.1. r 1 2 3 4 Неприводимые многочлены х+1 х2 + х + 1 х3 +х + 1 х3 +х2 + 1 х4 +х + 1 х4 +х3 + 1 х4 +х3 + х2 +х + 1 105 Однако не всегда неприводимый многочлен сможет служить в качестве образующего многочлена. Это можно продемонстрировать на примере. Рассмотрим пример построения циклического кода (9,5) для комбинации первичного кода 4 х =10000=f(x). Число проверочных элементов r=4 при d0=3. Следовательно образующий многочлен М(х) имеет степень r=4. Для r=4 из таблицы имеются три неприводимых многочлена. Построим для каждого из них циклический код. 1) f(x) xr = x8 х4 + х + 1 = M1(x) х4 + х + 1 = Q(x) х2 + 1 = 0101 = r(x) r F(x) = f(x) x + r(x) = 100000101 – циклический код. 2) f(x) xr = x8 х4 + х3 + 1 = M2(x) х4 + х3 + х2 + х = Q(x) 3 2 х + х + х = 1110 = r(x) F(x) = 100001110. 3) f(x) xr = x8 х4 + х3 + х2 + х + 1 = M3(x) х4 + х3 = Q(x) 3 х = 1000 = r(x) F(x) = 100001000. Как видно для примера 1 вес кодовой комбинации V1 = 3 = d0, для 2 – V2 = 4 > d0, а для 3 – V3 = 2 < d0. Это значит, что третий неприводимый многочлен М3(х) не может быть использован в качестве образующего для циклического кода, исправляющего одиночные ошибки (d0=3). Кодеры и декодеры циклических кодов Для построения кодирующего устройства циклического кода необходимо иметь схему, вычисляющую остаток r(x) от деления f(x)xr на образующий многочлен М(х). Такую схему легко получить на регистре сдвига с обратными связями и сумматорах по модулю два. Деление f(x)xr на М(х) сводится к сложению по модулю два числа, соответствующего многочлену делителя, т.е. М(х), сначала со старшими разрядами делимого, т.е. f(x)xr, а затем с промежуточными остатками. Это может быть сделано на основе регистра сдвига, число ячеек которого равно степени образующего многочлена М(х), а в цепях обратных связей стоят сумматоры по модулю два, число и место которых определяется ненулевыми коэффициентами образующего многочлена М(х). Например: кодирующее устройство (7,4) кода по образующему многочлену (r=3) М(х) = х3 + х + 1 имеет вид, показанный на рисунке 6.5. Правила заполнения ячеек регистра: если на входе ячейки стоит сумматор по модулю два (ячейки 0 и 1), результат записывается как сумма по модулю два сигнала из соседней ячейки (предшествующей) и сигнала обратной связи в данном такте. Пусть f(x) = х3 = 1000. Этот сигнал последовательно старшими разрядами поступает в ячейки регистра и одновременно появляется на выходе через схему ИЛИ (ключ в положении 1). В результате за первые m=4 тактов на выходе появится f(x), а в регистре сформируется остаток r(x) от деления f(x)xr на М(х). Тогда ключ переводится в положение 2 и на выходе появляется остаток r(x). То есть за m+r тактов на выходе формируется циклический код F(x) первичного кода f(x), как показано в табл. 6.2. Вход 0001 1 ⊕ 1 2 Кодер циклического кода (7,4) ⊕ 1 2 Рисунок 6.5. Кодирующее устройство 106 Выход Таблица 6.2. № такта 1 2 3 4 5 6 7 f(x ) 1 - Символ в ячейке 1 1 1 Положение ключа 1 1 1 1 Выход 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 1 1 1 Декодер циклического кода (7,4) показан на рис. 6.6. Вход 7 ⊕ 6 5 4 3 ⊕ 2 1 1 2 ⊕ Выход Дешифратор 7 6 5 4 3 2 1 Декодер циклического кода (7,4) кода Рисунок 6.6. Декодер циклического кода Здесь код тоже подается старшими разрядами вперед, F(x) – циклический код, делится на образующий многочлен. Это схема декодера для циклического кода (7,4) с образующим многочленом М(х) = х3 + х + 1 (как и для кодера, рассмотренного выше). Остаток r(x) – это синдром ошибки, дешифратор настроен на исправление ошибки при каждом виде синдрома как и в ранее рассмотренном коде Хэмминга. ЛЕКЦИЯ №7. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ 7.1 Акустика в помещениях Рассмотрим звуковые процессы в помещениях. Для помещений прямоугольной формы применяется волновая теория анализа характеристик. Но в инженерной практике пользуются более простыми методами расчета. Они основаны на статистической теории рассмотрения процессов отзвука. Согласно волновой теории собственные частоты помещения с длиной l, шири2 2 2 ω c k m n ной b и высотой h определяется из выражения f = r =   +   +   , где c – ско2π 2  l  b h рость звука в воздухе, k, m, n – целые числа. При включении источника звука процесс затухания колебаний происходит на всех собственных частотах помещения и имеет вид Pm=Prm·exp[αr+γωrt], где αr – показатель затухания, определяемый из условия отражения волн на границах помещения для r-ной собственной частоты. 107 Средний коэффициент поглощения При каждом отражении сигнала от поверхности происходит поглощение некоторой части энергии сигнала E. В зависимости от свойств некоторых частей отражающей поверхности относительная убыль энергии при каждом отдельном отражении будет различной. При достаточно большом числе отражений можно говорить о среднем значении коэффициента поглощения 1 i ∆E α ср = ∑ . Если помещение состоит из i участков площадью Si с различными коэффициенi 1 E тами поглощения αi, то средний коэффициент поглощения находится по следующей формуле: S S S S A α ср = α 1 1 + α 2 2 + K + α i i = ∑ α i i = , где А – общий коэффициент поглощения. S S S S S Звукопоглощающие материалы и конструкции Коэффициентом поглощения материала α называют отношение поглощенной энергии звуковой волны к падающей на поверхность этого материала. Если размеры поверхности поглощающего материала велики по сравнению с длиной падающей звуковой волны и имеют боль2  ρ − 413  шую толщину, то коэффициент поглощения α=1-αотр и он равен α = 1 −  c  , где ρс –  ρ c + 413  удельное акустическое сопротивление поглощение материала, а 413 – удельное акустическое сопротивление воздуха. Коэффициент зависит от угла падения звуковой волны на звукопоглощающий материал. Различают нормальный коэффициент поглощения для угла падения 90˚ и диффузный – для различных углов падения. Кроме того, коэффициенты поглощения зависят от частоты звуковой волны. Одни материалы имеют большее поглощение на низких, другие – на средних, высоких частотах. Ряд материалов имеет немонотонную зависимость коэффициента поглощения от частоты. Все это позволяет подбирать общее поглощение в помещении оптимальной величины во всем необходимом диапазоне частот. Все материалы по звукопоглощению делятся на пористые, резонирующие и перфорированные. Другая классификация – сплошные и пористые. Все сплошные материалы имеют акустическое сопротивление больше, чем у воздуха, а пористые в большинстве случаев меньше. Пористые материалы комбинируют всегда со сплошными, располагая сплошные позади пористых. При этом наименьшее поглощение у пористого материала получается при его расположении вплотную к стене из хорошо отражающего сплошного материала. Наибольшее поглощение у пористого материала получается при его расположении на расстоянии четверти длины волны от стены из хорошо отражающего сплошного материала. Несколько меньшая разница в поглощении при расстоянии 3/4 и 5/4 длины звуковой волны. При большом удалении от стены коэффициент поглощения остается постоянным. Для поглощающего материала с размером, сравнимым с длиной звуковой волны, коэффициент поглощения зависит от соотношения между ними. Открытое окно имеет коэффициент поглощения больше 1, т.е. энергия звуковой волны, падающей рядом с окном уходит в него из-за дифракции. Коэффициент поглощения портьеры с небольшими размерами по сравнению с длиной звуковой волны больше, чем портьеры с большими размерами. Поэтому лучше иметь ряд узких портьер, чем одну широкую. Одна из распространенных конструкций пористых поглощающих материалов – облицовочная. Такие материалы изготавливают в виде плоских или рельефных плит, располагаемых или вплотную, или на небольшом расстоянии от сплошной толстой стены. Пирамиды или клинья устанавливают на небольшом расстоянии от стены основаниями вплотную друг к другу, обращенными острыми углами в помещение. Такие конструкции создают большее поглощение, чем плоские плиты. Для каждого пористого материала свойственны собственные значения коэффициента поглощения от частоты: 1) известковая штукатурка по деревянной обрешетке; 2) ковер с ворсом на бетонном полу; 3) арбалит в плитах толщиной 2 см; 4) фиброакустик в плитах (3,5 см); 5) драпировка на стене; 6) драпировка на расстоянии 10 см от стены. Видно, что пористые материалы дают преимущественное поглощение в области высоких частот и очень неэффективны в нижней части частотного диапазона. 108 Другой распространенной конструкцией являются резонансные поглотители. Они делятся на 2 вида: мембранные и резонаторные. Мембранные представляют собой натянутый холст или тонкий фанерный лист, под которым располагаются хорошо демпфирующий материал с большой вязкостью, либо поролон, либо губчатая резина, строительный войлок. Щиты с натянутым холстом называют щитами Бекеши. Максимум поглощения получается на резонансных частотах. Для натянутого холста силой F, k F fk = , 2 l ρ tb где ρ – плотность холста; l, b, t – длина, ширина, высота холста; k – резонансные частоты (порядок). Таким образом мембранные поглотители имеют лучшее поглощение на резонансных частотах. Коэффициент поглощения можно подсчитать, если знать вязкость материала, находящегося под холстом. Для фанерного листа с соотношением длина/ширина равным 2 резонансные частоты определяются из выражения: fk=3,45·103·t/l2, где l – длина, t – толщина. Если лист расположен близко к твердой стене, то его упругость будет повышена и собственная частота также повысится. Варианты использования резонансного поглощения для фанерных щитов с заполнением промежутка демпфирующим материалом. 1) фанера толщиной 3 мм с воздушным промежутком; 2) то же самое, но края демпфированы стекловатой; 3) фанера толщиной 6 мм с воздушным промежутком, края демпфированы минеральной ватой; 4) оконное стекло. Перфорированные резонаторные поглотители Они представляют собой систему воздушных резонаторов, например резонаторов Гельмгольца, в устье которых расположен демпфирующий материал. Резонансная частота резонатора c S , f0 = 2π lV где S – площадь сечения горла резонатора, l – длина горла, V – объем полости резонатора. Наибольшее распространение получил перфорированный лист, расположенный на некотором расстоянии от твердой стены. Если перфорация распределена равномерно, то такой поглотитель будет иметь типичную резонансную кривую поглощения. Для равномерного распределения отверстий: c S , f0 = 2π l Э d 2 h где S – площадь сечения отверстия, lэ – эффективная толщина листа l Э = δ + 0,5 πS (δ – обычная толщина листа), d – расстояние между отверстиями, h – расстояние от стенки или потолка. Коэффициент поглощения резонатора определяется активным акустическим сопротивлением демпфирующего материала, находящегося в горле резонатора. В качестве такого сопротивления обычно применяют металлическую сетку. Коэффициент поглощения зависит от числа и размеров ячеек такой сетки. Сетку располагают над листом с перфорациями. Основные пути прохождения звука через перегородки: через поры, щели (воздушный перенос); по трубам отопления, газа, водопровода, через материалы стен в виде продольных колебаний тел (материальный перенос), а также передача колебаний посредством поперечных колебаний перегородки (мембранный перенос). Через перегородки звуковые колебания передаются всеми 3-мя способами. Для уменьшения переноса звука через перегородки необходимо их делать сложными, подбирая материал слоев перегородки с резко отличающимися акустическими сопротивлениями (бетон и поролон). Стены делают двойными с поглощением между ними. Для уменьшения мембранного переноса стены нужно делать массивными, что переносит резонансные частоты в область низких частот. Кроме того, перегородки можно устанавливать на виброизолирующие прокладки. При падении звуковой волны с интенсивностью Iпад за перегородкой интенсивность будет определяться звукопроводимостью перегородки. Коэффициент звуко109 проводимости α = I ПР 2 = PПР или Qпер=Lпад-Lпр=20·lg(Pпад/Pпр). Коэффициент звукоизо2 PПАД ляции перегородки с учетом только мембранного переноса может быть определен по формуле Qпер=12,5·lg ρ +14. I ПАД 7.2 Основы радиолокации Радиолокация – область радиоэлектроники, решающая задачи рационального наблюдения объекта, т.е. изменение координат и параметров движения, а также выявления некоторых физических и структурных свойств путем использования отраженных или переизлученных объектами радиоволн, либо путем использования собственного радиоизлучения объектов. Устройство радиолокационного наблюдения называется РЛС. Сами же объекты радиолокационного наблюдения именуются целями. При использовании отраженных радиоволн радиолокационными целями являются любые неоднородности электрических параметров среды: диэлектрическая магнитная проницаемость, проводимость. Летательные аппараты, гидрометеообразования, речные и морские суда, строения, автомобили – цели. Источником радиолокационной информации являются радиолокационные сигналы. В зависимости от способа его получения различают несколько видов радиолокационных наблюдений: 1) РЛ с пассивным ответом. Излучаемые РЛС колебания (зондирующий сигнал) отражается от цели и попадает в приемник РЛС в виде отраженного сигнала (эхо-сигнал). Такой вид РЛ называют РЛ с пассивным ответом. Требование к цели – отличие ее отражающих свойств от отражающих свойств среды. 2) РЛ с активным ответом. Активные РЛ характеризуются тем, что активный сигнал не является отраженным, а является переизлученным с помощью специального ответчика – ретранслятора. При этом заметно повышается дальность. Применяется в авиации для определения госпринадлежности самолетов. В ответный сигнал можно ввести много дополнительной информации. 3) Пассивная РЛ. Пассивная РЛ основана на приеме собственного излучения целей. Военное применение: обнаружение искусственных объектов. Разновидность – наблюдение за грозами. Общая характеристика радиолокационного канала Система РЛС – цель может рассматриваться как РЛ-канал наподобие радиоканалов связи. Основными частями РЛС являются передатчик, приемник, антенное устройство, оконечное устройство. Передающие и приемные антенны расположены близко друг к другу, а РЛС с импульсной модуляцией имеет одну антенну. Она снабжена специальным переключателем для перехода из режима передачи в режим приема и обратно. Передатчик РЛС вырабатывает СВЧ колебания, которые модулируются по амплитуде, частоте, фазе сложным образом. Эти колебания создаются в антенном устройстве и образуют зондирующий сигнал. Наибольшее распространение находит зондирующий сигнал в виде последовательности равноотстоящих друг от друга по времени коротких радиоимпульсов. Наряду с простыми может применяться видоизмененная импульсная частотная модуляция. Другим видом зондирующего сигнала является непрерывный сигнал. После того, как э/м волна, падающая на цель, вызывает в ее теле вынужденные колебания электрических зарядов, цель, подобно антенне, создает свое э/м поле. Это поле представляет собой вторичную (отраженную) э/м волну. Она создает в РЛС сигнал, который является носителем информации о целях. Амплитуда сигнала в определенной степени характеризует размеры и отражающие свойства цели. Время запаздывания отраженного сигнала относительно начала излучения зондирующего сигнала используется для измерения дальности. Частота колебаний отраженного сигнала несет информацию о радиальной скорости цели. Поляризационные параметры отраженной волны также могут быть использованы для оценки свойств цели (соотношение между размерами, форма цели). Направление прихода отраженной волны содержит информацию об угловых координатах цели. Приемники РЛС необ- 110 ходимы для выделения полезного сигнала из помех. Выходное устройство приемника служит для представления радиолокационной информации в удобной потребителю форме. Если РЛ информация используется далее в ЭВМ, то она преобразуется в цифровую форму. Важной составной частью являются помехи. Внутренние шумы вызывают подавление полезного сигнала, а также появления ложного сигнала. Помехи вносят ошибки в измеряемые координаты. В качестве помех можно рассматривать флуктуацию скорости и направления распространения радиоволн в атмосфере. Источник помех – флуктуация центра отражения движущейся цели относительно траектории движения. Это приводит к случайным пропаданиям отраженных сигналов. Источники мешающих радиоизлучений образуют активные помехи. В условиях большой насыщенности радиосредствами заметное влияние могут оказывать активные взаимные помехи. Главные этапы РЛ наблюдения: обнаружение, измерение, разрешение, распознавание. Обнаружение – процесс принятия решения о наличии цели с допустимой возможностью ошибки. Измерение позволяет оценит координаты целей, параметры движения с допустимой погрешностью. Разрешение заключается в выполнении задач обнаружения и измерении координат одной цели при наличии других, близко расположенных по дальности и скорости. Распознавание дает возможность установить некоторые характерные признаки цели. Диапазон длин волн в РЛ Важным фактором при выборе диапазона длин волн является характер отражения радиоволн от целей. Если размеры целей много меньше длины волны, то интенсивность отражения мала. При этом цель можно уподобить антенне с очень малой действующей длиной и малой эффективной отражающей площадью. Другой случай, когда размеры целей много больше длины волны. Интенсивность достигает заметной величины и определяется в основном отражающими свойствами и размерами цели. Мало зависит от длины волн. В промежуточном случае соотношение размеров цели и ее отдельных участков с длиной волны возможно резонансное возбуждение участков поверхности цели, при котором интенсивность отражения заметно возрастает в определенных направлениях. Учитывая размеры реальных целей, можно прийти к выводу, что для того, чтобы длина волны была много меньше этих размеров или соизмерима с ними, в радиолокации необходимо использовать УКВ. Другая причина связана с размерами антенн (угловая ширина ДН антенны независимо от ее типа прямо пропорциональна длине волны и обратно пропорциональна соответствующему размеру). Для зеркальной антенны в виде усеченного параболоида ширина направленности Θ=65λ/dантенны. Так при λ=3 см для получения ширины луча Θ=3° требуется dантенны=65 см, а чтобы луч имел такую ширину при длине волны 3 м размер зеркала должен составлять 6,5 м. Формула показывает, что острый луч, обеспечивающий разделение нескольких целей по угловым координатам и высокую точность определения координат при заданных размерах антенны, можно получить только при достаточно короткой длине волны. Поэтому в ряде РЛС используют см и даже мм волны. С точки зрения повышения разрешающей способности и точности, т.е. повышения информативности, необходимо расширять полосу частот зондирующего сигнала, что достигается уменьшением длительности зондирующих импульсов. Расширение полосы передаваемых частот требует повышения несущей частоты. При выборе диапазона волн важное значение имеют особенности распространения радиоволн в атмосфере, в том числе резонансное поглощение, например, для кислорода на частоте 60 ГГц поглощение составляет 14 дБ/км. Это вынуждает избегать применения соответствующих частот. Широко используются полосы частот, где средняя длина волны равна 20, 10, 5, 3 см. Метровый диапазон в настоящее время используется для РЛС редко, но в связи с тем, что УКВ как правило рассматривается в пределах прямой видимости, для обеспечения загоризонтного наблюдения могут использоваться декаметровые волны. Радиолокационные цели, эффективная отражающая площадь (ЭОП) цели Первичная падающая радиоволна наводит на поверхности цели токи проводимости (если цель – проводник, в диэлектрике – токи смещения). Эти токи являются источником вторичного излучения в разных направлениях. Рассеивается лишь часть энергии, остальная обращается в тепло. Особый интерес представляют отражения в сторону РЛС. Для ограниченного числа тел 111 сравнительно простой формы (полуволновой вибратор, шар, металлический лист) возможен электродинамический расчет поля вторичного излучения, однако большинство реальных целей имеет сложную форму, поэтому поле их вторичного излучения описывается статически. К сосредоточенным относятся цели, размеры которых заметно меньше размеров разрешающего участка РЛС (летательные аппараты, корабли, автомобили); одиночные точечный цели практически не изменяют форму отраженного сигнала. К распределенным целям относятся земная, водная поверхности, облака, туман. Обычно имеется сильная зависимость от площади проекции тела на площадь, перпендикулярную направлению на РЛС. Отражающие свойства сильно зависят от конфигурации, длины волны РЛС, поляризации материала, направления излучения. Чаще всего интересуются интенсивностью вторичного излучения в дальней зоне. Для характеристики отражающих свойств цели пользуются обобщенной величиной, учитывающей совокупность указанных выше параметров или факторов. Называется она ЭОП цели. ЭОП идеального проводящего тела, размеры которого значительно больше λ Поверхности реальных целей являются обычно металлическими и имеют размеры, значительно превышающие λ. Задача рассеяния э/м волн такими поверхностями является одной из классических задач электродинамики, хотя до сих пор не существует общего метода ее решения для тел произвольной формы. В настоящее время решено лишь небольшое кол-во идеализированных задач (академик В. А. Фок). Поле вторичного излучения можно определить на основании принципа Гюйгенса-Кирхгофа. По нему каждый элемент облучаемой поверхности следует рассматривать как источник элементарной сферической волны с определенной амплитудой и фазой. Результирующее поле является их суперпозицией. В направлении на РЛС налагающиеся колебания имеют всевозможные сдвиги фаз, поэтому могут как усиливать, так и ослаблять друг друга – отражение носит резко интерференционный характер. Однако, для конкретного применения данного принципа требуется знание распределения тока на проводящей поверхности, возбуждаемого первичной волной. Точное решение этой задачи найдено лишь в некоторых частных случаях. Обычно задается приближенное распределение тока. Для случая, когда радиус кривизны любого элемента поверхности много больше λ, вся поверхность делится на освещенную, т.е. обращенную к источнику (РЛС) и область тени. Для упрощения расчетов пренебрегают наличием областей полутени и считают, что в области тени ток равен 0. Целесообразно при определении тока в каждой точке заменять криволинейные участки поверхности соответствующим участком касательной поверхности. Расстояние между РЛС и целью считается достаточно большим по сравнению с размерами цели и λ. Поэтому передающую волну (первичную) можно полагать плоской. Для выполнения граничных условий требуется, чтобы нормальная составляющая магнитного поля и тангенциальная составляющая вектора Е были равны 0. Что касается тангенциальных составляющих вектора Н, то они суммируются. Формула показывает, что ЭОП зависит от формы и размеров отражающего волну тела и зависит от длины волны: 4π σц = λ 2 ∫e −j 2π λ 2 d cos θdS , где j – плотность тока. S осв Коэффициенты отражения Френеля Отражение и преломление плоской э/м волны при ее падении на плоскую границу двух сред определяется коэффициентами Френеля. Коэф-т отражения для горизонтальной поляризованной волны (называют также волной с перпендикулярной поляризацией) равен (для немаг2 2 E& 1 cos θ 1 − ε& 2 ε&1 − sin θ 1 cos θ 1 − ε& − sin θ 1 & = = , где ε1 – относительная нитной среды) R Г = E& cos θ + ε& ε& − sin 2 θ cos θ + ε& − sin 2 θ 1 2 1 1 1 1 диэлектрическая проницаемость первой среды (1 для воздуха); ε2 – то же для второй среды, ε& 2 = ε& = ε ′(1 − j ⋅ tg δ ), tg δ = σ ωε ε ′ , ε 0 = 136π ⋅ 10 −9 Ф/м. Таким образом выражение для относительной диэлектрической комплексной проницаемости среды ε& = ε ′ − j ⋅ 60λσ (*) 112 Для вертикально поляризованной волны, волны с параллельной поляризацией (вектор Е лежит в плоскости падения) ε& 2 cos θ 1 − ε&1 ε& 2 − ε&1 sin 2 θ 1 ε& cos θ 1 − ε& − sin 2 θ 1 E& 1 X . RВ = =− =− E& ε& cos θ + ε& ε& − ε& sin 2 θ ε& cos θ + ε& − sin 2 θ 0X 2 1 1 2 1 1 1 1 1 − ε& При нормальном падении коэф-ты R& В и R& Г совпадают: R& = R& Г = R& В = . Иногда ко1 + ε& эф-т отражения R& В определяют как отношение напряженностей магнитного поля Н1/Н0. Для грунтов ε’=2÷24. Для средних грунтов ε’=10. Для морской воды ε’=80. В радиолокации, когда λ<1 м, мнимой частью выражения (*) можно пренебречь (для грунта), а для морской воды, если − jϕ λ в см и мм диапазонах. Изменение коэф-тов Френеля: R& В , Г = R В , Г ⋅ e В , Г . Видно, что для горизонтальной поляризации φг=180˚. Для вертикальной поляризации для – угол Брюстера. Для реальных сред с чистого диэлектрика Rв=0 при cos θ 1 = ε ′ − 1 ε ′ ≈ 1 ε′ потерями Rв достигает минимума вблизи угла, равного ≈73˚. В наземных РЛС обычно используется вертикальная поляризация, преимуществом которой является меньшее значение модуля коэф-та отражения при углах скольжения близких к углу Брюстера. Это заметно снижает зеркальное отражение при θ<89˚ над водой и θ<88˚ над сушей, что уменьшает интерференционные провалы ДН. Имеется возможность ослабить отражение с помощью круговой поляризации. Противорадиолокационные покрытия Коэф-т отражения, коэф-т Френеля при нормальном падении плоской волны на границе воздух-покрытие равен (см. раньше). Обычно для этих целей применяется пенопластовый каркас с наполнителем, хорошо поглощающий радиоволны, причем плотность материала и концентрация поглотителя должны возрастать с глубиной. Радиопоглощающий материал наиболее удобен в виде пирамид с углом при вершине от 30 до 60 градусов, что обеспечивает многократное переотражение, увеличивающее поглощение. Для снижения коэф-та отражения на 20дБ высота пирамид должна быть от 0,5 до 0,6 длины волны. Для снижения на 50 дБ – от 7 до 10 длины волны. Меньшую толщину, но в гораздо более узком диапазоне имеют интерференционные покрытия. При выборе их толщины используется формула: d = λ . Имеет место проти4 ⋅ Re ε&µ& вофазность колебаний, отражающихся от покрытия объекта, а в случае равенства амплитуд имеет место полное уничтожение отражения. Покрытие может быть изготовлено из различных пластмасс или каучука, наполненного порошком графита или карбольного железа. Информация о скорости движения цели, извлекаемой при обработке радиолокационного сигнала Основано на эффекте Доплера. В радиолокации широко применяют методы прямого измерения радиальной скорости движения цели. Также способы селекции и разрешения целей по разности радиальных скоростей движения. Физической основой таких методов измерения (или селекции) является эффект Доплера (ЭД). Как известно ЭД заключается в изменении несущей частоты принимаемых сигналов относительно номинального значения (за него принимается частота зондирующего сигнала) при наличии радиального перемещения источника вторичного излучения. В радиолокации ЭД проявляется дважды – при облучении движущихся объектов и при отражении радиоволн. Если рассматривать небольшие по отношению к скорости распространения радиоволн скорости движения (и не учитывать некоторые релятивистские эффекты), то можно просто найти соотношение, которое позволяет оценить возможное изменение частоты принимаемого отраженного сигнала при движении цели. Основные свойства радиоволн, используемых в радиолокации Широкое применение радиоволн для обнаружения целей и измерения координат обусловлено следующими важными свойствами э/м колебаний: 113 1. Радиоволны распространяются со скоростью с распространения света, как днем, так и ночью, в простых и сложных метеорологических условиях. 2. Скорость распространения радиоволн является постоянной величиной. Это свойство радиоволн лежит в основе всех методов измерения, как расстояний, так и угловых координат, скоростей движения целей. 3. Радиоволны обладают свойством отражения от любых объектов, которые встречаются на пути их распространения. 4. Радиоволны распространяются прямолинейно в однородной среде, что и позволяет использовать их для определения угловых координат и расстояния до целей. Свойство отражения радиоволн от объектов позволяет решать задачу обнаружения и измерения параметров целей. Радиоволны отражаются от границ раздела участков среды с неоднородными свойствами. Например, с различной электрической проводимостью, электрической или магнитной проницаемостью. По структуре отраженного сигнала можно судить о типе цели, ее размерах (ЭОП цели), определять параметры ее движения. При отражении от целей происходит как бы «естественная модуляция» радиоволн: на отражаемые э/м колебания в том или ином виде «накладывается» информация о цели. Т.о., отражение радиоволн от объектов позволяет получить принципиальную возможность обнаружения по наличию в приемном устройстве отраженных э/м колебаний и получить необходимую информацию о цели. Использование лазерного излучения для съема информации Лазерная разведка является одним из перспективных видов радиоэлектронных разведок. Интенсивно используется на земле, на море и, особенно в воздушном пространстве и космосе. Она предназначена для обнаружения, распознавания и определения координат с помощью приборов, работающих на принципе использования лазерного излучения. Лазерное излучение может быть послано весьма тонкими пучками с углами расходимости, измеряемыми долями минуты или даже секундами. Рассеяние энергии при этом столь незначительно, что при мощности излучения лазера в 100 кВт можно передавать информацию на расстояние в несколько световых лет. Но, однако, и у лазерного излучения по сравнению с радиоволнами есть недостатки. Говоря о колоссальных расстояниях, на которых может осуществляться связь с использованием лазера, имеют в виду, что луч света пробегает это расстояние в вакууме. В атмосфере лучи быстро затухают и обычно дальность распространения составляет сотни км. Кроме того, лучи лазера не в состоянии огибать даже мелкие неровности. Некоторые вещества, прозрачные для радиолучей, являются непреодолимой преградой для лазера. Эти недостатки не имеют значения в космосе. Поэтому использование лазеров особенно перспективно для космической радиоэлектронной разведки. Поскольку лазер испускает энергию в виде тонких пучков, то усложняется ведение поиска и наведение на нужный объект, т.к. даже небольшое отклонение луча приводит к большим линейным отклонениям в зоне нахождения объекта. Принцип действия лазерных локаторов совпадает с принципом действия импульсных радиолокаторов. Зная время, прошедшее от момента излучения импульса до момента приема отраженного сигнала, и, зная скорость распространения света, можно определить расстояние до объекта. Как всякий локатор, оптический локатор имеет в составе передающие и приемные устройства, а также антенну со сканирующим устройством. Передатчик на лазере вырабатывает э/м колебания в видимом или инфракрасном диапазоне волн. Мощный пучок э/м излучения передается на антенну. Сканирующее устройство антенны состоит из устройств, отклоняющих луч в вертикальном и горизонтальном направлениях. Луч света перемещается (сканирует) лишь по направлениям, заданным программой обзора. Воздушное пространство может вначале просматриваться в более широком секторе, затем после обнаружения объекта и вычисления его координат сектор может быть сужен. Направление луча меняется с помощью электрического или магнитного поля, которое, воздействуя на некоторые кристаллы, изменяет коэф—т преломления кристалла. При некоторых значениях напряженности поля, воздействующего на кристалл, он вообще перестает пропускать свет. Этот эффект используется для импульсной модуляции луча. В эти моменты, когда модулятор периодически прерывает генерацию луча, в генераторе на лазере накапливается энергия, чтобы затем в виде мощного светового импульса устремиться 114 в заданном направлении. Встретив на своем пути объект, отраженный и в значительной мере ослабленный световой импульс поступает на антенну приемного устройства. Принятый сигнал усиливается и преобразуется в электрический. После обработки на компьютере поступает на измерительное устройство или индикатор. На индикатор сразу же после излучения светового импульса с генератора-синхронизатора подается импульс, соответствующий началу отсчета. В лазерных локаторах генераторы-синхронизаторы, управляющие работой всех измерительных устройств, позволяют определить не только дальность и скорость полета, но и угловое положение объекта. Разрешающая способность оптических локаторов огромна. На экране ЭЛТ этих локаторов можно видеть не просто светящуюся точку, но изображение самой цели. Эти преимущества лазерного локатора перед радиолокаторами достигнуто за счет высокой направленности излучения. Если у лучших радиолокаторов ширина луча составляет единицы градусов, то у лазерных локаторов ширина луча находится в пределах нескольких секунд. Дальность действия лазерных локаторов до 33 км. Фоторефрактивный эффект Используется для хранения, передачи информации. Фоторефрактивный эффект – это изменение свойств кристалла под действием лазерного луча. Эффект может сохраняться в течение нескольких дней. При освещении кристалла пучком света, несущем изображение, он запечатлевает его детали. Изображение можно затем стереть. Фоторефрактивные материалы пытаются использовать для создания оптических компьютеров. Они могут действовать гораздо быстрее обычных. В фоторефрактивных материалах падающий свет влияет на скорость его распространения в этой среде, т.е. меняет показатель преломления вещества. Это изменение может происходить под действием света даже с низкой интенсивностью. Свет с интенсивностью 1000 Вт/см² уже может изменить положение атомов в кристалле, приводя к изменению показателя преломления на 104. Причем эти изменения могут существовать довольно долго. Если кристалл изолировать от источников света, он будет хранить информацию в течение нескольких лет. В фоторефрактивных материалах заряды диффундируют из освещенных областей и накапливаются в темных областях, что приводит к искажению к кристаллической решетке и изменению показателя преломления. Источником этих электрических зарядов служат дефекты кристаллической решетки. Зеркала для обращения волнового фронта обладают тем свойством, что свет, отражаясь от них, распространяется в точности назад по отношению к падающему пучку. Из-за этого свойства такие зеркала применяются в системах оптической связи, системах оптического преобразования информации. Зеркала обратного волнового фронта были открыты в 1982 г. Хотя такие зеркала могут быть изготовлены на базе многих классов нелинейных оптических материалов, фоторефрактивные зеркала имеют явное преимущество. Для их работы нужен только 1 входной пучок – обращаемый; процесс обращения может происходить при достаточно низких мощностях лазерного пучка. ЛЕКЦИЯ №8. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ЗАЩИТЕ ИНФОРМАЦИИ. ВЫЯВЛЕНИЕ (ПОИСК) ТЕХНИЧЕСКИХ КАНАЛОВ УТЕЧКИ ИНФОРМАЦИИ Система защиты информации (СЗИ) – организационная совокупность специальных органов, средств, методов и мероприятий, обеспечивающих защиту информацию от несанкционированного доступа к ней [1]. Способы защиты информации • правовые; • организационные; • инженерно-технические. Правовая защита обеспечивается: наличием патентов, авторских свидетельств, товарных знаков; наличием документов, определяющих понятие “коммерческая тайна”, обязательств служащих о неразглашении коммерческой тайны, подписки при увольнении о сохранении коммерческой тайны. 115 Организационная защита обеспечивается совокупностью положений о Службе безопасности и планами работы этой службы. Планы мероприятий службы безопасности охватывают широкий круг вопросов, в частности: а) На ранней стадии при проектировании помещений и строительстве Служба безопасности рассматривает следующие вопросы: − выделение помещений для совещаний и переговоров (в таком помещении делается специальные перекрытия и каналы воздушной вентиляции, отдельные комнаты экранируют и т. д.); − удобство контроля помещений, людей, транспорта; − создание производственных зон по типу конфиденциальности работ с самостоятельным дополнительным допуском; б) Служба безопасности участвует в подборе персонала с проверкой их качеств на основании личных бесед (изучение трудовой книжки, получения информации с других мест работы; затем принимаемый на работу ознакомляется с правилами работы с конфиденциальной информацией и порядком ответственности); в) Служба безопасности готовит положения и осуществляет: организацию пропускного режима; − организацию охраны помещений и территорий; − организацию хранения и использования документов, порядок учета, хранения, − уничтожения документов, плановые проверки. − Инженерно-техническая защита включает в себя: − аппаратные средства защиты; − программные средства защиты – это использование специальных программ в системах, средствах и сетях обработки данных; − математические способы защиты – применение математических и криптографических методов в целях защиты конфиденциальной информации (без знания ключа невозможно узнать и дешифрировать украденную информацию). Программные и математические методы защиты информации рассматриваются в специальных курсах; в объеме данного пособия будут рассмотрены аппаратные средства защиты. С позиций системного подхода, защита информации должна быть: 1. Непрерывной (если на какой-то момент защита снимается, то злоумышленник воспользуется этим); 2. Плановой, централизованной (каждая служба разрабатывает свои планы, которые должны быть взаимосвязаны); 3. Целенаправленной и конкретной (защищается не все подряд, а только самое необходимое, учитываются самые опасные каналы утечки и в них конкретизируются самые опасные зоны); 4. Надежной, универсальной и комплексной (каналы утечки перекрываются различными способами, например техническими плюс получением данных от информаторов). Правильное сочетание услуг сотрудников правоохранительных органов, негосударственных агентов, внутренней службы безопасности и технических средств защиты являются эффективным условием защиты объектов (информации). 8.1. Общие принципы и методы выявления технических каналов утечки информации Выявление технических каналов утечки информации в общем случае осуществляется методами физического поиска и инструментального (технического) контроля. Инструментальный контроль проводится по отдельным физическим полям и включает в себя: • подготовку исходных данных для контроля (ознакомление с объектом защиты; оценка его особенностей; уточнение видов и средств технической разведки, от которых осуществляется защита; подготовка и проверка контрольно-измерительной аппаратуры); 116 • определение допустимых нормируемых показателей в зависимости от вида технической разведки, от которого осуществляется защита; • измерение (регистрация) нормируемых физических параметров по контролируемому физическому полю (специальные исследования); • сравнение полученных данных специальных исследований с нормативными требованиями; • поиск (специальная проверка) электронных средств перехвата информации (закладных и заносных устройств). Общие методы выявления технических каналов утечки информации приведены в табл. 8.1. Способы ведения поиска по каждому методу могут быть самыми различными – в зависимости от глубины поиска, имеющихся поисковых технических средств, модели нарушителя и т.п. 8.1 8.2. Классификация технических средств выявления каналов утечки информации В соответствии с таблицей 8.1 технические средства выявления каналов утечки информации можно условно разделить на четыре группы: • I – селективные микровольтметры, измерительные приемники, анализаторы спектра и специальные измерительные комплексы для проведения измерений уровней ЭМИ; • II – специальные комплексы фотографирования в рентгеновских лучах для поиска аппаратных закладок, рентгеновские телевизионные комплексы; • III – специальные технические средства поиска электронных закладных устройств (индикаторы поля, измерители частоты, интерсепторы, радиоприемные устройства, многофункциональные поисковые приборы, нелинейные локаторы, обнаружители диктофонов, аппаратнопрограммные комплексы радиомониторинга); • IV – специальная аппаратура контроля проводных коммуникаций. При осуществлении физического поиска также могут быть использованы технические средства – различного рода досмотровое оборудование, металлоискатели и т.п. 117 Технические средства I группы в основном представлены измерительными приборами, параметры которых (прежде всего частотный и динамический диапазоны) позволяют проводить измерения уровней ЭМИ в соответствии с утвержденными методиками. Они позволяют производить автоматическое опознавание информационных сигналов, измерение их уровней, а также измерение наводок в сети питания, линиях и коммуникациях. Технические средства II группы предназначены для поиска аппаратных закладок. Согласно действующим нормативно-методическим документам поиск аппаратных закладок производится при помощи фотографирования узлов, блоков, плат или всего аппарата в целом в рентгеновских лучах и последующего сравнения полученного изображения с эталонным. Визуальный осмотр проверяемого аппарата не позволяет сделать однозначное заключение о наличии или отсутствии в нем аппаратной закладки, поскольку последняя может быть внедрена на уровне кристаллов полупроводниковых элементов. Очевидно, что эффективность поиска будет зависеть в основном от полноты базы эталонных изображений. Более подробно ниже будут рассмотрены специальные технические средства III и IV групп, предназначенные для поиска акустических и телефонных закладок. 8.3. Индикаторы поля, интерсепторы и измерители частоты Индикаторы электромагнитного поля (индикаторы поля) предназначены для обнаружения активных (излучающих) во время проведения поиска акустических закладок. Позволяют обнаруживать закладки, использующие для передачи информации практически все виды сигналов, включая широкополосные шумоподобные и сигналы с псевдослучайной скачкообразной перестройкой несущей частоты. Принцип действия приборов основан на интегральном методе измерения уровня электромагнитного поля в точке их размещения и на этой основе – в определении точки абсолютного максимума уровня излучения в помещении. Наведенный в антенне и продетектированный сигнал усиливается, и в случае превышения им установленного порога срабатывает звуковая или световая сигнализация. Фактически индикаторы поля – это приемники с очень низкой чувствительностью, поэтому они обнаруживают излучения радиозакладок на предельно малых расстояниях (10 – 40 сантиметров), чем и обеспечивается селекция «нелегальных» излучений на фоне мощных «разрешенных» сигналов. Некоторые индикаторы поля дополняются специальным блоком, включающим амплитудный детектор, усилитель низкой частоты и динамик. Этот блок позволяет не только прослушивать обнаруженные сигналы, но и реализует эффект акустической завязки (аналогичный режиму самовозбуждения, возникающему, например, в системах звукоусиления за счет положительной обратной связи, когда микрофон расположен вблизи от звуковых колонок). Если в динамике появляется характерный свист (за счет акустической завязки), оператор делает вывод, что объект поиска находится в непосредственной близости от антенны индикатора. Необходимо отметить, что у профессиональных радиозакладок с частотной модуляцией сигнала практически отсутствует паразитная амплитудная модуляция, и потому эффект акустической завязки не наблюдается. В результате дальнейшего развития индикаторов поля созданы широкополосные радиоприемные устройства – интерсепторы. Эти приборы автоматически настраиваются на частоту наиболее мощного радиосигнала и осуществляют его детектирование. Принцип захвата частоты радиосигнала с максимальным уровнем и последующим анализом его характеристик микропроцессором положен в основу работы измерителей частоты (радиочастотомеров). Некоторые радиочастотомеры кроме частоты сигнала позволяют определить его относительный уровень. 8.4. Специальные сканирующие радиоприемники Современные портативные сканирующие приемники широко используются для решения задач радиоразведки и радиоконтроля, а также поиска несанкционированных средств перехвата 118 информации, использующих для передачи информации радиоканал (радиозакладок – акустических и телефонных). Сканирующие приемники можно разделить на две группы: переносимые сканирующие приемники и перевозимые портативные сканирующие приемники. К переносимым относятся малогабаритные сканирующие приемники весом 150...350 г. Они имеют автономные аккумуляторные источники питания и свободно умещаются во внутреннем кармане пиджака. Несмотря на малые размеры и вес, подобные приемники позволяют вести разведку и контроль в диапазоне частот от 100...500 кГц до 1300 МГц, а некоторые типы приемников – до 1900 МГц (“AR-8000”) и даже – до 2060 МГц (“HSC-050”). Они обеспечивают прием с амплитудной (АМ), узкополосной (NFM) и широкополосной (WFM) частотной модуляцией. Приемники “AR-8000” и “HSC-050” кроме указанных типов принимают сигналы с амплитудной однополосной модуляцией (SSB) в режиме приема верхней боковой полосы (USB) и нижней боковой полосы (LSB), а также телеграфных сигналов (CW). При этом чувствительность приемников при отношении сигнал/шум, равном 10 дБ (относительно 1 мкВ), составляет: при приеме сигналов с NFM модуляцией – 0,35...1 мкВ, с WFM модуляцией – 1...6 мкВ. Избирательность на уровне минус 6 дБ составляет 12...15 и 150...180 кГц соответственно. Портативные сканирующие приемники имеют от 100 до 1000 каналов памяти и обеспечивают скорость сканирования от 20 до 30 каналов за секунду при шаге перестройки от 50...500 Гц до 50...1000 кГц. Некоторые типы приемников, могут управляться компьютером. Перевозимые сканирующие приемники отличаются от переносимых несколькобольшим весом (от 1,2 до 6,8 кг), габаритами и, конечно, большими возможностями. Они, как правило, устанавливаются или в помещениях, или в автомашинах. Почти все перевозимые сканирующие приемники имеют возможность управления с ПЭВМ. Сканирующие приемники (как переносимые, так и перевозимые) могут работать в одном из следующих режимов: • режим автоматического сканирования в заданном диапазоне частот; • режим автоматического сканирования по фиксированным частотам; • ручной режим работы. Первый режим работы приемника является основным при выявлении частот работающих радиоэлектронных средств (при решении задач радиоразведки и радиоконтроля), а также при поиске излучений радиозакладок. При этом режиме устанавливаются начальная и конечная частоты сканирования, шаг перестройки по частоте и вид модуляции. Как правило, имеются несколько программируемых частотных диапазонов, в которых осуществляется сканирование. Оперативное переключение между заданными частотными диапазонами осуществляется с помощью функциональных клавиш. В данном режиме работы возможно осуществление сканирования диапазона с пропуском частот, хранящихся в специально выделенных для этой цели каналах памяти. Такие каналы часто называют маскированными. Функция пропуска частот включается при установке режима сканирования и используется для сокращения времени сканирования диапазона. В этом случае в блок памяти, как правило, записываются частоты постоянно работающих в данном районе радиостанций, которые с точки зрения разведки или контроля не представляют интереса (например, частоты, выделенные для телевизионных и радиовещательных станций). Можно использовать несколько режимов сканирования: 1. При обнаружении сигнала (превышении его уровня установленного порога) сканирование прекращается и возобновляется при нажатии оператором функциональной клавиши. 2. При обнаружении сигнала сканирование останавливается и возобновляется после пропадания сигнала. 3. При обнаружении аудиосигнала сканирование останавливается и возобновляется после пропадания сигнала. 4. При обнаружении сигнала сканирование останавливается для предварительного анализа сигнала оператором и возобновляется по истечении нескольких секунд. Например, для прием119 ника АХ-700Е–через 5с, а для приемника AR-3000А это время может изменяться в интервале от 0 до 9с. У некоторых приемников при проведении сканирования предусмотрена возможность автоматической записи в память частот обнаруженных сигналов. При этом запись в выделенные для этих целей каналы памяти осуществляется последовательно в порядке приема сигналов. Например, у приемника AR-8000 для записи сигналов, обнаруженных в процессе сканирования, выделено 50 каналов в банке “j”. Слуховой контроль обнаруженных сигналов может осуществляться оператором через головные телефоны или встроенный громкоговоритель. Выбором нужного вида детектора (NFM, WFM и т.д.) обеспечивается оптимальная демодуляция принимаемых сигналов. Второй режим работы приемников используется при ведении радиоразведки и радиоконтроля, если известны и записаны в каналы памяти возможные частоты работы радиосредств. Для каждого канала памяти вводится значение частоты, вид модуляции и ослабление входного аттенюатора (последнее - для некоторых видов приемников). Информация, хранящаяся в каждой ячейке (канале) памяти, может легко вызываться на жидкокристаллический дисплей с помощью функциональных клавиш. Сканирование каналов памяти осуществляется последовательно, при этом так же, как и при первом режиме работы, предусмотрены возможность сканирования с пропуском частот, записанных в маскированные каналы, и возможность автоматической записи в память частот обнаруженных сигналов. У некоторых приемников предусмотрен режим сканирования памяти по заданному виду модуляции. При этом сканируются все каналы памяти, запрограммированные для выбранного вида модуляции. Например, если в канале памяти установлен вид модуляции АМ, а сканирование осуществляется по виду модуляции ЧМ (FM), то данный канал при сканировании пропускается. Как правило, нулевые каналы каждого блока памяти являются приоритетными, что позволяет осуществлять приоритетный просмотр. Третий режим работы приемников применяется для детального обследования всего или ряда частотных диапазонов и отличается от первого режима тем, что перестройка приемников осуществляется оператором с помощью ручки изменения частоты, при этом информация о частоте настройки, виде модуляции, уровне входного сигнала и т.п. выводится на жидкокристаллический дисплей. Перестройка частоты осуществляется с выбранным шагом перестройки. Для более быстрого изменения частоты используется режим поразрядного набора, при котором частота изменяется последовательно по разрядам (например: 100 МГц, 10 МГц, 1 МГц, 100 кГц и т.д.). Данный режим работы позволяет довольно быстро и легко выйти в нужный частотный диапазон. 8.5. Обнаружители диктофонов Диктофон может быть использован как в качестве акустической закладки, так и для негласной записи конфиденциальных бесед какой-либо заинтересованной стороной. В первом случае его тайно устанавливают в контролируемом помещении и периодически меняют носитель информации, во втором – прячут в личных вещах или под одеждой. Существуют два основных способа защиты от несанкционированной звукозаписи: • предотвращение проноса звукозаписывающих устройств в контролируемые помещения; • фиксация факта применения диктофона и принятие адекватных мер. Первый способ является, по сути, поиском физического объекта, который (поиск) может осуществляться с использованием или без использования технических средств. Второй способ есть поиск радиоэлектронного устройства, и ниже будет рассмотрен подробно. Сложность задачи обнаружения современных диктофонов заключается в том, что, с одной стороны, требуется регистрировать очень слабое электромагнитное излучение работающего диктофона. Для этого необходим чувствительный измеритель электромагнитного поля. С другой стороны, необходимо не реагировать на промышленные помехи и на излучение других 120 приборов, которое может быть очень сильным. Причем частотный диапазон, характер и форма электромагнитных колебаний от диктофона и от мешающих источников одинаковы. С точки зрения пользователя, обнаружитель современных диктофонов должен решать три задачи: 1. обеспечивать приемлемую дальность обнаружения для большинства диктофонов; 2. минимизировать вероятность пропуска сигнала; 3. минимизировать вероятность ложного срабатывания. Для того чтобы оценить объем работ по созданию такого обнаружителя, необходимо рассмотреть все группы современных диктофонов на предмет создаваемого ими электромагнитного излучения, так как оно может явиться единственным демаскирующим признаком для записывающего диктофона. По создаваемому электромагнитному излучению диктофоны могут быть разделены на две группы: имеющие в своей конструкции электродвигатель и имеющие микросхемы памяти для записи информации. К первой группе относятся следующие аппараты: 1. построенные на классическом принципе записи электрических сигналов на магнитную ленту в аналоговом виде, имеющие простой лентопротяжный механизм и не имеющие генератора стирания и подмагничивания (ГСП); 2. то же, что п.1, но имеющие ГСП. 3. построенные на принципе записи электрических сигналов на магнитную ленту в цифровом виде на DAT-кассету и имеющие более сложный лентопротяжный механизм, аналогичный механизму видеомагнитофона; 4. построенные на принципе записи электрических сигналов на магнитный или оптический дисковый носитель в цифровом виде, например на минидиск, разработанный фирмой SONY (магнитный носитель), или на лазерный перезаписываемый диск (оптический носитель). Также имеют электродвигатель. В дальнейшем эта группа диктофонов будет называться - "кинематические". Характер создаваемого электромагнитного излучения этой группы диктофонов одинаков. Источником максимального излучения являются электродвигатель и генератор стирания – подмагничивания (ГСП) (только для подгруппы 2). Форма сигнала от электродвигателя носит импульсный характер с основной гармоникой в диапазоне от 80 до 300 Гц. С меньшими амплитудами в этот диапазон попадают другие гармонические составляющие этого сигнала. Излучение от ГСП приближено к синусоидальному и находится в пределах от 20 до 60 КГц. Другая группа диктофонов построена на принципе записи электрических сигналов в кристалл микросхемы памяти в цифровом виде. Причем может использоваться энергонезависимая память (флэш-память) или (реже) динамическая или статическая память, требующая постоянно подключенного источника питания. В дальнейшем эта группа диктофонов будет называться "цифровые". Конструктивно "цифровые" диктофоны могут быть выполнены в двух вариантах: 1. функция диктофона является основной; 2. функция диктофона является дополнительной. Ко второй подгруппе относятся устройства: • некоторые модели сотовых телефонов; • большинство "карманных" миникомпьютеров, например PocketPC; • MP3-плейеры с возможностью записи. Необходимо отметить, что теоретически понятием "цифровой" диктофон определено устройство, осуществляющее запись речевой информации на некоторый носитель в цифровом виде. Причем носителем может являться диск или лента. Такие устройства имеют кинематический механизм и относятся к "кинематическим" диктофонам. По характеру излучения, "цифровые" диктофоны можно разделить на подгруппы: 1. имеющие импульсный преобразователь напряжения, например, если в качестве источника питания использована одна батарея напряжением 1,5 вольта; 121 2. имеющие съемную конструкцию флэш-памяти; 3. осуществляющие сжатие речевой информации посредством специализированного сигнального процессора; 4. имеющие жидкокристаллический дисплей; 5. имеющие различные подключенные аксессуары, такие, как выносной микрофон, пульт дистанционного управления и т.д.; 6. имеющие корпус, способный экранировать излучение диктофона. Исследования показали, что максимальный уровень излучения "цифровых" диктофонов для всех подгрупп, как правило, лежит в диапазоне от 20 до 120 кГц. Для диктофонов с импульсным преобразователем напряжения наиболее сильный уровень наблюдается на частоте преобразования. Такие диктофоны могут обнаруживаться на максимальной дальности – более метра. В диктофонах со съемной флэш-памятью неизбежно присутствует шлейф из нескольких десятков проводников, длиной несколько сантиметров. По нему передаются сигналы адреса и данных для записи в память. Эти сигналы цифровые, а значит, имеют крутые фронты и амплитуду, равную напряжению питания (обычно 3 вольта). Такое количество длинных проводников с такими сигналами дает шумоподобные всплески в некоторых частотных областях. Если использован сигнальный процессор, что характерно для техники западных производителей, спектральные всплески усиливаются, так как такой процессор потребляет более 50% энергии, необходимой для работы диктофона. Диктофоны этих двух подгрупп могут обнаруживаться на расстоянии от 50 см до 1 метра. В диктофонах с жидкокристаллическим дисплеем последний тоже является источником образования электромагнитного поля. Причем энергия его растет с размерами дисплея, а также в случае, если он графический, и особенно цветной. Наличие таких дисплеев более характерно для приборов, у которых функция диктофона является дополнительной - сотовые телефоны, миникомпьютеры и т.д. Дальность обнаружения таких устройств может превысить 1 метр. Для диктофонов с подключенным выносным микрофоном или пультом дистанционного управления, соединительный кабель является дополнительным относительно мощным источником излучения. Для диктофонов в металлических корпусах дальность обнаружения резко падает, так как излучение экранируется корпусом и в зависимости от качества экранировки составляет от нескольких единиц до 30 см. Однако существует вероятность образования низкочастотных субгармоник, от излучения которых такая экранировка малоэффективна. В любом случае, диктофоны в металлических корпусах относятся к классу спецтехники и специально разрабатываются с целью минимизации излучения. С точки зрения электротехники диктофон состоит из набора замкнутых электрических цепей, причем некоторые из них обладают значительной индуктивностью, что приводит к образованию вокруг работающего диктофона электромагнитного излучения с определенной диаграммой направленности и интенсивностью. Отсюда следует, что любой диктофон может быть обнаружен некоторым электронным устройством на определенном расстоянии. Для выявления факта несанкционированной записи аудиосигнала используются обнаружители (детекторы) диктофонов. Обнаружители диктофонов, по сути, представляют собой детекторные приемники магнитного поля. Принцип их действия основан на обнаружении слабого магнитного поля, создаваемого генератором подмагничивания или работающим двигателем диктофона в режиме записи. Электродвижущая сила (ЭДС), наводимая этим полем в датчике сигналов (магнитной антенне), усиливается и выделяется из шума специальным блоком обработки сигналов. При превышении уровня принятого сигнала некоторого установленного порога срабатывает световая или звуковая сигнализация. 8.6. Универсальные поисковые приборы Рассмотренные выше специальные технические средства узко специализированы. Так, индикаторы поля позволяют локализовать источник радиоизлучения в пространстве, сканирую- 122 щие приемники – проводить радиомониторинг на объекте и т.д. Однако при проведении поиска приходится решать, как правило, несколько задач: • проведение радиомониторинга; • локализация (пеленгование) источника излучений; • идентификация сигналов радиозакладок; • контроль силовых, телефонных, радиотрансляционных и других линий; • постановка прицельных помех и др. На рынке специальных технических средств защиты информации представлено достаточно изделий как отечественного, так и зарубежного производства, в той или иной степени позволяющих решать эти задачи. Однако поиск средств негласного съема информации остается их основным предназначением. Решение задачи поиска обеспечивается наличием в составе комплексов следующих обязательных элементов: • широкодиапазонного перестраиваемого по частоте приемника (сканера); • блока распознавания закладок, осуществляющего идентификацию излучений радиозакладок на основе сравнения принятых продетектированных сигналов с естественным акустическим фоном помещения (пассивный способ) или тестовым акустическим сигналом (активный способ); • блока акустической локации; • процессора, осуществляющего обработку сигналов и управление приемником. 8.7. Программно-аппаратные поисковые комплексы Другая группа многофункциональных поисковых приборов представлена программноаппаратными комплексами, сформированными на базе серийного сканера (сканеров), персонального компьютера (обычно notebook) и специального программного обеспечения. Использование внешней ПЭВМ с программным обеспечением позволяет автоматизировать процесс поиска и обнаружения закладных устройств, проводить анализ радиоэлектронной обстановки по районам контроля, вести базу радиоэлектронных средств. Малый вес и габариты комплексов в сочетании с универсальным питанием позволяют работать с ними как в стационарных, так и в полевых условиях. Состав и основные характеристики некоторых программно-аппаратных комплексов контроля приведены в таблицах 5.6 – 5.9. Функциональное совмещение специальных приемников с ПЭВМ существенно повышает надежность и оперативность поиска закладных устройств, делает процедуру поиска более технологичной. На компьютер при этом возлагается решение следующих задач: • хранение априорной информации о радиоэлектронных средствах, работающих в контролируемой области пространства и выбранных диапазонах частот; • получение программными методами временных и частотных характеристик принимаемых сигналов (вместо использования достаточно громоздких осциллографов и анализаторов спектра); • тестирование принимаемых сигналов на принадлежность к излучению ЗУ. 8.8. Нелинейные локаторы Нелинейный локатор предназначен для обнаружения дистанционно-управляемых и (или) включающихся по голосовому сигналу закладных устройств, а также обнаружения скрытно установленных записывающих устройств. Обычно специальная техника для их обнаружения имеет очень небольшой радиус действия и эффективна для обнаружения только активной техники. Иначе говоря, нелинейный локатор может быть использован для обнаружения активных и неиспользуемых, работающих и неработающих радиомикрофонов и телефонных микропередатчиков, сожженных радиомикрофонов, тайно установленных диктофонов, усилителей, микрофонов с усилителями и т.п. 123 Принцип действия нелинейного локатора основан на физическом свойстве всех нелинейных компонентов (транзисторов, диодов и проч.) радиоэлектронных устройств излучать в эфир при их облучении сверхвысокочастотными сигналами гармонические составляющие, кратные частоте облучения. Нелинейный локатор облучает подозреваемую область подобным сигналом (обычно около 900 МГц), после чего различные гармонические частоты анализируются. При этом процесс преобразования не зависит от того, включен или выключен исследуемый объект. Не существенно и функциональное назначение радиоэлектронного устройства. Это свойство позволяет обнаруживать радиоэлектронные устройства буквально "сквозь стены". В случае получения положительных результатов обследования окончательное решение о наличии подслушивающих устройств может быть принято после проведения физического обследования, применения металлодетектора или рентгеновского оборудования. Нелинейные локаторы отечественного и зарубежного производства можно разделить на две группы: импульсного и непрерывного излучения. Первые посылают более мощный сигнал короткими импульсами, последние производят обнаружение за счет повышенной чувствительности. Экспериментально доказано, что локаторы с импульсным излучением обладают большей глубиной обнаружения. Наличие в локаторе анализа 2-ой и 3-ей гармоник позволяет производить детектирование микросхем закладных устройств и диктофонов с большей точностью: некоторые органические предметы могут проявлять нелинейность также, как и электронные компоненты. Результаты сравнения отражения по обеим гармоникам свидетельствуют с большей точностью о наличии подобной "псевдонелинейности". Это сравнение дает возможность отличить отраженный сигнал электронных компонентов и органических объектов. Превышение уровня сигнала на 3-ей гармонике над уровнем на 2-ой свидетельствует об обнаружении помехового объекта с контактными нелинейностями (коррозионный эффект). Такой функцией обладает, например, локатор NR-900E. Также немаловажно наличие функции прослушивания модулированных сигналов локатора, отраженных от обнаруженных полупроводниковых элементов закладок. Работа с нелинейными локаторами требует некоторых навыков. При обследовании оператор двигается по помещению вдоль стен и предметов интерьера, антенна локатора медленно перемещается на расстоянии не более 20 см от обследуемых предметов со скоростью не более 30 см/сек. Об обнаружении предмета, содержащего полупроводниковые компоненты, свидетельствует наличие сигнализации отражения сигнала по второй или по второй и третьей гармоникам; при этом при понижении уровня чувствительности локатора уровень сигнала по 3-ей гармонике значительно сокращается или исчезает. В наушниках при этом прослушивается устойчивый сигнал, причем, если обнаружена активная радиозакладка, через наушники можно прослушать тестовый сигнал, создаваемый на время обследования в помещении. Напротив, неустойчивый сигнал в наушниках, потрескивание, неустойчивая световая сигнализация свидетельствуют о коррозионном эффекте. В этом случае простое постукивание по обследуемому объекту может привести к изменению характеристик сигнала. 8.9. Технические средства контроля двухпроводных линий Технические средства данной группы предназначены для выявления электрических каналов утечки информации, передаваемой по двухпроводным линиям. Как правило, такими линиями являются линии телефонной связи на участке «Абонент – ГАТС», т.е. речь будет идти о выявлении негласных гальванических подключений к телефонной линии для их последующей нейтрализации. Методы контроля телефонных линий в основном основаны на том, что любое подключение к ним вызывает изменение электрических параметров линий: амплитуд напряжения и тока в линии, а также значений емкости, индуктивности, активного и реактивного сопротивления линии. В зависимости от способа подключения устройства перехвата информации к телефонной линии (последовательного, в разрыв одного из проводов телефонного кабеля, или параллельного) степень его влияния на изменение параметров линии будет различной. 124 За исключением особо важных объектов линии связи построены по стандартному образцу. Ввод линии в здание осуществляется магистральным многопарным (многожильным) телефонным кабелем до внутреннего распределительного щита. Далее от щита до каждого абонента производится разводка двухпроводным телефонным проводом марки ТРП или ТРВ. Данная схема характерна для жилых и административных зданий небольших размеров. При больших размерах административных зданий внутренняя разводка делается набором магистральных кабелей до специальных распределительных колодок, от которых на небольшие расстояния (до 20 – 30 м) разводка также производится проводом ТРП или ТРВ. В статическом режиме любая двухпроводная линия характеризуется волновым сопротивлением, которое определяется погонными емкостью (пФ/м) и индуктивностью (Гн/м) линии. Волновое сопротивление магистрального кабеля лежит в пределах 130 – 160 Ом для каждой пары, а для проводов марки ТРП и ТРВ имеет разброс 220 – 320 Ом. Подключение средств съема информации к магистральному кабелю (как наружному, так и внутреннему) маловероятно. Наиболее уязвимыми местами подключения являются: входной распределительный щит, внутренние распределительные колодки и открытые участки из провода ТРП, а также телефонные розетки и аппараты. Наличие современных внутренних миниАТС не влияет на указанную ситуацию. Основными параметрами радиозакладок, подключаемых к телефонной линии, являются следующие. Для закладок с параллельным включением важным является величина входной емкости, диапазон которой может изменяться в пределах от 20 до 1000 пФ и более, и входное сопротивление, величина которого составляет сотни кОм. Для закладок с последовательным включением основным является входное сопротивление, которое может составлять от сотен Ом до нескольких МОм. Телефонные адаптеры с внешним источником питания, гальванически подключаемые к линии, имеют большое входное сопротивление до нескольких МОм (в некоторых случаях и более 100 МОм) и достаточно малую входную емкость. Важное значение имеют энергетические характеристики средств съема информации: потребляемый ток и падение напряжения в линии. Наиболее информативным легко измеряемым параметром телефонной линии является напряжение в ней при положенной и поднятой телефонной трубке. Это обусловлено тем, что в состоянии, когда телефонная трубка положена, в линию подается постоянное напряжение в пределах 60 – 64 В (для отечественных АТС) или 25 – 36 В (для импортных мини-АТС в зависимости от модели). При поднятии трубки в линию от АТС поступает сигнал, преобразуемый в телефонной трубке в длинный гудок, а напряжение в линии уменьшается до 10 – 12 В. Большинство устройств защиты производят автоматическое измерение напряжения в линии и отображают его значение на цифровом индикаторе. Если к линии будет подключено закладное устройство, то эти параметры изменятся (напряжение будет отличаться от типового для данного телефонного аппарата). В табл. 8.2 приведены экспериментально полученные значения падения напряжения на линии для некоторых телефонных закладок. Однако падение напряжения в линии (при положенной и поднятой трубке) не дает однозначного ответа – установлена в линии закладка или нет, так как колебания напряжения в телефонной линии могут происходить из-за ее плохого качества (как результат изменения состояния атмосферы, времени года или выпадения осадков и т.п.). Поэтому для определения факта подключения к линии устройства перехвата информации необходим постоянный контроль ее параметров. При подключении к телефонной линии устройства перехвата информации изменяется и величина потребляемого тока (при поднятии трубки телефонного аппарата). Величина отбора мощности из линии зависит от мощности передатчика закладки и его коэффициента полезного действия. При параллельном подключении радиозакладки потребляемый ток (при поднятой телефонной трубке), как правило, не превышает 2,5 – 3,0 мА. 125 При подключении к линии телефонного адаптера, имеющего внешний источник питания и большое входное сопротивление, потребляемый из линии ток незначителен (20 – 40 мкА). Комбинированные радиозакладки с автономными источниками питания и параллельным подключением к линии имеют невысокое входное сопротивление (несколько кОм) и практически не потребляют энергию из телефонной линии, но значительно увеличивают ее емкость. Производя измерение тока в линии при снятии телефонной трубки и сравнивая его с типовым, можно выявить факт подключения закладных устройств с током потребления более 500 – 800 мкА. 8 .2 Определение техническими средствами контроля закладных устройств с малым током потребления из линии ограничено собственными шумами линии, вызванными нестабильностью как статических, так и динамических параметров линии. К нестабильности динамических параметров в первую очередь относятся флюктуации тока утечки в линии, величина которого достигает 150 мкА. В настоящее время рынок изделий специальной техники представлен широким выбором приборов, позволяющих с той или иной степенью достоверности обнаруживать наличие прослушивающих устройств, установленных на телефонной линии. По принципу действия приборы обнаружения подслушивающих устройств можно условно разделить на следующие группы: • устройства контроля напряжения линии; • устройства контроля окружающей радиообстановки; • устройства контроля сигналов на телефонной линии; • устройства анализа неоднородности телефонной линии; • устройства анализа несимметрии линии; • устройства анализа нелинейности параметров линии Устройства контроля напряжения линии образуют наиболее многочисленную группу приборов обнаружения. Простейшее устройство контроля телефонных линий представляет со126 бой измеритель напряжения. При настройке оператор фиксирует значение напряжения, соответствующее нормальному состоянию линии (когда к линии не подключены посторонние устройства), и порог тревоги. При уменьшении напряжения в линии более установленного порога устройством подается световой или звуковой сигнал тревоги. На принципах измерения напряжения в линии построены и устройства, сигнализирующие о размыкании телефонной линии, которое возникает при последовательном подключении закладного устройства. Как правило, подобные устройства содержат также фильтры для защиты от прослушивания за счет "микрофонного эффекта" в элементах телефонного аппарата и высокочастотного "навязывания". Приборы данной группы регистрируют изменение напряжения линии с помощью компараторов или вольтметров. При этом если напряжение на линии изменяется на достаточную величину, то делается вывод о гальваническом подключении к линии. Основным недостатком всех приборов данной группы является то, что они должны быть установлены на «чистую» линию, т.е. выявляются только новые гальванические подключения к линии. Например, все приборы данной группы успешно выявляют «поднятие» трубки параллельного телефона в момент проведения переговоров по линии или подключение к линии «новых» телефонных закладок с питанием от линии (последовательных с сопротивлением более 0,5 кОм, параллельных с сопротивлением менее 10 кОм). При измерении напряжения линии с помощью вольтметров или компараторов следует учитывать «естественные» колебания напряжения линии в пределах до 1В, зависимость параметров линии от температуры, влажности, состояния оборудования АТС, сопротивления переходных колодок и других факторов. ЛЕКЦИЯ №9 ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ ОТ УТЕЧКИ ПО ТЕХНИЧЕСКИМ КАНАЛАМ 9.1. Методы и средства защиты информации от утечки по техническим каналам Основные методы, используемые при создании системы защиты информации от утечки по техническим каналам Защита информации достигается: • проектно-архитектурными решениями; • проведением организационных и технических мероприятий; • выявлением закладных устройств. Организационное мероприятие – это мероприятие по защите информации, проведение которого не требует применения специально разработанных технических средств. К ним относятся: • привлечение к проведению работ лицензированных предприятий; • категорирование и аттестация объектов ТСПИ и выделенных помещений; • использование на объекте сертифицированных ТСПИ и ВТСС; • установление контролируемой зоны вокруг объекта; • организация контроля и ограничение доступа на объекты ТСПИ и в выделенные помещения; • отключение на период проведения закрытых мероприятий ТС, выполняющих роль электроакустических преобразователей, от проводных линий. Техническое мероприятие – это мероприятие, предусматривающее применение специальных активных и пассивных технических средств и реализацию технических решений. К техническим мероприятиям с использованием пассивных средств относятся: • контроль и ограничение доступа путем установки ТС и систем ограничения контроля доступа; • локализация излучений (экранирование ТСПИ и соединительных линий, заземление ТСПИ и экранов соединительных линий, звукоизоляция выделенных помещений); • развязывание информационных сигналов (установка средств защиты типа «Гранит» в ВТСС, обладающие микрофонным эффектом и имеющие выход за пределы КЗ; установка диэлектри- 127 ческих вставок в оплетки кабелей электропитания, труб систем отопления, водоснабжения и канализации, имеющие выход за пределы КЗ; установка автономных или стабилизированных источников питания ТСПИ; установка в цепях питания помехоподавляющих фильтров). К техническим мероприятиям с использованием активных средств относятся: • пространственное зашумление (электромагнитное – с помощью генераторов шума или генераторов прицельной помехи; акустическое и виброакустическое; подавление диктофонов в режиме записи); • линейное зашумление (линий электропитания и соединительных линий ВТСС, имеющих выход за пределы КЗ); • уничтожение закладных устройств. Выявление закладных устройств осуществляется проведением специальных обследований и специальных проверок. Специальные обследования объектов ТСПИ и выделенных помещений проводятся путем визуального осмотра без применения ТС (или с применением досмотрового оборудования). Специальная проверка проводится с применением ТС и осуществляется путем: • выявления закладных устройств с применением пассивных средств (установка ТС обнаружения лазерного облучения; установка стационарных обнаружителей диктофонов; поиск закладных устройств с использованием индикаторов поля, интерсепторов, частотомеров, сканерных радиоприемников, программно-аппаратных комплексов контроля; организация контроля ПЭМИН и радиодиапазона – постоянно или периодически, во время проведения конфиденциальных мероприятий); • выявления закладных устройств с применением активных средств (СП выделенных помещений с использованием нелинейных локаторов; СП выделенных помещений, ТСПИ и ВТСС с использованием рентгеновских комплексов). Рассмотрим основные активные и пассивные технические методы защиты информации. 9.2. Методы и средства защиты информации, обрабатываемой ТСПИ Пассивные методы защиты информации, обрабатываемой ТСПИ, направлены на: • ослабление информационных ПЭМИ ТСПИ на границе контролируемой зоны до величин, обеспечивающих невозможность их выделения средствами разведки на фоне естественных шумов; осуществляется путем экранирования и заземления ТСПИ и их соединительных линий; • ослабление наводок ПЭМИ ТСПИ в посторонних проводниках и соединительных линиях ВТСС, выходящих за пределы контролируемой зоны, до величин, обеспечивающих невозможность их выделения средствами разведки на фоне естественных шумов; осуществляется также путем экранирования и заземления ТСПИ и их соединительных линий; • исключение (ослабление) просачивания информационных сигналов ТСПИ в цепи электропитания, выходящие за пределы контролируемой зоны, до величин, обеспечивающих невозможность их выделения средствами разведки на фоне естественных шумов; достигается путем фильтрации информационных сигналов. Активные методы защиты направлены на: • создание маскирующих пространственных электромагнитных помех с целью уменьшения соотношения сигнал/шум на границе контролируемой зоны до величин, обеспечивающих невозможность их выделения средствами разведки на фоне естественных шумов; достигается применением систем пространственного зашумления; • создание маскирующих электромагнитных помех в посторонних проводниках и соединительных линиях ВТСС с целью уменьшения соотношения сигнал/шум на границе контролируемой зоны до величин, обеспечивающих невозможность их выделения средствами разведки на фоне естественных шумов; достигается применением систем линейного зашумления. Экранирование технических средств Узлы и элементы электронной аппаратуры создают в ближней зоне электромагнитные поля с преобладанием электрической или магнитной составляющей (в зависимости от соотноше- 128 ния величин протекающих в них токов и действующих напряжений) (ПЭМИ). ПЭМИ создаются также в пространстве, окружающем соединительные линии ТСПИ. ПЭМИ ТСПИ являются причиной возникновения электромагнитных и параметрических каналов утечки информации, а также возникновения наводок информационных сигналов в посторонних токоведущих линиях и конструкциях. Поэтому снижению уровня ПЭМИ уделяется большое внимание. Эффективным методом снижения уровня ПЭМИ является экранирование их источников. Различают электростатическое, магнитостатическое и электромагнитное экранирование, причем на высоких частотах (свыше 100 кГц) применяется исключительно электромагнитное экранирование. Действие электромагнитного экрана основано на том, что высокочастотное электромагнитное поле ослабляется им же созданным (благодаря образующимся в толще экрана вихревым токам) полем обратного направления. Экранирование помещений применяется в случаях, когда контролируемая зона от ОТСС превышает размеры контролируемой зоны объекта. Наиболее приемлемым материалом для изготовления экрана всего объема помещения является сталь листовая. Толщина металлического листа, обеспечивающего необходимую эффективность экранирования, определяется расчетом. Конструкция швов экрана должна обеспечивать надежный электрический контакт с низким переходным сопротивлением высокочастотным токам по периметру соединяемых деталей экрана. Для обеспечения этого требования соединение листов экрана должно производиться герметичным швом электродуговой сварки в среде защитного газа. Выполнение экранировки требует значительных экономических затрат и большого расхода материалов, весьма трудоемко, сложно в изготовлении входов в помещения вентиляции и вводов коммуникаций. Для выполнения работ по экранировке требуется высокая квалификация исполнителей. При использовании металлических сеток эффективность экранирования значительно меньше. Кабельные экраны выполняются в форме цилиндра из сплошных оболочек, в виде спирально намотанной на кабель плоской ленты или в виде оплетки из тонкой проволоки. Наиболее экономичным способом экранирования информационных линий связи между устройствами ТСПИ считается групповое размещение их информационных кабелей в экранирующий распределительный короб. Для защиты линий связи от наводок необходимо минимизировать площадь контура, образованного прямым и обратным проводом линии. Если линия представляет собой одиночный провод, а возвратный ток течет по некоторой заземляющей поверхности, то необходимо максимально приблизить провод к поверхности. Если линия образована двумя проводами, то их необходимо скрутить, образовав бифиляр (витую пару). Наилучшую защиту, как от электрического, так и от магнитного полей обеспечивают информационные линии связи типа экранированного бифиляра, трифиляра (трех скрученных вместе проводов, один из которых используется в качестве экрана), триаксиального кабеля (изолированного коаксиального кабеля, помещенного в электрический экран), экранированного плоского кабеля. Заземление технических средств Необходимо отметить, что экранирование ТСПИ и соединительных линий эффективно только при правильном их заземлении. Наиболее часто для заземления используются схемы: • одноточечные (рис. 6.1 и 6.2); • многоточечные (рис. 6.3); • гибридные. Наиболее проста одноточечная последовательная схема заземления. Однако ей присущнедостаток, связанный с протеканием обратных токов различных цепей по общему участку заземляющей цепи. Вследствие этого возможно появление опасного сигнала в посторонних цепях. Одноточечная параллельная схема заземления свободна от этого недостатка. Но эта схема требует большого числа протяженных заземляющих проводников, из-за чего может возникнуть проблема с обеспечением малого сопротивления заземления участков цепи. 129 Многоточечная схема, в которой все отдельные устройства индивидуально заземлены, является наиболее приемлемой по качеству заземления, но ее реализация требует значительных затрат. Фильтрация информационных сигналов Для фильтрации сигналов в цепях питания ТСПИ используются разделительные трансформаторы и помехоподавляющие фильтры. 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. Такое проникновение возможно из-за наличия нежелательных резистивных и емкостных цепей связи между обмотками. Средства развязки и экранирования, применяемые в разделительных трансформаторах, обеспечивают максимальное значение сопротивления между обмотками и создают для наводок путь с минимальным сопротивлением из первичной обмотки на землю. Это достигается обеспечением высокого сопротивления изоляции соответствующих элементов конструкции (порядка 10 МОм) и незначительной емкости между обмотками. Эти особенности отличают разделительные трансформаторы от обычных. Разделительный трансформатор со специальными средствами экранирования и развязки обеспечивает ослабление информационного сигнала наводки в нагрузке на 126 дБ при емкости между обмотками 0,005 пФ и на 140 дБ при емкости между обмотками 0,001 пФ. Помехоподавляющие фильтры предназначены для ослабления нежелательных сигналов в разных участках частотного диапазона. Различают фильтры верхних и нижних частот, полосовые и заграждающие фильтры. Основные требования, предъявляемые к помехоподавляющим фильтрам: • величины рабочего напряжения и тока фильтра должны соответствовать напряжению и току фильтруемой цепи; • величина ослабления нежелательных сигналов должна быть не менее требуемой; • ослабление полезного сигнала в полосе прозрачности фильтра должно быть незначительным. К фильтрам цепей питания наряду с общими предъявляются следующие дополнительные требования: • затухание, вносимое фильтрами в цепи постоянного тока или переменного тока основной частоты, должно быть минимальным (0,2 дБ и менее) и иметь большое значение (более 60 дБ) в полосе подавления, которая может быть достаточно широкой (до 10 ГГц); • сетевые фильтры должны эффективно работать при сильных проходящих токах, высоких напряжениях и высоких уровнях мощности проходящих и задерживаемых электромагнитных колебаний; • ограничения, накладываемые на допустимые уровни нелинейных искажений формы напряжения питания при максимальной нагрузке, должны быть достаточно жесткими. Пространственное и линейное зашумление Реализация пассивных методов защиты, основанных на экранировании и фильтрации, приводит к ослаблению уровней ПЭМИН ТСПИ и тем самым – к уменьшению отношения опасный сигнал/шум (с/ш). Однако возможны ситуации, когда, несмотря на применение пассивных методов и мер защиты, отношение с/ш на границе контролируемой зоны будет превышать допустимое значение. В таких случаях применяются активные меры защиты, основанные на создании помех средствам разведки, что также приводит к уменьшению отношения с/ш. Для исключения перехвата ПЭМИ по электромагнитному каналу используется пространственное зашумление, а для исключения съема наводок информационных сигналов с посторонних проводников и соединительных линий ВТСС – линейное зашумление. К системам пространственного зашумления предъявляются следующие требования: • система должна создавать электромагнитные помехи в диапазоне частот возможных ПЭМИ ТСПИ; 130 • создаваемые помехи не должны иметь регулярной структуры; • уровень создаваемых помех (как по электрической, так и по магнитной составляющей поля) должен обеспечить отношение с/ш на границе контролируемой зоны меньше допустимого значения во всем диапазоне частот возможных ПЭМИ ТСПИ; • система должна создавать помехи, как с горизонтальной, так и с вертикальной поляризацией; • на границе контролируемой зоны уровень помех, создаваемых системой пространственного зашумления, не должен превышать норм по электромагнитной совместимости. В системах пространственного зашумления в основном используются помехи типа «белого шума» или «синфазной помехи». Системы, реализующие метод «синфазной помехи», применяются в основном для защиты ПЭВМ. В них в качестве помехового сигнала используются импульсы случайной амплитуды, совпадающие (синхронизированные) по форме и времени существования с импульсами полезногосигнала. Вследствие этого по своему спектральному составу помеховый сигнал аналогичен спектру ПЭМИ ПЭВМ. Системы зашумления типа «белого шума» излучают широкополосный шумовой сигнал (как правило, с равномерно распределенной во всем диапазоне частот энергией), существенно превышающий уровень ПЭМИ. Спектр применения таких систем достаточно широк. Они применяются для защиты ЭВТ, систем звукоусиления, внутреннего телевидения и т.д. Генераторы шума выполняются или в виде отдельного блока с питанием от сети 220 В, или в виде отдельной платы, вставляемой в свободный слот системного блока ПЭВМ. Учитывая вышеизложенное, рекомендуется использовать комплексный метод защиты информации - пассивный и активный одновременно. Такое сочетание методов защиты позволяет максимально использовать возможности каждого из технических средств и, как следствие, минимизировать затраты на их приобретение и монтаж при выполнении предъявленных требований к защите информации от утечки. 9.3. Методы и средства защиты речевой информации в помещении Технические каналы утечки речевой информации классификация: воздушные, структурные и электроакустические каналы. В настоящем разделе рассматриваются методы и средства защиты речевой информации от утечки по воздушным и структурным ТКУИ. Электроакустические каналы возникают в линиях ВТСС (в основном – телефонных) и поэтому требуют специфических методов и средств защиты, которые будут рассмотрены в разделе "Методы и средства защиты телефонных линий". Пассивные методы защиты акустической (речевой) информации в помещениях направлены на ослабление акустических сигналов на границах контролируемой зоны до величин, обеспечивающих невозможность их выделения средствами разведки на фоне естественных шумов. Активные методы защиты речевой информации направлены на: • создание маскирующих акустических (вибрационных) помех с целью уменьшения соотношения сигнал/шум на границе контролируемой зоны до величин, обеспечивающих невозможность выделения информационного сигнала средствами разведки; • электромагнитное и ультразвуковое подавление диктофонов в режиме записи; • создание прицельных радиопомех акустическим радиозакладкам (в том числе – средствам мобильной радиосвязи, используемым в качестве радиомикрофона) с целью уменьшения соотношения сигнал/шум на границе контролируемой зоны до величин, обеспечивающих невозможность выделения информационного сигнала средствами разведки. Основой пассивных методов защиты речевой информации является звукоизоляция помещений, активных – использование различного типа генераторов помех и другой специальной техники. Звукоизоляция помещений Звукоизоляция помещений направлена на локализацию источников акустических сигналов внутри них и проводится с целью исключения перехвата акустической (речевой) информации 131 по прямому акустическому (через щели, окна, двери, технологические проемы, вентиляционные каналы и т.д.) и вибрационному (через ограждающие конструкции, трубы и т.д.) каналам. Звукоизоляция оценивается величиной ослабления акустического сигнала, которое для сплошных однослойных или однородных ограждений (строительных конструкций) приближенно рассчитывается по формуле: K ≈ 20lg(с*gn*f)-47,5, дБ, Где: gn – масса 1 м3 ограждения, кг; f - частота звука, Гц; с – коэффициент пропорциональности, 1/(кг*Гц). Звукоизоляция помещений обеспечивается с помощью архитектурных и инженерных решений, а также применением специальных строительных и отделочных материалов. Одним из наиболее слабых звукоизолирующих элементов являются двери и окна. Двери имеют существенно меньшие по сравнению со стенами и межэтажными перекрытиями поверхностные плотности и трудноуплотняемые зазоры и щели. Увеличение звукоизолирующей способности дверей достигается плотной пригонкой полотна двери к коробке, устранением щелей между дверью и полом, применением уплотняющих прокладок, обивкой или облицовкой дверей специальными материалами. В особо режимных помещениях используются двери с тамбуром, а также специальные двери с повышенной звукоизоляцией (см. таблицу 9.1). 9.1 Звукопоглощающая способность окон, так же как и дверей, зависит, главным образом, от поверхностной плотности стекла и степени прижатия притворов. В таблице 9.2 приведены данные по звукоизоляции наиболее распространенных вариантов остекления помещений. 9 .2 Как видно из таблицы, увеличение числа стекол не всегда приводит к увеличению звукоизоляции в диапазоне частот речевого сигнала вследствие резонансных явлений в воздушных промежутках и эффекта волнового совпадения. Для повышения звукоизоляции в помещениях применяют акустические экраны, устанавливаемые на пути распространения звука на наиболее опасных (с точки зрения разведки) направлениях. Действие акустических экранов основано на отражении звуковых волн и образовании за экраном звуковых теней. С учетом дифракции эффективность экрана повышается с увеличением соотношения размеров экрана и длины акустической волны. Размеры эффективных экранов 132 превышают более чем в 2 – 3 раза длину волны. Реально достигаемая эффективность акустического экранирования составляет 8…10 дБ. Применение акустического экранирования целесообразно при временном использовании помещения для защиты акустической информации. Наиболее часто применяют складные акустические экраны, используемые для дополнительной звукоизоляции дверей, окон, технологических проемов и других элементов ограждающих конструкций, имеющих звукоизоляцию, не удовлетворяющую действующим нормам. Широко используются для звукоизоляции помещений звукопоглощающие материалы. Звукопоглощение обеспечивается путем преобразования кинетической энергии акустической волны в тепловую энергию в звукопоглощающем материале. Звукопоглощающие свойства материалов оцениваются коэффициентом звукопоглощения, определяемым отношением энергии звуковых волн, поглощенной в материале, к падающей на поверхность и проникающей в звукопоглощающий материал. Звукопоглощающие материалы могут быть сплошными и пористыми. Пористые материалы малоэффективны на низких частотах. Для ведения конфиденциальных переговоров разработаны специальные звукоизолирующие кабины. В зависимости от требований к звукоизоляции они подразделяются на четыре класса (см. таблицу 9.3). 9 .3 Виброакустическое зашумление В случае если используемые пассивные средства защиты помещений не обеспечивают требуемых норм по звукоизоляции, необходимо использовать активные меры защиты. Они заключаются в создании маскирующих акустических помех средствам разведки. Виброакустическая маскировка эффективно используется для защиты речевой информации от утечки по прямому акустическому, виброакустическому и оптико-электронному каналам утечки информации. Для формирования акустических помех применяются специальные генераторы, к выходам которых подключены звуковые колонки (громкоговорители), или вибрационные излучатели (вибродатчики). Громкоговорители систем зашумления устанавливаются в помещении в местах наиболее вероятного размещения средств акустической разведки, а вибродатчики крепятся на рамах, стеклах, коробах, стенах, межэтажных перекрытиях и т.д. В настоящее время создано большое количество систем активной виброакустической маскировки. В состав типовой системы входят шумогенератор и от 6 до 25 вибродатчиков (пьезокерамических или электромагнитных). Дополнительно в состав системы могут включаться звуковые колонки. Методы и средства подавления диктофонов Рассмотренные обнаружители диктофонов сами по себе не решают проблему противодействия несанкционированной звукозаписи, а только позволяют установить факт ее ведения и локализовать в пространстве устройство записи. Кроме того, системы обнаружения диктофонов, как правило, монтируются стационарно и потому неприменимы в тех случаях, когда переговоры ведутся на «чужой» или «нейтральной» территории. Поэтому на практике наряду с системами обнаружения диктофонов эффективно применяются и средства их подавления – электромагнитного или ультразвукового. Принцип действия устройств электромагнитного подавления основан на генерации в дециметровом диапазоне частот (около 900 МГц) мощных шумовых сигналов. Излучаемыенаправленными антеннами помеховые сигналы, воздействуя на элементы электронной схемы дик- 133 тофона (усилитель низкой частоты и усилитель записи), вызывают в них наводки шумовых сигналов. Вследствие этого одновременно с информационным сигналом (речью) осуществляется запись и детектированного шумового сигнала, что приводит к значительным искажениям первого. Как и для обнаружителей диктофонов, важную роль играет степень экранировки диктофона или другого подслушивающего устройства. Поэтому если диктофоны в пластмассовых корпусах подавляются на расстоянии до 5-6 метров, то в металлических - 2,5-3,5 метра. Применяются в основном два варианта исполнения электромагнитных подавителей: переносной, смонтированный в обычном кейсе, и стационарный, размещаемый в месте переговоров под столом или в ближайшем шкафу. Системы ультразвукового подавления излучают мощные неслышимые человеческим ухом ультразвуковые колебания частотой около 20 кГц, воздействующие непосредственно на микрофоны диктофонов. Это воздействие приводит к перегрузке усилителя низкой частоты(усилитель начинает работать в нелинейном режиме) и, тем самым, – к значительным искажениям записываемых сигналов. Если при проведении радиоконтроля обнаружена передача информации радиозакладкой, а физический поиск ее по тем или иным причинам невозможен, то для предотвращения утечки информации может быть организована постановка прицельных помех на частоте передачи закладки. Для этих целей могут быть использованы устройства АРК-СП или рассмотренные ранее «Скорпион» и «Скорпион-2». В состав устройства АРК-СП входят широкополосная антенна, перестраиваемый передатчик помех и программное обеспечение. Управляющая программа позволяет с высокой скоростью настраивать передатчик на предварительно заданные частоты в диапазоне 65 … 1000 МГц. Передатчик создает прицельную по частоте помеху с узкополосной и широкополосной модуляцией несущей частоты специальными сигналами: речевая фраза или тональный сигнал. Мощность помехи – 150 …200 мВт. Аппаратура функционирует под управлением ПЭВМ автономно или в составе программно-аппаратных комплексов контроля типа АРК. Для подавления радиозакладок также могут использоваться системы пространственного электромагнитного зашумления, применяемые для маскировки побочных электромагнитных излучений ТСПИ. Однако необходимо помнить, что ввиду относительно низкой спектральной мощности излучаемой помехи, эти системы эффективны для подавления только маломощных (с мощностью излучения до 10 мВт) радиозакладок. Для защиты речевой информации от сетевых акустических закладок используются помехоподавляющие фильтры низких частот и системы линейного зашумления. Помехоподавляющие фильтры устанавливаются в линии питания розеточной и осветительной сетей в местах их выхода из защищаемого помещения. Учитывая, что сетевые закладки используют для передачи информации частоты свыше 40 … 50 кГц, для защиты информации необходимо использовать фильтры низких частот с граничной частотой не более 40 кГц. К таким фильтрам относятся, например, фильтры ФСПК, граничная частота которых составляет 20 кГц. Системы линейного зашумления подробно рассматриваются в разделе, посвященном методам и средствам защиты телефонных и слаботочных линий. В качестве радиозакладки могут быть использованы средства мобильной связи, прежде всего – абонентские аппараты систем сотовой телефонной связи. Микрофонная система сотового телефона с приемлемым качеством принимает речевые сигналы в радиусе 3 … 5 м, а передача их может осуществляться на заранее оговоренный стационарный или мобильный телефонный номер, на котором производится их регистрация. Для предотвращения утечки информации по подобным образом организованному каналу служат так называемые блокираторы сотовых телефонов. Блокиратор представляет собой генератор радиочастот с антенной системой. Излучение производится в диапазоне работы определенных систем мобильной связи, мощность излучения в других диапазонах незначительна. Мобильные телефоны во время работы блокиратора оста134 ются фиксируемыми системой связи, но не обнаруживают сигнала базовой станции, и связь не может быть установлена. Радиус эффективного действия блокиратора зависит от расстояния до ближайшей базовой станции (чем больше расстояние, тем больше радиус действия). 9.4. Методы и средства защиты телефонных линий Ранее были рассмотрены каналы утечки речевой информации по различного рода и назначения двухпроводным линиям. Наибольшая угроза для безопасности информации исходит от линий телефонной связи, поэтому ниже основной акцент будет сделан на рассмотрение методов и средств защиты именно телефонных линий. Некоторые из этих методов и средств применимы для защиты иных двухпроводных линий, по которым возможна утечка информации (линий радиотрансляции, охранной и пожарной сигнализации и т.п.). При организации защиты телефонных линий необходимо учитывать несколько аспектов: • телефонные аппараты (даже при положенной трубке) могут быть использованы для прослушивания разговоров, ведущихся в помещениях, где они установлены; • телефонные линии, проходящие через помещения, могут использоваться в качестве источников питания электронных устройств перехвата речевой (акустической) информации, установленных в этих помещениях, а также для передачи перехваченной ими информации; • возможно прослушивание телефонных разговоров путем гальванического или через индукционный датчик подключения к телефонной линии электронных устройств перехвата речевой информации; • возможно несанкционированное использование телефонной линии для ведения телефонных разговоров. Следовательно, методы и средства защиты телефонных линий должны быть направлены на исключение: При защите телефонных разговоров на энергетическом уровне осуществляется подавление электронных устройств перехвата информации с использованием активных методов и средств, к основным из которых относятся: • метод синфазной низкочастотной маскирующей помехи; • метод высокочастотной маскирующей помехи; • метод “ультразвуковой” маскирующей помехи; • метод повышения напряжения; • метод "обнуления"; • метод низкочастотной маскирующей помехи; • компенсационный метод; • метод "выжигания". Суть метода синфазной маскирующей низкочастотной помехи заключается в подаче во время разговора в каждый провод телефонной линии с использованием единой системы заземления аппаратуры АТС и нулевого провода электросети 220 В (нулевой провод электросети заземлен) согласованных по амплитуде и фазе маскирующих помеховых сигналов речевого диапазона частот (как правило, основная мощность помехи сосредоточена в диапазоне частот стандартного телефонного канала от 300 до 3400 Гц) . В телефонном аппарате эти помеховые сигналы компенсируют друг друга и не оказывают мешающего воздействия на полезный сигнал (телефонный разговор). Если же информация снимается с одного провода телефонной линии, то помеховый сигнал не компенсируется. А так как его уровень значительно превосходит полезный сигнал, то перехват информации (выделение полезного сигнала) становится невозможным. В качестве маскирующего помехового сигнала, как правило, используются дискретные сигналы (псевдослучайные последовательности импульсов) речевого диапазона частот. Метод синфазной маскирующей низкочастотной помехи используется для подавления: • электронных устройств перехвата речевой информации с телефонных линий с передачей информации по радиоканалу (такие устройства частот называют телефонными ретрансляторами или телефонными радиозакладками), подключаемых к телефонной линии последовательно (в разрыв одного из проводов); 135 • телефонных радиозакладок, диктофонов и устройств записи на основе использования цифровых методов, подключаемых к одному из проводов телефонной линии с помощью индукционного датчика. Метод высокочастотной маскирующей помехи заключается в подаче во время разговора в телефонную линию широкополосного (ширина спектра помехового сигнала составляет несколько кГц) маскирующего помехового сигнала в диапазоне высоких частот звукового диапазона (то есть в диапазоне выше частот стандартного телефонного канала). Частоты маскирующих помеховых сигналов подбираются таким образом, чтобы после прохождения селективных цепей модулятора радиозакладки или микрофонного усилителя диктофона их уровень оказался достаточным для подавления полезного сигнала (речевого сигнала в телефонной линии во время разговоров абонентов), но в то же время эти сигналы не ухудшали бы качество телефонных разговоров. Чем ниже частота помехового сигнала, тем выше его эффективность и тем большее мешающее воздействие он оказывает на полезный сигнал. Обычноиспользуются частоты в диапазоне от 6 – 8 кГц до 16 – 20 кГц. Например, в устройстве Sel SP17/D помеха создается в диапазоне 8 – 10 кГц. Для исключения воздействия маскирующего помехового сигнала на телефонный разговор в устройстве защиты устанавливается специальный низкочастотный фильтр с граничной частотой выше 3,4 кГц, подавляющий (шунтирующий) помеховые сигналы и не оказывающийсущественного влияния на прохождение полезных сигналов. Аналогичную роль выполняют полосовые фильтры, установленные на городских АТС, пропускающие сигналы, частоты которых соответствуют стандартному телефонному каналу, и подавляющие помеховый сигнал. В качестве маскирующего сигнала используются широкополосные аналоговые сигналы типа "белого шума" или дискретные сигналы типа псевдослучайной последовательности импульсов. Данный метод используется для подавления практически всех типов электронных устройств перехвата речевой информации как контактного (последовательного и параллельного) подключений к линии, так и бесконтактного подключения к линии с использованием индукционных датчиков различного типа. Однако эффективность подавления средств съема информации с подключением к линии при помощи индукционных датчиков (особенно, не имеющих предусилителей) значительно ниже, чем средств с гальваническим подключением к линии. У телефонных радиозакладок с параметрической стабилизацией частоты как последовательного, так и параллельного включения наблюдается "уход" несущей частоты, что может привести к потере канала приема. Метод “ультразвуковой” маскирующей помехи в основном аналогичен рассмотренному выше. Отличие состоит в том, что используемые частоты помехового сигнала находится в диапазоне от 20 – 25 кГц до 50 – 100 кГц. Метод повышения напряжения заключается в поднятии напряжения в телефонной линии во время разговора и используется для ухудшения качества функционирования телефонных радиозакладок за счет перевода их передатчиков в нелинейный режим работы. Поднятие напряжения в линии до 18 – 24 В вызывает у телефонных радиозакладок с последовательным подключением и параметрической стабилизацией частоты "уход" несущей частоты и ухудшение разборчивости речи вследствие “размытия” спектра сигнала. У телефонных радиозакладок с последовательным подключением и кварцевой стабилизацией частоты наблюдается уменьшение отношения сигнал/шум на 3 – 10 дБ. Телефонные радиозакладки с параллельным подключением при таких напряжениях в ряде случаев просто отключаются. Метод "обнуления" предусматривает подачу во время разговора в линию постоянного напряжения, соответствующего напряжению в линии при поднятой телефонной трубке, но обратной полярности. Этот метод используется для нарушения функционирования электронных устройств перехвата информации с контактным подключением к линии и использую их ее в качестве источника питания. К таким устройствам относятся параллельные телефонные аппараты и телефонные радиозакладки. 136 Метод низкочастотной маскирующей помехи заключается в подаче в линию при положенной телефонной трубке маскирующего низкочастотного помехового сигнала и применяется для активизации (включения на запись) диктофонов, подключаемых к телефонной линии с помощью адаптеров или индукционных датчиков, что приводит к сматыванию пленки в режиме записи шума (то есть при отсутствии полезного сигнала). Компенсационный метод используется для маскировки (скрытия) речевых сообщений, передаваемых абоненту по телефонной линии, и обладает высокой эффективностью подавления всех известных средств несанкционированного съема информации. Суть метода заключается в следующем: при передаче скрываемого сообщения на приемной стороне в телефонную линию при помощи специального генератора подается маскирующая помеха (цифровой или аналоговый маскирующий сигнал речевого диапазона с известным спектром). Одновременно этот же маскирующий сигнал ("чистый" шум) подается на один из входов двухканального адаптивного фильтра, на другой вход которого поступает аддитивная смесь принимаемого полезного сигнала речевого сигнала (передаваемого сообщения) и этого же помехового сигнала. Аддитивный фильтр компенсирует (подавляет) шумовую составляющую и выделяет полезный сигнал, который подается на телефонный аппарат или устройство звукозаписи. Метод "выжигания" реализуется путем подачи в линию высоковольтных (напряжением более 1500 В) импульсов, приводящих к электрическому "выжиганию" входных каскадов электронных устройств перехвата информации и блоков их питания, гальванически подключенных к телефонной линии. При использовании данного метода телефонный аппарат от линии отключается. Подача импульсов в линию осуществляется два раза. Первый (для "выжигания" параллельно подключенных устройств) – при разомкнутой телефонной линии, второй (для "выжигания" последовательно подключенных устройств) – при закороченной (как правило, в центральном распределительном щитке здания) телефонной линии. Для защиты телефонных линий используются как простые устройства, реализующие один метод защиты, так и сложные, обеспечивающие комплексную защиту линий различными методами, включая защиту от утечки информации по электроакустическому каналу. ЛЕКЦИЯ №10. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ, БИОПОЛЯ И ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ 10.1 Волновой генетический код В последние десятилетия начали постепенно выявляться некоторые кризисные явления в молекулярной биологии и биологии развития. После открытия структуры ДНК и детального рассмотрения участия этой молекулы в генетических процессах основная проблема феномена жизни - механизмы ее воспроизведения - осталась в своей сути не раскрытой. Отсюда ограниченность арсенала технических и биотехнических средств управления ростом и развитием биосистем. Наметился явный разрыв между микроструктурой генетического кода и макроструктурой биосистем. Близкие идеи мы видим и у А. А. Любищева в его работе 1925 г. “О природе наследственных факторов” . Он пишет: “Гены не являются ни живыми существами, ни кусками хромосомы, ни молекулами автокаталитических ферментов, ни радикалами, ни физической структурой, ни силой, вызываемой материальным носителем; мы должны признать ген как нематериальную субстанцию, подобную эмбриональному полю Гурвича, но потенциальную”. И далее: “... взаимодействие наследственности и хромосом подобно отношению материи и памяти по Бергсону... Гены в генотипе образуют не мозаику, а гармоническое единство, подобное хору”. Идеи русских биологов Гурвича, Любищева и Беклемишева - гигантское интеллектуальное достижение, намного опередившее свое время. Суть их мыслей в триаде: 1. Гены дуалистичны - они вещество и поле одновременно. 137 2. Полевые эквиваленты хромосом размечают пространство-время организма и тем самым управляют развитием биосистем. 3. Гены обладают эстетически-образной и речевой регуляторными функциями. Современные молекулярная биология, генетика и эмбриология, проделав большой путь развития, завершили определенный виток в понимании сущности жизни. Оно было сугубо материалистичным, точнее, вещественным. Гены в этом смысле - только вещество. И когда это вещество - ДНК - детально изучили, открыв так называемый генетический код, то оказалось, что этого явно мало. Ключевая проблема биологии - преемственность поколений, наследственность, эмбриогенез - не раскрыта, более того, в тупике, правда более высокого ранга. Ситуация сейчас напоминает положение в классической физике начала XX века, когда с открытием элементарных частиц материи вещество вроде бы исчезло, осталось нечто, которое назвали неопределенным термином "энергия". Вот и в биологии, чем точнее понимание ДНК по части повсеместно принятой центральной догмы ДНК-РНК-Белок, тем дальше мы уходим от стратегии генома в построении биосистемы. Но если физика с достоинством приняла как реальность парадоксы: “здесь и там одновременно”, “волна и частица совмещены”, “электрон резонирует со всей Вселенной”, “вакуум - ничто, но он порождает все” и т.д., то биологии только предстоит пройти сходный путь, и он будет гораздо тяжелее. В настоящее время исследования с данном направлении носят практическую направленность: − в теоретико-экспериментальном обосновании феномена свертки, транспозиции и резонансного введения супергенетической информации от биодонора к биоакцептору; при этом передаваемые эпигеносигналы могут существовать как акусто-электромагнитные солитоны в рамках явления возврата Ферми-Паста-Улама и входить в семантические знаковые ряды генетических структур, также реализующиеся в форме солитонных возбуждений; − в теоретико-экспериментальном обосновании единства фрактальной структуры человеческой речи и текстовых структур генетических молекул ДНК и РНК; это положение заложило основу для разработки начальных основ методологии введения регуляторных квазивербальных структур в виде модулированных электромагнитных солитонов непосредственно в геном растений; − в теоретико-экспериментальном обосновании возможности создания искусственных ДНКлогических устройств (биокомпьютеров) с использованием волновых (голографических и иных) принципов памяти, сравнимой по механизмам и возможностям с генетической; − в создании технических средств мягкого регуляторного вхождения в неизвестные ранее семиотические ареалы генома высших биосистем с целью лечения, создания гибридов, продления жизни людей, формирования организма человека как гармоничной и устойчивой к неблагоприятным факторам структуры. Ранее нами предложена гипотеза эпигенетической кодовой иерархии уровней организации хромосомной ДНК, рибосом и внеклеточных матриксов высших биосистем и участия их в синтезе волновых образных фрактальных построений, используемых высшими биосистемами для собственной самоорганизации [25]. Нелинейная динамика (акустика) и связанные с ней электромагнитные излучения указанных биоструктур in vivo не случайны, взаимно коррелированы, носят биознаковый (в частности, речеподобный) характер, изоморфно отображают структурнофункциональные состояния каждой из обменивающихся волновыми сигналами организменных клеточно-тканевых подсистем. В пространстве-времени организмов в эпигенетическом режиме происходит обмен информацией по физическим каналам нелинейных акустическими электромагнитных колебаний. При этом стратегической компонентой рассматриваемых волновых знаковых рядов является акустическое и электромагнитное излучение совокупного генетического материала (генома) биосистем. В настоящей время выдвинутые положения развиваются как трактовка волновых состояний (собственных физических полей) организма и попытка понимания биологического смысла явления генерации внутри и межклеточных полевых сигналов в качестве основы волновой и, вслед за этим, вещественной самоорганизации живых систем. 138 Пересмотр модели генетического кода В настоящее время создалась парадоксальная ситуация с моделью генетического кода вершиной достижений молекулярной биологии 60-х годов. Точность кодирования последовательностей аминокислот белков в этой модели странным образом уживается с двойной вырожденностью предлагаемого “кода” по линиям избытка транспортных РНК (тРНК) по сравнению с числом аминокислот и неоднозначного соответствия кодон-антикодон, когда только двум (а не трем) нуклеотидам триплетов иРНК необходимо точное спаривание c антикодоновой парой нуклеотидов тРНК, а по третьему нуклеотиду природой допускается неверное спаривание, так называемое “воблирование” (от англ. слова “wobble”- качание) по гипотезе Ф.Крика [4]. Это означает, что некоторые антикодоны могут “узнавать” более одного кодона в зависимости от того, какое основание находится в 1-м положении антикодона, соответствующем 3-му положению нуклеотида с учетом их антипараллельного комплементарного взаимодействия. “Узнавание” такого рода “неправильное”, если следовать парадигме генетического кода, поскольку возникают неканонические пары оснований “Аденин-Гуанин”, “Урацил-Цитозин” и другие с энергетически невыгодными водородными связями. “Код”, особенно митохондриальный, становится настолько вырожденным, и логически следующий отсюда произвол включения аминокислот в пептидную цепь столь велик, что как бы исчезает само понятие генетического кодирования. Процитируем высказывание из книги Альбертса, Уотсона и др. “Молекулярная биология клетки” [20] (глава с характерным названием “Геном митохондрий имеет ряд поразительных особенностей”): “...в митохондриях обычные правила спаривания кодонов с антикодонами соблюдаются менее строго, и многие молекулы тРНК способны узнавать любой из четырех нуклеотидов в третьей (неоднозначной) позиции”. Вот эта “меньшая строгость”, как будто бы несовместимая с реально существующим метаболическим контролем порядка чередования аминокислот в белках, заслуживает пристального внимания. “Меньшая строгость” не случайна, более того, она для чего-то нужна биосистемам. Точность белкового синтеза эволюционно консервативна и высока, но может ли она достигаться такого рода “тайнописью”, когда “знак” (кодон) и “обозначаемое” (аминокислота) не всегда изоморфны, не однозначны? Если придерживаться старой догмы генетического кода, логично думать, что две разные аминокислоты, шифруемые двумя одинаковыми (третий не важен) нуклеотидами кодонов иРНК, будут с равной вероятностью включаться в пептидную цепь, т.е. случайно. И таких парных неоднозначностей даже в немитохондриальном коде насчитывается шесть, если не считать еще две по стоповым кодонам (они же “нонсенс” или бессмысленные). Так что же, существует “индульгенция разрешения” частых и случайных замен аминокислот при синтезе белков? Однако, известно, что такие случайные замены в большинстве случаев имеют самые отрицательные последствия для организма (серповидная анемия, талассемии и т.д.). Налицо явное противоречие: нужна точность (однозначность) отношений “знакобозначаемое” (кодон-аминокислота), а придуманный людьми код ее не обеспечивает. Поэтому существующее и общепринятое представление о ключевых (знаковых) механизмах синтеза белков нуждается в дополнительном анализе. В связи с этим более подробно рассмотрим предложенные в 60-х годах принципы генетического кодирования. Как оценили перечисленные и очевидные странности, ведущие авторы теории и экспериментов в этой области Ф.Крик, М.Ниренберг и их последователи? Основной узел противоречий - неоднозначные соответствия (кодон-аминокислота) приведены в таблице 10.1.: Видно, что пары разных аминокислот шифруются одинаковыми значимыми дублетами кодоновых нуклеотидов (“воблирующие” мало значимые, по Крику [4], и вообще нечитаемые, по Лагерквисту [11], нуклеотиды смещены в индекс). В терминах лингвистики это явление носит название омонимия, когда одни и те же слова имеют разный смысл (например, русские слова “лук”, “коса” или английские “box”, “ring” и т.п.). С другой стороны, избыточные различающиеся кодоны, обозначающие одни и те же аминокислоты, уже давно рассматривают как синонимичные. 139 Таблица 10.1. Неоднозначные соответствия синонимо-омонимическая двумерность генетического кода Синонимичность Омонимичность В отношении омонимии генетического кода высказывания в литературе нам не известны. Таким образом, если считать дуплетно-триплетные кодоны “словами”, то сам код является, кроме прочего, двумерным, то есть омонимо-синонимичным. По этим измерениям код распадается, как это видно из таблицы, в основном, на парные семейства, избыточно, но не однозначно, шифрующие разные аминокислоты. И только в двух случаях из шести омонимичные дублеты обозначают близкие по структуре и функции аминокислоты (аспарагиновая-глутаминовая и аспарагин-лизин). Следовательно, при неоднозначном (ошибочном) выборе аминокислот высока вероятность синтеза аномальных белков, если следовать логике общепринятой модели кода. Анализ основополагающей работы Крика и Ниренберга, постулирующей понятие генетического кода. С.142 -143: “ ... до сих пор все опытные данные хорошо согласовывались с общим предположением о том, что информация считывается тройками оснований, начиная с одного конца гена. Однако, мы получили бы те же результаты, если бы информация считывалась группами в четыре или даже более оснований” или “...группами, содержащими кратное трем число оснований”. Это положение почти забыто или не понято, но именно здесь видно сомнение, обязательно ли код триплетный. С.153: “ ... одна аминокислота шифруется несколькими кодонами. Такой код называется вырожденным ... такого рода вырождение не говорит о какой-то неопределенности в построении молекулы белка ... оно лишь обозначает, что определенная аминокислота может быть направлена в соответствующее место цепи молекулы белка с помощью нескольких кодовых слов”. Авторы видят, что синонимия еще не нарушает однозначности кода. С.153 -154: Но дальше следует “...однако, все же имеется одна реальная возможность появления неопределенности при синтезе белка. Эта неопределенность могла бы возникнуть, если бы одно кодовое слово соответствовало нескольким аминокислотам. До настоящего времени был отмечен только один случай такой неопределенности. Белок, синтезируемый поли-U, состоит не только из лейцина, но и из фенилаланина, причем на каждую молекулу лейцина приходится 20-30 молекул фенилаланина. При отсутствии в растворе фенилаланина поли-U использует лейцин в количестве, равном половине обычно используемого количества фенилаланина. Молекулярное объяснение этой неопределенности неизвестно”. Это первая и четкая констатация логического несовершенства предлагаемой модели кодирования, ее противоречия фактам. Затем, сомнения еще более усиливаются. С.155: “некоторые кодовые слова почти наверняка состоят из трех оснований. Однако, 18 из 20 аминокислот могут быть закодированы словами, содержащими только два различных основания. Если же код все-таки троичный, то возможно, что в некоторых случаях правильное кодирование будет иметь место при условии, что из трех оснований считывается только два. Возможно, что такое несовершенство случается более часто в синтетических РНК-полимерах, содержащих одно или два основания, чем в естественных РНК-посредниках, которые всегда со- 140 стоят из смеси всех четырех оснований. Поэтому результаты, полученные с помощью искусственных РНК, свидетельствуют лишь о кодовых возможностях клетки...” Явно просматривается неуверенность, что код только триплетный, он может быть и дуплетным, и тетраплетным и даже гетеромуль-типлетным. Нам же представляется, в развитии этих сомнений, что кодовые возможности клетки, хромосом, ДНК не исчерпываются знаковыми тройками нуклеотидов. Как речеподобные структуры, нуклеиновые кислоты в составе хроматина способны к образованию in vivo метаязыков методом фрактализации, и поэтому кодирование белкового континуума может проходить через крупные блоки, шифрующие не только порядок включения отдельных аминокислот в пептид, но и последовательность создания белковых доменов, субъединиц и даже структурно-функциональных ансамблей ферментов, например, дыхательной цепи. Фрактальность в данном случае может пониматься и так: ДНК, РНК и белки - это разноязыкие тексты и то, что было в одном масштабе “фразой” или “предложением” в другом, более крупном, будет “словом”. Если еще укрупнять - “слово” превращается в “букву”. При более общем подходе можно рассматривать такие разномасштабные смысловые построения как знаки (иероглифы), являющиеся субстратом своего рода “информационного метаболизма” клеток. Такой путь образования метаязыков свойствен математике. У нас нет оснований думать, что геном не пользуется этим “математическим приемом” в полной мере, строя все новые усложняющиеся семиотико-семантические ареалы с их постоянными переобозначениями на разных уровнях организации биосистемы в процессе ее развития. При этом роль основной массы синтезирующихся в организме белков заключается в реализации метаболических конструкций, неявно закодированных в ДНК и имеющих квази-вербальную составляющую. Биосистему можно рассматривать как совокупность таких конструкций. Уменьшая масштаб рассмотрения человека как самоорганизующейся системы и учитывая фрактальность (переходящую иногда в голографичность) его хромосомного континуума, можно считать, что обратное отображение человека в его собственный геном, как и отображения любого организма в его хромосомы, носит изоморфный текстово-образный характер [25,29]. Вернемся вновь к общепринятым поначалу основным положениям генетического кода: он является триплетным, неперекрывающимся, вырожденным, не имеет “запятых”, т.е. кодоны ничем не отделены друг от друга. И, наконец, он универсален. Что осталось от этих положений? Фактически ничего. В самом деле, код, видимо, является двух-, трех-, четырех-, ... nбуквенным как фрактальное и гетеромультиплетное образование. Он перекрывающийся. Он имеет запятые, поскольку гетерокодоны могут быть отделены друг от друга последовательностями с иными функциями, в том числе с функциями пунктуации. Код не универсален - в митохондриях он приобретает специфические черты. Как понимать генетический код с учетом приведенных противоречий и предлагаемой нами логики рассуждений? Для снятия этих противоречий можно постулировать качественную, упрощенную, первичную версию вещественно-волнового контроля за порядком выстраивания аминокислот в ассоциате аминоацилированных тРНК как предшественнике белка. С этой позиции легче понять работу генетического, а точнее белкового, кода как одной из множества иерархических программ вещественно-волновой самоорганизации биосистемы. В этом смысле такой код - первый этап хромосомных планов построения биосистемы, поскольку язык генома многомерен, плюралистичен и не исчерпывается задачей синтеза протеинов. Основные положения предлагаемой ориентировочной модели вещественно-волновых знаковых процессов при биосинтезе белков сводятся к следующему: 1. Многокомпонентный рибонуклеопротеидный белоксинтезирующий аппарат является системой генерации высокоорганизованных знаковых семиотико-семантических излучений акустико-электромагнитных полей, стратегически регулирующих его самоорганизацию и порядок включения аминокислот в полипептидную цепь. 2. Аминоацилированные пулы тРНК ассоциируют в последовательности - предшественники синтезируемых белков до контакта с А-P участком рибосомы. При этом континуум антикодонов пула комплементарен всей иРНК, за исключением дислокаций, определяемых наличием неканонических нуклеотидных пар. 141 3. Порядок чередования аминоацилированных тРНК в ассоциатах-предшественниках белков определяется знаковыми коллективными резонансами всех участников синтеза аминокислотных последовательностей. Ключевые волновые матрицы здесь пре-иРНК, а также иРНК, работающие как целостный континуум разномасштабных по длине гетерополикодонов, включая интронную фракцию пре-иРНК как возможных макроконтекстов. Главная функция волновых матриц - ассоциативно-контекстная ориентация последовательности аминоацилированных тРНК, ориентация, в большей степени, чем воблгипотеза, игнорирующая правила канонических спариваний нуклеотидов в пространстве иРНК-тРНК. 4. На рибосоме, в дополнение и (или) наряду с резонансными регуляциями взаимного расположения кодон-антикодоновых континуумов функционируют лазероподобные излучения участников данного процесса, корригирующие порядок включения аминокислотных остатков в пептид. 5. Рибосома энзиматически ковалентно фиксирует “де-юрэ” пептидные связи аминокислотных последовательностей, намеченные “де-факто” в полиаминокислотном-поли-тРНКассоциате, как предшественнике белка. 6. Резонансно-волновая “цензура” порядка включения аминокислот в пептидную цепь устраняет потенциальный семантический произвол создания ошибочных белковых “предложений”, следующий из омонимии семейств кодонов, и обеспечивает их “аминокислотное осмысление” за счет контекстного снятия омонимии неоднозначных одинаковых дублетов в кодонах. Тот же механизм работает при неоднозначностях более высокого порядка, когда число кодонов (n+1). 7. Вырожденность генетического кода необходима для пре-иРНК-иРНК-зависимого контекстно-ориентированного точного подбора ацили-рованных тРНК, определяемого характером волновых ассоциативных резонансных взаимодействий в белок-синтезирующем аппарате. 8. Один из механизмов процесса создания безошибочных последовательностей аминоацилированных тРНК на волновых матрицах пре-иРНК- иРНК можно рассматривать как частный случай частично комплементарной реассоциации однотяжных ДНК-ДНК и РНК-ДНК или, в более общем случае, как акт самосборки, известный для рибосом, хромосом, мембран и других молекулярно-надмолекулярных клеточных структур. Таким образом, роль иРНК дуалистична. Эта молекула, как и ДНК, в эволюции знаменует собой узловое событие - взаимодополняющее синергичное расслоение вещественной и волновой геноинформации. Неоднозначность вещественного кодирования снимается прецезионностью волнового, которое реализуется, вероятно, по механизмам коллективных резонансов и лазерно-голографических (ассоциативных, контекстных) эффектов в клеточно-тканевом континууме [25,26,29]. Мега-контекстом здесь выступает словесно-волновое Божественное Начало. Скачок к более развитому волновому регулированию трансляции РНК⇒Белок сопровождается частичным или полным отказом от правила канонического спаривания аденина с урацилом (тимином) и гуанина с цитозином, свойственного эволюционно ранее отобранным этапам репликации ДНК и транскрипции РНК. Такой отказ энергетически невыгоден в микромасштабе, однако информационно необходим, неизбежен и энергетически предпочтителен на уровне целостного организма. Особо подчеркнем, что контекстные ассоциативно-голографические механизмы работы белок-синтезирующей системы организмов теснейшим образом связаны с так называемым "Фоновым Принципом", который оказался универсальным и явился предметом крупного открытия [50]. С этой позиции макроконтексты пре-информационных и контексты информационных РНК можно рассматривать как фон, который обеспечивает резкое усиление сигнала, то есть выбора именно данной из двух омонимичных аминоацилированных тРНК, которая должна войти в белковую “фразу” или “слово”. Этот выбор возможен только после выделения когерентной составляющей в форме повторов одних и тех же осмыслений дублетов-омонимов в кодонах. Эту ситуацию можно пояснить на простом примере. Скажем, в предложении надо выбрать одно из двух слов (аналогов кодонов с дублетами-омонимами). Эти слова - “суд” и “сук”. Ясно, что выбор зависит от целого предложения, от контекста, который выступает как фон, по142 зволяющий выделить сигнал - нужное слово. Если предложение звучит “я увидел толстый сук на дереве”, то замена здесь слова “сук” на “суд” будет равносильна введению шума и потере сигнала. Вероятно, аналогична роль пре-информационных РНК и интронов - это различные уровни контекстов, которые должны быть каким-то образом “прочитаны” и “осмыслены” живой клеткой. “Субъектом чтения” может выступать многоликое семейство солитонов - оптических, акустических, конформационных, вращательно-колебательных и иных. Функции таких солитонов могут выступать как способы регуляции кодон-антикодоновых знаковых взаимодействий. В качестве одного из способов можно представить солитонный механизм крутильных колебаний нуклеотидов на сахаро-фосфатной оси иРНК, рассмотренный нами для однотяжных РНК-подобных участков ДНК [24]. Этот механизм “запоминает” последовательность нуклеотидов и может, вероятно, передавать информацию об этом дистантно, т.е. на расстояниях, существенно превышающих длину водородных связей. Без дальней (волновой) миграции сигнала о пре-иРНК-иРНК-последовательностях невозможна реализация ассоциативно-контекстных регуляций синтеза белков. Можно высказать предположение, что нарастающее увеличение людских так называемых внезапных смертей посреди видимого здоровья, приуроченных к зонам высоких уровней “электромагнитного СВЧ-смога”, зависит от нарушений тонкой волновой регуляции белкового синтеза. При этом могут образовываться аномальные белки “электромагнитного шока”, в том числе и ферментные системы синтеза эндерпинов (эндогенных производных резерпина), которые могут являться аномальными ко-факторами оксидоредуктаз, быстро блокирующими процессы внутриклеточной наработки энергии и, как следствие, летальный исход. Расширение модели волнового генетического кодирования Заметим, что зачатки этих идей и экспериментов возникли не на пустом месте (подробно об этом в [25]). Первыми были, как упоминалось, Гурвич, Любищев и Беклемишев (20-е - 40-е годы), затем, через несколько десятилетий, в Новосибирске А.Н.Мосолов (1980г.), а затем группа ученых из Института общей физики АН (1984г.) с помощью световой и лазерной микроскопии обнаружили в клеточных ядрах (хромосомах) нейронов некие вибрирующие (звучащие) сферические образования. А.Н.Мосоловым было высказано предположение, что они являются источниками информационно-силовых генетических, а точнее, эмбриональных полей в духе идей А.Г.Гурвича, но с существенной поправкой: во-первых, это не фотонные поля, во-вторых, обнаруженные звуковые излучения, по Мосолову, имеют голографическое происхождение. Это была первая четко сформулированная гипотеза знако-несущих (образных) волновых голографических структур генома высших биосистем. Эту гипотезу мы развили на основании собственных исследований. Мы шли несколько иным путем, пытаясь на первых этапах доказать правильность физикоматематической модели Инглендера, предложенной им в 1980г., об особых волновых состояниях ДНК-солитонах. Затем теоретических моделей солитонов появилось множество, но никто до 1991г. солитонов на ДНК экспериментально не обнаружил. В 1985г. методом спектроскопии корреляции фотонов нам удалось зафиксировать необычные аномально долго затухающие колебания (звук) ДНК in vitro с меняющимся спектральным составом, особым образом распределенным во времени. Это наблюдение было настолько необычно, что было принято за экспериментальную ошибку и поэтому забыто на 6 лет до тех пор, когда мы вновь повторили эту работу. Было обнаружено, что ДНК обладает способностью как бы в автоматическом режиме (квази-спонтанно) синтезировать “незамолкающую сложную мелодию с повторяющимися музыкальными фразами” [8,25,29]. Такие повторы по ряду признаков походили на солитонный процесс в форме явления так называемого возврата Ферми-Паста-Улама (ФПУ), а сами колебания ДНК сродни тем, что наблюдали Мосолов и др. Коротко о возврате ФПУ. Если в цепочке осцилляторов (маятников), соединенных пружинками с нелинейными связями, возбудить один из них, то возникнет необычное колебание с повторениями (возвратами) энергии первоначального возбуждения. Это своего рода “память” всех нелинейных систем, свойственная и молекулам ДНК, что продемонстрировано на уровне теоретической модели А.А.Березиным. Но в ДНК такая память, как показали наши исследова143 ния, приобретает особое значение. Она может нести семиотическую нагрузку и выступать в форме своего рода “волновых генов” – солитонов с внутренней колебательной структурой, сходной, вероятно, с голограммами [25]. Однако, для избирательного “чтения” in vivo генетических голограмм на уровне солитонов и в пределах жидкокристаллического хромосомного континуума биосистемы необходимо лазерное поле хромосомного аппарата. Долгие годы его пытались найти и воспроизвести вне живой клетки. В принципе, это удалось. Получено лазерное излучение на препаратах ДНК и хромосом методом двухфотонно-возбуждаемой люминесценции [14]. Экспериментальное подтверждение существования волновых геномов Реальные и достоверные эксперименты в области волновой генетики первым начал проводить Дзян Каньджэн. Итоговые работы его известны. Прибор Дзян Каньджэна, дистантно (десятки сантиметров) передающий “волновые гены” от донора к реципиенту, использует собственные излучения биосистем-доноров, причем, как считает автор, только в СВЧ-дипазоне электромагнитных полей. Авторское теоретическое обоснование эффектов, полученных с помощью этой аппаратуры, нуждается в существенной доработке. Однако, экспериментальные данные убедительны. Это “волновые гибриды” пшеницы и кукурузы, земляного ореха и подсолнуха, огурца и дыни, утки и курицы, козы и кролика. Полученные гибридами признаки передаются по наследству. Блестящий эмпирик Дзян Каньджэн не объясняет тонкие механизмы открытых им эффектов, но это нисколько не умаляет значимость результатов, суть которых в доказательстве реальности волновых генов. Теоретические модели волновых геномов Возникла настоятельная необходимость в теоретическом развитии идеи волнового генома, в физико-математическом и теоретико-биоло-гическом осмыслении работы хромосом и ДНК в полевом и вещественном аспектах. Суть идей Гаряева - Березина - Васильева “ГБВ-модель” [25,19,30,33,53] состоит в том, что геном высших оранизмов рассматривается как солитонный биоголографический компьютер, формирующий пространственно-временную структуру развивающихся эмбрионов по каскадам реестров волновых образов-предшественников. При этом в качестве носителей полевых генов выступает континуум волновых фронтов, задаваемый мультиплексными геноголограммами, образуемыми гелевым жидкокристаллическим хромосомным континуумом. Акт “считывания” информации осуществляют сами же хромосомы, генерирующие лазерные свет и звук в широких диапазонах. Близкую роль играют также и солитоны на ДНК - особый вид акустических и электромагнитных полей, продуцируемых генетическим аппаратом самого организма и способных к посредническим функциям по обмену стратегической регуляторной информацией между клетками, тканями и органами биосистемы. Важно также и то, что квази-голографические решетки, в том числе входящие в состав колебательных структур солитонов, являются лишь частным простейшим случаем кодово-образной информации, зафиксированной в хромосомном континууме организма. Мультиплетнокодовая ДНК, где аминокислотный код - только малая часть, и “эгоистическая ДНК” хромосом анализируются в рамках ГБВ-модели как потенциальный стратегический информационный вектор всех клеток и тканей организма, включая кору головного мозга. Геном работает не только на вещественном, но и на волновом, на “идеальном” (тонкоматериальном) уровне. Эта идеальная компонента, которую можно назвать супергено-континуумом, и является главной знаковой фигурой генома, обеспечивающей развитие и жизнь человека, животных, растений, а также их программируемое естественное умирание. Вместе с тем важно понять, что нет резкой и непреодолимой границы между волновыми и материальными уровнями хромосом. Оба они образуются вещественными матрицами, но гены дают материальные реплики в виде РНК и белков, а супергены преобразуют падающие на них эндо- и экзогенные физические поля, формируя из них пространственновременные разметочные волновые структуры. Более того, гены могут быть составной частью голографических решеток супергенов и регулировать их полевую активность. И наконец, супергены могут формироваться как ДНК-РНК-нуклеопротеид-лазерное поле, промодулированное их текстами. 144 Расшифровка механизмов быстрой и безинерционной передачи больших массивов волновой информации в организме позволяет по иному взглянуть на проблемы онкологии. Действительно, трудно иначе объяснить известные эксперименты по индукции опухолей имплантированными в ткань шлифованными (отражающими волны) инородными материалами. Шероховатые инородные предметы вызывают опухоли в 12% случаев по сравнению с 49% зеркальных того же состава. В этом случае переродившиеся клетки, дающие клоны опухолевых, возникают в соединительно-тканной капсуле, окружающей инородное тело, или редко за пределами капсулы, но они никогда не обнаруживаются в монослое клеток, лежащих непосредственно на инородном теле. Для естественных эндогенных электромагнитных и акустических полей организма, отражающие их инородные тела являются шумовыми помехами в передаче волновой информации по голографическим и солитонным механизмам. Исходя из вышесказанного, кодирующую иерархию хромосомного аппарата эукариот можно представить следующим образом. Вещество: хромосомная ДНК как кодирующая структура, в которой триплетный генетический код выполняет первичные простейшие гено-знаковые функции синтеза иРНК и белков (1-й уровень). Хромосомная ДНК, включающая спейсерные и интронные зоны как многомерная структура знаковых фрактальных топологических форм жидкого крис-талла, частным случаем которых выступают голографические решетки полиядерного когерентного континуума генома (2-й уровень). Квази-“речевые” фракталы полинуклеотидных ДНК-РНК-последовательностей, более длинных чем триплеты кодонов и белковых генов и кодирующих на “словесно”-образном уровне (3-й, 4-й... n-й уровни). Поле: отчужденные от генома в форме волновых знаковых построений “идеальные” или “смысловые” (образные) ряды, субъектом генерации и “понимания” которых выступает геном как солитонноголо-графический биокомпьютер с квази-”речевыми” атрибутами, и соответственно, квазисознанием. Назначение волновых и “речевых” команд заключается в логической квази-сознательной разметке потенциальной биосистемы, т. е. в синтезе ее полевого относительно устойчивого и вместе с тем динамичного “автопортрета” - волновой физической матрицы для правильного распределения вещества организма в его собственном пространствевремени. В этом плане логично рассмотреть: а) информационные отношения между системой внеклеточных матриксов, цитоскелетом, белок-синтезирующим аппаратом и хромосомами с новых позиций, учитывающих собственные экспериментальные данные об изоморфных волновых состояниях этих биоструктур; б) вклад эндогенных физических полей в биоморфогенез; в) роль эндогенных физических полей в эмбриогенезе биосистем с точки зрения солитоники и голографии; высказана идея изоморфно-гомоморфных отображений на уровне полевых функций генома с его способностью к солитонным возбуждениям и транспорту их по “водному” клеточно-межклеточному континууму. В рамках проведенных математических экспериментов обнару-жилась способность компьютерных математических моделей солитонов Инглендера-Салерно-Маслова на ДНК запоминать последовательности нуклеотидов, отображая их в динамике собственного поведения во времени. При этом обозначилась и очевидная обратная задача - если солитоны осуществляют “запоминание” структур ДНК в своих амплитудно-траекторных модуляциях, то естественно считать практически возможной генерацию этой информации за пределы ДНК, что коррелирует с нашими экспериментами и теорией по дистантной передаче волновых морфогенетических сигналов [25]. 10.2 Физические поля В большинстве случаев новые типы физических полей, отличные от описываемых современной физикой, пытаются ввести преимущественно для объяснения существования феномена жизни и разума. Существует даже мнение, правда, ничем пока серьезно не подтверждаемое (более того, противоречащее основным имеющимся фактам), что нельзя описать процессы, происходящие в живых организмах, с позиций уже известных физикам, обнаруженных полей. По- 145 этому для объяснения существования феномена жизни и разума требуется наличие других полей, более «тонких», пока не известных физике. Им даже присваивают названия. Одним из таких наиболее известных считается, например, микра-лептонное поле. В последние годы для этих же целей стали достаточно часто использовать понятие торсионного, или спинового поля (поле кручения вращения) в трактовке, существенно отличающейся от той, которая была дана при введении этого типа поля. Впервые слово «торсионный» (от английского torsion — вращать) было использовано французским математиком Эли Картаном. В опубликованной в докладах Французской академии наук в 1913 г. работе он опираясь на имеющий место в действительности факт, что вращательное движение в окружающем нас Мире является едва ли не самым распространенным, определенно сказал: «В Природе должны существовать поля, порождаемые вращением». Идею существования торсионного поля развил японский физик Утияма. «каждому независимому параметру элементарной частицы должно соответствовать свое поле: массе - гравитационное, электрическому заряду - электромагнитное, барионному заряду - сильное, спину спиновое, или торсионное и т.д.» Сторонники существования торсионного поля считают, что именно торсионные поля составляют основу того, что в физике называют материальным вакуумом. Ведь именно материальный вакуум, согласно современным физическим представлениям, ответственен за столь своеобразные механизмы рождения и превращения элементарных частиц. Именно торсионные поля, считают они, позволяют природе формировать элементарные частицы, имеющие только спин, при отсутствии других независимых физических характеристик (массы покоя, электрического заряда и пр.), например, нейтрино. Иногда, не совсем обоснованно, именно этой частице (нейтрино) отводится роль кванта торсионного поля. Если считать, что торсионные поля все-таки существуют, векторные бозоны W4", W~ и Z следует рассматривать как вторичное проявление торсионных взаимодействий между элементами вакуума, по аналогии с пи-мезонами, являющимися вторичными по отношению к глюонному полю. Рисунок 10.1. Предлагаемое место торсионных полей в физической картине Мира (семь субстанций) Очевидно, что идея торсионного поля представляет собой достаточно оригинальный вариант попытки свести все наблюдаемые в природе взаимодействия к одному виду. Она фактически является достаточно упрощенным толкованием того, что в современной физике называют полем Хиггса. Из основных свойств, которые приписываются торсионным полям с учетом предпринимаемых рядом авторов попыток использовать идею торсионных полей для объяснения существования феномена жизни и разума, отметим следующие. — Торсионные поля возникают вокруг любого вращающегося макроскопического тела в 146 виде микровихрей пространства (материального, или физического вакуума). — Вокруг любого материального объекта создается упорядоченная структура торсионных полей пространства за счет наличия спина у всех частиц, из которых состоит материя (электроны, а также протоны и нейтроны ядер атомов). — В результате воздействия торсионного поля на объект у последнего изменяется только его спиновое состояние, т.к. торсионные поля порождаются классическим спином. — Торсионные поля обладают памятью. Любой источник торсионного поля поляризует вакуум. При этом спины элементов физического вакуум, ориентируются по торсионному полю этого источника, повторяя его структуру и сохраняя ее достаточно долго во времени даже после исчезновения источника. Невидимая невооруженным глазом спиновая пространственна* структура имеет в обиходе название «фангом». — Фантомы образуются под воздействием как живых, так и неживых o6ъектов и могут в определенных пределах влиять на свойства или поведение других объектов, оказавшихся в этой же области пространства. Таким образом, фантом так же «материален», как и любое физическое поле. Наличие эффекта торсионной памяти позволяет записывать информацию об объекте, например, посетителе, на любое другое подходящее по энергетическим возможностям вещество (например, вода, воск, парафин, сахар и пр.) и затем считывать ее, спустя некоторое время (считают, например, что именно так это делала ясновидящая Ванга). — На уровне торсионных полей нет направленности временных процессов. Излучение энергии (информации) происходит как в прошлое, так в будущее. Возможно вследствие этого скорость распространена торсионного поля может существенно превышать скорость света (по оценкам, не менее чем в 109 раз). Сегодня вряд ли мы можем гарантировать с абсолютной достоверностью, существуют или не существуют поле Хиггса или торсионно; поле. Однако, скорее всего, следует ожидать, что торсионное поле; том виде, в котором сегодня оно используется, может, постигнут участь эфира, введенного для объяснения электромагнитного взаимодействия тел во Вселенной. Поле электроакустических волн Этот тип волн впервые был обнаружен в водной среде при возбуждении в ней низкочастотных электромагнитных колебаний. Считается, что их основные свойства определяются спецификой взаимодействия между молекулами воды. Эти волны принципиально отличаются как от акустических, так и от чисто электромагнитных, распространяющихся в воде. Поскольку живые организмы включают достаточно большое количество воды, вода должна играть существенную роль при рассмотрении взаимодействий физических полей с живой материей. При образовании молекулы воды происходит перераспределение электронов между атомами водорода и кислорода. Так как эти атомы соединены ковалентной связью, то возникает вытянутая объединенная электронная орбиталь, в которую атом водорода передает свой единственный электрон, а атом кислорода — один из своих внешних электронов (рис. 10.2). Таких объединенных орбиталей в молекуле воды две, по числу входящих в нее атомов водорода. Остающиеся четыре внешних электрона Кислорода попарно образуют еще две вытянутые орбитали. В результате Молекула воды представляет собой практически тетраэдр, в центре Которого находится атом кислорода, а по направлению к углам вытянуты четыре внешних орбитали, на каждой из которых находится по Два электрона. На концах двух из этих орбиталей размещены ядра атомов водорода (протоны). 147 Ковалентная связь в молекуле воды является полярной. В результате плотность электронного облака в объединенных орбитах сильно смещена в сторону атома кислорода, и протоны практически оголены. В этих двух углах тетраэдра сосредоточены положительные заряды (протоны), а в двух других углах — отрицательные заряды (не поделенные электронные пары (1,2), принадлежащие только атому кислорода). Расположенные в углах тетраэдра положительные и отрицательные заряды пространственно не скомпенсированы, и это приводит к тому, что молекула воды электрически поляризована. В результате между молекулами воды появляется дополнительная электрическая связь, стремящаяся достаточно специфически упорядочить молекулы воды. Впервые найти ответы на вопросы, связанные с особенностями структуры воды, удалось в 1933 г. Д. Берналу и Р. Фаулеру. Они поняли, что секрет этих загадочных межмолекулярных связей кроется в необычное строении самой молекулы Н2О. Каждый атом водорода в молекуле воды представляет собой, по существу, почти оголенный протон и поэтому споРисунок 10.2. Молекула воды собен электростатически притягивать к себе отрицательно заН2О. ряженный атом кислорода соседней молекулы воды. Именно в этом заключается механизм межмолекулярного сцепления, обнаруженный в кристаллах льда. На базе представлений Бернала и Фаулера были разработаны современные модели строения воды, хорошо объясняющие ее аномальные свойства. Согласно одной из наиболее известных, в реальной воде существуют два типа структур: одиночные молекулы Н2О (мономеры) и крупные скопления молекул, имеющие структуру, близкую к кристаллической структуре льда (ассоциаты). Таяние льда рассматривается как разрыв части водородных связей, при этом из кристаллической решетки удаляются отдельные молекулы, в дальнейшем составляющие мономерную часть воды, а сам кристалл распадается на множество небольших фрагментов (кластеров). В рамках «двухструктурной» модели становится понятной более высокая, по сравнению со льдом, плотность воды - часть мономерных молекул заполняет многочисленные пустоты в кристаллической решетке «ассоциатов». Эта модель хорошо объясняет и другие аномалии воды. В определенных ситуациях молекулы воды могут «выстраиваться» в длинные цепочки, напоминающие белковые структуры. Именно эти молекулы могли стать «затравкой» при формировании высокомолекулярных соединений на базе углерода. Возможно, именно поэтому жизнь вышла из воды. Наличие дипольного момента у молекул воды и специфика их электрического взаимодействия между собой приводят к тому, что низкочастотная электромагнитная волна, попадая в воду, вынуждает под действием электрических сил колебаться молекулы воды, и соответственно, может возбуждать в ней специфические волны, называемые в литературе электроакустическими. Эти волны принципиально отличаются как от акустических, так и от чисто электромагнитных, распространяющихся в воде. Так, электроакустическая волна распространяется со скоростью 2000—5000 м/с, т.е. большей, чем скорость акустических волн в воде (около 1500 м/с), но существенно меньшей, чем скорость распространения в воде электромагнитных волн (около 230 000 км/с), и имеет коэффициент затухания в воде меньший, чем электромагнитная. Поле объемно зарядовых электроакустических волн Эти волны возникают, когда в среде имеются свободные заряды. В качестве таких сред, в принципе, могут выступать полупроводниковые системы. В живых системах такая ситуация реализуется, например, в потоке крови, которая переносит ионы, ответственные за ионный обмен в организме. Если часть заряда в некоторой области по каким-либо причинам исчезает (компенсируется, или поглощается веществом клетки в биологических системах), попытки восстановить равновесное зарядовое состояние приводят к возникновению волны изменяющейся плотности за148 ряда, распространяющейся с определенной скоростью в материальной среде, например, внутри кровеносного сосуда. Характерно, что вектор Е напряженности электрического поля в такой волне изменяется в продольном направлении, в отличие от классической электромагнитной волны, в которой векторы Е и В всегда перпендикулярны направлению распространения волны. Одним из первых экспериментальных фактов, подтверждающих; наличие подобных волн, явилось наблюдение волн Белоусова-Жаботинского на примере химической реакции с катализатором. Впоследствии волны такого типа были обнаружены в различны ситуациях. Сегодня они считаются ответственными за многие процессы, происходящие как в космическом пространстве (так называемый автоволновой характер самоорганизации звездных систем), так и в биологических объектах. Наличие таких колебаний, по мнению С. Шноля, почти эквиваленте признанию факта существования вечного двигателя. Этого и в самом деле не может быть вблизи состояния равновесия. Именно такое состояние обычно ранее и рассматривала термодинамика. Однако никаких ограничений на сложные, в том числе колебательные, режимы нет для неравновесных систем, например, химических, когда реакции еще не завершились v концентрации реагентов не достигли равновесного уровня. Но это обстоятельство долгое время ускользало от внимания химиков. Поле автоволн и активные среды Многие динамические системы, независимо от того, являются ли они физическими, химическими или биологическими, могут быть описаны в традиционных терминах «реакция— диффузия». Если в какой-то области пространства протекает некий процесс («реакция») со своим характерным временем, то между соседними областями происходит перенос (диффузия) исходных компонентов или продуктов процесса. Если характерное время основного процесса значительно больше времени массопереноса, то мы имеем дело с сосредоточенной, или точечной системой. Процессы в такой системе обычно синхронны (синфазны). Если же времена массопереноса сопоставимы с характерными временами самих процессов или превышают их, система становится распределенной. Таким системам свойственно образование регулярных, согласованных в пространстве и времени структур или хаотическое чередование процессов в различных точках. Распределенные системы являются пассивной средой, когда перенос массы или какоголибо возмущения, например, распространение волны осуществляется из определенной точки (точек) и оттуда же питается энергией. Способность к более высокому уровню самоорганизации распределенные системы приобретают, когда они становятся активной системой (средой). Активная система — это всегда протяженная в пространстве, распределенная сложная система, в которой существует распределенный источник энергии. Важнейшей особенностью активной среды является ее способность подпитывать энергией идущие в системе процессы в каждой точке пространства. После завершения процесса в каждой малой области системы начинается процесс самовосстановления, а именно, локальное накопление энергии, способной обеспечить следующую фазу процесса. Известно много активных систем разной природы — физической, химической, биологической, в которых процессы развиваются подобным образом, не затухая. Так распространяется фронт горения высохшей травы в степи, волна кристаллизации в переохлажденной жидкости, волна излучения в лазере, нервный импульс. Распространяющиеся таким способом волны называются автоволнами. В однородной среде фронт волны движется с постоянной скоростью и его форма не изменяется. Распространяясь, автоволны не изменяют своей амплитуды, как это бывает с волнами в пассивной среде, где они затухают (как, например, звуки в воздухе). Автоволны не проходят сквозь друг друга, а аннигилируют при столкновении. 149 Отметим, что не во всех случаях автоволновая система формируется взаимодействующими точечными осцилляторами. Пример такой системы - развевающийся на древке флаг, который при обдувании его ветром становится распределенной автоколебательной системой, хотя никаких осцилляторов в нем нет. Есть поток энергии ветра (ветровой энергии) и специальные граничные условия — закрепленный и свободные края флага. Не во всех случаях явно выраженная автоволновая самоорганизация является благом для биологической системы. По установленным данным, появление строго регулярных колебательных процессов типа автоволновых предшествует многим патологиям. Например, при эпилептическом припадке в головном мозге возникают регулярные волны электрического возбуждения. Существуют и менее известные двухавтоволновые процессы (одновременное возникновение автоволн разной природы), которые свойственны многокомпонентным активным средам. Отметим некоторые из них. Свертывание крови. Несколько лет назад была высказана автоволновая гипотеза свертывания крови. Согласно этой гипотезе, впоследствии, подтвержденной экспериментально, рост тромба обеспечивается распространением в крови концентрационной автоволны тромбина. При этом в зоне за движущимся фронтом этой волны создаются условия для рождения еще одной автоволны - волны торможения свертывания. Последняя, двигаясь с большей, чем первая, скоростью, на некотором расстоянии от: места повреждения сосуда настигает тромбиновую волну, останавливая дальнейшее свертывание крови. Был обнаружен также один весьма необычный для данной системы феномен - образование слоистых, или кольцевых структур. В ходе нормального роста тромба его остановка, согласно гипотезе, происходит тогда, когда волна ингибитора тромбина нагоняет волну самого тромбина. Ингибитор и тромбин перестают генерироваться, но продолжают диффузионно распространяться с сильным снижением своих концентраций. При этом вокруг тромба возникает зона с повышенной концентрацией ингибитора - «зона торможения», В нормальных условиях благодаря этой зоне концентрация тромбина надежно удерживается в допороговой области. 10.3. Биополе Мы уже отмечали, что в силу объективных причин вокруг человека существуют различные физические поля, сопровождающие процессы, протекающие в его организме, и определили понятие биополя: Биополе - совокупность физических полей, порождаемых процессами обеспечения жизнедеятельности объектов живой природы (биообъектов). Практически любые процессы в организме сопровождаются возникновением биопотенциалов. По величине и спектру биопотенциалов можно судить о процессах, в том числе, патологических, в организме. Наличие разности потенциалов на мембранах клеток является важнейшим свойством живых систем. Ее исчезновение означает смерть клетки. Вместе с тем оказывается, что, как и в случае структуры атома или молекулы, для функционирующего организма возникает дискретный набор возможных энергетических состояний на уровне его биологических «квантов» — структур ДНК и клеток. Это приводит к заметно выраженной упорядоченности зарядов мембран. Считается также весьма вероятным (хотя и до сих пор не доказанным), что за счет достаточно большой (по сравнению с атомами) дискретности энергетических уровней в живых системах реализуется эффект сверхпроводимости уже при температурах, отвечающих нормально функционирующему телу (для человека - порядка 36 °С), т.е. наблюдается своеобразный эффект сверхвысокотемпературной сверхпроводимости. Есть основания полагать, что находящиеся в этом состоянии электроны в организме могут двигаться со скоростями, превышающими скорость света в воде. Последнее может явиться одной из причин флуоресценции биологических объектов. 150 Различные процессы жизнеобеспечения организма, в том числе химические, в ходе индуцированного транспорта веществ способны вызывать значительные колебания поля, что приводит к излучению в окружающее пространство электромагнитных волн различной частоты. Электромагнитное взаимодействие между материальными составляющими живой ткани должно в свою очередь приводить к возникновению в них механических (акустических) колебаний и, соответственно, излучению в окружающую материальную среду акустических волн. Возможно также, что при реализации механизмов ионного обмена важнейшую роль играют продольные электромагнитные волны. Фактически все жизненные процессы в организме дублируются на полевом уровне за счет генерирования физических полей, прежде всего, в виде электромагнитного и акустического излучений, со специфическими для каждого процесса параметрами (частоты, мощности). Спектральный состав излучения биополя человека изучен недостаточно полно, что связано прежде всего с низкими уровнями излучения при достаточной его широкополосное. Полагают, что спектр излучения биообъектов (и человека, в частности) простирается от долей герца до частот порядка 1012 Гц. Если исключить из спектра излучения биообъектов тепловое излучение, т.е. ту часть энергии, которая прямо не связана с жизнеобеспечением, а определяется только наличием у биообъекта температуры, отличной от 0 К, то из относительно надежно установленных диапазонов излучения можно выделить следующие. Спектр биопотенциалов тканей организма. Считается, что он простирается до 500 Гц, а электромагнитное излучение, обусловленное ;этими же механизмами — до 15 кГц. Более высокие частоты соответствуют, как правило, резонансам белковых молекул, а также порождаются специфическим перемещением электрически заряженных частиц. Ультрафиолетовое излучение — со времен работ Гуревича связывают с регуляцией клеточного деления. Частоты ниже 1 ГЦ - преимущественно ответственны за колебания мембран клеток при транспорте ионов через них. Иногда в литературе употребляется также термин «дыхание» клеток. Чтобы дать представление о частотном диапазоне этих колебаний, на рис. 10.3 приведен в качестве примера спектр колебаний мембраны живой («дышащей») и умерщвленной липосомы. Важную роль здесь играют, как отмечалось в разд. 1, кластерные образования молекул воды, пустоты в которых могут вмещать достаточно большие ионы калия, йода, кальция и других необходимых для обеспечения жизнедеятельности организма элементов, а достаточно мощные электрические поля — управлять их потоками. Рисунок 10.3. Профиль клетки липосомы (слева вверху), квадратичные смещения ее элементов (слева внизу) и спектр колебаний мембран живой (1) и умерщвленной (2) липосомы (по Тычинскому, МИРЭА) Нарушение структур таких кластерных образований воды ведет к нарушению ионного обмена в организме и возникновению соответствующих заболеваний. 151 Упорядоченное низкочастотное открытие ионных каналов — приводит за счет эффекта синхронизации к усилению энергии проходящих через них зарядов примерно с 0,2 до 5000 эВ2, и последующему переизлучению энергии на частотах порядка 1012 Гц (длина волны в воздухе около 1 мкм). В этой частотной области в воде есть окна прозрачности, что позволяет регистрировать это излучение вне организма. Считается, что наибольшей интенсивностью излучения в этом частотном диапазоне обладает зрачок глаза. Обласгь спектра в районе 8... 11 ГЦ – важная область так называемого альфа-ритма головного мозга. Область частот 1...3 кГЦ – иногда называют «интеллектуальным» пиком. Мощность излучения именно в этой области спектра усиливается, когда человек начинает заниматься серьезной умственной деятельностью. Относительно высокочастотное излучение энергии (16...22 МГЦ) - источником является сердце, создающее электромагнитное поле вокруг человека, обусловленное движением ионов в потоке крови. Рисунок 10.4. Характер спекНаличие таких и более высоких частот в спектре излуче- тра альфа-ритма работы гония человека было предсказано в 30-х годах XX века Л.Л. Валовного мозга. сильевым, который полагал, исходя из общих законов радиотехники, что длина волны излучения должна определяться ростом человека. Наиболее подробные разработки, видимо, были сделаны радиофизиком А.Г. Телегиной. Она же, в частности, показала, что из-за специфического геометрического места расположения сердца человека, максимум излучения должен соответствовать длине волны, примерно равной росту человека. При этом кровеносные сосуды играют роль волноводов. Традиционные представления о биоэнергетике человека В соответствии со сведениями, почерпнутыми из древних источников, из внешней среды в живой организм поступает косная материя, которую организм превращает в необходимые формы живой материи (это соответствует современным представлениям о физиологии питания и усвоения пищи и биохимии - обмену веществ в организме). Превращение ее в живую осуществляется через взаимодействие с внутренними полями организма, которые изменяют энергетическое состояние материи. Для поддержания в состоянии работоспособности организма (в том числе, поддержания необходимого температурного режима) биообъект дополнительно поглощает энергию внешней среды (например, излучение Солнца). Утилизация и изменение состояния усваиваемой организмом материи сопровождается созданием внешних физических полей в совершенно других частотных диапазонах, определяемых процессами обеспечения жизнедеятельности. При этом, всегда имеется излишек выделяемой энергии, по сравнению с поглощаемой. Для человека эта разница составляет коло 25 Вт Высокочастотное излучение в большинстве случаев играет роль несшего, хотя его уровень и определяется спецификой работы организма биообъекта. Информативными преимущественно являются низкочастотные составляющие, модулирующее высокочастотное излучение. В биоэнергетике обычно рассматривают ряд понятий. Эфирное тело — постоянное излучение всех составных частей тела, создающее вокруг него «оболочку» из совокупности излучений, несущих информацию обо всех процессах в организме. Оно повторяет очертания тела человека и имеет максимальную энергетическую плотность и информативность вблизи головы благодаря мощным процессам, сопровождающим мышление человека. Аура — наиболее энергетически плотная часть эфирного тела вокруг головы. При достаточной мощности излучения и определенной подготовке ее можно «ощутить». Зрительно аура воспринимается головным мозгом в виде цветовой гаммы, подобно радуге (не имеющей, как правило, частотного соответствия с истинными цветами видимого света). Накопленный опыт свидетельствует, что цветовое восприятие отражает внутренний настрой излучающего биообъ- 152 екта. «Высшие» духовные проявления, как и высшие эмоции, характеризуются синей частью спектра. Для «низменных» чувств характерны красные оттенки ауры. Астральное тело - окружает человека в виде яйца или сферы. В норме поверхность астрального тела должна быть гладкой и отстоять от тела на расстоянии 0,5-2 м. Соответствует более глубоким процессам в организме, или как говорят биоэнергетики - более «тонкой» энергии. Геопатогенные зоны. Основы биолокации (лозаходства) Геопатогенные зоны (ГПЗ) — локальные аномальные участки на поверхности Земли, оказывающие негативное воздействие на живые организмы, обусловленное присутствием не только токсичных химических элементов и их соединений, но и разнообразных физических полей земного и космического происхождения, а также из-за разломов земной коры. Сложное взаимодействие этих разных по свойствам природных процессов приводит к формированию в ГПЗ специфических условий биологического дискомфорта. Имеются сведения, что пребывание в ГПЗ повышает риск заболевания раком, психическими расстройствами, некоторыми хроническими болезнями. В ГПЗ увеличено число дорожно-транспортных происшествий, может наблюдаться дихтомия у деревьев, снижение биопродуктивности и т.п. Среди разновидностей геопатогенных зон особое место занимают ГПЗ, формируемые физическими полями. Считается, что наличие геопатогенных зон, обусловленных физическими полями, связано с колебательными процессами в биосфере Земли. Из теории колебаний известно, что в любом теле конечных разменов должен установиться колебательный процесс в виде системы стоячих волн, интенсивность, частота и др. параметры которых зависят от характеристик объекта, включая его размеры, плотность, условия на границе и т.п. В результате вблизи поверхности Земли формируется сеть чередующихся узлов, называемых «стоками» и «истоками». Если объект оказывается вблизи «стока» энергии, он может ощущать себя достаточно дискомфортно за счет энергетических потерь. Хотя не исключена возможность ощущения дискомфорта и вблизи узла, именуемого «исток», если частота не будет «гармонировать» с собственными частотами организма. Такие многочисленные сети узлов, имеющие различную геометрию для разных частотных диапазонов, создают вблизи поверхности Земли единую, достаточно сложную, но упорядоченную суперпозицию узлов, которые, собственно, и образуют сеть геопатогенных зон. Радиэстезический метод, более известный как биолокация. Термин «радиэстезия», в переводе на русский, означает «ощущение волн, колебаний». Известно, что ощущение волн присуще всем живым организмам на Земле (растениям, животным, насекомым, рыбам и пр.). Конечно же, он присущ и любому человеку. Биологически средний человек физически не ощущает излучений от окружающих объектов. Иными словами, система приема излучений, заложенная в природе человека, имеет пороговый уровень, а принимаемый уровень излучений от окружающих объектов у биологически среднего человека находится ниже порогового уровня его биологической системы, в связи с чем у биологически среднего человека не возникает никаких физических ощущений. Однако примерно у 25% биологически средних людей при настройке (сосредоточении внимания) на определенный объект и приеме излучений от него спонтанно, самопроизвольно формируется идеомоторный акт и, если в руках у этого человека находится рамка, маятник, лоза или просто рогулька, то она начинает вращаться. Это так называемый радиэстезический эффект, известный человечеству со времен VIII века до н.э. Именно этой цифрой датируются наскальные рисунки с изображением фигуры человека, держащего в руках лозу. Возникает вопрос, нельзя ли каким-то искусственным способом повысить чувствительность приема, и тогда радиэстезический эффект можно было бы зафиксировать у любого человека, далекого от экстрасенсорных способностей. Такая методика была найдена, и состоит она в подборе металла маятника. Эмпирически было доказано, что пять металлов - алюминий, медь, титан, латунь, бронза - могут повысить чувствительность приема излучений у биологически 153 среднего человека. При правильном выборе одного из этих металлов, что можно сделать, используя очень простую методику, изложенную ниже, любой биологически средний человек практически через 15 минут может открыть в себе способности к приему излучений, обнаружив у себя радиэстезический эффект. Радиэстезический эффект можно обнаружить практически у 95-98% людей. Исключение составляют люди с большим количеством чужеродных энергетических структур (повреждениями в ауре), у которых, прежде чем пробудить радиэстезический эффект, необходимо очистить ауру от этих структур. Лозоходцы (в современной терминологии, радиэстезисты, биолокаторы или просто операторы) использовали радиэстезический эффект при поиске полезных ископаемых, воды, пропавших людей и т.д. Известно, что в Германии более 60% горнорудных залежей было найдено радиэстезистами. Теория радиэстезии отсутствовала, но это не помешало немцам серьезно использовать Рметод на практике, и Германию можно с полным основанием назвать родиной второго рождения радиэстезии. Именно в Германии впервые в 20-х годах нынешнего столетия Р-метод стал использоваться для обнаружения геопатогенных зон, именно в Германии впервые стали выявлять так называемые «раковые» дома (дома, стоящие на геопатогенных зонах, вследствие чего проживание в них приводило к раковым заболеваниям) и именно в Германии впервые стали организовываться фирмы, выпускающие различные защитные материалы против геопатогенных излучений. Неудивительно, что именно в Германии Р-метод впервые в мире внедрен в практику медицинских клинических обследований пациентов, индивидуального подбора для них медикаментозных средств, лекарств, трав и т.д. В настоящее время Р-метод применяется в клиниках Англии и Франции. Управляет ли судьбой Вселенная Как уже отмечали, что и В. И. Вернадский и Л.Пастер, рассматривая общие вопросы возникновения и сущности жизни, подчеркивали, что живое не могло возникнуть только из неживого. Важнейшим фактором здесь является представление о влиянии физических полей. Космоса (биополя Космоса, или Ноосферы) как на Землю, так и на любой другой участок Вселенной, который мог быть формирующим для зарождения и развития жизни. Каждый объект Вселенной является носителем своей совокупности физических полей косной материи и биополя живых организмов. Все вместе они являются носителями коллективного поля более высокого уровня и т.д. По Вернадскому, вещество биосферы состоит из семи существенно разнородных частей. Предполагается, что для всей Вселенной существует суммарное поле (или биополе), которое и называется «сферой разума», космическим разумом, или ноосферой. Любые проявления жизнедеятельности не теряются, а усиливаются благодаря резонансу в биологических системах и окружают Землю оболочкой, содержащей информацию о прошлом, настоящем и, вероятно, будущем процессов, происходящих на Земле. Полевая формация является материальной и топологической основой (позволяющей развиваться определенным полевым формам жизни) для всех структур на Земле. Именно это поле является основой психического начала жизни в целом, человека и бо- Рисунок 10.5. Структура биополя Вселенной лее высоких формирований сознания вплоть до космических масштабов. Как в голограмме, в каждом объеме пространства существует вся информация о целом, которую можно при определенных условиях воспринять. Другой аспект влияния космических объектов связан с существованием биоритмов, являющихся важнейшим свойством окружающего Мира. Его основа - колебательные процессы. 154 Точно такие же колебательные процессы составляют процессы обеспечения жизнедеятельности любого организма. В основе работы любого органа или их группы лежит ритм. Относительно высокочастотные составляющие (например, около 10 Гц для альфа-ритма головного мозга и т.п.) определяют функционирование организма в целом. Однако имеются и низкочастотные составляющие, которые, накладываясь на основные процессы, меняют их энергетическую активность. Поэтому биоритмы человека должны быть связаны также сдвижением Земли и Луны, с солнечной активностью (образование солнечных пятен, солнечные вспышки, изменение мощности ультрафиолетового, рентгеновского и других излучений) и, по-видимому, с рядом других факторов. Величайшей иллюстрацией сказанного может служить знаменитый календарь майя, учитывающий в своей структуре летоисчисления, гораздо более сложной, чем принятый современный календарь, основанный лишь на 24-часовом вращении Земли вокруг своей оси и З65..3б6суточном обращении Земли вокруг Солнца, наибольшее количество циклов. Среди них отметим следующие циклы, наиболее важные из расшифрованных к настоящему времени: 37 суток – время обращения полярного поля Солнца; 260 дней, или четный год – средний период вращения Солнца вокруг своей оси; 365 дней, или нечетный год – цикл вращения Земли вокруг Солнца; 4197 дней (ок. 11,5 лет) – цикл пятнообразований Солнца; 7200 дней (ок. 19,7 лет) – длинный год - наименьшее общее кратное предыдущих двух, соответствующее началу «стандартного» года, для которого Солнце оказывается повернутым «тем же боком», что и 7200 дней назад относительно Земли; 68 302 дня (ок. 187 лет) – Большой цикл Солнечных пятен; 1 366 560 дней (ок. 3 740 лет) - «сверхчисло» майя - число «ацтекских» веков, или «рождение Венеры»; 1 872 000 дней (ок. 5 125 лет) – эпоха майя (которая должна кончиться по календарю майя 22 декабря 2012 г.). Эта эпоха началась 13 августа 3114 г. до новой эры; 6 625 294 дней (ок. 18 139 лет) – 1 полный цикл нейтральной полосы; 25 627 лет - Большой цикл майя, равный пяти эпохам — период прецессии земной оси. Ее конец совпадает с концом эпохи майя 22 декабря 2012 г. Считается, что основные среднестатистические биоритмы человека составляют: физический – 23 дня, эмоциональный – 28 дней, интеллектуальный – 33 дня. Однако следует иметь в виду, что синусоида дает представление только о среднестатистическом значении уровня энергетических возможностей человека, на который в виде возмущений накладываются более высокочастотные (хотя и менее значимые) ритмы: реакция организма (или психики) на неординарное событие или стресс, влияние нестандартных, резко изменившихся внешних условий и т.п. Учесть такие изменения в общем случае достаточно сложно. Поэтому все прогнозы, основанные на специфике поведения биоритмов, следует расценивать как ориентировочные. 155 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. Бочкарева Т.С. История науки и техники. Учебное пособие. – Тольятти, Изд-во ТГУС. 2007., – 225 с. Бочкарева Т.С. Свет и цвет в природе и обществе. – Тольятти, Изд-во ТГУС. 2006. – 160 с. Бочкарев А.И., Бочкарева Т.С. Естественно-научные основы высоких технологий. Конспект лекций. – Тольятти, Изд-во ТГУС. 2007. – 105 с. Бочкарева Т.С. Физические основы передачи и обработки информации: Учебнопрактическое пособие. – Тольятти: ПТИС. 2001. –132 с. Бочкарев А.И. Физические основы ЭВМ. – М.: МАЭП, 1996. 187 с. Бочкарева Т.С. Естественно-научные основы высоких технологий: Учебно-методическое пособие. – Тольятти: ТГИС, 2004. – 120 с. Бочкарева Т.С., Неганов В.А. и др. Электродинамика и распространение радиоволн. – М.: Изд-во «Радио и связь», 2003. − 324 с. Бочкарева Т.С. Устройства СВЧ и антенны: учебно-методическое пособие по дисциплине. – Тольятти: Изд-во ПВГУС, 2009. − 69 с. Бочкарева Т.С., Бочкарева Р.А. Физика цвета и психология восприятия: лабораторный практикум. – Тольятти, Изд-во ПВГУС. 2009. – 85 с. Бочкарева, Т.С., Бочкарев А.И. Естественно-научные основы высоких технологий: лабораторный практикум − ТГУС, 2007. − 104 с. Гордиенко В.А. Физические поля и безопасность жизнедеятельности.– М.:АСТ,2006. 316 с Мельников В.П., Клейменов С.А., Петраков А.М. Информационная безопасность – М.: Академия, 2005. -332 с. Садердинов А.А., Трайнев В.А., Федулов А.А. Информационная безопасность предприятия - М.: Издательский дом "Дашков и К", 2005.- 335 с. Семкин С.Н., Беляков Э.В., Гребенев С.В. и др. Основы организационного обеспечения информационной безопасности объектов информатизации – М.: Издательство "Гелиос АРВ", 2005. - 186 с. «Информационные системы и информационные технологии в экономике и управлении», под ред. Трофимова В.В., 2006 г. Арсеньев Ю.Н. «Информационные системы и технологии», 2006 г.; Балдин К.В. «Информационные системы в экономике», 2007 г.; Банк В.Р. «Информационные системы в экономике», 2005 г.; Ясенев В.Н. «Автоматизированные информационные системы», 2007 г Барсуков В.С. Безопасность: технологии, средства, услуги. – М.:КУДИЦ–ОБРАЗ, 2001. – 496 с. Барсуков В.С. Биометрическая защита информации// Защита информации. Конфидент. 2000. №1. Гаряев П.П. Волновой геном. – М., 1994. с.279. Кофман Л.Дж. Современные методы защиты информации. – М.: Мир. 1980. Сергиенко, А.Б. Цифровая обработка сигналов – СПб.: Питер. –2002. Радиотехнические системы передачи информации. /Под ред. В.В. Калмыкова. – М.: Радио и связь. –1990. Иванов, В.И. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для ВУЗов. – М.: Радио и связь. –1995. Гаранин, М.В. Системы и сети передачи информации. Учебное пособие. – М.: "Радио и связь".– 2001. Системы радиосвязи./Под ред. Н.И. Калашникова. – М.: “Радио и связь”.– 1988. Радиотехнические системы передачи информации./Под ред. В.В. Калмыкова. – М.: “Радио и связь”.– 1990. Хазен А.М. Разум природы и разум человека. – М. 1991. Хакен Г. Информация и самоорганизация. – М., 2000. 156 32. Яшин А.А. Информационная виртуальная реальность: Монография. – Тула.: ПАНИ, ГУП НИИ НМТ Изд-во «Тульский полиграфист», 2003. – 244 с. (серия «Электродинамика и информатика живых систем». т.4). 33. Степанов Е.А., Корнеев И.К. Информационная безопасность и защита информации - М.: ИНФРА-М, 2001. - 304 с. 34. Ярочкин В И. Система безопасности фирмы - М.: Издательство "Ось-89", 2003. - 352 с. 35. Белинов С.В., Зайцев А.А. Современные информационные технологии. М.: Инфра-М, 2003.-509 с. 36. Гуде С.В., Ревин С.Б. Информационные системы. Учебное пособие. РЮИ МВД России. 2002. 341 с. 37. Брюс Шнайер. Секреты и ложь: Безопасность данных в цифровом мире. – М.: Питер, 2003. – 368 с. 38. Каторин Ю.Ф. и др. Большая энциклопедия промышленного шпионажа. – СПб.: ООО “Изд-во “Полигон”, 2000. – 896 с. 39. Домашев А.В., Грунтович М.М., Попов В.О. Программирование алгоритмов защиты информации. – М.: Издательство “Нолидж”, 2002. 40. Соколов А.В., Шаньгин В.Ф. Защита информации в распределенных корпоративных сетях и системах. – М.: ДМК Пресс, 2002. 41. Вильям Столлингс Криптографическая защита сетей. – М.: Издательсткий дом “Вильямс”, 2001. 157 ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ ЛЕКЦИЯ №1. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ. ПОНЯТИЯ ИНФОРМАЦИИ, СООБЩЕНИЯ, СИГНАЛА. ВИДЫ СИГНАЛОВ И ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ. СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ СВЯЗИ И КАНАЛА СВЯЗИ. КЛАССИФИКАЦИЯ КАНАЛОВ СВЯЗИ. ПОМЕХИ И ИСКАЖЕНИЯ В КАНАЛАХ СВЯЗИ 3 6 ЛЕКЦИЯ №2. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ. ТЕХНИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ 20 ЛЕКЦИЯ №3. ЗАПИСЬ, ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ХРАНЕНИЕ И ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ НА ФИЗИЧЕСКИХ НОСИТЕЛЯХ 43 ЛЕКЦИЯ №4. БИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ, ПЕРЕДАЧИ, ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ОРГАНАМИ ЧУВСТВ. ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ЧЕЛОВЕКА. 54 ЛЕКЦИЯ №5. ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ И ГЛОБАЛЬНЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ. 71 ЛЕКЦИЯ №6. КРИПТОГРАФИЯ. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ ОТ НЕСАНКЦИОНИРОВАННОГО ДОСТУПА. 92 ЛЕКЦИЯ №7. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ ЛЕКЦИЯ №8. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ЗАЩИТЕ ИНФОРМАЦИИ. ВЫЯВЛЕНИЕ (ПОИСК) ТЕХНИЧЕСКИХ КАНАЛОВ УТЕЧКИ ИНФОРМАЦИИ ЛЕКЦИЯ №9 ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ ОТ УТЕЧКИ ПО ТЕХНИЧЕСКИМ КАНАЛАМ ЛЕКЦИЯ №10. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ, БИОПОЛЯ И ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 107 115 127 137 156 ОГЛАВЛЕНИЕ 157 * Лекция №1 написана в соавторстве с Рогозиным А.Е. Лекции №№ 2,7 написаны в соавторстве с Рогозиным А.Е, Смоленской Н.М. Лекция №10 написана в соавторстве со Смоленской Н.М. 158 Учебное издание ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ для студентов специальности 090103.65 и других специальностей и направлений Составители Бочкарева Татьяна Сергеевна, Смоленский Виктор Владимирович Издается в авторской редакции. Подписано в печать с электронного оригинал-макета 15.09.2009. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 10,00. Тираж 500 экз. Заказ 280/01. Издательско-полиграфический центр Поволжского государственного университета сервиса. 445677, г. Тольятти, ул. Гагарина, 4. [email protected], тел. (8482) 222-650. Электронную версию этого издания вы можете найти на сайте университета www.tolgas.ru в разделе специальности → учебно-методическое обеспечение дисциплин.