基于通用總線的頻譜監測設備設計與實現*

蔡勇華，鄧 招，宋 滔，李曉東

0 引 言

無線電通信技術的快速發展和各類用頻設備的廣泛應用，使當前面臨的電磁環境越來越復雜，頻譜資源日益緊張。通過頻譜監測與分析可以很好地緩解各類用頻設備的用頻沖突，提高頻譜資源的科學監管和高效利用。傳統的頻譜監測設備普遍存在功能單一、通用性不足、可擴展性差等缺點。隨著監測頻段不斷擴展，實時監測要求逐漸提高，監測數據量不斷增大，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，開發一種硬件可互換與軟件可重構的頻譜監測設備，用以應對監測分析能力不斷發展成為了當前的發展要求。對此，本文提出了一種基于PXIE總線的頻譜監測設備方法。該方法采用平臺標準化、模塊可互換的設計思想，可以通過多通道硬件并行處理的辦法，增強設備對高帶寬、高速跳頻等信號的監測能力；可方便通過加載不同軟/硬件模塊，使設備具有良好的擴展能力；能夠更好地適應復雜電磁環境下頻譜監測不斷發展的需求，解決以往以硬件為核心的裝備系統功能拓展差、適應能力不足的問題。

1 系統設計

1.1 系統組成

基于PXIE總線的電磁頻譜設備主要包括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，經過高速ADC模塊數字采樣后進行相應信號分析，提取出無線信號的相關特征參數；最后通過頻譜監測軟件進行圖形化，直觀呈現監測對象在時域、頻域、空域的多維分布特性。基于PXIE總線的頻譜監測設備系統組成，如圖1所示。

圖1 頻譜監測設備系統組成

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。它提供更高的數據帶寬和更低的總線延遲[2]，大大提升了頻譜監測設備的數據傳輸能力，完成了各模塊的集中承載和數據交互。

1.2 硬件構成

依據硬件標準化的設計指導思想，設備采用3U的PXIE標準機箱作為硬件架構基礎。它的背板包括CPCI-E總線、CPCI總線、觸發總線和JTAG調試連接線等。機箱內則包含射頻接收機、頻綜卡、中頻處理卡和主控模塊。各板卡通過背板相連，互聯關系如圖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。機箱外觀及結構，如圖2所示。

圖2 設備硬件結構

機箱內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，實現寬頻率大動態接收，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構成，負責完成對射頻模塊的控制，完成中頻數字信號處理和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供電和SPI通信。中頻卡通過SPI接口實現射頻控制，通過高速總線與主控模塊之間完成高速數據傳輸，從而保證寬帶頻譜掃描、高速信號采集等功能下的實時數據傳輸能力[3-4]。

1.3 軟件部署

頻譜監測設備主要通過射頻硬件感知接收空間電磁波，然后經過數字化和信號分析，最終圖形化直觀呈現。因此，從軟件上根據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。

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

圖3 設備軟件部署

各模塊軟件具體功能如下。

主控模塊軟件模塊。頻譜監測結果顯示如頻譜圖、瀑布圖以及分析結果顯示等；用戶參數設置用于選擇工作模式和相應分析參數；數據記錄用于記錄掃描結果或IQ信號；驅動接口模塊用于完成總線協議的驅動、各類數據的解析封裝。

中頻處理軟件模塊。接收主控模塊下發的控制參數，配置濾波器參數、FFT點數等；實現DDC、濾波、FFT計算、參數測量、調制識別等功能；負責SPI接口通信控制等。

射頻控制軟件模塊。接收中頻板傳輸的控制參數；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，設備的負荷能力是907.5 m3/h，則所需設備數量為：1.25×1 410.75/907.5=1.94(臺)，即應將403濃縮機投入運行，才能滿足現有生產需求。

2 快速頻率掃描功能設計

為了滿足監測頻段的不斷擴展和頻譜監測實時性不斷提高的要求，提高頻譜監測設備頻譜掃描速度，本文采用射頻分段接收加數字FFT聯合分析的方法來實現快速頻率掃描。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高速總線將計算結果傳送到頻譜顯控界面進行組幀顯示。

快速掃描設計流程，如圖4所示。它主要涵蓋以下幾個步驟：（1）用戶在頻譜監測軟件界面發起快速頻率掃描，生成相應任務命令并下發；（2）中頻處理卡接收到快速掃描任務后，根據頻段信息、帶寬、掃頻速率、射頻增益、頻率分辨率等參數計算出相應的分段掃描射頻控制參數，然后按照時序發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，射頻信號經接收機二次變頻到160 MHz中頻，輸出模擬中頻信號；（4）數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、數字濾波、FFT等功能，并將計算結果通過PXIE高速總線打包發往主控模塊；（5）主控模塊頻譜監測顯控軟件接收來自中頻的頻譜數據，完成寬頻段頻譜數據的拼接和呈現。

3 高速數字信號處理模塊設計

在高帶寬下如何保證數字信號處理的實時性和軟件功能的可擴展性，是數字監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，FPGA和DSP強大的計算能力能夠滿足高速數字信號處理的要求；另一方面，FPGA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]。

為了更好地發揮硬件平臺處理能力，本設計在信號處理功能劃分過程中，綜合考慮業務功能需求和數字信號處理芯片的處理特長。依據軟件模塊化設計指導思想，給出中頻高速數字信號處理設計方案，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，FPGA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；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，主要負責協議解析、參數計算、ITU測量、信號識別及解調等功能。

4 設備實現

依據設計方案，成功研制了一款30～6 000 MHz的頻譜監測接收機。設備采用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測和分析。頻譜監測顯控軟件在主控模塊中采用C++語言實現。針對廣播頻段的監測界面，如圖6所示。

圖6 頻譜監測界面

該設備瞬時分析帶寬達到40 MHz。經實際測試驗證，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計指標（6 GHz/s）要求。設備開發了寬帶搜索、信號監視、最大最小保持、參數測量、瀑布圖、模擬信號解調、高速數據采集及回放等功能，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處于同一頻率范圍內的多個信號和信號的瞬時變化，在本設備上擴展開發了數字熒灰（DPX）功能。它可以生成一段時間內的實時頻譜態勢圖，大大提高了設備對瞬時、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的監測效果，如圖7所示。

圖7 兩個不同功率信號的數字熒灰圖

由于設備采用了軟件無線電架構，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，就可實現動態加載相應調制識別、信號解調、DPX等功能。

5 結 語

本文提出了一種基于PXIE總線的頻譜監測設備設計方法。該方法提供了更高的總線傳輸速率，彌補了傳統接收機數據交互能力的不足，可顯著提高監測與分析性能。采用軟件無線電設計思想，通過模塊化設計，針對不同的應用場景和需求，可對設備軟件功能進行靈活裁剪和擴展。實際應用表明，研制的新型頻譜監測設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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