摘  要: 在分析CRT电磁泄露的机理、深入研究电子加速场和CRT辐射源在信息泄露中的特点基础上,设计了一种接收装置,使微弱、高频电磁信号重现成为可能。 

　　关键词: 电磁泄露; 中放检波; TA7680 

　　计算机信息泄漏技术又称TEMPEST技术,涉及电子电路、电磁场、天线、计算机、通信、信号与信息处理、模式识别以及材料等各个领域。视频信息含有计算机中最有价值的信息,因此,对其泄漏信息的窃取和复现引起了各国学者的研究兴趣。如今大部分信息设备的“红信号”都是数字信号,数字信号电平的大小和陡峭程度决定了发射强度的高低。在整个计算机系统中,辐射最强、可视信息量最大、最易于接收复现的是显示系统。显示系统包括视频信号从主机显卡输出,经由视频电缆到显示器输入端,再由末级视放电路直到显示器显示信息的整个通路系统。显示系统中视频信号都是串行传输,并且没有经过加密,从防信息泄漏的角度来看,是属于“红信号”范畴。通过接收其泄漏信号再现显示器的图像信息或者数据信息。 

1 CRT电磁泄露机理分析 

　　由于CRT具有开放性,串行信号处理单元丰富、视频通路电流大和视放电平高等特点,被认为是主要的信息泄漏因素。特别是阴极射线管显示器的加速和偏转电场产生的高速电子束具有较高的峰值、速度急剧变化的瞬态电流,因此信息安全隐患也最大^[1]。 

1.1 电子加速场 

　　图1为电子加速场中运动电子的直角坐标系,图中,观察点相对于原点的位置矢量为,相对于电子的位置矢量为R,由相对电动力学可知,运动电子的接地电阻势位为: 

(1)、(2)式中为速度矢量,ε₀为真空电容率, s为截面积,c为光速。假设电子束等效电流为I,此处电荷的线密度为ρ_v,则有I=ρ_vv,加速区电子束的加速场强为: 

(3)、(4)式中,E_θ为电场强度;H_φ为磁通量,l为电子束长度。 

　　可见,加速区电子束的加速场与电子束电流成正比。当电子束脉冲到来时,加速场迅速增强,脉冲过去后,加速场迅速减弱。因此,通过接收加速区电子束的辐射,很容易获得计算机VDU屏幕像素的亮度信息,也就是说,加速区电子束的加速场是导致VDU视频信号泄漏的原因之一。图2是利用软件CST仿真出的电子加速器的模型图以及电子在加速时的能量辐射图。在仿真图中可以清晰地看出,电子在加速的过程中辐射的能量最高。

1.2 CRT的辐射源分析 

　　CRT中的电子束电流可高达200μA～1 000μA。因为电子束是受视频信号控制的,所以对字符信息而言,电子束电流将是一种随机的数字信号。这种数字化电子束电流会在很宽的频率范围内产生辐射,其泄露信息包含着可以直接显示的信息。除了电子束电流外,偏转部件中带有水平与垂直同步扫描信息,它也是一种电磁泄漏源。因此在CRT中,主要辐射源是CRT电子束电流和偏转部件。以下就对这两部分进行分析。 

1.2.1 电子束电流辐射分析 

　　取一幅度I0=200mA、周期T=0.0333μs、脉宽τ=0.0222μs、τ_r=0.0042μs的周期梯形电子束电流,其电流的谐波幅频特性与电场的谐波幅频特性分别如图3、图4所示。由图可以看出,电子束电流的谐波分量在低频时比较大,辐射场也是在低频时比较强。 

1.2.2 偏转部件辐射分析 

　　在光栅扫描方式中,由水平和垂直偏转放大器产生的锯齿波电流激励偏转线圈,分别产生水平和垂直扫描所需的磁场。设偏转线圈的匝数为N,等效面积为S,电流的方向取为方向,则可以得出: 

式中,t_r为正程时间,β_n为角度分量, ω_n为近场角频率,E_n为辐射场n次谐波的幅值,满足下式:  

式中,I₀为电子束电流,η为波阻抗, f_n为斜波频率,f_r为r方向的频率分量,T为锯齿波电流周期。从式(6)可知,当πt_r f_n<1时,辐射是按照每10倍频20dB增加的;当πt_r f_n>1时,辐射是按照每10倍频0dB变化的,即在高频段辐射也不衰减。这就使得在远距离情况下,通过接受高次谐波来恢复同步信息成为可能。 

2 接收装置总体设计 

　　计算机电磁泄露的信号强度微弱,频带较宽,信号复杂。因此,接收设备必须要有足够高的灵敏度和足够宽的中频带宽。为了能够清晰地截获泄漏的信号,射频前端接收机必须满足一定的要求,既要保证一定的信噪比,又不丢失太多信息,以保证接收到有用的信号。 

　　图5为接收机的系统框图。把信号从天线接收回来,经过高频放大器进行放大,然后通过带通滤波器进行选频,以抑制镜像干扰和互调干扰,改善接收机的信噪比,提高总体的接收灵敏度。之后与本地振荡信号进行混频,考虑到增益问题,经过一个可变增益放大器使信号进一步放大,进入中放和检波,检出波形后由视频放大器放大后输出,即可还原出泄露的原始信息。 

2.1前置放大电路及高频头电路设计 

　　由于电磁辐射的信号强度微弱,很难处理,所以接收机要有一个前置放大器用来放大所接收的高频信号。放大电路要将从天线所输入的μV单位的小信号加以放大。在设计时应满足:(1)对于所使用的频带的功率增益要高。(2)产生的噪声要小。加入前置放大器,可以改善全体噪声指数(NF)而得到高增益、低噪声的放大器。(3)截取点要高^[2]。 

　　前置宽带放大电路如图6所示,采用了NEC公司的UPC1658芯片,当输入阻抗和输出阻抗相等时,其功率才能得到最大的传输。因此,在宽带放大器的输入端串联了R1=25Ω的电阻,功率放大增益G_p以10dB以上为设计目标(但增益太高时容易引起振荡),R_f=470Ω时的功率增益约为24dB,但由于串入了阻抗匹配用电阻,会使功率增益下降6dB,因此,电路总体功率增益设为18dB。为了增加带宽,所以采用反馈的形式。

　　高频头外部电路如图7所示。TDC-3T由输入回路、高频放大器、本地振荡器和混频器等几部分组成。它在接收机中的作用是从前置低噪声放大器得到各种微弱信号,先通过输入回路选取图像的电磁泄漏信号,经过高频放大器放大后,送到混频器与本地振荡器给出的等幅信号进行混频,在混频器的输出端获得固定中频信号。然后,中频信号传输到图像中频放大器去进行放大。S1可用于频道选择,BT是调谐电压,有一个电压变化范围,所以设计一个电位器来调压。 

2.2 中放及检波电路设计 

　　中放及检波电路如图8所示。TA7680为东芝公司的产品,是一种高增益、宽频带的中频放大器。图8中经放大的中频信号送至双差分形式的视频同步检波器,同步检波所需的开关信号由图像中频信号经限幅放大而获得。(17)、(18)脚外接的LC回路是限幅放大器的调谐回路,调整L可使检波电路的两路信号同相而获得最大的检波输出。检出的视频信号由内部视频放大器放大,经(15)脚输出。(5)脚外接的820kΩ电阻和0.47μF电容为中放AGC的滤波电路。高放AGC控制电压由(11)脚输出,去控制高频调谐器中高放管的增益。(10)脚外接的电位器用来调节高放AGC的延时量。TA7680AP输出反向AGC电压,电路的AGC作用是使(15)脚输出信号的同步头电平稳定在2.5V左右。鉴频输出的音频信号在集成电路内部直接送至音量控制电路。 

　　高频头与前面的级联宽带放大器电路可以接收到计算机视频泄漏信号。从高频头出来的信号,是以38MHz为中心频率,带宽为8MHz的视频信号,通过对芯片连接外围元件,可以实现对中频信号的放大和检波。 

　　本文对计算机阴极射线管(CRT)物理结构进行了分析,同时对显示器在电磁发射中会产生信息电磁泄漏现象的机理进行了研究,并讨论了CRT型显示器是产生电磁泄漏的主要原因。根据所得到的结论,设计了一种接收装置,该装置电路结构简洁,所用器件合理,达到了设计要求。而对于液晶显示器的视频信息泄露的机理与重现并没有阐述,该问题是下一个研究的目标。 

参考文献 

[1] 尚华民.专用电磁泄漏接收机的研制[硕士论文].长春:东北师范大学,2006:34-38. 

[2] 鲁俲禹.基于电磁泄露的信息安全研究[硕士论文].上海:华东师范大学,2006:34-43. 

[3] 常青美,周长林. 微型计算机电磁辐射的测量与分析.北京:北京航空航天大学出版社, 1999:34-37.