計算機(jī)數(shù)字視頻接口中視頻信息傳輸?shù)臅r頻分析

視頻信息是計算機(jī)上的一個重要信號。數(shù)字視頻接口顯示器作為一種新型的數(shù)字顯示器,具有響應(yīng)速度快、畫面清晰、色彩銳利、抗電磁干擾等性能,使它迅速的普及,特別是在一些高端領(lǐng)域里得到了廣泛應(yīng)用.但是以DVI/HDMI接口為首的數(shù)字視頻系統(tǒng)不可避免地加大了信息泄漏的危險性,研究數(shù)字視頻系統(tǒng)的信息泄漏已成為一個新的課題.文獻(xiàn)[8]中經(jīng)過測試驗證通過編碼后的數(shù)字視頻信號在傳輸某些顏色組合的圖像時也會造成視頻信息電磁泄漏,但其并未對此進(jìn)行分析.文獻(xiàn)[9]也對數(shù)字視頻信號開展了研究,主要研究了噪聲干擾對數(shù)字視頻信號電磁泄漏抑制性能.文獻(xiàn)[10]也只針對黑白條紋圖像進(jìn)行了頻域分析.為此,筆者分析了數(shù)字接口的視頻信息傳輸途徑,根據(jù)信息截獲復(fù)現(xiàn)理論,從時域和頻域的截獲原理來研究并獲取視頻信息的時域、頻域特征,得到數(shù)字接口中視頻線纜串行傳輸灰度圖像以及編碼前和解碼后并行傳輸黑白圖像時視頻信息會被截獲復(fù)現(xiàn)的結(jié)論,并行傳輸黑白圖像時表現(xiàn)為假并真串,此時并行信息也會造成電磁信息泄漏.1信號傳輸過程計算機(jī)視頻信息由每個像素點的數(shù)據(jù)組成,像素點由R、G、B這3個值決定.數(shù)字視頻信息的(R,G,B)值0~255采用8bit二進(jìn)制表示,經(jīng)過傳輸最小差分信號(TransitionMinimizedDifferentialSignal,TMDS)編碼后分別由3個傳輸通道進(jìn)行差分傳輸.數(shù)字視頻信息的傳輸途徑中:TMDS編碼電路前(顯卡)、TMDS解碼電路后(顯示器)都是并行信息,TMDS編碼電路至TMDS解碼電路為串行信號.(1)TMDS編碼電路前(顯卡)上的視頻數(shù)據(jù):(R,G,B)中的每一路都是由8根信號線并行傳輸?shù)?即x其中,i∈{1,2,…,24},I(2)視頻互連電纜上的視頻數(shù)據(jù):發(fā)送模塊將(R,G,B)每一路的8bit二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行串行化,并進(jìn)行TMDS編碼.編碼后8bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為10bit數(shù)據(jù),則數(shù)字視頻接口視頻電纜上,(R,G,B)中任意一根線k傳輸信號為其中,d(3)TMDS解碼電路后(顯示器)上的視頻數(shù)據(jù):數(shù)字視頻接口視頻電纜傳輸?shù)男盘柦?jīng)過TMDS解碼后,將串行信息轉(zhuǎn)為并行信息,即恢復(fù)出顯卡內(nèi)的并行信息:x建立了并行信號表達(dá)式(式(1))和串行信號表達(dá)式(式(2))后,就可進(jìn)行數(shù)字視頻信號的頻域計算,為線纜的電磁輻射頻域仿真奠定了基礎(chǔ).2基于時域電壓分離原理的傳輸信號的時域特征分析2.1基于信號傳輸?shù)耐l視頻數(shù)據(jù)還原根據(jù)電磁場理論,電流變化將產(chǎn)生電磁場.當(dāng)視頻線傳輸具體視頻數(shù)據(jù)時,信號電壓必然發(fā)生上升或下降的跳變,這時會產(chǎn)生電磁輻射.而在視頻傳輸線的距離外,用寬帶高增益天線進(jìn)行接收,利用高帶寬、高采樣頻率的存儲式示波器可以將接收到的電磁波信號進(jìn)行檢測并記錄,這樣就可以對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行截獲并能還原復(fù)現(xiàn).對線纜高速傳輸數(shù)字信號的電磁輻射泄漏進(jìn)行建模,其等效電路如圖1所示.當(dāng)傳輸線進(jìn)行數(shù)字信號傳輸時,產(chǎn)生的電磁輻射通過天線進(jìn)行接收.傳輸線的特征阻抗為50Ω,傳輸300Mbit/s的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列信號,信號電壓為3.3V.端口1和端口2分別為線纜傳輸數(shù)據(jù)的起始和終止端,端口3為天線端口,電磁輻射信號波形可以通過端口3進(jìn)行檢測計算.天線與傳輸線距離為常用電磁輻射測試接收距離,即為1m.對此模型進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖2所示.由圖2可見,當(dāng)傳輸線高速傳輸數(shù)字信號時,信號上升沿和下降沿的電壓跳變會產(chǎn)生電磁輻射.因此,當(dāng)視頻數(shù)據(jù)傳輸時,通過天線進(jìn)行遠(yuǎn)距離接收即可截獲所傳輸?shù)臄?shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行還原即可復(fù)現(xiàn)計算機(jī)的視頻信息.2.2信號信號的時域特性(1)視頻傳輸?shù)牟⑿袀鬏敃r域特征.在顯卡中(TMDS編碼前)和顯示器中(TMDS解碼后),都是由8bit并行數(shù)據(jù)線傳輸視頻信號的.圖3給出了傳輸黑白像素點以及彩色像素點相鄰視頻信號的編碼形式與傳輸形式.由圖3可知,當(dāng)視頻數(shù)據(jù)在顯卡或顯示器中進(jìn)行并行傳輸時,每個像素點的信息由24根線傳輸.同理,只有當(dāng)24根數(shù)據(jù)線在任意時刻所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)均相同時,天線接收到的電磁輻射信號才能還原出圖像的數(shù)據(jù),這時傳輸?shù)膱D像就要求必須是黑白圖像(黑像素24位均為0,白像素24位均為1).當(dāng)傳輸非黑白像素時,天線接收到的電磁輻射信號無法復(fù)現(xiàn)視頻圖像.(2)視頻線纜的串行傳輸時域特征.數(shù)字接口的編碼發(fā)送模塊將(R,G,B)3路的8bit并行信號串行化,并通過TMDS編碼轉(zhuǎn)化為10bit數(shù)據(jù),視頻線纜3條傳輸通道分別傳輸每個像素點的(R,G,B)信號.圖4給出了傳輸彩色圖像((R,G,B)值不相同)和灰度圖像((R,G,B)值相同,黑、白點的(R,G,B)值分別為0、255)時一個像素點的時域波形圖.從圖4(a)和圖4(b)可以看出,傳輸彩色像素點和黑白像素點時,前者的(R,G,B)視頻線上的時域波形不同,而傳輸灰度像素點的時域波形相同.兩種像素點天線接收到的時域信號是不同的.圖4(a)中彩色像素點天線接收信號雜亂無章,無法分辨和對應(yīng)(R,G,B)信號的時域波形,而圖4(b)中灰度像素點天線接收到的時域信號則完全對應(yīng)了(R,G,B)信號的時域波形.根據(jù)2.1節(jié)中的仿真,當(dāng)視頻數(shù)據(jù)通過視頻線纜傳輸時,數(shù)據(jù)的跳變形成電磁輻射.當(dāng)天線在遠(yuǎn)距離接收時,接收到的是(R,G,B)3條傳輸通道的電磁輻射.在傳輸彩色圖像時,由于這3條傳輸線距離很近,對于用天線進(jìn)行遠(yuǎn)距離接收來說,這些傳輸視頻線就相當(dāng)于一個復(fù)合源,等效于相同場的發(fā)射,接收到的信號是復(fù)合的信號,這就很難采用物理分隔的方法分別接收.在時間上,這些信號都是同時發(fā)射的,無法采用時分方法進(jìn)行接收,天線無法辨別電磁輻射來自于哪條線纜.而在傳輸灰度圖像時,由于每個像素的(R,G,B)值相同,在視頻線纜中傳輸時任意時刻的信號均相同,這時天線可以將3條線纜的電磁輻射當(dāng)成一個輻射源來進(jìn)行接收,接收到的信號即為(R,G,B)3條線纜的信號,經(jīng)過TMDS解碼后,即可恢復(fù)出像素點的(R,G,B)信號,視頻信息就可以被截獲還原.3彩色像素點的信號特性將視頻電纜上(R,G,B)任一路k的傳輸電流式(式(2))進(jìn)行傅里葉變換,可得其視頻線纜Δl長度上的輻射場為則(R,G,B)3路視頻信號在空間某一點的總輻射場為對視頻線纜傳輸彩色點和黑白像素點進(jìn)行仿真,計算電磁輻射頻譜.仿真采用1920×1080的分辨率,60Hz的刷新頻率,視頻線纜的時鐘信號為148.5MHz.圖5(a)為一個彩色像素點的時域波形,圖5(b)~(d)分別為(R,G,B)3路線纜的電磁輻射頻譜.圖6(a)為一個黑白像素點的時域波形,圖6(b)~(d)分別為(R,G,B)3路線纜的電磁輻射頻譜.由于截獲信息時,天線接收到的是(R,G,B)3條線疊加的電磁頻譜,因此從圖中可以看出3根芯線上數(shù)字信號的0或1在同一位上是否相同,體現(xiàn)了疊加場頻譜的復(fù)雜性.對于彩色像素點,由于每條傳輸通道的傳輸速率相同,因此包含信息的頻譜包絡(luò)范圍相同,截獲接收機(jī)接收到疊加場的電磁輻射信號為頻譜譜線相互疊加、覆蓋.由于無法通過頻域分辨每條傳輸通道的數(shù)據(jù),因此無法還原視頻圖像信息.而對于黑白像素點,3條傳輸通道傳輸相同,故疊加場為相同3根芯線輻射場的疊加,同時其頻譜更為規(guī)律,因此更容易被接收機(jī)截獲.顯然,對于顯示黑白像素點的視頻信息,24路并行信號所傳輸?shù)碾娏饕环矫嫱瑫r為1或0,另一方面隨時間變化的規(guī)律也完全相同.24路并行信號的傳輸完全可等效成一路串行信號,其疊加場為24路并行信號的總和,呈現(xiàn)出了“假并真串”的特征.由此可以得出結(jié)論:截獲接收機(jī)完全可對顯卡中并行線傳輸?shù)囊园椎缀谧譃橹鞯奈淖中畔⑦M(jìn)行截獲與復(fù)現(xiàn).與黑白文字相比,彩色文字中R(8路)、G(8路)、B(8路)并行數(shù)據(jù)線所傳輸?shù)臄?shù)字信號并不一定完全相同,視頻線上傳輸?shù)臅r域信號波形比較雜亂.根據(jù)前述理論分析可知,彩色文字比黑白文字難以被復(fù)現(xiàn).4復(fù)現(xiàn)現(xiàn)測測試結(jié)果為驗證以上分析的正確性,利用視頻信息泄漏截獲接收機(jī)對黑白文字和彩色文字進(jìn)行截獲驗證.圖7為黑黑字字白白底底和和彩彩色色圖圖片片的的電電磁磁泄泄漏漏的的復(fù)復(fù)現(xiàn)現(xiàn)測測試試結(jié)結(jié)果果..從圖7中可以看出,(R,G,B)像素值相同的黑白文字可以被截獲接收機(jī)復(fù)現(xiàn),文字信息可以被讀取,如圖7(b).但對于彩色圖片,則不能進(jìn)行復(fù)現(xiàn)還原,如圖7(d).試驗結(jié)果