（通信与信息系统专业论文）计算机视频信息保护仪的设计与实现.pdf

哈尔滨t 程大学硕士学付论文 摘要 计算机工作时会产生不同程度的电磁泄漏，泄漏信息能够通过一定手段 接收和复现，对国家和军队敏感信息的保密工作造成极大威胁。国家保密工 作部门要求党政机关和保密要害部门用于处理国家秘密的计算机必须采取防 止电磁辐射的保密技术措施，配置专用的计算机视频信息保密器( 计算机信号 相关干扰器1 。本文正是基于这一目的而展开，主要工作摘要如下： i 、计算机视频信息泄露分析及接收复现机理研究。主要对计算机显示设 备信号、视频信号时、频域特征进行分析，并研究视频辐射信息截获与复现 机理。 2 、计算机视频信息保护仪的设计是本课题研究的重点，其主要包括工作 原理，主要构成，视频信号输入接口电路，信号运算处理硬件平台及总体结 构，相关干扰信号合成机理，高频区域相关干扰与放大发射单元电路，电源 电路等七个方面的内容。 3 ，在计算机视频信息保护仪的设计基础上，进一步进行了笔记本型保护 仪的设计及提出集中型多机保护仪的设计思想。 本文的核心数字信号处理单元部分选用a l t e r a 公司的f l e x l 0 k 系列 f p g a 芯片作为相关运算处理芯片，并通过a l t e m 公司的m a x + p l u si i 开发 软件进行仿真设计。 关键词：计算机；视频信息：电磁泄漏；保护 哈尔滨t 稃大学硕士学付论文 a b s t r a c t w h i l et h ec o m p u t e rw o r k i n g , t h ee l e c t r o m a g n e t i cl e a kw o u l dh a p p e ni ns o m e e x t e n t t h el e a k e di n f o r m a t i o nc a l lb er e c e i v e da n dr e c o v e r e db ys o m ew a y , w h i c h w i l ld og r e a th a r mt ot h en a t i o na n dt h ea r m e df o r c e s t h en a t i o n a ls e c u r i t y s e c t i o na n dm i l i t a r ys e c t i o nr e q u i r et h a tt h ec o m p u t e r su s e df o rp r o c e s s i n gt h e n a t i o n a ls e c r e t si nt h ep a r t ya n dg o v e r n m e n td e p a r t m e n t sa n dt h ec l a s s i f i e d d e p a r t m e n t sm u s tb et a k e nm e a s u r e st os oa st op r e v e n tt h ee l e c t r o m a g n e t i cl e a k h a p p e n i n g o n eo ft h em a i nm e a s u r e sw i l lb ee q u i pt h ec o m p u t e r sw i t ht h e d e d i c a t e dc o m p u t e rv i d e oi n f o r m a t i o ns e c u r i t yd e v i c e ( t h ec o m p u t e rs i g n a l c o r r e l a t i o nj a m m e r ) t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h ei n t e n f i o n , w h o , m a i nd i g e s ti s a sf o l l o w s ： 1 t h ea n a l y s i so f t h em e c h a n i s mo f t h ec o m p u t e rv i d e oi n f o r m a t i o nl e a ka n d t h er e s e a r c ho nt h em e c h a n i s mo fi t sr e c o v e r y , m a i n l yi n c l u d i n gt h ea n a l y s i so f t h es i 舒l a lo ft h ec o m p u t e rd i s p l a yd e v i c e , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et i m ea n d f r e q u e n c yd o m a i no ft h ev i d e os i g n a l ，a n dt h er e s e a r c ho nt h em e c h a n i s mo ft h e i n t e r c e p t i o na n dr e c o v e r yo f t h ev i d e or a d i a t i o ni n f o r m a t i o n 2 t h ek e y s t o n eo ft h i s p r o j e c t i st h ed e s i g no ft h ec o m p u t e rv i d e o i n f o r m a t i o ns e c u r i t yd e v i c e ( c v i s d ) ，w h i c hi n c l u d e s7a s p e c t sa sf o l l o w s ：t h e o p e r a t i o n a lt h e o r y , t h em a i ns t r u c t u r e ，t h ei n t e r f a c ec i r c u i to ft h ev i d e os i g n a l i n p u t , t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h es i g n a lo p e r a t i o np r o c e s s i n ga n dt h et o t a l s t r u c t u r e ，t h es y n t h e s i z i n gm e c h a n i s mo ft h ec o r r e l a t i o nj a m m i n gs i g n a l ，t h e r a d i a t i o nu n i tc i r c m to ft h ec o r r e l a t i o nj a m m i n ga n dm a g n i f i c a t i o ni nt h eh i 曲 f r e q u e n c ya r e a , e t e 3 o nt h eb a s eo ft h ed e s i g no ft h ec o m p u t e rv i d e oi n f o r m a t i o ns e c u r i t y d e v i c e ( c v i s d ) ，w ef u r t h e ri n v e s t i g a t e dt h en o t e b o o k - s t y l ec v i s d ，a n db r i n g f o r w a r dt h ed e s i g nt h o u g h to f t h ei n t e g r a t e dm u l t i c o m p u t e rc v i s d ， t h ec o r ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gu n i to ft h i sa r t i c l ei j s e sa st h ea r i t h m e t i c p r o c e s s i n gc h i pt h ef p g a c h i po f t h es e r i e sf l e x l o k o f t h ec o m p a n ya l t e r a h a n dm a k e st h ei m i m t i o nd e s i g nb yt h ed e v e l o p m e n ts o f t w a r eo ft h em a x + p l u so f 哈尔滨t 程大学硕七学付论文 a l t e r a k e yw o r d s ：c o m p u t e r ；v i d e oi n f o r m a t i o n ；e l e c t r o m a g n e t i cl e a k ；p r o t e c t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：立垒皇兰兰 日期：加7 年月，日 哈尔滨t 干罕大学硕十学侍论文 1 1 引言 第1 章绪论 在现代战争中，信息优势成为传统的陆、海、空优势以外新的争夺领域， 构成信息化战争的新形态。作为应用最为广泛的信息处理与传输的电子设备， 同时作为信息技术设备的核心，计算机已经成为研究和实施信息攻击和防御 的焦点。计算机设备在工作时会产生不同程度的电磁泄漏。如主机中各种数 字电路的电磁泄漏、显示器视频信号的电磁泄漏、键盘按键开关引起的电磁 泄漏等。通过一定的接收技术及专门设备，计算机泄漏的电磁信号能够被接 收到并能复现计算机中处理的信息，造成信息泄漏。 国外早在2 0 世纪5 0 年代已注意到并开展了电子设备的电磁泄漏问题研 究，美国每年花费几十亿美元用于t e m p e s t 信息防护。但是，多年来各发达 国家均把与电子设备泄漏辐射有关的检测与防护视为机密，核心内容和关键 技术很少对外公开。因此，国外电磁信息复现能力我们无从知晓，但根据零 星资料透露的情况，其复现设备已达到相当实用的水平。国内在这方面的研 究较少，处于刚起步阶段。自荷兰人w v o ne c k 首次披露了利用改装电视机 接收计算机显示器的电磁发射进行视频信息侦收的技术细节以来，各国关于 总线电缆、显示器及其他计算机系统部件电磁辐射的研究工作也相继全面展 开。利用计算机视频设备的电磁泄漏获取涉密信息，是国内外情报机关常用 的技侦手段之一，并且已达到很高水平，这对国家重要敏感信息的保密工作 造成极大威胁。 为了加强涉密计算机安全管理，提高信息安全防护整体水平，则提出了 研制计算机视频信息保护设备的任务。该设备可有效保护计算机电磁辐射造 成的信息泄密，通过强相关优化，降低了干扰信号发射强度，在较低功率下 就可有效的覆盖干扰低、中、高频区域，对周围的环境、人员电磁辐射低； 并且小巧美观、使用方便、性能稳定，适合目前各种型号的计算机使用。在 哈尔滨1 ：稃大学硕十宁仿论文 此基础上，进一步进行了小型化集成设计，研制成功笔记本视频信息保护仪； 并采用多台计算机集中组成局域网的构建方式，提出了多机相关的视频保护 仪设计思想，进行了分析，该方法可以实现“一仪多机”的保护功能，可有 效降低电磁辐射及设备成本，更加环保实用。 1 2 计算机电磁信息泄露防护技术 计算机及其外部设备在工作时，伴随着信息的转入、传输、存储、处理、 输出过程，有用信息会通过寄生信号向外泄露。研究表明，普通计算机的显 示终端辐射带信息的电磁波，造成信息泄漏【l 】。为了尽量减少计算机视频信息 电磁泄漏的危险，处理涉密信息时必须采取安全防护措施。目前的防电磁信 息泄漏技术措施主要有三种，即电磁屏蔽技术、t e m p e s t 技术和信号干扰 技术。 1 2 1 电磁屏蔽技术 电磁屏蔽技术基于“法拉第笼”原理，即闭合导电球面体内电位差为零、 电波的趋肤效应、反射衰减等来抑制和阻挡电磁波在空中传播，一般采用屏 蔽室( 柜) 形式。它具有两种基本功能：是阻止外部电磁干扰进入屏蔽室； 二是使屏蔽室内的电磁能量不外泄。 屏蔽技术是防止计算机信息泄漏的重要手段，使用不同结构和材料制造 的屏蔽室，一般可以使电磁波衰减6 0 1 4 0 d b 。影响屏蔽室性能的因素主要 有以下几个方面： a 屏蔽材料，导电率高的材料有助于提高屏蔽室的屏蔽效能； b 拼接，焊接工艺，焊接的效果一般要好于其他拼接方式； c 通风窗和屏蔽门，是屏蔽室的关键组件，直接影响了屏蔽室的整体性 能； d 电源滤波器，决定了整室电源外接传导辐射的抑制水平。 屏蔽室防泄漏效果较好，但是其造价高，受安装场地等条件的限制，阻 碍了屏蔽技术的普遍应用。一般二、三十平方米场地的屏蔽室的造价即需几 2 哈尔滨i 程人学硕七学付论文 十至上百万元，因此屏蔽技术较为适用于重要的大型计算机设备或多台小型 计算机中放置的场合，如国防军事计算中心、大型的军事指挥所、情报机构 的计算中心等 2 1 。 1 2 2t e m p e s t 技术 t e m p e s t ，即“瞬时电磁脉冲发射标准”( t r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i cp u l s e e m a n a t i o ns t a n d a r d ) 或者“瞬时电磁脉冲发射监测技术”( t r a n s i e n t e 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 u r v e i l l a n c et e c h n o l o g y ) 的英文缩写”。它研 究计算机系统和其它电子设备的信息泄露及其检测和保护，其目的是为了减 少计算机及其它电子设备中的信息泄露。t e m p e s t 技术即低辐射技术，是 指在设计和生产计算机设备时，就对可能产生电磁辐射的元器件、集成电路、 连接线、显示器等采取防辐射措施，从而达到减少计算机信息辐射泄漏的最 终目的。目前采用的t e m p e s t 技术有： a 屏蔽：屏蔽是t e m p e s t 技术中采取的基本措施。电子设备的每个零 件、功能模块都是屏蔽的内容。例如，使用屏蔽室( 柜) 对整个电子设备进 行屏蔽，使用隔离仓、屏蔽印制线路板对设备中容易产生辐射的元器件进行 屏蔽。 b 红、黑设备隔离：红设备指处理保密信息与数据的设备，黑设备指处 理非保密信息和数据的设备。红黑单元之间绝对不允许进行数据传输。通常 在二者间建立红黑界面，避免两单元的直接连接，仅仅实现黑到红设备之间 的单向信息传输。 c 布线与元器件选择：采用多层布线和表面安装技术，尽量减少线路板 上走线和元器件引线的长度。尽量选用低速和低功耗逻辑器件，以减少高次 谐波。 d 滤波：减弱高次谐波，减少传输线问的辐射和红黑信号的耦合。 e ，i o 接口和连接：除使用滤波器外，还要使用屏蔽电缆，尽量减少电缆 的阻抗和失配；使用屏蔽型连接器，减少设备之间的干扰。 f t e m p e s t 测试技术：检验电子设备是否符合t e m p e s t 标准，其测试 内容并不限于电磁发射的强度，还包括对发射信号内容的分析、鉴别。 生产和使用低辐射计算机设备是防止计算机电磁辐射泄密的有效手段之 哈尔滨1 + 秤人学硕十学付论文 一。国外已经能够生产出系列化的t e m p e s t 产品，如t e m p e s t 个人计算机、 工作站、连接器、打印机、绘图仪、通信终端、视频显示器等。但是一台t e m p e s t 设备的价格往往是同样性能设备的4 5 倍n ，。 1 2 3 信息干扰技术 信息干扰技术又称为伪信息泄露防护技术，是指把干扰器发射出来的电 磁波和计算机辐射出来的电磁波混合在一起，以掩盖原泄露信息的内容和特 征等，使侦收方即使截获这一混合信号也无法提取其中的信息。 信号干扰方式大致可以分为两种：白噪声干扰和相关干扰。白噪声干扰 采用白噪声作为干扰源，对计算机辐射信号进行覆盖。此类干扰器的优点是 结构简单、成本低，可以对放置在一起的多台计算机同时起到干扰作用。但 存在以下不足： a 干扰器的干扰信号和计算机的辐射信号之间没有相关联系。窃取者在 接收这种白噪声干扰的混合信号后，仍然可以将噪声信号去除掉，从中提取 出视频信息； b 白噪声干扰器的辐射功率一般比较高，会造成电磁环境污染。 由于这些原因，白噪声干扰设备目前已被相关干扰设备所取代。计算机 视频辐射相关干扰技术模仿计算机的显示规律，生成的干扰信号和计算机视 频辐射信号具有相同的频谱特性，使辐射信号和干扰信号在空间混合后形成 一种复合信号，因而破坏了原辐射的信号形态，使窃收者无法还原其信息。 相关干扰器的特点决定了相关干扰器和要保护的计算机必须是一对一的 配置关系。也就是说，一台相关干扰器对一台计算机的视频辐射起到相关保 护作用，而对于周围其他计算机则相当于不相关干扰。相关干扰采用的不是 高覆盖式原理，其干扰信号的场强值可以做的非常接近或略高于计算机辐射 的最大场强值，因而相关干扰器一般不会影响其它电子设备的正常工作”，。 1 3 本论文研究的主要内容 本文拟在分析计算机视频信息泄露分析及接收复现机理的基础上，利用 4 哈尔滨1 稗大学硕f ：学何论文 相干于扰原理，重点进行了视频信息保护仪的设计与实现。主要研究内容如 下： l 、计算机视频信息泄露分析及接收复现机理研究。主要对计算机显示设 备信号、视频信号时、频域特征进行分析，并研究视频辐射信息截获与复现 机理。 2 、计算机视频信息保护仪的设计是本文研究的重点，其主要包括七个方 面的内容： 1 ) 计算机视频信息保护仪工作原理 2 ) 计算机视频信息保护仪总体构成 3 ) 计算机视频信息保护仪视频信号输入接口电路 4 ) 计算机视频信息保护仪信号运算处理硬件平台及算法结构 5 ) 计算机视频信息保护仪相关干扰信号合成机理 6 ) 计算机视频信息保护仪高频区域相关干扰与放大发射单元电路 7 ) 计算机视频信息保护仪电源电路 3 、笔记本型保护仪与集中型保护仪的研制。主要对液晶显示器电磁信号 泄漏的情况，进行笔汜本型计算机视频信息保护仪设计研制，并针对多台计 算机集中组网的情况，提出集中型多机视频信息保护仪的设计思想，以实现 “一仪多机”信息保护目的。 哈尔滨1 稃大学硕士学付论文 第2 章视频信息泄漏分析及接收复现机理研究 计算机设备，包括主机、c r t 终端、磁盘机、磁带机和打印机等在工作 时，都会产生不同程度的电磁泄露。如显示器视频信号的电磁泄漏等。计算 机及其外部设备内的信息可以通过两种方式泄露出去。一种是以电磁波的形 式辐射出去，称为辐射泄漏。这种辐射是由计算机内部的各种传输线( 包括 印刷板上的线路) 产生的，电磁波的发射必须借助于上述起天线作用的传输 线才能实现；另一种是计算机系统泄漏的电磁波耦合到各种线路和金属管传 导出去的，称为传导泄漏。例如，计算机系统的电源线、机房内的电话线、 上下水管道和暖气管道、地线等都可能【3 l 。 2 1 视频信息泄漏分析 2 1 1 计算机显示设备信号分析 计算机的显示设备主要有c r t 显示终端和液晶显示器两大类。 c r t 显示终端是一个很强的电磁泄漏源，一般由接口部件、矢量产生器、 字符产生器、数字一视频转换部件、缓冲存贮器、偏转部件和阴极射线管等 组成( 如图2 1 所示) 。 图2 i 光栅扫描显示器结构 光栅扫描时先经过数字视频转换，而后把转换得到的信息存入缓冲存 贮器，显示时用缓冲存贮器读出的内容去形成r 、g 、b 视频信号。把视频信 号放大后加到阴极射线管的控制极和栅极之间，可控制电子束的强度。这一 6 哈尔滨工稃大学硕十学竹论文 控制电压相当高，远远超过了原有的视频信号的t t l 电平，在显示过程中跃 变很大，辐射强度比较高，频带比较宽，而且与视频信号含有相同的频率成 分，带有丰富的信息。此外，含有同步信息的偏转信号，是周期信号，其频 谱为谐波处独立的谱线，信号的能量主要集中在这些窄带上，功率较大，尤 其是行同步信号，频率较高，更容易接收到。因此，在光栅扫描方式中，其 主要的信息泄漏源是视频信号控制的电子束电流和含有同步信息的偏转信号 【4 j o 图2 2 液晶显不器结构图 液晶显示器以t f t l c d 为例，如图2 2 所示，主要是由萤光管、导光板、 偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄膜式晶体管等等构成。 t f t 液晶显示屏采用薄胶片三极管( t f t ) 主动矩阵技术，这种形式的液晶板 在每个像素上放一个三极管，三极管相当于中继站，控制器通过水平和垂直 的网格把小电流送到三极管，相应的三极管放大出很大的电流来激活l c d 像 素，该电流的意义相当于c r t 显示器中的电子束控制电压，包含丰富的视频 信息，由于电流较大，其辐射能力也比较强，同样会造成信息泄漏。 l c d 像素采用了矩阵型的结构，即把水平一组显示像素的背电极都连在 一起引出，称之为行电极，把纵向一组显示像素的段电极都连在一起引出， 称之为列电极。在液晶显示器上每一个显示像素都由其所在的列与行的位置 唯一确定。在驱动方式上相应地采用了类同于c r t 的光栅扫描方法。液晶显 示的动态驱动是循环地给行电极施加选择脉冲，同时所有为显示数据的列电 7 哈尔滨工稃大学硕十学位论文 极给出相应的选择或非选择的驱动脉冲，从而实现某行所有显示像素的显示 功能( 如图2 3 所示) 。这种行扫描是逐行顺序进行的，循环周期很短，使得 液晶显示屏上呈现出稳定的图像。 r1i t 1r1 r1r1 r1r1 图2 3 液晶显示器显不原理 无论c r t 显示器和l c d ，从计算机显卡中输出驱动显示器的主要是r 、 g 、b 信号和行场同步信号，这五个主要信号都是串行信号，可以较为容易 地实现时分接收、频分接收和方位接收”1 ，属于t e m p e s t 定义的红信号( 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”) 。 要截获计算机视频信号，必须要获得r 、0 、b 三路视频信号和行、场同 步信号。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 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。 目前，计算机显示内容涉及泄密的信息主要是文本和图像，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。在同等条件下，当计算机显示黑白点阵和字符时引起的信息泄漏最为严 重。此外黑自点阵和字符也是研究计算机视频信息泄露时最典型的准周期信 号。因此选取二者作为标准信号，分析它们在分辨率为8 0 0 6 0 0 、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，所以把它们作为一个整体看待。 8 哈尔演_ r 稃人学硕十学伊论文 2 1 2 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( 由于 在存消隐期) ，电压突变最强，其辐射强度最大。显示器在显示黑白点阵图时， 电子枪通过“启”、“闭”依次扫过屏幕上的像素点，视频信号理想上是一个 脉冲信号，如图2 4 所示。 v ( 电压) 图2 4 理想黑白点阵视频信号图 脉宽f 应该等于电子束扫过相邻两个像素点之间所用的时间，信号周期丁 为两倍的脉宽，即t = 2 r 。但是由于理想的脉冲信号不存在，实际波形为周 期变化的锯齿波形，如图2 5 所示。 图2 5 滤波器测得黑自点阵信号 由图2 5 可以得出：黑白点阵信号时域波形为周期变化的锯齿波； t = 4 0 n s ，f = 2 5 m h z ，t r = 2 0 4 n s ，t f l 9 6 n s ，其中八，f ，9 分别为周期、 频率、正、逆程时间。 锯齿波信号产生的电流随时间变化的曲线如图2 6 所示。 9 哈尔滨t 程人学硕十学侍论文 l 儿u 入7 。 图2 6 周期锯齿波电流随时间变化曲线 由于锯齿波形曲线的导数为矩形波，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【4 】： ，( ，) = e 一叫 ( 2 - 1 ) c = 志等伊， f = ( n t y oi ( 0 第厅次谐波的频率。 ，：丝型竺盟。m 。往t ，) p ，喇r 矗 ( 2 - 2 ) 显然，栉次谐波( 删) 的振幅为： ( 2 3 ) 谐波含有率h = 鲁l o o ，厶为基波的振幅 ( 2 - 4 ) 由黑白点阵信号的时域波形和公式( 2 4 ) 可以得到其理想的频谱，如图 2 7 所示。 月r ，i 毒 1 0 6 瓣氅 萋一 辫 7 a q a 砷t5 瞒 4 7 薯 3 摊 2 确 量* o j 0 。l 一。j 一一 一一。一：一二二 瓣臼盘捧貉| 争静磐痰港竣敬 麓被骧奉身铂蚓 图2 7 黑自点阵信号频谱 1 0 哈尔滨门辛大学硕十学何论文 从图2 7 可以看出，三次谐波振幅值最大，占到基波振幅的1 1 8 ；其次 是五次谐波，占到基波振幅的2 9 ：2 0 次以后的各次谐波基本可以忽略。 2 1 3 字符的时域和频域特征 图2 8 所示给出了计算机视频信号与显示字符数据之间的关系，由于以 像素来建立数据显示，电子束电流或者像素电流是通过视频信号以“启一闭” 方式调制，视频信号是一种数字信号，逻辑“1 ”使屏幕产生亮点，逻辑“0 ” 使亮点消失。图2 8 中的a ) 的阴影部分信息显示的初始视频信号；视频点的 时钟方波信号由b ) 中的方波所示；为了达到显示分辨率的要求，尽可能的要 求每个像素的脉冲信号尽可能短，通常利用初始视频信号与视频点的时钟方 波信号进行“与”操作来调制信号，得到c ) 中所示的最终视频信号。 。，口口口口口 。， 00 咖00皿衄 图2 8 理想字符方波视频信号 对于非重复的信息显示，初始视频信号为随机二进制信号。设p 代表初 始视频信号幅值为a 的概率，则幅值为0 的概率为l - p ，则得到初始视频信 号x 俐的功率谱密度为： ( 门2 i 1 t a p - p 2 ) + p = 。町莘) s i n ( n f i r j ，2 ) bb ( 2 - 5 ) ol 在字符显示方式下，假设屏幕上每一个字的宽度为刀个点素，两字符间 距为所个像素，则字符信号的周期为扣+ 历) 瓦，占空比为石鬲。这样， 字符信号z m 的功率谱密度为： 哈尔滨r 稃人宁硕十学何论文 w ) = 耋町一高面【堕警笋】2 ( 2 6 ) 对上面两式进行卷积求和，便可以得到字符的最终视频信号功率谱密度。 由此得到的功率谱密度既考虑了视频显示的随机性，又考虑了字符信息的点 阵组合方式。 如果视频显示器屏幕上显示的内容不是重复的，作为一级近似，其信号 则可以看作是随机数字信号，其信号功率谱密度可表示为： & = 4 【塑塑掣2 】：( 2 7 ) 兀7 j 其中，f 为最终视频信号中像素持续时间的脉冲宽度，爿是屏幕显示像 素数目信号幅值的函数。图2 9 给出了视频信号功率谱密度的部分曲线，容 易推出每一个波瓣的带宽为1 f 。 f 叩 功辜谱 t 1 ，互 门2 篙寥1 亿。， 叫晋)2(xztfl)2+1t 冗f 哈尔滨t 杵人学硕十学伊论文 厂 厶= l 兀l 的频率范围内，功率普密度将以4 0 d b 1 0 倍频程衰减。一般情 况下，f 的频率范围在2 0 - - - 5 0 m h z 之间，的频率范围在2 0 f f - - 5 0 0 m h z 之 白j ，这取决于器件和电路的类型 s l 。 由于视频信号在被馈入c r t 之前，将由t t l 水平放大到几百伏，所以 经过放大后的视频信号远远超过t t l 电路发射水平，这样视频信号产生的辐 射将构成视频显示器宽带辐射场的主要分量。虽然视频信号在视频显示器中 不是唯一的信号，但是对于宽带辐射发射而言，它却是主要的辐射源。 2 2 接收复现机理 计算机显示器的辐射频谱主要包含两类：一是数字时钟信号的窄带谐波， 二是各种随机数字信号( 如视频信号) 的宽带谐波，这些辐射场的频率可高达 u h f 波段。尽管信号本身的功率谱密度随频率增加而减少，但由于设备中电 路的辐射随频率的升高而增加，致使在数百兆赫兹的频率范围内，设备的总 体辐射水平不会有多大衰减。因而，易于实现接收。另外，由于时钟信号的 周期性，其功率谱是一系列以时钟频率为基频的窄带谱线。这些谱线因间隔 间距较大，每一谱线都可以看作是独立的窄带源。同随机信号功率谱一样， 这些窄带分量的强度也随频率增加而降低。但由于这些时钟功率谱密度都集 中于各谱线上，而不是在整个频域内扩展，所以这些谱线上的功率比起视频 信号的功率谱密度可能要高得多。更为重要的是，时钟信号通常都是有像素 点时钟分频得到的，这就意味着很多谱线与视频信号谱波瓣中心可能重合， 从而起到载波作用，更便于接收和检测1 5 l 。 2 2 1 电视接收机原理 研究表明，采用经过改装的电视接收机可复现视频信号。最终视频信号 s 御为原始视频信号v ( o 与一个方波信号( 周期为t b ) 通过一个“与”门电路 调制产生的，其功率谱密度可近似地表示为： s ( ，) ：a ( 罢笋) 2 ( 2 9 ) 哈尔滨t 稗人学硕十学倚论文 式中：死是视频信号的一个像素的脉冲宽度，a 是和信号幅度相关的常 数。由于图象的随机性，决定了这些信号是非周期脉冲信号，信号每个脉冲 的谐波与宽带电视信号的频谱有明显的相似之处( 如图2 1 0 ) 5 1 。图中的实线 给出了视频信号辐射频谱的部分曲线。可以看出，在某一频段内，电视机接 收到的视频辐射频谱与计算机的视频频谱可以重合。通过调幅解调方式，只 要能够得到视频信号j m 的频域函数s ( f ) 的一个旁瓣的信息，就可以恢复视 频信号j 俐。也就是说，s ( f ) 的一个旁瓣就提供了j 足够的信息。这要求有 一个较理想的滤波器，其带宽必须大于调制信号的带宽j 死 z l 。 图2 1 0 辐射信号与视频信号的功率谱 图2 1 1 以时域方式展示了电视接收机对辐射信息的处理过程。其中( a ) 为视频显示器中的初始视频信号；( b ) 为电视机中对应视频信号的中频信号； ( c ) 为中频信号经由电视机振幅检波器后得到的视频信号；( d ) 为通过对亮度和 对比度的优化调整而得到的视频信号。与计算机视频信号波形有所区别的是， 电视机中视频信号的最大值决定了黑色水平，而最小值决定了白色水平。所 以，视频显示器的辐射信息经电视机接收重现后，显示的将是白色( 或灰度) 背景下的黑色字符。若使重现的信息比较稳定，则必须使信号与扫描保持同 步。恢复同步信号的最简便方法是利用数字信号发生器分别产生水平和垂直 同步脉冲，其频率要在计算机显示器的行频与场频的频率范围内可调。这两 种信号可以混合馈入电视机的同步分离电路中，也可以分别馈入行扫与场扫 振荡电路中，以产生相应的锯齿波扫描信号。由于接收频率和相位漂移等作 用，要使两个扫描信号没有相位差，并与计算机视频扫描同步保持同步比较 困难，一般要进行手调或自适应调整- l 。 1 4 哈尔演t 榨人学硕十学位论文 匐口口口口口口口 b ) 。筮避篮二监：抠 凼一一! 途一一划虹j 凼 a ，凸凸凸凸凸：丑凸 上型比水平 图2 1 1 辐射信号在电视机中的处理过程 经过改装的电视接收机在灵敏度、带宽满足要求的条件下，接收到的视 频信号有足够的辐射强度，加入行、场同步信号，就可以复现计算机显示终 端的信息。由于行场同步信号频率相对于接收机中频还比较低，不易被接收， 这里往往是利用离散视频信号中特有的扫描逆程周期性来提取同步信息。由 文献【5 】可知，电视接收机原理框图如图2 1 2 所示。 图2 1 2 接收机原理框图 图2 1 2 是一种以电视接收机接收并重现视频显示器辐射信息的实验装 置。将振子天线接收到的信号馈至测试接收机中，可以接收3 0 m h z 1 0 0 0 m h z 频率范围的视频辐射信号。为保证接收质量和显示清晰度，接收机输出的中 频带宽应至少为4 m h z 。如果中频信号的频率位于电视接收机的接收频段内， 则可以直接将中频信号馈入电视机r f 输入进行再现处理，否则，需要对中 频信号进行混频，自动差频出v h f 或u h f 频道可接收的信号。这方法具有 哈尔滨t 秤大学硕十学侍论文 以f 特点： a 由于测试接收机可以调整选择接收频率，在3 0m h z 1 0 0 0m h z 的频率 范围内都可以进行测量和接收； b 钡0 试接收机可以决定和提高整个装置的灵敏度，使接收距离大为增) j i b c 测试接收机可以同时测量场强，从而可以将接收图像质量与附近场强 特性进行比较； d 如果测试接收机的带宽可以进行调整，则对不同种类的视频显示器均 可实现接收和复原。 这一接收装置的同步信号是在视频显示器附近接收偏转线圈辐射出的磁 场来恢复的。由于扫描偏转信号的周期性，这些信号的辐射场频谱基本都是 一些基频和倍频窄谱。对于逐行扫描，水平与垂直扫描信号频率满足关系 五= n f , ，其中玎为屏幕显示行数。这样，只需生成行频( 五) 同步脉冲信号，再 利用可编程的数字分频器对进行n 分频，便可以得到场频同步脉冲信号。 一旦确定了屏幕显示行数，便可以通过只调整一个振荡器来同时得到没有相 位差的两种频率的同步脉冲信号。比较而言，接收行扫辐射信号要比接收场 扫辐射信号更容易一些，这是由于行扫信号的基频较高，导致倍频谱线的频 率间隔也较大，而且其辐射衰减也较小。对接收到的行频信号进行滤波并由 锁相环稳定，便可得到行同步信号；再对行同步信号进行分频，就可以得到 场频的同步信号。将这两种信号混合馈入电视机的同步分离电路，便可以得 到重现信息所需要的行同步和场同步信号。为防止干扰，这种装置的复合同 步信号是由光纤传输的。应该指出，这种恢复同步信号的方式并不能实用于 远距离接收，因为视频显示器中扫描信号的上对较低，辐射强度和距离都很 难满足实用要求l s l 。 2 2 2 同步信号的恢复 通过上节讨论可以看出，利用电视接收机实现计算机视频显示器泄漏信 息的接收和复原，必须满足以下条件： a 电视接收信号要有足够的强度。当电视接收机自身天线不能满足要求 时，则需另配置天线和天线放大器。 b 接收机应有足够的中频带宽( 一般需4 m h z 以上) ，且在接收频率点处， 1 6 哈尔滨r 稃大学硕十宁竹论文 应与视频辐射频谱中的某一波瓣相重合。 c 外加同步信号应满足视频显示器扫描的条件。 对于同步信号恢复来讲，由于视频信号辐射的每一谐波分量与广播电视 信号都非常相似，利用普通的电视接收机从视频辐射频谱中接收并重现计算 机视频显示信息并不很困难。但是，由于电视接收到的辐射信号中并不含有 同步脉冲信号，这意味着电视显示的信息由于不同步而在水平与垂直方向上 沿屏幕滚动。为改善接收质量，可以从外部产生一个与计算机视频显示器的 同步相同信号，馈入电视机的同步电路中取代电视信号中的同步信号。对普 通电视机作这种改装后，从原理上讲，只要辐射信号足够强，就可以接收并 再现一般类型视频终端的显示信息。然而，从技术上讲这种接收方式还是低 水平的，其主要原因是电视机与视频显示器在工作方式上还有很多差异，而 电视接收机的接收灵敏度、中频带度、扫描及同步匹配等与实际的侦收要求 都有很大差距。 对实用来讲，必须设法从辐射信息中提取同步信息。从原理上讲，只要 能从辐射信息中确定行同步( 或场同步) 信号的周期，便可以用带有这一周期 特性的信号激励特定的振荡电路，以生成行同步信号，并经分步产生场同步 信号。实际上，控制信息显示的视频信号虽然是随机的，但这些信号在行扫 与场扫的逆程时间里却具有逻辑“0 ”的周期特性，这是由电子束在扫描逆程 时间里需要截止( 消隐) 的性质决定的。这样，就完全有可能利用视频辐射信 息中特有的这种扫描逆程周期性来提取同步信息，并以此信息控制生成同步 信号。 在视频信号中，数据信号与复合同步( 行同步与场同步) 脉冲信号是叠加 在一起的，通过“与门”关系生成的复合视频信号与全电视信号不同，计算 机复合视频信号中的同步信号与信息中的消隐点( 或线) 一样，都是“0 ”电平。 由于行、场同步信号的频谱分布都是一系列等间距的窄带谱线。而字符状态 下的空扫行信号频谱也都是一些等间距的窄带谱线。这样，信息中的空扫行 的消隐与回扫行的消隐都是“0 ”电平，很难区分，尤其在字符显示状态下更 是如此。所以，人们通常就误认为计算机视频信号中不含有同步信息。 视频信号的频谱分布是由数据信息的宽带谱，周期空行的窄带谱与同步 信号的窄带谱叠加而成。但由于空扫与回扫的脉宽和周期不同，它们的谱线 哈尔滨t 释人宁硕十宁何论文 问距和幅度也不一样。通过倒相电路和窄带滤波器，并利用自适应滤波与锁 相技术，就有可能捕捉到同步信息的谱线，从而恢复同步信号。由于行同步 频率比场同步频率高，其辐射谱线较容易接收。在恢复行同步脉冲信号后， 利用前面所介绍的分频方法就可以很容易得到场同步脉冲信号。而且，行、 场相位可以与视频信号保持同步“1 。 2 2 3 数字化接收机系统 随着图像处理技术、电子技术的发展，接收复原设备相关技术也得到长 足发展，电磁辐射的视频信号被高灵敏度天线接收，通过高速a d 采样( 目 前最高的采样速率可达2 g s s 以上) 送入计算机内采用先进的图像处理技术 进行各种运算分析从而得到复现信息( 图2 1 3 所示) ，其优势相当明显。从 目前得到的一些公开资料上可以看到，采用这种方法进行分析可以同时对多 台计算机信息进行复现还原。 高夏敏度天线 图2 1 3 数字化接收机系统 采用软件处理方法可以充分结合视频信息特点来展开相应的软件滤波和 图像处理。例如： 可以针对视频信号具有连续多帧重复的特点，采用连续多帧滤波算法提 高信噪比，获得更加真实清晰的数据。 可以针对视频信号一般不存在孤点图案这一特点，采用迭代滤波方法， 去除孤点噪声，提高信噪比。 可以通过各种不同算法与方法比较优选，得到最适应的算法。 另外，在目前高速a d 采样技术的支撑下，一方面，可以更好地利用信 号的高频信息。以2 g s s 的采样率为例，依照奈奎斯特采样定理，获得的信 1 8 哈尔滨f 稃大学硕 学付论文 号截止频率可达1 g h z 的高频区域，由于高频信号不易受干扰，其信噪比相 对来说要高得多，分析提取成为可能。另一方面，高频信号可以获得更高的 还原分辨率，对小尺度的文本信息能复原得更加清楚。随着大规模的并行高 速数字信号处理技术及计算机运算处理能力的飞速提高，高速大容量数据采 集以及实时处理都成为可能，计算机视频复现还原能力也越来越高，随之而 来的反还原对抗技术也将相应升级，其发展会更加精彩。 总之，计算机视频辐射信息可接收与重现已是不争的事实，随着微弱信 号检测技术、干扰抑制技术的发展，目前辐射泄漏信息的侦收技术越来越先 进。各国都在加紧研究电子设备的电磁信息泄露检测与保护技术 ( t e m p e s t ) ，并把其作为重点技术加以保密，以确保在斗争中获得制电磁 权和制信息权。 2 3 本章小结 本章首先对视频信号及信号的时域特性、频域特性进行分析，然后讨论 了信号接收复现原理以及接收复现技术方法，给出一种比较完整地视频信号 接收复现系统。 9 哈尔演t 稃大学硕七学何论文 第3 章视频信息保护仪的设计与实现 随着计算机以及侦收还原技术的发展，新型的计算机视频信息保护仪应 该具备以下特点： a 干扰信号相关性强，信号自身结构复杂，能够应付侦收方的还原技术； b 信号覆盖频率足够宽广，能有效保护视频信号的高频泄露； c 干扰功率低，绿色环保； d 兼容新型计算机接口。 3 1 视频保护仪工作原理 视频信息保护仪工作原理如图3 1 ，其利用计算机显卡输出的v g a 视频 信号作为参考，模仿计算机的显示规律生成相关干扰信号，生成的干扰信号 和计算机视频辐射信号具有相同的频谱特性，在电磁空间上和受保护计算机 的泄漏辐射信息相叠加，形成一种复合信号，以致破坏了原辐射的信号形态， 使窃收者无法或者很难还原其信息。 图3 1 相关干扰保护仪原理示意图 哈尔滨门宰人学硕十学位论文 3 2 保护仪的主要构成 计算机系统的工作电源由干扰器统一管理，2 2 0 v 交流电源经过视频保护 仪的e m i 滤波器滤波后，一路供给保护仪内部的电源模块作为工作电源，另 并出一路作为计算机系统电源。计算机显卡输出的视频信号输入到视频保护 仪后，并出一路作为显示器信号，另一路用于信号相关运算处理单元来生成 相关干扰信号。生成的干扰信号经过放大发射单元提供一定的发射功率后， 通过环形天线、扁平电缆天线发射。保护仪主要构成示意如图3 2 所示。 千船 图3 2 保护仪主要构成示意图 设计的视频保护仪主要由机壳、电源模块、信号相关运算处理单元、放 大及发射单元等几部分构成。 电源部分包括交流e m i 滤波器、a c d c 电源变换模块、开关、电源指 示l e d 几部分，负责为视频保护仪和计算机供电并指示工作状态。 信号相关处理运算单元电路和放大发射单元电路是保护仪核心部分，对 输入的视频信号作处理，生成相关