Способы защиты информации от помех

Основные способы защиты от помех

Для оценки эффективности защиты от помех далее используется коэффи­циент ослабления помех 20 log u_п.вх/u_п.вых, дБ.

К общим мерам уменьшения влияния помех следует отнести использование вида модуляции сигналов, обеспечивающего нужную помехоустойчивость, и повышение уровня полезного сигнала. Рациональный выбор вида модуляции сигналов может быть сделан, если известен характер помех. При таком выборе должен быть использован соответствующий материал.

Для повышения уровня полезного сигнала используется переход к импульсной модуляции. Предполагается, что при переходе от AM- к АИМ – сигналу удается сокращением длительности импульса повысить его амплитуду. Предел такому повышению сигнала ставят тепловые, временные ограничения, а в не­которых случаях электрическая прочность элементов измерительной цепи. При использовании импульсного питания измерительных цепей с тензорезисторами, закрепленными на поверхности металлической детали с достаточной теплоем­костью, удается повысить полезный сигнал более чем на порядок и ослабить влияние помех до 20 дБ. Нужно отметить, что длительность импульса, постоян­ные времени измерительной и тепловой цепей должны быть такими, чтобы за время измерения тепловой режим изменился незначительно.

Один из видов борьбы с помехами – это заземление. Виды заземлений представлены на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Различные схемы заземления ИИС

Для уменьшения влияния продольных помех используется ряд мер. Одна из них – гальваническое разделение частей цепи, в которых имеются места за­земления. Гальваническое разделение производится преимущественно с помощью трансформаторов, разделительных конденсаторов и оптронов. Принцип их действия приведен на рис. 6.3. Ключи могут быть как контактными, так и бесконтактными. Гальваническое разделение измерительных цепей с помощью оптронов наиболее эффективный метод устранения помех.

Рис. 6.3. Варианты схем гальванической развязки: а) оптронная (оптическая) развязка; б) трансформаторная (электромагнитная) развязка

На рис. 6.4 представлена схема для уменьшения продольных помех с разделительным (рис 6.24,а) и компенсирующим трансформаторами.

Рис. 6.4. Измерительные схемы для уменьшения продольных помех с разделительными (а) и компенсирующим трансформаторами (б)

Э₁, Э₂ – экраны; r_и, r_л – сопротивления генераторного датчика и проводов; Е_пд – ЭДС продольной помехи; L₁,L₂,L₃ – обмотки компенсирующего трансформатора

Наконец, используются мостовые цепи, сбалансированные по напряжению продольной помехи, и компенсирующие трансформаторы.

На рис. 6.4,б представлен трехобмоточный (L₁,L₂,L₃) трансформатор, в обмотках L₁ и L₂ которого наводятся напряжения, компенсирующие влияние помехи Е_ПД.

Имеются трансформаторы (фирма Philips), у которых индуктивность обмо­ток равна 400 Гн, а активное сопротивление – 240 Ом; в такой схеме происхо­дит уменьшение продольной помехи 50 Гц примерно в 500 раз.

На рис. 6.5 приведена измерительная схема для уменьшения продольной и поперечной помех с помощью компенсирующего трансформатора и разделительного конденсатора.

Рис. 6.5. Измерительные схемы для уменьшения продольных и поперечных помех: ТП – термопара; КТ – компенсирующий трансформатор; С – разделительный конденсатор

Другая мера – симметрирование входной измерительной цепи (рис. 6.6). Напряжение от продольной помехи Еад, на входе АВ: при стремится к нулю. Если соединить точку между R_ВХ1 и R_BX2 с землей через высокоомное сопротивление Ro, то можно добиться дополнительного уменьшения u_(пд)ав.

Рис. 6.6. Симметрирование входной цепи

Защита измерительных цепей от внешних наведенных (поперечных) помех достигается рядом мер, к числу которых относятся уменьшение длины прово­дов за счет приближения к датчикам аналого-цифровых измерительных устройств, а также сближение и скрутка проводов, идущих к датчикам. При скрутке проводов ЭДС, наводимые в отдельных элементарных контурах, вычитаются, и благодаря этому удается уменьшить влияние поперечных помех на измерительные провода на несколько порядков.

Применяют также магнитное и электростатическое экранирование входных цепей от низкочастотных и высокочастотных магнитных полей. Экраны должны иметь замкнутую поверхность, охватывающую измерительную цепь и отдельно источники переменного тока. Части систем с разными потенциалами или имею­щие гальванические развязки должны иметь свои экраны. Экранировка прово­дов может ослабить наведенные помехи 50 Гц до 30 дБ.

Компенсировать наведенные помехи можно путем организации специальных контуров. Типичные решения при этом связаны с трехпроводными схемами под­ключения датчиков, применением компенсирующего трансформатора и др. При использовании параметрических датчиков можно изменять полярность питания измерительной цепи и брать среднее из суммы и разности полезного сигнала u_c и помехи .

При синусоидальной наведенной помехе возможно выполнение измерений в моменты, когда помеха принимает допустимо малый размер. При таком мето­де удается получить значительное ослабление помехи.

Для уменьшения внутренних помех целесообразно провода питания про­кладывать и экранировать отдельно от измерительных проводов с низким уров­нем полезного сигнала, коммутация сигналов высокого и низкого уровней долж­на проводиться отдельными коммутаторами. В необходимых случаях следует использовать специальные средства защиты от перерывов питания.

Должны быть продуманы места заземления измерительных цепей. Неко­торые из таких мест определяются правилами электробезопасности или техно­логическими приемами монтажа элементов измерительной цепи (например, при­соединением спая термопар к металлической поверхности). Некоторые точки заземления могут появиться в процессе измерительного эксперимента, напри­мер, из-за нарушения сопротивления изоляции, что может привести к органи­зации контуров, вызывающих дополнительные погрешности. Такие контуры об­разуются, если заземлять экраны в нескольких точках. При проектировании системы рекомендуется составить и проанализировать схему заземления, а при наладке — уточнить ее. Дальнейшее повышение помехоустойчивости может быть достигнуто обра­боткой суммы сигнала с помехой, имеющей случайный характер, в аналоговом или цифровом виде. Наиболее часто встречающиеся здесь виды обработки — это фильтрация и накопление сигналов, в течение которого происходит усред­нение.

В интегрирующих аналогово-цифровых преобразователях ослабление влия­ния помех может достигать 100 дБ. Индивидуальные фильтры, как правило, просты (обычно однозвенные RС — фильтры). Их частотная характеристика выбирается, исходя из спектральных характеристик сигналов и помехи. Удобные номограммы для расчета RC-филътров можно найти в литературе. Ослабление сигнала и внесение запаздывания — наибольшие недостатки фильтрации. На практике при фильтрации и избира­тельном усилении удается ослабить помехи на 40 дБ, а при методе накопле­ния — на 120 дБ.

При проектировании аналоговых измерительных цепей выбирается такой комплекс средств защиты, при котором действие помехи не превышает заданно­го уровня.

Вопросы для самопроверки.

1. Назовите способы повышения точности измерений.

2. Классифицируйте методы уменьшения погрешностей измерений.

3. На какие группы делятся помехи по характеру их проявления?

4. Что понимается под помехоустойчивостью ИИС?

5. Какие виды помех Вам известны?

6. Причины возникновения внутренних помех.

7. Отчего возникают внешние помехи?

8. Приведите пример, показывающий возможный уровень помех от промышленного агрегата.

9. Расскажите об импульсных, флуктуационных и регулярных помехах.

10. Каковы основные способы защиты от помех?

11. Какие виды заземлений вам известны? Их обозначения.

12. Как влияет вид модуляции на повышение уровня полезного сигнала?

13. Что такое гальваническая развязка? Какие виды гальванической развязки Вам известны?

14. Расскажите об электрических схемах для уменьшения продольных помех.

15. Расскажите о схемах для уменьшения продольных и поперечных помех.

Источник

Основные источники шумов и помех и методы борьбы с ними

Мультимедиа без помех

Вы включаете телевизор, чтобы посмотреть новости или хоккей, и вдруг экран заполняется черными точками, а из динамиков вместо голоса диктора раздается противное шипение. Что это? А это ваш сосед бреется неисправной электробритвой. Бритву выключили, но стало еще хуже: экран дергается, синхронизация изображения нарушена, а в звуковом канале что-то грохочет и взрывается. А это что? – спросите вы. А это соседка сняла трубку китайского радиотелефона, который по странной случайности настроен на несущую первого метрового телевизионного канала.

В последние десятилетия проблема взаимного воздействия на радиоэлектронные уст-ройства непреднамеренных помех (специалисты говорят о проблеме электромагнитной совместимости, ЭМС) стала настолько острой, что иногда для обеспечения ЭМС приходится искусственно снижать технические характеристики аппаратуры.

Не лучше обстоит дело и при передаче на большие расстояния изображения и звука. Человеческий глаз и ухо – очень чувствительные инструменты, мгновенно замечающие малейшие нарушения качества. Инженерам приходится искать все более сложные и дорогостоящие технические решения, чтобы обеспечить передачу изображения и звука на большие расстояния без существенной потери качества.

Оставив в стороне эфирные каналы передачи информации, кратко рассмотрим источники шумов и помех в проводных линиях передачи аудио- и видеоинформации.

Итак, требуется передать сигнал (телевизионный, компьютерный, звуковой и т.д.) из одного пункта (Источник) в другой пункт (Приёмник). Если кабель короток (например, 1 метр), то многие из рассматриваемых проблем, скорее всего, не возникнут, хотя в некоторых случаях даже такое расстояние может оказаться губительным для сигнала.

Если же реальному кабелю суждено проделать длинный и извилистый путь в помещении или на открытом пространстве, сигнал в нём неизбежно подвергнется воздействию многих негативных факторов.

Основными источниками шумов и помех принято считать:

• Индустриальные помехи;
• Наводки от соседних цепей;
• Разъемы низкого качества;
• Реактивное сопротивление кабеля и низкое качество кабеля;
• Неточное согласование кабеля с волновым сопротивлением передатчика и приемника;
• Питание от разных фаз и наличие «петель заземления», дающих помехи по «земле».

Второстепенными источниками шумов являются гальванические и электролитические процессы, трибоэлектрический эффект 1 и вибрации кабелей.

Индустриальные помехи – эти помехи, называемые также промышленными помехами, проявляют себя в местностях, где работают электростанции и различные электрические установки, аппараты и приборы: электродвигатели, аппараты электросвязи, медицинские приборы, ЭВМ, электросварочные аппараты, электрические звонки, системы электрического зажигания двигателей внутреннего сгорания. Помехи, создаваемые приему другими радиостанциями также можно отнести к индустриальным помехам.

Наводки от соседних цепей возникают в тех случаях, когда сигнальный провод или кабель попадает в зону действия электромагнитного поля, создаваемого другим проводом или кабелем. Например, если в квартире рядом проложены телефонный провод и радиотрансляционная линия, то, сняв телефонную трубку, иногда можно будет услышать музыку или речь. Это и есть наводки от соседних цепей. Особенно чувствительны к таким наводкам кабели для небалансных сигналов (например, коаксиальные) с невысоким качеством экранировки (один слой небрежно выполненной оплётки).

Разъемы низкого качества обычно плохо экранированы, но это еще полбеды. Основным источником шумов в разъемах бывают так называемые контактные шумы, которые возникают вследствие несовершенства контакта между материалами штыря и гнезда. Контактные шумы прямо пропорциональны величине протекающего через контактную пару тока, а плотность распределения мощности шумов обратна частоте. Если разъем совсем скверного качества, то возможно даже возникновение «дребезга» и искрение. Если материалы в разъеме подобраны неправильно, без учета их взаимного положения в гальваническом ряду, то между ними может возникнуть своеобразный электрохимический элемент, создающий шумы и ускоряющий коррозию.

Сам по себе кабель, особенно если он экранированный, не является источником существенных шумов, однако, от его качества сильно зависит затухание сигнала в линии, а от индуктивных и емкостных (реактивных) характеристик – искажения передаваемого сигнала. Любой кабель имеет проходное омическое сопротивление, ёмкость и индуктивность. Последние два параметра, равно как и потери в диэлектрике кабеля (tgδ) и некоторые другие факторы особенно сильно влияют на качество передачи высокочастотных составляющих сигнала – информации о мелких деталях и цвете в аналоговом видео, фронтов импульсов в цифровом сигнале. Чем длиннее кабель и чем шире спектр передаваемого сигнала, тем больше будут потери.

Характерное для кабеля волновое сопротивление может колебаться по его длине (за счёт его недостаточного качества или ошибок в прокладке), что приводит к возникновению отражений и «размытию» и ряби на картинке.

Неправильно заземленный кабель – мощный источник искажений и помех.

Режим электрической цепи, при котором сопротивление приемника равно сопротивлению линии, называется режимом согласованной нагрузки. Если нагрузка несогласованна, то часть передаваемого сигнала не поступит в приемник, а отразится в виде обратной волны, снижая уровень передаваемого сигнала и создавая искажения.

Неправильно спроектированное питание аппаратуры (от разных фаз сети переменного тока) и неправильно организованные контуры заземления способны вызвать появление мощных помех, борьба с которыми в уже смонтированной аппаратуре чрезвычайно сложна и малоэффективна. Подключение «земли» сигнального кабеля к общему контуру заземления (или зануления) в нескольких точках приводит к образованию «петель» заземления, а запитывание приёмника и источника сигнала от разных фаз сети переменного тока может даже при полностью исправных источниках питания устройств вызвать появление значительной разности напряжений между ними (и небольших токов, которые будут «выравниваться» через экран сигнального кабеля, создавая характерный фон переменного тока).

Все вышеуказанные факторы приводят к уменьшению расстояния, на который можно передать сигнал без заметных искажений (с допустимым уровнем качества). На практике, при использовании только пассивных мер по обеспечению качества передачи (о них – далее), обычно достигаются следующие расстояния:

Аналоговое видео

Композитный видеосигнал – передаётся по коаксиальному кабелю с волновым сопротивлением 75 Ом, используются байонетные разъёмы (BNC, в бытовой технике используются «тюльпаны» – RCA). Спектр стандартного сигнала не превышает 6 МГц, а расстояние передачи достигает 50-100 метров. Ограничивает расстояние, в основном, затухание сигнала (падение его амплитуды). Толстый коаксиальный кабель с толстым одножильным центральным проводником обеспечивает лучшие результаты. Падение амплитуды до некоторой степени парируется регулятором яркости, при дальнейшем увеличении расстояния в сигнале теряется синхронизация.

Видеосигнал S-video (YC) – передаётся по двум параллельным коаксиальным кабелям. Имеет почти такие же спектральные параметры, что и композитный. Передаётся чуть хуже, т.к. может возникать некоторый разбег фаз между сигналами в двух кабелях.

Компонентный видеосигнал (YUV/YPbPr, RGB, RGBS, RGBHV/VGA) – передаётся по нескольким (3-5) параллельным коаксиальным кабелям. Сигнал имеет гораздо более широкий спектр (до 30 МГц для YUV/RGBS, более 300 МГц для VGA/UXGA). Ограничивает расстояние (5-30 метров) подавление ВЧ-составляющих (потеря резкости), затухание сигнала, разбег фаз сигналов. Максимальное расстояние (до 30-60 метров) достигается только при очень качественных и толстых (дорогих) кабелях.

Цифровое видео

Цифровой видеосигнал SDI (Serial Digital Interface) передаётся по толстым коаксиальным кабелям с волновым сопротивлением 75 Ом, используются байонетные разъёмы (BNC). Стандартный видеосигнал имеет полосу до 270 Мбит/с (фактически – МГц), сигналы телевидения высокой чёткости HDTV могут иметь полосу до 1300 Мбит/с. Несмотря на столь широкую полосу сигнала, SDI обычно удаётся передавать на расстояние до 50-200 метров, ограничиваемое, в основном, затуханием сигнала и нарастанием джиттера (дрожания фаз цифровых импульсов). Для сигнала HDTV расстояния обычно значительно меньше.

Цифровой видеосигнал DVI (Digital Video Interface) передаётся по специальному кабелю из медных витых пар. Ширина спектра сигнала – до 165 МГц (для двух каналов получается в сумме до 330 МГц), при этом расстояние передачи ограничено 5 метрами.

Аудиосигналы

Небалансные аудиосигналы обычно передаются по экранированному кабелю, с разъёмами RCA («тюльпаны», иногда используются и другие соединители). На входе приёмника согласованная нагрузка не используется (вход должен быть высокоомным). При спектре сигнала до 20 кГц реально не стоит передавать такие сигналы более чем на 10-30 метров.

Балансные аудиосигналы чаще всего транслируются по экранированным витым парам проводов с разъёмами XLR. Такие сигналы гораздо устойчивее к воздействию помех и наводок, поэтому часто используются для подключения микрофонов. Сигналы большего уровня (линейного и выше) можно передавать на расстояние до 200 м и более.

Все возможные источники помех следует предусматривать на этапе проектирования и тогда же закладывать в систему методы и средства противодействия им.

Различают пассивные и активные методы борьбы с шумами и помехами.

Пассивные методы борьбы с шумами и помехами состоят:

• В уменьшении длины кабельных сетей до разумного минимума и уменьшении количества кабелей;
• В использовании кабелей и разъемов только высокого качества, от известных фирм-производителей;
• В прокладке кабелей с радиусами большого изгиба, чтобы избежать помех от так называемого трибоэлектрического эффекта (накапливания заряда внутри кабеля);
• В разделении стволов сигнальных и силовых кабелей;
• В использовании согласованных нагрузок;
• В таком использовании аппаратуры, чтобы ее рабочие режимы находились значительно ниже предельных;
• В использовании самого устойчивого к помехам интерфейса. Лучше всего передавать цифровой сигнал SDI, далее – композитный, S-video и, наконец, компонентный и VGA.

Активные методы борьбы с шумами и помехами состоят:

• В использовании промежуточных усилителей сигналов, которые компенсируют их затухание в линии из-за омического сопротивления и потери на высоких частотах из-за реактивности кабеля;
• В переходе на витую пару. Если вместо коаксиального кабеля использовать неэкранированную витую пару (UTP), то кроме весьма существенного экономического выигрыша (витая пара намного дешевле коаксиального кабеля), мы получаем возможность передавать сигналы на очень большие расстояния – композитный или S-video-сигнал на расстояние до 1 км, а VGA-сигнал – на 300 м. Проблемы с наводками и помехами по «земле» при этом в значительной мере снижаются.
• В переходе на оптоволоконный кабель при необходимости передачи сигнала на очень большие расстояния (до 25 км.). Оптоволоконная линия связи полностью развязана по «земле» и в ней гарантированно отсутствуют помехи.

Если возможности пассивного решения проблемы доставки сигналов исчерпаны (или не дают полной гарантии качества), следует ввести в схему дополнительные активные элементы.

При работе на длинную линию связи многие источники сигнала могут оказаться неспособными «вытянуть» такую линию. К тому же в них обычно не предусмотрено никаких регулировок, способных скомпенсировать потери сигнала в линии. Решением может быть добавление усилителя мощности на выходе источника сигнала.

Использование усилителя мощности

В таком усилителе обычно предусматривается как регулировка усиления (амплитуды сигнала на выходе), позволяющая скомпенсировать омическое сопротивление кабеля, так и регулировка амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в области высоких частот – для компенсации высокочастотных потерь в кабеле из-за его проходной ёмкости, индуктивности и диэлектрических потерь.

• Усилитель компенсирует затухание сигнала (из-за сопротивления кабеля) и потери на высоких частотах (из-за ёмкости и индуктивности);
• Немного улучшает отношение сигнал/шум или помеха (на величину своего усиления, обычно не более 1-2 дБ);
• Усилитель может иметь несколько выходов для работы на несколько приёмников (называется усилителем-распределителем; стандартный видеовыход источника сигнала не может работать одновременно на несколько приёмников);
• В некоторых случаях позволяет скомпенсировать (своими регуляторами) различия в уровнях сигналов, выдаваемых источником (иногда даже небольшие отклонения в выходном напряжении передатчика и чувствительности приёмника могут приводить к искажениям яркости и цвета на экране, а иногда и к подрывам синхронизации).

• Усилитель не может бороться с помехами эффективно. Максимальное расстояние ограничивается в этом случае именно помехами, т.к. кабель работает в той же помеховой обстановке, что и без усилителя.
• Возможно ограничение сигнала при слишком сильном усилении. Возможности любого усилителя небезграничны, и слишком большие потери в линии скомпенсировать не удастся — в этом случае можно посоветовать либо разбить длинный кабель на части с промежуточными усилителями между ними (каскадное включение), либо перейти на другой способ передачи (скажем, на витую пару или оптоволоконный кабель)
• Каскадное включение нескольких усилителей (см. предыдущий абзац) может привести к искажению и зашумлению сигнала, поскольку каждый последующий усилитель усиливает также и все шумы и помехи, которые накопились в линии связи до него.

Использование витой пары (UTP)

Иногда использование коаксиальных кабелей не даёт нужного результата – расстояние оказывается слишком большим, помехи – слишком сильными, а проблемы с «петлями» по контуру заземления – трудноразрешимыми. В этом случае следует с помощью специальных устройств преобразовать сигнал в балансный и передавать его по кабелям из обычной витой пары – и при этом избавляться от перечисленных проблем.

Специальный передатчик преобразует входной сигнал в сигнал для стандартного кабеля UTP категории 5 или выше (используется для прокладки компьютерных сетей Ethernet), приёмник на другом конце линии связи осуществляет обратное преобразование. Для связи используется только неэкранированный кабель (Unshielded Twisted Pair, UTP), экранированный кабель STP работать не будет (у него слишком большая проходная ёмкость). Кабель UTP много дешевле высококачественного коаксиального кабеля, и при больших длинах линии связи (даже с учётом цены дополнительных передатчика и приёмника) тракт передачи сигнала в целом оказывается даже дешевле. Кабели UTP обычно закладываются в современных зданиях уже на этапе проектирования, то есть во многих случаях для передачи сложных видео и аудиосигналов можно воспользоваться уже имеющейся проводкой, что дополнительно удешевляет проект. Использование специального балансного сигнала и качественной витой пары позволяет передавать сигналы на очень большие расстояния: композитный или S-video – до 1 км, VGA – более 300 м, при этом уменьшаются и проблемы с наводками и помехами по «земле».

Использование ВОЛС

Если нужно передавать видеосигнал на особо длинные расстояния, можно перейти к использованию волоконно-оптической линии связи (ВОЛС). При этом проблем с помехами и контурами заземления не возникает в принципе. При использовании многомодового кабеля композитный сигнал можно передавать на расстояние до 5 км, а при использовании одномодового кабеля – до 25 км.

Выводы:

1. Проектирование систем передачи сигналов на большие расстояния должно проводиться с учетом их защиты от шумов и помех.
2. Защищать от воздействия шумов и помех уже спроектированные без учета ЭМС системы, как правило, сложно, дорого и малоэффективно.
3. Основными источниками шумов и помех принято считать: индустриальные помехи; наводки от соседних цепей; разъемы низкого качества; реактивное сопротивление кабеля и низкое качество кабеля; неточное согласование кабеля с волновым сопротивлением передатчика и приемника; питание от разных фаз и наличие «петель заземления». Второстепенными источниками шумов являются гальванические и электролитические процессы, трибоэлектрический эффект и вибрации кабелей.
4. Методы борьбы с шумами и помехами принято делить на пассивные и активные. Пассивные методы, в общем, дешевле, но менее эффективны. Наибольший эффект дают активные методы, состоящие в использовании специальных промежуточных усилителей сигнала, передаче балансного сигнала по витой паре и переходе на оптоволоконные линии связи.

Таблица. Ограничение по расстоянию передачи

Источник