电力线攻击防护系统的研究与实现

刘宇

【摘 要】随着微电子技术的不断发展，我们可以通过电力线对数据进行快速的传输。该系统旨在研究出完全阻断电力线物理层数据通信信道，并为重要涉密信息设备终端提供强有力的电力线物理层的信息安全防护。在目前缺乏有效检测发现PLC通信信号的背景下，能够完全阻断电力线数据传输通道，并能有效地抑制通过电力线的传导信息泄露，为重要涉密信息设备终端提供基于电源线物理层的信息安全保障。

【关键词】电力线载波 PLC通信 FPGA DDS

该系统对电力载波通信系统进行研究，针对电力载波物理信道进行安全防护。根据电力线路的传输特点，以及电力载波的技术原理，该系统的技术路线采用频率覆盖原理。通过向电力线路上加载宽带载频信号，对于电力载波信号而言，通信信道的信噪比大大恶化，接收端的传输信号被噪声淹没，无法提取并还原传送信号，从而达到防护目的。

1 系统实施方案

以FPGA构成内嵌多路DDS发生器，根据实际需求，输出多路扫频信号，通过数模转换、增益调节等模块，通过电力线路功率驱动及匹配电路，将信号加载至电力线路上。从而实现防护功能。

2 系统实现原理

2.1 电力线载波通信

电力线载波通信是以电力线为信道，根据频谱搬移、频带分割原理，将原始信号进行一次或多次调制，搬移到特定的频带内，以利于其在信道内进行传输。它以发电厂、变电站为终端，以电力线为信道，进行信息传输，以满足电力调度通信的需要，是电力系统可靠运行、控制和管理的重要工具之一。

2.2 基于FPGA的直接频率合成（DDS）技术

2.2.1 DDS基本原理

采用直接数字频率合成技术设计双通道正弦信号发生器，可以输出两路频 率相同、相位差可调的正弦信号。该发生器具有频率稳定度高及调频、调相迅速的优点。由于本系统主要由单片机控制DDS实现，故在此着重介绍DDS的原理及其FPGA实现。

直接数字频率合成器（DDFS）的基本原理：DDS是利用采样定理，根据相位间隔对正弦信号进行取样、量化、编码，然后储存在EPROM中构成一个正弦查询表，通过查表法产生波形。它是由参考时钟、相位累加器、正弦查询表和D/A转换器组成。

相位累加器的最大计数长度与正弦查询表中所存储的相位分隔点数相同，在取样频率（由参考时钟频率决定）不变的情况下，由于相位累加器的相位增量不同，将导致一周期内的取样点数不同，输出信号的频率也相应变化。如果设定累加器的初始相位，则可以对输出信号进行相位控制。由采样原理可知，如果使用两个相同的频率合成器，并使其参考时钟相同，同时设定相同的频率控制字、不同的初始相位，那么在原理上就可以实现输出两路具有一定相位差的同频信号。

2.2.2 FPGA实现的直接数字频率合成器

利用Altera的FPGA芯片FLEX10系列器件设法将波形采样点的值依次通过数模转换器（MDAC）转换成模拟量输出，可达到预期的目的。其基本环节由计数器（Counter）、只读存储器（EPROM）、数模转换器（MDAC）和滤波器等组成（同DDS原理）。具体方案如下：累加器由加法器和D触发器级联组成。在时钟脉冲fc的控制下，对输入频率控制字K进行累加，累加满量时产生溢出。相位累加器的输出对应于该合成周期信号的相位，并且这个相位是周期性的，在0～2范围内起变化。相位累加器位数为N，最大输出为2N-1，对应于2π的相位，累加一次就输出一个相应的相位码，通过查表得到正弦信号的幅度，然后经D/A转换及低通滤波器滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。

2.2.3 移相原理

所谓移相是指两路同频的信号，以其中的一路为参考，另一路相对于该参考作超前或滞后的移动，即称为相位的移动。两路信号的相位不同，便存在相位差，简称相差。若我们将一个信号周期看作是360°，则相差的范围就在0°～360°之间。

2.3 频域分析技术

借助傅里叶级数，将非正弦周期性电压（电流）分解为一系列不同频率的正弦量之和，按照正弦交流电路计算方法对不同频率的正弦量分别求解，再根据线性电路叠加定理进行叠加即为所求的解，这是分析非正弦周期性电路的基本方法，这种方法叫频域分析法同时也是频域分析技术的核心。

3 系统体系设计

本系统由电源输入滤波器、接收电磁耦合器、接收电路、FPGA、DSP、信号放大器、耦合驱动器、发送电磁耦合器、电源输出滤波器、电源模块等组成，如下图1所示。

4 系统工作过程

（1）接收电磁耦合器接收电力线上的通信信息和辐射传导信息，并发送到现场可编程门阵列FPGA，现场可编程门阵列FPGA将接收到的通信信息和辐射传导信息数字滤波处理，并传送到微处理器DSP，微处理器DSP对接收到的信息进行相关特征信号提取。

（2）可编程门阵列FPGA产生随机序列信号，将产生随机序列信号与提取的相关特征信号进行相关运算后，将相关特征信号处理成乱码信号，再对乱码信号进行宽带调制，将乱码信号调制为1KHz～1.5GHz宽带信号。

（3）现场可编程门阵列FPGA中的随机序列码产生器采用高强度的密码算法，由不同基准时钟的第一随机序列信号产生电路、第二随机序列信号产生电路、第三随机序列信号产生电路和第四随机序列信号产生电路并行产生的四路随机序列信号。

（4）将宽带信号进行放大、驱动后，以电磁耦合方式耦合到电源线的交流端。

（5）电源输入/输出滤波器的主要是净化电源，起到更好的电磁兼容作用。

5 结语

总的来说，电力線的窃密的手段是当今社会极具高端的。然而我国在电力线通信保密这个方面还是一片空白，该研究正是用来填补这个空白。信息的传递主要就是靠载波信号，此次设计的系统能在不影响电力网正常运行的情况下，使防护范围内的电力载波通信失效，防止窃密者通过电力线窃取机密的效果。