如何攻破软件
如何攻破软件，英文名how to break software。本文为精简版，浓缩就是精华啊。报错信恳仅仅是迫使程序停止来显示一条报错信息、,然后接着执行卜一条输入或者直到定时器超时而凵。但是,也有其他一些报错信息则是来自于被程序抛岀和异常处理器被执行引发的异常。异常处理器(或中央错误处理线程)因其指针突然改变而数据状态不产生相应变化,通常会存在问题。异常处理器执行的睽间,各种各样的数据问题接踵而至:文件未关闭、内存未释放、数据未初始化。当控制重新回到主线程,很难判断错误处理器是在什么时刻被调用,又会有怎样的遗留问题在等待粗心大意的开发人员:因为文件没有关闭导致打开文件失败、在没有初始化前就开始使用数据。如果我们能确侏在所有的报错信息都出现过之后系统依然正常工作,那么也算是为用户省去」不少麻烦(吏不用说我们的维护工程师∫)图1展小∫我的学生在微软Word20中发现的一个有趣的bug,一条错误提小不知为何连续出现了两次。这个bug是在通过单一输入攻击错误处理线程的过程中发现的确保软件指定默认值。开发人员通常不记得在用户输入越界或给参数改置不合理的值时指定默认的值。有时候强制改立默认值意味着什么也不做一一然而正因为恕不到,这一举措甚至难倒」优秀的开发人员。例如,在word2000中,如下对话框中有一个选择框,当不对其做任何修改时再次打开对话框,该控件将消失。对比左右图片中的对话框。你发现什么控件消失了吗?Index and I atlesaE Ind and T nhl图hdat Tae or Crems I ae ofEr|Bt图pr PC aba业pHanns JEening 2REMTE 2Stade 3.HAidar 2HeadsP Eghk dg pae numbersT-n k有的时候指定默认值需要先改变值的当前设定,然后将其设定为个不合理的值。这种连续的转换保让了再转换成其他可用的值前是经过设置默认值尝试输入变量的所有可用的字符集有的输入问题很简单,特别是当你使用了类似$,%,#,引号等等字符付,这些字符在许多编程语言中有特姝意义并且作为输入被读入时通常需要特姝处理。如果廾发人员未考虑这种情况,则这些输入可能导致程序的失败。通过改变输入内容的多少引发输出区域的改变聚焦丁输出木身是一神发现bug颇有成效但是极少使用的方法。其思想是:先假定一种表现为bug的输出或者行为,然后寻找能够导致这种现场产生的输入。以上所述的一个简单的攻击例子就是通过改变输入值和输入字符串的长度来引发输出区域大小的重新计算。个很好的概念性例子是将时钟的时间设置为9:59,然后等待它转到10:00。一开始显示区域是4个字符长度而后来是5。反过来,我们设定时间为12:59(5个字符),然后等待其转变为1:00(4个字符)。开发人员通常只会对初始化为空白的情况进行处理而不曾考虑到显小区域己有数据的情况下如何史新该区域以显小不同长度的数据。举个例子, PowerPoint中的“艺术字”功能中有个有趣的bug。假定我们输入下图中的个长的字符串可以发现因为字符串太长,并不是整个字符串都能显小出来。但这不是问题的关键。点击确认按钮时触发两个事件。首先,程序计算岀需要的输岀区域大小,然后将输入的文字填充进去。现在,我们编辑该字符串,将它改为单个字符。可以发现尽管现在只有单个字符,字体大小也没有改变,但显小区域大小却没有发生改变。进一步看。如果冉次编辑该字符串为多行的字符串,输出结果更有意思、。E Microsoft PowerPoint-[Presentotion1I回E= Fdit iAv Tns+ Form=t工 hls li smw inimw Henl可x回的品“口27%-2⊥□ ATTENTONMicrosoft InterJob interviewsCareerGo to room 210ae for all god mene come to the aid回 Eile Edit iaw Insert Forst Tools Slide show MA. in+y出1型x」10ATTENTIONob interviewsheld in Career seGo to room 20Keuper BldgC Microsoft Powerpoint [PresentationalUJEil- Edit yiw Insert For mat Inns Slide Show Mlinrnw Hen回x当鹛5x:+兽当2791 ATTENT工ONMicrosoft internheld in Career seGo to roomKeuper Bld一分也Aa的≡我悲这部分凵经介绍得比较清楚了,我们将进入卜一部分确保对显示区域的边界的检査。这是基于输出的另一种攻击思路,与之前的|分类似。然而,不同于之前着力」导致显区域内部出错,这次我们将精力集中在显示区域的外部。并且显示区域将不再重新计算显示边芥而仅仅是考虑边界溢出。再以 Power Poin为例,我们可以先画一个文木框,然后输入一个带上标的字符串。放大该字符串的宇体使上标的上半部分被截断。这一问题将连同之后的相关问题一起说明。引发屏幕刷新问题。这是使用 windows图形用户界面的用户会遇到的主要问题。对开发人员来说,史是个大问题:过度的刷新将导致程序变慢,而不刷新又会导致大大小小的问题,小至要求用户强制刷新,大到导致用户的操作失败通常通过在屏幕上添加、删除和移动元素来触发血刷新。这将导致背景車新绘制,如果贞面不能正确、及时地作出相应,那么这就是通常意义上的bug。其中,尝试变化所移动的元素的距离是一种较好的方式,可以移动一点点,接着移动一大截,移动一两次,接着移动很多次接着说回上面例子中的带上标的字符串,试着每次用鼠标拖动它移动一些距离,就会发现令人讨厌的问题,如下图所示。在 Office2000中→4引丝常出现的另一个与L口 ATTENIIONMcr。 tk Intern屏幕刷新相关的问题lob interview arheld in Cae se是文本的异常消失。Go to noon 21025Keuper Bdg这一讨厌的问题在word的页面边界附近4出现。Click to add notes输入值组合攻击口的rcm如南哪、、口四面、,凸,画■翻第二类输入/输出Side S 0f 6Bur Desnbug主要针对多个共同作用或相互影响的输入。例如,一个通过两个参数调用的API,其中一个参数的取值建立在另一个参数取值的基础上。通常,bug正是出在值组合上,因为代码的逻辑关系复张。找出不能共存的输入值的组合。那么哪些值的组合是有问题的?这个问题目前还处于积极研究中,但是我们已经找到了一个特别有效地方法,那就是先确定期望获得的输岀,然后试着去找到对应的输入值的组合。尝试产生无效的输出。这是一种适用于测试人员对问题域十分清楚的有效攻击方法。例如,当你在测试一个计算器并且清楚部分功能点的结果有限制时,试图找到超岀范围的结果所对应的输入值组合是值得的。但是,如果你不熟悉数学,那么这种努力很可能是浪费时间一一你甚至可能将一个不正确的结果当成正确的。有时候 windows木身会给出提示,告诉你哪些输入是相互关联的。此时,测试人员可以去测试这些值的范围,并且尝试触犯既定的关系。输入序列攻击软件中的输入就像一种止式的语言。单一的输入相当」组成语言的字母,输入的字符串类似构成语言的句子。其中一些句」应该通过控件和输入区域的启用与禁用被过滤。通过尽可能多地输入字符串、改变输入的顺序来测试这种问题选择导致无效输出的输入序列。和上文描述这是一种找到问题输入组合的好方法一样,这同样是找出有问题的输入序列的好方法。例如,当我们发现∫Oice2000中的一个导致文本消失的问题后,对 Power point幻灯片中标题文本框进行攻击。如下的一组屏幕截图冉现∫一个特定的输入序列是如何导致文本消失的。正回国wFE和 Eai swa. wart Frat m ao sty oran阳 mrt ma Dect ilt sow如mhDdF)…gB5:h1感 ATTLATI0H1b粪 ITtNTION1直 ITHNTIONMicosofT I nterMicrosoft Imt把MIcroset IotelCxn caosATHENTIONGo tD roMm 2门rNGatD fosT丑Micros af lrtenigveeKHr段hMirswios bereitKere EdCm取曰BD日要!比 b and ncosr宝tams7m· R6 anime)s□42正△=a面口日压=日日2▲·=量有趣的是仅仅将文本框旋转180度并不能发现这个bug。必须按照这样的操作顺序:旋转180度后,再旋转10度(或者更多)。逆向执行以上操作并不能修正这一问题,每当点山标题外部区域,该标题内容就会消失。改变输入的顺序之所以善于发现bug是因为很多操作自身成功执行的同时会遗留很多问题,它们将导致之后的操作失败。对输入序列进行彻底的检査会暴露出很多这样的问题。然而有时侯,下面这种攻击表明:为了发现bug,根本不需要使用多种多样的输入序列多次重复同样的输入序列。这种方式会对资源造成大规模占用,并且对存储数据空间造成压力,当然也包括发现其他负面的遗留问题。遗憾的是,大多数应用程序并不清楚自身空间和时间的限制,而许多开发人员倾向于假定资源总是足够可用的。在Word的公式编辑器中可以找到这方面的一个例子,程序本身似乎并不清楚它只能处理10层嵌套括号的计算数据攻击数据是软件的命脉;如果你设法破坏了它,那么程序将不得不使用被破坏的数据,这之后得到的就不是合理的结果。所以理解数据是如何、在何处建立是必要的从本质上讲,数据的存储是通过读取输入,然后将其存储在內部或者存储一些內部计算的结果来实现的。因此,测试正是通过提供输入和执行计算来实现数据在应用程序中的传递数据攻击遵循以下简单原则。数据攻击变量值攻击1存储不正确的数据类型2使数据值超过允许的范围数据单元大小攻击3.溢出输入缓冲区4存储过多的值5存储太少的值数据访问攻击6找出同一数据的不同修改方式变量值攻击这一类的攻击需憂对内韶存储的数据对象的数据类型和合法值进行检查。如果有对源码的权限则这些信息可以轻易得到,但是,通过小小的探索性测试和对错误信息的关注也可以确定人致的类型信息。改变输入的数据类型来找出不匹配的类型。在需要整数的区域输入字符(和类似的攻击)已经被证明十分有效,但随着现代编程语言对类型检查和类型转换的处理变得容易,我们发现这样的攻击相对之前已经不再那么有效使数据值超过允许的范围。被存储的变量数据和输入的变量数据一样,这样的攻击方式同样适用数据单元大小攻击第二类数据攻击旨在蝕发数据结构的溢出和下溢。换句话说。攻击试图打破预先设定的数据对象的大小限制。首先要说的就是典型的缓冲区溢出。溢出输入缓冲区。此处通过输入长字符串导致输入缓冲区溢出。这是黑客们偏好的攻击方式,因为有时候应用程序在崩溃之后会继续执行进程。若一名黑客将一段可执行代码附在一个长字符串中输入,程序很可能执行这段代码在Word2000的一个缓冲区溢出问题就是这样一个可被利用的bg,此bug被发现在査找/替换玏能中,如下所示。有趣的是,“查找”这一字段被合理地加以限制而“替換”没有正出面同一数据结构存储过多的值。复杂地数据结构诸如数组、矩阵和列表在测试中不仅仅要考虑存储8在其中的数值,还要考虑存储值的数目。同一数据结构存储过少的值。当数据结4正A日国重构允许增加和删除信息时,通常在做了n-1次增加的同时穿插着或在其之后做n次删除操作会导致攻击成功。数据访问攻击我的朋友 Alan Jorgensen喜欢用“右手不明左手所为”这句话来形容这一类bug。道理很简单,但开发人员却常倒在这一类攻击下:在很多程序中通常任何任务都能通过多种途径完成。对测试人员来说,这意味着同一个函数可以由多个入口来调用,这些入口都必须确保该函数的初始条件得到满足。个极好的例子是我的学生在 PowerPoint中发现的表格数据大小相关的崩溃性bug。创建表格时最大尺寸被限定为25×25。然而,可以创建一个25×25的表格,然后为其添加行和列——导致应用程序崩溃。这就是说,程序一方面不允许26×26的表格存在而另一方面却并不清楚这个规则的存在。运算攻击运算攻击操作数攻击使用非法操作数进行运算找出非法操作数组合结果攻士使运算结果过大使运算结果过小功能相互作用攻击找出共亨数据不佳的功能操作数攻击这类攻击需要知道在一个或史多内部运算中操作数的数据类型和可用的值。如果有源码权限则这些信息可以轻易获得。否则,测试人员必须尽最大努力去弄清楚正在进行的运算只体是什么、使用的是什么数据类型。触发由非法操作数引起的运算。有时侯输入或存储的数据处于合法的范围之中,但是在某些运算类型中却是非法的。被0除就是一个很好的例子。0是一个合法的整数,但作为除法运算的除数却是非法的。找出不能共存的操作数的组合。涉及到一个以上操作数的运算不仅受制于上面的攻击,同时存在操作数冲突的可能性。结果攻击第二类运算攻击旨在造成存储运算结果的数据对象的溢出和下溢试图造成运算结果过大而存储失败。就算是简单如y=x+1这样的运算在数值边界上也常出问题。如果x和y都是2比特的整数并且ⅹ的值为32768,则这一运算将失败,因为结果将会造成存储溢出。试图造成运算结果过小而存储失败和上文相同,不同的是使用y=x-1并且使x的值为-32767功能相互作用攻击文章中讨论的这最后一类攻击或许算是所有种类的鼻祖,可以用来区分测试菜鸟和专业人员:功能的相互作用。问题没有什么新意:不同的应用程序功能共享同一数据空间。两种功能的相工作用导致应用程序失败,不是因为对数据处理的设定不同,就是因为产生了不良副作用但是哪些功能共享数据并且能够在冲突情况下实现数据转化口前还是测试领域中一个开放的问题。日前我们正停留在不断地尝试阶段。下面这个例子足以说明情况这个例子给出了在Word2000中的同一页面上合并注和双列时出现的一个出人意料的结果。问题在于:Word从注释的引用点计算脚注的页面宽度。所以,若同一页面上存在两条脚注,一条被处于双列位置的内容所引用,另一条则被处于单列位置的内容所引用,单列脚注公将双列脚注挤到下一页面。同时被挤掉的还有引用点至页面底部间的文本。三萨三下面的屏幕截图形象地说明」问题。第二列的文木去哪里∫?连同脚如三签注一起处在n远aoh1M黑下一次你会任由文档像1=11 aata Ln1a回下111D这样显小吗?在找到解决方法(这意味着你得花时间去整理)前你将不得不忍受这一现状结论简单遍历—遍上面罗列的21种攻击策略叮以覆盖应用程序的大部分功能。事实上,施行次成功的攻击通常意味着尝试各种可能性,走过很多死胡同。但是仅仅因为部分这一类探索性方法发现不了bug并不意味着它们没有用。首先,这段吋间使用应用程序帮助测试人员熟悉程序的各种功能,从而产生新的攻击思路。其次,测试通过是好的消息!它们表明,品是可靠的:尤其当这组测试是上面所说的恶意攻击。如果代码可以承受这样的测试过程,它儿乎可以应对用户作出的任何操作。另外,永远不要低估了测试时怀揣一个具体目标的作用。我见过太多测试人员把时间浪费在亳无目的地输入或者随机地调用API试图导致软件出错。实行测试意味着制定明确的目标一一基丁会出错的点—一然后设计测试用例来实践该目标。这样,每个测试用例都有目的泩并且进度可以被随时控制。最后,记住,测试应该是有趣的。攻击这一比喻正是对测试的这一特性很好的诠释并且还为愉快的消遣时光添加∫些许作料。狩猎愉快
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基于FPGA的任意波形发生器的研究与设计详细说明文档
非常详细的资料，介绍了FPGA的DDS技术，文档内有verilog的源代码，可以直接使用，非常适合初学者，快点下载吧。ABSTRACTWith the rapid development of science and technology, electronic measurementtechnique has been widely used in each field such as electronics, machinery, medical,measurement and space. The electronic measurement technology needs to use variousforms of high quality source. So arbitrary waveform generator has very importantpractical significance. The development of arbitrary waveform generator, which basedon Direct Digital Synthesis is discussed in this paper. The generator can produce notonly the conventional waveform such as sine wave, square, triangle wave andsawtooth wave, but the arbitrary waveform, thus this can meet the need of the studyThe work of this paper is as follows:( 1) The domestic and overseas status about the arbitrary waveform generator arediscussed. Clarify the various ways of this synthesis technology of frequency andtechnical comparison, and direct digital frequency synthesis technology is selected toresearch(2)Introduce the hardware design in this system structure and the realization offunction, and a detailed description is given about system components. The singlechip microcomputer is chosen as control module, we use FPga as the coretechnology to realize DDs. The periphery of the circuit design and interfacetechnology is analyzed(3) This paper analyses the working principle, characteristics and technical indexesof the DDS. The design is based on EP1C3T144C8 FPGA chips. Realize DDSfunction through the use of phase accumulator and waveform RoM, and apply enablemodule and the determinant keyboard to present the flexible output of variouswaveform(4) The system test data is given. The reason caused by stray and noise influencingthe spectral purity is analyzedKEY WORDS: Electronic measurement; arbitrary waveform generator; DDS; SCM; FPGA华南师范大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。论文作者签名:日期:29年6月5日学位论文使用授权声明本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规定,即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版,允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存、汇编学位论文。(保密的论文在解密后遵守此规定)保密论文注释:本学位论文属于保密范围,在年后解密适用本授权书。非保密论文注释:本学位论文不属于保密范围,适用本授权书论文作者签名:导师签名+1期:10年6月5日日期:22)年b月S日第一章绪论本章主要介绍任意波形发生器的研究意义,以及发展的概况与趋势,并介绍本设计所需要做的软硬件工作,提出设计需要实现的目标。11任意波形发生器的研究意义任意波形发生器( Arbitrary Waveform Generator,AWG)实际上是一种多波型的信号发生器,它不仅能产生正弦波、方波、三角波、斜波和指数波等常规波形,也可以表现出载波调制的多样化,如:产生调频、调幅、调相和脉冲调制等。更可以通过计算机软件实现波形的编辑,从而生成用户所需要的各种任意波形,来满足各种实验研究的需要随着科学技术的飞速发展,电子测量技术被广泛应用在电子、机械、医疗、测控及航天等各个领域。许多电子系统,甚至电子器件只有在一定的电信号作用下,其性能才能显露出来。另一方面,一些电器设备在研究和生产过程中也少不了信号源,它们借助信号源通过测量来鉴定其性能的优劣。所以许多现代电子设备和系统的功能如何,都直接的取决于信号源质量的高低,如何产生高稳定度、高准确度的信号是任意波形发生器研制的关键。因此,信号发生器的表现就至关重要。我国的电子测量技术起步较晚,虽然在一些领域也取得了许多突破性进展,但是与世界先进水平相比,仍然存在着很大的差距。因此提高国内电子测量仪器的研制水平,加强核心技术的研发,对我国电子测量技术的发展,有着非常重要的意义。12任意波形发生器的发展概况最早的信号发生器主要采用RC构成振荡电路。如1928年美国先后生产出的调幅信号发生器与调频信号发生器。20世纪40年代许多国家已经开始研究脉冲信号发生器。1962年美国 Wavetek公司在RC电路的基础上,又推出了函数发生器产品。在60年代初,起源于通信领域的频率合成技术也引用到信号源上,出现了合成信号发生器。自80年代以来人们又将微机技术引入信号源,出现了任意波形发生器。早期的信号发生器主要采用模拟电子技术,电路结构复杂,工艺不够成熟,因此存在着如:漂移较大,输岀波形的幅度稳定性差,模拟器件构成的电路尺寸大、价格贵、功耗大等缺点。80年代以后,现代电子、计算机和信号处理等技术的发展,极大的促进了数字化技术在电子测量仪器的应用。高集成化微处理器的出现,增大了更复杂波形产生与波形稳定的操控性。这时期的波形发生器多以软件为主,实质是采用微处理器对DAC的程序控制,从而得到各种所需波形。任意波形发生器的实现方案主要有程序控制输出、DMA输出、可变时钟计数器寻址和直接数字频率合成等多种方式2。目前任意波形发生器的研制主要基于DDS(直接数字频率合成)技术,与传统的频率合成器相比,DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点,广泛使用在通信、测量与电子仪器领域,是实现设备全数字化的一个关键技术。近20年发展迅速,因此许多国家都在进行DDS专用芯片的研制。其中AD公司较为突出,如常见的AD9852、AD9858等产品,现在又推出了性能更强大的AD9952、AD9958、AD9912。其中AD9912包含可提供谐波杂散抑制的辅助低功耗DDS内核,以及48位频率调谐字和内置比较器,具有1GSPS内部时钟速率和高达400MHz直接输出。基于DDS技术的任意波形发生器的发展也同步进行,目前的任意波形发生器的产品结构形式主要有三种:独立仪器结构形式、PC总线插卡式和VⅪI模块式。近几年国际任意波形发生器技术主要发展,除了输出波形频率的提高和更方便的波形输入外,便是与ⅴX资源的结合。在测量和产生复杂的任意波形时,VXI系统资源在这些应用中具有较为明显的优势,尤其对自动测试系统(ATE特别有用。任意波形发生器在商业研发生产中,以 Agilent公司和 Tektronix公司最具有代表性,其任意波形发生器产品已经形成相当的市场占有率,并以优异的产品技术,引领着该领域的发展。如: Agilent公司的N6030A任意波形发生器,它拥有15位的垂直分辨率,125GS/s的采样频率,500MH的输出频率。 Tektronixκ公司更是于2008年推出了性能与速度更为优异的产品:AWG700。采样频率高达24GS/s,也可以做到96GHz有效RF频率输出。不仅如此,该产品还提供了高达10位的垂直分辨率:10位(无标记输出)或8位(带有两个标记输出);高达64M(64:80000点的记录长度,提供了更长的数据流;低至100f分辨率的边沿定时位移控制;16000步序列功能,创建无穷大波形循环、跳转和条件分支。能够生成高速串行信号、多电平信号、为存储设备测试生成信号、宽带RF信号。我国从90年代才开始研制任意波形发生器,比较有代表性的产品有北京普源精电科技有限公司生产的DG3121A,它拥有14位的垂直分辨率、300MSa/的采样率和120MHz的最高频率输出。它是业界第一个具备了数字逻辑输出功能的任意波形发生器。指标在国产的函数/任意波形发生器中处于优势地位,在同类产品中,具有最完备的通信接口,具备RS232,USB,GPIB,LAN。但比起同类产品 Agilent公司的33250A在脉冲频率和频率稳定度等方面还有很大差距。不过普源还是在技术长有不少的创新,比如研制出了业界首台混合信号任意波形发生器。北京凯弘仪器生产的基于DDS的函数发生器就很有特色,由于内置了衰减器,能够实现最小01mVpp的输出和00ldB的分辨率。总体而言,国产任意波形发生器自研制以来取得了巨大的进步,但是在最高采样率,最大输出频率、频率稳定度和准确度等指标上和世界先进水平还存在着较大的差距1.3发展趋势由于电子测量技术及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展,促使信号发生器种类日益增多,性能日益提高,尤其随着70年代微处理器的出现,更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在,许多信号发生器除了带有微处理器,因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能外,还带有IEE488或RS232总线,可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便地构成自动测试系统。今后,任意波形发生器在较高的取样率,分辨率,记录长度和线性等方面功能会更强,任意波形发生器在射频和无线测试领域将会获得部分市场。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能方向发展14本文的主要工作硬件设计●电源模块电路的设计:各部件工作电压不同,有5V、3.3V、1.5V三种情况,因此须设计出满足各部件正常工作的电源模块。●单片机系统与接口电路设计单片机作为控制模块,实现与上位机信息传递与通信等各种功能,须设计出单片机的控制模块与相关接口电路●D/A转换与滤波电路的设计D/A转换器与滤波是整个电路的后续处理,D/A转换器实现波形的模拟输出、滤波器则选择合适的滤波器完成对信号的修整。●基于FPGA的DDS模块电路的设计FPGA实现DDS功能是整个设计的关键部分,根据相关原理,设计适合的逻辑图。●整机PCB板设计用 PROTEL DXP2004绘制电路板。软件使用●用Kei1C51对单片机传递信息在 Keil c51环境下,编写程序,完成计算机与单片机的通讯,Kei1提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境(μ vision)将这些部份组合在起,为单片机的使用提供良好的平台。●在 QuartusⅡ下对FGA进行设计在该环境下,实现FPGA的DDS电路设计实现目标波形要求:常规波形(正弦波、方波,三角波等)、任意波形存储深度:1—1024个点幅度分辨率:8位输出频率范围:1Hz1MHz(固定波形)设计目标:不仅可以生成方波、三角波、正弦波等标准波形,而且还要可以生成用户所需要的任意波形,同时输出波形的频率和幅度均可编程控制。4第二章任意波形发生器的理论分析本章首先介绍了频率合成技术的相关情况,并对三种不同形式的频率合成技术进行分析。同时系统的阐述了DDS的基本组成结构、工作原理、工作特点与技术指标,为DDS的构建打下理论基础。21频率合成技术简介频率合成是指从一个高稳定的参考频率,经过各种技术处理,生成一系列稳定的频率输出。频率合成的概念就是由一个或几个参考频率通过一些转换,产生个或多个频率信号的过程。频率合成技术一般分为直接式(DS)、间接式(PLL)和直接数字式(DDS)三种基本形式。早期的频率合成采用直接式的方式,是由一个或多个晶体震荡器经分频、倍频、混频对一个或几个基准频率进行加、减、乘、除运算产生所需要的频率信号,并通过滤波器产出,这是最早的频率合成信号源的方法。目前该方法仍在使用,主要是因为它频率转换速度、相位噪声低,比较容易实现4。但是该方式涉及的合成器体积过于庞大,而且成本较高,结构复杂、产生任意波形的可控性较低间接合成式是基于锁相环的原理,即PLL。它与前者相比,输出频率的稳定度和准确度都有明显的提高,频谱纯度等性能也有较大改善。主要是因为信号源的振荡频率被固定在频率计数器的时基上,也就是说以稳定度高的振荡器为基准。因此,锁相环的输出频率就与基准频率一致,振荡器输出信号和参考信号之间的相位差为固定的常数,而且锁相环的突出优点是能够抑制叠加到输入信号上的噪声。这是直接式频率合成方法所不能达到的。PLL还有体积小、性价比较高等一系列优点。但是PLL技术也有明显的缺点,采取闭环控制,系统的输出频率改变后,重新达到稳定的时间也就比较长,一般为毫秒级,很难满足高频率分辨率与快速转换率同时具备的要求,因此也有明显瑕疵。直接数字频率合成技术从原理上实现了突破。前两种方法都是通过对基准频率进行运算得出,而DDS技术则是从相位的概念进行频率合成。它按一定的相位间隔,将待产生的波形幅度的二进制数据存储于高速存储器作为查找表,用参考频率源(一般为晶体振荡器)作为时钟,用频率控制字决定每次从查找表中取出波形数据的相位间隔,以产生不同的输出频率,对取出的波形数据通过高速D/A转换器来合成出存储在存储器内的波形。直接数字频率合成技术的主要优点是输出相位连续、相对带宽较大、频率分辨率很高、可编程、准确度和稳定度都比较高。DDS技术是利用查表法来产生波形,而通过修改存储在ROM里的数据,就可以产生任意波形。所以它不仅能产生正弦、余弦、方波、三角波和锯齿波等常见波形,而且还可以根据需要利用各种编辑手段,产生传统函数发生器所不能产生的真正意义上的任意波形。DDSDirect Digital Synthesis)的概念首先由美国学者 J.Tiemcy, C. M.Rader和B.Gold在1971年提出,但限于当时的技术和工艺水平,DDS技术仅仅限于理论研究,而没有应用到实际中去。近20年来,随着Ⅴ LSI( Very Large Scale Integration),FPGA( Field ProgrammableGates Array)以及DSP( Digital Signal Processing)的发展,这种结构独特的频率合成技术得到了飞速发展。目前该技术已经被广泛用于接收机本振、信号发生器、通信系统、雷达系统等相关领域中。22DDS的基本原理和工作特点22DDS的基本结构DDS( Direct Digital Synthesis技术设计思想是基于数值计算信号波形的抽样值来实现频率合成的。它包括数字器件与模拟器件两部分,主要有相位累加器ROM波形查询表、数模转换器组成。其基本框图如下。相位累加器波形RoMD/A转换器低通滤波器控制字K输出时钟图21DDS结构框图(1)相位累加器是DDS的核心部分。一般是由数字全加器和数字寄存器组成实现相位累加。如下图所示。N频率挖制字K加法器备存器时钟频率c图22相位累加器结构框图般DDS的累加器都釆用二进制,线性数字信号通过相位累加器实现逐级的累加。假设累加器字长为N,频率控制字为K,控制时钟频率为f,系统在同
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