CN112257275B - 一种根据防护对象的防护需求确定噪声注入量级的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁信息安全领域，特别是一种根据防护对象的防护需求确定噪声注入量级的方法，本发明提供的方法是在防信息泄漏装置中，根据防护对象的频谱特征，结合电力线模型，推导出电力线的衰减系数，最后得出噪声注入量级。本发明所提出的方法实施简单，成本低且效率高，能够通过简易测试，快速确定防信息泄漏装置中的噪声注入量级，并进行有效性的检测，对指导防信息泄漏装置的设计制作有重要意义。

Description

一种根据防护对象的防护需求确定噪声注入量级的方法

技术领域

本发明属于电磁信息安全领域，特别是一种根据防护对象的防护需求确定噪声注入量级的方法。

背景技术

近年来，随着计算机技术的快速发展，单一的计算机设备已经演化成广义计算机显示器系统，随之而来的是系统中电磁环境更加复杂，电磁辐射更加广泛。一方面，这加剧了电磁环境的复杂性，使得环境中出现大量的电磁干扰，另一方面，也带来了电磁信息安全性的问题。

同时，随着电力载波技术的进步，如今的宽带电力载波技术已经可以在一定距离内传输高速信号，并能保证信号的信噪比在可接受范围内，利用OFDM调制方式的宽带电力线通信信号可以在几十MHz的频带范围内传输高速信号。同样的在计算机显示器系统中，视频线缆的通道分时传输大量音频和视频有用串行信息。由于设备密集，视频线与电力线出现互相耦合。电源线和地线会携带耦合的有用信号，且距离较远难以防护。这给电力线信息安全带来了巨大的挑战，也可以利用这种技术传输涉密信息，造成涉密信息的泄漏，具有很大的安全隐患。

研究证明，计算机显示器系统工作时产生的电磁辐射携带有设备的工作信息，而电力线作为传输线，可以在一定距离内传输有用的电磁信号，这就导致了这些信号在一定条件下可以被截获甚至还原，造成信息泄漏。

针对这些现象，传统的电子设备电磁信息泄漏防护工作主要针对的是空间辐射场的防护和信号线的防护，包括屏蔽加固、噪声干扰、相关干扰和信号线滤波等技术，能够防护一定范围内的空间辐射场内的电磁信息泄漏。而对于电力线的防护，常规的防护手段是使用EMI滤波器对电力线上的干扰和泄漏信号进行滤波。在高频段信号的耦合非常严重，对于30MHz及更高频率的信号，由于众多涉密办公场所的电源插线板均无法做到良好接地，即只能通过接地线接地，而接地线在传输高频信号时阻抗会呈指数级增长，接地阻抗过大会引起接地失效，即EMI滤波器对高频信号的抑制作用消失，电力线防护出现漏洞，因此传统的EMI滤波器难以做到有效滤波。

研究发现，白噪声具有宽带内平坦的功率谱，可以对泄漏信号进行有效的淹没。因此，可采用针对高频泄漏信号的白噪声注入方法，利用白噪声产生注入电路，将其注入到电力线上，对电力线上可能存在的泄漏信号进行有效的覆盖，防止发生电磁信息泄漏。

作为传输计算机泄漏信息的电力线/地线，在高频时体现为传输线特性，由于其线间距发生变化(即使微小变化)，会使电力线的特性阻抗随频率发生变化，频率越高，则变化越大。在这种情况下，会导致注入信号幅度与防护距离相互产生的影响，需探究噪声注入量级与防护距离之间的关系。

发明内容

本发明提供的方法是在防信息泄漏装置中，根据防护对象的频谱特征，结合电力线模型，推导出电力线的衰减系数，最后得出噪声注入量级。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：一种根据防护对象的防护需求确定噪声注入量级的方法，其特征是：

步骤1：分析计算机显示器系统泄漏视频信息所在的频段范围；

步骤2：实际测试计算机显示器系统泄漏视频信息经过一定长度电力线后的功率大小P_R；

步骤3：通过电力线模型计算计算机显示器系统泄漏视频信息所在频段的衰减值P_L；

步骤4：根据步骤2和步骤3的结果，计算计算机显示器系统源端泄漏视频信息的功率大小，并根据源端泄漏视频信息功率及安全裕量P_z确定有源装置的噪声功率。

P_t＝P_R+P_L+P_z

所述的步骤1包括：

步骤101：首先了解所用计算机显示器系统显示器的实际像素点数和刷新频率；

步骤102：对步骤101中的显示器进行像素时钟的计算，对于不同显示器，其像素时钟可以使用以下公式计算：

f＝H×V×FPS

其中，f为像素时钟，单位为Hz；H为水平方向上像素点数；V为垂直方向上像素点数；FPS为屏幕刷新率；

步骤103：确定防护所关注的频段(f₁～f₂)单位为MHz，取带宽为BW确定防护频段，既：

f₁-f₂＝BW MHz

所述的步骤2包括：步骤201：按照图1所示的测试示意图搭建计算机显示器系统泄漏视频信息经过一定长度电力线后的功率测试系统；

步骤202：使用频谱仪读取计算机显示器系统泄漏视频信息经过一定长度的电力线后在防护频段内的功率值；

所述的步骤3包括：通过电力线模型计算计算机显示器系统泄漏视频信息所在频段的衰减值；

步骤301：首先了解所用电力线的各种物性参数，包括

单位长度的分布电阻：

式中，δ为趋肤深度，σ_c为导体的电导率，a为导体半径。

寄生电容：

式中，D为导体间的等效平行距离，a为导体半径，μ为介质的磁导率。

寄生电感：

式中，D为导体间的等效平行距离，a为导体半径，μ为介质的磁导率。

步骤302：使用电力线模型仿真分析防护半径长度下该电力线在防护频段范围内的频率响应和衰减值为：

H(f)＝e^-γ·l＝e^-α(f)·le^-jβ(f)·l

A(f,l)＝e^-α(f)·l

其中，γ为复传播常数，α为衰减因子，β为相移因子，l为电力线长度。

所述的步骤4包括：

步骤401：利用频谱仪测得的计算机显示器系统泄漏视频信息经过一定长度的电力线衰减后在防护频段内的功率值和使用电力线模型仿真分析一定长度度下该电力线在防护频段范围内的衰减值及安全裕量计算出计算源端计算机显示器系统泄漏视频信息的功率大小；

P_t＝P_R+P_L+P_z

步骤402：由源端计算机显示器系统泄漏视频信息的功率大小确定有源装置的噪声功率。

本发明的优点是：本发明根据防护对象的防护需求，确定噪声注入量级的方法，属于电磁信息安全领域。本发明提供的方法是在防信息泄漏装置中，根据防护对象的频谱特征，结合电力线模型，推导出电力线的衰减系数，最后得出噪声注入量级。本发明所提出的方法实施简单，成本低且效率高，能够通过简易测试，快速确定防信息泄漏装置中的噪声注入量级，并进行有效性的检测，对指导防信息泄漏装置的设计制作有重要意义。

附图说明

图1为泄漏视频信号经电力线后功率测试示意图；

图2为泄漏视频信号经电力线后测试频谱图；

图3为电力线等效模型图；

图4为一定长度电力线衰减值仿真结果图；

图5为有源装置试样测试结果图。

具体实施方式

为了说明根据防护需求确定噪声注入量的方法。本发明设定防护需求为：电力线采用常用的电力线电缆，长度为5m，计算机显示器系统使用分辨率为1080p(16:9)屏幕刷新率为60Hz的显示器。在该防护需求下确定有源装置噪声注入量。

相关说明如下：

针对电力线上传输的能够造成信息泄漏的电磁信号，提出了一种信息泄漏防护装置中针对高频泄漏信号的白噪声注入方法，将白噪声注入到电力线上，对电力线上可能存在的泄漏信号进行有效的覆盖，可以有效防止发生电磁信息泄漏。但是由于在高频时，当线间距发生变化时，会使电力线的特性阻抗随频率发生变化。由于特性阻抗的变化，会导致注入信号幅度与防护距离相互产生影响。所以需要去确定白噪声的注入量级。

一种根据防护对象的防护需求确定噪声注入量级的方法，它至少包括如下步骤：

步骤1：分析计算机显示器系统泄漏视频信息所在的频段范围；

步骤2：实际测试计算机显示器系统泄漏视频信息经过一定长度电力线后的功率大小；

步骤3：通过电力线模型计算计算机显示器系统泄漏视频信息所在频段的衰减值；

步骤4：根据步骤2和步骤3的结果，计算计算机显示器系统源端泄漏视频信息的功率大小，并根据源端泄漏视频信息功率确定有源装置的噪声功率。

所述的步骤1包括：

步骤101：首先了解所用计算机显示器系统显示器的实际像素点数和刷新频率；

对于计算机显示器系统，其泄漏信息往往来源于视频信息，即显示器显示的视频信号会耦合到电力线上，这些信号通常容易被接收和解调用来重构原始视频信号。

对于常规的视频显示器，视频信号(红色，绿色和蓝色的原色)被周期性地调制并与像素时钟定时同步，并且其幅度对应于视频信号的亮度，因此像素时钟决定了视频信息的泄漏频段。对于不同显示器，其像素时钟可以使用以下公式计算：

f＝H×V×FPS

其中，f为像素时钟，单位为Hz；H为水平方向上实际像素点数；V为垂直方向上实际像素点数；FPS为屏幕刷新率；

对于市面上销售的显示器，其实际像素点数如下表所示：

表1常用显示器实际像素点数

常用屏幕的刷新率一般有60Hz、75Hz、85Hz、120Hz和144Hz。

由于计算机显示器系统使用分辨率为1080p(16:9)屏幕刷新率为60Hz的显示器。对于该计算机显示器系统，查表可知该计算机显示器系统显示器的实际像素为2000x1125。

步骤102：对步骤101中的显示器进行像素时钟的计算，对于不同显示器，其像素时钟可以使用以下公式计算：

f＝H×V×FPS

其中，f为像素时钟，单位为Hz；H为水平方向上像素点数；V为垂直方向上像素点数；FPS为屏幕刷新率。

由于计算机显示器系统显示器的实际像素为那么其像素频率为2000x1125且屏幕刷新率为60Hz，则

f＝H×V×FPS＝2000×1125×60＝148.5MHz

即计算机显示器系统显示器的像素频率为148.5MHz，计算机显示器系统泄漏视频信息以基频148.5MHz为主。

步骤103：确定防护所关注的频段，取带宽为50MHz确定防护频段。

考虑到测试的准确度，取带宽为50MHz，泄露视频信息的基频在123.5MHz～173.5MHz之间，在123.5MHz～173.5MHz的频率范围内，噪声信号要能够覆盖视频信号，即该计算机显示器系统的泄漏视频信息防护频段为123.5MHz～173.5MHz。

所述的步骤2包括：

步骤201：按照图1所示的测试示意图搭建计算机显示器系统泄漏视频信息经过一定长度电力线后的功率测试系统；

其中，计算机主机和显示器正常工作，显示器为分辨率为1080p(16:9)屏幕刷新率为60Hz的显示器，计算机控制显示器输出1920x1080的黑白图像；电力线采用国标BV系列PVC绝缘层硬质单股铜导体线缆穿管室内铺设型电力线，导体截面积存在1.5mm²、2.5mm²等标准。本发明选择插座线路常用的BV2.5电缆。

步骤202：使用频谱仪读取计算机显示器系统泄漏视频信息经过一定长度的电力线后在防护频段内的功率值P_R；

对于该计算机显示器系统，在不加有源噪声装置的情况下，通过频谱仪可以读取计算机显示器系统泄漏视频信息经过一定长度的电力线衰减后的频谱如图2所示，从测试结果可以看出该泄漏信号在防护频段123.5MHz～173.5MHz内功率值P_R为-100dBm。

所述的步骤3包括：通过电力线模型计算计算机显示器系统泄漏视频信息所在频段的衰减值P_L；

步骤301：首先了解所用电力线的各种物性参数；

在试验中采用室内铺设电力线(使用国标BV系列PVC绝缘层硬质单股铜导体线缆穿管)常用的BV2.5电缆为对象，其等效模型的几何尺寸为2a＝1.78mm，D＝8.38mm。该线缆导体(铜)的磁导率为μ₀＝4π×10^-7H/m，导体(铜)电导率为σ_c＝5.882×10⁷S/m，介质(PVC)的电容率为ε₀＝8.85×10^-12F/m，介质(PVC)的电导率为σ＝1×10^-16S/m。

步骤302：使用电力线模型仿真分析一定长度度下该电力线在防护频段范围内的衰减值；

本发明在分析阻抗问题的时候可以将空载的电力线/地线等效为一段均匀的传输线，由于分布电容和分布电感的影响，其阻抗会随频率的升高而降低。一般情况下，负载的接入会使整体的阻抗有所下降。另一方面，电力线/地线自身的结构和材料、电网的拓扑关系等因素的变化，都会导致阻抗的变化，使得阻抗并不是随频率增加而单调减少。容性阻抗负载、感性阻抗负载和电力线/地线自身的阻抗有可能在特定的频率产生谐振，造成阻抗在特定频率急剧减小。同时对于电力线/地线通信信道而言，阻抗的变化也会使信号的反射和驻波效应变得难以预测。

为了进一步研究电力线/地线的传输特性，本发明在这里对电力线/地线的分布电参数做简要的分析。

(1)电力线/地线的分布电阻

本发明主要分析电力线/地线的在较高频率时的传输特性，不能简单的将电力线当作能量传输介质研究共促频待性，需要引入集肤效应对其电阻进行修正。我们可以简单的假设电流仅在集肤深度δ传导而不失其准确性。

式中μ_c、σ_c为导体的磁导率和电导率、f为工作频率，此时，电编的典舆随须率的升高而降低，单位长度的分布电阻为；

式中，a为导体半径，当目标电力线采用多芯导体提高载流能力时，可以使用修正因子X_R:

此时，多芯导体的等效分布电阻为：

R′_total＝X_R·R′Ω/m

(2)电力线/地线的分布电感

室内电力线需要穿管铺设，虽然各线间不能保证完全平行，但线间距可以保持在相对稳定的范围内，考虑到集肤效感的联响，高频下单位长度的分布电感可以得到

式中，D为导体间的等效平行距离，μ为介质的磁导率。

(3)电力线/地线的分布电容

室内单相电为线网络通过火线、零线、地然三个级路传送能量，如其等效模型如图5所示。其等效分布电容为：

其中：

式中，ε为介质的电容率。

(4)电力线/地线的分布电导

穿管电力线之间的空气和PVC可以合并在一起看作一个相对稳定的介质，可以认为电导和电容具有以下关系：

式中，σ为介质的电导率。(5)电力线/地线通信信道的衰减特性分析

与传输工频电流信号时相比，电力线/地线在传输中高频通信信号时会呈现出更加剧烈的衰减特性。从经验中得到，传播信号会随着电力线/地线长度的增加和信号自身频率的升高而迅速衰减，因此，本发明通过建立电力线/地线的等效传输线模型分析其衰减特性与传输距离的关系。

室内电力线常用的安装方法是多根被绝缘层包裹的导线在墙体内部穿管铺设。各个线缆受到的穿线管的约束，绝缘层几乎紧贴在一起。本发明在分析衰减特性时，可以将管内的线缆等效为一对平行的双线传输线系统而不失其准确性，等效模型如图3所示。

由于在试验中采用室内铺设电力线(使用国标BV系列PVC绝缘层硬质单股铜导体线缆穿管)常用的BV2.5电缆为对象，其等效模型的几何尺寸为2a＝1.78mm，D＝8.38mm。该线缆导体(铜)的磁导率为μ₀＝4π×10^-7H/m，导体(铜)电导率为σ_c＝5.882×10⁷S/m，介质(PVC)的电容率为ε₀＝8.85×10^-12F/m，介质(PVC)的电导率为σ＝1×10^-16S/m。因此匹配传输线的频率响应H(f)可以通过复传播常数表示

可以注意到，复传播常数主要取决于电缆的分布参数R'、L'、C'和G'。随着频率的升高，分布参数也会发生变化，此时可以得到电缆的传输函数：

H(f)＝e^-γ·l＝e^-α(f)·le^-jβ(f)·l

为了研究衰减随频率和电缆长度变化的特性，我们可以定义频率为f的信号在电缆上经过距离l传输后的衰减为A(f，l)。研究衰减特性时可以不考虑相移的影响，则A(f，l)可以得到：

A(f,l)＝e^-α(f)·l

经过仿真分析可以得到电力线衰减值与防护距离以及频率之间的关系如图4所示。从图中可以看出该泄漏信号在防护频段123.5MHz～173.5MHz内经过5m的电力线衰减约为10dB。

所述的步骤4包括：

步骤401：利用频谱仪测得的计算机显示器系统泄漏视频信息经过一定长度的电力线衰减后在防护频段内的功率值和使用电力线模型仿真分析一定长度度下该电力线在防护频段范围内的衰减值计算出计算源端计算机显示器系统泄漏视频信息的功率大小；

由上述步骤可知利用频谱仪测得的计算机显示器系统泄漏视频信息经过一定长度的电力线衰减后在防护频段内的功率值为-103dBm；使用电力线模型仿真分析一定长度度下该电力线在防护频段范围内的衰减值为10dB；则源端计算机显示器系统泄漏视频信息的功率为：

P_t＝P_R+P_L+P_z

＝-103dBm+10dB+3dB＝-90dBm

步骤402：由源端计算机显示器系统泄漏视频信息的功率大小确定有源装置的噪声功率。

由上述分析可知，源端处计算机显示器系统泄漏视频信息功率为-90dBm，要使得噪声能够覆盖计算机显示器系统泄漏视频信息，那么有源装置的噪声注入量要求≥-90dBm，实际试研有源装置注入噪声测试结果如图5所示。

Claims (2)

1.一种根据防护对象的防护需求确定噪声注入量级的方法，其特征是：至少包括如下步骤：

步骤1：分析计算机显示器系统泄漏视频信息所在的频段范围；

步骤2：实际测试计算机显示器系统泄漏视频信息经过一定长度电力线后的功率大小P_R；

步骤3：通过电力线模型计算计算机显示器系统泄漏视频信息所在频段的衰减值P_L；

步骤4：根据步骤2和步骤3的结果，计算计算机显示器系统源端泄漏视频信息的功率大小，并根据源端泄漏视频信息功率和安全裕量P_z确定有源装置的噪声功率，

P_t＝P_R+P_L+P_z；

所述的步骤1包含：

步骤101：首先了解所用计算机显示器系统显示器的实际像素点数和刷新频率；

步骤102：对步骤101中的显示器进行像素时钟的计算，对于不同显示器，其像素时钟可以使用以下公式计算：

f＝H×V×FPS

其中，f为像素时钟，单位为Hz；H为水平方向上像素点数；V为垂直方向上像素点数；FPS为屏幕刷新率；

步骤103：确定防护所关注的频段(f₁～f₂)单位为MHz，取带宽为BW确定防护频段，既：

f₁-f₂＝BW MHz；

所述的步骤2包含：

步骤201：搭建计算机显示器系统泄漏视频信息经过一定长度电力线后的功率测试系统；

步骤202：使用频谱仪读取计算机显示器系统泄漏视频信息经过一定长度的电力线后在防护频段内的功率值；

所述的步骤3包含：

通过电力线模型计算计算机显示器系统泄漏视频信息所在频段的衰减值；

步骤301：首先了解所用电力线的各种物性参数，包括

单位长度的分布电阻：

式中，δ为趋肤深度，σ_c为导体的电导率，a为导体半径；

寄生电容：

式中，D为导体间的等效平行距离，a为导体半径，μ为介质的磁导率；

寄生电感：

式中，D为导体间的等效平行距离，a为导体半径，μ为介质的磁导率；

步骤302：使用电力线模型仿真分析防护半径长度下该电力线在防护频段范围内的衰减值：

H(f)＝e^-γ·l＝e^-α(f)·le^-jβ(f)·l

A(f,l)＝e^-α(f)·l

其中，γ为复传播常数，α为衰减因子，β为相移因子，l为电力线长度。

2.根据权利要求1所述的根据防护对象的防护需求确定噪声注入量级的方法，其特征是：所述的步骤4包含：

步骤401：利用频谱仪测得的计算机显示器系统泄漏视频信息经过一定长度的电力线衰减后在防护频段内的功率值和使用电力线模型仿真分析一定长度度下该电力线在防护频段范围内的衰减值计算出计算源端计算机显示器系统泄漏视频信息的功率大小；

P_t＝P_R+P_L

步骤402：由源端计算机显示器系统泄漏视频信息的功率大小确定有源装置的噪声功率。