監(jiān)測(cè)接收機(jī)快速掃描設(shè)計(jì)技術(shù)

彭華仁，呂天志

（中電科思儀科技股份有限公司，山東青島，266555）

0 引言

監(jiān)測(cè)接收機(jī)是無線電監(jiān)測(cè)、分析與定位等方面的專用設(shè)備，在整個(gè)無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中承擔(dān)著信號(hào)搜索與接收等信息收集工作，是無線電管理的重要工具。無線電監(jiān)測(cè)是要探測(cè)、搜索、截獲無線電管理區(qū)域內(nèi)的無線電信號(hào)，通常工作方式為在設(shè)定的無線電頻段內(nèi)進(jìn)行快速掃描搜索，發(fā)現(xiàn)無線電信號(hào)并進(jìn)行分析。出于信息安全的角度，現(xiàn)代的各種信號(hào)發(fā)射設(shè)備普遍采用突發(fā)的方式對(duì)外發(fā)射信號(hào)，這些信號(hào)大都具有突發(fā)性、瞬態(tài)性的特定，對(duì)于監(jiān)測(cè)接收機(jī)而言，這些信號(hào)的頻率、功率、出現(xiàn)時(shí)間、持續(xù)時(shí)間都是未知的，為提高這些信號(hào)的截獲概率，就要求監(jiān)測(cè)接收機(jī)必須具有寬頻段的快速掃描能力。

監(jiān)測(cè)接收機(jī)的寬頻段快速掃描能力通常以其全景掃描模式的掃描速度進(jìn)行衡量，全景掃描是接收機(jī)以最大FFT帶寬在設(shè)定的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)掃描，每次掃描以最大帶寬的頻率窗口連續(xù)相接，從而橫貫整個(gè)預(yù)定義的掃描范圍。每次掃描包括參數(shù)設(shè)置、硬件采集、軟件數(shù)據(jù)處理等幾個(gè)部分，掃描花費(fèi)時(shí)間越短，掃描速度越快。本文主要從掃描流程優(yōu)化、多線程并行數(shù)據(jù)處理、軟件代碼優(yōu)化三個(gè)方面進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)，以減小監(jiān)測(cè)接收機(jī)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)接收機(jī)寬頻段的快速掃描。

1 快速掃描設(shè)計(jì)技術(shù)

目前，監(jiān)測(cè)接收機(jī)大多采用數(shù)字中頻體制，其架構(gòu)如圖1所示。該架構(gòu)的基本工作流程是將天線接收的無線電信號(hào)先經(jīng)過預(yù)選濾波器進(jìn)行預(yù)選濾波，再與本地振蕩器產(chǎn)生的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，生成中頻信號(hào)，再經(jīng)過中頻濾波后進(jìn)行采樣，然后利用FPGA進(jìn)行數(shù)字中頻處理，產(chǎn)生所需的頻譜數(shù)據(jù)，交由嵌入式CPU進(jìn)行后續(xù)處理與顯示。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式，可將監(jiān)測(cè)接收機(jī)的整個(gè)掃描過程大體分為硬件參數(shù)設(shè)置、硬件采集與軟件處理等幾個(gè)部分，為提高掃描速度，需要同步減小參數(shù)設(shè)置時(shí)間、硬件采集時(shí)間以及軟件處理時(shí)間。本文主要針對(duì)與軟件有關(guān)的掃描控制流程、數(shù)據(jù)處理等進(jìn)行設(shè)計(jì)，以減小軟件處理時(shí)間。

■1.1 掃描流程優(yōu)化設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)接收機(jī)全景掃描模式下的掃描流程一般包括硬件參數(shù)設(shè)置、FPGA測(cè)量、中斷響應(yīng)、數(shù)據(jù)讀取與處理等幾個(gè)部分。啟動(dòng)全景掃描后，整個(gè)掃描頻段將由多次掃描拼接完成，每個(gè)掃描由CPU首先設(shè)置硬件參數(shù)、啟動(dòng)FPGA測(cè)量，然后FPGA進(jìn)行采集與數(shù)字中頻處理，產(chǎn)生頻譜數(shù)據(jù)并通過中斷通知CPU讀取數(shù)據(jù)，CPU讀取頻譜數(shù)據(jù)，最后顯示處理并計(jì)算下一個(gè)掃描頻點(diǎn)的硬件控制參數(shù)。CPU軟件與監(jiān)測(cè)接收機(jī)硬件之間的交互過程如圖2所示。圖中灰色虛線部分表示在整個(gè)掃描流程中需要重復(fù)執(zhí)行的過程。

圖1 數(shù)字中頻體制的監(jiān)測(cè)接收機(jī)架構(gòu)

圖2 CPU軟件與監(jiān)測(cè)接收機(jī)硬件交互過程

圖3 改進(jìn)后的CPU軟件與監(jiān)測(cè)接收機(jī)硬件交互過程

上述的掃描控制流程，由CPU軟件負(fù)責(zé)整個(gè)掃描流程的調(diào)度，每個(gè)掃描頻點(diǎn)的硬件參數(shù)設(shè)置、硬件采集、數(shù)據(jù)處理過程都是串行進(jìn)行的，F(xiàn)PGA在完成當(dāng)前掃描頻點(diǎn)的采集與數(shù)字中頻處理之后，需要等待CPU軟件處理完成當(dāng)前頻點(diǎn)的頻譜數(shù)據(jù)之后，才能啟動(dòng)下一掃描頻點(diǎn)的硬件參數(shù)設(shè)置、采集與處理。為了提高掃描速度，可對(duì)該掃描控制流程進(jìn)行優(yōu)化，將掃描流程的控制權(quán)交由FPGA完成，CPU軟件負(fù)責(zé)批量設(shè)置硬件控制參數(shù)、讀取頻譜數(shù)據(jù)、顯示處理等工作，優(yōu)化后的CPU軟件與監(jiān)測(cè)接收機(jī)硬件之間的交互過程如圖3所示。

圖4 CPU軟件掃描流程圖

改進(jìn)后的掃描流程，其工作過程大體為：CPU軟件首先根據(jù)用戶設(shè)定的掃描頻段計(jì)算所有掃描頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的硬件參數(shù)，包括測(cè)量參數(shù)、通道控制參數(shù)和本振控制參數(shù)等，并批量發(fā)送給FPGA，后續(xù)掃描流程的控制交由FPGA負(fù)責(zé)，然后啟動(dòng)測(cè)量，并主動(dòng)查詢是否有頻譜數(shù)據(jù)，若無繼續(xù)查詢，若有則進(jìn)行頻譜數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，處理完成后繼續(xù)查詢。在這一掃描流程中可實(shí)現(xiàn)硬件采集與CPU軟件數(shù)據(jù)處理的并行處理。CPU軟件的掃描流程圖如圖4所示。

■1.2 多線程并行處理設(shè)計(jì)

由于FPGA不適合對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算等操作，F(xiàn)PGA產(chǎn)生的頻譜數(shù)據(jù)為線性數(shù)據(jù)，而最終顯示到用戶界面的數(shù)據(jù)為對(duì)數(shù)數(shù)據(jù)，為此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)還需要將全景掃描過程中每次掃描產(chǎn)生的頻譜數(shù)據(jù)映射到顯示屏幕的像素點(diǎn)上，頻譜數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)與顯示像素點(diǎn)數(shù)量不一致，需要進(jìn)行插值或抽取處理。這些對(duì)數(shù)據(jù)的后續(xù)處理均在CPU軟件中完成，當(dāng)用戶選擇的分辨率帶寬較小時(shí)，每次掃描產(chǎn)生的頻譜數(shù)據(jù)量會(huì)比較大，數(shù)據(jù)的處理時(shí)間就會(huì)比較長(zhǎng)，因此需要采用多線程并行處理的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的并行處理，以加快數(shù)據(jù)處理速度。

圖5 多線程數(shù)據(jù)處理流程

根據(jù)功能實(shí)現(xiàn)，將監(jiān)測(cè)接收機(jī)CPU軟件劃分為人機(jī)界面顯示線程（也是軟件的主線程）、掃描控制線程、數(shù)據(jù)處理線程。其中，數(shù)據(jù)處理線程根據(jù)頻譜數(shù)據(jù)量的大小劃分為多個(gè)數(shù)據(jù)處理子線程，將頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分段并行處理。數(shù)據(jù)處理線程的處理流程如圖5所示。

其中，測(cè)量數(shù)據(jù)處理專用線程池中軟件處理子線程的個(gè)數(shù)n可根據(jù)軟件運(yùn)行平臺(tái)硬件性能進(jìn)行優(yōu)化配置。

■1.3 軟件代碼優(yōu)化設(shè)計(jì)

CPU軟件采用C++語言進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)，在編碼時(shí)采用代碼優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高程序的執(zhí)行效率，減小代碼的運(yùn)行時(shí)間。本軟件在編碼時(shí)采用了如下的優(yōu)化方法：

（1）選用合適的數(shù)據(jù)類型

由于本軟件中使用了大量的乘法運(yùn)算，為此，筆者首先在所選CPU平臺(tái)上進(jìn)行了各種數(shù)據(jù)類型的乘法運(yùn)算效率的測(cè)試，然后根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在保證數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)范圍的前提下，選取合適的數(shù)據(jù)類型。部分測(cè)試代碼如圖6所示。

圖6 測(cè)試乘法運(yùn)算效率代碼

（2）使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)減少函數(shù)調(diào)用

對(duì)于普通函數(shù)的調(diào)用，程序會(huì)先從主函數(shù)的調(diào)用點(diǎn)跳轉(zhuǎn)去執(zhí)行被調(diào)函數(shù)，等被調(diào)函數(shù)執(zhí)行完后，再返回主函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行，這會(huì)占用一些時(shí)間。而使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)，可以節(jié)省這部分時(shí)間。為此，編碼時(shí)對(duì)于頻繁調(diào)用的簡(jiǎn)單函數(shù)加入inline關(guān)鍵字。

（3）使用memcpy語句代替for循環(huán)

對(duì)于循環(huán)賦值語句，使用memcpy語句代替for循環(huán)語句，可減少程序執(zhí)行時(shí)間。

（4）循環(huán)展開

循環(huán)展開指將循環(huán)計(jì)數(shù)展開，以減少循環(huán)迭代的次數(shù)。循環(huán)展開代碼示例如下所示。

展開前 展開后

for(int i=0; i<1000; i++) for(int i=0; i<1000; i+5)

{ {

a +=b； a += b;

} a += b;

a += b;

a += b;

a += b;

}

上述所示的循環(huán)展開示例，迭代次數(shù)可由1000次減少到200次，但是代碼量會(huì)相應(yīng)的增加，同時(shí)實(shí)際代碼中的循環(huán)體也不會(huì)像示例中的這么簡(jiǎn)單，因此實(shí)際使用時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行循環(huán)展開。

2 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

上文所述的快速掃描設(shè)計(jì)方法已在國(guó)產(chǎn)某型手持式監(jiān)測(cè)接收機(jī)上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，筆者按照ITU-R SM.1839-1建議書《測(cè)量無線電監(jiān)測(cè)接收機(jī)掃描速度的測(cè)試程序》中推薦的方法對(duì)該手持式監(jiān)測(cè)接收機(jī)全景掃描模式下的掃描速度進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。測(cè)試過程為：設(shè)置信號(hào)源為頻率掃描，掃描起始頻率3GHz，終止頻率6GHz，輸出功率-30dBm，掃描點(diǎn)數(shù)101，每個(gè)掃描頻點(diǎn)的駐留時(shí)間為150ms，設(shè)置手持式監(jiān)測(cè)接收機(jī)掃描模式為全景掃描，起始頻率3GHz，終止頻率6GHz，顯示最大保持為開，啟動(dòng)掃描，若監(jiān)測(cè)接收機(jī)能夠全部捕獲信號(hào)源每個(gè)頻點(diǎn)的輸出信號(hào)，即可根據(jù)上述設(shè)置參數(shù)計(jì)算得出監(jiān)測(cè)接收機(jī)的掃描速度，若不能全部捕獲則需要增大信號(hào)源的駐留時(shí)間，直至監(jiān)測(cè)接收機(jī)能夠捕獲到全部信號(hào)。監(jiān)測(cè)接收機(jī)的測(cè)試過程圖如圖7所示。

圖7 掃描速度測(cè)試圖

通過測(cè)試圖可以看出，當(dāng)信號(hào)源每個(gè)頻點(diǎn)的駐留時(shí)間為150ms時(shí)，監(jiān)測(cè)接收機(jī)能夠全部捕獲信號(hào)源每個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)，為此，可以通過計(jì)算得出監(jiān)測(cè)接收機(jī)的掃描速度為3GHz/150ms，即20GHz/s，使用同樣測(cè)試方法對(duì)應(yīng)用該快速掃描設(shè)計(jì)技術(shù)之前的手持式監(jiān)測(cè)接收機(jī)全景掃描速度進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)信號(hào)源駐留時(shí)間提高到1200ms左右時(shí)，接收機(jī)才能夠全部捕獲每個(gè)駐留頻點(diǎn)的輸出信號(hào)，由此可見使用該快速掃描設(shè)計(jì)技術(shù)后，掃描速度相比之前提高了近8倍，該設(shè)計(jì)技術(shù)行之有效。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)監(jiān)測(cè)接收機(jī)快速掃描的測(cè)試需求，研究了掃描流程優(yōu)化設(shè)計(jì)、軟件多線程并行處理設(shè)計(jì)以及軟件代碼優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，并將這些設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用到了國(guó)產(chǎn)某手持式監(jiān)測(cè)接收機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了該監(jiān)測(cè)接收機(jī)的寬頻段快速掃描。同時(shí)，這些設(shè)計(jì)技術(shù)還可以應(yīng)用到其他同類型的監(jiān)測(cè)接收機(jī)類產(chǎn)品中。