韓連龍，陳安軍，劉傳棟

（中電科儀器儀表有限公司，山東青島，266555）

0 引言

隨著無(wú)線電技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是軍用領(lǐng)域?qū)o(wú)線電技術(shù)依賴程度的與日俱增，復(fù)雜多變的電磁環(huán)境對(duì)信號(hào)監(jiān)測(cè)接收設(shè)備提出了更高的要求。然而近年來(lái)，由于新一代雷達(dá)和無(wú)線通信系統(tǒng)均采用了短時(shí)突發(fā)傳送技術(shù)、擴(kuò)跳頻技術(shù)等復(fù)雜的射頻技術(shù)來(lái)改善系統(tǒng)性能，各種瞬態(tài)信號(hào)、跳頻信號(hào)以及近噪微弱信號(hào)等隨之出現(xiàn)。但是傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)接收設(shè)備以及常用于信號(hào)監(jiān)測(cè)的頻譜分析儀均存在著頻譜掃描速度不夠、分辨率低等缺點(diǎn)，執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)時(shí)，對(duì)這些新制式信號(hào)的截獲概率非常低，難以滿足監(jiān)測(cè)任務(wù)的要求[1][2]。

在傳統(tǒng)的技術(shù)方案中，獲得一定頻率范圍內(nèi)的頻譜有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一種是掃描調(diào)諧式分析，另外一種是FFT式分析，但這兩種頻譜掃描方式各有自己的局限性；掃描調(diào)諧式分析基于外差式接收原理[4]，由混頻得到所要求的頻點(diǎn)信息，并通過(guò)更改本振信號(hào)來(lái)達(dá)到一個(gè)頻段的測(cè)量,其掃描過(guò)程就是不斷改變本振信號(hào)，使得本振信號(hào)剛好掃過(guò)一個(gè)頻段以達(dá)到測(cè)量目的；在這種技術(shù)方案中，掃速取決于分辨率濾波器的響應(yīng)速度，并且受限于YIG調(diào)諧振蕩器的掃描速度，其掃描速度可由下式估算：掃速≈0.8*RBW（RBW為分辨率帶寬）；由該公式可以看出，在RBW比較小的時(shí)候，掃描速度會(huì)非常慢，當(dāng)分辨率帶寬為2.3kHz，掃描速度只有4.23kHz/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足監(jiān)測(cè)接收機(jī)快速、高分辨率掃描的要求[5]。FFT式分析儀中，RBW濾波器具有極快的響應(yīng)時(shí)間，當(dāng)FFT分析儀在窄帶情況下比掃頻分析式快，而寬帶分析時(shí)要保證同樣的分辨率則FFT總計(jì)算量耗時(shí)相當(dāng)可觀，同時(shí)最大分析帶寬還受模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣速度的限制。鑒于此，F(xiàn)FT分析儀通常只應(yīng)用于有限帶寬的頻譜掃描，一般帶寬范圍在幾十兆左右，無(wú)法滿足全頻段監(jiān)測(cè)的要求。

綜合上述兩種掃描分析方式各自的特點(diǎn)，本方案設(shè)計(jì)了一種新型的高速并行掃描處理方式：多DSP并行處理的FFT步進(jìn)掃描方式+多線程通信軟件架構(gòu)，以完成監(jiān)測(cè)接收機(jī)高分辨率快速掃描設(shè)計(jì)。

1 方案設(shè)計(jì)

基于上述論述，本文重點(diǎn)從掃描處理機(jī)制設(shè)計(jì)、步進(jìn)與FFT點(diǎn)數(shù)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)、高效率的多線程通信設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)本設(shè)計(jì)方案進(jìn)行闡述。

1.1 掃描處理機(jī)制設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)接收機(jī)的掃描監(jiān)測(cè)采用了多DSP并行FFT處理的步進(jìn)掃描方式，在這種掃描方式中，決定掃描速度的因素主要由本振切換時(shí)間、數(shù)據(jù)采樣傳輸時(shí)間、FFT譜運(yùn)算處理時(shí)間、PCI總線傳輸時(shí)間等幾部分構(gòu)成[3]。

本振切換時(shí)間指的是步進(jìn)掃描時(shí)，從一個(gè)調(diào)諧頻點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)調(diào)諧頻點(diǎn)，本振的鎖定時(shí)間，這個(gè)時(shí)間越小，本振跳變的速度越快。但由于YIG器件的磁滯特性，使得本振鎖定及切換無(wú)法做的很快，平均一次切換時(shí)間約為10ms，在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，采用了一種新的高速捷變本振設(shè)計(jì)技術(shù)，使得做一次切換的時(shí)間在2ms左右，為了采樣的穩(wěn)定可靠，軟件設(shè)計(jì)留出了一定的余量，將切換時(shí)間定為3ms。

FFT譜運(yùn)算時(shí)間包括：AD數(shù)據(jù)預(yù)取、加窗、FFT變換、線性到對(duì)數(shù)譜轉(zhuǎn)化等多個(gè)環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)之初，為了衡量這個(gè)時(shí)間，筆者專門(mén)針對(duì)設(shè)計(jì)中一個(gè)DSP的整個(gè)FFT譜運(yùn)算處理時(shí)間進(jìn)行了測(cè)量。具體值如表1所示。

表1 1個(gè)DSP的FFT譜運(yùn)算處理時(shí)間

數(shù)據(jù)采樣傳輸時(shí)間是AD采樣的時(shí)間和AD采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨遢d緩存的時(shí)間總和，這個(gè)時(shí)間在AD速率已經(jīng)確定的情況下，由采樣長(zhǎng)度決定，與采樣長(zhǎng)度成正比。PCI總線傳輸時(shí)間是FFT譜運(yùn)算之后，數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸?shù)街鳈C(jī)內(nèi)存的時(shí)間。

本振切換與FFT譜運(yùn)算對(duì)寬頻段、快速、高分辨掃描來(lái)說(shuō)是矛盾的兩個(gè)地方，掃描同一個(gè)頻段，步進(jìn)大的話，耗費(fèi)在本振切換的時(shí)間就短；但是要達(dá)到同樣的分辨率帶寬的話，每次步進(jìn)的FFT點(diǎn)數(shù)就要多，耗費(fèi)在FFT譜運(yùn)算上的時(shí)間就長(zhǎng)。反之，小步進(jìn)，F(xiàn)FT譜運(yùn)算小，但是步進(jìn)次數(shù)多，步進(jìn)耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。而解決這個(gè)問(wèn)題，單純的從提高硬件的指標(biāo)上解決的話，事倍功半甚至實(shí)現(xiàn)不了，必須得結(jié)合軟件的掃描處理機(jī)制上去設(shè)計(jì)達(dá)到要求。本設(shè)計(jì)中采用了基于軟件協(xié)調(diào)的并行掃描處理機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)寬頻段、快速、高分辨掃描。整個(gè)實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1 基于軟件協(xié)調(diào)的并行掃描處理機(jī)制

步進(jìn)掃描時(shí)，本振切換與數(shù)據(jù)采樣傳輸是串行的，數(shù)據(jù)采集必須要等到本振穩(wěn)定后取到的數(shù)據(jù)才是有效的，本振的穩(wěn)定時(shí)間在軟件協(xié)調(diào)時(shí)定為3ms，即軟件驅(qū)動(dòng)3ms之后才設(shè)置采樣參數(shù)開(kāi)始采樣。在這段時(shí)間內(nèi)，采樣需要始終占用接收通路上的各種硬件資源。采樣完成后進(jìn)行FFT譜運(yùn)算，DSP處理器對(duì)當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)幀做FFT運(yùn)算處理時(shí)，本振可以步進(jìn)到下一個(gè)頻點(diǎn)并啟動(dòng)ADC開(kāi)始下一幀數(shù)據(jù)的采樣，F(xiàn)FT運(yùn)算處理時(shí)間只要小于或等于本振切換時(shí)間與數(shù)據(jù)采樣傳輸時(shí)間的總和，整個(gè)的掃描與處理過(guò)程就能正常執(zhí)行。但是進(jìn)行快速高分辨率掃描時(shí)，同樣的步進(jìn)下FFT點(diǎn)數(shù)就要增多，前期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，16384點(diǎn)的FFT運(yùn)算比較耗時(shí)接近9ms，而本振切換加上數(shù)據(jù)采樣的時(shí)間也只有不到4ms的時(shí)間，1個(gè)DSP顯然無(wú)法滿足大步進(jìn)高分辨率的要求[9]，為解決此問(wèn)題，本設(shè)計(jì)中采用了軟件調(diào)度多DSP并行處理的方式。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)DSP在進(jìn)行FFT譜運(yùn)算時(shí)，另一個(gè)DSP進(jìn)行下一個(gè)步進(jìn)的FFT譜運(yùn)算。通過(guò)軟件對(duì)這三個(gè)DSP進(jìn)行依次循環(huán)調(diào)度，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)步進(jìn)的FFT譜運(yùn)算完成時(shí)，正好第四個(gè)步進(jìn)采樣即將結(jié)束，等第四個(gè)步進(jìn)采樣結(jié)束后，既可用DSP1繼續(xù)進(jìn)行第四個(gè)步進(jìn)的FFT譜運(yùn)算，依次往復(fù)完成整個(gè)頻段的掃描。PCI傳輸數(shù)據(jù)到主機(jī)內(nèi)存時(shí)，依次將DSP1-DSP3這三個(gè)處理器的譜運(yùn)算結(jié)果傳輸。經(jīng)過(guò)FFT譜運(yùn)算的數(shù)據(jù)在PCI總線上通過(guò)DMA進(jìn)行傳輸，速度達(dá)到在60MB/s，已經(jīng)完全可以在FFT譜運(yùn)算處理間隙，將這些數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)內(nèi)存中了。

1.2 步進(jìn)與FFT點(diǎn)數(shù)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，綜合考慮處理速度、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等多方面因素，使用了3個(gè)DSP處理器設(shè)計(jì)，通過(guò)前面的FFT譜運(yùn)算處理時(shí)間可以看出，在每次步進(jìn)時(shí)，設(shè)計(jì)所能保證的最大FFT點(diǎn)數(shù)是16384點(diǎn)。在相同步進(jìn)的情況下，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)決定了頻譜分辨率，當(dāng)用戶設(shè)置的頻譜分辨率比較小時(shí)，16384點(diǎn)的FFT運(yùn)算無(wú)法滿足用戶的分辨率設(shè)置，這時(shí)程序可以通過(guò)減小步進(jìn)帶寬，增加步進(jìn)次數(shù)的方式來(lái)達(dá)到用戶的對(duì)高分辨率的要求；相反的當(dāng)用戶設(shè)置的頻譜分辨率比較大時(shí)，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)小，F(xiàn)FT運(yùn)算時(shí)間會(huì)比較小，程序控制采用大步進(jìn)，減小步進(jìn)次數(shù)，加快掃描速度[10][11]。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，步進(jìn)大小、FFT點(diǎn)數(shù)等參數(shù)，由用戶設(shè)置的頻譜分辨率大小來(lái)耦合產(chǎn)生。程序中設(shè)置了一個(gè)步進(jìn)掃描結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體定義了譜線間隔，步進(jìn)帶寬和FFT點(diǎn)數(shù)的關(guān)系。本設(shè)計(jì)中的步進(jìn)掃描參數(shù)定義如下：

參數(shù)中為了處理的方便，并沒(méi)有直接定義頻譜分辨率這一項(xiàng)，但是譜線間隔與分辨率帶寬是一一對(duì)應(yīng)的，分辨率帶寬=譜線間隔*窗因子。窗因子根據(jù)FFT運(yùn)算加的窗不同而不同，本設(shè)計(jì)中有三種窗函數(shù)類型：漢寧窗、高斯窗、平頂窗，這三種窗對(duì)應(yīng)的窗因子分別是：1.4592（漢寧）、2.5216（高斯）、3.776（平頂）。

在掃描之前，程序先根據(jù)用戶設(shè)計(jì)的分辨率帶寬在這個(gè)結(jié)構(gòu)體中進(jìn)行查找。找到最接近用戶設(shè)置的譜線間隔，用這個(gè)譜線間隔計(jì)算出的分辨率帶寬作為用戶設(shè)置分辨率帶寬的儀器自適應(yīng)值。同時(shí)掃描步進(jìn)、FFT點(diǎn)數(shù)等也按照該項(xiàng)的設(shè)置進(jìn)行硬件的驅(qū)動(dòng)，完成整個(gè)掃描。以指標(biāo)要求4GHz/s@RBW（漢寧窗）=2.3kHz為例：分辨率帶寬為2.3kHz，進(jìn)行分辨率帶寬自適應(yīng)查找。找到m_StepBWStepData[8]的設(shè)置，m_Step-BWStepData[8]的譜線間隔為1525.87890625，對(duì)應(yīng)分辨率帶寬為：1525.87890625*1.4592=2.23kHz。此時(shí)步進(jìn)帶寬為20M，完成4G的掃描需要200次步進(jìn)，每次步進(jìn)的時(shí)間在本設(shè)計(jì)中的軟件控制方法下是＜4ms的，200次步進(jìn)時(shí)間在800ms左右，小于1s的指標(biāo)要求。

1.3 高效率的多線程通信設(shè)計(jì)

由于本監(jiān)測(cè)接收機(jī)系統(tǒng)軟件要實(shí)現(xiàn)的功能復(fù)雜，各功能模塊需要大量的CPU運(yùn)算，又依賴于高流量I/O，還有復(fù)雜的人機(jī)交互，如果處理不當(dāng)，將嚴(yán)重影響掃描速度[8]。

一些功能可能需要多個(gè)線程精密協(xié)作完成，亦可能某個(gè)特定急迫功能需要搶在已安排的功能前執(zhí)行，因此多線程間的通信是設(shè)計(jì)的一大重點(diǎn)，同時(shí)也是保證工業(yè)設(shè)計(jì)中的高可靠性與快速響應(yīng)的技術(shù)手段。

本監(jiān)測(cè)接收機(jī)設(shè)計(jì)擬采用基于Windows多線程通信技術(shù)的軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)，共創(chuàng)建了如下線程：用戶界面線程（主線程）、內(nèi)部控制線程、數(shù)據(jù)處理線程、程控管理線程等，某些功能可能需要上述多個(gè)線程之間的精密協(xié)作才能完成，為了實(shí)現(xiàn)程序高效率的運(yùn)行，本節(jié)從線程通信的優(yōu)先級(jí)分配入手，進(jìn)行多線程通信設(shè)計(jì)[12]。

本監(jiān)測(cè)接收機(jī)軟件采用如下5級(jí)優(yōu)先級(jí)通信方式，具體通信優(yōu)先級(jí)的使用規(guī)則設(shè)計(jì)見(jiàn)下表2。

表2 監(jiān)測(cè)接收機(jī)線程的通信優(yōu)先級(jí)

其技術(shù)實(shí)現(xiàn)的流程圖如下圖2所示。

圖2 線程通信優(yōu)先級(jí)分配流程圖

與傳統(tǒng)系統(tǒng)平臺(tái)提供的線程的異步和同步兩種工作方式相比，本方案設(shè)計(jì)的多線程的通信規(guī)則不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)通信的靈活性，且能夠大大提高CPU的使用效率，進(jìn)而在一定程度上提高監(jiān)測(cè)接收機(jī)的掃描速度。

2 實(shí)現(xiàn)效果

根據(jù)企標(biāo)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)本設(shè)計(jì)從工程的角度進(jìn)行了掃描速度的測(cè)試。測(cè)試方法：信號(hào)源1頻率2GHz，功率10dBm；信號(hào)源2頻率3GHz，功率0dBm。利用檢波器對(duì)75MHz中頻信號(hào)檢波，示波器測(cè)量檢波器輸出[13][14]。在不同的分辨率帶寬下得到的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下表3所示。

表3 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)可以看出，采用本方案設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)接收機(jī)在RBW（分辨率帶寬）為2.3kHz時(shí)，掃描速度達(dá)到了4.13 GHz/s，略高于美國(guó)安捷倫公司的“黑鳥(niǎo)”（E3238S信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備）在該RBW下的4GHz/s的掃描速度，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文針對(duì)監(jiān)測(cè)接收機(jī)高分辨率快速掃描的需求，設(shè)計(jì)了一種基于軟件控制多DSP并行處理的FFT步進(jìn)掃描方案，并將其成功應(yīng)用在某國(guó)產(chǎn)監(jiān)測(cè)接收機(jī)產(chǎn)品上，并取得了良好的效果。實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)方法可以在高分辨率的條件下極大提高監(jiān)測(cè)接收機(jī)設(shè)備的掃描速度，進(jìn)而提高監(jiān)測(cè)接收機(jī)對(duì)一些新制式信號(hào)的截獲概率。從本論文的快速掃描設(shè)計(jì)中，可以看出掃速的提高還是有一定的空間的。本振切換的時(shí)間，在步進(jìn)不同時(shí)，實(shí)際上是有差異的。而在本論文中的軟件控制中，使用了固定的3ms等待時(shí)間，后續(xù)可以根據(jù)步進(jìn)的不同，改變此等待時(shí)間提高掃描的速度。同時(shí)DSP中FFT算法的優(yōu)化，降低FFT譜運(yùn)算時(shí)間，也可以提高掃描速度。