信號可視化在機載電子設(shè)備教學(xué)中的應(yīng)用

張慶海 劉笑 馬明

摘 要： 機載電設(shè)備涉及多種信號和信號處理方法，理解這些信號和信號處理方法是掌握其工作原理的基礎(chǔ)。在機載電子設(shè)備教學(xué)中，為了直觀地表現(xiàn)信號處理的原理，提出機載電子設(shè)備的信號可視化教學(xué)方法，從時域、頻域、時頻域和統(tǒng)計域分別描述信號的不同特征，使復(fù)雜的信號特征直觀化，便于學(xué)生理解信號內(nèi)涵，從而更好地掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞： 信號可視化 機載電子

隨著無線電裝備的大量應(yīng)用，民航飛機上裝備了各種儀表和儀器。如何理解這些儀器儀表的工作原理，是航空電子工程師的重要任務(wù)。在航空電子設(shè)備的維護過程中，電子信號始終貫穿于各項工作中。而電子信號的樣式有成千上萬，理解這些信號成為電子工程師的難點，抓住信號的特征是掌握信號處理原理的根本。通過大量教學(xué)內(nèi)容，我們歸納出信號具有的基本特征可以從四個方面描述：時域、頻域、時頻域和統(tǒng)計域。本文給出從這四個方面表現(xiàn)信號的方法，并以計算機仿真的形式，給出進行信號可視化的基本方法。

一、信號四個方面的特征

信號的種類有很多，導(dǎo)致信號具有不同特征。根據(jù)教學(xué)發(fā)現(xiàn)，信號的特征可以從時域、頻域、時頻域和統(tǒng)計域四個方面進行描述，下面分別介紹這四個方面特征。

1.時域特征

時域就是信號的幅度或者功率隨著時間的變化情況。有的信號變化快，如各種電子噪聲，有的信號變化慢，如電子傳感器測量到的氣溫等。時域特征是信號的基本特征。時域特征的表現(xiàn)形式就是我們常說的波形。

2.頻域特征

自從出現(xiàn)了傅里葉變換后，信號的頻域特征更為人們所關(guān)注。信號的頻域特征就是信號在頻率域的分布情況。由于時域與頻域是完全對應(yīng)的，因此時域的變化情況會反映在頻域。如在時域變化快的信號，就會在頻域出現(xiàn)高頻率成分的信號；在時域變化慢的信號，在頻域就會出現(xiàn)頻率成分低的信號。

雖然頻域特征與時域特征是一一對應(yīng)的，但是頻域特征有時更直觀。如通過頻域特征可以發(fā)現(xiàn)信號包含的不同頻率成分。在實際工作中，尤其是對高頻信號，只能獲得信號的頻域特征，時域特征很難直接獲得。因此，可以說頻域特征是信號最重要的特征之一。

3.時頻域特征

時頻分析是信號處理發(fā)展到高級階段產(chǎn)生的新的信號分析工具。信號的時頻域特征就是信號的頻率隨時間的變化情況。傳統(tǒng)的信號分析一般假設(shè)信號是平穩(wěn)的，也就是說信號的頻率成分不隨時間的變化而變化。而在實際環(huán)境中，信號往往是非平穩(wěn)的。信號的頻率隨時間而變化的。如果僅從時域或者頻域方面描述信號，往往不能反映出這種變化。時頻域的分析能給出很好的解決方法。

二、信號特征的可視化方法

信號可視化的方法有很多種。針對教學(xué)而言，一般是采用計算機仿真的方法產(chǎn)生各種信號。然后通過對信號進行處理，將信號在不同特征域表現(xiàn)出來。因此，信號可視化包含的內(nèi)容有：開發(fā)環(huán)境、信號的產(chǎn)生、信號的處理和信號的表現(xiàn)。

1.信號可視化的開發(fā)環(huán)境

常規(guī)的信號仿真工具包括MATLAB、C++、Python等。對于高校教師而言，MATLAB無疑是最合適的開發(fā)工具，它不僅語法簡單，而且可以工作于多個平臺之上。C++是偏向于工業(yè)化或者說是產(chǎn)品化的開發(fā)工具，信號處理的開源庫比較多，但其開發(fā)難度要大于MATLAB。Python是跨平臺的開發(fā)工具，目前有很多信號處理庫，開發(fā)難度介于MATLAB與C++之間。

2.信號的產(chǎn)生

信號的產(chǎn)生既可以產(chǎn)生模擬的信號，又可以是用傳感器采集來的信號，如采用溫度傳感器、壓力傳感器、AD數(shù)據(jù)采集器等。實際中也可以采用仿真的方法產(chǎn)生各種信號，在產(chǎn)生信號時，要注意的方面包括：信號的樣點數(shù)和采樣頻率等。

3.信號的處理

信號的處理在計算機仿真方面一般采用數(shù)字處理的方式模擬實際中的處理。信號處理的范疇很寬，包括濾波、調(diào)制、同步、檢測和跟蹤等。信號的處理過程模擬是進行信號可視化的關(guān)鍵和難點。這是因為信號處理是一切電子系統(tǒng)的核心，是一切電子系統(tǒng)功能的支撐。

4.信號的表現(xiàn)

信號的表現(xiàn)就是信號特征的表現(xiàn)，包括各種波形、頻域特征、時頻域特征、統(tǒng)計域特征等的表現(xiàn)。時域波形的表現(xiàn)主要是波形的繪制，在繪制波形時可以采用線、柱、散點的形式。在進行頻域特征表現(xiàn)時，一般采用FFT變換后，給出其頻譜，由于FFT是分段處理的。因此，可以采用分段讀入數(shù)據(jù)計算FFT的方式，顯示每段數(shù)據(jù)的頻譜，這樣形成的頻譜具有動畫效應(yīng)。

信號的時頻域特征一般采用時頻變換、小波變換等方法。由于時頻變換的計算量巨大，因此對信號進行時頻變換時需要分段讀入。統(tǒng)計域的特征一般采用直方圖的方式進行表示。

三、信號可視化實例

1.信號的時域特征

信號的時域特征我們這里采用兩種方法進行表現(xiàn)，一種是模擬產(chǎn)生的正弦波信號。圖1依次給出了頻率不斷升高的信號波形。

圖1 正弦信號與語音信號的時域特征

2.信號的頻域特征

信號的頻域特征有時能夠給出更精確的信號特征描述。如圖2所示，給出的是3個周期信號的疊加。從圖2很難看出信號包含多少個頻率成分，而下圖給出的是信號在頻域的分布情況，很容易看出信號是由3個頻率成分組成的。這說明頻域的特征具有更直接的特征描述力。

圖2 合成信號的頻域特征

3.信號的時頻域特征

信號的時頻域特征反應(yīng)的是信號的頻率隨著時間的變化情況。如圖3給出了線性調(diào)頻信號的波形圖。可以看出，線性調(diào)頻信號的頻率隨著時間不斷增大。

圖3 線性調(diào)頻信號的時頻域特征

4.信號的統(tǒng)計域特征

信號的統(tǒng)計域特征反應(yīng)的是信號幅度的變化頻率情況。圖4給出了正態(tài)分布信號的統(tǒng)計域特征。從圖4可以看出，該隨機信號的幅度分布服從正態(tài)分布。

圖4 隨機信號的統(tǒng)計特征

四、結(jié)語

將信號的特征在不同的域中表現(xiàn)出來，更直觀地掌握信號的特性，是航電設(shè)備原理教學(xué)中的難點。本文從信號的產(chǎn)生、處理、變換和表現(xiàn)方面出發(fā)給出了信號在時域、頻域、時頻域和統(tǒng)計域的特征表現(xiàn)方式，在實際教學(xué)中有很好的效果。

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