王雪臣

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

在我國無線電頻譜監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，監(jiān)測(cè)頻段的范圍一般為3 MHz～3 GHz，涵蓋了短波和超短波等頻段。目前，頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)分為短波監(jiān)測(cè)接收機(jī)和超短波監(jiān)測(cè)接收機(jī)兩種。其中短波監(jiān)測(cè)接收機(jī)的監(jiān)測(cè)頻段范圍為3～30 MHz，而單臺(tái)短波監(jiān)測(cè)接收機(jī)的監(jiān)測(cè)帶寬并不能覆蓋3～30 MHz，需要多臺(tái)短波監(jiān)測(cè)接收機(jī)組網(wǎng)才能覆蓋整個(gè)短波頻段。單臺(tái)超短波監(jiān)測(cè)接收機(jī)的監(jiān)測(cè)范圍一般為30 MHz～3 GHz。

當(dāng)前的短波和超短波頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是各自接收機(jī)分開進(jìn)行監(jiān)測(cè)的單機(jī)系統(tǒng)，不具備組網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力，客戶端不能對(duì)多臺(tái)設(shè)備資源進(jìn)行有效調(diào)度和監(jiān)測(cè)，以達(dá)到3 MHz～3 GHz超寬頻段的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文從分布式組網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)、客戶端以及服務(wù)端3個(gè)方面開展設(shè)計(jì)，可以通過頻段拼接技術(shù)實(shí)現(xiàn)3 MHz～3 GHz頻段信號(hào)的全面覆蓋[1,2]。

1 技術(shù)架構(gòu)

由于本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)3 MHz～3 GHz頻段信號(hào)的實(shí)時(shí)寬帶掃描監(jiān)測(cè)和重點(diǎn)頻段內(nèi)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及離線分析功能，要整合多臺(tái)頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備資源，因此總體架構(gòu)從下到上依次分為設(shè)備資源層、服務(wù)端以及客戶端。

設(shè)備資源層即頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)，包含多臺(tái)短波監(jiān)測(cè)接收機(jī)和一臺(tái)超短波監(jiān)測(cè)接收機(jī)。每臺(tái)短波監(jiān)測(cè)接收機(jī)完成4 MHz帶寬數(shù)據(jù)的采集，利用多臺(tái)短波監(jiān)測(cè)接收機(jī)即可完成3～30 MHz頻段范圍內(nèi)信號(hào)的同時(shí)監(jiān)測(cè)。服務(wù)端是整個(gè)分布式組網(wǎng)系統(tǒng)的核心，部署在一臺(tái)服務(wù)器上，其中央處理器（Central Processing Unit，CPU）性能必須非常強(qiáng)悍，并且服務(wù)器必須配置多個(gè)大容量硬盤存儲(chǔ)器，以便存儲(chǔ)海量的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，便于后期進(jìn)行數(shù)據(jù)的離線分析?？蛻舳耸怯脩舨僮鱾€(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC）端的人機(jī)交互界面軟件，實(shí)現(xiàn)3 MHz～3 GHz的超寬帶頻譜監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以通過多個(gè)客戶端部署來有針對(duì)性地完成重點(diǎn)關(guān)注頻段和信號(hào)的捕獲分析。

本系統(tǒng)是根據(jù)千兆網(wǎng)交換機(jī)連接由多臺(tái)監(jiān)測(cè)接收機(jī)、服務(wù)端以及多個(gè)客戶端所組成的分布式組網(wǎng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。多個(gè)客戶端和多臺(tái)監(jiān)測(cè)接收機(jī)并不能直接進(jìn)行通信，控制指令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)發(fā)必須經(jīng)由服務(wù)端，服務(wù)端是本系統(tǒng)的核心組成部分。本系統(tǒng)的拓?fù)溥B接關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)?/p>

2 服務(wù)端

本系統(tǒng)服務(wù)端是基于監(jiān)測(cè)接收機(jī)分布式組網(wǎng)系統(tǒng)的核心組成部分，可以完成頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)的入網(wǎng)和退網(wǎng)管理、實(shí)時(shí)交互指令的分發(fā)和控制、監(jiān)測(cè)頻段信號(hào)數(shù)據(jù)的匯集和轉(zhuǎn)發(fā)、3 MHz～3 GHz全頻段數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等功能。它包含了設(shè)備資源管理軟件和數(shù)據(jù)管理軟件兩個(gè)軟件子系統(tǒng)。其中，設(shè)備資源管理軟件負(fù)責(zé)多臺(tái)頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)入網(wǎng)、退網(wǎng)、命令消息的分發(fā)，數(shù)據(jù)管理軟件負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)頻段信號(hào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和指定監(jiān)測(cè)信號(hào)的話音數(shù)據(jù)。

2.1 設(shè)備資源管理軟件

設(shè)備資源管理軟件是多臺(tái)頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)和多個(gè)客戶端之間控制指令交互的橋梁，其提供多臺(tái)頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)的入網(wǎng)和退網(wǎng)以及多客戶端接入管理和消息命令轉(zhuǎn)發(fā)的路由功能，同時(shí)維護(hù)與數(shù)據(jù)管理軟件之間的心跳狀態(tài)，并監(jiān)控頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)的資源使用情況，定時(shí)通知資源狀態(tài)信息給客戶端，客戶端根據(jù)資源使用情況動(dòng)態(tài)調(diào)整其監(jiān)測(cè)任務(wù)。

設(shè)備資源管理軟件從功能上劃分為頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)接入管理和客戶端接入管理兩大類。其中，頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)接入管理功能是通過接收機(jī)開機(jī)后主動(dòng)向設(shè)備資源管理軟件發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求來實(shí)現(xiàn)的，設(shè)備資源管理軟件收到接收機(jī)入網(wǎng)請(qǐng)求后同意其入網(wǎng)來完成接收機(jī)入網(wǎng)注冊(cè)的流程。同理，客戶端接入管理功能是通過客戶端發(fā)送的接入指令到設(shè)備資源管理軟件來申請(qǐng)頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)資源，客戶端接入管理功能根據(jù)設(shè)備資源調(diào)度算法分配空閑的、未鎖定的接收機(jī)資源給這個(gè)客戶端來使用。

設(shè)備資源管理軟件是基于自適配通信環(huán)境（Adaptive Communication Environment，ACE）框架來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。ACE是跨平臺(tái)的開源軟件框架，含有豐富的軟件設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)庫，能夠避免在服務(wù)器端開發(fā)過程中重復(fù)性的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)功能，簡化軟件設(shè)計(jì)，提高服務(wù)器軟件容錯(cuò)性和穩(wěn)定性[3]。其中的反應(yīng)器模式和前攝器模式能夠很好地處理軟件內(nèi)部各個(gè)任務(wù)之間的同步和異步通信。傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）用到了ACE框架的連接器和接收器組件，這兩個(gè)組件可以降低連接過程中代碼的耦合度[4,5]。

2.2 數(shù)據(jù)管理軟件

數(shù)據(jù)管理軟件是分布式組網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，完成3 MHz～3 GHz頻段內(nèi)所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)過程，其中實(shí)時(shí)頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包含頻段內(nèi)所有頻點(diǎn)的電平值和話音數(shù)據(jù)。由于頻譜監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是不間斷海量數(shù)據(jù)流，因此數(shù)據(jù)管理軟件與頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)、客戶端交互的協(xié)議采用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）。UDP協(xié)議由于其無連接特性，數(shù)據(jù)傳輸速度比TCP協(xié)議快，系統(tǒng)開銷也少，能夠滿足本系統(tǒng)對(duì)海量數(shù)據(jù)流傳輸?shù)男阅芤骩6,7]。數(shù)據(jù)管理軟件會(huì)7×24 h循環(huán)存儲(chǔ)整個(gè)3 MHz～3 GHz頻段的頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以便用戶隨時(shí)調(diào)用和分析。

數(shù)據(jù)管理軟件通過固定UDP端口接收所有頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)頻段拼接算法完成3 MHz～3 GHz多臺(tái)頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的拼接和存儲(chǔ)，并通過設(shè)備資源管理軟件發(fā)送的客戶端資源調(diào)用信息將數(shù)據(jù)分發(fā)給對(duì)應(yīng)的客戶端軟件。

數(shù)據(jù)管理軟件也是基于ACE框架設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，UDP數(shù)據(jù)通信功能用到了ACE框架的可移植庫ACE_SOCK，減少了實(shí)際編寫UDP通信程序的代碼量，并屏蔽了網(wǎng)絡(luò)通信開發(fā)的編程細(xì)節(jié)，提高了程序的可移植性、健壯性以及可讀性。與設(shè)備資源管理軟件之間的指令信息是基于ACE框架的連接器和接收器組件來實(shí)現(xiàn)的，可完成準(zhǔn)確無誤的控制指令接收和回復(fù)。

3 客戶端

3.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

客戶端是面向用戶的終端軟件界面，可完成3 MHz～3 GHz頻段內(nèi)實(shí)時(shí)頻譜監(jiān)測(cè)界面，其中監(jiān)測(cè)的頻段范圍可根據(jù)使用需求自定義動(dòng)態(tài)設(shè)置，并且可以實(shí)現(xiàn)多窗口單一信號(hào)的實(shí)時(shí)頻譜監(jiān)測(cè)以及話音的監(jiān)聽和存儲(chǔ)功能。

3.2 主框架設(shè)計(jì)

客戶端采用模型-視圖-控制器（Model，View，Controller，MVC）軟件架構(gòu)，將業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)以及界面相互分離來組織代碼框架[8]。Model完成客戶端配置文件管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能；View是客戶端的界面模塊，能夠完成本系統(tǒng)客戶端和服務(wù)端IP地址的設(shè)置和管理、實(shí)時(shí)頻譜監(jiān)測(cè)圖的顯示和操作、控制命令窗口的繪制與操作等功能；Controller是客戶端軟件的交互處理模塊，能夠完成控制命令的交互、數(shù)據(jù)庫記錄的增刪改查、配置文件的加載與修改、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和話音的離線調(diào)用控制等功能。

3.3 軟件流程

客戶端軟件打開后，會(huì)向設(shè)備資源管理軟件請(qǐng)求入網(wǎng)，設(shè)備資源管理軟件通知客戶端軟件當(dāng)前可用的頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)資源?？蛻舳塑浖缑婕せ畈㈤_始頻段的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，Controller模塊接收數(shù)據(jù)管理軟件的頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并顯示在頻譜監(jiān)測(cè)界面上。用戶根據(jù)頻譜監(jiān)測(cè)界面上信號(hào)的幅度值來判斷是否需要進(jìn)行監(jiān)聽，如果需要監(jiān)聽則通過選中此信號(hào)啟動(dòng)單一信號(hào)監(jiān)測(cè)和話音收聽功能，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和錄音。軟件流程如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)流程

3.4 界面設(shè)計(jì)

客戶端界面是基于Qt和Qwt二維圖形庫來設(shè)計(jì)的。Qt開源框架能夠輕松地開發(fā)客戶端界面程序，并且自帶界面設(shè)計(jì)器，界面設(shè)計(jì)效率相比傳統(tǒng)的微軟公司軟件開發(fā)包界面設(shè)計(jì)要高效快捷，客戶端界面如圖3所示[9,10]。客戶端界面包含設(shè)備資源管理、頻譜監(jiān)測(cè)以及信號(hào)監(jiān)測(cè)3個(gè)功能。設(shè)備資源管理放在第一個(gè)頁面，可查看頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)的入網(wǎng)情況；頻譜監(jiān)測(cè)界面的整體頁面以寬帶頻譜顯示為主；信號(hào)監(jiān)測(cè)為便捷信號(hào)分析設(shè)計(jì)，該界面是軟件的啟動(dòng)界面，也是用戶使用的第一步。

圖3 客戶端界面

4 結(jié) 論

本文圍繞3 MHz～3 GHz頻段范圍的頻譜監(jiān)測(cè)目標(biāo)開展服務(wù)端和客戶端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。以系統(tǒng)化的思路解決了多臺(tái)頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)和多個(gè)客戶端進(jìn)行分布式調(diào)度的難題，為無線電管理用戶提供了可靠的實(shí)時(shí)頻譜監(jiān)測(cè)功能和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)離線分析手段。本文實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)接收機(jī)分布式組網(wǎng)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，大大節(jié)省了用戶設(shè)備部署和監(jiān)測(cè)成本，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。