（环境工程专业论文）视频泄漏信息截获图像的清晰化研究.pdf

中文摘要 摘要：针对信息处理设备泄漏发射导致的信息泄漏问题( 被截获与重建) 的 技术，在国际上被称为t e m p e s t 。t e m p e s t 技术的研究，有利于相关技术和学 科的发展及应用、加快社会的信息化进程，更重要的是，有利于建设完备可靠的 信息安全体系。本实验室在计算机视频信息泄漏截获技术的研究中，已经取得了 一定的进展，成功地在自建的t e m p e s t 攻击实验平台上完成了信息的复现，最 终实现了最远2 5 米的信息复现。但是，在视频信号的去噪处理、截获图像的清晰 化处理方面还未进行深入研究。所以本文重点对计算机信息泄漏截获图像的清晰 化实现进行研究。 本文从信号处理和截获图像处理两方面出发，详细讨论了计算机信息泄漏截 获图像清晰化再现的有关理论，并阐述了使图像清晰化的几个关键技术点和实现 方法；本文从理论上分析了视频信号的去噪处理方法，引入了互相关、自相关处 理算法和小波算法，并仿真了小波处理信号算法，得出了采用不同小波算法的信 号处理效果：对截获图像的后期处理方法进行论述，提出从图像去噪、图像增强 两方面对图像进行处理，并对两种理论加以分析。 在理论分析的基础上，本文重点进行了对截获图像进行的后期图像处理的研 究，引入了信噪比、信息熵的概念，进行图像质量改善程度的衡量；本文基于 m a t l a b 仿真工具，在图像的去噪处理中，利用滤波去噪、四阶去噪、小波去噪 三种方法对截获图像进行去噪处理，并对其结果进行量化分析，得出四阶去噪为 较优算法的结论；在图像增强处理中，利用对比度增强、灰度直方图增强、小波 增强三种算法，对结果分析得出小波算法为较好的截获图像增强方法。论文的最 后对截获图像的处理进行了综合分析，得出几种处理方法的优化组合方案。 关键词：t e m p e s t ；信息泄漏；数据采集卡；信息熵；图像处理 分类号：t p 3 0 9 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h et e c h n o l o g yo fi n f o r m a t i o nl e a k a g ew h i c hi sc a u s e db yl e a k a g e f r o mi n f o r m a t i o np r o c e s s i n ge q u i p m e n t ( t ob ei n t c r c 印t e da n dr e c o n s t r u c t e d ) i sc a l l e d t e m p s e t r e s e a r c ho nt e m p s e ti sn o to n l yi nf a v o u ro ft h ea p p l i c a t i o no f i n t e r r e l a t e dt e c h n o l o g i e sa n dd i s c i p l i n e s ，b u ta l s oc a na c c e l e r a t ep r o c e s s i n go fs o c i e t y i n f o r m a t i o n i z a t i o n w h a ti sm o r ei m p o r t a n ti st h a ti ti sb e n e f i tt oac o m p l e t ea n d d e p e n d a b l ei n f o r m a t i o ns e c u r i t ys y s t e m i no u rl a b o r a t o r y , s o m er e s e a r c hh a db e e n m a d eo nc a p t u r i n gt h el e a k a g ei n f o r m a t i o nf r o mc o m p u t e rv i d e oa n dt h er e c o v e r i n g d i s t a n c eh a dc o m eu pt o2 5m e t e r s h o w e v e r , t h e r ew a sl i t t l es t u d yo nn o i s er e d u c i n g a n ds h a r p e n i n go fc a p t u r e di m a g e s t h i sp a p e rw i l lp a ym o r ea t t e n t i o nt os h a r p e nt h e i m a g e sw h i c hw e r ec a p t u r e di nt h el e a k a g e t h i sp a p e rb a s e so nt h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t s ：s i g n a lp r o c e s s i n ga n di m a g e p r o c e s s i n g t h et h e o r yo fi m a g es h a r p e n i n gf r o mt h ec a p t u r e dc o m p u t e ri n f o r m a t i o n h a sb e e ne m p h a t i c a l l yd i s c u s s e d ，a n ds o m ek e yt e c h n o l o g i c a lp o i n t so fs h a r p e n i n g i m a g ew e r ea l s oe l a b o r a t e d c o n c r e t ea n a l y s i so ft h ea p p r o a c ht o t h ev i d e os i g n a l d e - n o i s i n gi nt h e o r yw a sm a d e ，a n dc r o s s - c o r r e l a t i o n ，a u t o c o r r e l a t i o na n dw a v e l e t p r o c e s s i n ga l g o r i t h mw e r ep r o p o s e d t h e nas i m u l a t i o no f t h ew a v e l e ts i g n a lp r o c e s s i n g a l g o r i t h m w a sm a d e , a n dr e s u l to fs i g n a l p r o c e s s i n gb yu s i n gd i f f e r e n tw a v e l e t a l g o r i t h m sw a so b t a i n e d ie l a b o r a t e do nt h ei m a g ep o s t - p r o c e s s i n gm e t h o d ，b r i n g i n g f o r w a r dt od e a l i n gw i t ht h ec a p t u r e di m a g ei nt w ow a y s ，t h e na n a l y z e dt h et w ot h e o r i e s a f t e rt h e o r e t i c a l l ya n a l y z i n g , if o c u s e do nt h ep o s t - p r o c e s s i n go ft h ec a p t u r e di m a g e ， i n t r o d u c i n gt h ec o n c e p to ft h es i g n a lt on o i s er a t i oa n di n f o r m a t i o ne n t r o p yt oe v a l u a t e t h ei m p r o v e m e n to fi m a g eq u a l i t y t h ec a p t u r e di m a g ew a sp r o c e s s e du s i n gf i l t e r , f o u r t h o r d e rp d ea n dw a v e l e ti nm a t l a b ，a f t e ra n a l y z i n gt h er e s u l t s ，if o u n dt h a t t h ef o u r t h o r d e rp d ed e n o i s i n ga l g o r i t h mw a sab e r e rm e t h o d i nt h ei m a g e e n h a n c e m e n tp r o c e s s i n g ，t h r e ea l g o r i t h m s t h ec o n t r a s te n h a n c e m e n t ，h i s t o g r a m e n h a n c e m e n ta n dw a v e l e te n h a n c e m e n tw e r eu s e d t h ec o n c l u s i o nw a st h a tt h e w a v e l e te n h a n c e m e n tw a sab e t t e rm e t h o d i nt h ee n do ft h ep a p e r , b yu s i n ga l lt h e m e t h o d sa b o v e ，ac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sw a sm a d et od r a wo p t i m i z a t i o ng r o u p st o p r o c e s s i n gt h ec a p t u r e di m a g e k e y w o r d s ：t e m p e s t ；i n f o r m a t i o nl e a k a g e ；i n f o r m a t i o ne n t r o p y ；, s i g n a lp r o c e s s i n g u n a g ep r o c e s s i n g c l a s s n o ：t p 3 0 9 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：张耗艳 签字日期： 2 d 哆年占月哆日 4 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：嗽辐 色 签字日期：i o q 年月哆1 7 1 导师躲陟殳 签字日期：2 0 0 ?月够日 致谢 两年的研究生学习生活即将结束，我也即将走上工作岗位，在此谨向在我攻 读硕士学位期间指导和帮助过我的老师和同学表示真挚的感谢。 本论文的工作是在我的导师沙斐老师的悉心指导下完成的。沙老师丰富的理 论知识、严谨的治学态度使我深受教诲，同时还教会了我许多做人的道理，使我 树立正确的科学观和人生观，这些都将为我今后的工作、生活指引方向，让我受 益终生。藉以此文完成之际，谨向教育我的导师表示衷心的感谢。 衷心感谢中国电子科学研究院的高斌博士、贾翠霞工程师，在科研能力的培 养、课题的研究、论文的深入等方面都给予我悉心的指导，二位老师深厚的理论 功底、一丝不苟的工作作风，使我受益压浅。感谢崔晓鹏主任、魏立柱师兄、张 海旭等在我实习期间给予我学习上的关心和帮助，在此表示衷心的谢意。 感谢王国栋老师，王老师孜孜以求的敬业精神给我留下深刻的印象。在我的 科研工作和论文撰写过程中都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 感谢电磁兼容实验室王强师兄、荣慧芳师姐在专业知识的学习上对我的帮助。 感谢实验室与我共同研究、学习的同学们，感谢他们在平时的学习和生活中对我 的帮助和支持。 最后，向关心支持我，并鼓励我不断进取的父母表示最诚挚的谢意和敬意。 1 引言 1 1 研究背景 2 0 世纪后半期计算机的发明，极大地说明了人类无与伦比的创造力l 。随着 计算机在各领域和行业的广泛应用，大量的数据处理及传输都依赖计算机完成。 然而，计算机在工作时，其各部件如显示器、i o 接口、传输线缆等所承载的电信 号都会产生不同程度的电磁辐射而造成电磁泄漏。由于泄漏的电磁信号中携带有 计算机信息，从而导致了信息泄漏。 针对信息处理设备泄漏发射导致的信息泄漏问题( 被截获与重建) 的技术， 在国际上被称为t e m p e s t 。t e m p e s t 的全称目前还没有固定的说法，这主要是 由于过去以美国为首的少数发达国家都是独立开展这项研究，其研究内容和技术 成果一直处于保密状态。有说法认为t e m p e s t 是美国政府的秘密计划的代码字 ( c o d ew o r d ) ，是一种随机的英文单词。不过一般看法是英文缩写，在民间一般认 为是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 ，也有人猜测t e m p e s t 是 美国政府组织的“风暴雨计划【2 】。无论由来如何，t e m p e s t 现在已成为对电子 信息系统的泄漏发射所进行研究和控制的代名词。t e m p e s t 技术研究包括理论工 程和管理几个方面，在技术上涉及电子、电磁、计算机、信息测量、材料化学等 多个学科领域。其研究对象一般包括，t e m p e s t 本身的接收、检测设备，计算机 系统及其外设，同时，只要与机要信息有关的网络、通信、接收系统、传真机、 打印机、电话等也是t e m p e s t 研究的对象。 计算机在处理信息的过程中，自身的电磁泄漏发射在对其周围电磁环境构成 污染的同时，也对信息安全和信息保密造成了严重的隐患。通过捕捉各种波谱尤 其是电磁波谱来获取所需情报和信息在国外已经是比较成熟的技术了，这是信息 处理技术在侦察领域中的集中表现。 在国际竞争日益激烈的今天，信息对抗的成败直接决定着竞争的结果。信息 电磁泄漏及其防护作为信息对抗的重要手段，已成为各国争夺的技术领域，对其 进行自主的、系统的、深入的研究具有极其重要的意义。 t e m p e s t 的威胁是多方面的，既包括电磁泄漏的威胁，也包括基于电磁泄漏 发射t e m p e s t 主动攻击h i j a c k 、n o n s t o 和声光泄漏的威胁等。随着国际上 局部战争的信息化、反恐的需要、经济领域的间谍战的出现，t e m p e s ta t t a c k 设备的需求量必将大量增加，同时对t e m p e s t 防御对策的研究也必须同步跟进 并不断完善。不过目前各国符合t e m p e s t 要求的信息处理设备主要还是用于外 交、国防等部门，民间很少使用。据资料报道在1 9 9 1 年的海湾战争中，美国发 射了一颗间谍卫星，该卫星装有先进的t e m p e s t 系统。该系统一方面用于截获 伊拉克及海湾地区的政治、军事等情报( 这些情报大多数是对方的电子设备无意电 磁辐射的) ，另一方面，该系统会释放乱真发射，以保证美军c 3 1 系统的情报安全 性【3 1 。 可见，进行t e m p e s t 技术的研究，不仅有利于相关技术和学科的发展及应 用、加快社会的信息化进程。更重要的是，有利于建设完备可靠的信息安全体系。 在目前复杂多变的国际局势下，总有一些敌对势力妄图破坏我们的建设、限制我 们的发展、扰乱我们的生活。鉴于信息技术设备的核心技术和工艺还掌握在技术 先进国家手中，我国的信息化建设主要依靠技术和设备引进，而且这种局面短期 内难以改变，必须独立自主地建设信息安全体系，尤其是信息电磁泄漏研究，自 主地推行t e m p e s t 计划。只有这样，才能打造信息战的尖端武器，占据信息对 抗的主动权，保障信息安全和国家安全。 本实验室在计算机视频信息泄漏截获技术的研究中，已经取得了一定的进展， 成功地在自建的t e m p e s t 攻击实验平台上完成了信息的复现，最终实现了最远 2 5 米的信息复现。但是，复现的文字信息在清晰度方面还不是很好，而且截获实 验中需要不断的调试外同步信号，造成了信息截获的实时性差、稳定性不好等缺 点。针对这些问题，进行信息截获图像的清晰化研究有着很重要的意义。 1 2 相关技术的研究现状 1 2 1 国外研究现状 1 9 6 7 年，美国科学家d r w i l l sh w a r e 就在当年的计算机年会上首次发表了阐 述计算机系统脆弱性的论文，但首次公开讨论这种威胁的是1 9 8 3 年在瑞典人 k n i s t i a nk e c k m n 发表的“l e a k i n gc o m p u t e r ”一书中【4 j 【副。t e m p e s t 的威胁的是 美国是最早研究t e m p e s t 的国家之一，也是发展最快的国家，其技术代表了当 今世界的最高技术水平。从1 9 7 0 年美国国家安全局制定n a c s i m 5 l o o 标准开始， 国家大量投资，厂家竞争激烈，个人计算机和工作站大量进入政府部门，军队已 经广泛采用t e m p e s t 设备，测试设备有突破性进展，测试场地和实验室己遍及 美国各地和各军兵种。在1 9 8 2 年，美国的包容式t e m p e s t 计算机一直占据主要 地位，在其后，包容式t e m p e s t 计算机逐步被更新的红黑分离式t e mp e s t 计 算机所取代。进入2 0 世纪9 0 年代，美国t e m p e s t 的技术标准名称从原来冠以 2 n a c s i ( 耳p 国家通信安全信息) ，标准修订后改为n s t i s s ( 臣p 国家安全电信和信息系 统安全) 。这说明t e m p e s t 的内涵已经发生了很大的变化，从原来的通信安全领 域扩展到信息系统安全领域f 6 】。但由于它的高度保密性，很难得知其具体内容。 北约组织各国是在美国t e m p e s t 技术发展的基础上进行的，采用美国的自 动化测试系统，因此很快地发展了自己的t e m p e s t 计算机和工作站。美国及其 西方各国的t e m p e s t 技术发展迅猛，不仅在政府和军事部门，在一些其它的需 要保密的商业、工业和科学研究部门，也广泛使用t e m p e s t 设备。 例如目前欧洲己经可以做到在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【7 j 。信 息电子设备的信息泄漏问题对计算机系统信息安全而言己经是一项刻不容缓的重 大问题，许多国家和地区的有关部门都展开了此项工作的研究和发展。 1 2 2 国内研究现状 我国自“八五 以来，在国防科工委的支持下，开展对计算机t e m p e s t 技 术的深入研究，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 开发方面取得了一定的进展，填补了我国空白，从而基本满足了情报、军事、政 府部门的急需岱j 。 在1 9 8 6 年的全国计算机应用展览会上，公安部的同志演示了用电视接收机天 线复现微机屏幕内容的实验。1 9 9 0 年清华大学石长生等讲了一个计划性很强的实 验，先使显示器处于清零状态不输入信息，测出指定频段2 2 0 2 5 0 m h z 内的辐射， 然后输入一种指定的信息码，由梯形脉冲组成的序列使屏幕出现均匀分布点阵， 这时在0 6 m 距离处用场强仪器测量辐射强度，用后者减去前者，得到真正的信息 泄漏强度分布为1 5 。3 2 d bv m 量级【9 】。1 9 9 2 年西安电子科技大学刘德修等，成功 地用黑白电视接收机截收了单显和彩显的屏幕信息，他们认识关键之点在于显示 控制器用数字时钟的基波和谐波调幅，而在数字时钟各谐波谱线两端分布着反映 视频信息的边带信号，由于谐波次数越高幅度越小，故在截收时发现在电视机低 频道截收效果较好，高频道较型1 0 】。 虽然取得了不小的进步，但是由于我国起步时间晚、技术难度大、学科门类 众多、测试及工艺水平低等因素，再加上先进的t e m p e s ta t t a c k 设备国外对 我国实行禁运，导致国内对t e m p e s ta t t a c k 信息重建的研究水平不高，在检 测频率范围、接收灵敏度、还原清晰度、同步稳定度、数字处理软件能力、运算 速度、自适应性等主要性能指标与国外有较大差距。使得该类技术在走向产品化、 市场化方面还有很长的一段路要走，许多课题的研究还有待进一步深入和扩展【l 。 3 所以，进行t e m p e s t 相关技术的研究，尽快缩小与国外先进国家的差距，是我 们的当务之急。 1 3 本文的研究内容和结构 本实验室从2 0 0 6 年起进行计算机信息泄漏技术的研究，取得了一定的进展， 成功搭建了复现实验平台，实现了最大距离2 5 米的信息复现。 本文继承实验室第一阶段的研究，在以往研究成果的基础上，针对各模块细 节上的优化设计进行深入研究。研究的内容主要包括以下几个方面： 1 分析实现截获图像的清晰再现的相关技术，研究复现过程中相关环节的参 数要求及设置。 2 研究对截获的信号进行信号处理的方法，进而提高由t e m p e s t 接收机输 出信号的信噪比。 3 利用m a t l a b 的强大的图像处理功能，结合本实验中复现图像的具体特 征，对截获的文字图像进行图像处理，从而使截获的图像更加清晰易辨。 4 对具体的不同大小类型的截获图像进行有效的图像处理方法的组合应用， 从而改进图像质量。 本文的结构如下： 第一章是引言，主要论述课题的背景和研究意义，以及目前t e m p e s t 问题 的研究现状，简单的介绍了该论文的研究内容和论文结构。 第二章是基本原理部分，分析了使图像清晰再现的几个关键技术点，包括对 信号的处理和图像处理部分。介绍了复现实验平台的组成及各部分的技术指标； 对复现实验中由t e m p e s t 接收机输出的信号波形进行分析，并对接收到的信号 进行相关算法和小波算法的仿真分析，并且分析了提取内同步信号的相关技术； 接着介绍了截获图像清晰化后期处理的相关理论；最后提出了衡量图像质量的几 种方法。 第三章是重点研究对截获文字图像去除噪声的处理方法，结合m a t l a b 的强 大的图像去噪处理功能，根据本实验中截获图像的具体情况，依次利用滤波器去 噪、四阶降噪去噪、小波去噪三种处理方法对图像进行处理，然后对各种方法的 处理结果利用信息熵、信噪比进行量化对比，加以结合人眼对图像的直观认识特 征，比较得出较佳的图像去噪处理方法。 第四章是重点研究对截获文字图像进行图像增强的处理方法，结合m a t l a b 的强大的图像增强处理功能，选择图像对比度增强、灰度直方图增强、小波增强 三种方法对图像进行处理，然后对各种方法的处理结果利用信息熵、信噪比进行 4 量化对比，加以结合人眼对图像的直观认识特征，比较得出较佳的图像增强处理 方法。 第五章是对截获图像的综合处理，包括结合本实验图像特征对图像进行的边 缘处理和图像求反的修正手段，然后在第三章和第四章的基础上，总结各种处理 方法中进行有效组合，得出处理截获图像的综合流程。 第六章是结论部分，总结了本文的研究内容和成果，分析了当前研究的不足 之处并提出进一步的研究方向。 5 2 视频信号清晰复现的相关理论 在实现了文字图像的复现后，t e m p e s t 截获技术平台需要在截获技术的实时 性，图像的清晰化方面得到改进。本文正是由此出发，结合实验实践，研究使图 像清晰的实现途径，包括对采集到红信号的信号处理，还有对后期接收到的图像 的图像处理。 视频信息截获的实验平台中，文字、图像信息的能否清晰复现，和复现平台 的各个环节都有着密切的关系，从前端的天线、同步信号发生器、t e m p e s t 接收 机，到后端的接收信号、截获的图像都会影响到我们最终能够看到的图像的质量。 2 1 复现实验平台介绍 复现平台使用的仪器设备包括两部分，一部分为接收机接收信号电路，另一 部分为同步信号生成电路。平台结构框图如图2 1 所示： 潺瀑发瓣霉 图2 1t e m p e s t 攻击实验结构框图【3 】 f i g u r e 2 1s t r u c t u r ed i a g r a mo f t e m p e s t a t t a c ke x p e r i m e n t 2 2 1 信息复现原理 我们在研究计算机显示系统的泄漏特性时，主要研究文字信息。这是因为在 实际应用中，计算机处理的保密信息大多是文字信息，与图像信息相比，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。 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序列“0 ”和 “1 ，对于二进制随机序列，信号s ( f ) 可以表示为单个矩形脉冲的时延和【l 。 s ( f ) = ：吃厂( f n r ) ( 2 - 1 ) 其中，”霹为0 或1 的随机数，厂( f ) = a g ，( f ) ，f 为脉冲宽度，那么s ( f ) 的谱密 6 度可表示为： s ( 国) = 八彩) k ne x p ( - j n o g r ) = m 其中f ( r o ) 为f ( t ) 的谱密度， ( 2 - 2 ) 八缈) ：a r s i n ( f o r ，2 ) ( 2 3 ) 国f iz 有上述公式可见，s ( r o ) 为无数个f ( r o ) 经不同相移后的叠加，对于f ( r o ) 的零 点，仍是s ( r o ) 的零点。所以s ( t ) 的功率谱密度如图2 2 中实线所示，除了主瓣之 外还有许多副瓣，每个波瓣的宽度为1 r 。随着频率的增高能量逐渐降低。但是根 据电磁场理论可知，随着频率的增高，其辐射效率也在提高，所以其辐射出去的 功率谱近似如图2 2 中的虚线所示。 图2 2 视频信号辐射功率谱 f i g u r e 2 2r a d i a t i o np o w e rs p e c t r u mo f v i d e os i g n a l 信息截获过程中接收机采用幅度解调方式，只要得到视频信号，s ( f ) 的任意一 个波瓣就可以恢复视频信号，而波瓣的宽度和频谱组成，决定了其泄漏特性。在 实际应用中，可以通过把接收到的辐射频谱和理论分析的辐射特性相比较来确定 所显示字符。如果接收到的辐射频谱是分立的，所显示为周期字符；如果是连续 的辐射频谱，所显示为非周期字符。然后依据疏密程度初步确定为上述分析的那 一种情况，最后与理论分析波形进行比较，确定具体显示字符。 计算机的c r t 显示器有红( ( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 三路信号，在移位寄存器的控制 下，这些数据被转化为串行序列通过显示接口发送给显示器。这种串行发送的方 式是导致视频信息泄漏发射的最主要原因【1 2 】。红绿蓝三根信号线上都会有相应的 基带视频信息的泄漏发射。要截获c r t 上的信息，必须获得r 、g 、b 三路视频 信号和行、场同步信号。但由于接收机的行、场同步信号可以从外部产生，只要 它们与计算机显示器的同步信号相一致，即扫描频率相同、起始相位相同，在截 获了r g b 视频信号后，接收机就可以重现显示器上的信息。事实上，由于显示器 7 中同步信号的频率相对较低，辐射较弱，很难被接收机接收到。因此，计算机显 示器信息泄漏分析和防护的重点应放在r g b 三路串行视频信号及其处理、传输上。 己知对时间周期变化的信号可用频率度量，把时间变量改为空间变量，即成 为表示在空间距离上的有周期变化的信号。当周期固定时，其周期的倒数表示空 间频率。在图像中这个周期性变量表示图像明暗变化的快慢。空间频率高表征图 像的细微变化或称为细节；空间频率低则表征图像中大的物体。 当截获显示器图像信息时，往往只能看到图像的轮廓，而反映图像灰度变化 的低频成分则大部分丢失。这是由于图像的高频分量都集中在图像的边缘，图像 的低频分量则反映在图像灰度的变化上。因为信号的频率越高，其发射的强度就 越大，而截获到的电磁信息一般都是发射强度较大的信号高频部分。也就是说， 视频信号的高频部分容易被截获。因为人的眼睛对低频分量比对高频分量敏感， 所以适当降低视频信号的高频分量，对位于显示器前的操作者影响不大，但对截 获者截取信息却带来困难p l 。 2 1 2 接收机接收信号部分 t e m p e s t 接收机是计算机电磁泄漏截获系统的前端设备，是否能接收到用于 处理的有用信号，完全取决于该接收机的性能。其它的信号分析与处理都是以 t e m p e s t 接收机接收的信号为前提的。 理论上要求接收机具有以下性能1 1 3 】：1 ) 足够的灵敏度。因为接收机接收的信 号大多是宽频带的弱信号。接收机的灵敏度与接收机的带宽和噪声系数有关，噪 声系数要求低于8 d b ；2 ) 接收机要有足够宽的和矩形系数好的中频带宽。因为计 算机辐射的视频信号一般为宽带信号，要接收到完整的信号必须有足够的接收带 宽。3 ) 接收机应有多种解调和检波方式。这样可以提取不同的调制信号和满足不 同的工作需要。 本实验所用的t e m p e s t 接收机如图2 3 所示，是t e m p e s t 研究的专用接收 机，接收机的一些主要技术参数如下：接收机具有多种模式( 接收机模式、频谱 分析仪模式、矢量分析仪模式等) ；接收机模式下，中频带宽可以从1 0 h z 到5 0 0 m h z 以1 2 5 步进，频率范围从1 0 0 h z 到2 2 g h z 连续可调；噪声系数低于3 d b ；内嵌 w i n d o w sn t 操作系统；具有多种解调和输出端口( c w 、a m 、f m 、s s b 、l o g 等) 1 3 】。 用一般接收机从这些信号中提取有用的信号是比较困难的，但是本实验中的 t e m p e s t 接收机就具有这种功能。接收机是模拟与数字相结合的接收机，输入信 号经模拟电路处理后送到数字处理器数字化，数字信号容易存储、分选和识别。 8 图2 3 实验中所用的t e m p e s t 接收机唧 f i g u r e 23 p i c t u r e o f t e m p e s t r e c e i v e r i n e x p e r i m e n t 因为信号复杂接收机具有较宽的接收带宽、高的灵敏度和分辨力、大的动态范 围和处理同时到达信号的能力，另外还可实时处理被接收的大量信号、能快速地 输入和变换信息而不丢弃任何信息如频率和相位的能力。 本实验的接收机接收信号部分主要包括t e m p e s t 特种接收机及预选器、高增 益组合天线、目标显示器。为了能够最大限度地接收到计算机视频泄露的信息部 分，我们所采用的天线是灵敏度高，动态范围大的高精度天线。 通过根据目标显示器显示的信息信号特征，合理设置t e m p e s t 接收机的参 数，利用高增益天线将接收到的信号接入接收机，经t e p e s t 接收机的a m 解调 输出口，加入到观测显示器v g a 接口的r g b 信号线中。 幽2 4 实验现场图片 3 ) f i g u r e 24p i c t u l e o f e x p e r i m e n t j 豆奎盟右芏殛芏位业奎 观题信量擅断复班曲擅差蛋i 幺 2 1 3 同步信号生成部分 本实验复现平台所使用的信号发生器为a g i l e n t 3 3 2 5 0 a 和a g i l 饥t 3 3 2 2 0 a ，其 中，3 3 2 5 0 的频率范围比3 3 2 2 0 大，但性能和精度没什么区别。 图2 5 实验中使用的两个同步信号发生器例 f i g u r e 25p i c t u r e o f t w os y n c h r o n i cs i g n a lg e n e m u ) r si ne x p e r i m e n t 同步信号不仅与视频信息有着严格的同步关系，而且行同步和场同步之间也 存在严格的分频关系。本实验用a g i l c n t 3 3 2 2 0 a 产生行同步信号，用a g i l e n t 3 3 2 5 0 a 产生场同步信号，但是场同步信号是通过外触发生成的，用行同步信号代替 a g i l e n t 3 3 2 5 0 中的内部时钟，使得场同步信号在行同步信号的上升沿完成触发，生 成符合频率要求的场同步信号。这样的生成方式可以保证行同步信号和场同步信 号在相位上没有偏差，只需调节两者的频率即可使得图像稳定显示。 复现的信息的稳定、完整、正确和同步信号的指标有着密切的关系，因此所加 的行场同步信号要有高的稳定度和频率分辨力，并将行场同步信号加到观测显示 器v g a 接口的行同步信号和场同步信号线中。 同步信号精度要求：产生行同步信号晶振的精度要求可以提供7 到8 位的有效 数字，从而使得复现的图像能够达到一个人眼可以接受的稳定度。除此之外还 要结合实际操作中，目标显示器和观测显示器中的晶振的时基由于受温度影响， 而引起频率值变化的情况，在整个截获实验操作过程中不断的调整f 的值进而 保证复现出的图像相对稳定。 2 2 清晰复现中的信号处理 经过t e m p e s t 接收机输出的信号是经过解调的视频信号，内部含有行同步 和场同步信息及视频湿示内容，要采集畦视频信号，所使用的数据采集卡必需符 合一定的要求。在采集到视频信号后，通过相关的信号处理方法，对信号进行处 理，提高信号的信噪比，然后再将处理后的信号加到观测显示器v g a 接口的r g b 信号线中，这样就可以得到比较清晰的视频复现图像。 2 2 1 数据采集的参数要求 数据采集卡可以看成是实体与虚拟的连接线。各种类型信号采集的难易程度 差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原 理要注意，还有更多的实际的问题要解决。 假设现在对一个模拟信号x ( o 每隔缸时间采样一次。时间间隔垃被称为采 样间隔或者采样周期。它的倒数l 缸被称为采样频率，单位是采样数每秒。t - - o ， 出，2 出，3 等等，石( f ) 的数值就被称为采样值。这样信号x ( f ) 可以用 一组分散的采样值来表示。如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率， 缺少了时间尺度，也不可能知道信号x ( f ) 的频率。 根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍，能够正确显示信号而 不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频 率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。低于奈奎斯特频率( f 2 = 5 0 h z ) 的信号可以被正确采样。 采样频率的设置首先考虑用采集卡支持的最大频率，但是，较长时间使用很 高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据太慢。理论上设置采样 频率为被采集信号最高频率成分的2 倍就够了，实际上工程中选用5 1 0 倍，有 时为了较好地还原波形，甚至更高一些。信号采集后的目的是要做适当的信号处 理，所以对样本数，要求一般提供5 - - 1 0 个周期的数据样本。 在本实验的视频信号的数字化采样中，根据不同的目地，采样率也有不同的 要求。要分析视频信号中包含行同步周期的信息，就必须满足行同步信号回扫时 间的要求，取样频率f 应大于2 f , f 是行消隐时间的倒数，即满足奈奎斯特取样定 理的要求。要从视频信号中恢复要显示的像素灰度信息，则采样率不应低于点频， 同时需要满足一定的图像点阵定位精度，采样点的抖动不能太大，不能超过半个 像素【1 l 】。 2 2 2 信号的相关处理算法 视频信号由数据采集卡采集后，要对其进行如下处理，以提高信号的信噪比。 本节研究了用于视频信号处理的几种方法，并在此基础上进行了仿真分析，从理 论上分析了信号采集及信号处理的可行性。 互相关和自相关处理算法是弱信号检测中常用的方法【1 4 1 。相关检测技术是应 用信号的周期性和噪声的随机性的特点，通过相关运算，达到去除噪声的一种技 术。 ( 1 ) 互相关算法： 假设1 ，( f ) 为泄漏发射信号，y ( o 为预置参考信号，以( f ) 为噪声，那么 j ( ，) = 呼) + 刀o ) 为待测的被噪声污染的泄漏发射信息。则它们的互相关函数为 ( f ) = 吾r 如) y ( t + r ) d t ( 2 - 4 ) 1， j ( r ) 2 享j ： m ) + 刀( f ) 抄p + f ) 刃 = j 1f v ( 咖( f + r ) a t + 参r 砸) y ( h f ) a t ( 2 - 5 ) j 如( f ) = ( f ) + ( f ) ( 2 6 ) 由于泄漏发射的信息和环境中的随机噪声没有相关性，可得 ( f ) = 0 ( 2 7 ) ( f ) = r w ( r ) ( 2 8 ) 当假设的预置参考信号( 这里指猜测的行同步信号或像素时钟信号) 和截获到 的视频信号同频率时，互相关函数出现最大值，从而起到抑制噪声的作用。 ( 2 ) 自相关算法： 假设输入信号为 j o ) = 以f ) + 刀( f ) ( 2 9 ) 对信号s ( f ) 作自相关处理有 心( f ) 2 亭j ：s ( t ) s ( t + r ) d t ( 2 - 1 0 ) 由式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 1 0 ) ( f ) 兰r 。( f ) + r 。( f ) ( 2 1 1 ) 式中，足，( f ) 为信号的自相关函数，如( f ) 为环境噪声的自相关函数。 从式( 2 1 1 ) 可知， 1 ) 当噪声为白噪声时，有 尺。( f ) o = ，r 。( f ) 兰r 。( f ) ( 2 1 2 ) 2 ) 当随机噪声不是白噪声时，有 r 。( f ) 0 r , s ( f ) 兰尺。( f ) + 尺。( f ) ( 2 1 3 ) 可见，在非白噪声的情况下，为了获得更高的信噪比，可以通过多次自相关 运算，进而提取泄漏发射的信号。 1 2 2 2 3 信号的小波处理算法 在处理视频信号时，小波处理方法也是重要的方法之一f 嘲。小波变换( w a v e l e t t r a n s f o r m ) 的基本思想与传统的傅里叶变换是一致的，它也是用一族函数来表示信 号或函数，这一族函数称之为小波函数系，但是小波函数系与其它两种方法所用 的简谐函数系不同，它是由一基本小波函数平移和伸缩构成的。它是一种窗口面 积恒定，窗口形状可变( 时域窗口和频域窗口均可变) 的时频局域化分析方法。 小波去噪原理：一个含噪声的一维信号的模型可表示为 s(七)=厂(后)+g以(七)(2-14) 其中，f ( k ) 为真实信号，n ( k ) 为噪声信号，s ( k ) 为含噪信号。这里以一个简 单的噪声模型加以说明，即刀( 七) 为高斯白噪声n ( 0 ，1 ) ，噪声级为l ，通常表现 为高频信号，在实际工程中，有用信号f ( k ) 通常表现为低频信号或较平稳的信号， 所以消噪过程可按以下方法进行处理。 小波处理信号的步骤是：首先对实际信号进行小波分解，选择小波并确定分 解层次为n ，则噪声部分通常包含在高频中；然后对小波分解的高频系数进行门 限阈值量化处理；最后根据小波分解的第n 层低频系数和经过量化后的i - - n 层 高频系数进行小波重构，达到消除噪声的目的，对信号降噪实质上是抑制信号的 噪声，在实际信号中恢复真实信号的过程。 下面是利用四种小波算法，按照流程图2 6 所示仿真正弦波信号的处理结果。 图2 7 为进行强制小波消噪的仿真结果，图2 8 为选用s u r e 阈值模式仿真结果， 图2 9 为选用默认阈值与给定软阈值的仿真结果。 豸 蛔 臣茎 j 对原始信号进行小波i 分解并提取系数 臣赘 v 厂谯、) 图2 6 小波处理信号流程图 f i g u r e 2 6f l o wc h a r to fw a v e l e ts i g n a lp r o c e s s i n g 1 3 j 丘瘟銮通太堂亟堂僮i 金塞视频值曼渲逝复现的扭羞理论 参考信号 粤 罂 j 粤 罂 j 粤 罂 样本序号n 含噪信号 样本序号n 消噪信号 1 j 雪0 孽 1 j 霉 粤 j 璺 磐 样本序号n 图2 7 小波消噪 f i g u r e 2 7n o i s er e d u c t i o nb yw a v e l e t 参考信号 o1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 0 样本序号n 含噪信号 图2 8s u r e 阈值模式消噪 f i g u r e 2 8n o i s er e d u c t i o nb ys u r et h r e s h o l dm o d e l 1 4 趔 警 j 四 罂 趔 罂 加噪信号 默认阈值消噪后的信号 样本序号n 给定软阙值消噪后的信号 图2 9