網(wǎng)絡(luò)無線偵察接收機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

夏 娟 ， 夏 威 ， 何子述

（電子科技大學(xué) 電 子工程學(xué)院， 四川成都611731）

為了從無線電信號中獲取對方的信息而對通信信號進(jìn)行搜索、截獲、測量、分析、識別、監(jiān)視以及對輻射源測向和定位，以獲取其技術(shù)參數(shù)、功能、類型、位置和用途而構(gòu)成的系統(tǒng)，稱為無線偵察接收機(jī)系統(tǒng)[1]。其中計算機(jī)軟件系統(tǒng)是整個偵察接收機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，本系統(tǒng)中軟件和硬件之間的數(shù)據(jù)傳輸是依靠網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的。

本文在分析網(wǎng)絡(luò)無線偵察接收機(jī)軟件系統(tǒng)框架的基礎(chǔ)上，結(jié)合wxWidgets庫給出如何設(shè)計用戶界面、如何利用wxMathPlot對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行畫圖、信號處理的基本方法，重點分析了如何解決網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)時可能出現(xiàn)的“粘包”問題，最后給出了軟件運行效果。

1 網(wǎng)絡(luò)無線偵察接收機(jī)軟件系統(tǒng)總體設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)無線偵察接收機(jī)的總體設(shè)計如圖1所示。硬件系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP協(xié)議傳送給信號實時顯示系統(tǒng)。整個軟件系統(tǒng)主要由以下幾個模塊組成：網(wǎng)絡(luò)模塊、GUI模塊、信號處理模塊、畫圖模塊、存儲模塊[2]。其中網(wǎng)絡(luò)模塊主要負(fù)責(zé)接收硬件發(fā)送的數(shù)據(jù)；GUI模塊則負(fù)責(zé)與用戶的交互；信號處理模塊則主要負(fù)責(zé)對采集到的信號進(jìn)行一定的處理，如功率譜估計、解調(diào)等；畫圖模塊則需要將網(wǎng)絡(luò)收到的數(shù)據(jù)實時顯示在用戶界面；存儲模塊則負(fù)責(zé)將收到的數(shù)據(jù)存儲在電腦磁盤[3]。其中GUI模塊是整個軟件系統(tǒng)的核心，其余各模塊之間的信息傳遞則是通過GUI模塊，GUI模塊相當(dāng)于一個信息中轉(zhuǎn)站。

圖1網(wǎng)絡(luò)無線偵察接收機(jī)軟件系統(tǒng)總體設(shè)計Fig.1Thedesignofnetworkwirelesssurveillancereceiversoftwaresystem

目前支持C++進(jìn)行GUI開發(fā)的軟件包很多，主流的包括wxWidgets、MFC、QT等等。和其他GUI開發(fā)庫相比，wxWidgets擁有豐富的并且開源組件，可以吸引眾多人士對其進(jìn)行改進(jìn)，對其不斷擴(kuò)充和發(fā)展；為其所支持的各種平臺提供幾乎一致的GUI應(yīng)用程序接口（API）。程序從一個平臺換到另一個運行，只需要重新編譯，鏈接相應(yīng)的庫文件即可。它提供了一個與平臺無關(guān)的framework，所以程序設(shè)計時選用wxWidgets2．8．0庫進(jìn)行GUI開發(fā)，編譯工具使用的是codeblocks8．02。

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計

2.1 GUI模塊的設(shè)計

Win32程序的main函數(shù)代表程序運行起點，對于wxWidgets程序，整個程序的執(zhí)行即主線程開始啟動，是從建立一個wxApp類的對象并調(diào)用其類成員函數(shù)OnInit（）函數(shù)開始的[4]。OnInit（）函數(shù)中需要完成的工作則是創(chuàng)建程序窗口的實例。程序中使用的頂層窗口是從wxFrame（一個可以容納其他窗口和控件的頂層窗口，通常擁有標(biāo)題欄和菜單欄）派生出來的。

//在OnInit函數(shù)中創(chuàng)建MainFrame的對象并顯示窗口

2.2 畫圖模塊的設(shè)計

信號處理的結(jié)果需要在界面上顯示出來，如頻譜圖，星座圖等。

wxMathPlot是一個用來畫二維曲線的圖形庫。系統(tǒng)中主要使用該庫繪制一些分析曲線，向用戶展示分析結(jié)果（如頻譜圖）。wxMathPlot采用的也是類繼承的方式。坐標(biāo)軸和曲線都是以Layer的方式疊加在畫圖窗上的。

2.3 信號處理模塊的設(shè)計

為了了解信號各頻率成分的構(gòu)成情況，對網(wǎng)絡(luò)收到的硬件采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜估計[5]。估計方法包括經(jīng)典功率譜估計和現(xiàn)代功率譜估計方法。系統(tǒng)中使用的主要是經(jīng)典功率譜估計，其中又包括周期圖法和BT法，下面簡要介紹一下周期圖法計算功率譜的計算步驟：

1）計算信號的傅里葉變換

2）計算出信號的功率譜

其中步驟1）是指取觀測樣本的N個值對其進(jìn)行N點的傅里葉變換，得到的結(jié)果UN（ω），步驟2）中對UN（ω）模的平方是確定信號uN（ω）的能量譜，對能量譜除以持續(xù)時間N，其結(jié)果是對uN（n）的功率譜估計。

2.4 網(wǎng)絡(luò)模塊的設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)模塊是基于TCP/IP協(xié)議采用C/S通信模型完成的。在C/S模型中，PC屬于客戶端（Client）,而硬件屬于服務(wù)器端（Server）。由用戶在界面上設(shè)置連接硬件所需要的IP地址和端口號，PC端主動向硬件發(fā)起連接。連接建立以后，PC通過以太網(wǎng)接收硬件采集的數(shù)據(jù)。圖2展示了C/S通信模型的實現(xiàn)框架。

圖2 C/S通信模型實現(xiàn)框架Fig．2Implementation framework of C/S communication model

實際上，在網(wǎng)絡(luò)中傳送的數(shù)據(jù)都被分割成包（packet）的形式進(jìn)行傳送。在進(jìn)行客戶端程序開發(fā)的時候，出現(xiàn)“粘包”問題?！罢嘲敝傅氖前l(fā)送方發(fā)送的若干個數(shù)據(jù)包到接收方時都粘在一起[6]。圖3（a）～（d）分別展示PC接收到各種粘包的情況。

引起“粘包問題”的原因主要包括以下兩個：1）發(fā)送端：TCP為了提高傳輸效率，如果發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)包很小，TCP不會立即將該數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，而是等收集到足夠多的數(shù)據(jù)，將幾個數(shù)據(jù)包合成一個包才發(fā)送出去；2）客戶端：接收方用戶進(jìn)程沒有及時處理接收到的數(shù)據(jù)，即下一包數(shù)據(jù)到達(dá)時前一包數(shù)據(jù)尚未被用戶進(jìn)程取走，則下一包數(shù)據(jù)則放在前一包數(shù)據(jù)之后。

圖3網(wǎng)絡(luò)接收到的K個數(shù)據(jù)包中各種“粘包”情況Fig．3 Network receives K packets in the various“stick pack”situation

為了解決“粘包”問題，Client和Server端約定好發(fā)送數(shù)據(jù)包的格式如圖4所示。

圖4網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式Fig．4The format of the packet sended by the network

當(dāng)PC端收到“粘包”時，首先經(jīng)過預(yù)處理過程——解包，將粘在一起的包分成獨立的數(shù)據(jù)包，并將每個數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)取出依次拷貝到pool中分配的緩沖區(qū)中。

預(yù)處理過程構(gòu)造類PacketBuilder，該類的具體設(shè)計如下。

3 軟件運行效果

網(wǎng)絡(luò)無線偵察接收機(jī)軟件系統(tǒng)可實時監(jiān)測頻率范圍為頻率范圍20～3 000 MHz的信號，且對實時監(jiān)測的信號進(jìn)行分析和處理：主要包括電平、場強(qiáng)、頻差、頻偏、調(diào)制度、帶寬等技術(shù)參數(shù)的測量。其中頻率測量精度為1×10－7，頻率分辨率為1 Hz。并且當(dāng)系統(tǒng)處于掃描模式下，存儲掃描速度≥700信道/秒，連續(xù)頻率掃描速度＞6 GHz/秒，可選步進(jìn)可從125 Hz到100 kHz。該系統(tǒng)可智能地處理多個同時被調(diào)度的監(jiān)測任務(wù)，實現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)監(jiān)測。該系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)能力，可在無人值守條件下完成智能化自動化監(jiān)測任務(wù)。

系統(tǒng)的界面如圖5所示，界面從上到下依次是標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄；界面的下方左邊部分是信號處理參數(shù)配置面板，右邊部分主要用來顯示各種信號處理的結(jié)果，圖5當(dāng)前展示的就是功率譜估計結(jié)果顯示窗，窗口顯示的是信號的頻譜圖。目前，該系統(tǒng)可以正常接收硬件發(fā)送的信號，并從中提取出其技術(shù)參數(shù)如調(diào)制方式、調(diào)制度、頻率、帶寬等。

圖5系統(tǒng)界面顯示Fig．5Interface display of the software system

4 結(jié)束語

信號實時處理顯示軟件系統(tǒng)滿足ITU建議的規(guī)范要求，兼容無線電監(jiān)測網(wǎng)傳輸協(xié)議（RMTP），通過網(wǎng)絡(luò)接收硬件采集的無線電信號，從而達(dá)到實時監(jiān)測、測量和存儲無線電信號的目的。該軟件系統(tǒng)具有固定頻率監(jiān)測和掃描頻率兩種工作模式，實現(xiàn)了對無線電信號的頻譜分析。通過該軟件系統(tǒng)的實施，為進(jìn)一步實現(xiàn)兼容無線電監(jiān)測網(wǎng)傳輸（RMTP）協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化智能無線頻譜監(jiān)測偵收系統(tǒng)以及產(chǎn)業(yè)化做好準(zhǔn)備。整個軟件系統(tǒng)的分析設(shè)計過程均采用面向?qū)ο蠓椒▽崿F(xiàn)，借助于模塊設(shè)計和面對對象編程思想使類與類之間的內(nèi)聚性增強(qiáng)，耦合性減弱，提高了系統(tǒng)的可重用性和擴(kuò)展性[7]。

[1]朱慶厚．無線電監(jiān)測和通信偵察[M]．北京:人民郵電出版社，2005．

[2]周群艷，黃新財．無線電監(jiān)測軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．微計算機(jī)信息，2006,22（1－1）:92－94．ZHOU Qun-yan，HUANG Xin-cai．Design and implementation of wireless surveillance receiver software[J]．Computer,2006，22（1－1）:92－94．

[3]劉爽，史國友,張遠(yuǎn)強(qiáng)．基于TCP/IP協(xié)議和多線程的通信軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．計算機(jī)工程與設(shè)計，2010，31（7）:1417－1420．LIU Shuang，SHI Guo-you，ZHANG Yuan-qiang．Design and implementation of communication software based on TCP/IP protocolandmultithreadingtechnology[J]．Computer Engineering and Design,2010,31（7）:1417－1420．

[4]Hock K，Csomor S，Smart J．Cross-Platform GUI programming with wxWidgets[M]．UK:Prentice Hall PTR,2005,7．

[5]何子述，夏威，等．現(xiàn)代數(shù)字信號處理及其應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2009．

[6]Hu S，YAN Wei-yong．Stability robustness of networked control systems with respect to packet loss[J]．Automatica，2007，43（7）:1243－1248．

[7]Lippman S B，侯捷．C++對象模型[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002．