（测试计量技术及仪器专业论文）彩色等离子体显示器的视频信息泄漏研究.pdf

摘要 摘要 本文首先阐述了计算机视频信息安全概况，论述了抑制等离子体显示器 ( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ，简称p d p ) 信息泄漏的重要性。为了分析p d p 的信息泄漏 原理，本文分析了计算机视频系统组成结构与工作原理，进而分析了一个以 a d s ( a d d r e s sd i s p l a y p e r i o ds e p a r a t i o n ) 为寻址方式的三电极表面放电型a c p d p 的结构及其基本工作原理，并在此基础上得出了它的详细的内部信号流程。然后 结合这个信号流程，展开了对p d p 内部视频信息处理单元的信息泄漏分析，分别 对p d p 的前级放大电路、a d 转换器、锁存器进行了信息泄漏建模和分析，对锁 存器后级电路也进行了分析，得出了前级放大电路为信息泄漏电路、a d 转换器是 潜在信息泄漏电路的结论。对p d p 总的视频信息泄漏也进行了分析。最后，分别 对前级放大电路和a d 转换器提出了相应的视频信息泄漏抑制手段，并提出通过 视频信号格式变换的方法来抑制p d p 的视频信息泄漏。 关键词：等离子体显示器、信息安全、视频图形阵列、信息泄漏、信号流程 a b s t r a c t t h ev i d e os i g n a ls a f e t yo fac o m p u t e rw a si l l u s t r a t e di nt h i sp a p e ri nt h eb e g i n n i n g t h ei m p o r t a n c eo fr e s t r a i n i n gt h es i g n a ll e a k i n gf r o map d p ( p l a s m ad i s p l a yp a n e ow a s a l s oi l l u s t r a t e d t h ec o n f i g u r a t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fac o m p u t e rv i d e os y s t e m ， t h ec h a r a c t e r so fv g a s i g n a lw e 化a n a l y z e df o ru n d e r s t a n d i n gt h ep r i n c i p l eo fs i g n a l l e a k i n gf r o map d et h e nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fat r i - e l e c t r o d es u r f a c ed i s c h a r g e a c p d pw i t ht h ea d d r e s s i n gm e t h o do fa d s ( a d d r e s sd i s p l a y p e r i o ds e p a r a t i o n ) w a s a n a l y z e d t h ed e t a i ls i g n a lf l o wo ft h i sp d p w a sg i v e nw i t ht h eh e l po fi t sw o r k i n g p r i n c i p l e t h e nt h es i g n a ll e a k i n gf r o mt h ei n n e rv i d e os i g n a lp r o c e s s i n gu n i t so ft h i s p d pw a sa n a l y z e d t h em o d e l i n ga n da n a l y z i n go fs i g n a ll e a k i n gf o r mt h ea n t e r i o r a m p l i f i e r , t h ea dc o n v e r t e ra n dt h el a t c hw a sd o n e t h es i g n a ll e a k i n gf r o mt h ec i r c u i t s p o s t e r i o rt ot h el a t c hw a sa l s oa n a l y z e d c o n c l u s i o n st h a tt h ea n t e r i o ra m p l i f i e rw a sa l e a k i n gc i r c u i ta n dt h ea dc o n v e r t e rw a sap o t e n t i a ll e a k i n gc i r c u i tw e r em a d e t h e t o t a ls i g n a ll e a k i n gf r o mt h i sp d pw a sa n a l y z e d a tl a s t , c o r r e s p o n d i n gm e t h o d sf o r r e s t r a i n i n gt h es i g n a ll e a k i n gf r o mt h ea n t e r i o ra m p l i f i e ra n dt h ea dc o n v e r t e rw e r e b r o u g h tf o r w a r d f o r m a tt r a n s f o r mo fv i d e os i g n a lw a ga l s ob r o u g h tf o r w a r dt or e s t r a i n t h ev i d e os i g n a ll e a k i n g k e y w o r d s ：p d p ( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) ，i n f o r m a t i o ns a f e t y , v g a ( v i d e og r a p ha r r a y ) ， s i g n a ll e a k i n g ， s i g n a lf l o w 西安电子科技大学 学位论文创新。洼声明 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。 本人签名链 日期2 1 2 叠兰丑；口 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。 本人签名日期星竺z 垦翌日 导师签名：。肆局 日期尘生西垒坐塑 第一幸绪论 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 显示器已经大量地为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 温好等性甜1 叫，使它具备向c r t 、l c d 挑战的实力，特别是在一些领域里得到了 广泛应用，如用于大屏幕显示系统和一些恶劣的环到2 】。但是p d p 作为一种信息处 理设备，不可避免地存在信息泄漏的危险性，研究p d p 的信息泄漏已成为一个新 的课题。 1 1 计算机视频信息安全概述 现在电子信息设备已经遍及人们生产和生活的各个角落，给我们带来了巨大 的便利和实惠，但这些设备在完成本职工作的同时，也在通过无意的电磁辐射将 所处理的信息传播出去。利用信息设备工作时所产生的电磁辐射截获有用信息是 一种非常重要的侦察手段。与其他信息侦察方法相比，利用信息设备的电磁泄漏 获得情报要更为及时、准确、广泛、连续，而且安全、可靠、隐蔽p j 。所以，早在 二十世纪五十年代，国外就注意到电子信息设备信息泄漏问题的严重性，以美国 为首的少数几个西方国家相继对此问题展开了一系列的研究。这些研究统称为 t e m p e s t ( 比较常见的翻译为：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 ) 计划或t e m p e s t 项目，直接由国家安全部门及军方组织负责实施。t e m p e s t 是在电磁兼容( e m c ) 领域发展起来的一个全新研究方向，其理论与技术仍以e m c 为主要基础，目标之一也是降低和抑制无意的电磁发射，包括辐射发射和传导发 射。但与电磁兼容技术不同的是t e m p e s t 技术更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( 被截获和复原) ，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。 t e m p e s t 领域的主题之一就是防止计算机系统的电磁信息泄漏。计算机作为 最具代表性的电子信息设备，已广泛应用于机要信息的存储和数据处理，但计算 机在工作时会产生较强的电磁辐射，导致所处理的机要信息的严重泄漏，这就使 得人们对计算机因电磁辐射而引起的信息泄漏给予了极大的关注。 计算机显示系统的视频信息泄漏是计算机信息泄漏的重要组成部分。早在二 十世纪八十年代，w i n v a ne c k 在法国召丌的一次国际计算机安全会议上，当着各国 代表的面，公开了他窃取微机信息的技术。他用价值仅几百美元的器件对普通电 视机进行改造，然后安装在汽车里，这样就从楼下的街道上，接收到了放置在8 2 彩色等离子体显示器的视频信息泄漏研究 层楼上的计算机视频信息的电磁泄漏，并显示出显示器屏幕上显示的图俐4 】。目前， 欧洲已可做到在2 0 0 米距离无线截获没有采取信息防护措施的计算机视频信息的 电磁泄漏并成功复现，美国则可在3 0 0 1 0 0 0 米距离实现无线截获【5 1 。 我国在计算机视频信息电磁泄漏的防护技术方面也进行过不少研究【6 4 扪，但是 同美国和欧洲等西方发达国家相比，起步较晚。另外，由于管理方面存在欠缺， 金费缺乏，信息安全意识薄弱等原斟9 1 ，导致该技术发展速度也比较缓慢，所以总 体而言，处于相对落后的地位，因此我国深入开展计算机视频信息电磁泄漏的防 护技术的研究已经刻不容缓。 1 2 国内外研究状况及本文所做的工作 由于p d p 可作为一种计算机系统的显示器，研究其信息泄漏很自然地成为计 算机视频信息电磁泄漏防护中的一部分。我们知道，p d p 显示器是一种信息处理 设备，其信号处理电路在充放电过程中会产生一定的电磁辐射f 刈，特别是p d p 的 高压驱动电路由于功率高、电流大具有很强的电磁辐射，但是，我们不能排除这 些电磁辐射携带这些电路所处理的信息的可能性，就是说存在信息泄漏的危险性。 信息设备的机要电磁信息泄漏是十分危险的，一旦让敌方截获复现，将给自身造 成很被动局面【似1 3 l 。这使得研究p d p 信息泄漏原理和减小其机要信息被敌方截获 的安全隐患，避免造成重大损失，变得相当重要。 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【铺】i m l 5 】 的，对于p d p 的电磁干扰也有文章进行研究1 1 6 - 2 0 l ，但是对于p d p 的电磁辐射信息 泄漏研究，在国内外还未见公开报道，因此对p d p 显示系统的信息泄漏研究有着重 要的实际意义。 为此，本文专门针对一种v g a 接口的彩色a c - p d p 的信息泄漏原理和抑制方 法展开研究。该a c p d p 的视频信号格式为v g a 6 4 0 4 8 0 * 6 0 ，对应像素频率 2 5 m h z 。本文首先对计算机视频信息安全进行了概述，论述了抑制p d p 信息泄漏 的重要性。然后分析了计算机视频系统组成结构与工作原理，进而分析了这个v g a 接口的三电极表面放电型a c p d p 的结构及其基本工作原理，在此基础上得出了 它的详细的内部信号流程。然后结合这个信号流程，展开了p d p 内部单元视频信 息泄漏的分析，分别对p d p 的前级放大电路、a d 转换器、锁存器进行了信号泄 漏建模和分析，对锁存器后级电路也进行了分析，得出了前级放大电路为信息泄 漏电路、a d 转换器是潜在信息泄漏电路的结论。对p d p 总的视频信息泄漏也进 行了分析。最后，分别对前级放大电路和a d 转换器提出了相应的视频信息泄漏 抑制手段，并提出视频信号格式变换的方法来抑制p d p 的视频信息泄漏。 概括下来，本文做了以下工作： 第一章绪论 3 第一章绪论主要介绍了计算机视频信息安全概况，以及研究p d p 信息泄漏的 重要性： 第二章分析了计算机视频系统的组成结构与工作原理以及v g a 信号的特点； 第三章分析了一个v g a 接口的三电极表面放电型a c p d p 的工作原理并且比 较了它和传统的c r t 、l c d 的异同；在充分了解该p d p 工作原理的基础上，认真 分析得出了这个p d p 的信号流程。 第四章对p d p 各个信息处理单元，包括前级放大电路、a d 转换器、锁存器电 路进行了信息泄漏建模和仿真，对锁存器后级电路也进行了信息泄漏分析；最后， 对p d p 总的信息泄漏进行了分析。 第五章结合前文研究的成果，分别对前级放大电路和a d 转换器提出了相应 的视频信息泄漏抑制手段，并提出通过视频信号格式变换的方法来抑制p d p 的视 频信息泄漏。 第六章对全文进行了总结，并对论文中存在的不足和课题的进一步发展提出 了建议。 4 彩色等离子体显示器的视频信息泄漏研究 第二章计算机视频系统研究 计算机的视频信息存在于计算机视频系统中，所以视频信息的泄漏与计算机 视频系统是息息相关的，由此本章对计算机视频系统的组成结构与工作原理、计 算机视频信号的特征进行了研究。 2 1 计算机视频系统的组成结构与工作原理 计算机视频系统的构成如图2 1 所示。 2 显 不 器 i “l显示控制1 4 _ ji = ： 图2 1 计算机视频系统的构成 整个显示系统可以看成是由主机、视频电缆、显示器三部分组成的。主机包 括硬盘、主板、内存、中央处理器( c p u ) 、显卡等。硬盘中存放原始视频数据，主 板、内存、中央处理器( c p u ) 负责这些数据的初步处理；显卡负责将主机送来的影 像资料处理成显示器可以了解的格式，再送到显示屏上形成影像。 。显卡是视频通路上的核心成员。显卡主要由a g p 接口、显卡芯片、显示内存、 r a md a c ，供电系统及相应的功能转换控制电路组成。显示内存在c p u 和显示器 之间起数据缓冲作用，它里面的数据与显示屏幕上显示的像素点一一对应。控制 电路的主要功能是产生各种控制信号，从而把显示内存中存储的待显示视频信息 转换成视频信号输出。其结构框图如图2 2 所示。 第二章计算机视频系统研究 5 图2 2 显卡的结构框图 从上图可以看出，计算机c p u 产生的待显示视频信息数据一旦离开c p u ，必 须通过以下几个步骤，才会最终到达显示器显示： 1 、c p u 送来的待显示视频信息数据通过a g p 接口送到显卡处理芯片内部进 行处理； 2 、将显卡处理芯片处理完的数据资料送到显存，这部分传输的为并行的数字 信号； 3 、由显存读取出数据资料并送到d a 转换器进行数模转换： 4 、将d a 转换器的转换结果通过d 型视频传输接口及视频电缆送至显示器 进行显示。 2 2v g a 信号的特点 显卡输出的初始r 、g 、8 视频信号是通过主机中显示卡输出口的1 5 针d 型插 座输出的，该d 型插座与显示器信号电缆一端的d 型插头或d 型连接器相连接， 电缆另一端则直接连接在显示器内部的视频预处理与放大电路板上。 显示卡d 型输出接口插座各引脚编号如图2 3 所示： 图2 3 显卡d 型输出接口引脚编号 输出接口各针孔功能见表2 1 。 一显卡结构框图 一 - - 6 彩色等离子体显示器的视频信息 | i 漏研究 表2 1 显夤d 犁输出接口各针孔功能 引脚功能引脚功能 l 红色模拟信号 9v c c 2 绿色模拟信号 1 0 同步同路( 数字地) 3 监色模拟信号 l l 不用 4不_ i j1 2 d d c 数据输出 5地( g n d )1 3水平同步信号 6 红色信号同路( 红地) 1 4 圣直同步信号 7 绿色信号回路( 绿地)1 5d i ) c 时钟输出 8 蓝色信号回路( 蓝地) 现在计算机的显卡多为v g a 显卡等，比之过去的m d a 、c g a 等老显卡，特 点是帧存容量大、同步范围宽、刷新频率高、显示模式多，自然显示的质量也提 高了。表2 2 为v g a 6 4 0 * 4 8 0 信号的一些基本数据： 表2 2v g a 信号基本情况 标准显示方案刷新率行同步( k h z )点频( m h z ) 6 03 1 52 5 1 7 5 7 23 7 73 1 5 0 0 v g a6 4 0 4 8 0 7 53 7 53 1 5 8 54 3 33 6 0 0 0 v g a 视频信号是连续的模拟信号，同步信号是一定频率的脉冲串，其频率与 显卡设定的显示分辨率和屏幕刷新率有关系，同步信号和视频信号间存在严格的 同步关系。同步信号和视频信号对应的波形及其之日j 的同步关系如图2 4 所示： j t l t 2 一 ， 。，。，_ 山1 ，0 0 龃旷砌 tr 弋髫芥。i ：i 图2 4同步信号和视频信号波形描述 从图中我们可以看出，行、场同步信号是负极性的脉冲串，场、行同步信号 的正程为低电平，对应时日j 为t 2 和t 4 ，逆程为高电平，对应时间为t 1 和t 3 。正程对 应电子束的水平和垂直扫描，逆程对应电子束的回扫过程。 第二章计算机视频系统研究 7 每个场脉冲，对应着电子束在显示屏中扫描一场，每个场脉冲的时问段内对 应着数百个行脉冲。行脉冲分为有效的行脉冲和无效的行脉冲，其有效行脉冲的 个数和有效行脉冲与无效行脉冲的位置关系取决于具体的显示模式，有效的行脉 冲对应有视频信号的输出，无效的行脉冲对应着视频信号的消隐点。从视频信号 波形可以看出，它的有效点只在有效行脉冲信号的正程期正常输出，并且只在有 效行脉冲信号正程期的某个时间段出现，时间段为t 5 ，两边的消隐时间段分别为t 6 和t ，具体的时间段取决于显示模式，其余时间都是视频信号的消隐点。 计算机可在不同的显示分辨率和刷新频率下进行工作，不同的显示分辨率和 刷新频率对应的行、场同步信号的频率不同。分辨率越高，刷新频率越高，行、 场同步信号的频率越高。行、场同步脉冲的频率存在整数倍的关系，具体的倍数 跟分辨率有关系。另外，不同的显示分辨率和刷新频率对视频信号的频谱特性影 响是非常大的，它决定了视频信号的点频。显示分辨率提高的话，屏幕中显示的 象素点就多，在相同的刷新率下，相邻两个象素点的扫描时间就减少，视频信号 的点频就提高了；同样的情况，刷新率提高的话，屏幕中扫描一帧图像时间就减 少，相应的象素点之间的扫描时问减少，视频信号的点频就提高了。 我们所研究的p d p 的显示模式为v g a 6 4 0 * 4 8 0 * 6 0 ，由表2 2 可知，像素频率 约为2 5 m h z 。对应的场同步信号周期为t l + t 2 为1 6 7 m s ，其中正程t 2 为1 5 3 m s ， 逆程t l 为1 4 m s ；对应的行同步信号周期为t 3 + t 4 为3 1 8 u s 其中j 下程t 4 为2 5 6 u s ， 逆程t 3 为6 2 u s 。用示波器实测在显示器显示黑白点阵的情况下，三路视频信号输 出的电压幅值在0 8 v 左右。 2 3 本章小结 为了研究p d p 的视频信息泄漏，有必要对视频信息的源头进行研究，所以本 章首先分析了计算机视频系统的组成结构与工作原理。接着，本章分析了v g a 信 号的特点，为第三章分析p d p 的信号流程打下了一定基础。 8 彩色等离子体显示器的视频信息泄漏研究 第三章p d p 的基本工作原理及内部信号流程分析 3 1 1p d p 的起源 3 ip d p 的起源与优点 单色p d p 是由美国i l l i n o i s 大学的b i t z e r 和s l o t t o w 于1 9 “年发明的，它利用 显示单元中的气体放电产生的紫外线激发荧光粉发光来显示信息。彩色a c - p d p 的研究始于2 0 世纪7 0 年代中期，直到9 0 年代人们才逐渐意识到它实际上就是长 期以来所追求的家用壁挂式大屏幕平面彩色电视的最佳选择1 1 j 于是世界上各大公 司和研究单位在技术开发上的投资骡增。近年来，由于p d p 显示屏的制造工艺和 大规模集成电路技术的飞速发展，大屏幕彩色p d p 显示器早已经由实验室走向人 们日常生活，并且在军事领域也占有非常重要的地位。 等离子显示器发展的时间不长，但技术上却突飞猛进，其主要的发展里程碑 列举如表3 1 所示： 表3 1等离子发展历史上重要事件 1 9 6 7 美国伊利诺丌发出对向放电型a c p d p ，飞利浦丌发了d c p d p 1 9 7 6gw d i c k 和m r b i a z z o 提出单一基板面放电结构 1 9 8 4 f 1 本的横沉坂井和獭贺提出反射型结构，荧光粉涂布于后基板 1 9 8 4 g w d i c k 、内池等分别提出了三电极表面放电反射型a c p d p 1 9 9 0 富士通提出寻址与显示分离( a d s ，a d d r e s sd i s p l a y p e r i o d s e p a r a t i o n ) 驱动方法 1 9 9 2 富士通提出条状障壁结构，开发出2 1 英寸v g a 全彩色a c p d p 9 0 年代后期 日本电气通信大学的研究小组提出了边寻址边显示( a w d ， a d d r e s sw i t hd i s p l a y ) - 驱动方法，日本富士通公司提出t 交替表面 发光( a l i s ，a l t e r n a t el j g h t i n g o f s u r f a c e s ) 驱动方法，新的驱动方 法层出不穷 我国在等离子体显示技术的研究方面和日本等先进国家相比起步较晚，但是 第三章p d p 的基本工作原理及内部信号流程分析 9 经过努力在p d p 新结构和驱动方法以及部分工艺设备上获得了部分关键技术的知 识产权，而且多条p d p 生产线也已开始生产。 3 1 2p d p 的优点 1 显示视角：由于彩色p d p 放电单元结构上的特点，观察显示器时，在水平 方向上与垂直方向上呈8 0 0 的夹角范围内，p d p 的亮度无明显变化。 2 亮度：采用主动发光，亮度可以达到2 5 0 , , , 4 0 0 础m 2 。 3 响应时间：是以气体放电为其基本物理过程，其“开”、“关”速度极快，在 微秒量级，因而扫描的线数和像素数几乎不受限制，特别适合大屏幕高分辨率显 示。 4 环境要求：结构整体性能好，抗震能力强，可在很宽的温度和湿度范围内及 有强电磁干扰、冲击等恶劣环境条件下工作。 5 尺寸大：易于实现大屏幕显示。 6 可实现全色彩：p d p 利用稀有混合气体放电产生的紫外线激励红、绿、蓝三 基色荧光粉发光，并采用脉冲数调制灰度技术，可以达到2 5 6 级灰度和1 6 7 7 万种 颜色，能获得良好的颜色再现。 正是由于这些优点，使得p d p 在民用和军用领域获得了一定应用。 3 2 1p d p 的分类 3 2 三电极表面放电型a c p d p 的工作原理 按工作方式的不同，p d p 可以分为直流( d c ) 型和交流( a c ) 型两种。其中 a c p d p 按放电室结构和放电类型的不同，分为单基板型和双基板型。双基板型 a c p d p 的维持电极在上下两个基板上呈正交分布，放电发生在两个基板之问；单 基板型a c p d p 的维持电极位于同一基板上，放电发生在基板的表面，而荧光粉 则在另一基板的表面。 d c p d p 由于电极直接暴露于放电空问，气体放电产生的正离子轰击阴极，使 阴极物质飞溅，短时间就可污染荧光粉，存在使显示的亮度下降、器件的寿命缩 短等问题。a c p d p 克服了d c p d p 这种缺陷，已经成为当今p d p 领域研究和生 产的主流。 1 0 彩色等离子体显示器的视频信息泄漏研究 3 2 2 三电极表面放电型a c - p d p 的工作原理 三电极表面放电型彩色a c p d p 采用脉冲数调制灰度技术实现多级灰度，基 于这种方法，采用寻址与显示分离予场驱动方法a d s ( a d d r e s sd i s p l a y p e r i o d s e p a r a t i o n ) ，每个子场分为三个阶段：准备期、寻址期与维持显示期。准备期使全 屏所有的显示单元保持一致，为寻址做好准备；寻址期选择所要点亮的单元或不 点亮的单元，即选择在要点亮的单元中形成或保留壁电荷到维持期，使得维持放 电得以进行。在维持显示期，积累了壁电荷的单元就会发生维持放电，实现图像 的显示。 3 2 2 1 显示瞬的发光碾理 p d p 是根据气体放电的基本原理研制的，主要是利用稀有气体中的冷阴极辉 光放电。通过气体放电发射出的真空紫外光激发荧光粉，使荧光粉发光来实现彩 色显示。在彩色p d p 中，为降低工作电压，一般所充的气体为h e + x e ，n e + x e ， h e 4 , x e + n e 或n e + x e + a r 等混合气体作为放电气体，利用x e 原子1 s 4 能级的1 4 7 n m 紫外辐射激发荧光粉发光。 三电极表面放电型彩色a c p d p 的放电单元结构如图3 1 所示，两块玻璃基板 相互平行，在前基板上有相互平行的x 和y 两种维持显示电极，维持显示电极由 透明电极和金属电极组成，透明电极使单元发出的光得以透过，而金属电极则增 加电极的导电性，减少电极上的电压降，电极被介质层所覆盖。 图3 1 三电极表面放电型彩色a c - p d p 的放电单元结构 在后基板上，和维持显示电极相正交的方向做有障壁和寻址电极a ，寻址电 极在障壁之间，它的上面涂有荧光粉，相邻的三根寻址电极之上分别为红、绿、 蓝三种颜色的荧光粉。障壁的作用是将相邻的不同颜色显示单元分开。 显示屏电极的排列如图3 2 所示。 第二章p d p 的基本t 作原理及内部信号流稃分析 1 1 a 1a 3a 5a 7a + 1 _ _ - 夕 图3 2 显示屏电极的排列 由图3 ，2 可以看到，一个显示行由一根x 电极和一根y 电极构成。所有的x 维持电极连在一起通过一个公共端引出；而各y 电极是独立引出的，完成维持放 电和对显示行的扫描作用；寻址电极a 和它们正交排列，而且各电极分开独立引 出。图中的黑块表示一个显示像素，它由r 、g 、b 三个子像素构成。 一般三电极表面放电型彩色a o p d p ，维持显示放电在x 电极和y 电极之间 进行，寻址放电发生在a 电极和y 电极之间。 当两个维持显示电极施加的电压大于它们之间的气体的着火电压( 约为1 7 0 v ) 时在单元内发生气体放电，放电产生的带电粒子积累在电极上的介质表面上，其 中j 下离子积累在电压为负的电极上的介质层表面，电子积累在电压为正的电极上 的介质层表面，即形成壁电荷。电荷形成的壁电压同外加电压的方向相反，使得 加在单元上的净电压减小，从而使放电在很短的时问内停止。然后，当给单元施 加小于着火电压，且同上次施加的电压反向的外加电压( 维持电压) 时，该外加电压 和上次单元内放电形成的壁电荷的壁电压叠加，使单元内的电压又超过着火电压， 单元又会发生放电，激励荧光粉发光，然后再重复上述过程，就可以使单元不断 地放电发光。因此，单元一旦着火放电形成一定的壁电荷，就可以通过施加小于 单元着火电压、极性交替变化的维持电压来维持单元的放电。 3 2 2 2 咏冲数调每4 灰麦技本与寻址s 显示分离f 场驱动方法 根据人眼的视觉特性，当一定强度的光突然作用于视网膜时，不能在瞬间形 成稳定的主观亮度感觉，而有一个短暂的过渡过程。随着时间的增长，主观亮度 感觉由小到大，达到最大值后又降低到诈常值，如图3 3 所示。 彩色等离子体显示器的视频信息i l l 漏研究 实际亮度 主观亮度 时间 时间 图3 3 主观亮度与单个光脉冲的关系 人眼对一定强度光的亮度感觉不仅取决于光的强度，而且还与该光的作用时 间有关系。对于窄的光脉冲作用于人眼时，主观亮度感觉与光脉冲的关系如图3 4 所示。 实际亮度 实际亮度+实际亮度+ 一六一。 。：刁： 图3 4 人眼的亮度感觉与发光脉冲个数的关系 由图3 4 可以看出，当光脉冲消失后，亮度感觉并不是立即消失，而是按指数 形式减小。人眼的上述特性称为人眼的视觉惰性。 当人眼的受到重复频率高于临界c j 烁频率以上的光脉冲的刺激时，人眼不再 感觉到闪烁，此时主观亮度感觉等于光脉冲的平均亮度值【1 1 。即： s 一知l ( t ) d t ( 3 - ) 式中，l ( f ) 为光脉冲亮度的时间函数，r 为重复周期。这样，只要光脉冲的频 率足够高，在一定时间段内可以用光脉冲个数来区分亮度的层次。 对于a c p d p 来讲，在维持显示期，每个单元的状态，只有点亮或不点亮两 种，每次放电在瞬j 日j 完成，而且放电单元有记忆功能，不能用调制脉冲宽度或控 制放电强度的方法去改变显示的亮度，即实现多灰度级显示。考虑到每次维持放 电的强度相同，放电引起发光就是一个发光脉冲，所以在p d p 中也可以利用调节 维持脉冲个数的方法来实现多灰度级显示，这也是寻址与显示分离的子场驱动方 法的基础。 大多数p d p 厂家都采用了日本富士通公司开发出的寻址与显示分离子场驱动 方法。根据这种方法，在彩色a c - p d p 中，一般将一种颜色的信号量化为n 位数 据，按位进行显示，每位的显示期的维持放电时间长度，即发光脉冲个数和该位 第二章p d p 的基本工作原理及内部信号流样分析 1 3 的权重相关联，权重越大，该显示期的发光脉冲个数越多。一位的显示期间称为 一个子场。以显示数据量化为8 位为例，将一场时间分为8 个子场，每个子场包 括准备期、寻址期和维持显示期。各子场的准备期、寻址期时间相同。对于本文 所研究的p d p ，每个子场的准备期为0 2 4 5 m s ；寻址期时间要扫描4 8 0 行，扫描频 o n 率为行频3 7 5 k h z ，所以寻址期时间为：；兰一o 0 0 1 2 8 s - 1 2 8 m s ；一个子场的剩余 j ，d e 3 1 11 时间为维持期，为f 兰一0 2 4 5 1 2 8 ) 一0 5 6 m s ，1 6 7 m s 为一场时间，它的妄为一 8 5 个子场的时间。8 个子场主要的区别在于其维持期的时间( 即维持脉冲个数) 不同， 例如1 8 子场分别对应显示从图像数据的最低位至最高位，则8 个子场的维持期 的时间成1 ：2 ：4 ：8 ：1 6 ：3 2 ：6 4 ：1 2 8 的关系，这样通过不同子场的点亮的组合就可以实 现2 5 6 级的灰度显示。例如一个数据为0 0 0 0 0 0 0 0 ，则所有子场都不点亮，显示为最 暗的0 级灰度：当数据为0 0 0 0 1 0 1 0 时，只有第二和第四子场点亮，对应灰度级为 1 0 的亮度。数据为1 1 1 1 1 1 1 1 时，所有子场都点亮，显示图像最亮，对应灰度级为 2 5 5 的亮度。 3 i22 3 交流彩色a c - p d p 电路系统的整体结构 彩色a c p d p 主要实现对图像的显示，其中显示屏是显示发光部件，由电路 系统进行驱动才可以正常工作。根据a d s 驱动方法，首先应当对外界输入的图像 信号进行数字化，然后将数字化的图像数据分子场进行显示。 根据交流彩色a c p d p 的工作原理和特点。我们将电路系统分为四个主要部 分：接口电路、存储与控制电路、高压驱动电路和丌关电源，其电路框如图3 5 所 示： r 一一_ 显示数据帧存 硅示 寻址电极驱动端 数据 处理电路储器数据一 上上 y v g a ff扫描时， 电信号输出 序控制。 檄 a c p d p 处理放大 缓冲名种同步信b 帧存控制电路 电路电路 t鸯 驱显示屏 时序信号产生电路 动 陵口电路 上 驱动时； 器 tf 序控制 t 驱动柠制电路 寻址电极驱动器 信弓一 存储与控制电路 高压驱动电路 开关电源一一f f l c2 2 0 图3 5p d p 的电路框图 x 电 极 驱 动 器 1 4 彩色等离子体显示器的视频信息泄漏研究 接口电路将计算机输出的v g a 信号进行解码和数字化，并统一处理成适合等 离子体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，消隐和数据时钟等信号。另外由于外界输入 的图像信息为c r t 显示器设计，预先进行了y 校正，而p d p 具有线性输入特性， 所以为确保彩色p d p 正确的显示图像，在接e l 部分还应对显示数据进行相应的反y 校正。 存储与控制电路的全部输入信号来自接口电路。其主要的功能是将接口电路 送来的数字化图像数据流( r 一玛，岛一马，g 0 一g 7 ) 按照显示屏的结构和子场显示 原理的要求进行转换、存储和读出等处理，使其便于驱动电路用来驱动显示屏正 常实现图像显示。该部分全部是数字信号处理电路。 时序信号产生电路根据接口送入的同步信号产生存储与控制电路内部所需的 基本时序控制信号，以使各部分电路按正确的时序协调工作。 显示数据处理电路对输入的数字图像数据进行必要的预处理和按子场显示的 原理进行按位分离，写入到帧存储器中；对由帧存储器中读出的数据进行处理并 按一定的顺序发送给寻址电极驱动器。帧存储器控制电路控制产生读写帧存储器 的控制信号。为了便于数据的处理，在设计中采用了两组帧存储器，其主要功能 是对处理过的图像数据进行暂存，使其有充足的时间转换为便于发送给寻址电极 驱动器所需要的顺序和格式。帧存储器在一组写入时，另一组读出送往显示屏显 示，两组交替工作。 等离子体显示屏的放电单元中充有氦氖等的混合惰性气体，压强约为7 0 0 帕 斯卡，其放电着火电压约为1 7 0 v 。显然，t r l 电平不可能使显示屏的充气单元放 电，因此需要用存储控制电路输出的低电压信号来触发高压驱动电路。高压驱动 电路与p d p 显示屏直接相连，主要是产生各个驱动电路模块所需的逻辑控制波形， 产生准备期、寻址期、和维持期所需的各种高压脉冲序列波形，实现图像的正常 显示。驱动电路包括： 1 寻址电极驱动器，实现显示数掘的驱动，即用一行的显示数据驱动寻址电极， 实现对一行显示单元的寻址操作； 2 x 电极驱动脉冲产生电路，完成对维持放电的驱动和准备期及寻址期x 电 极的操作； 3 y 电极扫描驱动器，实现顺序扫描各显示行，完成和寻址电极驱动器的配合， 在寻址期对各行进行寻址操作，即进行单元的选择放电，积累或保留单元中的壁 电荷； 4 y 电极驱动脉冲产生电路，和y 电极扫描驱动器相连，提供y 电极扫描驱 动器在寻址期所需的电压，并通过后者提供y 电极在准备期和维持期所需的电压 脉冲，完成维持放电操作。 第二章p d p 的基本工作原理及内部信号流程分析 由于要完成将显示数据转换成高压脉冲输出到寻址电极，和对各显示行的扫 描，所以a 电极驱动器和y 电极扫描驱动器都必须选用相应的高压集成驱动电路。 本文研究的p d p 采用的高压驱动芯片为u p d l 6 3 3 7 。 电源部分；p d f 正常工作需要有多种幅值的电压，如逻辑部分的+ 5 v 高压 + 1 7 0 v , + 6 5 v - 1 7 0 v 等电压。电源部分主要包括开关电源和d c d c 变换电路，用以 产生以上所需的各种电压。 整个电路的工作过程是，电源电路部分为整个驱动电路、接口、存储与控制 电路等各部分提供所需的电压：接口电路将外界输入的标准v g a 视频信号进行数 字化处理，按一定的格式送往后级的存储与控制电路，同时送出豹还有行同步、 场同步和数据时钟和消隐等控制信号；存储与控制电路对前级送来的图像数据按 显示屏的电极结构及按照子场显示的要求，对图像数据进行分流和按位( 子场) 分 离，存入帧存储器，显示时，按扫描寻址的要求将数据从帧存储器中读出并送往 寻址电极驱动器进行寻址；驱动电路部分根据驱动方法的要求，由驱动控制电路 产生的逻辑控制波形控制，产生驱动所需的高压脉冲序列波形，最终完成扫描寻 址和维持显示图像。 3 2 2 ，4p d p 秘c i t t l c i ) ，的比较 c r t ( c a t h o d e r a yt u b e ) 显示器结构框图如图3 6 所示： r 、g 、b 模 f f 视 频信弓 场同步信 行同步信 图3 6 a 玎显示器结构框图 c r t 接收由显卡输出的行、场同步脉冲信号，在各种控制电路作用下，生成 扫描电路，对电子枪的运动轨迹进行控制，使电子束可以轰击在正确的屏幕对应 点上。电子束的屯流值代表着图像信息。扫描电路采取光栅扫描的方式，图3 。7 和 图3 8 分别给出了典型的水平及垂直扫描图及其对应的屏幕显示图。 1 6 彩色等离子体显示器的视频信息泄淄研究 左 一 一 ，：叫垂直扫描 一l r 、 w- ：。 一一： 。一一一二 ：。一一一。一： “_ 一 一一一- 一” 一 一* 。： 。”一 ，一一一一二 一一“： 一一一” 一二j一 图3 7 同步扫描图3 8 屏幕显示 水平和垂直同步信号控制电子束在c r t 屏幕上从左到右，从上到下地做有规 律地运动。电子束从左上角开始移动，当到达一行的终点时，便以极高的速度回 扫到下一行的起始点，当电子束扫描到屏幕的右下角时，一场( 或一帧) 画面扫 描完毕，然后电子束又以极高的速度回扫到左上角，连续不断地重复上述扫描过 程。 l c d 显示器结构框图如下图3 9 所示： l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 液晶监视器使用了液晶的物理特性：通电时导通， 排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶 如闸门般地阻隔或让光线穿透。 液晶板主要的构成包括了：荧光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、 配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等，如图3 1 0 所示。 第二章p d p 的基本1 = 作原理及内部信号流程分析 1 7 图3 1 0 液晶板基本结构示意图 首先液晶显示器必须先利用背光源，也就是荧光灯管投射出光源，这些光源 会先经过一个偏光板然后再经过液晶，这时液晶分子的排列方式进而改变穿透液 晶的光线角度。然后这些光线接下来还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏 光板。因此我们只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色 彩，并进而能在液晶面板上显示出有不同深浅的颜色组合了。 表3 2 给出了p d p 和c r t 、l c d 的一些重要性能的比较： 表3 2p d p 和c r t 、l c d 的一些重要性能的比较 显示器类型 c r t l c dp d p 重要性能比疲 扫描方式逐点扫描逐行扫描迩行扫描 驱动电压 几百伏几伏 约1 7 0 伏 驱动器输出信号模拟信号模拟信号数字信号 格式 内部主要信号格模拟串行信号数字并行信号数字并行信号 式 视频信号是否经是是是 过前级放大 一 典型功耗 1 0 0 - 2 0 0 w3 0 8 0 w2 0 0 一5 0 0 w 抗震性能差差好 视角宽 窄 宽 产生e m i 大 小大 抗电磁辐射能力差一般好 1 8 彩色等离子体显示器的视频信息泄漏研究 3 3p d p 内部信号流程分析 信息泄漏的方式和信息本身的特点有着很大的相关性，如一般情况下，串行 信号比并行信号更容易产生泄漏【2 7 侧。为了分析p d p 的视频信息泄漏，本文对它 的信号流程进行了追踪，经过细致分析后，得出本文所研究的p d p 的总的信号流 程如图3 1 1 所示。 i 数据的读出与送出显不 l 一- - 一一- 图3 1 1v g a 接口的等离子体显示器的总信号流程 1 前级放大与a d 转换部分的信号流程 视频电缆上的v g a 格式的r 、g 、b 信号首先进入p d p 的接口电路，接口电 路将这些r 、g 、b 信号进行反y 校正，然后放大，使得它们的电平的最大值略小 于a i d 转换器的最大允许采样电平。a i d 转换器将输入的三路模拟r 、g 、b 信号 转换成2 4 位数字信号，每一路模拟信号被转化为8 位数字信号。a d 转换器处理 r 、g 、b 模拟输入信号的频率同像素频率相同，都是2 5 m h z 。为了使数据能稳定 建立，在a d 转换器后面接了9 6 位一个锁存器，a d 转换器输出的2 4 位采样信 号每4 组写满这个9 6 位的锁存