基于gpu的多客戶端實時頻譜監控系統及其方法
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于頻譜分析技術領域，具體涉及一種基于GPU的多客戶端實時頻譜監控系統及其方法。
【背景技術】
[0002]隨著通信、航空航天、圖像視頻、軍事、醫療等領域的發展，頻譜分析在各個領域的應用愈來愈深，特別是在實時性要求高的情況下，需要設計與應用高速數據采集、存儲和信號檢測系統，以期在短時間內獲取、存儲和處理大量數據，特別是在衛星通信、航空航天、雷達等高端測控領域。
[0003]當前市場上的頻譜儀，只能用于查看分析信號，不支持用戶定制，不能對異常頻譜和干擾信號進行告警，不具備數據庫功能即不支持頻譜回放等功能，因此無法滿足用戶需求。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種基于GPU的多客戶端實時頻譜監控系統及其方法，實現頻譜的自動監測和實時告警。
[0005]本發明所采用的技術方案為:
基于GPU的多客戶端實時頻譜監控系統，其特征在于:
包括頻譜采集板、光纖接口板、GPU板、機箱、服務器和頻譜監控終端;頻譜采集板位于機箱內，和光纖接口板通過4路光口互聯;光纖接口板位于服務器內，和服務器通過PCIe互聯;GPU板位于服務器內，和服務器通過PCI e互聯;服務器和頻譜監控終端通過網絡互聯。
[0006]頻譜采集板包括頻譜采集載板和ADC采集子板；
頻譜采集載板配置兩塊FMC連接器，一個與ADC采集子板互聯，另一個實現光口輸出；頻譜采集載板上另外配置有FPGA，FPGA的I個Quad實現光口輸出；
ADC采集子板配置2片高速ADC采集芯片，并留有用于信號輸入中頻接口。
[0007]光纖接口板上集成有用于傳輸控制及PCIe接口的實現的FPGA。
[0008]基于GPU的多客戶端實時頻譜監控系統的監控方法，其特征在于:
包括以下步驟:
ADC采集子板完成信號高速AD采集，和頻譜采集載板通過FMC互聯，傳輸協議采用串行Rapid1; ADC采集子板配置2片高速ADC采集芯片，同時支持兩通道數據采集；
光纖接口板經過光口接收來自頻譜采集載板傳輸的采集數據，經PCIe總線實現數據到服務器的傳輸;光纖接口板支持4路光纖通道，板上集成的FPGA用于傳輸控制及PCIe接口的實現；
GPU板完成信號頻譜計算以及多個載波特征參數盲估計，計算的特征參數有功率、中心頻率、帶寬、載噪比、信噪比、碼元速率、調制方式;系統識別的調制方式有BPSK、QPSK、8PSK、16QAM和16APSK; GRJ板處理完的數據存入Mongo數據庫，與監控終端構成B/S系統，用于進行告警回溯或者頻譜回放；
Server服務端根據客戶請求，發送指令給各個服務器，各服務器進行相應處理；隨后Server服務端將處理后數據以及告警信息存入Mongo數據庫，同時將數據發送給頻譜監控終端；
服務器和頻譜監控終端通過網絡互聯，以組播方式向各個監控終端發送數據。
[0009]本發明具有以下優點:
本發明將GPU、數據庫和監控終端結合使用，通過高速ADC和高性能FPGA以及高速光纖接口與PCIe接口實現實時信號采集與傳輸，通過高性能服務器和GPU并行運算實現對信號的分析、頻譜計算、特性參數提取以及告警生成，并通過網絡分發至各監控終端進行頻譜監控，同時將數據存儲至服務器。服務器和監控終端之間構成B/S系統，最終實現本地及遠端對頻譜的監控功能。具體具有以下優勢:
1.支持頻譜回放；
2.允許用戶定制監視計劃，能夠實現對信號非正常狀態和干擾信號的實時告警；
3.支持通過告警回溯異常頻譜；
4.帶寬50MHz情況下分辨率達2KHz，監控終端上頻譜刷新率每秒達5次以上；
5.頻譜分辨率最精細可達1Hz;
6.監控終端可4分屏，允許同時監控4通過信號，每個屏能夠自由縮放、拖拽；
7.頻譜最大值最小值具有保持功能，Mark點可設置在最大值/當前值/最小值任意條曲線上；
8.支持Amark功能；
9.允許查看單個載波的特征參數信息；
10.支持報表導出。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發明具體實施的系統框圖。
[0011 ]圖2是本發明具體數據流圖。
[0012]圖3是本發明具體實施頻譜采集載板和ADC采集子板框圖。
[0013]圖4是本發明具體實施光纖接口板框圖。
[0014]圖5是本發明具體實施分布式數據庫拓撲圖。
[0015]圖6是本發明具體實施監控終端操作界面圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合【具體實施方式】對本發明進行詳細的說明。
[0017]本發明涉及的基于GPU的多客戶端實時頻譜監控系統，包括頻譜采集板、光纖接口板、GPU板、機箱、服務器和頻譜監控終端;頻譜采集板位于機箱內，和光纖接口板通過4路光口互聯;光纖接口板位于服務器內，和服務器通過PCIe互聯;GPU板位于服務器內，和服務器通過PCIe互聯;服務器和頻譜監控終端通過網絡互聯。
[0018]頻譜采集板包括頻譜采集載板和ADC采集子板;頻譜采集載板配置兩塊FMC連接器，一個與ADC采集子板互聯，另一個實現光口輸出；頻譜采集載板上另外配置有FPGA，FPGA的I個Quad實現光口輸出；ADC采集子板配置2片高速ADC采集芯片，并留有用于信號輸入中頻接口。頻譜采集載板通過VPX連接器與機箱背板互聯。
[0019]光纖接口板上集成有用于傳輸控制及PCIe接口的實現的FPGA。
[0020]上述基于GPU的多客戶端實時頻譜監控系統的監控方法，包括以下步驟:
I )ADC采集子板完成信號高速AD采集，和頻譜采集載板通過FMC互聯，傳輸協議采用串行Rapid1，傳輸速率達5Gbps/lane; ADC采集子板配置2片高速ADC采集芯片，同時支持兩通道數據采集。
[0021 ] 2)光纖接口板經過光口接收來自頻譜采集載板傳輸的采集數據，經PCIe總線實現數據到服務器的傳輸;光纖接口板支持4路光纖通道，實現最高5Gbps的全雙工數據傳輸。板上集成的FPGA用于傳輸控制及PCIe接口的實現，通過PCIe總線與服務器進行數據傳輸，最高支持8x PCIe REV.2.0i 5Gbps傳輸速率。
[0022]3)GPU板完成信號頻譜計算以及多個載波特征參數盲估計，計算的特征參數有功率、中心頻率、帶寬、載噪比、信噪比、碼元速率、調制方式；系統識別的調制方式有BPSK、QPSK、8PSK、16QAM和16APSK。
[0023]4)GPU板處理完的數據存入Mongo數據庫，與監控終端構成B/S系統，用于進行告警回溯或者頻譜回放。數據庫采用分布式結構，拓撲結構如圖5所示。
[0024]5)SerVer服務端根據客戶請求，發送指令給各個服務器，各服務器進行相應處理；隨后Server服務端將處理后數據以及告警信息存入Mongo數據庫，同時將數據發送給頻譜監控終端;為保證頻譜數據存儲至少3天，存儲空間需2TB，如果需要的存儲時間更長，可以擴充存儲空間。用于頻譜/告警等數據存儲的硬盤組成raid，以提高讀寫速率。
[0025]6)服務器和頻譜監控終端通過網絡互聯，以組播方式向各個監控終端發送數據。
[0026]頻譜監控終端操作界面如圖6所示，I為菜單欄，2為用戶添加的監視通道，3為在2中選中的通道下的載波列表，4為頻譜顯示區域，可一分屏、二分屏、四分屏，5為告警顯示區域。整個頻譜監控終端通過Qt語言實現，界面美觀操作簡單，且功能強大。
[0027]上述各個部分構成實時頻譜監視系統，支持的功能有:回放模式、多分辨率模式、導入數據庫、制定監視計劃、報表導出、告警/操作記錄查詢、用戶管理、標記/移動/管理Mark點、最大/最小值保持功能、Mark點可在標記在最大/當前/最小值曲線上、Amark功能、載波識別、告警回溯等。
[0028]50MHz帶寬分辨率2KHz下，頻譜刷新率達5次以上，滿足實時性要求。且支持多種分辨率模式，最精細達1Hz。
[0029]頻譜顯示部分可四分屏，每屏可隨意縮放拖拽，方便用戶查看。
[0030]本發明的內容不限于實施例所列舉，本領域普通技術人員通過閱讀本發明說明書而對本發明技術方案采取的任何等效的變換，均為本發明的權利要求所涵蓋。
【主權項】
1.基于GRJ的多客戶端實時頻譜監控系統，其特征在于: 包括頻譜采集板、光纖接口板、GPU板、機箱、服務器和頻譜監控終端;頻譜采集板位于機箱內，和光纖接口板通過4路光口互聯;光纖接口板位于服務器內，和服務器通過PCIe互聯;GPU板位于服務器內，和服務器通過PCI e互聯;服務器和頻譜監控終端通過網絡互聯。2.根據權利要求1所述的基于GRJ的多客戶端實時頻譜監控系統，其特征在于: 頻譜采集板包括頻譜采集載板和ADC采集子板； 頻譜采集載板配置兩塊FMC連接器，一個與ADC采集子板互聯，另一個實現光口輸出；頻譜采集載板上另外配置有FPGA，FPGA的I個Quad實現光口輸出； ADC采集子板配置2片高速ADC采集芯片，并留有用于信號輸入中頻接口。3.根據權利要求1所述的基于GRJ的多客戶端實時頻譜監控系統，其特征在于: 光纖接口板上集成有用于傳輸控制及PCIe接口的實現的FPGA。4.基于GRJ的多客戶端實時頻譜監控系統的監控方法，其特征在于: 包括以下步驟: ADC采集子板完成信號高速AD采集，和頻譜采集載板通過FMC互聯，傳輸協議采用串行Rapid1; ADC采集子板配置2片高速ADC采集芯片，同時支持兩通道數據采集； 光纖接口板經過光口接收來自頻譜采集載板傳輸的采集數據，經PCIe總線實現數據到服務器的傳輸;光纖接口板支持4路光纖通道，板上集成的FPGA用于傳輸控制及PCIe接口的實現； GPU板完成信號頻譜計算以及多個載波特征參數盲估計，計算的特征參數有功率、中心頻率、帶寬、載噪比、信噪比、碼元速率、調制方式;系統識別的調制方式有BPSK、QPSK、8PSK、16QAM和16APSK; GPU板處理完的數據存入Mongo數據庫，與監控終端構成B/S系統，用于進行告警回溯或者頻譜回放； Server服務端根據客戶請求，發送指令給各個服務器，各服務器進行相應處理；隨后Server服務端將處理后數據以及告警信息存入Mongo數據庫，同時將數據發送給頻譜監控終端； 服務器和頻譜監控終端通過網絡互聯，以組播方式向各個監控終端發送數據。
【專利摘要】本發明涉及的一種基于GPU的多客戶端實時頻譜監控系統及其方法，包括頻譜采集板、光纖接口板、GPU板、機箱、服務器和頻譜監控終端；頻譜采集板位于機箱內，和光纖接口板通過4路光口互聯；光纖接口板位于服務器內，和服務器通過8xPCIe互聯；GPU板位于服務器內，服務器通過PCIe互聯；服務器和頻譜監控終端通過網絡互聯；頻譜采集板包括頻譜采集載板和ADC采集子板；頻譜采集載板配置兩塊FMC連接器，一個與ADC采集子板互聯，另一個實現光口輸出；ADC采集子板配置2片ADC采集芯片，并留有中頻接口用于信號輸入。本發明分析精度高、運行穩定可靠，具有較強的兼容性，滿足客戶需求，便于用戶在本地及遠端能夠進行實時全網頻譜監測。
【IPC分類】H04B17/30, H04L12/24
【公開號】CN105656575
【申請號】
【發明人】崔倩, 譚金林, 胡瓊, 張朗, 孟明, 胡鵬濤
【申請人】西安航天恒星科技實業(集團)公司
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2016年3月24日