無線電頻譜管理是一個國家的頻譜主管部門根據法律法規的授權，按照國際電信聯盟（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，滿足經濟和社會發展的需要是一個重要課題。

    傳統的無線電頻譜監測設備可以包括短波和超短波頻段，有龐大的監測、測向天線陣，監測覆蓋范圍廣，這樣的大型監測站在傳統的無線電頻譜管理模式中發揮了重大作用。但隨著經濟社會的發展和無線電技術的進步，頻譜的需求程度日益增加，具體表現在以下幾個方面：工作頻段越來越高，單位面積內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測提出了新的挑戰，參考文獻[2]中針對這些問題，提出了一種網絡化小型頻譜監測系統的概念。這種網絡化的小型站架設環境寬松，架設方便，還可以大大節約單站的建設成本。但監測網絡化分布會增加小型監測站的數量，從而增加了成本。該文獻還指出，小型監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，但無疑增加了監測站的建設成本。此外，在頻譜監測中，有的任務并不需要一直執行，尤其是特別任務，接收機便出現閑置的情況，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測的流水并行處理架構。該架構可以滿足多個頻譜監測任務的同時執行，有效提高了接收機的利用效率，增強了接收機的靈活性，還減少了頻譜監測任務中接收機的使用量，降低了頻譜監測的成本。

1 系統結構

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

    為了實現這樣的功能，多客戶端頻譜監測系統采用TI公司的雙核數字信號處理器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完成了數據的高速采集與相關預處理。系統實現框圖如圖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據回傳到OMAP-L138的DSP端處理，處理完成后再通過ARM端將監測結果送回至對應客戶端。

    在系統實現中，引入了多核、多線程技術，在這一基礎上，保證了本系統在工作中不僅能夠支持一個客戶端完成以上頻譜監測流程，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之后，系統將會為其分配相應的任務標識，以便后續信號處理及頻譜數據回傳工作的完成。完成用戶識別之后，系統根據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 系統設計

    在本系統的設計中，采用TI雙核處理器OMAP-L138。此款處理器包含ARM與DSP，為使系統能夠更好地實現多客戶端頻譜監測的功能，ARM采用了Linux操作系統^[5]，Linux操作系統為開源多線程操作系統，具有強大的網絡支持，能夠很好地處理多個客戶端的網絡連接，此外TI提供了相關的底層支持，開發效率高；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多客戶端頻譜監測的并行處理實現提供了強有力的保證。

2.1 多客戶端并行處理架構

    在本系統中，結合多核架構以及多線程技術，提出了多客戶端頻譜監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，系統在接收解析客戶端n的頻譜監測任務的同時，處理部分正在處理上一客戶端n-1的頻譜監測任務，并將客戶端n-2的頻譜數據回傳。

    執行中，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，根據任務隊列中情況進行任務解析，將頻譜監測任務指令及相關參數（如中心頻率、帶寬、頻率分辨率等）回傳至DSP。DSP端接收到頻譜監測指令之后，進行任務的分發以及相關的配置工作。由于不同客戶端的頻譜監測任務不盡相同，在系統實現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將數據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端將頻譜監測結果回傳至客戶端，從而保證了頻譜監測的實時進行。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，每個線程執行程序的一個部分，所有線程都是并發執行，這樣就可以實現并行計算，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]。

    在本系統的ARM端，分為網絡服務線程與雙核通信線程兩個線程，如圖5所示。網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，主要完成發送頻譜監測任務、參數到DSP，以及接收DSP回傳的頻譜監測結果。

2.2.2 Linux并發服務器系統設計

    在網絡服務線程中，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處理多個客戶端連接的能力。圖6為TCP協議并發服務器模型示意圖，ARM端主程序在建立套接字描述符socket、綁定bind之后開始監聽任務，調用accept函數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，并為其創建一個新的線程，用于處理客戶端發送的數據信息^[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建處理客戶端請求的線程，直到有客戶端連接時才創建，且數量是可以變動的，比較靈活、高效。

    利用這種并發服務器模型，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送來的頻譜監測請求任務的同時回傳監測的結果，提高了頻譜監測的執行效率。

2.3 DSP端程序設計

    DSP端調度使用輪詢調度的方式來實現，當收到ARM端傳遞的頻譜監測任務后，將任務加入到DSP端的任務隊列中，當一個任務調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據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度使頻譜監測工作能夠高效地并發完成。以這種方式循環執行多個客戶端的頻譜監測請求，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測系統的可實現性以及優越的頻譜監測性能，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，開始執行頻譜監測任務，獲得如圖8所示監測結果。

    從結果中可以看出，左側客戶端監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，頻譜監測結果是正確的。對比可以發現，兩者的頻譜監測任務得到了很好的并發執行，且兩者之間頻譜監測結果互不干擾。

    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測的流水并行處理架構，并在此基礎上實現了一個高效的多客戶端頻譜監測系統。該系統允許多個客戶同時進行頻譜監測，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性以及優越的頻譜監測性能。

參考文獻

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

[2] 費連.無線電監測系統的革新——網絡化小型頻譜監測系統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系統開發技術詳解[M].北京：電子工業出版社，2008.

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

[7] 邴哲松.ARM Linux嵌入式網絡控制系統[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.