Phương pháp phát nhiễu đồng bộ chống thu bức xạ kênh kề phát ra từ màn hình máy tính dựa trên công nghệ FPGA

i 0 (6) 
có thể khôi phục hoàn toàn tín hiệu video vt() MxN
với các giá trị điểm ảnh theo tần số quét các V() f if p
 i 0
điểm ảnh đó là f . Nhƣ vậy tín hiệu video sẽ 
 p Nói cách khác tín hiệu video có phổ xuất 
đƣợc tính theo tập hợp giá trị của các điểm ảnh hiện tại các tần số là hài của tần số điểm ảnh. 
trên màn hình đƣợc biểu diễn nhƣ sau [6, 7]: Nếu tín hiệu video bị bức xạ thông qua các phần 
 MxN tử không tuyến tính trong màn hình thì phổ của 
 sin (fp t i )
 v() t V (1) tín hi(1)ệ u bức xạ cũng sẽ xuất hiện các thành phần 
  i ()f t i
 i 0 p tại các hài của tần số điểm ảnh. Biểu thức (6) 
 Mặt khác do tín hiệu vt() có băng tần giới cho thấy sự liên quan chặt chẽ của tần số điểm 
 ảnh và phổ của tín hiệu bức xạ. Phòng thí 
hạn nên việc lấy mẫu tín hiệu video tƣơng nghiệm hệ thống năng lƣợng và môi trƣờng của 
đƣơng với phép nhân nó với chuỗi xung Dirac Nhật (NTTE&ES) đã công bố một kết quả thu 
cách đều nhau: phổ tín hiệu bức xạ điện từ trƣờng trực tiếp từ 
 MxN i màn hình máy tính có độ phân dải 1024x768 
 Vˆ()() t v t t (2) (XGA) với tấn số điểm ảnh 65MHz nhƣ Hình 3: 
 i  
 i 0 f p
 i
 Trong đó:  t - xung Dirac tại vị trí 
 f p
 i
thu . Phổ của chuỗi xung Dirac hay biển đổi 
 f p
Fourier của chuỗi xung đó đƣợc tính nhƣ sau [8]. 
 MxN i
 ()()f F  t 
  i 0 f p
 MxNi MxN 
 ()()t e j2 ft dt f f if
 f pb Hình 3. Bức xạ điện từ trƣờng từ 
 ii 00p màn hình máy tính 
 (3) 
 Trong Hình 3 các điểm bức xạ mạnh (đƣợc 
 Tƣơng tự, phổ của tín hiệu video cũng đƣợc đánh dấu bằng dấu sao) xuất hiện tại các tần số 
tính theo biến đổi Fourier: là số nguyên lần của tần số điểm ảnh nhƣ: 
 260MHz, 325MHz, 390MHz, 455MHz, 
 V()() f F v t (4) 
   520MHz hoàn toàn phù hợp với dự đoán theo 
 Nhƣ đã biết tích của hai tín hiệu trong miền công thức (6). 
thời gian thì biến đổi Fourier của tích đó sẽ bằng Qua phân tích ở trên cho thấy mối liên hệ 
tích chập của biến đổi Fourier từng tín hiệu đó chặt chẽ giữa phổ bức xạ từ màn hình và tần số 
trong miền tần số [8]: điểm ảnh. Việc chứng minh đƣợc sự liên quan 
 giữa tần số điểm ảnh và các số tần bức xạ từ 
 F v( t ). ( t ) F v ( t ) F ( t ) 
 (5) màn hình cho phép đƣa ra phƣơng án phát nhiễu 
 V()() f f dành cho các loại màn hình đó. Nhƣ vậy, thay vì 
 phát nhiễu tại các tần số không cần thiết (phát 
 Áp dụng các biểu thức (3), (4) và (5) vào nhiễu trên dải rộng) chỉ cần tập trung tại các tần 
(2), sẽ nhận đƣợc phổ của tín hiệu video trong số có bức xạ màn hình. 
miền tần số: 
 Từ kết quả lý thuyết và thực nghiệm có thể 
 khẳng định rằng tín hiệu nhiễu đồng bộ sẽ phải 
 có các đặc điểm sau: 
46 Số 1.CS (07) 2018 
 Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ trong lĩnh vực An toàn thông tin 
 Phổ tần số của tín hiệu nhiễu sẽ phải có định chế độ màn hình đang hoạt động. Quá trình 
 các hài tƣơng tự nhƣ tần số điểm ảnh. thực thi tìm chế độ màn hình sẽ sử dụng bộ công 
 cụ FPGA ML507 Virtex 5. Kit ML507 Virtex 5 
 Công suất phát tại các tần số đó phải đủ 
 đƣợc lựa chọn vì nó có khả năng xử lý tín hiệu 
 lớn để bảo vệ các tín hiệu bức xạ. mạnh và có sẵn các cổng vào ra mở rộng I/O, 
 III. TÌM CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG ngoài ra trên kit còn có các khối PLL DCM hỗ 
 CỦA MÀN HÌNH VÀ TẠO TẦN SỐ trợ cấu hình động (Dynamic Reconfiguration 
 ĐỒNG BỘ TƢƠNG ỨNG Port - DRP) giúp cho việc tạo tín hiệu đồng bộ 
 trở nên chính xác hơn mà không tốn nhiều tài 
 Qua phân tích ở trên cho thấy rằng để có thể nguyên của Virtex 5. Công nghệ FPGA giúp cho 
tạo nhiễu đồng bộ bảo vệ cho màn hình cần xác việc thiết kế thiết bị nguyên mẫu dễ dàng hơn, 
định đƣợc chế độ đang hoạt động của màn hình ngoài ra nếu sử dụng FPGA có thể hỗ trợ nâng 
và tạo các tín hiệu đồng bộ tƣơng ứng với màn cấp trong tƣơng lai mà không cần cập nhập thêm 
hình đó. Đối với các màn hình hiện nay có hai phần cứng. Tần số đồng bộ dọc fh và tần số 
loại cổng video chủ yếu đang đƣợc sử dụng đồng bộ fv nhƣ đã biết (có trong các tín hiệu của 
gồm: các loại cổng video tƣơng tự (nhƣ VGA, cổng VGA) sẽ đƣợc đo thông qua các bộ đo đếm 
DVI-A) và các loại cổng video số (nhƣ DVI-I, trong FPGA nhƣ sau: 
HDMI). Trong đó, cổng VGA đƣợc sử dụng 
trong hầu hết các thiết bị, còn cổng HDMI đang Từ tín hiệu clock của hệ thống trên kit 
dần trở nên phổ biến, và cổng DVI là dạng cổng 200 MHz sử dụng một bộ chia tần số với 
lại giữa hai dòng trên. Nội dung dƣới đây trình counter bằng 500000 và hoạt động với mỗi 
bày các nhận biết chế độ màn hình cho cổng sƣờn lên của clock hệ thống để tạo ra một tín 
VGA và tạo tần số điểm ảnh cho nó. Các tín hiệu tham chiếu. Khi counter đếm đƣợc 
hiệu trên cổng VGA đƣợc mô tả nhƣ Hình 4: xung thứ 500000, nó sẽ tự reset về giá trị 
 khởi tạo và tạo tín hiệu tham chiếu ở đầu ra 
 với tốc độ 200 Hz. Việc giảm tốc độ của tín 
 hiệu tham chiếu có thể nâng cao độ chính 
 xác của phép đo tần số của tín hiệu đồng bộ, 
 nhƣng yêu cần nhiều hơn thời gian thực 
 hiện. Qua mô phỏng và thực nghiệm có thể 
 thấy rằng 200 Hz là giá trị tham chiếu có thể 
 chấp nhận đƣợc. Công thức tính tần số tham 
 chiếu nhƣ sau: 
 f 200.106
 in (7) 
 fout 200 Hz
 Hình 4. Cấu trúc tín hiệu trên cổng VGA counter.2 500000.2
 Các thành phần chính trong tín hiệu VGA 
bao gồm: các tín hiệu mang thông tin video 
RGB tƣơng ứng với ba màu sắc cơ bản (red, 
green, blue), các tín hiệu đồng bộ ngang, tín hiệu 
đồng bộ dọc và tần số điểm ảnh. Trong đó, tín 
hiệu đồng bộ dọc quyết định tốc độ thay đổi 
khung hình hay còn gọi là tần số làm mới. Tín 
hiệu đồng bộ ngang và tần số điểm ảnh cho phép 
hiển thị ma trận điểm ảnh trong một khung lên Hình 5. Sơ đồ thời gian theo hoạt động của 
 bộ đếm tần số của tín hiệu đồng bộ 
trên màn hình. 
 Dựa trên cấu trúc và đặc điểm của các tín Tín hiệu 200 Hz đƣợc đƣa vào quá trình 
hiệu đồng bộ của cổng VGA có thể xác định đo giá trị tần số của tín hiệu đồng bộ. Mỗi 
đƣợc chế độ làm việc của màn hình dựa vào hai sƣờn lên của tín hiệu 200 Hz (tƣơng ứng với 
tín hiệu đồng bộ dọc và đồng bộ ngang. Hai tín 5ms/2 = 2.5 ms, vì chỉ có một nửa xung 
hiệu này có thể đo trực tiếp và dựa vào kết quả clock) sẽ kích hoạt hai bộ đếm xung dành 
đo đƣợc so sánh với tiêu chuẩn VESA để xác cho hai tín hiệu đồng bộ. Hai bộ đếm này sẽ 
 Số 1.CS (07) 2018 47 
Journal of Science and Technology on Information Security 
 tìm và đếm các sƣờn lên của hai tín hiệu clock 
 trong khoảng thời gian 2.5 ms (Hình 5). 
 Khi tín hiệu 200Hz chuyển sang sƣờn 
 xuống các bộ đếm sẽ dừng đếm, chuyển các 
 giá trị đếm đƣợc lên module phía trên để đƣa 
 vào vi xử lý powerPC440 thông qua các 
 thanh ghi 32 bit và reset về giá trị khởi tạo. 
 Việc đƣa giá trị đếm vào vi xử lý sẽ thuận 
 tiện hơn nhiều cho việc hiển thị kết quả đo Hình 7. Sơ đồ PLL nối tiếp trong kit ML507 
 tốc độ xung của các tín hiệu đồng bộ. Tần số 
 Trong quá trình làm việc giá trị của tần số 
 của tín hiệu đồng bộ sẽ đƣợc tính nhƣ sau: đầu ra của bộ PLL sẽ đƣợc xác định bởi tần số 
 f 2. N . f (8) 
 sync ref đầu vào fin , giá trị nhân M và giá trị chia D. Khi 
 Trong đó: f là giá trị tần số của tín hiệu tần số điểm ảnh thay đổi thì cần thay đổi M và D 
 sync để tạo tần số ở đầu ra VCO (Voltage Control 
đồng bộ [Hz]; N là giá trị mà bộ đếm đếm đƣợc; Oscillator) phù hợp với giá trị mới. Trong Virtex 
 fref là tần số của tín hiệu tham chiếu (ở đây 5 FPGA giá trị tần số của đầu vào và tần số ở 
chính là tín hiệu 200Hz). Kết quả cần nhân cho 2 đầu ra của một bộ PLL đƣợc tính nhƣ sau: 
do N là số xung đếm đƣợc trong một nửa chu kì 
 M
(2 lần tần số) của tín hiệu tham chiếu. ff 
 outVCO in D (9) 
 Quá trình tìm chế độ và đo tần số đồng bộ M
 ff 
của màn hình có cổng VGA đƣợc mô phỏng out in DO
bằng phần mềm ISim của Xilinx. Kết quả mô 
phỏng đƣợc biểu diễn trong Hình 6 dƣới đây: Trong đó: fin là tần số clock ở đầu vào của 
 PLL; ffoutVCO, out là tần số của tín hiệu đầu ra của 
 VCO và PLL; M là giá trị nhân của bộ đếm M; 
 và D,O là giá trị chia của bộ đếm D, O. 
 Việc sử dụng hai bộ PLL đồng thời thì sẽ 
 cho phép tạo tần số ở phía đầu ra trên chính xác 
 hơn. Tuy nhiên, khi thay đổi tần số cần chú ý 
 đến giới hạn hoạt động của từng bộ PLL nếu giá 
 trị đầu vào vƣợt quá giới hạn cho phép, thì sẽ 
 làm toàn bộ khối hoạt động không chính xác. 
 Ngoài ra cần chú ý rằng việc thay đổi giá trị của 
 các bộ PLL khi thiết bị đang làm việc sẽ phải 
 thông qua các cổng DRP. 
 Hình 6. Mô phỏng hoạt động của bộ tìm chế độ IV. ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP PHÁT NHIỄU 
 màn hình và đo tần số đồng bộ VGA CHỐNG THU BỨC XẠ ĐỒNG BỘ 
 Có thể thấy, với tần số của tín hiệu tham CHO MÀN HÌNH DỰA TRÊN FPGA 
chiếu bằng 200Hz thì sai số đo tần số đồng bộ sẽ 
vào khoảng 1%. Tuy giá trị này khá lớn nhƣng 
vẫn đủ để xác định đƣợc chế độ hoạt động và giá 
trị thực của các tần số điểm ảnh theo tiêu chuẩn 
VESA. Việc tạo tín hiệu điểm ảnh sẽ đƣợc tiến 
hành sau khi xác định đƣợc giá trị của nó. Trong 
bộ công cụ ML507 có thể sử dụng các bộ PLL 
DCM (Phase Lock Loop Digital Clock 
Manager) để tạo tín hiệu điểm ảnh với độ chính Hình 8. Sơ đồ thiết kế của thiết bị 
xác cao. Bởi vì đặc điểm của tín hiệu điểm ảnh phát nhiễu đồng bộ 
và cách thức làm việc của PLL cần ít nhất hai bộ 
PLL nối tiếp nhau nhƣ Hình 7. 
48 Số 1.CS (07) 2018 
 Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ trong lĩnh vực An toàn thông tin 
 Nhƣ đã phân tích ở trên phát nhiễu chống 
thu bức xạ đồng bộ đƣợc thực hiện qua hai 
bƣớc: Bƣớc 1 phân tích đặc điểm bức xạ của 
thiết bị cần bảo vệ; Bƣớc 2 thiết kế và chế tạo 
thiết bị phát nhiễu có phổ nhiễu tƣơng đồng với 
đặc điểm bức xạ của thiết bị cần bảo vệ và có 
công suất nhiễu lớn hơn so với tín hiệu bức xạ. 
Dựa trên đặc điểm của tín hiệu bức xạ màn hình 
đã phân tích ở trên có thể đƣa ra thiết kế của 
thiết bị phát nhiễu đồng bộ nhƣ Hình 8. 
 Tín hiệu video sẽ đƣợc lấy từ các cổng 
video đầu ra trên máy tính và đƣa vào thiết bị b/ 
phát nhiễu để phân tích. Khối tìm chế độ VESA 
sẽ tìm chế độ đang đƣợc hiển thị trên màn hình Hình 9. Kết quả đo phổ của nhiễu và tín hiệu 
 video đối với các chế độ màn hình khác nhau 
và so sánh nó với tiêu chuẩn VESA, nhằm xác 
định giá trị các tín hiệu đồng bộ. Khối tạo tín Qua Hình 9 có thể thấy rằng phổ của tín 
hiệu đồng bộ sẽ tạo và đƣa tín hiệu đồng bộ vào hiệu video có dạng nhƣ dự đoán trong Mục II, 
khối phát nhiễu. Từ đây, khối phát nhiễu sẽ tạo tại các vị trí là hài của tần số pixel xuất hiện phổ 
ra nhiễu tại các tần số có tín hiệu bức xạ màn lặp lại của màn hình ở tần số thấp. Qua Hình 4 
hình nhƣ phân tích ở trên. Khi đó, tín hiệu nhiễu cũng thấy rõ rằng trong dải tần số từ 0 đến 
sẽ đƣợc phát ra không gian với cơ chế giống 1GHz tín hiệu video (đƣờng nét nhỏ) có phổ 
nhƣ các tín hiệu video và tại cùng một tần số. hoàn toàn nằm dƣới phổ của tín hiệu nhiễu 
 (đƣờng nét đậm), hơn nữa tín hiệu nhiễu có phổ 
 Kết quả đo phổ tín hiệu nhiễu tạo bởi 
 phân bố dựa theo phổ của tín hiệu video. Nói 
module phát nhiễu xây dựng trên bộ công cụ 
 cách khác việc thu và khôi phục của tín hiệu 
ML507 và tín hiệu video với các chế độ phổ 
 video trong trƣờng hợp có nhiễu này là không 
biến trong các màn hình hiện nay là 1366x768 
 khả thi. Qua đó chứng minh tính hiệu quả của 
và 720p đƣợc biểu diễn trên Hình 4. Màn hình 
 thiết kế phát nhiễu đồng bộ trong việc bảo vệ 
đƣợc sử dụng trong bài kiểm tra là màn hình 
 chống lại tấn công lên kênh bức xạ từ màn hình 
máy tính HP Compaq B201LED 19.5 inch với 
 máy tính. 
hai cổng video input là VGA và DVI, có pixel 
pitch 0.3 mm, tốc độ làm mới màn hình 8ms. V. KẾT LUẬN 
Các thiết bị đƣợc kết nối theo sơ đồ trên Hình 3, 
trong đó thiết bị phát nhiễu đƣợc thay thế bằng Phổ bức xạ từ màn hình máy tính có liên 
bộ công cụ ML507. quan chặt chẽ đến tần số điểm ảnh sử dụng trong 
 các cổng video. Sự liên quan đó cho phép dự 
 đoán trƣớc đƣợc đặc điểm của phổ bức xạ, từ đó 
 đƣa ra phƣơng án phát nhiễu phù hợp. 
 Dựa trên đặc điểm bức xạ của màn hình, bài 
 báo đã đƣa ra mô hình thiết kế cho thiết bị phát 
 nhiễu đồng bộ với màn hình. Thiết bị nguyên 
 mẫu đƣợc phát triển dựa trên công nghệ FPGA 
 cho phép đẩy nhanh quá trình thiết kế và thử 
 nghiệm. Kết quả đo phổ của tín hiệu nhiễu tạo ra 
 phù hợp với dự đoán về phổ của tín hiệu bức xạ. 
 Đây chỉ là các kết quả ban đầu trong quá 
 trình áp dụng phƣơng pháp phát nhiễu đồng bộ 
 a/ dùng chống thu bức xạ kênh kề. Hƣớng nghiên 
 cứu tiếp theo của nhóm tác giả có thể tiến hành 
 tìm cách thu và khôi phục đƣợc toàn bộ hoặc 
 một phần thông tin bức xạ phục vụ cho việc 
 Số 1.CS (07) 2018 49 
Journal of Science and Technology on Information Security 
nghiên cứu sâu hơn cho các kỹ thuật chống thu SƠ LƢỢC VỀ TÁC GIẢ 
bức xạ. ThS. Nguyễn Ngọc Vĩnh Hảo 
 Đơn vị công tác: Viện khoa học-
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
 Công nghệ mật mã, Ban Cơ yếu 
[1]. W. Van Eck, ―Electromagnetic Radiation from Chính phủ. 
 Video DisplayUnits: An Eavesdropping Risk?‖, 
 Email: nnvh89@gmail.com 
 Computers & Security, No.4, August 1985. 
 Quá trình đào tạo: Nhận bằng kỹ 
[2]. Markus G. Kuhn, ―Eavesdropping attacks on 
 sƣ và thạc sĩ chuyên ngành Thiết 
 computer displays‖, Information Security 
 bị vô tuyến điện của thiết bị bay tại trƣờng đại học 
 Summit, Prague, May 2006. 
 Hàng Không Quốc Gia Kharkov, Ucraina năm 2013 
[3]. Fürkan Elibol, Uğur Sarac, Işın Erer, ―Realistic và 2015. 
 eavesdropping attacks on computer displays 
 Hƣớng nghiên cứu hiện nay: an toàn bức xạ điện từ 
 with low-cost and mobile receiver system‖, 20th 
 trƣờng của các thiết bị mật mã. 
 European Signal Processing Conference, 
 Bucharest, Romania, August 2012. ThS. Bùi Đức Chính 
[4]. Yasunao Suzuki, Masao Masugi, Hiroshi Đơn vị công tác: Viện khoa học-
 Yamane, ―Countermeasures to prevent Công nghệ mật mã, Ban Cơ yếu 
 eavesdropping on unintentional emanations Chính phủ. 
 from personal computers‖, NTT Technical Email: duchinh36@gmail.com 
 Review, NTT Energy and Environment Systems Quá trình đào tạo: Nhận bằng kỹ 
 Laboratories, Japan. sƣ và thạc sĩ chuyên ngành điện tử 
[5]. Yasunao Suzuki, Masao Masugi, Hiroshi viễn thông tại trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội 
 Yamane, ―Countermeasure technique for năm 2013 và 2016. 
 preventing information leakage caused by Hƣớng nghiên cứu hiện nay: an toàn bức xạ điện từ 
 unintentional pc display emanations‖, IEICE, trƣờng của các thiết bị mật mã. 
 Kyoto, 2009. 
[6]. Васильев Р.А., Ротков Л.Ю., ―Обнаружение 
 побочных электромагнитных излучений и 
 наводок с помощью программно-
 аппаратного комплекса «легенда»‖, Нижний 
 Новгород, 2018. 
[7]. Хорев А.А., ―Способы и средства защиты 
 информации: учебное пособие‖, М.: МО 
 РФ, 1998. 
[8]. Tri T. Ha, ―Theory and design of digital 
 communication systems‖, Cambridge University 
 Press, 2011. 
[9]. Ngô Thế Minh, ―Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo 
 thiết bị chống thu bức xạ rõ Video máy vi tính 
 đồng bộ với máy gây ra nguồn bức xạ‖, Viện 
 Khoa học – Công nghệ mật mã, Ban Cơ yếu 
 Chính phủ, 2010. 
50 Số 1.CS (07) 2018