信号可视化在机载电子设备教学中的应用

张庆海 刘笑 马明

摘 要： 机载电设备涉及多种信号和信号处理方法，理解这些信号和信号处理方法是掌握其工作原理的基础。在机载电子设备教学中，为了直观地表现信号处理的原理，提出机载电子设备的信号可视化教学方法，从时域、频域、时频域和统计域分别描述信号的不同特征，使复杂的信号特征直观化，便于学生理解信号内涵，从而更好地掌握学习内容。

关键词： 信号可视化 机载电子

随着无线电装备的大量应用，民航飞机上装备了各种仪表和仪器。如何理解这些仪器仪表的工作原理，是航空电子工程师的重要任务。在航空电子设备的维护过程中，电子信号始终贯穿于各项工作中。而电子信号的样式有成千上万，理解这些信号成为电子工程师的难点，抓住信号的特征是掌握信号处理原理的根本。通过大量教学内容，我们归纳出信号具有的基本特征可以从四个方面描述：时域、频域、时频域和统计域。本文给出从这四个方面表现信号的方法，并以计算机仿真的形式，给出进行信号可视化的基本方法。

一、信号四个方面的特征

信号的种类有很多，导致信号具有不同特征。根据教学发现，信号的特征可以从时域、频域、时频域和统计域四个方面进行描述，下面分别介绍这四个方面特征。

1.时域特征

时域就是信号的幅度或者功率随着时间的变化情况。有的信号变化快，如各种电子噪声，有的信号变化慢，如电子传感器测量到的气温等。时域特征是信号的基本特征。时域特征的表现形式就是我们常说的波形。

2.频域特征

自从出现了傅里叶变换后，信号的频域特征更为人们所关注。信号的频域特征就是信号在频率域的分布情况。由于时域与频域是完全对应的，因此时域的变化情况会反映在频域。如在时域变化快的信号，就会在频域出现高频率成分的信号；在时域变化慢的信号，在频域就会出现频率成分低的信号。

虽然频域特征与时域特征是一一对应的，但是频域特征有时更直观。如通过频域特征可以发现信号包含的不同频率成分。在实际工作中，尤其是对高频信号，只能获得信号的频域特征，时域特征很难直接获得。因此，可以说频域特征是信号最重要的特征之一。

3.时频域特征

时频分析是信号处理发展到高级阶段产生的新的信号分析工具。信号的时频域特征就是信号的频率随时间的变化情况。传统的信号分析一般假设信号是平稳的，也就是说信号的频率成分不随时间的变化而变化。而在实际环境中，信号往往是非平稳的。信号的频率随时间而变化的。如果仅从时域或者频域方面描述信号，往往不能反映出这种变化。时频域的分析能给出很好的解决方法。

二、信号特征的可视化方法

信号可视化的方法有很多种。针对教学而言，一般是采用计算机仿真的方法产生各种信号。然后通过对信号进行处理，将信号在不同特征域表现出来。因此，信号可视化包含的内容有：开发环境、信号的产生、信号的处理和信号的表现。

1.信号可视化的开发环境

常规的信号仿真工具包括MATLAB、C++、Python等。对于高校教师而言，MATLAB无疑是最合适的开发工具，它不仅语法简单，而且可以工作于多个平台之上。C++是偏向于工业化或者说是产品化的开发工具，信号处理的开源库比较多，但其开发难度要大于MATLAB。Python是跨平台的开发工具，目前有很多信号处理库，开发难度介于MATLAB与C++之间。

2.信号的产生

信号的产生既可以产生模拟的信号，又可以是用传感器采集来的信号，如采用温度传感器、压力传感器、AD数据采集器等。实际中也可以采用仿真的方法产生各种信号，在产生信号时，要注意的方面包括：信号的样点数和采样频率等。

3.信号的处理

信号的处理在计算机仿真方面一般采用数字处理的方式模拟实际中的处理。信号处理的范畴很宽，包括滤波、调制、同步、检测和跟踪等。信号的处理过程模拟是进行信号可视化的关键和难点。这是因为信号处理是一切电子系统的核心，是一切电子系统功能的支撑。

4.信号的表现

信号的表现就是信号特征的表现，包括各种波形、频域特征、时频域特征、统计域特征等的表现。时域波形的表现主要是波形的绘制，在绘制波形时可以采用线、柱、散点的形式。在进行频域特征表现时，一般采用FFT变换后，给出其频谱，由于FFT是分段处理的。因此，可以采用分段读入数据计算FFT的方式，显示每段数据的频谱，这样形成的频谱具有动画效应。

信号的时频域特征一般采用时频变换、小波变换等方法。由于时频变换的计算量巨大，因此对信号进行时频变换时需要分段读入。统计域的特征一般采用直方图的方式进行表示。

三、信号可视化实例

1.信号的时域特征

信号的时域特征我们这里采用两种方法进行表现，一种是模拟产生的正弦波信号。图1依次给出了频率不断升高的信号波形。

图1 正弦信号与语音信号的时域特征

2.信号的频域特征

信号的频域特征有时能够给出更精确的信号特征描述。如图2所示，给出的是3个周期信号的叠加。从图2很难看出信号包含多少个频率成分，而下图给出的是信号在频域的分布情况，很容易看出信号是由3个频率成分组成的。这说明频域的特征具有更直接的特征描述力。

图2 合成信号的频域特征

3.信号的时频域特征

信号的时频域特征反应的是信号的频率随着时间的变化情况。如图3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不断增大。

图3 线性调频信号的时频域特征

4.信号的统计域特征

信号的统计域特征反应的是信号幅度的变化频率情况。图4给出了正态分布信号的统计域特征。从图4可以看出，该随机信号的幅度分布服从正态分布。

图4 随机信号的统计特征

四、结语

将信号的特征在不同的域中表现出来，更直观地掌握信号的特性，是航电设备原理教学中的难点。本文从信号的产生、处理、变换和表现方面出发给出了信号在时域、频域、时频域和统计域的特征表现方式，在实际教学中有很好的效果。

参考文献：

[1]郭宝龙，朱娟娟，吴宪祥，闰允一.“信号与系统”课程可视化教学的实践探索[J].电气电子教学学报，2010.10，32卷（5）：62-64.

[2]王旭，薛丽芳，杨丹，韩志艳.基于小波变换的语音信号可视化研究[J].计算及应用研究，2009.1，第26卷（1）：94-96.

[3]高旭.电子系统多信号建模可视化技术的研究与实现[D].电子科技大学，2011.5.