数字荧光频谱应用与优化

房鹏飞，彭华仁，吕天志

（中电科思仪科技股份有限公司，山东青岛，266555）

0 引言

数字荧光频谱技术是现代频谱技术的一个重大突破，该技术利用数字计算的方式模拟了CRT 显示器的荧光效果，并且得益于数字化技术的灵活性，它可以得到更快的显示速度和更多样性的显示效果[2～3]。数字荧光频谱技术可以同时分析当前时刻以及之前一段时间的连续多帧频谱，对这些频谱的频点信息进行统计分析，从而获得该时段内监测频段的所有信号的强度分布二维数据，结合归一化技术和色彩编码技术，最终得到一幅能够表示信号分布的频谱态势图。将该技术应用到电磁信号监测设备上，能够轻松的观察重叠信号，发现隐蔽信号、突发信号，有效地提高电磁信号监测设备的使用体验，是信号监测、干扰排查的重要功能之一。

本文硬件平台选用中电科思仪科技股份有限公司推出的3943B 手持式监测接收机，基于Qt 跨平台开发框架，采用C++与QML 混合编程技术，实现了数字荧光频谱功能。由于传统的数字荧光频谱算法计算量大，手持式设备的处理器影响数字荧光频谱显示效果，因此本文对数据处理算法进行了优化，提高了软件的流畅度。

1 技术原理

■1.1 数字荧光频谱技术原理

数字荧光频谱技术是将监测频段一定时间范围内的大量频谱数据搜集起来，统计在每个频率点和每个幅度处的累计次数，从而形成一幅统计图，将统计图的数值归一化后与颜色码一一对应即可形成一幅展示频谱分布态势的图片。

在对频谱进行统计之前，首先将频谱离散化，先虚拟一个网格区域，网格的横向分辨率和纵向分辨率分别与要生成的数字荧光图图片的横纵分辨率一致，横向表示频谱频率，纵向表示频谱幅度，以14×8 的网格为例，如图1 所示，将频谱和网格叠加，就可以看到频谱图被分割成14×8 个方格，现规定有频谱穿过的方格的值为“1”，其余方格的值为“0”。

图1 频谱离散化示意图

图中每个小方格的横轴频宽为：SGrid=FSpan/Pixelm，其中，FSpan表示监测频段宽度，Pixelm表示荧光图横向像素数量。

图中每个小方格的纵轴幅度范围为：AGrid=ARange/Pixeln，其中，ARange表示频谱图显示的幅度范围，Pixeln表示荧光图纵向像素数量。

计算方格数值的具体方法为，从起始监测频率开始，每次步进频宽SGrid，在每个步进频段中，遍历该频段内每个频点的幅度值，以确定穿越哪个方格。

将所有统计周期内的频谱都进行离散化，可得到若干个二维数组，然后把所有的数组累加，即可得到统计数组，以每个周期内有9 条频谱为例，得到二维的显示数据后还需要将其可视化，即根据每个方格的数值计算方格的颜色，这样将每个方格都填充上对应的颜色即可得到一幅图像，如图2 所示，当荧光图的像素分辨率足够高的时候，就能够分辨细小信号。

图2 数字荧光频谱图示意图

■1.2 颜色生成方法

累计的次数需要与颜色映射，最简单的映射关系是灰度图的映射，根据规定的显示范围，均匀的映射到0～255上，0 表示黑色，255 表示白色。在计算机中，彩色值是由红（R）绿（G）蓝（B）颜色值组成的，每个颜色的取值范围是0～255，因此最多有224种颜色。尽管有这么多颜色，但是人眼的识别能力是有限的，早在1985 年，IBM 资深专家Mike Cowlishaw 发表文章论证了17 位的颜色值即可表示最理想的色彩[4]，三原色比例R：G：B 为5：7：5。

三原色的配色方程可用公式表示：

实际应用中，颜色码[C]用一个16 位数表示即可达到较高的显示效果，基于此，三原色系数一般用二进制取位法来确定，即从颜色码[C]中提取不同的位数来生成R[R]、G(G)、B(B)的值。具体的取位方法有两种较为常用：顺序取位法、循环取位法[5]。

（1）顺序取位法

顺序取位法可用图3 表示。

图3 顺序取位法示意图

该方法是取低5 位作为B(B)的值，选取中间5 位为G(G)的值，选取高6 位为R[R]的值。当需要不同的色系时，可以改变RGB 占位的比例。

（2）交叉取位法

不同于顺序取位法，交叉取位是从高位到地位依次抽取某几位，然后组成RGB 系数。具体方式见图4。

图4 交叉取位法示意图

通过上述办法，可生成一个大小为65535 的参考颜色码数组，根据统计周期的频谱帧数，将频谱统计的二维数据归一化为0～1，然后采取线性映射或非线性映射的方式（如图5 所示），从参考颜色数组中确定每一个方格的颜色码。

图5 颜色映射关系

2 应用与实现

■2.1 应用平台介绍

本文所采用的硬件平台为思仪3943B 手持式监测接收机，该接收机基于Linux 系统开发，配有800MHz 处理器、10.1 英寸的触摸屏幕，可实现9kHz～8GHz 频段内的信号搜索、截获、测量、分析、解调、测向、定位等多种功能，最大支持20MHz 扫描带宽，可用于非法发射源/干扰源快速检测与定位。

■2.2 软件总体设计

本文所实现的数字荧光频谱图应用需要触摸点击、滑动、缩放等手势操作，因此选用QML 语言设计开发界面。考虑到需要对大量频谱进行计算、分析，因此需要用到Qt Quick 提供的混合编程方案，具体是指C++与QML 语言混合编程，该方案可以充分利用C++在复杂数据处理方面的优势和QML 在数据显示方面的优势。基于这种需求，本文的软件方案采用分层架构。上层显示层负责人机交互、图像刷新，下层为数据处理层，负责软件配置状态更新、算法调用、数据流控制、显示数据传输等。

图6 软件架构示意图

■2.3 软件参数设置及数据处理流程

根据数字荧光频谱图的原理，在数据处理层采用C++语言实现编码，处理过程及人机交互需要设立参数如表1所示。

表1 软件参数表

数据处理流程：底层数据准备好之后，上位机读取原始数据，每次读取一帧频谱，然后更新数字荧光频谱图图像统计数据，统计完成后计算颜色码得到数字荧光频谱图位图。为了降低数据计算压力，减少重复的计算，本软件在实现过程中，将所有的离散频谱数据都做了缓存，当某帧频谱超过生存周期时，将其从统计数据中删除，然后新进入生存周期的频谱数据加入统计，而不必重新计算所有的频谱数据，减少了频谱数据处理量，节省了处理时间。流程图如图7 所示。

图7 数据处理流程

数字荧光频谱图生成后，利用Qt 的信号槽机制，向QML 界面发送图像准备好的信号，然后进行绘制。

3 功能测试

如图8 所示，左图为对跳频信号的监测，可以看到：当信号的频率变化很快时，传统的频谱图同一时刻只能监测到一个信号，而下方的数字荧光频谱图，可以清晰地看到跳频信号的两个频点处的频谱信息。右图是对FM 调制信号的监测，在传统的频谱图上观察，只能看到一个信号在移动，而在数字荧光频谱图上可以清晰地看到频率变化的过程，展示了更多的频谱细节。

图8 信号实测结果

从测试结果可以看到，该软件可以实现数字荧光频谱功能，可以分析频谱在阶段时间内的分布态势，能够有效地帮助使用者监测信号、分析信号。

4 结语

本文分析了数字荧光频谱技术的重要性，介绍了数字荧光频谱技术的实现原理和颜色码产生方法，基于思仪3943B手持式监测接收机硬件平台，实现了数字荧光频谱应用，并针对低频处理器做了算法优化。该软件运行稳定流畅，具有良好的使用体验，为异常信号监测和干扰信号排查提供了有效的技术手段。