電力線信息監(jiān)測裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種電力線信息監(jiān)測裝置，包括接收電磁耦合器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、可編程門陣列FPGA、微處理器DSP和顯示器，所述接收電磁耦合器接收電力線上的通信信息后發(fā)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC對通信信息A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送到可編程門陣列FPGA，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA將接收到的通信信息進(jìn)行濾波和數(shù)字變頻處理后發(fā)送到用于判斷是否存在通信行為的微處理器DSP。本實用新型可監(jiān)測信息處理設(shè)備通過電源線傳輸信息，及時發(fā)現(xiàn)非正常通信，防止失泄密或重要信息設(shè)備遭“預(yù)埋”信息炸彈的攻擊。
【專利說明】電力線信息監(jiān)測裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種電力線信息監(jiān)測裝置，主要用于220V低壓電力線，對可能的利用電力線載波通信作為隱蔽通信信道進(jìn)行技術(shù)竊密、泄密的行為進(jìn)行有效監(jiān)測。
【背景技術(shù)】
[0002]電力線是當(dāng)今最普通、覆蓋面最廣的一種物理媒介，由其構(gòu)成的電力網(wǎng)是一個近乎天然的物理網(wǎng)絡(luò)。利用電力網(wǎng)的資源潛力，在不影響傳輸電能的前提下，將電力輸送網(wǎng)和通訊網(wǎng)合二為一，使之成為繼電信、電話、無線通訊、衛(wèi)星通訊之后的又一通信網(wǎng)，是多年來國內(nèi)外科技人員技術(shù)攻關(guān)的一個熱點。電力線載波通訊就是在這種背景下產(chǎn)生的，它以電力網(wǎng)作為信道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換。電力線作為載波信號的傳輸媒介，是唯一不需要線路投資的有線通信方式。作為通訊技術(shù)的一個新興應(yīng)用領(lǐng)域，電力載波通訊技術(shù)以其誘人的前景及潛在的巨大市場而為世界關(guān)注。
[0003]目前，窄帶PLC的載波頻率范圍在不同國家、不同地區(qū)是不一樣的，美國為50kHz?450kHz，歐洲為3kHz?148.5kHz (95kHz以下用于接入通信，95kHz以上用于戶內(nèi)通信)，中國為3kHz?500kHz，IEC61000-3-8規(guī)定的是3kHz_500kHz。寬帶電力載波通信，各國也不一樣，在美國為4MHz?20MHz(HomePlugl.0版)，主要用于戶內(nèi)。歐洲ETSI規(guī)定為1.6MHz?IOMHz (接入通信)和IOMHz?30MHz (戶內(nèi)通信)，而歐盟CENELEC標(biāo)準(zhǔn)分界點為13MHz。
[0004]而我國從上世紀(jì)50年代開始從事電力線載波通訊技術(shù)的研究。90年代初期以后，電力線載波技術(shù)的需求隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)一步擴(kuò)大。目前，該技術(shù)開始應(yīng)用于家居自動化、遠(yuǎn)程抄表、寬帶上網(wǎng)等領(lǐng)域。專家介紹，在一些干擾大、布線困難的工業(yè)領(lǐng)域若要實現(xiàn)自動化控制，采用電力載波通訊方式能達(dá)到事半功倍的效果，因此，電力網(wǎng)又被喻為“未被挖掘的金山”。一根電力線就是一條“數(shù)據(jù)線”，在低壓(220V)領(lǐng)域，電力載波技術(shù)首先用于負(fù)荷控制、遠(yuǎn)程抄表和家居自動化，傳輸速率一般為1200bps或更低，稱為低速PLC。近幾年國內(nèi)外開展的利用低壓電力線傳輸速率在IMbps以上的電力線通信技術(shù)即為高速PLC，已得到應(yīng)用，具有廣泛推廣之勢。在電力線載波通信日趨成熟的時代，由于絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)存儲、處理設(shè)備(如計算機、打印機、復(fù)印機、傳真機，工廠的數(shù)控機床等)離不開電力線，如果電力載波通信信道是不為我們所知建立的一條隱蔽通道，那么這些設(shè)備間處理的所有數(shù)據(jù)的信息安全就無密可保，這必將帶來極大的安全隱患。低壓電力線泄密具有三大途徑，一是通過電力載波上網(wǎng)，其數(shù)據(jù)很容易被別人截取，截取人只要通過電源線的任意點加上截取設(shè)備，就能輕而易舉地獲取信息，比起互聯(lián)網(wǎng)線截取容易得多，并且，不容易別人發(fā)現(xiàn)。二是國外敵對勢力，完全有可能，在設(shè)備中預(yù)埋集成的電力載波通信芯片，通過電源線截取我黨、政、軍國家安全信息，或者在加工設(shè)備中截取資料，破環(huán)生產(chǎn)等，都可以通過這一途徑實現(xiàn)。三是計算機信息通過電源線輻射，泄露有用信息。
[0005] 申請人:于2012年05月21日提出了一種電力線信息防泄密阻斷方法及其裝置，申請?zhí)枴?01210158089.5”，
【公開日】為2012年09月19日，該技術(shù)主要是針對電源線輻射泄露有用信息。但隨著電力載波通信技術(shù)的發(fā)展，基于電力線路的網(wǎng)絡(luò)安全還需要進(jìn)一步加強。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有電力線載波通信技術(shù)存在的上述問題，提供一種電力線信息監(jiān)測裝置，本實用新型可監(jiān)測信息處理設(shè)備通過電源線傳輸信息，及時發(fā)現(xiàn)非正常通信，防止失泄密或重要信息設(shè)備遭“預(yù)埋”信息炸彈的攻擊。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種電力線信息監(jiān)測裝置，其特征在于:包括接收電磁耦合器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、可編程門陣列FPGA、微處理器DSP和顯示器，所述接收電磁耦合器接收電力線上的通信信息后發(fā)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC對通信信息A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送到可編程門陣列FPGA，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA將接收到的通信信息進(jìn)行濾波和數(shù)字變頻處理后發(fā)送到用于判斷是否存在通信行為的微處理器DSP。
[0009]所述可編程門陣列FPGA由數(shù)字濾波處理器和基帶處理器組成，數(shù)字濾波處理器將接收到的通信信息進(jìn)行濾波處理后發(fā)送到基帶處理器，基帶處理器對接收到的通信信息進(jìn)行數(shù)字變頻處理后發(fā)送到微處理器DSP。
[0010]本實用新型還包括頻點掃描匹配電路，所述頻點掃描匹配電路位于接收電磁耦合器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC之間。
[0011]所述的接收電磁耦合器包括并聯(lián)設(shè)置的窄帶耦合電路和寬帶耦合電路，窄帶耦合電路用于接收窄帶電力載波通信信號，寬帶耦合電路用于接收寬帶電力載波通信信號。
[0012]本實用新型還包括電源和電源管理裝置，所述電源連接到各電路，用于提供±15V、±12V、±9V、±5V、3.3V 和 1.2V 電源。
[0013]所述微處理器DSP上設(shè)置有I個RS232 口和I個USB 口，RS232 口用于裝置組網(wǎng)監(jiān)測，USB 口用于與PC機連接互通數(shù)據(jù)。
[0014]采用本實用新型的優(yōu)點在于:
[0015]一、采用本實用新型后，在整個IKHz?80MHz頻段范圍內(nèi)的窄帶、寬帶信號可以同時捕獲；無論電力線上是單獨或同時有多個頻點通信，都能無遺漏的進(jìn)行實時監(jiān)測。
[0016]二、本實用新型中，可以檢測從IKHfSOMHz整個頻段的電力載波信號，囊括了目前技術(shù)的電力載波通信的所有頻段和頻點。
[0017]三、本實用新型中，通過特征分析，能夠檢測電力載波通信的通信頻點(頻段)、信號強度、數(shù)據(jù)幀長度、數(shù)據(jù)幀間隔等重要特征信息。
[0018]四、本實用新型中，提取的特征信息，可以分析特征信號的調(diào)制方式；并且本實用新型中可以通過主動發(fā)送信息，再接收分析的方式，發(fā)現(xiàn)電力線上是否有其他設(shè)備的存在。
[0019]五、本實用新型中，采用彩色大屏幕液晶觸摸屏和大存儲量的SD卡，可以顯示和存儲檢測信號特征波形和重要數(shù)據(jù)，采用RS232接口，可以多臺裝置互聯(lián)，組網(wǎng)監(jiān)測電力線上的通信信息，采用USB接口與PC機相連，可以將檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機處理，同時也可以通過PC機向本裝置傳輸參數(shù)，控制裝置的運行。
[0020]六、本實用新型中，采用建模計算，是借助于實驗或測量得到一批離散數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)充分觀察和分析，獲得數(shù)據(jù)所含信息，揭示變量間的內(nèi)在聯(lián)系，并選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)式對變量的關(guān)系進(jìn)行擬合，建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，通過經(jīng)驗?zāi)Ｐ停湍芊治鲇嬎阈畔⑻卣?，方便快捷，實時性強；為電力線通信的實時監(jiān)測打下了基礎(chǔ)。
[0021]七、本實用新型提取相關(guān)特征進(jìn)行對比，可以建立大量的特征數(shù)據(jù)庫，提取相關(guān)特征與之進(jìn)行對比，有利于完善和優(yōu)化，不斷提高特征識別的準(zhǔn)確性和快速性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本實用新型監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)原理示意圖。
【具體實施方式】
[0023]實施例1
[0024]一種電力線信息監(jiān)測裝置，包括接收電磁耦合器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、可編程門陣列FPGA、微處理器DSP和顯示器，所述接收電磁耦合器接收電力線上的通信信息后發(fā)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC對通信信息A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送到可編程門陣列FPGA，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA將接收到的通信信息進(jìn)行濾波和數(shù)字變頻處理后發(fā)送到微處理器DSP，微處理器DSP判斷是否存在通信行為。
[0025]所述可編程門陣列FPGA由數(shù)字濾波處理器和基帶處理器組成，數(shù)字濾波處理器將接收到的通信信息進(jìn)行濾波處理后發(fā)送到基帶處理器，基帶處理器對接收到的通信信息進(jìn)行數(shù)字變頻處理后發(fā)送到微處理器DSP。
[0026]本實用新型還包括頻點掃描匹配電路，所述頻點掃描匹配電路位于接收電磁耦合器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC之間，用于從低頻到高頻掃頻起到頻率選擇作用。從耦合電路接收到的信號是一個寬頻帶的信號，頻點掃描匹配電路要從中選出所要接收的某一頻點(段)的載波信號。同時，耦合電路接收到的信號有時會過強或過弱，這樣的信號都要進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃p或放大。也就是說，從耦合電路接收到的信號需要進(jìn)行一定的預(yù)處理，才能送到ADC進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換處理，本電路由混頻濾波電路和信號程控放大電路組成，應(yīng)用的現(xiàn)有技術(shù)。
[0027]所述的接收電磁耦合器包括并聯(lián)設(shè)置的窄帶耦合電路和寬帶耦合電路，窄帶耦合電路用于接收窄帶電力載波通信信號，寬帶耦合電路用于接收寬帶電力載波通信信號。本電路主要由電源偶合變壓器，濾波器，防浪涌二極管，過壓/過流保護(hù)電路主成，應(yīng)用的現(xiàn)有技術(shù)。
[0028]本實用新型還包括電源和電源管理裝置，所述電源連接到裝置中各電路，用于給裝置提供±15V、±12V、±9V、±5V、3.3V和1.2V電源。電源管理裝置用于對裝置進(jìn)行安全隔離、噪聲隔離、短路保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)、升壓變換、降壓變換、屏幕保護(hù)等。
[0029]本實用新型中，所述微處理器DSP提供I個RS232 口、I個USB 口 ；RS232 口用于裝置組網(wǎng)監(jiān)測，USB 口用于與PC機連接互通數(shù)據(jù)。
[0030]本實用新型中，顯示屏用于顯示，例如彩色大屏幕液晶觸摸屏用于顯示檢測數(shù)據(jù)或信號波形，觸摸屏用于裝置的參數(shù)設(shè)置、人機對話。
[0031]實施例2
[0032]本實施例對本實用新型應(yīng)用于電力線信息監(jiān)測時的方法進(jìn)行說明。
[0033]一種電力線信息監(jiān)測方法，包括如下步驟:
[0034]a、當(dāng)電力通信線路上有電力載波通信信息傳輸時，接收該電力載波通信信息，并進(jìn)行電子調(diào)諧處理和A/D轉(zhuǎn)換；[0035]b、將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行濾波和數(shù)字變頻處理；
[0036]C、將處理后的信號進(jìn)行建模計算還原出數(shù)字基帶信號，對基帶信號進(jìn)行相關(guān)特征提取，根據(jù)提取出的相關(guān)特征判斷電力通信線路上是否存在通信行為。
[0037]所述a步驟中，耦合電路接收電力通信線路上的窄帶和寬帶電力載波通信信息，并發(fā)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。
[0038]所述b步驟中，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號發(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進(jìn)行濾波和數(shù)字變頻處理，并傳送到微處理器DSP。
[0039]所述c步驟中微處理器DSP建模計算包括如下步驟:
[0040]Cl、假設(shè)在電力通信線路上傳輸信息的基帶信號為S(t)，則:
[0041]S (t) = [l+kam(t) ] cos (ω A+Θ J(式 I)
[0042]式中屯為調(diào)幅波的調(diào)制指數(shù)，m(t)為調(diào)制信號，Oi為輸入信號的角頻率，Θ i為輸入信號的相角；
[0043]c2、通信信息在電力通信線路信道中的衰減為A(t)，在電力通信線路傳輸中引入的噪聲為N⑴，則電力通信線路本身的信號PJt)為:
[0044]PL(t)=B cos (2 PI 50t+ Θ i2)(式 2)
[0045]式中，B為電力通信線路信號強度與接入到電力通信線路上的通信信號強度的比值，PI為圓周率常數(shù)，Θ i2為市電的相位，t為時間；
`[0046]c3、則在接收點接收到的信號R(t)為
[0047]R(t)=A(t) [l+kam(t) ] cos (ω jt+ θ j) +N(t) + B cos (2PI 50t+ Θ i2) (式 3)
[0048]通過實驗統(tǒng)計分析得到式中的A(t)和N(t)，通過濾波器濾掉Bcos(2PI50t+ Θ i2)，通過逆向運算計算還原出數(shù)字基帶信號為S(t)。
[0049]通過實驗統(tǒng)計分析獲取A(t)參量的方法:在一個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力線路中，在電力線路的一端用信號發(fā)生器通過電磁耦合器裝置將信號耦合到電力線路上，在電力線路的另一端將信號通過接收電磁耦合器裝置處理后送往頻譜儀分析。
[0050]例如，在電力線路的一端用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個功率電平為Xl dBm的信號經(jīng)電磁耦合器裝置耦合到電力線路上，在電力線路的另一端將信號通過接收電磁耦合器耦合裝置接收電力線上的信號送往頻譜儀分析，測出此時收到的信號功率電平為x2 dBm。由此可以計算出A(t)= x2 dBm/xl dBm。由于實驗存在著一定的誤差,經(jīng)過多次反復(fù)實驗統(tǒng)計,取其實驗所得到的平均值作為A(t)的參考值。
[0051]通過實驗統(tǒng)計分析獲取在電力通信線路傳輸中引入的噪聲N(t)參量的方法:同樣在一個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力線路中，在電力線路的一端用信號發(fā)生器通過電磁耦合器裝置將信號耦合到電力線路上，電力線路的另一端將信號通過接收電磁耦合器耦合裝置接收電力線上的信號送往頻譜儀分析。由于電力通信線路傳輸中引入的噪聲N(t)的頻譜對信號發(fā)生器產(chǎn)生的頻譜影響不大，去除信號發(fā)生器耦合到電力線路上信號的頻譜帶，剩下的頻譜帶即為引入的噪聲N(t)。通過這樣的實驗獲取了在電力通訊線路傳輸中引入的噪聲N(t)參量。
[0052]本實用新型所述c步驟中微處理器DSP對基帶信號進(jìn)行相關(guān)特征提取的過程為:
[0053]分析還原出的數(shù)字基帶信號波形數(shù)據(jù)的周期性特征，若存在周期性則分析提取信號的頻率特征、信號的包絡(luò)特征、信號的幀長度特征和信號的幀間隔特征，這些特征構(gòu)成了通信基帶信號的相關(guān)特征。
[0054]其中信號波形數(shù)據(jù)的周期性特征由微處理器DSP分析設(shè)定持續(xù)時間內(nèi)信號波形的峰值和谷值，統(tǒng)計設(shè)定時間內(nèi)信號的波形峰值和谷值出現(xiàn)的時間是否為特定值，分析其是否存在周期性，其時間值作為波形數(shù)據(jù)的周期性特征。
[0055]信號的頻率由微處理器DSP定時計數(shù)器或傅里葉分析計算得出。其頻率值將異于未加通信信息時測得的頻率值，將其頻率值作為信號的頻率特征。
[0056]信號的包絡(luò)特征由數(shù)模轉(zhuǎn)換器將模擬信號數(shù)字化后存儲設(shè)定時間內(nèi)的數(shù)據(jù)，分析該段時間內(nèi)各個波峰和波谷的數(shù)值，其數(shù)值將異于未加通信信號時測得的參數(shù)值，將其參數(shù)值作為信號的包絡(luò)特征。
[0057]信號幀長度特征由微處理器DSP內(nèi)的計時器記錄存在通信基帶信號時幀長度的持續(xù)時間，該持續(xù)時間為信號幀長度特征。
[0058]信號幀間隔特征同樣由微處理器DSP內(nèi)的計時器記錄存在通信基帶信號時相鄰持續(xù)兩幀數(shù)據(jù)之間的持續(xù)時間，該持續(xù)時間為信號幀間隔特征。
[0059]通過上述技術(shù)實現(xiàn)了對信號波形數(shù)據(jù)的周期性特征、信號的頻率特征、信號的包絡(luò)特征、信號幀長度特征和信號幀間隔特征所構(gòu)成了通信基帶信號的相關(guān)特征的提取。
[0060]本實用新型所述c步驟中微處理器DSP判斷電力通信線路上是否存在通信行為的過程為:
[0061]將提取出的特征屬性與參考波形數(shù)據(jù)進(jìn)行序列相減比對運算，同時對信號周期性、信號的包絡(luò)、信號幀長度和信號幀的間隔參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，作為線路是否存在通信行為的判斷依據(jù)。
[0062]本實用新型所述c步驟中，將處理后的信號進(jìn)行顯示，如果發(fā)現(xiàn)監(jiān)測到有通信行為，立即報警提示，并存儲有用信息。
[0063]本實用新型中，所述寬帶信信號范圍為IMHz?80MHz，所述窄帶信號范圍為IKHz ?IMHz。
【權(quán)利要求】
1.一種電力線信息監(jiān)測裝置，其特征在于:包括接收電磁耦合器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、可編程門陣列FPGA、微處理器DSP和顯示器，所述接收電磁耦合器接收電力線上的通信信息后發(fā)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC對通信信息A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送到可編程門陣列FPGA，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA將接收到的通信信息進(jìn)行濾波和數(shù)字變頻處理后發(fā)送到用于判斷是否存在通信行為的微處理器DSP。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力線信息監(jiān)測裝置，其特征在于:所述可編程門陣列FPGA由數(shù)字濾波處理器和基帶處理器組成，數(shù)字濾波處理器將接收到的通信信息進(jìn)行濾波處理后發(fā)送到基帶處理器，基帶處理器對接收到的通信信息進(jìn)行數(shù)字變頻處理后發(fā)送到微處理器 DSP。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電力線信息監(jiān)測裝置，其特征在于:還包括頻點掃描匹配電路，所述頻點掃描匹配電路位于接收電磁耦合器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力線信息監(jiān)測裝置，其特征在于:所述的接收電磁耦合器包括并聯(lián)設(shè)置的窄帶耦合電路和寬帶耦合電路，窄帶耦合電路用于接收窄帶電力載波通信信號，寬帶耦合電路用于接收寬帶電力載波通信信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電力線信息監(jiān)測裝置，其特征在于:還包括電源和電源管理裝置，所述電源連接到各電路，用于提供±15V、±12V、±9V、±5V、3.3V和1.2V電源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或5所述的電力線信息監(jiān)測裝置，其特征在于:所述微處理器DSP上設(shè)置有I個RS232 口和I個USB 口，RS232 口用于裝置組網(wǎng)監(jiān)測，USB 口用于與PC機連接互通數(shù)據(jù)。
【文檔編號】H04B3/54GK203554466SQ201320702384
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月8日
【發(fā)明者】李聲揚, 杜少華, 胡珂, 蘇德軍 申請人:成都立鑫新技術(shù)科技有限公司