電力線攻擊防護(hù)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

劉宇

【摘 要】隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，我們可以通過電力線對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的傳輸。該系統(tǒng)旨在研究出完全阻斷電力線物理層數(shù)據(jù)通信信道，并為重要涉密信息設(shè)備終端提供強(qiáng)有力的電力線物理層的信息安全防護(hù)。在目前缺乏有效檢測(cè)發(fā)現(xiàn)PLC通信信號(hào)的背景下，能夠完全阻斷電力線數(shù)據(jù)傳輸通道，并能有效地抑制通過電力線的傳導(dǎo)信息泄露，為重要涉密信息設(shè)備終端提供基于電源線物理層的信息安全保障。

【關(guān)鍵詞】電力線載波 PLC通信 FPGA DDS

該系統(tǒng)對(duì)電力載波通信系統(tǒng)進(jìn)行研究，針對(duì)電力載波物理信道進(jìn)行安全防護(hù)。根據(jù)電力線路的傳輸特點(diǎn)，以及電力載波的技術(shù)原理，該系統(tǒng)的技術(shù)路線采用頻率覆蓋原理。通過向電力線路上加載寬帶載頻信號(hào)，對(duì)于電力載波信號(hào)而言，通信信道的信噪比大大惡化，接收端的傳輸信號(hào)被噪聲淹沒，無法提取并還原傳送信號(hào)，從而達(dá)到防護(hù)目的。

1 系統(tǒng)實(shí)施方案

以FPGA構(gòu)成內(nèi)嵌多路DDS發(fā)生器，根據(jù)實(shí)際需求，輸出多路掃頻信號(hào)，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換、增益調(diào)節(jié)等模塊，通過電力線路功率驅(qū)動(dòng)及匹配電路，將信號(hào)加載至電力線路上。從而實(shí)現(xiàn)防護(hù)功能。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

2.1 電力線載波通信

電力線載波通信是以電力線為信道，根據(jù)頻譜搬移、頻帶分割原理，將原始信號(hào)進(jìn)行一次或多次調(diào)制，搬移到特定的頻帶內(nèi)，以利于其在信道內(nèi)進(jìn)行傳輸。它以發(fā)電廠、變電站為終端，以電力線為信道，進(jìn)行信息傳輸，以滿足電力調(diào)度通信的需要，是電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行、控制和管理的重要工具之一。

2.2 基于FPGA的直接頻率合成（DDS）技術(shù)

2.2.1 DDS基本原理

采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)設(shè)計(jì)雙通道正弦信號(hào)發(fā)生器，可以輸出兩路頻 率相同、相位差可調(diào)的正弦信號(hào)。該發(fā)生器具有頻率穩(wěn)定度高及調(diào)頻、調(diào)相迅速的優(yōu)點(diǎn)。由于本系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制DDS實(shí)現(xiàn)，故在此著重介紹DDS的原理及其FPGA實(shí)現(xiàn)。

直接數(shù)字頻率合成器（DDFS）的基本原理：DDS是利用采樣定理，根據(jù)相位間隔對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行取樣、量化、編碼，然后儲(chǔ)存在EPROM中構(gòu)成一個(gè)正弦查詢表，通過查表法產(chǎn)生波形。它是由參考時(shí)鐘、相位累加器、正弦查詢表和D/A轉(zhuǎn)換器組成。

相位累加器的最大計(jì)數(shù)長度與正弦查詢表中所存儲(chǔ)的相位分隔點(diǎn)數(shù)相同，在取樣頻率（由參考時(shí)鐘頻率決定）不變的情況下，由于相位累加器的相位增量不同，將導(dǎo)致一周期內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)不同，輸出信號(hào)的頻率也相應(yīng)變化。如果設(shè)定累加器的初始相位，則可以對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行相位控制。由采樣原理可知，如果使用兩個(gè)相同的頻率合成器，并使其參考時(shí)鐘相同，同時(shí)設(shè)定相同的頻率控制字、不同的初始相位，那么在原理上就可以實(shí)現(xiàn)輸出兩路具有一定相位差的同頻信號(hào)。

2.2.2 FPGA實(shí)現(xiàn)的直接數(shù)字頻率合成器

利用Altera的FPGA芯片F(xiàn)LEX10系列器件設(shè)法將波形采樣點(diǎn)的值依次通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（MDAC）轉(zhuǎn)換成模擬量輸出，可達(dá)到預(yù)期的目的。其基本環(huán)節(jié)由計(jì)數(shù)器（Counter）、只讀存儲(chǔ)器（EPROM）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（MDAC）和濾波器等組成（同DDS原理）。具體方案如下：累加器由加法器和D觸發(fā)器級(jí)聯(lián)組成。在時(shí)鐘脈沖fc的控制下，對(duì)輸入頻率控制字K進(jìn)行累加，累加滿量時(shí)產(chǎn)生溢出。相位累加器的輸出對(duì)應(yīng)于該合成周期信號(hào)的相位，并且這個(gè)相位是周期性的，在0～2范圍內(nèi)起變化。相位累加器位數(shù)為N，最大輸出為2N-1，對(duì)應(yīng)于2π的相位，累加一次就輸出一個(gè)相應(yīng)的相位碼，通過查表得到正弦信號(hào)的幅度，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換及低通濾波器濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號(hào)。

2.2.3 移相原理

所謂移相是指兩路同頻的信號(hào)，以其中的一路為參考，另一路相對(duì)于該參考作超前或滯后的移動(dòng)，即稱為相位的移動(dòng)。兩路信號(hào)的相位不同，便存在相位差，簡稱相差。若我們將一個(gè)信號(hào)周期看作是360°，則相差的范圍就在0°～360°之間。

2.3 頻域分析技術(shù)

借助傅里葉級(jí)數(shù)，將非正弦周期性電壓（電流）分解為一系列不同頻率的正弦量之和，按照正弦交流電路計(jì)算方法對(duì)不同頻率的正弦量分別求解，再根據(jù)線性電路疊加定理進(jìn)行疊加即為所求的解，這是分析非正弦周期性電路的基本方法，這種方法叫頻域分析法同時(shí)也是頻域分析技術(shù)的核心。

3 系統(tǒng)體系設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由電源輸入濾波器、接收電磁耦合器、接收電路、FPGA、DSP、信號(hào)放大器、耦合驅(qū)動(dòng)器、發(fā)送電磁耦合器、電源輸出濾波器、電源模塊等組成，如下圖1所示。

4 系統(tǒng)工作過程

（1）接收電磁耦合器接收電力線上的通信信息和輻射傳導(dǎo)信息，并發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA將接收到的通信信息和輻射傳導(dǎo)信息數(shù)字濾波處理，并傳送到微處理器DSP，微處理器DSP對(duì)接收到的信息進(jìn)行相關(guān)特征信號(hào)提取。

（2）可編程門陣列FPGA產(chǎn)生隨機(jī)序列信號(hào)，將產(chǎn)生隨機(jī)序列信號(hào)與提取的相關(guān)特征信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后，將相關(guān)特征信號(hào)處理成亂碼信號(hào)，再對(duì)亂碼信號(hào)進(jìn)行寬帶調(diào)制，將亂碼信號(hào)調(diào)制為1KHz～1.5GHz寬帶信號(hào)。

（3）現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA中的隨機(jī)序列碼產(chǎn)生器采用高強(qiáng)度的密碼算法，由不同基準(zhǔn)時(shí)鐘的第一隨機(jī)序列信號(hào)產(chǎn)生電路、第二隨機(jī)序列信號(hào)產(chǎn)生電路、第三隨機(jī)序列信號(hào)產(chǎn)生電路和第四隨機(jī)序列信號(hào)產(chǎn)生電路并行產(chǎn)生的四路隨機(jī)序列信號(hào)。

（4）將寬帶信號(hào)進(jìn)行放大、驅(qū)動(dòng)后，以電磁耦合方式耦合到電源線的交流端。

（5）電源輸入/輸出濾波器的主要是凈化電源，起到更好的電磁兼容作用。

5 結(jié)語

總的來說，電力線的竊密的手段是當(dāng)今社會(huì)極具高端的。然而我國在電力線通信保密這個(gè)方面還是一片空白，該研究正是用來填補(bǔ)這個(gè)空白。信息的傳遞主要就是靠載波信號(hào)，此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能在不影響電力網(wǎng)正常運(yùn)行的情況下，使防護(hù)范圍內(nèi)的電力載波通信失效，防止竊密者通過電力線竊取機(jī)密的效果。