摘 要 论述基于虚拟仪器技术的数字频率合成扫频仪的系统设计方法 数据采集卡采用廉价的 卡，并使用 接口，测量电路采用 技术来实现宽频扫频信号源 控制软件运用 虚拟仪器开发平台，设计一种基于虚拟仪器技术的虚拟扫频仪 本虚拟扫频仪具备按用户给定参数自动输出扫频信号测量结果的曲线存储求增益的分贝数对对数坐标和线性坐标选择 值计算等功能，它具有测量精度高稳定性好成本低廉以及使用方便等特点，可广泛用于双端口网络幅频特性的测量，特别适合电子电路有源网路或无源网路频率响应实验，尤其是测量结果的曲线存储功能是传统的扫频仪所不具备的
关键词 虚拟仪器 直接数字频率合成 幅频特性
　　引 言
　　测量电路的双端口网络幅频特性通常需要使用扫频仪 但是，目前扫频仪价格昂贵，难以在教学实验中普及应用 因而在缺乏相关的扫频仪情况下，往往采用信号发生器作为信号源施加到电路输入端［］，然后用万用表测量电路的输出来描绘电路的幅频特性，这种笨掘的方法准确度低且非常繁琐 虚拟仪器技术的出现，对于测量技术的发展无疑起了很大的推动作用，它很好地克服了传统仪器的缺陷，特别对测量系统的多功能化及测量结果显示［］和存储的灵活性等方面提供了方便
　　本文提出了基于虚拟仪器技术的数字频率合成扫频仪的系统设计方法 驱动信号采用 技术来实现宽频扫频信号源，接口使用廉价的 数据采集卡［］，并采用 接口 控制软件运用 虚拟仪器开发平台，设计基于虚拟仪器技术的虚拟扫频仪［］该扫频仪具有测量精度高 稳定性好成本低廉以及使用方便等特点，广泛用于网络幅频特性的测量，特别适合电子电路频率响应实验［］，能准确测量有源或无源网路的频率特性
　　扫频原理
　　设被测网络的传递函数为 ( ) ，当被测网络的输入激励信号为:( ) ( )时，则输出的稳态响应为:( ) ( ) ( ( ) ) ( )其频率和输入信号的频率相同，但幅度和相位发生了变化，而变化取决于角频率 若输出的稳态响应和输入正弦信号用复数表示，并求输出与输入的复数比，则得下式:( ) ( )( )( )( ) 为频率特性，( ) 是输出信号的幅值与输入信号幅值之比，称为网络幅频特性，( )是输出信号的相角与输入信号的相角之差，称为相频特性 其中，网络幅频特性是网络的一个重要特性 通常用网络幅频特性来表征网络的特性 本虚拟扫频仪就是用于测量网络幅频特性参数的测试仪 在实际测量中，用一个频率随着时间变化的正弦信号施加到被测网络输入端，不断检测网络输出的信号的幅值，从而获得被测网络的幅频特性 测量原理如图 所示图 扫频仪测量原理
　　本研究项目 利 用 基 于 接口廉价的数据采集卡和 信号发生电路，在 开发平台下设计了基于虚拟仪器技术数字频率合成扫频仪系统，性能指标如下:) 扫频范围从 到 ;) 输入灵敏度可调，最大灵敏度可达 ;) 扫频信号输出幅度分四级可供选择，最大输出幅度可达
　　系统结构
　　系统组成
　　由 数据采集卡直接数字合成技术( ) 产生扫频正弦信号，检测被测网络输入和输出的幅度值，将两者相除得到增益幅频特性 系统结构如图 所示图 扫频结构框图数据采集卡本系统采用 公司廉价的 数据采集卡，内部包含 个模拟输入通道时分复用 位 ，最高采样率 ;路独立的 位 模拟输出通道; 位数字 口; 一个位计数 器 采 用 接口与计算机通信 内 部 结 构 如 图所示图 数据采集卡结构框图扫频源为了实现宽频扫频信号输出，本系统采用 直接数字频率合成技术 ( ) 芯片作为扫频发生器 是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术 技术具有相对带宽频率转换时间短频率分辨率高等优点，广泛用于高精度频率合成和任意信号发生信号发生器由相位累加器 正弦查询 表数 模 转 换 器( ) 及低通滤波器( ) 组成，如图 所示图 基本原理图的工作原理是先将波形数据存储起来，在频率数据和基准脉冲的作用下通过相位累加器从存储器中读出波形数据，然后由 转换器将数字信号转换成模拟信号，再经低通滤波器 平 滑 外部参考时钟为 ，倍 频 参 考 时 钟 使能，参考时钟经 倍频后，内部工作时钟设相位累加器的位数为 ，相位控制字的值为 ; 频率控制字的位数为 ，频率控制字的值为 ，则:合成信号的相位为:( )合成输出信号的频率为:( )由于 是一个固定值，那么只要改变 的大小就能得到所需要的频率值，而且频率的分辨率由 值决定，值越大则分辨率越高的提供一个 位频率调谐字; 对于 基准时钟，输出调谐分辨率可以达到 内置独特的基准时钟乘法器电路，无需高速参考振荡器 该 乘法器对无杂散动态范围( ) 和相位噪声特性的影响极小该器件还提供 位数字控制相位调制，使其输出能够以及其任意组合的增量发生相移控制字格式如表 所示表 位控制字各位的功能［］ ［］ ［］ ［］ ［］ ［］ ［］ ［］( ) ( )( )( )内部有 个输入寄存器，储存来自外部数据总线的位频率控制字，位相位控制字，一位 倍参考时钟倍乘器使能控制，一位电源休眠功能控制和一位逻辑，寄存器接收数据的方式有并行和串行两种方式并行方式工作时序图如图 所示，通过 位数据总线来完成全部 位控制数据的输入 复位信号 有效会使输入数据地址指针指向第一个输入寄存器，并行方式工作时序图如图，通过 位数据总线 来完成全部 位控制数据的输入 复位信号 有效会使输入数据地址指针指向第一个输入寄存器， 上升沿写入第一组 位数据，并把指针指向下一个输入寄存器，连续 个 上升沿后，即完成全部 位控制数据的输入，此后 信号的边沿无效 当 上升沿到来之际 位数据会从输入寄存器被写入频率和相位控制寄存器，更新 的输出频率和相位，同时把地址指针复位到第一个输入寄存器，等待着下一组新数据的写入图 并行方式工作时序图上升沿把引脚 上的数据按位串行移入到输入寄存器，位输入结束后，任何 上升沿到来都会造成数据顺序移出并导致原来数据无效，此时 端的上升脉冲就可以使 位数据更新芯片的输出频率和相位 串行方式如图 所示图 串行方式工作时序图采用并行工作方式，位数据线 直接接到数据采集卡 对应端，频率更新 时钟字和复位 端 与 相 连， 连 到有源晶振上 电路连接图如图 所示图 电路连接图另外， 转换器输出和内部比较器输入之间需要设计一个低通滤波器，用于滤除高频谐波成分，使得输出更纯净的正弦波 这里常用椭圆函数滤波器，能实现对理想低通的最佳近似 与全极点型滤波器相比，所需阶数低，这里采用 阶，电路简单 图 是用归一化图表设计的椭圆函数低通滤波器，技术参数为 最大纹波 ，在 处衰减大约为 ，峰值检波器由两个运算放大器和检波二极管以及储能电容构成，如图 所示图 峰值检波电路图和 构成半波峰值检波器; 为电压跟随器，在储能电容和输出负载之间起到很好的隔离作用 峰值检波器对被测网络的输出信号进行检波，筛选出峰值电压然后送转换器控制程序虚拟扫频仪控制程序是在 环境下设计的，每隔 按步进频率给被测网络施加激励信号，峰值检波器检波被测网络输出的峰值，然后经 转换器转为数字信号送计算机处理算法 扫频控制算法流程( ){ ( ) ; 系统初始化( ) ; 读输入参数 ，，( ) ; 计算步进频率增量( ， ， ) 循环 次{ ( ) ; 输出频率为的正弦信号( ) ; 延迟( ) ; 采样峰值检波器输出电压［］ ( ) ;} 输出峰值与激励信号峰值相除变换分贝数( ，) ;} 显示幅频特性曲线首先对设备进行初始化操作，紧接着读取前面板扫描参数，程序根据扫描参数按频率步进方式不断输出正弦信号，同时转换通道不断采集峰值检波器的输出电压，与输入幅度相除后将数据存放到数组中，扫描点数完成后，显 示 幅 频 特 性 出曲线仪器面板如图 所 示，图中显示的是陷波器幅频特性，水平坐标为扫描频率，垂直坐标为对不同频率信号的衰减分贝量图 虚拟扫频仪面板结 语理论和实践证明，基于虚拟仪器技术数字频率合成扫频仪大大改变传统扫频仪的设计方案，直接数字合成( ) 技术产生的正弦信号失真度非常小可调频率范围宽而且还可以控制相位是现代信号源最先进的技术 利用 作为扫频信号，再用峰值检波器检测被测网路的频率响应，计算机采集及控制整个扫频系统具备按用户给定参数自动输出扫频信号 测量结果的曲线存储求增益的分贝数对对数坐标和线性坐标选择值计算等功能我们用虚拟数字频率合成扫频仪对传统实验仪器的改造，彻底取代了 扫频仪和模拟信号发生器，对有源网路和无源网路进行频率特性测量，实验结果表明测量数据准确，使用非常方便，充分利用现代计算机技术，节约了成本，向测量仪器智能化和自动化迈进了一大步 特别是能将所测量的数据和波形曲线进行存储，供分析使用，在教学实验科研及电子产品生产线在线调试有着广泛的应用前景 由此可见，虚拟仪器技术是未来测量仪器的发展方向参 考 文 献［］马知远，刘豪数字扫频仪中的实时控制系统设计与研究［］计算机工程与设计， ( )［］宋青基于虚拟仪器技术的信号采集与分析系统的研究［］自动化与仪器仪表， ( )［］汤继星基于 的直接数字频率合成( ) 技术研究［］南京理工大学，［］谢国善，熊鹏俊基于 的虚拟仪器设计研究［］自动化与仪器仪表， ( )［］谢锋云基于 的信号处理系统设计［］齐齐哈尔大学学报: 自然科学版， ( )( 上接第 页)图 第一个 盒猜测密钥的概率在图 中，横坐标表示猜测密钥，纵坐标为每个猜测密钥对应的匹配概率 该图显示了在攻击 密码算法第一轮运算第一个 盒 比特输入时的 个猜测密钥对应的模板匹配概率曲线 由模板攻击理论可知，峰值对应的猜测密钥即为正确的密 钥 同 时，本 文 所 设 计 的 算法使用的明文是，使用的密钥是 ; 计算可得 算法第一轮运算第一个 盒输入为 ，与实验结果相一致，证明了本文方法的正确性由于 密码算法的有效宽度是 比特，固此我们只需要获得这 比特密钥信息 利用 节电磁泄漏信息采集平台，使用相同的分析方法，攻击者可以获取 密码算法其余盒的输入值，然后反推到原始 密钥，最后对剩余 子密钥使用穷举的方法获得，这样就可以恢复出 的 比特密钥 以 密码算法的有效密钥为 比特为例，该攻击的密钥猜测次数为 ( 即 ) ，比穷举攻击的所需的密钥猜测次数 要小得多 因此，模板攻击能够大大减小攻击的计算复杂度
　　结 语
　　对本实验室的侧信道信息采集平台进行改进，构建了模板攻击仿真平台，利用该平台成功实现了针对 密码算法的模板攻击，并通过对原始数据曲线采样点的选取，避免了在计算模板匹配概率时可能会遇到协方差矩阵是病态的问题
    参 考 文 献 邓高明，张鹏，赵强，等基于 和 的电磁模板分析攻击［］计算机测量与控制， ( )