基于EP1C6Q240C8芯片和適配卡實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)防視頻信息泄漏系統(tǒng)的方案

假如顯示終端為數(shù)字微鏡DMD（Digital MicromirrorDevice）顯示器。該顯示器將計(jì)算機(jī)每個(gè)像素點(diǎn)的圖像信號(hào)經(jīng)過數(shù)字光處理DLP（Digital Light Processing）后，存入SDRAM雙向緩存器，當(dāng)一幀圖像接收完畢時(shí)，內(nèi)部數(shù)據(jù)處理電路同時(shí)激發(fā)各像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的微鏡運(yùn)動(dòng)，完成一幀圖像的顯示。DMD顯示器峰值數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓不超過33.5V，電磁輻射很低，且各微鏡片同時(shí)驅(qū)動(dòng)，形成相互干擾的向外輻射信號(hào)，解碼難度極大，從而使其成為無信息泄漏的顯示器。此時(shí)，視頻電纜的輻射在整個(gè)視頻通路的輻射中就占主導(dǎo)地位。如果在視頻信號(hào)經(jīng)過視頻電纜傳輸?shù)斤@示器之前就對(duì)其進(jìn)行處理，則可以有效地降低電磁輻射和信息泄漏。

1 視頻信息泄漏機(jī)理及解決方案

1.1 視頻信息傳輸過程中泄漏機(jī)理

在計(jì)算機(jī)視頻通路中，信息的傳送主要為并行傳送和串行傳送兩種方式。目前常見的視頻信息都為串行傳輸，在串行傳輸?shù)男盘?hào)波長(zhǎng)與其視頻電纜物理長(zhǎng)度可比的情況下，視頻電纜起著天線作用，容易產(chǎn)生高強(qiáng)度的有用信息的電磁泄漏，這樣就可以較為容易地對(duì)串行信號(hào)實(shí)現(xiàn)時(shí)分接收、頻分接收和方位接收。所以串行視頻信息很容易被竊取及復(fù)現(xiàn)。

在并行傳輸方式下，由于數(shù)據(jù)線間隔很小且發(fā)射信號(hào)頻率相同或相似，所以截獲難度要大得多。但將R、G、B三路串行模擬視頻信號(hào)分別轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后，若不經(jīng)處理就直接進(jìn)行傳輸，此時(shí)同時(shí)傳輸?shù)娜允且粋€(gè)像素的不同位信息，因此，從像素角度來考慮，仍為串行傳輸。若傳輸?shù)膱D像僅有黑白兩種顏色，則此時(shí)并行傳輸電纜上某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)為全“1”或全“0”，即并行電纜中各信號(hào)線具有相同的波形，也就不需對(duì)各信號(hào)線分別接收，此時(shí)視頻電纜類似于串行傳輸方式，有效信息就很容易被竊取。

1.2 基于像素的并行傳輸方式

為了有效地減少視頻信號(hào)被截獲的可能性，在視頻信號(hào)送至視頻電纜中傳輸之前就對(duì)其進(jìn)行一定的格式轉(zhuǎn)換，使得在并行電纜上能同時(shí)傳輸多個(gè)像素，實(shí)現(xiàn)真正意義上的并行，即基于像素的并行傳輸。在這種并行傳輸方式下，即使接收方能接收到輻射信息，由于無法分辨各像素的順序，也就不能復(fù)現(xiàn)信息。

本文設(shè)計(jì)的防信息泄漏系統(tǒng)就是通過對(duì)視頻信號(hào)的格式轉(zhuǎn)換處理，實(shí)現(xiàn)多個(gè)像素的同時(shí)傳輸。圖1為視頻信息格式轉(zhuǎn)換原理示意圖，輸入數(shù)據(jù)為串行模擬視頻信號(hào)經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字視頻信號(hào)，系統(tǒng)接收信息時(shí)，其順序是按單個(gè)像素依次接收的，此時(shí)數(shù)據(jù)為“像素包”格式。通過格式轉(zhuǎn)換模塊處理之后，這些以“像素包”格式接收到的視頻信號(hào)數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成為按照“位平面”格式排列的輸出數(shù)據(jù)。此時(shí)并行電纜上傳輸?shù)木褪嵌鄠€(gè)像素的數(shù)據(jù)?！拔黄矫妗备袷降囊曨l數(shù)據(jù)傳輸至顯示端后再通過格式轉(zhuǎn)換模塊還原為“像素包”格式。

順序接收到的“像素包”格式的數(shù)據(jù)可以用以下的集合方式予以描述：若系統(tǒng)接收到n個(gè)像素，則用D表示接收到的這一組視頻信號(hào)，S表示D中各元素間的先后順序關(guān)系，信號(hào)色彩數(shù)為23m種，即R、G、B三種顏色分別具有2m級(jí)灰度，則：

同樣，轉(zhuǎn)換為“位平面”格式后的輸出數(shù)據(jù)亦可以用同樣的集合方式進(jìn)行描述：E表示格式轉(zhuǎn)換后的一幀圖像的數(shù)據(jù)，F(xiàn)表示E中各元素間的先后順序關(guān)系，則：

將視頻信息由集合D所表述的形式轉(zhuǎn)換成由集合E所表述的形式，就是傳輸數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換所要完成的工作，即要求首先輸出所有像素的第一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，然后輸出所有像素的第二位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，直到最后輸出每個(gè)像素的最后一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。因此，“位平面”數(shù)據(jù)是n個(gè)像素點(diǎn)的三種顏色的、具有相同“權(quán)值”的數(shù)據(jù)的集合。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上面提出的像素并行傳輸?shù)脑恚O(shè)計(jì)基于FPGA的防視頻信息泄漏系統(tǒng)。圖2為該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖，整個(gè)系統(tǒng)由采集端適配卡和顯示端適配卡組成。

高速視頻專用A／D轉(zhuǎn)換器采用AD公司的高性能AD9883A，主要特點(diǎn)是：

（1）高達(dá)300MHz的帶寬和140MSPS的轉(zhuǎn)換率。

（2）三路獨(dú)立的0～1.0V的輸入信號(hào)范圍，非常適合采樣視頻信號(hào)。

（3）提供I2C總線接口等，以適應(yīng)多種應(yīng)用。

高速視頻專用D／A轉(zhuǎn)換器采用AD公司的高性能ADV7125，主要特點(diǎn)是：

（1）高達(dá)330M的吞吐量。

（2）三路獨(dú)立的8位DA轉(zhuǎn)換器。

（3）TTL兼容輸入信號(hào)，便于電路設(shè)計(jì)。

（4）單電源5V或3.3V供電，廣泛應(yīng)用于數(shù)字視頻系統(tǒng)、高分辨率彩色圖像顯示系統(tǒng)。

系統(tǒng)工作原理是：將來自顯卡的視頻信號(hào)輸入至采集端適配卡，采集端適配卡上的A／D轉(zhuǎn)換器將R、G、B三路模擬視頻信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成三路并行8位數(shù)字信號(hào)，同時(shí)也對(duì)行、場(chǎng)同步進(jìn)行相位修復(fù)和幅度補(bǔ)償，使之變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的行、場(chǎng)同步信號(hào)，然后將該信號(hào)送至FPGA中，同時(shí)在狀態(tài)機(jī)的控制下將以像素為單位的視頻信息轉(zhuǎn)換為“位平面”格式。信號(hào)處理完后通過并行傳輸電纜傳輸至顯示端適配卡，而顯示端適配卡則負(fù)責(zé)將“位平面”信息還原為像素格式，并通過D／A轉(zhuǎn)換器將三路共24bit數(shù)字視頻信號(hào)還原成模擬信號(hào)送給顯示設(shè)備進(jìn)行顯示。

2.2 電磁兼容設(shè)計(jì)

2.2.1 信號(hào)完整性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中數(shù)字視頻信號(hào)對(duì)傳輸時(shí)延要求較高，在布線時(shí)，其走線的路徑要大體一致并且盡量短，以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸時(shí)延的要求；合理安排去耦電容的擺放位置，盡可能接近所要進(jìn)行去耦的電源；AD9883A芯片和ADV7125芯片周圍電路的布線要盡可能短，周圍的元器件要盡可能安排緊湊，以減小電流環(huán)路面積，從而減小靜電干擾；放置過孔時(shí)，注意不要過密，以免損壞鏡像層；適配卡所用的電阻、電容、電感和IC芯片均為表面帖裝元件，有利于抑制電磁干擾。

2.2.2 電源完整性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所用的A／D轉(zhuǎn)換器芯片、D／A轉(zhuǎn)換器芯片對(duì)電源有嚴(yán)格的要求，除了要有模擬電源和數(shù)字電源之分外，AD9883A還要有PLL電路的專門電源，而FPGA電源要有內(nèi)核電源和數(shù)字輸出引腳的電源。因此，整個(gè)系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)是一個(gè)很大問題。這里用兩片LT1764作為FPGA的兩種電源，用兩片TPS76333作為AD9883A的兩種電源，一片TPS76333作為ADV7125的電源。兩塊適配卡均 采用四層板結(jié)構(gòu)，頂層和底層作為信號(hào)的走線層，中間層分別是地層和電源層，以確保系統(tǒng)在高速運(yùn)行時(shí)有良好的電源環(huán)境。

3系統(tǒng)邏輯實(shí)現(xiàn)及仿真

FPGA芯片采用Altera公司Cyclone系列芯片EP1C6Q240C8。Cyclone系列芯片是基于1.5V，0.13μm工藝，具有時(shí)鐘鎖相環(huán)（PLL）和專用DDR接口，支持多種I／O標(biāo)準(zhǔn)的芯片。其內(nèi)部嵌入了許多專用硬核模塊，被廣泛地用于可編程片上系統(tǒng)（SOPC）中。

本系統(tǒng)對(duì)高速圖像信號(hào)進(jìn)行處理，工作時(shí)鐘近100MHz。為了獲得更好的布線效果和系統(tǒng)性能，時(shí)鐘信號(hào)必須經(jīng)過鎖相環(huán)到達(dá)全局時(shí)鐘布線網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計(jì)利用Altera公司的Maga Wizard設(shè)置Cyc lone PLL參數(shù)生成IPcore，解決了信號(hào)時(shí)延的問題，同時(shí)也滿足了讀取視頻信號(hào)時(shí)所需的建立、保持時(shí)間要求。圖3為使用FPGA內(nèi)部PLL對(duì)輸入的點(diǎn)頻時(shí)鐘PXCLK_AD進(jìn)行相移后的波形，圖中，pxclk與點(diǎn)頻同頻，經(jīng)相位修復(fù)及幅度補(bǔ)償后用作系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)鐘，delayclk為點(diǎn)頻三分頻，用作延時(shí)時(shí)鐘。

3.1 視頻信息格式轉(zhuǎn)換模塊

在采集端適配卡中，視頻信息由“像素包”格式轉(zhuǎn)換為“位平面”格式，可由一個(gè)n×m矩陣轉(zhuǎn)換電路完成，其輸入數(shù)據(jù)總線寬度為m位，輸出數(shù)據(jù)總線寬度為n位。系統(tǒng)工作時(shí)，每次要連續(xù)進(jìn)行n次輸入，即讀入n個(gè)像素的數(shù)據(jù)，再連續(xù)進(jìn)行m次輸出，即把這些數(shù)據(jù)寫到m個(gè)位平面所對(duì)應(yīng)的各自的存儲(chǔ)位置。格式轉(zhuǎn)換電路原理如圖4所示，采用一個(gè)n×m的D觸發(fā)器陣列，再加上相應(yīng)的輸入和輸出鎖存電路及狀態(tài)機(jī)控制電路，即可實(shí)現(xiàn)nxm數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。

當(dāng)?shù)趇個(gè)像素輸入時(shí)，輸入數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)觸發(fā)第i行D觸發(fā)器，第i個(gè)像素的第j位灰度信息就被存儲(chǔ)在第i行的第m-1-j個(gè)D觸發(fā)器中（i=1，2，…，n，j=0，1，…，m-1），n個(gè)像素全部輸入完畢后，n×m位二進(jìn)制信息就全部存儲(chǔ)在n×m個(gè)D觸發(fā)器中。此時(shí)，第i行D觸發(fā)器中存儲(chǔ)的是第i個(gè)像素的m位灰度信息，即“像素包”格式信息，第j列D觸發(fā)器中存儲(chǔ)的是n個(gè)像素的第m-1-j位灰度信息，即“位平面”格式信息。輸出數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)按一定順序輸出某一列D觸發(fā)器中數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)“位平面”數(shù)據(jù)的輸出。視頻信息由“位平面”格式轉(zhuǎn)換為“像素包”格式原理與上述矩陣電路相似，限于篇幅在此不再介紹。

在分辨率為1024×768、刷新率為75Hz的情況下，點(diǎn)頻為78.75MHz，由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c傳輸位數(shù)成反比，若n

3.2 同步信號(hào)延時(shí)模塊

同步信號(hào)是一定頻率的脈沖串，與視頻信號(hào)存在嚴(yán)格的同步關(guān)系，其頻率與顯卡設(shè)定的顯示分辨率和屏幕刷新率有關(guān)。在進(jìn)行視頻信息格式轉(zhuǎn)換過程中，視頻信息共延時(shí)了約九個(gè)點(diǎn)頻周期。為了使視頻信息進(jìn)入顯示設(shè)備時(shí)與行、場(chǎng)同步信號(hào)間的相互時(shí)序關(guān)系仍能夠保持完好，行、場(chǎng)同步信號(hào)均需通過延時(shí)模塊進(jìn)行處理。圖5為采集端適配卡中行同步信號(hào)延時(shí)電路圖。本系統(tǒng)由兩塊適配卡組成，兩塊適配卡中行、場(chǎng)信號(hào)延時(shí)電路相似。

3.3 系統(tǒng)頂層模塊

整個(gè)防視頻信息泄漏系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，其頂層模塊如圖6和圖7所示。圖中，SCI、SDA用來初始化AD9883A芯片，DATA_RDY為自定義的視頻信息轉(zhuǎn)換完畢信號(hào)。

兩塊適配卡中都有格式轉(zhuǎn)換電路，視頻信息經(jīng)過了兩次格式轉(zhuǎn)換后，最終還原為初始的“像素包”格式數(shù)據(jù)。取輸入點(diǎn)頻PXCLK_AD為78.75MHz，運(yùn)用Quartus II進(jìn)行綜合及時(shí)序仿真后，兩個(gè)頂層模塊綜合仿真的結(jié)果如圖8所示，圖中，三組數(shù)據(jù)依次為“像素包”格式、“位平面”格式、“像素包”格式。

從圖8中可以看出視頻信息經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)換后被還原成原始數(shù)據(jù)，行、場(chǎng)信號(hào)也相應(yīng)有了一定的延時(shí)，且與視頻信息保持了良好的同步性，這說明基于像素的并行傳輸方式是可行的。

在采用DMD顯示器作為終端顯示設(shè)備的前提下，以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）為基礎(chǔ)、以基于像素的并行傳輸方式為核心的計(jì)算機(jī)防視頻信息泄漏系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多個(gè)像素的同時(shí)傳輸，接收方極難從接收到的輻射信息中分辨出各像素的顯示順序，也就不能復(fù)現(xiàn)信息，從而有效地防止了視頻信息被截獲，增強(qiáng)了信安全性。

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