計算機輻射特性的研究

1、計算機輻射特性的研究TEMPEST用于預(yù)防(減少)電子設(shè)備的傳導(dǎo)及電磁輻射引起的信息泄漏，它包括相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、截獲設(shè)備和防護方法1985年，荷蘭學(xué)者vanEckW第1次向世界介紹了顯示器電磁輻射造成信息泄漏的實驗結(jié)果，分析了視頻電磁信息泄漏的機理此后，TEMPEST技術(shù)引起了更廣泛的關(guān)注，人們通過一系列實驗測試了數(shù)據(jù)線、硬盤、顯像管及中央處理器在傳輸和處理信息時的電磁輻射現(xiàn)象，并證明了這些電磁輻射可導(dǎo)致信息泄漏。TEMPEST技術(shù)涉及電子電路、電磁場、天線、計算機、通信、信號與信息處理、模式識別及材料等多個領(lǐng)域，一般人們在自己最熟悉的領(lǐng)域研究信息設(shè)備的輻射泄漏、信息接收、截獲、信息還原及設(shè)備防護

2、等，而難以運用一個成熟的系統(tǒng)分析方法對整個泄漏、截獲與還原過程進行全面的分析研究本文將成熟的通信技術(shù)應(yīng)用于計算機電磁輻射研究，能有效再現(xiàn)信息泄漏，保證信息安全1電磁輻射信息傳播模型與通信模型一個簡單的電磁發(fā)射信息模型包括5個基本要素：有用的信源；存在受信源調(diào)制的電磁波載體發(fā)射源；在干擾和受干擾設(shè)備間存在耦合通道傳遞電磁能量；足夠靈敏的偵聽設(shè)備；信息提取與再現(xiàn)設(shè)備仙農(nóng)通信模型其中，信源是發(fā)出待傳送信息的主體，信宿是該信息的接收者，信源和信宿決定了通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)性質(zhì)；信道是傳送信息的通道，如電纜信道、光纜信道、無線信道等；編碼泛指把信源輸出變換成適合信道傳送的信號所需的設(shè)備；譯碼是編碼的反變換所需

3、的設(shè)備對于計算機視頻信息的泄漏與截獲還原，計算機視頻信息就是信源，顯卡把信息表示成信號的過程完成了通信中的編碼；電磁干擾(EMI)源由計算機結(jié)構(gòu)及電磁環(huán)境決定，它與耦合通道共同確定了輻射信號的頻譜成分；電磁耦合通道與通信的信道一樣，都是信號的傳輸通道；偵聽設(shè)備相當(dāng)于通信中的接收天線，實際中更接近智能天線，能接收并識別出有用的泄漏信息信息的提取再現(xiàn)做通信中的解調(diào)與譯碼的工作，把視頻信息還原出來，傳遞給信宿，即信息截獲人員計算機泄漏截獲過程中的信號包括紅信號與黑信號，對信息安全構(gòu)成威脅的是紅信號，所以不同于通信過程只傳輸有用信號，它需對輻射信號進行紅黑區(qū)分；信號的編碼也不是為了適合信道傳輸(泄漏)

4、，也沒有對信號調(diào)制(當(dāng)然，信號也可能被時鐘信號調(diào)制，本文不討論該情況)，只把基帶信號的諧波成分泄漏出來，這是個被動的過程對比兩者的異同，可把電磁輻射信息泄漏截獲過程與通信過程對應(yīng)起來，把成熟的通信技術(shù)(如編碼、譯碼，調(diào)制、解調(diào)，通信信道，智能天線等)應(yīng)用到電磁輻射信息截獲中2計算機視頻輻射信息泄漏與還原過程分析下面利用信息截獲與通信的對應(yīng)關(guān)系，按通信系統(tǒng)模型分析一個完整的計算機視頻信息輻射泄漏與截獲過程其中，信源是計算機顯示器顯示的文字信息，信宿是視頻信息的截獲者本文重點分析文字信息的編碼與譯碼過程文字信息在計算機中產(chǎn)生，并由顯卡表示成視頻信號，傳輸?shù)斤@示器顯示該信息的信號表示可對應(yīng)于通信中的

5、信源編碼如圖3所示，計算機用高電平表示白色像素，低電平表示黑色像素，可看作周期為f。的單極性不歸零碼，表示為+S，(t)=乏：ag，(tnT。)(1)n=一其中，g，(t)為視頻脈沖信號的碼型，其形狀如圖3所示的梯形脈沖，幅度歸一化為l，脈寬為r。，碼元周期為瓦，上升沿為丁，當(dāng)黑自信號表示256級灰度信息時，S。(t)為256進制的脈沖幅度調(diào)制(PAM)幅度序列口。為007V范圍內(nèi)的256個離散值，其中0表示該像素點為黑色，07表示該像素點為白色另外，視頻信號還需要有行場同步：行同步信號s。(t)為脈寬為r。、周期為r。的周期脈沖，其幅度歸一化為1；場同步信號S。(t)為脈寬為|r，、周期為r

6、。的周期脈沖，其幅度歸一化為1由于其在行回掃間隔與場同掃間隔內(nèi)，視頻信號都為低電平，即口。=0所以實際的視頻信號應(yīng)表示為S(t)=S。(t)Sh()S，(t)(2)以顯示模式為640X480X60的視頻信號為研究對象，用快速傅里葉變換(FFT)得到的頻譜視頻信號最主要特征是以行頻為主譜線，行頻主譜線兩邊為以場頻及其諧波組成的譜線族頻譜中包括場頻60Hz、行頻3132kHz和點頻25MHz還能從頻譜的包絡(luò)中得到以下參數(shù)：由場消隱區(qū)寬度176ms產(chǎn)生的主瓣寬度568Hz，由行消隱區(qū)寬度69斗s產(chǎn)生的主瓣寬度14493kHz，由顯示點40ns產(chǎn)生的主瓣寬度25MHz這說明，可通過譜分析從視頻信號中提

7、取完整的同步信息另外，還能分析出折線近似的含義：折線l對應(yīng)場頻信息，折線2對應(yīng)行頻信息，F(xiàn)frr計算的第3條近似折線對應(yīng)點圖像信息為了研究計算機輻射的頻譜成分，進行如下實驗：計算機與陰極射線管(CRT)顯示器放置在1m高的桌子上，天線放在CRT顯示器正面3m遠處，離地面2m高，用5m長的同軸電纜連接天線與頻譜儀(HP8594)測試了在辦公室環(huán)境內(nèi)計算機顯示文字時的輻射頻譜，測試結(jié)果如圖5所示可從圖5中虛線框內(nèi)觀察出明顯的視頻信號的行頻譜線特征，經(jīng)提高頻譜分辨率觀察可發(fā)現(xiàn)視頻信號輻射主要集中在220280MHz所以，計算機顯示的文字信息的編碼過程可描述為把文字信息表示為式(2)的信號，然后通過6

8、0MHz(或更寬)帶通濾波器得到頻率250MHz、帶寬60MHz(或更寬)的射頻信號譯碼過程為編碼的逆過程首先對天線接收的射頻信號進行帶通濾波，然后檢波、放大、去噪得到基帶視頻信號，接著通過頻譜分析得到視頻同步信息，最后根據(jù)視頻信號與同步信息還原出文字信息具體還原算法如下：首先按lL的速率對視頻信號重新采樣，得到一維口。序列；然后按1幀Y。=T，Th行，1行石。=T。Tp點，把o序列排列成一幅幅戈。Y。像素的圖片；最后把這些圖片以1T。的速度按順序顯示，把視頻信息還原出來通過示波器對射頻信號采樣，用計算機軟件粗還原的文字結(jié)果如圖6所示由圖6可見，還原出的文字不太清楚，但還能通過人眼識別出來經(jīng)過

9、圖像處理，可以提高文字的識別度。由于計算機在1s或幾秒內(nèi)顯示的圖像完全相同，表明有幾十幀甚至上百幀的視頻信號是完全相同的而多數(shù)噪聲具有一定的隨機性，所以對于這類靜止圖像采用“時域累加平均法”提高信噪比將起到很好的效果另外，如圖4所示，視頻信號的頻譜最主要特征是以行頻為主譜線，而梳狀濾波器則是一種多帶通濾波器，根據(jù)視頻信號和梳狀濾波器的特點，可采用一階遞歸梳狀濾波器，通過調(diào)整濾波器的通帶與阻帶，使濾波器的通帶剛好覆蓋視頻信號的譜線，從而高效濾除譜線以外的全部噪聲與干擾“時域累加平均法”濾除隨機噪聲效果明顯，而梳狀濾波對濾除窄帶干擾效果明顯圖7為經(jīng)過圖像處理后還原的文字信息，信噪比有所提高利用反向

10、傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對計算機電磁泄漏信息圖像進行識別和重構(gòu)，還可用計算機再現(xiàn)完整的文字信息13計算機視頻信息泄漏的等效通信模型計算機文字信息泄漏還原過程的等效通信模型如圖8所示計算機顯卡把文字信息映射成視頻信號，按單極性不歸零碼編碼，傳輸給顯示器顯示顯卡、視頻圖形陣列(VGA)電纜和CRT顯示器按信號特征與本身電器結(jié)構(gòu)特征把信號的某些頻譜成分輻射出去，該過程相當(dāng)于基帶視頻信號經(jīng)過一個帶通濾波器，再用天線把信號在該帶寬內(nèi)的諧波成分發(fā)射出去信號經(jīng)過無線信道時加入了噪聲衰減后的輻射信號由寬帶天線接收，用數(shù)字示波器模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后送到計算機進行解調(diào)、還原解調(diào)、譯碼過程如下先對射頻信號進行帶通濾波，然后進行檢波、放大、去噪，同時對濾波后的信號進行頻譜分析，提取出同步脈沖，最后利用同步脈沖對視頻信號進行處理，還原出文字信息4結(jié)束語計算機