О лаборатории специальных исследований. Часть 2.

Автор: Кондратьев А.В.

Часть четвёртая

Итак, измерения электрических сигналов. В тематике ТЗИ этим приходится заниматься, выявляя технические каналы утечки информации (ТКУИ) за счёт акустоэлектрических преобразований (АЭП НЧ и ВЧ), за счёт различного рода наводок и за счёт ВЧ-навязывания. Во всех случаях рассматривается (измеряется) электрический сигнал в проводящей среде (проводной линии или иной проводящей среде, например, в трубе системы отопления).

Во всех перечисленных вариантах должно быть измерено либо напряжение переменного тока, либо сила тока (второй вариант менее востребован, но, тем не менее - применяется).

Что необходимо положить в основу рассуждений?

Обратимся вновь к гос. реестру средств измерений. Для измерения перечисленных выше физических величин применяются средства измерения под наименованием «ВОЛЬТМЕТР» и «АМПЕРМЕТР». Как более частная характеристика – селективные. То есть избирательные по частоте измеряемого сигнала. Диапазон частот измеряемых сигналов от десятков Гц до единиц ГГц (в соответствии с действующими в проблематике НМД). Одним прибором такой диапазон не измерить… Теоретически можно было бы, но не нужно. Тем более, что по отношению к разным сигналам в разных диапазонах частот, важны разные параметры и свойства средства измерения.

Начнём «снизу», с речевого диапазона. В советское время основным средством измерения в этом диапазоне частот был «селективный вольтметр», по старому обозначению типа В6-хх. Иногда применялся «селективный усилитель» - У2-хх (по сути – то же самое). Сейчас, чаще всего, применяется общее название «анализатор спектра». Причём, как и в тематике АВАК, большую часть парка средств измерений составляют приборы цифрового типа. То есть измеряемый сигнал либо напрямую, либо после предварительного калиброванного усиления, оцифровывается и, далее, вся его обработка ведётся исключительно вычислителем (процессором). Приборы с аналоговым построением измерительного тракта ещё есть в эксплуатации (в том числе отечественные В6-хх, польские Unipan и т.д.). О предварительном усилении очень слабых сигналов скажем ниже.

Вообще, как не хотелось бы прослыть ретроградом, но аналоговые селективные вольтметры в ряде случаев и сейчас имеют ряд преимуществ по сравнению с цифровыми анализаторами. В тонкости применения мы сейчас вдаваться не будем, это отдельная тема. Отметим лишь, что аналоговые приборы, в большинстве своём, имеют более низкий уровень собственных шумов одновременно с неплохим динамическим диапазоном. Кроме того, чисто ручное управление, несмотря на свою архаичность, имеет и свои преимущества.

Цифровые анализаторы спектра, практически без исключений, являющиеся устройствами последовательного анализа, очень наглядно показывают визуализацию спектра сигналов. Качество очень ценное, особенно учитывая возможность свободного масштабирования «картинки» по частоте. Кроме того, весьма удобным свойством цифровых систем является постоянная по рабочему диапазону полоса пропускания (у аналоговых «селективников» она часто зависит от частоты настройки, чем выше частота – тем шире полоса пропускания). Это особенно важно при оценке (измерении) шумов и широкополосных сигналов.

Однако это, практически, все преимущества «цифровиков». И недостатков хватает тоже… Самый основной – это невысокие параметры по собственным шумам. При измерении слабых сигналов (а в большинстве случаев это так и есть) недостаток серьёзный. Кроме того, как и в любом последовательном анализаторе, есть жёсткое соотношение между полосой пропускания, скоростью сканирования и ошибкой измерения (и по амплитуде сигнала и по его частоте). Невозможно работать узкой полосою – быстро. Оператор обязан постоянно помнить об этом. Можно полагаться на автоматику, в большинстве моделей анализаторов есть такой режим, автоматически устанавливающий время сканирования в зависимости от полосы пропускания (RBW) и диапазона сканирования (Span). Но, почему-то так получается, что это всегда слишком медленно :-)

Некоторым особняком проходят средства измерения, основанные на корреляционных методах выделения сигналов из смеси сигнал/помеха. Когда-то единственным (аналоговым) представителем такого класса был фазочувствительный нановольтметр «Unipan тип 232B». Сейчас линейка таких приборов более развита. С их помощью возможно «вытягивать» сигналы (особенно строго детерминированные, «синусоидальные») с отношениями сигнал/помеха много меньше единицы. И в этом смысле их применение весьма эффективно. Правда и схема измерения оказывается сложнее, поскольку нужно обеспечить наличие опорного сигнала и при этом гарантировать отсутствие паразитного просачивания его «на вход» тракта измерения. Автор много лет эксплуатировал старенький Unipan 232В и искренне считает его лучшим прибором прошедших десятилетий.

Сегодня такие средства измерения (их общее определение – техника «Lock In») предлагает фирма FEMTO (и не только она). Кроме того, реальное применение могут найти широкополосные малошумящие усилители (для предварительного усиления сигналов), такие как, например, Model 5184 Ultra Low-Noise Voltage Preamplifier ( Signal Recovery, USA) и многие другие. Разумеется, необходимо проверять, наличествуют ли эти модели в госреестре. Отечественные производители в этом секторе рынка не представлены.

Приходится особо отметить, что анализаторы спектра общего применения приборы универсальные в самом худшем смысле этого слова. То есть разработчики впихнули в них множество функций, которые Вам никогда не понадобятся, но за которые Вам, неизбежно при таком выборе, придётся платить. И немало, увы… Классические представители средств измерения этого класса (НЧ анализаторы спектра), например R&S UPV; UP-350; UPP; отечественные анализаторы серии СК4-хх. Именно НЧ анализаторы предлагают не так много разработчиков. А универсальные, от Гц до ГГц в низкочастотной области очень часто имеют значительный уровень собственных шумов и малопригодны именно в этом диапазоне. Необходимо упомянуть и ряд разработок последних лет типа приставок к компьютеру. Таковы приборы отечественного производства ZЕTLab, «Октава-Электрондизайн» (хотя это больше шумомеры), селективный микровольтметр «Смарт» (фирма «5 форт») и т.д.

Ну а теперь о том, что же придётся измерять. При работе «по линиям» в речевой области величины сигналов, которые нужно измерять, определяются «снизу» нормами на допустимые значения, а «сверху» - уровнями помех. Не требует доказательств, что измерять (иметь возможность измерить) нужно уровни, которые меньше самой малой нормы. Иначе сделать обоснованный вывод невозможно. Не называя (естественно!) конкретных цифр отметим, что это первые десятки нВ, то есть 2÷3·10^-9В. А уровни помех в произвольных линиях (зачастую неэкранированных), в частности от сети промышленного электропитания, составляет до единиц вольт. Итого требуемый динамический диапазон средства измерения должен бы составлять не менее 140 дБ. Величина огромная! И, как правило – нереализуемая. Но вот 120-130 дБ уже находится в пределах разумного и на эту величину стоит ориентироваться. Разрешение по частоте селективного средства измерения должно быть не хуже (минимальная эквивалентная полоса пропускания) 1 Гц. Иначе отстраиваться от тех же сетевых помех будет весьма сложно. Соответственно и спектральная плотность собственных шумов тракта измерения не должна превышать 2÷3 нВ/√Гц. И не в режиме короткозамкнутого входа, а при нагрузке не менее 1÷2 МОм.

Теперь о входном сопротивлении прибора (пробника). Когда придётся измерять сигналы во всяких линиях, которые штатно нагружены на обоих концах, как правило, этот параметр не очень важен. Но как только необходимо выполнить исследование на линии в режиме «ХХ», то есть, фактически, на отключённой линии, да ещё и оставшейся на одном из концов подключённой к порту некого технического средства, причём это средство выключено (обесточено)… Картина меняется принципиально! Внутреннее сопротивление такого «источника сигнала» часто превышает несколько МОм. И входное сопротивление Вашего прибора (пробника) начинает играть весьма существенную роль.

Писаных требований на эти параметры до сих пор нет (вскоре ожидаются). Однако практика требует входного сопротивления не ниже 10 МОм. И входной ёмкости не более 10÷15 пФ (включая ёмкость измерительного кабеля). Требования крайне жёсткие и весьма небольшое число вольтметров и анализаторов широкого применения им удовлетворяют. Особенно если рассматривать комбинацию из вышеперечисленных требований.

И, наконец, очень специфическое и крайне важное требование.

Как правило, при проведении СИ на ТКУИ НЧ АЭП или ВЧН исследуемое тех. средство подвергается весьма значительному звуковому давлению тестового сигнала. А поскольку часто и подключаться к линиям, отходящим от его портов приходится тут же, рядом, то и весь измерительный комплекс находится под тем же воздействием. При этом вполне естественно, что если в самом измерительном тракте за счёт тех же самых физических явлений (на профессиональном сленге – «микрофонный эффект») возникнут некие «сигналы», то отличить их от тех, которые возникают в исследуемом ТС - невозможно. Поэтому крайне важное требование – полное отсутствие во всех составляющих тракта измерения «микрофонных эффектов». Отсутствие – это означает, что вызванные этими эффектами паразитные сигналы не превышают половины (-6 дБ) от минимально измеряемого сигнала при воздействии звукового давления не ниже 100 дБ. Сразу обратим внимание, что ни одна фирма-производитель в мире таких требований к своим изделиям не предъявляет. За исключением очень немногих отечественных производителей, которые разрабатывают специализированные средства измерения, «под проблему». Всё остальное – Ваш выбор и только Ваш «страх и риск». А надо отметить, что при таком звуковом давлении отрезок любого кабеля «генерит» сигнал, зачастую на порядок превышающий требуемый уровень.

Все перечисленные требования возникают и при выборе первичного преобразователя для измерения тока в линии. В подавляющем числе случаев включиться в линию, то есть «в разрыв», невозможно. Поэтому наибольшее применение получили различные модели «токовых трансформаторов», токоизмерителей. При этом измерять нужно наноамперы на фоне помех в амперы. Поэтому все требования по собственных шумам, динамическому диапазону и отсутствию «микрофонного эффекта» относятся и к этим устройствам.

В общем и целом выбрать сам анализатор и первичные преобразователи (пробники, токоизмерители) можно исходя их вышеизложенного. Осталось рассмотреть некоторые вспомогательные средства, без которых не обойтись. В частности – уже многократно упомянутый канал тест-сигнала.

В отличии от аналогичного оборудования в области АВАК для областей АЭП и/или ВЧН/ВЧО (об этом чуть позже) необходима возможность создания тонального тестового акустического сигнала с непрерывной (квазинепрерывной) перестройкой во всём рабочем (речевом) диапазоне частот. Требования по выходной мощности (создаваемому звуковому давлению на расстоянии 1 м) аналогичные. Но вот важнейшее дополнительное требование – все составляющие (генератор, усилитель мощности, колонка, кабели) не должны создавать паразитных электрических и/или магнитных полей. «Не создавать», это значит, что величины напряжённости этих полей (полей рассеяния) не должны превышать первого десятка мкВ/м и сотых долей мкА/м.

Заметим, что типовые усилители мощности, присутствующие на рынке (за крайне редким исключением), и типовые колонки создают такие поля с уровнями на 3-5 порядков выше приведённых. Для выполнения работ в области СИ ТЗИ пригодны только специально разработанные усилители (чуть ли не единственное исключение - усилитель Architectural Acoustics IPS 150) и, тем более – колонки. В противном случае наводки от усилителя и колонки всегда на порядки превышают сигналы АЭП и измерить (выделить) последние невозможно.

Ну и как и в акустике, понадобятся штативы, множество разъёмов и переходников, различные коаксиальные нагрузки на 50, 600 Ом и другие величины, аттенюаторы на 3, 6, 10, 20, 40 дБ, обычные широкополосные вольтметры (серии В3-хх и их аналоги), генератор НЧ (например, Г3-112/1), осциллограф, лучше двухканальный, источники питания, множество иных радиомелочей. Однако обо всём сказать невозможно :-)

Обратимся ещё к одному аспекту. Ранее уже отмечалось, что шумомер – это нормальный вольтметр, шкала которого оцифрована (откалибрована) в единицах звукового давления (абсолютных или относительных). Кроме того, это вольтметр селективный, так как его обязательной принадлежностью является набор октавных (а часто, и третьоктавных) фильтров. В некоторых моделях встроен и узкополосный анализ. Можно ли этим изделием измерять напряжение переменного тока?

«Де-факто» можно. Если предварительно перекалибровать его шкалу на значения в «вольтах» при помощи некого «эталонного» источника. Или сравнить с другим, поверенным вольтметром, желательно более высокого класса.

А вот «де – юре», официально, опираться на измерения, выполненные таким образом, нельзя.

Поскольку точность (погрешность) Вашего эталона метрологически ничем (как правило) не подтверждена, процедура перекалибровки выполнена не в условиях БИП (КИП, КИЛ и др., то есть не в службе, имеющей соответствующую лицензию), то, формально, эта процедура силы не имеет.

Тем более, 102 ФЗ вообще «не признаёт» процедуру калибровки (только поверку) в области ТЗИ. Поэтому «для себя» это вполне возможно, когда есть такая необходимость, а вот «для протокола» - исключено.

Примерно так же нужно рассматривать исходные данные для выбора средств измерения в ВЧ области.

Будем называть ВЧ областью частоты от «конца» речевых до… того, что установлено в нормативной документации. То есть до первых сотен МГц.

Соответственно для измерений напряжения (силы тока) переменного тока в этом диапазоне частот, в настоящее время, применяются почти исключительно анализаторы спектра. С рабочим диапазоном от 9 (10) кГц до многих ГГц. Просто с меньшими диапазонами их не производят. К тому же эти же приборы применяются и при измерениях полей.

Есть ещё один класс средств измерений, который именуется ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ПРИЁМНИКОМ. Как правило – заметно более дорогой, чем анализатор. Хотя измеряет то же самое. В чём же разница?

А разница в том, что для измерения (селективного измерения) напряжения малых сигналов предназначен именно приёмник (измерительный). Его главная функция - измерить с максимальной точностью. А визуализация спектра (панорамность) – это вспомогательная функция.

А анализатор предназначен, в первую очередь, для визуализации спектра сигналов, его задача показать частотное распределение сигналов и их амплитуд. Измерение их значений для анализатора функция второго плана. Главное – как можно быстрее построить спектр.

Именно поэтому приёмники и сейчас строятся по классической супергетеродинной схеме с двойным/тройным преобразованием, зачастую с перестраиваемыми предусилителями перед первым смесителем. Они не имеют высоких скоростей сканирования. Зато имеют прекрасные метрологические параметры, крайне низкие собственные шумы, большой набор полос пропускания, полный набор различных типов детекторов, возможность измерять параметры модуляции и т.д. и т.п. И … стоимость…

Анализаторы, как правило, строятся по совсем иной схеме. С одним преобразованием и последующей оцифровкой сигнала. Все дальнейшие процедуры выполняются сигнальным процессором в цифровом виде. Именно за счёт этого достигается высокая скорость работы.

Правда, успехи как в области математики, так и в области цифровой схемотехники заметно повысили параметры типовых анализаторов в последнее время. И разница между ними и приёмниками уменьшилась, но в некоторых случаях (при измерениях сигналов «на грани возможного») она остаётся существенной.

Измерительные приёмники сегодня выпускают немногие фирмы. Это развитая линейка моделей фирмы Rohde&Schwarz® (прежде всего ESPI, уже снятый с производства; ESRP и ESU), Willtek (8100 GPR) и некоторые другие.

Зато анализаторов пруд пруди :) Даже сложно привести все фирмы, их десятки, от НР (точнее IT, Agilent Technologies) до Anritsu, Advantest, Tektronix, LP Technologies, Yokogawa, Aeroflex и т.д. Есть и отечественные модели, хотя их возможности невысоки по сравнению с зарубежными.

Важно только, чтобы выбранная Вами модель присутствовала в госреестре средств измерений. Разумеется, чем выше чувствительность прибора (и ниже собственные шумы), тем лучше. Но и цена будет расти…

Параметры входа у всех приборов одинаковые - 50 Ом, так что не ошибётесь. Набор полос пропускания во многом совпадает, обычно меньше 300 Гц применять не приходится. Полосу шире 3 МГц – весьма редко. Дополнительно стоит посмотреть, можно ли выбранную Вами модель применить в составе одной из имеющихся на рынке специализированных измерительных систем (комплексов).

Измерять сигналы приходится начиная от единиц мкВ. В редких случаях – от долей мкВ. Из этого и надо исходить. Только примите во внимание, что в паспортных данных чаще всего уровень собственных шумов измерительного тракта задаётся довольно хитро. Например, в полосе 10 или 100 Гц. Но Вам-то работать в полосе (самое распространённое значение) порядка 9÷10 кГц. Следовательно «рабочий» уровень шума у Вас будет куда выше, так что не забудьте посчитать предварительно! Посмотрите и фазовые шумы, если они недостаточно низки, то проку от такого прибора будет немного.

Если Вам необходимо измерять и параметры модуляции сигналов в линиях (а это необходимо при СИ ВЧ АЭП), то нелишними функциями в приборе окажутся и эти возможности. Правда, их встретить можно, с большей вероятностью, у приёмников или анализаторов высокого класса.

О весе, удобстве элементов управления, размере экрана, автономном электропитании и т.д. я не говорю, это не самое важное, хотя… Очень советую пообщаться с теми, у кого уже есть опыт работы. Информация лишней не бывает.

Очень важен вопрос с первичными преобразователями. Для измерения напряжения это пробники, для измерения тока – всё те же токоизмерители (с соответствующими диапазонами рабочих частот). Ряд производителей поставляют достаточно широкую гамму таких изделий. Определитесь, в каких именно линиях Вам придётся измерять (не забудьте про линии электропитания!!!). С каким сопротивлением, как именно к ним удобнее подключаться? Отсюда и выбор пробников, а устройство это далеко не самое дешёвое. Причём многие модели специализированы для конкретных анализаторов (управляемые и программируемые). Дать более подробные рекомендации сложно, много зависит от конкретного случая. Одно стоит заметить, приобретать пробник вместе с анализатором много дешевле, чем покупать его потом, отдельно (естественно, если пробник входит в линейку изделий одной фирмы).

Возможно, понадобятся и «эквиваленты сети», тоже не самое простое устройство.

При выборе токоизмерителя подумайте и о максимальном диаметре линии (кабеля) на который его придётся устанавливать. Токоизмерителей с диаметром внутреннего отверстия 18-30 мм пруд пруди. А 65 мм – считанные единицы моделей. Тем не менее, продукция Agilent Technologies, Schaffner, ETS-Lindgren, R&S, A N System и других должна устроить любого потребителя. Набор отечественных разработок намного скромнее и параметры их слабее (кроме моделей ТИ2-1,ТИ2-2 и ТИ2-3 назвать почти нечего).

Итак, надеюсь читателю более-менее понятно (во всяком случае больше, чем до прочтения) из чего именно исходить при выборе средств измерения для решения конкретных задач.

Отдельно отметим, что и в области измерения напряжения сигналов (и других их параметров) на рынке сегодня присутствует ряд специализированных измерительных систем (комплексов). Все они базируются на тех же измерительных приёмниках и/или анализаторах скомплексированных с набором первичных преобразователей (пробники, токоизмерители, антенны и т.д.). Их управляющее ПО заметно облегчает и автоматизирует процессы измерений, заодно автоматизируя фиксацию результатов и их расчёт (в соответствии с утверждённой методикой). Мозгов инженера автоматика не заменяет, но заметно высвобождает время «для подумать». Кроме того, ориентация на специализированные комплексы освобождает от хлопот по подбору приборов, их сочетанию, выбору преобразователей, кабелей, разъёмов, штативов и т.д.

Линейка таких изделий достаточно представлена на рынке, основными из них являются «Навигатор» (всех модификаций, фирма «НЭЛК»), «Сигурд» и «Талис» (так же в многих модификациях, фирма «МАСКОМ»), «Легенда» (фирма «Гамма») и др. Рассмотрению их достоинств и недостатков будет посвящено место в следующей публикации.

В следующем разделе будем рассматривать вопросы выбора средств измерения для задач измерения напряжённости полей.

Часть пятая

Итак, часть, посвящённая измерениям электромагнитного поля.

Измерять напряжённость поля в проблематике ТЗИ нужно при проведении специальных исследований (выявлении ТКУИ) за счёт АЭП (ВЧ и НЧ), за счёт ВЧН и за счёт ВЧО. Причём необходимо как измерить сам сигнал, так и выявить (измерить) параметры его возможной паразитной модуляции речью. Причём с крайне низкими значениями коэффициента (индекса) модуляции. Это подразумевает необходимость высокой реальной чувствительности тракта измерения и очень низких уровней собственных шумов, включая низкие фазовые шумы.

Нужно сразу оговориться, что в огромном большинстве случаев измерять приходится не электромагнитное поле, а некое поле, у которого существуют электрическая и магнитная компоненты. Для классического электромагнитного, описываемого вектором Умова-Пойтинга, коэффициент пропорциональности между среднеквадратическими значениями этих компонент (напомним теорию, размерность этого коэффициента – «Ом», то есть это единицы сопротивления) в вакууме равен 377 Ом. В воздухе – чуть (несущественно) меньше, в ином диэлектрике – меньше, пропорционально относительной диэлектрической проницаемости этого диэлектрика. И всё это для «дальней зоны» излучения и только для неё. А подавляющая часть наших измерений выполняется в «ближней» или «промежуточной» зонах от излучателя. А в них, в зоне индукции, вышеприведённые соотношения нарушаются. Именно поэтому измерять приходится каждую из компонент раздельно.

В качестве основного (и единственного!) средства измерения применяются ИЗМЕРИТЕЛЬ НАПРЯЖЁННОСТИ ПОЛЯ. А таковым является «связка» из первичного преобразователя и вольтметра (селективного вольтметра). В качестве первичного преобразователя используется устройство, именуемое АНТЕННА (соответственно, электрическая и/или магнитная). Селективным вольтметром может быть ВОЛЬТМЕТР, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИЁМНИК или АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА. Шкала истинного измерителя напряжённости поля оцифрована в абсолютных или относительных единицах напряжённости поля – В/м и А/м (с учётом коэффициента передачи – «действующей высоты» первичного преобразователя).

Сегодняшним законодательством в области метрологии не возбраняется применение отдельной антенны и отдельного вольтметра (поверенных установленным порядком). После выполнения измерения напряжения на выходе антенны оператор (или некое ПО) учитывает «антенный коэффициент» на частоте измерения и рассчитывает напряжённость поля. В достаточно приличных приёмниках и/или анализаторах данные об антенном коэффициенте можно занести в память прибора и его показания будут уже в единицах напряжённости поля.

Измерения напряжённости поля в проблематике ТЗИ необходимо выполнять в диапазоне от десятков Гц до десятков ГГц. Одним прибором (это уже отмечалось ранее) это выполнять невозможно. Поэтому, обычно, рассматривают НЧ («речевой», от десятков Гц до десятков кГц) и ВЧ (всё остальное).

Поскольку о средствах измерения ВОЛЬТМЕТР, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИЁМНИК, АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА уже было сказано ранее более, чем достаточно, обратим основное внимание на первичные преобразователи – антенны.

Для измерения напряжённости электрического поля в диапазоне частот от Гц до 1 ГГц применяются (почти исключительно) симметричные диполи (и их различные модификации и комбинации).

В прошлые времена на частотах до 30 МГц применялись штыревые антенны (для электрической компоненты). Они измеряли только вертикальную составляющую поля. Кроме того, их штатные параметры выполнялись только при их размещении на достаточно большой (порядка 2*2 м) проводящей поверхности, что не прибавляло удобства при измерениях. В практике СИ, в настоящее время, штыревые антенны не применяются.

На более высоких частотах, обычно, применяются рупорные антенны. Для измерения магнитной компоненты в диапазоне частот от десятков Гц до первой сотни МГц применяются экранированные рамки и их модификации. Если в антенну встроен усилительное (или усилительно-корректирующее) устройство, то такая антенна именуется активной. Учитывая огромный частотный диапазон, приведённый выше, перекрыть его одной антенной невозможно. Поэтому разработчики стараются только минимизировать количество моделей, перекрывающих весь диапазон. И, чем уже рабочий диапазон антенны, чем больше антенн понадобится для измерений во всём диапазоне, тем лучше будут показатели каждой из антенн. Чем более широкополосна антенна – тем менее она чувствительна. Это правило исключений не имеет.

Кроме того очень серьёзным требованием к антеннам является ограничение их габаритов. В соответствии с требованиями методики размер рамки иди диполя «в раскрыве» не должен превышать 50 см. А в низкочастотном диапазоне чувствительность антенны прямо пропорциональна именно этому параметру.

Наиболее сложное положение с низкочастотными антеннами. Отечественных разработок на этот диапазон «раз, два и … обчёлся». Причём отвечающих ограничениям на размеры – и того меньше. Реально применяемые модели (АИР3-1, АИ4-1) имеют невысокую чувствительность (большой антенный коэффициент), ещё больше ограниченный заметными собственными шумами (это активные антенны, со встроенным усилителем – корректором).

Зарубежные разработки имеются. Однако они дороги и не все их параметры достаточно высоки для успешного применения. Кроме того, многие из имеющихся моделей отсутствуют в госреестре средств измерений и потребуются дополнительные затраты, чтобы они там появились.

Есть и ещё одно, важнейшее ограничение. Если измерения напряжённости поля ведётся в процессе СИ АЭП, СИ ВЧН или СИ ВЧО, то антенна оказывается в акустическом поле тест-сигнала. Следовательно, она не должна «микрофонить», в том числе и в виде паразитной модуляции принимаемого сигнала (см. предыдущую часть публикации). И вот по этому параметру, к сожалению, «проходит» крайне малое количество моделей антенн. Да и то только среднечастотных.

Тем не менее, назовём основных производителей и модели, применение которых возможно.

Хорошо известная фирма «ETS-Lindgrend» предлагает рамочные антенны на диапазон от 20 Гц до 30 МГц (модели серии 65хх и 76хх). Фирма «Schwarzbeck mess – elektronik» - рамочные антенны HFRA 5148÷5162. Более чем хорошо известная фирма R&S выпускает небольшое количество, но очень высококачественных измерительных рамочных антенн (например, HM525). A.H. System, Inc, выпускает значительное количество моделей рамочных антенн серий SAS-xxx и EHA-xxx на частоты от 20 Гц до 60 МГц. Выпускает антенны и Shcnaffner - TESEQ Antennas. Информацию по конкретным моделям несложно найти в сети интернет. Часть перечисленных производителей хорошо представлены на Российском рынке. Диллеров некоторых придётся поискать.

Практически все названые фирмы предлагают пассивные антенны, которые можно применять, при необходимости, и как излучающие.

Отечественные производители на этом рынке представлены намного скромнее. Фактически, кроме немногих лицензиатов ФСТЭК РФ, которые производят достаточно специализированные антенны («Элерон» с серией антенн «АМУР»; «Гамма» с антеннами «Альбатрос») можно назвать только СКБ «Риап» (Н. Новгород, антенны серии П6-xx) и питерский ЛОНИР. Причём тех или иных претензий к антеннам как отечественных, так и зарубежных производителей достаточно.

Дипольные (электрические) антенны в НЧ диапазоне так же достаточно широко представлены у тех же производителей.

Что же касается частот от 30 МГц и выше (СЧ, ВЧ и СВЧ диапазоны), то число моделей дипольных, логопериодических, дискоконусных, спиральных (и т.д., и т.п.) антенн исчисляется сотнями. Приводить их тут бессмысленно, слишком много. Как и рупорных антенны на частоты свыше 1-2 ГГц. Основные производители указаны выше.

За крайне редкими исключениями все антенны имеют типовой 50-омный выход, без каких-либо проблем подключаются к входам типовых приёмников и/или анализаторов. Стоит только обратить внимание на разъёмы и кабели. Если приобретать всё отдельно, то об этом придётся заботиться самим. И самый типовой разъём типа «N» может стоить 50 рублей и 50 $. Причём в первом случае его КСВ Вам не гарантирует никто. Да и все параметры после пары месяцев эксплуатации тоже. Скупой платит не дважды, а, как правило – десятикратно, как минимум.

То же относится и к кабелям. Весьма важно погонное затухание, особенно на частотах свыше 1 ГГц. И так сигналы слабые… Эластичность и степень экранирования кабеля тоже важнейшие параметры. Причём эти два параметра, как правило, взаимозависимы и «противоположны». В общем, на кабели со стоимостью меньше 200 р. за метр смотреть просто не стоит. Нужны, как правило, кабели с двойной оплёткой (высокая степень экранирования), со вспененым или фторопластовым диэлектриком и проводниками только из меди (малые потери!). Проводники желательно с серебрением и т.д.

Дополнительные требования к измерительному оборудованию предъявляет необходимость выполнения измерений реального затухания электромагнитного сигнала (функция, аналогичная измерениям затухания в линиях). Для выполнения таких измерений необходим источник тест-сигнала. Таким источником, обычно, является перестраиваемый генератор «синуса» (необходимой мощности, порядка 1-10 Вт) и излучающие антенны (магнитная и электрические). В качестве генератора могут быть применены десятки моделей любых производителей, особенно учитывая, что в соответствии с установленной технологией измерения к самому генератору и излучающей антенне метрологических требований не предъявляется вообще. Поэтому выбор генератора совершенно произволен (только по выходной мощности и рабочему диапазону частот). Формально рабочий диапазон должен быть от 10 кГц до, минимум, 2 ГГц. Однако практика показывает, что измерения реального затухания на частотах ниже 100 кГц бывает необходимым крайне редко. Да и эффективность излучающих антенн общего применения на этих частотах крайне низка, а при малом тест-сигнале и затухание можно измерить только относительно небольшое. Вообще практически все перечисленные электрические и магнитные антенны пассивного типа могут быть применены как излучающие. Вопрос только в их эффективности и допустимой подводимой мощности. В ряде случаев весьма удобным является применение неизмерительных пассивных антенн, таких как, например, DA3000 (DA3100).

Как и в предыдущих разделах вновь упомяну о имеющихся на рынке автоматизированных и специализированных измерительных системах и комплексах. Во многих случаях они предпочтительнее. Поскольку уже многое их вышеперечисленного разработчиками учтено, согласовано и реализовано.

Сами комплексы были названы ранее, можно дать лишь самые общие сравнительные характеристики. Реального их сравнения, в практической работе на одном и том же объекте, с хронометражом и выявлением и фиксацией всех сбоев, недостатков и преимуществ не проводилось. Оценки же, выполненные конкретными людьми всегда в той или иной степени субъективны.

Поэтому упомянем лишь, что наибольшее распространение при контроле ТКУИ за счёт ПЭМИН получили комплекс «Навигатор» («НЭЛК») и система «Сигурд» (ЦБИ «МАСКОМ»). Последняя с 2010 года официально «взята на вооружение» ФСТЭК России. В системе «Сигурд» реализовано, с одной стороны, бóльшая степень автоматизации процессов обнаружения и опознавания сигналов и их измерений. С другой - система весьма многофункциональна и предоставляет исследователю много дополнительных возможностей. Система «Сигурд» дополняется для автоматизированного измерения реального затухания системой «Стентор».

В области ТКУИ речевой информации за счёт паразитной модуляции до настоящего времени присутствовала одна автоматизированная система «Талис» . Причём её измерительные возможности находятся на пределе технической реализации и аналогов не имеют. Совсем недавно был анонсированы комплексы «Гриф-АЭП» (НПП «Гамма») и «Аргонавт» («НЭЛК») со сходными функциями, но реально оценить его возможности, пока, не представилось.

В заключение хотелось бы сказать, что выбор комплекса основных и вспомогательных средств измерений для выполнения специальных исследований и оценки защищённости объектов информатизации задача очень многоплановая. Количество факторов, которые необходимо учесть, очень значительно, а цена просчётов весьма высока. Решать эти вопросы надо очень серьёзно. Весьма рекомендуется при отсутствии достаточного собственного опыта прибегнуть к услугам организаций, обеспечивающих профессиональное комплектование лабораторий.

В любом случае не имеет смысла ставить задачу абсолютно полного комплектования сразу. Базовый набор оборудования уже в процессе эксплуатации должен будет пополняться множеством мелочей. Причём состав этих «мелочей» определяется как конкретными решаемыми задачами, так и личными «пристрастиями» сотрудников. Работать должно быть ещё и удобно, причём конкретным исполнителям!

Итак, в предыдущих публикациях были сформулированы важнейшие, с точки зрения автора, показатели средств измерения, которыми необходимо руководствоваться при комплектовании лаборатории. Перечислены, насколько это целесообразно, ведущие производители, модели конкретных средств измерения как общего применения, так и специализированные. Приведены дополнительные существенные критерии выбора.

Дополним уже приведённые данные некоторыми рекомендациями по комплектованию различного рода вспомогательным оборудованием, в том числе и по средствам измерения. Присутствующих на рынке моделей сотни, поэтому приведём опробованые на практике и наиболее дешёвые модели. А уж более дорогие, если нужно, отыскать несложно :)

Достаточно часто возникает необходимость неселективного измерений напряжения переменного тока. То есть необходим вольтметр общего применения. Многолетняя практика показала, что для этих целей весьма успешно используются отечественны модели В3-38 или В3-57. Последний несколько более чувствителен, а первый – более универсален (амперметр, омметр и т.д.).

Постоянно необходим универсальный (желательно – портативный) мультиметр (вольтметр, амперметр, омметр и т.д.). Приводить модель особого смысла не имеет, их десятки с весьма близкими параметрами. Главное – наличие в госреестре.

Не помешает цифровой частотомер с функцией измерения длительности импульсов, например недорогая портативная модель GFC 8131H фирмы GW INSTEK.

Совершенно необходим пристойный осциллограф. Вот только понятие «пристойности» - вещь крайне субъективная. Просто для целей визуализации сигналов, причём в диапазоне до »100 МГц подойдёт практически любая модель, отечественная и/или зарубежная. Гораздо полезнее выбирать двухканальную модель. Особенно это бывает необходимо при СИ с помощью стареньких Unipan-ов в речевом диапазоне частот. А вот для того, чтобы увидеть и оценить параметры сигнала (прежде всего длительность импульса и тактовую частоту) в интерфейсе DVI необходим осциллограф с верхней частотой до 4-6 ГГц, например такая модель, как DPO70604B фирмы Tektronix c дополнительными опциями (входной пробник, специализированное ПО). Стоимость вопроса зашкаливает за 4,5 миллиона руб. Готовы ли Вы к таким затратам - решать придётся самим…

Весьма полезными для очень многих вспомогательных функций (а в ряде случаев и необходимыми!) окажутся генераторы сигналов. Как НЧ, так и ВЧ. В этом плане могут быть рекомендованы модели Г3-112 и IFR2025(26) (фирма Aeroflex, Представительство в Москве – фирма GS-CDIP) с опцией повышенной выходной мощности (до +13 дБм). О генераторе НЧ особо и говорить нечего, изделие абсолютно типовое и дешёвое, в то же время вполне удовлетворяющее стоящим задачам. При выборе генератора ВЧ стоит обратить внимание на параметры внутренней модуляции сигнала. Крайне полезно, чтобы это был поверяемый параметр и коэффициент модуляции устанавливался, начиная со значения 0,1%, не более (и с шагом не более 0,1%). Это важно при выполнении измерений методом калиброванного детектора.

Отдельно надо сказать о различного рода аттенюаторах. Частенько появляется необходимость ослабить сигнал в некое, метрологически точно установленное, число раз. Наиболее просто это решается включением в тракт калиброванного аттенюатора. В области речевых частот наиболее удобны аттенюаторы из комплекта Unipan на 40, 60 и 80 дБ модели Unipan 233-1 (приходится отметить, что в настоящее время «живых» экземпляров осталось уже совсем немного…). В области высоких частот неплохо себя зарекомендовали коаксиальные аттенюаторы на 3, 6, 10, 20 и 40 дБ серий Д2-ХХ и аналогичные зарубежные модели. Правда, они требуют обязательной поверки и проверки во всём рабочем диапазоне частот. Частенько АЧХ оказывается неплоской. Очень тщательно необходимо следить за состоянием их разъёмов. Выход за допуск КСВ в связи с износом токоведущих элементов легко может нарушить качество аттенюаторов.

О кабельных изделиях и разъёмах уже говорилось ранее. Следует только добавить, что обязательны многочисленные коаксиальные переходы между различными системами разъёмов. В практике СИ основными типами ВЧ соединителей являются BNC и TNC (для достаточно низких частот), «N» и «SMA» для высоких частот. Переходы между этими системами соединителей (в том числе и «male» - «female») понадобятся обязательно и не в одном экземпляре.

При приобретении измерительного приёмника (анализатора спектра) имеет смысл задуматься о включении в его состав опции «трекинг-генератора», то есть встроенного генератора сигнала перестраивающегося синхронно с самим приёмником. Такая комбинация стоит заметно меньше, чем два раздельных прибора, а для исследования четырёхполюсников незаменима (хотя бы для проверки состояния тех же коаксиальных аттенюаторов).

При ведении серьёзных испытаний разнородного оборудования часто бывает необходимым контролировать (и менять!) напряжение питания промышленной электросети. Без классического, советского производства, ЛАТР не обойтись. Лучшая модель – ЛАТР 2 на 1000 Вт мощности. Очень не помешает и ваттметр, потребляемую мощность тоже приходится измерять.

Часто измерения (исследования) в линиях сети электропитания затруднены высоким уровнем помех в силовой электросети на объекте. Крайне востребованной оказывается возможность запитать испытуемое ТС от некого «чистого» источника. В качества такового удобно применять (при потребляемой мощности до »500 Вт) инверторы от аккумулятора (чаще всего – автомобильного). Но вот моделей, выдающих на выходе «чистый синус», без помех преобразования не так уж и много. Как пример – модель Xantrex 1000i.

Так же могут понадобится (для тех же целей) и источники вторичного электропитания (постоянным током) с регулируемым выходом от »3 до 30 В. При этом необходимо выбирать модели с трансформаторными схемами аналоговыми регуляторами выходного напряжения, например, Актаком АТН-4012. Импульсные системы регулирования, как правило, имеют недопустимо высокие уровни помех на выходе. В ряде случаев (для измерения особо малых сигналов в линиях вторичного электропитания) приходится прибегать к аккумуляторному питанию. Аккумуляторы подбираются по необходимому напряжению и ёмкости (как и соответствующие зарядные устройства).

Крайне полезными оказываются устройства, предназначенные для подключения к разного рода линиям без их разрыва. Такие, как адаптеры фирмы Tempo модели MA1/RJ11(CH-0008-09), MA2/RJ45 (CH-0110-00), Модульный адаптер TurTel6 (GT-46040).

Часть шестая

Теперь постараемся рассмотреть область самого разнообразного вспомогательного оборудования. Проведения специальных исследований процесс творческий. Вариантов конкретных схем измерений, как и объектов измерений – бесконечное количество. Измеритель, «СИ-шник», должен быть готовым и быть во всеоружии к любому из них. Поэтому это вспомогательное оборудование, порою, становится определяющим в работе. Без какого-нибудь разъёма или кабеля просто ничего сделать «низя»…

Итак, достаточно часто возникает необходимость неселективного измерений напряжения переменного тока. То есть необходим вольтметр общего применения. Многолетняя практика показала, что для этих целей весьма успешно используются отечественны модели В3-38 или В3-57. Последний несколько более чувствителен, а первый – более универсален (амперметр, омметр и т.д.).

Постоянно необходим универсальный (желательно – портативный) мультиметр (вольтметр, амперметр, омметр и т.д.). Приводить модель особого смысла не имеет, их десятки с весьма близкими параметрами. Главное – наличие в госреестре.

Не помешает цифровой частотомер с функцией измерения длительности импульсов, например недорогая портативная модель GFC 8131H фирмы GW INSTEK.

Совершенно необходим пристойный осциллограф. Вот только понятие «пристойности» - вещь крайне субъективная. Просто для целей визуализации сигналов, причём в диапазоне до »100 МГц подойдёт практически любая модель, отечественная и/или зарубежная. Гораздо полезнее выбирать двухканальную модель. Особенно это бывает необходимо при СИ с помощью стареньких Unipan-ов в речевом диапазоне частот. А вот для того, чтобы увидеть и оценить параметры сигнала (прежде всего длительность импульса и тактовую частоту) в интерфейсе DVI необходим осциллограф с верхней частотой до 4-6 ГГц, например такая модель, как DPO70604B фирмы Tektronix c дополнительными опциями (входной пробник, специализированное ПО). Стоимость вопроса зашкаливает за 4,5 миллиона руб. Готовы ли Вы к таким затратам - решать придётся самим…

Весьма полезными для очень многих вспомогательных функций (а в ряде случаев и необходимыми!) окажутся генераторы сигналов. Как НЧ, так и ВЧ. В этом плане могут быть рекомендованы модели Г3-112 и IFR2025(26) (фирма Aeroflex, Представительство в Москве – фирма GS-CDIP) с опцией повышенной выходной мощности (до +13 дБм). О генераторе НЧ особо и говорить нечего, изделие абсолютно типовое и дешёвое, в то же время вполне удовлетворяющее стоящим задачам. При выборе генератора ВЧ стоит обратить внимание на параметры внутренней модуляции сигнала. Крайне полезно, чтобы это был поверяемый параметр и коэффициент модуляции устанавливался, начиная со значения 0,1%, не более (и с шагом не более 0,1%). Это важно при выполнении измерений методом калиброванного детектора.

Отдельно надо сказать о различного рода аттенюаторах. Частенько появляется необходимость ослабить сигнал в некое, метрологически точно установленное, число раз. Наиболее просто это решается включением в тракт калиброванного аттенюатора. В области речевых частот наиболее удобны аттенюаторы из комплекта Unipan на 40, 60 и 80 дБ модели Unipan 233-1 (приходится отметить, что в настоящее время «живых» экземпляров осталось уже совсем немного…). В области высоких частот неплохо себя зарекомендовали коаксиальные аттенюаторы на 3, 6, 10, 20 и 40 дБ серий Д2-ХХ и аналогичные зарубежные модели. Правда, они требуют обязательной поверки и проверки во всём рабочем диапазоне частот. Частенько АЧХ оказывается неплоской. Очень тщательно необходимо следить за состоянием их разъёмов. Выход за допуск КСВ в связи с износом токоведущих элементов легко может нарушить качество аттенюаторов.

О кабельных изделиях и разъёмах уже говорилось ранее. Следует только добавить, что обязательны многочисленные коаксиальные переходы между различными системами разъёмов. В практике СИ основными типами ВЧ соединителей являются BNC и TNC (для достаточно низких частот), «N» и «SMA» для высоких частот. Переходы между этими системами соединителей (в том числе и «male» - «female») понадобятся обязательно и не в одном экземпляре.

При приобретении измерительного приёмника (анализатора спектра) имеет смысл задуматься о включении в его состав опции «трекинг-генератора», то есть встроенного генератора сигнала перестраивающегося синхронно с самим приёмником. Такая комбинация стоит заметно меньше, чем два раздельных прибора, а для исследования четырёхполюсников незаменима (хотя бы для проверки состояния тех же коаксиальных аттенюаторов).

При ведении серьёзных испытаний разнородного оборудования часто бывает необходимым контролировать (и менять!) напряжение питания промышленной электросети. Без классического, советского производства, ЛАТР не обойтись. Лучшая модель – ЛАТР 2 на 1000 Вт мощности. Очень не помешает и ваттметр, потребляемую мощность тоже приходится измерять.

Часто измерения (исследования) в линиях сети электропитания затруднены высоким уровнем помех в силовой электросети на объекте. Крайне востребованной оказывается возможность запитать испытуемое ТС от некого «чистого» источника. В качества такового удобно применять (при потребляемой мощности до »500 Вт) инверторы от аккумулятора (чаще всего – автомобильного). Но вот моделей, выдающих на выходе «чистый синус», без помех преобразования не так уж и много. Как пример – модель Xantrex 1000i.

Так же могут понадобится (для тех же целей) и источники вторичного электропитания (постоянным током) с регулируемым выходом от »3 до 30 В. При этом необходимо выбирать модели с трансформаторными схемами аналоговыми регуляторами выходного напряжения, например, Актаком АТН-4012. Импульсные системы регулирования, как правило, имеют недопустимо высокие уровни помех на выходе. В ряде случаев (для измерения особо малых сигналов в линиях вторичного электропитания) приходится прибегать к аккумуляторному питанию. Аккумуляторы подбираются по необходимому напряжению и ёмкости (как и соответствующие зарядные устройства).

Крайне полезными оказываются устройства, предназначенные для подключения к разного рода линиям без их разрыва. Такие, как адаптеры фирмы Tempo модели MA1/RJ11(CH-0008-09), MA2/RJ45 (CH-0110-00), модульный адаптер TurTel6 (GT-46040) или TurTel8 (GT-46050) и аналогичные устройства. При измерениях в линиях они часто незаменимы.

Для выполнения ряда измерений бывают необходимы типовые нагрузки. Это конструкции с коаксиальными разъёмами (как правило, BNC для низких частот и «N» для высоких) на значения 1000, 600, 100 и 50 Ом с рассеиваемой мощностью до 1-2 Вт. Так же не лишними бывают различные модели трансформаторов (как правило – широкополосных). Их основное назначение обеспечить гальваническую развязку между измеряемым портом или линией и средством измерения, а, кроме того, перевод симметричного сигнала в несимметричный или наоборот. В области звуковых частот незаменимы трансформаторы из комплектов вольтметров Unipan (тип 233-7-1,2,3) и более высокочастотные модели, например производства North Hills™Signal Processing Corp. Model 0300 (на диапазон от 1 кГц до 100 МГц).

При измерениях в линиях силового электропитания (и не только в них!) крайне необходимы специализированные пробники, в схеме которых предусмотрено подавление как основной частоты электросети (50 Гц), так и её ближайших гармоник. К сожалению промышленно выпускаемых изделий такого типа назвать нет возможности и это оборудование приходится изготавливать самим. Если, конечно, не приобретать его в составе специализированных измерительных систем. Для измерений на частотах выше 10 кГц выпускается достаточное количество пробников, например отечественная модель Я6-122/1 (СКБ «Риап», Н. Новгород), а так же множество более дорогих моделей к средствам измерения Tektronix, AT и другим.

Вообще-то этот перечень можно продолжать и продолжать. Что-то из этого вспомогательного оказывается нужным часто. Что-то не чаще раз в год, но именно тогда без него хоть вешайся ;) Такие у нас задачи решаются, не очень стандартные… В конечном счёте каждый из специалистов – измерителей неизбежно будет основываться, прежде всего, на своём опыте и на способах решения тех задач, которые ставит перед ним практика.

Поэтому нужно заканчивать. Всем нам удачи в не самой простой работе!