（机械制造及其自动化专业论文）防视频信息泄漏的数字信号处理技术.pdf

声明 创新悄声明 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制料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：聋查匙车 日期兰! ! f ：垂：! l 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：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沦文。 本人签名：盘趱 日期三竺! ：! ! j j ： 导师签名：鲍查五日期兰! ! ：圭! ! ! 摘要 本文首先对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对两种全新的防视频信息泄漏技术( 数字滤波与伪 发射技术) 进行了实际测试，验证了它的有效性、可行性，并针对它们的不足之 处提出了软件和硬件相结合的新方法。数字滤波和伪发射技术都是对于数字信号 而处理的，由于视频数据量及传输率都极大，单纯用软件实现无法保证处理、显 示的实时性，本文设计了一个基于t m s 3 2 0 v c 5 4 9 芯片的高速实时图象采集、处 理和显示系统，解决了高采样率、高数据量和数据高传输率所带来的系统无法实 时工作的问题。 本文所设计的防视频信息泄漏系统包括视频采集、视频处理和视频显示三大模 块。系统采用高速d s p 芯片和c p l d 器件完成所有的视频信号采集、传输、处理 与显示操作控制，高速可靠，不仅对计算机性能没有影响，而且可以满足对实时 性的苛刻要求。 关键词：视频信息泄漏数字滤波抖动技术图象处理t m s 3 2 0 v c 5 4 9 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 ee l t ：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 rs y s t e m s 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 s t h a te n a b l et h e s 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 a t i o no fc r tm o n i t o r t r a n s m i t sa tv e r yl 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 t h et w on e w t e c h n i q u e sa r ec o m p l e t e l yd i f f e r e n tf r o mt h ec l a s s i co n e sf o ra n t i - l e a k a g e o fv i d e o i n f o r m a t i o n ，w h oc a no v e r c o m em a n yd i s a d v a n t a g e so ft h ec l a s s i ct e c h n i q u e s ，s u c ha s h i g hc o s ta n dl o wp e r f o r m a n c e t h i r d l yt h ep a p e rv a l i d a t e st h et w om e t h o d st or e d u c e t h ei n f o r m a t i o nl e a k a g eb yae x p e r i m e n ta n dg i v e sal i t t l em e n d t h ed i g i t a lm e t h o d s a r ev e r ye f f e c t i v eb u ti f t h em e t h o d sa r ei m p l e m e n t e do n l yb ys o f t w a r e ，t h ep e r f o r m a n c e o fc o m p u t e rs h a l lb ei n f l u e n c e db a d l y 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 s t h es o f t w a r ew i t hh a r d w a r e a l lt h eo p e r a t i o nc a nb ec o m p l e t e do n l yb yt h ed s ps y s t e m q u i c k l y , t h u st h er e a l t i m er e q u e s tc a nb es a t i s f i e da n dt h ep e r f o r m a n c eo fc p u i s n t d e p r e s s e dl a s t l y ，t h i sp a p e rg i v ead e t a i l e dd e s c r i p t i o na b o u tt h ed e s i g no ft h ed s p s y s t e m ，w h i c hi sb a s e d o nt h et m s 3 2 0 v c 5 4 9 ，i n c l u d i n gi m a g ec o l l e c t i o n ，i m a g e m a n i p u l a t i o na n di m a g ed i s p l a y k e y w o r d s ：a n t i - l e a k a g eo f v i d e oi n f o r m a t i o nd i g i t a lf i l t e r d i t h e r i n g t e c h n i q u ei m a g em a n i p u l a t i o n t m s 3 2 0 v c 5 4 9 塑二皇堕笙： 第一章绪论 1 1t e m p e s t 技术概况 利用信息设备的电磁发射来获取信息情报要比其它方式得到情报更为及时、 准确、广泛、连续，而且安全、可靠、隐蔽。早在5 0 年代，国外就注意到信息电 子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 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。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 际窃收和解译的难度。此外，还可以采取乱真发射的方法施加干扰，避免有意窃 收，但这与电磁兼容的宗旨是违背的。 计算机系统是各种信息技术设备中最为关键和重要的组成部分，它的应用早 已渗透到政治、军事、金融和商业领域的各个部门，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，因而也是t e m p e s t 问题中的主要 研究对象之一。 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i 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 一5 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 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 s l a t ) o r a t o r y t 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 在制订自己相应的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 的t e m p e s t 标准已势在必行。 在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，其发展水平与 技术实力表现在诸多方面。从测试接收角度看，包括测试指标、标准、方法、设 备、信号处理、解译能力等；从防护技术看，包括基础材料、低噪声源器件、电 路设计、电磁兼容技术等；从智力和经济投入看，包括电磁兼容、通信、计算机 防视频信息泄漏的数字信号处理技术 等各种专业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厂家； 从组织与管理看包括研制、生产、验收、使用在内的一整套由政府到厂商的攻关、 协调和管理机构。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 发展上的总体水平和优势。 自“八五”以来，我国开展了型号及预研工作，通过对计算机t e m p e s t 技术 的深入的研究，在低泄漏微机及外设的研制、相关标准的制订、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，基本满足了军事、情报、政府部门 的急需。但综合来看，由于起步晚以及基础薄弱及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距。 1 2 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。由于显示信息的视频信号都是串行控制，产生的电磁信息泄漏不仅强度大， 而且可以较为容易地实现时分接收、频分接收和方位接收，所以c r t 显示器是主 要的信息辐射部件之一。因此对计算机系统的视频信息电磁泄漏的研究就显得十 分重要和紧迫。近几年，国内一些单位对视频信息电磁泄漏及其防护机理、视频 显示器辐射信息的接收与复原机理，以及电磁信息泄漏防护技术等课题的研究上 取得了不少成果与经验。这些开拓性的研究为我国t e m p e s t 技术的发展及其今 后的研究奠定了很好的理论与实验基础。但综合来看，许多课题还有待于进一步 深入和扩展。 目前我国实际采用的电磁信息泄漏防护技术主要存在成本高、效果不理想等 缺点。为此本文针对计算机显示器中视频信号的电磁泄漏机理进行了分析，基于 采用软件方式对视频信号进行数字处理的新的防护技术，即数字滤波技术与伪泄 漏技术，提出了采用软件和硬件相结合的防信息泄漏新方法。这种方法不仅超出 了常规的电磁兼容方法，而且克服了软件t e m p e s t 技术难以具体实现实时性的 缺点，为我国t e m p e s t 技术的发展提供了新的方法。软硬相结合的方法就是在 原有防视频信息泄漏算法的基础上，建立一个数字信号处理( 图象处理) 系统， 使得这些算法都由此系统来执行，而不需要原计算机系统的协助，对于计算杌系 统的性能没有丝毫影响，此软硬件结合系统包括图象采集、处理和显示三大块， 由通用数字信号处理器来作为系统的c p u 。但是由于成本的限制，本文设计的系 统主要面向桌面办公等显示图象动态范围不太大的场合，对于高动态的图象显示 比如电影等，因为窃收比较困难，所以本系统也没考虑这种场合的应用。 具体来说，本文所作的工作有： ( 1 ) 对计算机显示系统的结构和其中视频信号的电磁泄漏机理进行了分析。 第。章绪论 ( 2 ) 分析了采用软件方式对视频信号进行数字处理的防护原理。并结合实际测试 论述了这种方法的可行性和有效性。 ( 3 ) 针对采用软件方式对视频信号进行数字处理的防护技术的缺憾，提出了软件 和硬件相结合的新的信息防泄漏力法。 ( 4 ) 根据视频信号的特点，结合常用的应用，估算了系统对计算速率的要求，确 定了图象的采样率，选定了实现系统的器件，确定了信息防泄漏附加系统的 实现原理和结构。 ( 5 ) 具体地给出视频信号处理系统的硬件和软件实现方法。 ( 6 ) 为以后的工作提出了应该研究的方向和所要解决的问题。 防巍频信息 | l 满的数学蠡号处理技术 第二耄计算机显示系统电磁泄漏分析 在各类计算机显示器中，最常用豹是c r t 显示器，邵酮辍射线管箍示器。根 据扫描方式的不同，c r t 显示嚣又可分成两类：随机扫描显示器和光栅扫描显示 嚣。叁于光瓣摆捶显示嚣链生戏亵度遥真麴图攘，赝必需豹毫容量懿显示v r a m 价格的大大降低，使得c r t 光栅扫描显示器的应用越来越广泛，本论文都是针对 光栅扫描显示器进行研究的。 21 计算机提示系统结构及上作原理 计算辊显示系统主骚由三部分构成：个是数字式静存储嚣，静赖缓冲器( 又 称鼹示存储器t a m ) 。用于存储所显示的图形、图像或字符的亮度值矩阵；另一 个楚燕程器；第三部分是显示控铡爨，它摆犊缓冲瓣趋瞧骞传送给篮援爨。为了 在烂示屏上保持稳定的厕面，必须以每秒3 0 次以上的频率把圈像数据重簸地送给 监视器。 显示系统鹣构成翔圈2 。l 所示。它出接翻、l | 交缓挣器、褪颓接口、c r t 釜褪器 等组成。计算机把处理好的图形数据通过按口送到帧缓冲器存储。显示时，在显 示掩制电路的控割下，按顺序读取每一个像素信息，然后通过援频接口邀到c r t 监视器进行鼹示。 昂示卡视频信号 程么 c i 鼹 主h 接j 、 帧缓冲器 频 监 机、r 一- 1 口 、叫 叫接 视 口 丁 器 码显基出+ 垂2 1诗舞罄毛显承系统组藏示滤圈 第二章计算机显示系统电磁泄漏分析 2 2显示卡的结构和输出信号 计算机显示系统也可以看作是由显示卡和显示器组成。显示卡又称显示适 配器，是计算机与显示器之间的接口部件，用于把来自主机的显示数据经c r t 控 制器处理后通过视频电缆送到显示器显示。 显示卡主要经历了三个发展阶段：第一代标准是：m i ) a 、c g a 和h g a 。第 二代标准是：e g a 和p g a 。第三代标准是：v g a ( s v g a ) 、m c g a 和i b m 8 5 1 4 a 、 x g a 。第一代和第二代已经不在使用，目前主要使用的是s v g a 和x g a 显示卡。 因此本论文不再讨论过时的显卡，只针对s v ( 认以上显卡进行研究。 图2l 中的虚线框中所示的就是显示卡的结构，主要由图形控制器，存储器， 并串转换器，属性控制器，时序控制器c r t 控制器等部分组成。 图形控制器g d c 主要完成c p u 对显示缓冲区的操作，它支持几种逻辑运算， 完成v r a m 区的数据修改和给定模式的颜色比较等操作，但g d c 只能控制平面 式内存结构的数据操作，端口地址为：3 c d 、3 c e 、3 c f 。 帧缓冲器是一大块连续的视频数据的存储区域，它由若干个位平面组成。视 频数据以二进制的形式存储在帧缓冲器中。 串并转换器将来自v r a m 的并行数 据转换成串行数据流送入显示器。 属性控制器决定显示器正文和图形 以何种颜色显示，它将v r a m 中的信息 转换为颜色信息送入显示器。 时序发生器产生c r t 控制器及 v r a m 所需的时序信号，它用于解决 c p u 和v g a 的图形控制器访问v r a m 的时序冲突，并允许c p u 在动态显示时 访问v r a m 。 c r t 控制器( c r t c ) 是v g a 的主要 寄存器组，它完成显示器控制、确定频 率、以及确定c p u 和v r a m 、c r t 显 示之间的地址。 a 行同步信号波形 b 场同步信号波形 图2 2 显卡输出同步信号波形 对于v g a s v g a 显示卡，显示卡输出的信号是模拟信号。这样? 信号接1 ：3 也 是模拟信号接口，不同的模拟信号电压可对应不同强度的颜色值，因此就模拟信 号接1 3 而言，理论上可获得无限的颜色值。本文的设计也是只针对模拟信号接口。 v g a 通过1 5 芯的视频电缆与显示器相连接。其中的信号包括红、绿、蓝三色 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 6 防视额信息港潲的数字信号处理技术 频率一定的辣渖，它释疆波形鲡鹜2 ，2 掰示。鑫圈可楚，场同步信号j 鞠行司多信号 的周期都是恒定的，其周期的大小与烂示分辨率及屏幕刷新频率有关。 缝对s 3 燕示卡濑试，可测褥： 分辨率为6 4 0 4 8 0 ，场频为6 0 h z ，逐行扫描的显示系统，行同步信号的 正程蠲期t 2 = 2 7 。7 # s ，遂程弱麓t 1 = 4 # s ，场潮步竭蘩为1 66 7 m s 。 分辨率为8 0 0 6 0 0 ，场频为6 0 h z ，运行扫描的显示系统，行同步信号的 正程瘸凝t 2 = 2 3 7 # s ，遴程趱凝t l = 4 # s ，场麓步周期为琏6 7 m s 。 分辨率1 0 2 4 7 6 8 ，场频为7 5 h z ，逐行扫描的显示系统，行同步信号的正 程鼹凝t 2 = 1 38 # s ，遴攫周鬃t l = 32 # s ，场强多羯期为t 3 3 3 m s 。 行同步和场同步信号都是一定频率的脉冲，其电压峰峰值大约都是 1 2 0 m v 。在援凝售号中包含蠢曩步壤号豹成分，在委程期阙，宅是连续 的，没有规律的模拟信号，其电压峰峰值大约都是6 0 0 m v 。 2 3彩色c r t 鼹示器结构及工作原理 藤示器怒计算梳信怠灌漏的主要洼漏都件。西前显示器行颡范围可戳为 1 5 k h z 1 2 0 k h z ，场频可以为5 0 h z 1 2 0 h z ，可以兼容多种显示卡，也可以进行多 种模式显示。 从功能上彩色c r t 显示器可分为如下一必功能模块，如圈2 3 所示。 显示专 输出的 r 、g 、 b 模拟祝 壤信号 场同步信 亍鞫步售 图2 。3c r t 照示器原理框图 其简要工作原理如下： 奎诗葬瓿嚣示卡输出蠡每鼗、g 、b 三赣模拟疆赣信号( 约为o6 v p p ) ，经筏频电 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视 频预簸理，菇每援鬃放丈毫黪镩疲敖大器；l ：麓，窦藏砖笼痰控铡嚣畿平囊控爨等 功能。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 ) ，褥输 第二章计算机显示系统电磁泄漏分析 7 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 i 玎的阴极上，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，经电缆及阻抗匹配电路输入到同步 信号处理模块产生负极性同步脉冲，分别送到行扫描、场扫描、频率电压变换及 场幅自动调整电路，以同步行、场振荡和进行多种自动控制。 2 4c r t 显示器的光栅扫描 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2 4 和图25 分 别给出了典型的水平及垂直信号及其对应的屏幕显示。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。如图2 5 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 左边 门入入入 v vv vv 水平 水平扫描时间 |。 、 ， 、 垂直 - q 垂直扫描时间 图2 4 水平与垂直扫描信 始点，当电子束扫描到屏幕的右下角时，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扫描过程。 在水平回扫和垂直回扫期间，要对电子束进行抑制( 消隐) ，使回扫线不致在 屏幕上显现出来，当电子束横过屏幕作水平移动时，用图象( 视频) 信号控制电 子束在各点的亮度，以便在c r t 屏幕上形成图象。当视频信号改变时，屏幕上的 数据信息也随之改变。因此不难推断出，以光栅扫描方式进行数据显示，其信息 泄漏的主要来源是视频部件及与其控制信号相关的电子束电流。而偏转系统的辐 射频谱中则主要包含了行扫与帧扫的频响特性。只要能接收到这些辐射信号，通 过必要的自适应滤波、放大、解调、锁相、分离等手段。便可以得到再现数据所 防视频信息泄漏的数字倍号处理技术 必需的视频控割信号和偏转扫撼信号，从而馒泄漏的数据信息得到复原。 图25 扫描最示 2 ，5 计算枧视频信息泄漏分析 截获信息只是窃取信息的手段，将所截获的信息迸彳亍复现才是耳的。从红，黑 工程的角度看，被截获后能够恢复出有用信息购信号就是所谓的“红信号”；而被 截获后不熊恢复如有熙信息的信号就是所谓的“黑信号”。因此，t e m p e s t 技术 的霪要内容之就在于系统中红、黑信号的划分。由此可见，要对计算机显示器 的信息泄漏避行t e m p e s t 防护，就必须从复璐的角度来看什么样的信号迳红信 号，g 口截获后可以被复现。 计算机系统中，信息麴传送不乡 乎为并行传送帮串行传送两种方式。并行传送 的信号就很难复现。这是因为一个完整的债怠被二避制化后进褥并行传送戚处理， 尽管可能产生辐射，但由于并行线之阀的闫隔很小，对于截获者来说，所截获的 信息相当于发自个源，这就很难用物理分隔的方法分剐接收。另外从时域采看， 并行信号都是同h 寸发射，也无法采用时分的方法进行接收。扶频域上来看，并行 信号趵发射频率相同或相似，频谱分量相阔或相互覆盖，因此也无法采用频分的 方法接收。而率行信号不其备上述势行僖号的特点，可以较为容易她实现时分接 收，频分接收和方位接收。因此可以认为串行信号是红信号。 从前面对计算梳显示系统的分李斥可以器出，要密取显示器上的信息，必须要获 褥r 、g 、b 三路视频信号和符、场同步信号，并且这些信号都是串行信号。但由 于接收梳的行、场同步信号可以从多 部产生，只要它们与计算机屡示器的同步信 号襁一致，鲫掴攒频率辊网、起始相位相同( t e m p e s t 接收桃上一段都带有可调 的同步信号恢复电路) ，在截获了r 、g 、b 视频信号后，接收机裁可以重现显示 器上的信息。另一方面，即使要用接收枧接收行场同步信号，但其实用接收距离 也是十分有限的，这是出平显示器中扫描信号的频率相对较低，强度筘距离都很 第二章i p 算机显示系统屯碰泄漏分析 难满足实用要求。因此对计算机显示器信息泄漏的分析和防护重点应放在r 、g 、 b 三路串行视频信号及其处理、传输上，可以暂不考虑行、场同步信号，可认为它 们是黑信号。本文所要分析和处理的即是r 、g 、b 这三路视频信号i 就计算机系统而言，视频信号( 红信号) 通路包括了显示卡的视频输出、视频 接口、视频电缆、末级视放与驱动电路和c r t 等。这些通路都会产生程度不同的 电磁辐射和信息泄漏，可以说，视频通路驱动电流大，暴露空间多，串行信息丰 富，比起其它部件更容易产生信息泄漏问题。 研究表明：视频电缆的辐射在整个视频通路的辐射中占主导地位。因此，如 果我们在视频信号经过视频电缆传输到c r t 显示器之前就对其进行处理和采取其 它防电磁泄漏措施( 如屏蔽等) ，就可以有效地减少视频信号被截获的可能性。 o 防视频信息泄漏的数字信号处理技术 第三章视频信号的软件t e m p e s t 处理方法及测试 3 1 引言 前面已经详细介绍了显示卡及显示器的结构和泄漏机理大家知道：计算机显 示系统的信息泄漏主要由视频信号引起，而视频信息的能量主要集中在中低频频 段，它的辐射频谱的高频可截获部分往往是由于计算机时钟信号的调制作用而将 辐射频谱的中低频部分搬移到较高频率处的，相当于一种载波效果。因此除了应 对视频信号的高频辐射采取一定的措施进行防护外，更重要的是对中低频段的辐 射进行抑制。但是要用模拟滤波器滤除视频信号中该频段的频谱分量，使视频信 号在该频段的衰减达到t e m p e s t 的要求是非常困难的，而且成本也会非常高。 如果采用数字滤波器代替模拟滤波器进行滤波，便可以使问题得到解决，因 为对数字滤波器来说，滤除信号的低、中频成分正是其最大的优点之一，而且数 字滤波器具有高精度、高稳定性、实现灵活且不要求阻抗匹配等优点。 既然视频信号的高端及其谐波更容易产生信息泄漏，在对视频信号做数字滤 波的同时，我们还可以伪造高频视频信号，使其叠加在原有的视频信号上，这样 既不会影响原来正常的显示，而且还会使窃收机接收到虚假的信息，从而更好地 防止信息的泄漏，这就是所谓以假乱真的伪泄漏技术。 3 2t e m p e s t 软件实现与常规方法的比较 目前国内实际采用的电磁信息泄漏的防护技术主要有屏蔽、加装滤波器、分区 与隔离、伪泄漏技术和加密等方法。 屏蔽方法，如c r t 显示器采用整体屏蔽，即利用金属箱( 壳) 将整个显示器 屏蔽起来( 显示屏采用丝网或镀膜屏蔽玻璃) ，达到一定的屏蔽效果。但这种方法 的缺点是虽然可以达到一定的屏蔽效果，但却不容易提高，难以满足t e m p e s t 技术要求。连接电缆的电磁泄漏主要是采用屏蔽电缆和加装滤波器进行处理，其 中屏蔽电缆的屏效也受到其物理特性的限制。 滤波处理是预防信息电磁泄漏的一种有效的技术方法，借助滤波技术，可以显 著地抑制信息泄漏。目前广泛使用的都是由电阻、电容和电感组成的模拟滤波器， 其使用也有较大的限制。例如滤波器与电路中的输入端和负载端必须匹配，输入 与输出之间要实现隔离，并且还要考虑其额定电流电压、温度特性、可靠性等因 第三章视频信号的软件t e m p e s t 处理方法及测试 素。另外如果要将视频信号中的较低频段的部分滤除掉，模拟滤波器中的电感电 容数值可能很大而不易实现，从而提高了成本。 分区与隔离技术是根据信息泄漏的可能性和防护要求将各种设备系统进行区 域等级( “红区”和“黑区”) 划分，然后对使用环境中隶属于不同分区的设备系 统实施电磁隔离。这种方法比屏蔽和滤波的方法更为方便、经济和有效，但是如 果要将“红区”和“黑区”彻底分离是十分困难的，特别是对于有复杂信号类型 的系统，难度很大。 除了上面这些基本方法外，信息电磁泄漏防护的技术方法还有伪泄漏方法如 白噪声法。白噪声法是利用白噪声发生器产生频带较宽、幅度较大的白化噪声， 使其在幅度和频谱上淹没信息辐射频谱。但这种方法是违反有关的电磁兼容规范 的，并且利用自适应等相关技术完全可以从白噪声中提取有用信息。 另一方面，如果只采用常规方法对显示器进行电磁信息防护，如果要达到 t e m p e s t 要求，则显示器的成本会非常高，一般为原来的几倍到十几倍，从而使 其应用受到了极大的限制。 由此可以看出，采用常规的方法对显示器进行信息电磁泄漏的防护并达到 t e m p e s t 技术的要求是非常困难的。为此，本文转换思路，提出了采用视频信号 数字处理的方法来对显示器进行防视频信息泄漏，具体方法是先把视频信号数字 化，存储在缓存器中，然后对数字视频信号进行数字滤波和数字伪发射处理，这 种用软件实现的t e m p e s t 技术称为软件t e m p e s t 。 软件t e m p e s t 方法具有以下明显的优点：成本低，效果明显，可以克服常 规方法的高成本、笨重、效果不理想等弊病，可以满足大量应用的要求。因此， 本文以软件t e m p e s t 为基础进行了方案的改进，提出了软硬件相结合的数字信 号处理方法。 3 3t e m p e s t 处理的软件方法 大家都知道，数字信号处理具有许多优点，其最大的优点就是可以实现高性 能的指标要求；而且应用灵活，改变软件就可以完成不同的功能。所以在防视频 信息泄漏的研究中也可以应用数字信号处理技术。对视频信号进行t e m p e s t 处 理离不开t e m p e s t 的算法，下面就逐个介绍。 3 3 1 视频信号的数宇滤波 计算机显示系统的信息泄漏主要由视频信号引起，而视频信息的泄漏又大多是 通过高频频段的辐射而造成的。所以要对视频信号进行滤波，滤除视频信号中的 高频分量。视频信号的能量主要集中在中低频段，滤除高频分量后对显示效果的 防视频信息泄漏的数字信号处理技术 影响很小，甚至无法觉察。因为数字信号处理具有高精度、高稳定性、实现灵活 且不要求阻抗匹配等优点所以采用数字滤波的力式来完成数字视频信号的滤波 是很合适的。经过数字滤波器的处理，会得到比模拟滤波器好得多的效果。 数字滤波器包括i i r 和f i r 滤波器，从性能上来说，i m 滤波器可用较低的阶 数获得高的选择性，所用存贮单元少，所以经济且效率高。但是这个高效率是以 相位的非线性为代价的。选择性越好，则相位非线性越严重。相反，f i r 滤波器却 可以得到严格的线性相位，然而对于同样的滤波器设计指标，f i r 滤波器所要求的 阶数可以比1 1 r 高几倍甚至十几倍，因此成本高，信号延时也较大。 由于本文所要进行滤波的对象是数字视频图象信号，我们的设计目标是将显示 器视频信号的中高频部分滤除掉而尽可能保证图象质量，因此要求滤波后的图象 应不会产生严重的相位失真，而f i r 滤波器所具有的严格线性相位的特点就可以 满足这一要求。所以这里只介绍f i r 滤波器。 由前人研究可知：对于同样的指标要求，等波纹逼近法设计的滤波器相对于窗 函数法设计的滤波器具有较低的阶数n ，而f i r 滤波后的图象失真主要表现为整 幅图象的时移t = 1 2 ( n 1 ) ，因此用等波纹逼近法设计的滤波器产生的时延小，失 真小，故在系统的设计中采用等波纹逼近法设计f i r 滤波器。 f i r 数字滤波器输入输出关系用下面的差分方程来描述： 一l ，( ”) = y ： ( 0 x ( n f ) j = o 其中：x ( n ) 是输入序列，y ( n ) 是输出序列。h ( i ) 是滤波器系数，n 是滤波器阶数。 相应的传递函数为 一l t z ( z ) = 乏：h ( n ) z 一 h = o 由此看出，差分方程的系数正是 ( n ) 的相应的序列值。图3 2 是f i r 滤波器一 般结构。 ， 在数字滤波器中，f i r 滤波器具有如下几个优点： ( 1 ) 可以在幅度特性随 意设计的同时，保 证精确、严格的线 性相位： 图3 1f i r 滤波器的一般结构 ( 2 ) 由于f i r 滤波器的单位脉冲响应h ( n ) 是有限长序列，因此f i r 滤波器没有 不稳定的问题： ( 3 ) 由于f i r 滤波器一般为非递归结构，因此在有限精度运算下，不会出现递 第三章视频信号的软件t e m p e s t 处理方法及测试 归结构中的极限震荡等不稳定的现象，误差较小； ( 4 1f i r 滤波器可采用f f t 算法，从而提高运算效率。 f i r 滤波器的设计方法主要有窗函数和频率抽样设计法，这两种方法都可以编 写计算机程序来设计。但是有许多数字信号处理程序包可以更加容易地设计数字 滤波器，比如：著名的m a t l a b 程序包。 在m a t l a b 中包含了许多实用程序，滤波器设计就包含在t o o l b o x 下的s i g n a l 中，下面介绍用m a t l a b 设计f i r 滤波器。 ( 1 ) 设计低通f i r 滤波器( 采用h a m m i n g 窗) b = f i r i ( n ，w n ) 其中，n 是滤波器阶数，w n 为归一化截止频率，00 w n 口等( o a 2 q 。，q 。= d r t ，那么采样信号量。( f ) 通过一个增益为t ，截止频率 为n 。2 的理想低通滤波器，可以唯一地恢复出原模拟信号l ( 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。在这里，理想滤波器的传输函数g ( j n ) 为 g ( j d ) = r h 一 时刷新储号和并，帛转换器、 图6 7v r a f i 的写时序 d 艟转羧器载时钟。 图6 8 驻示控制器结构图 在讨论这些信号如餐爱c p l d 实现之翦，蓠先讨论- fv r a m 豹操 乍过程。 t a m 的写操作楚把d s p 计算完毕的数据写入v r a m ，麓过程如黼6 7 所示：d s p 首先送出行地址加在a 0 a 8 上，而后送出p a s o 锁存信号( 假设访问第一页) ， 在r a s 0 熬- f 辩澄将霉蟪蟪镁存在蕊片麦郝。攘善将列建蛙翻鬟蕊冀静a 0 a 8 上，再送出c a s 0 锁存信号，在c a s 0 下降沿将列地址锁存在芯片内部。同时w e t 信号有效( 为低魄平) ，加上要写入鹩数据，则将该数据驾入选中鹃存糖单藏。如 果d s p 精v r a m 豹访问娶换页，刚c p l d 使，k a s o 和c a s 0 信号为离电平( 炙效) ， 防视频信息泄漏的数字信号处理技术 使r a s i 和c a s i 有效，选中第二片v r m v l ，对它进行读写和传输读操作。 v r a m 的传输读操作是把d r a m 存储阵列中的数据传输到s r a m 部分，并 在s e 、s c 的控制f 从串口输出。选择对v r a m 进行阵列存取操作还是s r a m 和 d r a m 之间的传输操作取决于在r a s 下降沿e 时t r g 的状态，如果在此时t r g 是低电平，则选择传输操作。如果w e 无效，则会使行地址计数器加1 ，行地址对 应的一行数据从d r a m 移动到s r a m 中，当s e 有效时，在s c 的上升沿就会把 s r a m 中的数据串行移出。当行地址计数器计数到5 1 2 时，则执行换页操作，c a s l 和r a s l 有效，计数到2 5 6 时清零，自动指向第一页。传输读的读写时序见附录。 v r a m 的刷新过程是每次送出行地址加到芯片上，利用r a s 的下降沿将行地 址锁存于芯片内部，这时c a s 保持高电平( 无效) 。这样就可以对这一行的所有 列单元进行刷新。每次送出不同的行地址，顺序进行，则可以刷新所有各行的存 储单元。也就是说行地址循环一遍，则可以将整个芯片所有地址单元刷新一遍。 只要保证在芯片所要求的刷新时间内( 8 m s ) 刷新一遍，也就达到定期刷新的目的。 v r a m 的刷新时序见图6 9 所示。 图6 9 中，c a s 保持无效，只 丽 厂一 利用r a s 锁存行地址进行刷新。 这种刷新方式叫做“r a so n l y丽= 1 r e 厅e s h ”，除此之外还有许多刷新、厂_ ；五_ 、 厂_ 方式，但这是一种简单有效的刷新_ 方式奎兰蚤要篓竺之耋。 图6 9v ram的刷新时序4 如1 果在刷新时要跨页边界时， 。 执行换页操作，开始刷新第5 1 3 行到7 6 8 行，此时r a s l 有效，r a s 0 无效。 v r a i v l 的控制方块图如图68 所示：系统主要包括以下部分：r a s c a s 发生 器，刷新计数器，刷新定时器，地址多路选择器，数据传输控制器，行地址产生 器。 r a s c a s 发生器控制周期地产生r a s 、c a s 和刷新周期。r a s c a s 产生器 收到刷新请求信号( r e f r e q ) 或地址选通( a s ) 信号前在空闲状态等待。当收到 刷新定时器发出的刷新信号时，第一个时钟周期r a s 信号确立，等下一个时钟周 期r a s 稳定后，c a s 确立，并一直保持高电平，利用刷新计数器产生的刷新地 址，刷新所有7 6 8 行。当收到，a s 地址选通信号后，在第一个周期内，相应的r a s 信号确立，在第二个时钟周期，根据偏移量和请求的宽度确立相应的c a s 信号， 在此时钟内，地址选通应答信号d s a c k 信号也要确立。在第三个周期。撤消r a s 、 c a s 、d s a c k ，并返回空闲状态。 地址多路选择器控制连接到v r a m 器件上的地址。在空闲状态和g a s 产生 状态，它选择行地址( a 1 89 】) ，此时，s e l e c t = 0 ：一个时钟周期后进入c a s 产 第六章防视频信息泄漏的d s p 系统的硬件设计 5 5 生状态，此时s e l e c t = i ，选择列地址( a 【80 】) ：r e f 有效时在刷新周期t 则选择 刷新地址，首先送出刷新行地址，并用r a s 0 或r a s i 锁存起来，列地址锁存信 号c a s 一直处于高电平，随着刷新计数器的计数，完成刷新操作。 刷新定时器每8 m s 需要对7 6 8 行全部刷新一次。若时钟顿率为4 0 1 v i h z 则两 次刷新请求之间每个刷新周期的时钟数为3 1 2 。刷新定时器是一个自由运行的、从 0 到3 1 1 的计数器。当计数值为3 1 1 时产生刷新请求r e f 。 数据传输控制器，负责监控行输入、场输入信号，如果检测到场同步信号v s 的上升沿，计数器a ( 时钟频率为4 0 m n z ) 准备计数，如果此时检测到行同步信 号h s 的上升沿，a 开始计数，a 计数5 0 后，输出信号s c 在s c 的上升沿，数 据由v r a m 的串1 3 移位输出到并串转换器，在并串转换器按照移位时钟把并行 的两个点变成串行输出到d a 转换器。当计数器a 计数到1 0 7 4 时，停止计数， 并清零，同时还停止输出串行移位时钟s c 。同时，输出传输信号t r g 到v r a m ， 并使b u s y 信号有效，这时进入读传输操作状态，地址多路选择器选择行地址计 数器产生的行地址，把对应行地址的v r a m 阵列中的下一行数据传输到v r a m 的 s r a m 部分，为下一次显示做好准备，此时数据停止从v r a m 中输出，这一行的 数据输出完毕，等待下一个场同步信号h s 的上升沿，一场的数据显示完毕。 显示控制器的结构非常复杂，时序的正确实现比较困难，但是采用c p l d 器件 和m a x p l u s i i 设计、仿真工具，设计就变得比较容易实现。显示控制器中的计数器 及定时器采用l p m 宏设计起来很容易，r a s c a s 发生器的时序可以用m a x p l u s i i 软件仿真，保证时序的准确无误，由于篇幅所限，这里不在介绍。 6 7 3t m s 3 2 0 v c 5 4 9 与视频存储器( v r a m ) 的接口设计 前面已经介绍了v r a m 的结构和基本工作原理，这里将具体叙述v r a m 芯 片与数字信号处理器的接口方法。 v r a m 采用行、列地址复用输入的方法，虽然减小了体积。但是在运用时很 不方便。它不像s d r a m 那样容易和d s p 接口，必需一个专门的控制器来产生 v r a m 的读写时序和刷新时序，这样d s p 才能实现对v r a m 的正确读写操作。 t m s 3