信號(hào)可視化在機(jī)載電子設(shè)備教學(xué)中的應(yīng)用

張慶海 劉笑 馬明

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

關(guān)鍵詞： 信號(hào)可視化 機(jī)載電子

隨著無線電裝備的大量應(yīng)用，民航飛機(jī)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(hù)過程中，電子信號(hào)始終貫穿于各項(xiàng)工作中。而電子信號(hào)的樣式有成千上萬，理解這些信號(hào)成為電子工程師的難點(diǎn)，抓住信號(hào)的特征是掌握信號(hào)處理原理的根本。通過大量教學(xué)內(nèi)容，我們歸納出信號(hào)具有的基本特征可以從四個(gè)方面描述：時(shí)域、頻域、時(shí)頻域和統(tǒng)計(jì)域。本文給出從這四個(gè)方面表現(xiàn)信號(hào)的方法，并以計(jì)算機(jī)仿真的形式，給出進(jìn)行信號(hào)可視化的基本方法。

一、信號(hào)四個(gè)方面的特征

信號(hào)的種類有很多，導(dǎo)致信號(hào)具有不同特征。根據(jù)教學(xué)發(fā)現(xiàn)，信號(hào)的特征可以從時(shí)域、頻域、時(shí)頻域和統(tǒng)計(jì)域四個(gè)方面進(jìn)行描述，下面分別介紹這四個(gè)方面特征。

1.時(shí)域特征

時(shí)域就是信號(hào)的幅度或者功率隨著時(shí)間的變化情況。有的信號(hào)變化快，如各種電子噪聲，有的信號(hào)變化慢，如電子傳感器測(cè)量到的氣溫等。時(shí)域特征是信號(hào)的基本特征。時(shí)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(hào)的頻域特征更為人們所關(guān)注。信號(hào)的頻域特征就是信號(hào)在頻率域的分布情況。由于時(shí)域與頻域是完全對(duì)應(yīng)的，因此時(shí)域的變化情況會(huì)反映在頻域。如在時(shí)域變化快的信號(hào)，就會(huì)在頻域出現(xiàn)高頻率成分的信號(hào)；在時(shí)域變化慢的信號(hào)，在頻域就會(huì)出現(xiàn)頻率成分低的信號(hào)。

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

3.時(shí)頻域特征

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

二、信號(hào)特征的可視化方法

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

1.信號(hào)可視化的開發(fā)環(huán)境

常規(guī)的信號(hào)仿真工具包括MATLAB、C++、Python等。對(duì)于高校教師而言，MATLAB無疑是最合適的開發(fā)工具，它不僅語(yǔ)法簡(jiǎn)單，而且可以工作于多個(gè)平臺(tái)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(hào)處理的開源庫(kù)比較多，但其開發(fā)難度要大于MATLAB。Python是跨平臺(tái)的開發(fā)工具，目前有很多信號(hào)處理庫(kù)，開發(fā)難度介于MATLAB與C++之間。

2.信號(hào)的產(chǎn)生

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

3.信號(hào)的處理

信號(hào)的處理在計(jì)算機(jī)仿真方面一般采用數(shù)字處理的方式模擬實(shí)際中的處理。信號(hào)處理的范疇很寬，包括濾波、調(diào)制、同步、檢測(cè)和跟蹤等。信號(hào)的處理過程模擬是進(jìn)行信號(hào)可視化的關(guān)鍵和難點(diǎn)。這是因?yàn)樾盘?hào)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(hào)的表現(xiàn)

信號(hào)的表現(xiàn)就是信號(hào)特征的表現(xiàn)，包括各種波形、頻域特征、時(shí)頻域特征、統(tǒng)計(jì)域特征等的表現(xiàn)。時(shí)域波形的表現(xiàn)主要是波形的繪制，在繪制波形時(shí)可以采用線、柱、散點(diǎn)的形式。在進(jìn)行頻域特征表現(xiàn)時(shí)，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(jì)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(dòng)畫效應(yīng)。

信號(hào)的時(shí)頻域特征一般采用時(shí)頻變換、小波變換等方法。由于時(shí)頻變換的計(jì)算量巨大，因此對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻變換時(shí)需要分段讀入。統(tǒng)計(jì)域的特征一般采用直方圖的方式進(jìn)行表示。

三、信號(hào)可視化實(shí)例

1.信號(hào)的時(shí)域特征

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

圖1 正弦信號(hào)與語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域特征

2.信號(hào)的頻域特征

信號(hào)的頻域特征有時(shí)能夠給出更精確的信號(hào)特征描述。如圖2所示，給出的是3個(gè)周期信號(hào)的疊加。從圖2很難看出信號(hào)包含多少個(gè)頻率成分，而下圖給出的是信號(hào)在頻域的分布情況，很容易看出信號(hào)是由3個(gè)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(hào)的頻域特征

3.信號(hào)的時(shí)頻域特征

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

圖3 線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)頻域特征

4.信號(hào)的統(tǒng)計(jì)域特征

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

圖4 隨機(jī)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征

四、結(jié)語(yǔ)

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

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