（电力电子与电力传动专业论文）基于直接数字频率合成技术的数字噪声源的设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ea p p l i c a t i o no f m i e r o c o m p u t e r , t h ec o m p u t e rb e c o m e st h em o s tw i d e s p r e a de l e c t r o n i ci n s t a l l a t i o ni n t h ef i e l do fi n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o n b e c a u s eo ft h es p e c i a ls t r n c t l i f e a n dt h ew o r k i n gw a yo ft h ec o m p u t e r , i ti n e v i t a b l yr a d i a t e se l e c t r o m a g n e t i cw a v e ， t h e s ee l e c t r o m a g n e t i ce m i s s i o ns i g n a l so f t e uc o n t a i nt h eu s e f u li n f o r m a t i o nw h i c h m a k es e r i o u s l yt h r e a tt ot h ei n f o r m a t i o ns e c u r i t y i t sas i m p l ea n de f f e c t i v ew a yt o u c o v e ri n t e r f e r es i g n a lb l o c k i n go t h e r st h e f l t h ed i g i t a ln o i s es o u r c ei ss p e c i a l l yd e s i g n e df o rp r e v e n t i n gt h el e a ko ft h e s e c u r i t yi n f o r m a t i o n t h et r a d i t i o n a ln o i s es o u r c eh a sm u c hs h o r t c o m i n gl i k et h es o l e d i s t u r b a n c es t y l e t h ec o m p l e xo p e r a t i o nd e b u g g i n ga n ds oo n t l l i sd i s s e r t a t i o nf i r s t p u t sf o r w a r dan e w r e a l i z a t i o nm e t h o do ft o t a ld i g i t a ln o i s es o u r c ew h i c hb a s e do nt h e a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no ft h en o i s ei n t e r f e r e n c es i g n a lf o r ma n di e a l i z a t i o nm o d e r e q u i r e db ye n v e l o p e di n t e r f e r e n c e , a n dc o m b i n e sw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d a d v a n t a g e so f d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i st e d m 0 1 0 9 y t h i sd i g i t a ln o i s es o u r c e t a k e sd i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n 0 1 0 9 ya st h ed e s i g no fh a r d w a r eb a s i s a n du s e sm o n t ec a r l om e t h o dt op r o d u c er a n d o md a t as e q u e n c e t oc o n t r o lt h eo u t p u t a m p l i t u d e ，f r e q u e n c ya n dp h a s eo fd d sd i r e c t l y , w h i c h o b t a i n st h ea m p l i t u d e m o d u l a t i o n f r e q u e n c ym o d u l a t i o na n dp h a s em o d u l a t i o nn o i s es i g n a l t 1 l i sl d n do f n o i s es o u r c eh a sm a n yc h a r a c t e r ss u c ha s s i m p l es y s t e ms t r u c t u r e ，c o n v e n i e n t p r o d u c i n gd e b u g , l o wc o s ta n dm u l t i s t y l em o d u l a t i o nm o d er e a l i z e dw i t l ln o h a r d w a r ec i r c u i tc h a n g e i tc 锄a l s oc h a n g e sd i s t r i b u t e dp e r f o r m a n c eo ft h en o i s e i nt h ed i s s e r t a t i o n 。p u tf o n v a r dt w ok i n do fd i 西t a ln o i s es o u r c e sr e a l i z a t i o np l a n a c c o r d i n gt ot h et o p i cr e q u e s ta tf i r s t ，a n dc h o s et h ep l a no fu s i n gm i c r o c o m p u t e rt o c o n t r o lt h ed d sc h i p t h e ni n t r o d u c et h ep r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so f t h ed d si nt h i ss y s t e md e s i g n , a n de x a m i n et h ei n d e p e n d e n ta n dt h eu n i f o r n lo ft h e p s e u d o r a n d o mn u m b e rs e q n e n c ep r o d u c e db ym o n t ec a r l om e t h o d c o m p l e t et h e d e s i g na n dd e b u g g i n go ft h ec o m p u t e ri n t e r f e r es y s t e mo nt h i sb a s i s f i n a l l y ， i n t r e d u c et h eh a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i ta n dt h es o f t w a r ed e s i g no ft h ei n t e r f e r i n g s y s t e mi nd e t a i l s 。t h eh a r d w a r ep a r ti n c l u d e st h eo u t s i d ec i r c l eo fm i c r o - c o m p u t e r 。 t h ei n t e r f a c ec i r c l e t h eo u t s i d ec i r c l eo ft h ed d st h en o i s es i g n a le n l a r g e m e n ta n dt h e t r a n s m i s s i o np a r t t h es o f t w a r ep a r ta n a l y s e st h et r a n s m i s s i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e n p s e u d o - r a n d o mn u m b e rs e q u e n c ea n dt h ef r e q u e n c yc o n t r o lw o r d t h e ng i v e so u tt h e f l o wc h a r to ft h em a i np r o g r a m t h i ss y s t e mh a sb e e nd e t e c t e db yt h ee x p e r i m e n t sa n dt h et e s t s t h er e s u l t ss h o w t h a ti th a se v i d e n t l yi n t e r r a c ep e r f o r m a n c e ，s u f f i c e st h er e q u i r e m e n to ft h es y s t e m t h i ss y s t e mo b t a i n e dt h eg r a d ebc e r t i f i c a t e sf r o mt h ei n f o r m a t i o ns e c u r i t y c e r t i f i c a t i o nc e n t e r o fp e o p l e sl i b e r a t i o na r m y k e yw o r d s ：d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ，p s e u d o - r a n d o mn u m b e rs e q u e n c e ， d i g i t a ln o i s es o u r c e a d 9 8 5 4 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名： 日期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究意义 本课题来源于军工委托项目“军用计算机干扰器的研制与开发”。 在高新技术时代，大量电子设备广泛使用在各个领域，在人们的生活中处 于越来越重要的地位，而电子设备及其外部设备工作时，伴随着信息输入，传 输、存储、处理、输出、显示等过程，有用的信息会通过寄生信号向外泄漏。 电子信号的泄漏主要是电磁泄露l l 捌。电磁泄露危害人体健康；对周围的电子设 备造成电磁干扰；导致信息泄密，可能造成重大政治、经济和军事损失；计算 机可能会因电磁泄漏“通道”受到“轰炸”( 包括核弹和非核弹) 的袭击而被软杀 伤或硬杀伤。这一系列问题都对信息系统的安全和国家安全造成了直接威胁， 因此防止电子设备信息泄漏是信息系统安全的一个重要课题，是保障信息系统 安全的一个重要环节。防电磁泄漏技术就是防止和抑制电子设备信息泄漏的专 门技术，做好电子信息处理系统的保密工作是信息安全所面临的新课题。 现今，常见的干扰形式有天电干扰、电磁污染干扰、领频干扰、同频干扰、 电子对抗这样几种1 3 j 。电子对抗( e c m e l e c t r o n i cc o u n t e r m e a s u r e s ) 的基本手 段之电子干扰，是指为了削弱或破坏对方电子设备效能而采取的电予技 术措施。这种技术人为地辐射和转发电磁波或声波，制造假回波或吸收电磁波， 以达到扰乱或欺骗对方电子设备的目的，使其失效或降低效能。 电子干扰系统中的一个核心子系统就是干扰源，由干扰源产生干扰信号， 然后系统将干扰信号以电磁波或声波的形式辐射和转发出去，来实现对对方电 子设备的干扰。常见的电子干扰按照干扰信号作用的原理分，有遮盖性干扰和 欺骗性干扰。遮盖性干扰又称噪声压制式干扰，是常用的一种有源干扰方式， 它在降低和破坏对方电子设备的工作效能，保护己方不被对方发现或攻击中发 挥了重要作用。其作用原理是用噪声或类似噪声的干扰信号湮没需要干扰的目 标信号，使得其信噪比降低，以致接收设备无法正常检测。欺骗式干扰的原理 为采用假的目标信号和信息，使接收设备不能正确地检测真正的目标信号或不 能正确地测量真正目标的参数信息。 武汉理工大学硕士学位论文 干扰无线通信设备只需使其无法正常工作，因此选用遮盖式干扰方式 较好。如图1 - 1 所示，噪声信号瞄准无线通信设备载波频率通过噪声源天线发 射，使无线通信设备之间无法正常收发信号，从而切断其相互之间的的联系， 原理简单，干扰效果良好。 目标信号 图1 - 1 遮盖式干扰原理框图 本文介绍的基于直接数字频率合成( d d s ) 技术和蒙特卡洛方法的数字噪 声源能有效的防止和抑制电磁泄露，在信息流通的各个环节保护电子设备，防 止信息泄露，且不干扰电子设备的正常操作，方便实用，减少维护的工作量。 1 2 相关技术国内外研究现状 干扰通常可以分为有源干扰 4 1 和无源干扰两种，其中遮盖性干扰是常用的一 种有源干扰方式，而遮盖性干扰中最常见的信号形式是噪声调制干扰。现阶段， 根据以上分析，目前广泛使用的噪声源，可以用以下图1 2 来实现： 图1 - 2 噪声源实现框图 2 武汉理工大学硕士学位论文 现阶段的噪声源主要由噪声源产生电路、低通滤波电路、调频信号产生电 路、放大发射电路四个主要部分构成。其中的噪声源产生电路多为模拟电路构 成的器件噪声产生电路，如采用电阻或三极管等器件本身的噪声，经过调制( 调 频、调幅、调相) 1 5 l 电路产生调制信号，放大后输出。经过广泛查阅资料，目前 应用较广泛的典型噪声源产生电路，如下图1 - 3 所示： 图1 - 3 噪声源电路 上述噪声产生电路是利用三极管的基极和发射极产生噪声电流，该电路能 产生具有大量谐波的准白色噪声信号，是一种较实用的噪声产生电路。但此种 方法若想改变生成的噪声信号的概率分布、功率增益、带宽等参数就必须改变 相应的硬件电路，采用三种不同的典型信号调制电路来实现信号的调频、调幅 和调相，如要同时实现三种信号的调制，电路原理图设计复杂，成本较高并且 调试较难。 且产生的调频噪声源，存在以下不足： ( 1 ) 干扰相对带宽太窄，频率变化范围仅达到几十m h z 到二三百m h z 的 范围； ( 2 ) 仅仅只能实现频率调制，不能同时实现调相和调幅； ( 3 ) 不能实现很好的电磁兼容。 而另一些功能较全的高档噪声信号发生器则价格十分昂贵，且体积大，使 用不方便。 随着微电子技术的发展，直接数字频率合成( d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c y s y n t h e s i s 简称d d s 或d d f s ) 技术的到了突出的发展i 甜1 1 。它是一种新的全数 字的频率合成原理，从相位的角度出发直接合成所需波形。这种技术由美国学 者j t i e r c y ，m r a d e r 和b g o l d 于1 9 7 1 年首次提出，但限于当时的技术和工艺 3 武汉理工大学硕士学位论文 水平，d d s 技术仅仅在理论上进行了一些探讨，而没有应用到实际中去。近3 0 年来，随着v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ，超大规模集成) 、f p 6 a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程门阵列) 、c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ，复杂可编程器件) 等技术的出现以及对d d s 理论上的进一步探讨， 使得d d s 技术得到了飞速的发展。 它将先进的数字处理技术与方法引入信号合成领域，以有别于其它频率合 成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。具体体现在产生 的信号：相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产 生宽带正交信号及其它多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方 面，并具有极高的性价比。 利用直接数字频率合成技术可以设计出全数字化的电路，通过纯软件的方 法来实现信号调制，能同时得到幅度调制信号、频率调制信号和相位调制信号， 该技术的发展为纯数字结构的宽带噪声源的实现提供了新的途径。 1 3 本文主要工作 从2 0 0 6 年2 月开始了本课题的研究工作，在查阅国内外相关文献的同时， 对直接数字频率合成( d d s ) 技术也进行了研究，并开始着手设计的准备工作。 经过一年多的努力，该控制系统已开发完成，并已交付用户使用，用户比较满 意。 本文主要任务是以直接数字频率合成( d d s ) 技术为基础，把利用蒙特卡 洛方法产生的伪随机序列写入数字化、可编程的d d s 芯片作为控制字，来控制 d d s 输出的频率和幅度，就能够实现全数字化的噪声信号产生电路。论文共分 7 章，各章主要内容如下： 第1 章绪论。包括课题的背景、意义以及相关技术国内外研究现状，了解 电子干扰和噪声源的基本概念，介绍相关技术国内外研究现状。 第2 章所需最佳干扰波形的方案论证。对噪声源的噪声信号的形式进行分 析，在理论上求证出要进行电子干扰所需的最佳波形的形式为具有正态分布的 噪声。确定系统设计总体方案，采用直接数字频率合成( d d s ) 技术来产生噪 声信号，为研制工作奠定基础。 第3 章直接数字频率合成( d d s ) 技术简介。首先对d d s 的工作原理进 4 武汉理工大学硕士学位论文 行了详细地分析，然后重点阐述了d d s 的杂散问题，分析了实际参数输出d d s 杂散信号的三个主要来源，并对理想d d s 输出频谱进行了分析。 第4 章数字噪声源的应用实例内置式计算机干扰器的设计。首先详细 介绍基于直接数字频率合成( d d s ) 技术的计算机干扰器的硬件电路设计，主 要包括电源电路、电平转换电路、单片机外围电路、d d s 外围电路、放大电路 等。然后介绍了利用计算机模拟方法产生本系统所需的伪随机数的方法，及检 验该伪随机数序列的独立性和均匀性的过程。根据其软件要求对d d s 的频率控 制字进行分析，给出软件流程图，最后确定各个功能子程序。 第5 章系统调试。整个系统按照系统设计模块分为三部分来进行调试，根 据信号走向分块检查电源电路、单片机外围电路、d d s 外围电路等，并对产生 的输出信号频谱图进行了分析。 第6 章总结与展望。对全文进行总结，指出系统设计的不足之处，并对数 字噪声源的发展前景进行展望。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章数字噪声源的总体方案设计 第1 章中所述遮盖性干扰就是用噪声或类似噪声的干扰信号遮盖或淹没有 用信号，阻止电子设备接收机检测目标信息，尽可能降低信噪比s n ，从而增加 接收设备检测目标的难度1 1 2 l ，其中s 和n 分别表示电子设备接收机线性系统输 出端的目标回波信号功率和高斯噪声功率。 按照干扰信号中心频率乃，谱宽f 相对于电子设备接收机中心频率，j 、带 宽a c 的关系，遮盖性干扰可以分为瞄准式干扰、阻塞式干扰和扫频式干扰。 ( 1 ) 瞄准式干扰 瞄准式干扰一般满足： f t f | ，鹫 - k 2 一s 汕lr(2-1) 瞄准式干扰的主要优点是在正内的干扰功率强，是遮盖干扰的首选方式， 缺点是对频率引导的要求高，有时甚至是难以实现的。 ( 2 ) 阻塞式干扰 阻塞式干扰一般满足： 鳟i 5 鹭f ，f l u i 一弩i 2 , i ；+ n i | 2 l t 2 由于阻塞式干扰。相对较宽，对频率引导精度的要求低，频率引导设备简 单。此外，由于其，宽，便于同时干扰多部不同工作频率的接收设备。其缺点 是在a f 内的干扰功率密度低。 ( 3 ) 扫频式干扰 扫频式干扰一般满足： a 一( 2 5 沁以，一f j ( t 1 ，t e o ，t 】 ( 2 3 ) 即干扰的中心频率为连续、以t 为周期的函数。扫频干扰可造成周期性间 断的强干扰，扫频的范围较宽，也能够干扰多部不同工作频率的接收设备。 2 1 遮盖性干扰的最佳干扰波形 遮盖性干扰的效果与干扰信号的时间特性有着密切的关系，而且定量比较 各种干扰信号优劣时，也需要选择一种作为比较标准的干扰信号。显然，这些 6 武汉理工大学硕士学位论文 问题都与最佳干扰信号的问题有关。下面讨论的是遮盖性干扰的最佳干扰波形。 接收设备对目标的检测是在噪声中进行的，对于接收信号做出有无目标的 两种假设检验具有不确定性，即后验不确定性。因此，最佳干扰波形就是随机 性最强( 或不确定性最大) 的波形。 在信息论中，衡量随机变量不确定性的量是熵( e n t r o p y ，也称为信息量) ， 变量的不确定性越大，熵也就越大，把它搞清楚所需要的信息量也就越大，因 此，熵是衡量随机过程不确定性的量。对于连续消息，定义其熵为 何o ) 一t w ( z ) l g w ( x ) d x - 一1 “虻矽扛) l n 矽扛) 出 ( 2 。4 ) 其中，w ( x ) 为概率密度。 实际使用时，( 2 4 ) 式中的系数不再写出，除非在需要化为二进制单位时。( 2 4 ) 式是一维分布的熵。对于用多维概率密度矽仁。，z ：，工) 表示的连续随机函数， 其熵为 日o ) i j 二彤( 而，z ：，矗) l n “，如，) 她如。( 2 - 5 ) 熵的一个重要性质是熵的大小与概率分布有关。那么，什么样概率分布的 信号具有最大熵呢? 这正是寻找最佳干扰波形的问题。确定最佳干扰波形的问 题是求最大熵条件下的概率分布的问题，也就是求( 2 5 ) 式的极值问题。 将( 2 4 ) 式中改写为 垂。广f “，w 7 ) 出 ( 2 - 6 ) i r 吼o ，) 出c 1 j j f 绯，w ) d z c 2 ( 2 - 7 ) r 瞳o ，坶一c - 式中仍，驴：是限制条件中给定的函数，则( 2 - 7 ) 式的极值可由下式求得 丽o f + a l 。a 驴l + 如斋+ + 九斋o ( 2 - 8 ) 式中 ，屯是不定的拉格朗日乘数。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 1 上、下幅度限制的情况 设随机信号上、下限幅电平为- u 。和u 。，x 存在的区间为( 一u 。，u 。) 。 则( 2 - 6 ) 式写为 盘矽 ) l n 咄 ( 2 - 9 ) 对w ，工的限制条件为 丘o 皿l ( 2 1 0 ) 这时， 代入( 2 - 8 ) 式得 ( 2 8 ) 式的解为 f g ) 一- 矿g ) l n 彤扛) 吼。w 0 ) 驴2 - 伊2 l 一妒。0 丽o f 1 l l 缈0 ) 一1 a 肜 塑。1 a 矿 ) = e d 将往) 值代入( 2 1 0 ) 式，得 像小1 出- 2 e 小b 。- 1 或e - 1 。j 二 2 u o 因为上式左边为矽g ) 【见( 2 1 2 ) 式】，故 。击 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 由( 2 - 1 4 ) 式得到的结论是：一维分布上、下限幅的噪声中，均匀概率分布 的噪声具有最大的熵值，其为 日一蜘一n 击| l 删。 。， 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 噪声的平均功率限定的情况 已知 限制条件为 对照( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 式 将上式代入( 2 1 5 ) 式得 日- - f o w ( x ) l n w ( x ) d x l w ( x ) - 1 f x 2 w ( 工) 一盯2 懑x 2 w ( x m ) 吼= 形o ) 仍-l - h w ( x ) - l + x l + 工2 九一0 矽0 ) 一p 。1 e x f 2 利用条件j 二g k 一1 ，有 广e ”1 p d x 。1 j o 或 再利用条件 解得 或 e 1 墨 f 。x 2 w ( x ) d x 一盯2 ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) p 乒一瓦1 九=( 2 1 9 ) 九。虿 “。 将a 2 代入( 2 - 1 8 ) 式，得 e - l 。 再将( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 式代入( 2 - 1 7 ) 式得 一击e 舌 9 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 庠 ； 武汉理工大学硕士学位论文 由( 2 2 1 ) 式得到结论：在平均功率限制条件下，正态噪声具有最大熵。其 值为 日一0 ) - 一j = 。w ( x ) l n w ( x ) d x - t n x 2 0 2 ( 2 - 2 2 ) 尽管限制条件不同，具有最大熵的噪声的概率分布特性也不同，但这并不 意味着遮盖性干扰可以是任意选择的。通常认为正态分布噪声是理想的干扰波 形。这是因为： ( 1 ) 许多实际噪声源具有正态概率分布，即易得到正态分布的噪声； ( 2 ) 接收机内部噪声服从正态分布，而对接收机内部噪声的分析，已作过 系统的成功的研究，并给出了许多可用的理论、实验结果。 由上述讨论，最佳遮盖干扰波形为正态分布噪声，但由于大功率正态分布 噪声目前尚未找到产生途径，实际中是用视频正态噪声对单一载频信号进行调 制，产生出接近最佳干扰的干扰信号。常见的有噪声调频、噪声调幅和噪声调 相等多种方式。 2 2 常用遮盖性干扰信号 2 2 1 连续噪声调制干扰 连续噪声调制干扰包括噪声调幅干扰、噪声调频干扰和噪声调相干扰等。 对这三种干扰【培1 4 1 ，有如下定义； ( 1 ) 噪声调幅干扰 广义平稳随机过程： ，( f ) 一眇。+ 虬( f ) 】c o s b ，t + 伊) ( 2 2 3 ) 称为噪声调幅干扰。其中，调制噪声u 。p ) 为零均值，方差为口。2 ，在区间 - - u 。，* ) 分布的广义平稳随机过程，伊为 0 ，幼】均匀分布，且为与u 。( f ) 独立的随 机变量，u 。，为常数。 ( 2 ) 噪声调频干扰 广义平稳随机过程： ，o ) - c ，c o s 【，+ 2 a k 。j i h ( f ) d r + 纠( 2 - 2 4 ) 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 称为噪声调频干扰，其中调制噪声u ( f ) 为零均值，方差为吒2 ，在区间 【一u 。，* ) 分布的广义平稳随机过程，妒为 0 纫】均匀分布，且为与乩( f ) 独立的随 机变量，u 。，o j j 为常数。 ( 3 ) 噪声调相干扰 广义平稳随机过程： ，( f ) - u ，c o s 珊，t + k m h ( f ) + 矿】 ( 2 2 5 ) 称为噪声调相干扰。其中，调制噪声“p ) 为零均值、广义平稳的随机过程； 伊为 o ，纫 均匀分布、且与“o ) 相互独立的随机变量，u s , ，x 舟，为常数。 随着数字技术的发展，可以直接采用数字合成噪声，这种噪声的分布、谱 宽等都可以精确、方便地控制，具有广泛的应用前景。 2 2 2 随机脉冲干扰 通常将电子设备接受机内出现的时域离散的、非目标回波的脉冲统称为脉 冲干扰。这些干扰脉冲可能来自于有源干扰源，也可能来自于无源干扰物，我 们所讨论的脉冲干扰主要是指有源干扰设备形成的脉冲干扰。脉冲干扰可以分 为规则脉冲干扰和随机脉冲干扰两种1 1 5 4 q 。 规则脉冲干扰是指脉冲参数( 幅度、宽度和重复频率) 恒定的干扰信号。如果 规则脉冲的出现时间与电子设备接受机的定时信号之间具有相对稳定的时间关 系，则称其为同步脉冲干扰，反之则称为异步脉冲干扰。同步脉冲干扰也称为 覆盖脉冲干扰，在覆盖脉冲干扰的时间里往往同时采用噪声调频或调幅，遮盖 效果较好。异步干扰脉冲在接收机显示器上的位置是不确定的，具有一定的干 扰效果，但其覆盖真实目标的概率很低，遮盖的效果较差。 随机脉冲干扰是指干扰脉冲的幅度、宽度和间隔等某些参数或全部参数是 随机变化的。随机脉冲干扰可以采用限幅噪声对射频信号调幅的方法实现，也 可以采用伪随机序列对射频信号调幅的方法实现。 随机脉冲干扰与连续噪声调制干扰都具有一定的遮盖干扰特点，但两者的 统计性质是不同的，采用两者的组合干扰将引起遮盖干扰的非平稳性，造成接 收机抗干扰的困难。常用的组合方法是： ( 1 ) 在连续噪声调制干扰( 主要疋i ! l 曛，= l - - , jv b ) 的同时，随机或周期性地 武汉理工大学硕士学位论文 附加随机脉冲干扰的时间段( 主要是随机脉冲调幅) ； ( 2 ) 随机或周期性地交替使用连续噪声调制干扰( 主要是噪声调频干扰) 和 随机脉冲干扰( 如高频函数调频或伪随机序列调幅) 。 实验证明，当随机脉冲干扰和连续噪声干扰组合使用时，干扰效果将比它 们单独使用时还好。 由以上分析可知，要增强遮盖效果，增加对方电子设备接收机破解的难度， 可以考虑采用多种干扰形式的组合。即在同一个噪声源中，同时实现噪声信号 的调频、调幅和调相或其它组合，使对方接受装置检测真实目标信号的概率降 低，达到保护电子信息的目的。现阶段，要实现噪声信号的频率、相位、幅度 均可控，考虑使用全数字化的芯片，使用数字合成技术，来合成本系统所需的 噪声。 2 3 数字噪声源的总体方案 2 3 1 系统设计要求 本设计的噪声源主要用来实现如下几点用途： ( 1 ) 在特定的场合，为了信息保密，能干扰工作频率达到1 0 0 0 m m 的无 线通信设备，使其在一定空间内无法正常收发信息。 ( 2 ) 对普通台式计算机的电磁辐射进行加扰。一般台式计算机显示器都有 较强的电磁辐射，现有相关技术可以通过接收并分析台式计算机显示器辐射出 的电磁信号，破译出当前运行的电脑显示器上所显示的信息。所以对计算机的 电磁辐射进行加扰，在保护商业机密和军事秘密上，就起了非常重要的作用。 ( 3 ) 防止信息从主机、供电线路和网线上泄漏。 根据以上几点用途，结合设计要求，本设计的噪声源应具有以下功能： ( 1 ) 能产生噪声信号中心工作频率在5 0 0 m h z 左右，带宽从0 到1 0 0 0 m t t z 的宽带干扰信号，噪声信号输出功率达到军b 级的要求。 ( 2 ) 能同时有效保护微机的主机、显示器和网线的泄露信息，噪声信号具 有抗反干扰性能。 ( 3 ) 具有p c i 插口，插入微机内的p c i 插槽使用； ( 4 ) 进行必要的电磁兼容设计，整机满足相关电磁兼容标准的要求。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 系统方案选择 如第1 章中所述，现阶段，现有技术产生的噪声源，存在着多种弊病。而 随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成技术将先进的数字处理技术与 方法引入信号合成领域，使用d d s 技术来合成全数字化的噪声源，可以有效的 提高其干扰样式的控制能力，能用软件控制来同时实现噪声信号的调幅、调频、 调相，使噪声源具有引导时间快、覆盖频带宽等诸多优点。因此，本设计的噪 声源采用d d s 技术来合成所需的信号。 数字噪声源以全数字化的d d s 技术为基础，控制运算核心可以选用d s p 或 单片机等具备运算、控制能力的芯片，配以相关的外围电路组成硬件平台，利 用相关的算法产生伪随机数列，经各种变换后形成分布满足要求的伪随机序列， 然后根据要求用该序列调制输出信号幅度、频率或相位，或者是这三者中的任 意两个，当然三个参数一起调制也完全能够实现。该方案是一个成本低廉、实 现简单、干扰信号方式灵活多变的方案。 该方案的硬件实现方案如图2 - 1 所式。 ( a ) d s p + d a 的噪声源方案 输 数据总线 数据总线 入 苴 d d s 输 地址总线 片 地址总线 出 机 、 一) 芯片 模控制总线 控制总线 块 ( b ) 单片机+ d d s 芯片的噪声源方案 图2 - 1 数字噪声源的硬件实现 武汉理工大学硕士学位论文 方案a 中，选用d s p 或者类似具备运算和控制能力的器件，由它完成伪随 机序列的生成、序列分布参数的变换和调制波形的生成，在得到伪随机序列调 制的数字波形后经过d a 变换形成输出信号，该信号的调制方式、调制信号的 分布规律能够根据设定通过改变运算环节来实现。输出的噪声调制信号经过放 大将功率提升到所需水平后作为干扰信号输出。 方案a 中大量的运算环节都由d s p 完成，对其运算速度要求很高，同时当 载波频率比较高时，对d a 转换器的要求也比较高，因此该方案的成本相对比 较高，而且算法的实现也相对比较复杂。 方案b 则用单片机作为控制核心，以全数字式的频率合成器d d s 作为信号 合成器件，由单片机产生伪随机序列并进行相应的变换得到符合分布要求的伪 随机序列，然后用该序列直接控制d d s 器件的相应控制字，就可以实现噪声调 制信号的输出。 方案b 将调制的过程交由d d s 芯片完成，c p u 的运算量大大降低，因此对 c p u 的要求也很低，同时d d s 芯片内部集成有高速d a 转换器，该部分电路的 调试也大大简化，所以该方案是一个低成本、易实现的技术方案。 综合以上两种方案设计，考虑采用方案b ，采用单片机来控制d d s 芯片的 噪声源方案。 整个系统的设计包括硬件电路设计部分和软件程序设计两大部分。硬件电 路部分必须要设计合适的电源电路、噪声信号产生电路、控制电路、放大电路 和信号传输等单元，来组成一个完整的噪声源系统。控制电路部分主要是单片 机外围电路部分，包括使c p u 工作的时钟电路、复位电路和c p u 与d d s 芯片 间电平转换电路等。噪声信号产生电路主要是d d s 芯片的外围电路，本设计的 噪声是由d d s 芯片通过软件编程产生的。放大电路部分主要对d d s 芯片的两 路输出进行功率放大，提高干扰效果。信号输出部分是将放大后的两路信号分 别通过网线和天线传送出去。 软件程序部分包括主程序部分和随机数产生子函数两部分组成。其中软件 程序设计中需要的伪随机数序列，是利用蒙特卡洛算法来产生的随机数，经过 分布变换后来作为d d s 的控制字。如图2 2 为系统总体框图。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章首先提出了遮盖性干扰的最佳干扰波形，确定在上、下幅度限制和噪 声的平均功率限定的情况下，具有正态分布的噪声，为最佳的遮盖干扰波形。 论证最佳干扰波形后，介绍了常用遮盖性干扰信号的种类，分为连续噪声调制 干扰和随机脉冲干扰两种。连续噪声调制干扰即包括噪声调幅、噪声调频、噪 声调相干扰等，随机脉冲干扰为随机或周期性地交替使用连续噪声调制干扰。 实际使用中，多采用多种干扰形式的组合。针对噪声源的主要用途，提出系统 设计要求后，根据要求设计了两种系统方案，综合考虑后选择采用单片机来控 制d d s 芯片，并给出系统总体框图。 基于直接数字频率合成的数字噪声源的总体方案的确立，为研制工作奠定 了基础。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章直接数字频率合成( d d s ) 简介 3 1d d s 的工作原理介绍 目前广泛采用的频率合成技术主要有直接合成、锁相频率合成和直接数字 合成三种方式，随着数字技术的飞速发展，高精度大动态范围d a c 的出现和广 泛应用，用数字控制方法从一个参考频率源来产生多种频率的技术，即直接数 字频率合成( d d s ) 技术异军突起。 d d s 的原理框图如图3 - 1 所示，它包含相位累加器、波形存储器、模数转 换器、低通滤波器和参考时钟五部分1 1 1 。1 9 1 。在参考时钟的控制下，相位累加器 对频率控制字k 进行线性累加，得到的相位码妒加) 对波形存储器寻址，使之输 出相应的幅度码，经过数模转换器得到相对应的阶梯波，最后经低通滤波器得 到连续变化的所需频率的波形。 i 一一 剖墨幢吲坠叫鲨 # ：i 扩础。川m 蒹 | | | l i n - 。川望 时钟 蕊翮竺兰 一f 厂 _ j 图3 - 1 d d s 的原理框图 理想的正弦波信号s ( f ) 可表示成 s ( t ) 一a c o s ( 2 币+ 矿) ( 3 一1 ) 式( 3 1 ) 说明s q ) 在振幅a 和初相妒确定后，频率由相位唯一确定 矿( f ) i2 矿( 3 2 ) d d s 就是利用式( 3 - 2 ) 中妒0 ) 与时间t 成线性关系的原理进行频率合成的，在 时问t r 。间隔内，正弦信号的相位增量与正弦信号的频率，构成一一对应关 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 系，如图3 2 所示。 ，一妒( 乙皿)( 3 3 ) 为了说明d d s 相位量化的工作原理，可将正弦波一个完整周期内相位 0 一h 的变化用相位圆表示，其相位与幅度一一对应，即相位圆上的每一点均 对应输出一个特定的幅度值，如图3 3 所示。一个n 位的相位累加器对应相位 圆上个相位点，其最低相位分辨率为妒。- a 妒一幼2 ”。在图中n ；4 ，则共 有2 4 - 1 6 种相位值与1 6 种幅度值相对应。该幅度值存储于波形存储器中，在频 率控制字k 的作用下，相位累加器给出不同的相位码( 用其高位作地址码) 去 对波形存储器寻址，完成相位一幅度变化，经数模转换器变成阶梯正弦波信号， 再通过低通滤波器平滑，便得到模拟正弦波输出。 以) a 如 九 魂 1 0 0 0 9 2 4 0 7 0 0 3 8 o - 0 3 8 - 0 7 0 - o 9 2 1 0 0 o123 45 t ， 图3 2 频率与相位增量之间的线性关系 l 1 0 0 图3 - 3 相位码与幅度码的关系 武汉理工大学硕士学位论文 在图3 - 1 所示方框图中的时钟电路是由一个高稳定的晶体振荡器产生的，用 于提供d d s 中各部件同步工作。频率控制字k 送到n 位累加器中的加法器数据 输入端，相位累加器在时钟频率的作用下，不断对频率控制数据进行线性相位 累加，当相位累加器累积满量时就会产生一次溢出，累加器的溢出频率就是d d s 输出的信号频率。由此可看出，相位累加器实际上是一个模数2 为基准、受频 率数据控制字k 而改变的计数器，它累加了每一个参考时钟周期z 内合成信号 的相位变化，这些相位值的高位对r o m 寻址。在r o m 中写入了个正弦数据， 每个数据有d 位。不同的频率控制码k ，导致相位累加器的不同相位增量，这 样从r o m 输出的正弦波形的频率不同，r o m 输出的d 位二进制数送到d a c 进行d a 变换，得到量化的阶梯波形正弦波输出，最后经低通滤波器滤除高频 分量，平滑后得到模拟的正弦波信号。 波形存储器主要完成信号的相位序列矿伽) 到幅度序列s 0 ) 之间的转化。从 理论上讲，波形存储器可以存储具有周期性的任意波形，在实际应用中，以正 弦波最具有代表性，也应用最广。d d s 输出信号的频率与时钟频率以及频率控 制字之间的关系如式( 式3 4 ) 所示 。一k c | 苫( 3 - - 4 ) 式中，l 为d d s 输出信号的频率，k 为频率控制字，正为时钟频率，为 相位累加器的位数。 3 2d d s 的杂散分析 d d s 作为一种全数字器件，杂散多是其固有特性，这一直是限制d d s 应用 的主要因素 2 0 - 2 1 1 。大部分情况下利用d d s 的输出时，多为获取低杂散的信号输 出，因此除在芯片内采用有效的杂散抑制技术外，设计时还应当尽可能避开杂 散多而强的区域。本设计的基于直接数字频率合成技术( d d s ) 的数字噪声源， 要求带宽覆盖0 到1 0 0 0 m h z 的范围，正是可以利用d d s 的输出杂散过高的缺 点，在d d s 输出信号后无须加滤波器，而是对其输出信号进行放大，同时控制 d d s 的频率控制字，从而得到一个宽带的噪声干扰信号。因此，对d d s 的杂散 分析就显得尤为必要。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 1 实际参数输出d d s 的杂散分量分析 直接数字频率合成器采用全数字技术，具有相位噪声低、频率转换快和分 辨率高等优点，但d d s 合成的信号中除主频谱以外，存在大量的杂散分量，这 些杂散分量主要有三个来源。 ( 1 ) 是相位截断误差引起的。为了得到高的频率分辨率，相位累加器位数 n 一般较大，而在d d s 设计中，为了节省波形存储