摘? 要: 在分析CRT電磁泄露" title="電磁泄露">電磁泄露的機理、深入研究電子加速場和CRT輻射源在信息泄露中的特點基礎上,設計了一種接收裝置,使微弱、高頻電磁信號重現成為可能。?
關鍵詞: 電磁泄露; 中放檢波; TA7680?
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計算機信息泄漏技術又稱TEMPEST技術,涉及電子電路、電磁場、天線、計算機、通信、信號與信息處理、模式識別以及材料等各個領域。視頻信息含有計算機中最有價值的信息,因此,對其泄漏信息的竊取和復現引起了各國學者的研究興趣。如今大部分信息設備的“紅信號”都是數字信號,數字信號電平的大小和陡峭程度決定了發射強度的高低。在整個計算機系統中,輻射最強、可視信息量最大" title="最大">最大、最易于接收復現的是顯示系統。顯示系統包括視頻信號從主機顯卡輸出,經由視頻電纜到顯示器輸入端,再由末級視放電路直到顯示器顯示信息的整個通路系統。顯示系統中視頻信號都是串行傳輸,并且沒有經過加密,從防信息泄漏的角度來看,是屬于“紅信號”范疇。通過接收其泄漏信號再現顯示器的圖像信息或者數據信息。?
1 CRT電磁泄露機理分析?
由于CRT具有開放性,串行信號處理單元豐富、視頻通路電流大和視放電平高等特點,被認為是主要的信息泄漏因素。特別是陰極射線管顯示器的加速和偏轉電場產生的高速電子束具有較高的峰值、速度急劇變化的瞬態電流,因此信息安全隱患也最大[1]。?
1.1 電子加速場?
圖1為電子加速場中運動電子的直角坐標系,圖中,觀察點相對于原點的位置矢量為
,相對于電子的位置矢量為R,由相對電動力學可知,運動電子的接地電阻勢位為:?
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(1)、(2)式中
為速度矢量,ε0為真空電容率, s為截面積,c為光速。假設電子束等效電流為I,此處電荷的線密度為ρv,則有I=ρvv,加速區電子束的加速場強為:?
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(3)、(4)式中,Eθ為電場強度;Hφ為磁通量,l為電子束長度。?
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可見,加速區電子束的加速場與電子束電流成正比。當電子束脈沖到來時,加速場迅速增強,脈沖過去后,加速場迅速減弱。因此,通過接收加速區電子束的輻射,很容易獲得計算機VDU屏幕像素的亮度信息,也就是說,加速區電子束的加速場是導致VDU視頻信號泄漏的原因之一。圖2是利用軟件CST仿真出的電子加速器的模型圖以及電子在加速時的能量輻射圖。在仿真圖中可以清晰地看出,電子在加速的過程中輻射的能量最高。
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1.2 CRT的輻射源分析?
CRT中的電子束電流可高達200μA～1 000μA。因為電子束是受視頻信號控制的,所以對字符信息而言,電子束電流將是一種隨機的數字信號。這種數字化電子束電流會在很寬的頻率范圍內產生輻射,其泄露信息包含著可以直接顯示的信息。除了電子束電流外,偏轉部件中帶有水平與垂直同步掃描信息,它也是一種電磁泄漏源。因此在CRT中,主要輻射源是CRT電子束電流和偏轉部件。以下就對這兩部分進行分析。?
1.2.1 電子束電流輻射分析?
取一幅度I0=200mA、周期T=0.0333μs、脈寬τ=0.0222μs、τr=0.0042μs的周期梯形電子束電流,其電流的諧波幅頻特性與電場的諧波幅頻特性分別如圖3、圖4所示。由圖可以看出,電子束電流的諧波分量在低頻時比較大,輻射場也是在低頻時比較強。?
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1.2.2 偏轉部件輻射分析?
在光柵掃描方式中,由水平和垂直偏轉放大器產生的鋸齒波電流激勵偏轉線圈,分別產生水平和垂直掃描所需的磁場。設偏轉線圈的匝數為N,等效面積為S,電流的方向取為
方向,則可以得出:?
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式中,tr為正程時間,βn為角度分量, ωn為近場角頻率,En為輻射場n次諧波的幅值,滿足下式: ?
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式中,I0為電子束電流,η為波阻抗, fn為斜波頻率,fr為r方向的頻率分量,T為鋸齒波電流周期。從式(6)可知,當πtr fn<1時,輻射是按照每10倍頻20dB增加的;當πtr fn>1時,輻射是按照每10倍頻0dB變化的,即在高頻段輻射也不衰減。這就使得在遠距離情況下,通過接受高次諧波來恢復同步信息成為可能。?
2 接收裝置總體設計?
計算機電磁泄露的信號強度微弱,頻帶較寬,信號復雜。因此,接收設備必須要有足夠高的靈敏度和足夠寬的中頻帶寬。為了能夠清晰地截獲泄漏的信號,射頻前端接收機必須滿足一定的要求,既要保證一定的信噪比,又不丟失太多信息,以保證接收到有用的信號。?
圖5為接收機的系統框圖。把信號從天線接收回來,經過高頻放大器" title="高頻放大器">高頻放大器進行放大,然后通過帶通濾波器進行選頻,以抑制鏡像干擾和互調干擾,改善接收機的信噪比,提高總體的接收靈敏度。之后與本地振蕩信號進行混頻,考慮到增益問題,經過一個可變增益放大器使信號進一步放大,進入中放和檢波,檢出波形后由視頻放大器放大后輸出,即可還原出泄露的原始信息。?
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2.1前置放大電路及高頻頭電路設計?
由于電磁輻射的信號強度微弱,很難處理,所以接收機要有一個前置放大器用來放大所接收的高頻信號。放大電路要將從天線所輸入的μV單位的小信號加以放大。在設計時應滿足:(1)對于所使用的頻帶的功率增益" title="功率增益">功率增益要高。(2)產生的噪聲要小。加入前置放大器,可以改善全體噪聲指數(NF)而得到高增益、低噪聲的放大器。(3)截取點要高[2]。?
前置寬帶放大電路如圖6所示,采用了NEC公司的UPC1658芯片,當輸入阻抗和輸出阻抗相等時,其功率才能得到最大的傳輸。因此,在寬帶放大器的輸入端串聯了R1=25Ω的電阻,功率放大增益Gp以10dB以上為設計目標(但增益太高時容易引起振蕩),Rf=470Ω時的功率增益約為24dB,但由于串入了阻抗匹配用電阻,會使功率增益下降6dB,因此,電路總體功率增益設為18dB。為了增加帶寬,所以采用反饋的形式。
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高頻頭外部電路如圖7所示。TDC-3T由輸入回路、高頻放大器、本地振蕩器和混頻器等幾部分組成。它在接收機中的作用是從前置低噪聲放大器得到各種微弱信號,先通過輸入回路選取圖像的電磁泄漏信號,經過高頻放大器放大后,送到混頻器與本地振蕩器給出的等幅信號進行混頻,在混頻器的輸出端獲得固定中頻信號" title="中頻信號">中頻信號。然后,中頻信號傳輸到圖像中頻放大器去進行放大。S1可用于頻道選擇,BT是調諧電壓,有一個電壓變化范圍,所以設計一個電位器來調壓。?
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2.2 中放及檢波電路設計?
中放及檢波電路如圖8所示。TA7680為東芝公司的產品,是一種高增益、寬頻帶的中頻放大器。圖8中經放大的中頻信號送至雙差分形式的視頻同步檢波器,同步檢波所需的開關信號由圖像中頻信號經限幅放大而獲得。(17)、(18)腳外接的LC回路是限幅放大器的調諧回路,調整L可使檢波電路的兩路信號同相而獲得最大的檢波輸出。檢出的視頻信號由內部視頻放大器放大,經(15)腳輸出。(5)腳外接的820kΩ電阻和0.47μF電容為中放AGC的濾波電路。高放AGC控制電壓由(11)腳輸出,去控制高頻調諧器中高放管的增益。(10)腳外接的電位器用來調節高放AGC的延時量。TA7680AP輸出反向AGC電壓,電路的AGC作用是使(15)腳輸出信號的同步頭電平穩定在2.5V左右。鑒頻輸出的音頻信號在集成電路內部直接送至音量控制電路。?
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高頻頭與前面的級聯寬帶放大器電路可以接收到計算機視頻泄漏信號。從高頻頭出來的信號,是以38MHz為中心頻率,帶寬為8MHz的視頻信號,通過對芯片連接外圍元件,可以實現對中頻信號的放大和檢波。?
本文對計算機陰極射線管(CRT)物理結構進行了分析,同時對顯示器在電磁發射中會產生信息電磁泄漏現象的機理進行了研究,并討論了CRT型顯示器是產生電磁泄漏的主要原因。根據所得到的結論,設計了一種接收裝置,該裝置電路結構簡潔,所用器件合理,達到了設計要求。而對于液晶顯示器的視頻信息泄露的機理與重現并沒有闡述,該問題是下一個研究的目標。?
參考文獻?
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