Цифровой анализатор спектра в ортогональном базисе

 

ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА В ОРТОГОНАЛЬНОМ БАЗИСЕ, содержаний первый и второй умножители, первые, входы которых подключены к информационному выходу аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого является информационным входом анализатора, первьй и второй сумматоры, генератор тактовых импульсов , выход которого подключен к тактовым входам аналого-цифрового преобразователя , первого и второго регистров и счетному входу счетчика, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены группа элементов И, групйа элементов НЕ, третий регистр, третий сумматор, третий умножитель, элемент ИЛИ-НЕ, одновибратор и блок постоянной памяти, информационный выход которого подключен к первому входу третьего умножителя, клход ко торого является информационным выходом анализатора, выход первого умножителя подключен к первому входу первого сумматора, выход крторого подключен к информационному входу пер-, вого регистра, выход i-ro (, I) разряда которого подключен к первому входу i-ro элемента И группы, выход которого подключен к -му вход первой группы второго сумматора, выход которого подключен к второму входу третьего умножителя, информационный выход второго регистра подключен к второму входу второго умножителя , первому входу третьего сумматора и информационному входу третьего регистра, информационный выход которого подключен к второму входу третьего сумматораv выход которого подключен к второму входу первого умножителя и информационному входу второго регистра, установочный вход которого соединен с установочным входом третьего регистра и подключен к выходу одновибратора, вход которого соединен с входом переноса третьего сумматора, вторыми входами элементов И группы и подключен к выходу элемента ИЛИ-НЕ, i-й вход котоiрого соединен с входом i-ro разряда адреса блока постоянной памяти и подключен к выходу i-ro разряда счетчика , выход генератора тактовых импульсов подключен к тактовому входу третьего регистра, выход i-ro разряда второго умножителя подключен к входу i-fo элемента НЕ группы, выход которого подключен к i-му входу второй группы второго сумматора, вход переноса которого является входом задания логической единицы анализатора.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) (11) З(51) G 06 F 15/332

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

- I

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ : .:;,;ф

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3620126/18-24 (22) 13.07.83 (46) 15. 11.84 Бюп. 1е 42 (72) А.В.Ивашко и А.Я.Шпильберг (71) Харьковский ордена Ленина политехнический институт им. В.И.Ленина (53) 681. 32 (088. 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР.

У 588544, кл. G 06 F 15/332, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР

У 446063, кл. G 06 F 15/332, 1974 (прототип). (54) (57) ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА

В ОРТОГОНАЛЬНОМ БАЗИСЕ, содержащий первый и второй умножители, первые. входы которых подключены к информационному выходу аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого является информационным входом анализатора, первый и второй сумматоры, генератор тактовых импульсов, выход которогб подключен к тактовым входам аналого-цифрового преобразователя, первого и второго регистров и счетному входу счетчика, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены группа элементов И, группа элементов НЕ, третий регистр, третий сумматор, третий умножитель, элемент ИЛИ-НЕ, одновибратор и блок постоянной памяти, информационный выход которого подключен к первому входу третьего умножителя, выход которого является информационным выходом анализатора, выход первого умножителя подключен к первому входу первого сумматора, выход крторого подключен к информационному входу первого регистра, выход i-го (i=1 I) разряда которого подключен к первому входу i-го элемента И группы, выход которого подключен к i -му входу первой группы второго сумматора, выход которого подключен к второму входу третьего умножителя, информационный выход второго регистра подключен к второму входу второго умножителя, первому входу третьего сумматора и информационному входу третьего регистра, информационный выход которого подключен к второму входу третьего сумматора выход которого . Я подключен к второму входу первого умножителя и информационному входу второго регистра, установочный вход которого соединен с установочным входом третьего регистра и подключен р к выходу одновибратора, вход которого соединен с входом переноса третьего сумматора, вторыми входами элементов И группы и подключен к выходу элемента ИЛИ-НЕ, i-й вход кото-! рого соединен с входом i-го разряда адреса блока постоянной памяти и подключен к выходу i-ro разряда счетчика, выход генератора тактовых импульсов подключен к тактовому входу третьего регистра, выход i-го разряда второго умножителя подключен к входу

i-го элемента HE группы, выход которого подключен к i-му входу второй группы второго сумматора, вход переноса которого является входом задания логической единицы анализатора.

1124326

Ы5

Цель изобретения — повышение быстродействия цифрового анализатора спектра в ортогональном базисе.

Изобретение относится к вычислительной технике и может найти применение в системах цифровой обработки сигналов в реальном времени.

Известен анализатор спектра в базисах Уолша и Хаара, содержащий АЦП, приемный регистр, цифровой интегратор, группу регистров сдвига и блок управления. Такие устройства позво- ляют вычислять спектры сигналов в базисах Уолша и Хаара размерности

»»

N 2 требуют для вычисления одного коэффициента преобразования не менее

Ь=1о» М сложений и вносят задержку между поступлением на вход отсчетов 15 преобразуемого сигнала и выдачей соответствующих коэффициентов не менее М тактов )1J .

Недостатками таких устройств являются бедный набор размерностей пре- 20 образуемого сигнала (2 " отсчетов), плохая сходимость ряда коэффициентов

Уолша и Хаара при представлении сигналов типа вещественных экспонент и большая задержка при вычислении 25 ортогональных преобразований, что ограничивает применение этих устройств в системах реального времени.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности. является циф-30 ровой генератор спектра Фурье, содержащий аналого-цифровой преобразователь, вход которого подключен к входу устройства, а выход — к входам умножителей, гЕнератор тактовых импульсов, делитель частоты, счетчик, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, формирователь кода аргумента, преобразователи кода, умножители, сумматоры,40 сдвиговые регистры и схемы совпадения (2) .

Такое устройство позволяет вычислять значение спектральных коэффициентов Фурье дискретного сигнала и отличается низким быстродействием (за »1 тактов работы устройства формируется один спектральный коэффициент), а также узкими функциональными возможностями, связанными с плохой сходимостью ряда Фурье при представлении сигналов вида.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой анализатор спектра в ортогональном базисе, содержащий первый и второй умножители, первые входы которых подключены к информационному выходу аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого является информационным входом анализатора, первый и второй сумматоры, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к тактовым входам аналого-цифрового преобразователя, первого и второго регистров и счетному входу счетчика, введены группа элементов И, группа элементов НЕ, третий регистр, третий сумматор, третий умножитель, элемент

ИЛИ-НЕ, одновибратор и блок постоянной памяти, информационный выход которого подключен к первому входу третьего умножителя, выход которого является информационным выходом анализатора, выход первого умножителя подключен к первому входу первого сумматора, выход которого подключен к информационному входу первого регистра, выход » --ro (» =1,I ) разряда которого подключен к первому входу

»-го элемента И группы, выход которого подключен к i -ìó входу первой группы второго сумматора, выход которого подключен к второму входу третьего умножителя, информационный выход второго регистра подключен к второму входу второго умножителя, первому входу третьего сумматора и информационному входу третьего регистра, информационный выход которого подключен к второму входу третьего сумматора, выход которого подключен к второму входу первого умножителя и информационному входу второго регистра, установочный вход которого соединен с установочным входом третьего регистра и подключен к выходу одновибратора, вход которого соединен с входом переноса третьего сумматора, вторыми входами элементов И группы и подключен .к выходу элемента

HJIH-HE, i-й вход которого соединен с входом i-ro разряда адреса блока постоянной памяти и подключен к выходу » --го разряда счетчика, выход генератора тактовых импульсов подключен к тактовому входу третьего регистра, выход i-го разряда второго

1 ° умножителя подключен к входу j -ro элемента НЕ группы, выход которого

1 1 24326 (2) I

РПР- пРи i П, K — р — — при =и.

° 1Р.Р;, рр =. (11 .®

3 подключен к i -му входу второй группы второго сумматора, вход переноса которого является входом задания логической единицы анализатора.

Введение в устройство дополнитель- 5 ного оборудования позволяет вычислять коэффициенты спектрального преобразования сигнала ло системе ортогональных базис ых функций на основе чисел Фибоначчи, которые обеспечива- 10 ют оптимальное приближение широкого класса сигналов типа вещественных экспонент и их сумм, получаемых при решении дифференциальных уравнений с действительными корнями характерис- 15 тических уравнений. При этом данное устройство обеспечивает вычисление

i-го спектрального коэффициента с задержкой на один такт относительно

Е-ro отсчета сигнала. 20

На фиг. 1 приведена структурная схема цифрового анализатора спектра в ортогональном базисе; на фиг. 2 временные диаграммы работы устройства. 25

Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, первый и второй 3 умножители, первый сумматор 4, первый регистр 5, группу элементов И 6, второй сумматор 7, группу элементов НЕ 8, второй 9 и третий

1О регистры, третий сумматор 11, генератор 12 тактовых импульсов, счетчик 13, элемент ИЛИ-НЕ 14, блок 15 постоянной памяти, одновибратор 16, третий умножитель 17.

На фиг. 2 диаграмма а характеризует импульсы на выходе генератора; б — сигналы записи информации в регистры 5, 9 и 10; в — последователь- 40 ность коэффициентов Ь на выходе умножителя 17; r, д, е - сигналы на выходах разрядов счетчика 13 для

N=7: a — сигнал на восходе элемента

ИЛИ-НЕ 14; и — импульсы одновибра- 45 тора 16.

Данное устройство позволяет вычислять спектральные коэффициенты дискретного сигнала в соответствии с формулой

41

Ь вЂ” i-й обобщенный спектраль( ный коэффициент; а — j-й отсчет преобразуемого сигнала;

f (j) — значение i -й базисной

4 функции на j -м такте, определяемое соотношением при «j а н1(юона Ч) ;(1)= -; Р;», nPz j.it1(mod 11)>

О при j +I t1(mQJ К), где P -j-e число Фибоначчи

Р, =P2=1

РР=2

P =3

P =5

5

° ° ° ° ° ° ° ° °

Р1 =Р1 г +Р1 1

K " — нормирующнй коэффициент

Для произвольных f; (j) f<(j) рассмотрим сумму вида ((c. Р 1-Р; Р;„) приим

1 м2 K РРп2

ИЕ Р;1 РИ)прип ри, рп г — Q Р. п и К=п=й (3)

Р РМ1 3

1 г Р-Рп Il.,, П;) 1п"""

1 I2

Известно, что . " Р. =Р "Р;, . Такий

j! 1 и 1п ° образом из выражения (3) следует н

Ъ =Z. а" 1;(1), (1)

\ Р где N — размерность преобразования (N — любое натуральное число);

0 ррон 141, б=. ;Ыи„®=

1=1 " 1 пРи с -

) т.е. множество функций f; (j), i=1, N

55 образует ортонормированную на периоде К базисную систему, а выражение (1) позволяет находить коэффициенты .спектрального преобразования сигна1124326 ла а по системе ортогональных функ1 ций. Обратное преобразование является эквивалентным прямому, т.е. Например, при 11 =7 бак

1 = 1 зисные функции имеют вид

f,= (1, -1,0,О,O, Î, Î, 1...);

f =- (1, 1,-1,0,0,0,0,1...); (1,1,2,-2,0,0,0,1 .. ° ); г4 = (1 1 2 3 3 О 0 1 ° )1

f g= (t, 1,2,3,5,-5,0, 1... ); 6=-дщ(1, 1,2,3,5,8,-8,)...); 1= (1э1 2 3,5э8 13,1 ° ° ° )

Подставляя выражение (2) в выражение (1) получаем

15

, (> p -агМ "

Ъг=(а рс+агГг-аз P ) 1 2 1

Ъ =((Еа,р, о;„рl :, (4) н

Ък -(< а е I "e25

Вид выражения (4) позволяет реку° рентно получать коэффициенты спектрального преобразования сигнала по системе ортогональных функций, что значительно сокращает требуемое обо- З5 рудование и уменьшает задержку между поступлением на вход устройства отсчетов преобразуемого сигнала и появлением на выхода устройства спект40 ральных коэффициентов.

Устройство работает следующим об. разом.

Счетчик 13 осуществляет подсчет по модулю Й импульсов генератора 12

45 и периодически устанавлйвается в ноль. При этом регистры 9 и 10 также устанавливаются в ноль импульсом одновибратора 16, запускаемого перепадом напряжения с, выхода элемента

ИЛИ-НЕ 14, (фиг. 2, ж, и) и тем са50 мым устройство оказывается в исходном состоянии. На вход . переноса сумматора 11 и на второй вход группы элементов 6 поступает логическая едини" . ца с выхода элемента ИЛИ-НЕ 14. С выхода генератора, 12 на тактовые вхо- ды АЦП 1, регистров 5, 9 и 10 и счетчика 13 по модулю М поступают импульсы. На информационный вход второго регистра 9 поступает код С с выхода сумматора 11, определяемый суммой кодов регистров 9 и 10 и сигнала переноса 9 с выхода элемента ИЛИ-НЕ 14

l на информационный вход третьего регистра 10 поступает код с выхода второго регистра 9. Таким образом, с

В, приходом <: -ro тактового импульса на тактовые входы регистров 9 и 10 в регистр 10 записывается код Р;,, в . регистр 9 — код Р, +Р; +Q, где

Р; — код, записаннйй в регистре 9 в i-м такте. Поскольку на выходе элемента ИЛИ-НЕ 14 присутствует уровень логической единицы липь при нулевом состоянии счетчика, то

1 при1=1 (О при >1.

Таким образом, на выходе сумматора 11 формируется последовательность чисел Фибоначчи

На выходе регистра 9 формируется

I код P определяемый выражением

1Р;, при i/1, 0 при i =1 (6)

На вход АЦП 1 поступает аналоговый, сигнал, подлежащий преобразованию.

На выходе АЦП 1 с частотой, определяемой тактовой частотой генератора, формируются коды а, численно равные значениям отсчетов преобразуемого сигнала.

Эти коды поступают на первые входы умножителей 2 и 3, на вторые входы которых в i-м такте поступают со( ответственно коды Р;, Р;, определяемые выражениями (5) и (6) . На выходе умножителя 2 формируется последовательность кодов С;=а; Р;, которые поступают на вход сумматора 4. В первом такте работы устройства логическая единица с выхода элемента ИЛИ-НЕ

14 поступает на соответствующие входы элементов И 6 группы.

1. 1

Таким образом, в первом такте устройства элементы И 6 группы закрыты уровнем логической единицы с выхода элемента ИЛИ-HE 14, и íà его выходе формируется нулевой код, который поступает на вход сумматора 4. Таким образом, во втором такте в регистр 5 записывается код С с выхода сумматора 4. В последующих тактах на второй вход сумматора 4 через открытые элементы И 6 поступает сигнал с выхо1124326 8 да регистра 5. Таким образом, .сумма- таким образом че е чер з время, опрел .тор 4 и регис 5 об а

4 Р тр разуют накапли- деляемое задержками распространения вающий сумматор, на выходе которого сигнала в блоках 2, 3, 4, 6, 7, 8,,(выход регистра 5) в i -M такте форми- 11 14 15 17 и, на выходе умножите1 ля 17 формируется код соответствуюк-1 к-1. ° тот код щего коэффициента преобразования поступает на вход сумматора 7. На (фиг. 2в) . Счетчик 13 осуществляет другой вход сумматора 7 через элемен- подсчет импУльсов по модУлю М . На ты НЕ 8 поступает код с выхода умно- фиг. 2 г-е изображены сигналы на выжителя 3, а на вход переноса сумма- 10 ходах Разрядов счетчика 13 для слутора 7 постоянно подан уровень логи- mam N=7 N-й имп л мпульс переводит, ческой единицы. Инвертирование каж- счетчик 13 в нулевое состояние. На дого из разрядов кода с выхода умно- выходе элемента И."и;-HE 14 появляется жителя 3 в сочетании с добавлением положительный перепад напряжения единицы в младший разряд эквивалент- 15 (Фиг ° 2ж), которым запускается одноно перемене знака кода a; P .

Сумматор 7 осуществляет суммирова- Ра 16 Формируется короткий импульс ние в дополнительном коде чисел (Фиг ° 2и), которым сбрасываются в нуе

; и-а;.r, и íà его выходе в q -м так- левое состояние регистры 9 и 10. Тате формируется код p; = Я;-а; Р-, 20 ким образом, схема переходит в исходи (7) В соответствии с выражением (6) ное состояние и начинается нается новыи

1-I цикл ортогонального преобразования.

Задний фронт импульса (фиг. 2и) на выходе элемента ИЛИ-НЕ 14 совпадает где е=К-1. 25 с началом новой серии спектральных

Код с выхода счетчика 13 поступа- коэффициентов ет на адресные входы блока 15 в ко- Технико-экономические пРеимУщесттором по - у адресу записано чис- ва предлагаемого устройства заключаленное значение коэффициента К„„, . ются в том, что за счет введения в вб «ego дю итаньного оборудования

1-< .лаиб (9) значительно повышается быстродейстI вие устройства и обеспечивается мини.Р р пр е =! код одре о 00...0l н к

1. мальная по сравнению с известными устройствами быстрых преобразований

На вход умножителя 17 поступает Фурье, Уолша, Хаара задержка между код /3; с выхода сумматора 7. Умнопоступлением на г житель 17 осуществляет опе а ю пеего вход 1 -го отсчер ци та преобразуемого сигнала и появлеремножения кодов К; и A и таким е 4 р нием на его выходе i --го спектральнообразом, с его выхода в соответствии го коэффициента. При этом устройство с выражением (8) в i -м такте снима †кте снима в 40. может быть реализовано для любой ется коэффициент ортогональногО пре- размерности преоб аз в образования b„ прес разования не сложГе е нее, чем устройство быстрого преобраенератор 12 формирует прямоуголь- зовани Ф я урье за счет того что баные импульсы со скважностью "2" р зисные функции вычисляются при помоад целыми числами 1крофиг 2а передним фронтoM каждого 45 щи операций над целы импульса осуществляется запись, ко- ме умножения на нормирующие коэ идов в регистры 5, 9 и 10 и считываия на нормирующие коэффии и считыва- циенты в конце преобразования) . Этот ние кода из АЦП t (фиг. 2б) все р факт позволяет также повысить точостальные блоки предлагаемого устрой- но ность прес разования по сравнению б ства являются асинхронными, не тре- с ДПФ б с Д при сравнимой точности предуют дополнительного тактирования и ставления входных сигналов.

1124326

1124326

z.2

Составитель А.Баранов

Редактор Л.Алексеенко Техред А.Бабинец Корректор В.Гирняк

Заказ 8282/39 Тираж 698 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4