摘? 要: 在分析CRT電磁泄露" title="電磁泄露">電磁泄露的機(jī)理、深入研究電子加速場(chǎng)和CRT輻射源在信息泄露中的特點(diǎn)基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種接收裝置,使微弱、高頻電磁信號(hào)重現(xiàn)成為可能。?

　　關(guān)鍵詞: 電磁泄露; 中放檢波; TA7680?

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　　計(jì)算機(jī)信息泄漏技術(shù)又稱(chēng)TEMPEST技術(shù),涉及電子電路、電磁場(chǎng)、天線、計(jì)算機(jī)、通信、信號(hào)與信息處理、模式識(shí)別以及材料等各個(gè)領(lǐng)域。視頻信息含有計(jì)算機(jī)中最有價(jià)值的信息,因此,對(duì)其泄漏信息的竊取和復(fù)現(xiàn)引起了各國(guó)學(xué)者的研究興趣。如今大部分信息設(shè)備的“紅信號(hào)”都是數(shù)字信號(hào),數(shù)字信號(hào)電平的大小和陡峭程度決定了發(fā)射強(qiáng)度的高低。在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,輻射最強(qiáng)、可視信息量最大" title="最大">最大、最易于接收復(fù)現(xiàn)的是顯示系統(tǒng)。顯示系統(tǒng)包括視頻信號(hào)從主機(jī)顯卡輸出,經(jīng)由視頻電纜到顯示器輸入端,再由末級(jí)視放電路直到顯示器顯示信息的整個(gè)通路系統(tǒng)。顯示系統(tǒng)中視頻信號(hào)都是串行傳輸,并且沒(méi)有經(jīng)過(guò)加密,從防信息泄漏的角度來(lái)看,是屬于“紅信號(hào)”范疇。通過(guò)接收其泄漏信號(hào)再現(xiàn)顯示器的圖像信息或者數(shù)據(jù)信息。?

1 CRT電磁泄露機(jī)理分析?

　　由于CRT具有開(kāi)放性,串行信號(hào)處理單元豐富、視頻通路電流大和視放電平高等特點(diǎn),被認(rèn)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(zhuǎn)電場(chǎng)產(chǎn)生的高速電子束具有較高的峰值、速度急劇變化的瞬態(tài)電流,因此信息安全隱患也最大^[1]。?

1.1 電子加速場(chǎng)?

　　圖1為電子加速場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)電子的直角坐標(biāo)系,圖中,觀察點(diǎn)相對(duì)于原點(diǎn)的位置矢量為,相對(duì)于電子的位置矢量為R,由相對(duì)電動(dòng)力學(xué)可知,運(yùn)動(dòng)電子的接地電阻勢(shì)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(shè)電子束等效電流為I,此處電荷的線密度為ρ_v,則有I=ρ_vv,加速區(qū)電子束的加速場(chǎng)強(qiáng)為:?

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(3)、(4)式中,E_θ為電場(chǎng)強(qiáng)度;H_φ為磁通量,l為電子束長(zhǎng)度。?

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　　可見(jiàn),加速區(qū)電子束的加速場(chǎng)與電子束電流成正比。當(dāng)電子束脈沖到來(lái)時(shí),加速場(chǎng)迅速增強(qiáng),脈沖過(guò)去后,加速場(chǎng)迅速減弱。因此,通過(guò)接收加速區(qū)電子束的輻射,很容易獲得計(jì)算機(jī)VDU屏幕像素的亮度信息,也就是說(shuō),加速區(qū)電子束的加速場(chǎng)是導(dǎo)致VDU視頻信號(hào)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(shí)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(guò)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(dá)200μA～1 000μA。因?yàn)殡娮邮鞘芤曨l信號(hào)控制的,所以對(duì)字符信息而言,電子束電流將是一種隨機(jī)的數(shù)字信號(hào)。這種數(shù)字化電子束電流會(huì)在很寬的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)部件。以下就對(duì)這兩部分進(jìn)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、τ_r=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(chǎng)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(shí)比較大,輻射場(chǎng)也是在低頻時(shí)比較強(qiáng)。?

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1.2.2 偏轉(zhuǎn)部件輻射分析?

　　在光柵掃描方式中,由水平和垂直偏轉(zhuǎn)放大器產(chǎn)生的鋸齒波電流激勵(lì)偏轉(zhuǎn)線圈,分別產(chǎn)生水平和垂直掃描所需的磁場(chǎng)。設(shè)偏轉(zhuǎn)線圈的匝數(shù)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,t_r為正程時(shí)間,β_n為角度分量, ω_n為近場(chǎng)角頻率,E_n為輻射場(chǎng)n次諧波的幅值,滿(mǎn)足下式: ?

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式中,I₀為電子束電流,η為波阻抗, f_n為斜波頻率,f_r為r方向的頻率分量,T為鋸齒波電流周期。從式(6)可知,當(dāng)πt_r f_n<1時(shí),輻射是按照每10倍頻20dB增加的;當(dāng)πt_r f_n>1時(shí),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(yuǎn)距離情況下,通過(guò)接受高次諧波來(lái)恢復(fù)同步信息成為可能。?

2 接收裝置總體設(shè)計(jì)?

　　計(jì)算機(jī)電磁泄露的信號(hào)強(qiáng)度微弱,頻帶較寬,信號(hào)復(fù)雜。因此,接收設(shè)備必須要有足夠高的靈敏度和足夠?qū)挼闹蓄l帶寬。為了能夠清晰地截獲泄漏的信號(hào),射頻前端接收機(jī)必須滿(mǎn)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(hào)。?

　　圖5為接收機(jī)的系統(tǒng)框圖。把信號(hào)從天線接收回來(lái),經(jīng)過(guò)高頻放大器" title="高頻放大器">高頻放大器進(jìn)行放大,然后通過(guò)帶通濾波器進(jìn)行選頻,以抑制鏡像干擾和互調(diào)干擾,改善接收機(jī)的信噪比,提高總體的接收靈敏度。之后與本地振蕩信號(hào)進(jìn)行混頻,考慮到增益問(wèn)題,經(jīng)過(guò)一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃魇剐盘?hào)進(jìn)一步放大,進(jìn)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(shè)計(jì)?

　　由于電磁輻射的信號(hào)強(qiáng)度微弱,很難處理,所以接收機(jī)要有一個(gè)前置放大器用來(lái)放大所接收的高頻信號(hào)。放大電路要將從天線所輸入的μV單位的小信號(hào)加以放大。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足:(1)對(duì)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(chǎn)生的噪聲要小。加入前置放大器,可以改善全體噪聲指數(shù)(NF)而得到高增益、低噪聲的放大器。(3)截取點(diǎn)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(dāng)輸入阻抗和輸出阻抗相等時(shí),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(lián)了R1=25Ω的電阻,功率放大增益G_p以10dB以上為設(shè)計(jì)目標(biāo)(但增益太高時(shí)容易引起振蕩),R_f=470Ω時(shí)的功率增益約為24dB,但由于串入了阻抗匹配用電阻,會(huì)使功率增益下降6dB,因此,電路總體功率增益設(shè)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(jī)中的作用是從前置低噪聲放大器得到各種微弱信號(hào),先通過(guò)輸入回路選取圖像的電磁泄漏信號(hào),經(jīng)過(guò)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(hào)進(jìn)行混頻,在混頻器的輸出端獲得固定中頻信號(hào)" title="中頻信號(hào)">中頻信號(hào)。然后,中頻信號(hào)傳輸?shù)綀D像中頻放大器去進(jìn)行放大。S1可用于頻道選擇,BT是調(diào)諧電壓,有一個(gè)電壓變化范圍,所以設(shè)計(jì)一個(gè)電位器來(lái)調(diào)壓。?

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2.2 中放及檢波電路設(shè)計(jì)?

　　中放及檢波電路如圖8所示。TA7680為東芝公司的產(chǎn)品,是一種高增益、寬頻帶的中頻放大器。圖8中經(jīng)放大的中頻信號(hào)送至雙差分形式的視頻同步檢波器,同步檢波所需的開(kāi)關(guān)信號(hào)由圖像中頻信號(hào)經(jīng)限幅放大而獲得。(17)、(18)腳外接的LC回路是限幅放大器的調(diào)諧回路,調(diào)整L可使檢波電路的兩路信號(hào)同相而獲得最大的檢波輸出。檢出的視頻信號(hào)由內(nèi)部視頻放大器放大,經(jīng)(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(diào)諧器中高放管的增益。(10)腳外接的電位器用來(lái)調(diào)節(jié)高放AGC的延時(shí)量。TA7680AP輸出反向AGC電壓,電路的AGC作用是使(15)腳輸出信號(hào)的同步頭電平穩(wěn)定在2.5V左右。鑒頻輸出的音頻信號(hào)在集成電路內(nèi)部直接送至音量控制電路。?

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　　高頻頭與前面的級(jí)聯(lián)寬帶放大器電路可以接收到計(jì)算機(jī)視頻泄漏信號(hào)。從高頻頭出來(lái)的信號(hào),是以38MHz為中心頻率,帶寬為8MHz的視頻信號(hào),通過(guò)對(duì)芯片連接外圍元件,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中頻信號(hào)的放大和檢波。?

　　本文對(duì)計(jì)算機(jī)陰極射線管(CRT)物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,同時(shí)對(duì)顯示器在電磁發(fā)射中會(huì)產(chǎn)生信息電磁泄漏現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行了研究,并討論了CRT型顯示器是產(chǎn)生電磁泄漏的主要原因。根據(jù)所得到的結(jié)論,設(shè)計(jì)了一種接收裝置,該裝置電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,所用器件合理,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。而對(duì)于液晶顯示器的視頻信息泄露的機(jī)理與重現(xiàn)并沒(méi)有闡述,該問(wèn)題是下一個(gè)研究的目標(biāo)。?

參考文獻(xiàn)?

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