頻譜監測已成為商業和國防應用的一項關鍵活動。

第 1 節：

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重大問題；近乎實時地分析大量頻譜的計算量很大。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。高性能頻譜監控將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；

第 2 節：

一旦數據從無線電傳輸到處理系統，就會出現各種瓶頸。通過網絡接口卡 （NIC） 獲取數據可能會導致各種問題，首先是丟包。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，這在頻譜監控應用中是不可接受的。已經開發了基于 FPGA 的 NIC 來解決這個問題，因為它們可以支持更高的吞吐量。傳統的 NIC 將通過總線以一對一的方式將數據包傳輸到主機控制器，這可能導致高吞吐量實例中的擁塞。如果使用傳統 NIC 攝取大量數據，由于無法預處理和聚合數據包，數據包可能會被丟棄。基于 FPGA 的 NIC 可以利用預處理和壓縮來減少下游處理單元（例如 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 節：

數據被計算系統攝取后，需要進行存儲和處理。系統的架構應該經過精心設計，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吞吐量頻譜監控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。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也是謹慎的做法。為頻譜監測存儲硬件選擇 HDD 還是 SSD 取決于應用和成本。HDD 的價格較低，寫入速度約為 150 MBps，而 PCI 4。

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 HDD 將支持大約 2.4 Gbps 的攝取速率。這可能看起來很重要，但僅支持連續捕獲大約 100 MHz 的帶寬，前提是不存儲測量元數據。捕獲 GHz 的帶寬將需要存儲寫入速度提高幾個數量級，因為許多頻譜監控應用程序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 SSD 可以取代 17 個 HDD 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 與機械對應物相比提供了顯著的性能改進，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 NIC 攝取數據，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的要求。隨著捕獲的頻譜數量的增加，CPU 和處理卡的功能也會增加。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 內核專門用于攝取過程 ［ ntop］。建議使用分布式計算架構、板載 FPGA 和 GPU 或某種組合來處理此數據的分析。除了 CPU 內核之外，還應分配數 GB 的 RAM 來緩沖數據，然后再將其寫入 RAID 陣列。對于 HDD 陣列，緩沖區大小應該更大以補償寫入延遲，但對于基于 SSD 的存儲解決方案，可以減小大小。

圖 2：數據包捕獲和處理數據流

第 4 節：

基于 SDR 的頻譜監測解決方案的一個顯著優勢是它們提供的高度可重構性。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，相關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會使捕獲數據的分析變得復雜。使用符合 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 的 SDR 數據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 的 SDR 僅在 SDR 看到更改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之外，VITA49 還支持對數據包進行高精度時間戳，并通過定時校正來補償 RF 前端延遲，從而產生更準確的元數據 ［IEEE ］。

第 5 節：

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。除了高信道帶寬之外，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。嚴格的集成要求導致交鑰匙 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，一些交鑰匙解決方案會將記錄、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