基于軟件無線電的電磁頻譜監測新方法

羅爭+楊學剛+李勇+吳林

摘要：針對現有電磁頻譜監測設備操作復雜、靈活性差及數據格式封閉等問題，本文將軟件無線電技術應用于電磁頻譜監測領域，研究開發了一套頻譜監測和數據分析軟件，可根據需要調整中心頻率、帶寬、采樣率等參數，并可對硬件上傳的信號進行實時分析，具有較大實際應用前景。

關鍵詞：軟件無線電；電磁頻譜監測；數據分析

中圖分類號：TN98 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）01-0041-01

在未來戰場上，電磁空間對抗異常激烈，戰場電磁態勢日益復雜，傳統的電磁頻譜監測技術和方法早已無法滿足劇增的用頻需求和多變的，加之監測設備采集的監測數據格式封閉，無法對其進行有效的二次開發和數據挖掘分析，一定程度上影響了監測數據對我軍作戰用頻的支撐作用。軟件無線電最早被美軍用于解決海灣戰爭中多國部隊各軍種進行聯合作戰時的“互通、互聯、互操作”問題而提出來的新概念，具有很強的靈活性和開放性。

本文開發了一套寬帶頻譜監測和數據分析軟件，該軟件能夠對上述硬件設備進行控制，根據需要調整中心頻率、帶寬、采樣率等參數，并對硬件設備上傳的信號進行實時分析，提取關鍵頻譜特征參數。同時，該軟件兼容于現有超短波和短波監測系統的自動監測數據，并能夠對其進行有效分析，便于進行發射源干擾定位、頻譜占用度分析等頻譜特征分析處理，與動態頻譜管理相結合，能提供更有效、更精細化的戰場電磁頻譜管控。

1 軟件設計與開發

軟件基于QT 4進行開發，繪圖部分采用QWT庫函數實現，信號處理部分采用Intel IPP庫函數實現。上位機軟件的模塊框圖如圖1所示，包括頻譜顯示、參數設置、頻譜計算和MAC數據包讀取等模塊，機軟件部分模塊功能介紹如下。

2 頻譜顯示部分

用QT + QWT 實現，代碼主要分為接收數據部分、數據處理部分和頁面顯示部分，可以按一定的刷新頻率實時顯示從網卡讀取的數據的頻譜。界面刷新由定時器實現。面板上顯示了一些基本信息，可以設置中心頻率、采樣率等參數。

3 監測數據讀取部分

主要由winPcap的pcap_open函數和pcap_next_ex函數完成，pcap_open打開可用網卡，設定超時時間，以免程序阻塞；pcap_next_ex用于抓MAC包，FPGA連續發送數據，處理部分的FFT點數有256，512，1024，2048，4096可選，默認每次讀取4096個點的數據，和發送方約定MAC包的包頭有17個字節，包括原地址、目的地址、類型、發送接收標識、計數等信息，主體有1400個字節，I低I高Q低Q高共4個字節表示一個數據點，則每個包含有350個數據點，每次共讀取12個包。

4 監測數據處理部分

主要由IPP庫的ippsFFTFwd_CToC_64fc函數實現，接收數據Buffer中數據點數和程序設定的最大FFT點數一致，為了頻率分辨率可調，根據df=Fs/N，采取改變FFT點數的方法，面板上的調節旋鈕目前有5個檔位，處理數據時根據面板選擇的FFT點數：256，512，1024，2048，4096做相應點數的復數到復數的FFT，然后再進行轉換，計算得到接收信號從-Fs/2到Fs/2，以dB為單位的頻譜，存放到相應的Buffer里，供畫圖部分調用。主要過程如圖2所示。

5 人機交互界面部分

交互界面主要包括實時顯示頻譜和FFT點數＼頻率分辨率等信息以及接收面板上的設置。繪制頻譜由QwtPlot類和QwtPlotCurve類完成，QwtPlot是.ui文件中的一個Widget，本身不具有添加圖元的屬性，相當于是一個容器，可以容納許多的圖元。QwtPlotItem類是所有圖元的基類，可以派生出多個控件對象，如網格（QwtPlotGrid類）、曲線（QwtPlotCurve類）等，這些圖元自己決定是否添加到QwtPlot中，頻譜繪制時，首先定義QwtPlotCurve類的對象，通過setSamples設置數據，由attach函數添加到容器中進行顯示，另外還設置了綠色的曲線，黑色的畫布背景，白色的網格線等。面板右側還可以輸入中心頻率和帶寬設置頻譜的顯示范圍，按下確定按鈕生效，復位按鈕用于回到放大之前的默認的比例尺。

6 結語

未來電磁頻譜監測將朝著分布式監測、集中式數據處理的方向發展。本文研究了基于軟件無線電技術的電磁頻譜監測新方法、初步開發試驗了軟件平臺，該軟件無線電平臺可部署于通用計算機上，代碼和數據格式開放，便于進行代碼的二次開發和監測數據的挖掘分析，可視化界面也保證了頻譜監測數據能夠以直觀的形式展現在用頻用戶前，提高了數據的利用效率。該平臺可作為頻譜監測的“智能盒子”，為靈活機動部署監測設備、自動實施多頻段全時段監測提供了可能性。