基于軟件無線電的電磁頻譜監(jiān)測新方法

羅爭+楊學(xué)剛+李勇+吳林

摘要：針對現(xiàn)有電磁頻譜監(jiān)測設(shè)備操作復(fù)雜、靈活性差及數(shù)據(jù)格式封閉等問題，本文將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用于電磁頻譜監(jiān)測領(lǐng)域，研究開發(fā)了一套頻譜監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析軟件，可根據(jù)需要調(diào)整中心頻率、帶寬、采樣率等參數(shù)，并可對硬件上傳的信號進(jìn)行實時分析，具有較大實際應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：軟件無線電；電磁頻譜監(jiān)測；數(shù)據(jù)分析

中圖分類號：TN98 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）01-0041-01

在未來戰(zhàn)場上，電磁空間對抗異常激烈，戰(zhàn)場電磁態(tài)勢日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的電磁頻譜監(jiān)測技術(shù)和方法早已無法滿足劇增的用頻需求和多變的，加之監(jiān)測設(shè)備采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)格式封閉，無法對其進(jìn)行有效的二次開發(fā)和數(shù)據(jù)挖掘分析，一定程度上影響了監(jiān)測數(shù)據(jù)對我軍作戰(zhàn)用頻的支撐作用。軟件無線電最早被美軍用于解決海灣戰(zhàn)爭中多國部隊各軍種進(jìn)行聯(lián)合作戰(zhàn)時的“互通、互聯(lián)、互操作”問題而提出來的新概念，具有很強(qiáng)的靈活性和開放性。

本文開發(fā)了一套寬帶頻譜監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析軟件，該軟件能夠?qū)ι鲜鲇布O(shè)備進(jìn)行控制，根據(jù)需要調(diào)整中心頻率、帶寬、采樣率等參數(shù)，并對硬件設(shè)備上傳的信號進(jìn)行實時分析，提取關(guān)鍵頻譜特征參數(shù)。同時，該軟件兼容于現(xiàn)有超短波和短波監(jiān)測系統(tǒng)的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有效分析，便于進(jìn)行發(fā)射源干擾定位、頻譜占用度分析等頻譜特征分析處理，與動態(tài)頻譜管理相結(jié)合，能提供更有效、更精細(xì)化的戰(zhàn)場電磁頻譜管控。

1 軟件設(shè)計與開發(fā)

軟件基于QT 4進(jìn)行開發(fā)，繪圖部分采用QWT庫函數(shù)實現(xiàn)，信號處理部分采用Intel IPP庫函數(shù)實現(xiàn)。上位機(jī)軟件的模塊框圖如圖1所示，包括頻譜顯示、參數(shù)設(shè)置、頻譜計算和MAC數(shù)據(jù)包讀取等模塊，機(jī)軟件部分模塊功能介紹如下。

2 頻譜顯示部分

用QT + QWT 實現(xiàn)，代碼主要分為接收數(shù)據(jù)部分、數(shù)據(jù)處理部分和頁面顯示部分，可以按一定的刷新頻率實時顯示從網(wǎng)卡讀取的數(shù)據(jù)的頻譜。界面刷新由定時器實現(xiàn)。面板上顯示了一些基本信息，可以設(shè)置中心頻率、采樣率等參數(shù)。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)讀取部分

主要由winPcap的pcap_open函數(shù)和pcap_next_ex函數(shù)完成，pcap_open打開可用網(wǎng)卡，設(shè)定超時時間，以免程序阻塞；pcap_next_ex用于抓MAC包，F(xiàn)PGA連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，處理部分的FFT點數(shù)有256，512，1024，2048，4096可選，默認(rèn)每次讀取4096個點的數(shù)據(jù)，和發(fā)送方約定MAC包的包頭有17個字節(jié)，包括原地址、目的地址、類型、發(fā)送接收標(biāo)識、計數(shù)等信息，主體有1400個字節(jié)，I低I高Q低Q高共4個字節(jié)表示一個數(shù)據(jù)點，則每個包含有350個數(shù)據(jù)點，每次共讀取12個包。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理部分

主要由IPP庫的ippsFFTFwd_CToC_64fc函數(shù)實現(xiàn)，接收數(shù)據(jù)Buffer中數(shù)據(jù)點數(shù)和程序設(shè)定的最大FFT點數(shù)一致，為了頻率分辨率可調(diào)，根據(jù)df=Fs/N，采取改變FFT點數(shù)的方法，面板上的調(diào)節(jié)旋鈕目前有5個檔位，處理數(shù)據(jù)時根據(jù)面板選擇的FFT點數(shù)：256，512，1024，2048，4096做相應(yīng)點數(shù)的復(fù)數(shù)到復(fù)數(shù)的FFT，然后再進(jìn)行轉(zhuǎn)換，計算得到接收信號從-Fs/2到Fs/2，以dB為單位的頻譜，存放到相應(yīng)的Buffer里，供畫圖部分調(diào)用。主要過程如圖2所示。

5 人機(jī)交互界面部分

交互界面主要包括實時顯示頻譜和FFT點數(shù)＼頻率分辨率等信息以及接收面板上的設(shè)置。繪制頻譜由QwtPlot類和QwtPlotCurve類完成，QwtPlot是.ui文件中的一個Widget，本身不具有添加圖元的屬性，相當(dāng)于是一個容器，可以容納許多的圖元。QwtPlotItem類是所有圖元的基類，可以派生出多個控件對象，如網(wǎng)格（QwtPlotGrid類）、曲線（QwtPlotCurve類）等，這些圖元自己決定是否添加到QwtPlot中，頻譜繪制時，首先定義QwtPlotCurve類的對象，通過setSamples設(shè)置數(shù)據(jù)，由attach函數(shù)添加到容器中進(jìn)行顯示，另外還設(shè)置了綠色的曲線，黑色的畫布背景，白色的網(wǎng)格線等。面板右側(cè)還可以輸入中心頻率和帶寬設(shè)置頻譜的顯示范圍，按下確定按鈕生效，復(fù)位按鈕用于回到放大之前的默認(rèn)的比例尺。

6 結(jié)語

未來電磁頻譜監(jiān)測將朝著分布式監(jiān)測、集中式數(shù)據(jù)處理的方向發(fā)展。本文研究了基于軟件無線電技術(shù)的電磁頻譜監(jiān)測新方法、初步開發(fā)試驗了軟件平臺，該軟件無線電平臺可部署于通用計算機(jī)上，代碼和數(shù)據(jù)格式開放，便于進(jìn)行代碼的二次開發(fā)和監(jiān)測數(shù)據(jù)的挖掘分析，可視化界面也保證了頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠以直觀的形式展現(xiàn)在用頻用戶前，提高了數(shù)據(jù)的利用效率。該平臺可作為頻譜監(jiān)測的“智能盒子”，為靈活機(jī)動部署監(jiān)測設(shè)備、自動實施多頻段全時段監(jiān)測提供了可能性。