close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Система защищенной передачи информации на основе неавтономного контура «Rl-мдп-диод» с параметрическим нелинейным подмешиванием.

код для вставкиСкачать
Вестник СГТУ. 2012. № 4 (68)
УДК 621.391, 621.396
Е.Е. Глуховская, А.О. Мантуров
СИСТЕМА ЗАЩИЩЕННОЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ
НЕАВТОНОМНОГО КОНТУРА «RL-МДП-ДИОД» С ПАРАМЕТРИЧЕСКИМ
НЕЛИНЕЙНЫМ ПОДМЕШИВАНИЕМ
Рассмотрены особенности построения системы защищенной передачи
информации на принципе нелинейного подмешивания и инверсного преобразования
«ток-напряжение-ток». Рассматривается возможность модификации известной
системы на основе контура «RL-диод с pn-переходом» за счет введения схемотехнического эквивалента центров захвата неосновных носителей Предложены принципы построения альтернативной системы, где в качестве нелинейного элемента
используется диод структуры «металл-диэлектрик-полупроводник».
Защита информации, динамический хаос, инверсная система
E.E. Glukhovskaya, A.O. Manturov
SECURE INFORMATION TRANSMISSION SYSTEM
BASED ON NONAUTONOMOUS RL-MOS DIODE CIRCUIT
WITH PARAMETRICAL NONLINEAR MIXING
The features of the secure information transmission system based on the principle
of non-linear mixing and inverse «current-voltage-to-current» transform is discussed.
The principle of the alternative system design, where the non-linear element is MetalInsulator-Semiconductor Diode, is proposed. The possibility of modification of the wellknown system based on the circuit «RL-pn-Junction Diode» through the introduction of
circuit equivalent of minority carrier traps considered also.
Secure Information Transmission, Dynamical Chaos, Inverse System
Введение
Использование принципа инверсного преобразования сигнала при его передаче с помощью
хаотических последовательностей известно достаточно давно [1]. В частности, в [2] рассмотрено по192
Информационные технологии
строение инверсной неавтономной системы для передачи информации хаотическим сигналом, порождаемым неавтономной последовательной цепью «сопротивление – индуктивность – полупроводниковый диод с pn-переходом» (RL-диод контур). В предложенной системе имеются «передатчик» и
«приемник», содержащие идентичные по параметрам RL-диод контуры, а к «передатчику» подводятся сигнал внешнего воздействия вида E sin ωt и информационный сигнал S(t). Под воздействием
сигнала внешнего воздействия в «передатчике» возбуждаются хаотические колебания, в которых
присутствует и передаваемый информационный сигнал S(t). Таким образом, обеспечивается защищенность передачи информации между «передатчиком» и «приемником» путем маскировки передаваемого сообщения несущим хаотическим сигналом в канале связи
Результаты моделирования вышеописанной системы передачи информации с помощью
средств LT SPICE показали [3], что вне зависимости от метода введения информационного сигнала
S(t) в формируемый хаотический сигнал, степень маскировки передаваемого сообщения оказывается
невысокой. В частности, наличие информационного сигнала, введенного в несущий хаотический
сигнал, возможно обнаружить путем анализа реализации сигнала в канале связи. Из рассмотрения
результатов численного моделирования можно видеть, что указанная демаскировка наблюдается как
в реализации U(t), так и в спектре мощности, рассчитанном для сигнала U(t). Попытки снизить степень демаскировки путем уменьшения действующей амплитуды сигнала S(t) не приводят к существенному повышению скрытности передаваемого сообщения, и, с другой стороны, ограничены
ухудшением отношения «сигнал/шум» на выходе «приемника». В связи с изложенным целью данной
работы явилось создание простейшей системы защищенной передачи информации на принципах инверсного преобразования, на основе применения цепей вида «RL-полупроводниковый диод», с повышенной степенью маскировки передаваемого сообщения. Очевидно, что поставленная задача может
быть решена путем существенного усложнения структуры схемы, формирующей хаотический сигнал
(например, за счет перехода к сигналам с высокой размерностью фазового пространства, или за счет применения автономных схем, генерирующих хаотические колебания [1]). Другой подход состоит в использовании нелинейного элемента – диода, с достаточно сложной эквивалентной схемой (или, иначе говоря,
с более сложной динамикой неосновных носителей, «ответственных» за возбуждение хаотических режимов в нелинейном неавтономном контуре «RL-диод»). В настоящей работе рассматривается именно такой подход, для чего в качестве нелинейного элемента-диода в состав неавтономного контура «RL-диод»
введен диод структуры «Металл-Диэлектрик-Полупроводник» (МДП) [4].
Система защищенной передачи информации с неавтономным контуром «RL- МДП диод»
Построим модель системы передачи информации на принципе инверсного преобразования
«ток – напряжение – ток», в которой в качестве нелинейного элемента будет выступать МДП-диод.
Модель МДП-диода представим в виде эквивалентной схемы [4], содержащей источник тока, управляемый напряжением i(U), нелинейную емкость C(U) и инерционную цепь из последовательно соединенных сопротивления Rs и емкости Cs. Инерционная цепь RsCs позволяет имитировать действие
центров захвата заряда неосновных носителей (поверхностных состояний в МДП-диоде) [4]. Моделирование системы передачи информации будем выполнять с привлечением средств симулятора LT
SPICE (рис. 1).
Рис. 1. Система передачи информации на основе неавтономного контура «RL- МДП-диод»
При незначительной расстройке параметра τs=RsCs (постоянная времени поверхностных состояний) в «приемнике» наблюдается появление сигнала ошибки восстановления сигнала внешнего
воздействия E sin ωt, что хорошо заметно на реализации V(Output) (рис.2 а,б).
193
Вестник СГТУ. 2012. № 4 (68)
a
б
Рис. 2. Появление ошибки восстановления сигнала внешнего воздействия
при расстройке постоянной времени инерционной цепи схемы «передатчика» τsTX
относительно постоянной времени цепи «приемника» τsRX: а – τsTX< τsRX CsRX=5пФ, б – τsTX>τsRX CsRX=6пФ
Ошибка восстановления возникает в «приемнике» на участках реализации напряжения в канале связи V(test), соответствующих быстрому изменению тока в цепи RL-диод контура «передатчика». В свою очередь, указанные быстрые изменения связаны с процессами аккумуляции-релаксации
заряда неосновных носителей в области пространственного заряда МДП-диода, а также на поверхностных состояниях [4]. Интересно отметить, что при расстройке параметра τs в схеме «передатчика»
в сторону увеличения или уменьшения относительно данного значения τs в схеме «приемника», полярность сигнала ошибки на выходе «приемника» изменяется. Указанное явление, очевидно, возможно использовать для «модуляции» хаотического сигнала в канале связи передаваемым информационным сигналом. Схема, реализующая такой принцип «модуляции» с использованием схемотехнического аналога МДП-диода, приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема системы защищенной передачи информации со схемотехническим эквивалентом МДП-диода
на основе силового диода типа 1N4007 и инерционной цепи, включающей варикап и сопротивление.
V2 – источник информационного сигнала
Принцип параметрического нелинейного подмешивания
Физически модуляция (расстройка) параметра τs в МДП-диоде может быть осуществлена за
счет изменения изгиба зон на границе «диэлектрик-полупроводник» [4]. При этом по мере достижения границей зоны проводимости энергетических уровней поверхностных состояний последние будут включаться в процессы обмена неравновесными носителями с областью пространственного заряда, и, таким образом, изменять суммарную емкость МДП-диода. Благодаря квазинепрерывному распределению энергетического спектра поверхностных состояний их полная емкость будет меняться
непрерывно согласно изменению приложенного к МДП-диоду напряжения. Отметим, что принципиальная разница между предлагаемым подходом и ранее известным принципом нелинейного подмешивания состоит в том, что информационный сигнал не формирует прямого тока через диод в контуре «RL-диод» и, следовательно, не порождает неосновных носителей, аккумуляция и релаксация которых приводит к хаотизации колебаний тока в контуре. Хаотические колебания возбуждаются только за счет действия сигнала внешнего воздействия E sin ωt, но их характеристики зависят от параметра, влияющего на накопление неосновных носителей. В свою очередь, именно указанный параметр
подвергается модуляции информационным сигналом. В схеме, приведенной на рис. 3, для имитации
квазинепрерывного изменения емкости поверхностных состояний используется варикап D3. Путем
задания начального постоянного смещения на варикапе в отсутствие информационного сигнала производится настройка схемы «передатчика» под значение параметра τs «приемника», при этом сигнал
ошибки на выходе «приемника» становится двуполярным.
194
Информационные технологии
а
б
Рис. 4. Восстановление информационного сигнала: а – информационный сигнал на входе «передатчика»,
б – восстановленный информационный сигнал на выходе детектора огибающей
При введении информационного сигнала (гармонический сигнал частотой 1 кГц, рис. 4а) возникает модуляция постоянной времени τs схемы «передатчика», а на выходе приемника появляется
сигнал ошибки, огибающая которого полностью повторяет передаваемый информационный сигнал.
Таким образом, в схеме «передатчика» реализуется, по сути, параметрическая модуляция хаотического сигнала, а сам используемый принцип введения информации в хаотический сигнал оказывается
основанным на модуляции параметра пассивной схемы (контура «RL-диод»), демонстрирующей хаотическое поведение. При анализе реализации и спектра мощности сигнала в канале связи не обнаруживается присутствие введенного информационного сигнала. Указанная маскировка сохраняется даже для достаточно больших амплитуд информационного сигнала (в эксперименте величина амплитуды информационного сигнала была выбрана 1В). Для восстановления информационного сигнала на
выходе «приемника» может быть использована схема детектора огибающей, на выходе которого
присутствует полностью восстановленный информационный сигнал (рис. 4б).
Заключение
В работе рассмотрен альтернативный подход к построению системы защищенной передачи
информации на принципах инверсного преобразования, использующей простую неавтономную схему «индуктивность – сопротивление – полупроводниковый диод» в качестве модулируемого источника хаотического сигнала. Благодаря особенностям используемого диода структуры «МеталлДиэлектрик-Полупроводник», в схеме «передатчика» реализуется управление хаотическими колебаниями без существенного (или же заметного) изменения реализации или спектра мощности хаотического сигнала в канале связи, что позволяет увеличить скрытность самого факта передачи информации в открытом канале связи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дмитриев А.С. Динамический хаос как парадигма современных систем связи / А.С. Дмитриев,
А.И. Панас, С.О. Старков // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 1997.
№ 10. С. 4-26.
2. Bohme F. The Chaotizer-Dechaotizer Channel F. Bohme, W. Schwarz // IEEE transactions on circuits and systems. 1. Fundamental theory and applications. 43(7), 1996. P. 596-599
3. Мантуров А.О. Моделирование простой схемы передачи информации на основе нелинейного неавтономного осциллятора / А.О. Мантуров, Е.Е. Глуховская, Ю.А. Тимошенко // Вестник
СГТУ. 2009. №4 (43). Вып. 2. С. 128-130.
4. Зи С. Физика полупроводниковых приборов / С. Зи. М.: Мир, 1984.
Глуховская Елена Евгеньевна –
аспирант кафедры «Информационная
безопасность автоматизированных систем»
Саратовского государственного технического
университета имени Гагарина Ю.А.
Elena E. Glukhovskaya –
Postgraduate
Department of Information Security
of Automated Systems
Gagarin Saratov State Technical University
Мантуров Алексей Олегович –
кандидат физико-математических наук, доцент
кафедры «Информационная безопасность
автоматизированных систем» Саратовского
государственного технического университета
имени Гагарина Ю.А.
Alexey O. Manturov –
Ph. D., Associate Professor
Department of Information Security
of Automated Systems
Gagarin Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 12.08.12, принята к опубликованию 06.11.12
195
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа