基于通用總線的頻譜監(jiān)測設(shè)備設(shè)計與實現(xiàn)*

蔡勇華，鄧 招，宋 滔，李曉東

0 引 言

無線電通信技術(shù)的快速發(fā)展和各類用頻設(shè)備的廣泛應用，使當前面臨的電磁環(huán)境越來越復雜，頻譜資源日益緊張。通過頻譜監(jiān)測與分析可以很好地緩解各類用頻設(shè)備的用頻沖突，提高頻譜資源的科學監(jiān)管和高效利用。傳統(tǒng)的頻譜監(jiān)測設(shè)備普遍存在功能單一、通用性不足、可擴展性差等缺點。隨著監(jiān)測頻段不斷擴展，實時監(jiān)測要求逐漸提高，監(jiān)測數(shù)據(jù)量不斷增大，如對跳頻信號捕獲、信號實時分析等功能，都對頻譜監(jiān)測接收機的處理帶寬、速度以及功能擴展性提出了更高要求[1]。因此，開發(fā)一種硬件可互換與軟件可重構(gòu)的頻譜監(jiān)測設(shè)備，用以應對監(jiān)測分析能力不斷發(fā)展成為了當前的發(fā)展要求。對此，本文提出了一種基于PXIE總線的頻譜監(jiān)測設(shè)備方法。該方法采用平臺標準化、模塊可互換的設(shè)計思想，可以通過多通道硬件并行處理的辦法，增強設(shè)備對高帶寬、高速跳頻等信號的監(jiān)測能力；可方便通過加載不同軟/硬件模塊，使設(shè)備具有良好的擴展能力；能夠更好地適應復雜電磁環(huán)境下頻譜監(jiān)測不斷發(fā)展的需求，解決以往以硬件為核心的裝備系統(tǒng)功能拓展差、適應能力不足的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

基于PXIE總線的電磁頻譜設(shè)備主要包括PXIE機箱、射頻接收機、頻綜卡、中頻處理卡和主控模塊等。設(shè)備通過接收天線接收空間電磁波信號，進行相應變頻、濾波、放大后變換輸出，經(jīng)過高速ADC模塊數(shù)字采樣后進行相應信號分析，提取出無線信號的相關(guān)特征參數(shù)；最后通過頻譜監(jiān)測軟件進行圖形化，直觀呈現(xiàn)監(jiān)測對象在時域、頻域、空域的多維分布特性?；赑XIE總線的頻譜監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 頻譜監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)組成

PXIE總線將PXI總線中的可用帶寬提高了45倍多，即從132 MB/s提高到6 GB/s，并維持了與PXI模塊間的軟硬件兼容。它提供更高的數(shù)據(jù)帶寬和更低的總線延遲[2]，大大提升了頻譜監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸能力，完成了各模塊的集中承載和數(shù)據(jù)交互。

1.2 硬件構(gòu)成

依據(jù)硬件標準化的設(shè)計指導思想，設(shè)備采用3U的PXIE標準機箱作為硬件架構(gòu)基礎(chǔ)。它的背板包括CPCI-E總線、CPCI總線、觸發(fā)總線和JTAG調(diào)試連接線等。機箱內(nèi)則包含射頻接收機、頻綜卡、中頻處理卡和主控模塊。各板卡通過背板相連，互聯(lián)關(guān)系如圖1所示。所有板卡都是標準尺寸，除了主控模塊外，其他硬件模塊可以在多個平等槽位之間任意互插互換。機箱外觀及結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)

機箱內(nèi)各硬件模塊功能劃分如下。

射頻接收機。射頻接收機采用超外差接收模式，實現(xiàn)寬頻率大動態(tài)接收，負責完成射頻信號接收。

頻綜卡。高純捷變頻綜卡負責提供射頻變頻所需的第一、第二本振信號以及一路409.6 MHz中頻采樣時鐘。

中頻處理卡。中頻處理卡主要由TI的DSP 6455與Xilinx FPGA V5構(gòu)成，負責完成對射頻模塊的控制，完成中頻數(shù)字信號處理和PXIE高速總線傳輸功能。

其中，射頻接收機和頻綜卡負責處理模擬信號，通過背板接口主要實現(xiàn)供電和SPI通信。中頻卡通過SPI接口實現(xiàn)射頻控制，通過高速總線與主控模塊之間完成高速數(shù)據(jù)傳輸，從而保證寬帶頻譜掃描、高速信號采集等功能下的實時數(shù)據(jù)傳輸能力[3-4]。

1.3 軟件部署

頻譜監(jiān)測設(shè)備主要通過射頻硬件感知接收空間電磁波，然后經(jīng)過數(shù)字化和信號分析，最終圖形化直觀呈現(xiàn)。因此，從軟件上根據(jù)功能邏輯可以分為三個主要功能模塊，分別為主控模塊軟件模塊、中頻處理軟件模塊以及射頻控制軟件模塊。

根據(jù)軟件模塊化的設(shè)計思想，以模塊接口定義清晰、功能相對獨立為目標，給出了設(shè)備軟件功能部署框圖，如圖3所示。

圖3 設(shè)備軟件部署

各模塊軟件具體功能如下。

主控模塊軟件模塊。頻譜監(jiān)測結(jié)果顯示如頻譜圖、瀑布圖以及分析結(jié)果顯示等；用戶參數(shù)設(shè)置用于選擇工作模式和相應分析參數(shù)；數(shù)據(jù)記錄用于記錄掃描結(jié)果或IQ信號；驅(qū)動接口模塊用于完成總線協(xié)議的驅(qū)動、各類數(shù)據(jù)的解析封裝。

中頻處理軟件模塊。接收主控模塊下發(fā)的控制參數(shù)，配置濾波器參數(shù)、FFT點數(shù)等；實現(xiàn)DDC、濾波、FFT計算、參數(shù)測量、調(diào)制識別等功能；負責SPI接口通信控制等。

射頻控制軟件模塊。接收中頻板傳輸?shù)目刂茀?shù)；配置頻綜的時鐘頻率和射頻模塊增益。

(3)402濃縮機。由表3可知，402濃縮機入料水量為1 410.75 m3/h，設(shè)備的負荷能力是907.5 m3/h，則所需設(shè)備數(shù)量為：1.25×1 410.75/907.5=1.94(臺)，即應將403濃縮機投入運行，才能滿足現(xiàn)有生產(chǎn)需求。

2 快速頻率掃描功能設(shè)計

為了滿足監(jiān)測頻段的不斷擴展和頻譜監(jiān)測實時性不斷提高的要求，提高頻譜監(jiān)測設(shè)備頻譜掃描速度，本文采用射頻分段接收加數(shù)字FFT聯(lián)合分析的方法來實現(xiàn)快速頻率掃描。利用快速捷變的射頻前端硬件完成射頻信號的分段掃描；使用高速數(shù)字信號處理卡完成頻譜信號的采樣、頻譜計算、濾波等；通過PXIE高速總線將計算結(jié)果傳送到頻譜顯控界面進行組幀顯示。

快速掃描設(shè)計流程，如圖4所示。它主要涵蓋以下幾個步驟：（1）用戶在頻譜監(jiān)測軟件界面發(fā)起快速頻率掃描，生成相應任務命令并下發(fā)；（2）中頻處理卡接收到快速掃描任務后，根據(jù)頻段信息、帶寬、掃頻速率、射頻增益、頻率分辨率等參數(shù)計算出相應的分段掃描射頻控制參數(shù)，然后按照時序發(fā)射分段掃描射頻控制命令；（3）由高純捷變頻綜卡提供通道多級變頻所需的一、二本振信號，以滿足系統(tǒng)分段捷變接收的需求，頻綜卡接收到相應控制指令完成本振時鐘的切換，射頻信號經(jīng)接收機二次變頻到160 MHz中頻，輸出模擬中頻信號；（4）數(shù)字處理板卡通過高速AD完成帶通采樣，接著由高速FPGA、DSP完成DDC、數(shù)字濾波、FFT等功能，并將計算結(jié)果通過PXIE高速總線打包發(fā)往主控模塊；（5）主控模塊頻譜監(jiān)測顯控軟件接收來自中頻的頻譜數(shù)據(jù)，完成寬頻段頻譜數(shù)據(jù)的拼接和呈現(xiàn)。

3 高速數(shù)字信號處理模塊設(shè)計

在高帶寬下如何保證數(shù)字信號處理的實時性和軟件功能的可擴展性，是數(shù)字監(jiān)測接收機遇到的最突出問題。本方法采用TI的DSP 6455與Xilinx FPGA V5的軟件無線電硬件平臺方案解決該問題。一方面，F(xiàn)PGA和DSP強大的計算能力能夠滿足高速數(shù)字信號處理的要求；另一方面，F(xiàn)PGA和DSP都是應用廣泛的可編程器件，具備良好的功能擴展性[5]。

為了更好地發(fā)揮硬件平臺處理能力，本設(shè)計在信號處理功能劃分過程中，綜合考慮業(yè)務功能需求和數(shù)字信號處理芯片的處理特長。依據(jù)軟件模塊化設(shè)計指導思想，給出中頻高速數(shù)字信號處理設(shè)計方案，如圖5所示。

圖4 快速頻率掃描流程

圖5 中頻處理卡中信號處理方案

其中，F(xiàn)PGA具有集成度高、運算速度快，擅長完成高速并行運算、精確的時序控制等，主要負責高速PCIE接口、DDC、FFT、射頻時序控制功能實現(xiàn)；DSP擅長各類復雜邏輯和算法處理，特別是多算法任務，其軟件的編譯、仿真、更新較FPGA更具靈活性，主要負責協(xié)議解析、參數(shù)計算、ITU測量、信號識別及解調(diào)等功能。

4 設(shè)備實現(xiàn)

依據(jù)設(shè)計方案，成功研制了一款30～6 000 MHz的頻譜監(jiān)測接收機。設(shè)備采用PXIE標準3U機箱配以雙通道射頻接收機、頻綜卡、中頻處理模塊以及主控模塊。其中，雙通道射頻接收機模塊分時切換工作，以完成射頻頻段的覆蓋。這樣由一個中頻板卡即可完成全頻段的頻譜監(jiān)測和分析。頻譜監(jiān)測顯控軟件在主控模塊中采用C++語言實現(xiàn)。針對廣播頻段的監(jiān)測界面，如圖6所示。

圖6 頻譜監(jiān)測界面

該設(shè)備瞬時分析帶寬達到40 MHz。經(jīng)實際測試驗證，在頻率分辨率為12.5 kHz下，40 MHz上一次FFT分析時間僅需240 μs。為了更加精確地呈現(xiàn)信號頻譜，做了四次信號平滑，這樣40 MHz頻段上的分析時間約為1 ms，中頻處理分析能力達到了40 GHz/s，加上一些換頻和傳輸開銷，整機掃描速度完全滿足了設(shè)計指標（6 GHz/s）要求。設(shè)備開發(fā)了寬帶搜索、信號監(jiān)視、最大最小保持、參數(shù)測量、瀑布圖、模擬信號解調(diào)、高速數(shù)據(jù)采集及回放等功能，可對跳頻信號如跳頻速率、換頻時間、頻點及帶寬等主要跳頻參數(shù)進行分析，還可以進行寬帶信號實時記錄。

為了觀察到在不同時間內(nèi)處于同一頻率范圍內(nèi)的多個信號和信號的瞬時變化，在本設(shè)備上擴展開發(fā)了數(shù)字熒灰（DPX）功能。它可以生成一段時間內(nèi)的實時頻譜態(tài)勢圖，大大提高了設(shè)備對瞬時、隱秘信號的捕獲和觀察能力[6]，非常適合信號偵察方面的應用。對同頻點不同功率的兩個示例信號DPX的監(jiān)測效果，如圖7所示。

圖7 兩個不同功率信號的數(shù)字熒灰圖

由于設(shè)備采用了軟件無線電架構(gòu)，可以很方便地進行功能升級和擴展。針對不同的應用場景，通過更新相應的信號處理算法和顯控軟件模塊，就可實現(xiàn)動態(tài)加載相應調(diào)制識別、信號解調(diào)、DPX等功能。

5 結(jié) 語

本文提出了一種基于PXIE總線的頻譜監(jiān)測設(shè)備設(shè)計方法。該方法提供了更高的總線傳輸速率，彌補了傳統(tǒng)接收機數(shù)據(jù)交互能力的不足，可顯著提高監(jiān)測與分析性能。采用軟件無線電設(shè)計思想，通過模塊化設(shè)計，針對不同的應用場景和需求，可對設(shè)備軟件功能進行靈活裁剪和擴展。實際應用表明，研制的新型頻譜監(jiān)測設(shè)備具備較高瞬時分析帶寬和靈活的擴展能力，可滿足不同場合下的頻譜監(jiān)測任務需求，在工程中有較強的實用價值，具有廣泛的應用前景。

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