頻譜監控已成為商業和國防應用的關鍵活動。

第 1 部分：

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。這給現代頻譜監測解決方案帶來了一個重大問題。近乎實時地分析大量頻譜是計算密集型的。為了滿足頻譜監測的動態捕獲和處理要求，軟件定義無線電（SDR）和外部數據處理系統已成為事實上的標準。高性能頻譜監測需要仔細考慮系統架構，以防止系統瓶頸并實現有效的數據分析。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;最先進的SDR利用速度高達4x40 Gbps的無線電到主機連接，以完全實現寬帶監控。

第2節：

一旦數據從無線電卸載到處理系統，就會出現各種瓶頸。通過網絡接口卡 （NIC） 引入數據可能會導致各種問題，首先是丟棄數據包。并非所有網卡都能夠處理多個 Gbps，即使它們通過 PCI 總線連接。一旦NIC過載，數據包將開始被丟棄，導致捕獲的數據丟失，這在頻譜監控應用中是不可接受的。基于FPGA的NIC已經開發出來解決這個問題，因為它們可以支持更高的吞吐量。傳統 NIC 將通過總線以一對一的方式將數據包傳輸到主控制器，這可能導致高吞吐量實例中的擁塞。如果使用傳統 NIC 引入大量數據，則由于無法預處理和聚合數據包，因此可能會丟棄數據包。基于 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 工作量。

圖 1：典型的攝取硬件解決方案

第 3 部分：

數據被計算系統攝取后，需要對其進行存儲和處理。應仔細設計系統的體系結構，以最大限度地提高攝取率，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通量頻譜監測解決方案的理想選擇，因為它可以降低單個系統組件的性能要求。謹慎的做法是讓存儲系統利用環形緩沖區來提供最大的收集歷史記錄，同時自動丟棄最舊的數據。頻譜監控存儲硬件的 HDD 與 SSD 的選擇既具體應用又成本相關。HDD的價格較低，寫入速度約為150 MBps，而PCI 4.0 SSD則更昂貴，但可以實現高達5，000 MBps的寫入速度。

具有較低數據捕獲和存儲要求的頻譜監控解決方案可以利用 RAID 陣列中的 HDD。RAID 中的兩個硬盤將支持大約 2.4 Gbps 的攝取速率。這似乎很重要，但假設未存儲測量元數據，則僅支持連續捕獲大約100 MHz的帶寬。捕獲 GHz 帶寬將需要將存儲寫入速度提高幾個數量級，因為許多頻譜監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。為了滿足這一日益增長的需求，NVMe SSD是高性能頻譜監控存儲的最佳解決方案。單個高性能 NVMe 固態硬盤可以取代 17 個硬盤 RAID，這意味著單個設備可以攝取超過 1600 MHz 的捕獲頻譜。雖然 SSD 比機械式 SSD 的性能顯著提高，但許多頻譜監控解決方案仍需要 RAID 配置。要從最先進的 4x40 Gbps 網卡引入數據，需要一個由四個高性能 SDD 組成的條帶陣列。

除了傳輸速度要求外，系統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和處理卡功能也隨之增加。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 內核專用于攝取過程 ［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，可以減小其大小。

圖 2：數據包捕獲和處理數據流

第 4 部分：

基于SDR的頻譜監測解決方案的一個顯著優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，并且相關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看到變化時才發送元數據數據包，從而為頻譜捕獲數據留出更多空間。除了出色的元數據處理外，VITA49 還支持數據包的高精度時間戳和時序校正，以補償 RF 前端延遲，從而獲得更準確的元數據 ［IEEE］。

第 5 部分：

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測應用的要求。除了高通道帶寬外，許多頻譜監測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 解決方案提供最佳性能，同時縮短硬件開發時間。由于數據攝取和處理要求可能非常嚴格，因此一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。在查看本文中討論的高性能頻譜監控要求時，與能夠提供完整解決方案的供應商合作非常重要。

審核編輯：郭婷