В.П. Иванов, "Транзисторные генераторы шума для устройств радиомаскировки ПЭМИН", Специальная техника, №1, 2017, с. 23-29

1. СПЕЦИАЛЬНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
23
ТРАНЗИСТОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ШУМА ДЛЯ
УСТРОЙСТВ РАДИОМАСКИРОВКИ ПЭМИН
УДК 621.391.825: 621.373.5
В статье рассмотрены результаты
экспериментального исследования
генераторов сверхширокополосных
шумовых колебаний, реализованных
на транзисторах BFP620F и рабо-
тающих в диапазоне частот от
единиц килогерц до 8-10 ГГц при вы-
ходной мощности 10-20 мВт.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:
ПЭМИН, генератор шума, нелинейное растягива-
ющее преобразование, энтропийный коэффициент
качества, радиоэлектронное противодействие, ак-
тивная защита информативных компонент побоч-
ных электромагнитных излучений и наводок
Введение
Д
ля решения задач радиоэлектронного
противодействия, радиотехнической
маскировки, и в частности активной
защиты информативных компонент побочных
электромагнитных излучений (ПЭМИН) средств
автоматизированных систем управления и элек-
тронно-вычислительной техники, требуются
источники шумовых помех, формирующие сиг-
налы в широкой полосе частот.
Известно много элементов и систем, фор-
мирующих сверхширокополосные шумовые
СВЧ колебания и отличающихся по своей физи-
ческой природе: плазменно-пучковые системы,
электронно-волновые системы с продольными
и скрещёнными полями, туннельные диоды,
лавинно-пролётные диоды, диоды Ганна, бипо-
лярные транзисторы [1 – 6]. Развитие процессов
формирования шумовых колебаний имеет свои
особенности для каждого из этих элементов.
Режимы формирования шумовых колеба-
ний в таких системах определяются неустойчи-
востью по отношению к начальным условиям
и параметрам: малые изменения начальных
условий со временем приводят к сколь угодно
большим изменениям динамики системы. При-
чинами нерегулярности и непредсказуемости
является собственная динамика системы, а не
влияние внешних возмущающих факторов.
Характерной особенностью автогене-
раторов шума, использующих динамическую
нелинейную хаотизацию колебаний, является
возможность получения высоких значений вы-
ходной мощности, сравнимой с мощностью мо-
нохроматических колебаний в данной системе.
При этом во многих случаях функции линейного
Иванов Василий Петрович,
доктор технических наук
ФГУП Специальное конструкторское бюро Института
радиотехники и электроники РАН, МО г.Фрязино
E-mail: ivanov@sdbireras.ru

2. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕХНИКА №1 2017
24
1. Описание схемы
При разработке электрической схемы ге-
нератора шума за основу был принят предло-
женный в [20] генератор шумового сигнала для
реализации способа активной защиты информа-
ции от её утечки по каналам побочных электро-
магнитных излучений. Это устройство форми-
рует шумовые колебания в диапазоне частот от
десятков килогерц до 2 ГГц.
В известную схему [20] дополнительно
введены два генератора. Таким образом, гене-
ратор шума выполнен на шести транзисторах
BEP 620 по схеме взаимно связанных (каждый с
каждым) генераторов с запаздывающей обратной
связью (рис.1). Первая группа из трёх генерато-
ров выполнена на транзисторах VT1, VT3, VT5,
которые включены параллельно, и запаздываю-
щая обратная связь обеспечивается через конден-
саторы С3, С5 и микрополосковые линии.
Электропитание этой группы транзисторов
осуществляется напряжением 5,0 В через рези-
сторы R1, R2.
Вторая группа из трёх генераторов выпол-
нена на транзисторах VT2, VT4, VT6, которые
включены параллельно, и запаздывающая обрат-
ная связь обеспечивается через конденсаторы С2,
С4 и микрополосковые линии. Электропитание
этой группы транзисторов осуществляется так-
же напряжением 5,0 В через резисторы R1, R2 и
последовательно подключённую индуктивность
L 3. На базовые электроды всех шести транзи-
сторов подаётся питающее напряжение через
делитель R3, R4.
и нелинейного элементов могут быть совмеще-
ны в одном электронном приборе. В восьмиде-
сятые годы достижения твердотельной электро-
ники определили проявление повышенного
интереса к созданию и исследованию широко-
полосных и сверхширокополосных генераторов
шума на основе транзисторов [7 – 8].
Начиная с 1981 г. в Институте радиотехни-
ки и электроники АН СССР были начаты рабо-
ты по активной радиотехнической маскировке
информативных побочных электромагнитных
излучений и наводок от работающих средств
вычислительной техники [9 – 13].
В случае активной маскировки побочных
электромагнитных излучений и наводок (ПЭ-
МИН) средств ЭВТ, частотный диапазон кото-
рых простирается от сотен герц до единиц ГГц,
необходимо создать в пространстве вокруг за-
щищаемого объекта шумовое заградительное
электромагнитное поле и навести маскирующие
шумовые сигналы на отходящие цепи и инже-
нерные коммуникации с нормальным законом
распределения вероятностей мгновенных зна-
чений, сплошным энергетическим спектром и
уровнем, достаточным для исключения утечки
информации [14-19].
Учитывая увеличивающееся быстродей-
ствие вычислительной техники и, как следствие,
расширение частотного диапазона информатив-
ных побочных электромагнитных излучений и
наводок, необходимо было разработать тран-
зисторный генератор шума с рабочим диапазо-
ном до 3 – 5 ГГц с интегральной мощностью
в десятки мВт, стати-
стические характери-
стики формируемых
колебаний которого
приближались бы
к характеристикам
нормального бело-
го шума. Такие гене-
раторы шума можно
будет использовать
как основной функ-
циональный узел в
устройствах радиома-
скировки ПЭМИН, а
также в системах ра-
диопротиводействия.
Рис. 1. Принципиальная электрическая схема исследуемого генератора.

3. Специальное приборостроение и методы измерения
25
влияет на режим формирования шумовых коле-
баний. Для примера на рис.2 приведены спек-
трограммы выходных колебаний при изменении
коллекторного напряжения при напряжении на
базе всех транзисторов (через делитель напря-
жения), равном 3,0 В. Аналогичные результаты
были получены при фиксированном напряжении
на базе 2,0; 4,0; 6,0; 6,6 В.
Также фиксировались спектрограммы вы-
ходных колебаний при напряжении на коллек-
торах всех транзисторов 6,0 В и напряжении на
базе всех транзисторов (через делитель напряже-
ния), равном 2,0; 3,0; 4,0; ,0; 6,0 В.
Следует отметить, что устойчивость режи-
ма формирования шумовых колебаний в таком
генераторе определяется большим коэффициен-
том обратной связи через конденсаторы С2 – С5.
В этом случае все транзисторы работают в пере-
напряжённом режиме и в системе реализуются
условия преимущественного усиления малых
возмущений на комбинационных частотах, а до-
полнительная модуляция этих частот определя-
ется внутренними реактивными параметрами (L
и C) используемых транзисторов.
На основании полученных результатов
были оптимизированы как питающие напряже-
ния, так и номиналы элементов схемы генерато-
ра шума. На рис.3 а приведена спектрограмма
выходных колебаний при напряжении питания
5 В. Работоспособность генератора шума сохра-
няется при изменении питающего напряжения
от 3,5 до 6,0 В.
Изменением напряжения питания усили-
тельного каскада DA1 (рис.1) можно регулиро-
вать интегральный уровень выходной мощности.
Следует отметить, что частотный диапазон
формируемых генератором шума шумовых ко-
лебаний определяется частотными свойствами
используемых транзисторов. В нашем случае в
генераторе шума используются транзисторы с
граничной частотой не ниже 65 ГГц, поэтому
рабочий диапазон генерируемых частот может
достигать 15 - 20 ГГц. В приведённой на рис.1
схеме генератора шума частотный диапазон вы-
ходных формируемых шумовых колебаний будет
ограничиваться сверху усилителем DA1 (SBB-
5089Z), максимальная рабочая частота которого
составляет величину порядка 5 ГГц. Учитывая,
что верхняя граница рабочего диапазона исполь-
Учитывая, что экспериментальный макет
генератора шума предполагается использовать
в средствах активной защиты информативных
компонент побочных электромагнитных излу-
чений и наводок электронно-вычислительной
техники, на выходе генератора предусмотрен
дополнительный усилительный (буферный) ка-
скад DA1 с рабочей частотой до 5 ГГц, электро-
питание которого 12,0 В. Макет выполнен с ис-
пользованием микрополосковых линий на плате
из двухстороннего фольгированного стеклотек-
столита толщиной 1,0 мм. Размеры платы – 40
х 25 мм.
При исследовании режимов работы гене-
ратора шума использовался дополнительный
источник питания, с помощью которого можно
было задавать смещение на базовые электроды
используемых транзисторов (резистор R3 был
отключён от коллектора транзистора VT5).
1.1. Принцип работы генератора
шума.
Первопричиной шумовых колебаний в та-
кой системе являются флуктуационные явления
в элементах схемы и их усиление. Дальнейшее
нелинейное растягивающее преобразование
(преимущественное усиление малых возмуще-
ний) собственных частот генераторов и их гар-
моник на нелинейностях p-n переходов активных
элементов VT1 - VT6 приводит к образованию
комбинационных составляющих сигналов в диа-
пазоне частот от единиц кГц до десятков ГГц.
Лавинное размножение на нелинейностях
входных характеристик транзисторов комбина-
ционных частот от некратных составляющих
и усиление этих составляющих в процессе не-
линейного растягивающего преобразования об-
условливают установление в автоколебательной
системе шумового сигнала в диапазоне частот,
ограниченных сверху частотными (усилитель-
ными) свойствами активных элементов.
2. Практические результаты
Генерация шумовых колебаний в таком
генераторе при подаче питающих напряжений
возникает скачком. Изменение питающих на-
пряжений (Uкол., Uбаза) в широких пределах не

4. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕХНИКА №1 2017
26
Рис. 2. Спектрограммы выходных колебаний генератора шума (на экране развернуто 100 кГц - 5 ГГц).
а) Uб =3,0 В, Uк=(3,0 - 6,0) В, Iг=0,17 А б) Uб =3,0 В, Uк=3,0 В, Iг=0,07 А
в) Uб =3,0 В, Uк=1,8 В, Iг =0,03 А д) Uб =3,0 В, Uк=1,5 В, Iг =0,02 А
U база=3,0 В. U колл. = var.
Рис. 3. Спектрограммы выходных колебаний генератора шума: а) на экране развёрнуто 100 кГц - 5 ГГц;
б) на экране развёрнуто 100 кГц – 10 ГГц.
а) б)

5. СПЕЦИАЛЬНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
27
зуемого усилителя не резко ограничена, в выход-
ных колебаниях будут присутствовать частоты
вплоть до 10ГГц. Для подтверждения сказанно-
го на рис. 3 б приведена спектрограмма колеба-
ний генератора шума на выходе усилителя DA1
(рис.1) в диапазоне частот от 0,1 до 10 ГГц при
напряжении питания 6 В.
На рис. 4 приведены временная реализа-
ция и распределение мгновенных значений вы-
ходных колебаний генератора шума на нагрузке
50 Ом при питающем напряжении 5,0 В. В этом
случае на усилительный каскад подаётся напря-
жение 12 В.
Принято считать, что наилучшими ма-
скирующими свойствами применительно к
широкому классу сигналов обладает помеховый
сигнал с нормальным (гауссовым) распределе-
нием вероятностей мгновенных значений. Сиг-
нал, дифференциальный закон распределения
которого отличен от нормального, будет иметь
меньшую энтропию. В настоящее время широ-
ко распространена оценка помехового качества
шумового сигнала по так называемому энтро-
пийному коэффициенту качества (Kн
). При этом
считается, что мощность реальной помехи, ум-
ноженная на Kн
, равна мощности эквивалентно-
го нормального шума, у которого коэффициент
качества Kн
= 1.
На рис. 5 приведены результаты оценки
энтропийного коэффициента качества формиру-
емых колебаний.
Коэффициент
асимметрии форми-
руемых генератором
шума колебаний со-
ставляет величину
– 0,2551, а коэффи-
циент эксцесса равен
0,1033. В этом случае
энтропийный коэф-
фициент качества не
менее 0, 9887.
Указанные ха-
рактеристики генера-
тора шума подтверж-
дены на большом
числе (> 10) экспери-
ментальных макетов,
что характеризует от-
работанность схемы
и высокую повторя-
емость. После изго-
товления генератор
шума не требуется
настраивать.
Рис. 5. Результаты оценки энтропийного коэффициента качества
формируемых колебаний.
Рис.4. Временная реализация
распределения мгновенных значений
выходных колебаний генератора шума.

6. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕХНИКА №1 2017
28
Заключение
Разработанный генератор шума фор-
мирует сверхширокополосные шумовые ко-
лебания в диапазоне частот 9 кГц – 10 ГГц.
Вероятностные характеристики близки к ха-
рактеристикам нормального белого шума, что
определяет высокие маскирующие свойства
формируемых колебаний. Интегральная вы-
ходная мощность генераторов шума составля-
ет величину не менее 13 dBm (с учётом потерь
в кабеле) при измерении анализатором спектра
и не менее 20 мВт при использовании измери-
теля мощности Я2М-66.
Временная реализация сформированных
генератором шума колебаний представляет со-
бой непрерывный случайный процесс. Энтро-
пийный коэффициент качества шумовых ко-
лебаний составляет величину не менее 0,9887.
Полученные результаты позволяют ут-
верждать, что такие генераторы можно исполь-
зовать как задающие генераторы шума в си-
стемах радиоэлектронного противодействия,
радиотехнической маскировки, и в частности
активной защиты информативных компонент
побочных электромагнитных излучений и на-
водок.
Литература
1. Кислов В.Я., Мясин Е.А. Новый способ генерирования широкополосных СВЧ шумов // Специальная электроника,
сер. Электроника СВЧ. – 1968. – № 6. – С. 28-45.
2. Манькин И.А., Школьников В.Г. Сверхширокополосные сигналы в СВЧ системах // Обзоры по электронной техни-
ке, сер. Электроника СВЧ. – 1985. – № 6(1083). – 44 с.
3. Козулин В.Т., Соколов М.Ф. Полупроводниковый генератор шума // Специальная электроника, сер. Электроника
СВЧ. – 1970. – № 6. –С. 110-113.
4. Кальянов Э.В., Железовский Е.Е., Надолинский В.Ф. Генератор шума на ЛБВМ с обратной связью // Специальная
электроника, сер. Электроника СВЧ. – 1971. – № 6. – С. 113-124.
5. Раздобудько В.В., Пивоваров И.И. Генерация СВЧ шумовых колебаний диодами Ганна // Специальная электроника,
сер. Электроника СВЧ. – 1977. – № 9. – С. 65-71.
6. Беляев Р.В., Залогин Н.Н., Мельников А.И., Оличев Б.М. Твердотельный шумотрон 3-см диапазона // Специальная
электроника, сер. Электроника СВЧ. – 1977. – № 9. – С. 137-139.
7. Кириллов В.М., Семенов Э.А. Мощный широкополосный твердотельный СВЧ модуль дециметрового диапазона //
Специальная электроника, сер. Электроника СВЧ. – 1979. – № 5. – С. 73-82.
8. Козулин В.Т., Дерунов А.В., Шашат А.А. Двухтранзисторный генератор СВЧ шумов // Специальная электроника,
сер. Электроника СВЧ. – 1978. – № 1. – С. 122-127.
9. А.с. № 181591 СССР. Способ маскировки радиоизлучений средств вычислительной техники и устройство для его
осуществления / А.С. Дмитриев, Н.Н. Залогин, В.П. Иванов, В.И. Калинин, В.Я. Кислов, А.В. Соколов. - Приоритет
от 21.09.1981.
10. А.с. № 197621 СССР. Устройство активной радиомаскировки / Э.В. Кальянов, В.Я. Кислов, Н.Н. Залогин, В.И.
Калинин, В.П. Иванов, В.А. Бурыкин, К.И. Палатов. – Приоритет от 22.06.1983.
11. А.с. № 215948 СССР. Генератор шума / А.С. Дмитриев, В.П. Иванов, Э.В. Кальянов, В.Я. Кислов, М.Н. Лебедев. –
Приоритет от 23 апреля 1984.
12. А.с. № 207055 СССР. Устройство для маскировки радиоизлучений радиотехнических средств вычислительной
техники / Ю.В. Анисимова, В.А. Бурыкин, А.С. Дмитриев, Н.Н. Залогин, В.П. Иванов, В.Я. Кислов, А.С. Максимов.
– Приоритет от 25.11.1983.
13. Иванов В.П. Сверхширокополосные генераторы шума и их практическое применение // Успехи современной радио-
электроники. – 2008. – № 1. – С. 37.
14. Иванов В.П. Устройства маскировки ПЭМИН на основе сверхширокополосных генераторов шума. // Известия
ТРТУ. Тематический выпуск. Информационная безопасность. – 2007. – № 1. – С. 47-54.
15. Иванов В.П. Активная защита информативных наводок средств вычислительной техники // Вопросы защиты
информации. – 2009. – №3. – С. 31-34.
16. Иванов В.П. Устройства радиомаскировки. Защита от электронного шпионажа. // Безопасность информацион-
ных технологий. – 2009. – № 4. – С. 74-80.
17. Пат. 2170493 Российская Федерация. Устройство радиомаскировки / В.П. Иванов, В.А. Безруков, В.С. Калашни-
ков, М.Н. Лебедев. – заявл. 15.05.00; опубл. 10.07.01, Бюл. № 19.
18. Пат. 2224376 Российская Федерация. Устройство радиомаскировки / В.П. Иванов, В.А. Безруков, М.Н. Лебедев. –
заявл. 07.06.02; опубл. 20.02.04, Бюл. № 5.
19. Иванов В.П., Залогин Н.Н. Маскировка побочных электромагнитных излучений и наводок, создаваемых вычисли-
тельной техникой. Технические решения // Защита информации. Инсайд. - 2010. – № 3. – С. 68-75.
20. Пат. 2421917 Российская Федерация, МПК H04K1/04, H03B29/00. Способ защиты системы обработки инфор-
мации от побочных электромагнитных излучений, устройство для реализации способа и генератор шумового
сигнала для реализации устройства / В.М. Демин, Ю.П. Лепеха, Л.А. Поярков. - заявл. 15.04.10; опубл. 20.06.11,
Бюл. № 17.

7. Специальное приборостроение и методы измерения
29