频谱监测和记录中SDR的高数据速率考虑因素

频谱监控已成为商业和国防应用的关键活动。

第 1 部分：

越来越多的技术正在使用前所未有的带宽水平。尽管捕获的数据有所增加，但通常最好收集尽可能多的频谱。这给现代频谱监测解决方案带来了一个重大问题。近乎实时地分析大量频谱是计算密集型的。为了满足频谱监测的动态捕获和处理要求，软件定义无线电（SDR）和外部数据处理系统已成为事实上的标准。高性能频谱监测需要仔细考虑系统架构，以防止系统瓶颈并实现有效的数据分析。在高层次上，无线电需要通过高速数据链路连接到数据处理系统;最先进的SDR利用速度高达4x40 Gbps的无线电到主机连接，以完全实现宽带监控。

第2节：

一旦数据从无线电卸载到处理系统，就会出现各种瓶颈。通过网络接口卡 （NIC） 引入数据可能会导致各种问题，首先是丢弃数据包。并非所有网卡都能够处理多个 Gbps，即使它们通过 PCI 总线连接。一旦NIC过载，数据包将开始被丢弃，导致捕获的数据丢失，这在频谱监控应用中是不可接受的。基于FPGA的NIC已经开发出来解决这个问题，因为它们可以支持更高的吞吐量。传统 NIC 将通过总线以一对一的方式将数据包传输到主控制器，这可能导致高吞吐量实例中的拥塞。如果使用传统 NIC 引入大量数据，则由于无法预处理和聚合数据包，因此可能会丢弃数据包。基于 FPGA 的 NIC 可以 利用 预 处理 和 压缩 来 减少 下游 处理 单元 （如 CPU 和 其他 FPGA） 的 摄取 工作量。

图 1：典型的摄取硬件解决方案

第 3 部分：

数据被计算系统摄取后，需要对其进行存储和处理。应仔细设计系统的体系结构，以最大限度地提高摄取率，同时最大限度地降低硬件成本。典型的硬件配置如图1所示。实施扇出存储架构是高通量频谱监测解决方案的理想选择，因为它可以降低单个系统组件的性能要求。谨慎的做法是让存储系统利用环形缓冲区来提供最大的收集历史记录，同时自动丢弃最旧的数据。频谱监控存储硬件的 HDD 与 SSD 的选择既具体应用又成本相关。HDD的价格较低，写入速度约为150 MBps，而PCI 4.0 SSD则更昂贵，但可以实现高达5，000 MBps的写入速度。

具有较低数据捕获和存储要求的频谱监控解决方案可以利用 RAID 阵列中的 HDD。RAID 中的两个硬盘将支持大约 2.4 Gbps 的摄取速率。这似乎很重要，但假设未存储测量元数据，则仅支持连续捕获大约100 MHz的带宽。捕获 GHz 带宽将需要将存储写入速度提高几个数量级，因为许多频谱监控应用目前利用多个独立的无线电接收器来提高性能和捕获带宽。为了满足这一日益增长的需求，NVMe SSD是高性能频谱监控存储的最佳解决方案。单个高性能 NVMe 固态硬盘可以取代 17 个硬盘 RAID，这意味着单个设备可以摄取超过 1600 MHz 的捕获频谱。虽然 SSD 比机械式 SSD 的性能显著提高，但许多频谱监控解决方案仍需要 RAID 配置。要从最先进的 4x40 Gbps 网卡引入数据，需要一个由四个高性能 SDD 组成的条带阵列。

除了传输速度要求外，系统的计算能力还必须能够满足摄取和处理要求。随着捕获的频谱量的增加，CPU和处理卡功能也随之增加。高捕获带宽将需要分配多个 CPU 内核。存储 160 Gbps 的数据需要大约 25 个 CPU 内核专用于摄取过程 ［ntop］。建议使用分布式计算架构、板载 FPGA 和 GPU 或某种组合来处理这些数据的分析。除了 CPU 内核之外，在将数据写入 RAID 阵列之前，还应分配几 GB 的 RAM 来缓冲数据。对于 HDD 阵列，缓冲区大小应更大以补偿写入延迟，但对于基于 SSD 的存储解决方案，可以减小其大小。

图 2：数据包捕获和处理数据流

第 4 部分：

基于SDR的频谱监测解决方案的一个显著优势是它们提供了高水平的可重构性。由于硬件配置的可变性，捕获的元数据在分析过程中至关重要。捕获带宽、载波频率和温度等参数可能会有很大差异，并且相关的元数据必须与频谱数据一起存储。众多SDR供应商的存在及其独特的数据包协议可能会使捕获数据的分析复杂化。利用符合 VITA49 标准的 SDR 将提高 SDR 平台数据之间的性能和一致性。符合 VITA49 标准的 SDR 数据会将捕获的样本与元数据隔离。元数据的分离减少了数据传输，因为符合VITA49标准的SDR仅在SDR看到变化时才发送元数据数据包，从而为频谱捕获数据留出更多空间。除了出色的元数据处理外，VITA49 还支持数据包的高精度时间戳和时序校正，以补偿 RF 前端延迟，从而获得更准确的元数据 ［IEEE］。

第 5 部分：

尽管在许多应用中变得越来越普遍，但目前可用的大多数SDR都无法满足高性能宽带频谱监测应用的要求。除了高通道带宽外，许多频谱监测应用还需要多个独立的接收链来实现空间信息提取。为了实现高带宽捕获和处理，无线电和早期处理系统需要通过高速数字回程紧密集成。严格的集成要求使交钥匙 SDR 解决方案提供最佳性能，同时缩短硬件开发时间。由于数据摄取和处理要求可能非常严格，因此一些交钥匙解决方案会将录制、存储和回放直接集成到解决方案中，以确保最佳性能。在查看本文中讨论的高性能频谱监控要求时，与能够提供完整解决方案的供应商合作非常重要。

审核编辑：郭婷