网络无线侦察接收机软件系统的设计和实现

为了从无线电信号中获取对方的信息而对通信信号进行搜索、截获、测量、分析、识别、监视以及对辐射源测向和定位，以获取其技术参数、功能、类型、位置和用途而构成的系统，称为无线侦察接收机系统。其中计算机软件系统是整个侦察接收机系统的重要组成部分，本系统中软件和硬件之间的数据传输是依靠网络进行的。
    本文在分析网络无线侦察接收机软件系统框架的基础上，结合wxWidgets库给出如何设计用户界面、如何利用wxMathPlot对接收到的数据进行画图、信号处理的基本方法，重点分析了如何解决网络接收数据时可能出现的“粘包”问题，最后给出了软件运行效果。

1 网络无线侦察接收机软件系统总体设计
    网络无线侦察接收机的总体设计如图1所示。硬件系统采集到的数据通过网络采用TCP／IP协议传送给信号实时显示系统。整个软件系统主要由以下几个模块组成：网络模块、GUI模块、信号处理模块、画图模块、存储模块。其中网络模块主要负责接收硬件发送的数据；GUI模块则负责与用户的交互；信号处理模块则主要负责对采集到的信号进行一定的处理，如功率谱估计、解调等；画图模块则需要将网络收到的数据实时显示在用户界面；存储模块则负责将收到的数据存储在电脑磁盘。其中GUI模块是整个软件系统的核心，其余各模块之间的信息传递则是通过GUI模块，GUI模块相当于一个信息中转站。

    目前支持C++进行GUI开发的软件包很多，主流的包括wxWidgets、MFC、QT等等。和其他GUI开发库相比，wxWidgets拥有丰富的并且开源组件，可以吸引众多人士对其进行改进，对其不断扩充和发展；为其所支持的各种平台提供几乎一致的GUI应用程序接口(API)。程序从一个平台换到另一个运行，只需要重新编译，链接相应的库文件即可。它提供了一个与平台无关的framework，所以程序设计时选用wxWidgets-2.8.0库进行GUI开发，编译工具使用的是codeblocks8．02。

2 关键模块设计
2．1 GUI模块的设计
    Win32程序的main函数代表程序运行起点，对于wxWidgets程序，整个程序的执行即主线程开始启动，是从建立一个wxApp类的对象并调用其类成员函数OnInit()函数开始的。OnInit()函数中需要完成的工作则是创建程序窗口的实例。程序中使用的顶层窗口是从wxFrame(一个可以容纳其他窗口和控件的顶层窗口，通常拥有标题栏和菜单栏)派生出来的。

2．2 画图模块的设计
    信号处理的结果需要在界面上显示出来，如频谱图，星座图等。
    wxMathPlot是一个用来画二维曲线的图形库。系统中主要使用该库绘制一些分析曲线，向用户展示分析结果(如频谱图)。wxMathPlot采用的也是类继承的方式。坐标轴和曲线都是以Layer的方式叠加在画图窗上的。
   
    
2．3 信号处理模块的设计
    为了了解信号各频率成分的构成情况，对网络收到的硬件采集的数据进行功率谱估计。估计方法包括经典功率谱估计和现代功率谱估计方法。系统中使用的主要是经典功率谱估计，其中又包括周期图法和BT法，下面简要介绍一下周期图法计算功率谱的计算步骤：
   
    其中步骤1)是指取观测样本的N个值对其进行N点的傅里叶变换，得到的结果UN(ω)，步骤2)中对UN(ω)模的平方是确定信号uN(ω)的能量谱，对能量谱除以持续时间N，其结果是对uN(n)的功率谱估计。
2．4 网络模块的设计
    网络模块是基于TCP／IP协议采用C／S通信模型完成的。在C／S模型中，PC属于客户端(Client)，而硬件属于服务器端(Server)。由用户在界面上设置连接硬件所需要的IP地址和端口号，PC端主动向硬件发起连接。连接建立以后，PC通过以太网接收硬件采集的数据。图2展示了C／S通信模型的实现框架。

    实际上，在网络中传送的数据都被分割成包(packet)的形式进行传送。在进行客户端程序开发的时候，出现“粘包”问题。“粘包”指的是发送方发送的若干个数据包到接收方时都粘在一起。图3(a)～(d)分别展示PC接收到各种粘包的情况。引起“粘包问题”的原因主要包括以下两个：1)发送端：TCP为了提高传输效率，如果发送方发送的数据包很小，TCP不会立即将该数据包发送出去，而是等收集到足够多的数据，将几个数据包合成一个包才发送出去；2)客户端：接收方用户进程没有及时处理接收到的数据，即下一包数据到达时前一包数据尚未被用户进程取走，则下一包数据则放在前一包数据之后。

    为了解决“粘包”问题，Client和Server端约定好发送数据包的格式如图4所示。

    当PC端收到“粘包”时，首先经过预处理过程——解包，将粘在一起的包分成独立的数据包，并将每个数据包中的数据取出依次拷贝到pool中分配的缓冲区中。
    预处理过程构造类PaeketBuilder，该类的具体设计如下。


3 软件运行效果
    网络无线侦察接收机软件系统可实时监测频率范围为频率范围20～3 000 MHz的信号，且对实时监测的信号进行分析和处理：主要包括电平、场强、频差、频偏、调制度、带宽等技术参数的测量。其中频率测量精度为1x10-7，频率分辨率为1 Hz。并且当系统处于扫描模式下，存储扫描速度≥700信道／秒，连续频率扫描速度>6 GHz／秒，可选步进可从125 Hz到100 kHz。该系统可智能地处理多个同时被调度的监测任务，实现多任务并发监测。该系统具有自学习能力，可在无人值守条件下完成智能化自动化监测任务。
    系统的界面如图5所示，界面从上到下依次是标题栏、菜单栏、工具栏；界面的下方左边部分是信号处理参数配置面板，右边部分主要用来显示各种信号处理的结果，图5当前展示的就是功率谱估计结果显示窗，窗口显示的是信号的频谱图。目前，该系统可以正常接收硬件发送的信号，并从中提取出其技术参数如调制方式、调制度、频率、带宽等。

4 结束语
    信号实时处理显示软件系统满足ITU建议的规范要求，兼容无线电监测网传输协议(RMTP)，通过网络接收硬件采集的无线电信号，从而达到实时监测、测量和存储无线电信号的目的。该软件系统具有固定频率监测和扫描频率两种工作模式，实现了对无线电信号的频谱分析。通过该软件系统的实施，为进一步实现兼容无线电监测网传输(RMTP)协议的网络化智能无线频谱监测侦收系统以及产业化做好准备。整个软件系统的分析设计过程均采用面向对象方法实现，借助于模块设计和面对对象编程思想使类与类之间的内聚性增强，耦合性减弱，提高了系统的可重用性和扩展性。