网络随机不定波动下的异常信号检测平台设计与实现

方凯飞

（安顺学院 电子与信息工程学院，贵州 安顺　561000）

网络随机不定波动下的异常信号检测平台设计与实现

方凯飞

（安顺学院 电子与信息工程学院，贵州 安顺561000）

网络随机不定波动下的异常信号杂乱无章，并混合在正常信号中，为检测工作带来不小的挑战。因此，设计基于数字信号处理器的异常信号检测平台。该平台利用TMS320C6748数字信号处理器，对异常信号的检测工作进行实时监管。测量放大电路和高通滤波电路对网络信号进行放大和滤波操作，并将处理后的网络信号传输至A/D转换器。A/D转换器将网络信号转换为数字格式，并将网络数字信号传输至TMS320C6748数字信号处理器。平台采用数字信号处理器输出网络随机不定波动下的异常信号。平台实现部分给出了A/D转换器数字转换流程图，以及TMS320C6748数字信号处理器检测流程图。实验结果表明，所设计的基于数字信号处理器的异常信号检测平台，能够进行网络随机不定波动下异常信号的准确、高效检测。

网络随机不定波动；异常信号；检测平台；数字信号处理器

0　引　言

网络中的异常信号是由网络设备超载运行、人为错误操作以及黑客入侵等异常行为产生的。在现实生活中，网络往往是随机不定波动的，此时网络中的异常信号杂乱无章，混合在正常信号中，为异常信号的检测工作带来了不小的挑战［1⁃4］。人们往往无法预测异常信号的产生时间，以及其将带来的危害。因此，准确、高效检测出网络随机不定波动下的异常信号，是确保网络安全运行的重要条件，也将为企业和个人带来更好的网络应用体验［5⁃6］。

科研组织曾对异常信号检测平台进行了大量的研究，但所研究出的网络随机不定波动下的异常信号检测平台均存在一定的问题，如文献［7］研究的基于高阶统计量的异常信号检测平台，该平台利用高阶统计量算法计算出网络随机不定波动下异常信号的分布概率，为异常信号进行大致定位，进而将网络中的异常信号与正常信号分别提取出来，该平台的效率较高，但准确率却不高。文献［8］研究的基于振子去噪法的异常信号检测平台，该平台利用振子将网络随机不定波动情况下的网络信号去噪，排除网络信号的干扰波形，令异常信号自动输出，该平台的准确率尚可，但检测时间过长、精度不高，为非法入侵者提供了作案机会，无法有效保证网络的安全性。文献［9］研究出的基于人工神经网络的异常信号检测平台，该平台能够对网络中的微小信号进行精确提纯，并高效检测出网络随机不定波动情况下的异常信号，实现了平台准确率和效率的全面提高，但该平台的存储能力有效，无法进行复杂网络的异常信号检测工作。文献［10］研究出的基于同步频率特性的异常信号检测平台，该平台通过对网络信号进行频率放大，并将同频率的标准信号与之对比，进而检测出网络随机不定波动下的异常信号，该平台的效率虽高，但其准确率还有待提高。

为了解决以上问题，实现对网络随机不定波动下异常信号的准确、高效检测，塑造基于数字信号处理器的异常信号检测平台。利用数字处理器准确管控随机不定波动网络信号的检测工作，令异常信号的检测工作得以高效进行。

1　网络随机不定波动下的异常信号检测平台设计

1.1平台整体设计

网络随机不定波动下的异常信号检测平台是基于数字信号处理器设计的，其以数字信号处理器作为网络随机不定波动下异常信号的检测核心，平台中的各电路及设备将网络信号放大、滤波、转换，最终送至数字信号处理器进行检测，并输出异常信号。图1为网络随机不定波动下的异常信号检测平台结构图。

图1　网络随机不定波动下的异常信号检测平台结构图

图1中的测量放大电路和高通滤波电路共同组成了基于数字信号处理器的异常信号检测平台的调节电路，其能够实现网络随机不定波动信号的放大和滤波。A/D转换器在软件的控制下，将调节电路的输出信号转换为便于数字信号处理器进行检测工作的数字信号。数字信号处理器也将对基于数字信号处理器的异常信号检测平台进行实时监控。

1.2数字信号处理器设计

数字信号处理器作为数字信号处理技术的重要研究成果，其不但拥有普通处理器高效、便捷的计算处理性能，还能够对信号的结构、传输流程、处理指令等实施全方位检测。数字信号处理器最大的优点就是其在注重信号管理和检测实时性的同时，保证了处理效率和运算精确度，并具有实时断路和计时的功能。其使用能耗为0.05 W/h，仅利用蓄电池便可为其供电，不用额外设计供电电路。与普通处理器不同，数字信号处理器采用哈佛结构，将程序指令处理端和信号指令处理端分开设计，这种设计方法能够有效减轻基于数字信号处理器的异常信号检测平台的检测压力。

数字信号处理器的选择是基于数字信号处理器的异常信号检测平台需重点设计的部分，设计中应注重的选择因素主要有处理器价格和运行成本、网络异常信号检测速度和准确率、处理器硬件和软件兼容性以及其工作能耗。由于网络随机不定波动下的异常信号杂乱无章，故还需在上述基础上选择存储量大的数字信号处理器。

基于以上条件，选择某境外公司设计的TMS320 C6748数字信号处理器。TMS320C6748数字信号处理器的主频是456 MHz，其配备了编程接口和标准SD卡座，并拥有两个信号输入接口和一个信号输出接口，可实现网络随机不定波动下的异常信号的高效检测。基于数字信号处理器的异常信号检测平台利用TMS320C6748数字信号处理器，对平台中的电路和元件进行实时监控，其主要监控内容为电能质量与损耗、电路过载检测、处理时间管控和信号传输通道安全管控。

1.3调节电路设计

由于普通的网络信号采集分离电路无法在网络随机不定波动的环境下将异常信号检测出来，故基于数字信号处理器的异常信号检测平台直接将随机不定波动下的网络信号直接引入调节电路中进行异常信号的监测工作。

基于数字信号处理器的异常信号检测平台对网络随机不定波动下异常信号的检测原理是根据异常信号幅值同正常信号幅值的差异性，利用调节电路中的测量放大电路放大网络信号幅值，并通过高通滤波电路消除其中的干扰波形，进而区分出异常信号和标准信号，实现网络随机不定波动下异常信号的准确检测。

1.3.1测量放大电路设计

为了更好的在网络随机不定波动的情况下将异常信号准确识别出来，基于数字信号处理器的异常信号检测平台，利用测量放大电路对网络信号的幅值进行放大，便于将异常信号幅值和正常信号幅值进行对比。

测量放大电路的核心元件是测量放大器。测量放大器拥有较强的抗干扰能力和阻抗调节能力，其能够将网络信号幅值快速放大为所需数值，并将放大后的网络信号稳定输出到高通滤波电路。测量放大器对所需放大的网络信号的大小无特殊规定，即便再微小的信号也能被其检测出来并进行放大工作。图2是测量放大电路工作原理图。

图2　测量放大电路工作原理图

图2中的电阻R1～R7都是线绕精密电阻，其抗负载能力强、散热快，较比普通电阻来说，线绕精密电阻的阻值更加稳定，可增强测量放大电路的稳定性。当输入测量放大电路中的网络信号是直流电流时，可将R2，R5和R7调至相等阻值，这样网络信号的干扰电压输出值可为零，间接提高了基于数字信号处理器的异常信号检测平台的准确率。

当输入测量放大电路中的网络信号是交流电流时，测量放大电路的电源常发生电阻与地表直接相接的情况，此时电路中各元件的负载增加，严重干扰了电路对网络信号的放大工作，也会影响基于数字信号处理器的异常信号检测平台的安全稳定运行，降低其检测准确率。而当R1和R2阻值相等时，测量放大电路中导线的电阻及其产生的电容也相等。网络信号在这种情况下，其干扰电压输出值为零。因此，在实际的应用过程中，平台令R1和R2的阻值相等，以降低平台的检测误差。

1.3.2高通滤波电路设计

为了进行网络随机不定波动异常信号的准确检测，基于数字信号处理器的异常信号检测平台利用高通滤波电路除去网络信号中的低频干扰，其电路原理图如图3所示。图3中设计的高通滤波电路为无限制增益类型，其利用阻隔板将相邻的两个滤波处理通道隔离开，防止出现不同信道间网络信号的传输对调，并有效阻止了其波形的相互干扰。

高通滤波电路的滤波性能较强，经其处理后的网络信号便可被区分出异常信号和正常信号。但由于TMS320C6748数字信号处理器只能进行数字型网络信号的异常检测，故高通滤波电路将放大、滤波后的网络信号传输至A/D转换器进行格式转换。A/D转换器的转换流程，将在网络随机不定波动下的异常信号检测平台的软件设计中给出。

图3　高通滤波电路原理图

2　网络随机不定波动下的异常信号检测平台实现

网络随机不定波动情况下的网络信号经调节电路输出到A/D转换器进行数字转换，得到网络数字信号。TMS320C6748数字信号处理器能够利用该网络数字信号，检测出其中的异常信号。检测平台中的A/D转换器进行数字转换的流程如图4所示。

图4　A/D转换器数字转换流程图

由图4可知，A/D转换器数字转换流程为首先控制A/D转换器进行初始化工作，随即开启软件的定时器为A/D转换设定单次传输时间，并同时将RAM清空，防止信道拥堵，提高基于数字信号处理器的异常信号检测平台效率。在随机不定波动下网络信号传输过程中，若定时器设定的传输时间达到上限，A/D转换器将调用软件的内置算法，对网络信号进行数字转换。随后，A/D转换器将获取到的网络数字信号传输到TMS320C6748数字信号处理器，进行异常信号的检测工作，其检测流程如图5所示。

图5中给出的TMS320C6748数字信号处理器对异常信号的检测流程为：当TMS320C6748数字信号处理器接收到网络数字信号时，会根据公式：

式中：A是网络信号幅值增大值；F1是数字信号处理器接收到的信号幅值；F是网络信号的初始幅值。计算网络数字信号的幅值，若在计算中发现某信号不符合上述等式，则将此信号确定为异常信号，并将其输出存储。

图5　TMS320C6748数字信号处理器检测流程图

3　实验分析

网络随机不定波动下异常信号检测平台的高准确率能够保护网络运行安全，而其高效率则能避免网络不安全行为的再次入侵。

实验构建了随机不定波动网络模型，其网络信号经放大后的输出幅值如图6所示。基于该网络模型进行平台准确率和效率的验证，并对不同网络随机不定波动下异常信号检测平台的检测效果进行对比，其准确率和精度对比结果如图7和表1、表2所示（将网络信号正常输出时间效率设为100%）。

图6　网络信号幅值曲线图

对比分析图6、图7，以及表1和表2可知，三个平台的对比结果中，基于振子去噪法的异常信号检测平台的准确率和效率均最低；同步频率特性的异常信号检测平台的准确率约为74%，存在较大的优化空间。其效率尚可为93.98%；本文平台的准确率和效率均高于以上两个平台，分别为95.4%和98.52%。实验结果说明，本文为网络随机不定波动情况下设计的基于数字信号处理器的异常信号检测平台，具有较高的准确率和效率。

图7　不同网络随机不定波动下的异常信号检测平台准确率对比图

表1　不同异常信号检测平台平均准确率统计表

表2　不同异常信号检测平台效率统计表

4　结　论

网络随机不定波动下的异常信号杂乱无章，并混合在正常信号中，为检测工作带来不小的挑战。因此本文设计基于数字信号处理器的异常信号检测平台。该平台利用TMS320C6748数字信号处理器，对异常信号的检测工作进行实时监管。测量放大电路和高通滤波电路对网络信号进行放大和滤波操作，并将处理后的网络信号传输至A/D转换器。A/D转换器将网络信号转换为数字格式，并将网络数字信号传输至TMS320C6748数字信号处理器。平台采用数字信号处理器输出网络随机不定波动下的异常信号。平台实现部分给出了A/D转换器数字转换流程图，以及TMS320C6748数字信号处理器检测流程图。实验结果说明，所塑造的基于数字信号处理器的异常信号检测平台，能够进行网络随机不定波动下异常信号的准确、高效检测。

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Design and implementation of abnormal signal detection platform in network random uncertain fluctuation

FANG Kaifei
（School of Electronic and Information Engineering，Anshun University，Anshun 561000，China）

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 pro⁃cessor 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 sig⁃nal.And then the processed network signal is transmitted to A/D converter.The A/D converter can convert the network signal in⁃to 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 abnor⁃mal signal detection platform based on digital signal processor can detect the abnormal signal in network random uncertain fluctu⁃ation accurately and efficiently.

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

TN926⁃34；TP391

A

1004⁃373X（2016）18⁃0119⁃04

10.16652/j.issn.1004⁃373x.2016.18.030

方凯飞（1980—），男，安徽安庆人，讲师，硕士研究生。研究方向为计算机网络检测。

2016⁃01⁃14

贵州省教育厅自然科学研究项目（黔科合KY字［2015］470）；贵州省科学技术厅、安顺市人民政府、安顺学院联合科技基金资助项目（黔科合J字LKA［2013］18）