Исследование излучений в ближнем поле цифровых устройств с частотно-модулированным тактированием

А.Б. Баев; Ю.В. Кузнецов; М.А. Коновалюк; А.А. Горбунова

doi:10.18127/j5604128-202505-02

Исследование излучений в ближнем поле цифровых устройств с частотно-модулированным тактированием

А.Б. Баев¹, Ю.В. Кузнецов², М.А. Коновалюк³, А.А. Горбунова⁴

научная статья УДК 621.3.018.11 Страницы: 7-19 doi.org/10.18127/j5604128-202505-02

^1,2,3,4 Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (Москва, Россия)

Ключевые слова: Ближняя зона излучения электромагнитная совместимость измерения во временной области тактирование с расширением спектра циклостационарные случайные процессы

Аннотация

Постановка проблемы. Корреляционный анализ циклостационарных непреднамеренных электромагнитных излучений электронных устройств, зарегистрированных в ближней зоне во временной области, позволяет локализовать на поверхности исследуемого устройства пути, по которым передаются сигналы цифровых интерфейсов, идентифицировать источники излучений и предсказать направление распространения излучений в дальней зоне. Для проведения исследования излучений в ближней зоне электронных устройств используется система измерения, включающая в себя пробники электрического или магнитного поля, систему позиционирования, высокоскоростной многоканальный цифровой осциллограф и компьютер. Выявленные циклостационарные свойства излучений цифровых интерфейсов позволяют выполнять синхронное усреднение по ансамблю реализаций и оценивать двумерные авто- и взаимные корреляционные функции непреднамеренных электромагнитных излучений электронных устройств. Используемая в современных цифровых интерфейсах передачи данных технология тактирования с расширением спектра стационаризирует электромагнитные излучения электронных устройств и не позволяет решать задачи, перечисленные выше, с применением циклостационарных свойств.

Цель. Предложить алгоритм компенсации частотной модуляции в непреднамеренных электромагнитных излучениях, регистрируемых в ближнем поле электронных устройств, для локализации и идентификации источников с использованием циклических характеристик.

Результаты. Сформулированы особенности временных, спектральных и статистических характеристик сигналов цифровых интерфейсов электронных устройств, тактированных с применением технологии с расширением спектра. Разработан алгоритм демодуляции сигналов синхронизации с расширением спектра, используемых в современных цифровых устройствах передачи данных. Компьютерное моделирование показало, что применение алгоритма позволяет восстановить циклостационарные свойства в излучении электронного устройства, зарегистрированного в ближнем поле во временной области. Экспериментальные исследования подтвердили эффективность разработанного алгоритма и позволили локализовать источники циклостационарных излучений на поверхности исследуемого устройства.

Практическая значимость. Разработанный алгоритм демодуляции сигналов, тактированных с использованием технологии расширения спектра, позволил оценить циклические характеристики электромагнитных излучений электронного устройства, зарегистрированные в ближнем поле во временной области, для локализации источников непреднамеренных излучений на поверхности исследуемого устройства.

Поступила: 07.07.2025
Одобрена: 17.07.2025
Принята: 26.07.2025

Для цитирования

Баев А.Б., Кузнецов Ю.В., Коновалюк М.А., Горбунова А.А. Исследование излучений в ближнем поле цифровых устройств с частотно-модулированным тактированием // Электромагнитные волны и электронные системы. 2025. Т. 30. № 5. С. 7−19. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604128-202505-02

Список источников

Wu T.-L., Buesink F., Canavero F. Overview of Signal Integrity and EMC Design Technologies on PCB: Fundamentals and Latest Progress // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2013. V. 55. № 4. P. 624–638 DOI 10.1109/TEMC.2013.2257796.
Wane S., Doussin O., Bajon D., Russer J., Russer P. Stochastic approach for Power Integrity, Signal Integrity, EMC and EMI analysis of moving objects // International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA). Turin, Italy. 2015. P. 1554–1557. DOI 10.1109/ICEAA.2015.7297386.
Верба В.С., Меркулов В.И., Тетеруков А.Г. Электромагнитная совместимость. Часть 1. Роль и место в бортовых радио-электронных комплексах. Анализ состояния проблемы // Электромагнитные волны и электронные системы. 2025. Т. 30. № 1. С. 5−19. DOI 10.18127/j15604128-202501-01.
Верба В.С., Меркулов В.И., Тетеруков А.Г. Электромагнитная совместимость. Часть 2. Непреднамеренные радиопомехи // Электромагнитные волны и электронные системы. 2025. Т. 30. № 2. С. 5−19. DOI 10.18127/j15604128-202502-01.
Paul C.R. Introduction to Electromagnetic Compatibility. 2nd Ed. New Jersey, USA: John Wiley & Sons. 2006. 836 p. DOI 10.1002/0471758159.
Ramdani M., Sicard E., Boyer A., Ben Dhia S., Whalen J.J., Hubing T.H., Coenen M., Wada O. The Electromagnetic Compatibility of Integrated Circuits – Past, Present, and Future // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2009. V. 51. № 1. P. 78–100. DOI 10.1109/TEMC.2008.2008907.
IEC TS 61967-3. Technical Specification. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://webstore.iec.ch/en/iec_catalog/product/ preview/?id=L3B1Yi9wZGYvcHJldmlldy9pbmZvX2llY3RzNjE5NjctM3tlZDIuMH1iLnBkZg==, дата обращения 15.05.2025.
Leferink F. Interfered technology: A radiant future: A look forward to EMC in 2023, five years from now // IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine. 2018. V. 7. № 4. P. 69–75. DOI 10.1109/MEMC.2018.8637298.
Baev A., Kuznetsov Y., Gorbunova A., Konovalyuk M., Russer J.A. Measurement Procedure for Cyclostationary Characterization of PCB Radiated Emissions // International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA). Granada, Spain. 2019. P. 0320–0324. DOI 10.1109/ICEAA.2019.8879137.
Gardner W.A., Napolitano A., Paura L. Cyclostationarity: Half a century of research // Signal Processing. 2006. V. 86. № 4. P. 639–697. DOI 10.1016/j.sigpro.2005.06.016.
Kuznetsov Y., Baev A., Konovalyuk M., Gorbunova A., Russer J.A. Autocorrelation Analysis and Near-Field Localization of the Radiating Sources with Cyclostationary Properties // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2020. V. 62. № 5. P. 2186–2195. DOI 10.1109/TEMC.2019.2946748.
Kuznetsov Y., Baev A., Gorbunova A., Konovalyuk M., Thomas D., Smartt C., Baharuddin M.H., Russer J.A., Russer P. Localization of the equivalent sources on the PCB surface by using ultra-wideband time domain near-field measurements // International Symposium on Electromagnetic Compatibility – EMC EUROPE. Wroclaw, Poland. 2016. P. 1–6. DOI 10.1109/EMCEurope.2016.7739184.
Hardin K.B., Fessler J.T., Bush D.R. Spread spectrum clock generation for the reduction of radiated emissions // Proceedings of IEEE Symposium on Electromagnetic Compatibility, Chicago. IL, USA. 1994. P. 227–231. DOI 10.1109/ISEMC.1994.385656.
LVDS Owner’s Manual. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://web.pa.msu.edu/hep/d0/ftp/run2b/l1cal/hardware/com-ponent_information/national_lvds_owners_manual.pdf, дата обращения 15.05.2025.
Universal Serial Bus 3.2 Specification. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://archive.org/details/usb-3.2-revision-1.0, дата обращения 15.05.2025.
SATA-IO Unveils Revision 3.2 Specification. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://sata-io.org/sites/default/files/docu-ments/SATA_v3%202_PR__Final_BusinessWire.pdf, дата обращения 15.05.2025.
Kuznetsov Y., Baev A., Konovalyuk M., Gorbunova A., Haider M., Russer J.A. Cyclostationary Source Separation Based on Electromagnetic Measurements in the Near-field of PCB // Photonics & Electromagnetics Research Symposium – Spring (PIERS-Spring). Rome, Italy. 2019. P. 1922–1928. DOI 10.1109/PIERS-Spring46901.2019.9017354.
Kuznetsov Yu., Baev A., Gorbunova A., Konovalyuk M., Russer J.A., Haider M., Russer P. Cross-correlation analysis of the cyclostationary near-field unintentional radiations from the PCB // International Symposium on Electromagnetic Compatibility – EMC EUROPE. Angers, France. 2017. P. 1–6. DOI 10.1109/EMCEurope.2017.8094730.
Kuznetsov Yu., Baev A., Konovalyuk M., Gorbunova A., Russer J.A., Haider M., Russer P. Far-field Cyclostationary Characterization of Emissions from DUT Based on the Jefimenko’s Equations // International Symposium on Electromagnetic Compatibility – EMC EUROPE. Barcelona, Spain. 2019. P. 586–591. DOI 10.1109/EMCEurope.2019.8872014.
Kuznetsov Y., Baev A., Haider M., Russer J.A., Russer P. Time-domain far-field measurements for cross-correlation analysis // International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA). Verona, Italy. 2017. P. 1517–1520. DOI 10.1109/ICEAA.2017.8065571.
Kuznetsov Y.V., Baev A.B., Konovalyuk M.A., Gorbunova A.A., Russer J.A., Russer P. Cyclostationary Characterization of Radiated Emissions in Digital Electronic Devices // IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine. 2020. V. 9. № 4. P. 63–76. DOI 10.1109/MEMC.2020.9328001.
Патент на изобретение RUS2829018 от 22.10.2024. Система регистрации непреднамеренных электромагнитных излучений в ближнем поле электронных устройств / Баев А.Б., Горбунова А.А., Коновалюк М.А., Кузнецов Ю.В.
IEEE 2718-2023. Guide for Near Field Characterization of Unintentional Stochastic Radiators. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://standards.ieee.org/ieee/2718/6983/, дата обращения 15.05.2025.
Tatsukawa J. Spread-Spectrum Clocking Reception for Displays. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://fpga. eetrend.com/files-eetrend-xilinx/download/201008/1013-1956-xapp469.pdf, дата обращения 15.05.2025.

[1] Wu T.-L., Buesink F., Canavero F. Overview of Signal Integrity and EMC Design Technologies on PCB: Fundamentals and Latest Progress // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2013. V. 55. № 4. P. 624–638 DOI 10.1109/TEMC.2013.2257796.

[2] Wane S., Doussin O., Bajon D., Russer J., Russer P. Stochastic approach for Power Integrity, Signal Integrity, EMC and EMI analysis of moving objects // International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA). Turin, Italy. 2015. P. 1554–1557. DOI 10.1109/ICEAA.2015.7297386.

[3] Верба В.С., Меркулов В.И., Тетеруков А.Г. Электромагнитная совместимость. Часть 1. Роль и место в бортовых радио-электронных комплексах. Анализ состояния проблемы // Электромагнитные волны и электронные системы. 2025. Т. 30. № 1. С. 5−19. DOI 10.18127/j15604128-202501-01.

[4] Верба В.С., Меркулов В.И., Тетеруков А.Г. Электромагнитная совместимость. Часть 2. Непреднамеренные радиопомехи // Электромагнитные волны и электронные системы. 2025. Т. 30. № 2. С. 5−19. DOI 10.18127/j15604128-202502-01.

[5] Paul C.R. Introduction to Electromagnetic Compatibility. 2nd Ed. New Jersey, USA: John Wiley & Sons. 2006. 836 p. DOI 10.1002/0471758159.

[6] Ramdani M., Sicard E., Boyer A., Ben Dhia S., Whalen J.J., Hubing T.H., Coenen M., Wada O. The Electromagnetic Compatibility of Integrated Circuits – Past, Present, and Future // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2009. V. 51. № 1. P. 78–100. DOI 10.1109/TEMC.2008.2008907.

[7] IEC TS 61967-3. Technical Specification. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://webstore.iec.ch/en/iec_catalog/product/ preview/?id=L3B1Yi9wZGYvcHJldmlldy9pbmZvX2llY3RzNjE5NjctM3tlZDIuMH1iLnBkZg==, дата обращения 15.05.2025.

[8] Leferink F. Interfered technology: A radiant future: A look forward to EMC in 2023, five years from now // IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine. 2018. V. 7. № 4. P. 69–75. DOI 10.1109/MEMC.2018.8637298.

[9] Baev A., Kuznetsov Y., Gorbunova A., Konovalyuk M., Russer J.A. Measurement Procedure for Cyclostationary Characterization of PCB Radiated Emissions // International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA). Granada, Spain. 2019. P. 0320–0324. DOI 10.1109/ICEAA.2019.8879137.

[10] Gardner W.A., Napolitano A., Paura L. Cyclostationarity: Half a century of research // Signal Processing. 2006. V. 86. № 4. P. 639–697. DOI 10.1016/j.sigpro.2005.06.016.

[11] Kuznetsov Y., Baev A., Konovalyuk M., Gorbunova A., Russer J.A. Autocorrelation Analysis and Near-Field Localization of the Radiating Sources with Cyclostationary Properties // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2020. V. 62. № 5. P. 2186–2195. DOI 10.1109/TEMC.2019.2946748.

[12] Kuznetsov Y., Baev A., Gorbunova A., Konovalyuk M., Thomas D., Smartt C., Baharuddin M.H., Russer J.A., Russer P. Localization of the equivalent sources on the PCB surface by using ultra-wideband time domain near-field measurements // International Symposium on Electromagnetic Compatibility – EMC EUROPE. Wroclaw, Poland. 2016. P. 1–6. DOI 10.1109/EMCEurope.2016.7739184.

[13] Hardin K.B., Fessler J.T., Bush D.R. Spread spectrum clock generation for the reduction of radiated emissions // Proceedings of IEEE Symposium on Electromagnetic Compatibility, Chicago. IL, USA. 1994. P. 227–231. DOI 10.1109/ISEMC.1994.385656.

[14] LVDS Owner’s Manual. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://web.pa.msu.edu/hep/d0/ftp/run2b/l1cal/hardware/com-ponent_information/national_lvds_owners_manual.pdf, дата обращения 15.05.2025.

[15] Universal Serial Bus 3.2 Specification. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://archive.org/details/usb-3.2-revision-1.0, дата обращения 15.05.2025.

[16] SATA-IO Unveils Revision 3.2 Specification. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://sata-io.org/sites/default/files/docu-ments/SATA_v3%202_PR__Final_BusinessWire.pdf, дата обращения 15.05.2025.

[17] Kuznetsov Y., Baev A., Konovalyuk M., Gorbunova A., Haider M., Russer J.A. Cyclostationary Source Separation Based on Electromagnetic Measurements in the Near-field of PCB // Photonics & Electromagnetics Research Symposium – Spring (PIERS-Spring). Rome, Italy. 2019. P. 1922–1928. DOI 10.1109/PIERS-Spring46901.2019.9017354.

[18] Kuznetsov Yu., Baev A., Gorbunova A., Konovalyuk M., Russer J.A., Haider M., Russer P. Cross-correlation analysis of the cyclostationary near-field unintentional radiations from the PCB // International Symposium on Electromagnetic Compatibility – EMC EUROPE. Angers, France. 2017. P. 1–6. DOI 10.1109/EMCEurope.2017.8094730.

[19] Kuznetsov Yu., Baev A., Konovalyuk M., Gorbunova A., Russer J.A., Haider M., Russer P. Far-field Cyclostationary Characterization of Emissions from DUT Based on the Jefimenko’s Equations // International Symposium on Electromagnetic Compatibility – EMC EUROPE. Barcelona, Spain. 2019. P. 586–591. DOI 10.1109/EMCEurope.2019.8872014.

[20] Kuznetsov Y., Baev A., Haider M., Russer J.A., Russer P. Time-domain far-field measurements for cross-correlation analysis // International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA). Verona, Italy. 2017. P. 1517–1520. DOI 10.1109/ICEAA.2017.8065571.

[21] Kuznetsov Y.V., Baev A.B., Konovalyuk M.A., Gorbunova A.A., Russer J.A., Russer P. Cyclostationary Characterization of Radiated Emissions in Digital Electronic Devices // IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine. 2020. V. 9. № 4. P. 63–76. DOI 10.1109/MEMC.2020.9328001.

[22] Патент на изобретение RUS2829018 от 22.10.2024. Система регистрации непреднамеренных электромагнитных излучений в ближнем поле электронных устройств / Баев А.Б., Горбунова А.А., Коновалюк М.А., Кузнецов Ю.В.

[23] IEEE 2718-2023. Guide for Near Field Characterization of Unintentional Stochastic Radiators. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://standards.ieee.org/ieee/2718/6983/, дата обращения 15.05.2025.

[24] Tatsukawa J. Spread-Spectrum Clocking Reception for Displays. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://fpga. eetrend.com/files-eetrend-xilinx/download/201008/1013-1956-xapp469.pdf, дата обращения 15.05.2025.

Аннотация

Для цитирования

Похожие статьи