Zaj címkéhez tartozó bejegyzések

Szeminárium: „Vezetéknélküli FES mérőrendszer fejlesztése”

A szeminárium anyaga itt elérhető: Magyary-FES.pptx

A szeminárim tematikája röviden:

  • A zajjal segített gázérzékelés (FES) elvének bemutatása
  • Saját készítésű mérőrendszerek és eredményeinek bemutatása
  • Alacsony fogyasztású vezetéknélküli modul
  • Spektrális rekonstrukció módszere

Absztraktja:

Különböző gázok vagy a levegőminőség  mérésére gyakran használnak félvezető alapú szenzorokat.  Ezen szenzorok esetén az elsődlegesen mért jel a szenzor ellenállása, azonban csak ezen adat mérése alapján a szenzor érzékenysége és szelektivitása erősen korlátozott. Ugyanakkor, hogy ha nem csak az ellenállás átlagos értékét mérjük, hanem annak fluktuációját, zaját, sokkal több információhoz juthatunk, ezzel növelve mind az érzékenységet, mind pedig a szelektivitást.

Előadásomban röviden bemutatom a mérési elvet, e mellett pedig a kutatásban elért legfrissebb eredményeinket is. Ezek között szerepel egy vezetéknélküli, alacsony költségű szenzormodul fejlesztése valamint a hozzá kötődő adatfeldolgozás érdekességei.

További cikkek a témában: http://drrm.net/tag/fes/

Megjelent: Milyen típusú zajok biztosítják a biztonságot a Kirchoff-law-Johnson-noise (KLJN) biztonságos kulcsmegosztó-protokoll esetén?

Megjelent a KLJN témakörében írt cikkünk, melynek eredeti angol címe: “What kind of noise guarantees security for the Kirchhoff-Law-Johnson-Noise key exchange?”.

Az absztrakt magyarul:

Ez a cikk egy kiegészítése az egyik nemrég megjelent cikkünknek, mely a Kirchoff-law-Johnson-noise (KLJN) biztonságos kulcsmegosztó-protokoll zajtulajdonságait elemezi [Gingl and Mingesz, PLOS ONE 9 (2014) e96109, doi: 10.1371/journal.pone.0096109]. Jelenlegi cikkünkben tisztán matematikai statisztikai módszerrel bizonyítjuk be, hogy csak megfelelő skálázású, normál eloszlású zaj tudja biztosítani a szükséges biztonságot. Eredményeink megfelelnek a korábbi, fizikai alapú feltevésekkel [Kish, Phys. Lett. A 352 (2006) 178–182, doi: 10.1016/j.physleta.2005.11.062]. A matematikai levezetéseken felül numerikus szimulációk segítségével is megmutatjuk, hogy nem megfelelő zaj tulajdonságok választás esetén a kommunikáció jól láthatóan nem biztonságos. A kommunikáció időbeli tulajdonságait felhasználó támadások elleni védekezést nem vizsgáljuk ezen cikk keretein belül. A cikkhez kapcsolódó szimulációk elérhetők itt: http://www.noise.inf.u-szeged.hu/Research/kljn/.

A teljes cikket itt lehet elérni: http://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0219477514500217  (Fluctuation and Noise Letters, Volume No. 13, Issue No. 2.), a preprintet pedig itt lehet elolvasni: http://arxiv.org/abs/1405.1196

Szeminárium: „A KLJN protokoll megvalósításának legfrissebb eredményei”

A mai szeminárium anyaga itt elérhető: Magyary-KLJN.pptx

A szeminárium során röviden bemutattam az protokoll fejlesztése során eddig elért eredményeket. A szeminárium tematikája:

  • A KLJN protokoll bemutatása
  • Megvalósított hardverek
  • A KLJN protokoll megvalósításához szükséges zajgenerátor tulajdonságai
  • Bitdetektálás módszere
  • A vezetékellenállás hatásának kiküszöbölése

Miért épp KLJN?

Az üzenetek titkosítsa már régóta foglalkoztatja az embereket, az ókorban is különféle trükköket vetettek be annak érdekében, hogy fontos üzeneteik ne juthassanak illetéktelen kezekbe. Napjainkban egyre komolyabb szerepet tölt be a kriptográfia, már nem csak hadititkokat kell közvetíteni, hanem a többek között bankrendszer sem működhetne megfelelő titkosítás nélkül. E mellett pedig fontos szerepet tölt be a személyes adatok védelme, valamint, úgy általában, a számítógépes hálózatok megbízhatóságában is nagy szerepe van a különböző titkosítási és hitelesítési megoldásoknak.

A titkosítás során az eredeti, titkosítandó (nyílt) szöveget egy eljárás segítségével olyan szöveggé alakítjuk (titkosított szöveg), melyet más nem tud dekódolni, csak aki azzal a tudással rendelkezik, ami az üzenet visszaalakításához szükséges. A szükséges tudás általában egy, a titkosításhoz használt kulcs. Jelenleg számos algoritmust használnak az adatok titkosításához, pl. szimmetrikus kulcsú rejtjelezést (pl. DES, AES), ahol ugyanazzal a kulccsal történik a titkosítás és az üzenet megfejtése. Ezen titkosítás esetén az üzenetet küldője és az üzenet fogadója ugyanazt a kulcsot használja, melyet valamilyen módon meg kellett osszanak egymással. Másik lehetőség a nyilvános kulcsú rejtjelezés (pl. RSA), ahol a kommunikáló feleknek nem kell egymással találkozni, habár a megfelelő biztonsághoz szükség van egy megbízható hitelesítési szolgáltatóra.

A jelenleg elterjedt titkosítási algoritmusok döntő többségének egy komoly hiányossága van: feltörhetők, biztonságuk csupán azon a feltevésen alapul, hogy a lehallgató félnek nem áll rendelkezésére elegendő erőforrás, hogy az üzenetet feltörje. Sajnos, ez a helyzet időben változhat, mind számítógépein teljesítménye egyre inkább nő, mind pedig új módszereket fejleszthetnek, melyekkel hatékonyan törhetők az eddig biztonságosnak tekintett algoritmusok (pl. kvantumszámítógépek).

Van természetesen olyan titkosítás is, mely bizonyítottan feltörhetetlen: a „one time padding”. Ezen titkosítás során az üzenet minden egyes bitjét (vagy karakterét) egy-egy külön kulcsbittel (karakterrel) kódolják. A kulcs hossza legalább olyan hosszú kell legyen, mint az eredeti üzenet, valamint összesen csak egyszer használható üzenet kódolására. Természetesen látszik is a módszer hátránya: sok-sok kulcsbitet kell biztonságosan eljuttatni az üzenet fogadójához.

A kulcs eljuttatásának több módja is lehet. Az egyik legegyszerűbb a fizikai adathordozó. Hátránya, hogy sérülékeny, esetleg könnyen másolható is. Ekkor pedig a biztonság már nem teljesül. Egy másik, aktuális kutatási terület a kvantumkriptográfia, konkrétan a kvantum kulcsmegosztó protokoll (Quantum key distribution (QKD)). A megoldás biztonsága azon a fizikai törvényen alapul, hogy a megfigyelés megváltoztatja a rendszert. Így, a lehallgató nem tud úgy információt szerezni az átvitt bit-ekről, hogy közben ne bukjon le. Természetesen a megvalósítás távol áll az ideálistól, valamennyi információ kiszivárog, miközben az eddigi implementációk nagy részét fel tudták törni különböző módszerekkel. E mellett pedig a megoldás elég költséges, mind a szükséges optikai és optoelektronikai alkatrészek miatt, mind pedig a speciális optikai kábel miatt.

A QKD esetén kvantummechanika törvényei szavatolhatják a kommunikáció biztonságát. Fontos kérdés, hogy a klasszikus fizika törvényei is lehetővé tesznek-e feltétel nélküli biztonságot. A KLJN megmutatta, hogy igen, ráadásul sokkal alacsonyabb költséggel valósítható meg a kommunikáció, nincs szükség speciális alkatrészekre, csak olyanokra, amelyek bármilyen alkatrészboltban megkaphatók. Természetesen vannak kihívások, hiszen teljes funkcionalitású készülék még nem született, de az eddigi eredmények biztatóak.

További cikkek a témában: http://drrm.net/tag/kljn/

Megjelent: Teljesítménysűrűség becslése vezetéknélküli zajjal segített gázérzékeléshez

Máris megjelent a FES témakörében írt cikkünk, melynek eredeti angol címe: "Power Spectral Density Estimation for Wireless Fluctuation Enhanced Gas Sensor Nodes"

Az absztrakt magyarul:

A zajjal segített gázérzékelés (FES) egy ígéretes módszer, mely segítségével növelni lehet a félvezető alapú nanótechnológiás gázszenzorok érzékenységét és szelektivitását. A legtöbb mérési elrendezés számos drága jelkondicionáló és adatgyűjtő eszközt tartalmaz valamint intenzív jelfeldolgozást. Ugyanakkor számos próbálkozás van arra, hogy csökkenthessük a hardverek árát és energiafogyasztását, valamint hogy hatékony jelfeldolgozási módszereket találjunk olcsó, vezetéknélküli szenzorok fejlesztéséhez. Jelen cikkünkben bemutatunk egy nagy hatékonyságú jelfeldolgozó módszert, mellyel a zaj teljesítménysűrűség-spektrumát vizsgálhatjuk. Ezen módszerek lehetővé teszik, hogy nagyon alacsony fogyasztású intelligens vezetéknélküli szenzor modulokat fejleszthessünk zajjal segített érzékeléshez, valamint további alkalmazásokat is lehetővé tesz.

A teljes cikket itt lehet elérni:  http://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0219477514500114 (Fluctuation and Noise Letters, Volume No. 13, Issue No. 2.), a preprintet pedig itt lehet elolvasni: http://arxiv.org/abs/1403.3586

Fehér zajok létrehozása

A zajkutatás során, illetve általában a méréstechnikában fontos hogy ismerjük a különböző típusú zajok tulajdonságait, valamint azok előállításának a módját. A zajokat számos szempont alapján osztályozhatjuk. Ezek közül a legfontosabbak a zaj spektruma valamint a zaj eloszlása.

Fehérzaj esetén zaj teljesítménysűrűség-spektruma (PSD) a vizsgált frekvenciatartományban konstans. Megjegyzés: a valóságban végtelen sávszélességű fehérzaj nem létezik, hiszen ekkor a teljesítménye végtelen lenne. E miatt mindig van egy felső határfrekvencia. Mintavételezett jelek esetén természetesen adódik a felső határfrekvencia, amely a mintavételi frekvencia fele. Mintavételezett fehérzaj esetén az egymás utáni értékek függetlenek egymástól, nincs korreláció közöttük. A fehérzajok egyik legfontosabb forrása az ellenállások termikus zaja.

A zajok számtalan eloszlást követhetnek, ezek közül a legfontosabbak az egyenletes eloszlás és a normális (Gauss) eloszlás. Az utóbbi a legelterjedtebb a természetben, ez a jelenség a centrális határeloszlás tételnek köszönhető. A normális eloszlású zajra jellemző, hogy bár a legtöbb pont közel van a jel középértékéhez, kis valószínűséggel tetszőlegesen távoli értéket is mérhetünk.

Két fő módszerrel készíthetünk zajgenerátort. Az egyik típus az analóg elvű zajgenerátor, ahol valamilyen fizikai folyamat, pl. egy Zener-dióda feszültsége állítja elő a szükséges tulajdonságú zajt. A módszer hátránya, hogy nehezen paraméterezhető, valamint érzékeny a külső zavarjelekre. Másik típus a digitális elvű zajgenerátor, ahol digitálisan előállítjuk a zaj mintavételezett adatait, majd, szükség esetén, egy D/A konverter segítségével alakítjuk át feszültséggé. Fehér zaj digitális előállításához mindössze egy véletlenszám-generátorra van szükségünk. A legtöbb programozási környezet tartalmaz olyan pszeudovéletlenszám-generátorokat, melyek egyenletes és normál eloszlású zaj létrehozására alkalmasak. A következő két példában egy-egy LabVIEW kódot mutatok be a megfelelő zajok előállítására.

Példa fehérzaj létrehozására

Példa fehérzaj létrehozására

Az egyenletes eloszlású fehérzaj időbeli képe, és eloszlása (10000 pont alapján)

Az egyenletes eloszlású fehérzaj időbeli képe, és eloszlása (10000 pont alapján)

Példa normális eloszlású fehér zaj előállítására

Példa normális eloszlású fehér zaj előállítására

Az normál eloszlású fehérzaj időbeli képe, és eloszlása (10000 pont alapján)

Az normál eloszlású fehérzaj időbeli képe, és eloszlása (10000 pont alapján)

KLJN kommunikátor megvalósítása

A KLJN kommunikációs protokoll alapját az előző bejegyzésben írtam le. Benne jelentős szerepet kap a termikus zaj, azonban a termikus zaj szobahőmérsékleten túlságosan is kis értékű ahhoz, hogy bármilyen kommunikációt építhessünk rá. Ezért, a termikus zajt feszültséggenerátorokkal helyettesítjük, melyek több millió fokos hőmérsékletet szimulálnak. Ahhoz, hogy a kommunikáció ezen változtatás miatt ne lehessen feltörhető, a zajnak minden tulajdonságában azonosnak kell lennie a termikus zajjal, az amplitúdója is annak megfelelően kell skálázódjon:

 {\sigma_{H} \over \sigma_{L} } = \sqrt { R_{H} \over R_{L} }.

A megvalósított KLJN rendszer blokk diagramja a 2. ábrán látható [Mingesz 2012]. Mindkét kommunikáló fél rendelkezik egy adatgyűjtő egységgel és egy jelkondicionáló egységgel. A két fél közötti kommunikációt egyrészt a KLJN vezeték valósítja meg, e mellett pedig egymással internetes protokollon keresztül osztják meg a protokoll működtetéséhez szükséges, valamint a feltörés kiküszöbölésére szolgáló mérési adatokat.

KLJN rendszer blokkdiagramja

KLJN rendszer blokkdiagramja

Egy-egy kommunikátor blokkvázlata a következő ábrán látható. A rendszer alkalmas a protokoll működésének bemutatására és bizonyos feltörési kísérletek elemzésére. A rendszer továbbfejlesztése folyamatban van.

KLJN egység blokk diagramja

KLJN egység blokk diagramja

A megvalósított KLJN rendszer fényképe

A megvalósított KLJN rendszer fényképe

[1] R. Mingesz, L.B. Kish, Z. Gingl, C.G. Granqvist, H. Wen, F. Peper, T. Eubanks, G. Schmera, “Information theoretic security by the laws of classical physics”, Plenary talk at the 5th IEEE Workshop on Soft Computing Applications, (SOFA 2012) August 2012, Szeged, Hungary. In: Balas VE et al. (Eds.), Soft Computing Applications, AISC 195, pp. 11–25 (Springer). http://arxiv.org/abs/1206.2534

Előzmény: A KLJN kommunikációs protokoll

A KLJN kommunikációs protokoll

A kvantum-kriptográfia és a kvantum teleportáció egy napjaink egyik felkapott kutatási területe, melyekben az adatok biztonságos átvitelét a kvantummechanika törvényei biztosítják. 2006-ban Kish László vetette fel [1], hogy lehetséges mindössze a klasszikus fizika törvényeit felhasználva is biztonságos kulcscserét megvalósítani. Az ötlet alapján született meg a KLJN protokollt (Kirchhoff-Law-Johnson-Noise). A kommunikáció blokkvázlatát az 1. ábra mutatja be. A kommunikációban részt vevő két fél, Alice és Bob egy-egy véletlenszerűen kiválasztott ellenállást köt rá egy közös vezetékre. Az ellenállások értéke lehet magas (RH) és alacsony (RL). A kommunikáció lényege, hogy az áramkör eredő ellenállását meg tudjuk úgy mérni, hogy közben nem derül ki, hogy melyik oldalon konkrétan milyen ellenállások vannak, erre a vezetéken mérhető termikus zaj ad lehetőséget (feszültség és áramzaj).

A KLJN kommunikáció ideális megvalósítása

Mindkét zaj értékét ismerheti a lehallgató fél (Eve). Amennyiben Alice és Bob mindketten alacsony értékű ellenállást (RL) kötnek rá a vezetékre, a feszültségzaj alacsony lesz, ha mindketten magasat (RH), a feszültségzaj magas lesz, ezek jól mérhető állapotok, Éva is fel fogja ismerni őket, így nem alkalmasak biztonságos kommunikációra . Amennyiben az egyikük alacsonyat (RL) , a másikuk pedig magasat (RH) köt rá, a feszültségzaj értéke közepes szintű lesz. Bár ezt Éva is tudni fogja, neki semmilyen információja nincs arról, hogy Alice vagy Bob milyen kombinációra kötötték rá az alacsony és nagy értékű ellenállást. Mivel Alice és Bob tisztában vannak saját ellenállásuk értékével, kitalálják az aktuális állapotot, egy bitnyi titkos információ áll rendelkezésükre. A protokoll megvalósítása során, megadott időzítéssel váltogatják véletlenszerűen a vezetékre kötött ellenállást, a létrejött állapotok közel fele a biztonságos LH vagy HL kombináció lesz, így bit-ről bit-re egy tetszőleges hosszúságú, teljesen biztonságos kulcsot cserélhet Alice és Bob. A kulcs segítségével később, tetszőleges csatornánk folytathatnak titkosított kommunikációt.

[1] Laszlo B. Kish, “Totally secure classical communication utilizing Johnson (-like) noise and Kirchoff’s law”, Physics Letters A 352 (2006) 178–182

FES mérőrendszer felépítése

A zajjal segített gázérzékelés (FES) vizsgálatához kutatócsoportunk számos mérőrendszert készített. Az első, teljes egészében integrált rendszer [1] blokkvázlata a következő ábrán látható:

FES mérőrendszer blokkvázlata

FES mérőrendszer blokkvázlata

A rendszerben áramlásszabályozókkal állítjuk elő a kívánt gázkoncentrációt, melyet a mérőkamrában lévő szenzor vizsgál.  E szenzor lehet félvezető alapú Taguchi szenzor, valamint szén nanocsöveket tartalmazó szenzor. Utóbbiakat a SANES nevű nemzetközi projekt keretében teszteltük. A szenzor jelének feldolgozását a kutatócsoportunk által elkészített elektronika végezte el, ennek blokkvázlata a következő ábrán látható:

FES adatgyűjtő blokkvázlata

FES adatgyűjtő blokkvázlata

Az elektronikában egy C8051F060-as mikrovezérlőt használtunk fel, mely vezérelte a szenzor fűtését, valamint egyes szenzorok esetén a Gate elektróda feszültségét. E mellett pedig szinkronban mérte a szenzor DC jelét (átlagos ellenállás) valamint a szenzor felerősítet zaját. A mért jeleket a számítógépen futó LabVIEW szoftver regisztrálta és elmentette.

Szenzorok FES alkalmazása esetén kritikus a szenzort kiszolgáló elektronika felépítése, valamint tulajdonságai. Egyrészt, a szenzor zaja nagyon kicsi, így komoly erősítésekre van szükség, miközben az erősítők zaját nagyon alacsonyan kell tartani. Ehhez megfelelő, alacsony feszültség és áramzajú erősítőket kell kiválasztani. E mellett pedig nagyon fontos a mérőrendszer árnyékolása, különben a mérőrendszerbe beszűrődő külső zavarjelek lehetetlenné teszik a mérést.

Szenzor interfész

A szenzort meghajtó és az előerősítést elvégző áramkörök

A szenzor ellenállását két féle módon is mérhetjük: egy feszültségosztó kapcsolásban, valamint áramgenerátor segítségével. Utóbbi előnye, hogy a kimenet lineárisan függ a szenzor ellenállásától, éppen ezért választottuk ezt az elrendezést szenzorunk meghajtására. A szenzor ellenállása az egyik fontos mért paraméter, e mellett mérjük a szenzor ellenállásának véletlenszerű változását. Mivel ez a jel nagyon kicsi, szükség van egy jelentős, 100x-1000x erősítőre ahhoz, hogy elegendő felbontással mérni tudjuk. Az erősítés két lépésben történik meg, mindkét fokozat egy-egy felüláteresztő szűrőt tartalmaz.

[1] Mingesz R, Gingl Z, Kukovecz A, Konya Z, Kordas K, Moilanen H: "Compact USB measurement and analysis system for real-time fluctuation enhanced sensing", Proceedings of the 21st International Conference on Noise and Fluctuations, Toronto, Kanada (2011)

Előzmény: Zajjal segített gázérzékelés (FES)

Zajjal segített gázérzékelés (FES)

Különböző gázok, szennyezések, vagy a levegő minőségének mérésére gyakran használnak Taguchi típusú, félvezető gázszenzorokat. E szenzorok esetében a leggyakrabban mért paraméter a szenzor ellenállása. Egyetlen mért adat esetén viszont nehéz megkülönböztetni a különböző gázokat, illetve gázkoncentrációkat, főleg, hogy ha azok egyszerre lehetnek jelen a mért légtérben. Több különböző szenzort alkalmazva, már lehetőségünk van több paramétert mérni, így növelhető a mérés szelektivitása. Az módszer ára a magasabb költség.

1999-ben, Laszlo B. Kish és kollégái vetették fel [1,2], hogy mindössze egy szenzort felhasználva is több információt nyerhetünk, ha nem csak az ellenállás átlagértékét mérjük, hanem az ellenállás időbeli, véletlenszerű változását is, az ellenállás zaját. Ez a zaj ugyanis függ a szenzorban lezajló mikroszkopikus, dinamikus folyamatoktól, melyeket mind a gáz típusa és koncentrációja is befolyásolja. Az alábbi ábrán látható egy szenzoron mért zaj spektruma különböző gázok esetén [3]:

Szenzor ellenállásának spektruma

Jól látható, hogy mind a zaj nagysága, mind pedig a spektrum alakja jelentősen függ az aktuális gáztól, ez pedig lehetőséget ad arra, hogy növeljük a szenzor szelektivitását, valamint bizonyos esetben az érzékenységét. A jelenség neve Fluctuation Enhanced Sensing (FES), számos kutatócsoport vizsgálja alkalmazásainak lehetőségeit, pl. baktériumok detektálására, illatanyagok megkülönböztetésére (mesterséges orr).

[1] László B Kish honlapja

[2] Wikipédia: Fluctuation-enhanced sensing

[3] L.B. Kish, Y. Li, J.L. Solis, W.H. Marlow, R. Vajtai, C.G. Granqvist, V. Lantto, J.M. Smulko and G. Schmera: "Detecting Harmful Gases Using Fluctuation-Enhanced Sensing With Taguchi Sensors", IEEE SENSORS JOURNAL, vol. 5, no. 4, august 2005

Következő cikk a témában: FES mérőrendszer felépítése