Электронный замок

Электронный замок содержит расположенные на объекте охраны радиопередатчик, последовательно включенные радиоприемник, первый перемножитель, узкополосный фильтр, второй перемножитель, первый фильтр нижних частот, последовательно включенные блок памяти, коррелятор, пороговый блок и исполнительный блок, элементы включения, а также средство для кодирования. Второй вход первого перемножителя соединен с выходом первого фильтра нижних частот. Второй вход второго перемножителя соединен с выходом радиоприемника. Исполнительный блок кинематически связан с механическим замком. Элементы включения выполнены в виде механического замка с выключателем питания, соединенного с радиопередатчиком и радиоприемником. Средство для кодирования расположено вне объекта охраны и выполнено в виде линии задержки на поверхностных акустических волнах, в качестве отводов которой использованы гребенчатые системы электродов встречно-штыревого преобразователя поверхностных акустических волн, и отражающих решеток и представляет собой пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным преобразователем и набором отражателей. Преобразователь подключен к микрополосковой приемопередающей антенне, которая также изготовлена на поверхности пьезокристалла. Замок снабжен третьим и четвертым перемножителями, двумя фазовращателями на +90°, фазовращателем на -90°, вторым и третьим фильтрами нижних частот и двумя вычитателями. К выходу узкополосного фильтра последовательно подключены первый фазовращатель на +90°, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, второй фильтр нижних частот, первый вычитатель, второй фазовращатель на +90° и второй вычитатель, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, а выход подключен ко второму входу коррелятора. К выходу узкополосного фильтра также последовательно подключены фазовращатель на -90°, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, и третий фильтр нижних частот, выход которого соединен со вторым входом первого вычитателя. Заявленное изобретение обеспечивает повышение надежности и помехоустойчивости электронного замка. 2 ил.

 

Предлагаемое устройство относится к технике защиты различных объектов от доступа посторонних лиц, в частности к электронным замкам.

Известны электронные замки (авт. свид. СССР №№358.495, 475.450, 506.693, 592.693, 699.155, 878.889, 1.000.547, 1.201.472, 1.252.468, 1.326.718, 1.776.744; патенты РФ №№2.002.020, 2.037.046, 2.043.476, 2.159.836, 2.240.413; патенты США №№4.831.860, 5.209.088; патенты Великобритании №№2.141.774, 2.261.254; патенты ФРГ №№3.407.128, 3.907.326; патенты Франции №№2.559.193, 2.692.309; патенты Японии №№59-192.167, 60-29.912; Дикарев В.И. и др. Защита объектов и информации от несанкционированного доступа. СПб, 2004, с.53-153 и др.)

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Электронный замок» (патент РФ №2.240.413, Е05В 49/00, 2003), который и выбран в качестве прототипа.

При нахождении вблизи замка средства для кодирования, выполненного, например, в виде ключа или брелка, передатчик излучает радиосигнал, частота которого преобразуется в средстве для кодирования, после чего опять излучается и принимается усилителем (приемником), настроенным на эту частоту. При совпадении частоты настройки с частотой принимаемого сигнала замок открывается.

Каждый сотрудник объекта охраны имеет свой индивидуальный модулирующий код, который записан в блоке 16 памяти и в персональном ключе (средстве 6 для кодирования). При этом средство 6 для кодирования выполнено в виде линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), в качестве отводов которой использованы гребенчатые системы электродов встречно-штыревого преобразователя (ВШП) поверхностных акустических волн. Средство 6 для кодирования является простым, надежным и миниатюрным устройством (типа брелка, кольца или небольшого медальона), которое не затрудняет обычную жизнедеятельность владельца, но несет на себе необходимую уникальную информацию об этом владельце. Второе важное достоинство этого устройства - предоставляемая возможность дистанционного считывания им информации неограниченное число раз, без какого бы то ни было участия владельца.

Недостатком данного устройства является низкая надежность и помехоустойчивость к узкополосным помехам.

Технической задачей изобретения является повышение надежности и помехоустойчивости электронного замка путем подавления узкополосных помех.

Поставленная задача решается тем, что электронный замок, содержащий в соответствии с ближайшим аналогом расположенные на объекте охраны радиопередатчик, последовательно включенные радиоприемник, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, узкополосный фильтр, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, и первый фильтр нижних частот, последовательно включенные блок памяти, коррелятор, пороговый блок и исполнительный блок, кинематически связанный с механическим замком, и элементы включения, выполненные в виде механического замка с выключателем питания, соединенного с радиопередатчиком и радиоприемником, а также средство для кодирования, расположенное вне объекта охраны и выполненное в виде линии задержки на поверхностных акустических волнах, в качестве отводов которой использованы гребенчатые системы электродов встречно-штыревого преобразователя поверхностных акустических волн, и отражающих решеток и представляет собой пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным преобразователем и набором отражателей, при этом преобразователь подключен к микрополосковой приемопередающей антенне, которая также изготовлена на поверхности пьезокристалла, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен третьим и четвертым перемножителями, двумя фазовращателями на +90°, фазовращателем на -90°, вторым и третьим фильтрами нижних частот и двумя вычитателями, причем к выходу узкополосного фильтра последовательно подключены первый фазовращатель на +90°, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, второй фильтр нижних частот, первый вычитатель, второй фазовращатель на +90° и второй вычитатель, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, а выход подключен ко второму входу коррелятора, к выходу узкополосного фильтра последовательно подключены фазовращатель на -90°, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, и третий фильтр нижних частот, выход которого соединен со вторым входом первого вычитателя.

Структурная схема предлагаемого электронного замка представлена на фиг.1; временные диаграммы, поясняющие принципы работы электронного замка, изображены на фиг.2.

Электронный замок содержит расположенные на объекте охраны радиопередатчик 4, последовательно включенные радиоприемник 5, первый перемножитель 12, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра 15 нижних частот, узкополосный фильтр 14, второй перемножитель 13, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника 5, первый фильтр 15 нижних частот, второй вычитатель 28, коррелятор 17, второй вход которого соединен с выходом блока 16 памяти, пороговый блок 18 и исполнительный блок 3, кинематически связаный с механическим замком, последовательно подключенные к выходу узкополосного фильтра 14 первый фазовращатель 20 на +90°, третий перемножитель 22, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника 5, второй фильтр 24 нижних частот, первый вычитатель 26 и второй фазовращатель 27 на +90°, выход которого соединен со вторым входом второго вычитателя 28, последовательно подключенные к выходу узкополосного фильтра 14 фазовращатель 21 на -90°, четвертый перемножитель 23, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника 5, и третий фильтр 25 нижних частот, выход которого соединен со вторым входом первого вычитателя 26, и элементы включения, выполненные в виде механического замка 1 с выключателем 2 питания, соединенные с радиопередатчиком 4 и радиоприемником 5, а также средство 6 для кодирования, расположенное вне объекта охраны и выполненное в виде линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), в качестве отводов которой использованы гребенчатые системы электродов 8 встречно-штыревого преобразователя (ВШП) поверхностных акустических волн, и отражающих решеток 11 и представляет собой пьезокристалл 19 с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным преобразователем и набором отражателей, при этом преобразователь подключен к микрополосковой приемопередающей антенне 7, которая также изготовлена на поверхности пьезокристалла 19.

Центральная частота и полоса пропускания ВШП определяются шагом размещения электродов и их количеством. Порядок размещения электродов несет индивидуальную информацию о владельце средства 6 для кодирования. Изготовление ВШП осуществляется стандартными методами фотолитографии и травлением тонкой металлической пленки, осажденной на пьезоэлектрическом кристалле. Возможности современной фотолитографии позволяют создавать ВШП, работающие на частотах до 3 ГГц.

Как правило, скорость распространения ПАВ составляет 3·10³ м/с. Это примерно на пять порядков меньше скорости распространения электромагнитных колебаний, в связи с этим на одном сантиметре пьезокристалла можно уместить такую же информацию, как и в километровом кабеле.

Электронный замок работает следующим образом.

При нажатии на ручку 1 замка замыкаются контакты, подавая питание на радиопередатчик 4 и радиоприемник 5. Радиопередатчик 4 излучает сигнал высокой частоты (фиг.2, а):

u_c(t)=U_c·Cos(w_ct+φ_c), 0≤t≤T_c,

где U_c, w_c, φ_с, T_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала.

Причем длительность T_c сигнала определяется временем нажатия на ручку замка. Указанный сигнал принимается приемопередающей антенной 7 средства 6 для кодирования, где он преобразуется в акустическую волну. Работа электродных преобразователей 8 основана на том, что переменные в пространстве и времени электрические поля, создаваемые в пьезоэлектрическом кристалле системой электродов, вызывают из-за пьезоэффекта упругие деформации, которые распространяются в кристалле в виде ПАВ. Акустическая волна распространяется по кристаллу и через некоторое время достигает отражающих решеток 11, которые отражают волну назад с фазой, определяемой положением решеток, и амплитудой, пропорциональной коэффициенту отражения. Отраженная акустическая волна модифицируется уникальным, зависящим от топологии ВШП образом. Затем акустическая волна претерпевает в ВШП обратное преобразование в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией, который поступает в антенну 7 и излучается в пространство.

Сформированный фазоманипулированный (ФМн) сигнал имеет следующий вид (фиг.2, в):

u₁(t)=U₁·Cos[w_ct+φ_к(t)+φ_с], 0≤t≤T_c,

где φ_к(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M_i(t) (фиг.2, б), причем φ_к(t)=const при Кτ_э<t<(к+1)τ_э и может изменяться скачком при t=Кτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1,2,…,N; i=1,2,…,n);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с(Т_с=N·τ_э).

Причем модулирующий код M_i(t) является индивидуальным для каждого сотрудника, имеющего доступ к электронному замку, а следовательно, и санкционированный доступ к объекту охраны.

Входная смесь, содержащая полезный ФМн-сигнал:

u₁(t)=U₁·Cos[w_ct+φ_к(t)+φ_с], 0≤t≤T_c

и узкополосную помеху

u_п(t)=U_п·Cos(w_пt+φ_п), 0≤t≤Т_п,

где w_п-w_c=Δw≤Δw_ф,

Δw_ф - полоса пропускания фильтров низкой частоты,

с выхода радиоприемника 5, настроенного на несущую частоту w_c, одновременно поступает на первые входы перемножителей 12, 13, 22 и 23. На второй вход перемножителя 13 с выхода узкополосного фильтра 14 подается опорное напряжение (фиг.2, г):

u₀(t)=U₀·Cos(w_ct+φ_с), 0≤t≤T_c.

На выходе фильтра 15 нижних частот образуется низкочастотное напряжение:

u₂(t)=[u₁(t)+u_п(t)]·u₀(t)={U₁·Cos[w_ct+φ_к(t)+φ_с]+

U_п·Cos(w_пt+φ_п)}·U₀·Cos(w_ct+φ_c)=U₂·Cosφ_к(t)+U₃·Cos[(w_п-w_c)t+φ_п(t)-φ_с],

где U₂=½U₁·U₀; U₃=½U_п·U₀.

Следовательно, на выходе фильтра 15 нижних частоты наряду с полезной составляющей U₂·Cosφ_к(t) появляется помеховая составляющая U₃·Cos[(w_п-w_c)t+φ_п+φ_с]. На выходе перемножителя 12 образуется гармоническое напряжение:

u₀(t)=[u₁(t)+u_п(t)]·u₂(t)={U₁·Cos[w_ct+φ_к(t)+φ_с]+

U_п·Cos(w_пt+φ_п)}·{U₂·Cosφ_к(t)+U₃·Cos[(w_п-w_c)t+φ_п(t)-φ_c]}=U₀·Cos(w_ct+φ_с),

которое выделяется узкополосным фильтром 14.

Опорное напряжение u₀(t) одновременно подается на вторые входы перемножителей 22 и 23 через фазовращатели 20 на +90° и 21 на -90° соответственно. На выходах фильтров 24 и 25 нижних частот образуются низкочастотные напряжения соответственно:

u₃(t)=[u₁(t)+u_п(t)]·u₀₁(t)={U₁·Cos[w_ct+φ_к(t)+φ_с]+

U_п·Cos(w_пt+φ_п)}·U₀·Cos(w_ct+φ_с+90°)=U₂·Cos[φ_к(t)-90°]+

U₃·Cos[(w_п-w_c)t+φ_п(t)-φ_с-90°],

u(t)=[u₁(t)+u_п(t)]·u₀₂(t)={U₁·Cos[w_ct+φ_к(t)+φ_c]+

U_п·Cos(w_пt+φ_п)}·U₀·Cos(w_ct+φ_c-90°)=U₂·Cos[φ_к(t)+90°]+

U₃·Cos[(w_п-w_c)t+φ_п(t)-φ_c+90°].

На выходе вычитателя 26 получается разность:

u₅(t)=u₃(t)-u₄(t)=U₄·Sin[(w_п-w_c)t+φ_п(t)-φ_c]-Sin90°

=U₄·Sin[(w_п-w_c)t+φ_п(t)-φ_c],

где U₄=½U₃ ².

Анализ выражения u₅(t) показывает, что оно представляет собой оценку помеховой составляющей, которая отличается от помеховой составляющей на выходе фильтра 15 нижних частот амплитудой и поворотом по фазе на +90°.

Это напряжение u₅(t) через фазовращатель 27 на +90° подается на второй вход второго вычитателя 28, на первый вход которого поступает напряжение u₂(t) с выхода фильтра 15 нижних частот. Равенство амплитуд помеховых составляющих на выходах второго вычитателя 28 может быть достигнуто за счет выбора коэффициентов усиления перемножителей 13, 22 и 23. После вычитания напряжений u₂(t) и u₅(t) на выходе второго вычитателя 28 образуется низкочастотное напряжение:

u_н(t)=U₂·Cosφ_к(t).

Следовательно, перемножители 12 и 13, узкополосный фильтр 14 и фильтр 15 нижних частот обеспечивают выделение модулирующего кода M_i(t) из принимаемого ФМн-сигнала, т.е. синхронное его детектирование.

Применяемые блоки, обеспечивающие синхронное детектирование принимаемого ФМн-сигнала, свободны от явления "обратной работы" и позволяют достоверно выделять модулирующую функцию M_i(t) (ее аналог) из принимаемого ФМн-сигнала.

Аналог модулирующего кода u_н(t) (фиг.2, д) с выхода второго вычитателя 28 поступает на первый вход коррелятора 17, на второй вход которого подаются модулирующие коды M_i(t)-M_n(t), записанные заранее в блоке 16 памяти, где n - количество сотрудников, имеющих доступ к электронному замку, а следовательно, и санкционированный доступ к объекту охраны.

Каждый сотрудник объекта охраны имеет свой индивидуальный модулирующий код, который записан в блоке 16 памяти и в персональном ключе (средство 6 для кодирования). Выделенный из принимаемого ФМн-сигнала аналог модулирующего кода в корреляторе 17 со своим прототипом, записанным в блоке 16 памяти, образует максимальное напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ). Это напряжение превышает пороговый уровень U_пор в пороговом блоке 18. Пороговый уровень U_пор выбирается таким, чтобы его превышали только максимальные значения корреляционных функций. При превышении порогового уровня U_пор в пороговом блоке 18 формируется управляющее напряжение, которое включает исполнительный механизм 3.

При отсутствии вблизи электронного замка средства для кодирования, которое может быть выполнено в виде ключа или брелка, сигнал на первом входе коррелятора 17 отсутствует и замок не открывается. Замок не открывается и в том случае, если модулирующий код, записанный в брелке его владельца, не соответствует ни одному из кодов M₁(t)-M_n(t), записанных в блоке 16 памяти.

Используемые сложные сигналы с фазовой манипуляцией обладают структурной и энергетической скрытностью. Они позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию.

Положительным свойством средства для кодирования на ПАВ является надежность и миниатюрные размеры, а также малые затраты на длительную эксплуатацию (отсутствие батареи и большое время наработки на отказ).

Большим преимуществом предлагаемого электронного замка является пассивное средство для кодирования, которое при облучении формирует специальным образом синтезированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией.

Таким образом, предлагаемый электронный замок по сравнению с прототипом обеспечивает повышение надежности и помехоустойчивости электронного замка. Это достигается за счет подавления узкополосных помех фазокомпенсационным методом.

Электронный замок, содержащий расположенные на объекте охраны радиопередатчик, последовательно включенные радиоприемник, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, узкополосный фильтр, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, и первый фильтр нижних частот, последовательно включенные блок памяти, коррелятор, пороговый блок и исполнительный блок, кинематически связанный с механическим замком, и элементы включения, выполненные в виде механического замка с выключателем питания, соединенного с радиопередатчиком и радиоприемником, а также средство для кодирования, расположенное вне объекта охраны и выполненное в виде линии задержки на поверхностных акустических волнах, в качестве отводов которой использованы гребенчатые системы электродов встречно-штыревого преобразователя поверхностных акустических волн, и отражающих решеток и представляющее собой пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным преобразователем и набором отражателей, при этом преобразователь подключен к микрополосковой приемопередающей антенне, которая также изготовлена на поверхности пьезокристалла, отличающийся тем, что он снабжен третьим и четвертым перемножителями, двумя фазовращателями на +90°, фазовращателем на -90°, вторым и третьим фильтрами нижних частот и двумя вычитателями, причем к выходу узкополосного фильтра последовательно подключены первый фазовращатель на +90°, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, второй фильтр нижних частот, первый вычитатель, второй фазовращатель на +90° и второй вычитатель, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, а выход подключен ко второму входу коррелятора, к выходу узкополосного фильтра последовательно подключены фазовращатель на -90°, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, и третий фильтр нижних частот, выход которого соединен со вторым входом первого вычитателя.