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title: "**雷达前端模拟器 (SDR-FES / MockDACS) 架构设计文档**"
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# **雷达前端模拟器 (SDR-FES / MockDACS) 架构设计文档**

版本: v1.0
日期: 2025-11-29
适用范围: 软件定义雷达前端模拟器 (MockDACS) 的设计、开发与演进。

## **1\. 架构愿景与设计哲学 (Vision & Philosophy)**

本项目旨在构建一个 **高性能、云原生、配置驱动** 的雷达前端仿真平台。它不仅是一个简单的测试工具，更是一个可编排的 **"虚拟阵面"**。

### **1.1 核心设计原则 (Design Principles)**

- **确定性 (Determinism)**: 在故障注入模式下，给定相同的随机种子 (Seed) 和配置，必须产生完全一致的故障序列，确保测试的可重现性。
- **极简主义 (Minimalism)**: 核心发送路径 (Hot Path) 零内存分配、零锁竞争、零系统调用（除 sendto 外）。
- **配置即代码 (Configuration as Code)**: 所有行为（物理参数、网络拓扑、故障剧本）均通过 YAML 定义，支持动态热加载。
- **可观测性 (Observability)**: 模拟器自身必须暴露详细的 Prometheus 指标，不仅要"发得快"，还要能自证"发得准"。

### **1.2 关键性能指标 (KPIs)**

- **吞吐量**: 单实例支持 **10 Gbps** 线速发送。
- **时序精度**: 脉冲重复间隔 (PRI) 抖动 **\< 10 µs** (依赖 CPU 亲和性)。
- **并发能力**: 单进程支持 **16+** 个虚拟站点并发模拟。

## **2\. 系统逻辑架构 (Logical Architecture)**

系统采用 **分层解耦 (Layered Decoupling)** 架构，自顶向下分为四个核心层级：

| 层级 | 模块名称 | 职责描述 | 关键技术 |
| :---- | :---- | :---- | :---- |
| **L4** | **控制与编排层** (Control & Orchestration) | 解析 YAML 配置，管理生命周期，编排多站点的启动与停止。 | yaml-cpp, CLI11 |
| **L3** | **业务逻辑层** (Business Logic) | **数据生成器**: 产生 I/Q 波形 (Synthetic/Replay)。 **协议封装器**: 组装 v2.1 协议帧。 | Strategy Pattern, Factory |
| **L2** | **故障注入层** (Chaos Layer) | 拦截标准数据包，根据概率模型执行丢包、篡改、乱序、时跳。 | std::random, Middleware |
| **L1** | **基础传输层** (Transport Layer) | **流量整形**: 自旋锁控制发送速率。 **I/O 发送**: 高性能 UDP 发送。 | BusyWait, sendto, Affinity |

## **3\. 核心子系统详解 (Subsystem Detail)**

### **3.1 物理仿真引擎 (Physics Engine)**

负责生成"干净"的原始数据。设计为可插拔的 **策略模式 (Strategy Pattern)**。

- **ISourceStrategy 接口**:
  - generate(PulseIndex) \-\> ComplexBuffer
- **实现类**:
  - **SyntheticSource (合成源)**: 基于数学公式生成 LFM (线性调频)、单频脉冲、噪声背景。参数：带宽, 脉宽, 信噪比。
  - **ReplaySource (回放源)**: \[Phase 6\] 读取 HDF5/PCAP 文件，按时间戳回放真实雷达采集数据。支持 循环播放 和 速率倍增。

### **3.2 协议栈封装器 (Protocol Stack)**

负责将原始 I/Q 数据封装为符合 **FES-SPS v2.1** 标准的 UDP 数据包。

- **帧构建器 (PacketBuilder)**:
  - 维护 RollingCounter (Sequence ID)。
  - 执行 Endianness 转换 (Header: Big-Endian, Payload: Little-Endian)。
  - 计算 **CRC32c** 校验和 (SSE4.2/NEON 硬件加速)。
  - **优化**: 使用 **零拷贝内存池 (PacketPool)**，避免每次发送都 new/delete。

### **3.3 故障注入中间件 (Chaos Middleware)**

位于协议层与传输层之间的"拦截器"。

- **ChaosPipeline**:
  - 每个站点持有一个独立的 Pipeline。
  - **DropFilter**: 随机丢弃。
  - **CorruptFilter**: 翻转比特或修改 CRC。
  - **ReorderFilter**: 维护一个单包或多包的 DelayBuffer，实现乱序发送。
  - **TimeJumpInjector**: 修改包头时间戳，模拟时钟故障。

### **3.4 高性能传输核心 (Transport Core)**

系统的"引擎"，负责以精确的时序将比特流送入网线。

- **TrafficShaper (流量整形器)**:
  - 基于 rdtsc 或 std::chrono::steady\_clock 实现微秒级自旋锁。
  - 算法：**令牌桶 (Token Bucket)** 或 **固定间隔 (Fixed Interval)**。当前基线为固定间隔。
- **UdpTransmitter**:
  - 配置 SO\_SNDBUF (\> 8MB)。
  - 设置 IP\_TOS (DSCP=EF) 用于控制帧。
  - 启用 IP\_MTU\_DISCOVER 支持 Jumbo Frame。
  - **多线程模型**: 每个站点绑定一个独立的 std::thread，并强制绑定到独立的 CPU Core (pthread\_setaffinity\_np)。

## **4\. 动态配置系统设计 (Configuration System)**

采用 **YAML** 作为唯一配置源。

```yaml
\# mock\_config.yaml 示例结构  
simulation:  
  duration\_sec: 60  
  global\_seed: 12345

stations:  
  \id: 1  
    role: "DACS-1"  
    target: "192.168.1.100:12345"  
    cpu\_core: 1  
    prf: 2000  
    source:  
      type: "synthetic"  
      waveform: "LFM"  
    chaos:  
      drop\_rate: 0.0  
        
  \id: 2  
    role: "DACS-2"  
    target: "192.168.1.100:12345"  
    cpu\_core: 2  
    prf: 2000  
    source:  
      type: "synthetic"  
    chaos:  
      drop\_rate: 0.05  
      corrupt\_rate: 0.01
```

- **热加载 (Hot-Reload)**:
  - 监听文件系统事件 (inotify) 或通过 HTTP Admin 接口触发配置重载。
  - 采用 **RCU (Read-Copy-Update)** 模式更新配置，确保发送线程无锁读取。

## **5\. 目录结构规范 (Project Structure)**

遵循现代 CMake C++ 工程标准。

```txt
RadarSimulator/
├── CMakeLists.txt \# 根构建脚本
├── common/ \# \[库\] 通用基础库 (Header-only or Static)
│ ├── include/
│ │   ├── protocol.h \# v2.1 协议定义
│ │   ├── crc32.h \# 硬件校验算法
│ │   ├── utils.h \# 计时、绑核工具
│ │   └── chaos.h \# 故障注入引擎
│ └── CMakeLists.txt
├── core/ \# \[库\] 模拟器核心逻辑 (New\!)
│ ├── include/
│ │   ├── source/ \# 数据源策略 (Synthetic/Replay)
│ │   ├── transport/ \# 发送与流控
│ │   └── config/ \# 配置解析
│ ├── src/
│ └── CMakeLists.txt
├── simulator/ \# \[应用\] 模拟器主程序 (CLI入口)
│ ├── main.cpp
│ └── CMakeLists.txt
├── tools/ \# \[工具\] 接收验证器、日志分析器
│ ├── receiver.cpp
│ └── CMakeLists.txt
├── configs/ \# 默认配置文件
│ └── default.yaml
├── docker/ \# 容器化相关
│ ├── Dockerfile
│ └── docker-compose.yml
└── tests/ \# 单元测试 (GTest)
```

## **6\. 演进路线图 (Roadmap to v3.0)**

- **v1.0 (Current)**: 硬编码参数，基础收发，基础故障注入。
- **v2.0 (Next Step)**:
  - 引入 yaml-cpp，实现全配置驱动。
  - 重构代码结构，分离 core 库，应用策略模式。
- **v3.0 (Future)**:
  - 实现数据回放 (ReplaySource)。
  - 提供 HTTP/gRPC 控制接口，支持 Web UI 实时调整参数。
  - 集成 Prometheus Exporter。