信号依存关系在教学中的应用

摘要：利用信号依存关系，讲述电子对抗接收机的工作原理和排故方法，具有一定的推广价值。

关键词：信号；依存关系；教学

中图分类号：G648 文献标识码：B 文章编号：1672-1578（2013）12-0010-02

目前无线电装备得到广泛的应用，无线电装备的维修是电子装备维中的重要组成部分。由于无线电装备功能的实现是以信号处理为核心的，因此无线电装备故障的诊断依赖于信号的测量。但无线电装备中信号种类繁多、特性各异、关系复杂，仅根据单个信号测量结果判断某一模块工作是否正常是不可行的。本文采用明确信号特征、确定信号转换关系，建立依存矩阵、生成故障树的方法，该方法以信号依存矩阵为基础，具有严格的逻辑性和通用性，简单易行，便于推广应用。下面结合一款典型的超外差侦察接收机故障诊断过程说明本方法。

1.接收机工作原理

接收机主要以超外差体制为主，超外差接收机非常灵活，大量用于无线电侦察。由于它采用线性检波器或鉴频器，因此可提供与其预检波带宽和检波后处理增益有关的最佳灵敏度。基本的超外差接收机利用调谐式本振将一部分射频波段"外差"（即线性移动）到固定的中频。超外差接收机使用一个调谐式带通滤波器来实现隔离干扰信号，控制该滤波器及本振从而选择仅被转换为中频宽带的输入频谱部分。调谐式带通滤波器和中频放大器联合使用，使接收机可以获得最佳的灵敏度、选择性和瞬时频谱覆盖。超外差接收机常被用于窄带电子对抗侦察系统，同时它们还可以用于宽带电子对抗侦察系统中完成复杂的任务。

图1给出了带有调谐式带通滤波器的超外差接收机结构图。从图1可以看出，常规的超外差接收机由调谐式带通滤波器、调谐控制、本振、混频器、固定中频滤波器、检波器、频谱显示等七个模块组成。其中，每个模块的输出信号采用大写英文字母进行标记。如信号A表示调谐式带通滤波器的输出信号，信号B为混频器的输出，S为超外差接收机的输入。信号测量结果是否通过标志着相应模块是否工作正常。下面从信号特征、信号转换关系、信号依存关系和生成故障树来讨论对超外差接收机的排故问题。为方便讨论，将各个模块分别记为模块1到模块7。

2.提出的故障诊断方法

2.1 明确信号特征。明确信号特征是进行故障隔离的基础。装备中每个模块的输出是否正常都是以信号特征为依据的。因此，在进行故障排除前，首先需要根据产品说明书和使用维护说明书，明确每个模块的输出信号特征。无线电信号主要具有三个方面的特征：功率、频率和相位。其中，相位在实际的测试中较少提及。在测量和故障诊断领域，一般仅需要对信号的其它两个特征：功率、频率进行测量就能判断模块输出信号的好坏。而频率的测量又包括中心频率的测量和带宽的测量。

在进行故障诊断时，若没有先验知识，理论上应当明确所有模块输出信号的特征。若存在先验知识可用时，比如某个模块的故障率较高时，可以减少对故障率较低信号的测量。

如在某型超外差接收机中，当激励源S频率为300MHz，带宽为1MHz的宽带信号时，经过调谐式带通滤波器信号的频谱中心应为300MHz，带宽为1MHz，功率为-30dBm。这里首要的信号特征是功率，当信号的功率小于-30dBm时，可以判定信号A测试不通过；信号第二个重要的特征是频率和带宽，当信号的中心频率发射偏移或者带宽小于1MHz时，同样可以判定信号A测试不通过。需要指出的是，信号A测试不能通过并不能直接推断出模块1发生了故障，这是因为信号A与多个模块有关。

2.2 确定信号转换关系。从上面的讨论可以看出，明确信号的特征并不不能推断出模块是否故障。还需要确定信号转换关系。所谓的信号转换关系指的是单个模块输入信号与输出信号之间是如何转换的，也就是说信号在单一模块之间是如何衍生的。

信号转换关系可以分为5类：源、宿、单入单出、单入多出、多入单出。其中，源表示该模块没有输入信号，宿表示该模块没有输出信号，单入单出表示该模块只有1个输入信号和1个输出信号，单入多出表示该模块有1个输入信号和多个输出信号，多入单出表示该模块有多个输入信号和1个输出信号。

以超外差接收机为例，以模块1、模块2为多入单出模块，模块1有两个输入信号：S和E，其信号转换关系可以记为：S+EA。这表示信号A是由信号S和信号E共同作用产生的。对于模块2，其信号转换关系为：A+GB，表示信号A和信号G共同作用产生了信号B。模块3、模块4、模块7均为单入单出模块，其信号转换关系可以记为：BC、CD、FG。模块6为源，由于源没有输入，因此模块6的信号转换关系可以记为：E、F。模块5为宿，其信号转换关系可以记为：D。

信号转换关系可以用于简单的故障推理。在单一故障存在的情况下，对于源，若其生成的信号测试不通过，即可推断该模块故障；对于宿，若其上一级生成的信号测试通过，即可推断该模块故障；对于单入单出模块，若其产生的信号测试通过，则表明该模块工作正常，若其产生的信号测试不通过，则需要进一步的测试才能进行故障推断。对于复杂的故障排除，需要采用信号依存矩阵进行。

2.3 建立信号依存矩阵。信号的依存关系反应了全部信号与全部模块之间的衍生关系，一般采用依存矩阵进行表示。依存矩阵根据信号的转换关系生成。表1给出了超外差接收机信号的依存关系矩阵。矩阵的行表示，如果某模块故障会导致哪个信号测试不通过；矩阵的列表示，如果某信号测试通过，表示哪个模块工作正常。

以矩阵的第1行为例，模块1与{A，B，C，D，E，F，G}等7个信号的依存关系为：{1，1，1，1，0，0，0}。这表示如果模块1发生故障，信号A、B、C、D必然测试通不过，而与信号E、F、G无关。模块1与信号B的依存关系为1，表示如果模块1故障，必然会导致信号B测试不通过。这从信号的转换关系中也容易看出：信号A和信号G共同"生成"了信号B，而信号A是由模块1产生的，模块1故障必然导致信号A测试不通过，信号A测试通不过必然会导致信号B测试不通过。模块1与信号E、F、G之间的依存关系均为0，这表示信号A测试不通过，与信号E、F、G测试是否通过无关。也就是说模块1与信号E、F、G无依存关系。

以矩阵的第4列为例，信号D与模块1到模块7的依存关系为{1，1，1，1，0，1，1}，这表示如果信号D测试通过，说明模块1、模块2、模块3、模块4、模块6、模块7必然工作正常，而模块5不一定工作正常。即信号D测试通过不能推理出模块5工作正常，而能推理出其余模块工作正常。从上面的讨论和依存矩阵可以看出，信号依存矩阵来源于信号之间的转换关系。

2.4 生成故障树。在故障排除的过程中，故障树决定着排故的整体流程。故障树的生成可以依据复杂的数学理论，当测试模块不多时，也可以采用简单的生成方式。这里简单介绍两种故障树的生成方式，一种是完全依据信号流程进行生成故障树。依据信号的主流程：ABCD，加上其余3个信号E、F、G，可以生成简单的故障树：EFGABCD。

第二种故障树的生成方法可以根据依存矩阵的行或者列。这里以列生成法为例。在以依存矩阵为依据的故障树生成法中，关键是需要确定从哪个信号点开始测量，因为这决定着故障树的长短。选取起始测量点可以根据矩阵列中1和0的个数之比，原则上，应当选取的信号与模块的依存关系中0和1的个数相差不多的信号。这是因为，一旦测量该信号后，即有大约50%的概率来确定与该信号相关联的模块是否正常工作。

以超外差接收机为例，信号B与每个模块的依存关系中，有4个1，3个0。如果信号B测试通过，说明模块1、模块2、模块6、模块7均工作正常。这样就可以只测量信号C和信号D来确定模块3、模块4工作是否正常；如果信号B测试不通过，只需要通过测量信号A、E、F、G来确定模块1、2、6、7哪个发生了故障。生成的故障树如图3所示。

从图3中可以看出，生成的故障树比图3所生成的故障树要短些，这说明故障排除的平均步骤数要少于图2所示的故障树。因此在平均排故步骤方面，根据依存关系矩阵生成的故障树要优于采用信号流程生成的故障树。

3.结束语

本文针对无线电装备的故障诊断问题，提出了明确信号特征、确定信号转换关系，建立信号依存矩阵、生成故障树的一套故障诊断方法，结合一款典型的超外差接收机故障诊断案例进行了详细的阐述。该方法以信号依存矩阵为基础，具有简单易行、通用性强、便于推广的特点。

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