電子裝備教學(xué)中的信號(hào)主線法

馬明+劉鷹+楊玉林

【摘要】電子裝備是目前應(yīng)用最廣泛的裝備。由于電子裝備種類繁雜，功能各異，使得電子裝備的教學(xué)難度比較大。從本質(zhì)上講，電子裝備的任務(wù)是利用電磁波信號(hào)探測(cè)、傳遞和獲取信息。因此信號(hào)是電子裝備的核心和靈魂。針對(duì)電子裝備的教學(xué)過程，提出了信號(hào)主線的教學(xué)方法。從原理教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)方面，闡述了信號(hào)主線法的內(nèi)涵和各要素之間的關(guān)系，以及在應(yīng)用中注意的問題。

【關(guān)鍵詞】信號(hào)主線法 信號(hào)流 信號(hào)特征 信號(hào)測(cè)試

【中圖分類號(hào)】TH-39 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）38-0250-02

一、引言

信息技術(shù)的發(fā)展使得大量無線電設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代的電子設(shè)備，從功能上看，都可以看作是一個(gè)廣義上的信號(hào)處理機(jī)。這是因?yàn)楝F(xiàn)代電子裝備以多種信號(hào)處理模塊為核心實(shí)現(xiàn)其功能，理解其工作原理必須從信號(hào)處理入手。

從無線電設(shè)備的工作原理來看，各種電子裝備的作用基本上都可以解釋為獲取無線電信號(hào)中攜帶的信息。例如，對(duì)于雷達(dá)而言，就是獲取雷達(dá)回波信號(hào)所攜帶的時(shí)間、幅度、頻移等信息，繼而得到距離、方位、速度等戰(zhàn)術(shù)上的實(shí)用信息。對(duì)于通信設(shè)備而言，就是從受污染的信號(hào)中提取出發(fā)送的信號(hào)，進(jìn)而獲得有用的軍事信息。對(duì)于各種導(dǎo)航設(shè)備而言，就是將地面設(shè)備相對(duì)機(jī)載導(dǎo)航接收機(jī)的時(shí)間、幅度上的變化轉(zhuǎn)換為方位和高度信息。因此，所有這些設(shè)備無一不是利用電磁信號(hào)傳遞或者獲取信息。

另外一方面，從電子設(shè)備的維修的角度來講。電子設(shè)備維修教學(xué)的重要目的就是教會(huì)學(xué)員排除裝備的故障。對(duì)裝備故障的判斷依賴于對(duì)裝備進(jìn)行的各種測(cè)試。這些測(cè)試包括時(shí)域測(cè)試、頻域測(cè)試和功率測(cè)試等，所利用的儀器包括萬用表、頻譜儀、示波器和功率計(jì)等。測(cè)試的目的是獲取電子裝備在規(guī)定狀態(tài)下所達(dá)到的性能。比如，對(duì)級(jí)聯(lián)發(fā)射機(jī)而言，測(cè)試各級(jí)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，以此來判斷其工作是否正常。也就是說，測(cè)試結(jié)果是否通過，依賴于所測(cè)試節(jié)點(diǎn)的信號(hào)是否正常。因此，一個(gè)設(shè)備的功能是否正常，本質(zhì)上是通過判斷裝備所具有的信號(hào)處理功能是否正常。

因此，在電子裝備教學(xué)中，無論是裝備原理課和裝備維護(hù)課的講授上都可以以信號(hào)為主線進(jìn)行安排。

二、提出的信號(hào)主線教學(xué)法

所謂的信號(hào)主線法就是以電子裝備的功能為出發(fā)點(diǎn)，以模塊為基本單位，以電子信號(hào)的流向?yàn)橹v解順序，重點(diǎn)講解各級(jí)電子信號(hào)的處理方法、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上電子信號(hào)的特征與測(cè)試方法。以電子裝備的功能為出發(fā)點(diǎn)是因?yàn)殡娮友b備所擔(dān)負(fù)的任務(wù)是完成一定的信息獲取或者信息傳遞功能。為完成這種功能，以現(xiàn)有的天線工藝水平、射頻電路制造水平、信號(hào)處理水平和電子元器件器件工藝水平為基礎(chǔ)，采用一定的結(jié)構(gòu)，分別在射頻和基帶處理信號(hào)，提取出信號(hào)所攜帶的信息或者將信息搭載到信號(hào)上去。因此，從本質(zhì)上說，電子設(shè)備完成的功能其實(shí)是信號(hào)處理功能。

以模塊為基本單位，這是因?yàn)楝F(xiàn)代的電子設(shè)備，一般以模塊為基本單位進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。比如，對(duì)于用于電子偵察的接收機(jī)而言，一般分為天線、射頻前端和信號(hào)處理、顯示控制四個(gè)模塊。而其中的射頻又可以細(xì)分為一級(jí)變頻、二級(jí)變頻和三級(jí)變頻。信號(hào)處理又可分為數(shù)模變換、FFT變換等。這樣，在講解時(shí)就可以按照“天線射頻前端信號(hào)處理顯示控制”的順序進(jìn)行講解。講解的重點(diǎn)是每個(gè)模塊所進(jìn)行的信號(hào)處理功能。如天線的功能是獲取某個(gè)方向發(fā)射來的電磁波；射頻前端的功能就是將接收的電信號(hào)通過三級(jí)變頻的方式變換到固定的中頻上去；信號(hào)處理的功能就是獲取固定中頻信號(hào)所包含的頻率信息；顯示控制的功能是對(duì)整機(jī)的工作頻率、接收通道進(jìn)行控制和顯示接收機(jī)的狀態(tài)信息。

信號(hào)流是指信號(hào)從輸入到輸出所經(jīng)歷的過程。在電子裝備中，以信號(hào)從上游到下游的這條線路作為線索，是在電子裝備教學(xué)中常用的方法。對(duì)于接收機(jī)而言，信號(hào)流一般是從高頻到低頻，從低頻到基帶，從模擬到數(shù)字的過程；對(duì)于發(fā)射機(jī)而言，信號(hào)流一般是從基帶到射頻，從低頻到高頻的過程。以信號(hào)流的順序講解，符合裝備的基本工作過程。由于裝備是以模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)的，大的模塊包含小的模塊。如一個(gè)LRU包含幾個(gè)SRU。因此，在以信號(hào)流為順序進(jìn)行講解時(shí)，需要以相同等級(jí)的模塊為劃分。常規(guī)的講解方法是按照從大到小的順序，比如先按照LRU的順序，講解大級(jí)別上信號(hào)的流向；再深入講解SRU內(nèi)部的信號(hào)流。

信號(hào)的特征指的是在設(shè)備關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上的信號(hào)在不同“域”上具有的不同特征。所謂的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一般指LRU或者SRU的輸入、輸出端口或測(cè)試端口。一般情況下，這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的信號(hào)都是可以測(cè)試的。信號(hào)的特征主要表現(xiàn)在時(shí)域、頻域、時(shí)頻域或調(diào)制域信號(hào)某些特性的變化。以最常見的上變頻模塊為例，輸入信號(hào)有兩個(gè)：來自天線的射頻信號(hào)和來自本振的本振信號(hào)。輸出信號(hào)就是混頻之后的信號(hào)。要準(zhǔn)確理解上變頻的工作原理，最主要的就是把握輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的在頻域的關(guān)系。輸出信號(hào)的頻率等于輸入信號(hào)頻率之和。這是上變頻器最主要的作用。在教學(xué)中，可以通過設(shè)定不同的本振頻率和輸入信號(hào)頻率，求出輸出信號(hào)的頻率，引導(dǎo)學(xué)員掌握變頻器的作用。在此需要指出的是，信號(hào)特征在通過各個(gè)LRU或者SRU時(shí)，一定會(huì)發(fā)生改變。這是因?yàn)椋琇RU或者SRU模塊，其本質(zhì)上是一個(gè)信號(hào)處理模塊，信號(hào)處理模塊必然對(duì)信號(hào)的特征產(chǎn)生改變。如，上變頻器的作用是將信號(hào)的頻率變高，下變頻器的作用是將信號(hào)的頻率變低，低通濾波器的作用是將高頻的噪聲或者干擾濾除，只允許低頻率的信號(hào)通過。因此，從這個(gè)意義上講，各級(jí)模塊（如LRU或者SRU）的功能的發(fā)揮依賴于其信號(hào)處理功能是否正常，體現(xiàn)在信號(hào)特征是否按照設(shè)計(jì)的功能進(jìn)行改變。信號(hào)特征是信號(hào)主線法的講解重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。

電子裝備中的信號(hào)特征必須借助一定的測(cè)試儀器儀表進(jìn)行測(cè)量得到，因此信號(hào)的測(cè)試是電子裝備實(shí)踐教學(xué)中的重點(diǎn)。信號(hào)的測(cè)試方法目前主要包括電壓測(cè)試、電流測(cè)試、功率測(cè)試、頻率測(cè)試，高級(jí)的測(cè)試還包括噪聲系數(shù)測(cè)試、駐波比測(cè)試、S參數(shù)測(cè)試等。測(cè)試的目的是獲取信號(hào)的特征參量，并根據(jù)產(chǎn)品說明書，判斷所測(cè)試的信號(hào)是否滿足性能指標(biāo)。在進(jìn)行信號(hào)測(cè)試教學(xué)時(shí)，有兩個(gè)重點(diǎn)，一是理解測(cè)試參量的物理含義，尤其是很多復(fù)雜參量的含義，如噪聲系數(shù)、駐波比、S參數(shù)、三階交調(diào)等。一是儀器儀表的正確使用。比如頻譜儀、矢量分析儀的使用一直是教學(xué)的難點(diǎn)。究其原因是因?yàn)檫@些儀器儀表涉及到大量的信號(hào)參量，這些信號(hào)參量不直觀，難于理解。因此，在信號(hào)測(cè)試教學(xué)中，需要根據(jù)教學(xué)對(duì)象的認(rèn)知水平和崗位的需求，以夠用為原則進(jìn)行講授。endprint

從以上的分析我們可以看出，信號(hào)主線法的核心是信號(hào)流、信號(hào)特征和信號(hào)測(cè)試。在教學(xué)中，只要從這三個(gè)方面進(jìn)行講解，可以高效地使學(xué)生掌握裝備的工作過程，從而為裝備的維護(hù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三、信號(hào)主線法實(shí)施的關(guān)鍵點(diǎn)

1.信號(hào)主線法中各要素之間的邏輯關(guān)系

信號(hào)主線法中的各要素不是孤立的，它們之間有著密切的關(guān)系。電子裝備中各模塊的電氣連接，是信號(hào)流形成的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，當(dāng)這種連接構(gòu)成之后，就形成了信號(hào)流。除了源模塊和顯示等終端模塊外，大部分情況下，每個(gè)模塊都有輸入和輸出。這些輸入信號(hào)和輸出信號(hào)互相連接起來，就構(gòu)成了信號(hào)流。信號(hào)流表示信號(hào)之間的邏輯關(guān)系。比如串聯(lián)關(guān)系、并聯(lián)關(guān)系和混合關(guān)系等。信號(hào)流為故障診斷提供了邏輯推理上的基礎(chǔ)。比如，串聯(lián)關(guān)系的信號(hào)發(fā)生故障后，故障會(huì)向后傳遞，而并聯(lián)關(guān)系的信號(hào)發(fā)生故障后，不會(huì)影響其余并聯(lián)支路的信號(hào)。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)流都具有一定的特征，這些特征有的是時(shí)域的，有的是頻域或者功率上的特征。在高頻率電路中，信號(hào)的頻率特性是主要的特性。

信號(hào)特征的表現(xiàn)需要通過儀器儀表的測(cè)試才能獲得，因此，信號(hào)測(cè)試是判斷信號(hào)特征是否正確的技術(shù)手段。當(dāng)判定信號(hào)是否正確時(shí)，需要以測(cè)試結(jié)果與測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)。當(dāng)信號(hào)正確時(shí)，電子裝備的功能肯定正常。測(cè)試結(jié)果不能通過時(shí)，表示功能不正常。

2.信號(hào)主線法在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

從裝備維護(hù)的角度來看，其具體工作保護(hù)兩部分：部件的拆裝和部件的測(cè)試。測(cè)試的目的是發(fā)現(xiàn)故障件，也就是對(duì)故障進(jìn)行定位，排除裝備存在的故障。故障定位的對(duì)象是模塊，也就是LRU或者SRU。故障定位依賴于信號(hào)的測(cè)試，也就是根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)裝備的故障模塊進(jìn)行推理定位。

電子裝備的目的是完成一定的信號(hào)處理功能：傳遞信號(hào)或者提取分析信號(hào)。因此，電子裝備可以看作是多個(gè)信號(hào)處理器件的組合。裝備發(fā)生故障也就是其功能不正常，必然會(huì)導(dǎo)致裝備中某些部位的信號(hào)特征發(fā)生改變。故障排除的目的是找出故障模塊。模塊是否正常依賴于所產(chǎn)生的信號(hào)是否正確，也就是信號(hào)特征是否滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作的要求。信號(hào)特征是否滿足要求，需要由相應(yīng)的測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果判定信號(hào)是否符合要求。而信號(hào)是由各個(gè)構(gòu)成電子裝備的模塊組成的，因此信號(hào)測(cè)試結(jié)果反映了模塊（LRU或者SRU）功能是否正常。也就是說，可以通過測(cè)試相應(yīng)的信號(hào)，推斷出故障件。

對(duì)于具有多個(gè)模塊構(gòu)成的復(fù)雜電子裝備，選擇合適的測(cè)試節(jié)點(diǎn)順序，有助于以最小的測(cè)試步驟或者測(cè)試時(shí)間找到故障件。

3.信號(hào)特征的可視化

從不同的領(lǐng)域，信號(hào)處理可以分成不同的類型。常見的信號(hào)處理分類方法是將信號(hào)處理分為模擬信號(hào)處理和數(shù)字信號(hào)處理。二者處理的對(duì)象不同，方法也不同。模擬信號(hào)處理的是時(shí)間上連續(xù)、幅度上連續(xù)的信號(hào)。如各種電容、電阻、電感等器件；數(shù)字信號(hào)處理的對(duì)象是數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)是對(duì)模擬信號(hào)數(shù)字化后的信號(hào)，其特性在很大程度上繼承了數(shù)字化前的信號(hào)特征。

信號(hào)處理的目的是便于信息的發(fā)送或者便于提取有效的信息，必然會(huì)改變信號(hào)的特征。信號(hào)的特征可以分為時(shí)域特征、頻域特征、調(diào)制域特征等。信號(hào)處理必然會(huì)改變信號(hào)在某個(gè)域的特定。如幅度的改變、頻率特征的改變等。

參考文獻(xiàn)：

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