網絡無線偵察接收機軟件系統的設計和實現

夏 娟 ， 夏 威 ， 何子述

（電子科技大學 電 子工程學院， 四川成都611731）

為了從無線電信號中獲取對方的信息而對通信信號進行搜索、截獲、測量、分析、識別、監視以及對輻射源測向和定位，以獲取其技術參數、功能、類型、位置和用途而構成的系統，稱為無線偵察接收機系統[1]。其中計算機軟件系統是整個偵察接收機系統的重要組成部分，本系統中軟件和硬件之間的數據傳輸是依靠網絡進行的。

本文在分析網絡無線偵察接收機軟件系統框架的基礎上，結合wxWidgets庫給出如何設計用戶界面、如何利用wxMathPlot對接收到的數據進行畫圖、信號處理的基本方法，重點分析了如何解決網絡接收數據時可能出現的“粘包”問題，最后給出了軟件運行效果。

1 網絡無線偵察接收機軟件系統總體設計

網絡無線偵察接收機的總體設計如圖1所示。硬件系統采集到的數據通過網絡采用TCP/IP協議傳送給信號實時顯示系統。整個軟件系統主要由以下幾個模塊組成：網絡模塊、GUI模塊、信號處理模塊、畫圖模塊、存儲模塊[2]。其中網絡模塊主要負責接收硬件發送的數據；GUI模塊則負責與用戶的交互；信號處理模塊則主要負責對采集到的信號進行一定的處理，如功率譜估計、解調等；畫圖模塊則需要將網絡收到的數據實時顯示在用戶界面；存儲模塊則負責將收到的數據存儲在電腦磁盤[3]。其中GUI模塊是整個軟件系統的核心，其余各模塊之間的信息傳遞則是通過GUI模塊，GUI模塊相當于一個信息中轉站。

圖1網絡無線偵察接收機軟件系統總體設計Fig.1Thedesignofnetworkwirelesssurveillancereceiversoftwaresystem

目前支持C++進行GUI開發的軟件包很多，主流的包括wxWidgets、MFC、QT等等。和其他GUI開發庫相比，wxWidgets擁有豐富的并且開源組件，可以吸引眾多人士對其進行改進，對其不斷擴充和發展；為其所支持的各種平臺提供幾乎一致的GUI應用程序接口（API）。程序從一個平臺換到另一個運行，只需要重新編譯，鏈接相應的庫文件即可。它提供了一個與平臺無關的framework，所以程序設計時選用wxWidgets2．8．0庫進行GUI開發，編譯工具使用的是codeblocks8．02。

2 關鍵模塊設計

2.1 GUI模塊的設計

Win32程序的main函數代表程序運行起點，對于wxWidgets程序，整個程序的執行即主線程開始啟動，是從建立一個wxApp類的對象并調用其類成員函數OnInit（）函數開始的[4]。OnInit（）函數中需要完成的工作則是創建程序窗口的實例。程序中使用的頂層窗口是從wxFrame（一個可以容納其他窗口和控件的頂層窗口，通常擁有標題欄和菜單欄）派生出來的。

//在OnInit函數中創建MainFrame的對象并顯示窗口

2.2 畫圖模塊的設計

信號處理的結果需要在界面上顯示出來，如頻譜圖，星座圖等。

wxMathPlot是一個用來畫二維曲線的圖形庫。系統中主要使用該庫繪制一些分析曲線，向用戶展示分析結果（如頻譜圖）。wxMathPlot采用的也是類繼承的方式。坐標軸和曲線都是以Layer的方式疊加在畫圖窗上的。

2.3 信號處理模塊的設計

為了了解信號各頻率成分的構成情況，對網絡收到的硬件采集的數據進行功率譜估計[5]。估計方法包括經典功率譜估計和現代功率譜估計方法。系統中使用的主要是經典功率譜估計，其中又包括周期圖法和BT法，下面簡要介紹一下周期圖法計算功率譜的計算步驟：

1）計算信號的傅里葉變換

2）計算出信號的功率譜

其中步驟1）是指取觀測樣本的N個值對其進行N點的傅里葉變換，得到的結果UN（ω），步驟2）中對UN（ω）模的平方是確定信號uN（ω）的能量譜，對能量譜除以持續時間N，其結果是對uN（n）的功率譜估計。

2.4 網絡模塊的設計

網絡模塊是基于TCP/IP協議采用C/S通信模型完成的。在C/S模型中，PC屬于客戶端（Client）,而硬件屬于服務器端（Server）。由用戶在界面上設置連接硬件所需要的IP地址和端口號，PC端主動向硬件發起連接。連接建立以后，PC通過以太網接收硬件采集的數據。圖2展示了C/S通信模型的實現框架。

圖2 C/S通信模型實現框架Fig．2Implementation framework of C/S communication model

實際上，在網絡中傳送的數據都被分割成包（packet）的形式進行傳送。在進行客戶端程序開發的時候，出現“粘包”問題。“粘包”指的是發送方發送的若干個數據包到接收方時都粘在一起[6]。圖3（a）～（d）分別展示PC接收到各種粘包的情況。

引起“粘包問題”的原因主要包括以下兩個：1）發送端：TCP為了提高傳輸效率，如果發送方發送的數據包很小，TCP不會立即將該數據包發送出去，而是等收集到足夠多的數據，將幾個數據包合成一個包才發送出去；2）客戶端：接收方用戶進程沒有及時處理接收到的數據，即下一包數據到達時前一包數據尚未被用戶進程取走，則下一包數據則放在前一包數據之后。

圖3網絡接收到的K個數據包中各種“粘包”情況Fig．3 Network receives K packets in the various“stick pack”situation

為了解決“粘包”問題，Client和Server端約定好發送數據包的格式如圖4所示。

圖4網絡發送的數據包格式Fig．4The format of the packet sended by the network

當PC端收到“粘包”時，首先經過預處理過程——解包，將粘在一起的包分成獨立的數據包，并將每個數據包中的數據取出依次拷貝到pool中分配的緩沖區中。

預處理過程構造類PacketBuilder，該類的具體設計如下。

3 軟件運行效果

網絡無線偵察接收機軟件系統可實時監測頻率范圍為頻率范圍20～3 000 MHz的信號，且對實時監測的信號進行分析和處理：主要包括電平、場強、頻差、頻偏、調制度、帶寬等技術參數的測量。其中頻率測量精度為1×10－7，頻率分辨率為1 Hz。并且當系統處于掃描模式下，存儲掃描速度≥700信道/秒，連續頻率掃描速度＞6 GHz/秒，可選步進可從125 Hz到100 kHz。該系統可智能地處理多個同時被調度的監測任務，實現多任務并發監測。該系統具有自學習能力，可在無人值守條件下完成智能化自動化監測任務。

系統的界面如圖5所示，界面從上到下依次是標題欄、菜單欄、工具欄；界面的下方左邊部分是信號處理參數配置面板，右邊部分主要用來顯示各種信號處理的結果，圖5當前展示的就是功率譜估計結果顯示窗，窗口顯示的是信號的頻譜圖。目前，該系統可以正常接收硬件發送的信號，并從中提取出其技術參數如調制方式、調制度、頻率、帶寬等。

圖5系統界面顯示Fig．5Interface display of the software system

4 結束語

信號實時處理顯示軟件系統滿足ITU建議的規范要求，兼容無線電監測網傳輸協議（RMTP），通過網絡接收硬件采集的無線電信號，從而達到實時監測、測量和存儲無線電信號的目的。該軟件系統具有固定頻率監測和掃描頻率兩種工作模式，實現了對無線電信號的頻譜分析。通過該軟件系統的實施，為進一步實現兼容無線電監測網傳輸（RMTP）協議的網絡化智能無線頻譜監測偵收系統以及產業化做好準備。整個軟件系統的分析設計過程均采用面向對象方法實現，借助于模塊設計和面對對象編程思想使類與類之間的內聚性增強，耦合性減弱，提高了系統的可重用性和擴展性[7]。

[1]朱慶厚．無線電監測和通信偵察[M]．北京:人民郵電出版社，2005．

[2]周群艷，黃新財．無線電監測軟件的設計與實現[J]．微計算機信息，2006,22（1－1）:92－94．ZHOU Qun-yan，HUANG Xin-cai．Design and implementation of wireless surveillance receiver software[J]．Computer,2006，22（1－1）:92－94．

[3]劉爽，史國友,張遠強．基于TCP/IP協議和多線程的通信軟件的設計與實現[J]．計算機工程與設計，2010，31（7）:1417－1420．LIU Shuang，SHI Guo-you，ZHANG Yuan-qiang．Design and implementation of communication software based on TCP/IP protocolandmultithreadingtechnology[J]．Computer Engineering and Design,2010,31（7）:1417－1420．

[4]Hock K，Csomor S，Smart J．Cross-Platform GUI programming with wxWidgets[M]．UK:Prentice Hall PTR,2005,7．

[5]何子述，夏威，等．現代數字信號處理及其應用[M]．北京：清華大學出版社，2009．

[6]Hu S，YAN Wei-yong．Stability robustness of networked control systems with respect to packet loss[J]．Automatica，2007，43（7）:1243－1248．

[7]Lippman S B，侯捷．C++對象模型[M]．武漢：華中科技大學出版社，2002．