高 峰，王 婷，趙錁錁

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041;2.解放軍61212 部隊(duì)，北京 100091）

0 引言

無線電監(jiān)測(cè)的主要任務(wù)是利用監(jiān)測(cè)接收處理設(shè)備對(duì)無線電信號(hào)進(jìn)行搜索、截獲，并進(jìn)行調(diào)制識(shí)別、解調(diào)、分析等操作，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)無線電信號(hào)中的技術(shù)參數(shù)和信號(hào)特征的提取，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線電信號(hào)的監(jiān)測(cè)和監(jiān)管。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，無線電監(jiān)測(cè)的目標(biāo)從模擬廣播信號(hào)、常規(guī)話音信號(hào)、2G/3G 偽基站信號(hào)等傳統(tǒng)信號(hào)擴(kuò)展到數(shù)字集群信號(hào)、4G/5G移動(dòng)通信信號(hào)[1]、低慢小無人機(jī)通信信號(hào)[1][2]等新型民用通信目標(biāo)，信號(hào)體制包括了猝發(fā)、跳頻、擴(kuò)頻等多類信號(hào)，并且向高速數(shù)據(jù)傳輸、大帶寬、數(shù)字化等方向發(fā)展。

無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要快速適應(yīng)城市紛繁復(fù)雜的電磁環(huán)境，應(yīng)對(duì)不斷出現(xiàn)的新體制目標(biāo)。根據(jù)國(guó)際電聯(lián)無線電通信部門（ITU-R）的相關(guān)頻譜監(jiān)測(cè)演進(jìn)建議書（RecommendationSM.2039）的建議：擴(kuò)大監(jiān)測(cè)覆蓋范圍、功能靈活并適應(yīng)不同任務(wù)場(chǎng)景、提高自動(dòng)化和智能化水平是未來無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展方向，并對(duì)通信體制識(shí)別能力提出了更高的要求[3]。傳統(tǒng)的無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般采用相對(duì)松散和獨(dú)立設(shè)備，瞬時(shí)監(jiān)測(cè)范圍較窄，可擴(kuò)展能力差，不具備對(duì)信號(hào)體制的分析能力，不能滿足未來無線電監(jiān)測(cè)的發(fā)展需求。因此，需要發(fā)展寬帶多任務(wù)并行處理、可重構(gòu)、可擴(kuò)展、具備信號(hào)體制分析的新型無線電監(jiān)測(cè)處理平臺(tái)，以滿足未來無線電監(jiān)測(cè)任務(wù)的需求，提升無線電監(jiān)管工作的效率和能力。

基于上述分析，筆者開展了無線電監(jiān)測(cè)處理平臺(tái)硬件、軟件體系研究。采用多處理器/多核并行處理設(shè)計(jì)、模塊化和陣列化設(shè)計(jì)、以及可重構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)寬帶多類無線電信號(hào)的并行快速處理、系統(tǒng)功能的動(dòng)態(tài)重組，滿足各種復(fù)雜無線電監(jiān)測(cè)信號(hào)處理任務(wù)的需求。

1 無線電監(jiān)測(cè)處理平臺(tái)發(fā)展和趨勢(shì)

傳統(tǒng)的無線電監(jiān)測(cè)處理設(shè)備，主要針對(duì)窄帶通信制式的定頻信號(hào)，信號(hào)接收采集后并通過上層軟件的處理基本可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)處理分析。隨著監(jiān)測(cè)信號(hào)的帶寬增加兆赫茲級(jí)甚至幾十兆赫茲級(jí)，信號(hào)發(fā)射形式轉(zhuǎn)為猝發(fā)、跳頻甚至跳擴(kuò)信號(hào)，基于上層軟件的處理方法就難以應(yīng)對(duì)。采用FPGA等高速實(shí)時(shí)處理芯片進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理[4]，并結(jié)合DSP、CPU 進(jìn)行信號(hào)處理分析成為了主流的解決方案。隨著認(rèn)知無線電[5]、多處理器/多核進(jìn)行寬頻帶信號(hào)處理技術(shù)、軟件加載技術(shù)、特定信號(hào)體制分析技術(shù)的發(fā)展，為無線電監(jiān)測(cè)的寬頻段多任務(wù)快速處理、功能靈活擴(kuò)展、精細(xì)化體制分析等能力的提升創(chuàng)造了技術(shù)條件。

傳統(tǒng)的無線電監(jiān)測(cè)設(shè)備大多采用獨(dú)立式架構(gòu)，未采用數(shù)據(jù)總線，因此靈活度、通用性和擴(kuò)展性差。此后的無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用集中式架構(gòu)，采用數(shù)據(jù)總線，如采用PCI 總線[6]，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交換和分發(fā)，但尚未形成功能重構(gòu)能力。后續(xù)隨著總線技術(shù)的發(fā)展，VPX 總線支持標(biāo)準(zhǔn)的高速串行交換架構(gòu)，具有可面向高性能計(jì)算、可擴(kuò)展帶寬、傳輸速率高[7]的特點(diǎn)，為FPGA、DSP 芯片的快速重構(gòu)加載以及構(gòu)建模塊化、陣列化的無線電監(jiān)測(cè)處理平臺(tái)創(chuàng)造了技術(shù)條件。

2 新型無線電監(jiān)測(cè)處理平臺(tái)架構(gòu)

2.1 無線電監(jiān)測(cè)處理硬件架構(gòu)

新型無線電監(jiān)測(cè)處理平臺(tái)的硬件架構(gòu)如圖1 所示。平臺(tái)采用模塊化、陣列化設(shè)計(jì)，采用支持重構(gòu)功能的處理芯片以及高速處理總線構(gòu)建硬件平臺(tái)。以多片高速處理FPGA 組成寬帶中頻信號(hào)預(yù)處理陣列，以多核DSP 芯片組成基帶信號(hào)處理陣列，以POWERPC、CPU 組成數(shù)據(jù)融合及顯控陣列，以SSD 硬盤組形成信號(hào)采集高速存儲(chǔ)陣列。各處理陣列間和內(nèi)部采用SRIO、光口、以太網(wǎng)接口開展數(shù)據(jù)交互，可實(shí)現(xiàn)硬件資源的陣列化擴(kuò)展。

（1）寬帶中頻信號(hào)預(yù)處理陣列

采用高速AD 和FPGA 處理芯片構(gòu)成中頻信號(hào)預(yù)處理陣列，每片F(xiàn)PGA 可對(duì)至少60MHz 帶寬中頻信號(hào)進(jìn)行處理，多片F(xiàn)PGA 組成陣列可實(shí)現(xiàn)寬頻段信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。各FPGA 間采用SRIO 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并采用加載控制芯片實(shí)現(xiàn)程序的加載重構(gòu)。寬帶中頻信號(hào)預(yù)處理陣列實(shí)現(xiàn)無線電信號(hào)搜索捕獲、基本參數(shù)測(cè)量、濾波、數(shù)字下變頻、基帶數(shù)據(jù)生成功能。

（2）基帶信號(hào)處理陣列

采用多核DSP 信號(hào)處理芯片對(duì)FPGA 下發(fā)的基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行并行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)接口采用SRIO 高速接口。實(shí)現(xiàn)信號(hào)帶寬估計(jì)、頻偏校正、調(diào)制識(shí)別、網(wǎng)臺(tái)分選、信號(hào)測(cè)向、信號(hào)解調(diào)、體制識(shí)別、信息解析。

（3）數(shù)據(jù)融合及顯控陣列

采用POWERPC+CPU 的架構(gòu)，通過SRIO 接口與FPGA、DSP 連接，實(shí)現(xiàn)處理芯片陣列的資源調(diào)度、重構(gòu)控制、頻譜和分析結(jié)果展示。

（4）信號(hào)采集高速存儲(chǔ)陣列

信號(hào)采集高速存儲(chǔ)陣列包括SSD 硬盤陣列和控制電路，通過高速數(shù)據(jù)總線與其他各陣列連接。根據(jù)應(yīng)用的不同需求，信號(hào)采集高速存儲(chǔ)陣列實(shí)現(xiàn)FPGA 采集的中頻數(shù)據(jù)的快速存儲(chǔ)、基帶數(shù)據(jù)和解析結(jié)果的快速存儲(chǔ)。

圖1 新型無線電監(jiān)測(cè)處理硬件平臺(tái)架構(gòu)

2.2 無線電監(jiān)測(cè)處理軟件架構(gòu)

無線電監(jiān)測(cè)處理平臺(tái)的軟件架構(gòu)如圖2 所示。采用軟件定義無線電設(shè)計(jì)思路，采用中間件結(jié)合可重構(gòu)信號(hào)處理軟件構(gòu)件實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)無線電監(jiān)測(cè)功能重構(gòu)加載，主要包括應(yīng)用層、信號(hào)處理構(gòu)件、數(shù)據(jù)服務(wù)層、平臺(tái)服務(wù)層。

圖2 無線電監(jiān)測(cè)處理軟件架構(gòu)

（1）應(yīng)用層

無線電監(jiān)測(cè)處理平臺(tái)軟件的應(yīng)用層為監(jiān)測(cè)任務(wù)人機(jī)交互界面。通過人工結(jié)合自動(dòng)的方式，實(shí)現(xiàn)無線電監(jiān)測(cè)控制和結(jié)果顯示。主要具備無線電監(jiān)測(cè)的頻譜監(jiān)測(cè)、信號(hào)識(shí)別、目標(biāo)定位、解調(diào)解析、體制獲取。

（2）信號(hào)處理構(gòu)件

信號(hào)處理構(gòu)件包括無線電監(jiān)測(cè)任務(wù)所需的功能構(gòu)件。主要包括以下構(gòu)件：實(shí)現(xiàn)無線電頻譜監(jiān)測(cè)和初步識(shí)別功能的信號(hào)搜索、參數(shù)測(cè)量、數(shù)字濾波、帶寬估計(jì)、調(diào)制識(shí)別等構(gòu)件；實(shí)現(xiàn)信號(hào)分選功能的網(wǎng)臺(tái)分選等構(gòu)件；實(shí)現(xiàn)通信體制分析功能的信號(hào)解調(diào)、體制分析、信息解析等構(gòu)件；實(shí)現(xiàn)信號(hào)定位功能的測(cè)向融合等構(gòu)件。各功能構(gòu)件通過組合及加載的方式實(shí)現(xiàn)平臺(tái)軟件功能的重構(gòu)。

（3）數(shù)據(jù)服務(wù)層

數(shù)據(jù)服務(wù)層主要實(shí)現(xiàn)無線電監(jiān)測(cè)任務(wù)的數(shù)據(jù)支撐，包括以下數(shù)據(jù)庫(kù)：信號(hào)樣本庫(kù)實(shí)現(xiàn)無線電監(jiān)測(cè)的訓(xùn)練和監(jiān)測(cè)匹配；無線電情報(bào)庫(kù)實(shí)現(xiàn)無線電監(jiān)測(cè)的情報(bào)信息積累支撐，為后續(xù)無線電監(jiān)測(cè)任務(wù)提供先驗(yàn)信息；知識(shí)庫(kù)和學(xué)習(xí)庫(kù)為提高系統(tǒng)自動(dòng)化和智能化水平、實(shí)現(xiàn)功能升級(jí)擴(kuò)展提供支撐。

（4）平臺(tái)服務(wù)層

無線電監(jiān)測(cè)處理平臺(tái)軟件的平臺(tái)服務(wù)層主要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的重構(gòu)控制、驅(qū)動(dòng)、運(yùn)維狀態(tài)等功能，是系統(tǒng)平臺(tái)化的重要軟件支撐。主要包括實(shí)現(xiàn)重構(gòu)控制的中間件管理、軟件構(gòu)件配置、加載管理模塊，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能的操作系統(tǒng)、底層驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視運(yùn)維功能的狀態(tài)監(jiān)視、平臺(tái)運(yùn)維模塊。

3 關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)途徑

3.1 寬帶多任務(wù)并行處理技術(shù)

平臺(tái)采用寬帶多任務(wù)并行處理技術(shù)，以保證對(duì)前端信號(hào)寬帶監(jiān)測(cè)和多種信號(hào)體制監(jiān)測(cè)任務(wù)的并行實(shí)時(shí)處理。該技術(shù)主要構(gòu)建模塊化并行處理基本單元，通過基本單元并行處理和陣列化擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)寬帶并行處理能力。

并行處理基本單元采用2 通道高速AD 芯片、2片F(xiàn)PGA處理器、1片多核DSP芯片構(gòu)成，如圖3所示。其中，AD 芯片選用2 通道高速采集芯片，F(xiàn)PGA 選用Xilinx V7 系列。DSP 選用TMS320C6678 八核浮點(diǎn)處理芯片，每片DSP 芯片處理2 片F(xiàn)PGA 輸出的基帶數(shù)據(jù)。DSP 采用基于 KeyStone 架構(gòu)的核間通信寄存器、中斷控制器以及通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多核間的通信。其中core0 為主核，通過DSP 的core0 進(jìn)行基帶數(shù)據(jù)調(diào)度，core1-core7 核按照處理的信號(hào)類型/體制的功能劃分對(duì)共享內(nèi)存中基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理。

圖3 寬帶多任務(wù)并行處理基本單元

3.2 監(jiān)測(cè)功能靈活重構(gòu)技術(shù)

平臺(tái)通過功能靈活重構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足對(duì)不同任務(wù)需求。監(jiān)測(cè)功能可重構(gòu)技術(shù)以“平臺(tái)+載荷”為技術(shù)思路，主要包括通信中間件技術(shù)、嵌入式平臺(tái)重構(gòu)加載技術(shù)。

平臺(tái)的通信中間件是基于SCA 架構(gòu)的CP289規(guī)范進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)封包、消息格式和多線程管理的優(yōu)化，可以滿足SRIO 高速總線的底層鏈路適配、滿足可加載功能組件的即插即用和動(dòng)態(tài)部署。嵌入式平臺(tái)的重構(gòu)加載技術(shù)重點(diǎn)針對(duì)FPGA、DSP 等基本信號(hào)處理部件，通過POWERPC進(jìn)行資源調(diào)度，通過CPU 實(shí)現(xiàn)功能的重構(gòu)控制。其中，F(xiàn)PGA 重構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)預(yù)處理任務(wù)的重構(gòu)，根據(jù)無線電監(jiān)測(cè)的需求可以在不同信號(hào)處理模式中進(jìn)行切換。一般采用Slave Select MAP 加載模式，通過SRIO 將bit 文件加載到目標(biāo)FPGA 芯片中，可實(shí)現(xiàn)功能的快速重構(gòu)加載。針對(duì)多核DSP 功能重構(gòu)主要對(duì)不同信號(hào)處理任務(wù)的功能擴(kuò)展，如不同的解調(diào)、解析任務(wù)等。實(shí)現(xiàn)對(duì)其中的特定處理核的軟件加載或替換。一般采用SRIO boot 模式，通過主核core0 向從核傳輸加載程序，并通過從核復(fù)位實(shí)現(xiàn)軟件的更新和啟動(dòng)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照?qǐng)D3 的配置構(gòu)建了無線電監(jiān)測(cè)并行處理硬件單元，并組成了5 個(gè)單元的處理陣列。開展無線電監(jiān)測(cè)寬帶多任務(wù)并行處理及功能重構(gòu)試驗(yàn)測(cè)試。

監(jiān)測(cè)目標(biāo)選擇模擬廣播電臺(tái)、數(shù)字集群、某擴(kuò)頻信號(hào)等多種體制無線電信號(hào)。每一個(gè)并行處理基本單元可以實(shí)現(xiàn)120MHz 帶寬無線電信號(hào)的瞬時(shí)監(jiān)測(cè)處理，通過對(duì)基本單元的陣列化擴(kuò)展，5 個(gè)基本單元可以實(shí)現(xiàn)600MHz 頻段目標(biāo)的并行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用POWERPC、CPU 構(gòu)建的處理模塊對(duì)處理陣列進(jìn)行綜合控制。通過試驗(yàn)測(cè)試，在對(duì)DSP 多核完成各類信號(hào)處理任務(wù)軟件加載后，平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)模擬通信、數(shù)字通信、擴(kuò)頻通信信號(hào)體制的識(shí)別處理，并可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)集群信號(hào)的身份碼識(shí)別、模擬廣播電臺(tái)信號(hào)的話音解析等分析解析處理。實(shí)現(xiàn)了寬帶多任務(wù)并行處理能力。

通過CPU 調(diào)度FPGA、DSP 的特定信號(hào)監(jiān)測(cè)軟件構(gòu)件，通過SRIO 總線進(jìn)行加載，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)識(shí)別、解調(diào)、體制識(shí)別軟件模塊的快速加載重構(gòu)。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，平臺(tái)可以通過功能重構(gòu)滿足對(duì)不同無線電目標(biāo)的監(jiān)測(cè)任務(wù)需求。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種新型無線電監(jiān)測(cè)處理平臺(tái)，具備在復(fù)雜電磁環(huán)境下對(duì)寬帶無線電信號(hào)的寬帶多任務(wù)并行監(jiān)測(cè)處理、功能靈活重構(gòu)、信號(hào)體制識(shí)別等特性。本文構(gòu)建了無線電監(jiān)測(cè)平臺(tái)的硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)，采用多處理器/多核架構(gòu)、軟件重構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、陣列化設(shè)計(jì)。對(duì)無線電監(jiān)測(cè)處理平臺(tái)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)：多任務(wù)寬帶并行處理技術(shù)、監(jiān)測(cè)功能靈活重構(gòu)技術(shù)的技術(shù)原理和實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了研究。通過構(gòu)建平臺(tái)并經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試表明，平臺(tái)的無線電監(jiān)測(cè)寬帶多任務(wù)處理和軟件重構(gòu)設(shè)計(jì)是可行的。