面向电力终端组网场景的实时在线密钥传输装置及方法
阅读说明：本技术 面向电力终端组网场景的实时在线密钥传输装置及方法 (Real-time online key transmission device and method for power terminal networking scene ) 是由 丁忠林 赵高峰 杨爽 吕超 于佳 刘锐 李洋 巢玉坚 王彦波 唐旭升 赵钧陶 于 2021-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种面向电力终端组网场景的实时在线密钥传输装置及方法,包括发送端,发送端包括数字边沿脉冲发生器、频率综合电路、脉控开关电路和发射天线；数字边沿脉冲发生器将输入的密钥信号处理为双极性脉冲信号；频率综合电路提供频率不同的第一正弦波信号和第二正弦波信号；脉控开关电路分别与数字边沿脉冲发生器和频率综合电路相连,并根据数字边沿脉冲发生器输出的脉冲的极性选择输出第一正弦波信号或第二正弦波信号；脉控开关电路还通过发射天线将第一正弦波信号或第二正弦波信号发送至接收端。本发明将密钥转化为有极性的差分脉冲波形,借助脉控开关电路、频率综合电路、和鉴频器,实现电力通信密钥快速低功耗传输。(The invention discloses a real-time online key transmission device and method facing to a power terminal networking scene, which comprises a sending end, wherein the sending end comprises a digital edge pulse generator, a frequency synthesis circuit, a pulse control switch circuit and a transmitting antenna; the digital edge pulse generator processes the input key signal into a bipolar pulse signal; the frequency synthesis circuit provides a first sine wave signal and a second sine wave signal with different frequencies; the pulse control switch circuit is respectively connected with the digital edge pulse generator and the frequency synthesis circuit, and selectively outputs a first sine wave signal or a second sine wave signal according to the polarity of the pulse output by the digital edge pulse generator; the pulse control switch circuit also sends the first sine wave signal or the second sine wave signal to a receiving end through the transmitting antenna. The invention converts the secret key into a polarized differential pulse waveform, and realizes the quick low-power consumption transmission of the electric power communication secret key by means of the pulse control switch circuit, the frequency synthesis circuit and the frequency discriminator.)
技术领域
本发明属于保密通信技术领域，具体涉及一种面向电力终端组网场景的实时在线密钥传输装置及方法。
背景技术
近年来，随着5G技术逐渐成熟，移动通信在工业互联网等领域都有非常大的应用前景。电力系统针对“大带宽、低时延、高容量”的无线通信通信特点需求较高，5G在电力系统有较大的应用价值。在电力5G的应用中，密集组网如发电端的分布式新能源特别是太阳能发电、输配电端的无人机组网检测、用电端的多终端组网等，都对电力5G通信系统的安全性有较高需求。在以往的电力通信系统中，传统密码学技术虽然能够加强电力系统的认证性与保密性，但是电力通信密钥的安全传输与快速解调分析，是今年来仍没有解决的问题。
公开号为CN101202556A的中国发明专利申请中，公开了Wimax宽带无线通信射频系统，提到通过传统射频收发机实现宽带无线通信。其主要思想在于通过一个中频芯片和一个射频芯片，来自基带的信号分为I路和Q路，分别上变频到380MHz，经过滤波器滤波后，完成合成IF和RF功能，连接射频芯片，将射频信号发送出去。该技术针对基带和射频的移动通信系统模型，是通信密钥的传输的主要技术，但是由于基带压缩编码以及射频芯片的上变频装置，导致传输时延较大。
公开号为CN101383888A的中国发明专利申请中，公开了基于传真解调建议v2.1的FSK调制方法，提出了一种用于传真系统的FSK调制方式，其主要特征用不同频率的两个载波表征数字信号0和1，即用1850Hz表示此时发送信号1，而1650发送信号0。同时在调频过程中，下一频率的波形保持和上一个频率的波形的相位不变。通过这种方式确保没有相位的跃变。FSK常用于数字通信的调制解调过程，其特点在于用不同频率的两个载波表征0和1，导致电路工作时间长，功耗大，且目前无法采用FSK方式传输无线通信密钥。
公开号为CN106161307A的中发明专利申请中，公开了采用单片机实现OOK调制解调技术的低成本载波通信模块，提到采用OOK方式将数字信号调制到电力线上实现电力通信。OOK方式是指在数字1时有载波，而数字零时不携带载波。这种调制方式当传输的信号1比较多时，也存在功耗大的问题。这种调制技术也广泛应用于无线通信技术中，但目前无法将其用于无线通信密钥传输过程。
综上所述，现有密钥传输技术面临功耗大，传输时延高等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种面向电力终端组网场景的实时在线密钥传输装置及方法，实现对电力通信密钥的快速低功耗传输。
为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种面向电力终端组网场景的实时在线密钥传输装置，包括发射端，所述发射端包括数字边沿脉冲发生器、频率综合电路、脉控开关电路和发射天线；
所述数字边沿脉冲发生器将输入的密钥信号处理为双极性脉冲信号；
所述频率综合电路提供频率不同的第一正弦波信号和第二正弦波信号；
所述脉控开关电路分别与所述数字边沿脉冲发生器和频率综合电路相连，并根据数字边沿脉冲发生器输出的脉冲的极性选择输出第一正弦波信号或第二正弦波信号；
所述脉控开关电路还通过发射天线将所述第一正弦波信号或第二正弦波信号发送至接收端，用于使得接收端基于接收到的第一正弦波信号或第二正弦波信号生成实际传输的秘钥流。
可选地，所述数字边沿脉冲发生器为LC微分网络，将串行输入的密钥信号的边沿微分为双极性脉冲，其中，所述密钥信号的上升沿对应正脉冲，所述密钥信号的下降沿对应负脉冲。
可选地，所述频率综合电路包括分立设置的第一频率综合器和第二频率综合器，所述第一频率综合器和第二频率综合器的工作频率不同，二者共用一个频率固定的参考信号。
可选地，所述脉控开关电路包括分立设置的第一传输门和第二传输门；
所述第一传输门的输入端与第一频率综合器相连，控制端与所述数字边沿脉冲发生器的输出端相连，输出端与发射天线相连；
所述第二传输门的输入端与第二频率综合器相连，控制端与所述数字边沿脉冲发生器的输出端相连，输出端与发射天线相连；
当所述数字边沿脉冲发生器输出正脉冲时，所述第一传输门导通；
当所述数字边沿脉冲发生器输出负脉冲时，所述第二传输门导通。
第二方面，本发明提供了一种面向电力终端组网场景的实时在线密钥传输装置，其特征在于，包括第一方面中任一项所述的发射端，还包括接收端，所述接收端包括接收天线和鉴频器；
所述接收天线分别与所述发射天线与鉴频器通信相连，所述鉴频器对接收到的第一正弦波信号或第二正弦波信号进行频率检测，并根据频率检测结果生成对应的正脉冲或负脉冲，从而生成密钥方波，最终根据预设的密钥方波周期，得到实际传输的密钥流。
可选地，定义第一正弦波信号的信号周期和信号宽度分别为t1和T_width1，第二正弦波信号的信号周期和信号宽度分别为t2和T_width2；
所述鉴频器的门限值为其中，
当所述鉴频器基于接受到的第一正弦波信号或第二正弦波信号进行频率检测，计算出周期数val-min或val-max，将val-min或val-max与val-th进行比较，根据比较结果生成对应的正脉冲或负脉冲，从而生成密钥方波，最终根据预设的密钥方波周期，得到实际传输的密钥流。
可选地，当val-min＜val-th，则生成对应的正脉冲；当val-max>val-th，则生成对应的负脉冲。
第三方面，本发明提供了一种面向电力终端组网场景的实时在线密钥传输方法，包括：
利用数字边沿脉冲发生器将输入的密钥信号处理为双极性脉冲信号；
利用频率综合电路提供频率不同的第一正弦波信号和第二正弦波信号；
利用脉控开关电路根据数字边沿脉冲发生器输出的脉冲的极性选择输出第一正弦波信号或第二正弦波信号；
利用发射天线将所述第一正弦波信号或第二正弦波信号发送接收端，使得接收端根据所述第一正弦波信号或第二正弦波信号生成实际传输的密钥流。
可选地，所述数字边沿脉冲发生器为LC微分网络，将串行输入的密钥信号的边沿微分为双极性脉冲，其中，所述密钥信号的上升沿对应正脉冲，所述密钥信号的下降沿对应负脉冲。
可选地，所述频率综合电路包括分立设置的第一频率综合器和第二频率综合器，所述第一频率综合器和第二频率综合器的工作频率不同，二者共用一个频率固定的参考信号。
可选地，所述脉控开关电路包括分立设置的第一传输门和第二传输门；
所述第一传输门的输入端与第一频率综合器相连，控制端与所述数字边沿脉冲发生器的输出端相连，输出端与发射天线相连；
所述第二传输门的输入端与第二频率综合器相连，控制端与所述数字边沿脉冲发生器的输出端相连，输出端与发射天线相连；
当所述数字边沿脉冲发生器输出正脉冲时，所述第一传输门导通；
当所述数字边沿脉冲发生器输出负脉冲时，所述第二传输门导通。
第四方面，本发明提供了一种面向电力终端组网场景的实时在线密钥传输方法，包括：
利用数字边沿脉冲发生器将输入的密钥信号处理为双极性脉冲信号；
利用频率综合电路提供频率不同的第一正弦波信号和第二正弦波信号；
利用脉控开关电路根据数字边沿脉冲发生器输出的脉冲的极性选择输出第一正弦波信号或第二正弦波信号；
利用发射天线和接收天线将所述第一正弦波信号或第二正弦波信号发送至鉴频器；
利用鉴频器对接收到的第一正弦波信号或第二正弦波信号进行频率检测，并根据频率检测结果生成对应的正脉冲或负脉冲，从而生成密钥方波，最终根据预设的密钥方波周期，得到实际传输的密钥流。
可选地，定义第一正弦波信号的信号周期和信号宽度分别为t1和T_width1，第二正弦波信号的信号周期和信号宽度分别为t2和T_width2；
所述鉴频器的门限值为其中，
当所述鉴频器基于接受到的第一正弦波信号或第二正弦波信号进行频率检测，计算出周期数val-min或val-max，将val-min或val-max与val-th进行比较，根据比较结果生成对应的正脉冲或负脉冲，从而生成密钥方波，最终根据预设的密钥方波周期，得到实际传输的密钥流。
可选地，当val-min＜val-th，则生成对应的正脉冲；当val-max>val-th，则生成对应的负脉冲。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提出的一种面向电力终端组网场景的实时在线密钥传输装置，将串行输入的密钥信号转化为有极性的差分脉冲波形，借助于脉控开关电路、频率综合电路、发射天线、接收天线和鉴频器，实现对电力通信密钥的快速低功耗传输，有效解决了密钥在无线信道中传输能耗大、耗时长等问题。
本发明提出的一种面向电力终端组网场景的实时在线密钥传输装置，结构具有新颖性和通用性，可以应用于电力5G模组中，实现电力通信密钥的低功耗、实时于安全传输。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1是本发明一种实施例中面向电力终端组网场景的实时在线密钥传输装置的电路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
实施例1
本发明实施例中提供了一种面向电力终端组网场景的实时在线密钥传输装置，如图1所示，包括发射端，所述发射端包括数字边沿脉冲发生器、频率综合电路、脉控开关电路和发射天线；
所述数字边沿脉冲发生器将输入的密钥信号处理为双极性脉冲信号；
所述频率综合电路提供频率不同的第一正弦波信号和第二正弦波信号；
所述脉控开关电路分别与所述数字边沿脉冲发生器和频率综合电路相连，并根据数字边沿脉冲发生器输出的脉冲的极性选择输出第一正弦波信号或第二正弦波信号；
所述脉控开关电路还通过发射天线将所述第一正弦波信号或第二正弦波信号发送至接收端，用于使得接收端基于接收到的第一正弦波信号或第二正弦波信号生成实际传输的秘钥流。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述数字边沿脉冲发生器为LC微分网络，将串行输入的密钥信号的边沿微分为双极性脉冲，其中，所述密钥信号的上升沿对应正脉冲，所述密钥信号的下降沿对应负脉冲。在具体实施过程中，所述密钥信号Key_in为串行信号，是一个周期方波信号，其宽度为T，即每T时间代表一个二进制0(低电平)或者1(高电平)，密钥信号经过数字边沿脉冲发生器后，由数字边沿脉冲发生器对方波信号做微分处理，上升沿(由低电平跳变到高电平)微分为正脉冲，下降沿(高电平到低电平)微分为负脉冲，进而得到一个有极性脉冲序列，并输出到脉控开关电路，脉控开关电路根据接收到的脉冲的极性，选择频率综合电路的输出，即每过一个时间为T的单位，脉控开关电路选择连接频率综合电路的一个输出，在脉冲时间内输出一段正弦波到天线上，并发送到由发射天线和接收天线组成的无线信道，发射天线和接收天线的频率特性覆盖两种载波的频率。极性脉冲序列的计算公式如下：
其中，uR(t)是微分网络中电阻器两端的输出电压，满足电阻值与通过电阻的电流值的乘积，同时也是电容器充放电电流，满足电容器充放电电流公式可以近似处理为由上式可以看出，输出电压和输入电压的倒数成正比，满足将方波信号处理为脉冲的需求。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述频率综合电路包括分立设置的第一频率综合器和第二频率综合器(即由一个双频模拟锁相环构成)，所述第一频率综合器和第二频率综合器的工作频率不同，二者共用一个频率固定的参考信号。在具体实施过程中，所述频率综合电路通过输入频率稳定的正弦波FREE，通过FCW0和FCW1作为两路输出频率的控制信号(即控制字)，输出两路稳定的频率不同的第一正弦波信号FOUT0和第二正弦波信号FOUT1；脉控开关电路根据数字边沿脉冲发生器输出的正脉冲或负脉冲，选通对应的第一频率综合器或第二频率综合器，将第一正弦波信号FOUT0或第二正弦波信号FOUT1发送至鉴频器，满足FOUT0＝FREF*FCW0以及FOUT1＝FREF*FCW1。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，如图1所示，所述脉控开关电路包括分立设置的第一传输门和第二传输门；
所述第一传输门的输入端与第一频率综合器相连，控制端与所述数字边沿脉冲发生器的输出端相连，输出端与发射天线相连；
所述第二传输门的输入端与第二频率综合器相连，控制端与所述数字边沿脉冲发生器的输出端相连，输出端与发射天线相连；
当所述数字边沿脉冲发生器输出正脉冲时，所述第一传输门导通；
当所述数字边沿脉冲发生器输出负脉冲时，所述第二传输门导通。
实施例2
本发明实施例中提供了一种面向电力终端组网场景的实时在线密钥传输装置，如图1所示，包括数字边沿脉冲发生器、频率综合电路、脉控开关电路、发射天线、接收天线和鉴频器；
所述数字边沿脉冲发生器将输入的密钥信号处理为双极性脉冲信号；
所述频率综合电路提供频率不同的第一正弦波信号和第二正弦波信号；
所述脉控开关电路分别与所述数字边沿脉冲发生器和频率综合电路相连，并根据数字边沿脉冲发生器输出的脉冲的极性选择输出第一正弦波信号或第二正弦波信号；
所述脉控开关电路还通过发射天线和接收天线与鉴频器通信相连，所述鉴频器对接收到的第一正弦波信号或第二正弦波信号进行频率检测，并根据频率检测结果生成对应的正脉冲或负脉冲，从而生成密钥方波，最终根据预设的密钥方波周期，得到实际传输的密钥流，即将密钥方波时域信号转换成数字密钥信号；
定义第一正弦波信号的信号周期和信号宽度分别为t1和T_width1，第二正弦波信号的信号周期和信号宽度分别为t2和T_width2；
所述鉴频器的门限值为其中，
当所述鉴频器基于接受到的第一正弦波信号或第二正弦波信号进行频率检测，计算出周期数val-min或val-max，将val-min或val-max与val-th进行比较，根据比较结果生成对应的正脉冲或负脉冲，从而生成密钥方波，最终根据预设的密钥方波周期，得到实际传输的密钥流。
当val-min＜val-th，则生成对应的正脉冲；当val-max>val-th，则生成对应的负脉冲。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述数字边沿脉冲发生器为LC微分网络，将串行输入的密钥信号的边沿微分为双极性脉冲，其中，所述密钥信号的上升沿对应正脉冲，所述密钥信号的下降沿对应负脉冲。在具体实施过程中，所述密钥信号Key_in为串行信号，是一个周期方波信号，其宽度为T，即每T时间代表一个二进制0(低电平)或者1(高电平)，密钥信号经过数字边沿脉冲发生器后，由数字边沿脉冲发生器对方波信号做微分处理，上升沿(由低电平跳变到高电平)微分为正脉冲，下降沿(高电平到低电平)微分为负脉冲，进而得到一个有极性脉冲序列，并输出到脉控开关电路，脉控开关电路根据接收到的脉冲的极性，选择频率综合电路的输出，即每过一个时间为T的单位，脉控开关电路选择连接频率综合电路的一个输出，在脉冲时间内输出一段正弦波到天线上，并发送到由发射天线和接收天线组成的无线信道，发射天线和接收天线的频率特性覆盖两种载波的频率。极性脉冲序列的计算公式如下：
其中，uR(t)是微分网络中电阻器两端的输出电压，满足电阻值与通过电阻的电流值的乘积，同时也是电容器充放电电流，满足电容器充放电电流公式可以近似处理为由上式可以看出，输出电压和输入电压的倒数成正比，满足将方波信号处理为脉冲的需求。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述频率综合电路包括分立设置的第一频率综合器和第二频率综合器(即由一个双频模拟锁相环构成)，所述第一频率综合器和第二频率综合器的工作频率不同，二者共用一个频率固定的参考信号。在具体实施过程中，所述频率综合电路通过输入频率稳定的正弦波FREE，通过FCW0和FCW1作为两路输出频率的控制信号(即控制字)，输出两路稳定的频率不同的第一正弦波信号FOUT0和第二正弦波信号FOUT1；脉控开关电路根据数字边沿脉冲发生器输出的正脉冲或负脉冲，选通对应的第一频率综合器或第二频率综合器，将第一正弦波信号FOUT0或第二正弦波信号FOUT1发送至鉴频器，满足FOUT0＝FREF*FCW0以及FOUT1＝FREF*FCW1。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，如图1所示，所述脉控开关电路包括分立设置的第一传输门和第二传输门；
所述第一传输门的输入端与第一频率综合器相连，控制端与所述数字边沿脉冲发生器的输出端相连，输出端与发射天线相连；
所述第二传输门的输入端与第二频率综合器相连，控制端与所述数字边沿脉冲发生器的输出端相连，输出端与发射天线相连；
当所述数字边沿脉冲发生器输出正脉冲时，所述第一传输门导通；
当所述数字边沿脉冲发生器输出负脉冲时，所述第二传输门导通。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，设置密钥信号的宽度T为1微秒，频率综合电路的参考频率为500MHz，频率综合电路的两个频率控制字分别为37和33，脉冲宽度大约在10ns内，在这个时间范围内根据脉冲极性选择频率输出，发送到无线信道。经过接收天线，鉴频器计数经过100次，时间为则证明是载波频率为1850MHz，对应正脉冲，则后面1微秒时间内为高电平；如果经过100次，时间为那么证明载波频率为1650MHz，为负电平，串行输出最终结果为密钥值。
实施例3
本发明实施例中提供了一种面向电力终端组网场景的实时在线密钥传输方法，包括以下步骤：
利用数字边沿脉冲发生器将输入的密钥信号处理为双极性脉冲信号；
利用频率综合电路提供频率不同的第一正弦波信号和第二正弦波信号；
利用脉控开关电路根据数字边沿脉冲发生器输出的脉冲的极性选择输出第一正弦波信号或第二正弦波信号；
利用发射天线将所述第一正弦波信号或第二正弦波信号发送接收端，使得接收端根据所述第一正弦波信号或第二正弦波信号生成实际传输的密钥流。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述数字边沿脉冲发生器为LC微分网络，将串行输入的密钥信号的边沿微分为双极性脉冲，其中，所述密钥信号的上升沿对应正脉冲，所述密钥信号的下降沿对应负脉冲。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述频率综合电路包括分立设置的第一频率综合器和第二频率综合器，所述第一频率综合器和第二频率综合器的工作频率不同，二者共用一个频率固定的参考信号。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述脉控开关电路包括分立设置的第一传输门和第二传输门；
所述第一传输门的输入端与第一频率综合器相连，控制端与所述数字边沿脉冲发生器的输出端相连，输出端与发射天线相连；
所述第二传输门的输入端与第二频率综合器相连，控制端与所述数字边沿脉冲发生器的输出端相连，输出端与发射天线相连；
当所述数字边沿脉冲发生器输出正脉冲时，所述第一传输门导通；
当所述数字边沿脉冲发生器输出负脉冲时，所述第二传输门导通。
实施例4
本发明实施例中提供了一种面向电力终端组网场景的实时在线密钥传输方法，包括以下步骤：
利用数字边沿脉冲发生器将输入的密钥信号处理为双极性脉冲信号；
利用频率综合电路提供频率不同的第一正弦波信号和第二正弦波信号；
利用脉控开关电路根据数字边沿脉冲发生器输出的脉冲的极性选择输出第一正弦波信号或第二正弦波信号；
利用发射天线和接收天线将所述第一正弦波信号或第二正弦波信号发送至鉴频器；
利用鉴频器对接收到的第一正弦波信号或第二正弦波信号进行频率检测，并根据频率检测结果生成对应的正脉冲或负脉冲，从而生成密钥方波，最终根据预设的密钥方波周期，得到实际传输的密钥流。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述数字边沿脉冲发生器为LC微分网络，将串行输入的密钥信号的边沿微分为双极性脉冲，其中，所述密钥信号的上升沿对应正脉冲，所述密钥信号的下降沿对应负脉冲。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述频率综合电路包括分立设置的第一频率综合器和第二频率综合器，所述第一频率综合器和第二频率综合器的工作频率不同，二者共用一个频率固定的参考信号。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述脉控开关电路包括分立设置的第一传输门和第二传输门；
所述第一传输门的输入端与第一频率综合器相连，控制端与所述数字边沿脉冲发生器的输出端相连，输出端与发射天线相连；
所述第二传输门的输入端与第二频率综合器相连，控制端与所述数字边沿脉冲发生器的输出端相连，输出端与发射天线相连；
当所述数字边沿脉冲发生器输出正脉冲时，所述第一传输门导通；
当所述数字边沿脉冲发生器输出负脉冲时，所述第二传输门导通。
定义第一正弦波信号的信号周期和信号宽度分别为t1和T_width1，第二正弦波信号的信号周期和信号宽度分别为t2和T_width2；
所述鉴频器的门限值为其中，
当所述鉴频器基于接受到的第一正弦波信号或第二正弦波信号进行频率检测，计算出周期数val-min或val-max，将val-min或val-max与val-th进行比较，根据比较结果生成对应的正脉冲或负脉冲，从而生成密钥方波，最终根据预设的密钥方波周期，得到实际传输的密钥流。
当val-min＜val-th，则生成对应的正脉冲；当val-max>val-th，则生成对应的负脉冲。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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