虛實結合的電磁頻譜監測訓練系統設計

李亞飛 姚慰 劉峙峰

摘要：現如今，，電磁信號監測保障人員的訓練主要采用實裝訓練，雖然實裝是最有效的訓練方式，但實際裝備價值昂貴、型號種類多，如目前電磁頻譜監測設備有德國進口的，國產的有成都華日、中星世通、清華同方等公司的產品，院校和訓練機構配發周期長、難度大，導致實際教學中單一種類訓練設備有限，難以開展多組訓練，影響訓練效果。因此，需要一種現代化的訓練手段彌補實際裝備不足的問題。

關鍵詞：電磁頻譜;虛擬仿真;裝備操作訓練;監測

引言

虛擬現實（VirtualReality，VR），是人們通過計算機對復雜數據進行可視化操作與交互的一種全新方式，它以計算機技術為核心，結合其它相關科學技術（傳感與測量、微電子、人工智能等），生成一個在視覺、聽覺、嗅覺、觸感等方面與實際環境高度近似的數字化環境，用戶借助必要的裝備與數字化環境中的對象進行交互，產生身臨其境的感覺和體驗。由于虛擬現實技術具有逼真度高、臨場感強、安全可靠、重復高效等優勢，已廣泛應用于公共安全、工業設計、醫療輔助、軍事模擬、航空航天、交通規劃和文化教育等領域。

一、系統總體設計

（一）總體需求

根據現有機動、固定式電磁頻譜監測系統的組成和邏輯功能，為滿足院校和對應訓練機構的訓練需求，擬設計電磁頻譜監測訓練系統滿足如下要求：

1）模型逼真：實物模擬系統與原裝備具有相同的實物外形、尺寸、面板接口、線纜、天線等，給受訓者提供真實的裝備訓練感受。

2）操作真實：系統實現真實電磁信號的接收、監測，各組成部件（如監測接收機、天線）性能指標可測，系統功能與原型實裝基本操作功能實現方法一致，滿足教學訓練要求。

3）訓練高效：能夠按照實際裝備操作模式開展系統組成連接、開機檢查、典型性能指標測試、電磁信號監測與控制、電磁信號測向等科目訓練，使受訓者掌握電磁頻譜監測系統操作使用技能。同時，系統能夠基于計算機局域網開展網絡化訓練，滿足多組人員同時訓練需求。

（二）系統組成

為既滿足監測環境真實性和組網訓練的要求，又使系統盡量簡化、降低開發成本，系統在整體設計上采用分布式計算機體系結構，系統在真實環境電磁信號頻譜掃描上采用嵌入式系統開發實現真實電磁信號的接收與控制，電磁信號測向功能訓練采用虛擬仿真方式實現。

二、系統設計

在本系統的設計中，采用TI雙核處理器OMAP-L138。此款處理器包含ARM與DSP，為使系統能夠更好地實現多客戶端頻譜監測的功能，ARM采用了Linux操作系統，Linux操作系統為開源多線程操作系統，具有強大的網絡支持，能夠很好地處理多個客戶端的網絡連接，此外TI提供了相關的底層支持，開發效率高;DSP采用TI公司的DSP/BIOS，DSP/BIOS是一個尺寸可伸縮的實時內核，方便實現線程間調度與同步工作[6]。多核、多線程技術的引入為本系統多客戶端頻譜監測的并行處理實現提供了強有力的保證。

（一）多客戶端并行處理架構

在本系統中，結合多核架構以及多線程技術，提出了多客戶端頻譜監測的流水并行處理架構，如圖4所示。在此流水并行處理架構中，系統在接收解析客戶端n的頻譜監測任務的同時，處理部分正在處理上一客戶端n-1的頻譜監測任務，并將客戶端n-2的頻譜數據回傳。執行中，ARM端完成客戶端的連接以及為其分配標識，并將其添加到客戶隊列，根據任務隊列中情況進行任務解析，將頻譜監測任務指令及相關參數（如中心頻率、帶寬、頻率分辨率等）回傳至DSP。DSP端接收到頻譜監測指令之后，進行任務的分發以及相關的配置工作。由于不同客戶端的頻譜監測任務不盡相同，在系統實現中還需要不斷更改射頻前端調諧頻率，以保證能夠正確地完成對應客戶的頻譜監測任務。射頻前端調諧頻率等的配置工作交由FPGA來完成，配置完成之后利用FPGA將數據采集并進行相應的預處理后回傳到DSP。DSP完成相應的處理工作之后交由ARM，ARM端將頻譜監測結果回傳至客戶端，從而保證了頻譜監測的實時進行。利用這種架構，ARM、DSP、FPGA之間并行運行，減少了不必要的等待，大大增強了各處理單元的利用率。

（二）ARM端程序設計

1.Linux下的多線程編程

線程就是程序中的單個順序控制流，利用多線程技術，可以將一個程序的任務分為多個線程，每個線程執行程序的一個部分，所有線程都是并發執行，這樣就可以實現并行計算，高效利用處理器。此外，通過為每種事務分配單獨的處理線程，能夠有效簡化程序設計，使程序更加容易理解和修改。

2.Linux并發服務器系統設計

在網絡服務線程中，由于存在多個客戶端同時連接的情況，因此接收機必須要具備并發處理多個客戶端連接的能力。ARM端主程序在建立套接字描述符socket、綁定bind之后開始監聽任務，調用accept函數等待客戶端的連接請求。當接收到客戶端的請求時，服務器便為該客戶端分配相應標識，加入客戶列表，并為其創建一個新的線程，用于處理客戶端發送的數據信息。

三、系統開發技術方案

（一）頻譜掃描接收單元設計

系統頻譜監測工作原理：電磁信號通過天線進入頻譜掃描接收單元的預選器，預選器對信號進行預選調理，處理后信號通過頻率搬移轉換為中頻信號輸出給數字中頻模塊，數字中頻模塊對信號進行高速采樣、數字下變頻和濾波處理，輸出信號經過數字信號處理軟件實現各種測量信息，并通過訓練控制單元中的監測控制軟件進行處理，并對頻譜信息進行顯示。

頻譜掃描接收單元按照全數字中頻頻譜儀或接收機工作原理框圖進行設計。現代全數字中頻頻譜儀或接收機，都是以超外差式為基本原理，采用射頻前端（包括衰減器、預選器、混頻器、中頻濾波器、中頻放大器），將射頻信號變到中頻，在中頻采樣，然后進行IQ分離，再對IQ信號進行處理，得到需要的FFT頻譜或信號的幅度信息。

（二）基于虛擬手的人機交互分析

采用數據手套構建虛擬手，費用昂貴、手部受限感明顯，而光學方式成本低廉、交互自然，故將其作為首選項。近年來，隨著計算機軟、硬件技術的發展，虛擬現實產業界推出了Kinect、LeapMotion等幾款手部信息捕獲設備。這幾款產品成本低廉，非常適合作為普通虛擬現實系統應用中的人機交互設備。其中，Kinect主要追蹤中遠距（0.5～4m）的全身運動，而對于手部動作的細節信息跟蹤不夠，需要手臂配合表達;LeapMotion是一個檢測手勢運動的傳感器，體積小、成本低、擴展性強，可識別每根手指的位置、姿態、速度等參數，動作跟蹤精度達0.01mm，可用于專業的手勢交互系統。

（三）天線單元設計

天線單元主要由超短波監測天線和微波監測天線組成。超短波監測天線主要用于接收VHF和UHF電磁信號，為保證接受效果，天線方向性為全向，為兼顧機動站和固定站訓練特點，系統中超短波天線以盤錐天線為原型進行設計，設計中采用HFSS軟件進行優化設計，通過分析圓盤尺寸、圓盤高度、錐角大小對天線寬帶特性的影響，設置優化目標保證天線在20M～3GHz的工作頻率范圍內駐波比小于等于2.5。

結語

本系統采用虛擬與現實結合的方法，實現了電磁頻譜監測訓練系統的設計，并根據設計完成了訓練系統樣機的制作，經過課堂教學實踐，教員和學員對系統訓練效果比較滿意。

參考文獻：

[1]賀昕.復雜電磁環境下頻譜監測新技術[J].中國新通信，2010，12（19）：87-91.

[2]熊淑平.虛擬仿真技術在高職教學中的應用探析[J].黃河水利職業技術學院學報，2013，25（1）：79-81.

[3]周健.淺析虛擬現實技術及其在教學中的應用[J].無線互聯科技，2015（15）：145-146.