虛實結合的電磁頻譜監(jiān)測訓練系統(tǒng)設計

李亞飛 姚慰 劉峙峰

摘要：現(xiàn)如今，，電磁信號監(jiān)測保障人員的訓練主要采用實裝訓練，雖然實裝是最有效的訓練方式，但實際裝備價值昂貴、型號種類多，如目前電磁頻譜監(jiān)測設備有德國進口的，國產(chǎn)的有成都華日、中星世通、清華同方等公司的產(chǎn)品，院校和訓練機構配發(fā)周期長、難度大，導致實際教學中單一種類訓練設備有限，難以開展多組訓練，影響訓練效果。因此，需要一種現(xiàn)代化的訓練手段彌補實際裝備不足的問題。

關鍵詞：電磁頻譜;虛擬仿真;裝備操作訓練;監(jiān)測

引言

虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR），是人們通過計算機對復雜數(shù)據(jù)進行可視化操作與交互的一種全新方式，它以計算機技術為核心，結合其它相關科學技術（傳感與測量、微電子、人工智能等），生成一個在視覺、聽覺、嗅覺、觸感等方面與實際環(huán)境高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對象進行交互，產(chǎn)生身臨其境的感覺和體驗。由于虛擬現(xiàn)實技術具有逼真度高、臨場感強、安全可靠、重復高效等優(yōu)勢，已廣泛應用于公共安全、工業(yè)設計、醫(yī)療輔助、軍事模擬、航空航天、交通規(guī)劃和文化教育等領域。

一、系統(tǒng)總體設計

（一）總體需求

根據(jù)現(xiàn)有機動、固定式電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的組成和邏輯功能，為滿足院校和對應訓練機構的訓練需求，擬設計電磁頻譜監(jiān)測訓練系統(tǒng)滿足如下要求：

1）模型逼真：實物模擬系統(tǒng)與原裝備具有相同的實物外形、尺寸、面板接口、線纜、天線等，給受訓者提供真實的裝備訓練感受。

2）操作真實：系統(tǒng)實現(xiàn)真實電磁信號的接收、監(jiān)測，各組成部件（如監(jiān)測接收機、天線）性能指標可測，系統(tǒng)功能與原型實裝基本操作功能實現(xiàn)方法一致，滿足教學訓練要求。

3）訓練高效：能夠按照實際裝備操作模式開展系統(tǒng)組成連接、開機檢查、典型性能指標測試、電磁信號監(jiān)測與控制、電磁信號測向等科目訓練，使受訓者掌握電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)操作使用技能。同時，系統(tǒng)能夠基于計算機局域網(wǎng)開展網(wǎng)絡化訓練，滿足多組人員同時訓練需求。

（二）系統(tǒng)組成

為既滿足監(jiān)測環(huán)境真實性和組網(wǎng)訓練的要求，又使系統(tǒng)盡量簡化、降低開發(fā)成本，系統(tǒng)在整體設計上采用分布式計算機體系結構，系統(tǒng)在真實環(huán)境電磁信號頻譜掃描上采用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)真實電磁信號的接收與控制，電磁信號測向功能訓練采用虛擬仿真方式實現(xiàn)。

二、系統(tǒng)設計

在本系統(tǒng)的設計中，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)能夠更好地實現(xiàn)多客戶端頻譜監(jiān)測的功能，ARM采用了Linux操作系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)為開源多線程操作系統(tǒng)，具有強大的網(wǎng)絡支持，能夠很好地處理多個客戶端的網(wǎng)絡連接，此外TI提供了相關的底層支持，開發(fā)效率高;DSP采用TI公司的DSP/BIOS，DSP/BIOS是一個尺寸可伸縮的實時內核，方便實現(xiàn)線程間調度與同步工作[6]。多核、多線程技術的引入為本系統(tǒng)多客戶端頻譜監(jiān)測的并行處理實現(xiàn)提供了強有力的保證。

（一）多客戶端并行處理架構

在本系統(tǒng)中，結合多核架構以及多線程技術，提出了多客戶端頻譜監(jiān)測的流水并行處理架構，如圖4所示。在此流水并行處理架構中，系統(tǒng)在接收解析客戶端n的頻譜監(jiān)測任務的同時，處理部分正在處理上一客戶端n-1的頻譜監(jiān)測任務，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識，并將其添加到客戶隊列，根據(jù)任務隊列中情況進行任務解析，將頻譜監(jiān)測任務指令及相關參數(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)測指令之后，進行任務的分發(fā)以及相關的配置工作。由于不同客戶端的頻譜監(jiān)測任務不盡相同，在系統(tǒng)實現(xiàn)中還需要不斷更改射頻前端調諧頻率，以保證能夠正確地完成對應客戶的頻譜監(jiān)測任務。射頻前端調諧頻率等的配置工作交由FPGA來完成，配置完成之后利用FPGA將數(shù)據(jù)采集并進行相應的預處理后回傳到DSP。DSP完成相應的處理工作之后交由ARM，ARM端將頻譜監(jiān)測結果回傳至客戶端，從而保證了頻譜監(jiān)測的實時進行。利用這種架構，ARM、DSP、FPGA之間并行運行，減少了不必要的等待，大大增強了各處理單元的利用率。

（二）ARM端程序設計

1.Linux下的多線程編程

線程就是程序中的單個順序控制流，利用多線程技術，可以將一個程序的任務分為多個線程，每個線程執(zhí)行程序的一個部分，所有線程都是并發(fā)執(zhí)行，這樣就可以實現(xiàn)并行計算，高效利用處理器。此外，通過為每種事務分配單獨的處理線程，能夠有效簡化程序設計，使程序更加容易理解和修改。

2.Linux并發(fā)服務器系統(tǒng)設計

在網(wǎng)絡服務線程中，由于存在多個客戶端同時連接的情況，因此接收機必須要具備并發(fā)處理多個客戶端連接的能力。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，調用accept函數(shù)等待客戶端的連接請求。當接收到客戶端的請求時，服務器便為該客戶端分配相應標識，加入客戶列表，并為其創(chuàng)建一個新的線程，用于處理客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。

三、系統(tǒng)開發(fā)技術方案

（一）頻譜掃描接收單元設計

系統(tǒng)頻譜監(jiān)測工作原理：電磁信號通過天線進入頻譜掃描接收單元的預選器，預選器對信號進行預選調理，處理后信號通過頻率搬移轉換為中頻信號輸出給數(shù)字中頻模塊，數(shù)字中頻模塊對信號進行高速采樣、數(shù)字下變頻和濾波處理，輸出信號經(jīng)過數(shù)字信號處理軟件實現(xiàn)各種測量信息，并通過訓練控制單元中的監(jiān)測控制軟件進行處理，并對頻譜信息進行顯示。

頻譜掃描接收單元按照全數(shù)字中頻頻譜儀或接收機工作原理框圖進行設計?，F(xiàn)代全數(shù)字中頻頻譜儀或接收機，都是以超外差式為基本原理，采用射頻前端（包括衰減器、預選器、混頻器、中頻濾波器、中頻放大器），將射頻信號變到中頻，在中頻采樣，然后進行IQ分離，再對IQ信號進行處理，得到需要的FFT頻譜或信號的幅度信息。

（二）基于虛擬手的人機交互分析

采用數(shù)據(jù)手套構建虛擬手，費用昂貴、手部受限感明顯，而光學方式成本低廉、交互自然，故將其作為首選項。近年來，隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)界推出了Kinect、LeapMotion等幾款手部信息捕獲設備。這幾款產(chǎn)品成本低廉，非常適合作為普通虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應用中的人機交互設備。其中，Kinect主要追蹤中遠距（0.5～4m）的全身運動，而對于手部動作的細節(jié)信息跟蹤不夠，需要手臂配合表達;LeapMotion是一個檢測手勢運動的傳感器，體積小、成本低、擴展性強，可識別每根手指的位置、姿態(tài)、速度等參數(shù)，動作跟蹤精度達0.01mm，可用于專業(yè)的手勢交互系統(tǒng)。

（三）天線單元設計

天線單元主要由超短波監(jiān)測天線和微波監(jiān)測天線組成。超短波監(jiān)測天線主要用于接收VHF和UHF電磁信號，為保證接受效果，天線方向性為全向，為兼顧機動站和固定站訓練特點，系統(tǒng)中超短波天線以盤錐天線為原型進行設計，設計中采用HFSS軟件進行優(yōu)化設計，通過分析圓盤尺寸、圓盤高度、錐角大小對天線寬帶特性的影響，設置優(yōu)化目標保證天線在20M～3GHz的工作頻率范圍內駐波比小于等于2.5。

結語

本系統(tǒng)采用虛擬與現(xiàn)實結合的方法，實現(xiàn)了電磁頻譜監(jiān)測訓練系統(tǒng)的設計，并根據(jù)設計完成了訓練系統(tǒng)樣機的制作，經(jīng)過課堂教學實踐，教員和學員對系統(tǒng)訓練效果比較滿意。

參考文獻：

[1]賀昕.復雜電磁環(huán)境下頻譜監(jiān)測新技術[J].中國新通信，2010，12（19）：87-91.

[2]熊淑平.虛擬仿真技術在高職教學中的應用探析[J].黃河水利職業(yè)技術學院學報，2013，25（1）：79-81.

[3]周健.淺析虛擬現(xiàn)實技術及其在教學中的應用[J].無線互聯(lián)科技，2015（15）：145-146.