CN101334434B - 利用小波变换提取电磁泄漏信号的电磁环境测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁环境测试系统，特别是利用小波变换提取电磁泄漏信号的电磁环境测试系统，其特征是，包括：宽带天线，用于接收电磁环境或电子设备周围的泄漏电磁场信号，将其转变为电压信号；频谱仪，对天线传送过来的信号进行采集、滤波、检波，将连续信号转变为数字处理信号：带有GPIB卡的测控计算机包括加载的电磁环境测试控件，用于控制频谱仪按设定参数输出信号；用于对得到的采集信号进行处理。它使得测试结果科学准确，尤其是对微弱信号的科学计算和提取，防止了人为因素对信号的误处理；同时对电磁泄漏信号分级自动报警能够有效的提示工作人员泄漏信号的量级。

Description

利用小波变换提取电磁泄漏信号的电磁环境测试系统

技术领域

本发明属于电磁环境测试系统，特别是利用小波变换提取电磁泄漏信号的电磁环境测试系统。

背景技术

信息技术设备在工作时会产生较强的电磁辐射，可能导致其所处理或存储的重要数据信息产生严重的泄漏。因此，在一些重要场合，电磁信号的测量、环境的实时监测对于有效监控并去除辐射泄漏而导致的信息泄漏隐患具有非常重要的作用，也越来越受到人们的重视。

目前在电磁辐射检测以及电磁兼容方面的自动测试多是基于标准实验室环境下的标准规范化测试，多关心发射幅值是否超标，但并不关心超标信号的自动提取、特性分析，不能满足信息泄漏预测与防护领域的泄漏信号检测需求。尤其是在实际应用电磁环境下对信息泄漏信号的检测与提取仍以人工测试为主，测试过程的执行、信号的提取分析等均由值守人员完成，主观性较强，且人为观察不易分辨一些微弱的电磁信号，造成一些信号的误判和漏报等。在电磁环境的监测方面，则多集中在用于台站选址时的多空间点测试，而未考虑在不同时间的动态变化特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种方便、科学准确的利用小波变换提取电磁泄漏信号的电磁环境测试系统，实现电磁信号的自动测试与提取、电磁环境的自动监测与分析。

本发明的目的是这样实现的，利用小波变换提取电磁泄漏信号的电磁环境测试系统，其特征是，包括：

宽带天线，用于接收电磁环境或电子设备周围的泄漏电磁场信号，将其转变为电压信号；

频谱仪，对天线传送过来的信号进行采集、滤波、检波，将连续信号转变为数字处理信号；

带有GPIB卡的测控计算机包括加载的电磁环境测试控件，用于控制频谱仪按设定参数输出信号；用于对得到的采集信号进行处理。

所述的天线是一组覆盖频率为10KHz～～18GHz的天线组，并提供天线校准因子给测试软件。

所述的频谱仪包括一个与测控计算机连接的通讯接口，该通讯接口与安装在测控计算机上的GPIB卡相连，负责数据的传输。

所述的用于控制频谱仪按设定参数输出信号中的设定参数是测控计算机向频谱仪发出的测试的频率范围、参考电平、扫描次数；按设定参数输出信号是频谱仪依据频率范围、参考电平、扫描次数采集宽带天线的电磁功率电平数据传输给测控计算机。

所述的电磁环境测试控件至少包括电磁泄漏信号检测及电磁环境动态监测两大功能模块；其中电磁泄漏信号检测模块，用于实现对电磁泄漏信号的分级报警、信号提取、无线电特征分析；电磁环境动态监测模块用于实现电磁环境连续扫描、电磁环境变化动态分析。

所述的对采集信号进行处理的流程步骤：至少一个利用小波变换和基于概率确定背景阈值的方法进行电磁信号的提取，至少一个利用互相关算法分析电磁环境的动态特性。

所述的利用小波变换和基于概率确定背景阈值的方法其过程如下：

1)采用db3的低频分解滤波器ld和高频分解滤波器hd对频谱仪传送给计算机的采样信号S进行四层分解，分解成高频系数CD1，CD2，CD3，CD4和低频系数CA1，CA2，CA3，CA4；

2)分别对高频系数CD1，CD2，CD3，CD4进行滤波处理，采用软阈值公式：

$\mathrm{thr}=\mathrm{\σ}\sqrt{2\ln \left(n\right)}/0.6745,$

式中：thr为计算后得到的软阈值，n为采样点个数，σ为信号S的标准差。

滤波的高频系数公式为：

$x\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sgn}\left(x\left(i\right)\right)\·\left(\right|x\left(i\right)|-\mathrm{thr})& \left|x\left(i\right)\right|>\mathrm{thr}\\ 0& \left|x\left(i\right)\right|\≤\mathrm{thr}\end{array}\right.$

式中，x(i)为第i个点的幅度值。

修改后的高频系数为CDD1，CDD2，CDD3，CDD4；

3)对低频系数和修改后的高频系数采用低频重构滤波器lr和高频重构滤波器hr对信号进行重构，得到重构后的信号S′。

4)对重构后的信号S′提取信号特征，分为以下两步：

a)利用概率确定背景阈值，这是由于背景幅度值处在同一个范围的，该方法可以有效的克服采用极值方法中存在突变而导致信号错误提取的问题。通过分析，背景阈值在采样信号当中一定为出现次数最多的值，首先判断不同幅值的个数k，计算发生概率 ${\mathrm{\η}}_i=\frac{n_i}{N},i\∈[1,k];$

式中：N为每次采样点的总数，n_i为第i个幅值的出现次数，比较得到最大的η，找出对应的幅度值V，确定它为背景阈值；

b)用重构后的信号S′中每个频率点的幅度和V进行比较，超出部分确认为信号，并通过计算得到信号的带宽。

所述的电磁环境变化动态分析是利用互相关算法分析在不同时间段内相同频段内测试获得的电磁频谱信号改变的情况，其算法步骤如下：

1)从电磁环境监测信号中选取一段对应于时间段[t₁，t₁+τ]的已测频段信号，把它作为互相关的比对信号{X(i)，i＝1，2...K}；其中K为信号序列长度，τ为测试的时间间隔；

2)选取另一时间段[t₂，t₂+τ]所测的相同频段信号作为需要比对的信号{Y(i)，i＝1，2...K}；

3)利用互相关公式 ${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xy}}\left(j\right)=\frac{\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(i\right)\·Y(i+j)}{{\left[\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}^2\left(i\right)\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{Y}^2\left(i\right)\right]}^{1/2}},$ 计算它们的互相关系数，其中：j为偏移自变量；j＝0～K；

4)利用互相关系数判断电磁环境的改变情况，当ρ_xy(j)≤0.9时，判断电磁环境发生改变。

本发明的优点是：由配套天线，频谱仪，带有GPIB卡的测控计算机和智能化电磁环境测试软件组成系统，实现电磁泄漏信号检测，环境监测，并自动完成信号提取分析、分级报警、电磁环境分析、数据库管理以及生成报告等。为了消除干扰的噪声，有效的提取信号，采用了小波变换和基于概率统计特性的一种自适应方法以及采用了互相关算法实现电磁环境动态特性分析，不仅实现了电磁环境检测和监测的自动化，克服了原系统一直要求工作人员值守操作的缺点，尤其是在电磁环境监测的时候；使得测试结果科学准确，尤其是对微弱信号的科学计算和提取，防止了人为因素对信号的误处理；同时对电磁泄漏信号分级自动报警能够有效的提示工作人员泄漏信号的量级。

附图说明

图1是本发明实施例结构示意图；

图2是信号提取和分析算法流程图；

图3是实施例一混有噪声的信号频谱图；

图4是实施例一采用小波消除噪声后信号频谱图；

图5是实施例二混有噪声信号频谱图；

图6是实施例二采用小波消除噪声后信号频谱图；

图7是实施例一小波消除噪声后采用自相关算法提取信号的频率点图；

图8是实施例二小波消除噪声后采用自相关算法提取信号的频率点图；

图9是电磁泄漏测试软件流程框图。

图中，1、宽带天线；2、频谱仪；3、带有GPIB卡的测控计算机。

具体实施方式

参见图1，是由配套的宽带天线1、频谱仪2、带有GPIB卡并安装智能化电磁环境测试软件的测控计算机3组成系统，宽带天线1用于接收电磁环境或电子设备周围的泄漏电磁场信号，根据需要我们选用不同频段的天线，将其转变为电压信号提供给频谱仪2，由频谱仪2对宽带天线1传送过来的信号进行采集、滤波、检波，将连续信号转变为数字处理信号；然后送到带有GPIB卡的测控计算机3，用于传输以及计算处理传送过来的信号，安装在测控计算机上的电磁环境测试控件，用于控制频谱仪和计算机进行协调工作。

测控计算机上的电磁环境测试控件3利用小波变换提取电磁泄漏信号的智能化电磁环境测试系统是用于设备和环境的电磁泄漏检测和电磁环境监测，实现一些常见无线电信号处理和判断电磁环境改变情况。该系统利用小波变换理论，实现电磁泄漏信号的提取，存储，调用，打印，并在此基础之上进行环境自动化监测，以及报告打印等功能，实际测试结果达到设计要求，能够极大提高测试工作的效率、精确度以及自动化程度。

小波变换消除噪声技术是一种新的消噪技术，它既保留了傅立叶变换的优点，又弥补了傅立叶变换在信号分析上的不足，它作为一门新兴的学科已经得到了广泛的应用。由于我们所采样得到的电磁泄漏信号携带具有高斯白噪声性质的噪声，而在小波变换的信号滤波中，信号谱和噪声谱可以重叠，它通过修改小波变换域中的高频系数(主要是切削和缩小幅度等非线性手段)，来达到消除噪声的目的。

采用这种方法滤波可在一定程度上造成信号的细节丢失，不过我们只要充分考虑抑制噪声与保留细节之间的折中问题可以充分解决好这个问题。

图2是信号提取和分析算法流程图，该图中，首先进行获得原始采样信号的步骤201，通过步骤202对步骤201得到的采样信号进行小波变换消除噪声；再进行步骤203，进一步的基于概率确定背景阈值。背景阈值确定后，继续进行提取信号和对信号进行小波变换的步骤204，在步骤204中同时进行信号类型和幅度判别。如类型分析，将包括进行无线电信号类型尝试识别的步骤206，如果是常见的无线电信号，进行步骤208对其进行解调。如幅度分析，进行对信号的幅度进行分析判断的步骤205，若泄漏信号幅度超标，步骤207则根据超标情况分类进行报警。

在小波消噪的步骤202后，实现效果我们可以从图3、图4和图5、图6这两个实例看出结果，图3为带有噪声的信号图形，图4为消噪后的信号波形图，图形变的清晰明了，大量的噪声成分不见了，信号局部特性好，微弱信号也得到了显现。其中，图3和图5中的信号点为圆圈标示处，302和303为淹没于噪声中的微弱信号，在图7中，可以清楚的看到这两个微弱信号被提取出来，另外502中有两个微弱信号点，在对应的图8中，也被提取了出来。

利用小波变换提取电磁泄漏信号的智能化电磁环境测试系统主要通过我们的电磁泄漏测试软件来实现，其功能实现图如图9。运行软件进入主界面901后，首先根据我们的需要选定设备和环境的电磁泄漏检测901或者电磁环境监测902的方法，软件将会出现我们相应的操作界面，根据实际情况在操作界面上输入基本测试信息，如：测试地点，测试单位，测试人员，测试日期，测试时间和备注等，这些信息将会存储进数据库，方便历史查询等。

选择电磁泄漏检测时，需要在操作界面的测试信息栏里接着输入我们需要测试的频率范围，参考电平以及扫描次数，这些信息在测试任务开始后，将会通过GPIB卡传输给频谱仪，控制频谱仪进行工作，此时频谱仪由电脑中的软件接管。

如果选择电磁环境监测902时，我们需要在上面的基础之上添加扫描的时间，它控制系统进行电磁环境监测时的工作时间；另外，需要选择我们该环境的历史环境，作为比对之用，历史比对库在电磁环境监测界面的右上方，如果没有历史的比对库，我们需要对电磁环境进行扫描，生成一个比对库。

由于所用的天线不同，需要添加不同的天线校准因子来进行校准，我们在天线校准因子处选择所要添加的天线校准因子，系统会将天线因子的数据随着各个不同的频段添加到测试数据中来进行校准。

各个参数输入完毕后，开始测试，系统开始自动工作。测试软件控制频谱仪，该部分主要是通过Labview的控制语言编写而成906，频谱仪接收天线传递过来的已测数据，并将每一帧显示的数据同步传送给测控计算机，测控计算机接收数据，通过测试软件利用小波变换及相关算法从噪声中提取出信号。由于db3小波在时域和频域同时具有良好的局域性，随着支集长度的增加，db3小波的分频能力明显增强，小波函数明显光滑，去除噪声的效果更好，我们在本算法中选择db3小波，四层分解，其过程如下：

1)采用db3的低频分解滤波器ld和高频分解滤波器hd对频谱仪传送给计算机的采样信号S进行四层分解，分解成高频系数CD1，CD2，CD3，CD4和低频系数CA1，CA2，CA3，CA4；

2)分别对高频系数CD1，CD2，CD3，CD4进行滤波处理，采用软阈值公式：

$\mathrm{thr}=\mathrm{\σ}\sqrt{2\ln \left(n\right)}/0.6745,$

式中：thr为计算后得到的软阈值，n为采样点个数，σ为信号S的标准差。

滤波的高频系数公式为：

$x\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sgn}\left(x\left(i\right)\right)\·\left(\right|x\left(i\right)|-\mathrm{thr})& \left|x\left(i\right)\right|>\mathrm{thr}\\ 0& \left|x\left(i\right)\right|\≤\mathrm{thr}\end{array}\right.$

式中：x(i)为第i个点的幅度值。

修改后的高频系数为CDD1，CDD2，CDD3，CDD4。

3)对低频系数和修改后的高频系数采用低频重构滤波器lr和高频重构滤波器hr对信号进行重构，得到重构后的信号S′。

4)对重构后的信号S′提取信号特征，分为以下两步：

a)利用概率确定背景阈值，这是由于背景幅度值处在同一个范围的，

该方法可以有效的克服采用极值方法中存在突变而导致信号错误提取的问题。通过分析，背景阈值在采样信号当中一定为出现次数最多的值，首先判断不同幅值的个数k，计算发生概率 ${\mathrm{\η}}_i=\frac{n_i}{N},i\∈[1,k].$

式中：N为每次采样点的总数，n_i为第i个幅值的出现次数，比较得到前三个最大的η_i，η_a，η_b，η_c找出对应的三个幅度值V_a，V_b，V_c，确定 $V=\frac{V_a+V_b+V_c}{3}$ 为背景阈值。

b)用重构后的信号S′中每个频率点的幅度和V进行比较，超出部分确认为信号，并通过计算得到信号的带宽。图3至图8是我们实际应用中的两个例子，从实例中我们可以看出该方法可以有效的提取出电磁信号。

通过该算法，我们可以有效的提取出电磁泄漏信号的幅频特性，特别是针对微弱信号。测试的实时结果将在窗口中动态显示，并且在下面的信号统计列表框中列出信号的幅频特性。

测试结束后，获得测试结果907，我们可以对所获取的信号进行排序，修改，删除，添加等操作，可以对图形放大，观看细节，并且将信号存储入库，能够对信号库进行查看和管理908，我们可以看到以前测试的历史信息。进行数据库管理过程中，查询我们需要的测试数据909，通过限制相应的查询条件910，我们就可以一步步获取到我们所要的信息。

对于系统所提取出来的信号，我们可以进行深一步的研究，该部分在无线电信号处理模块904。对于所要进行分析的信号，选定该信号，分析泄漏类型，本系统对常见的无线电信号，如：AM，PM，FM等信号的类型可以进行判断，如果判断是AM或者是FM调制信号，本系统可以进行解调，信号解调的功能主要是通过计算机控制语言控制频谱仪进行解调。

本发明在电磁泄漏检测和电磁环境监测时，对提取出来的泄漏信号进行泄漏等级判断，然后自动报警912，报警分为三个等级，为红色，橙色，黄色。首先设定超标阈值，超过这个阈值表示泄漏超标，超出部分小于5dB为黄色警报，为最低，大于10dB的为红色警报，中间的为橙色警报。

本发明在进行电磁环境监测的过程当中，不仅可以对信号进行获取，同时可进行步骤905对某段时间内电磁环境动态特性分析，电磁环境动态特性分析也可以称为电磁环境变化动态分析，该分析可利用互相关算法进行，其算法步骤如下：

1)从电磁环境监测信号中选取一段对应于时间段[t₁，t₁+τ]的已测频段信号，把它作为互相关的比对信号{X(i)，i＝1，2...K}；其中K为信号序列长度，τ为测试的时间间隔；

2)选取另一时间段[t₂，t₂+τ]所测的相同频段信号作为需要比对的信号{Y(i)，i＝1，2...K}；

3)利用互相关公式 ${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xy}}\left(j\right)=\frac{\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(i\right)\·Y(i+j)}{{\left[\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}^2\left(i\right)\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{Y}^2\left(i\right)\right]}^{1/2}},$ 计算它们的互相关系数，其中：j为偏移自变量；j＝0～K；

4)利用互相关系数判断电磁环境的改变情况，当ρ_xy(j)≤0.9时，判断电磁环境发生改变。

Claims (5)

1.利用小波变换提取电磁泄漏信号的电磁环境测试系统，其特征是，包括：

宽带天线，用于接收电磁环境或电子设备周围的泄漏电磁场信号，将其转变为电压信号；

频谱仪，对天线传送过来的信号进行采集、滤波、检波，将连续信号转变为数字处理信号；

带有GPIB卡的测控计算机包括加载的电磁环境测试控件，用于控制频谱仪按设定参数输出信号；用于对得到的采集信号进行处理；

所述的对得到的采集信号进行处理的流程步骤：至少一个利用小波变换和基于概率确定背景阈值的方法进行电磁信号的提取，至少一个利用互相关算法进行电磁环境动态特性分析；

所述的利用小波变换和基于概率确定背景阈值的方法，其过程如下：

i)采用db3的低频分解滤波器ld和高频分解滤波器hd对频谱仪传送给计算机的采样信号S进行四层分解，分解成高频系数CD1，CD2，CD3，CD4和低频系数CA1，CA2，CA3，CA4；

ii)分别对高频系数CD1，CD2，CD3，CD4进行滤波处理，采用软阈值公式：

$\mathrm{thr}=\mathrm{\σ}\sqrt{2\ln \left(n\right)}/0.6745,$

式中：thr为计算后得到的软阈值，n为采样点个数，σ为信号S的标准差；滤波的高频系数公式为：

$x\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sgn}\left(x\left(i\right)\right)\·\left(\right|x\left(i\right)|-\mathrm{thr})& \left|x\left(i\right)\right|>\mathrm{thr}\\ 0& \left|x\left(i\right)\right|\≤\mathrm{thr}\end{array}\right.$

式中，x(i)为第i个点的幅度值；

修改后的高频系数为CDD1，CDD2，CDD3，CDD4；

iii)对低频系数和修改后的高频系数采用低频重构滤波器lr和高频重构滤波器hr对信号进行重构，得到重构后的信号S′；

iiii)对重构后的信号S′提取信号特征，分为以下两步：

a)利用概率确定背景阈值，这是由于背景幅度值处在同一个范围的，该方法可以有效的克服采用极值方法中存在突变而导致信号错误提取的问题；通过分析，背景阈值在采样信号当中一定为出现次数最多的值，首先判断不同幅值的个数k，计算发生概率

i∈[1，k]；

式中：N为每次采样点的总数，n_i为第i个幅值的出现次数，比较得到最大的η，找出对应的幅度值V，确定它为背景阈值；

b)用重构后的信号S’中每个频率点的幅度和V进行比较，超出部分确认为信号，并通过计算得到信号的带宽；

所述的电磁环境动态特性分析是利用互相关算法分析在不同时间段内相同频段内测试获得的电磁频谱信号改变的情况，其算法步骤如下：

1)从电磁环境监测信号中选取一段对应于时间段[t₁，t₁+τ]的已测频段信号，把它作为互相关的比对信号{X(i)i＝1，2...K}；其中K为信号序列长度，τ为测试的时间间隔；

2)选取另一时间段[t₂，t₂+τ]所测的相同频段信号作为需要比对的信号{Y(i)，i＝1，2...K}；

3)利用互相关公式

计算它们的互相关系数，其中：j为偏移自变量；j＝0～K；

4)利用互相关系数判断电磁环境的改变情况，当ρ_xy(j)≤0.9时，判断电磁环境发生改变。

2.根据权利要求1所述的利用小波变换提取电磁泄漏信号的电磁环境测试系统，其特征是：所述的天线是一组覆盖频率为10KHz～18GHz的天线组。

3.根据权利要求1所述的利用小波变换提取电磁泄漏信号的电磁环境测试系统，其特征是：所述的频谱仪包括一个与测控计算机连接的通讯接口，通讯接口与安装在测控计算机上的GPIB卡相连，用于数据的传输。

4.根据权利要求1所述的利用小波变换提取电磁泄漏信号的电磁环境测试系统，其特征是：所述的用于控制频谱仪按设定参数输出信号中的设定参数是测控计算机向频谱仪发出的测试的频率范围、参考电平、扫描次数；所述的按设定参数输出信号是频谱仪依据频率范围、参考电平、扫描次数采集宽带天线的电磁功率电平数据传输给测控计算机。

5.根据权利要求1所述的利用小波变换提取电磁泄漏信号的电磁环境测试系统，其特征是：所述的电磁环境测试控件至少包括电磁泄漏信号检测及电磁环境动态监测两大功能模块；其中电磁泄漏信号检测模块，用于实现对电磁泄漏信号的分级报警、信号提取、无线电特征分析；电磁环境动态监测模块用于实现电磁环境连续扫描、电磁环境变化动态分析、历史背景相关性分析。

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