Электромагнитное излучение видеодисплейных модулей: риск перехвата информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электромагнитное излучение видеодисплейных модулей: риск перехвата информации

Вим ван Эйк

PTT Dr. Neher Laboratories



Аннотация

Вышедшая в 1985 году в открытой печати статья Вима ван Эйка «Электромагнитное излучение видеодисплейных модулей: риск перехвата информации?» наделала много переполоха в стане спецслужб, до этого времени считавших удаленный перехват информации с видеодисплейных модулей своей прерогативой.

«Перепевы» этой статьи появлялись в российской открытой печати в начале 90-х годов, однако мы приняли решение опубликовать полный и максимально приближенный к оригиналу перевод статьи ван Эйка, поскольку пока в России этого так и не было сделано.

Мы считаем, что, несмотря на солидный для периодической публикации возраст, она будет интересна не только историкам, но и специалистам, занимающимся исследованием ПЭМИН.



Введение

Известно, что электронное оборудование генерирует электромагнитные поля, которые могут являться помеховыми для радио- и телевизионных приемников. Лежащие в основе этого явления были достаточно основательно изучены в течение предыдущих нескольких десятилетий. Результаты проведенных исследований нашли свое отражение в виде международных соглашений в области норм и методик измерения радиопомех, создаваемых различным электронным и электротехническим оборудованием.

Однако радиопомехи - не единственная проблема, которую создает электромагнитное излучение используемого оборудования. В некоторых случаях, принимая это излучение и декодируя его, можно получить доступ к информации, содержащейся в сигналах, используемых внутри оборудования, особенно цифрового.

Эта проблема отнюдь не новая. Специалисты из различных секретных ведомств знают об этом уже в течение более чем двадцати лет. Однако информация относительно того, каким образом этот вид «подслушивания» может быть нейтрализован, свободно не распространяется. Оборудование, разработанное для того, чтобы защитить секретную информацию от такого способа утечки, будет, возможно, в три или четыре раза дороже аналогичного оборудования, используемого для обработки несекретной информации.

До недавнего времени восстановление данных, содержащихся в излучаемом электромагнитном поле, считалось очень трудным делом. Следовательно, предполагалось, что «подслушивание» цифрового оборудования под силу только профессионалам, у которых есть доступ к очень сложным устройствам обнаружения и декодирования. Как результат - цифровое оборудование для обработки частной и деловой информации остается не защищенным от «подслушивания» такого рода.

В этой статье приводятся результаты программы исследований, выполненной в Dr. Neher Laboratories of the Netherlands PTT. Эти результаты показывают, что вышеупомянутые предположения неправильны. Хотя исследования были ограничены определением возможности «подслушивания» видеодисплейных модулей, результаты ясно показывают, что в некоторых случаях задача может быть выполнена при использовании оборудования, которое является широко доступным на рынке. В случае «подслушивания» видеодисплейных модулей это может быть обычный телевизионный приемник. При внесении незначительных изменений в схему этого приемника можно расширить набор типов видеодисплейных модулей, «подслушиваемых» с его помощью.

Цель исследования заключалась не только в непосредственном изучении проблемы утечки информации через электромагнитные излучения, но также в разработке способов предотвращения этого вида информационного воровства. Дополнительной целью было определение метода измерения, который мог бы использоваться для проверки отдельных проблем конкретных видеодисплейных модулей [ВДМ (В США используется термин - видеодистейный терминал (ВДТ)] (возможно, в целях одобрения образца). Найденные решения описаны ниже.



1. Причина и следствия (кратко)

1.1 Немного о явлении

Применение в цифровом оборудовании сигналов прямоугольной формы и высоких частот переключения приводит к излучению электромагнитных полей, содержащих компоненты с частотами вплоть до УВЧ-диапазона. Уменьшение спектральной плотности мощности данных сигналов с увеличением частоты далее компенсируется в излучаемом поле, так как эффективность излучения электронных цепей внутри оборудования увеличивается с частотой. Это означает, что уровень излучений, генерируемых цифровым оборудованием, может быть постоянным до нескольких сотен мегагерц.

Явления резонанса в цепях могут приводить к более высоким уровням излучений. Цепи могут быть резонансными в отношении некоторых компонентов частотного спектра, циркулирующих в них сигналов. Цепи, не предназначенные для переноса некоторого сигнала, могут излучать часть этого сигнала из-за наличия перекрестной связи между цепями. Яркий пример такой излучающей цепи - линия питания какой-либо части оборудования.

1.2 Видеодисплейные модули

Если мы ограничиваемся изучением излучения видеодисплейных модулей, то заметим, что оно может быть легко опознано, так как поле, излучаемое таким типом цифрового оборудования, будет состоять из двух различимых частей:

* узкополосных излучений (гармоник) тактовых сигналов;

* широкополосных излучений различных «случайных» цифровых сигналов (видеосигнал).

В отличие от других широкополосных сигналов внутри видеодисплейного модуля, видеосигнал усиливается от уровня TTL-логики до нескольких сотен вольт прежде, чем он будет подан на модулятор электронно-лучевой трубки. Следовательно, доминирующим компонентом широкополосного излучения, генерируемого видеодисплейными модулями, в большинстве случаев будет излучение, порождаемое видеосигналом.

Каждая (излучаемая) гармоника видеосигнала демонстрирует замечательное подобие сигналу обычного широковещательного ТЕЛЕВИДЕНИЯ (см. техническое приложение к этой статье). Следовательно, возможно восстановить картинку, отображаемую видеодисплейным модулем, принимая излучения посредством обычного телевизионного приемника.

1.3 Средства декодирования

Сигнал, принятый телевизионным приемником, не содержит информации о синхронизации. Это означает, что картинка, отображаемая на экране телевизора при перехвате излучения видеодисплейного модуля, будет перемещаться по экрану в горизонтальном и вертикальном направлениях, если частоты синхронизации в ВДМ и ТВ-приемнике не совпадают. Хотя для многих типов видеодисплейных модулей частоты синхронизации совпадают с телевизионными, полученное изображение будет очень неустойчивое и, следовательно, трудно читаемое. Качество приема может быть улучшено посредством подачи в ТВ-приемник необходимых сигналов синхронизации от внешнего генератора.

С такой приставкой для обычного ТВ-приемника (издержки - приблизительно 15 $), почти любой тип или модель видеодисплейного модуля может быть «подслушан» при условии генерирования достаточно высокого уровня излучений. Такая приставка может быть разработана и собрана любым радиолюбителем в течение нескольких дней.

1.4 Последствия

При отсутствии каких бы то ни было профилактических мер «подслушивание» видеодисплейного модуля возможно на расстоянии в несколько сотен метров при использовании обычного черно-белого ТВ-приемника, направленной антенны и антенного усилителя. Для некоторых типов видеодисплейных модулей возможен перехват информации с расстояния более чем 1 километр. При использовании более сложного оборудования для приема и декодирования излучений максимальное расстояние может быть намного больше.

Очевидно, что эта возможность имеет отношение к проблеме защиты информации. Это особенно относится к случаям, когда защитные меры уже приняты (например, шифрование и/или физическая защита). В любой цепочке мер, предпринятых для защиты информации, самым слабым местом может стать видеодисплейный модуль, «излучающий» информацию вокруг. А, как известно, цепочка никогда не бывает сильнее, чем ее самое слабое звено.

Поскольку относительно просто восстановить информацию из поля, излучаемого видеодисплейными модулями, это явление может иметь последствия для информационной безопасности даже там, где требуется низкий или средний уровень защиты данных. Это наводит на мысль, что возможность подслушивания может воздействовать на telebanking (Просмотр состояния и другие операции с банковским счетом. - Примеч. перев.) и другие действия, выполняемые при помощи персонального компьютера. Это возможность для соседа копировать информацию (например, данные о финансовом положении), отображаемую при выполнении означенных действий, используя его собственный ТВ-приемник.

В некоторых случаях прием конфиденциальной информации соседями может быть осуществлен даже случайно. Информация может отображаться на телевизоре при получении им обычного сигнала какой-либо телевизионной вещательной станции. Это не искусственное предположение: служба радиоконтроля Нидерландов, которая следит за использованием радиочастотного спектра, получала несколько жалоб от людей, которые принимали таким образом информацию из близлежащего туристического агентства.

Все это означает, что проблема подслушивания требует принятия мер во всем диапазоне уровней информационной безопасности, начиная с «конфиденциально» и до «совершенно секретно».



2. Электромагнитное «подслушивание»

Принцип действия большинства видеодисплейных модулей аналогичен обычному черно-белому телевидению. Следовательно, генераторы сигналов синхронизации в ТВ-приемнике могут иногда генерировать сигналы разверток с той же самой частотой, которая используется в видеодисплейных модулях. Если это случается, отображаемая ВДМ информация может быть легко воспроизведена на экране телевизора, и это может происходить даже случайно.

Проблема не может быть решена путем использования только видеодисплейных модулей с частотами синхронизации, не входящими в диапазон частот синхронизации обычного телевидения, так как преступник, который решился копировать информацию на экран своего телевизора, имеет в своем распоряжении несколько способов корректировки частот синхронизации в своем телевизионном приемнике. Все, что для этого требуется - немного знаний о принципах телевизионного приема и капиталовложения в размере приблизительно 5$.

2.1 Восстановление синхронизации

2.1.1 Решение с внешним генератором

Самый простой и самый дешевый способ восстановления синхронизации в ТВ-приемнике - использование устройства, содержащего два генератора:

* один регулируемый генератор с частотным диапазоном 15-20 кГц, чтобы генерировать сигнал горизонтальной синхронизации (синхронизация строк);

* один регулируемый генератор с частотным диапазоном 40-80 Гц, чтобы генерировать сигнал вертикальной синхронизации (синхронизация кадров).

Оба сигнала могут быть объединены и поданы в селектор сигналов синхронизации (рис. 2) телевизионного приемника. Довольно трудно подстраивать два генератора на частоты синхронизации видеодисплейного модуля, потому что они оба должны постоянно подстраиваться в течение приема.

Хорошо известно, что вертикальные и горизонтальные частоты синхронизации связаны следующим отношением:

f_hor = k х f_vert,

где k - число строк, отображаемых на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Следовательно, на практике необходимо генерировать только сигнал горизонтальной синхронизации, а сигнал вертикальной синхронизации получать посредством деления f_hor на k. Программируемый цифровой делитель частоты, который может использоваться для этой цели, приобретается по цене приблизительно 10 $. Один раз назначенное число строк на экране позволяет восстанавливать синхронизацию регулировкой только одного генератора. На рис. 1 показана установка для «подслушивания», в которой используется этот способ восстановления синхронизации.



2.1.2 Восстановление информации из принятого сигнала

Горизонтальная и вертикальная частоты синхронизации доступны в спектре видеосигнала видеодисплейного модуля, так как видеосигнал отсутствует в течение горизонтального и вертикального обратного хода электронного луча в ЭЛТ (налицо противоречие предположению, сделанному в техническом приложении, о том, что видеосигнал есть случайный цифровой сигнал, что, впрочем, не влияет на применимость теоретической модели для этой цели). Поскольку сигналы синхронизации недоступны в «формате», ожидаемом ТВ-приемником, необходимо разработать схему восстановления синхронизации. Простой подход в этом отношении - извлечение частоты горизонтальной синхронизации из сигнала перевода строки [LF], используя узкополосный фильтр. Полученный сигнал - синусоидальная волна с частотой 15-20 кГц с порядочным количеством фазового шума, который может быть легко удален путем использования инерционной схемы захвата фазы. Импульс, формируемый схемой, помогает преобразовать синусоидальную волну в прямоугольную (сигнал синхронизации). После этого вертикальная частота синхронизации может быть легко получена делением частоты горизонтальной синхронизации на число экранных строк. Чтобы получить устойчивый сигнал синхронизации, необходимо иметь или высокое отношение сигнал/шум в полученном сигнале или включить узкополосный фильтр в схему. В последнем случае необходимо использовать перестраиваемый фильтр, чтобы получить пригодную для использования в большинстве случаев схему для восстановления синхронизации.

2.2 Место измерений

Первые измерения напряженности электромагнитного поля, генерируемого различными типами ВДМ, были выполнены точно в соответствии с Публикацией № 16 CISPR (специальный международный комитет по радиопомехам, один из подкомитетов МЭК). Измерения напряженностей полей в соответствии с рекомендациями CISPR для оборудования обработки данных и офисного оборудовании показали, что ни один из ВДМ во время тестирования не генерировал электромагнитных помех выше предложенных ограничений.

Несмотря на это, было возможно получить чистое изображение информации на обычном телевизионном приемнике с расстояния приблизительно 50 метров от видеодисплейного модуля. Для ВДМ в металлическом корпусе максимальное расстояние приема равнялось приблизительно 10 метрам.

Эти измерения были также выполнены вне полос частот широковещательного телевидения. Измерения напряженности поля, однако, показали, что максимальный уровень излучения, генерируемого видеодисплейным модулем, всегда размещался между полосами передачи телевизионного сигнала. Следовательно, максимальное расстояние приема может быть гораздо большим, чем расстояния, упомянутые выше (в будущем телевизионные приемники будут способны принимать сигналы с частотами, лежащими вне полос широковещательного телевизионного вещания, так как эти частоты будут использоваться кабельным телевидением). Поскольку измерения были выполнены с использованием дипольной антенны, использование направленной антенны в состоянии обеспечить по меньшей мере 10 дБ дополнительного усиления, таким образом, приводя к еще большему возрастанию максимального расстояния приема. Иногда видеодисплейный модуль размещается близко от отражающей поверхности. Это может в самом худшем случае привести к усилению излучения еще примерно на 3 дБ.

Принимая во внимание все эти факторы, представляется справедливым оценить максимальное расстояние приема с использованием только обычного телевизионного приемника приблизительно в 1 км для видеодисплейного модуля в пластмассовом корпусе и около 200 м для ВДМ в металлическом корпусе.

2.3 Экспериментальное «подслушивание»

Для доказательства практической возможности «подслушивания» в реальной ситуации был проведен следующий эксперимент с использованием простейшей установки. Автомобиль с размещенным в нем оборудованием (дипольной антенной, телевизионным приемником и генератором синхронизации) поместили на автостоянку около здания, в котором использовался текстовый процессор. Затем была oсущecтвлeнa попытка копирования информации из ВДМ этого текстового процессора путем фотографирования экрана телевизора, принимающего его излучения. Фотографии убедили даже наиболее скептически настроенных людей в нашей организации в том, что возможность такого рода «подслушивания» является угрозой информационной безопасности.

2.4 Дальнейшие эксперименты

В феврале 1985 года мы совместно с британской Радиовещательной корпорацией (British Broadcasting Corporation) провели в Лондоне эксперимент по «подслушиванию».

Небольшой фургон был оборудован подъемной мачтой высотой 10 метров с закрепленной на конце антенной III-го телевизионного метрового диапазона волн (VHF band III, коэффициент усиления 10 дБ). Принятый антенной сигнал усиливался (коэффициент усиления 18 дБ) и отображался на экране телевизора внутри фургона. По очевидным причинам мы не можем привести информацию относительно данных, перехваченных в результате эксперимента.

Подводя итоги, необходимо отметить следующее:

* используя специально приспособленный автомобиль возможно с большого расстояния «подслушивать» видеодисплейные модули, расположенные в зданиях;

* хотя эксперимент был выполнен средь бела дня на глазах большого количества людей, никто из них не поинтересовался, а что, собственно, мы делаем.



3. Решения

3.1 Уменьшить уровень излучений

Существуют различные методы уменьшения уровня излучений электронных цепей. В том числе:

* Не использовать при разработке цепей цифровых компонентов с быстродействием большим, чем это необходимо для функционирования цепей. Это ограничит верхнюю частоту возможных излучений.

* Уменьшать настолько, насколько возможно, площади токовых контуров, формируемых электрическими цепями. Это может быть достигнуто, например, размещением на печатной плате возвратных проводников как можно ближе к сигнальным проводникам цепи.

* Делать короткими настолько, насколько возможно, соединительные провода.

Детали упомянутых методов, а также другие методы уменьшения уровня излучений могут быть найдены в различных публикациях, посвященных электромагнитной совместимости (например, [5,6]).

Вышеупомянутые меры уменьшат уровни излучения печатных плат в оборудовании, но они не могут уменьшить уровень излучения, создаваемого электронным лучом электронно-лучевой трубки. Таким образом, требуются дополнительные меры.

Если весь видеодисплейный модуль будет электромагнитно экранирован, то излучение может быть сведено практически к нулю. Металлический экран будет удерживать электромагнитную энергию внутри модуля. Эффективность экранирования (дБ) металлического экрана в частотном диапазоне от нескольких сотен килогерц до нескольких сотен мегагерц (зависит от размера видеодисплейного модуля) почти пропорциональна толщине экрана.

Если бы было возможно создать металлический экран вокруг видеодисплейного модуля, то уровень излучения вне этого экрана определялся бы толщиной экрана и уровнем излучения до того, как экран был установлен. К сожалению, использовать такую конструкцию экрана невозможно по следующим причинам:

* часть экрана должна быть оптически прозрачна, чтобы можно было видеть изображение;

* через экран должны проникать кабели, чтобы связывать ВДМ с внешним миром (интерфейс, питание);

* оператор должен иметь доступ к клавиатуре;

* в большинстве случаев для исключения перегрева оборудования необходима вентиляция.

Чтобы сделать доступным все, что было упомянуто выше, рынок предоставляет нам широкий диапазон экранирующих материалов и средств, в том числе:

* металлическое (золотое) покрытие экранов ЭЛТ;

* экраны в виде проволочных сеток, устанавливаемых на ЭЛТ;

* специальные решетки для вентиляции (похожи на медовые соты);

* экранированные кабели для соединения ВДМ и клавиатуры;

* электрические фильтры, предотвращающие излучение от проникающих внутрь кабелей;

* специальный материал для соединения различных частей экрана между собой и т. д.

Стоимость мероприятий по уменьшению уровня излучений довольно велика и может удвоить или даже утроить цену видеодисплейного модуля в зависимости от требуемого уровня.



3.2 Увеличить уровень шума

С точки зрения радиопомех, этот тип решения самый нереальный, но это - возможность. Изготовители уже имеют много проблем с выполнением установленных законом ограничений на радиопомехи и, следовательно, практически невозможно оборудовать ВДМ дополнительным источником шума.

Единственное решение, которое можно было бы придумать, чтобы предотвратить «подслушивание» именно таким образом, состоит в том, чтобы поместить много оборудования (например, большое количество терминалов) в одно помещение. Однако эксперименты показали, что это - нереальное решение. Как было отмечено ранее, «портрет» излучений модуля в значительной степени определяется резонансами на некоторых частотах. Эти резонансные частоты различны даже для двух модулей одного и того же типа. Это означает, что подслушивание в группе видеодисплейных модулей возможно, потому что каждое устройство имеет другие (резонансные) частоты, уровень излучения на которых является наибольшим.

3.3 Криптографический дисплей

Главный фактор, позволяющий с помощью обычного телевизионного приемника перехватывать информацию, отображаемую видеодисплейным модулем, - это подобие между двумя системами в том, что касается построения изображения на экране. Следовательно, простое и адекватное решение проблемы состоит в том, чтобы изменить последовательность, и которой выводятся на экран дисплея отображаемые строки. Телевизионный приемник ожидает, что построение изображения начнется в верхней строке и закончится в нижней строке в естественной последовательности (1,2, 3,4, ..., k).

Сравнительно просто изменить шаблон последовательности построения цифрового изображения видеодисплейного модуля, сделав его псевдослучайным. Получаемая последовательность построения может быть сделана зависящей от некоторого кода, который можно будет вводить в устройство. Если излучаемый сигнал теперь будет принят ТВ-приемником, информация будет не читаема и очень трудно будет установить, была ли перехвачена информация вообще. Информация может быть выделена из принятого сигнала только тогда, когда известна последовательность построения изображения или когда используется сложное оборудование декодирования. Для предотвращения выделения информации методом «проб и ошибок» (для k отображаемых строк существует только k! вариантов последовательности), вводимый код может псевдослучайным образом изменяться через предварительно установленный интервал времени. Разработать видеодисплейный модуль с таким криптографическим дисплеем относительно несложно, а общая стоимость этих работ может быть оценена приблизительно в 20 $ дополнительных затрат на модуль.

Подобная система не обеспечивает абсолютную защиту против «подслушивания», но это адекватно в большинстве случаев. Это особенно подходит там, где требуется низкий или средний уровень защиты или секретности, например, в домашних приложениях и в большинстве офисных приложений. Стоимость системы реальна для требуемого уровня защиты. Это решение было найдено в результате наших исследований в этой области. Патенты на этот метод оформляются.

видеодисплейный декодирование прослушивание электромагнитный



4. Методы измерений и требования

4.1 Существующие стандарты

Справедливо предположить, что оборудование для военных и правительства (службы безопасности) проверено согласно строгим стандартам. По-видимому существуют два типа стандартов:

* NACSIM 5100A (TEMPEST стандарт, США);

* AMSG 720В (Стандарт на лабораторные испытания по раскрытию информации, содержащейся в излучениях работающей радиоэлектронной аппаратуры, Compromising Emanations Laboratory Test Standart, НАТО).

Оба стандарта применимы ко всем типам оборудования, а не только для видеодисплейных модулей. Методы измерений и требования, содержащиеся в NACSIM 5100А, неизвестны никому, кроме американцев. Согласно скудным источникам информации [7], доступное оборудование проверяется под наблюдением специального комитета (TQSC). Если испытание пройдено, то оборудование может быть помещено в список предпочтительных с точки зрения TEMPEST изделий (TEMPEST preferred product list, сокращенно PPL). Один раз попав в этот список, оборудование не может быть экспортировано или продано кому-либо без разрешения американского правительства.

Не так давно (1982) НАТО разработал собственный TEMPEST стандарт. Этот стандарт (AMSG) в специальных случаях используется как для военных, так и для правительственных приложений в странах НАТО. Поскольку документы по этому стандарту классифицированы, то информация о нем не является свободно доступной. Неизвестно как AMSG соотносится с NACSIM, но известно, что процедуры измерений и требования, определенные в AMSG, имеют в основном американское происхождение.



4.2 Применимость

Вышеупомянутые стандарты в чистом виде не очень подходят для невоенных и неправительственных приложений, особенно в случаях, где требуется низкий или средний уровень безопасности. И это не только потому, что методы и требования стандартов не являются свободно доступными, но также и потому, что требования возможно слишком строги для этих приложений и приводят к недопустимым издержкам. Поэтому мы разработали простой метод для тестирования видеодисплейных модулей на предмет возможности перехвата информации.

4.3 Простая измерительная установка

Задача измерительной установки состоит в том, чтобы проверить возможность восстановления информации, отображаемой ВДМ, с помощью обычного телевизионного приемника. Так как встречаются различные источники излучений, то возможность восстановления не определяется только уровнем генерируемых излучений [1]. Следовательно, обычный ТВ-приемник может быть использован как измерительный прибор. Расстояние от ВДМ, на котором производятся измерения в процессе тестирования, может быть различным в зависимости от строгости испытаний: допустим, требуется, чтобы информация с экрана не могла быть восстановлена с помощью обычного ТВ-приемника на расстоянии более чем d метров, где d - назначается тестирующим. Такой тип измерительной установки имеет следующие недостатки:

* восстановление (прием) возможно только внутри диапазонов частот передач широковещательного телевидения;

* результаты измерений зависят от чувствительности используемого ТВ-приемника.

Чтобы исключить эти недостатки, была использована измерительная установка, представленная на рис. 2.

При проведении испытаний видеодисплейный модуль размещается на высоте 1 метр над заземленной проводящей поверхностью согласно Публикации № 16 CISPR. Сигнал от калиброванной измерительной антенны (например, дипольная антенна) подается на вход приемника, используемого для измерений в диапазоне частот от 30 до 1000 МГц. Выход промежуточной частоты измерительного приемника соединяется с входом ТВ-приемника. Таким образом, измерительный приемник используется как преобразователь частоты. Если ТВ-приемник настроен на промежуточную частоту измерительного приемника, то становится возможным наблюдать, восстанавливается ли информация из принятого сигнала. Если промежуточная частота измерительного приемника не попадает в диапазон частот широковещательного телевидения, то необходимо преобразовать ее в произвольный канал телевизионного вещания метрового диапазона, как показано на рис. 2. Подобное каскадирование двух приемников имеет некоторые преимущества:

* измерения могут быть выполнены во всем частотном диапазоне 30ч1000 МГц, так как частоту измерений определяет измерительный приемник;

* измерительный приемник определяет чувствительность всей установки;

* одновременно могут быть выполнены измерения напряженности поля, что позволит сопоставить качество приема изображения и напряженность окружающего поля.

Так как частотный диапазон сигнала промежуточной частоты ограничен полосой пропускания измерительного приемника, то должна быть выбрана ширина полосы частот детектирования не менее 4 МГц. Для получения чистого изображения на экране ТВ-приемника ширина полосы частот измерительного приемника должна быть не менее 4 МГц. При полосе пропускания 1 МГц страница текста трудно читаема, но будет распознана как таковая. При ширине полосы пропускания менее чем 1 МГц изображение на экране ТВ-приемника будет с трудом распознаваться как страница текста.

В отличие от реальных условий «подслушивания», видеодисплейный модуль доступен в процессе проведения испытаний, что позволяет принимать сигналы синхронизации непосредственно от источника. Это может быть легко достигнуто приемом поблизости от ВДМ магнитного поля высоковольтного трансформатора. Этот трансформатор в большинстве случаев в ВДМ является трансформатором строчной развертки, как и в обычном ТВ-приемнике.

Как описывается в техническом приложении, сигнал принимается, фильтруется и стабилизируется в цепи захвата фазы. Вертикальная частота синхронизации получается делением горизонтальной частоты синхронизации на число строк, отображаемых ВДМ. Оба сигнала объединены и поданы в селектор сигналов синхронизации ТВ-приемника. Дня предотвращения искажений излучаемого ВДМ высокочастотного поля при проведении испытаний комбинированный сигнал синхронизации передается по оптическому кабелю.



5. Техническое приложение

5.1 Принципы телевидения

5.1.1 Построение изображения

Изображение на телевизионном экране формируется последовательно. Движущееся изображение есть результат отображения 50 кадров каждую секунду (Европейский стандарт). Изображение состоит из ряда горизонтальных строк, которые расположены так близко друг к другу, что отдельные строки не различимы при просмотре телевизионных программ с разумного расстояния. Эти горизонтальные строки выводятся на экран ТВ-приемника в определенной последовательности: первая строка располагается в верхней части экрана, а последняя строка - в нижней части. Строки выводятся на экран слева направо.

Построение изображения на экране ТВ-приемника проиллюстрировано на рис. 3. Устройство, используемое для создания изображения, называется электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) (рис. 4).

Если приложить высокое напряжение между (нагретым) электродом (катод, минус цепи) и проводящим слоем на внутренней поверхности экрана ЭЛТ (анод, плюс цепи), то возникнет направленное движение электронов от катода до анода.

С помощью магнитного поля электронный поток преобразуется в очень узкий луч. Если приложенное напряжение достаточно высокое, то кинетическая энергия электронов при достижении экрана настолько большая, что экран испустит фотоны видимого света. Таким образом, управляя напряжением, прикладываемым между катодом и анодом, можно изменять интенсивность свечения пятна на экране. Так как электроны - заряженные частицы, то приложение магнитного или электрического поля перпендикулярно к направлению потока изменит это направление. Если поле, используемое для изменения направления потока электронов как горизонтально так и вертикально, создается посредством приложения напряжения между управляющими электродами, то место освещенного пятна на экране ЭЛТ может быть изменено. Легко увидеть, что приложение пилообразных напряжений с различными частотами приводит к перемещению пятна на экране ЭЛТ так, как это показано на рис. 3. Таким образом, изображение на телевизионном экране создается модулированием интенсивности свечения пятна, перемещающегося по поверхности экрана по определенному правилу.



5.2 Видеосигнал

Сигнал, используемый для модулирования интенсивности свечения перемещающегося пятна, называется видеосигналом. Телевизионный приемник получает этот сигнал от передатчика.

Для того, чтобы приемник мог преобразовывать полученный видеосигнал в читаемое изображение, необходимо «знать», к какой строке кадра относится информация в полученном сигнале. Поскольку изображение создается согласно описанной выше схемы, то очевидно, что должна быть передана информация относительно начального момента каждой первой строки кадра и всех последующих строк. Сигнал, используемый для передачи этой информации телевизионному приемнику, называется сигналом синхронизации. По практическим причинам видеосигнал и сигнал синхронизации объединены в один сигнал - сигнал передаваемой строки (LF). Сигнал LF в ТВ-приемнике состоит из:

* положительной части - видеосигнала;

* отрицательной части - сигнала синхронизации (последовательности импульсов).

Эти сигналы могут быть объединены в один сигнал, потому что сигнал синхронизации передается в промежутках времени между отдельными строками и кадрами. Сигнал LF в ТВ-приемнике частично представлен на рис. 5.



5.3 Видеодисплейные модули

5.3.1 Построение изображения

Построение изображения в видеодисплейном модуле происходит аналогично построению изображения в телевизионном приемнике.

На рис. 6 представлено изображение, отображаемое на экране видеодисплейного модуля. Рисунок 7 - фотография крупным планом части экрана, которая показывает, что отображаемые символы состоят из малых точек. Эти точки (пикселы) размещаются в горизонтальных строках точно так же, как в обычном ТВ-приемнике.

5.3.2 Видеосигнал

Графическое представление формы видеосигнала, необходимого для создания изображения, приведено на рис. 8. Для формирования изображения, состоящего из пикселов, ток электронного луча модулируется бинарно. Таким образом, видеосигнал в ВДМ - это цифровой сигнал, логическая единица которого вызывает «светлое» пятно на экране, а логический нуль предотвращает появление этого пятна. Например, выделенной экранной строке на рис. 8а соответствует видеосигнал, представленный на рис. 8б.



Для достижения требуемой разрешающей способности на экране ВДМ необходимо, чтобы длительность одного бита в видеосигнале была очень мала. Если длительность бита будет такая, как показано на рис. 8б, то пикселы на экране будут искажены: вместо кругов будут овалы («светлое» пятно на экране, создаваемое электронным лучом, имеет конечные размеры и при развертке луча превратится в овал). Поэтому длительность бита уменьшается посредством модуляции начальным видеосигналом (рис. 8б) прямоугольной волны (сигнал задающего генератора видеочастоты - «the video-dot-clock») с периодом, равным длительности бита в начальном видеосигнале. Таким образом, длительность бита уменьшается на 50 процентов от первоначального значения (см. рис. 8в).

Так как сигналы могут принимать только два значения - «0» и «1», то процесс модуляции легко осуществить, применяя к обоим сигналам логическую операцию «И». Очевидно, что ряд соседних пикселов в горизонтальной строке выводится на экран как индивидуальные пикселы, а не как единое целое. Однако оптический размер пикселов настолько большой по сравнению с паузой между ними, что это не замечается при просмотре экрана с приемлемого расстояния. То, что горизонтальные строки отображаются так же, как строка индивидуальных пикселов, важно для возможности выделения информации посредством ТВ-приемника. Это будет показано в разделе, посвященном детектированию информации.

5.4 Спектральные компоненты

Если текст, отображаемый на экране ВДМ, не содержит повторений, то видеосигнал в первом приближении можно рассматривать как случайный цифровой сигнал. Спектральная плотность мощности этого сигнала:

где А - функция числа пикселов, отображаемых на экране, и амплитуды сигнала в вольтах [2];

Т_b - длительность одного бита в конечном видеосигнале.

Спектральная плотность мощности S_xx(f) частично приведена на рис. 9.



Поскольку видеосигнал в ВДМ может быть реализован только с конечным временем перехода (Т_t), то выражение для реальной спектральной плотности мощности видеосигнала будет выглядеть следующим образом:

В приведенном выражении последний коэффициент соответствует характеристике фильтра низких частот первого порядка с частотой среза f_ср. = 1/(р · T_t). Легко заметить, что огибающая спектральной плотности мощности сигнала довольно постоянна до частоты f₁ = 1/(р · T_b), начиная с которой она уменьшается со скоростью -20 дБ на декаду до частоты f₂ = 1/(р · T_t). На частотах выше чем f2 огибающая спектральной плотности убывает со скоростью -40 дБ на декаду.

В основном частота f₁ находится в диапазоне от 20 до 50 МГц, f₂ - в диапазоне 200ч500 МГц в зависимости от типа используемых компонентов и цепей.

5.5 Другие сигналы

Видеосигнал - не единственный сигнал в ВДМ. В следующем разделе будет показано, что видеосигнал вносит наиболее мощный широкополосный «вклад» в создаваемое побочное излучение. Это потому, что видеосигнал - единственный сигнал в ВДМ, который усиливается до уровня, намного превышающего уровень ТТЛ-логики. Следовательно, нет необходимости рассматривать другие широкополосные сигналы в ВДМ для достижения цели нашей публикации. Поскольку тактовые сигналы в ВДМ являются периодическими», то их спектр мощности состоит из индивидуальных спектральных линий, представляющих собой гармоники тактовой частоты. Так как эти спектральные линии - «удалены» друг от друга, то каждая из них может рассматриваться как независимый узкополосный сигнал для наших целей. Интенсивность этих узкополосных компонентов уменьшается с увеличением частоты, так же как и в случае со спектром мощности видеосигнала. Поскольку спектральная плотность мощности тактовых сигналов сконцентрирована в индивидуальных спектральных линиях, то мощность каждой из этих линий может быть довольно высока по сравнению с плотностью мощности видеосигнала, «размазанной» по всей частотной оси. Это зависит от ширины полосы частот пропускания при измерениях.

Что является более важным, так это то, что тактовые сигналы часто получают из сигнала задающего генератора видеочастоты («video-dot-clock»). Это означает, что большое количество спектральных линий совпадут с центром лепестка в спектре видеосигнала. Это явление имеет большое значение для возможности детектирования информации с помощью ТВ-приемника.

5.6 Электромагнитное излучение. Принципы

Из уравнений Максвелла следует, что ускорение электрических зарядов вызывает появление электромагнитного поля. Это явление известно, и оно используется нами для осуществления радиосвязи. В токопроводящем проводе (антенна) создается ток (направленное движение электрических зарядов). Этот ток будет генерировать электромагнитное поле, которое может быть принято на большом расстоянии от передающей антенны при использовании другого токопроводящего провода, в котором поле будет генерировать ток. Можно доказать, что этот генерируемый ток является подобным току в передающей антенне.

Это означает, что любой проводник, по которому протекает ток с изменяющейся силой (переменный ток), может выступать в качестве передающей антенны. Следовательно, цифровое оборудование генерирует электромагнитные поля, содержащие все частотные компоненты всех сигналов внутри оборудования. Так как электромагнитное поле появляется вследствие ускорения зарядов, то его напряженность зависит скорее от производной тока в цепи, чем от самого тока.

5.7 Излучения, порождаемые видеосигналом.

Очевидно, что видеосигнал в ВДМ циркулирует только в определенной части оборудования - схема обработки видеосигнала и электронный луч в ЭЛТ. В первом (грубом) приближении эффективность излучения схемы увеличивается с частотой монотонно со скоростью +20 дБ на декаду до частоты (порядка нескольких сотен мегагерц), которая определяется физическим размером цепей, используемых для обработки видеосигнала [3].

Если предположить, что эта критическая частота выше чем f₂, излучаемая спектральная плотность мощности S_rr(f) может быть оценена:

где f₁ > f > f₂. Часть этого спектра показана на рис. 10.



Из теории связи известно, что если приемник настроен на один из лепестков спектра, то весь видеосигнал может быть восстановлен. Это становится очевидным, если каждый из излучаемых лепестков спектральной плотности мощности рассматривать как спектр сигнала амплитудно-модулированного частью видеосигнала вплоть до частоты Найквиста f_N = 1/(2 · T_b) [4].

5.8 Измерения излучений

Измерения были проведены относительно радиопомех, генерируемых ВДМ. Частота сигнала задающего генератора видеочастоты выбранного видеодисплейного модуля была 11,004 МГц. Частота задающего генератора системы была 1,57 МГц, так что узкополосные компоненты могли бы ожидаться в излучаемом спектре с интервалом в 1,57 МГц. Были проведены два типа измерений:

* С использованием поглощающих клещей, удовлетворяющих требованиям CISPR, была измерена максимальная возможная мощность радиопомехи в сетевом шнуре питания.

* На расстоянии 1 метр от ВДМ в направлении максимального излучения с помощью биконической антенны согласно MILSTD-461/462 было измерено электрическое поле, излучаемое модулем. При этих измерениях сетевой шнур питания был экранирован.

Измерения были проведены в частотном диапазоне 30ч300 МГц с помощью анализатора спектра НР-8586А при ширине полосы частот детектирования 10 кГц и выбранной функции MAX HOLD (детектор пиковых значений). Результаты измерений приведены на рис. 11 и 12.



Верхние части рис. 11 и 12 иллюстрируют результаты измерений для ВДМ с экраном, полностью заполненным текстом. Нижние части рис. 11 и 12 иллюстрируют результаты измерений для ВДМ с экраном, на котором отображается только курсор. Эти результаты показывают, что:

* уровень широкополосной радиопомехи в значительной степени зависит от числа символов, отображаемых на экране;

* уровень узкополосной радиопомехи не зависит от содержимого изображения на экране ВДМ, а индивидуальные узкополосные составляющие спектра определяются задающим генератором системы и задающим генератором видеочастоты.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что видеосигнал является наиболее мощным источником широкополосного излучения, а сигналы синхронизации являются наиболее мощными источниками узкополосного излучения. Измерения ясно показывают, что излучаемый широкополосный спектр не соответствует предполагаемой функции sin²(р · f · T_b).

На рис.11 особенно хорошо видно, что на некоторых частотах (например, вокруг 125 и 210 МГц) возможны резонансы, которые приводят к увеличению излучения на 15 дБ относительно уровня излучения на соседних частотах.

5.9 Ограничения на радиопомехи

Измерения напряженности электромагнитного поля, генерируемого различными типами видеодисплейных модулей, были выполнены в условиях, соответствующих Публикации № 16 CISPR. Измерения напряженности поля согласно грядущим рекомендациям CISPR для оборудования обработки данных и офисного оборудования (DP/OE) показали, что ни один из видеодисплейных модулей, который мы проверили, не генерирует электромагнитную радиопомеху вне предложенных ограничений. Измерения проводились в частотном диапазоне 30ч600 МГц.

5.10 Восстановление информации. Обработка сигнала в ТВ-приемнике

В самой простой форме телевизионный приемник может быть описан согласно блок-схеме на рис. 13. Как может быть замечено из этой блок-схемы, ТВ-приемник может принимать только очень малую часть спектра, излучаемого ВДМ (ширина полосы частот пропускания приблизительно 8 МГц [обычно ТВ-приемник имеет полосу пропускания 4,5 МГц и демодулятор сигнала с частично подавленной боковой полосой, что эквивалентно АМ-детектору с полосой пропускания 8 МГц] где-нибудь в диапазоне метровых или дециметровых волн).

На рис. 14 видно, что ТВ-приемник не заметит разницы между излучаемым сигналом (сплошная линия) и видеосигналом (пунктирная линия), который имеет ту же самую спектральную плотность на частоте настройки телевизионного приемника. Полоса частот, отфильтрованная входными цепями ТВ-приемника, показана на этом рисунке как затененный лепесток спектра.

Таким образом, отклик телевизионного приемника на излученный сигнал можно вычислить, если рассматривать весь видеосигнал как входной сигнал приемника. Амплитуда этого сигнала выбирается такой, чтобы спектральная плотность мощности сигнала на частоте, соответствующей частоте настройки приемника, была равна значению спектральной плотности мощности излученного сигнала. Обработка сигнала во временной области в ТВ-приемнике визуально представлена на рис. 15.

Рисунок 15а показывает входной видеосигнал.

Рисунок 15б показывает сигнал промежуточной частоты, получаемый в ТВ-приемнике в ответ на этот видеосигнал.

На рис. 15в представлен сигнал передаваемой строки в ТВ-приемнике. Он является огибающей сигнала промежуточной частоты и получается благодаря АМ-детектору.

Рисунок 15г отображает видеосигнал в телевизионном приемнике с оптимальной регулировкой уровней яркости и контрастности.

«Расширение» сигнала передаваемой строки вблизи порога, задаваемого уровнем яркости, зависит от уровня контрастности. В первом приближении уровень контрастности определяет крутизну фронтов в конечном видеосигнале в ТВ-приемнике. В отличие от построения изображения в ВДМ, максимум видеосигнала в ТВ-приемнике определяет уровень черного, в то время как минимум - определяет уровень белого. Следовательно, изображение на экране телевизора является копией изображения на экране ВДМ и состоит из черных символов на белом (сером) фоне.

Рисунок 15 показывает, что элемент горизонтальной строки на экране ВДМ составлен из ряда несмежных пикселов, что приводит к возможности восстановления видеосигнала для элементов строки. Так как генерируемое электромагнитное поле связано с производной видеосигнала, то на экране ТВ-приемника отображаются как точки только фронт и срез импульса, соответствующего протяженному элементу строки, состоящему из нескольких смежных пикселов. Этот эффект продемонстрирован на рис. 16.

5.11 Влияние узкополосных компонент

Сигнал промежуточной частоты в ТВ-приемнике, изображенный на рис. 17б, может быть определен количественно как:

v(t) = a(t) · cos(щ₀t),

где щ₀ - модулируемая частота, которая равна средней частоте входного фильтра приемника. Если полученный узкополосный сигнал - нечетная гармоника частоты сигнала задающего генератора видеочастоты, то его частота при оптимальном приеме будет равной щ₀. Полученный сигнал, в таком случае, может быть описан как:

v'(t) = a(t) · cos(щ₀t)+b · cos(щ₀t+ц),

где b и ц - константы.

Если предположить, что ц = 0, то получаем:

v'(t) = [a(t)+b] · cos(щ₀t).

Детектирование огибающей в ТВ-приемнике приводит к следующему:

e(t) = |a(t)+b|.

Если предположить, что |а(t)| > b, то мы получаем:

e(t) = a(t)+b.

Демодуляция этого типа сигнала показана на рис. 17. По сравнению с приемом при отсутствии узкополосной компоненты имеются два преимущества:

1. Общая мощность сигнала, принимаемого телевизионным приемником, определяется суммой a(t) и b.

2. Качество восстановления информации будет лучше, так как динамический диапазон e(t) несколько увеличился.

5.12 Первые измерения

Первые измерения показали, что телевизионный приемник действительно восстанавливает видеосигнал ВДМ, хотя изображение не появляется на экране из-за отсутствия в полученном сигнале информации о синхронизации. Это становится очевидным при сравнении рис. 17г и рис. 15г с рис. 5.

Сигналы синхронизации отделяются от видеосигнала в селекторе видеосигнала. Когда ТВ-приемник настроен на частоту телевизионной широковещательной станции, сигналы синхронизации передаются в явном виде, поэтому приемник может восстановить синхронизацию полученной информации. Обычно ВДМ не излучает такой «интеллектуальный» сигнал. Таким образом, телевизионный приемник, принимающий сигнал, излучаемый ВДМ, не может быть засинхронизирован полученным сигналом.



Выводы

1. Видеодисплейные модули генерируют электромагнитные поля, содержащие гармоники видеосигнала с частотами по УВЧ-диапазон (UHF) включительно.

2. Специально доработанный обычный ТВ-приемник в некоторых случаях может быть использован для восстановления информации, отображаемой видеодисплейным модулем. В зависимости от типа видеодисплейного модуля при оптимальных условиях восстановление возможно на расстоянии до 1 км.

3. Применение электромагнитных экранов позволяет предотвратить утечку информации из видеодисплейных модулей на таких расстояниях. Адекватное экранирование генерируемых электромагнитных полей может удвоить или даже утроить цену видеодисплейного модуля.

4. Если придать последовательности вывода отображаемых строк видеодисплейного модуля случайный характер, то восстановление информации будет невозможным. Стоимость такого типа защиты данных видеодисплейного модуля, как оценивают, намного ниже, чем издержки на электромагнитное экранирование.

5. Разработанный метод измерения может быть использован для получения информации относительно возможности восстановления данных, отображаемых видеодисплейным модулем, с заранее оговоренных расстояний. Измерительная установка проста, и измерения не требуют много времени.

Размещено на Allbest.ru

...