無(wú)線電頻譜管理是一個(gè)國(guó)家的頻譜主管部門根據(jù)法律法規(guī)的授權(quán)，按照國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）的頻譜劃分原則，制定本國(guó)頻譜劃分、使用和分配政策。在頻譜的劃分和使用中，如何科學(xué)有效地利用無(wú)線電頻譜資源，滿足經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要是一個(gè)重要課題。

    傳統(tǒng)的無(wú)線電頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備可以包括短波和超短波頻段，有龐大的監(jiān)測(cè)、測(cè)向天線陣，監(jiān)測(cè)覆蓋范圍廣，這樣的大型監(jiān)測(cè)站在傳統(tǒng)的無(wú)線電頻譜管理模式中發(fā)揮了重大作用。但隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和無(wú)線電技術(shù)的進(jìn)步，頻譜的需求程度日益增加，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：工作頻段越來(lái)越高，單位面積內(nèi)頻譜使用密度越來(lái)越高，單個(gè)信道占用的頻譜帶寬越來(lái)越寬^[1]。這些需求對(duì)無(wú)線電頻譜監(jiān)測(cè)提出了新的挑戰(zhàn)，參考文獻(xiàn)[2]中針對(duì)這些問題，提出了一種網(wǎng)絡(luò)化小型頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的概念。這種網(wǎng)絡(luò)化的小型站架設(shè)環(huán)境寬松，架設(shè)方便，還可以大大節(jié)約單站的建設(shè)成本。但監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)化分布會(huì)增加小型監(jiān)測(cè)站的數(shù)量，從而增加了成本。該文獻(xiàn)還指出，小型監(jiān)測(cè)站需要采用雙信道接收，即一個(gè)站點(diǎn)需要配置兩個(gè)以上獨(dú)立接收機(jī)，一個(gè)完成常規(guī)任務(wù)，一個(gè)完成特別任務(wù)。這樣架設(shè)雖然帶來(lái)了不少方便，但無(wú)疑增加了監(jiān)測(cè)站的建設(shè)成本。此外，在頻譜監(jiān)測(cè)中，有的任務(wù)并不需要一直執(zhí)行，尤其是特別任務(wù)，接收機(jī)便出現(xiàn)閑置的情況，造成資源浪費(fèi)。

    本文基于這一應(yīng)用背景，提出了一種能夠支持多客戶端同時(shí)進(jìn)行頻譜監(jiān)測(cè)的流水并行處理架構(gòu)。該架構(gòu)可以滿足多個(gè)頻譜監(jiān)測(cè)任務(wù)的同時(shí)執(zhí)行，有效提高了接收機(jī)的利用效率，增強(qiáng)了接收機(jī)的靈活性，還減少了頻譜監(jiān)測(cè)任務(wù)中接收機(jī)的使用量，降低了頻譜監(jiān)測(cè)的成本。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    本文提出的頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)系統(tǒng)按照?qǐng)D1所示的方式工作。該頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)允許多個(gè)客戶端同時(shí)連接到接收機(jī)并下達(dá)各自的頻譜監(jiān)測(cè)任務(wù)，接收機(jī)接收到不同客戶端的任務(wù)之后，對(duì)任務(wù)進(jìn)行解析，添加到系統(tǒng)任務(wù)列表中進(jìn)行合理調(diào)度，以便能夠?qū)崟r(shí)完成各個(gè)客戶端的監(jiān)測(cè)任務(wù)，最后通過網(wǎng)絡(luò)將頻譜監(jiān)測(cè)結(jié)果回傳到相應(yīng)的客戶端。

    為了實(shí)現(xiàn)這樣的功能，多客戶端頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用TI公司的雙核數(shù)字信號(hào)處理器OMAP-L138。OMAP-L138為一款高性能、低功耗雙核處理器，集成了ARM926EJ-STM處理器和TMS320C6748 DSP處理器^[3]，保證了強(qiáng)大的運(yùn)算能力以及控制能力。此外，在頻譜采集部分采用了Altera公司的EP2S180F1020I4高速FPGA^[4]，通過FPGA完成了數(shù)據(jù)的高速采集與相關(guān)預(yù)處理。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

    在該結(jié)構(gòu)中，電磁波通過天線進(jìn)入射頻前端，射頻前端將信號(hào)變頻到75 MHz中頻，通過ADC以60 MS/s的采樣率帶通采樣后送入FPGA。在FPGA中進(jìn)行相應(yīng)預(yù)處理后便將數(shù)據(jù)回傳到OMAP-L138的DSP端處理，處理完成后再通過ARM端將監(jiān)測(cè)結(jié)果送回至對(duì)應(yīng)客戶端。

    在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，引入了多核、多線程技術(shù)，在這一基礎(chǔ)上，保證了本系統(tǒng)在工作中不僅能夠支持一個(gè)客戶端完成以上頻譜監(jiān)測(cè)流程，在多個(gè)客戶端同時(shí)連接時(shí)也能夠保證各個(gè)客戶端任務(wù)的并行處理。

    各客戶端連接到系統(tǒng)之后，系統(tǒng)將會(huì)為其分配相應(yīng)的任務(wù)標(biāo)識(shí)，以便后續(xù)信號(hào)處理及頻譜數(shù)據(jù)回傳工作的完成。完成用戶識(shí)別之后，系統(tǒng)根據(jù)不同用戶信息來(lái)合理地解析其頻譜任務(wù)，供后端流水并行處理使用，處理完成后回傳到對(duì)應(yīng)客戶端。整體流程如圖3所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用TI雙核處理器OMAP-L138。此款處理器包含ARM與DSP，為使系統(tǒng)能夠更好地實(shí)現(xiàn)多客戶端頻譜監(jiān)測(cè)的功能，ARM采用了Linux操作系統(tǒng)^[5]，Linux操作系統(tǒng)為開源多線程操作系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持，能夠很好地處理多個(gè)客戶端的網(wǎng)絡(luò)連接，此外TI提供了相關(guān)的底層支持，開發(fā)效率高；DSP采用TI公司的DSP/BIOS，DSP/BIOS是一個(gè)尺寸可伸縮的實(shí)時(shí)內(nèi)核，方便實(shí)現(xiàn)線程間調(diào)度與同步工作^[6]。多核、多線程技術(shù)的引入為本系統(tǒng)多客戶端頻譜監(jiān)測(cè)的并行處理實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的保證。

2.1 多客戶端并行處理架構(gòu)

    在本系統(tǒng)中，結(jié)合多核架構(gòu)以及多線程技術(shù)，提出了多客戶端頻譜監(jiān)測(cè)的流水并行處理架構(gòu)，如圖4所示。在此流水并行處理架構(gòu)中，系統(tǒng)在接收解析客戶端n的頻譜監(jiān)測(cè)任務(wù)的同時(shí)，處理部分正在處理上一客戶端n-1的頻譜監(jiān)測(cè)任務(wù)，并將客戶端n-2的頻譜數(shù)據(jù)回傳。

    執(zhí)行中，ARM端完成客戶端的連接以及為其分配標(biāo)識(shí)，并將其添加到客戶隊(duì)列，根據(jù)任務(wù)隊(duì)列中情況進(jìn)行任務(wù)解析，將頻譜監(jiān)測(cè)任務(wù)指令及相關(guān)參數(shù)（如中心頻率、帶寬、頻率分辨率等）回傳至DSP。DSP端接收到頻譜監(jiān)測(cè)指令之后，進(jìn)行任務(wù)的分發(fā)以及相關(guān)的配置工作。由于不同客戶端的頻譜監(jiān)測(cè)任務(wù)不盡相同，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中還需要不斷更改射頻前端調(diào)諧頻率，以保證能夠正確地完成對(duì)應(yīng)客戶的頻譜監(jiān)測(cè)任務(wù)。射頻前端調(diào)諧頻率等的配置工作交由FPGA來(lái)完成，配置完成之后利用FPGA將數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理后回傳到DSP。DSP完成相應(yīng)的處理工作之后交由ARM，ARM端將頻譜監(jiān)測(cè)結(jié)果回傳至客戶端，從而保證了頻譜監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)進(jìn)行。利用這種架構(gòu)，ARM、DSP、FPGA之間并行運(yùn)行，減少了不必要的等待，大大增強(qiáng)了各處理單元的利用率。

2.2 ARM端程序設(shè)計(jì)

2.2.1 Linux下的多線程編程

    線程就是程序中的單個(gè)順序控制流，利用多線程技術(shù)，可以將一個(gè)程序的任務(wù)分為多個(gè)線程，每個(gè)線程執(zhí)行程序的一個(gè)部分，所有線程都是并發(fā)執(zhí)行，這樣就可以實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，高效利用處理器。此外，通過為每種事務(wù)分配單獨(dú)的處理線程，能夠有效簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，使程序更加容易理解和修改^[7-8]。

    在本系統(tǒng)的ARM端，分為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)線程與雙核通信線程兩個(gè)線程，如圖5所示。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)線程負(fù)責(zé)接收多個(gè)客戶端的連接，并為其分配相應(yīng)標(biāo)識(shí)，添加到客戶隊(duì)列，同時(shí)在收到頻譜監(jiān)測(cè)結(jié)果之后，回傳結(jié)果到相應(yīng)的客戶端；雙核通信線程負(fù)責(zé)與DSP端的交互工作，主要完成發(fā)送頻譜監(jiān)測(cè)任務(wù)、參數(shù)到DSP，以及接收DSP回傳的頻譜監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2.2.2 Linux并發(fā)服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)線程中，由于存在多個(gè)客戶端同時(shí)連接的情況，因此接收機(jī)必須要具備并發(fā)處理多個(gè)客戶端連接的能力。圖6為TCP協(xié)議并發(fā)服務(wù)器模型示意圖，ARM端主程序在建立套接字描述符socket、綁定bind之后開始監(jiān)聽任務(wù)，調(diào)用accept函數(shù)等待客戶端的連接請(qǐng)求。當(dāng)接收到客戶端的請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器便為該客戶端分配相應(yīng)標(biāo)識(shí)，加入客戶列表，并為其創(chuàng)建一個(gè)新的線程，用于處理客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)信息^[5]。

    從該模型中可以看出，在接收到客戶端連接之前并不需要預(yù)先創(chuàng)建處理客戶端請(qǐng)求的線程，直到有客戶端連接時(shí)才創(chuàng)建，且數(shù)量是可以變動(dòng)的，比較靈活、高效。

    利用這種并發(fā)服務(wù)器模型，可以大大提高服務(wù)器對(duì)客戶端的處理能力，降低服務(wù)器的響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)利用這個(gè)模型，可以在接收多個(gè)客戶端發(fā)送來(lái)的頻譜監(jiān)測(cè)請(qǐng)求任務(wù)的同時(shí)回傳監(jiān)測(cè)的結(jié)果，提高了頻譜監(jiān)測(cè)的執(zhí)行效率。

2.3 DSP端程序設(shè)計(jì)

    DSP端調(diào)度使用輪詢調(diào)度的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)收到ARM端傳遞的頻譜監(jiān)測(cè)任務(wù)后，將任務(wù)加入到DSP端的任務(wù)隊(duì)列中，當(dāng)一個(gè)任務(wù)調(diào)用完成后切換到下一個(gè)任務(wù)。采用這種方式，既能夠很好地調(diào)度任務(wù)，同時(shí)又能夠保證任務(wù)的實(shí)時(shí)性。DSP端工作流程如圖7所示。

    DSP端解析客戶端的任務(wù)之后，將射頻前端的配置信息（如中心頻率、帶寬、增益控制等信息）發(fā)送到FPGA，交由FPGA來(lái)完成射頻前端的配置以及相關(guān)預(yù)處理工作。在FPGA完成相應(yīng)配置的同時(shí)，DSP不需要等待配置完成再進(jìn)行處理，而是將上一任務(wù)的緩存數(shù)據(jù)取出進(jìn)行相關(guān)處理即可。與此同時(shí)，ARM端直接取出DSP上一次處理完成的頻譜監(jiān)測(cè)結(jié)果，將其回傳到對(duì)應(yīng)的客戶端進(jìn)行并行處理，各個(gè)客戶端的任務(wù)之間互不影響。

    多個(gè)運(yùn)算單元的合理調(diào)度使頻譜監(jiān)測(cè)工作能夠高效地并發(fā)完成。以這種方式循環(huán)執(zhí)行多個(gè)客戶端的頻譜監(jiān)測(cè)請(qǐng)求，減少了處理過程中存在的不必要的等待時(shí)間，運(yùn)行效率更高。

3 測(cè)試

    為了測(cè)試本文提出的多客戶端頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性以及優(yōu)越的頻譜監(jiān)測(cè)性能，本文利用了兩臺(tái)PC作為客戶端，同時(shí)為了觀測(cè)方便，輸入信號(hào)使用信號(hào)源輸入單頻信號(hào)。

    輸入信號(hào)：100 MHz，-56.98 dBm，單頻。

    客戶端設(shè)置：左側(cè)PC客戶端設(shè)置的中心頻率為105 MHz，帶寬為20 MHz；右側(cè)PC客戶端中心頻率正好為100 MHz，帶寬為20 MHz。

    將兩個(gè)客戶端同時(shí)連接到接收機(jī)，開始執(zhí)行頻譜監(jiān)測(cè)任務(wù)，獲得如圖8所示監(jiān)測(cè)結(jié)果。

    從結(jié)果中可以看出，左側(cè)客戶端監(jiān)測(cè)到的頻譜結(jié)果在四分之一頻譜圖的位置，右側(cè)客戶端觀測(cè)到的頻譜正好在頻譜圖的正中位置。從配置可以知道，左側(cè)PC頻譜觀測(cè)范圍為95 MHz~115 MHz，四分之一頻譜圖的位置即剛好為100 MHz；而右側(cè)PC頻譜觀測(cè)范圍為90 MHz~110 MHz，正中位置正好也為100 MHz，頻譜監(jiān)測(cè)結(jié)果是正確的。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，兩者的頻譜監(jiān)測(cè)任務(wù)得到了很好的并發(fā)執(zhí)行，且兩者之間頻譜監(jiān)測(cè)結(jié)果互不干擾。

    本文在多核處理器架構(gòu)和多線程的基礎(chǔ)上，提出了多客戶端頻譜監(jiān)測(cè)的流水并行處理架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高效的多客戶端頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)允許多個(gè)客戶同時(shí)進(jìn)行頻譜監(jiān)測(cè)，提高了接收機(jī)的利用效率，增強(qiáng)了接收機(jī)的靈活性，大大提高了接收機(jī)的性能。最后通過實(shí)驗(yàn)展示了其可實(shí)現(xiàn)性以及優(yōu)越的頻譜監(jiān)測(cè)性能。

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