Адаптивный анализатор спектра с линейным предсказанием

 

АДОПТИВНЫЙ АНАЛИЗАТОР С ЛИНЕЙНЫМ ПРЕДСКАЗАНИЕМ,.содержащий Фурье-преобраэрватель, ряд (N+1) умножителей, ряд (ц .+1) накап-. ливающих сумматоров, входы которых соединены с входами многовходового сумматора, последовательно соединенные первый регистр числа, блок умножения , второй регистр числа, последовательнр соединенные квантователь и ряд N jReiPHCTpba сдвига,t выход многовхсздоЪого сумматора Соединен входом блока умножения, а выходы ряда накапливающих сумматоров подключены к соответствующим входам первого элемента ИЛИ, при этом Фурьепреобразователь содержит регистр числа к последовательно соединенные постоянные запоминающее.устройство и арифметический блок, второй вход которого соединен с выходом регистра числа, а выход подключен к входу регистра числа и входу Фурье-преобраг .зователя и является выходом адаптивного анализатора, отличаю-, ... щ и и с я тем, что, с.целью увеличения быстродействия анализа„спектра , в него введены дополнительно ряд ( N+1 ) к точей, второй ряд ( N+1 ) накапливгСкхдих су 1маторов, первый и второй рядыЛ N+1 ) элементов-ИЛИ, делитель кода, дополнительные второй и третий, элементы ИЛИ, ряд (N+1 )i буферных регистров, входной и выходной ключи, последовательно соеданенныё третий регистр числа, четвертый элемент ИЛИ, второй блок умножения, пятый элемент ИЛИ, а также элемент И дополнительный накапливающий сумматор и блок сравнения, при этом.выходы квантователя и ряда регистров сдвига Через первые входы первого ряда элементов ИЛИ соединены с первыми входами ряда (N+1 ) умножителей, выходы которых подключены к входам ряда (N+1)) ключей, первые |рыхода которых п6дкл:очены к входам второго ряда 1 ) накапливаемых су.1маторов, вторые выходы - к соответствующим входам многовходового сумматора, к вторым входс1М ряда умножителей через первые КО входы второго ряда соответствукяцих элементов ИЛИ подключены выхода первого ряда накапливающих cyi MOTOpOB, входы которых подключены, к вторым выходам ряда ( к+1 ) ключей а вторые g входы второго ряда элементов ИЛИ соединены с выходом второго регистра числа, с вторыми входами третьего И четвертого дополнительныхэлемент тов ИЛИ и .через входной ключ подклю-, 1чены к выходу квантователя, причем .irвыход дополнительного накапливаюкаего сумматора соединен с входом делителя кода, первым входом третьего дополнительного элемента ИЛИ и соответствующим входом первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу выходного ключа, управляющий вход которого соединен с выходом блока сравнения и вторвлм входом элемента И первый выход выходного ключа подключен к входу Фурье-преобразователя, второй выход - ксоответствующему входу второго дополнительного элемента ИЛИ, другие входы которого соеди-.и иены с выходом второго (N4-1 ) накапливающих сумматоров, к выходу .второго дополнительного элемента ИЛИ подключен последовательно соединен

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (р) 6 01 В 23/16 (21) 3389694/18-21 (221 05. 02. 82 (46 ) 07.07.83. Бюл. Р 25 (72 ) N. Б. Столбов, В.И. Якименко и Н.II. Львов (71) Ленийградский ордена Ленина электротехнический институт: им. В.И. Ульянова (Ленина ) (53) 621.317.757 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 669295, кл. G 01:.R 23/00, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 3237221/21, кл. G Оi В: 23/16 от 09.07.81; .(54)(57) АДАПТИВНЫЙ АНАЛИЗАТОР CIIEKTPA С ЛИНЕИНЫМ- ПРЕДСКАЗАНИЕМ,.содержащий Фурье-преобразователь, ряд (N+1.): умножителей, ряд (N .+1 ) .накап-. ливающих сумматоров, вхорря которых соединены с входами многовходового сумматора, последовательно соединенные первый регистр числа, блок. умножения, второй регистр числа, последовательно соединенные квантователь и ряд И регистров сдвига,, выход многовходового сумматора соединен с вторым входом блока умножения, а выходы ряда накапливающих сумматоров подключены к соответствующим входам первого элемента ИЛИ, при этом Фурьепреобразователь содержит регистр числа и последовательно соединенные йостоянные запоминающее устройство и ариФметический блок, второй вход которого соединен с выходом регистра числа, а выход подключен к входу регистра числа и входу Фурье-преобра-. .зователя и является выходом адаптивного анализатора,, о т л и ч а ю шийся тем, что, с.целью увеличения быстродействия анализа спектра, в него введены дополнительно ряд (N+1 ) ключей, второй ряд (N+1 ) накаплив0ощйх сумматоров, первый и второй ряды, (N+1 ) элементов»ИЛИ, делитель кода, дополнительные второй и хретйй. элементй ИЛИ, ряд (N+1 ), „.SU„„10 А буФерных регистров, входной и выходной ключи, последовательно соединенныЕ третий регистр числа, четвертый элемент ИЛИ, второй блок умножения, пятый элемент ИЛИ, а также элемент И, дополнительный накапливающий сумматор и блок сравнення, при этом, выходы квантователя и ряда регистров сдвига через первые входы первого ряда элементов )!ЛИ соединены с первыми входами ряда (И+1 ) умножителей, выходы которых подключены к входам ряда (N+1) ) ключей, первые выходы которых подключены к входам второго ряда (+1 ) накапливаемых сумматоров, вторые выходы - к соответствующим входам

° многовходового сумматора, к вторым Я входам ряда умножителей через первые входы второго ряда соответствующих элементов ИЛИ подключены выходьь первого ряда накапливающих сумматоров, входы которых подключены. к вторым выходам ряда (N+1 ) ключей, а вторые р входы второго ряда элементов ИЛИ соединены с выходом второго регистра числа, с вторыми входами третьего и четвертого дополнительных элемен-.. тов ИЛИ и через входной ключ п дклю-т, чены к выходу квантователя, причем .:. выход дополнительного накапливающего сумматора соединен с входом делителя кода, первым входом третьего дополнительного элемента ИЛИ и соответствующим входом первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу.. выходного ключа, управляющий вход которого соединен с выходом блока сравнения и вторым входом элемента И, первый выход выходного. ключа подключен к входу Фурье-преобразователя, второй выход - к.соответствующему входу второго дополнительного элемента ИЛИ, другие входы которого соеди»:;. иены с выходом второго фида (N+1 ) накапливающих сумматоров, к выходу торого дополнительного элемента ИЛИ одключен последовательно соединен1027636 ный ряд (N+1 } буферных регистров, выходы которых соединены с вторыми входами первого ряда элементов ИЛИ, причем выход делителя кода соединен с входом первого регистра числа, выход третьего дополнительного элемента ИЛИ подключен к второму входу второго блока умножения, вход третьеИзобретение относится к измерительным приборам и предназначено для анализа вероятностных характеристик случайных процессов.

Известны анализаторы, содержащие квантователь, регистры сдвига, умножители и сумматоры (1g.

Их недостаток — длительное время анализа из-за большого количества регистров, умножителей и сумматоров.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является анализатор, содержащий Фурье-преобразователь, вычислитель дисперсии, сумматоры, регистры, умножители и логические элементы (2). 15

Его недостатком является также низ.кое быстродействие из-за необходимост ти наличия информации о структуре исследуемогосигнала. .Цель изобретения — увеличение быс1 щ родействия анализа.

Поставленная цель достигается тем, что в адаптивном анализаторе спектра . с линейным предсказанием, содержащем

Фурье-преобразователь, ряд (N+1 ) 25 умножителей, ряд (N+1) накапливающих сумматоров, входы которых соединены с входами многовходового сумматора, последовательно соединенные первый. регистр числа, блок умножения, второ 30 регистр числа, последовательно сое-, ;диненные квантователь и ряд N регистров сдвига, выход многовходового сумматора соединен с вторым входом блока умножения, а выходы ряда нака>>ливаю- 35 щих сумматоров подключены к соответ.ствующим входам первого элемента ИЛИ, при этом Фурье-преобразователь содержит регистр числа и последовательно соединенные постоянное запоминающее 40 устройство и арифметический блок, второй вход которого соединен с выходом, регистра числа,.а выход подключен к входу регистра числа и входу

Фурье-преобразователя и является выходом адаптивного анализатора, введе-45 ны дополнительно ряд (N +1 ):.ключей, второй ряд (Ы +1 )элементов ИЛИ, делитель кода, дополнительные второй и третий элементы ИЛИ, ряд {N +1 ) буферных регистров, входной и выход- 50 го регистра числа соединен с. выходом второго блока умножения и с первым входом пятого дополнительного элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого накапливающего сумматора второго ряда (N+1 ) накапливающих сумматоров, а второй вход блока сравнения подключен к входу элемента И, ной ключи, последовательно соединенйые третий регистр числа, четвертый элемент ИЛИ, второй блок умножения, Ф пятый элемент ИЛИ, а также элемент И, дополнитель ный .накапливающий сумматор и блок сравнения, при этом выхо;, ды квантователя и ряда регистров сдвига через первые входы первого ряда элементов ИЛИ соединены с первыми вкодами ряда {N +1 ) умножителей, выходы которых подключены к входам ряда (N +1 ) ключей, первые выходы которых подключены к входам второго ряда (N +1 ) накапливающих сумматоров, вторые выходы — к соответствующим входам многовходового сумматора, к вторым входам ряда умножителей через первые входы второго ряда соответствующих элементов ИЛИ подключены выходы первого ряда накапливающих сумматоров, входы которых подключены к вторым выходам ряда (N +1 ) ключей, а вторые входы второго ряда элементов ИЛИ соединены с выходом второго регистра числа, с вторыми входами третьего и четвертого дополнительных элементов ИЛИ и через входной ключ подключены к выходу квантователя, причем выход дополнительного накапЛивающего сумматора соединен с входом делителя кода, первым входом третьего дополнительного элемента ИЛИ и соответствующим входом первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу выходного ключа, управляющий вход которого соединен с выходом блока сравнения. и вторым входом элемента. И, первый выход выходного ключа подключен к входу Фурье-преобразователя, второй выход - к соответствующему входу второго дополнительного элемента

ИЛИ, другие входы которого соединены с выходами второго ряда (N+1 ) накапливающих сумматоров, к выходу

;второго дополнительного элемента HJIH подключен последовательно соединенный ряд (N+1 ) буферных регист-. ров, выходы которых соединены с вторыми входами первого. ряда элементов ИЛИ, причем выход делителя кода соединен с входом первого ре1027636 гистра числа, выход третьего допол- нительного элемента ИЛИ подключен к второму входу второго блока умножения, вход третьего регистра числа соединен с выходом второго блока ум-,. ножения и с перв входом пятого 5 дополнительного элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого накапливающего сумматора второго ряда (N+1 ) накапливающих сумматоров, а второй вход блока сравнения подклю- !О чен к входу элемента И.

На чертеже представлена структурная схема анализатора.

Адаптивный анализатор спектра содержит последовательно соединенные 5 квантователь 1, ряд регистров 2.12 ° N, входной ключ 3, первый и второй ряды элементов HJIH 4.0-4.N и 5.05. N ряд умножителей 6. 0-6. N ключи 7. 07 ° N,íàêàïëèâàíèöèå сумматоры 8,0-8.Й, элемент ИЛИ 9, ряд буферных регистров

10.0-10.N накапливающие сумматоры

11.0-11.N и многовходовый сумматор 12, первый регистр 13 числа, первый .блок 14 умножения, второй регистр 15 числа и элемент ИЛИ 16. Третий регистр 17 числа через элемент ИЛИ

18 подключен.к входу второго блока 19 умножения, выход которого через эле-мент ИЛИ 20 и элемент И .21 подключен к входу дополнительного накапливаю- 30 щего сумматора 22. Анализатор содержит также делитель 23 кода, блок 24 сравнения, элемент ИЛИ 25 и выходной ключ 26.

Фурье-преобразователь 27 состоит . 35 из регистра 28 числа и последовательно соединенных постоянного запоминающего устройства 29 и арифметического блока 30.

Адаптивный анализатор производит 4О вычисление спектра последовательным выполнением трех процедур: вычисление ординат корреляционной функ ции (КФ); вычисление коэффициентов линейного предсказания (КЛП); вычисление спектра с использованием КЛП.

Первая процедура (вычисление ординат КФ) производится следующим образом.

В исходном состоянии все блоки обнулены, ключи 7,0-7.N установлены в первое положение, входной ключ 3 замкнут (открыт).

При подаче исследуемого сигнала на вход адаптивного анализатора квантователь 1 преобразует его в последовательность отсчетов, которые про.двигаются в регистры 2.1-2.2 — 2.N и одновременно через первый ряд элементов ИЛИ 4.0 — 4.1 †...4 ° N поступают на первые входы умножителей

6.0-6.1-.. ° 6.N, а также через ключ 3 и элементы ИЛИ 5.0-5.1- ° .. 5.N на вторые входы умножителей 6. Полученный массив произведений Х Х qz ) одновременно считывается с выходов . 65 умножителей 6> через ключи 7 на входы соответствующих накаплиэающих сумматоров 8.0-8.1 †...8.N, в которых формируются оценки ординат корреля- . ционной функции R,„.

Благодаря вычислению R>происходит запоминание всей содержащейся в сигиЬле информации о его свойствах, которую можно полностью испольэовать в следующей процедуре — вычислении КЛП (в отличие от известного анализатора, в котором информация о сигнале экспо ненциально забывается}..

Вторая процедура (вычисление КЛП) осуществляется итеративно, причем каждая итерация содержит четыре шага вычислений. При этом на каждой m-ой итерации размерность вектора КЛП уве- личивается на единицу и становится равной (m +1 ). э В начальном состоянии (нулевая итерация .(.m=O)«âõoäíîé ключ 3 разомкнут, ключи 7.0 — 7,1-.. ° 7.N установлены на второе положение, наканлиаающие сумматоры 11.1 †...11.N и регистры 13,15,17 чисел обнулены. На второй вход элемента И 21 подан .разрешающий потенциал с выхода блока 24 сравнения, а выходной ключ 26 установлен в первое положение, соединяя выход элемента ИЛИ 25 с входом элемента

ИЛИ 9. В дополнительный накапливающий сумматор 22 через элемент ИЛИ 20 и элемент И 21 записано значение ординаты Rz, хранящееся в накапливающем сумматоре 8.0,.а в накапливающий сумматор 11.0 записан коэффициент аа„ = 1(а,„- значения КЛП на m-й итерации в и-ом накапливающем сумматоре 11.п (где п=О,N).

На первом шаге первой итерации

«ю= 1 ) из накапливающих сумматоров 8.п через элемент ИЛИ 9 в ряд буферных регистров 10 последовательно считываются ординаты корреляционной функции и, продвигаясь в регистрах, образуют инверсный ряд коэффи-. ,циентов

81iO

Ь4, ko, где В, — коэффициенты, записанные . на m-ой итерации в и-ый буферный регистр из ряда 10.0-10.N. .

Одновременно на первый и второй входы блока 19 умножения через соответствующие элементы ИЛИ 16 и 18 из накапливающего сумматора 22 и регистра .17 числа подаются соответственно коэффициенты d î =R и Р а сформованное произведение с(о: Ео через элемент ИЛИ 20 и элемент 21 поступает в накапливающий сумма-., тор 22, в котором формируется новый коэффициент о(„ =о(о(1 РоМ =с/ р

На втором шаге первой итерации с выходов буферных регистров 10.п и накапливающих сумматоров 11.п на

1027636 первые,и вторые вхрды соответствующих умножителей 6.п через элементы

ИЛИ 4п и 5п подаются клэффициенты

В,,г и А „. Результат. их перемножения с выходов умножителей 6.п через. ключи 7.п поступает в сумматор 12, в котором формируется сумма и »O O,È <È

Одновременно из накапливающего сумматора 22 считывается коэффициент с(.г и подается в делитель 23 кода„ а котором производится деление и инверсия, а результат записывается в регистр 13 числа в виде нового коэффициента

На третьем шаге первой итерации иэ, 0 накапливаюцих сумматоров 11.0 и 11.1 считываются коэффициенты А0 „ и через элементы ИЛИ 25 и 9 последовательно записываются в буферные регистры 10.п и продвигаются в них. При этом осуще 25 ствляется инверсия вектора КЛПг поскольку вектор Ао д в конце 1-й итерации состоит из двух коэффициентов, то в регистрах 10.п продвигается следующего вида вектор (;,;-(:,1

Одновременно с выходов многовходового сумматора 12 и регистра 13 числа на соответствуюцие входы бло-.. 35 ка 14 умножения подаются коэффициен= ты и,О,г, результат их перемножения записывается в регистр 15 числа

На четвертом шаге первой итерации

;из буферных регистров 10 ° 0 — 10.И по мере продвижения в них поступают 45 значения КЛП через элементы ИЛИ 4 ° 04.N на первые входы умножителей 6.06.N., на вторые входы которых через элементы ИЛИ 5.0 - 5.N подается коэфФициент Ц „ считываемый из регистра 50

15 числа. Результат умножения через соответствующие ключи 7.0 - 7.N подается в накапливающие сумматоры

11.0 — 11.N, в которых формируется новый Вектор КЛП размерности 2 55 (с двумя ненулевыми элементами)г

1:,",1-; ";;

Одновременно с этим коэффициент из.регистра 15 числа подается на два входа блока 19 умножения че-. рез элементы HJIH 16 и 18, а резуль- 65 тат перемножения записывается н регистр 17 числа с отрицательным знаком

Этими операциями завершается пер=.: вая итерация (:щ =1) процедуры вычисления КЛП, Последующие 2-я, З-я,..., N-я итерация осуществляются аналогич но, отличаясь лишь тем, что в буфер-.. ные регистры 10 подаются соответственно 3, 4, ..., (N +1) значения корреляционной функции (из элемен тов 8.n) или- КЛП (из элементов 11.n).

Процедура вычисления КЛП заканчивается при выполнении первого шага (щ,г+1 )» N итерации, т. е. после достижения такого (m +1 ) порядка вектора КЛП, при котором следуюцее значение коэффициента .г становится меньше заданного значения. Например, условием 0 показывает, что

Во 4-1 порядок вектора КЛП (m +1 ) < N является достаточным для точного вычисления спектра исследуемого сигнала °

В анализаторе "правило Останова" реализуется автоматически на первом шаге (m +1 )-;; итерации после вычисления в блоке 19 умножения произведения (с(и, Р„ ). Это произведение через элемент ИЛИ 20 подается на один вход блока 24 сравнения, на другой вход которого подается коэффициент афпг с выхода накапливающего сумматора 22г если d. „ « Р,,г д-y<)ro на выходе боока 24 сравнения формируется потенциал, который является запрещающим для элемента И 21, а в накапли вающем сумматоре 22 не произойдет очередное накапливание и сохранится коэффициент Фпг„)0. При этом потенциал с выхода блока 24 сравнения является управляюцим для выходного ключа 26, переводя его во второе положение, благодаря чему все устройства подготовлены к началу третьей процедуры.

Третья процедура (вычисление спектра) начинается со считывания

КЛП А о „через элемент ИЛИ .25 и выходной ключ 26 на вход Фурье-пре образователя 27. При этом коэффициенты А,о о, А << .А„ г„ поступают в регистр 28 числа, с выхода которого подаются на первый вход арифметического блока 30.

На второй вход его из постоянного запоминающего устройства 29 подаются отсчеты гармонической функции, которые перемножаются в арифметическом блоке 30 с рядом соответствующих коэффициентов линейного предсказания, Формируя значение оценки амплитудного спектра A(i8 )

После вычисления очередного значения А ((9> ) в арифметическом блоке 30 вычисляется квадрат модуля, 1027б 36

8 а в регистр 28 числа при этом с вы= хода накапливающего сумматора 22 считывается нормирующий коэффициент;

В результате операции деления, выполняемой арифметическим блоком 30, на выход поступает оценка энергетическо 5

ro спектра.

Аналогичные вычисления в Фурье-. преобразователе 27 осуществляются для каждой j-ой частоты спектра.

В известном анализаторе коэффици-..;.;10 ент,, определяюЩий скорость настройки значений КЛП, установлен предварительно на основе апроорных данных и этот недостаток не может быть преодолен рациональным заданием его зна- 15 чения, вследствие чего,итеральная оценка КЛП происходит медленнее в 3-5

ipaa и менее точно, чем на основе точ! ного решения системы линейных уравнений, осуществляемого в анализаторе предлагаемой структуры, что подтверж-. дено результатами моделирования на ЦВМ.

Таким образом, основными достоин ствами предлагаемого адаптивного анализатора .являются следующие: увеличение быстродействия в 3-5 раз изза уменьшения необходимой длительнос тн реализации сигала; увеличение точности оценки спектра при одинаковом объеме выборок. Кроме того, в нем введен контроль необходимой размерности вектора КЛП и вычисляется вто-.. рая статистическая характеристика, коррелякционная функция, как результат предварительных преобразований.

1027636

ВНИИПИ Заказ 4732/49 Тираж 710 Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðîä,óë.Ïðoåêòíàÿ,4