QT 繪製波形圖、頻譜圖、瀑布圖、星座圖、眼圖、語圖

說明

最近在學中頻訊號處理的一些東西，順便用 QT 寫了一個小工具，可以顯示訊號的時域波形圖、幅度譜、功率譜、二次方譜、四次方譜、八次方譜、瞬時包絡、瞬時頻率、瞬時相位、非線性瞬時相位、瞬時幅度直方圖、瞬時頻率直方圖、瞬時相位直方圖、眼圖、星座圖、語譜圖、瀑布圖。

1. 實現思路

工具為純 C++ 開發，包括頻譜計算以及影象視覺化。這裡簡述下實現思路，使用到了以下第三方庫：

• QCustomPlot 繪相簿。
• FFTW 傅氏變換庫。
• FreeGlut 工具包。

頻譜計算部分，通過呼叫 FFTW 的 C++ 介面，同時開啟 OpenMP 多核支援，可以獲得很快的計算速度，比 MATLAB 還快，工具中的所有頻譜都是在點選按鈕時現算的。在我的電腦上（8 核 Intel i7-6700HQ CPU @ 2.60GHz），實測對 33554432 長度（2 的 25 次方）的雙精度浮點陣列進行傅立葉變換，兩種方式的耗時如下：

• MATLAB 的 fft 函數耗時 629 毫秒。
• C++ 呼叫 FFTW 介面並開啟 OpenMP 多核支援，耗時 390 毫秒。

影象視覺化部分，使用 QCustomPlot 完成影象繪製，並結合 FreeGlut 工具開啟 OpenGL 支援，繪圖質量及響應速度也得到了較好的提升，巨量資料顯示並進行互動時不會出現卡頓。為了進一步提升速度，還修改了 QCustomPlot 的部分原始碼，將資料更新介面暴露出來，使用 memcpy() 直接對原始繪圖資料所在的記憶體塊進行操作，提升資料更新的速度。主介面如下：

2. 時域波形圖

測試訊號：2FSK 調變，調變速率 8888 Baud/s，取樣率 284416 Hz，訊號頻率 62216 Hz 與 79992Hz，檔案大小 64 MB。波形顯示時做了貝塞爾平滑處理。

3. 幅度譜

測試訊號：2FSK 調變，調變速率 8888 Baud/s，取樣率 284416 Hz，訊號頻率 62216 Hz 與 79992Hz，檔案大小 64 MB。

4. 功率譜

測試訊號：2FSK 調變，調變速率 8888 Baud/s，取樣率 284416 Hz，訊號頻率 62216 Hz 與 79992Hz，檔案大小 64 MB。

5. 二次方譜

測試訊號：8PSK 調變，調變速率 8888 Baud/s，取樣率 284416 Hz，載波頻率 71104 Hz，檔案大小 64 MB。

6. 四次方譜

測試訊號：8PSK 調變，調變速率 8888 Baud/s，取樣率 284416 Hz，載波頻率 71104 Hz，檔案大小 64 MB。

7. 八次方譜

測試訊號：8PSK 調變，調變速率 8888 Baud/s，取樣率 284416 Hz，載波頻率 71104 Hz，檔案大小 64 MB。

8. 瞬時包絡

測試訊號：8PSK 調變，調變速率 8888 Baud/s，取樣率 284416 Hz，載波頻率 71104 Hz，檔案大小 64 MB。

9. 瞬時頻率

測試訊號：2FSK 調變，調變速率 8888 Baud/s，取樣率 284416 Hz，訊號頻率 62216 Hz 與 79992Hz，檔案大小 64 MB。

10. 瞬時相位

測試訊號：8PSK 調變，調變速率 8888 Baud/s，取樣率 284416 Hz，載波頻率 71104 Hz，檔案大小 64 MB。

11. 非線性瞬時相位

測試訊號：8PSK 調變，調變速率 8888 Baud/s，取樣率 284416 Hz，載波頻率 71104 Hz，檔案大小 64 MB。

12. 瞬時幅度直方圖

測試訊號：8PSK 調變，調變速率 8888 Baud/s，取樣率 284416 Hz，載波頻率 71104 Hz，檔案大小 64 MB。

13. 瞬時頻率直方圖

測試訊號：2FSK 調變，調變速率 8888 Baud/s，取樣率 284416 Hz，訊號頻率 62216 Hz 與 79992Hz，檔案大小 64 MB。

14. 瞬時相位直方圖

測試訊號：8PSK 調變，調變速率 8888 Baud/s，取樣率 284416 Hz，載波頻率 71104 Hz，檔案大小 64 MB。

15. 眼圖

測試訊號：8PSK 調變，調變速率 8888 Baud/s，取樣率 284416 Hz，基頻訊號，檔案大小 64 MB。

16. 星座圖

測試訊號：8PSK 調變，調變速率 8888 Baud/s，取樣率 284416 Hz，載波頻率 71104 Hz，檔案大小 64 MB。

17. 語譜圖

測試訊號：2FSK 調變，調變速率 8888 Baud/s，取樣率 284416 Hz，訊號頻率 62216 Hz 與 79992Hz，檔案大小 64 MB。從計算到顯示總耗時不超過 1 秒。

18. 瀑布圖

測試訊號：2FSK 調變，調變速率 8888 Baud/s，取樣率 284416 Hz，訊號頻率 62216 Hz 與 79992Hz，檔案大小 64 MB。譜線為實時計算。由於 GIF 上傳大小限制為 5 MB，錄製為 GIF 時做了質量損失。