基于寬帶多任務處理和重構技術的無線電監(jiān)測處理平臺研究*

高 峰，王 婷，趙錁錁

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

0 引言

無線電監(jiān)測的主要任務是利用監(jiān)測接收處理設備對無線電信號進行搜索、截獲，并進行調(diào)制識別、解調(diào)、分析等操作，以此為基礎實現(xiàn)無線電信號中的技術參數(shù)和信號特征的提取，實現(xiàn)對無線電信號的監(jiān)測和監(jiān)管。隨著通信技術的發(fā)展，無線電監(jiān)測的目標從模擬廣播信號、常規(guī)話音信號、2G/3G 偽基站信號等傳統(tǒng)信號擴展到數(shù)字集群信號、4G/5G移動通信信號[1]、低慢小無人機通信信號[1][2]等新型民用通信目標，信號體制包括了猝發(fā)、跳頻、擴頻等多類信號，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)測系統(tǒng)需要快速適應城市紛繁復雜的電磁環(huán)境，應對不斷出現(xiàn)的新體制目標。根據(jù)國際電聯(lián)無線電通信部門（ITU-R）的相關頻譜監(jiān)測演進建議書（RecommendationSM.2039）的建議：擴大監(jiān)測覆蓋范圍、功能靈活并適應不同任務場景、提高自動化和智能化水平是未來無線電監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展方向，并對通信體制識別能力提出了更高的要求[3]。傳統(tǒng)的無線電監(jiān)測系統(tǒng)一般采用相對松散和獨立設備，瞬時監(jiān)測范圍較窄，可擴展能力差，不具備對信號體制的分析能力，不能滿足未來無線電監(jiān)測的發(fā)展需求。因此，需要發(fā)展寬帶多任務并行處理、可重構、可擴展、具備信號體制分析的新型無線電監(jiān)測處理平臺，以滿足未來無線電監(jiān)測任務的需求，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)測處理平臺硬件、軟件體系研究。采用多處理器/多核并行處理設計、模塊化和陣列化設計、以及可重構設計，實現(xiàn)寬帶多類無線電信號的并行快速處理、系統(tǒng)功能的動態(tài)重組，滿足各種復雜無線電監(jiān)測信號處理任務的需求。

1 無線電監(jiān)測處理平臺發(fā)展和趨勢

傳統(tǒng)的無線電監(jiān)測處理設備，主要針對窄帶通信制式的定頻信號，信號接收采集后并通過上層軟件的處理基本可以實現(xiàn)準實時的監(jiān)測處理分析。隨著監(jiān)測信號的帶寬增加兆赫茲級甚至幾十兆赫茲級，信號發(fā)射形式轉(zhuǎn)為猝發(fā)、跳頻甚至跳擴信號，基于上層軟件的處理方法就難以應對。采用FPGA等高速實時處理芯片進行信號預處理[4]，并結合DSP、CPU 進行信號處理分析成為了主流的解決方案。隨著認知無線電[5]、多處理器/多核進行寬頻帶信號處理技術、軟件加載技術、特定信號體制分析技術的發(fā)展，為無線電監(jiān)測的寬頻段多任務快速處理、功能靈活擴展、精細化體制分析等能力的提升創(chuàng)造了技術條件。

傳統(tǒng)的無線電監(jiān)測設備大多采用獨立式架構，未采用數(shù)據(jù)總線，因此靈活度、通用性和擴展性差。此后的無線電監(jiān)測系統(tǒng)采用集中式架構，采用數(shù)據(jù)總線，如采用PCI 總線[6]，實現(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能力。后續(xù)隨著總線技術的發(fā)展，VPX 總線支持標準的高速串行交換架構，具有可面向高性能計算、可擴展帶寬、傳輸速率高[7]的特點，為FPGA、DSP 芯片的快速重構加載以及構建模塊化、陣列化的無線電監(jiān)測處理平臺創(chuàng)造了技術條件。

2 新型無線電監(jiān)測處理平臺架構

2.1 無線電監(jiān)測處理硬件架構

新型無線電監(jiān)測處理平臺的硬件架構如圖1 所示。平臺采用模塊化、陣列化設計，采用支持重構功能的處理芯片以及高速處理總線構建硬件平臺。以多片高速處理FPGA 組成寬帶中頻信號預處理陣列，以多核DSP 芯片組成基帶信號處理陣列，以POWERPC、CPU 組成數(shù)據(jù)融合及顯控陣列，以SSD 硬盤組形成信號采集高速存儲陣列。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，可實現(xiàn)硬件資源的陣列化擴展。

（1）寬帶中頻信號預處理陣列

采用高速AD 和FPGA 處理芯片構成中頻信號預處理陣列，每片F(xiàn)PGA 可對至少60MHz 帶寬中頻信號進行處理，多片F(xiàn)PGA 組成陣列可實現(xiàn)寬頻段信號的實時監(jiān)控。各FPGA 間采用SRIO 進行數(shù)據(jù)交換，并采用加載控制芯片實現(xiàn)程序的加載重構。寬帶中頻信號預處理陣列實現(xiàn)無線電信號搜索捕獲、基本參數(shù)測量、濾波、數(shù)字下變頻、基帶數(shù)據(jù)生成功能。

（2）基帶信號處理陣列

采用多核DSP 信號處理芯片對FPGA 下發(fā)的基帶數(shù)據(jù)進行并行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)接口采用SRIO 高速接口。實現(xiàn)信號帶寬估計、頻偏校正、調(diào)制識別、網(wǎng)臺分選、信號測向、信號解調(diào)、體制識別、信息解析。

（3）數(shù)據(jù)融合及顯控陣列

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

（4）信號采集高速存儲陣列

信號采集高速存儲陣列包括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)應用的不同需求，信號采集高速存儲陣列實現(xiàn)FPGA 采集的中頻數(shù)據(jù)的快速存儲、基帶數(shù)據(jù)和解析結果的快速存儲。

圖1 新型無線電監(jiān)測處理硬件平臺架構

2.2 無線電監(jiān)測處理軟件架構

無線電監(jiān)測處理平臺的軟件架構如圖2 所示。采用軟件定義無線電設計思路，采用中間件結合可重構信號處理軟件構件實現(xiàn)，可實現(xiàn)無線電監(jiān)測功能重構加載，主要包括應用層、信號處理構件、數(shù)據(jù)服務層、平臺服務層。

圖2 無線電監(jiān)測處理軟件架構

（1）應用層

無線電監(jiān)測處理平臺軟件的應用層為監(jiān)測任務人機交互界面。通過人工結合自動的方式，實現(xiàn)無線電監(jiān)測控制和結果顯示。主要具備無線電監(jiān)測的頻譜監(jiān)測、信號識別、目標定位、解調(diào)解析、體制獲取。

（2）信號處理構件

信號處理構件包括無線電監(jiān)測任務所需的功能構件。主要包括以下構件：實現(xiàn)無線電頻譜監(jiān)測和初步識別功能的信號搜索、參數(shù)測量、數(shù)字濾波、帶寬估計、調(diào)制識別等構件；實現(xiàn)信號分選功能的網(wǎng)臺分選等構件；實現(xiàn)通信體制分析功能的信號解調(diào)、體制分析、信息解析等構件；實現(xiàn)信號定位功能的測向融合等構件。各功能構件通過組合及加載的方式實現(xiàn)平臺軟件功能的重構。

（3）數(shù)據(jù)服務層

數(shù)據(jù)服務層主要實現(xiàn)無線電監(jiān)測任務的數(shù)據(jù)支撐，包括以下數(shù)據(jù)庫：信號樣本庫實現(xiàn)無線電監(jiān)測的訓練和監(jiān)測匹配；無線電情報庫實現(xiàn)無線電監(jiān)測的情報信息積累支撐，為后續(xù)無線電監(jiān)測任務提供先驗信息；知識庫和學習庫為提高系統(tǒng)自動化和智能化水平、實現(xiàn)功能升級擴展提供支撐。

（4）平臺服務層

無線電監(jiān)測處理平臺軟件的平臺服務層主要實現(xiàn)平臺的重構控制、驅(qū)動、運維狀態(tài)等功能，是系統(tǒng)平臺化的重要軟件支撐。主要包括實現(xiàn)重構控制的中間件管理、軟件構件配置、加載管理模塊，實現(xiàn)驅(qū)動功能的操作系統(tǒng)、底層驅(qū)動模塊，實現(xiàn)監(jiān)視運維功能的狀態(tài)監(jiān)視、平臺運維模塊。

3 關鍵技術和實現(xiàn)途徑

3.1 寬帶多任務并行處理技術

平臺采用寬帶多任務并行處理技術，以保證對前端信號寬帶監(jiān)測和多種信號體制監(jiān)測任務的并行實時處理。該技術主要構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展以實現(xiàn)多任務寬帶并行處理能力。

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 架構的核間通信寄存器、中斷控制器以及通信網(wǎng)絡實現(xiàn)多核間的通信。其中core0 為主核，通過DSP 的core0 進行基帶數(shù)據(jù)調(diào)度，core1-core7 核按照處理的信號類型/體制的功能劃分對共享內(nèi)存中基帶數(shù)據(jù)進行并行處理。

圖3 寬帶多任務并行處理基本單元

3.2 監(jiān)測功能靈活重構技術

平臺通過功能靈活重構設計，以滿足對不同任務需求。監(jiān)測功能可重構技術以“平臺+載荷”為技術思路，主要包括通信中間件技術、嵌入式平臺重構加載技術。

平臺的通信中間件是基于SCA 架構的CP289規(guī)范進行改進設計，實現(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態(tài)部署。嵌入式平臺的重構加載技術重點針對FPGA、DSP 等基本信號處理部件，通過POWERPC進行資源調(diào)度，通過CPU 實現(xiàn)功能的重構控制。其中，F(xiàn)PGA 重構主要實現(xiàn)中頻信號預處理任務的重構，根據(jù)無線電監(jiān)測的需求可以在不同信號處理模式中進行切換。一般采用Slave Select MAP 加載模式，通過SRIO 將bit 文件加載到目標FPGA 芯片中，可實現(xiàn)功能的快速重構加載。針對多核DSP 功能重構主要對不同信號處理任務的功能擴展，如不同的解調(diào)、解析任務等。實現(xiàn)對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，并通過從核復位實現(xiàn)軟件的更新和啟動。

4 試驗驗證

按照圖3 的配置構建了無線電監(jiān)測并行處理硬件單元，并組成了5 個單元的處理陣列。開展無線電監(jiān)測寬帶多任務并行處理及功能重構試驗測試。

監(jiān)測目標選擇模擬廣播電臺、數(shù)字集群、某擴頻信號等多種體制無線電信號。每一個并行處理基本單元可以實現(xiàn)120MHz 帶寬無線電信號的瞬時監(jiān)測處理，通過對基本單元的陣列化擴展，5 個基本單元可以實現(xiàn)600MHz 頻段目標的并行實時監(jiān)測，采用POWERPC、CPU 構建的處理模塊對處理陣列進行綜合控制。通過試驗測試，在對DSP 多核完成各類信號處理任務軟件加載后，平臺可以實現(xiàn)同時對模擬通信、數(shù)字通信、擴頻通信信號體制的識別處理，并可以同時實現(xiàn)集群信號的身份碼識別、模擬廣播電臺信號的話音解析等分析解析處理。實現(xiàn)了寬帶多任務并行處理能力。

通過CPU 調(diào)度FPGA、DSP 的特定信號監(jiān)測軟件構件，通過SRIO 總線進行加載，實現(xiàn)了信號識別、解調(diào)、體制識別軟件模塊的快速加載重構。經(jīng)過試驗測試，平臺可以通過功能重構滿足對不同無線電目標的監(jiān)測任務需求。

5 結語

設計了一種新型無線電監(jiān)測處理平臺，具備在復雜電磁環(huán)境下對寬帶無線電信號的寬帶多任務并行監(jiān)測處理、功能靈活重構、信號體制識別等特性。本文構建了無線電監(jiān)測平臺的硬件架構和軟件架構，采用多處理器/多核架構、軟件重構設計、模塊化設計、陣列化設計。對無線電監(jiān)測處理平臺構建的關鍵技術：多任務寬帶并行處理技術、監(jiān)測功能靈活重構技術的技術原理和實現(xiàn)方式進行了研究。通過構建平臺并經(jīng)過試驗測試表明，平臺的無線電監(jiān)測寬帶多任務處理和軟件重構設計是可行的。