信號主線法在電子裝備教學中的應用

邱麗娟　金成銘

[摘? ? ? ? ? ?要]? 針對電子裝備教學中復雜多樣的交聯關系和豐富繁雜的信號樣式，難以直觀化、形象化地講解的問題，提出了信號主線教學法。該教學方法以功能實現為目的，以信號處理為核心，以信號處理單元電路為基本單位，以信號傳遞關系為主線，以信號可視化為手段，完整、全面、直觀地表現電子裝備中的信號處理流程和信號特征。在電子裝備類課程教學中得到應用，取得了較好的教學效果。

[關? ? 鍵? ?詞]? 電子裝備;信號主線法;信號特征;信號可視化

[中圖分類號]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2018）35-0206-02

在信息戰爭的時代，電子裝備的身影無處不在。從地面到天空，從水面到太空，種類繁雜、不計其數的電子裝備擔負著獲取信息、處理信息、傳遞信息、顯示信息的任務。電子裝備的教學是保證部隊正確使用電子裝備、發揮電子裝備效能的前提。

眾所周知，電子裝備正常發揮效能的物理載體是電磁信號。電磁信號的本體是電磁波，其價值是變幻莫測的信號。因此，可以說信號是電子裝備的靈魂。這就導致在電子裝備的教學中，必須以信號為中心。開展以信號為中心的教學方法研究對提升電子裝備教學效果具有重要意義。

一、電子裝備教學的信號特點

（一）內容特點

航空電子裝備主要包括雷達、電臺、導航設備等。這些裝備功能各異，型號繁多。電子裝備可以看作是多個信號處理單元電路的組合，用于實現特定的功能。電子裝備涉及的信號知識包括信號的產生、處理、傳輸、接收等。

1.信號的產生

信號的產生包括低頻小信號的產生、高頻小信號的產生、射頻小信號的產生和數字信號的產生，如圖1所示。

產生的每一種信號又可以按照不同的準則分成很多種類。按照頻率劃分，電子裝備中的信號包括射頻信號、中頻信號、視頻信號等;按照功能劃分可以分為控制信號和射頻信號等;按照時間幅度是否連續，又可以分為模擬信號和數字信號。

2.信號的處理

信號處理是電子設備的主要內容。廣義上，各種對信號的操作和處理都可以看作是信號處理。在這里，我們將信號處理分為模擬信號處理和數字信號處理。模擬信號處理包括濾波、放大、混頻等;數字信號處理包括數字濾波、變頻、FFT等，如圖2所示。

3.信號的傳輸

信號的傳輸主要是指無線電波的傳輸，無線電波的傳輸包括基本電磁波的傳播方程和不同頻段電磁波的傳播：短波、超短波、微波等。由于天線既有發射又有接收功能，這種接收端和發射端鏈路的建立是為了信號的傳輸。信號傳輸的具體內容如圖3所示。

4.信號的接收

信號接收分為多種類型，主要包括超外差接收機、信道化接收機、壓縮接收機和晶體視頻接收機，如圖4所示。不同的接收機采用不同的信號處理架構，實現不同的目的。其中，超外差接收機是最常見的接收機類型。

（二）表現難點

從信號知識的總結中可以看出信號關系錯綜復雜，種類繁多。這些信號相互依賴、相互影響。

1.信號交聯關系錯綜復雜

雖然目前電子裝備均采用模塊化的設計。所謂模塊就是具有特定信號處理功能的電路單元。模塊化的設計使得模塊與模塊之間具有相對比較清晰的信號聯結關系。一方面，模塊與模塊之間可能存在控制、射頻、中頻、視頻等多種類型的信號聯結;另一方面，電子裝備涉及的模塊眾多，多個模塊之間都有可能存在信號聯結關系。由于這兩個方面，使得電子裝備內部信號交聯關系錯綜復雜。

2.信號形式種類繁多

電子裝備，尤其是航電裝備一般是用頻裝備，也就是具有頻率變換功能。具有頻率變換功能裝備的信號形式更為多樣，包括射頻信號、中頻信號、視頻信號和控制信號等。每種類型的信號又包含多個信號。比如，射頻信號經過多次處理，才能提取信息。在信號處理的過程中，會產生或者利用多種信號。

二、信號主線法教學

以電子裝備的功能為出發點，以電路單元模塊為基本單位，以信號流（電子信號的流向）為講解順序，重點講解各級電路單元的處理方法、節點上電子信號的特征。以電子裝備的功能為出發點是因為電子裝備存在的目的就是實現某種特定的或者綜合的信號處理功能。因此，從本質上說，電子裝備完成的功能其實是信號處理功能。

信號主線法的關鍵是信號流和信號特征。但是由于信號具有“看不見、摸不著”、復雜、抽象的特點，因而在實際教學中，對電子裝備原理進行準確理解與講解存在很大困難。所以我們對信號進行可視化表示，也就是對電子裝備的信號處理過程進行直觀的表現，便于學員理解。

（一）信號流

信號流就是信號處理模塊之間形成的信號傳遞關系。在電子裝備中，以信號從上游到下游的這條線路作為線索，是在電子裝備教學中常用的方法。以信號流的順序講解，符合裝備的基本工作過程。

信號流的可視化在實現時，既可以采用靜態的表現形式，也可以采用動態的形式。靜態的表現形式具有實現簡單、表現內容集中的特點，可以用圖形來表示。動態的表現形式實現起來較為復雜，表現內容豐富，可以采用Flash等表示。

（二）信號特征

信號的特征主要表現在時域、頻域、時頻域或調制域信號某些特性的變化。信號特征是信號主線法的講解重點，也是難點。掌握了信號特征的變化，就掌握了信號處理的原理，也就掌握了裝備工作的基本原理。信號特征可視化包括信號時頻域特征可視化、信號調制域特征可視化、信號統計域特征可視化和信號空域特征可視化等方面。

1.信號的時頻域特征可視化

信號的時頻域特征反映的是信號的頻率隨著時間的變化情況。如圖5給出了線性調頻信號的波形圖。可以看出，線性調頻信號的頻率隨著時間是不斷提高的。

時頻域特征的可視化一般采用專用的計算工具軟件實現（如Matlab）。在技術實現上，盡可能采用比較成熟的開發包，降低開發成本和風險。

2.信號調制域特征可視化

信號的調制是通信中的重要概念。在進行電臺原理和性能講解時，經常會遇到。對信號調制域的可視化一般是對星座圖進行可視化。圖6給出了兩種數字調制的星座圖。從圖中可以看出，信號在調制過程中星座圖的變化情況。

3.信號的統計域特征可視化

信號的統計域特征反映的是信號幅度的變化情況。在航電裝備教學中，經常見到的統計分布包括高斯分布、瑞利分布、均勻分布、亞高斯分布、超高斯分布等。如何將各種不同的統計分布數據表現出來，是統計域特征可視化要解決的問題。

統計域特征可視化一般采用專用軟件，如Matlab比較容易實現。也可以采用OpenGL配合專業的計算工具進行表現。

如圖7給出了正態分布信號的統計域特征。從圖中可以看出，該隨機信號的幅度分布服從正態分布。

4.信號空域特征可視化

電子裝備在實際戰場的應用效果表現為對一定空域的作用能力。信號空域作用能力與信號所攜帶的能量有直接關系。將電子裝備的作用效能采用三維可視化的方法進行直觀化表現，便于深入掌握電子裝備的原理和效能。

三、結束語

本文研究了信號主線教學法，給出了信號主線法在電子裝備教學中的應用。在本類課程中信號主線法并不成熟，在實際應用中需要結合具體的課程教學進一步完善。

參考文獻：

[1]管致中.信號與線性系統[M].高等教育出版社，2004.

[2]鄭君里.信號與系統[M].高等教育出版社，2000.