Дослідження побічних електромагнітних випромінювань монітора

Дослідження побічних електромагнітних випромінювань монітора

РЕФЕРАТ

Предмет дослідження - побічні електромагнітні випромінювання.

Об’єкт дослідження - знаходження побічних електромагнітних випромінювань селективними мікровольтметрами.

Мета роботи - провести дослідження побічних електромагнітних випромінювань на основі монітора з електронно-променевою трубкою, знайти рівень та спектр цих випромінювань за допомогою селективного мікровольтметру та порівняти результати з теоретичними розрахунками.

Методи дослідження - проведення розрахунків та зняття показників випромінювання монітору за допомогою селективного мікровольтметру.

ПОБІЧНІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ВИПРОМІНЮВАННЯ, МОНІТОР, ВИПРОМІНЮВАННЯ, СЕЛЕКТИВНИЙ МІКРОВОЛЬТМЕТР, СУПЕРГЕТЕРОДИННИЙ ПРИЙМАЧ, SMV 11.

УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ, СИМВОЛИ, ОДИНИЦІ СКОРОЧЕННЯ І ТЕРМІНИ

ВСТУП

В наш час тема захисту інформації дуже актуальна, тому що інформаційна сфера грає все зростаючу роль у забезпеченні безпеки всіх сфер життєдіяльності суспільства. Через цю сферу реалізується значна частина загроз не лише національній безпеці держави, але й економічному благополуччю установ і підприємств.

Захист інформації - це комплекс організаційно-технічних заходів, методів і засобів, спрямованих на забезпечення необхідного рівня безпеки інформаційних технологій.

Дослідження побічних електромагнітних випромінювань ПЕМВ займає величезну нішу в розвитку засобів технічного захисту інформації. Дуже мало робіт, в яких були б приведені результати, отримані на практиці при проведенні експериментів на цю тему. З кожним днем наука рухається вперед і, як залишилися позаду лампові телевізори, так уже майже й не залишилося місця для моніторів, у яких головним елементом була електронно-променева трубка. Рідкокристалічні монітори стали займати перше місце в світі і з'явилася проблема в тому, щоб зв'язати всю раніше побудовану теорію з ними. Прагнення до компактності призвело до того, що всі складові частини монітору (мікросхеми та з’єднувальні елементи) на сьогодні стали досить маленькими. Це призвело до того, що ПЕМВ в такому випадку набагато менші за потужністю, але все одно залишаються наявними. Найновіші і найпотужніші приймачі залишаються в змозі виявити такі сигнали. Отже, проблема залишилася і потребує свого вирішення. Всі дослідження, що ведуться на сьогодні в цьому напрямку базуються на основі вже давно виведених формул і закономірностей, що створює ще одну проблему - недостатній зв’язок теорії та практики.

Для дослідження рівня ПЕМВ можна використовувати два способи - аналітичний та практичний. Аналітичний полягає в використанні лише теоретичних формул для знаходження спектру сигналу та його гармонік. Для таких розрахунків достатньо дізнатися лише характеристики елементів монітору (площа рамки та ін.) і відштовхуватися від параметрів екрану (розширення та частота оновлення). Практичний метод не потребує ніяких знань про характеристики монітору, а лише наявність спеціальної апаратури за допомогою якої можна просканувати навколишній простір на наявність електромагнітних сигналів. Для точного виділення випромінювання монітору серед інших застосовуються тестові регулярні сигнали.

Практичний метод дає точні результати, але не завжди може бути використаним, так як апаратура для таких досліджень, в залежності від точності вимірювань, може обійтися в значну суму грошей. Але такі дослідження дозволяють встановити рівень ПЕМВ вже з врахуванням внутрішніх шумів приймача та передавача, а також можливої модуляції сигналу з боку інших випромінювань.

1. ТЕОРІЯ ПОБІЧНИХ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ВИПРОМІНЮВАНЬ

Побічне електромагнітне випромінення (ПЕМВ) - електромагнітне випромінення, що є побічним результатом функціонування технічного засобу і може бути носієм інформації [4].

1.1 Витік інформації шляхом ПЕМВ

В процесі функціонування засобів обчислювальної техніки в конструктивних елементах і кабельних з'єднаннях циркулюють електричні струми інформативних сигналів, в результаті чого формуються електромагнітні поля, рівні яких можуть бути достатніми для прийому сигналів і добування інформації за допомогою спеціальної апаратури.

Канали витоку інформації можуть виникати внаслідок випромінювання інформативних сигналів при роботі ІТС. Інформативні сигнали можуть поширюватися на більші відстані й реєструватися засобами технічних розвідок за межами КТ.

Частоти, на яких можуть випромінюватися інформативні сигнали, залежать від типів апаратних засобів і можуть поширюватися в діапазоні від сотень Гц до декількох десятків гГц.

При передачі інформації в елементах схем, конструкцій, що підводять і з'єднують провода технічних засобів протікають струми інформативних (небезпечних) сигналів. Виникаючі при цьому електромагнітні поля можуть впливати на випадкові антени. Сигнали, прийняті випадковими антенами, можуть привести до утворення каналів витоку інформації.

Джерелами виникнення електромагнітних полів у технічних засобах можуть бути неекрановані проведення, розімкнуті контури, елементи контрольно-вимірювальних приладів, контрольні гнізда на підсилювальних блоках і пультах, підсилювачі потужності й лінійні підсилювачі, трансформатори, дроселі, сполучна проводка , гучномовці, кабельні лінії.

Основними параметрами можливого витоку інформації по каналах ПЕМВ є:

напруженість електричного поля інформативного (небезпечного) сигналу;

напруженість магнітного поля інформативного (небезпечного) сигналу;

величина звукового тиску;

величина напруги інформативного (небезпечного) сигналу;

величина напруги наведеного інформативного (небезпечного) сигналу;

величина напруги шумів (перешкод);

величина струму інформативного (небезпечного) сигналу;

величина чутливості до впливу магнітних полів для точечного джерела;

величина чутливості апаратури до впливу електричних полів (власна ємність апаратури);

величина чутливості до впливу акустичних полів;

відношення "інформативний сигнал/шум";

відношення напруги небезпечного сигналу до напруги шумів (перешкод) у діапазоні частот інформативного сигналу.

Зазначені параметри визначаються й розраховуються за результатами вимірів у заданих точках. Гранично припустимі значення основних параметрів є нормованими величинами й визначаються по відповідним методикам [1].

1.2 Типові сигнали в елементах інформаційно-телекомунікаційної системи

Із числа найбільш інформативних сигналів в ЕОМ слід зазначити дискретні сигнали, які управляють роботою монітора. По-перше, вони є одними із самих потужних; по-друге, послідовні в часі; по-третє, періодично повторюються багато разів, зберігаючи високу стабільність у часі. Фронт і спад імпульсів мають кінцеву тривалість, обумовлену інерційними параметрами каскадів відеопідсилювачів сигналів. Для зменшення видимих перекручувань зображення на екрані, конструктори моніторів прагнуть форму фронту й спаду робити симетричними і як можна коротше.

Відзначене вище дає підставу запропонувати як першу модель сигналу трапецеїдальний імпульс тривалістю  за рівнем половини амплітуди А. Тривалість фронту й спаду - . Такі сигнали (рисунок 4.1) характерні для потужних вихідних ключових каскадів відеопідсилювачів. Як другу модель можна вибрати сигнал з косинусквадратичною формою фронту й спаду. У телевізійній техніці такі сигнали апроксимували перехід контрастного зображення круглим променем, що зчитує. Тривалість переходу - .

Рисунок 1.1 - Сигнали моделі технічного каналу витоку інформації: tr - трапецеїдальний; kk - з косинус квадратичним фронтом і спадом [1]

1.3 Радіорозпізнавання символів

Ручна оцінка і розшифровка захоплених відеосигналів від ПЕМВ можлива, але це повільно і трудомістко. Добре обладнаний перехоплювач, передбачається, може використовувати програмне забезпечення для розпізнавання образів, щоб автоматично записувати сигнал в текст. Наведений в цьому розділі приклад показує, що це можливо, використовуючи дуже простий алгоритм, по крайней мере, для шрифтів фіксованої ширини.

Якщо всі символи мають однакову ширину, а ще і у випадку з емуляторами терміналу та відео терміналами, які імітують поведінку машини телетайпа, то отримане і розгорнуте зображення можна просто нарізати характерними клітинами однакового розміру, як показано на рис. 1.2. За деякий час відеосигнал викликає всі символи і в кінцевому підсумку вони вирівнюються однаково в цих клітинах. Якщо зловмисник зможе вгадати точний шрифт, який використовується, то для точної настройки радіорозпізнавання символів йому необхідно лише два параметри - лінійна швидкість FH і час, коли був переданий перший піксель текстового поля. Більшість інших невідомих змінних, які роблять оптичне розпізнавання символів складною проблемою (поворот, масштабування, форми символів, піксель вирівнювання, символ розділення і т.п.), не є проблемою для відеосимволів.

Рисунок 1.2 - Ці односимвольні сигнали демонструють переваги більшою смуги пропускання приймача для зменшення перешкод між символами. Два зображення зліва були отримані при 200 МГц, а інші при 50 МГц

Краща пропускна здатність для радіо розпізнавання символів вибирається шляхом компромісу. За низької пропускної здатності, імпульсна характеристика АМ демодулятора більше, ніж один піксель, і деякий зміст кожного символу клітини знаходиться під впливом сусіднього зліва символу; див. Рис. 1.1 два приклади 'W' символу для різних лівих сусідів при 200 і 50 МГц смуги пропускання. Міжсимвольні втручання скорочується за більш високої пропускної здатності. З іншого боку, різкі форми символів, які йдуть при збільшеній пропускної здатності також зроблять алгоритм порівняння більш чутливим до зсувів викликаних помилками в FH.

У експериментах, виявилося, що вибір смуги пропущення близькою до частоти пікселів забезпечує найкращі результати. При 256 усереднених кадрах в символьних клітинах, за допомогою цих ліній в 3-5 тестових текстах в якості еталону, і за допомогою суми всіх абсолютних значень різниці пікселів в символьних клітинах, як рішення метрики, призводить до наступного результату для решти тексту:

Тільки один символ ("electromagoetic") помилковий в цьому прикладі, що відповідає ймовірності символьної помилки в 0,13%. Цей результат залежить, звичайно, в значній мірі від хорошого відношення сигнал-шум. Коли ми застосовуємо алгоритм відповідності на сигнал такий же, але тільки для 16 усереднених кадрів, розпізнаний текст має вигляд:

При ймовірності символьної помилки в 34%, він дуже сильно спотворений і не використовується безпосередньо, наприклад, для повнотекстового пошуку. Але оскільки більшість неправильно розпізнаних символів графічно нагадують правильні, все одно можна зрозуміти більшу частину тексту.

Хоча тільки 66% символів виявилася правильною, половина з решти (16%) була на другому місці, а ще 6% на третьому, у списку, який показує, на кожен отриманий символ, можливі зразки, відсортовані по тому, як тісно вони збігаються. На додаток до ймовірності помилки, ми можемо взяти величину продуктивності, яка враховує на якому місці знаходиться правильний символ, другому чи третьому.

Якщо випадковий вектор представляє для визначення прийнятий сигнал знаком чи символом і {r1, ..., гn} є еталонними сигналами для n символів будуть розрізнять, де RC буде єдино правильним, то ми можемо створити для кожного виходу s відсортирований список (d1, ..., Dn ) такий, що | | s-di | | <| | s-dj | | ⇒ i <j, де | | ∙ | | використовуване метричний відстань (наприклад, нормований вектор | ∙ |1 вищезазначеного експеременту). Нехай рi = P (rc = rdi) ймовірність того, що правильний символ з'явиться в i-ий позиції в списку. Середня глибина правильного символу (термін засекречений), тоді ∑ni=1pi∙i та ентропія глибини правильного символу -∑ni=1pi∙log2 pi. Ентропія показує скільки невизначених біт у зловмисника для кожного символу.

Це допоможе оцінити, наприклад, складність пошуку методом «груба сила» для знаходження правильного пароля, враховуючи, що спотворена копія вже була визнана і можливі паролі можуть бути перевірені в порядку ймовірності їх появи.

Рисунок 1.3 - Ця матриця показує попарно відміну радіосигналів ASCII символів. Яскраві позиції вказують на великі відмінності і темні плями на пари сигналів, які автоматичні системи розпізнавання найімовірніше плутають

Середня глибина правильного символу в цих двох експериментах 1,0013 і 2,0995 відповідно. Ентропія глибини правильного символу була незначною - 0,0141 і 1,7778 біт, відповідно.

Рис. 1.3 показує, для використовуваного в даному прикладі шрифту, труднощі розрізнення всіх можливих пар символів. Список пар символів відсортований за зростанням розрізнюваності і починається з:

а закінчується в:

Шрифт дизайнер може використовувати такі матриці відмінностей, в цілях отримання безпечних шрифтів, які зводять до мінімуму успіх автоматичного радіо розпізнавання символів. Але це, швидше за все, також вплине на властивості безпеки - символи, які надто схожі, можуть бути переплутані частіше за рахунок регулярного перегляду [7].

2. СУПЕРГЕТЕРОДИННІ ПРИЙМАЧІ

При створенні нового приймача стали розбивати задачу на два етапи - перебудова по діапазону частот, і забезпечення вибірковості по сусідньому каналу. Для перебудови по частотному діапазону стали використовувати перенос спектру на певну (зазвичай досить низьку) проміжну частоту. Перенесення спектра частот, що приймаються здійснюється за допомогою наступного тригонометричного перетворення:

(2.1)

тоді напруга на виході перемножителя, який часто називається змішувачем буде записуватися:

(2.2)

Вузькосмуговий фільтр на виході помножувача легко пригнічує одну з цих компонент. Частотна компонента, що залишилася, вихідного сигналу називається проміжною частотою супергетеродинного приймача. Зазвичай на виході змішувача супергетеродинного приймача виділяється різницева компонента. У цьому випадку на вході підсилювача проміжної частоти (ППЧ) супергетеродинного приймача формується сигнал проміжної частоти, з частотою:

 (2.3)

Виходить, що за допомогою змішувача можна легко переміщати спектр вхідного сигналу по частоті, змінюючи частоту місцевого генератора - гетеродина.

Процес переміщення частоти вхідного сигналу на проміжну частоту в супергетеродинного приймача ілюструється рисунком 2.1.

Рисунок 2.1 - Перенесення спектра прийнятого сигналу на проміжну частоту супергетеродинного приймача

На даному рисунку трапецією показаний спектр сигналу, переданого в радіоканалі. Число, зображене в трапеції означає номер радіоканалу, прийнятий в системі мобільного радіозв'язку. Приймачі, виконані за схемою з перенесенням смуги радіочастот на проміжну частоту, отримали назву супергетеродинного або супергетеродинних приймачів. Якщо перенесення здійснюється на нульову частоту, то такий приймач буде вже називатися приймачем прямого перетворення. Структурна схема радіоприймача, побудованого за супергетеродинні схемою, наведено на рисунку 2.2.

Рисунок 2.2 - Структурна схема супергетеродинного радіоприймача

У цій схемі гетеродин здійснює перебудову в діапазоні частот, тому його часто виконують у вигляді синтезатора частоти, який може налаштовуватися на ряд фіксованих частот і має стабільну частоту, що відповідає кварцевому генератору або в особливо відповідальних випадках атомному еталону частоти.

Для зменшення вимог до фільтру основної вибірковості тракт проміжної частоти супергетеродинного приймача вибирається досить низькочастотним. Це дозволяє забезпечити значну відносну розстройку частоти сусіднього каналу по відношенню до смуги приймаємої супергетеродинним приймачем сигналу.

Те, що проміжна частота супергетеродинного приймача є фіксованою, дозволяє застосувати в якості фільтра проміжної частоти кварцовий, електромеханічний або п'єзоелектричний фільтр. Це забезпечує високі електричні характеристики фільтра основної вибірковості супергетеродинного приймача і високу стабільність характеристик у часі і в діапазоні температур. Крім того, такі фільтри в даний час є високотехнологічними, що дозволяє знизити вартість і зменшити габарити супергетеродинного приймача в цілому.

3. ПРАКТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ

.1 Вибір монітору для проведення досліджень

Виходячи з вищесказаного, що в TFT-моніторах рівень ПЕМВ досить низький, то для досліджень було обрано монітор з електронно-променевою трубкою AOC Spectrum 5Glr. Були знайдені схеми циркуляції сигналів в середені монітору, а також монітор був максимально можливо розібраний та наочно вивчений.

Таблиця 3.1 - Основні характеристики монітору AOC Spectrum 5Glr

3.2 Тест монітора «НікС»

Перший недолік даної програми пов'язаний в першу чергу з тим, що вона містить кілька окремих незалежних тестів (для різних типів тестування наявності ПЕМВ при роботі різних пристроїв), але при закритті будь-якого з вікон закривається вся програма. Так, наприклад, при необхідності проведення тесту для монітора, не можна закривати інші вкладки, що не мають ніякого відношення до поточного дослідження.

Далі можна конкретно розглянути роботу тесту монітора. При тестуванні монітора враховуються тільки білі і чорні складові. Тобто не проводитися облік випромінювань, які можуть надходити від схем по окремості, наприклад, відображення, тільки зеленого або синього або червоного кольорів.

Слід зазначити, що при вимірюванні випромінювання, коли відбувається виведення білого зображення, беруть участь всі три схеми. Тому отримані величини потужності випромінювання матимуть достатньо великі значення. Можна тільки припускати, що при тестуванні враховувалася ситуація роботи користувача з документами (де присутні в основному тільки чорний і білий кольори). До недоліків слід віднести також наявність тільки чорного фону, що позначається на неможливості обліку виникаючих випромінювань, при роботі в текстових редакторах, коли може бути присутнім і інший фон, наприклад білий. Цей недолік впливає на дослідження випромінювань, так як від кольору зображення, що виводиться на екран залежить потужність побічних випромінювань, у зв'язку з цим можна підібрати колірну палітру, яка могла б забезпечити найменші ПЕМВН.

Головним недоліком даного тесту є однорідність (регулярність) сигналу, який не відображає дійсну структуру ПЕМВН. У даному тесті основним дослідженням є тип з використанням поля - меандру, тобто послідовності чорних і білих смуг, однакового розміру і однакової тривалості. Якщо спробувати провести взаємозв'язок з реально існуючої обстановкою, при роботі з текстовими документами, то ми бачимо, що даний тест не може бути використаний. Так як він не відображає дійсної структури сигналу ПЕМВН. В інших видах тестових програм для дослідження ПЕМВН монітора в якості базового елементу для проведення тестування узятий елемент (символ), як найбільш інформативний, що також призводить до тестування за допомогою використання регулярних сигналів.

При виставленні параметрів типу поля, в основному (практично завжди) слід використовувати тип меандр. Внаслідок того, що фоном є тільки чорний колір, то тип поля - «Чорне поле», є безглуздим, оскільки він нічим не відрізняється від виведення чорного зображення, без подальшої його зміни.

Істотним недоліком є і те, що даний тест не враховує поточне розширення екрану. Так, наприклад, він коректно працює на дозволах 800х600 і 1024х768, тобто на моніторах більш пізніх моделей з більшою діагоналлю, і при стандартних налаштуваннях дозволу використання даного тесту буде неприпустимим. Якщо виставити розширення екрану більше ніж 1024х768, можна побачити, що вікно для проведення тесту відкриється, але не на весь екран. Але навіть при зазначених дозволах генерується послідовність без урахування значень цього розширення, тобто і по ширині, і по висоті відображуване зображення (зображення яке формується на відеокарті, а потім відтворюватися (засвічується) гарматами на екрані) перевершує кордони, які бачить користувач (1024х768) .

У частині програми налаштування тесту: "параметри меандру" і "параметри поля" існують обмежувальні межі на вводяться параметри - це значення 2048. При введенні кількості 2048 (чи навіть 1000) в полі «Кількість білих смуг на екрані» тестування монітора запускається, але виводитися тільки чорний екран. Це пов'язано з тим, що, наприклад, при розширенні екрану 1024х768, максимальне число смуг по висоті не може перевищувати 768, але це значення не враховується, і користувач може ввести будь-яке значення (до поставленого обмеження 2048).

3.3 Математичні розрахунки

Всі розрахунки було проведено на основі того, що в моніторі циркулюють імпульси сигналів із  фронтом. Спектр такого імпульсу буде обчислюватися за формулою:

 (3.1)

.

 - довжина імпульсу по рівню половини амплітуди;

 - довжина фронту трапецеїдального імпульсу;

 - довжина плавних переходів у фронті імпульсу;

А - амплітуда імпульсу.

Для побудови графіку такого спектру було застосовано програмне забезпечення Mathcad 14.0. Виходячи з того, що видима область монітору 13.8 дюймів з 15, було знайдено зворотній хід, що становить 8%. Розрахунки були проведені для режиму монітора 800*600*60 и виходячи з того, що буде попік сильне чередування (біксель білого кольору - піксель чорного кольору). Довжина імпульсу вираховувалася за формулою:

 (3.2)

де:

ξ - зворотній хід;- кадрова розгортка;- строкова розгортка;- частота оновлення.

В результаті - τ = 3.194*10-8.

Так як величина фронту не впливає на частоти на яких будуть знаходитися гармоніки, а лише на потужність випромінювання на них, було взято довжину фронту 0.1 від тривалості імпульсу.

Рисунок 3.1 - Графік спектру ПЕМВ для характеристик монітору 800*600*60 при однопіксельному чередуванні

Отримані результати можна представити у вигляді таблиці.

Таблиця 3.2 - Гармоніки ПЕМВ для характеристик монітору 800*600*60 при однопіксельному чередуванні

Отримані результати відповідають теорії Фур’є про спектр періодичних сигналів прямокутної форми. Були проведені аналогічні розрахунки для чередування 2-х та 4-х пік селів відповідно.

Рисунок 3.2 - Графік спектру ПЕМВ для характеристик монітору 800*600*60 при двопіксельному чередуванні

Рисунок 3.3 - Гармоніки ПЕМВ для характеристик монітору 800*600*60 при двопіксельному чередуванні

Рисунок 3.3 - Графік спектру ПЕМВ для характеристик монітору 800*600*60 при 4-хпіксельному чередуванні

Таблиця 3.4 - Гармоніки ПЕМВ для характеристик монітору 800*600*60 при 4-хпіксельному чередуванні

Для більшої наочності результатів аналогічні розрахунки для однопіксельного чередування були проведені для режимів монітору 1024*768*60 та 1152*864*60.

Рисунок 3.4 - Графік спектру ПЕМВ для характеристик монітору 1024*768*60 при однопіксельному чередуванні

Таблиця 3.5 - Гармоніки ПЕМВ для характеристик монітору 1024*768*60 при однопіксельному чередуванні

Рисунок 3.5 - Графік спектру ПЕМВ для характеристик монітору 1152*864*60 при однопіксельному чередуванні