Исследование характеристик разрабатываемых средств защиты информации от утечки по акустоэлектрическим каналам с использованием лабораторного стенда

Инв. № подл.

90

Подп. и дата

Взам. инв. №

Инв. № дубл.

Подп. и дата













Инв. № подл.

8

Подп. и дата

Взам. инв. №

Инв. № дубл.

Подп. и дата













Инв. № подп

Подп. и дата

Взам. инв. №

Инв. № дубл.

Подп. и дата











Лист

90

МП-43-013-2017





Лит

№ докум.

Изм.

Подп.

Дата























Инв. № подп

Подп. и дата

Взам. инв. №

Инв. № дубл.

Подп. и дата











Лит

Лист

Листов

2

2







МИЭТ



Выпускная квалификационная работа



МП-43-010-2017



Лит

№ докум.

Изм.

Подп.

Дата

Ерошкин Б.Н.

Разраб.





Хорев А.А.

Пров.







Т. контр.







Н. контр.







Утв.

























МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ



Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования  «Национальный исследовательский университет

«Московский институт электронной техники»

Факультет микроприборов и технической кибернетики

Кафедра информационной безопасности



Выпускная квалификационная работа  допущена к защите

Заведующий  кафедрой «Информационная безопасность»

д.т.н., профессор  _______________А.А. Хорев

«____»  июня 2017 г.



Ерошкин Богдан Николаевич



ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

(бакалаврская работа)

по направлению 10.03.01  «Информационная безопасность»

 «ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ ОТ УТЕЧКИ ПО АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ КАНАЛАМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА»



Студент группы МП-43 	                                                                             / Б.Н. Ерошкин /

					                           (подпись)

Руководитель: 

дтн, профессор                                                                                                    / А.А. Хорев /

						                 (подпись) 



Москва, 2017 г.



РЕФЕРАТ



Выпускная квалификационная работа содержит 87 стр., включая 56 рисунков, 25 таблиц, 19 источников и одно приложение.

Ключевые слова: акустоэлектрический эффект, акустоэлектрическое преобразование, электромеханический звонок, электронный звонок, электретный микрофон, компьютерное моделирование, ВЧ-навязывание, словесная разборчивость речи, пассивный акустоэлектрический канал, активный акустоэлектрический канал.

Объектом исследования являются средства защиты информации от утечки по акустоэлектрическим каналам.

Основными акустоэлектрическими преобразователями для исследования были выбраны электромеханический и электронный звонки телефонного аппарата.

Цель работы – на основе анализа характеристик средств защиты информации от утечки по акустоэлектрическим каналам, в программной среде NI Multisim 13.0 разработать виртуальный лабораторный стенд исследования характеристик средств защиты информации от утечки по акустоэлектрическим каналам, смоделировать акустоэлектрические каналы утечки информации и средства защиты от них, исследовать их основные характеристики. 

Исследование проводилось на основе собранной в среде Multisim 13.0 модели телефонного аппарата с электромеханическим звонком и электронным звонком. В исследовании использовались данные, полученные экспериментальным способом на лабораторном стенде кафедры «Информационная безопасность». 

В результате исследования при помощи полученных результатов был проведен расчет словесной разборчивости речи, по значениям которой можно заключить, что звонковая цепь телефонного аппарата подвержены акустоэлектрическим преобразованиям.

По результатам исследования составлена лабораторная работа на тему «Исследование характеристик разрабатываемых средств защиты информации от утечки по акустоэлектрическим каналам»



СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ



ВТСС

-

Второстепенные технические средства и системы

ЭДС

-

Электродвижущая сила

ТС

-

Техническое средство

ПЭВМ

-

Персональная электронно-вычислительная машина

АТС

-

Автоматическая телефонная станция

ТА

-

Телефонный аппарат

СВЧ

-

Сверхвысокочастотный 

ТКУИ

-

Технический канал утечки информации

АЭП

-

Акустоэлектрические преобразования





СОДЕРЖАНИЕ



ВВЕДЕНИЕ	6

1 АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ И РАБОТЫ ТЕЛЕФОННЫХ АППАРАТОВ	8

1.1 Принципы телефонной передачи	8

1.2 Акустоэлектрические преобразователи телефонного аппарата	11

1.2.1 Вызывные устройства телефонного аппарата	11

1.2.2 Анализ микрофонов, используемых в телефонных аппаратах	14

1.3 Разработка эквивалентной принципиальной схемы телефонного аппарата в программной среде NationalInstrumentsMultisim 13.0	17

1.3.1 Схема телефонного аппарата с электромеханическим звонком	19

1.3.2 Схема телефонного аппарата с электрическим звонком	24

ВЫВОД ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ	26

2 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ КАНАЛОВ УТЕЧКИ ИНФОРМАЦИИ, ВОЗНИКАЮЩИХ ЗА СЧЕТ АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ	28

2.1 Анализ причин возникновения акустоэлектрических преобразований	28

2.2 Физические явления, приводящие к образованию акустоэлектрических каналов утечки информации	31

2.2.1 Акустоэлектрический эффект	34

2.3 Анализ видов каналов утечки информации за счет акустоэлектрических преобразований	35

2.3.1 Пассивный акустоэлектрический канал	35

2.3.2 Активный акустоэлектрический канал	36

2.4 Математическое моделирование акустоэлектрических каналов утечки информации телефонного аппарата с электромеханическим звонком	37

2.4.1. Моделирование пассивного канала	37

2.4.2 Моделирование активного канала	45

2.5 Математическое моделирование акустоэлектрических каналов утечки информации телефонного аппарата с электрическим звонком	47

2.5.1 Моделирование пассивного канала	49

2.5.2 Моделирование активного канала	55

ВЫВОД ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ	58

3 МЕТОДИКА КОНТРОЛЯ ПОДВЕРЖЕННОСТИ АППАРАТА АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯМ	60

3.1 Методы и средства контроля пассивных акустоэлектрических преобразований	60

3.2 Методы и средства контроля активных акустоэлектрических преобразований	69

ВЫВОД ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ	74

4.1 Моделирование пассивных средств защиты телефонного аппарата	75

ВЫВОД ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ	83

Заключение	84

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ	86






ВВЕДЕНИЕ



Необходимость в защите информации появилась не так давно. В информационном круговороте заняты люди, средства обработки информации, как технические, так и программные. И тут возникает вопрос по защите таких средств обработки информации на предприятия и в компаниях, так как если произойдет утечка конфиденциальной информации, то за этим могут последовать большие проблемы, связанные не только с потерей крупных денежных сумм. Но необходимость в защите требуют не только основные технические средства и системы (ОТСС), непосредственно связанных с информацией, но и вспомогательные (ВТСС), которые не участвуют на прямую в обработке информации, но так как они установлены в тех помещениях, где происходит такая обработка, или где происходят собрания конфиденциального характера. 

Помещения, в которых проводится обсуждение информации ограниченного доступа (совещания, обсуждения, переговоры и т.п.) называются выделенными помещениями. Для предотвращения перехвата информации из данных помещений, как правило, применяются специальные средства защиты, поэтому выделенные помещения в ряде случаев называют защищаемыми помещениями [16].

Акустическая информация – это информация, носителями которой являются акустические сигналы. Если источником информации является речь человека, то, в этом случае, акустическую информацию называют речевой.

Наиболее опасными каналами утечки акустической (речевой) информации ограниченного доступа из защищаемых помещений являются акустоэлектрические каналы.

Целью данной выпускной квалификационной работы является на основе анализа характеристик средств защиты информации от утечки по акустоэлектрическим каналам, в программной среде NI Multisim 13.0 разработать виртуальный лабораторный стенд исследования характеристик средств защиты информации от утечки по акустоэлектрическим каналам, смоделировать акустоэлектрические каналы утечки информации и средства защиты от них, исследовать их основные характеристики. 

Объектом исследования является телефонный аппарат и его составные части, подверженные акустоэлектрическим преобразованиям.

В данной выпускной квалификационной работе будут рассмотрены принципы построения современных телефонных сетей, телефонных аппаратов. Также будут рассмотрены различные виды акустоэлектрических преобразователей и физические явления, которые приводят к образованию акустоэлектрических каналов утечки информации. Кроме того, будут рассмотрены акустоэлектрические преобразователи в цепях телефонного аппарата. Будет проведен анализ методов и средств защиты телефонных аппаратов от утечки акустической (речевой) информации. По результатам анализа и исследований будет разработан виртуальный лабораторный стенд исследования характеристик средств защиты информации от утечки по акустоэлектрическим каналам.А также будут смоделированы акустоэлектрические каналы утечки информации и средства защиты от них, исследованы их основные характеристики.

В результате проектирования с использованием виртуального лабораторного стенда планируется создать принципиальные схемы для изучения пассивных и активных акустоэлектрических каналов утечки информации, пассивные и активных средств защиты, которые обеспечит защиту акустической (речевой) информации от утечки по акустоэлектрическим каналам.




1 АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ И РАБОТЫ ТЕЛЕФОННЫХ АППАРАТОВ

1.1 Принципы телефонной передачи



Передача речевых сообщений основана на преобразовании речевых сигналов (звуки, слоги, слова, фразы) с помощью микрофона в колебания электрического тока, которые передаются по линии связи и телефону, где происходит преобразование электрических колебаний в звуковые. Представим схемутелефонной передачи на рисунке 1.1, где цифрами 1 обозначены акустические участки, цифрами 2 – преобразователи и цифрой 3 – электрический участок [14].



Рисунок 1.1 – Схема телефонной передачи

На слуховой аппарат человека действуют звуковые колебания, которые создаются за счет колебаний молекул упругой среды (воздуха), в диапазоне частот от 20 до 20000 Гц.

Звуки речи характеризуются частотным диапазоном от 80 до 12000 Гц. Каждый звук имеет свой спектр зависимости звукового давления рm от частоты f, это показано на рисунке 1.2. В спектре звука выделяются основной тон f1 и усиленные области частот – форманты.



Рисунок 1.2 – Речевой спектр звука

Большинство этих формант расположено в полосе 300-3400 Гц. Динамический звуковой диапазон речи зависит от средней мощности при нормальном и тихом разговоре и может составлять до 55 дБ. Характер восприятия звуковых колебаний органом слуха человека называется чувствительностью, которая изменяется между порогами слышимости и болевого ощущения для разных значений частоты, как показано на рисунке 1.3. 

Звуки речи оцениваются по громкости в зависимости от звукового давления или интенсивности звука I. Чувствительность уха будет снижаться при длительном воздействии какого-либо звука, что называется адаптацией слуха. Указанные свойства органа слуха учитываются при проектировании телефонной аппаратуры и условий ее применения.

Для оценки качества телефонной передачи используются критерии разборчивости передаваемых речевых сообщений, громкости и натуральности звучания принимаемой речи [19].



Рисунок 1.3 – Пороги звукового восприятия

Далее обратимся к строению телефонных аппаратов и линии связи. Простейший телефонный аппарат, схема включения которого показана на рисунке 1.4 имеет следующие составляющие [13]:

микрофон ВМ1, ВМ2 – служит для преобразования звуковых колебаний в электрические; 

трансформатор Т1, Т2 – необходим для развязки цепей микрофона и телефона по постоянному току;

номеронабиратель НН – осуществляет набор номера в телефонную линию посредством управления импульсным и разговорным ключами,

импульсный ключ ИК1, ИК2 – осуществляет непосредственно набор номера путем замыкания и размыкания линии;

разговорный ключ РК1, РК2 – отключает разговорную схему (BF, ВМ, Т) на время прохождения импульсов набора;

диодный мост – исключает влияние полярности линии на полярность включения телефонного аппарата;

«рычажный переключатель» – отключает ТА от линии;

вызывное устройство – «звонок» Вашего ТА.[19]



Рисунок 1.4 – Схема включения телефонного аппарата

Упрощенная схема стандартной нагрузки линии – телефонного аппарата – приведена на рисунке 1.5. В состоянии покоя аппаратура АТС посылает в линию напряжение постоянного тока 60В через ограничительные резисторы с суммарным сопротивлением 700-1500Ом и следит за током в линии. При опускании трубки КТ переключается и подключает через конденсатор вызывное устройство, при этом телефонный аппарат не нагружает линию по постоянному току. 

Для вызова абонента АТС шлет серию импульсов, амплитуда которых равна около 120 В с частотой 25 Гц. Данные импульсы через конденсатор проходят в обмотку звонка и вызывают колебания молоточка. Когда трубка снята к линии подключается разговорный узел (это положение показано на рисунке), его сопротивление постоянному току – около 150–600Ом. Разговорный узел состоит из микрофона, телефона и схемы подавления прослушивания сигнала собственного микрофона. Чтобы предотвратить травмы органов слуха предусмотрен ограничитель напряжения звукового сигнала. Подключение разговорного узла приводит к протеканию постоянного тока в линии, что позволяет станции фиксировать факт снятия трубки. 



Рисунок 1.5 – Упрощенная схема телефонного аппарата (трубка снята) [13]

1.2 Акустоэлектрические преобразователи телефонного аппарата



В данном разделе мы рассмотрим существующие акустоэлектрические преобразователи, присутствующие в телефонном аппарате.

1.2.1 Вызывные устройства телефонного аппарата



Рассмотрим два самых распространенных вида вызывных устройств телефонного аппарата, таких как электромеханический звонок и электронный звонок.

Электромеханический звонок, это звонок, который срабатывает при подаче на него переменного напряжения величиной 40...70 В с частотой около 25 Гц. Последовательно со звонком включают конденсатор, блокирующий постоянное напряжение линии. Напряжение звонка прикладывается к телефонному аппарату, только если телефонная трубка положена на рычаг. Как только трубка снимается, напряжение со звонка отключается, чтобы избежать неприятных звуков в трубке. Факт снятия трубки телефонного аппарата выявляется на АТС по возникновению постоянного тока в цепи.

Состояние ожидания вызова или отбоя характеризуется высоким активным сопротивлением для постоянного тока и значительным комплексным сопротивлением для переменного тока – входным сопротивлением или импедансом, модуль которого на частоте 1000 Гц должен быть порядка десятков тысяч Ом.

После снятия трубки картина сопротивлений резко изменяется. Активное сопротивление ТА в разговорном режиме при токе в линии 35 мА должно быть в пределах нескольких сотен Ом, не превышая значения 600 Ом для аппаратов с угольным микрофоном при лежащей на столе трубке. Модуль входного сопротивления на той же частоте 1000 Гц также понижается до значений сотен Ом.

Внешний вид электромеханического звонка представлен на рисунке 1.6. Цифрами на рисунке обозначены: катушечный электромагнит 1, постоянный магнит 2 с полюсными надставками 3, якорь 4, к которому прикреплен боек 5, и металлические чашки 6 [10].



Рисунок 1.6 – Внешний вид электромеханического звонка

Следующим устройством, которое мы будем рассматривать будет электронный звонок. В качестве электронного звонка используютсяпреобразователь вызова, который включается в телефонный аппарат вместо звонка и служит для преобразования вызывного тока частотой 25 Гц в ток тональной частоты. Преобразование частоты может осуществляться с использованием автоколебательного контура, в котором применяется пьезоэлектрический элемент, как показано на рисунке 1.7а, или с применением генераторов тональной частоты, управляемых вызывным током, как показано на рисунке 1.7б. Пьезоэлектрический излучатель представляет собой металлическую пластину 1, на которой размещен кристалл пьезоэлектрика (двуокись кремния). Внешняя поверхность кристалла контактирует с двумя пластинами 2 и 3. Напряжение положительного полупериода вызывного сигнала поступает на обкладки пластин 1–2 пьезоэлектрика, вследствие чего кристалл деформируется, и пластина 1 создает звуковые колебания. Колебания кристалла генерируют напряжение на гранях кристалла (пластина 3). Через резистор R2 это напряжение прикладывается к эмиттерному переходу транзистора VT и открывает его. Открытый транзистор VT шунтирует обкладки пластин 1–2, что приводит к уменьшению напряжения, приложенного к ним и, как следствие, – к обратном деформации пьезоэлектрика. Обратная деформация пьезоэлектрика вызывает появление напряжения отрицательной полярности на обкладках пластин 1–3, что приводит к запиранию транзистора VT. Закрытый транзистор VT обладает большим сопротивлением, снимает шут с обкладок пластин 1–2, на которые продолжаем поступать положительное напряжение вызывного сигнала, что опять приводит к отпиранию транзистора VТ, и процесс продолжается с частотой автоколебаний пьезоэлектрика. В отечественных аппаратах в качестве вызывного устройства подобного действия используют интегральную микросхему. Последняя под действием вызывного тока формирует двухчастотный сигнал, который воспроизводится пьезоэлектрическим излучателем в виде тонального сигнала. На рисунке 1.7в дана схема вызывного двухчастотного устройства на микросхеме, нагруженной на динамическую головку BF. Схема приводится в действие поступающим из линии вызывным сигналом, который проходит через выпрямительный мост и в виде постоянного тока подается на вход микросхемы. Контуры «R1C1», «R2C2» определяют тональные частоты, которые воспринимаются динамическим приемником ВF [10].



Рисунок 1.7 – Принципиальные схемы электронных звонков [13]

1.2.2 Анализ микрофонов, используемых в телефонных аппаратах



Теперь рассмотрим следующую составляющую телефонного аппарата – микрофоны. В угольном микрофоне при воздействии на мембрану звуковых колебаний меняется плотность угольного порошка и отсюда меняется его сопротивление.

Применяются микрофоны с разным сопротивлением от низкоомных (30…80 Ом) до высокоомных (100…260 Ом) и током питания 80 или 25 мА соответственно.

В телефонных аппаратах можно встретить микрофоны следующих типов [3]:

угольный;

электродинамический;

электретный.

 На рисунке 1.8 показана конструкция микрофонного капсюля МК-16. Этот капсюль содержит металлический корпус 3 с камерой 1, неподвижный электрод на пластмассовом держателе 10, диафрагму 6 с прикрепленным электродом 2, неподвижный электрод 11 в изоляционной втулке, кольцо 5 с отверстием 4, крышку 7 с отверстиями 8.[10]



Рисунок 1.8 –  Микрофонный капсюль МК-16: а – устройство; 
б – амплитудно-частотная характеристика

Электродинамические микрофоны подразделяются по типу подвижной системы на катушечные и ленточные.

Электродинамические и электретные микрофоны объединяют в себе неприхотливость, надежность и низкую стоимость, что позволяет широко использовать их в телефонных аппаратах.

Электродинамические микрофоны имеют в своем составе диафрагму, представляющую собой тонкую полистирольную пленку или алюминиевую фольгу. Диафрагма может быть прикреплена к катушке из тонкой проволоки, проводу или полоске, которые находятся в магнитном поле. Магнитное поле образуется полюсами постоянного магнита. При воздействии звуковой волны диафрагма колеблется, и витки катушки пересекают магнитные силовые линии, при этом в катушке наводится ЭДС, которая создает переменное напряжение на ее зажимах. Таким образом, энергия звуковой волны преобразуется в переменный электрический ток, который можно усилить и передать.

Катушечный микрофон, показанный на рисунке 1.9а, состоит из постоянного магнита 2 и стержневого магнитопровода 1 с фланцами 4. Подвижная катушка 3 связана с мембраной 5, имеющей отверстия 6. При воздействии звуковых колебаний на мембрану происходит перемещение катушки в магнитном поле, что вызывает появление электродвижущей силы.

Ленточный микрофон показанный на рисунке 1.9б имеет полюсные наконечники постоянного магнита 2, между которыми подвешена подвижная лента 1. Специальный наконечник 5 образует полость 6, а дуга магнита2 ограничивает другую полость 3.

Через щели 4 и 7 звуковые колебания создают перемещения ленты, выполняющей функции мембраны, и в ней индуцируется электродвижущая сила [10].





а)

б)

Рисунок 1.9 –  Электродинамические микрофоны: а – катушечный; б – ленточный

Электретный микрофон – микрофон схожий с принципом действия конденсаторного микрофона. Принцип действия электретного конденсаторного микрофона основан на способности диэлектрического материала электрета сохранять поверхностную неоднородность распределения заряда в течение длительного времени. Устройство электретного микрофона представлен на рисунке 1.10.



Рисунок 1.10 – Устройство электретного микрофона

Работа электретного микрофона заключается в том, что тонкая плёнка помещается в зазор конденсаторного микрофона (т.е. конденсатора, у которого одна из обкладок (мембрана) может перемещаться под действием звукового сигнала) либо отклоняться на одну из обкладок. Из-за этого появляется постоянный заряд конденсатора. При изменении ёмкости, из-за смещения мембраны, на конденсаторе меняется напряжение, это напряжение и будет соответствовать звуковому сигналу.

Электретный микрофон имеет чрезвычайно высокое сопротивление, что вынуждает подключать их к усилителям с высоким входным сопротивлением. В конструкцию практически всех электретных микрофонов входит предусилитель с большим входным сопротивлением. В корпус микрофона встраивают повторитель на полевом n-канальном транзисторе. Это позволяет снизить выходное сопротивление и уменьшить потери сигнала при подключении к входу усилителя сигнала микрофона. У электретных микрофонов с двумя выводами выход микрофона выполнен по схеме усилителя с открытым стоком. Несмотря на отсутствие необходимости в поляризующем напряжении, такие микрофоны требуют внешнего источника электропитания. Но электретные микрофоны по принципу работы являются конденсаторными, то постоянное напряжение в них обеспечивается зарядом электрета, тонким слоем нанесённого на мембрану и сохраняющим этот заряд продолжительное время.



1.3 Разработка эквивалентной принципиальной схемы телефонного аппарата в программной среде NationalInstrumentsMultisim 13.0



Из-за того, что принципиальные схемы современных телефонных аппаратов отличаются довольно большой сложностью в построении, для исследования будет собрана упрощенная принципиальная схема – схема телефона ТА-68М, которая представлена на рисунке 1.11 [9]. В данной схеме будет использоваться сначала электромеханический звонок, потом он будет заменён на электрический, принципиальная схема которого представлена на рисунке 1.12 [5]. Данное вызывное устройство применятся в большинстве недорогих телефонных аппаратов [5]. В силу того, что в программной среде NationalInstrumentsMultisim 13.0 отсутствует пьезоэлемент, работающий в звуковом диапазоне, то вместо него будет использоваться источник напряжения, контролируемый напряжением. Конденсатор C1 – разделительный для постоянного тока линии. Его сопротивление переменному сигналу индукторного вызова равно 12 кОм.



Рисунок 1.11 – Принципиальная схема телефонного аппарата ТА-68М





Рисунок 1.12 – Схема простейшего вызывного устройства

Схема вызывного устройства представляет собой мультивибратор, работающий на резонансной частоте пьезоэлектрического излучателя порядка 3.5 кГц.

Пьезоэлектрический излучатель – это пластина, выполненная из металла, показанная на рисунке 1.12 «B», на которой находится кристалл искусственного пьезоэлектрика (двуокись кремния). Внешняя поверхность кристалла металлизирована двумя контактными плоскостями «R» и «G». В том случае, если приложить напряжение между пластиной и одной металлизированной плоскостью, то кристалл начнет деформироваться и, следовательно, начнут возникать звуковые колебания.

Рассмотрим подробнее принцип работы вызывного устройства. Напряжение вызывного сигнала положительного полупериода через конденсатор C1 и резистор R1, который является коллекторной нагрузкой транзистора VT1, прикладывается к обкладкам «B» – «R» пьезоэлектрика, последний при этом деформируется и излучает звуковой сигнал, который усиливается металлической мембраной (обкладкой) – «B» [5]. В свою очередь, деформация пьезоэлектрика вызывает появление положительного напряжения между обкладками «B» – «G», и затем это напряжение через резистор R3 прикладывается к эмиттерному переходу VT1 и открывает его. После чего открытый транзистор шунтирует обкладки «B» – «R». Это приводит к тому, что приложенное к обкладкам напряжение уменьшается, и происходит обратная деформация пьезоэлектрика, которая вызывает появление отрицательного напряжения между обкладками «B» – «G». Данное отрицательное напряжение через резистор R3 прикладывается к переходу эмиттер – база транзистора и запирает его.

Закрытый транзистор имеет большое сопротивление, поэтому практически все напряжение вызывного сигнала снова прикладывается к обкладкам «B» – «R» пьезоэлектрика, и снова происходит деформация последнего, а также вновь появляется положительное напряжение, происходит открывание транзистора. Таким образом, процесс повторяется, в результате чего можно утверждать о том, что на протяжении положительного полупериода вызывного сигнала АТС частотой 25 Гц, возникают автоколебания с резонансной частотой пьезоэлектрика, которая равна приблизительно 3.5 кГц. Отрицательный полупериод сигнала вызова производит запирание транзистора и автоколебания прекращаются. Стоит также сказать, что резистор R2 устанавливает начальное смещение на базе транзистора.

Из всего вышесказанного следует, что рассмотренное вызывное устройство может применяться для внедрения в принципиальную схему телефонного аппарата. Принципиальная схема телефонного аппарата, собранная на базе схемы ТА-68М и простейшего вызывного устройства, а также подключенная к модели телефонной линии, представлена на рисунке 1.13. Стоит отметить, что при составлении принципиальной схемы для ее упрощения элементы номеронабирателя не учитывались.



1.3.1 Схема телефонного аппарата с электромеханическим звонком



Для моделирования телефонного аппарата с электромеханическим звонком возьмем наиболее простую принципиальную схему и используем среду для разработки Multisim 13.0. Адаптированная и собранная в среде Multisim 13.0 принципиальная схема телефонного аппарата с электромеханическим звонком с подключением модели телефонной сети на рисунке 1.13.




Рисунок 1.13 – Принципиальная схема телефонного аппарата с электромеханическим звонком с подключением модели телефонной сети

На данном рисунке цифрой 1 обозначена принципиальная эквивалентная схема телефонного аппарата. Цифрой 2 – принципиальная схема электромеханической звонковой цепи, цифрой 3 – принципиальная схема телефонной трубки, где R5 и R4 эквиваленты микрофона и динамика соответственно, а цифрой 4 – принципиальная схема АТС. S2 и S1 служат для включения вызывной и разговорной цепи соответственно. Для моделирования напряжения в сети и сигнала вызова используем V2 и V1 соответственно.

Далее проверим работоспособность спроектированной в программной среде Multisim 13.0 модели телефонного аппарата.

Схема подключения осциллографа для проверки работоспособности звонка телефонного аппарата показана на рисунке 1.14. Сигнал вызова подается с помощью переключения ключа S4, при помощи генератора переменного тока амплитудой 120 В и частотой 25 Гц. Осциллограмма сигнала, полученная на модели телефонного звонка, представлена на рисунке 1.15.



Рисунок 1.14 – Схема подключения осциллографа для проверки работоспособности электромеханического телефонного звонка



Рисунок 1.15 – Осциллограмма сигнала, полученная на модели телефонного звонка

Для проверки работоспособности микрофона необходимо проверить, что речевой сигнал точно поступает с микрофона в телефонную сеть. Для этого также воспользуемся осциллографом. Схема подключения осциллографа для проверки работоспособности микрофона представлена на рисунке 1.16. Речевой сигнал имитируется генератором переменного тока амплитудой 5 В и частотой 1 кГц. Осциллограмма речевого сигнала представлена на рисунке 1.17. Канал А – осциллограмма речевого сигнала на микрофоне, канал B – на контактах ТА.



Рисунок 1.16 – Принципиальная схема для проверки работоспособности микрофона



Рисунок 1.17 – Осциллограмма речевого сигнала на входных контактах ТА (канал А) и на микрофоне BM (канал В)

Как видим, микрофон работает, и речевой сигнал не искажается.

Для проверки работоспособности телефонного динамика будем полагать, что на телефонный аппарат со стороны телефонной сети поступает речевой сигнал. При исследовании также будем использовать осциллограф. Для проверки работоспособности телефонного динамика была собрана схема, представленная на рисунке 4.6.

Как и в предыдущем исследовании, речевой сигнал имитируется генератором переменного тока амплитудой 5 В и частотой 1 кГц, как показано на рисунке 4.6. Осциллограмма речевого сигнала представлена на рисунке 1.18. Канал А – осциллограмма речевого сигнала, полученная телефонном динамике, канал B – в линии связи.



Рисунок 1.18 – Принципиальная схема для проверки работоспособности телефонного динамика



Рисунок 1.19 – Осциллограмма речевого сигнала на входных контактах ТА (канал А) и на телефоне BF (канал В)

Стоит отметить, что в программной среде Multisim 13.0 была смоделирована эквивалентная принципиальная схема телефонного аппарата, в котором производителем были установлены электронные компоненты, обеспечивающие нормальное функционирование ТА. Поэтому падение амплитуды будем считать как нормальное функционирование телефонного аппарата.



1.3.2 Схема телефонного аппарата с электрическим звонком



Теперь приступим к рассмотрению телефона с электронным звонком. Для моделирования в среде Multisim 13.0 была адаптирована схема звонковой цепи Gigasetda210. Так же, как и в параграфе 1.3.1 в схеме присутствуют эквивалент АТС, телефонной трубки и звонковой цепи. Схема представлена на рисунке 1.20.



 Рисунок 1.20 – Принципиальная схема телефонного аппарата с электронным звонком с подключением модели телефонной сети

На данном рисунке цифрой 1 обозначена принципиальная  эквивалентная схема телефонного аппарата. Цифрой 2 – принципиальная схема электронной звонковой цепи, цифрой 3 – принципиальная схема телефонной трубки, где R5 и R4 эквиваленты микрофона и динамика соответственно, а цифрой 4 – принципиальная схема АТС. S2 и S1 служат для включения вызывной и разговорной цепи соответственно. Для моделирования напряжения в сети и сигнала вызова используем V2 и V1 соответственно.

Теперь повторим использованные ранее действия для проверки работоспособности звонковой цепи. Схема для проверки работоспособности звонковой цепи и результаты проверки представлены на рисунках 1.21 и 1.22 соответственно.



Рисунок 1.21 – Схема подключения осциллографа для проверки работоспособности электронного телефонного звонка



Рисунок 1.22 – Осциллограмма сигнала, полученная на модели телефонного звонка

Как видим по осциллограмме сигнала, полученной на модели телефонного звонка, последний подает сигнал вызова с частотой, близкой к 25 Гц (период сигнала чуть меньше 40 мс). Поэтому можно, что телефонный звонок работает правильно.




ВЫВОД ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ



В первой главе были рассмотрены принципы функционирования и построения АТС, телефонных аппаратов. Существуют телефонные сети с местной и центральной батареей питания микрофонных цепей телефонных аппаратов. Было установлено, что в настоящее время практически распространены лишь телефонные сети с центральной батареей питания микрофонных цепей телефонных аппаратов. Напряжение центральной батареи большинства отечественных АТС составляет 60 В. Для вызова абонента АТС посылает серию импульсов с амплитудой 100 – 120 В с частотой 25 Гц. При снятии телефонной трубки к линии подключается разговорный узел, сопротивление постоянному току, которого, как правило, составляет 160 – 600 Ом. Напряжение в телефонной сети падает примерно до 5 – 15 В.

Телефонные аппараты в своем составе содержат: телефонный капсюль (телефон) – необходим для преобразования электрических колебаний в звуковые; микрофон – необходим для преобразования звуковых колебаний в электрические; трансформатор – нужен для развязки цепей микрофона и телефона по постоянному току; номеронабиратель – осуществляет набор номера в телефонную линию посредством управления импульсным и разговорным ключами; импульсный ключ – осуществляет непосредственно набор номера путем замыкания и размыкания линии; разговорный ключ – производит отключение разговорной схемы на время прохождения импульсов набора; диодный мост – исключает влияние полярности линии на полярность включения телефонного аппарата; «рычажный переключатель» – производит отключение телефонного аппарата от линии связи; вызывное устройство – «звонок» телефонного аппарата, подает звуковой сигнал при подаче на ТА сигнала вызова.

Кроме того, были подробно рассмотрены основные цепи телефонных аппаратов, такие как цепь вызывного устройства, микрофон, номеронабиратель, для каждой из которых были рассмотрены основные типы, которые используются в ТА.

В программной среде NationalInstrumentsMultisim 13.0 были собраны простейшие принципиальные схемы телефонного аппарата, в котором в качестве вызывного устройства установлены принципиальные схемы, имитирующие электронные звонки. С помощью инструментов доступных в программной среде NIMultisim 13.0 были проведены исследования для проверки работоспособности основных узлов телефонных аппаратов: вызывного устройства, микрофонного и телефонного капсюлей. По результатам исследования можно утверждать, что телефонные аппараты функционируют правильно.


2АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ КАНАЛОВ УТЕЧКИ ИНФОРМАЦИИ, ВОЗНИКАЮЩИХ ЗА СЧЕТ АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ



2.1 Анализ причин возникновения акустоэлектрических преобразований



Под акустической информацией, как правило, подразумевают информацию, носителями которой являются акустические сигналы. Если источником информации является речь человека, то, в этом случае, акустическую информацию называют речевой.

Источники акустических сигналов подразделяются на первичные и вторичные источники. В первом случае к ним относятся механические колебательные системы, такие как органы речи человека, а во втором случае –.......................