QT 绘制波形图、频谱图、瀑布图、星座图、眼图、语图

说明

最近在学中频信号处理的一些东西，顺便用 QT 写了一个小工具，可以显示信号的时域波形图、幅度谱、功率谱、二次方谱、四次方谱、八次方谱、瞬时包络、瞬时频率、瞬时相位、非线性瞬时相位、瞬时幅度直方图、瞬时频率直方图、瞬时相位直方图、眼图、星座图、语谱图、瀑布图。

目录

• 说明
• 1. 实现思路
• 2. 时域波形图
• 3. 幅度谱
• 4. 功率谱
• 5. 二次方谱
• 6. 四次方谱
• 7. 八次方谱
• 8. 瞬时包络
• 9. 瞬时频率
• 10. 瞬时相位
• 11. 非线性瞬时相位
• 12. 瞬时幅度直方图
• 13. 瞬时频率直方图
• 14. 瞬时相位直方图
• 15. 眼图
• 16. 星座图
• 17. 语谱图
• 18. 瀑布图

1. 实现思路

工具为纯 C++ 开发，包括频谱计算以及图像可视化。这里简述下实现思路，使用到了以下第三方库：

• QCustomPlot 绘图库。
• FFTW 傅氏变换库。
• FreeGlut 工具包。

频谱计算部分，通过调用 FFTW 的 C++ 接口，同时开启 OpenMP 多核支持，可以获得很快的计算速度，比 MATLAB 还快，工具中的所有频谱都是在点击按钮时现算的。在我的电脑上（8 核 Intel i7-6700HQ CPU @ 2.60GHz），实测对 33554432 长度（2 的 25 次方）的双精度浮点数组进行傅里叶变换，两种方式的耗时如下：

• MATLAB 的 fft 函数耗时 629 毫秒。
• C++ 调用 FFTW 接口并开启 OpenMP 多核支持，耗时 390 毫秒。

图像可视化部分，使用 QCustomPlot 完成图像绘制，并结合 FreeGlut 工具开启 OpenGL 支持，绘图质量及响应速度也得到了较好的提升，大数据显示并进行交互时不会出现卡顿。为了进一步提升速度，还修改了 QCustomPlot 的部分源码，将数据更新接口暴露出来，使用 memcpy() 直接对原始绘图数据所在的内存块进行操作，提升数据更新的速度。主界面如下：

2. 时域波形图

测试信号：2FSK 调制，调制速率 8888 Baud/s，采样率 284416 Hz，信号频率 62216 Hz 与 79992Hz，文件大小 64 MB。波形显示时做了贝塞尔平滑处理。

3. 幅度谱

测试信号：2FSK 调制，调制速率 8888 Baud/s，采样率 284416 Hz，信号频率 62216 Hz 与 79992Hz，文件大小 64 MB。

4. 功率谱

测试信号：2FSK 调制，调制速率 8888 Baud/s，采样率 284416 Hz，信号频率 62216 Hz 与 79992Hz，文件大小 64 MB。

5. 二次方谱

测试信号：8PSK 调制，调制速率 8888 Baud/s，采样率 284416 Hz，载波频率 71104 Hz，文件大小 64 MB。

6. 四次方谱

测试信号：8PSK 调制，调制速率 8888 Baud/s，采样率 284416 Hz，载波频率 71104 Hz，文件大小 64 MB。

7. 八次方谱

测试信号：8PSK 调制，调制速率 8888 Baud/s，采样率 284416 Hz，载波频率 71104 Hz，文件大小 64 MB。

8. 瞬时包络

测试信号：8PSK 调制，调制速率 8888 Baud/s，采样率 284416 Hz，载波频率 71104 Hz，文件大小 64 MB。

9. 瞬时频率

测试信号：2FSK 调制，调制速率 8888 Baud/s，采样率 284416 Hz，信号频率 62216 Hz 与 79992Hz，文件大小 64 MB。

10. 瞬时相位

测试信号：8PSK 调制，调制速率 8888 Baud/s，采样率 284416 Hz，载波频率 71104 Hz，文件大小 64 MB。

11. 非线性瞬时相位

测试信号：8PSK 调制，调制速率 8888 Baud/s，采样率 284416 Hz，载波频率 71104 Hz，文件大小 64 MB。

12. 瞬时幅度直方图

测试信号：8PSK 调制，调制速率 8888 Baud/s，采样率 284416 Hz，载波频率 71104 Hz，文件大小 64 MB。

13. 瞬时频率直方图

测试信号：2FSK 调制，调制速率 8888 Baud/s，采样率 284416 Hz，信号频率 62216 Hz 与 79992Hz，文件大小 64 MB。

14. 瞬时相位直方图

测试信号：8PSK 调制，调制速率 8888 Baud/s，采样率 284416 Hz，载波频率 71104 Hz，文件大小 64 MB。

15. 眼图

测试信号：8PSK 调制，调制速率 8888 Baud/s，采样率 284416 Hz，基带信号，文件大小 64 MB。

16. 星座图

测试信号：8PSK 调制，调制速率 8888 Baud/s，采样率 284416 Hz，载波频率 71104 Hz，文件大小 64 MB。

17. 语谱图

测试信号：2FSK 调制，调制速率 8888 Baud/s，采样率 284416 Hz，信号频率 62216 Hz 与 79992Hz，文件大小 64 MB。从计算到显示总耗时不超过 1 秒。

18. 瀑布图

测试信号：2FSK 调制，调制速率 8888 Baud/s，采样率 284416 Hz，信号频率 62216 Hz 与 79992Hz，文件大小 64 MB。谱线为实时计算。由于 GIF 上传大小限制为 5 MB，录制为 GIF 时做了质量损失。