引言

      隨著電子設備在日常生產和生活中的廣泛應用，電磁輻射泄漏問題逐漸引起人們的廣泛關注。電磁輻射泄漏是指電子設備在處理敏感信息時，產生的電磁輻射信號可能攜帶關鍵信息的現象。攻擊者在特定條件下可以截獲這些輻射信號，從而重建并恢復泄漏信號中隱藏的數據。由于這類泄漏通常在受害者毫無察覺的情況下發生，因而具有高度隱蔽性和較大的安全威脅，防御難度較高。而計算機視頻電磁輻射泄漏是電磁泄漏中最典型的例子。本文旨在探討計算機顯示設備的電磁輻射泄漏特性，并分析現有的計算機視頻電磁泄漏恢復技術。本文將分為上下兩篇：上篇總結計算機電磁輻射泄漏信號的時域與頻域特性，并分析其產生的根本原因；下篇則聚焦于計算機視頻電磁泄漏信號的重建過程，探討視頻圖像還原的最新研究成果，并展望未來研究方向。

緒論

近年來，隨著信息技術的迅猛發展，電子設備已廣泛應用于交通、醫療、金融等領域，成為現代社會的重要基礎設施。然而，信息化進程的加速也伴隨著信息泄漏風險的加劇。電磁泄漏導致的信息泄漏因其隱蔽性強、難以檢測的特性，已成為威脅電磁空間安全的隱患。電磁泄漏是指電子設備在處理敏感信息時，產生的電磁信號中可能攜帶關鍵信息的現象。攻擊者可利用特定技術手段截獲這些信號，從而重建并恢復隱藏在泄漏信號中的數據內容，造成信息泄漏。電磁泄漏廣泛存在于多種電子設備中，如計算機顯示器、無線鍵盤、鼠標、掃描儀、打印機、壓電傳感器（PES）、射頻識別設備（RFID）以及其相關連接電纜和導線。這些設備在運行過程中產生的電磁泄漏信號若未經過有效防護，極易被外部攻擊者截獲并利用，進而導致敏感數據泄漏和經濟損失。

在過去幾十年里，由于計算機視頻信號的電磁輻射泄漏恢復技術具有簡單、威脅性高等特點，已引起研究者的廣泛關注。計算機視頻電磁泄漏的研究最早可追溯到20世紀80年代。1985年，Van Eck首次發表了關于CRT（Cathode Ray Tube，陰極射線管顯示器）顯示器電磁泄漏的研究成果[1]。Van Eck通過使用天線、AM接收器和包絡檢波器成功重建了CRT顯示器上顯示的圖像，這是學術界關于計算機視頻電磁泄漏現象的首個系統研究。此后，P. Smulders研究了RS-232接口的電磁泄漏檢測與還原技術[2]。而文獻[3]則基于Van Eck的成果，進一步研究了CRT、筆記本電腦和平板顯示器的電磁輻射泄漏，并成功在三米的準自由空間中接收并重建了CRT顯示器上的圖像。Kuhn[4]則將研究擴展到液晶顯示器（Liquid Crystal Display, LCD）顯示器，其發現泄漏信號不僅可以用以重建模擬視頻信號，還可以用以重建數字信號，尤其是低壓差分信號（Low-Voltage Differential Signaling, LVDS）。而Kuhn等人使用超外差接收機、信號發生器和對數周期天線成功截獲并恢復了數字視頻信號。Tanaka等人[5]在Kuhn工作的基礎上，使用部分相同的設備進一步分析了LCD顯示器的電磁泄漏特征。他們系統研究了LCD顯示器的近場與遠場輻射現象，揭示了傳導耦合泄漏的存在，并在遠場區成功重建泄漏圖像，最遠截獲距離達6米。隨后，Sekiguchi和Seto[6]采用定量方法，對計算機視頻電磁輻射泄漏進行了更為深入的分析。2018年，Lee等人[7] 提出了一種基于軟件定義無線電（SDR）的計算機視頻泄漏信號接收與重建的方案，從10米距離截獲并恢復了視頻信息，顯著提升了數據采集與信號處理的效率。然而，先前研究普遍未解決多視頻泄漏源信號分離的問題。近年來，隨著深度學習等先進技術的發展，研究者開始嘗試利用新方法處理視頻電磁泄漏信號，以期提高圖像重建精度和處理復雜泄漏場景的能力。文獻[8]提出了一種從多個泄漏源中重建指定視頻數據的方法，實現了相同頻率下多源視頻電磁泄漏信號的分離，并能夠從一次數據采集中獨立重建每個視頻圖像。文獻[9]進一步引入深度殘差網絡，使用3491個截獲的HDMI視頻信號與實際圖像作為訓練數據，對卷積神經網絡（CNN）進行訓練。實驗結果表明，該網絡的圖像誤碼率相比傳統電磁泄漏恢復算法降低了50%，且圖像清晰度顯著提升。綜上所述，計算機視頻電磁泄漏技術的發展經歷了從傳統硬件采集到基于深度學習的智能處理的演變。未來，針對多源信號分離與高精度圖像重建的技術研究，將成為該領域的重要發展方向。

計算機視頻電磁輻射信號泄漏特征

電磁泄漏通常分為兩類：傳導耦合泄漏和電磁輻射泄漏。由于計算機視頻信號的電磁泄漏信號的頻率較高，而傳導耦合泄漏主要通過電源線或建筑結構中的金屬構件傳播，且高頻信號在傳導耦合路徑中通常會經歷顯著的衰減，因此，其對視頻信號泄漏的影響通常較為有限，在大多數研究中并未被重點考慮。下文將主要針對電磁輻射泄漏進行展開。

電磁輻射泄漏通常來源于電子設備在運行過程中產生的未加密電磁信號，這些信號可能通過導線、電路板或設備外殼輻射到外部環境[11]。而隨著電子設備集成度的不斷提高，組件間的封裝距離顯著縮小，導致電磁場相互作用增強，進一步增加了電流回路和接地回路等潛在泄漏路徑，更加劇了電磁輻射泄漏問題[12]。因此，對電磁輻射泄漏的建模和分析具有重要意義。

針對計算機視頻信號的電磁輻射泄漏，已有多項研究對其進行了深入分析。本文將以VGA視頻信號為例，探討計算機視頻信號的電磁輻射泄漏特性。具體而言，文獻[8] 提供了計算機視頻信號的典型電磁輻射泄漏頻域特征圖（圖1、圖2和圖3），其中VGA信號采用800×600@56Hz的分辨率進行傳輸。文獻[10]展示了該信號的典型時域波形（圖4），揭示了視頻信號在時域內的泄漏特性。

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圖1  VGA視頻線纜電磁泄漏輻射示意圖，

藍色叉標志著包含泄漏的視頻電磁信號信噪比最高的頻點

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圖2  計算機視頻泄漏信號的輻射方向圖。圖(a)為水平極化圖，圖(b)為垂直極化圖

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圖3  730MHz下計算機視頻泄漏信號的功率譜密度圖和自相關圖。（a）采樣率為4Msps時的線頻率相關圖 （b）采樣率為25kSps時圖像頻率的相關圖 （c）線路頻率的PSD圖 （d）圖像頻率的PSD圖

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圖4  DVI信號的時域波形，分辨率為1920×1080@60Hz

當有計算機視頻泄漏信號存在時，從0Hz到1GHz的電磁頻譜采集結果如圖1所示。從圖中可觀察到三個泄漏頻點，分別位于440 MHz、730 MHz和795 MHz。由于泄漏信號較為微弱，不利于后續分析與重建，因此文章在數據采集后引入了非線性放大處理。其信噪比（SNR）采用5MHz帶寬分辨率進行計算，并通過對信號與噪聲的平均值求得。這是因為其實驗結果表明，5 MHz的帶寬分辨率是判斷載波頻率是否包含泄漏視頻數據的最小必要帶寬。

通過對電磁輻射泄漏的時域和頻域特征進行分析，本文總結了以下五點結論：

第一，諧波能量與輻射頻率關系：從圖1中的頻譜圖觀察到，隨著諧波次數的增加，輻射能量隨頻率的增加呈指數級下降。通常，低次諧波具有更高的能量和更遠的傳播距離。然而，實際環境中，低頻段易受如廣播電臺和其他射頻發射源等干擾，這些干擾均會對低次諧波泄漏信號的截獲與重建產生干擾。因此，在實驗與應用中，應選擇干擾最小的諧波頻率區間，以優化信號截獲與還原效果。

第二，電磁輻射的方向性特征：從圖2可以看出，電磁輻射泄漏具有全向性，且極化方向對輻射的方向性與強度影響可以忽略。因此，在實驗中，接收泄漏信號不受方向限制。但這也意味著在實施電磁泄漏防護時，必須對泄漏源進行全面屏蔽，才能有效阻止泄漏信號的泄漏。

第三，泄漏信號的傳輸特性：圖3中頻譜包絡的形態變化（圖3(c)和圖3(d)）主要由VGA、DVI和HDMI協議中基帶信號的特性決定。在電子設備的設計中，由于內部連接距離較短（通常不超過1米），而計算機與顯示器之間的連接線長度一般不超過3米，基帶信號在此傳輸距離內不會發生顯著衰減。此外，銅芯雙絞線和同軸電纜等傳輸介質的寄生電容和電感會導致高頻信號傳輸阻抗顯著增加，因此計算機視頻信號通常選擇基帶信號進行直接傳輸。

基帶信號根據類型可分為模擬基帶信號和數字基帶信號。VGA協議傳輸模擬基帶信號，其中RGB通道通過模擬信號傳遞亮度信息。在規定的像素周期內，信號幅值的變化用以表示R、G或B像素的亮度值。而DVI、HDMI以及DisplayPort（DP）協議則使用數字基帶信號，其通過編碼的二進制“0”和“1”表示圖像亮度信息，同樣在規定的像素周期內完成信號傳遞。從頻譜特性看，基帶信號的泄漏頻譜可表示為信號本身頻譜與發射器件頻率響應的乘積。下圖展示了一典型數字信號及其功率譜的特性。

圖5 數字信號和其功率譜

由于VGA信號具有獨特的幀結構，其傳輸波形在特性上與數字信號高度相似。觀察圖1和圖4可見，當除去噪聲干擾后，其包絡形狀與圖5的理論模型基本一致。實驗結果表明，顯示器電磁輻射泄漏信號的時頻域特性與圖5的理論模型一致。

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VGA信號的傳輸采用逐行掃描方式，從左到右依次完成圖像的掃描。由于VGA協議最初是為CRT顯示器設計，每行掃描結束后需經歷行消隱過程，通過行同步信號完成同步；所有行掃描完成后，則需通過場同步信號進行場同步和場消隱，從而開始新的一幀。因此，VGA信號是由RGB信號與同步信號組成的復合信號。

圖6  VGA信號波形示意圖

由于圖像分辨率及圖像的刷新率是計算機決定的，所以，對于一幀視頻行頻與時鐘頻率，計算方法如下：

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其中，各參數表示如下：

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圖7 VGA信號時序示意圖

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第五，電磁泄漏信號的時域特征：時域特征在電磁輻射泄漏的分析中同樣具有重要意義。圖4中的信號跳變現象表明，視頻泄漏信號與原始RGB信號之間存在顯著關聯，其中原始RGB信號的躍變沿是圖4中正負脈沖信號的主要來源。當圖像灰度信息發生劇烈變化時，無論是模擬信號還是數字信號，其幅度都會出現明顯的跳變。這些高能量跳變顯著提升了泄漏信號被截獲和重建的可能性。例如，當圖像傳輸至文字邊緣時，其圖像顯著的灰度跳變會引發更強的泄漏信號跳變，從而使顯示文本內容時電磁泄漏信號更容易被捕獲并還原。

在成功捕獲計算機視頻信號的電磁輻射泄漏后，下一步就是將這些泄漏信號轉換為可視圖像。而鑒于篇幅問題，本文分為上下兩部分。在下篇中，將詳細探討計算機視頻電磁泄漏信號的重建過程，并分析最新研究成果和未來的研究方向。

參考文獻

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