計算機TEMPEST技術(shù)電磁領(lǐng)域之印刷電路板中的電磁兼容問題及防治措施

一、計算機TEMPEST技術(shù)

計算機TEMPEST技術(shù)發(fā)展至今已有40年的歷史，它是在電磁兼容（EMC）領(lǐng)域發(fā)展起來的一個新的研究方向。TEMPEST計劃的具體內(nèi)容是針對信息設(shè)備的電磁輻射與信息泄漏問題，從信息接收和防護兩個方面所展開的一系列研究和研制工作，包括信息接收、破譯水平、防泄漏能力與技術(shù)、相關(guān)夫范標(biāo)準(zhǔn)及管理手段等。
? ? ? ? 由于計算機系統(tǒng)是各種信息處理設(shè)備中最關(guān)鍵和重要的組成部分，因而也是利用信息設(shè)備的電磁發(fā)射來獲取信息情報更為及時、準(zhǔn)確、廣泛、連續(xù)，且安全、可靠、隱蔽。正是這樣，TEMPEST防護研究一般都是針對計算機系統(tǒng)及其外設(shè)配置而言的。TEMPEST的研究對象還包括接收系統(tǒng)、電傳機、數(shù)字電話等。
? ? ? ? 信息處理設(shè)備的電磁輻射有兩方面影響：
? ? ? 1）對電磁環(huán)境構(gòu)成污染；
2）對信息安全與信息保密會構(gòu)成嚴(yán)重威脅。
? ? ? ? 已經(jīng)分析表明：對于由數(shù)字電路組成的信息處理設(shè)備來說，由于輻射頻譜及諧波非常豐富，因而很容易被竊收和解譯，其信息泄漏問題更為突出一嚴(yán)重，以計自機算機視頻顯示器例，其中各種印刷電路板，各部件之間的電源。信號接口與連線、數(shù)據(jù)線接地線、驅(qū)動電路、陰極射擊線管等都可以產(chǎn)生程度不同的電磁輻射。在輻射頻譜中，所包含的信息也不相同，包括時鐘/數(shù)據(jù)信息頻信息等。從理論上講這些信息都是可以接收和解譯的，只是難易程度。利用信息設(shè)備的電磁發(fā)射來獲取信息情報更為及時、準(zhǔn)確、廣泛、連續(xù)，而且安全、可靠、隱蔽?？傊?，在信息化社會，研究計算機TEMPEST技術(shù)已和研究計算機病毒一樣，被認(rèn)為是涉及計算機安全的重要方面，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

二、計算機印刷電路板（PCB）中的電磁兼容（EMC）問題

?信息化社會的電子產(chǎn)品越來越趨向高速、寬帶、高靈敏度、高密集度和小型化，這種趨勢導(dǎo)致了EMC問題更加嚴(yán)重。計算機系統(tǒng)中PCB是一個典型的代表，PCB的電磁兼容（EMC）問題是目前微型計算機設(shè)計中急待解決的技術(shù)難題。

1、印刷電路板（PCB）中帶狀線、電線、電纜間的串音和電磁耦合

印刷電路板（PCB）中帶狀線、電線、電纜間的串音是印刷電路板線路中存在的最難克服的問題之一。這里所說的串音是較廣意義上的串音，不管其源是有用信號還中噪聲，串音用導(dǎo)線的互容和互感來表示。當(dāng)在EMC預(yù)測和解決EMI問題時，首先應(yīng)確定發(fā)射源的耦合途徑是傳導(dǎo)的、輻射的、還是串音。例如，當(dāng)PCB上某一帶狀線上載人控制和邏輯電平，與其靠近的第二條帶狀線上載有低電平信號，當(dāng)平行布線長度超過10厘米時，預(yù)期產(chǎn)生串音干擾。當(dāng)一長電纜載人幾組串行或并行高速數(shù)據(jù)和遙控線時，串音干擾也成為主要問題?？拷碾娋€和電纜之間的串音是由電場通過互容，磁場通過互感引起的。
當(dāng)考慮在PCB帶狀線、電纜中導(dǎo)體或靠近的電線和電纜的串音問題時，是主要的是確定電場（互容）、磁場（互感）耦合哪個是主要的。確定那種耦合模型主要取決于線路阻抗、頻率和其他因素。對線路阻抗，一個粗略的原則是：1）當(dāng)源和接收器阻抗乘積小于3002時，耦合的主要是磁場；2）當(dāng)源和接收器阻抗乘積大于10002時，耦合的主要是電場；3）當(dāng)源和接收器阻抗乘積在3002-10002之間時，則磁場或電場都可能成為主要耦合，這時取決于線路間的配置和頻率。
? ? ? ? 然而，上述標(biāo)準(zhǔn)并不適用于所有的情況，例如在地（底）板上PCB帶狀線之間的串音，這時，PCB上帶狀線特性阻抗可能較低，而負(fù)載和源阻抗可能較高，但串音仍以電場（互容）耦合為主。
一般來說，在高頻時電容耦合是主要的，但是如果源或接收器之一或兩者采用屏蔽電纜并在屏蔽層兩端接地，則磁場耦合將是主要的。另外；低頻一般有較低的電路阻抗、電感耦合是主要的。
串音預(yù)測計算程序是計算機輔助PCB設(shè)計軟中的重要內(nèi)容，通過串音預(yù)測，可以保證PCB上數(shù)字和模擬信號適當(dāng)?shù)拈g距。由Quantic實驗室編制的程序GREENFIELF2TM和EESOF編制的u Wave SPICKE程序可預(yù)測串音、延時和振蕩。該程序可確定幾層PCB布置的電壓和脈沖上升時間表格。
? ? ? ? 電磁耦合預(yù)測：當(dāng)導(dǎo)體之間或信號導(dǎo)體與返回導(dǎo)體（可以是地平面）之間的距離較大時，采用電流元和電流環(huán)的發(fā)射和接收特性進行耦合預(yù)測更為精確。例如PCB上帶狀線端接高阻抗并遠離地平面時，用電流元模擬電場和磁場的發(fā)射特性更為方便。當(dāng)帶狀線形成環(huán)路時，無論是圓形還是矩形，都可用環(huán)的接收和發(fā)射特性模擬。當(dāng)兩環(huán)在同塊PCB表面時，則為共面耦合。當(dāng)一環(huán)在一塊PCB上面，另一環(huán)在附近PCB上時，則為共軸耦合。

2、數(shù)字PCB的采用使計算機的電磁輻射加重

? ? ? ?計算機等電子設(shè)備的電路一般都是由數(shù)字PCB實現(xiàn)的，在很多情況下，數(shù)字PCB產(chǎn)生的輻射問題要比模擬PCB更為嚴(yán)重。
由于數(shù)字電路的驅(qū)動電流較大，致使輻射的強度也較大；而高速時鐘脈沖和數(shù)字信號又使得輻射他的帶加寬，由于時鐘電路產(chǎn)生的信號一般都是周期方波，春諧波分量都是以基頻為倍頻的分立頻譜，因而，時鐘電路的輻射頻譜也都是分立的。而數(shù)字化的信息信號一般都是非周期信號，其輻射頻譜將是窄帶與寬帶兩種輻射的疊加，頻率可從幾兆到數(shù)字百兆赫茲，如此寬的輻射頻率范圍，不可避免地會引起一系列EMI和TEMPEST問題。
? ? ? ? PCB電磁輻射分兩種基本類型：差模輻射與共模輻射。差模輻射的特點取決于閉合環(huán)路中電流特性；共模輻射由對地的干擾（噪聲）電壓引起。目前的文獻中對共模輻射討論較少，但實際PCB或電路并非都是由單根或回路軌跡組成，而且即使是并行電路軌跡是的電漢也并非相等反向，所以在分析輻射問題時，只考慮差模電漢的作用遠遠不夠，必須考慮軌跡中所有電流的作用，同時因為差模電流的輻射是相減的，盡管不完全抵消，而共模電流的輻射則是相加的。所以共模電流即使比差模的電流小很多，也會產(chǎn)生相當(dāng)程度的輻射電場。
? ? ? ? 電磁輻射主要表現(xiàn)在：對周圍的電子系統(tǒng)構(gòu)成窄帶與寬帶干擾；另一方面造成潛在的信息泄漏問題。影響PCB電磁輻射的因素主要是PCB的結(jié)構(gòu)的激勵因素：PCB的結(jié)構(gòu)不同，其輻射效果也不同，傳輸帶的長度、回路面積、地線走向、整體布局等都會影響到輻射效果。除結(jié)構(gòu)因純潔外，激勵因不比如幅值、周期、脈沖寬度、上升與下降時間、頻率等，也都是影響輻射效果及頻率特征的重要因素。顯然，PCB的布局設(shè)計，將直接關(guān)系到整機電磁輻射的強弱。在確定的激勵狀態(tài)下，整機系統(tǒng)輻射水平的抑制和降低，必須從PCB的輻射分析及布局的優(yōu)化設(shè)計著手。
? ? ? ? 目前有不少文獻對PCB的輻射問題進行討論，提出PCB輻射的簡化計算方法和測試手段。然而，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)與激勵參數(shù)的差異，PCB的輻射問題不可能象其他用電路那樣，用一種模型就可以分析解決。比如：電偶極子和磁偶極子的輻射模型只有在電路線度過錯小于波長和測試點距離的情況下才能適用。另外，對一塊PCB來說，眾多的線路和回路是潛在的輻射源。所以PCB的整體輻射效果應(yīng)是各輻射單元輻射效果的疊加，總體輻射作用的大小主要與頻率、輻射源長度或面積、激勵強度、方位等因素有關(guān)；此外，布線結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計對降低PCB輻射也具有關(guān)鍵的作用。
? ? ? ? 消除輻射干擾最有效的方法是采取屏蔽，屏蔽噪聲源或屏蔽敏感電路。除屏蔽方法外，還可以通過改變電路設(shè)計來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。從TEMPEST意義上講，凡與串行數(shù)據(jù)和信息相關(guān)的PCB，其輻射水平都應(yīng)設(shè)法降低到最低點，對并行數(shù)據(jù)的PCB，則相應(yīng)放寬限制，但應(yīng)注意避免通過耦合作用為串行信息提供通路。為了抑制PCB電磁輻，除了采用相應(yīng)的技術(shù)措施外，CISPR、CENELEC、FCC和VDE等國際組織先后頒布了有關(guān)數(shù)字電子設(shè)備電磁輻射的約束規(guī)范。目前輻射標(biāo)準(zhǔn)覆蓋的頻率從30兆赫到1吉赫，在不久的將來會擴展到5-40GHz。