基于Qt 的通信信號分析軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

王屬靈，宋 磊，張一嘉，徐 璐

（1.浙江理工大學信息科學與工程學院， 浙江 杭州 310018；2.陸軍工程大學指揮控制學院，江蘇 南京 210007）

0 引言

傳統(tǒng)通信信號的分析，需要聯(lián)合借助頻譜儀和示波器等諸多儀器，這些分析儀器雖然分析可靠、靈敏度高，但是缺點也很明顯：價格高昂，操作復(fù)雜，設(shè)備龐大不具備便攜性［1］，而且分析信號的過程需要較長的時間。對于一些經(jīng)常需要做信號分析的場合而言，時間成本也非常重要，操作儀器進行信號分析就會費時費力。因此，對信號進行全方位分析費時費力，市面上也很難見到一款多功能的信號分析解決方案。

研究者對通信信號分析軟件及其相關(guān)的顯控軟件已開展了一些研究，西安電子科技大學范斐基于MFC 設(shè)計出一款時域、頻域測量一體的雷達信號分析軟件，并能夠?qū)走_信號進行基本分析和測量［2］。江蘇自動化研究所的徐鳳萍利用Qt 軟件框架，設(shè)計開發(fā)了一套基于龍芯3A+中標麒麟的顯控軟件架構(gòu)，用于實現(xiàn)信息快速收發(fā)及其界面繪圖顯示［3］。以上研究均為在線分析軟件，需要實時獲取數(shù)據(jù)，不能對事先預(yù)存好的數(shù)據(jù)文件進行分析，容易產(chǎn)生信號丟失等情況，且僅能做簡單的分析和測量［4］。因此，設(shè)計一款集離線分析+精確測量+全面分析等功能于一體的解決方案十分必要。

Qt 作為一款跨平臺C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，具有使用廣泛、兼容性強、組件容易拓展等諸多優(yōu)勢［5］。本文的通信信號分析軟件便是基于Qt平臺進行搭建，實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)層的信號分析到圖形界面的所有流程開發(fā)，整合了基本的信號分析功能，方便信號分析人員操作使用。

本文設(shè)計的通信信號離線分析軟件融合信號處理技術(shù)［6］，采用MDI 多文檔框架，能夠?qū)?shù)字及模擬信號進行時頻圖分析、信號參數(shù)測量［7］和常規(guī)信號解調(diào)。該軟件基于Qt 平臺搭建，將所有功能進行模塊化設(shè)計，最后插入到MDI 多文檔界面進行顯示，每個模塊內(nèi)部分為線程池數(shù)據(jù)處理和GUI 界面2 部分，保證數(shù)據(jù)在高效處理的前提下界面也能實時刷新，不卡頓。同時對每個模塊設(shè)置模塊代號以及數(shù)據(jù)路由機制完成不同模塊之間的數(shù)據(jù)交互，界面操作包括基本功能和彈出菜單，基本菜單會在界面上部和右側(cè)進行顯示，彈出菜單在每個不同模塊會有不同的功能。本文所設(shè)計的軟件能夠在多平臺上使用，無需修改代碼便可生成所需平臺可執(zhí)行程序。軟件內(nèi)部邏輯清晰明了，簡化了分析過程，所有操作均能通過上下文彈出菜單來完成，具有分析效果佳、兼容性強、便攜性高等眾多優(yōu)勢。

1 軟件整體研究方案

1.1 軟件整體框架搭建

Qt 的MDI 模式為開發(fā)人員提供了能同時操作多個子窗口的編程接口，每個子窗口相當于一個線程，在屬于自己的空間中處理獨立特定的事務(wù)，同時也能進行快捷傳值交互［8］。本軟件以MDI 框架為主模塊，通過多個模塊搭配聯(lián)合實現(xiàn)。對每個模塊設(shè)置模塊代號，利用信號槽機制將所有模塊與主模塊進行關(guān)聯(lián)，最后通過主模塊完成各模塊之間數(shù)據(jù)路由。從底層到最上層的主要模塊有：離線數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)路由模塊、GUI 模塊（全景模塊，信號識別模塊、信號解調(diào)模塊），整體架構(gòu)如圖1 所示。

1.2 軟件主要功能

軟件主要功能分為5 部分：MDI 主框架，最底層的離線數(shù)據(jù)處理模塊以及最頂層的信號時頻圖分析、信號參數(shù)測量及常規(guī)信號解調(diào)。

1） MDI 主框架作為整個界面最重要的模塊之一，主要負責控制軟件流程、更改識別、解調(diào)等參數(shù)，同時負責數(shù)據(jù)路由，管理所有模塊間交互數(shù)據(jù)的分包。

2） 離線數(shù)據(jù)模塊主要是獲取本地已存儲好的數(shù)據(jù)文件進行分析，數(shù)據(jù)文件在存儲時需要按照指定格式進行?？色@取文件類型包括：.dat、.bin、.wav、.IQ、.AD、.STD、.DIF 等，界面可在讀取文件的同時選擇數(shù)據(jù)參數(shù)（數(shù)據(jù)類型，信道類型、采樣頻率等）。

3） 時頻圖分析主要分為2 部分：信號頻譜圖和瀑布圖分析。頻譜圖以x軸為頻率，y軸為幅度，通過快速傅里葉變換（FFT）再計算功率譜密度后能夠完整且清晰地展示信號的頻域特征，同時頻譜圖通過自定義控件，能夠進行圖像框選放大、滾輪任意放縮、信號框選識別及解調(diào)等功能；瀑布圖以x軸作為頻率，y軸作為時間，通過不同的顏色展示對應(yīng)的幅度，由上到下進行移動，且橫軸頻率坐標與頻譜圖完全對應(yīng)。頻譜圖配合瀑布圖能夠以最直觀的方式展現(xiàn)信號頻域特征的二維、三維圖。

4） 信號參數(shù)測量主要分為2 部分：信號參數(shù)結(jié)果表用來展示當前從全景框選的信號識別結(jié)果參數(shù)，結(jié)果參數(shù)列表可以通過點擊進行信號解調(diào)并記錄參數(shù)至信號解調(diào)參數(shù)區(qū)，信號置信度直方圖負責統(tǒng)計當前識別信號類型出現(xiàn)的頻率（百分比），供用戶查看方便以做出下一步分析操作。

5） 常規(guī)信號解調(diào)展示的是信號的基帶波形圖、星座圖和碼流圖，信號解調(diào)流程可以通過全景框選信號+自定解調(diào)參數(shù)實現(xiàn)，也可從識別結(jié)果參數(shù)對識別到的信號進行直接解調(diào)。

2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 軟件MDI 程序的搭建

通過Qt Creator 新建一個Qt Widgets Application應(yīng)用程序，并編輯UI 文件，設(shè)置主窗口部件為QMdi-Area，同時創(chuàng)建菜單欄、工具欄以及參數(shù)區(qū)。并重新按照圖2 所示框架布局整個UI 界面。

圖2 主窗口整體框架設(shè)計圖

菜單欄包括文件菜單欄以及操作菜單欄。文件菜單欄負責獲取本地的data 文件，并且保留最近讀取的文件顯示；操作菜單欄主要是流程控制功能，負責軟件啟動、暫停、停止、重復(fù)播放等功能。所有設(shè)置好的控件操作將會對應(yīng)該類下面的一個自定義槽函數(shù)，通過Qt 特有的connect 機制，將功能和槽函數(shù)實現(xiàn)動態(tài)綁定，當點擊客戶端操作時槽函數(shù)能夠響應(yīng)，實現(xiàn)相應(yīng)操作。

工具欄設(shè)置于軟件左上角，提供一系列位圖式按鈕控制指令，是菜單欄部分功能的展開按鈕，方便終端用戶操作。而進度條負責獲取并顯示當前文件讀取到的位置，可拖拽。

參數(shù)區(qū)包括：數(shù)據(jù)分析參數(shù)、信號通道參數(shù)及信號解調(diào)參數(shù)。主要負責設(shè)置識別解調(diào)參數(shù)，并用三個結(jié)構(gòu)體對象保存為全局參數(shù)，供所有模塊調(diào)用。

2.2 離線數(shù)據(jù)模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

離線數(shù)據(jù)模塊通過子類化QFIleDialog 類，在此基礎(chǔ)插入數(shù)據(jù)文件參數(shù)復(fù)選控件，實現(xiàn)自定義的Filecontrol 類。再通過選擇數(shù)據(jù)文件獲得文件名，同時利用QFileInfo 類完成文件類型判定。

由于經(jīng)常會有大文件的讀取，本軟件使用多線程的方法讀取文件數(shù)據(jù)，解決界面假死問題，而經(jīng)常對線程的創(chuàng)建及銷毀會產(chǎn)生很大的開銷，所以可以利用Qt 的線程池函數(shù)QThreadPool，使用QThreadPool 直接獲取QApplication 生成的默認線程池對象進行管理。在選中確認一個文件之后，創(chuàng)建一個讀取任務(wù)放入線程池的任務(wù)隊列，而任務(wù)的過程是QFile 獲取文件句柄，以QDataStream 二進制流讀取數(shù)據(jù)，最后保存結(jié)果，并通知UI 線程任務(wù)執(zhí)行完畢，此任務(wù)結(jié)束，數(shù)據(jù)模塊執(zhí)行流程圖如圖3 所示。

圖3 離線數(shù)據(jù)模塊數(shù)據(jù)流程圖

2.3 全景模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

QCustomPlot 是一個開源的Qt C++小部件，用于繪圖和數(shù)據(jù)可視化，該庫能夠?qū)Ｗ⒅谱髅烙^且性能較強的圖形和圖表，效果佳，簡單易用，只需要在項目中增加一個同名頭文件和源文件，然后將一個widget提升為QCustomPlot 類即可使用［9］。本軟件GUI 顯示模塊均基于QCustomPlot 二次開發(fā)實現(xiàn)。

基于QCustomPlot 二次開發(fā)的頻譜圖需要對子窗口初始化為自定義個性化窗口，并重新設(shè)置數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口，增加右鍵彈出菜單QMenu，菜單欄包括：峰值保持、框選放大及自適范圍等。

瀑布圖設(shè)置圖形通過QCPColorGradient 類構(gòu)造一個自定義色條，再使用QCPColorMap 類繪制，以色條上不同顏色表示信號幅度強弱。每一幀數(shù)據(jù)追加插入到QList 數(shù)據(jù)末尾，同時刪除QList 頭部數(shù)據(jù)，以此推動瀑布圖從上往下刷新。頻譜圖x軸范圍改變會發(fā)出rangeChanged 信號，將之與瀑布圖x軸setRange方法綁定，實現(xiàn)頻譜瀑布圖放縮同步。

離線數(shù)據(jù)模塊獲取完數(shù)據(jù)并保存的前提下，選擇數(shù)據(jù)分析參數(shù)，點擊啟動全景按鈕即可開啟全景流程，全景刷新是根據(jù)當前數(shù)據(jù)偏移搭配定時器QTimer 設(shè)置的固定時間實現(xiàn)的，每個定時器周期內(nèi)數(shù)據(jù)首先會經(jīng)過FFT 處理并計算功率譜密度，得出信號在不同頻率上得功率值，然后再進行坐標映射，最后將每個點的值利用setData 接口存入數(shù)據(jù)窗口內(nèi)部，同時調(diào)用replot 重繪，replot 參數(shù)采用QCustomPlot：：rp-QueuedReplot，可以顯著改善重繪性能，數(shù)據(jù)便能全部以最優(yōu)效果展示出來。全景瀏覽分析如圖4 所示。

圖4 全景瀏覽分析(上為頻譜圖，下為瀑布圖，右側(cè)小窗口為彈出控制菜單)

2.4 信號參數(shù)測量模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

信號參數(shù)測量中2 個表格分別存儲臨時信號參數(shù)結(jié)果以及匯總信號參數(shù)結(jié)果，當通過框選信號啟動識別后，利用離線數(shù)據(jù)模塊構(gòu)建好的線程池，保存當前信號位置，并將位置和原始IQ 數(shù)據(jù)加入新開辟的工作線程，新創(chuàng)建的工作線程會綁定2 個Signal-Slot，分別是傳入?yún)?shù)以及傳出信號識別結(jié)果。該線程以全景停止為退出條件進行無限循環(huán)抽取、識別。識別結(jié)果保存在SgnAnalysisResult 結(jié)構(gòu)體中，最終傳出工作線程，在UI 界面做顯示。參數(shù)顯示表格會設(shè)置彈出菜單，該菜單欄包括：顯示信號位置，啟動信號解調(diào)及刪除該次信號結(jié)果。

信號參數(shù)測量模塊的主要設(shè)計流程如圖5 所示。

圖5 參數(shù)測量工作流程

參數(shù)測量模塊對信號測量的參數(shù)列表如表1所示。

表1 信號測量的參數(shù)列表及其說明

參數(shù)測量會在2 個表格展示信號識別結(jié)果信息（QTableWidget），一個用于匯總，另一個用于臨時刷新。設(shè)置表頭為信號參數(shù)，表格為單行選中，最右側(cè)信號置信度直方圖是繼承于QCustomPlot，繪圖選擇QCPBars 柱狀圖，負責統(tǒng)計當前識別信號類型出現(xiàn)的頻率（百分比），界面顯示效果如圖6 所示。

圖6 識別界面及信號識別結(jié)果展示（以BPSK 為例）

2.5 常規(guī)信號解調(diào)模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

常規(guī)信號解調(diào)結(jié)果展示基帶波形圖、位流圖及星座圖?；鶐Рㄐ螆D基于QCustomPlot 二次開發(fā)實現(xiàn)，它以當前點數(shù)為x軸，y軸為IQ 數(shù)據(jù)中I 路數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)點全部相連以連續(xù)的形式繪制。星座圖以I 路數(shù)據(jù)為x軸，y軸為Q 路數(shù)據(jù)，設(shè)置數(shù)據(jù)繪圖風格setLineStyle（QCPGraph：：LineStyle：：lsNone），此為散點圖繪制方式，點與點之間沒有連接，不同的信號的星座圖會有不同的分布IQ 分布，能夠直觀展示解調(diào)效果。位流圖使用的是QTextWidget，設(shè)置整幀數(shù)據(jù)為單行顯示并且開啟滾輪條，用01 字符串以append 的形式展示結(jié)果，結(jié)果會保存1 000 行，超過1 000 行則會自動刪除最開始的一行。

常規(guī)信號解調(diào)算法由于時間復(fù)雜度高，耗時多，若直接進行調(diào)用，會使得UI 界面產(chǎn)生卡頓，因此該模塊是基于雙線程開發(fā)。子線程會在軟件啟動時默認直接開啟，內(nèi)部使用while 的方式，通過判斷全景流程是否正在運行從而break，因此理論上解調(diào)的效率是和當前使用的計算機性能有關(guān)，計算機性能越強，運算速度越快，顯示刷新效率越高。

常規(guī)信號解調(diào)結(jié)果展示如圖7 所示。

圖7 常規(guī)信號解調(diào)結(jié)果展示(以BPSK 為例)

常規(guī)信號解調(diào)流程是基于全景流程推動的。在全景啟動的情況下，有2 種方式開啟解調(diào)， 一種是從全景頻譜圖直接框選信號+手動設(shè)置解調(diào)參數(shù)，另一種是通過選中信號分析結(jié)果，自動進行信號解調(diào)。常規(guī)信號解調(diào)工作流程如圖8 所示。

圖8 常規(guī)信號解調(diào)工作流程

3 軟件打包及測試結(jié)果

3.1 軟件打包

離線分析軟件根據(jù)前文展示的框架以及模塊化設(shè)計完成后，使用Release 重新構(gòu)建項目，在Windows環(huán)境下重新生成可執(zhí)行文件exe，再使用同編譯環(huán)境下Qt 自帶的命令行工具切換到當前exe 目錄，手動輸入windeployqt MainMDI.exe 命令，其中MainMDI 為生成的可執(zhí)行文件的名稱，該命令的作用是拷貝庫文件。完成此步驟之后exe 目錄會自動將該程序所需要的庫文件全部拷貝到當前文件夾，最后使用第三方軟件Enigma Virtual Box 將所有文件打包到指定目錄，生成最終的一個可執(zhí)行文件。

3.2 軟件測試

測試采用數(shù)據(jù)文件基于信號源生成，并且使用USRP 設(shè)備采集并保存下來的.dat 文件， 采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容如表2 所示。

表2 離線信號數(shù)據(jù)表

軟件在設(shè)計打包完成后，經(jīng)過多次文件讀取及關(guān)閉，同步及分步執(zhí)行所有功能，未發(fā)現(xiàn)明顯的界面卡頓、假死等情況，同時經(jīng)過測試，所有操作流程中一切正常，無報錯、閃退等異常BUG 的發(fā)生。

頻譜圖分析分別采用某常用軟件以及本文所設(shè)計的軟件對信號1 進行頻譜分析對比，驗證頻譜圖繪制的正確性，發(fā)現(xiàn)無明顯差異，對比圖如圖9 所示。

圖9 BPSK 調(diào)制頻譜圖的對比

開啟信號識別流程，觀察到識別結(jié)果參數(shù)表格中所有參數(shù)均符合測試文件的信號參數(shù)，且右側(cè)直方圖顯示BPSK 的信號置信度為100%，如圖10 所示。綜上所述，信號識別模塊已經(jīng)達到了設(shè)計要求。

圖10 BPSK 參數(shù)識別結(jié)果(上方藍色選中表格為識別結(jié)果匯總)

雙擊信號參數(shù)識別結(jié)果表，以識別參數(shù)結(jié)果為解調(diào)參數(shù)開啟信號解調(diào)流程。如圖11 所示，信號的星座圖和位流圖均符合BPSK 的特性，特別注意到，在基帶波形圖中，觀察到波形圖開始一段出現(xiàn)大范圍波動，很可能是由于信號解調(diào)時引入了相位誤差，導(dǎo)致解調(diào)信號的相位偏移，該偏移可能來自信號源本身的相位偏移、信號傳輸中的相位噪聲、解調(diào)器本身的相位偏移等多個方面，這些偏移導(dǎo)致解調(diào)信號的相位發(fā)生變化，從而影響I 路數(shù)據(jù)的波形。

圖11 BPSK 解調(diào)結(jié)果(左上為基帶波形，左下為位流圖，右側(cè)為星座圖)

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計的基于Qt 的通信信號分析軟件，全部基于Qt 和C++實現(xiàn)，有良好的模塊設(shè)計以及跨平臺性，代碼可讀性高，數(shù)據(jù)流清晰。完成了對離線數(shù)據(jù)信號讀取解析、全景瀏覽、參數(shù)測量及信號解調(diào)。最后，在CentOS 及Windows 平臺下分別封裝打包交付給實驗室成員及相關(guān)合作公司使用，完成設(shè)計要求。本軟件的基本功能都已經(jīng)實現(xiàn)，但后續(xù)仍有部分細節(jié)需進一步深入完善，要做到兼顧軟件的整體性能和延展性，為使用者提供界面更精美、操作更便利、功能更強大的可視化的軟件解決方案?！?/p>