Устройство для реализации быстрого преобразования фурье

 

УСТРОЙСТВО;ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ БЫСТРОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ ПО авт.СВ. 615488, отличающееся тем, что, с целью увеличения быстродействия при обработке сигналов с переменной частотой среза, в него введены счетчик, реверсивный счетчик, элемент НЕ, четыре элемента ИЛИ и два элемента И, причем выход переноса счетчика соединен с вычитгоовдим входом реверсивного счетчика, выход первого разряда которого подключен к входу элемента НЕ, выход которого соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, выход которого соединен С первым входом второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов И, выходы KOTOjxjx соединены соответственно с первым и вторым тактовыми входами устройства, выход второго разряда реверсивного счетчика подключен к второму входу первого элемента ИЛИ, выходы третьего и четвертого разрядов реверсивного счетчика соединены соответственно с первьил и йторым входами четвертого элемента ИЛИ, выход которого подключен к второму входу второго элемента ИЛИ, второй вход первого элемента И является так товым входом устройства, второй вход второго элемента И-объединен с тактовым входом счетчика и является вторым 2 тактовым входом устройства, а второй вход третьего элемента ИЛИ является i входом задания частоты среза устройства .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11)

3(51) G 06 F 15/332 (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (61) 615488 (21) 3526613/18-24 (22) 23.12.82 (46) 39.03.84. Бюл. 9 12 (72) Влад.С.Бабанский и Вит.С.Бабанский (71) Специальное проектно-конструкторское и технологическое бюро по комплексным низковольтным устройствам зациты и системной автоматики для энергетики (53) 681.32(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 615488, кл. G 06 F 15/332, 1976

{прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО;ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ

БЫСТРОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ по авт.св.9 615488, о т л н ч а ю щ е — . е с я тем, что, с целью увеличения быстродействия при обработке сигналов с переменной частотой среза, в него введены счетчик, реверсивный счетчик, элемент НЕ, четыре элемента ИЛИ и два элемента И, причем выход переноса счетчика соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика, выход первого разряда которого подключен к входу элемента НЕ, выход которого соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, выход которого соединен С первым входом второго элемента

ИЛИ, выход которого подключен к первому входу третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов

И, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым тактовыми входами устройства, выход второго разряда реверсивного счетчика подключен к второму входу первого элемента

ИЛИ, выходы третьего и четвертого разрядов реверсивного счетчика соединены соответственно с первым и вторым входами четвертого элемента ИЛИ, щ выход которого подключен к второму входу второго элемента ИЛИ, второй вход первого элемента И является так. товым входом устройства, второй вход второго элемента И объединен с тактовым входом счетчика и является вторым.. Я тактовым входом. устройства, а второй вход третьего элемента ИЛИ является входом задания частоты среза устройства.

1083200

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для спектрального анализа электрических сигналов, представленных в цифровой форме, в реальном масштабе времени.

Применение изобретения связано с 5 цифровой обработкой электрических сигналов с изменяющейся во времени частотой среза, к которым относятся такие сигналы, как, например, речевой сигнал в аппаратуре связи, сигна-)0 лы гидро-,звуко-и радиолокации, навигации и телеметрии.

IIo основному авт.св. М 615488 известно устройство для реализации быстрого преобразования Фурье, содержащее блок памяти, состоящий из

N регистров сдвига, арифметический блок, блок памяти коэффициентов, первые и вторые элементы И и элементы ИЛИ,. причем параллельные входы

20 (— 1) -го и (N -1) -го регистров

2 сдвига соединены соответственно с первым и вторым выходами арифметического блока, а параллельные выходы

И нулевого и — -ro регистров сдвига

2 соединены соответственно с первым и вторым входами арифметического блока, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с выходами блока памяти коэффициентов, последовательный вход каждого регистра сдвига подключен к выходам соответствующего элемента ИЛИ, а выход — к первым входам первого и второго соот- 35 ветствующих элементов И, выходы первых элементов И каждого регистра сдвига, за исключением нулевого и

- — -го регистров сдвига, соединены

2, 40 с первыми входами элементов ИЛИ пре- дыдущих регистров сдвига, выход вто-, "рого элемента И i-го регистра сдвига соединен с вторым входом элемента

ИЛИ j-го ренистра сдвига, где j — 45 двоичный код, полученный путем циклического сдвига на один разряд влево двоичного кода i вторые входы всех первых и вторых элементов И соединены соответственно с первым и вторым тактовыми входами устройства 1).

Недостатком известного устройства является ограниченное быстродействие, которое не повышается с понижением частоты среза сигнала, в результате чего отсутствует возможность работы 55 устройства с повышенным быстродействием для реально существующих сигналов °

Цель изобретения — повышение быстродействия устройства при обра- <0 ботке сигналов с переменной частотой среза.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для реализации быстрого преобразования Фурье введены счетчик, реверсивный счетчик, элемент НЕ, четыре элемента ИЛИ и два элемента И, причем выход переноса счетчика соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика, выход первого разряда которого подключен к входу элемента НЕ, выход которого соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов И, выходы которых соединены с первым и вторым тактовыми входами устройства, соот ветственно выход второго разряда реверсивного счетчика подключен к второму входу первого элемента ИЛИ, выходы третьего.и четвертого разря- дов реверсивного счетчика соединены соответственно с первым и вторым выходами четвертого элемента ИЛИ, выход которого подключен к второму входу второго элемента ИЛИ, второй вход первого элемента -И является первым тактовым входом устройства, второй вход второго элемента И объединен с тактовым входом счетчика и является вторым тактовым входом устройства, а второй вход третьего элемента ИЛИ является входом задания частоты среза устройства.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — пример реализации блока вычисления предпоследней итерации и блока отключения.

Устройство-для реализации БПФ сигналов с переменной частотой среза содержит блок 1 памяти, состоящий из N регистров 2 сдвига, арифметический блок 3, блок 4 памяти коэффициентов, элементы И 5 первой группы, элементы И 6 второй группы, элементы ИЛИ 7, блок 8 отключения, блок 9 вычисления предпоследней итерации, первый 10 и второй 11 входы устройства и вход 12 задания частоты среза.

Блок 8 отключения содержит элемент ИЛИ 13 и элементы И 14 и 15.

Блок 9 вычисления предпоследней итерации содержит счетчик 16, реверсивный счетчик 17, элементы ЙЕ 18 и ИЛИ 19-21.

Устройство рабОтает следующим образом.

В арифметический блок 3 по первому и второму входам из нулевого и — -ro регистров 2 сдвига поступают

2 выборки сигнала,а по третьему и чет- вертому входам из блока 4 памяти .коэффициентов поступают коэффициенты вида сов (1ГМ/N), в(п (2)ifc/N) и (K=() -() .

1083200

Арифметический блок 3 осуществляет вычисление двухточечного БПФ, результаты которого с первого и вто,рого выходов заносятся в (†. . -1)и

N 2 (N-1)-е регистры 2 сдвига по. их 5 параллельным входам. Одновременно на этапе вычисления двухточечного

БПФ в арифметическом блоке 3 под действием тактовых импульсов ТИ 1 поступающик с выхода блока 8 отклю- 10 чения на вторые входы всех первых элементов И 5, выполняется сдвиг вверх на одну ступень всех выборок сигнала, размещенных в регистрах 2 сдвига и к моменту времени записи 15 результата из арифметического блока

Б

3 в (— — 1) - и (N -1)-е регистры 2 2 сдвига выборки сигнала из этих регистров 2 сдвига перезаписи в предыдущие 20

Н

{-я- - 2) и (N, — 2)-е регистры

2 сдвига соответственно, поэтому потери информации в регистрах 2 сдвига не происходит. Этот этап вычисления происходит на каждой итеi 2f рации раз. После выполнения каждой итерации в соответствии с алгоритмом БПФ требуется выполнить .переупорядочивание информации, которое осуществляется под действием тактовых импульсов ТИ 2,.поступающих с второго выхода блока 8 отключения на вторые входы всех вторйх элементов И б. При этом последовательный выход регистра 2 сдвига с номером l через соответствующие вто-. рые элементы И б и элементы ИЛИ 7 соединен с последовательным входом регистра 2 сдвига с номером j, дво- 40 ичный код которого образуется путем циклического сдвига на один разряд.. влево двоичного кода l!. Элементы ИЛИ выполняют объединение выходов соответствующих пеРвых и вторых эле- 45 ментов И 6 и тем самым обеспечивают поступление данных на последовательный вход регистра 2 сдвига в режиме сдвига информации вверх и в режиме переупрядочивания информации.

Отличительной особенностью различ- . ных ячеек, состоящих из регистра 2. сдвига, первого и второго элементов

И 5 и б соответственно и элемента

ИЛИ 7, является отсутствие в нулевой 55

N и 2 и ячейках первых элементов. И 5 .и в (— -1) и (N-1)-й ячейках элеN

2 ментов ИЛИ 7, которое является след- 60 ствием самого алгоритма БПФ. Для вы« полнения перезаписи информации в. регистрах 2 сдвига с и разрядами требуется и тактовых импульсов; по-. этому тактовые импульсы как ТИ 1, 65 так и ТИ 2.состоят из групп по и импульсов в каждой группе.

Для вычисления БПФ последовательно поступает серия иэ групп тактовых импульсов ТИ 1, затем одна группа тактовых импульсов ТИ 2 и далее процесс повторяется m раз,где щ(щ=4р,И)число итераций.

Результаты вычисления БПФ содержатся в регистрах 2 сдвига в двоичноинверсном порядке. В процессе вычисления БПФ после вычисления предпоследней (m-l)-й итерации в верхней

:.половине (О-(— -1))-х регистров 2

2 сдвига возникает результат, который соответствует вычислению БПФ от вы -: борок сигнала прореженных во времени, т.е. от четных выборок. Этот результат получается за счет вычисления БПФ с числом точек преобразования в два раза меньшим, .чем исходное число точек БПФ. Такой промежуточный результат вычисления БПФ также представлен в двоично-инверсном порядке. В нижней половине(N

2 (В-l) )-х регис=ров 2 сдвига содер-жится результат вычисления БПФ от нечетных выборок сигнала тоже в воично-.инверсном порядке. Прореживание выборок сигнала по времени

Эквивалентно понижению частоты дискретизацйи аналогового сигнала, поэтому для сигналов с переменной во времени частотой среза возможно и достаточно выполнять вычисление

БПФ до конца предпоследней (m-1)-й итерации при условии, если частота среза сигнала становится меньше половины исходной частоты среза.

Такая ситуация возникает в случае, когда аналоговый сигнал дискретизирован из расчета на максимально возможную частоту среза сигнала.

Тогда возможно при наличии сигнала половинной частоты среза после вычисления предпоследней,(m-l)-й ите- . рации БПФ получить спектр Фурьесигнала, который полностью без какойлибо погрешности наложения спектра представляет этот сигнал в частотной области.

Момент времени поступления .сигнала половинной частоты среза в устройстве для реализации БПФ сигналов с переменной частотой среза возможен в период времени вычисления БПФ, но этот сигнал должен поступить к моменту времени окончания вычисления предпоследней (m-1)-й итерации.

Спектр Фурье-сигнала, полученный после вычисления предпоследней (в-1»й итерации БПФ, полученной при поступлении сигнала половинной частоты среза, имеет такую же разрешающую . полосу частот, как и спектр, который получался бы после вычисления и по1083200 следней .(m) -Я итерации от всех четных и нечетных выборок сигнала. Поэтому с точки зрения равноценности получаемого спектра нет отличия между спектром Фурье, получаемым на предпоследней (m 1)-й итерации БПФ при утвердительном значении сигнала половинной частоты среза, и спектром Фурье, получаемом на последней (m)-й итерации БПФ при отрицательном значении сигнала половинной частоты.среза. Отличие состоит в том, что спектр Фурье, вычисленный на предпоследней (m-,l)-Я итерации, получается раньше во времени по отношению к спектру Фурье, вычисленному 35 на последней (m)-й итерации.

В устройстве для реализации БПФ сигналов с переменной частотой среза для определения предпоследней (m-1)-й итерации используется блок

9 вычисления предпоследней (m 1)-й итерации, который осуществляет подсчет групп тактовых импульсов ТИ 2, т.е. подсчет числа итераций. При подсчете итераций в блоке 9 вычисли- 25 ния предпоследней итерации, когда заканчивается выполнение предпоследней (m-1)-й итерации, íà его выходе появляется сигнал, который поступает на четвертый вход блока 8 отклю- 3О чения. В блоке 8 отключения происходит отключение подачи тактовых импульсов ТИ 1 и ТИ 2, в том случае, когда одновременно присутствует сигнал половинной частоты среза и сигнал на выходе блока 9 вычисления предпоследней (m-1)-й итерации. В противном случае при отсутствии хотя бы одного из этих сигналов тактовые импульсы проходят без изменения. с первого 10 и второго 11 тактовых 4Р входов блока 8 отключения ка его первый и второй выходы соответственно.

Конец вычисления БПФ наступает 45 после окончания поступления тактовых импульсов ТИ 1 и ТИ 2 либо после вычисления предпоследней (m-1)-й итерации s случае утвердительного зна= чекия сигнала половинной частоты 5О среза,,либо после вычисления последней (m)-й итерации при отрицательном значении половинной частоты среза.

Результаты спектра Фурье, вычисленные по алгоритму ВПФ, s случае, когда,"- . процесс вычиаления заканчивается йа,, предпоследней (а-1)-й итерации, рас полагаютсяk в двоично-инверсном порядке в верхней половине (О-(†-1))-х

И

2 регистров сдвига, когда же выполня- ется и последняя (m)-я итерация, тогда результаты занимают полностью все регистры 2 сдвига к тоже располагаются в двоичио-инверсном порядке. 65

В блоке 9 вычисления предпоследней (m-1) -и итерации выполняется деление тактовой последовательности импульсов ТИ 2 на п=l6 (Dl), подсчет числа итераций, оставшихся выполнить до конца вычисления БПФ, и выделение предпоследней итерации. Деление тактовой последовательности ТИ 2 на

n=l6 осуществляется счетчиком 16, в результате чего получается последовательность импульсов выполненных итераций БПФ, которая подсчитывается реверсивным счетчиком 17, куда предварительно записано общее число всех итераций (m) БПФ. Вычитание числа поступающих импульсов выполненных итераций от их общего значения (m), выволняемое в реверсивном счетчике 17, позволяет получить значение оставшихся выполнить итераций. Этот результат и отражается на выходе реверсивного счетчика.

Элементы 18 — 21 фиксируют на счетчике 17 оставшуюся невыполненной последнюю (m)-ю итерацию, что свидетельствует об окончании вычисления предпоследней (m-1)-й итерации, т.е. когда значение в счетчике 17 равно единице, на выходе элемента ИЛИ 21 и, следовательно, на выходе блока

9 вычисления предпоследней (m-1)-й итерации появляется сигнал логического нуля, который соответствует окончанию вычисления предпоследней (m-1)-й итерации.

В блоке 8 отключения с помощью элемента ИЛИ 13 выполняется объединение двух сигналов: с выхода блока

9 вычисления предпоследней (m-1)-й итерации и с входа 12 задания частоты среза. Выход элемента ИЛИ 13 далее управляет отключением тактовых импульсов ТИ 1 и ТИ 2, подаваемых соответственно на первый 10 и второй ll входы устройства через элементы И 14 и 15.

Технико-экономическая эффектив-.. ность предлагаемого устройства заключается в повышении быстродействия при вычислении БПФ для сигналов с переменной частотой среза за счет окончаная вычисления БПФ на предпоследней (m-1)-й итерации при поступлении сигнала половинной частоты " среза. Для сигналов, например, имеющих во времени равномерную плотность распределения частож.среза, имеем, что за промежуток времени t сигнал половику времени (0,5t) имеет частоту среза меньшую половини исходквй частоты среза, .поэтому вычисление БНФ в данные интервалы времени выполняется только до конца предпоследней (m-1)-й итерации. Повышение быстродействия при вычислении БПФ только до конца предпоследней (m-1)-й ите1083200 рации заключается в невыполнении последней (m) -й итерации и равно

Повышение быстродействия устрой-. ства для данного закона распределения частоты среза сигнала равняется

Х=а,5 | =9

Для примера восьмиточечного БПФ повыиение быстродействия равняется

Y=0,166=16,6% (7=- -= — = 0,166=16,6Ъ), для случая

1024 точек преобразования БПФ 7=0,05= >

=5% tY= — — = - — = 0,05 = 5%) °

0 5 0 5

m 10

Оценивая дополнительные аппаратурные затраты, следует, что для блока

9 вычисления предпоследней (m-Х) -й итерации и для блока 8 отключения требуются всего две микросхемы

К155КЕ7, одна микросхема К155ЛЛ1, один элемент НЕ из микросхемы

K155JIH1 и два элемента 2И иэ микросхемы К155ЛИ1 °

Дополнительные аппаратурные эатраты по сравнению с общим объемом оборудования, необходимым для вычисления БПФ, являются совершенно незначительными, однако введение дополнительных узлов позволяет увеличить быстродействие предлагаемого устройства на 5 — 153 °

Составитель А.Баранов

Редактор М.рачкулинец Техред C.Èèãóíoâà Корректор О.Билак

Заказ 1755/43 тираж 699 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретении и Открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.„ д.4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4