網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下的異常信號檢測平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下的異常信號雜亂無章，并混合在正常信號中，為檢測工作帶來不小的挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計(jì)基于數(shù)字信號處理器的異常信號檢測平臺(tái)。該平臺(tái)利用TMS320C6748數(shù)字信號處理器，對異常信號的檢測工作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管。測量放大電路和高通濾波電路對網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行放大和濾波操作，并將處理后的網(wǎng)絡(luò)信號傳輸至A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器將網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，并將網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號傳輸至TMS320C6748數(shù)字信號處理器。平臺(tái)采用數(shù)字信號處理器輸出網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下的異常信號。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)部分給出了A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字轉(zhuǎn)換流程圖，以及TMS320C6748數(shù)字信號處理器檢測流程圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的基于數(shù)字信號處理器的異常信號檢測平臺(tái)，能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下異常信號的準(zhǔn)確、高效檢測。

關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)； 異常信號； 檢測平臺(tái)； 數(shù)字信號處理器

中圖分類號： TN926?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）18?0119?04

Abstract： The abnormal signal in network random uncertain fluctuation is chaotic， and is mixed in the normal signal， which brings in a great challenge for detection work. Therefore， an abnormal signal detection platform based on digital signal processor was designed. The digital signal processor TMS320C6748 is used in the platform to supervise the detection of abnormal signal in real time. The measuring amplifying circuit and high?pass filtering circuit are used to amplify and filter the network signal. And then the processed network signal is transmitted to A/D converter. The A/D converter can convert the network signal into digital format， and transmit the network digital signal to TMS320C6748. The digital signal processor is used in the platform to output the abnormal signal in network random uncertain fluctuation. For the platform implementation， the digital conversion flow chart of A/D converter and detection flow chart of TMS320C6748 are given. The experimental results show that the built abnormal signal detection platform based on digital signal processor can detect the abnormal signal in network random uncertain fluctuation accurately and efficiently.

Keywords： network stochastic uncertain fluctuation； abnormal signal； detection platform； digital signal processor

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)中的異常信號是由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備超載運(yùn)行、人為錯(cuò)誤操作以及黑客入侵等異常行為產(chǎn)生的。在現(xiàn)實(shí)生活中，網(wǎng)絡(luò)往往是隨機(jī)不定波動(dòng)的，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的異常信號雜亂無章，混合在正常信號中，為異常信號的檢測工作帶來了不小的挑戰(zhàn)[1?4]。人們往往無法預(yù)測異常信號的產(chǎn)生時(shí)間，以及其將帶來的危害。因此，準(zhǔn)確、高效檢測出網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下的異常信號，是確保網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行的重要條件，也將為企業(yè)和個(gè)人帶來更好的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用體驗(yàn)[5?6]。

科研組織曾對異常信號檢測平臺(tái)進(jìn)行了大量的研究，但所研究出的網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下的異常信號檢測平臺(tái)均存在一定的問題，如文獻(xiàn)[7]研究的基于高階統(tǒng)計(jì)量的異常信號檢測平臺(tái)，該平臺(tái)利用高階統(tǒng)計(jì)量算法計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下異常信號的分布概率，為異常信號進(jìn)行大致定位，進(jìn)而將網(wǎng)絡(luò)中的異常信號與正常信號分別提取出來，該平臺(tái)的效率較高，但準(zhǔn)確率卻不高。文獻(xiàn)[8]研究的基于振子去噪法的異常信號檢測平臺(tái)，該平臺(tái)利用振子將網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)情況下的網(wǎng)絡(luò)信號去噪，排除網(wǎng)絡(luò)信號的干擾波形，令異常信號自動(dòng)輸出，該平臺(tái)的準(zhǔn)確率尚可，但檢測時(shí)間過長、精度不高，為非法入侵者提供了作案機(jī)會(huì)，無法有效保證網(wǎng)絡(luò)的安全性。文獻(xiàn)[9]研究出的基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異常信號檢測平臺(tái)，該平臺(tái)能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)中的微小信號進(jìn)行精確提純，并高效檢測出網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)情況下的異常信號，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)準(zhǔn)確率和效率的全面提高，但該平臺(tái)的存儲(chǔ)能力有效，無法進(jìn)行復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的異常信號檢測工作。文獻(xiàn)[10]研究出的基于同步頻率特性的異常信號檢測平臺(tái)，該平臺(tái)通過對網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行頻率放大，并將同頻率的標(biāo)準(zhǔn)信號與之對比，進(jìn)而檢測出網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下的異常信號，該平臺(tái)的效率雖高，但其準(zhǔn)確率還有待提高。

為了解決以上問題，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下異常信號的準(zhǔn)確、高效檢測，塑造基于數(shù)字信號處理器的異常信號檢測平臺(tái)。利用數(shù)字處理器準(zhǔn)確管控隨機(jī)不定波動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號的檢測工作，令異常信號的檢測工作得以高效進(jìn)行。

1 網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下的異常信號檢測平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)整體設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下的異常信號檢測平臺(tái)是基于數(shù)字信號處理器設(shè)計(jì)的，其以數(shù)字信號處理器作為網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下異常信號的檢測核心，平臺(tái)中的各電路及設(shè)備將網(wǎng)絡(luò)信號放大、濾波、轉(zhuǎn)換，最終送至數(shù)字信號處理器進(jìn)行檢測，并輸出異常信號。圖1為網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下的異常信號檢測平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。

圖1中的測量放大電路和高通濾波電路共同組成了基于數(shù)字信號處理器的異常信號檢測平臺(tái)的調(diào)節(jié)電路，其能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)信號的放大和濾波。A/D轉(zhuǎn)換器在軟件的控制下，將調(diào)節(jié)電路的輸出信號轉(zhuǎn)換為便于數(shù)字信號處理器進(jìn)行檢測工作的數(shù)字信號。數(shù)字信號處理器也將對基于數(shù)字信號處理器的異常信號檢測平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.2 數(shù)字信號處理器設(shè)計(jì)

數(shù)字信號處理器作為數(shù)字信號處理技術(shù)的重要研究成果，其不但擁有普通處理器高效、便捷的計(jì)算處理性能，還能夠?qū)π盘柕慕Y(jié)構(gòu)、傳輸流程、處理指令等實(shí)施全方位檢測。數(shù)字信號處理器最大的優(yōu)點(diǎn)就是其在注重信號管理和檢測實(shí)時(shí)性的同時(shí)，保證了處理效率和運(yùn)算精確度，并具有實(shí)時(shí)斷路和計(jì)時(shí)的功能。其使用能耗為0.05 W/h，僅利用蓄電池便可為其供電，不用額外設(shè)計(jì)供電電路。與普通處理器不同，數(shù)字信號處理器采用哈佛結(jié)構(gòu)，將程序指令處理端和信號指令處理端分開設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法能夠有效減輕基于數(shù)字信號處理器的異常信號檢測平臺(tái)的檢測壓力。

數(shù)字信號處理器的選擇是基于數(shù)字信號處理器的異常信號檢測平臺(tái)需重點(diǎn)設(shè)計(jì)的部分，設(shè)計(jì)中應(yīng)注重的選擇因素主要有處理器價(jià)格和運(yùn)行成本、網(wǎng)絡(luò)異常信號檢測速度和準(zhǔn)確率、處理器硬件和軟件兼容性以及其工作能耗。由于網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下的異常信號雜亂無章，故還需在上述基礎(chǔ)上選擇存儲(chǔ)量大的數(shù)字信號處理器。

基于以上條件，選擇某境外公司設(shè)計(jì)的TMS320

C6748數(shù)字信號處理器。TMS320C6748數(shù)字信號處理器的主頻是456 MHz，其配備了編程接口和標(biāo)準(zhǔn)SD卡座，并擁有兩個(gè)信號輸入接口和一個(gè)信號輸出接口，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下的異常信號的高效檢測。基于數(shù)字信號處理器的異常信號檢測平臺(tái)利用TMS320C6748數(shù)字信號處理器，對平臺(tái)中的電路和元件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，其主要監(jiān)控內(nèi)容為電能質(zhì)量與損耗、電路過載檢測、處理時(shí)間管控和信號傳輸通道安全管控。

1.3 調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)

由于普通的網(wǎng)絡(luò)信號采集分離電路無法在網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)的環(huán)境下將異常信號檢測出來，故基于數(shù)字信號處理器的異常信號檢測平臺(tái)直接將隨機(jī)不定波動(dòng)下的網(wǎng)絡(luò)信號直接引入調(diào)節(jié)電路中進(jìn)行異常信號的監(jiān)測工作。

基于數(shù)字信號處理器的異常信號檢測平臺(tái)對網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下異常信號的檢測原理是根據(jù)異常信號幅值同正常信號幅值的差異性，利用調(diào)節(jié)電路中的測量放大電路放大網(wǎng)絡(luò)信號幅值，并通過高通濾波電路消除其中的干擾波形，進(jìn)而區(qū)分出異常信號和標(biāo)準(zhǔn)信號，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下異常信號的準(zhǔn)確檢測。

1.3.1 測量放大電路設(shè)計(jì)

為了更好的在網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)的情況下將異常信號準(zhǔn)確識別出來，基于數(shù)字信號處理器的異常信號檢測平臺(tái)，利用測量放大電路對網(wǎng)絡(luò)信號的幅值進(jìn)行放大，便于將異常信號幅值和正常信號幅值進(jìn)行對比。

測量放大電路的核心元件是測量放大器。測量放大器擁有較強(qiáng)的抗干擾能力和阻抗調(diào)節(jié)能力，其能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)信號幅值快速放大為所需數(shù)值，并將放大后的網(wǎng)絡(luò)信號穩(wěn)定輸出到高通濾波電路。測量放大器對所需放大的網(wǎng)絡(luò)信號的大小無特殊規(guī)定，即便再微小的信號也能被其檢測出來并進(jìn)行放大工作。圖2是測量放大電路工作原理圖。

圖2中的電阻R1～R7都是線繞精密電阻，其抗負(fù)載能力強(qiáng)、散熱快，較比普通電阻來說，線繞精密電阻的阻值更加穩(wěn)定，可增強(qiáng)測量放大電路的穩(wěn)定性。當(dāng)輸入測量放大電路中的網(wǎng)絡(luò)信號是直流電流時(shí)，可將R2，R5和R7調(diào)至相等阻值，這樣網(wǎng)絡(luò)信號的干擾電壓輸出值可為零，間接提高了基于數(shù)字信號處理器的異常信號檢測平臺(tái)的準(zhǔn)確率。

當(dāng)輸入測量放大電路中的網(wǎng)絡(luò)信號是交流電流時(shí)，測量放大電路的電源常發(fā)生電阻與地表直接相接的情況，此時(shí)電路中各元件的負(fù)載增加，嚴(yán)重干擾了電路對網(wǎng)絡(luò)信號的放大工作，也會(huì)影響基于數(shù)字信號處理器的異常信號檢測平臺(tái)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低其檢測準(zhǔn)確率。而當(dāng)R1和R2阻值相等時(shí)，測量放大電路中導(dǎo)線的電阻及其產(chǎn)生的電容也相等。網(wǎng)絡(luò)信號在這種情況下，其干擾電壓輸出值為零。因此，在實(shí)際的應(yīng)用過程中，平臺(tái)令R1和R2的阻值相等，以降低平臺(tái)的檢測誤差。

1.3.2 高通濾波電路設(shè)計(jì)

為了進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)異常信號的準(zhǔn)確檢測，基于數(shù)字信號處理器的異常信號檢測平臺(tái)利用高通濾波電路除去網(wǎng)絡(luò)信號中的低頻干擾，其電路原理圖如圖3所示。圖3中設(shè)計(jì)的高通濾波電路為無限制增益類型，其利用阻隔板將相鄰的兩個(gè)濾波處理通道隔離開，防止出現(xiàn)不同信道間網(wǎng)絡(luò)信號的傳輸對調(diào)，并有效阻止了其波形的相互干擾。

高通濾波電路的濾波性能較強(qiáng)，經(jīng)其處理后的網(wǎng)絡(luò)信號便可被區(qū)分出異常信號和正常信號。但由于TMS320C6748數(shù)字信號處理器只能進(jìn)行數(shù)字型網(wǎng)絡(luò)信號的異常檢測，故高通濾波電路將放大、濾波后的網(wǎng)絡(luò)信號傳輸至A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換流程，將在網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下的異常信號檢測平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)中給出。

2 網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下的異常信號檢測平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)情況下的網(wǎng)絡(luò)信號經(jīng)調(diào)節(jié)電路輸出到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，得到網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號。TMS320C6748數(shù)字信號處理器能夠利用該網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號，檢測出其中的異常信號。檢測平臺(tái)中的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換的流程如圖4所示。

由圖4可知，A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字轉(zhuǎn)換流程為首先控制A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行初始化工作，隨即開啟軟件的定時(shí)器為A/D轉(zhuǎn)換設(shè)定單次傳輸時(shí)間，并同時(shí)將RAM清空，防止信道擁堵，提高基于數(shù)字信號處理器的異常信號檢測平臺(tái)效率。在隨機(jī)不定波動(dòng)下網(wǎng)絡(luò)信號傳輸過程中，若定時(shí)器設(shè)定的傳輸時(shí)間達(dá)到上限，A/D轉(zhuǎn)換器將調(diào)用軟件的內(nèi)置算法，對網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。隨后，A/D轉(zhuǎn)換器將獲取到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號傳輸?shù)絋MS320C6748數(shù)字信號處理器，進(jìn)行異常信號的檢測工作，其檢測流程如圖5所示。

圖5中給出的TMS320C6748數(shù)字信號處理器對異常信號的檢測流程為：當(dāng)TMS320C6748數(shù)字信號處理器接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號時(shí)，會(huì)根據(jù)公式：

3 實(shí)驗(yàn)分析

網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下異常信號檢測平臺(tái)的高準(zhǔn)確率能夠保護(hù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行安全，而其高效率則能避免網(wǎng)絡(luò)不安全行為的再次入侵。

實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了隨機(jī)不定波動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型，其網(wǎng)絡(luò)信號經(jīng)放大后的輸出幅值如圖6所示。基于該網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行平臺(tái)準(zhǔn)確率和效率的驗(yàn)證，并對不同網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下異常信號檢測平臺(tái)的檢測效果進(jìn)行對比，其準(zhǔn)確率和精度對比結(jié)果如圖7和表1、表2所示（將網(wǎng)絡(luò)信號正常輸出時(shí)間效率設(shè)為100%）。

對比分析圖6、圖7，以及表1和表2可知，三個(gè)平臺(tái)的對比結(jié)果中，基于振子去噪法的異常信號檢測平臺(tái)的準(zhǔn)確率和效率均最低；同步頻率特性的異常信號檢測平臺(tái)的準(zhǔn)確率約為74%，存在較大的優(yōu)化空間。其效率尚可為93.98%；本文平臺(tái)的準(zhǔn)確率和效率均高于以上兩個(gè)平臺(tái)，分別為95.4%和98.52%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，本文為網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)情況下設(shè)計(jì)的基于數(shù)字信號處理器的異常信號檢測平臺(tái)，具有較高的準(zhǔn)確率和效率。

4 結(jié) 論

網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下的異常信號雜亂無章，并混合在正常信號中，為檢測工作帶來不小的挑戰(zhàn)。因此本文設(shè)計(jì)基于數(shù)字信號處理器的異常信號檢測平臺(tái)。該平臺(tái)利用TMS320C6748數(shù)字信號處理器，對異常信號的檢測工作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管。測量放大電路和高通濾波電路對網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行放大和濾波操作，并將處理后的網(wǎng)絡(luò)信號傳輸至A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器將網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，并將網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號傳輸至TMS320C6748數(shù)字信號處理器。平臺(tái)采用數(shù)字信號處理器輸出網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下的異常信號。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)部分給出了A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字轉(zhuǎn)換流程圖，以及TMS320C6748數(shù)字信號處理器檢測流程圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，所塑造的基于數(shù)字信號處理器的異常信號檢測平臺(tái)，能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)不定波動(dòng)下異常信號的準(zhǔn)確、高效檢測。

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