信号可视化在无线电装备教学中的应用

摘要：信号处理是无线电设备的工作的核心。无线电设备中涉及到多种信号和信号处理方法。在无线电设备教学中，为了更好地表现信号处理的过程，直观地传递信息，提出了信号可视化的教学方法，使复杂的原理直观化，便于学生理解学习。信号可视化包括信号特征可视化和信号处理可视化两方面。信号特征可视化方面，针对雷达、通信、语音、导航等类型信号，给出了时域、频域、时频域信号可视化的方法；信号处理过程可视化方面，针对滤波、调制、解调、傅里叶变换等信号处理方法，结合各种信号处理操作前后信号在不同特征的变换，给出了可视化表现方法。该方法用于通信原理的职业教育中，起到较好的效果。

关键词：电子设备；信号可视化；模拟仿真

中图分类号：G648 文献标识码：B 文章编号：1672-1578（2013）12-0005-02

信息时代的今天，无线电装备得到大量的应用，尤其是在飞机上，大量的机载电子设备得到广泛的应用。在机载电子设备的教学中，涉及到各种类型的信号和信号处理方法，理论讲解很难达到较好的效果。为了提高教学效果，提出了采用信号可视化的教学手段。信号可视化的主要目的是借助图形化手段，更高效和清晰地交流信息。为了让思想能有效地传递，良好的外观和内在功能性都缺一不可。从信号特征可视化和信号处理可视化两个方面进行可视化教学。给出了信号可视化的定义和信号可视化实现方面的原则，并给出了信号可视化的实例，对电子类教学具有启发意义。实际教学活动表明本教学方法获得较好的教学效果。

1.可视化研究进展

信号可视化与信息可视化的概念类似，但研究的对象不同。首先来回顾一下信息可视化（Information Visualization）的概念，信息可视化是包括数据可视化（Data Visualization）在内的，是科学可视化的具体实现。而数据可视化起源于1960年计算机图形学，人们使用计算机创建图形图表，可视化提取出来的数据，将数据的各种属性和变量呈现出来。

信号可视化的对象是信号，而信息可视化的研究对象是数据的可视化。根据信息论的定义，信号是信息传输的载体。因此，信号的复杂度与信息传输方式有很大关系。如同一个信息，既可以通过无线电波发射出去，也可以通过有线网络、光纤发射出去。因此，信息可视化是与专业领域密切相关的，信号可视化的难度远大于信息可视化。

文献[1]探索了信号与线性系统中可视化教学方法的应用。该文采用Matlab作为可视化工具，给出了傅里叶分析的可视化实现方法。文献[2]对经过小波变换滤波后的语音信号进行特征编码形成语音的组合特征，将该组合特征作为一个新的特征量来表小语音信息，并将这种特征用简中的图形表示出来。文献[3]着重介绍了可测性辅助设计与分析软件的图形化建模软件平台的方案设和具体实现。该文采用Visio绘图控件进行二次开发来构建图形化建模环境，允许建模人员创建系统的多信号分层可测性模型图，用于可测试评估。文献[4]为满足水声对抗的实时可视化需求，采用基于OpenGL的三维图形编程语言和多线程技术，实现了对水声信号类型、频谱的嵌入和单独绘制，并且将OpenGL绘制的图形嵌入到OpenGVS软件中，实现了视景的同步显示。文献[5]利用Surfer绘制等值线和Java语言实现了无线电台信号覆盖范围的地图可视化。以上文献对信号可视化进行了广泛的研究，但在可视化的定义、原则与使用方面研究不够深入。本文就信号可视化的定义，可视化的原则和实现方法方面进行深入的研究，探索信号可视化的内涵和实现方面的原则。

2.信号可视化的定义与原则

2.1 信号可视化的定义。电子装备按照处理信号的不同可以分为有线电子装备和无线电子装备。其中，无线电子装备用于接收和发射无线电信号，其功能和原理更为复杂。在无线电子装备中，信号处理是核心。对信号处理的理解可以从两个方面进行。一个是信号的特征，也就是信号在时域、频域、时频域的特征；一个是信号处理对信号特征的改变。如滤波将会去除信号附加的噪声，调制将会根据信号的幅度、频率或者相位改变载波的响应特征。

图1 信号可视化的含义

因此，机载电子设备教学中信号可视化包括两个方面，一个是信号特征的可视化，一个是信号处理的可视化。信号特征的可视化是基础，信号处理的可视化是核心。机载电子设备中的信号来源包括两种：一种是直接采集人工信号，如语音、图像、文字等。一种是由电子设备自身产生信号，包括雷达信号、高度表信号、导航信号等。因此，信号特征的可视化主要指以上信号具有的特征的可视化。机载电子设备中，主要的信号处理过程包括滤波、检波、调制与解调、检测、匹配等，因此信号处理的可视化主要包括滤波、检波、调制与解调、检测、匹配等多种操作前后信号特征的变化。总之，信号特征的可视化可以使学生便于认识各种不同特征的信号，而信号处理的可视化可以使学生便于掌握不同信号处理方法对信号特征的改变，进而掌握信号处理的本质。

信号可视化包括两个方面的内容：信号特征可视化和信号处理可视化。其中，信号特征可视化包括信号时域可视化、信号频域特征可视化、信号能量域可视化和信号空域可视化四个方面。信号时域可视化是指信号时域波形的可视化，如无线通信信号在时域上是密集的，而雷达信号在时域是稀疏的。信号频域可视化指的是信号频谱可视化，如单音信号与多音信号，在频域具有单峰和多峰的不同特点。信号能量域可视化是指信号功率的可视化，主要用于表现某个频段内不同频点信号强度之间的差别。信号空域可视化指的是将某一空域内的信号进行可视化表现，如某一战场区域内雷达信号的强度进行可视化显示。需要指出的是，信号特征的可视化在使用时不仅仅局限于某一单一特征的可视化，应该是两个或者两个以上特征的可视化。例如，由于空域的不同，信号的能量会发生变化。

信号处理是电子设备工作的核心，其种类繁多。信号处理的可视化是指各种信号处理结果的可视化。信号处理前后，信号的特征必然发生变换，因此信号处理的可视化主要用于表现信号处理前后信号特征的改变。如调频前后载波频率的变化，滤波前后信号频率成分的变化等等。信号处理可视化的主要内容包括信号滤波可视化、信号调制可视化、信号解调可视化、信号变换可视化、信号混频可视化等。由于信号处理的手段和方法发展很快，信号处理可视化的内容也将不断发展变化。

2.2 信号可视化的原则

2.2.1 功能与外观统一的原则。信号可视化的目的是将复杂的理论直观表现出来。表现的目的是有效地传递图形或图像所携带的信息。因此，传递信息的正确性在很大程度上依赖于信号可视化的表现方法。信号可视化需要注意功能与外观统一的原则。若采用不合适的方法表现信号的外观，会误导学员，反而起到不好的效果。

2.2.2 比较性原则。信号可视化的目的是将表现信号的特征，而信号特征的表现一般通过比较得到。如频率的高低，需要同时将两个频率高低不同信号的频率同时进行显示，才能直观表现频率特性。在信号处理可视化中，要表现滤波对信号的改变作用，可以通过比较滤波前后信号波形的变化或者频谱的变化来进行表现。比较性的目的是使信号特征更为明显，使信号处理的作用更加直观。

2.2.3 可控化原则。可控指的是对信号和信号处理参数的可控。在教学中，开发可视化软件时，尽量使各种参数可控。如在信号频率可视化时，可以将信号频率设为可变参数，学员可以通过改变产生信号的频率，观察实际信号频谱和波形的变化。又如，在低通滤波可视化时，需要将低通滤波器的参数可控，学员可以通过改变低通滤波器的各个参数，实现对不同频率成分的过滤。总之，可控的可视化软件，可以使学员体会参数改变对信号特征和信号处理的影响，形成较深入的理解。

2.2.4 动态与静态兼顾的原则。现实中，信号是动态的，但若将信号动态表现，难度大，且不易观察。因此在信号可视化中，可以根据需要，将信号特征和信号处理动态或静态进行表现。如在表现信号多普勒效应时，使用动态表现比较合适。在表现信号频域特性时，动态与静态结合，可以获得不同的体验。在跳频信号可视化时，采用动态的表现形式，可以将频点随时间变化的特性较好地表现出来。

3.信号可视化实例

3.1 信号特征可视化实例。信号的频率与相位是信号最基本的物理特性。为了将信号频率特性在时域的差别合理地表现出来，通过产生3个不同频率的信号，并在同一个图上显示出来。从图中可以明显看到，随着信号频率的升高，信号的重复的"密度"也越来越高。右图给出了随着初始相位不同，信号时域波形的变化情况。从右图可以看出，初始相位的变化影响着正弦信号波峰的位置，也就是信号超前或者滞后均为相位延迟或者超前造成的。

图2 正弦信号频率（左）与相位（右）的可视化表现

3.2 信号处理可视化实例。信号处理的方法比较多，典型的信号处理方法包括调制、解调、滤波等等。而调制又分为模拟调制和数字调制。滤波又分为低通滤波、高通滤波、带通 滤波等。为简便起见，这里给出了模拟调幅（AM）调制（左）和模拟调频（右）的可视化图形。从图3左图可以看出，模拟调制信号的包络随着输入信号幅度的变化而变化。也就是说输入信号改变了载波的幅度。从图3右图可以看出，调频信号的频率随着输入信号幅度的增大而增大，随着输入信号幅度的降低，已调信号的频率变低。通过图3很容易理解调幅和调频的原理。

图3 模拟调幅的图形化表现

图4中的两个图分别给出了高通滤波和低通滤波的频域图形。从左图可以看出，当白噪声通过高通滤波器后，输出的频谱成分中只有高的频率成分，低频率成分被滤除。而在右图可以看出，当白噪声通过低通滤波器后，输出信号的频谱成分中只有低频率成分，高频率成分被滤除掉。通过图4，可以使学员理解滤波器的工作原理。

4.小结

将复杂的信号进行直观化的表示，是现代电子设备教学中一件重要而难于实现的事情。本文首先通过调研近期信号可视化的研究成果，在此基础上给出了信号可视化的定义和信号可视化必须遵循的原则。接着介绍了几种信号可视化的实现方法，最后通过几个实例说明信号可视化的应用方法。本文对电子设备的教学方法研究方面有一定的借鉴作用。

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