（测试计量技术及仪器专业论文）pdp显示系统电磁信息泄漏研究.pdf

摘要 本文首先对计算机系统防电磁信息泄漏的研究背景、发展过程、国内外的研 究现状以及p d p 显示系统防电磁信息泄漏的重要性进行了阐述。然后简单介绍了 p d p 的工作原理，分析了它与c r t 、l c d 视频信号处理流程的区别，并对其显示 系统的电磁辐射途径进行了分析。在此分析基础上，本文第三章从红黑角度出发， 给出了红黑信号的定义，提出了p o p 视频信号红黑鉴别方法，并基于这种方法对 p d p 给电路模块进行红黑分析，确定了p d p 的红电路模块，并对红电路的电磁泄漏 进行了建模与仿真。 在确定p d p 视频系统红电路模块的基础上，本文第四章主要针对p d p 红电路 进行信息泄漏抑制技术研究。首先对信号耦合模型和耦合因素进行了相关分析， 然后根据分析结论针对p d p 具体电路进行了红黑混合设计研究、红黑信号串扰抑 制研究和红电路辐射发射抑制研究。与传统的处理办法对视频系统包括对主机、 视频电缆及监视器进行全面的电磁屏蔽加固和通过施加强电磁干扰的方法等防止 信息泄漏技术相比，这种处理技术主要优点是可以做到有的放矢，不仅可以大大 节约成本，而且处理起来也比较方便，是一种很有效的防视频信息泄漏的技术途 径。本文最后对p d p 视频系统电磁泄漏进行了测试，并对测试结果进行了分析与 计算，推导出了p d p 显示系统泄漏信息的可截获距离。 关键词：等离子体显示器电磁信息泄漏红黑信号 a b s t r a c t t i l i s p a p e rf i r s t l y d i s c u s s e dt h eb a c k g r o u n da n dt h et r e n do ft e m p e s t t e c h n o l o g yi nac o m p u t e rs y s t e m ， a n dt h ei m p o r t a n c eo ft h er e s e a r c ho nt h e t e 咿e s to ft h ep d pv i s i o ns y s t e mw a sa l s od i s c u s s e d t h e ni ta n a l y z e dt h ew o r k m e c h a n i s mo fp d pa n dt h ed i 伍r e n c eb e t w e e np d pa n dc r t 、l c d ，i t s e l e c t r o m a g n e t i ci n f o r m a t i o nl e a k i n gm e c h a n i s mw a sa l s oa n a l y z e d am e t h o do f d i s t i n g u i s h i n gr e da n db l a c ks i g n a lw a sb r o n g h tf o r w a r da n d t h er e da n db l a c kc i r c u i t s w a s p a r t r i o n e di nt h i sc o m p l e xs y s t e ma c c o r d i n gt ot h ec o n c e p to f r e da n db l a c ki nt h e 3 r dc h a p t e ro f t h i sp a p e r o nt h eb a s et h a tt h er e da n db l a c kz o n ew a sp a r t i t i o n e d ，t h e4 t hc h a p t e ro ft h i s p a p e rd i dar e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g yo fp r e v e n t i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i s ml e a k a g e w i t c ha i m e da tt h e r e dc i r c u i t s f i r s ti ta n a l y z e dt h es i g n a lc o u p l i n gm o d e la n dc o u p l i n g f a c t o r , t h e ni tg a v et h er e s e a r c h0 1 1t h ed e s i g no f m i xc i r c u i t 、t h er e s t r a i n i n go f c r o s s t a l k i n t e r f e r e n c eb e t w e e nr e da n db l a c ks i g n a la n dt h et h er e s t r a i n i n go f t h ee l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o no ft h er e dc i r c u i t c o m p a r i n gt ot h ef o r m e rm e t h o d sw i t c hp e r f o r m e d a l l a r o u n dr e i n f o r c e m e n tt ot h eh o s tc o m p u t e r 、v i d e oc a b l ea n dd i s p l a yo ra d d e ds t r o n g e l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c e ，t h i sk i n d o ft e c h n o l o g yn o to n l yc o u l de f f e c t i v e l y p r e v e n tt h ei n f o r m a t i o nl e a k a g eo fp d ps y s t e mb u ta l s oh a dm a n ya d v a n t a g e ss u c ha s r e d u c i n gt h ep r i c ea n dm a k i n gt h ed e v i c ec o n v e n i e n t i tw a sav e r ye f f e c t i v en e w m e t h o d a tl a s ti tg a v eat e s ta tt h ee l e c t r o m a g n e t i cl e a k a g eo f p d ps y s t e m t h er e s u l to f t h et e s tw a sa n a l y z e da n dt h ee a v e s d r o p p i n gd i s t a n c eo ft h er e ds i g n a ll e a k a g ew a s r e c k o n e d k e y w o r d s ：p d pe l e c t r o m a g n e t i ci n f o r m a t i o nl e a k a g e r e d b l a c ks i g n a l 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：i 鲞左旦鱼钧 日期丝立釜绸至目 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名： 幽函 日期翌生垒塑兰旦 日期碰丝蛰 第一章绪论 第一章绪论 随着信息技术和计算机技术的不断发展，人们对于计算机设备的要求也不断 提高，传统的c r t 显示器已经大量地被l c d 显示器所代替。而p d p 显示器作为一 种新型的显示器，具有视角宽、亮度高、屏幕大、抗震能力强、抗电磁干扰及耐 温好等性能，受到越来越多的人关注，并在一些领域里得到了广泛应用，比如用于 大屏幕指挥系统和一些野外指挥系统1 3 6 】。但由于p d p 的驱动电压及脉冲频率较高， 放电电流较大，将会产生很强的电磁辐射，因此不可避免地存在信息泄漏的危险性。 而之前对计算机显示系统信息泄漏的研究都基于c r t 和l c d 显示器，对p d p 显 示系统信息泄漏抑制研究是我们面临的一个新课题，因此对p d p 显示系统电磁信 息泄漏进行先期性的研究，将为p o p 显示器在一些特殊领域的安全应用奠定良好 的基础。 1 1 研究背景 计算机的普及和广泛应用，使人类社会在短时间已进入信息时代。而信息安 全，是一个国家在政治、经济、军事、外交斗争中取得胜利的重要保证。信息安 全与国防、军队安全息息相关。在新的历史时期，尤其是随着信息技术的迅速发 展和在军争领域的广泛运用，信息安全面临的威胁日益加剧。 以个人计算机为代表的电子信息设备已成为人们日常工作生活中很重要的一 部分，在电子信息设备带给人类巨大便捷和实惠的同时，其本身的信息泄漏问题 也随之而来，成为电子信息设备安全领域的重大困扰。电子信息设备的信息泄漏 问题也成为一项专门的课题，而计算机作为最具代表性的电子信息设备，防止其 电磁信息泄漏已成为信息与计算机安全领域的一大主题。 随着科学技术的发展，计算机系统已广泛应用于机要信息的存储和数据处理， 但计算机等信息技术设备在工作时会产生较强的电磁辐射，导致信息技术设备所 处理的机要信息的严重泄漏。而且利用计算机及其外部设备的电磁泄漏获取信息， 比用其他方法获得的情报更加的准确、及时、连续，而且隐蔽性好【l 】。如何解决信 息的电磁泄漏问题，就成为一项专门的技术，即所谓的t e m p e s t 技术，t e m p e s t 是t r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cp u l s ee m a n a t i o ns t a n d a r d 的缩写。它的任务是检测、评 价和控制信息技术设备的非功能性传导发射和辐射发射，防止机要信息被窃取的 危险回。 t e m p e s t 技术研究包括理论工程和管理几个方面。在技术上涉及电子计算机 p d p 显示系统电磁信息泄漏研究 信息测量， ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 材料化学等多个学科领域。其研究内容主要有： 信息处理设备的电磁泄漏机理。包括有用信息是通过何种途径，以何 种方式载荷到辐射信号上去的，以及信息处理设备的电气特性和物理 结构对泄漏的影响等。 信息辐射泄漏的防护技术。包括电气元件、电路及印制板的布局、设 备结构连线和接地对辐射泄漏的影响、各种屏蔽材料、屏蔽结构的屏 蔽效果等，以期采用最合理的方法和成本降低设备的电磁辐射强度。 信息处理设备的特殊处理技术。包括对易于产生信息泄漏的敏感设备 进行抑源法、屏蔽法、滤波法、噪声法、加密法等技术。 有用信息的提取技术。包括信号接收技术和信号还原技术，泄漏信息 具有信号弱、频带宽( 数千赫兹到数十兆赫兹) 和载荷方式复杂等特 点。因此需要研究低噪声、宽频带、高增益接收和解调技术以进行信 号分析和相关分析等。 测试技术和标准。包括测试的内容、测试方法、测试要求、测试条件、 测试仪器及测试结果分析等，并制定相应的测试标准。 t e m p e s t 技术和电磁兼容技术都是抑制电磁发射的技术，因此将它列入电磁 兼容学科的研究范畴。但是它与电磁兼容技术相比，所要求的控制电磁泄漏技术 和标准更高，所以它还有许多特别的研究内容，主要表现在：t e m p e s t 技术注重 解决信息技术设备通过无意电磁发射而导致的信息泄漏，即e m c 技术主要关心电 磁发射的强度，而不关心电磁发射的内容；而t e m p e s t 技术不仅关心电磁发射 的强度，更关心发射信号的内容，这是二者的本质区别所在【瑚。为了防止信息泄 漏，除了采取属于电磁兼容领域的屏蔽、滤波等抑制技术外，也可以采取加密的 方法，对需要防护的信息系统进行加密处理和改造，加大窃收和解译的难度。 计算机的两个主要部件主机和显示器都是典型的电磁信息泄漏源吲，经过理 论分析和大量的实际测试已经证实了这一点，而从主机显示卡到视频显示终端整 个计算机视频系统则是电磁信息泄漏的最重要部分。所以，计算机视频系统成为 计算机t e m p e s t 技术的处理核心，其主要研究内容包括信息泄漏机理研究、截 获技术研究、防护技术研究、相关规范标准制定、相关测试方法的研究等等。我 国在计算机t e m p e s t 技术方面的研究较美国和欧洲等西方发达国家起步较晚， 目前欧洲已可做到在2 0 0 米距离无线截获计算机监视器泄漏的电磁辐射信息并成 功复现，美国则可在3 0 0 1 0 0 0 米距离实现无线截获【2 n 。因此我国深入开展计算 机t e m p e s t 技术的研究已经刻不容缓。 在t e m p e s t 研究与产品开发方面，美国处于世界领先地位，早在5 0 年代， 美国国家安全局( n s a ) 及国防部( d o d ) 就已经开始了t e m p e s t 的研究和发 展计划。1 9 8 1 年n s a 正式制订了t e m p e s t 的技术标准，即n a c s i m - 5 1 0 0 a ，以 第一章绪论 此来规范有关保密信息设备的生产、测试、使用及监护等有关标准。此后，1 9 8 2 年北约也制订了一个类似的标准，“泄漏辐射实验室测试标准”( c o m p r o m i s i n g e m a n a t i o n sl a b o r a t o r yt e s ts t a n d a r d ) ，即a m s g7 2 0 b 。德国也制订了一个标准， 但由于高度的保密性，其名称未予以公开。目前其它一些国家也相继制订了自己 的t e m p e s t 标准，从信息安全及市场需求来看，建立我国自己的t e m p e s t 标准 已势在必行。 t e m p e s t 技术在国外属于绝密技术，对于我国实行严密的技术封锁。在总装 备部( 原国防科工委) 的组织下，我国从“八五”起开始对计算机等信息设备的 t e m p e s t 技术进行研究，相对于攻击技术，防信息泄漏技术由于应用的广泛性， 而得到了高度重视，取得了许多突破性的进展，研制了各类防信息泄漏的设备， 并已装备了重要部门及军队，满足了国家的急需【。但由于计算机等信息技术设 备的核心技术主要依赖于国外，芯片、主板、硬盘、显示器等主要硬件及外设大 多采用民品进行后天加固。因而对于信息泄漏的抑制，我国一直采用以包容为主、 抑源为辅的技术路线，屏蔽、滤波仍然是主要的技术措施，致使其产品造价居高 不下( 低泄漏计算机的成本比常规计算机要高二至三倍) ，严重影响了部队及重要 机关大量装备的需求。如何解决装备需求与有限经费之间的矛盾，对于我国这种 经济正在发展中的国家而言，就显得更为突出，这就使得我们必须从抑制机理、 方法及理论上寻找突破口，以从根本上解决这一问题。 1 2 本文所做的工作 红黑概念是t e m p e s t 技术中的一个重要概念。t e m p e s t 设计中的重要一步 就是红黑工程，实际上，t e m p e s t 设计可以认为是基于红黑工程的e m c 设计。 t e m p e s t 技术的重要内容之一就在于系统中红、黑信号的鉴别。而红信号泄漏的 鉴别则是计算机t e m p e s t 检测中确定泄密发射的关键技术和难点。 p d p 显示系统中，信息的传送主要是并行和串行两种传送方式并行传送的 信号因为具有并行线间隔小、信号同时发射、发射频率相同或相似的特点，所以 很难复现。而串行信号不具备上述并行信号的特点，可以较为容易地实现时分接 收、频分接收和方位接收。因此认为串行信号是红信号。 针对计算机视频系统电磁信息泄漏的状况【1 0 l ，传统的处理办法是对视频系统 的硬件进行加固，包括对主机、视频电缆及监视器进行全面的电磁屏蔽加固，或 者违背电磁兼容的原则，通过施加强电磁干扰的方法防止信息泄漏。这些处理技 术效果明显，也带动了一批计算机加固产业的发展，但这些传统的防泄漏的方法 也有其固有的缺点：如成本高、移动不便、电磁干扰严重等。致使加固计算机的 应用仅限于国防、政府等少数部门，不能大面积推广。为此，本文在对p d p 视频显 4 p d p 显示系统电磁信息泄漏研究 示系统工作原理理论分析和电磁泄漏机理分析以后，从红黑角度出发，提出了p d p 红黑信号的鉴别方法，并通过此方法确定了p d p 视频系统中的红区和黑区，并针对 红区进行防信息泄漏技术研究，该技术主要优点是可以做到有的放矢，不仅可以 大大节约成本，而且也解决了传统全面加固而引起的移动不便等缺点，是一种非 常有效的信息泄漏抑制途径。 概括下来，本文做了以下工作： ( 1 ) 分析了p d p 结构和工作原理，对p d p 、l c d 、c r t 视频信号处理的区别进行 了分析，并对p d p 的泄漏途径进了分析，得出了p d p 视频系统中电磁泄漏源； ( 2 ) 建立了泄漏辐射的数学模型，并对线路板的辐射源进行了分析； ( 3 ) 从红黑角度出发，提出红黑信号鉴别方法，并分析了标准p d p 显示系统红信 号的频谱特性，基于红黑定义，对p d p 内部电磁泄漏源进行红黑分析： ( 4 ) 基于红黑信号鉴别方法，确定了p d p 的红黑电路； ( 5 ) 用h y p e r l y n x 对p d p 红电路进行了建模与仿真分析； ( 6 ) 在红黑区确定的基础上，针对红区进行了防信息泄漏技术研究； ( 7 ) 对p d p 显示系统进行了电磁辐射的相关测试，并对测试结果进行了分析； ( 8 )根据相关技术的动态发展，提出了进一步改进的建议和方案。 第二章p d p 显示系统电磁_ i f 漏分析 第二章p d p 显示系统电磁泄漏分析 2 1p d p 工作原理 p d p 的彩色显示原理与c r t 和l c d 相同，都是采用空间混色效应。即利用人眼 的极限分辨率，将显示像素点的尺寸上制作到远小于人眼的空间距离分辨率极限， 从而在观察者的主管感觉上实现颜色的混合显示。众所周知，对于一个正常视力 的人，在中等亮度和中等对比度之下，眼睛的分辨率角度约为1 分。以4 2 英寸彩色 a c p d p 为例，每一基色象素单元的间距为0 2 2 r a m ，在一米的观看距离上，人眼对 单个象素点的分辨角为： 0 = 3 4 3 8 0 2 2 1 0 0 0 = 0 7 5 6 3 6 分 气体放电电压， 从而引起气体放电，形成紫外线，激发荧光粉，最终发光。此时，由于气体放电， 电子跑到相对的电极上，形成与前一时期相反的壁电压。在下一个维持周期，维 持电极上的维持电压反向，重新开始一个新的维持过程，从而维持发光过程。而 在寻址期没有被寻址到的单元，由于不存在壁电压，仅仅存在维持电压，而维持 电压没有达到气体的放电电压，因此不会产生放电现象，维持原先的状态不变。 2 2p d p 、c r t 、l c d 视频信号处理的主要区别 p d p 作为一种新型的显示器，它的的三电极驱动显示模式与其它显示器有着很 大的区别。图2 5 、2 6 、2 7 分剐给出了c r t 、l e d 、p o p 视频信号流程框图： 液晶 显示 控制 2 6l c d 显示器视频信号流程框图 图2 7p d p 显示器视频信号流程框图 p d p 显示系统电磁信息泄漏研究 由c r t 和l c d 的原理框图可以看出，两者视频信号预处理电路基本上是一样 的，它们处理都是模拟信号，功能也都是进行视频信号放大，l c d 与c r t 的主要 差别是a d 以后的部分，c r t 视频信号经过预处理以后，直接送入监视器驱动， 因此其驱动信号就是原始的模拟信号【1 4 1 ，l c d 视频信号经过预处理以后，还要进 行a d 转换，经过a d 转换以后，处理信号方式为数字信号处理，驱动显示方式 也明显不同，因此造成的电磁辐射也完全不一样，由p d p 原理框图可以看出，它 的信号处理基本流程与l c d 基本差不多，其视频信号处理过后都要进行a d 转换， 因此p d p 和l c d 后端处理的视频信号都为数字信号，但处理方式却完全不同，主 要体现在驱动电路部分，l c d 驱动电路由行驱动和列驱动组成，液晶显示器由于 其液晶特殊的物理构造，需要的驱动电压很小，一般只有o 5 v 左右，因此其造成 的电磁辐射很小。p d p 驱动电路由三个驱动电极组成：维持显示电极x 和y 和寻 址电极a ，p d p 显示原理是通过气体放电发射出的紫外线激发荧光粉，使荧光粉发 光来实现图像显示，因此它需要很大的驱动电压，一般为一百多伏，而且其驱动 电压都是脉冲形式，因此其造成很强的电磁辐射。 从上面分析可知，p d p 的视频信号处理流程与c r t 有着本质的区别，这主要 体现在信号的形式和信号的处理方式，其与l c d 的视频信号处理流程有点相似。 主要的区别在于他们的驱动方式不同。p d p 不同的信号处理流程也将造成不同电 磁泄漏特性。 2 3p d p 显示系统电磁泄漏途径分析 在计算机系统中，计算机视频信号含有丰富的有用信息，在传输过程中，驱 动电流大，暴露空间多，辐射能量大，很容易被截获并复原，是主要的红信号， 其电磁泄漏是信息安全的严重威胁。视频通路是指从主机显卡输出，经由视频电 缆到显示器输入端，再经视频放大直至显示器屏幕显示的整个通路系统。研究表 明，视频通路在计算机系统中可视信息量最大，辐射最强，是最主要信息泄漏源。 究其原因，是因为视频通路主要传输的是视频信号。 视频系统的构成由接口、帧缓冲器、视频接口、视频电缆及显示器等组成。计 算机把处理好的图形数据通过接口送到帧缓冲器存储。显示时，在显示控制电路 的控制下，按顺序读取每一个像素信息，通过视频接口及视频电缆送到显示器进 行显示。 帧缓冲器和显示控制电路位于显卡内部，因此整个显示系统也可以看成是由 显示卡、视频电缆及显示器三部分组成。显卡一端与p c 机相连( 以插件的形式安 装在计算机主板的扩展槽里) ，另一端通过带有d 型接头的1 5 芯电缆与显示器相 连。显卡由帧缓冲器( 又称显示存储器、显示r a m ) 和控制电路组成。帧缓冲器在 第二章p d p 显示系统电磁泄漏分析 9 p c 机和显示器之间起数据缓冲作用，所存储的数据与显示屏幕上的像素点一一对 应，p c 机向显示r a m 写入数据。控制电路的主要功能是产生各种控制信号，从而 把显示r a m 中存储的字符或图形信息转换成视频信号输出。 不同类别的显示器在电磁泄漏程度上的不同主要在视频预处理板之后，c r t 利用电子枪轰击电子束到荧光屏，电压高，强度大，辐射强。表现最突出的是视 频放大电路、行输出电路的高频、高压、大电流及其电流传输线、行输出变压器、 多种工作频率、系统晶振及它们的分频和高次谐波。这些干扰源通过电源线、电 阻耦合、电容耦合、电感耦合及传输线等辐射传播干扰。而l c d 的末级驱动能量 很小，电磁泄漏主要是由视频预处理板和电缆等因素引起。对于监视器中印制板 级的电磁信息泄漏，主要是印制板上的一些高频器件引起的。p d p 数据处理流程与 l c d 相似，不过l c d 由于其特殊的材料特性，末端驱动所需的驱动电压很小，而 p d p 末端驱动所需的驱动电压很强，而且电压驱动都是脉冲模式，因此，它将产 生很强的电磁辐射，因此，p d p 显示系统电磁辐射源主要为连接主机与显示器之间 的视频电缆和p d p 内部预处理电路与驱动电路。 2 4 1 差共模电流 2 4 辐射发射模型 考虑图2 8 所示的双导线传输线，在导线上向右的总的电流复量为和，它们 可分解为两个电流分量l 和如： i i i d ic + 一 s l 圭乏幺 一，- 图2 8 共模电流和差模电流 五= + 如 ( 2 一1 ) 厶= 一易 ( 2 2 ) 式中厶称为差模电流，l 称为共模电流。差模电流分量厶在两根导线上的幅 度相等，但在传输线某一截面上方向相反。它可由传输线模型或传输线其它的集 o p d p 显示系统屯磁信息_ l i 漏研究 总电路近似模型来预测。共模电流l 也称为天线型电流。共模电流很难预测，它 取决于结构的不对称性等因素。 2 4 2 差共模辐射模型 由图2 i 可以看出，p d p 的内部都是由各个线路板模块组成的，线路板的辐射 主要为差模辐射和共模辐射，辐射信息主要是在远场情况下被截获，因此这里主 要分析远场电磁辐射模型。考虑图2 9 所示的球坐标系中平行z 轴的一对总长为， 导线。导线放在y = 处，s 为导线间间距，载流为厶( z ) 和，2 ( z ) 。这可以看作 一个天线阵，我们来计算阵因子。将每个电流产生的场叠加，对于差模电流的情 况，假设，i ( z ) = 厶( = ) ，厶( z ) = ( z ) 。对于差模电流的情况，假设五( z ) = ( z ) ， l ( z ) = l ( z ) 。假定我们求解的点处于导线的远场，距每个导线距离足够远，由导 线至测量点的距离矢量是平行的，如图2 9 所示。每个电流的场叠加得出总场矢 量： 易= 易j + 易j ( 2 3 ) 如已指出的，若假设求值点在电流的远场，则每个场分量可写为： 岛，1 _ 心竿f ( 口) ( 2 - - 4 ) az 五蛾一 图2 9 双线的远场辐射发射的通用模型 e e 2 y = r ， yx 第二章p d p 显示系统电磁泄漏分析 i i 式中m 是取决于导线电长度的比例系数，是阵中心电流的幅度和相位，r ( o ) 是特定电流分布的阵因子。电流分布的第一种假定形式是无穷小电流元或赫兹偶 极子： 五(z)=(2-5a) 肘= ，筹，= j 2 石l o - t f l ( 2 _ 5 b ) r(o)=sin0(2-5c) 式2 5 be e , 7 = 死是介质的固有阻抗，自由空间的仉兰1 2 0 a q 。2 - - 5 粼 t m a 、长度导体上的电流形式，由于，名。形，因此可以假设沿导体所有点电 流有相同的幅度和相位。当然这个假设是不合理的，因为在导体端点电流要趋于 零。电流分布的第二种假定形式是具有正弦电流分布的长偶极子的分布，在其端 点电流趋于零，这种形式是比较合理的： j = o z 三 2 ( 2 6 a ) 一三 z o 一“ m = ，罢= j 6 0 ( 2 6 b ) f ( 占) ：竺幽丝坦s i n o 也幽 。吨， 在实际情况中，导体上的电流不一定趋于零，这是由于在线的两端有金属壳 体。这种情况我们在式2 - 6 a 中加一个相位项。 假设求值点离导体很远，可以画出每个电流至该点的距离矢量相互平行，距 离可确定如下： = 寺s s i n o s i n q , ( 2 - - 7 ) 因此至求值点距离可用从坐标原点的距离r 表示，近似写为： 兰，+(2-8a) ，2兰，一a(2-8b) 将2 - ? 、2 - - 8 式代入2 - - 3 式得： 易= m ( 竿+ l 警m 、，、， z z 一 + ，一2，一2 ，l，f、 口 口 n n s s，r 2 p d p 显示系统电磁信息泄漏研究 = m f ，li e - j a ( 丁, + a ) e - ，j a 一( - a ) 1 j 即) ( 2 _ 9 ) l r + 。，一j 、7 = m 孚( 扩脚肛) ，( 口) 式2 - 9 中我们假定两个电流分布是相同的，在分母中近似取，兰兰，2 ，但相 位不能做类似的近似。 一，一 ，最天 图2 1 0 差模电流辐射的相减 差模辐射模型 当差模发射时，五= 如，厶= 一厶，将2 - 5 式代入2 - - 9 式得： e e = j 2 7 r x l 0 - f i f o 孚( e 栅一9 。“伽9 卜 嘲圳。7 鹏孚s i n ( f l 么2s s i n o s i m p ) s m 口( 2 - - 1 0 ， 嘞- 0 - 7 ) i i 。s i n ( 万要s i n o s i n 伊卜孚 如果我们将此结果限制为最坏情况，即在导线得平面内，妒= 9 0 0 ，并垂直于 导线，0 = 9 0 0 ，如图2 1 0 所示。 一删。7 鹏咖( 石要 等( 2 - - 1 1 ) 式中至求值点的距离用d 表示。对于小的口取s i n 0 兰0 ，取幅值得： l 大 = 1 3 1 6 x 1 0 - , 4f 2 t s 。l i o l ( 2 - 1 2 ) 第二章p d p 显示系统电磁泄漏分析 1 3 共模辐射模型 当共模发射时，将( z ) = 丘( z ) ，l ( z ) = ，c ( z ) 代入式2 - 9 中得出： 纠2 ，t x l o - t f l l c 孚p 卜9 玎“伽蛳卜 = j 4 刀 x 1 0 - 7 f l , c o s ( 石要s i n s s i n 伊卜了e - j p r ( 2 - - 1 3 ) 卜z 叫 lc t 阮戡if ! j 疋，最大 图2 1 1 共模电流辐射的相加 考虑最坏情况，此时场在导线平面内，矽= 9 0 0 。并垂直于导线，0 = 9 0 0 ，如 图2 1 1 ，得到： 丈= ，4 z x 1 0 - 7 f l l cc o s ( 万劲孚( 2 - - 1 4 ) 利用c o s 6 小角度近似关系，c o s o 兰1 ，取幅值得到。 | 太= 1 2 5 7 x 1 0 4 ( 2 1 5 ) 2 4 3 线路板辐射 线路板上的电磁辐射主要存在两种，一种是由差模电流产生的，称为差模辐 射，另一种是由共模电流产生的，称为共模辐射，差模辐射差模电流流过电路中导 线环路引起的，共模辐射是由于接地电路中存在电压降，某些部位具有高电位的 共模电压，当外接电缆与这些部位连接时，就会在共模电压激励下产生共模电流， 从而造成共模辐射。共模辐射往往是更主要的辐射源，因为电缆是效率很高的辐 射天线。其辐射原理如图2 1 2 。 p d p 显示系统电磁信息= f 漏研究 电流环 图2 1 2p d p 内部线路板电磁辐射原理图 第三章p d p 红黑信号鉴别技术研究 第三章p d p 红黑信号鉴别技术研究 3 1 计算机视频信息红黑信号 截获信息只是窃取信息的手段，将所截获的信息进行复现才是目的。从红，黑 工程的角度看，被截获后能够恢复出有用信息的信号就是所谓的“红信号”；而 被截获后不能恢复出有用信息的信号就是所谓的“黑信号”。由此可见，要研究 计算机显示器的有用信息泄漏，就必须从复现的角度来看什么样的信号是红信号， 即截获后可以被复现。 计算机系统中，信息的传送主要是并行和串行两种传送方式。并行传送的信 号因为具有并行线间隔小、信号同时发射、发射频率相同或相似的特点，所以很 难复现。而串行信号不具备上述并行信号的特点，可以较为容易地实现时分接收、 频分接收和方位接收冈，因此认为串行信号是红信号。 要截获计算机视频信号，必须要获得r 、g 、b 三路视频信号和行、场同步信 号，而这些信号都是串行信号。由于接收机的行、场同步信号可以从外部产生 ( t e m p e s t 接收机上一般都带有可调的同步信号恢复电路) ，所以暂不考虑行、 场同步信号，可认为它们是黑信号。对计算机显示器信息泄漏分析的重点应放在r 、 g 、b 三路串行视频信号上，r 、g 、b 三路视频信号就是计算机视频信息中最重 要和最典型的红信号。本文所要分析和处理的主要就是r 、g 、b 三路视频信号。 3 2p d p 显示系统红黑信号鉴别技术 3 2 1 相关性鉴别原理 鉴别一个接收到的信号是否属于泄密发射的红信号是一件十分复杂的工作， 相关检测法是针对以上对p d p 系统分析结果提出的鉴别红黑电路的一种的方法。 其原理为：选取便于识别的标准信号，测量时域波形，得到其时域特征；进行 f o u r i e r 变换转换到频域，得到其频域特征，提取标准信号的时域、频域的信号特 征量作为检测红信号的判据，然后对分析得出的p d p 红电路进行电磁辐射测试， 当接收到设备辐射信号的频谱与判据相关性较强时，则可判定该接收到的信号属 于红信号，证明相关电路为红电路。 1 6 p d p 显示系统电磁信息泄漏研究 对于标准信号与接收到的信号两个数据序列，他们是由对应的两个波形的同 时抽样的值组成，如果两个波形的逐点的变化相似，那么通过取相应的点对的乘 积之和，就可以得出他们相关的度量。当考虑两个独立的随机数据序列时，这一 方法变得更为可信。在这种情况下，当点对的数目增加时，乘积和将趋向为零的 很小的随机数。这是因为所有的数字，正的或负的，都以相等的概率发生，以至 于乘积对在相对时趋于自我抵消。与此相反，一个有限和值的存在表明了存在一 定程度的相关性，一个负的和值代表一个负相关，也就是一个变量增加与另一个 变量的减少有关。两个数据序列五m ) 和x d n ) ，每个都包括n 个数据，它们之间 的互相关，0 ) 可以计为 1 氆= 玉( n ) x 2 ( n ) ( 3 1 ) n = 0 这就是互相关的定义。然而，这样产生的结果依赖于采用的抽样点数，这可 以通过除以抽样点的数目n 做归一化来加以修改。此外，这也可以看做是对乘积 和的平均。因此，一个改进的定义是 铲专篓 ( 帆( 刀) ( 3 - 2 ) 然而，这个定义需要修正才能使用。即当两个信号有相位差时，这需要对其 中的一个波形相对于另一个波形做平移或滞后，这等价于把而( 帕变成而( n + j ) ， 其中j 表示延时量，它是砭必须向左移的抽样点数。另外一个的等价的方法是把五 向右平移，这时互相关的公式变为 - i 1 ”- 1 1 - * - i ：( _ ，) 2 专丢而( h ) 屯( 疗+ ，) 2 1 ( ) 2 丙一x z ( 疗) 而( 胛一，) ( 3 - 3 ) n - o，o v 实际上两个波形相对时，它们的相位关系可能并不知道，所以为了确定相关 的最大值，需要计算许多不同延时的相关值，那么取最大值为正确的相关值。 对。( _ ，) 进行归一化得到归一化的表达式为 p l ：( - ，) = ( 3 4 ) n ：( - ，) 称之为互相关系数。它的值总是位于一1 年t l + l 之间。+ 1 意味着在相 同的意义下l o o 的相关；一l 意味着在相反的意义下1 0 0 相关，例如反相信号。 0 表示零相关。这意味着信号是完全不相关的。岛：( j ) 的值大小意味着相关性的高 低。小的岛：( ，) 值意味相关性低，大的n ：( ，) 值意味着相关性高一般情况下当 一：( ，) o 8 时，我们就可以认为两组信号具有很强的相关性。 第三章p d p 红黑信号鉴别技术研究 1 7 3 2 2 计算机标准红信号频谱特性 目前，计算机显示内容涉及信息泄密的主要是文本和图像，因此从红黑工程 的角度，分析计算机显示典型文本或图像时的视频信号特征具有重要意义1 3 卯。在 同等条件下，当计算机显示黑白点阵和h 字符时引起的信息泄漏最为严重，此外 黑白点阵和h 字符也是研究计算机视频信息泄漏时最典型的准周期信号。因此我 们选取二者作为标准信号，分析它们在分辨率为1 0 2 4 7 6 8 ，刷新率为7 5 h z 模式下 的时域、频域特征。因为只显示黑白两种颜色时，r 、g 、b 三路视频信号特征完 全相同，所以我们把它们作为一个整体看待。 黑白点阵信号的时域、频域特征 黑白点阵图即在屏幕上间隔显示黑白两种颜色：黑色为低电平，用“0 ”表示； 白色为高电平，用“1 ”表示，在这种情况下信号为准周期信号，电压突变最强， 其辐射强度最大。其对应的p d p 视频信号理想上是一个脉冲信号，如图3 1 所示。 但是由于理想的脉冲信号不存在，实际波形是周期变化的锯齿波波形，如图3 2 所 示： v ( 电压) ! 於a n ，烂澎v j ) c h l ：；5 、砸n ：唔m 图3 1 理想的黑白点阵视频信号 图3 2 示波器实际测得的黑白点阵信号 锯齿波信号产生的电流随时间变化的曲线如图3 3 所示： 图3 3 周期锯齿波信号电流随时间变化的曲线 由于锯齿波形蓝线的倒数为矩形波，根据f o u r i e r 变换的性质，容易得到锯齿 波电流的f o u r i e r 级数为 m ) = e p w( 3 5 ) 1 8 p d p 显示系统电磁信息泄漏研究 e = d 镜掣厶 c s 訇 五2 手为i ( f ) 第n 次谐波的频率。显然，n 次谐波( n o ) 的振幅为 厶= 石丽2 1 0 里丢笋e 珥厶 c ，一乃 q t j w ，冗t r n vl 谐波含有率删。= 专1 0 。厶为基波的振幅 ( 3 - 8 ) 由黑白点阵信号的时域油形和公式( 3 8 ) 可以得藿i i 苴颇谱加图34 。 - 1 i i - 一i i 一一 2468 1 0 1 2 1 4 1 6 1 82 02 22 4 2 b2 83 口3 2 3 4 4 0 4 2 4 4 柏4 8 黑白点阵信号的各次谐波( 次)( 基波频率为2 5 m h z ) 图3 4 黑白点阵信号的频谱图 h 字符的时域和频域特征 在字符信息的辐射发射中，竖笔划的影响最大( 信号突变最明显) ，对于满 屏4 号h 字符，其对应的信号波形为准周期信号，高电平对应的是白点，低电平 对应的是黑点。h 字符对应的视频信号理想上应该是方波信号，如图3 5 所示； 实际波形是周期变化的梯形波，如图3 6 所示。 i ( 电流) t ( 时间) 图3 5 理想的h 字符视频信号 图3 6 示波器测得的h 字符信号 由图3 6 可以得出：h 字符信号时域波形为周期变化的梯形波，t = l s l n s ， f = 5 5 1 m h z ，t ，= 3 1 8 n s ，t f = = 3 1 8 n s 其中t ，f ，t r ，t f 分别为周期、频率、正、逆程 时间。 周期梯形波信号电流随时间变化的曲线如图3 7 所示 懈嗍啡啪妻|椭|!|撕儡 慢谐波含有率摹一 第三章p d p 红黑信号鉴别技术研究 1 9 图3 7 周期梯形波信号电流随时间变化的曲线 则电沉j ( r ) 可由f o u r i e r 级数表不，即 砸) = c n e j z - t ” ( 3 9 ) g 寺等等 五= i n = 睾，为j ( f ) 第n 次谐波的频率。显然，n 次谐波( n o ) 的振幅为： ，：三生! 坐f 竺盟s i n ( t r r , f ) 丁 所z弘以 ( 3 1 1 ) 由h 字符时域波形和公式( 3 1 1 ) 可以得出其频谱，如图3 8 所示 ? h r i 。 谐 波 含 有 塞 豪 _ 嗽 隅 m m m m i一 隔 瞒 图3 8h 字符信号的频谱图 3 3p d p 内部红黑电路分析 等离子显示器内部有四种电路构成，其电路框图( 图3 9 ) 如下，由图3 9 可以 看出，p d p 的电路系统可以分为四个主要的部分：接口电路、存储与控制电路、 高压驱动电路、电源电路。信号首先经过接口电路处理，然后流经存储与控制信 号，最后进入驱动电路进行驱动显示。我们分别对着四个部分进行信号处理分析： p d p 显示系统电磁信息泄黼研究 显 图3 9 等离子显示器电路结构框图 接口电路： 。 图3 1 0p d p 接口电路结构框图 图3 1 0 为接口电路结构框图，由图可看出，接口电路将后级显示的电路系统 图3 1 1 前端放大电路原理图 与外界图像信号，如计算机输出的v g a 信号或者电视接收机v c d 、d v d 等输出 的视频信息( 包括p a l 制和n t s c 制额v i d e o 和s - v i d e o 信号输出) 联系在一起。 其主要功能是把输入的各种格式的模拟信号进行解码和数字化，并统一进行处理 第三章p d p 红黑信号鉴别技术研究 2 l 成适合等离子显示器后级显示电路处理的数据格式，同时，为后级电路提供显示 所需要的各种同步控制信号，如行、场同步信号，消隐信号和数据时钟信号等。 在这部分，它主要电路就是一个信号放大电路和一个d 转换电路。 信号放大电路主要处理的是从电缆进来的串行的模拟信号，根据红黑电路的定 义，它是典型的红电路。图3 1 1 给出了三路放大电路电路图。而接下来信号经过 a d 转换之后，信号由模拟的变成数字，信号处理方式也由串行的转换成并行的， 因此，根据上面分析结果，接口电路中的红电路只是信号放大电路，而a d 转换 以后的电路则是黑电路。 存储与控制电路： d a t ar 7 0 】 d a