CN108573520B - 一种三维频谱图的显示方法及数字频谱分析仪 - Google Patents

Abstract

一种三维频谱图的显示方法，主要包括获取压缩比、获取频域数据、频域数据逻辑运算和三维显示步骤，由于被压缩的频域数据的帧数由所述压缩比确定，而所述压缩比可以通过三维频谱图的预设观察时间长度来确定，因此，所获得的压缩频谱数据代表了一个特定时间段内频谱特性。当压缩频谱数据对应的单帧频谱图显示在三维频谱图中时，使得在不改变三维频谱图的预显示总帧数的情况下，可观察到一个较宽时间范围内的三维频谱图，而且，该时间范围可以根据预设观察时间长度来自由确定，从而使得技术人员可在更宽的时间范围内观察被测信号的频谱特性。

Description

一种三维频谱图的显示方法及数字频谱分析仪

技术领域

本发明涉及一种三维频谱图的显示方法及数字频谱分析仪。

背景技术

在对无线电信号的认识过程中，通常采用两种信号分析形式，分别为时域分析和频域分析。时域分析是以时间轴为坐标来表示动态信号的关系，频域分析是以频率为坐标轴表示动态信号的关系，时域分析虽然直观，但不利于深刻剖析信号的频谱特性，因此，技术人员往往采用频谱分析仪器以频域分析的角度来里了解信号的特性。

频谱分析仪器是研究无线电信号频谱结构的常用设备，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，其应用十分广泛，常被用于电子产品研发、生产、检验的各个环节，被称为技术人员的射频万用表。

在了解信号的频谱特性时，技术人员经常需要关注频谱随时间的变化规律，以及不同频率成分的多个信号在不同时间节点上的概率分布，这就需要频谱分析仪器在实时工作模式下能够实现频谱图的三维显示功能。市场上频谱分析仪器已经具有快速傅里叶变换(FFT)功能，其能够将一帧时域数据转换为一帧频域数据，每帧频域数据通常对应一帧关于频率和强度的二维频谱图，利用单帧频域数据进行显示时无法达到三维显示效果，也不利于技术人员观察频谱随时间的变化规律。因此，当前的频谱分析仪器得到一帧频谱数据时就将该频谱数据对应的二维频谱图显示在三维频谱图中对应的时间节点上，由于显示器像素的制约作用使得后续得到的二维频谱图不可能无限制地显示在三维频谱图中，那么三维频谱图中的二维频谱图达到最大显示数量时该三维频谱图中的时间轴长度就达到最大值，此时，将不利于技术人员在更宽的时间范围内观察被测信号的频谱特性。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是如何显示较宽时间范围的三维频谱图。为解决上述问题，本发明提供了一种三维频谱图的显示方法及数字频谱分析仪。

一种三维频谱图的显示方法，包括：获取压缩比，根据预设的观察时间长度和预显示总帧数N得到压缩比M；获取频域数据，所述频域数据由被测信号的时域数据经过变换得到；获取压缩频域数据，每得到M帧频域数据则进行一次压缩处理，得到一帧压缩频域数据；将每帧压缩频域数据中每一数据根据其时间、频率信息和幅度信息映射到相应的存储单元，直至得到N帧压缩频域数据，映射过程中将所述幅度信息转换为强度信息；将N帧压缩频域数据进行合成处理，生成时间-频率-强度的三维频谱图。

一种数字频谱分析仪，包括：压缩比获取单元，所述压缩比获取单元用于获取压缩比；快速傅里叶变换处理单元，所述快速傅里叶变换处理单元用于获取频域数据；时间轴压缩处理单元；所述时间轴压缩处理单元用于获取压缩频域数据；三维映射显示控制单元，所述三维映射显示控制单元用于控制所述压缩频域数据进行三维显示。

依据上述实施例的三维频谱图的显示方法，主要包括获取压缩比、获取频域数据、获取压缩频域数据和三维显示的步骤，由于被压缩的频域数据的帧数由所述压缩比确定，而所述压缩比可以通过三维频谱图的预设观察时间长度来确定，因此，所获得的压缩频谱数据代表了一个特定时间段内(即获取特定帧数频域数据的时间)频谱特性。当压缩频谱数据对应的单帧频谱图显示在三维频谱图中时，使得在不改变三维频谱图的预显示总帧数的情况下，可观察到一个较宽时间范围内的三维频谱图，而且，该时间范围可以根据预设观察时间长度来自由确定，从而使得技术人员可在更宽的时间范围内观察被测信号的频谱特性。

附图说明

图1为三维频谱图显示方法的流程示意图；

图5为数字频谱分析仪的结构示意图；

图2为三维频谱图时间轴压缩处理的流程示意图；

图3为频域数据逻辑运算的方法示意图；

图4为三维频谱图的显示效果示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。现有的频谱分析仪器通常具有三维频谱图的显示功能，但是显示器上三维频谱图的时间轴显示范围难以调整，不利于技术人员在一个更宽的时间范围内观察三维频谱图中信号的频谱特性。为使得三维频谱图的时间轴所代表的时间范围具有可调整性，将一定时间范围内的频域数据进行时间轴压缩并对其映射显示，具体实现步骤如下：

一种数字频谱分析仪，如图2所示。

本实施例中，该数字频谱分析仪包括：FFT处理单元(即快速傅里叶变换处理单元)201、压缩比获取单元202、时间轴压缩处理单元203、数据缓存单元204、三维映射显示控制单元205、RAM存储单元206、RGB转换单元207、显示器208。

FFT处理单元201具有快速傅里叶变换功能，能够将时域数据处理为频域数据，由于时域到频域的快速傅里叶变换功能是较为成熟的技术，这里不再对该功能进行详细说明。

压缩比获取单元202用于获取压缩比M，压缩比表示应对频域数据执行的压缩帧数，其可根据预设的观察时间长度T和预显示总帧数N得到，这里的观察时间长度T、预显示总帧数N可为系统默认数值，也可为用户使用过程中的自定义数值，这些数值均通过系统预设或者用户预设的方式进行设置。压缩比获取过程将在下文的相关步骤中进行详细说明。

时间轴压缩处理单元203从FFT处理单元201中获得M帧频域数据(M即为压缩比)并对这些频域数据进行时间维压缩处理，最终得到一帧压缩频域数据。时间维压缩处理可分为最大值运算、最小值运算、平均值运算和随机值运算，各种运算方法在将下文的相关步骤中进行详细说明。

数据缓存单元204接收时间轴压缩处理单元203的压缩频域数据并将该压缩频域数据进行缓存，该缓存过程有利于时间轴压缩处理单元203快速释放压缩频域数据并继续压缩处理下一组的频域数据。

三维映射显示控制单元206主要用于控制压缩频域数据形成三维图像并进行输出显示。在控制压缩频域数据进行输出显示之前，三维映射显示控制单元206从数据缓存单元204中读取已缓存的压缩频域数据并将该压缩频域数据存储在RAM存储单元206中。在需要进行输出显示时，三维映射显示控制单元206不断地从数据缓存单元204中获取压缩频域数据，并对每帧压缩频域数据进行overlay处理。overlay处理的过程为：读取一帧压缩频域数据形成单帧频谱图并在时间轴上将该单帧频谱图设置为图层1，读取下一帧压缩频域数据形成单帧频谱图并在时间轴上的下一个时间节点处将该单帧频谱图设置为图层2，继续读取压缩频域数据直到形成图层N，这些图层在显示时将按照生成时间顺序形成层叠的排列结构。形成的N个图层将在新图层生成时自动移位，图层n将变成图层n-1(n为1至N的任一整数值)，从而为新图层预留出图层N的显示位置。

RAM存储单元206为压缩频域数据配置与其帧大小相匹配的存储分区，所有存储分区对应存储一帧压缩频域数且每帧压缩频域数据中每一点数据(该点数据在三维映射显示时将输出至图像的对应像素点上)根据其时间、频率信息和幅度值信息映射到对应的存储分区中，映射过程中将幅度信息转换为强度信息进行存储以便于对所有信息进行数值化操作。

RGB转换单元207用于将频谱图像中各像素点上的强度信息转化为颜色信息。RGB转换单元207对三维显示控制单元205中的单帧频谱图进行色彩编码，即将各像素点上的强度信息转化为的RGB色彩度，使得每帧单帧频谱图在显示时都具有着色效果，目的是增强频谱图中强度信息的可读性。

显示器208从RGB转换单元207中获取已经着色的单帧频谱图并将该单帧频谱图显示在三维频谱图中，由于该单帧频谱图的显示位置已经被三维映射显示控制单元205标记，所以该单帧频谱图显示在三维频谱图中时能够形成按时间顺序一一排列的显示效果。

在本实施例中，快速傅里叶变换处理单元201、压缩比获取单元202、时间轴压缩处理单元203、数据缓存单元204、三维映射显示控制单元205、RAM存储单元206和RGB转换单元207均包括在可编程逻辑器件之内，可编程逻辑器件根据各处理单元的特定功能设置相应的逻辑电路，用于获取所述频域数据并生成三维频谱图，将各处理单元所对应的程序写入可编程逻辑器件是一种常规的程序下载手段，这里不做具体限定和说明。实施例中，采用可编程逻辑器件单独完成频域数据的获取和处理过程以及三维频谱图的生成过程可节省CPU的开销，利于数字频谱分析仪更快速地实现三维频谱图的生成和显示功能。

本实施例还提供了一种三维频谱图的显示方法，如图1所示，该显示方法采用了上述的数字频谱分析仪，因此，下文将结合已提供的数字频谱分析仪对本显示方法进行具体说明。

101、获取压缩比。

在本实施例中，为满足三维频谱图中时间轴的调节需要，引入了压缩比的概念，该压缩比是指所压缩频域数据的个数，其值由三维频谱图的预设观察时间长度和三维频谱图的预显示总帧数以及获取一帧频域数据的时间的比值得到。压缩比可用M表示，其表达式为

M＝T/N/△t

其中，T代表预设观察时间长度，即三维频谱图中时间轴显示范围，该预设观察时间长度可由技术人员(或者用户)预先设定，也可由系统依据默认值设定。N代表预显示总帧数，即三维频谱图中时间轴上可排列的单帧频谱图总个数，单帧频谱图具有频率-强度的二维显示效果，其按照时间顺序层叠显示在三维频谱图的时间轴上，每两个单帧频谱图在时间轴上的显示时间间隔与获取M帧频域数据的时间相等，在具体实施例中，预显示总帧数往往受缓存区的存储空间限制，或者是系统默认或用户设定的显示帧数。△t代表获取时间，即获取一帧频域数据的时间。

在本实施例中，压缩比为一整数值，因此，需要对T/N/△t进行向下取整操作运算以得到压缩比的整数值运算结果。

在本实施例中，压缩比获取单元用于执行步骤101。

102、获取时域数据。

获取时域数据(时域数据获取单元在图2中未标记)是频谱分析仪器的基本功能，频谱分析仪器利用其自身的检测接口采集被测信号，对采集的到被测信号进行滤波、模数转换以及编码等操作就可得到被测信号的时域数据，该时域数据反映了被测信号的时间与强度之间的关系。

在本实施例中，时域数据以数据帧形式获取，因此，每帧时域数据都包括相同字节数或者相同容量的数据。

103、获取频域数据。

在本实施例中，FFT处理单元201将步骤102中的时域数据进行快速傅里叶变换处理即可得到与该时域数据相对应的频域数据，该频域数据反映了被测信号的频率和强度之间的关系。

见图3，FFT处理单元201首先获取第一帧时域数据S11(为说明信号的处理过程，该帧时域数据在图3中以其对应的二维波形图表示)，对第一帧时域数据S11进行FFT处理得到第一帧频域数据S31(为说明信号的处理过程，该帧频域数据在图3中以其对应的单帧频谱图表示)。FFT处理单元201继续获取到时间连续的第二帧时域数据S12，该第二帧时域数据S12经过FFT处理后得到第二帧频域数据S32。当获取第二帧频域数据S12之后，FFT处理单元201继续获取下一帧频域数据并对其进行FFT处理。

104、获取压缩频域数据。

在本实施例中，时间轴压缩处理单元203用于获取压缩频域数据，具体过程可见图3。

时间轴压缩处理单元203从FFT处理单元201中连续获得M帧频域数据，每得到M帧频域数据则进行一次时间维的压缩处理，进而得到一帧压缩频域数据S5(为说明信号的处理过程，该帧压缩频域数据在图3中以其对应的单帧频谱图表示)。

在本实施例中，时间维压缩处理即指图3中的位运算，包括最大值运算、最小值运算、平均值运算和随机值运算，无论哪种运算方式都可达到时间维压缩处理的目的。这里将对最大值运算进行详细说明，见图4。

在最大值运算中，将第一帧频域数据S31存入第一缓存区B1中，将第二帧频域数据S32存入第二缓存区B2中，假设每帧频域数据S31的数据部分有P位数据，每位数据对应一时间点上的强度值。将第一个缓存区B1中的第一位中的数据与第二缓存区B2中的第一位中的数据进行比较取最大值，将得到的最大值存入第一缓存区B1的第一位中，然后将两个缓存区中一一对应的数据位依次进行取最大值操作，直到P位数据全部完成最大值操作，此时，形成的新频域数据存放在第一缓存区B1中。将下一帧频域数据存入第二缓存区B2中，与第一缓存区B1中的新频域数据进行上述的最大值操作，此时，第一缓存区中B1中的新频域数据将得到更新。如此进行最大值操作，直到M帧频域数据全部完成比较，此时，第一缓存区B1中得到的新频域数据将是压缩频域数据，由于压缩频域数据中的每个数据位中的数据是M帧频域数据中相对应数据的最大值，使得压缩频域数据具有最大值特性，其对应的单帧频谱图也具有最大值特性。

在另一个实施例中，对M帧频谱数据进行最小值运算，最小值运算是指每帧频谱数据中相应数据位上的数据进行取最小值操作，使得得到的压缩频域数据具有最小值特性，其对应的单帧频谱图也具有最小值特性。

在另一个实施例中，对M帧频谱数据进行平均值运算，最小值运算是指每帧频谱数据中相应数据位上的数据进行取平均值操作，使得得到的压缩频域数据具有平均值特性，其对应的单帧频谱图也具有平均值特性。

在另一个实施例中，对M帧频谱数据进行随机值运算，随机值运算是指从M帧频谱数据中随机去除一帧频谱数据作为压缩频域数据，从而使得得到的压缩频域数据具有随机值特性，其对应的单帧频谱图也具有随机值特性。

105、显示三维频谱图。

三维映射显示控制单元205按照步骤104连续获得N帧压缩频域数据，同时得到压缩数据对应的N帧单帧频谱图，将N帧压缩频域数据进行合成处理，生成时间-频率-强度的三维频谱图，其中合成处理的具体实施方式可参照三维映射显示控制单元205的功能介绍。

三维频谱图可用三维立体图F0进行表示，见图5。三维立体图F0的三个坐标轴分别为时间、频率和强度，压缩频域数据S5对应的单帧频谱图S5′在时间轴上以图层形式显示，下一帧压缩频域数据对应的单帧频谱图S6′在时间轴上的下一个时间节点处以图层形式显示，直至三维立体图F0上显示完成压缩频域数据对应的N帧单帧频谱图。在每帧单帧频谱图由三维映射显示控制单元205输出至显示器208的过程中，RGB转换单元207将对每帧单帧频谱图进行色彩编码，从而实现单帧频谱图在强度轴上具有色彩深浅变化的显示效果，具体实施方法可参照RGB转换单元207的功能介绍。

在另一个实施例中，三维频谱图可用二维平面图进行表示。二维平面图的两个坐标轴分别为时间和频率，每帧压缩频域数据对应的单帧频谱图在时间轴上按照生成时间顺序进行一一显示，由于二维平面图中因缺少强度轴而以波形形式表示强度信息，因此，将强度信息以颜色形式表示在二维平面图的频率轴上，形成了单帧频谱图在时间轴上以色彩条进行显示的显示效果。三维映射显示控制单元205可控制三维立体图F0只显示时间-频率维度的二维图像，从而形成了具有三维信息表现效果的二维平面图。

在另一个实施例中，所提供的数字频谱分析仪包括：存储器和处理器，该处理器用于存储程序，该处理器用于通过执行存储器存储的程序以实现步骤101至步骤105的方法。

本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分功能可以通过硬件的方式实现，也可以通过计算机程序的方式实现。当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，通过计算机执行该程序以实现上述功能。例如，将程序存储在设备的存储器中，当通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述全部或部分功能。另外，当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序也可以存储在服务器、另一计算机、磁盘、光盘、闪存盘或移动硬盘等存储介质中，通过下载或复制保存到本地设备的存储器中，或对本地设备的系统进行版本更新，当通过处理器执行存储器中的程序时，即可实现上述实施方式中全部或部分功能。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (8)

1.一种三维频谱图的显示方法，其特征在于，包括：

获取压缩比，根据预设的观察时间长度和预显示总帧数N得到压缩比M；

获取频域数据，所述频域数据由被测信号的时域数据经过快速傅里叶变换得到；

获取压缩频域数据，每得到M帧频域数据则进行一次压缩处理，得到一帧压缩频域数据包括：利用最大值运算进行时间维的压缩处理，将第一帧频域数据S31存入第一缓存区B1中，将第二帧频域数据S32存入第二缓存区B2中，设每帧频域数据的数据部分有P位数据，每位数据对应一时间点上的强度值；将第一个缓存区B1中的第一位中的数据与第二缓存区B2中的第一位中的数据进行比较取最大值，将得到的最大值存入第一缓存区B1的第一位中，然后将两个缓存区中一一对应的数据位依次进行取最大值操作，直到P位数据全部完成最大值操作，此时形成的新频域数据存放在第一缓存区B1中；将下一帧频域数据存入第二缓存区B2中，与第一缓存区B1中的新频域数据进行上述的最大值操作，此时第一缓存区中B1中的新频域数据将得到更新；如此进行最大值操作，直到M帧频域数据全部完成比较，此时第一缓存区B1中得到的新频域数据将是压缩频域数据；由于压缩频域数据中的每个数据位中的数据是M帧频域数据中相对应数据的最大值，使得压缩频域数据具有最大值特性，其对应的单帧频谱图也具有最大值特性；

将每帧压缩频域数据中每一点数据根据其时间、频率信息和幅度信息映射到相应的存储单元，直至得到N帧压缩频域数据，映射过程中将所述幅度信息转换为强度信息；

将N帧压缩频域数据进行合成处理，生成时间-频率-强度的三维频谱图。

2.如权利要求1所述的三维频谱图的显示方法，其特征在于，所述三维频谱图为三维立体图，所述三维立体图的三个坐标轴分别为时间、频率和强度，N帧压缩频域数据分别对应的频谱图在时间轴上按照生成时间顺序进行一一显示；

或者，所述三维频谱图为二维平面图，所述二维平面图的两个坐标轴分别为时间和频率，强度信息采用颜色进行编码。

3.如权利要求1所述的三维频谱图的显示方法，其特征在于，在获取所述频域数据的步骤之前还包括获取所述时域数据的步骤，所述时域数据以数据帧形式获取。

4.一种数字频谱分析仪，其特征在于，包括：

压缩比获取单元，所述压缩比获取单元用于获取压缩比；

快速傅里叶变换处理单元，所述快速傅里叶变换处理单元用于获取频域数据；

时间轴压缩处理单元，所述时间轴压缩处理单元用于根据所述压缩比和所述频域数据获取压缩频域数据包括：所述时间轴压缩处理单元利用最大值运算进行时间维的压缩处理，将第一帧频域数据S31存入第一缓存区B1中，将第二帧频域数据S32存入第二缓存区B2中，设每帧频域数据的数据部分有P位数据，每位数据对应一时间点上的强度值；将第一个缓存区B1中的第一位中的数据与第二缓存区B2中的第一位中的数据进行比较取最大值，将得到的最大值存入第一缓存区B1的第一位中，然后将两个缓存区中一一对应的数据位依次进行取最大值操作，直到P位数据全部完成最大值操作，此时形成的新频域数据存放在第一缓存区B1中；将下一帧频域数据存入第二缓存区B2中，与第一缓存区B1中的新频域数据进行上述的最大值操作，此时第一缓存区中B1中的新频域数据将得到更新；如此进行最大值操作，直到M帧频域数据全部完成比较，此时第一缓存区B1中得到的新频域数据将是压缩频域数据；由于压缩频域数据中的每个数据位中的数据是M帧频域数据中相对应数据的最大值，使得压缩频域数据具有最大值特性，其对应的单帧频谱图也具有最大值特性；

RAM存储单元，所述RAM存储单元用于存储所述压缩频域数据的每一点数据；

三维映射显示控制单元，所述三维映射显示控制单元用于将存储的所述压缩频域数据形成三维频谱图，用于控制所述三维频谱图进行三维显示。

5.如权利要求4所述的数字频谱分析仪，其特征在于，还包括：数据缓存单元、RGB转换单元和显示器；

所述数据缓存单元用于缓存所述时间轴压缩处理单元处理得到的压缩频域数据；

所述RGB转换单元用于将所述三维频谱图进行色彩编码；

所述显示器用于显示所述三维频谱图。

6.如权利要求5所述的数字频谱分析仪，其特征在于，包括可编程逻辑器件和显示器，所述可编程逻辑器件包括快速傅里叶变换处理单元、压缩比获取单元、时间轴压缩处理单元、数据缓存单元、三维映射显示控制单元、RAM存储单元和RGB转换单元，所述可编程逻辑器件用于获取所述频域数据并生成三维频谱图。

7.一种数字频谱分析仪，其特征在于，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于通过执行所述存储器存储的程序以实现如权利要求1-3任一项所述的方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括程序，所述程序能够被处理器执行以实现如权利要求1-3中任一项所述的方法。

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