监测接收机高分辨率快速扫描设计与实现

韩连龙，陈安军，刘传栋

（中电科仪器仪表有限公司，山东青岛，266555）

0 引言

随着无线电技术的飞速发展，特别是军用领域对无线电技术依赖程度的与日俱增，复杂多变的电磁环境对信号监测接收设备提出了更高的要求。然而近年来，由于新一代雷达和无线通信系统均采用了短时突发传送技术、扩跳频技术等复杂的射频技术来改善系统性能，各种瞬态信号、跳频信号以及近噪微弱信号等随之出现。但是传统的监测接收设备以及常用于信号监测的频谱分析仪均存在着频谱扫描速度不够、分辨率低等缺点，执行监测任务时，对这些新制式信号的截获概率非常低，难以满足监测任务的要求[1][2]。

在传统的技术方案中，获得一定频率范围内的频谱有两种实现方式：一种是扫描调谐式分析，另外一种是FFT式分析，但这两种频谱扫描方式各有自己的局限性；扫描调谐式分析基于外差式接收原理[4]，由混频得到所要求的频点信息，并通过更改本振信号来达到一个频段的测量,其扫描过程就是不断改变本振信号，使得本振信号刚好扫过一个频段以达到测量目的；在这种技术方案中，扫速取决于分辨率滤波器的响应速度，并且受限于YIG调谐振荡器的扫描速度，其扫描速度可由下式估算：扫速≈0.8*RBW（RBW为分辨率带宽）；由该公式可以看出，在RBW比较小的时候，扫描速度会非常慢，当分辨率带宽为2.3kHz，扫描速度只有4.23kHz/s，远远无法满足监测接收机快速、高分辨率扫描的要求[5]。FFT式分析仪中，RBW滤波器具有极快的响应时间，当FFT分析仪在窄带情况下比扫频分析式快，而宽带分析时要保证同样的分辨率则FFT总计算量耗时相当可观，同时最大分析带宽还受模数转换器采样速度的限制。鉴于此，FFT分析仪通常只应用于有限带宽的频谱扫描，一般带宽范围在几十兆左右，无法满足全频段监测的要求。

综合上述两种扫描分析方式各自的特点，本方案设计了一种新型的高速并行扫描处理方式：多DSP并行处理的FFT步进扫描方式+多线程通信软件架构，以完成监测接收机高分辨率快速扫描设计。

1 方案设计

基于上述论述，本文重点从扫描处理机制设计、步进与FFT点数的协调设计、高效率的多线程通信设计三个方面对本设计方案进行阐述。

1.1 扫描处理机制设计

本项目设计的监测接收机的扫描监测采用了多DSP并行FFT处理的步进扫描方式，在这种扫描方式中，决定扫描速度的因素主要由本振切换时间、数据采样传输时间、FFT谱运算处理时间、PCI总线传输时间等几部分构成[3]。

本振切换时间指的是步进扫描时，从一个调谐频点转变为另一个调谐频点，本振的锁定时间，这个时间越小，本振跳变的速度越快。但由于YIG器件的磁滞特性，使得本振锁定及切换无法做的很快，平均一次切换时间约为10ms，在本项目设计中，采用了一种新的高速捷变本振设计技术，使得做一次切换的时间在2ms左右，为了采样的稳定可靠，软件设计留出了一定的余量，将切换时间定为3ms。

FFT谱运算时间包括：AD数据预取、加窗、FFT变换、线性到对数谱转化等多个环节，在设计之初，为了衡量这个时间，笔者专门针对设计中一个DSP的整个FFT谱运算处理时间进行了测量。具体值如表1所示。

表1 1个DSP的FFT谱运算处理时间

数据采样传输时间是AD采样的时间和AD采样数据传输到板载缓存的时间总和，这个时间在AD速率已经确定的情况下，由采样长度决定，与采样长度成正比。PCI总线传输时间是FFT谱运算之后，数据结果传输到主机内存的时间。

本振切换与FFT谱运算对宽频段、快速、高分辨扫描来说是矛盾的两个地方，扫描同一个频段，步进大的话，耗费在本振切换的时间就短；但是要达到同样的分辨率带宽的话，每次步进的FFT点数就要多，耗费在FFT谱运算上的时间就长。反之，小步进，FFT谱运算小，但是步进次数多，步进耗费时间长。而解决这个问题，单纯的从提高硬件的指标上解决的话，事倍功半甚至实现不了，必须得结合软件的扫描处理机制上去设计达到要求。本设计中采用了基于软件协调的并行扫描处理机制来实现宽频段、快速、高分辨扫描。整个实现原理如图1所示。

图1 基于软件协调的并行扫描处理机制

步进扫描时，本振切换与数据采样传输是串行的，数据采集必须要等到本振稳定后取到的数据才是有效的，本振的稳定时间在软件协调时定为3ms，即软件驱动3ms之后才设置采样参数开始采样。在这段时间内，采样需要始终占用接收通路上的各种硬件资源。采样完成后进行FFT谱运算，DSP处理器对当前采样数据帧做FFT运算处理时，本振可以步进到下一个频点并启动ADC开始下一帧数据的采样，FFT运算处理时间只要小于或等于本振切换时间与数据采样传输时间的总和，整个的扫描与处理过程就能正常执行。但是进行快速高分辨率扫描时，同样的步进下FFT点数就要增多，前期的实验数据可以看出，16384点的FFT运算比较耗时接近9ms，而本振切换加上数据采样的时间也只有不到4ms的时间，1个DSP显然无法满足大步进高分辨率的要求[9]，为解决此问题，本设计中采用了软件调度多DSP并行处理的方式。当第一个DSP在进行FFT谱运算时，另一个DSP进行下一个步进的FFT谱运算。通过软件对这三个DSP进行依次循环调度，当第一个步进的FFT谱运算完成时，正好第四个步进采样即将结束，等第四个步进采样结束后，既可用DSP1继续进行第四个步进的FFT谱运算，依次往复完成整个频段的扫描。PCI传输数据到主机内存时，依次将DSP1-DSP3这三个处理器的谱运算结果传输。经过FFT谱运算的数据在PCI总线上通过DMA进行传输，速度达到在60MB/s，已经完全可以在FFT谱运算处理间隙，将这些数据传送到主机内存中了。

1.2 步进与FFT点数的协调设计

在本设计中，综合考虑处理速度、经济性和可靠性等多方面因素，使用了3个DSP处理器设计，通过前面的FFT谱运算处理时间可以看出，在每次步进时，设计所能保证的最大FFT点数是16384点。在相同步进的情况下，FFT点数决定了频谱分辨率，当用户设置的频谱分辨率比较小时，16384点的FFT运算无法满足用户的分辨率设置，这时程序可以通过减小步进带宽，增加步进次数的方式来达到用户的对高分辨率的要求；相反的当用户设置的频谱分辨率比较大时，FFT点数小，FFT运算时间会比较小，程序控制采用大步进，减小步进次数，加快扫描速度[10][11]。在软件设计时，步进大小、FFT点数等参数，由用户设置的频谱分辨率大小来耦合产生。程序中设置了一个步进扫描结构体，该结构体定义了谱线间隔，步进带宽和FFT点数的关系。本设计中的步进扫描参数定义如下：

参数中为了处理的方便，并没有直接定义频谱分辨率这一项，但是谱线间隔与分辨率带宽是一一对应的，分辨率带宽=谱线间隔*窗因子。窗因子根据FFT运算加的窗不同而不同，本设计中有三种窗函数类型：汉宁窗、高斯窗、平顶窗，这三种窗对应的窗因子分别是：1.4592（汉宁）、2.5216（高斯）、3.776（平顶）。

在扫描之前，程序先根据用户设计的分辨率带宽在这个结构体中进行查找。找到最接近用户设置的谱线间隔，用这个谱线间隔计算出的分辨率带宽作为用户设置分辨率带宽的仪器自适应值。同时扫描步进、FFT点数等也按照该项的设置进行硬件的驱动，完成整个扫描。以指标要求4GHz/s@RBW（汉宁窗）=2.3kHz为例：分辨率带宽为2.3kHz，进行分辨率带宽自适应查找。找到m_StepBWStepData[8]的设置，m_Step-BWStepData[8]的谱线间隔为1525.87890625，对应分辨率带宽为：1525.87890625*1.4592=2.23kHz。此时步进带宽为20M，完成4G的扫描需要200次步进，每次步进的时间在本设计中的软件控制方法下是＜4ms的，200次步进时间在800ms左右，小于1s的指标要求。

1.3 高效率的多线程通信设计

由于本监测接收机系统软件要实现的功能复杂，各功能模块需要大量的CPU运算，又依赖于高流量I/O，还有复杂的人机交互，如果处理不当，将严重影响扫描速度[8]。

一些功能可能需要多个线程精密协作完成，亦可能某个特定急迫功能需要抢在已安排的功能前执行，因此多线程间的通信是设计的一大重点，同时也是保证工业设计中的高可靠性与快速响应的技术手段。

本监测接收机设计拟采用基于Windows多线程通信技术的软件设计架构，共创建了如下线程：用户界面线程（主线程）、内部控制线程、数据处理线程、程控管理线程等，某些功能可能需要上述多个线程之间的精密协作才能完成，为了实现程序高效率的运行，本节从线程通信的优先级分配入手，进行多线程通信设计[12]。

本监测接收机软件采用如下5级优先级通信方式，具体通信优先级的使用规则设计见下表2。

表2 监测接收机线程的通信优先级

其技术实现的流程图如下图2所示。

图2 线程通信优先级分配流程图

与传统系统平台提供的线程的异步和同步两种工作方式相比，本方案设计的多线程的通信规则不仅增强了系统通信的灵活性，且能够大大提高CPU的使用效率，进而在一定程度上提高监测接收机的扫描速度。

2 实现效果

根据企标的检测标准，对本设计从工程的角度进行了扫描速度的测试。测试方法：信号源1频率2GHz，功率10dBm；信号源2频率3GHz，功率0dBm。利用检波器对75MHz中频信号检波，示波器测量检波器输出[13][14]。在不同的分辨率带宽下得到的测试结果见下表3所示。

表3 测试结果

通过上述的实验可以看出，采用本方案设计的监测接收机在RBW（分辨率带宽）为2.3kHz时，扫描速度达到了4.13 GHz/s，略高于美国安捷伦公司的“黑鸟”（E3238S信号监测设备）在该RBW下的4GHz/s的扫描速度，完全达到了设计要求。

3 结论

本文针对监测接收机高分辨率快速扫描的需求，设计了一种基于软件控制多DSP并行处理的FFT步进扫描方案，并将其成功应用在某国产监测接收机产品上，并取得了良好的效果。实验证明，该设计方法可以在高分辨率的条件下极大提高监测接收机设备的扫描速度，进而提高监测接收机对一些新制式信号的截获概率。从本论文的快速扫描设计中，可以看出扫速的提高还是有一定的空间的。本振切换的时间，在步进不同时，实际上是有差异的。而在本论文中的软件控制中，使用了固定的3ms等待时间，后续可以根据步进的不同，改变此等待时间提高扫描的速度。同时DSP中FFT算法的优化，降低FFT谱运算时间，也可以提高扫描速度。