CN109558759B - 一种用于非接触式智能卡电磁攻击的模拟信号调理电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于非接触式智能卡电磁攻击的模拟信号调理电路，通过模拟锁相环电路，得到与电磁泄漏信号s(t)同频同相位的载波信号f(t)，然后在乘法器中与第一信号放大器得到的幅度稳定信号x(t)相乘，得到的信号m(t)经过低通滤波器，滤除二倍频信号，然后经过隔直电路进行交流耦合，去掉直流信号P_const后得到的信号

仅含有非接触式智能卡密码运算时载波幅度变化信号，然后再在第二信号放大器中进行放大，得到需要采集的信号，这样有效地滤除了非接触式智能卡运行时电磁泄漏信号中的载波信号，并放大了有用的、反映加密运算的载波幅度变化信号，提高了信噪比，提高了密钥分析的成功率。

Description

一种用于非接触式智能卡电磁攻击的模拟信号调理电路

技术领域

本发明属于智能卡安全技术领域，更为具体地讲，涉及一种用于非接触式智能卡电磁攻击的模拟信号调理电路。

背景技术

随着计算机和通信技术的发展，人类社会在经历了机械化时代和电气化时代后，已经进入了一个崭新的社会信息化时代。

社会信息化构建中一个重要发展方向是信息安全，大部分信息安全依赖于密码算法和和相关密码设备，比如密码芯片，带密码应用的非接触式智能卡等。近年来，由于非接触式智能卡具有便携、容量大、操作便利以及安全性高等特点，在日常生活中，尤其是在金融行业应用越来越广泛，其安全性受到高度关注。

非接触式智能卡(或密码芯片)工作示意图如图1所示：授权上位机发出指令以及明文或密文到读卡器(或控制器)，读卡器把授权上位机的数据转化为非接触式智能卡能够识别的数据后发送给非接触式智能卡，非接触式智能卡收到后进行相应处理，若为密文，解密后再处理，并把处理结果以加密方式返回。处理结果经读卡器转换后发送到授权上位机，授权上位机收到信息后解密并进行相应数据处理。

非接触式智能卡具备加密或存储数据的能力。由于非接触式智能卡和读卡器很容易获取，并且非接触式智能卡中保存有与信息安全密切相关的密钥和敏感数据，其信息安全非常重要。

非接触式智能卡的信息安全依赖于密码算法和非接触式智能卡的物理安全。有研究表明，密码算法的理论安全并不等价于密码算法在密码设备上的物理安全。非接触式智能卡是密码算法实现的物理平台，在非接触式智能卡进行加密运算过程中会产生执行时间、功率消耗、电磁辐射、故障输出等信息泄漏，称为侧信息泄漏。根据泄漏的侧信息结合密码算法的实现细节进行的攻击称为侧信道攻击。侧信道攻击中的电磁分析是一种利用非接触式智能卡运行时的数据与电磁信息泄漏之间的关系进行攻击的方法，其包括简单电磁攻击、相关电磁攻击和差分电磁攻击等技术。

非接触式智能卡电磁攻击平台一般包括读卡器、电磁探头、模拟信号调理电路、数据采集电路以及计算机，其原理框图如图2所示，其中，电磁探头、模拟信号调理电路、数据采集电路以及计算机构成电磁信息采集平台。读卡器和计算机的连接使用USB接口或串口连接，用于计算机控制读卡器对非接触式智能卡的读取工作，并获取反馈信号。数据采集电路可采用通用示波器或专用采集卡，并与计算机连接，在计算机控制下进行数据采集。电磁探头捕获非接触式智能卡通过读卡器运行时辐射的电磁信息，经过模拟信号调理电路(其在计算机的控制下)调理后，送入数据采集电路进行数据采集，然后发送到计算机，进行数字预处理和密码分析。

计算机通过串口或USB接口控制读卡器和数据采集电路的运行，采集非接触式智能卡运行时辐射的电磁信息，并进行分析和存储。模拟信号调理电路对电磁探头捕获的信号进行滤波和放大处理，便于后续的数据采集、数据分析和处理。

对非接触式智能卡实施电磁攻击过程如图3所示。授权上位机发出指令和明文，让非接触式智能卡进行加密运算；电磁探头捕获非接触式智能卡在加密运行时泄漏的电磁辐射信息；然后进行信号调理和数据采集，送到计算机进行数字预处理和密码分析。密码分析的基本算法包括简单电磁分析算法、相关电磁分析算法以及差分电磁分析算法等。

然而，非接触式智能卡进行加密运算时，造成的载波幅度变化远小于运行时消耗的常量信号，在模拟域滤除非接触式智能卡运行时的电磁泄漏信号中的载波信号，并放大有用的、反映加密运算的载波幅度变化的信号，对提高信噪比，提高密钥分析的成功率是至关重要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于非接触式智能卡电磁攻击的模拟信号调理电路，以有效滤除非接触式智能卡运行时电磁泄漏信号中的载波信号，并放大有用的、反映加密运算的载波幅度变化信号，提高信噪比，提高密钥分析的成功率。

为实现上述发明目的，本发明用于非接触式智能卡电磁攻击的模拟信号调理电路，其特征在于，包括：

第一信号放大器，用于将电磁探头捕获的非接触式智能卡运行时的电磁泄漏信号s(t)进行放大，得到幅度稳定的信号x(t):

α为放大倍数(增益)，P_const为非接触式智能卡运行时消耗的常量信号，可认为不随时间变化的常量，P(t)为非接触式智能卡密码运算时载波幅度变化信号，反应密码运算能量消耗，为需要提取的目标信号，f_c为载波信号频率，

为电磁泄露信号的相位，n(t)为噪声信号；

模拟锁相环电路，第一信号放大器得到的幅度稳定信号x(t)输入到模拟锁相环电路，获得与电磁泄漏信号s(t)同频同相位的载波信号f(t)：

乘法器，模拟锁相环电路得到的载波信号f(t)、第一信号放大器得到的幅度稳定信号x(t)输入到乘法器中进行相乘，得到信号m(t)：

低通滤波器以及隔直电路，信号m(t)经过低通滤波器，滤除二倍频信号，然后经过隔直电路进行交流耦合，去掉直流信号(常量)P_const，得到信号

第二信号放大器，信号

经过第二信号放大器放大，调整输出信号的幅度，得到需要采集的信号：

y(t)＝AαβP(t)+n(t)

需要采集的信号y(t)送入数据采集电路进行采集。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明用于非接触式智能卡电磁攻击的模拟信号调理电路，通过模拟锁相环电路，得到与电磁泄漏信号s(t)同频同相位的载波信号f(t)，然后在乘法器中与第一信号放大器得到的幅度稳定信号x(t)相乘，得到的信号m(t)经过低通滤波器，滤除二倍频信号，然后经过隔直电路进行交流耦合，去掉直流信号P_const后得到的信号

仅含有非接触式智能卡密码运算时载波幅度变化信号，然后再在第二信号放大器中进行放大，得到需要采集的信号，这样有效地滤除了非接触式智能卡运行时电磁泄漏信号中的载波信号，并放大了有用的、反应加密运算的载波幅度变化信号，提高了信噪比，提高了密钥分析的成功率。

附图说明

图1是非接触式智能卡工作流程图；

图2是非接触式智能卡电磁攻击平台原理框图；

图3是非接触式智能卡电磁攻击工作流程示意图；

图4是本发明用于非接触式智能卡电磁攻击的模拟信号调理电路一种具体实施方式原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图4是本发明用于非接触式智能卡电磁攻击的模拟信号调理电路一种具体实施方式原理框图。

当非接触式智能卡进行加密运算时，采用近场的电磁探头捕获非接触式智能卡泄漏的电磁泄漏信号s(t)。被电磁探头捕获到的电磁泄漏信号s(t)可以表示为：

在公式(1)中，P_const为非接触式智能卡运行时消耗的常量信号，可认为不随时间变化的常量，P(t)为非接触式智能卡密码运算时载波幅度变化信号，反映密码运算能量消耗，为需要提取的目标信号，f_c为载波信号频率，

为电磁泄露信号的相位，n(t)为噪声信号。

从非接触式智能卡的工作原理和电磁能量泄漏原理可以得出：

P_const＞＞P(t) (2)

要得到完整的非接触式智能卡密码运算时载波幅度变化信号P(t)，首先要除去载波和常量信号P_const信号的影响，并且P(t)信号不能失真。

为了从电磁泄漏信号s(t)中获得接触式智能卡密码运算时载波幅度变化信号P(t)，本发明设计一个非接触式智能卡电磁攻击的模拟信号调理电路来实现，如图4所示，具体包括第一信号放大器1、模拟锁相环电路2、乘法器3、低通滤波器4、隔直电路5以及第一信号放大器6。

第一信号放大器1将电磁探头捕获的非接触式智能卡运行时的电磁泄漏信号s(t)进行放大，得到幅度稳定的信号x(t)：

其中，α为第一信号放大器1的放大倍数(增益)。

在本实施例中，可调整第一信号放大器1的放大倍数使信号x(t)的峰峰值为1伏。

第一信号放大器1得到的幅度稳定信号x(t)输入到模拟锁相环电路2，获得与电磁泄漏信号s(t)同频同相位的载波信号f(t)：

模拟锁相环电路2得到的载波信号f(t)、第一信号放大器1得到的幅度稳定信号x(t)输入到乘法器3中进行相乘，得到信号m(t)：

信号m(t)经过低通滤波器4，滤除二倍频信号

然后经过隔直电路5进行交流耦合，去掉直流信号(常量)P_const，得到信号

信号

经过第二信号放大器6放大，调整输出信号的幅度，得到需要采集的信号：

y(t)＝AαβP(t)+n(t) (7)

其中，β为第二信号放大器6的增益。

在本实施例中，可调整第二信号放大器6的放大倍数使输出信号y(t)的峰峰值为1伏。需要采集的信号y(t)送入后续的数据采集电路进行采集。

本发明非接触式智能卡电磁攻击的模拟信号调理电路，通过模拟锁相环电路2得到与电磁泄漏信号s(t)同频同相位的载波信号f(t)，然后在乘法器3中与第一信号放大器1得到的幅度稳定信号x(t)相乘，得到的信号m(t)经过低通滤波器4，滤除二倍频信号，然后经过隔直电路5进行交流耦合，去掉直流信号P_const后得到的信号

仅含有非接触式智能卡密码运算时载波幅度变化信号，然后再在第二信号放大器6中进行放大，得到需要采集的信号，这样有效地滤除了非接触式智能卡运行时电磁泄漏信号中的载波信号，并放大了有用的、反应加密运算的载波幅度变化信号，提高了信噪比，提高了密钥分析的成功率。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种用于非接触式智能卡电磁攻击的模拟信号调理电路，其特征在于，包括：

第一信号放大器，用于将电磁探头捕获的非接触式智能卡运行时的电磁泄漏信号s(t)进行放大，得到幅度稳定的信号x(t)：

α为放大倍数，P_const为非接触式智能卡运行时消耗的常量信号，可认为不随时间变化的常量，P(t)为非接触式智能卡密码运算时载波幅度变化信号，反映密码运算能量消耗，为需要提取的目标信号，f_c为载波信号频率，

为电磁泄露信号的相位，n(t)为噪声信号；

模拟锁相环电路，第一信号放大器得到的幅度稳定信号x(t)输入到模拟锁相环电路，获得与电磁泄漏信号s(t)同频同相位的载波信号f(t)：

乘法器，模拟锁相环电路得到的载波信号f(t)、第一信号放大器得到的幅度稳定信号x(t)输入到乘法器中进行相乘，得到信号m(t)：

低通滤波器以及隔直电路，信号m(t)经过低通滤波器，滤除二倍频信号，然后经过隔直电路进行交流耦合，去掉直流信号P_const，得到信号

第二信号放大器，信号

经过第二信号放大器放大，调整输出信号的幅度，得到需要采集的信号：

y(t)＝AαβP(t)+n(t)

其中，β为第二信号放大器的增益；

需要采集的信号y(t)送入数据采集电路进行采集。

2.根据权利要求1所述的模拟信号调理电路，其特征在于，输出的幅度稳定信号y(t)的峰峰值为1伏。

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