CN102694578A - 用于电力线防泄密阻断的信号发生器及其合成信号的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电力线防泄密阻断的信号发生器及其合成信号的方法，该方法为：在产生的多种不同频率的时钟源中，选择频率适合的时钟源，控制处理时钟源的波形频率、相位后，找出离散化波形数据，增益控制处理后，将数字信号转换为作为载波的模拟信号，将伪随机序列调制到载波上，将调制好的信号放大至所需功率再经合成后加载到需要防泄密的电力网络中。本发明输出正弦信号频率范围较宽、分辨率高、幅度和频率的精度较高，便于实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种信息保护装置，尤其涉及一种低压电力线（220V）信息防泄密阻断的信号发生器及其合成信号的方法，用于对可能的利用电力线载波通信作为隐蔽通信信道进行技术窃密、泄密以及通过电磁辐射由电力线传导泄密的行为进行有效防护。
背景技术
电力线是当今最普通、覆盖面最广的一种物理媒介，由其构成的电力网是一个近乎天然的物理网络。利用电力网的资源潜力，在不影响传输电能的前提下，将电力输送网和通讯网合二为一，使之成为继电信、电话、无线通讯、卫星通讯之后的又一通信网，是多年来国内外科技人员技术攻关的一个热点。电力线载波通讯就是在这种背景下产生的，它以电力网作为信道，实现数据传递和信息交换。电力线作为载波信号的传输媒介，是唯一不需要线路投资的有线通信方式。作为通讯技术的一个新兴应用领域，电力载波通讯技术以其诱人的前景及潜在的巨大市场而为世界关注。
目前，窄带PLC的载波频率范围在不同国家、不同地区是不一样的，美国为 50kHz～450kHz，欧洲为 3kHz～148.5kHz(95kHz以下用于接入通信，95kHz以上用于户内通信)，中国为3kHz～500kHz，IEC61000-3-8规定的是3kHz-500kHz。宽带电力载波通信，各国也不一样，在美国为 4MHz～20MHz(HomePlug1.0版)，主要用于户内。欧洲ETSI规定为1.6MHz～10MHz(接入通信)和10MHz～30MHz(户内通信)，而欧盟CENELEC标准分界点为13MHz。
而我国从上世纪50年代开始从事电力线载波通讯技术的研究。90年代初期以后，电力线载波技术的需求随着我国经济的发展进一步扩大。目前，该技术开始应用于家居自动化、远程抄表、宽带上网等领域。专家介绍，在一些干扰大、布线困难的工业领域若要实现自动化控制，采用电力载波通讯方式能达到事半功倍的效果，因此，电力网又被喻为“未被挖掘的金山”。一根电力线就是一条“数据线”，在低压(220V)领域，电力载波技术首先用于负荷控制、远程抄表和家居自动化，传输速率一般为1200bps或更低，称为低速PLC。近几年国内外开展的利用低压电力线传输速率在1Mbps以上的电力线通信技术即为高速PLC，已得到应用，具有广泛推广之势。 在电力线载波通信日趋成熟的时代，由于绝大多数的数据存储、处理设备（如计算机、打印机、复印机、传真机，工厂的数控机床等）离不开电力线，如果电力载波通信信道是不为我们所知建立的一条隐蔽通道，那么这些设备间处理的所有数据的信息安全就无密可保，这必将带来极大的安全隐患。低压电力线泄密具有三大途径，一是通过电力载波上网，其数据很容易被别人截取，截取人只要通过电源线的任意点加上截取设备，就能轻而易举地获取信息，比起互联网线截取容易得多，并且，不容易别人发现。 二是国外敌对势力，完全有可能，在设备中预埋集成的电力载波通信芯片，通过电源线截取我党、政、军国家安全信息，或者在加工设备中截取资料，破环生产等，都可以通过这一途径实现。三是计算机信息通过电源线辐射，泄露有用信息。
现有技术中有过这样的试验，用某型号的电力猫，载波频率20MHz,通信速率200Mbps,试验时，用电源滤波器试图阻止通信，使用了不同品牌的电源滤波器进行滤波处理，在接地良好的状况下，能达到较好的滤波效果，试验证明通信顺畅。采用UPS电源供电，在通过UPS在线供电和用UPS单独供电的情况下，通信顺畅，甚至把UPS电源线拔掉，单独用UPS供电，信号可以从空中耦合，照常通信。通过以上试验可以看出，电源线极可能作为窃密、泄密通道，对国家安全威胁的严重性不容低估，而据了解，由于基于电力线路的网络安全认知的缺失，在这方面的安全防护措施几乎是空白。
发明内容
本发明的目的在于克服现有电力线载波通讯技术存在的上述问题，提供一种用于电力线防泄密阻断的信号发生器及其合成信号的方法，本发明输出正弦信号频率范围较宽、分辨率高、幅度和频率的精度较高，便于实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于电力线防泄密阻断的信号发生器，其特征在于：包括基准时钟、多速时钟档位控制器、频率控制器、相位控制器、频率合成器、增益控制器、数字模拟转换器、伪随机序列码发生器、宽带调制器、信号放大器和信号合成器。所述基准时钟产生多种不同频率的时钟源发送到多速时钟档位控制器，多速时钟档位控制器选择频率适合的时钟源发送到频率控制器，频率控制器控制波形频率后输入到相位控制器，相位控制器对波形的相位进行控制后输入到频率合成器，频率合成器找出离散化波形数据发送到增益控制器，增益控制器控制数据幅值后发送到数字模拟转换器，数字模拟转换器将数字信号转换为模拟信号并发送到宽带调制器，伪随机序列码发生器产生伪随机码并发送到宽带调制器，宽带调制器将伪随机码调制到模拟信号上形成宽带信号，信号放大器对调制好的宽带信号进行功率放大后通过信号合成器加载到电力线路中。
所述放大器包括宽带放大器和末级功放器，宽带信号经宽带放大器和末级功放器进行功率放大。
所述基准时钟包括石英晶体振荡器，石英晶体振荡器由具有压电效应的石英晶体片组成。
所述相位控制器由多位加法器与多位累加寄存器级联构成。
一种用于电力线防泄密阻断的信号发生器合成信号的方法，其特征在于：在产生的多种不同频率的时钟源中，选择频率适合的时钟源，控制处理时钟源的波形频率、相位后，找出离散化波形数据，增益控制处理后，将数字信号转换为作为载波的模拟信号，将伪随机序列调制到载波上，将调制好的信号放大至所需功率再经合成后加载到需要防泄密的电力网络中。
所述基准时钟产生多种不同频率的时钟源并发送到多速时钟档位控制器，多速时钟档位控制器选择频率适合的时钟源发送到频率控制器，频率控制器控制波形频率后输入到相位控制器，相位控制器对波形的相位进行控制后输入到频率合成器，频率合成器找出离散化波形数据发送到增益控制器，增益控制器控制数据幅值后发送到数字模拟转换器，数字模拟转换器将数字信号转换为模拟信号并发送到宽带调制器，伪随机序列码发生器产生伪随机码并发送到宽带调制器，宽带调制器将伪随机码调制到模拟信号上形成宽带信号，信号放大器对调制好的宽带信号进行功率放大后通过信号合成器加载到电力线路中。
所述多速时钟档位控制器控制由基准时钟衍生出所需的各个以频率分段为档位的时钟源，将该时钟输入到频率控制器，相位控制器，增益控制器以触发相应部件工作和同步操作。
所述频率控制器控制所需输出波形频率，产生一个正弦或余弦函数的波形，将其抽样离散化后存储于ROM存储器，通过多速时钟档位控制器输出的时钟对时间进行标记，然后在各个不同的时间标记下输出存储于ROM存储器的波形相关数据。
所述相位控制器对合成信号波形的相位进行控制，即对控制频率后的波形在时间轴上进行平移，根据输出波形频率的大小计算出相应的时间平移量。
所述频率合成器对经频率控制器和相位控制器所产生的信号进行用于波形存储器查表的地址码的产生，通过改变寻址的步长产生特定频率和相位的波形，同时控制ROM存储器的读写时序。
所述增益控制器控制输出波形增益，输出波形在数字时域进行所需增益控制，并将所输出的信号反馈到可编程门阵列FPGA，根据所得数据进行闭环控制，得出所需波形。
所述数字模拟转换器将从ROM存储器输出的离散化的数字波形进行数字模拟变换产生时域连续波形。
所述宽带调制器将伪随机序列调制到载波上后，经宽带放大器和末级功放器进行放大并同多路信号多路合成后加载到电力线网络中。
采用本发明的优点在于：
一、本发明的方法是在产生的多种不同频率的时钟源中，选择频率适合的时钟源，控制处理时钟源的波形频率、相位后，找出离散化波形数据，增益控制处理后，将数字信号转换为作为载波的模拟信号，将伪随机序列调制到载波上，将调制好的信号放大至所需功率再经合成后加载到需要防泄密的电力网络中，此方法基于FPGA的频率合成，实现正弦信号发生器输出正弦信号频率范围较宽、分辨率高、幅度和频率的精度较高，对时间域信号的各参数均能自由控制。
二、本发明还很容易扩展，不需要对硬件电路进行较大的修改，只需要修改相应的程序便可实现相应的功能，比如产生PSK，ASK信号等，虽然有的专用DDS芯片的功能也比较多，但控制方式却是固定的，因此不满足本发明的需求，而基于FPGA能方便的加入各种特殊处理，同时可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的实用性。
三、本发明中，基准时钟采用高精度和高稳定度的石英晶体振荡器，石英晶体是利用具有压电效应的石英晶体片组成，受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，即晶体谐振特性的反应，基准时钟具有体积小，质量轻，可靠性高，频率稳定度高的优点。
四、本发明中，多速时钟档位控制器控制由基准时钟衍生出系统所需的各个以频率分段为档位的时钟，将该时钟输入到频率控制器，相位控制器，增益控制器以触发相应部件工作和实现同步操作，可适应宽频带的要求，还可控制不同的频率产生。
五、本发明中，频率控制器间接实现对所需输出波形频率的控制，产生一个正弦或余弦函数的波形将其高速抽样离散化后存储于ROM存储器，通过多速时钟档位控制器输出的时钟对时间进行标记，然后在各个不同的时标下输出存储于ROM存储器的波形相关数据，能灵活的控制ROM存储器的地址从而灵活控制输出波形数据。
六、本发明中，相位控制器实现对合成信号波形的相位进行控制，即对上一步合成的波形在时间轴上进行平移，根据输出波形频率的大小能计算出相应的时间平移量，实现对信号波形相位的精确控制，也能实现移相的功能，通过移相法对信号实施单边带调制时载波抑制比低，成本低，不需要滤除另外一个边带的频谱。
七、本发明中，频率合成器对经频率控制器和相位控制器所产生的信号进行用于波形存储器查表的地址码的产生，通过改变寻址的步长产生特定频率和相位的波形同时还控制ROM存储器的读写时序，通过它能灵活控制所需的频率的合成。
八、本发明中，增益控制器控制输出波形增益，输出波形在数字时域进行所需增益控制，还能将所输出的信号反馈到FPGA，从而可评估外界对该信号的影响，根据所得数据进行闭环控制，得出所需波形。
九、本发明中，数字模拟转换器把从ROM存储器输出的离散化的数字波形进行数字模拟变换产生时域连续波形，把数字信号转换为模拟信号，实现信号波形幅度在相应时间精确的实现从离散到连续的转换。
十一、本发明中，宽带调制器将伪随机序列码调制到由前所述的合成的载频上后经宽带放大器和功放进行放大并同多路信号一起合成后加载到电力线网络中，从而有效防护电力线泄密。
附图说明
图1为本发明结构原理示意图。
具体实施方式
实施例1
一种用于电力线防泄密阻断的信号发生器，由大规模可编程集成电路芯片FPGA处理基准时钟、多速时钟档位控制器、频率控制器、相位控制器、频率合成器、增益控制器、数字模拟转换器、伪随机序列码发生器、宽带调制器、宽带放大器、末级功放器和信号合成器。
基准时钟产生多种不同频率的时钟源送到多速时钟档位控制器，多速时钟档位控制器选择频率适合的时钟源发送到频率控制器，经过频率控制器处理为特定频率的信号后输入到相位控制器，相位控制器算法计算出相应参数后将各参数输入到频率合成器经频率合成器控制查找出存于ROM存储器的离散化波形，将频率合成器控制下输出的离散化波形数据发送到数字模拟转换器经转换成模拟波形信号、增益控制器调整模拟波形信号的增益、伪随机序列码发生器产生伪随机序列，与之前经调整好的模拟波形送入宽带调制器进行调制操作，然后再经宽带放大器和末级功放器对调制好的信号进行功率放大，通过信号合成器加载到电力线路中。
一种用于电力线防泄密阻断的信号发生器合成信号的方法中，在产生的多种不同频率的时钟源中，选择频率适合的时钟源，控制处理时钟源的波形频率、相位后，找出离散化波形数据，增益控制处理后，将数字信号转换为作为载波的模拟信号，将伪随机序列调制到载波上，将调制好的信号放大至所需功率再经合成后加载到需要防泄密的电力网络中。
用于电力线防泄密阻断的信号发生器合成信号的方法，实现过程具体包括如下步骤：
a、基准时钟产生多种不同频率的时钟源。基准时钟采用高精度和高稳定度的石英晶体振荡器，石英晶体是利用具有压电效应的石英晶体片组成，石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。
b、多速时钟档位控制器控制由基准时钟衍生出所需的各个以频率分段为档位的时钟。将该时钟输入到频率控制器，相位控制器，增益控制器以触发相应部件工作和实现同步操作。为了适应宽频带的要求，此处必须提供多种不同速度级别的时钟。为了控制不同的频率产生，设置与微控制器互联的接口用于频率选择。具体实现可以用倍频电路为基准时钟进行倍频后再进行特定的分频处理，分频可用74HC系列的高速计数器实现，同时也能用FPGA芯片实现。
c、频率控制器实现对所需输出波形频率的控制，产生一个正弦或余弦函数的波形将其高速抽样离散化后存储于ROM存储器，或者用微控制器，DSP等通过CORDIC实现。通过多速时钟档位控制器输出的时钟对时间进行标记，然后在各个不同的时标下输出存储于ROM存储器的波形相关数据。
d、相位控制器实现对合成信号波形的相位进行控制，即对上一步合成的波形在时间轴上进行平移，根据输出波形频率的大小能计算出相应的时间平移量。设△t为对合成的波形在时间轴上平移量。f为合成合成的波形的频率。p为需要对合成的波形移动的相位，单位为弧度。
则 △t=p/2∏f
e、频率合成器对经频率控制器和相位控制器所产生的信号进行用于波形存储器查表的地址码的产生，通过改变寻址的步长产生特定频率和相位的波形同时还控制ROM存储器的读写时序。
f、增益控制器控制输出波形增益，输出波形在数字时域进行诸如加、减、比例缩放等运算从而控制所需增益。还能将所输出的信号经D/A反馈到FPGA从而评估外界对该信号的影响，根据所得数据进行闭环控制，运算出所需波形。
g、数字模拟转换器把从ROM存储器输出的离散化的数字波形进行数字模拟变换产生时域连续波形。
h、伪随机序列码发生器用于产生伪随机序列，伪随机序列码发生器是一种反馈移位型结构电路，它由N位移位寄存器和异或反馈网络组成，其序列长度M=2N-1,它仅有一个多余的全0的状态，所以其为最大线性序列码发生器。
i、宽带调制器将伪随机序列码调制到由前所述的合成的载频上后经宽带放大器和末级功放器进行放大，放大了的信号和经上述同样原理产生的不同频率的信号一起合成后加载到电力线网络中。
实施例2
通过石英晶体振荡器制成高精度和高稳定度的基准时钟。将该基准时钟送达多速时钟档位控制器。通过多速时钟档位控制器提供了处于各种不同频率档位的时钟源，同时为系统工作的高度可靠性得到了充分的保证，可为系统提供多个时钟源的热备份，能实现自动检测和当检测到所给某路信源异常时智能切换的功能，从而实现实时高稳定性的保护，特别为军事和国防等对信息安全要求特高的应用场合提供了可靠的保证。
多速时钟档位控制器具备对基准时钟的倍频与分频功能，对输入的时钟进行M倍整数倍频和N倍整数分频得到一个对应于基准时钟M/N倍频率的时钟。取不同的M和N值分别输出几路不同档位级别的时钟。比如基本时钟频率为10MHz的矩形波, 要得到f1=25MHz的时钟取M=10,N=4即可 ，要得到f2=75MHz 的时钟取M=15 ,N=2即可, 要得到f1=100MHz的时钟取M=10,N=1即可。
采用可编程技术来设置ROM存储器的寻址的步长从而改变输出信号的频率，其中步长即对高精度可编程离散正弦数值表的线性相位存储空间的偏移。由累加器对线性相位存储空间地址增量进行累加，累加器的值作为寻址表，这样就可把存储在ROM存储器中的特定波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，送入后级处理电路。波形ROM存储器的输出送到数字模拟转换器，数字模拟转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。
相位控制算器由多位加法器与多位累加寄存器级联构成。多速时钟档位控制器产生的特定频率触发的控制下，加法器将频率控制参数与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送到累加寄存器的数据输入端，以使加法器在下一个触发的作用下继续与频率控制字相加，这样在相位累加器在触发作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一个时钟输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位。
根据设计要求：要达到正弦波输出频率范围(1kHz～10 MHz)及频率步进值100 Hz，设相位累加器的位宽为2N，正弦波形ROM表的大小为2P，累加器的高P位用于寻址Sin表。根据频率合成的工作原理，主频时钟Clock的频率为，fc=100 MHz，累加器按步进为1进行累加直至溢出一遍的频率即为频率步进值。
以M点为步长(M为频率控制字)，产生信号的频率：
由率步进值为100 Hz和式(1)可计算得N=20。要使输出频率达到10 MHz，由式(2)可计算得M=104 857，为了使输出的波形尽可能不失真，频率控制字位宽取17位，高三位添000，由于设计加法器为32位，则低12位添000000000000。本系统中使用的D／A转换器件的输入位宽为10，所以只取相位累加器输出的高10位可满足设计要求。整个过程的实现过程中，本系统选用Altera公司的CycloneII系列EP2C8芯片，采用VHDL语言描述，利用开发软件QuartusⅡ进行综合，布局，布线最后生成配置FPGA的目标代码以实现产生1kHz～10 MHz频率范围内的各种正弦信号。
频率合成器对经频率控制器和相位控制器所产生的信号进行用于波形存储器查表的地址码的产生，根据波形频率与相位的同正弦波形ROM表的映射关系计算出访问ROM存储器的地址表。读取ROM存储器数据还需要ROM访问控制程序。用ROM访问控制程序同ROM的地址表读取波形数据发送到增益控制器
增益控制器通过增益控制算法通过对高精度可编程离散正弦数值抽样输出波形在数字时域进行诸如加、减、比例缩放等运算从而控制所需增益，同时还可将所输出的信号经模拟数字转换器反馈FPGA并在FPGA中根据反馈量的大小做信号的缩放运算，从而实现整个系统的高度自适应控制。
通过以上处理，把频率相位和幅值大小都处理好后的数据送入数字模拟转换器，由模拟数字转换器把离散的数字信号转换为实际所需的连续模拟信号。把该模拟信号作为载波使用宽带调制器将伪随机序列调制到该载波上，用宽带调制器和末级功放器将调制好的信号放大的所需功率再经信号合成器多路合成后加载到需要防泄密的电力网络中。
显然，本领域的普通技术人员根据所掌握的技术知识和惯用手段，根据以上所述内容，还可以作出不脱离本发明基本技术思想的多种形式，这些形式上的变换均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于电力线防泄密阻断的信号发生器，其特征在于：包括基准时钟、多速时钟档位控制器、频率控制器、相位控制器、频率合成器、增益控制器、数字模拟转换器、伪随机序列码发生器、宽带调制器、信号放大器和信号合成器，所述基准时钟产生多种不同频率的时钟源发送到多速时钟档位控制器，多速时钟档位控制器选择频率适合的时钟源发送到频率控制器，频率控制器控制波形频率后输入到相位控制器，相位控制器对波形的相位进行控制后输入到频率合成器，频率合成器找出离散化波形数据发送到增益控制器，增益控制器控制数据幅值后发送到数字模拟转换器，数字模拟转换器将数字信号转换为模拟信号并发送到宽带调制器，伪随机序列码发生器产生伪随机码并发送到宽带调制器，宽带调制器将伪随机码调制到模拟信号上形成宽带信号，信号放大器对调制好的宽带信号进行功率放大后通过信号合成器加载到电力线路中。
2.一种用于电力线防泄密阻断的信号发生器合成信号的方法，其特征在于：在产生的多种不同频率的时钟源中，选择频率适合的时钟源，控制处理时钟源的波形频率、相位后，找出离散化波形数据，增益控制处理后，将数字信号转换为作为载波的模拟信号，将伪随机序列调制到载波上，将调制好的信号放大至所需功率再经合成后加载到需要防泄密的电力网络中。
3.根据权利要求2所述的用于电力线防泄密阻断的信号发生器合成信号的方法，其特征在于：所述基准时钟产生多种不同频率的时钟源并发送到多速时钟档位控制器，多速时钟档位控制器选择频率适合的时钟源发送到频率控制器，频率控制器控制波形频率后输入到相位控制器，相位控制器对波形的相位进行控制后输入到频率合成器，频率合成器找出离散化波形数据发送到增益控制器，增益控制器控制数据幅值后发送到数字模拟转换器，数字模拟转换器将数字信号转换为模拟信号并发送到宽带调制器，伪随机序列码发生器产生伪随机码并发送到宽带调制器，宽带调制器将伪随机码调制到模拟信号上形成宽带信号，信号放大器对调制好的宽带信号进行功率放大后通过信号合成器加载到电力线路中。
4.根据权利要求3所述的用于电力线防泄密阻断的信号发生器合成信号的方法，其特征在于：所述多速时钟档位控制器控制由基准时钟衍生出所需的各个以频率分段为档位的时钟源，将该时钟输入到频率控制器，相位控制器，增益控制器以触发相应部件工作和同步操作。
5.根据权利要求3或4所述的用于电力线防泄密阻断的信号发生器合成信号的方法，其特征在于：所述频率控制器控制所需输出波形频率，产生一个正弦或余弦函数的波形，将其抽样离散化后存储于ROM存储器，通过多速时钟档位控制器输出的时钟对时间进行标记，然后在各个不同的时间标记下输出存储于ROM存储器的波形相关数据。
6.根据权利要求5所述的用于电力线防泄密阻断的信号发生器合成信号的方法，其特征在于：所述相位控制器对合成信号波形的相位进行控制，即对控制频率后的波形在时间轴上进行平移，根据输出波形频率的大小计算出相应的时间平移量。
7.根据权利要求3、4或6所述的用于电力线防泄密阻断的信号发生器合成信号的方法，其特征在于：所述频率合成器对经频率控制器和相位控制器所产生的信号进行用于波形存储器查表的地址码的产生，通过改变寻址的步长产生特定频率和相位的波形，同时控制ROM存储器的读写时序。
8.根据权利要求7所述的用于电力线防泄密阻断的信号发生器合成信号的方法，其特征在于：所述增益控制器控制输出波形增益，输出波形在数字时域进行所需增益控制，并将所输出的信号反馈到可编程门阵列FPGA，根据所得数据进行闭环控制，得出所需波形。
9.根据权利要求3、4、6或8所述的用于电力线防泄密阻断的信号发生器合成信号的方法，其特征在于：所述数字模拟转换器将从ROM存储器输出的离散化的数字波形进行数字模拟变换产生时域连续波形。
10.根据权利要求9所述的用于电力线防泄密阻断的信号发生器合成信号的方法，其特征在于：所述宽带调制器将伪随机序列调制到载波上后，经宽带放大器和末级功放器进行放大，并同多路信号多路合成后加载到电力线网络中从而实现电力线泄密的防范。
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