（机械制造及其自动化专业论文）计算机显示系统tempest技术研究.pdf

摘要 本文首先对计算机电磁信息泄漏的现状及发展方向进行了阐述，详细分析了 计算机显示系统的电磁信息泄漏机理，并对计算机视频信号的信息泄漏从频域进 行了定量的分析。在此基础上提出了两种全新的防视频信息泄漏技术( 数字滤波 与伪发射技术) ，并且进行了实际测试和分析，验证了它的有效性、可行性，然后 针对它们的不足之处提出了种软件和硬件相结合的新方法。区别于传统的包容 式t e m p e s t 计算机的设计方案，本文设i t 一个软硬结合的实时数字信号处理系 统，系统用专用的c p l d 芯片为核心搭建硬件电路，包括图像采集、算法处理和 显示输出一i 大模块。 视频信号处理具有高速、信号处理量人、时序复杂等特点，因此这个数字信 号处理系统采用了高速的c p l d 器件作为视频采集和显示输出的控制单元、数据 交换和地址产生的管理单元，以及f i r 的运算单元，此外，系统还选用了高速的 静态s r a m 来进行数据采集和交换。整个系统较之单纯的软件处理，其有速度快、 精度高、稳定性好等诸多优点，完全满足，实时性要求。 关键词：视频信息泄漏信息截获数字滤波抖动技术c p l d v h d l a b s t r a c t t h i s p a p e rf i r s t l y d i s c u s s e st h e a c t u a l i t y a n dt r e n do ft h e e l e c t r o m a g n e t i c i n f o r m a t i o nl e a k a g ea n da n a l y s e st h em e c h a n i s mo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cl e a k a g ei na c o m p u t e rv i d e od i s p l a yu n i t s ，a n da n a l y s e s i n f o r m a t i o n l e a k a g e o fv i d e o s i g n a l i n f r e q u e n c yq u a n t m c a t i o n a l l ys e c o n d l yt h ep a p e rd e v e l o p st w on e wt e c h n i q u e st h a t e n a b l et h es o f t w a r eo nac o m p u t e rt oc o n t r o lt h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i m i o no fc r t m o n i t o rt r a n s m i t sa tv e r yt o wc o s t ：d i g i t a lf i l t e ra n dd i t h e r i n gt e c h n i q u e ，v a l i d a t e st h e t w om e t h o d st or e d u c et h ei n f o r m a t i o n l e a k a g eb yae x p e r i m e n ta i m i n g a tt h es h o r t a g e o fs o f t w a r ep r o c e s s ，t h i sp a p e rg i v e san e wm e t h o dw h i c hc o m b i n e st h es o f t w a r ew i t h h a r d w a r ed i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a le n c l o s u r e d e s i g np r o j e c t o ft e m p e s t c o m p u t e r ，i ta d o p t st h ei d e ao fc o m b i n a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，a n dd e s i g n sa r e a l t i m e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mw i t ht h ec p l dc h i p a st h ec o r ew h i c h i n c l u d e sv i s u a ls a m p l em o d u l e ，a l g o r i t h mp r o c e s sm o d u l ea n dd i s p l a ym o d u l e v i d e o s i g n a lp r o c e s sh a ss p e c i a l i t yo fh i g h s p e e d ，l a r g e s c a l es i g n a lp r o c e s s i n ga n d c o m p l e xt i m es e r i a l ，t h i sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mt a k e sh i g h s p e e d c p l d d e v i c ea sc o n t r o lu n i to fv i d e os a m p l ea n dd i s p l a yo u t p u t ，m a n a g e m e n tu n i to fd a t a t r a n s f e r r i n ga n da d d r e s s ，a n dp r o c e s s u n i to f f i r p r o c e s s i n g ，t h i ss y s t e m u s eh i g h - s p e e d s t a t i cs r a ma su n i to fd a t a s a m p l e a n d t r a n s f e r r i n gc o m p a r e d w i t hs o f t w a r e p r o c e s s i n g ，t h i ss y s t e mh a sa d v a n t a g eo fh i g h s p e e d ，a c c u r a c ya n ds t a b i l i t y ，f u l f i l lt h e r e a l t i m er e q u e s tc o m p l e t e l y k e y w o r d s ：l e a k a g eo f v i d e oi n f o r m a t i o n d i g i t a lf i l t e rd i t h e r i n gt e c h n i q u e j n f o r m a t i o n c p l d e a v e s d r o p p i n g v h d l 第章绪论 第一章绪论 1 1t e m p e s t 技术概况 众所周知，信息电子设备在工作时都要产生电磁辐射。这种电磁辐射会产生两 种危害：即电磁干扰与信息泄漏。电磁干扰问题是信息设备工作时遇到的最普遍的 个问题，关于它的综合防护技术即电磁兼容技术( e m c ) 已经有了套成熟的j g ! 论 和技术，已经被应用到实际的工程实践中，并取得了良好的防治效果；但是电磁辐 蜊带来另一个问题容易被忽视，这就是信息泄漏问题，信息电子设备工作时产生的 尤意的电磁辐射可能合有可利用的信息量，并且能被窃收和复现出来，对信息安全 利保密构成的严重的威胁。 f 1 在j ( ) 年代，国外就注意到信息电r 设备信息泄漏【_ l 】题的严啦r ：，以美嘲为 阿的少数几个西方国家相继对此问题展开了一系列的研究。这螳研究统称为 i i ：1 p e s t 计划或t e m p e s t 项目。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，其理论与技术仍以电磁兼容为主要基础，目标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 型；t 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) ， 【i i jf 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：m1 e m p e s t 技术 4 i 仪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。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 采取加密方法，对需要防护的信息系统构造和工作方式进行加密处理与改造，加大 。实附：窃收和解译的难度。此外，还可以采取乱真发射的方法施加 扰，避免彳r 意窃 收，但这与电磁兼容的宗旨是违背的。 t e m p e s t 技术主要针对信息电子设备产生的信息泄漏问题，从信息接收和抑制 泄漏两个方面进行研究。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。计算机及其网络系统是各 种信i f , 电子设备中最为关键和重要的组成部分，是t e m p e s t 问题中的主要研究对 象，他的应用早已渗透到政治、军事、金融、和商业领域的各个重要部门，这就使 得人们对计算机系统因电磁辐射而引起的信息泄漏给予了极大的关注。例如目前欧 洲已可做到在2 0 0 米距离无线截获计算机显示器泄漏的电磁辐射信息并成功复现 显示内容，美国则可在3 0 0 1 0 0 0 米距离实现无线截获。信息电子设备的信息泄漏 n q 题对计算机系统信息安全而言已经是一项刻不容缓的重大问题，许多国家和地区 的订关部门都展开了此项工作的研究和发展。 计算机显示系统t e m p e s t 技术研究 1 2t e m p e s t 技术现状及发展趋势 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 ，以此来规范有关保密信息设备的生产、测试、使用及监护等有 奠、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枷：准” l c o m p r o m i s i n ge 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 j 个标准，但由于高度的保密性，其名称未予以公开。目前其它一些国家电 m 制汀f j 己相应的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 | | 0t e m p e s t 标准己势在必行。 化t e m p e s t 研究与产品开发方面，美国仍处于世界领先地位，其发展水、f j j i 术炙j 表现在诸多方面。从测试接收角度看，包括测试指标、标准、方法、设 符、f 鼻q 处理、解译能力等：从防护技术看，包括基础材料、低噪声源器件、电 * 设汁、电磁兼容技术等；从智力和经济投入看，包括电磁兼容、通信、计锋机 o j 拜种f p 的专家和工程设计人员，大量的经费投资，严格的标准和一流的f 家： j , 川纵o 竹州厅包括研制、生产、验收、使用在内的一整套由政府到厂商的攻关、 协渊干竹理机构。正是这诸多方面的综合成果，才形成了美国目前在t e m p e s t 技k 总体水平和优势。 目内f “八五”以来，在国防科工委的支持下，开展了型号及预研工作，通 i , l - x j 汁算机i l e m p e s t 技术的深入的研究，我国在低泄漏微机及外设的研制、相关 h 准的制订、泄漏抑制材料的开发方面取得了显著进展，填补了国内空白，基本 满足j 军事、情报、政府部门的急需。但由于计算机等信息技术设备的核心技术 i ：要依赖j + 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 仃后天加固。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旌，致使其产品造价居高不下( 低泄 赫汁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最装 矫的需求。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住发 忖1 ，的【丘i 家叮言，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 卜、，找突破l j ，以从根本上解决这一问题。综合来看，由于起步晚以及基础薄弱 技公开资料少等因素的影响，使我国的t e m p e s t 技术与国外相比仍存在较大的差 她。 第一章绪论 1 3 本文所作的工作 显示器是计算机系统的主要部件。目前计算机系统常用的显示器是c r t 显示 器，又称视频显示器( v d u ) 。研究表明，整个计算机系统中辐射最强，日，视信，i f , 量最大，最易于接收复现的就是显示系统。显示系统包括视频信号从主机显卡输 出，经由视频电缆到c r t 输入端，再由末级视放电路直到显示器显示信息整个通 路系统。显示系统中视频信号都是串行传输，并且没有经过加密，从防信息泄漏 的角度来看，是属于“红”信号范畴。通过接收v d u 的辐射频谱而再现显示器上 的图象信息或数据信息，试验已经得到证实。 目前我国实际采用的计算机防信息泄漏技术主要是从e m c 基础发展起来的， 要的技术手段还是包容式屏蔽和计算机外加干扰器，存在成本高、移动不便、 电磁干扰严重等缺点，难以进行大面积推广使用。为此本文针对计算机显示系统 的信息电磁泄漏，分析了其信息泄漏机理和信息截获机理，并针对不同的显示内 容，得出了其信息泄漏的信息截获的接收带宽和抑制信息泄漏的安令带宽，歼侄 此分忻的基础上，提出了两种针对视频信 ，新的防护技术，即属j + 抑源法f i 0 视频 信号的数字滤波技术与属于伪泄漏技术的数字抖动( d i t h e r i n g ) 技术，并对这两 种方法进行了软件仿真，验证了技术方案的可行性。最后设计了一个以c p l d 为核 心的具有实时性特点的数字图像处理系统硬件系统，包括了视频采集、数字运算、 显示输出三个模块，实现了数字滤波和伪发射处理两项功能，解决了高采样率、 商数据量、高传输率所带来的系统无法实时工作的问题，为显示系统的t e m t ，e s l 研究提供了一种新的思路。具体来说，本文所作的工作有： ( i ) 对计算机显示系统的结构和显示系统的泄漏源问题进行了分析； ( 2 ) 针对具体的显示内容，分析其对应视频信号的频谱特性，并根据信息泄漏 机理和截获机理，进一步确定了文字显示时不同大小字符对应的信息截获 的接收带宽和抑制信，i f , 泄漏的安全带宽： ( 分析了对视频信号采取数字滤波技术和伪发射技术结合的防护原理，并结 合实际测试论证了这种技术的可行性； ( 4 ) 根据不同的显示模式，以及防信息泄漏要求，对系统的采样率、存储量、 运算量进行了估计，确定滤波参数，选定了硬件实现的合适器件； ( 5 ) 没计具体的硬件电路，编制控制程序和算法程序； ( 6 ) 为以后的工作指出了进一步研究方向和亟待解决的问题。 计算枫显示系统t e m p e s t 技术研究 第二章计算机显示系统工作原理及泄漏源分析 计算机显示系统是计算机系统的主要的信息泄漏源。计算机的显示器种类很 多，有c r t 显示器，液晶显示器，等离子显示器等，其中最常用的是c r t 显示器， 阴极射线管显示器。c r t 显示器又可分成两类：随机扫描显示器和光栅扫描显 尔器。由于光栅扫描显示器能生成高度逼真的图像，所必需的高容量的显示v r a m 价饼的大大降低，使得光栅扫描显示器的应用越来越广泛，本论文都是针列光棚 i 描湿乐器进行研究的。 2 1 计算机显示系统结构及工作原理 汁算机硅尔系统主要由三部分构成：一个是数字式的存储器，即帧缓冲器( 义 硝：i 1 1 j 存储器v r a m ) ，用于存储所显示的图形、图像或字符的亮度值矩阵；”。 1 、娃监视器；第三部分是显示控制器，它把帧缓冲器的内容传送给监视器。为了 m 砬示屏上保持稳定的画面，必须以每秒3 0 次以上的频率把图像数据重复地送给 。 ：l 税器。 显示系统的构成如图21 所示。它由接口、帧缓冲器、视频接口、c r t 监视器 尊小成。汁算机把处理好的图形数据通过接口送到i 帧缓冲器存储。显示时，化显 小控制电路的控制下，按顺序读取每一个像素信息，然后通过视频接口送到c r t f j ：雠器进行显示。 i 一一一j i 一一一j 图2l计算机显示系统组成示意图 上面所述的帧缓冲器和显示控制电路一般是位于显卡上的，因此整个显示系 统也可以看成是由c r t 和显示卡两部分组成。显卡又称显示适配器，目前主要的 ! 匹示卡是v g a 、s v g a ，其一端与p c 机相连( 以插件的形式安装在计算机主扳的 扩展槽基) ，以接收和处理来自p c 机的有关屏幕显示的信息：另一端通过带宵d 第二章计算机显示系统工作原理及泄漏源的确定 型接头的1 5 芯电缆与监视器相连，由它产生的各种信号去控制监视器显示字符和 图彤。显示卡由帧缓冲器( 又称显示存储器、显示r a m ) 和控制电路组成。帧缓 冲器在p c 机和监视器之间起数据缓冲作用，它里面的数据与显示屏幕上的像素点 对应，互为映照关系，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。 显示器是计算机显示系统的重要组成部分，也是计算机信息泄漏的主要泄漏 器件，可以兼容多种显示卡，进行多种模式的显示。 从功能上彩色c r t 显示嚣分为以下一些功能模块，如图2 2 所示 图22 计算机显示器原理框图 由i 十算机显示卡输出的r 、g 、b 三路模拟视频信号( 约为o6 v p p ) ，经视频 i 乜缆连接到显示器内的视频信号处理模块上。该模块将输入的模拟视频信号进行 税频预处理，并与视频放大电路构成放大器环路，实施对比度控制和亮平衡控制 等j 山能。r 、g 、b 三路模拟视频信号经过该模块处理后( 此时约为几个v p p ) ，再 输出到视频放大模块中进行视频放大。将视频放大后的三路r 、g 、b 视频信号( 约 为几十v p p ) 接至c r t 的阴极上，以提供电子束电流。受电子束电流控制的r 、g 、 b 三个电子枪于是发射出电子束轰击到荧光屏上，显示出相应的信息。 由主机显示卡输出的行、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 卜。 扫描电路采取光栅扫描的方式，光栅扫描是在荧光屏上由一系列紧密相接的 水平线构成的。图23 和图2 4 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。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，如图23 所示。电子束从左上角开始移动，当到达线的终点时， 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7 i 卜角时，一一场 画面扫描完毕，然后电子束又以极高的速度回扫到左上角，继续不断地重复上述 计曲“僦转 雌摊 幽刺n剜 搁洞 计算机显示系统t e i v i p e s t 技术研究 j 描过程，如图24 所示。 币 | j !垂卣扫描 一l 下边 图2 , 3 同步扫描图2 4 屏幕显示 m 水i 川, q j - 1 和垂直回扫期间，要对电子束进行抑制( 消隐) ，使回扫线不致在 ，f 棘现来。当电子束横过屏幕作水平移动时，用图象( 视频) 信号控制电 j 。轧m 8 - ，- i 的一兜度，以便在c r t 屏幕上形成图象。当视频信号改变时，屏幕 ：的 放州信息也随之改变。 2 2 计算机显示器的显示模式j 输出信号描述 抖 l5 1 ：系统中显昔的类型和性能决定了计算机显示系统的显示模式。j 魁在 卯帆的显k 多为v g a 和s v g a ，比之过去的m d a 、c g a 等老显卡，特点是帧存容量 人、同步范围宽、刷新频率高、显示模式多。 显示蕾输出的初始r g b 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”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。 湿示卡d 型输出接口插座各引脚编号和各针孔功能如下： 图2 5 显卡d 型输出接口引脚编号 第二章计算机显示系统工作原理及泄漏源的确定7 表21 显卡d 型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l o同步回路( 数字地) 3蓝色模拟信号1 1不用 4不用 12d d c 数据输出 地( g n d ) l ：3水平同步信号 6红色信号回路( 红地)1 4垂直同步信号 7 绿色信号回路( 绿地) 1 5d d c 时钟输出 8蓝色信号回路( 蓝地) v ( ；a 通过1 5 芯的视频电缆与显示器相连，其中的信号包括红、绿、蓝j 色视 频信号、行同步信号和场同步信号。视频信号是连续的模拟信号，同步信号是一 j 芷j 顷率的脉冲串，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 i ；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间 的n q 步关系如图2 6 所示： 图2 6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j r 程为低电平，对应时间为t ：和t 。，逆程为高电平，对应时间为t ，和t 。正程 肘应电子束的水平和垂直扫描，逆程对应电子束的回扫过程。 每个场脉冲，对应着电子束在显示屏中扫描一场，每个场脉冲的时间段内对 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 个数和有效行脉冲和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 计算机显示系统t e m p e s t 技术研究 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 放行咏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 。 1 it 。，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，即零点平。 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 ”j 羽i 频牢对应的行、场同步信号的频率不同。分辨率越高，刷新频率越高，行、 场m 步信号的频率越高。场频等于刷新频率的导数，行、场同步脉冲的频率存在 螭数倍的天系，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 红刈理颁信号的颁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 牡抛尚f 1 0 i 。，f 拜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 吣t i , jn 】j 1 1 忱0 - 少，视频信号的点频就提高_ r ；同样盼隋况，刷新率提高的话，屏 糟1帧刚象时间就减少，相应的象素点之间的扫描时间减少，视频信号的 一i 频就提高j ，视频信号的频谱直接关心到它的辐射特性，下一章我们将对其进 ij ；笨入的讨论。 收我们常用的显示分辨率有8 0 0 6 0 0 、1 0 2 4 7 6 8 两种，刷新频率动态范 小e 较宽，现神州+ 算机的一般配置都在7 5 h z 以上，主要有7 5 h z 、8 5 h z 、1 0 0 h z 。- 凡找仃j 刈分辨率8 0 0 6 0 0 、】0 2 4 7 6 8 ，刷新频率7 5h z 情况下，对同步信号进 i j 。典测，得出了行、场同步信号的频率以及同步信号与视频信号的同步关系。 ， 爪分辨率1 0 2 4 7 6 8 ，刷新频率7 5 h z 仃m 步f 矗号一周期1 67 u s 其中正程t 为1 54 u s ，逆程t ，为13 u s 场f i j 步竹号一周期t + t 。为1 33 3 m s 其中逆程t 为5 01 u s 场l | ! j ：冲啪辩3 是行脉冲周期的7 9 9 倍，其中有效的行咏冲为7 6 8 个，对应实际 的i & _ 确：数为7 6 8 行，另外的3 0 行并没有对应视频信号的输出，为无效的行 枨冲：5 _ ；外点周期为1 3 n s ，行信号正程期为点周期的1 1 8 4 倍，而实际每行的 桂水点数为1 0 2 4 ，经过实测，在行正程期对应的视频信号在t 6 时间段对应的 点数为】5 0 ，t 7 时间段对应的点数为1 0 ，中间段t j 点数为1 0 2 4 。 ，显示分辨率8 0 0 6 0 0 ，刷新频率7 5 h z 仃川步信号一周期2 l4 u s 其中正程t 。为1 98 u s ，逆程t ，为i6 u s 场旧步信号一周期t + t 。为1 33 3 m s 其中逆程t 。为5 0l u s 场脉冲周期是行脉冲周期的6 2 3 倍，其中有效的行脉冲为6 0 0 个，对应实际 的显示行数为6 0 0 行，另外的2 3 行并没有对应视频信号的输出，为无效的行 脉冲； 外点周期为2 0 n s ，行信号正程期为点周期的9 8 0 倍，而实际每行的 娃o ：点数为8 0 0 ，经过实测，在行正程期对应的视频信号在t 6 时间段对应的点 数为j 6 0 ，t 7 时间段对应的点数为2 0 ，中间段t 5 点数为8 0 0 。 第二章计算机显示系统工作原理及泄漏源的确定 2 3 泄漏源的确定 从t e m p e s t 技术角度出发，我们所关心的是有用信息能否被接收并复现，要 从复现的角度来看什么样的信号是含有信息的有用信号，并且能在截获后被复现。 这里要提到两个重要的概念：“红”和“黑”。 根据美国空军安全备忘录a f s s m 7 0 l l 中的定义： “红”信号：信号中含有没有加密处理过的安全机密信息，并且需要进行保 护，术语称之为红信号。比如视频信号，键盘的脉冲信号等。 “黑”信号：信号中只含有那些非机密信息或者进行加密后信息，返样的信 号不需要进行特别的防护，术语称之为“黑”信号。比如加密信号，电源信号， 旧步信号，时钟信号等。 根据上面的定义以及上节的分析，在计算机显示系统中，主机至显卡信号传 输是通过总线传输，为并行信号，显卡内部处理的信号也大多采刷并行处i 单的办 法。从信号的角度来看，信息的传输有并行传输和串行传输两种。其巾 ：行传输， m 二完整信息在进行二进制编码后并行传输，并行线之间的间隔很小，对于截获 荐来说，所截获的信息相当于发自于一个源，很难用时分、频分等物理方法将其 识别接收，所以从“红”“黑”隔离的角度看，并行信号认为是“黑”信号，在考 瞎5 & 示系统信息泄漏问题时，可以把显卡看作“黑”设备。根据f ：耐的分析，我 们把问题的重点放在显卡的输出和显示器上。 i 视频连接电缆| 广 视 显 一竺悻茕 声 j 频 - + 视 可i 信 _ 频 缓 - _ - 号放 冲 z 处 _ 大 器 理 毅 d 习_ 字 模拟r g b 视频信号 刃 n 面1 1 显示卡 彩色c r t 显示器 图27 串行视频信号流经途径 计算机显卡输出的信号主要有两类：同步信号和视频信号。其中同步信号不 计算机显示系统t e m p e s t 技术研究 含有有用的视频信息，是个固定不便的周期信号，并且视频信号本身就含有同步 信息( 消隐期) ，所以可以把同步信号认为是“黑”信号；而视频信号，由于本身 禽有丰富的有用信息，并且是串行传输，并且在传输过程中，驱动电流大，暴露 。孙j 多，容易被接收并且复现，所以把视频信号认为是“红”信号。整个视频通 道认为是泄漏源，视频通道包括视频信号从主机显卡输出，经由视频电缆到c r t 输入端，再由末级视放电路直到显示器显示信息整个通路系统。它所处理的信息 挪是串行信息，由视频信号来控制电子束的强弱，可视信息量最多，辐射最强， 足信息泄漏最主要的部件。通过接收v d u 的辐射频谱而再现显示器上的图象信息 或数据信息，试验已经得到证实。 通过以j ：的分析，可以得出显示系统的主要泄漏源： 1 显卡至c r t 之间的视频电缆； 2 c r t 显示器 mj ：t e m p e s t 接收机在进行信息截获时，主要是通过空间电磁波的形， j 接收机也有一定的带宽，所以有必要对信号的频谱特性进行分析。视频信号就 j t 。拉t e 抑制和要保护的信号，研究视频信号的信号特性和辐射特性对于抑制信 i j 的信息电磁泄漏就显的尤为重要，下面具体分析显示器不同显示内容f 视频信 l j 的频谱特性。 第三章计算机显示系统视频信息电磁泄漏分析 1 l 第三章计算机显示系统视频信息电磁泄漏分析 计算机的信息电磁泄漏问题已经对信息安全和保密构成了严重威胁，研究计 算机系统的信息辐射机理及其防护方法是防信息泄漏技术的重要研究内容。研究 表明，整个计算机系统中辐射最强、可视信息量最大、最易于接收复现的为视频 系统( v d u ) ，是信息泄漏最主要的部件。通过接收v d u 的辐射颁谱而再现显示 器f 的图像信息或数据信息已为实验所i ：实。研究视频系统尤j 址桃频竹i j 的频 谱特性，确定其泄漏特性，对于如何有效的抑制v d u 乃至计算机系统的信息电磁 泄漏起着至关重要的作用。 3 1计算机视频信号电磁信息泄漏机理和信息截获机理分析 侄大多数实际应用中，计算机处理的保密信息大多是文字信息，1j h 像f ，；乜、 干比，表示文字信息的视频信号变化的突变程度要远大于图像信息，辐射泄漏也 篮高得多。因此在研究显示系统的泄漏特性时，应主要研究文字信息。 计算机在工作时，送入显像管的信号是高达几十伏的二进制随机j 手列“0 ”和 “i ”，对j - 一进制随机序列，信号s ( t ) 口j 以表示为单个矩形j l , k t 中的时延年。 s ( ，) i t 。( f _ r ) 3 1 ) 其中 。为0 或l 的随机数，f ( t ) = a g ，( ，) ，t 为脉冲脉宽，那么s ( ，) 的谱密度 r 叮表示为 s ( ) = f ( c o ) 。e x p ( 一j , ( o r ) ( 3 2 ) 其中，) 为( ，) 的谱密度f o ) ：a f s i n ( c o _ t 2 ) ( 3 3 ) o a r z 由上述公式可见，s ( c o ) 为无数个f ( c o ) 经不同相移后的叠加，对于f ( c o ) 的零 点，仍为s ( c o ) 的零点。所以s ( t ) 的功率谱密度如图3l 中实线所示，除了主瓣之外 还有 多副瓣，每个波瓣的宽度为l 。随着频率的增高能量逐渐降低。但是根据 也磁场理论可知，随着频率的增高，其辐射效率在提高，所以其辐射出去的功率 谱近似如图3l 中虚线所示，基本上与实测结果1 1 l 丰目同。 信息截获接收机在窃收时，将接收器调谐在s ( t ) 高端频谱的一个波瓣上，相当 f 一个带通滤波器。该带通滤波器可表示为 计算机显示系统t e m p e s t 技术研究 ，弋r hm 。为中一心频点，翻。为波瓣宽度 3 + 迎滤波器的输出 图3l 视频信号辐射功率谱 u ( ) = c f ( c o ) g 。，( c o 一_ ) k 。c x p ( 一j nc o r ) ( 3 5 ) 铮带通滤波器的输出时，首先计算，( ) g 。( 缈一o ) o ) 的逆变换，c 为比例常 敬，j l j i f t i f l q ：r 和冈子只是对，( ) g 。( 一。) 的逆变换的时延叠加。 ，c 矿等等辔p ( 川一c 郴m 十。 m 汁算t - 述卷积很困难，它是一个门函数和包络为抽样函数的正弦函数的 譬f i ! ，r _ j 芷盹的看出卷积的结果。 【划 2 带通滤波器的频率响应图： 3 卷积结果 - ( 3 5 ) t 1 后面的求和因子对u ( w ) f g j 影响主要是对图33 时域波形的时延 螽加，第n 项时延迭加取决于k n 的取值0 或l 。 对1 ：圈34 所示的原始视频信号，经过带通滤波器，其实际的窃收结果如图 n 1 门nf 1 1f 图34 原始视频信号 第三章计算机显示系统视频信息电磁泄漏分析 把接收到的信号经过检波电路、限幅电路、整形放大，即可恢复视频信号的 基本波形，从而窃取信息。 由上述分析可以看出，信息截获接收机可以通过接收视频信号中的一个波瓣 求实现信号的复现，而波瓣的宽度及频谱组成，决定了其泄漏特性。对于字符信 息，不同字符笔划宽度不同，所对应脉宽t n 也不同。不同的t h 又决定了接收机复 现信息所需的信息截获接收带宽，显然笔划越窄，接收波瓣带宽就越宽，因此有 必爱对不同大小字符的信号频谱特性迸行分析，以确定其泄漏特性。 3 2 字符信，钽、对应视频信号的频谱特性分 j i 2 1 不同大小字符的频谱分析 显示器在工作时，有不同的分辨率和刷新频率，不同的显示模式决定了信号 的，1 i 频，点频和信号的辐射特性有很大的关系，点频和显示模式有如f 关系： ，= r x ，13 8 8( 3 7 ) 式中乘以13 8 8 主要是考虑行、场消隐期的影响而引入的校止参数。农3l 为 天系表 表31f 与分辨率、刷新频率的关系 6 4 0 4 8 ( i8 0 0 6 0 0i ( 1 2 4 7 6 8 6 0 h z2 5 m h z4 0 m h zr j 4 m h z 7 5 h z3 2 m h z5 ( 1 m h z8 1 1 m h z 由傅立叶变换可知，若信号持续时问有限长，则其频谱无限宽：若信号频谱有 限宽，则其持续时间无限长。所以严格的讲，持续时间有限的的带限信号是不存 花的。所以用d f t 对连续信号进行谱分析必然是近似的，其近似程度与信号带宽、 震样速率和截取宽度有关。 d f t 的运算要满足采样定理，采样定律如下：设r 。( ，) 属带限信号，最高截止 频二莽为q 。，即x 。( q ) = 0 ，q 卜q ，。如果采样频率q 。 2 - q 。，q 、= 2 , r 7 1 ，那 么采样信号章。( ，) 通过个增益为t ，截止频率为q ，2 的理想低通滤波器，可以唯 地恢复出原模拟信号x 。( f ) ，2 q ，称为奈奎斯特速率( n y q u i s tr a t e ) 。q ，2 称为 折叠频率，信号频率超过它会折叠回来，造成频谱混叠。 实际的频谱分析时，显示分辨率是8 0 0 x 6 0 0 ，刷新频率是7 5 h z ，实测结果中 信号高于1 1 0 m h z 的分量基本上没有，计算时取信号截止带宽为12 5 m ，而根据采 样定理，采样率至少应该为2 5 0 m h z 。分析时可通过软件来获取图像的各个像素点 值，相当于以点频进行采样，而点频为5 0 m h z ，所以要保证每两个像素点之间再 采4 个点才能满足要求，这时可以通过下面提到的两种波形模型来采样其它信号 计算机显示系统t e m p e s t 技术研究 i 。信号截取宽度应尽量取大，为了快速地进行d f t 运算，截取宽度应为2 的幂 k ，j ，取1 0 4 8 5 7 6 个点，相当于半屏幕的点，满足了信号的随机性要求。下面以 r fl j ，为例说明处理过程： 0 1 o 图， 6 采样模型1图， 7 采样模型2 】) 做幅晡满屏显示五号字符的图片，并用软件把图片中各像素点值读求； 二) 为了满足采样率的要求，按照前面所提的两种模型，把其他的信号迹过 4 kr i ，j 法采样出来，组成新的采样数据： 3 ) 从震f i 数据中读取1 0 4 8 5 7 6 个点进行d f t 运算，进m 侔划 其功：筝谱律j 发 ( 如hl 划) ； ( t ) ：芝m ) ? k = o ，23 ，n 1 c 3 - - 8 ) 式中w = e 。，变换区间长度， 1 4 ) 将鲜来的各频点的, v 能量谱密度n 值j , j ，d 做f t 积分运算，可以得j 出, j 能0 量4 8 分5 7 6 彳jj 刳。 r t 0 4 85 6 ，l ：5 j “le f t p ( 厂) = x ( ) ： ( 3 - 9 ) ；：i ，lc ，p ( f ) 为频率f 以内的频谱分量的能量和，x ( k ) 是式( 3 8 ) 中d f t 的乐数 1 段，剧l 采样时，把文字信息对应的视频信号，看成由小同的矩齿形脉冲纠i 成， mj 采样模型2 采样时，把文字信息对应的视频信号，看成由不同的锯形脉冲组成， 以l 、是两种采样模型对应的五号字符的的频谱分布图。 刳 8 模型1 对应的5 号字频谱特性图图3 9 模型2 对应5 号字的频谱特性图 第三章计算机显示系统视频信息电磁泄漏分析 上图中可以看出，模型1 ( 图38 ) 中是以锯齿波形式进行传输的，模型2 ( 图 39 ) 中是以矩形波形式进行传输的，由傅立叶分析可以得之：锯齿波信号的高频 分量较矩形波信号的高频分量要小，并且其交流信号的总能量较矩形波也要小。 设模型2 中信号的总能量为】0 0 ，模型1 中的总能量为7 86 ，通过表32 看出 两种模型中各个频段内能量分布( 只考虑两个零点内】0 0 m 以内的分量) 。 表32 两种采样模型时对应的能量分布 溢跫 0 - 5 5 - 1 0 1 0 】51 5 2 0 2 0 - 2 5 2 5 3 03 0 3 53 5 4 i ) 4 ) - 4 54 5 - 5 l l 【模掣l5 77 1 54 1 22 71 6 42 2j o6 6 0i8 ( j ( j 2 ( j 摸型24 56 】3 】l7 83 7 66 ，46 ，25 j4 lj4 7 f j f j 8 j 淤 5 ( - 5 55 5 6 ( j6 ( 6 56 5 7 f i7 ( j 7 5 7 5 - 8 ( i 8 ( j 8 58 5 州j9 0 - 9 5”i ( i ( j 模裂l【j00 0 7 o0 3 0 【j 5 0 【1 6 5 ( j 【j 5 5 【) 0 3 0 【j 1 2 ( 1 【l ( 2 i l 。模型2t ) 0 6 02 7 05 6 o7 o8 2 07 6 05 3 ( 】3 6 01 4 ( 3 由上面的比较中可以得出以下结论： 字符显示时，视频信号是由不同宽度的脉冲串组成，而不问宽度的译个脉 冲其频谱分量在点频处都是零点，所以整个视频信号在点频的整数倍处，! 现明显的波瓣状； 点频的整数倍频点附近的频谱分量较小，9 7 以上的信号能量主要集中在 两个零点( 1 0 0 m ) 之内。它的辐射频谱的高频可截获部分往往是由y - 计算 机内部时钟信号或其它脉冲信号的调制作用而将低频波瓣搬移到岛频波 段，相当于种载波作f j ； 模型1 中低频分量的比重较模型2 要高，在单考虑个包络内的频谱分币， 时，模型2 中的能量分布较模型l 要分散的多，从防护的角度来讲，显然， 模型2 比模型1 更难防护。 目前主要的显示方式是v g a 和s v g a ，分辨率高，刷新频率高。由：f - t k 线性、 高速传输等因素，两个像素点间，信号以渐变的类似锯齿波方式传输，而不是理 论上的矩形波的方式，所以分析时采用图36 中信号模型在像素点之间采样，更符 合实际的波形。 以下就是满屏一号字和五号字符时的频谱特性。 计算机显示系统t e m p e s t 技术研究 幽： 1 0 号字频谱特性图图、 l i 五号字的频谱特性l 划 l l j i 【f i j 的比较中可以得出以下结论： 随着符增大，其信号频谱中交流分量的总能量减少，这主要是因为字符 增大后，笔划变宽，字距变宽，其信号频谱中相应的频谱分量信号中交变 部分较小字符要少，所以其频谱内交流分量的总能量减少。数据表明，以 满肝5 号宇显示时，其交流分量总能量为1 0 0 ，而满屏显示l 号亨i i , ， j e 交流分量总能量为7 04 。 随符：符的增大，其信号频谱上，低频分量的比重相对增加，这主要是因 为笔划变宽导致信号中宽度大的脉冲信号比例增多引起。表33 以1i ；宁 竹和5 号字符为例，说明这种变化。 表33小h 】7 符的频域能量分自 湃地m h z ) j 搿 0 - 55 l 【j1 0 1 51 5 2 02 0 2 52 5 3 t j3 【j 3 53 5 4 ( 14 1 - 4 54 5 5 ( 1 i ：j j ? 符 6 l9 2 26 1 0 33 5 l0 2 0 4 5 02 9 0 1 4 【j0 2 ( 1 i ：r j ? 符 5 77 l54 1 22 7 1 6 42 2 1 06 6 0 1 8 【l 【1 2 0 从表一1 n 叮以看出，随着字体的增大，信号频谱中低频的成分相对比重会越来 越高，此b t 以得到：字符越大，其信号能量分布越往低端靠近。 2 2 抑制文字信息对应的视频信号泄漏的的关键技术指标 按照文献 1 中的介绍，t e m p e s t 接收机可以通过接收视频信号中的一个波瓣 泉峡班信号的复现，而波瓣的宽度及频谱组成，决定了其泄漏特性。 。j ：符5 & _ ：时，由于不同的笔划宽度对应不同的脉冲宽度，笔划宽度从个像 袅刘h