頻譜監(jiān)測已成為商業(yè)和國防應用的關鍵活動。

第一節(jié)：

越來越多的技術正在使用前所未有的帶寬水平。盡管捕獲的數據有所增加，但通常最好收集盡可能多的頻譜。這給現代頻譜監(jiān)測解決方案帶來了重大問題;近乎實時地分析大量頻譜在計算上非常密集。為了滿足頻譜監(jiān)測的動態(tài)捕獲和處理要求，軟件定義無線電（SDR）和外部數據處理系統(tǒng)已成為事實上的標準。高性能頻譜監(jiān)控需要仔細考慮系統(tǒng)架構，以防止系統(tǒng)瓶頸并實現高效的數據分析。在高層次上，無線電需要通過高速數據鏈路連接到數據處理系統(tǒng);最先進的 SDR 利用速度高達 4x40 Gbps 的無線電到主機連接來全面實現寬帶監(jiān)控。

第二節(jié)：

一旦數據從無線電卸載到處理系統(tǒng)，就會出現各種瓶頸。通過網絡接口卡 （NIC） 攝取數據可能會導致各種問題，首先是丟棄數據包。并非所有 NIC 都能夠處理多個 Gbps，即使它們通過 PCI 總線連接也是如此。一旦NIC過載，數據包將開始被丟棄，從而導致捕獲的數據丟失，這在頻譜監(jiān)控應用中是不可接受的?；?a target="_blank">FPGA的NIC已經開發(fā)出來解決這個問題，因為它們可以支持更高的吞吐量。傳統(tǒng) NIC 將以一對一的方式通過總線將數據包傳輸到主機控制器，這可能會導致高吞吐量實例中的擁塞。如果使用傳統(tǒng) NIC 攝取大量數據，則數據包可能會被丟棄，因為它無法預處理和聚合數據包?；?FPGA 的 NIC 可以利用預處理和壓縮來減少下游處理單元（如 CPU 和其他 FPGA）的攝取工作負載。

圖 1：典型的引入硬件解決方案

第一節(jié)：

數據被計算系統(tǒng)攝取后，將需要對其進行存儲和處理。應仔細設計系統(tǒng)的體系結構，以最大限度地提高引入速率，同時最大限度地降低硬件成本。典型的硬件配置如圖 1 所示。實施扇出存儲架構是高吞吐量頻譜監(jiān)控解決方案的理想選擇，因為它可以降低單個系統(tǒng)組件的性能要求。讓存儲系統(tǒng)利用環(huán)形緩沖區(qū)來提供最大的收集歷史記錄，同時自動丟棄最舊的數據也是謹慎的做法。用于頻譜監(jiān)控存儲硬件的 HDD 與 SSD 的選擇既特定于應用，也特定于成本。HDD 的價格較低，寫入速度約為 150 MBps，而 PCI 4.0 SSD 更昂貴，但可實現高達 5，000 MBps 的寫入速度。

具有較低數據采集和存儲要求的頻譜監(jiān)控解決方案可以利用 RAID 陣列中的 HDD。RAID 中的兩個 HDD 將支持大約 2.4 Gbps 的攝取速率。這可能看起來很重要，但假設測量元數據未存儲，則僅支持連續(xù)捕獲大約100 MHz帶寬。捕獲GHz帶寬將需要存儲寫入速度提高幾個數量級，因為許多頻譜監(jiān)控應用目前利用多個獨立的無線電接收器來提高性能和捕獲帶寬。為了滿足這一不斷增長的需求，NVMe SSD 是高性能頻譜監(jiān)控存儲的最佳解決方案。單個高性能 NVMe SSD 可以取代 17 HDD RAID 意味著單個設備可以攝取超過 1600 MHz 的捕獲頻譜。雖然SSD比機械版提供了顯著的性能改進，但許多頻譜監(jiān)控解決方案仍然需要RAID配置。要從最先進的 4x40 Gbps NIC 攝取數據，需要一個包含四個高性能 SDD 的條帶陣列。

除了傳輸速度要求外，系統(tǒng)的計算能力還必須能夠滿足攝取和處理要求。隨著捕獲的頻譜量的增加，CPU 和處理卡的能力也會增加。高捕獲帶寬將需要分配多個 CPU 內核。存儲 160 Gbps 的數據需要大約 25 個 CPU 內核專用于引入過程 ［ntop］。建議使用分布式計算架構、板載 FPGA 和 GPU 或某種組合來處理這些數據的分析。除了 CPU 內核之外，在將數據寫入 RAID 陣列之前，還應分配幾 GB 的 RAM 來緩沖數據。對于 HDD 陣列，緩沖區(qū)大小應更大以補償寫入延遲，但對于基于 SSD 的存儲解決方案，緩沖區(qū)大小應減小。

圖 2：數據包捕獲和處理數據流

第一節(jié)：

基于 SDR 的頻譜監(jiān)控解決方案的一個顯著優(yōu)勢是它們提供了高水平的可重構性。由于硬件配置的可變性，捕獲的元數據在分析過程中至關重要。捕獲帶寬、載波頻率和溫度等參數可能會有很大差異，并且關聯的元數據必須與頻譜數據一起存儲。眾多SDR供應商的存在及其獨特的數據包協議可能會使捕獲數據的分析復雜化。利用符合 VITA49 標準的 SDR 將提高 SDR 平臺數據之間的性能和一致性。符合 VITA49 標準的 SDR 數據會將捕獲的樣本與元數據隔離。元數據的分離減少了數據傳輸，因為符合 VITA49 標準的 SDR 僅在 SDR 看到更改時才發(fā)送元數據數據包，為頻譜捕獲數據留出更多空間。除了出色的元數據處理能力外，VITA49 還支持數據包的高精度時間戳和定時校正，可補償射頻前端延遲，從而獲得更準確的元數據 ［IEEE］。

第一節(jié)：

盡管在許多應用中變得越來越普遍，但目前可用的大多數SDR都無法滿足高性能寬帶頻譜監(jiān)控應用的要求。除了高信道帶寬外，許多頻譜監(jiān)控應用還需要多個獨立的接收鏈來實現空間信息提取。為了實現高帶寬捕獲和處理，無線電和早期處理系統(tǒng)需要通過高速數字回程緊密集成。嚴格的集成要求使交鑰匙 SDR 解決方案能夠提供最佳性能，同時縮短硬件開發(fā)時間。由于數據引入和處理要求可能非常嚴格，因此某些交鑰匙解決方案會將錄制、存儲和回放直接集成到解決方案中，以確保最佳性能。

審核編輯：郭婷