Функціональні збої персонального комп'ютера при дії електромагнітних імпульсів надкоротких тривалості

к.ф-м.н. Н.П. Гадецкий, к.ф-м.н. К.А. Кравцов, д.ф-м.н. І.І. Магда

Інститут Плазмової електроніки і нових методів прискорення, ННЦ "ХФТІ"

Обговорюються результати циклу порівняльного експериментального дослідження умов функціонування персонального комп'ютера в умовах впливу електромагнітних імпульсів ультракороткою тривалості (ОКД) з різними спектральними характеристиками. Для багатьох практичних застосувань в області електромагнітної сумісності та стійкості (ЕМС/С) електронної техніки в як основного критерію зовнішнього фактора впливає ОКД пропонується використання спектральної щільності напруженості поля або потужності ізлученія.I. Введення

Будучи одними з нових типів впливає зовнішнього фактора (ВВФ) сучасної електромагнітної обстановки, потужні електромагнітні випромінювання та електромагнітні імпульси ОКД представляють серйозну небезпеку для функціонування радіоелектронної апаратури (РЕА). Дія полів ОКД навіть при рівнях суттєво менших рівнів деградації елементної бази апаратури проявляється в блокуючу дію перешкоди і порушень різного ступеня складності в вироблених технологічних операціях. У аналогових пристроях воно пов'язане з виникненням у чутливих ланцюгах специфічного нелінійного відгуку - станів динамічного "хаосу". Оскільки в активному режимі роботи хаотичний стан формується самим пристроєм, то тривалість блокуючого дії ВВФ, тобто час втрати працездатності, відповідає часу релаксації апаратури. У наших дослідженнях реакції ВЧ і СВЧ приймальних модулів різного призначення [1,2] показано, що стан хаосу і, відповідно, тривалість блокування аналогової апаратури може в сотні - тисячі разів перевищувати тривалість сигналу впливу.

Відомо, що максимальні рівні перешкодозахищеності РЕА досягаються за допомогою цифрових методів формування, передачі та обробки сигналів. При цьому максимальної електромагнітної стійкістю мають автономні пристрої цифрової і обчислювальної техніки (УЦВТ) або локальні ланцюга на їх основі, що володіють принципово високим відношенням сигнал/перешкода в спектральному діапазоні дії ВВФ. У той же час, як показують експерименти з комп'ютерами без спеціального захисту, навіть одноразове досягнення рівня блокуючого дії УЦВТ призводить до збою робочого циклу і зупинки процесу функціонування на час, необхідний для повторного запуску апаратури і завантаження програмного обеспеченія.К жаль, незважаючи на наявний досвід у визначенні і кількісної оцінки параметрів ЕМС/С при дії імпульсних випромінювань ОКД для аналогової апаратури, існують лише окремі дані про аналогічні показники для цифрових пристроїв. Така ситуація обумовлена труднощами вибору критеріїв блокуючого дії ВВФ, які в умовах впливу надширокосмугових (Сніп) сигналу ОКД з пов'язані з великим числом розмірних резонансів, що виникають у різних типів УЦВТ при попаданні сигналу перешкоди всередину об'єкта, в обхід пристроїв внутрішньоблокових і мережевого захисту (т.зв. "back-door" дії ВВФ).

У цьому відношенні показовими є результати дослідження збоїв комп'ютерів при впливі на їх внутрішні модулі вузькосмугових (УП) НВЧ сигналів з [3]. Встановлено, що різниця рівнів збоїв може досягати десятків дБ при зміні частоти УП сигналу ВВФ на 0.1%. Таким чином, стає очевидним, що в умовах "back-door" впливів ОКД сигналів на УЦВТ для оцінки критичних рівнів та параметрів ЕМС/С не можна користуватися загальноприйнятими критеріями - рівнями щільності потужності або напруженості поля, характерними для УП сигналів. Нижче наводяться дані, які показують, що таким критеріальним параметром в умовах впливу електромагнітних сигналів ОКД з різними спектральними характеристиками є величина спектральної щільності потужності або напруженості поля ВВФ в діапазоні характерних частот чутливості об'екта.II. Методика експерименту

Метою досліджень є зіставлення інтегральної оцінки функціонального збою складного УЦВТ з амплітудними і тимчасовими характеристиками ВВФ ОКД, а також вироблення нових критеріальних параметрів ЕМС/С, які найбільш зручні в умовах дії джерел випромінювань за різними спектральними характеристиками.

В експериментах був використаний ряд розроблених і наявних в ННЦ "ХФТІ" джерел випромінювань ОКД, особливості яких наведено в таблиці 1. Генератори випромінювань (ГІ) ОКД мали однакову функціональну схему: високовольтне зарядний пристрій, генератор імпульсного напруги (ГІН) ОКД, надширокосмугових (Сніп) антенна.Об'ектом дослідження була ПЕМВ на основі процесора 286 (8-12 МГц), до складу якої входили: системний блок, виконаний у металевому корпусі, клавіатура і монітор. Тестована ПЕОМ розташовувалася в робочій зоні на відстанях 0.2-2 м від антени ГИ ОКД (напруженість поля випромінювання ОКД 0.1-20 кВ/м). Опромінення ПЕОМ проводилося серіями з одиночних або 5-50 імпульсів випромінювання ОКД, що слідують з частотою 0.5-20 Гц.В проведених експериментах проведена адаптація використовуваних раніше методик виміру параметрів мікрохвильових та імпульсних випромінювань ОКД [2]. Як прийомних Сніп антен використовувалися диполь Герца довжиною 4 см і стандартний пірамідальний рупор П6-23А (смуга частот 1-8 ГГц). Реєстрація відгуків прийомних антен здійснювалася осцилографом С7-19 з смугою частот 0-5 ГГц. Амплітудні і спектральні параметри ВВФ обчислювалися на основі даних осцилографування і калібрувальних характеристик антен.

Таблиця 1. Параметри генераторів випромінювань ОКД та їх компонентів.        

|         

Джерело   

випромінювання   

ОКД         

Тип   

антени         

tімп/tфр,   

нс         

Режим   

роботи         

Uвых,   

кВ         

Eізл (t),   

(L = 2 м)   

кВ/м         

Eізл (f),   

(f = 0.5-2 ГГц)   

В/м.МГц             

I         

іскровий ГІН на пьезоеффекте         

іскровий канал         

3-5/0,5         

серія з 2-5 імпульсів         

13 - 18         

0,6 - 1   

(L = 0,2 м)         

0,02 - 0,2             

II         

Модулятор на п/п діодах з швидким   відновленням         

-Волноводный   

рупор П6-23   

-Петля   

-Полоскова   

ТИМ-рупор         

10-20/0,3         

одиночний/періодичний, 20-100 Гц         

0,8 - 1         

1 - 3         

0,5 - 1,5             

III         

Коаксиальная формує лінія         

Полоскова ТИМ-рупор         

70/1,0         

одиночний/періодичний, 1-30 Гц         

6 - 14         

4 - 6         

0,3 - 3             

IV         

5 - каскадний ГІН         

-Волноводный   

рупор П6-23   

-Полоскова   

ТИМ рупор         

15/0,7         

одиночний/періодичний, 10-20 Гц         

45 - 50         

15         

0,5 - 4     

III. Експериментальне дослідження

У результаті опромінення випромінюванням ОКД працює ПЕОМ спостерігалися різні ефекти: від спотворень на екрані монітора до функціональних збоїв і "зависання" пристрої, таблиця 2. Будь-який з збоїв був пов'язаний з необхідністю повторного запуску ПЕОМ. Як видно з таблиці, різні функціональні елементи ПЕОМ мали різну реакцію і ступінь збоїв в залежності від амплітудних і часових параметрів ГИ ОКД. Практично, в кожній із серій, при мінімальній імпульсної потужності джерел ВВФ ОКД, досягалося блокування клавіатури ПЕОМ. Очевидно, для даного типу ПЕОМ цей вузол є найбільш слабким місцем з точки зору ЕМС/С. Перешкоди відеосигналів та сигналами розгорток монітора також визначалися умовами екранування відеоконтролера і корпуса монітора. Крім того вони залежали від характеру операцій ПЕОМ, в яких участь допоміжних елементів системного блоку і периферійних пристроїв могло бути разлічним.Табліца 2. Функціональні збої ПЕОМ при впливі джерел випромінювань ОКД

з различ-ними пороговими рівнями спектральної щільності напруженості поля.        

Характер ПЕОМ збоїв         

ГИ ОКД         

Eпор (f),   

В/м   

(f = 0.5-2 ГГц)             

Збій клавіатури, пов'язаний з наводкою на   інтерфейсний кабель. Прояв аналогічно натиснення наборів як   функціональних, так і символьних клавіш.   

Відсутня реакція на натиснення клавіш до   вимкнути ГИ ОКД і перезавантаження ПЕОМ/клавіатури.         

I - IV         

            

Спотворення рядкової розгортки монітора.   Область спотворень 10-25%. Збільшення спотворень пропорційно напруженості   поля ВВФ         

II - IV         

            

При відкритому корпусі системного блоку v   фатальна помилка (повідомлення BIOS): немає доступу до жорсткого диску. У деяких   випадках повідомлення про збій читання диска генерує DOS.   

Сильні спотворення рядкової розгортки   монітора. Область спотворень 50-100% екрану.         

II - IV         

            

Збій (фатальний) в відеосистеми при   продовження або зупинці роботи ПЗ.   

У текстовому режимі проявляється   аналогічно збою синхронізації кадрової розгортки, в графічному v   Lперемешіваніе | зображення.         

III, IV         

    

"Звісно" процесора зазначалося при максимальних значеннях напруженості поля випромінювання 10-15 кВ/м в серіях з одиночних або декількох імпульсів ВВФ, що прямують з малим інтервалом. Цей рівень блокування міг зменшуватися якщо збільшувалася частота повторення ВВФ. Мала частота повторення запуску ГІН при меншій напруженості поля не дозволяла досягати ефекту збою процесора протягом кожної серії імпульсів ОКД, що, мабуть, пов'язано з малою ймовірністю збіги імпульсів впливу з робочими імпульсами ПЕОМ. Цей висновок вимагає додаткового обоснованія.Результатом тестів ПЕОМ була наявність складної залежності ступеня збою від напруженості поля, поляризації і частотного складу випромінювання ОКД, що вказує на існування множинних резонансів в узагальненій функції відгуку пристрою. Труднощі кількісної оцінки та порівняння ефективності впливу на складну апаратуру різних радіосигналів, включаючи сигнали ОКД, що використовують амплітудно-тимчасове уявлення, сприяли виробленню нового комплексного критерію ВВФ ОКД, що має амплітудно-частотну форму.Спектральная обробка сигналів ОКД різних джерел показала пряму залежність ефектів збою ПЕОМ від спектральної щільності напруженості поля в частотному інтервалі 0.5-2 ГГц. Цікаво відзначити, що діапазон частот і отриманий в наших експериментах кількісний параметр Е (f) = 1-10 В/м.МГц відповідали максимальної чутливості системного блоку ПЕОМ до дії стаціонарного УП СВЧ сигналу [3]. Перетворення вимірюваних параметрів випромінювань ОКД в частотну область забезпечила можливість кількісного аналізу ефективності ВВФ відносно тестуємого пристрої не тільки для сигналів з різними спектрами, а й режимами ізлученія.IV. Висновок

Експериментально встановлено відповідність спектральної щільності напруженості поля випромінювань УП НВЧ і Сніп ОКД ступеня функціональних збоїв в умовах "back-door" впливів на ПЕОМ. Використання цих характеристик ВВФ і відомої апаратної функції цього пристрою може суттєво спростити процедуру випробувань і отримання кількісних критеріїв ЕМС/С для складної електромагнітної обстановки.

Список літератури

Н.П. Гадецкий, К.А. Кравцов, І.І. Магда та ін Вплив Сніп сигналів ОКД на приймально-підсилювальний тракт НВЧ-діапазону. Матеріали 4ої Кримської конференції "НВЧ-техніка і супутниковий прийом", Севастополь, Україна, 1994, т.2, стор.353.

N.P. Gadetski, I.I. Magda, K.A. Kravtsov, Yu.V. Prokopenko, V.I. Chumakov, V.A. Novikov, Yu.V. Tkach. Studies of electromagnetic radiation of ultra-short duration pulse interference on UHF electronics devices, AMEREM'96 Conference, Book of Abstracts. Albuquerque, USA, 1996, p.79.

J. LoVetri, A.T.M. Wilbers, A.P.M. Zwamborn. Microwave interaction with a personal com-puter: Experiment and modeling, Proc. of the 13th Int. Zurich Symposium, Zurich, Switzerland, 1999, p.203.