信号主线法在电子装备教学中的应用

邱丽娟　金成铭

[摘           要]  针对电子装备教学中复杂多样的交联关系和丰富繁杂的信号样式，难以直观化、形象化地讲解的问题，提出了信号主线教学法。该教学方法以功能实现为目的，以信号处理为核心，以信号处理单元电路为基本单位，以信号传递关系为主线，以信号可视化为手段，完整、全面、直观地表现电子装备中的信号处理流程和信号特征。在电子装备类课程教学中得到应用，取得了较好的教学效果。

[关    键   词]  电子装备;信号主线法;信号特征;信号可视化

[中图分类号]  G712                   [文献标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603（2018）35-0206-02

在信息战争的时代，电子装备的身影无处不在。从地面到天空，从水面到太空，种类繁杂、不计其数的电子装备担负着获取信息、处理信息、传递信息、显示信息的任务。电子装备的教学是保证部队正确使用电子装备、发挥电子装备效能的前提。

众所周知，电子装备正常发挥效能的物理载体是电磁信号。电磁信号的本体是电磁波，其价值是变幻莫测的信号。因此，可以说信号是电子装备的灵魂。这就导致在电子装备的教学中，必须以信号为中心。开展以信号为中心的教学方法研究对提升电子装备教学效果具有重要意义。

一、电子装备教学的信号特点

（一）内容特点

航空电子装备主要包括雷达、电台、导航设备等。这些装备功能各异，型号繁多。电子装备可以看作是多个信号处理单元电路的组合，用于实现特定的功能。电子装备涉及的信号知识包括信号的产生、处理、传输、接收等。

1.信号的产生

信号的产生包括低频小信号的产生、高频小信号的产生、射频小信号的产生和数字信号的产生，如图1所示。

产生的每一种信号又可以按照不同的准则分成很多种类。按照频率划分，电子装备中的信号包括射频信号、中频信号、视频信号等;按照功能划分可以分为控制信号和射频信号等;按照时间幅度是否连续，又可以分为模拟信号和数字信号。

2.信号的处理

信号处理是电子设备的主要内容。广义上，各种对信号的操作和处理都可以看作是信号处理。在这里，我们将信号处理分为模拟信号处理和数字信号处理。模拟信号处理包括滤波、放大、混频等;数字信号处理包括数字滤波、变频、FFT等，如图2所示。

3.信号的传输

信号的传输主要是指无线电波的传输，无线电波的传输包括基本电磁波的传播方程和不同频段电磁波的传播：短波、超短波、微波等。由于天线既有发射又有接收功能，这种接收端和发射端链路的建立是为了信号的传输。信号传输的具体内容如图3所示。

4.信号的接收

信号接收分为多种类型，主要包括超外差接收机、信道化接收机、压缩接收机和晶体视频接收机，如图4所示。不同的接收机采用不同的信号处理架构，实现不同的目的。其中，超外差接收机是最常见的接收机类型。

（二）表现难点

从信号知识的总结中可以看出信号关系错综复杂，种类繁多。这些信号相互依赖、相互影响。

1.信号交联关系错综复杂

虽然目前电子装备均采用模块化的设计。所谓模块就是具有特定信号处理功能的电路单元。模块化的设计使得模块与模块之间具有相对比较清晰的信号联结关系。一方面，模块与模块之间可能存在控制、射频、中频、视频等多种类型的信号联结;另一方面，电子装备涉及的模块众多，多个模块之间都有可能存在信号联结关系。由于这两个方面，使得电子装备内部信号交联关系错综复杂。

2.信号形式种类繁多

电子装备，尤其是航电装备一般是用频装备，也就是具有频率变换功能。具有频率变换功能装备的信号形式更为多样，包括射频信号、中频信号、视频信号和控制信号等。每种类型的信号又包含多个信号。比如，射频信号经过多次处理，才能提取信息。在信号处理的过程中，会产生或者利用多种信号。

二、信号主线法教学

以電子装备的功能为出发点，以电路单元模块为基本单位，以信号流（电子信号的流向）为讲解顺序，重点讲解各级电路单元的处理方法、节点上电子信号的特征。以电子装备的功能为出发点是因为电子装备存在的目的就是实现某种特定的或者综合的信号处理功能。因此，从本质上说，电子装备完成的功能其实是信号处理功能。

信号主线法的关键是信号流和信号特征。但是由于信号具有“看不见、摸不着”、复杂、抽象的特点，因而在实际教学中，对电子装备原理进行准确理解与讲解存在很大困难。所以我们对信号进行可视化表示，也就是对电子装备的信号处理过程进行直观的表现，便于学员理解。

（一）信号流

信号流就是信号处理模块之间形成的信号传递关系。在电子装备中，以信号从上游到下游的这条线路作为线索，是在电子装备教学中常用的方法。以信号流的顺序讲解，符合装备的基本工作过程。

信号流的可视化在实现时，既可以采用静态的表现形式，也可以采用动态的形式。静态的表现形式具有实现简单、表现内容集中的特点，可以用图形来表示。动态的表现形式实现起来较为复杂，表现内容丰富，可以采用Flash等表示。

（二）信号特征

信号的特征主要表现在时域、频域、时频域或调制域信号某些特性的变化。信号特征是信号主线法的讲解重点，也是难点。掌握了信号特征的变化，就掌握了信号处理的原理，也就掌握了装备工作的基本原理。信号特征可视化包括信号时频域特征可视化、信号调制域特征可视化、信号统计域特征可视化和信号空域特征可视化等方面。

1.信号的时频域特征可视化

信号的时频域特征反映的是信号的频率随着时间的变化情况。如图5给出了线性调频信号的波形图。可以看出，线性调频信号的频率随着时间是不断提高的。

时频域特征的可视化一般采用专用的计算工具软件实现（如Matlab）。在技术实现上，尽可能采用比较成熟的开发包，降低开发成本和风险。

2.信号调制域特征可视化

信号的调制是通信中的重要概念。在进行电台原理和性能讲解时，经常会遇到。对信号调制域的可视化一般是对星座图进行可视化。图6给出了两种数字调制的星座图。从图中可以看出，信號在调制过程中星座图的变化情况。

3.信号的统计域特征可视化

信号的统计域特征反映的是信号幅度的变化情况。在航电装备教学中，经常见到的统计分布包括高斯分布、瑞利分布、均匀分布、亚高斯分布、超高斯分布等。如何将各种不同的统计分布数据表现出来，是统计域特征可视化要解决的问题。

统计域特征可视化一般采用专用软件，如Matlab比较容易实现。也可以采用OpenGL配合专业的计算工具进行表现。

如图7给出了正态分布信号的统计域特征。从图中可以看出，该随机信号的幅度分布服从正态分布。

4.信号空域特征可视化

电子装备在实际战场的应用效果表现为对一定空域的作用能力。信号空域作用能力与信号所携带的能量有直接关系。将电子装备的作用效能采用三维可视化的方法进行直观化表现，便于深入掌握电子装备的原理和效能。

三、结束语

本文研究了信号主线教学法，给出了信号主线法在电子装备教学中的应用。在本类课程中信号主线法并不成熟，在实际应用中需要结合具体的课程教学进一步完善。

参考文献：

[1]管致中.信号与线性系统[M].高等教育出版社，2004.

[2]郑君里.信号与系统[M].高等教育出版社，2000.