基于通用总线的频谱监测设备设计与实现*

蔡勇华，邓 招，宋 滔，李晓东

0 引 言

无线电通信技术的快速发展和各类用频设备的广泛应用，使当前面临的电磁环境越来越复杂，频谱资源日益紧张。通过频谱监测与分析可以很好地缓解各类用频设备的用频冲突，提高频谱资源的科学监管和高效利用。传统的频谱监测设备普遍存在功能单一、通用性不足、可扩展性差等缺点。随着监测频段不断扩展，实时监测要求逐渐提高，监测数据量不断增大，如对跳频信号捕获、信号实时分析等功能，都对频谱监测接收机的处理带宽、速度以及功能扩展性提出了更高要求[1]。因此，开发一种硬件可互换与软件可重构的频谱监测设备，用以应对监测分析能力不断发展成为了当前的发展要求。对此，本文提出了一种基于PXIE总线的频谱监测设备方法。该方法采用平台标准化、模块可互换的设计思想，可以通过多通道硬件并行处理的办法，增强设备对高带宽、高速跳频等信号的监测能力；可方便通过加载不同软/硬件模块，使设备具有良好的扩展能力；能够更好地适应复杂电磁环境下频谱监测不断发展的需求，解决以往以硬件为核心的装备系统功能拓展差、适应能力不足的问题。

1 系统设计

1.1 系统组成

基于PXIE总线的电磁频谱设备主要包括PXIE机箱、射频接收机、频综卡、中频处理卡和主控模块等。设备通过接收天线接收空间电磁波信号，进行相应变频、滤波、放大后变换输出，经过高速ADC模块数字采样后进行相应信号分析，提取出无线信号的相关特征参数；最后通过频谱监测软件进行图形化，直观呈现监测对象在时域、频域、空域的多维分布特性。基于PXIE总线的频谱监测设备系统组成，如图1所示。

图1 频谱监测设备系统组成

PXIE总线将PXI总线中的可用带宽提高了45倍多，即从132 MB/s提高到6 GB/s，并维持了与PXI模块间的软硬件兼容。它提供更高的数据带宽和更低的总线延迟[2]，大大提升了频谱监测设备的数据传输能力，完成了各模块的集中承载和数据交互。

1.2 硬件构成

依据硬件标准化的设计指导思想，设备采用3U的PXIE标准机箱作为硬件架构基础。它的背板包括CPCI-E总线、CPCI总线、触发总线和JTAG调试连接线等。机箱内则包含射频接收机、频综卡、中频处理卡和主控模块。各板卡通过背板相连，互联关系如图1所示。所有板卡都是标准尺寸，除了主控模块外，其他硬件模块可以在多个平等槽位之间任意互插互换。机箱外观及结构，如图2所示。

图2 设备硬件结构

机箱内各硬件模块功能划分如下。

射频接收机。射频接收机采用超外差接收模式，实现宽频率大动态接收，负责完成射频信号接收。

频综卡。高纯捷变频综卡负责提供射频变频所需的第一、第二本振信号以及一路409.6 MHz中频采样时钟。

中频处理卡。中频处理卡主要由TI的DSP 6455与Xilinx FPGA V5构成，负责完成对射频模块的控制，完成中频数字信号处理和PXIE高速总线传输功能。

其中，射频接收机和频综卡负责处理模拟信号，通过背板接口主要实现供电和SPI通信。中频卡通过SPI接口实现射频控制，通过高速总线与主控模块之间完成高速数据传输，从而保证宽带频谱扫描、高速信号采集等功能下的实时数据传输能力[3-4]。

1.3 软件部署

频谱监测设备主要通过射频硬件感知接收空间电磁波，然后经过数字化和信号分析，最终图形化直观呈现。因此，从软件上根据功能逻辑可以分为三个主要功能模块，分别为主控模块软件模块、中频处理软件模块以及射频控制软件模块。

根据软件模块化的设计思想，以模块接口定义清晰、功能相对独立为目标，给出了设备软件功能部署框图，如图3所示。

图3 设备软件部署

各模块软件具体功能如下。

主控模块软件模块。频谱监测结果显示如频谱图、瀑布图以及分析结果显示等；用户参数设置用于选择工作模式和相应分析参数；数据记录用于记录扫描结果或IQ信号；驱动接口模块用于完成总线协议的驱动、各类数据的解析封装。

中频处理软件模块。接收主控模块下发的控制参数，配置滤波器参数、FFT点数等；实现DDC、滤波、FFT计算、参数测量、调制识别等功能；负责SPI接口通信控制等。

射频控制软件模块。接收中频板传输的控制参数；配置频综的时钟频率和射频模块增益。

(3)402浓缩机。由表3可知，402浓缩机入料水量为1 410.75 m3/h，设备的负荷能力是907.5 m3/h，则所需设备数量为：1.25×1 410.75/907.5=1.94(台)，即应将403浓缩机投入运行，才能满足现有生产需求。

2 快速频率扫描功能设计

为了满足监测频段的不断扩展和频谱监测实时性不断提高的要求，提高频谱监测设备频谱扫描速度，本文采用射频分段接收加数字FFT联合分析的方法来实现快速频率扫描。利用快速捷变的射频前端硬件完成射频信号的分段扫描；使用高速数字信号处理卡完成频谱信号的采样、频谱计算、滤波等；通过PXIE高速总线将计算结果传送到频谱显控界面进行组帧显示。

快速扫描设计流程，如图4所示。它主要涵盖以下几个步骤：（1）用户在频谱监测软件界面发起快速频率扫描，生成相应任务命令并下发；（2）中频处理卡接收到快速扫描任务后，根据频段信息、带宽、扫频速率、射频增益、频率分辨率等参数计算出相应的分段扫描射频控制参数，然后按照时序发射分段扫描射频控制命令；（3）由高纯捷变频综卡提供通道多级变频所需的一、二本振信号，以满足系统分段捷变接收的需求，频综卡接收到相应控制指令完成本振时钟的切换，射频信号经接收机二次变频到160 MHz中频，输出模拟中频信号；（4）数字处理板卡通过高速AD完成带通采样，接着由高速FPGA、DSP完成DDC、数字滤波、FFT等功能，并将计算结果通过PXIE高速总线打包发往主控模块；（5）主控模块频谱监测显控软件接收来自中频的频谱数据，完成宽频段频谱数据的拼接和呈现。

3 高速数字信号处理模块设计

在高带宽下如何保证数字信号处理的实时性和软件功能的可扩展性，是数字监测接收机遇到的最突出问题。本方法采用TI的DSP 6455与Xilinx FPGA V5的软件无线电硬件平台方案解决该问题。一方面，FPGA和DSP强大的计算能力能够满足高速数字信号处理的要求；另一方面，FPGA和DSP都是应用广泛的可编程器件，具备良好的功能扩展性[5]。

为了更好地发挥硬件平台处理能力，本设计在信号处理功能划分过程中，综合考虑业务功能需求和数字信号处理芯片的处理特长。依据软件模块化设计指导思想，给出中频高速数字信号处理设计方案，如图5所示。

图4 快速频率扫描流程

图5 中频处理卡中信号处理方案

其中，FPGA具有集成度高、运算速度快，擅长完成高速并行运算、精确的时序控制等，主要负责高速PCIE接口、DDC、FFT、射频时序控制功能实现；DSP擅长各类复杂逻辑和算法处理，特别是多算法任务，其软件的编译、仿真、更新较FPGA更具灵活性，主要负责协议解析、参数计算、ITU测量、信号识别及解调等功能。

4 设备实现

依据设计方案，成功研制了一款30～6 000 MHz的频谱监测接收机。设备采用PXIE标准3U机箱配以双通道射频接收机、频综卡、中频处理模块以及主控模块。其中，双通道射频接收机模块分时切换工作，以完成射频频段的覆盖。这样由一个中频板卡即可完成全频段的频谱监测和分析。频谱监测显控软件在主控模块中采用C++语言实现。针对广播频段的监测界面，如图6所示。

图6 频谱监测界面

该设备瞬时分析带宽达到40 MHz。经实际测试验证，在频率分辨率为12.5 kHz下，40 MHz上一次FFT分析时间仅需240 μs。为了更加精确地呈现信号频谱，做了四次信号平滑，这样40 MHz频段上的分析时间约为1 ms，中频处理分析能力达到了40 GHz/s，加上一些换频和传输开销，整机扫描速度完全满足了设计指标（6 GHz/s）要求。设备开发了宽带搜索、信号监视、最大最小保持、参数测量、瀑布图、模拟信号解调、高速数据采集及回放等功能，可对跳频信号如跳频速率、换频时间、频点及带宽等主要跳频参数进行分析，还可以进行宽带信号实时记录。

为了观察到在不同时间内处于同一频率范围内的多个信号和信号的瞬时变化，在本设备上扩展开发了数字荧灰（DPX）功能。它可以生成一段时间内的实时频谱态势图，大大提高了设备对瞬时、隐秘信号的捕获和观察能力[6]，非常适合信号侦察方面的应用。对同频点不同功率的两个示例信号DPX的监测效果，如图7所示。

图7 两个不同功率信号的数字荧灰图

由于设备采用了软件无线电架构，可以很方便地进行功能升级和扩展。针对不同的应用场景，通过更新相应的信号处理算法和显控软件模块，就可实现动态加载相应调制识别、信号解调、DPX等功能。

5 结 语

本文提出了一种基于PXIE总线的频谱监测设备设计方法。该方法提供了更高的总线传输速率，弥补了传统接收机数据交互能力的不足，可显著提高监测与分析性能。采用软件无线电设计思想，通过模块化设计，针对不同的应用场景和需求，可对设备软件功能进行灵活裁剪和扩展。实际应用表明，研制的新型频谱监测设备具备较高瞬时分析带宽和灵活的扩展能力，可满足不同场合下的频谱监测任务需求，在工程中有较强的实用价值，具有广泛的应用前景。

[1] 王树刚,徐文娟.电磁频谱监测系统设计分析[J].无线电工程,2012,42(06):39-41.WANG Shu-gang,XU Wen-juan.Electromagnetic Spectrum Monitoring System Design and Analysis[J].Radio Engineering,2012,42(06):39-41.

[2] 李经章.基于FPGA的PCIExpress传输设计[D].重庆:重庆大学,2012.LI Jing-zhang.The Design of PCIExpress Transmission Based on FPGA[D].Chongqing:Chongqing University,2012.

[3] 王青.全频段电磁频谱监测设备总体方案及设计[D].西安:西安电子科技大学,2012.WANG Qing.Full Frequency Electromagnetic Spectrum Monitoring Equipment Overall Plan and Design[D].Xi an:Xidian University,2012.

[4] WU Qing-ping,Zhou Yu-feng.Design of a Network Receiver for 20MHz to 3GHz Ultra-short Wave Spectrum Monitoring[J].IEEE 3rd International Conference on System Science,Engineering Design and Manufacturing Informatization,2012(02):13-16.

[5] 康凯,钟子发,叶春逢等.双通道频谱监测数字处理平台设计[J].计算机测量与控制,2010,18(07):1485-1496.KANG Kai,ZHONG Zi-fa,YE Chun-feng,et al.Dualchannel Spectrum Monitoring Digital Processing Platform Design[J].Computer Measurement &Control,2010,18(07):1485-1496.

[6] 郭仕剑,唐鹏飞,宿绍莹等.数字荧光实时频谱分析设备的设计实现[J].电子测量与仪器学报,2011,25(09):781-786.GUO Shi-jian,TANG Peng-fei,SU Shao-ying,et al.Design of Real-time Spectrum Analysis Applying DPX[J].Journal of Electronic Measurement And Instrument,2011,25(09):781-786.