電力線攻擊防護系統(tǒng)的研究與實現(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數(shù)據(jù)進行快速的傳輸。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備終端提供強有力的電力線物理層的信息安全防護。在目前缺乏有效檢測發(fā)現(xiàn)PLC通信信號的背景下，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信息泄露，為重要涉密信息設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)對電力載波通信系統(tǒng)進行研究，針對電力載波物理信道進行安全防護。根據(jù)電力線路的傳輸特點，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，對于電力載波信號而言，通信信道的信噪比大大惡化，接收端的傳輸信號被噪聲淹沒，無法提取并還原傳送信號，從而達到防護目的。

1 系統(tǒng)實施方案

以FPGA構(gòu)成內(nèi)嵌多路DDS發(fā)生器，根據(jù)實際需求，輸出多路掃頻信號，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)動及匹配電路，將信號加載至電力線路上。從而實現(xiàn)防護功能。

2 系統(tǒng)實現(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，將原始信號進行一次或多次調(diào)制，搬移到特定的頻帶內(nèi)，以利于其在信道內(nèi)進行傳輸。它以發(fā)電廠、變電站為終端，以電力線為信道，進行信息傳輸，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)設計雙通道正弦信號發(fā)生器，可以輸出兩路頻 率相同、相位差可調(diào)的正弦信號。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。由于本系統(tǒng)主要由單片機控制DDS實現(xiàn)，故在此著重介紹DDS的原理及其FPGA實現(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)相位間隔對正弦信號進行取樣、量化、編碼，然后儲存在EPROM中構(gòu)成一個正弦查詢表，通過查表法產(chǎn)生波形。它是由參考時鐘、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數(shù)長度與正弦查詢表中所存儲的相位分隔點數(shù)相同，在取樣頻率（由參考時鐘頻率決定）不變的情況下，由于相位累加器的相位增量不同，將導致一周期內(nèi)的取樣點數(shù)不同，輸出信號的頻率也相應變化。如果設定累加器的初始相位，則可以對輸出信號進行相位控制。由采樣原理可知，如果使用兩個相同的頻率合成器，并使其參考時鐘相同，同時設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現(xiàn)輸出兩路具有一定相位差的同頻信號。

2.2.2 FPGA實現(xiàn)的直接數(shù)字頻率合成器

利用Altera的FPGA芯片F(xiàn)LEX10系列器件設法將波形采樣點的值依次通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（MDAC）轉(zhuǎn)換成模擬量輸出，可達到預期的目的。其基本環(huán)節(jié)由計數(shù)器（Counter）、只讀存儲器（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)器級聯(lián)組成。在時鐘脈沖fc的控制下，對輸入頻率控制字K進行累加，累加滿量時產(chǎn)生溢出。相位累加器的輸出對應于該合成周期信號的相位，并且這個相位是周期性的，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，對應于2π的相位，累加一次就輸出一個相應的相位碼，通過查表得到正弦信號的幅度，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。

2.2.3 移相原理

所謂移相是指兩路同頻的信號，以其中的一路為參考，另一路相對于該參考作超前或滯后的移動，即稱為相位的移動。兩路信號的相位不同，便存在相位差，簡稱相差。若我們將一個信號周期看作是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算方法對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也是頻域分析技術(shù)的核心。

3 系統(tǒng)體系設計

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、信號放大器、耦合驅(qū)動器、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信息，并發(fā)送到現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA將接收到的通信信息和輻射傳導信息數(shù)字濾波處理，并傳送到微處理器DSP，微處理器DSP對接收到的信息進行相關(guān)特征信號提取。

（2）可編程門陣列FPGA產(chǎn)生隨機序列信號，將產(chǎn)生隨機序列信號與提取的相關(guān)特征信號進行相關(guān)運算后，將相關(guān)特征信號處理成亂碼信號，再對亂碼信號進行寬帶調(diào)制，將亂碼信號調(diào)制為1KHz～1.5GHz寬帶信號。

（3）現(xiàn)場可編程門陣列FPGA中的隨機序列碼產(chǎn)生器采用高強度的密碼算法，由不同基準時鐘的第一隨機序列信號產(chǎn)生電路、第二隨機序列信號產(chǎn)生電路、第三隨機序列信號產(chǎn)生電路和第四隨機序列信號產(chǎn)生電路并行產(chǎn)生的四路隨機序列信號。

（4）將寬帶信號進行放大、驅(qū)動后，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今社會極具高端的。然而我國在電力線通信保密這個方面還是一片空白，該研究正是用來填補這個空白。信息的傳遞主要就是靠載波信號，此次設計的系統(tǒng)能在不影響電力網(wǎng)正常運行的情況下，使防護范圍內(nèi)的電力載波通信失效，防止竊密者通過電力線竊取機密的效果。