無線電頻譜管理是一個國家的頻譜主管部門根據(jù)法律法規(guī)的授權,，按照國際電信聯(lián)盟（ITU）的頻譜劃分原則，制定本國頻譜劃分,、使用和分配政策,。在頻譜的劃分和使用中，如何科學有效地利用無線電頻譜資源,，滿足經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要是一個重要課題,。

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

    本文基于這一應用背景，提出了一種能夠支持多客戶端同時進行頻譜監(jiān)測的流水并行處理架構,。該架構可以滿足多個頻譜監(jiān)測任務的同時執(zhí)行,，有效提高了接收機的利用效率，增強了接收機的靈活性,，還減少了頻譜監(jiān)測任務中接收機的使用量,，降低了頻譜監(jiān)測的成本。

1 系統(tǒng)結構

    本文提出的頻譜監(jiān)測接收機系統(tǒng)按照圖1所示的方式工作,。該頻譜監(jiān)測系統(tǒng)允許多個客戶端同時連接到接收機并下達各自的頻譜監(jiān)測任務,，接收機接收到不同客戶端的任務之后，對任務進行解析,，添加到系統(tǒng)任務列表中進行合理調(diào)度,，以便能夠?qū)崟r完成各個客戶端的監(jiān)測任務，最后通過網(wǎng)絡將頻譜監(jiān)測結果回傳到相應的客戶端,。

    為了實現(xiàn)這樣的功能,，多客戶端頻譜監(jiān)測系統(tǒng)采用TI公司的雙核數(shù)字信號處理器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]，保證了強大的運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)的高速采集與相關預處理,。系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如圖2所示,。

    在該結構中,，電磁波通過天線進入射頻前端，射頻前端將信號變頻到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中進行相應預處理后便將數(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)測結果送回至對應客戶端,。

    在系統(tǒng)實現(xiàn)中,，引入了多核、多線程技術,，在這一基礎上，保證了本系統(tǒng)在工作中不僅能夠支持一個客戶端完成以上頻譜監(jiān)測流程,，在多個客戶端同時連接時也能夠保證各個客戶端任務的并行處理,。

    各客戶端連接到系統(tǒng)之后，系統(tǒng)將會為其分配相應的任務標識,，以便后續(xù)信號處理及頻譜數(shù)據(jù)回傳工作的完成,。完成用戶識別之后，系統(tǒng)根據(jù)不同用戶信息來合理地解析其頻譜任務,，供后端流水并行處理使用,，處理完成后回傳到對應客戶端。整體流程如圖3所示,。

2 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)^[5]，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(nèi)核,，方便實現(xiàn)線程間調(diào)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,。

2.1 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(diào)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(diào)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,。

2.2 ARM端程序設計

2.2.1 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^[7-8]。

    在本系統(tǒng)的ARM端,，分為網(wǎng)絡服務線程與雙核通信線程兩個線程,，如圖5所示,。網(wǎng)絡服務線程負責接收多個客戶端的連接，并為其分配相應標識,，添加到客戶隊列,，同時在收到頻譜監(jiān)測結果之后，回傳結果到相應的客戶端,；雙核通信線程負責與DSP端的交互工作,，主要完成發(fā)送頻譜監(jiān)測任務、參數(shù)到DSP,，以及接收DSP回傳的頻譜監(jiān)測結果,。

2.2.2 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,。圖6為TCP協(xié)議并發(fā)服務器模型示意圖，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，調(diào)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^[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先創(chuàng)建處理客戶端請求的線程,，直到有客戶端連接時才創(chuàng)建，且數(shù)量是可以變動的,，比較靈活,、高效。

    利用這種并發(fā)服務器模型,，可以大大提高服務器對客戶端的處理能力,，降低服務器的響應時間。同時利用這個模型,，可以在接收多個客戶端發(fā)送來的頻譜監(jiān)測請求任務的同時回傳監(jiān)測的結果,，提高了頻譜監(jiān)測的執(zhí)行效率。

2.3 DSP端程序設計

    DSP端調(diào)度使用輪詢調(diào)度的方式來實現(xiàn),，當收到ARM端傳遞的頻譜監(jiān)測任務后,，將任務加入到DSP端的任務隊列中，當一個任務調(diào)用完成后切換到下一個任務,。采用這種方式,，既能夠很好地調(diào)度任務,，同時又能夠保證任務的實時性。DSP端工作流程如圖7所示,。

    DSP端解析客戶端的任務之后,，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來完成射頻前端的配置以及相關預處理工作。在FPGA完成相應配置的同時,，DSP不需要等待配置完成再進行處理,，而是將上一任務的緩存數(shù)據(jù)取出進行相關處理即可。與此同時,，ARM端直接取出DSP上一次處理完成的頻譜監(jiān)測結果,，將其回傳到對應的客戶端進行并行處理，各個客戶端的任務之間互不影響,。

    多個運算單元的合理調(diào)度使頻譜監(jiān)測工作能夠高效地并發(fā)完成,。以這種方式循環(huán)執(zhí)行多個客戶端的頻譜監(jiān)測請求，減少了處理過程中存在的不必要的等待時間,，運行效率更高,。

3 測試

    為了測試本文提出的多客戶端頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的可實現(xiàn)性以及優(yōu)越的頻譜監(jiān)測性能，本文利用了兩臺PC作為客戶端,，同時為了觀測方便,，輸入信號使用信號源輸入單頻信號。

    輸入信號：100 MHz,，-56.98 dBm,，單頻。

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

    將兩個客戶端同時連接到接收機,，開始執(zhí)行頻譜監(jiān)測任務，獲得如圖8所示監(jiān)測結果,。

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

    本文在多核處理器架構和多線程的基礎上,，提出了多客戶端頻譜監(jiān)測的流水并行處理架構,，并在此基礎上實現(xiàn)了一個高效的多客戶端頻譜監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)允許多個客戶同時進行頻譜監(jiān)測,，提高了接收機的利用效率,，增強了接收機的靈活性，大大提高了接收機的性能,。最后通過實驗展示了其可實現(xiàn)性以及優(yōu)越的頻譜監(jiān)測性能,。

參考文獻

[1] 武繼兵.R&S ESMD寬帶監(jiān)測接收機的應用[J].中國無線電，2009(2)：76-77.

[2] 費連.無線電監(jiān)測系統(tǒng)的革新——網(wǎng)絡化小型頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的概念及主要技術要求[J].電子測量與儀器學報,，2009(增刊):175-179.

[3] Texas Instrument Inc..OMAP-L 138 technical reference manual[EB/OL].(2009)[2014].http：//www.ti.com.

[4] Altera Corporation.Stratix II Device Handbook[EB/OL].(2008)[2014].http：//www.altera.com.

[5] ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)技術詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2008.

[6] TI DSP/BIOS用戶手冊與驅(qū)動開發(fā)[M].北京：清華大學出版社，2007.

[7] 邴哲松.ARM Linux嵌入式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)[M].北京：北京航空航天大學出版社,，2012.

[8] 劉兵,，陳琛.Linux下的多線程編程[J].黑龍江科技信息，2008(1)：56-57.