基于宽带多任务处理和重构技术的无线电监测处理平台研究*

高 峰，王 婷，赵锞锞

（1.中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041;2.解放军61212 部队，北京 100091）

0 引言

无线电监测的主要任务是利用监测接收处理设备对无线电信号进行搜索、截获，并进行调制识别、解调、分析等操作，以此为基础实现无线电信号中的技术参数和信号特征的提取，实现对无线电信号的监测和监管。随着通信技术的发展，无线电监测的目标从模拟广播信号、常规话音信号、2G/3G 伪基站信号等传统信号扩展到数字集群信号、4G/5G移动通信信号[1]、低慢小无人机通信信号[1][2]等新型民用通信目标，信号体制包括了猝发、跳频、扩频等多类信号，并且向高速数据传输、大带宽、数字化等方向发展。

无线电监测系统需要快速适应城市纷繁复杂的电磁环境，应对不断出现的新体制目标。根据国际电联无线电通信部门（ITU-R）的相关频谱监测演进建议书（RecommendationSM.2039）的建议：扩大监测覆盖范围、功能灵活并适应不同任务场景、提高自动化和智能化水平是未来无线电监测系统的发展方向，并对通信体制识别能力提出了更高的要求[3]。传统的无线电监测系统一般采用相对松散和独立设备，瞬时监测范围较窄，可扩展能力差，不具备对信号体制的分析能力，不能满足未来无线电监测的发展需求。因此，需要发展宽带多任务并行处理、可重构、可扩展、具备信号体制分析的新型无线电监测处理平台，以满足未来无线电监测任务的需求，提升无线电监管工作的效率和能力。

基于上述分析，笔者开展了无线电监测处理平台硬件、软件体系研究。采用多处理器/多核并行处理设计、模块化和阵列化设计、以及可重构设计，实现宽带多类无线电信号的并行快速处理、系统功能的动态重组，满足各种复杂无线电监测信号处理任务的需求。

1 无线电监测处理平台发展和趋势

传统的无线电监测处理设备，主要针对窄带通信制式的定频信号，信号接收采集后并通过上层软件的处理基本可以实现准实时的监测处理分析。随着监测信号的带宽增加兆赫兹级甚至几十兆赫兹级，信号发射形式转为猝发、跳频甚至跳扩信号，基于上层软件的处理方法就难以应对。采用FPGA等高速实时处理芯片进行信号预处理[4]，并结合DSP、CPU 进行信号处理分析成为了主流的解决方案。随着认知无线电[5]、多处理器/多核进行宽频带信号处理技术、软件加载技术、特定信号体制分析技术的发展，为无线电监测的宽频段多任务快速处理、功能灵活扩展、精细化体制分析等能力的提升创造了技术条件。

传统的无线电监测设备大多采用独立式架构，未采用数据总线，因此灵活度、通用性和扩展性差。此后的无线电监测系统采用集中式架构，采用数据总线，如采用PCI 总线[6]，实现了系统数据的交换和分发，但尚未形成功能重构能力。后续随着总线技术的发展，VPX 总线支持标准的高速串行交换架构，具有可面向高性能计算、可扩展带宽、传输速率高[7]的特点，为FPGA、DSP 芯片的快速重构加载以及构建模块化、阵列化的无线电监测处理平台创造了技术条件。

2 新型无线电监测处理平台架构

2.1 无线电监测处理硬件架构

新型无线电监测处理平台的硬件架构如图1 所示。平台采用模块化、阵列化设计，采用支持重构功能的处理芯片以及高速处理总线构建硬件平台。以多片高速处理FPGA 组成宽带中频信号预处理阵列，以多核DSP 芯片组成基带信号处理阵列，以POWERPC、CPU 组成数据融合及显控阵列，以SSD 硬盘组形成信号采集高速存储阵列。各处理阵列间和内部采用SRIO、光口、以太网接口开展数据交互，可实现硬件资源的阵列化扩展。

（1）宽带中频信号预处理阵列

采用高速AD 和FPGA 处理芯片构成中频信号预处理阵列，每片FPGA 可对至少60MHz 带宽中频信号进行处理，多片FPGA 组成阵列可实现宽频段信号的实时监控。各FPGA 间采用SRIO 进行数据交换，并采用加载控制芯片实现程序的加载重构。宽带中频信号预处理阵列实现无线电信号搜索捕获、基本参数测量、滤波、数字下变频、基带数据生成功能。

（2）基带信号处理阵列

采用多核DSP 信号处理芯片对FPGA 下发的基带数据进行并行数据处理，数据接口采用SRIO 高速接口。实现信号带宽估计、频偏校正、调制识别、网台分选、信号测向、信号解调、体制识别、信息解析。

（3）数据融合及显控阵列

采用POWERPC+CPU 的架构，通过SRIO 接口与FPGA、DSP 连接，实现处理芯片阵列的资源调度、重构控制、频谱和分析结果展示。

（4）信号采集高速存储阵列

信号采集高速存储阵列包括SSD 硬盘阵列和控制电路，通过高速数据总线与其他各阵列连接。根据应用的不同需求，信号采集高速存储阵列实现FPGA 采集的中频数据的快速存储、基带数据和解析结果的快速存储。

图1 新型无线电监测处理硬件平台架构

2.2 无线电监测处理软件架构

无线电监测处理平台的软件架构如图2 所示。采用软件定义无线电设计思路，采用中间件结合可重构信号处理软件构件实现，可实现无线电监测功能重构加载，主要包括应用层、信号处理构件、数据服务层、平台服务层。

图2 无线电监测处理软件架构

（1）应用层

无线电监测处理平台软件的应用层为监测任务人机交互界面。通过人工结合自动的方式，实现无线电监测控制和结果显示。主要具备无线电监测的频谱监测、信号识别、目标定位、解调解析、体制获取。

（2）信号处理构件

信号处理构件包括无线电监测任务所需的功能构件。主要包括以下构件：实现无线电频谱监测和初步识别功能的信号搜索、参数测量、数字滤波、带宽估计、调制识别等构件；实现信号分选功能的网台分选等构件；实现通信体制分析功能的信号解调、体制分析、信息解析等构件；实现信号定位功能的测向融合等构件。各功能构件通过组合及加载的方式实现平台软件功能的重构。

（3）数据服务层

数据服务层主要实现无线电监测任务的数据支撑，包括以下数据库：信号样本库实现无线电监测的训练和监测匹配；无线电情报库实现无线电监测的情报信息积累支撑，为后续无线电监测任务提供先验信息；知识库和学习库为提高系统自动化和智能化水平、实现功能升级扩展提供支撑。

（4）平台服务层

无线电监测处理平台软件的平台服务层主要实现平台的重构控制、驱动、运维状态等功能，是系统平台化的重要软件支撑。主要包括实现重构控制的中间件管理、软件构件配置、加载管理模块，实现驱动功能的操作系统、底层驱动模块，实现监视运维功能的状态监视、平台运维模块。

3 关键技术和实现途径

3.1 宽带多任务并行处理技术

平台采用宽带多任务并行处理技术，以保证对前端信号宽带监测和多种信号体制监测任务的并行实时处理。该技术主要构建模块化并行处理基本单元，通过基本单元并行处理和阵列化扩展以实现多任务宽带并行处理能力。

并行处理基本单元采用2 通道高速AD 芯片、2片FPGA处理器、1片多核DSP芯片构成，如图3所示。其中，AD 芯片选用2 通道高速采集芯片，FPGA 选用Xilinx V7 系列。DSP 选用TMS320C6678 八核浮点处理芯片，每片DSP 芯片处理2 片FPGA 输出的基带数据。DSP 采用基于 KeyStone 架构的核间通信寄存器、中断控制器以及通信网络实现多核间的通信。其中core0 为主核，通过DSP 的core0 进行基带数据调度，core1-core7 核按照处理的信号类型/体制的功能划分对共享内存中基带数据进行并行处理。

图3 宽带多任务并行处理基本单元

3.2 监测功能灵活重构技术

平台通过功能灵活重构设计，以满足对不同任务需求。监测功能可重构技术以“平台+载荷”为技术思路，主要包括通信中间件技术、嵌入式平台重构加载技术。

平台的通信中间件是基于SCA 架构的CP289规范进行改进设计，实现数据封包、消息格式和多线程管理的优化，可以满足SRIO 高速总线的底层链路适配、满足可加载功能组件的即插即用和动态部署。嵌入式平台的重构加载技术重点针对FPGA、DSP 等基本信号处理部件，通过POWERPC进行资源调度，通过CPU 实现功能的重构控制。其中，FPGA 重构主要实现中频信号预处理任务的重构，根据无线电监测的需求可以在不同信号处理模式中进行切换。一般采用Slave Select MAP 加载模式，通过SRIO 将bit 文件加载到目标FPGA 芯片中，可实现功能的快速重构加载。针对多核DSP 功能重构主要对不同信号处理任务的功能扩展，如不同的解调、解析任务等。实现对其中的特定处理核的软件加载或替换。一般采用SRIO boot 模式，通过主核core0 向从核传输加载程序，并通过从核复位实现软件的更新和启动。

4 试验验证

按照图3 的配置构建了无线电监测并行处理硬件单元，并组成了5 个单元的处理阵列。开展无线电监测宽带多任务并行处理及功能重构试验测试。

监测目标选择模拟广播电台、数字集群、某扩频信号等多种体制无线电信号。每一个并行处理基本单元可以实现120MHz 带宽无线电信号的瞬时监测处理，通过对基本单元的阵列化扩展，5 个基本单元可以实现600MHz 频段目标的并行实时监测，采用POWERPC、CPU 构建的处理模块对处理阵列进行综合控制。通过试验测试，在对DSP 多核完成各类信号处理任务软件加载后，平台可以实现同时对模拟通信、数字通信、扩频通信信号体制的识别处理，并可以同时实现集群信号的身份码识别、模拟广播电台信号的话音解析等分析解析处理。实现了宽带多任务并行处理能力。

通过CPU 调度FPGA、DSP 的特定信号监测软件构件，通过SRIO 总线进行加载，实现了信号识别、解调、体制识别软件模块的快速加载重构。经过试验测试，平台可以通过功能重构满足对不同无线电目标的监测任务需求。

5 结语

设计了一种新型无线电监测处理平台，具备在复杂电磁环境下对宽带无线电信号的宽带多任务并行监测处理、功能灵活重构、信号体制识别等特性。本文构建了无线电监测平台的硬件架构和软件架构，采用多处理器/多核架构、软件重构设计、模块化设计、阵列化设计。对无线电监测处理平台构建的关键技术：多任务宽带并行处理技术、监测功能灵活重构技术的技术原理和实现方式进行了研究。通过构建平台并经过试验测试表明，平台的无线电监测宽带多任务处理和软件重构设计是可行的。