（测试计量技术及仪器专业论文）计算机视频泄漏信息截获系统设计.pdf

摘要本文在深入研究计算机视频泄漏信息截获机理的基础上，对传统的视频泄漏信息截获系统进行了改进，提出了一种基于软件无线电的泄漏信息截获技术，将泄漏信息的数字化处理移至中频( i f ) ，在中频段，对泄漏信息进行数字化处理，然后利用数字下变频、数字高效滤波、多速率信号处理、数字检波等技术输出视频基带信号，以对原始信息进行重建。这种方式由于在中频就开始进行数字化处理，而不是在基带，因此更具有信号处理优势，其技术指标可以大幅度提高。系统的设计由于采用了软件无线电的设计思想，从而具备了软件无线电系统的诸多优点，具有很强的灵活性和开放性，很容易进行功能的扩展。通过加载相应的软件模块可完成视频基带信号的分析、处理和重建功能。因此本系统的设计更侧重于一个通用电磁泄漏信息接收与分析平台的搭建。关键词：信息截获中频采样数字下变频数字滤波多速率信号处理a b s t r a c to nt h eb a s i so fi n d e p t hr e s e a r c ho ni n t e r c e p t i o nm e c h a n i s mo fc o m p u t e rv i d e ol e a k i n gi n f o r m a t i o n ，t h ep a p e rh a si m p r o v e dt h et r a d i t i o n a lv i d e ol e a k i n gi n f o r m a t i o ni n t e r c e p t i o ns y s t e ma n dp r o p o s e da l li n t e r c e p t i o nt e c h n o l o g yb a s e do ns o f t w a r er a d i o t h i st e c h n o l o g ym o v e st h es t e po fd i g i t a l l yp r o c e s s i n go fl e a k i n gi n f o r m a t i o nt oi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ( i f ) a ti f , t h el e a k i n gi n f o r m a t i o ni sp r o c e s s e dd i g i t a l l yt oo u t p u tv i d e ob a s eb a n ds i g n a lu s i n gt e c h n o l o g i e si n c l u d i n gd i g i t a ld o w n - c o n v e r s i o n ，d i g i t a l l yh i g h l y e f f e c t i v ef i l t e r i n g ，m u l t i r a t es i g n a lp r o c e s s i n ga n dd i g i t a ld e m o d u l a t i o n 。i nt h i sw a yt h eo r i g i n a li n f o r m a t i o nc a nb er e c o n s t r u c t e d f o rt h i sm e t h o d ，d i g i t a l l yp r o c e s s i n gb e g i n sa ti fi n s t e a do fb a s eb a n d ，s os i g n a lp r o c e s s i n gi sb e t t e rd o n ea n dt h et e c h n i c a li n d e x e sa r ee n h a n c e dt oag r e a te x t e n t a d o p t i n gt h ed e s i g nc o n c e p to fs o f t w a r er a d i o ，t h ei n t e r c e p t i o ns y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e so ft h es o f t w a r er a d i os y s t e ma n di se x c e l l e n ti nf l e x i b i l i t ya n do p e n n e s s s oi ti sv e r ye a s yf o rt h ei n t e r c e p t i o ns y s t e mt oe x p a n df u n c t i o n s b ya d d i n gc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r em o d u l e s ，t h es y s t e mc a na c c o m p l i s ha n a l y s i s ，p r o c e s s i n ga n dr e c o n s t r u c t i o no fv i d e ob a s eb a n ds i g n a l i nt h i ss e n s e ，t h ed e s i g no ft h ei n t e r c e p t i o ns y s t e mi n t h i sp a p e ri sf o c u s i n gm o r eo nt h eb u i l d i n go f t h ee l e c t r o m a g n e t i cl e a k i n gi n f o r m a t i o nr e c e i v i n ga n da n a l y z i n gp l a t f o r m k e y w a y s ：i n f o r m a t i o ni n t e r c e p t i o ni fs a m p l i n gd i g i t a ld o w n - c o n v e r s i o nd i g i t a l l yf i l t e r i n gm u l t i - r a t es i g n a lp r o c e s s i n g西安电子科技大学学位论文独创性( 或创新性) 声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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，除了文中特另r j d n 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，本人签名：参l 蛆本人承担一切的法律责任。日期口护7 2 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；学校可阻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。( 保密的论文在解密后遵守此规定)本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。本人签名：导师签名：日期兰! 旦：! ：! 三日期避：! ：兰!第一章绪论第一章绪论1 1 计算机的电磁泄漏及其t e m p e s t 技术电磁泄漏是指电子设备的杂散( 寄生) 电磁能量通过导线或空问向外扩散。任何处于工作状态的电子设备，如计算机、打印机、传真机和电话机等，都不同程度的存在着电磁泄漏，这是不可避免的电磁学现象。电子设备自身的电磁泄漏会产生两种危害：一方面会对电磁环境构成污染，造成电磁干扰，使得各种电子设备不能正常工作。另一方面，会将其信息以传导波或空间电磁波的形式泄漏出去，造成信息泄漏。计算机作为一种电子设备，也同样不可避免地存在着电磁泄漏，而且由于计算机的泄漏频谱比较宽，其产生的危害就更为突出，这主要表现在以下几个方面：【l l1 ) 既然有向外泄漏电磁波的途径，就必然存在受外部干扰的可能，潜伏着不稳定的因素。2 ) 尉人体健康有危害。特别是随着时【日j 加长，危害更加明显。3 ) 破坏了周围环境的电磁兼容性，干扰了其他电子、电气设备的工作。4 ) 对信息安全和保密造成的危害：( a ) 直接通过辐射使其保密数掘信息泄漏。例如送给计算机显视器的视频信号，其辐射的信息即可被截获与复现。( b ) 分析破译密码或密语，直接危及密码的安全。( c ) 干扰高灵敏设备的正常工作。以上几方面的危害都不容忽视，但本文研究的技术范畴主要是针对信息安全和保密中的视频信息泄漏和截获问题。而研究信息的电磁泄漏在国际上被称为t e m p e s t 问题，它是美国国防部( d o d ) 和国家安全局( n s a ) 联合进行研究和开发的一个极其重要的项目，主要研究计算机系统和其他电子设备的信息泄漏机理和对策，其目的是通过制定一系列标准柬限制电子设备的电磁辐射，从而防止保密数据由于电磁泄漏而被窃取。t e m p e s t 技术研究包括理论、工程和管理等各个方面【2 】，在技术上涉及电子电路、电磁场、天线、计算机、通信、信号与信息处理、模式识别以及材料等多个领域。其研究内容主要有：1 ) 信息处理设备的泄漏机理。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。2 ) 信息泄漏辐射的防护技术。包括电气元件、电路及印制板的布局、设备的2计算机视频泄漏信息截获系统设计结构、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泄漏辐射强度。3 ) 提取有用信号的技术。包括信号接收技术和信号还原技术。泄漏信号具有信号弱( 小于1 0 肛v m ) 、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。4 ) 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，并制定相应的标准。本文涉及的技术领域属于有用信号提取技术中的信号接收这一分支，即对泄漏信息进行低噪声、宽频带、高增益地截获，以进行信号分析和重建。1 2 研究计算机视频泄漏信息截获技术的意义及相关技术的发展概况在信息对抗中，通过对计算机的泄漏信息进行截获、分析和处理，可以提取出有用信息，为作战服务。现在，计算机已成为各种军事系统的中枢，大量的情报数据依靠它束迸行处理，特别是各级指挥所，有大量的军事信息、作战情报要进行处理、显示和存贮，是军事机密的核心。因此，利用计算机及其应用系统的电磁泄漏截获机密信息已经成为信息对抗双方展开激烈竞争的领域之一。对这一技术的研究可以使我们占掘信息对抗的主动权，加速我国的信息化过程，从而建立完整的信息安全体系，保障国家的信息安全，因此具有重要的战略意义。目前，计算机泄漏信息截获技术作为t e m p e s t 技术的个分支，在逐渐的发展着，下面是该技术领域的一些重大事件：1 ) 1 9 8 3 年，瑞典科学家首次发表著作泄密的计算机，其中报道了由计算机的电磁辐射可以引发“信息泄漏威胁”的问题。2 ) 1 9 8 5 年，荷兰学者v a ne c kw 在第三届计算机通信安全防护大会上第二次向世界介绍了显示器电磁辐射造成信息泄漏的实验结果，分板了视频电磁信息泄漏的机理。此后，人们做了一系列的试验测试了数据线、硬盘、显像管及中央处理器在传输和处理信息时的电磁辐射现象，并证明这些电磁辐射可以导致信息泄漏。3 ) 1 9 8 6 年，在全国计算机应用展览会上，公安部门演示了用电视接收机天线对准一台微机，在电视机屏幕上再现了微机屏幕的显示内容。4 ) 1 9 9 0 年，清华大学提出了利用辐射强度相减法测试信息泄漏强度的方法。5 1 1 9 9 2 年，西安电子科技大学成功地利用黑白电视接收机接收单显和彩显的屏幕信息。6 ) 1 9 9 2 1 9 9 3 年。北京广播学院微波工程系对本系机房的电磁辐射情况进行了第一章绍论测量、研究。7 ) 1 9 9 7 年，中国科学院长春光机所实现了对一台c g a 显示方式的计算机视频泄漏信息( 均匀点图) 的截获与再现。试验装詈有i c o m 公司的i c r 7 0 0 0 宽频带接收机、环形天线、同步信号发生器。8 ) 1 9 9 7 年，c r y p t oa g 公司演示了计算机泄漏信息的截获和再现。该公司的t e m p e s t 实验室由两l 日j 屏蔽室构成。被测计算机和接收天线及放大器放在一白j 屏蔽室内，测试设备放在另一间屏蔽室里。再现窃收监视器工作在外同步状态，由同步机提供可调频调相的行、场同步信号，再现的效果是w i n d o w s 9 5 图标和小字。9 ) 1 9 9 8 年，m a r k u sg 和r o s sj a n d e r s o n 在实验室中利用d a t as a f e e s lm o d e l4 0 0t e m p e s t 信息泄漏监测器实现了文字和图像信息的截获和再现，分析了视频辐射信息中低频和高频成份的信息泄漏效应。1 0 ) 2 0 0 2 年，北京邮电大学电磁兼容实验室实现了计算机文字泄漏信息的再现。1 1 ) 2 0 0 4 年，北京邮电大学电磁兼容实验室完成了用于计算机视频电磁泄漏信息再现的仿真平台，可以实现对信息泄漏阈值及计算机加固效能的定量评估。1 3 本文所做的工作传统的计算机视频泄漏信息截获系统基本上是基于模拟技术来实现的，例如最早的“e c k 截获系统”，就是基于电视机接收原理的，是一种完全模拟的侦收装置。后来随着集成电路、数字信号处理技术等的发展，计算机视频泄漏信息截获系统也逐渐朝着数字化方向改进，但这些系统只是在基带进行了数字化处理，其中频信号的处理仍然是基于模拟技术来实现的，因此，包含的模拟环节仍然很多，这对系统的稳定性、灵活性、可靠性等很不利。本文为了尽可能地减少系统的模拟环节，提高系统稳定性和灵活性，设计了基于软件无线电的计算机视频泄漏信息截获系统。将泄漏信息的数字化处理移至中频( i f ) ，在中频段，对泄漏信息进行数字化处理，然后利用数字下变频、数字高效滤波、多速率信号处理、数字正交检波等技术输出视频基带信号，以对原始信息进行重建。系统的设计由于采用了软件无线电的设计思想，从而具备了软件无线电系统的诸多优点，具有很强的灵活性和丌放性，很容易进行功能的扩展。通过加载软件模块可完成视频基带信号的分析、处理和重建功能。因此本系统的设计更侧重于一个通用电磁泄漏信息接收与分析平台的搭建。具体束说，本文所做的工作有：1 1 对计算机显示系统的组成结构进行了研究，分析了各部分的内部工作机制；计算机视频泄漏信息截获系统设计对显示器的屏幕成像原理进行了研究，确定了视频信号的特性及其与同步信号的时序关系；对计算机显示系统的泄漏机理进行了研究，确定了显示系统的主要泄漏途径：对计算机视频信号和辐射信号的功率谱进行了分析，确定了计算机视频泄漏信息的截获机理；对计算机视频信号的带宽进行了分析，确定了二次采样的采样速率。2 ) 提出了基于数字自相关分析和数字谱分析的计算机视频泄漏信息同步信号提取方式。通过仿真和验证，得出如下结论：在没有周期性干扰的静提下，自相关分析在时域可以提取出同步信号的周期，只需作细微的调整即可得到真工f 的同步信号周期。调整的范围最大为1 f s ( f s 是采样速率) ，因此，在用自相关分析提取同步信号时，可以通过提高采样速率来减小误差范围。基于离散傅里叶变换的数字谱分析可以从叠加周期性干扰的截获信号中提取出同步信号的频率，只需作细微的调整即可得到真正的同步信号频率。调整的范围最大为i r ( r 是离散傅里叶变换长度) ，因此为提高精确度，可以适当地增加离散傅里叶变换的长度。另外窗函数的长度决定了数字谱分析的频率分辨率，要想从频率接近的信号中提取出同步信号，可以通过增加窗的长度束实现。3 ) 详细讨论了与系统设计有关的正交变换理论，此理论是整个系统设计的理论基础。通过将中频信号变换至正交基带信号，然后进行多级数字滤波、可变因子抽取，来适应多种显示模式的截获带宽需要，最后进行视频信号的正交检波，输出视频基带信号，以此来完成视频泄漏信息的截获。在讨论j 下交变换的过程中，对正交变换的镜频抑制比与幅相误差的关系进行了详细分析，并用m a t l a b 进行了仿真，得出如下结论：在传统截获系统中使用的模拟j 下交变换，其幅相误差较大，使得镜频抑制比较低，而本系统使用的数字正交变换幅相误差已被完全消除，因此镜频抑制比较高。4 ) 完成了系统从原理图到p c b 的设计，并编写了相应的软件程序。在本系统中，视频泄漏信息的数字化处理是在中频进行的，采样速率较高，整个系统属于高速系统，通过对高速电路板设计技术的研究，完成了本系统的p c b 设计。5 ) 对系统的软件模块进行了调试，调试环境为a l t e r a 公司的e p 2 s 6 0 评估板及嵌入式逻辑分析仪- - s i g n a l t a p 。第一章计算机显示系统的i 作原理及泄蹦机理分析第二章计算机显示系统的工作原理及泄漏机理分析2 1 计算机显示系统的组成结构计算机显示系统主要r h - - 部分构成，即显卡、显示器及连接它们的视频电缆，如图2 1 ( a ) 所示。下面以v g a 彩显为例对其结构进行分析。视频电缆图2 1 ( a ) 计算机显示系统结构弓l 脚号l467891 01 l1 21 31 41 5信号定义红信号缝绿信号纯蓝信号线备用数字地红信号回路绿信号回路蕊信号回路备用数字地备用备用水平同步信号垂直同步信号备用幽2 1 ( b ) 显譬d 1 u 迎接器信号定义显卡是计算机主板与显示器之问的接口电路，起着转换、拧制、桥粱作用，它主要由图形控制器、显示存储器、移位寄存器、属性控制器、操作定序器、c r t控制器及显示接口等组成。显示系统工作时，图形控制器与c p u 协同工作，按照c p u 的指令将要显示的数据送往显示存储器。移位寄存器负责寻址，将显示存储萋6计算机视频滞黼信息截获系统设计器中的数据转换为串行序列。属性控制器则用来控制颜色，显示数掘经数模转换后送往显示接口，同时操作定序器与c r t 控制器产生的同步信号也被送入显示接口，显示接口使用的是d 型连接器，其信号定义如图2 1 ( b ) 所示。c r t 显示器通过视频电缆与显示接口连接，视频电缆由三根同轴电缆和四根普通电缆组成，其中红、绿、蓝信号及其回路使用三根同轴电缆，其他四根电缆分别用作同步信号和地线。显示器是显示系统的重要组成部分，其种类比较多，下面以c r t 显示器为例对其进行介绍，c r t 显示器主要由显像管、视频信号处理电路、行扫描电路，场扫描电路、接口电路等组成，其结构框图如图2 2 所示。下面对各部分作用及工作原理进行分析。图2 2c r t 显示器结构框图显像管是显示器的核心部件，c r t 显示器的显像管为阴极射线管，常用的静电聚焦磁偏转式c r t 的构造如图2 3 所示，此种显像管是利用磁场来使电子束偏转。图2 3 c r t 构造k 阴极g i 控制极( 栅极) g 2 屏敞栅极a l 一加速极( 第一目1 极) a 2 - 超商乐极( 第一二阿 极)a 3 一聚焦极( 第三刚极) d 偏转系统一预加速区力口速区。聚焦区一偏转防漂移区一发光区一笙三童生篁塑星委墨堕塑三堡堡墨墨鲨塑塑堡坌塑!-。_-_。_。-。-。_-p-_。-。+。1，。一一显像管有一个灯丝，通过对阴极加热来提供阴极发射电子的外部条件，阴极一般如正电压。控制极有金属圆筒套在阴极外面，顶端有一小孔，让电子束通过，控制极一般加负电压，这样控制极与阴极之间就有一个电位差u = u o u k ，其中u 6为控制极电位。u k 为阴极电位，通过控制u o 或u k 的电位变化来控制通过控制极顶端小孔的电子数量，从而改变射向荧光屏的电子束电流大小。在静电聚焦磁偏转式c r t 显示器中，视频信号加至阴极和控制栅极之间，使得电子柬的强弱随视频信号变化，电子束被调制后轰击荧光粉，从而在荧光屏上出现与视频信号相对应的图像。显像管内的偏转系统包括垂直和水平两组偏转线圈，在行、场扫描电流控制下产生偏转磁场，以使电子束进行有规律的偏转，从而在显示器屏幕上形成图像。视频处理电路把计算机显卡输出的r 、g 、b 三色信号进行视频预处理。实施亮度、对比度的调整，然后送至视放末级进行视频放大( 放大为6 0 一7 0 v p p ) ，从而获得足够的幅度和功率去激励显像管阴极，产生强弱变化的电子束电流。行、场扫描电路向偏转线圈提供线性良好、功率足够的锯齿波电流，从而产生水平方向和垂直方向的偏转磁场，使得电子束能够在荧光屏上有规律的进行扫描：2 2 计算机显示器的屏幕成像原理2 2 1 计算机显示器的光栅扫描通过对显示器组成结构的分析，我们知道行、场扫掐电路在同步信号的控制下会产生与同步信号同步的行、场馁盅波电流，如图2 4 所示。，八八。名0 i yv 7 一“盘”l( b 】场钝出藏电瓣图2 4 行、场偏转线阁中通过的锯齿波电流8计算机视频滑黼信息截获系统设计当行、场锯齿波电流流过显像管内互相垂直的两对偏转线圈时，就会产生水平方向和垂直方向的偏转磁场，在两个偏转磁场的作用下，电子束就在荧光屏上一行紧跟一行地作匀速直线扫描，所形成的扫描轨迹称为扫描光栅。如图2 5 所示。图2 5 计算机显示器的光栅扫描向l 句图2 6 电子束在磁场中的偏转其具体过程如下：如图2 6 ，行锯齿波电流通入行偏转线圈，在t 0 t l 期l 日j 电流方向为负( 如图2 4 ( a ) 所示) ，根据右手定则可判断出上下两个线圈中磁场方向垂直向下，用左手定则判断出电子束所受洛仑兹力力向左，但由于电流强度逐渐减弱，使得磁场强度逐渐减弱，从而电子束所受的洛仑兹力也逐渐减弱，这时电子束所受的总作用力向右，电子束将会从左边最大偏转处向中心部位偏移( 图2 5第一二章计算机显示系统的t 作原理及| 漏机理分析9中c a 方向) ，t l 时刻，电流变为零，磁场强度和洛仑兹力减至零，电子束回到中央位置a 处。t l t 2 期间，通过行偏转线圈的电流方向变为f ，线圈产生的磁场方向也随之改变，磁场方向垂直向上，使电子束向右偏转，磁场强度随电流逐渐增大而增强，t 2 时刻电流增至最大，磁场也增至最强，电子束从a 处偏转到最右边b处。从t 0 至也时刻。电子束从最左边移至最右边，这一段扫描过程称为行正程扫描，所对应的时间t h l 称为行扫描e 程时间。行扫描电流在t 2 t 3 期间，从最大值迅速下降，并在t 3 时刻方向又一次变为负，直至t 4 时刻，在此过程中，电子束受到的总作用力为自右向左，因此将从右端快速返回左端，这一段扫描过程称为行逆程扫描，所对应的时间t h 2 称为行扫描逆程时间。行扫描周期t h = t h l + t h 2 ，其倒数就是行扫描频率f l - i = l t h 。如果仅在行偏转线圈中通入行扫描电流，则在屏幕中i 日j 将显示一条水平亮线。当把场扫描锯齿波电流通入场偏转线圈时，电子束将在垂直方面受到偏转力。如图2 4 ( b ) 所示为场扫描锯齿波电流，当电流线性下降时电子束受到向下作用力，在垂直方向自上端向下端移动，这一过程称为场正程扫描，所对应的时间t v l 称为场扫描正程时间。电子束从下端快速返回到上端，这一过程称为场逆程扫描，所对应的时间t v 2 称为场扫描逆程时间。场扫描周期t v - - - - t v l + t v 2 ，其倒数为场扫描频率f v = l t v 。在显示过程中，行、场逆程期间使电子束截止，在屏幕上不显示图像( 即消隐) 。2 2 2 计算机视频信号的屏幕显示当一个图像被显示在屏幕上时，它是由无数小点组成的，它们被称为像素。像素描绘的是屏幕上极小的一个点，它们可以被置为不同的颜色和亮度。每一个像素包含一个红色、绿色、蓝色的磷光体，大量的像素就组成了一幅图像。显示器工作时，视频信号一部分加至阴极和控制栅极之间，以调整像素亮度，另一部分控制r 、g 、b 三个电子束电流的比例，以调整像素颜色，三个电子束以一定的行频和场频对屏幕进行有规律的扫描，这样就可以在屏幕上显示出不同颜色和亮度的图像，这就是显示器的屏幕成像原理。这时显示器的屏幕可以看作一个像素阵，每个像素的显示状态由视频信号控制。对于单色显示状态的文本，三个电子束的比例固定不变，而在阴极和控制栅极之间加脉冲电压信号，使电子束电流形成脉冲串，在偏转系统作用下，有序排列的电流脉冲串在屏幕上产生字符，如图2 7 所示。计算机视频滞漏信息截获系统改计圈豳( a ) 字符“h ”的像素阵( b ) 视频信号( c ) 电子束电流脉冲串幽2 7 显示器屏幕成像原理2 3 视频信号与同步信号的时序关系由前面的分析可知计算机显示器利用光栅扫描进行显示，为使图像的显示稳定，必须确保视频信号的发送规律在时间上与行、场同步信号保持严格一致，下面对视频信号和同步信号的时序关系进行分析。计算机有多种显示模式，不同的显示模式对应的分辨率和刷新率是不同的，因此行频和场频也就有所差别。在显卡内部，行频和场频是由点频决定的，点频是由晶振产生的基本时钟信号经过一次分频产生的，然后根据一行扫描的点数，进行二次分频，得到行同步信号，再根据垂直最大扫描行数进行三次分频，得到场同步信号。点频、行频、场频之间存在整数倍关系，具体的倍数跟分辨率有关。图2 8 是长城c e g a 显示系统的视频信号和同步信号的时序关系示意图，c e g a显示卡使用的晶振为4 1 6 m h z ，经过2 分频，变为2 0 8 m 输出，它的水平扫描最大分辨率为6 4 0 ，加上非显示区和行逆程的点数，可以显示8 点阵的字符1 0 0 个，那么就有8 0 0 个点。每点的周期为：l 点频= 1 2 0 8 m h z = 4 8 i n s那么一行的周期为：点周期点数= 4 8 1 8 0 0 = 3 8 5 p s行频= l 行周期= 1 3 8 5 1 s = 2 6 k h z垂直扫描最大分辨率为5 0 4 ，加上非显示区和场逆程的行数，总共为5 3 6 行，那么就有：场频= 行频，垂直总线数= 2 6 k h z 5 3 6 = 4 8 ，5 h z场周期= l 场频= 1 4 8 5 h z = 2 0 6 m s第一二章计算机显示系统的t 作原理及甜廿猫机理分析l l水平同步正程显示场同步正程显示：1 0 0 个字符8 0 0 点3 85 i t s：8 字符；宇绣8 0 字符4 宇符15莓1 t a s 731 “s3 08 “s 每1：5 3 6 线2 06 m ssn ：厂ii；幽2 8 视频信号与同步信号的时序芙系图2 9 是对多场内的视频信号的波形描述，从中也可以看出视频信号与同步信号之间严格的时序关系。】l r ( o 阳7 7nnr 门门门f几nr r r 一图2 9 c a ) 行同步信号示意图图2 9 ( b ) 场同步信号示意图计算枫视频泄酗信息截获系统殴计图2 9 ( e ) 视频信号示意图2 4 计算机显示系统的泄漏机理2 4 1 计算机显示系统的泄漏源分析通过对计算机显示系统结构的分析，我们知道，显卡、显示器及视频电缆构成了计算机的显示系统，因此对计算机显示系统泄漏源的分析也就主要针对这几部分来进行。对于显卡而言，其内部处理的信号多为并行信号，这些信号由多位并行线路同时传输和处理，尽管可能产生辐射，但由于这些并行线相距很近，对于截获者来说，就相当于一个复合源，很难用时分、频分等物理方法将其识别接收。所以显卡的泄漏对于视频泄漏信息的截获来说意义不大。我们把分析重点放在视频电缆及显示器上。在各种连线和电缆中，视频电缆是最容易产生信息泄漏的泄漏源，在具有显示设备的计算机系统中，数据信息和图像信息在转换成视频信息后，都要经过视频电缆以串行方式馈至显示器的输入端，而且具有足够的强度，以驱动末级视放电路，使显示器正常工作，因此视频电缆是显示系统的主要泄漏源之一。显示器的泄漏机理更为复杂一些，它处理和传输的既有并行信号，也有串行信号；有高压成分，也有低压成分；既有一般的p c b 电路，也有各种接口和连线。因此也是主要的泄漏源之一。在显示器中，显像管的电子束电流高达0 2 m a l m a ，由于电子束受视频信号控制，所以对于字符信息而言，电子束电流将是种随机的数字信号。这融数字化电子束电流会在很宽的频率范围内产生电磁泄漏。从理论上讲，电子束电流与视频信号电流成正比，这样电子束的电磁泄漏中就包含了视频信息，并且由于扫描逆程期的存在，使得电子束的电磁泄漏也同时包含了同步信息。在显示器中，行、场扫描电路的锯齿波电流也会产生相当程度的电磁泄漏，而锯齿波电流在时序上是跟同步信号一致的，因此其电磁泄漏中也会包含同步信息。另外，行、场扫描锯齿波电流还会流经显像管内的偏转线圈，在偏转线圈内产生同步信息的泄漏。第一二章计算机显示系统的 作原理及滑赫机理分析1 32 4 2 电偶极子与磁偶极子电磁场辐射理论告诉我们：电磁辐射场由交变电流产生，任何形式的电磁辐射都是由于辐射源具有天线效应，天线对电磁波的辐射是有选择性的，只有天线尺寸与波长相当时，才会产生辐射。当天线尺寸较小时( l l ，上三式变为1 4计算机视频泄漏信息截获系统设计易= 掣e 啪s 姗( 2 - 4 )e r = 0( 2 5 )h ，= j 4 f l 口i le-jasin8(2-6)该电偶极予场的总辐射功率为p ：z o k 2 ( 1 0 2 ( 2 - 7 )1 2 n 其中，z o 为真空中阻抗，等于1 2 0 x ，k = 2 x l ，化简得：尸：4 0 万2 ，2 ( 喜) 2 ( 2 - 8 )从上式可以看出。乓值越大，即信号频率越高，辐射能力越强。( 2 ) 磁偶极子模型一个足够小、直径远小于波长、面积为a 的电流环产生的场为磁偶极子场，如图2 1 0 ( b ) 所示。产生的场有3 个分量h o 、h ，、e 9 。以= 警e 啊万1 + 两1 】s i n 臼( 2 _ 9 )以= 一- s f l 2 2 2 p e 珊去j r + 击, o r 】c 0 洲( 2 - 1 0 )，lj1 1易= 警e 啪( 1 + 删( 川t )其中_ n 为真空中波阻抗，s 为回路的等效面积，i 为对应角频率( 0 的电流分量。对于远区场，上面三式变为：以= - 4 1 s 刀f l 型口啦s i n 口( 2 1 2 )h ，= 0( 2 - 1 3 )e 。= 丝4 n re 一腑s i n 曰( 2 一1 4 )该磁偶极子总的辐射功率为：p ：型掣( 2 - 1 5 )1 2 n -其中s = x a 2 ，a 为电流环半径，代入得：第一二章计算机显示系统的t 作原理及泄漏机理分析1 5p = 1 6 0 n 6 1 2 ( 导) 4( 2 1 6 )l从上式可以看出。三值越大，即信号频率越高，辐射能力越强。计算机显示系统由无数个等效为电偶极子和磁偶极子的辐射源向外辐射电磁波，正是这些寄生电磁辐射，造成了信息泄漏。第二章计算机视频滞赫信息的截获机理及同步信号提取1 7第三章计算机视频泄漏信息的截获机理及同步信号提取3 1 计算机视频泄漏信息的截获机理3 1 1 计算机视频泄漏信息的频谱分析在实际应用中，计算机处理的保密信息大多是字符信息，对字符信息而言，电子束电流将是种随机的数字信号，这种数字化电子束电流会在很宽的频率范围内产生电磁辐射。因此在研究视频泄漏信息的截获时，应主要研究字彳丁信息。设f ( t ) 是单个矩形脉冲，脉冲宽度为f ，幅度为a ，其谱密度函数为f ( ) = 4 rs i n ( 国f r 2 2 ) ( 3 - 1 )视频脉冲序列s ( t ) 可表示成单个矩形脉冲的时延和s ( f ) = r 。f ( t 一叫( 3 2 )其中k n 是取值为0 或1 的随机数，那么s ( t ) 的谱密度为s ( ) = 尼。f ( o ) e x p ( 一j n r )2f ( c o ) k e x p ( - j n o r )( 3 3 )由上式可以看出s ( t ) 的谱密度s ( 回为无数个f ( ) 经不同相移后的叠加，对于f ( )的零点仍为s ( ) 的零点，所以s ( t ) 的功率谱密度如图3 1 中虚线所示t罩翘枇窘辟嚣，h 图3 i 计算机视频信号和辐射信号的功率谱密度从图中可以看出，功率谱密度除了主瓣外，还有许多副瓣，并且随着频率的计算机视频计苷黼信息截获系统设计升高其幅值成下降趋势，但是，由2 , 4 2 节对电偶极子和磁偶极子辐射场的分析可知，随着频率的升高，其辐射效率在提高，因此辐射出去的功率谱密度近似为图中实线所示。3 1 2 计算机视频泄漏信息的截获机理分析在对泄漏信息进行截获时，只需将接收机调谐在s ( t ) 高端频谱的一个波瓣上，如图3 1 的阴影部分，这等效于将x ( o 信号通过一个中心频率为f o 的带通滤波器。如图3 2 所示，该理想带通滤波器可表示为门函数，即日( 珊) = g 。一)( 3 - 4 )其中，b 为带宽，o 为中心频率。带通滤波器的输出u ( 缈) = c s ( ) g 。( 国一吐 o )t= c f ( ) i ( 一缈o ) k 。e x p ( - j n c o r )( 3 5 )其中c 为比例常数。计算带通滤波器在时域上的输出时，先计算式( 3 5 ) 中f ( 卯) g ，。( c o - ( 0 0 ) 的逆变换，即邝) 尝篙铲刚吣) 付脚刚一c o o )( 3 6 )精确计算上述眷积是比较困难的，它是- - l - j 函数与包络是抽样函数的正弦函数的卷积，图3 3 是近似的卷积结果。|il 池一a 剐一妒_ 限旷一、图3 2 带通滤波器的频率响应图3 3 卷积结果式( 3 5 ) 中后面的求和因子对u ( t ) 的影响仅仅是对图3 - 3 时域波形的时延叠加是否叠加取决于这一项k 。的取值。如图3 4 所示第二章计算机视频打廿桶信息的截获机理及同步信号提取( c )( d )口口口口口口口。c 1 ) 原始教字苫号( b 宙收到约射艇信号“) 对射矩苫母捡谴后蚱确出( d ) 舒被的数穹：售号图3 4 信号处理的时域波形( a ) 为原始视频信号，( b ) 为带通滤波器输出波形，将( b ) 波形包络检波后得到图( c ) 波形，其峰值对应于原始视频信号二进制数取1 的脉冲，设定一定的门限电平对其进行限幅，可得到图( d ) 的输出波形。再经放大、整形后，恢复出原始信息。在传统的计算机视频泄漏信息截获系统中，这些都是在a d 转换之前完成的，是一种基于模拟技术的信号处理方式，这种方式由于模拟系统的固有缺陷，使得性能指标难以提高，如杂散性能、动态范围、信噪比等。本文在传统的计算机视频泄漏信息截获系统的基础上，设计了基于软件无线电的计算机视频泄漏信息截获系统，将泄漏信息的数字化处理移至中频，这样就使得传统的模拟信号处理，如检波、放大、整形等，可以在数字域中完成，使得性能指标大幅度提高，而且具有良好的稳定性和灵活性。图3 5 和3 6 是分别使用这两种截获方式，对计算机视频泄漏信息进行截获与还原的原理示意图，幽3 5 传统方式计算机视频_ l 漏信息截获系统设计i r _ 一一一一q t 频i 视频基带! a d 叶1 频信号处理l 数- 7 - 信号#采村，( 数r 啦辱、卜一j j 宽带信号i强玻、抽取，i j也络掎波等) il截获部分|艟示 ：示部分；图3 6 基f 软什无线电的方式从图3 5 和3 6 可以看出，用这两种方式对计算机视频泄漏信息进行重建时，其截获和还原部分有所不同，本文所设计的是其中的截获部分，输出的是视频基带数字信号，这样就使得还原部分可以在基带利用数字信号处理技术对视频信号进行分析、处理和重建。在基于软件无线电的截获方式中，首先对中频信号进行数字化，这就要求a d 的采样速率足够高，以满足宽带分析的需要，本文所设计的硬件平台是一个通用的电磁泄漏信息接收与分析平台，接收带宽高达1 0 0 m ，可满足多种泄漏信息接收和分析的需要。3 - 2 计算机视频信号的带宽分析要对计算机的视频泄漏信息进行截获，必须首先明确计算机视频信号的截获带宽要求，截获带宽太高，会引入大量噪声，截获带宽太低，会使恢复出的信号失真。本系统接收带宽为1 0 0 m ，通过后面的带宽分析，可以看出这个带宽对视频信号来说过高，我们通过多级滤波( 五级c i c 滤波、两级h b 滤波、6 4 阶d a f i r滤波) 、可变因子抽取等技术实现了多种带宽的分析需要。计算机视频信号的带宽根据显示模式的不同而不同。其具体计算方法如下：b = n h x v其中b 为带宽，单位为h z ：n 为每行内总扫描点数；h 为每场内总扫描行数；v为场频。表3 1 为不同显示模式所对应的视频带宽。表3 1 不同显示模式的视频带宽艟叮：办j 匕分f 鲁行锄( k h z )场粕( h 0带览( m h ，)c g a6 4 0 x 2 0 01 5 76 01 3e g a6 0 0 3 5 02 1 8 56 01 7m d a7 2 0 3 4 8l s 44 9 615v e g a6 4 0 x 5 0 42 64 8 52 0p g c6 4 0 4 8 03 1 56 1 42 5v g a6 4 t ) x4 8 03 1 5“)2 5s v g a8 t x ) x6 0 02 5 25 62 3s v g a1 0 2 4 7 6 84 8 76 05 5第二章计算机视频泄漏信息的截获机理及同步信号提取2 l从表3 1 可以看出，视频信号的带宽最低的为1 3 m h z ，最高的的高达5 5 m h z ，由3 1 节计算机泄漏信息截获机理的分析，我1 f i n n 道只要接收机调谐到s ( t ) 高端频谱的一个波瓣上，带宽满足一定的要求，就可以恢复出视频信息。每个波瓣的宽度为视频信号带宽，只要接收带宽满足波瓣宽度即可恢复出视频信号，本系统的接受带宽通过多级滤波、可变因子抽取等技术，使得带宽在1 0 0 m 内是可调的。这可满足多种显示模式的视频泄漏信息截获要求。对于视频截获信号的抽取，根据不同的目的，其抽取率是不同的，要从泄漏信息中提取出同步信号，可进行大因子抽取，因为同步信号的频率较低，即使是行频，最大也不超过5 0 k h z ，根据奈奎斯特取样定理，只要抽取后的数据速率大于两倍的行频即可。要从泄漏信息中恢复出像素灰度信息，则抽取后的数据速率不应低于点频。3 3 计算机视频泄漏信息中同步信号的提取对于静止的计算机图像或变化缓慢的图像，由于在显示器中采用了周期性扫描，所以视频信号具有周期性的特点，通过截获系统输出的视频基带信号，周期性的存在着信号区和消隐区，这个周期值就是我们关心的同步信号周期，另外，通过2 4 1 节对显示系统泄漏源的分析，我们知道，锯齿波电流会产生很强的电磁泄漏，这些泄漏信息中也包含了同步信息。图3 7 为截获系统输出的视频信号示意图。从图中可以看出，每行信号都包含了同步信号和视频信号的泄漏信息。图3 7 截获系统输出的视频信号示意幽截获系统输出的视频基带信号具有准周期性的特点，包含了同步信号的基波及其谐波信息，因此可以利用数字信号处理技术中提取周期信号的方法对同步信号进行提取。下面对其进行介绍计算机视频甜廿漏信息截获系统殴计3 3 i 数字自相关分析在同步信号提取中的应用自相关分析是弱信号检测和提取中的一门重要技术，可用来提取周期信号。对于周期信号而言，它的自相关序列仍然是周期信号，而且在其基波周期的整数倍处具有峰值，根据这些峰值可以确定同步信号的周期。另外，这一方法自身具有良好的抗噪性能，可以排除随机噪声的干扰，下面对其进行介绍。设x n 】是一个正的周期信号，其周期为n ，那么它的自相关序列定义为：r x 。【i ( 】= 吉珂挖m 押一明( 3 7 )vn = 0参数k 称为时延，表明信号间的时移。由上面的定义可知，r x 。【k 】也是周期为n 的周期序列。自相关序列的周期性可以用来确定可能受到加性噪声干扰的周期信号的周期。设x n 】受到随机噪声d 【n 】干扰后得到的信号为：w n 】 n 】+ d n 】( 3 - 8 )w i n 的自相关序列为：】2 。l i m 。2 m + l 毋州肛明= l i m 三_ ( x m + d n 3 ) ( x n 一明+ d 印一】)m 一2 m + l 。身。“1m。m12 熙2 m 南。娶】+ 溉2 m 石。娶舻m吖+ 1 。苎而。肼一，。+ l 。：= ：，。l i m 。1 2 m 五。譬【”】d 椭】+ 恕赢2 m1 。蝥【 】m 一引“+ l 。! 。“+ 。! ： ，。+ = k 明+ 雎】+ 【明+ 【】( 3 - 9 )在上式中，r x 。 k 】是一个周期为n 的序列，它在k = 0 ，n ，2 n ，时有峰值，若m 为无限大，则这些峰值是相等的。由于x 【n 】与d i n 是不相关的。因此互相关序列r x d k 与r d x k l 的样本值相对比较小，干扰噪声d 【n 】的自相关序列r d d k 在k = o 处有一个峰值，并且随着的增大其值迅速减小。因此i k l 0 时，r w w 【k 】的峰值基本上是由r x x 【k 】的峰值引起的。并且由于截取序列的有限长度，使得这些峰值随着时延序号k 的增大而减小。下面用m a t l a b 的仿真实例对自相关分析在同步信号提取中的应用进行讲述，由于锯齿波电流的电磁泄漏中包含着同步信息，因此我们用锯齿波信号代替第二章计算机视频泔渐信息的截获机理及同步信号提取同步信号来迸行分析，设锯齿波序列x n = s a w t o o t h ( 2 7 f f n ) ，它受到在【一0 5 ，0 5 】内均匀分靠的加性随机噪声的干扰，我们将通过自相关分析柬确定同步信号的周期。在这个实例中，我们用到了m a t l a b 中的s a w t o o t h ( t ) 函数，s a w t o o t h ( t ) i 函数类似于s i n ( t ) ，产生周期为妩，幅值从i 到+ 1 的锯齿波，在2 兀的整数倍处其值为l ，并以1 版的斜率上升。图3 8 ( a ) 、( b ) 分别为采集到的未加噪声和加入噪声的锯齿波序列，其归一化频率f = - 0 1 2 5 ，