Устройство для анализа характеристик спектра
1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ХАРАКТЕРИСТИК СПЕКТРА, содержащее первый накапливающий сумматор, блок памяти, информационный выход которого соединен с первым входом первого умножителя, второй вход которого подключен к информационному выходу первого блока постоянной памяти, первый квадратор, выходы разрядов которого соединены с соответствующими информационными входами коммутатора, информационный вход блока памяти является информационным входом устройства, о. тличающееся тем, что, с целью повьшения точности, в него введены второй и третий блоки постоянной памяти, второй, третий и четвертый умножители, вь1читатель, сумматор, второй накапливающий сумматор,второй квадратор, первый и второй масштабируюи{ие умножители и блок синхронизации , причем выход первого умножителя соединен с первым входом второго умножителя , выход которого подключен ко входу первого накапливающего сумматора , выход которого соединен со входом первого масштабирующего умножителя , выход которого соединен со входом первого квадратора, информационный выход блока памяти подключен к первому входу третьего умножителя , выход которого соединен со входом второго накапливающьго сумматора , -выход которого подключен ко входу второго масштабирующего умножителя , выход которого соединен со входом второго квадратора, выход которого подключен к первому входу четвертого умножителя, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого является информацион (Л ным выходом устройства, информацион-, ные выходы второго и третьего блоков постоянной памяти подключены ко вторым входам соответственно третьего и четвертого умножителей, выход коммутатора соединен со вторым входом 4 сумматора, первый выход блока синхронизации подключен к адресному входу 1C блока памяти и первому входу вычита00 теля, выход которого соединен со вторым входом второго умножителя, второй и третий выходы блока синхронизации соединены соответственно с тактовыми входами и входами обнуления первого и второго накапливающих сумматоров , четвертый и пятый выходы блока синхронизации подключены соответственно к управляющему входу коммутатора и адресному входу третьего блока постоянной памяти, шестой выход блока синхронизации соединен с адресными входами первого и второго блоков постоянной памяти, а второй
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
„„SU,„,1142844
4(я) G 06 р 15/332
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
И ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3645369/24-24 (22) 02.08.83 (46) 28.02.85,Бюл. Р 8 (72) В.В.Зинин, Ю.Н.Федосеев и Н.И.Красновид (71) Московский ордена Трудового
Красного Знамени инженерно-физический институт (53) 681.32(088.8) (56) 1. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. N. "Мир", 1978.
2. Оппенгейм А.В., Шафер P.Â.
Цифровая обработка сигналов. N.
"Связь", 1979 (прототип) . (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА
ХАРАКТЕРИСТИК СПЕКТРА, содержащее первый накапливающий сумматор, блок памяти, информационный выход которого соединен с первым входом первого умножителя, второй вход которого подключен к информационному выходу первого блока постоянной памяти, первый квадратор, выходы разрядов которого соединены с соответствующими информационными входами коммутатора, информационный вход блока памяти является информационным входом устройства, о. т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены второй и третий блоки постоянной памяти, второй, третий и четвертый умножители, вычитатель, сумматор, второй накапливающий сумматор, второй квадратор, первый и второй масштабирующие умножители и блок синхронизации, причем выход первого умножителя соединен с первым входом второго умножнтеля, выход которого подключен ко входу первого накапливающего сумматора, выход которого соединен со входом первого масштабирующего умножителя, выход которого соединен со входом первого квадратора, информационный выход блока памяти подключен к первому входу третьего умножителя, выход которого соединен со входом второго накапливающего сумматора, выход которого подключен ко входу второго масштабирующего умножителя, выход которого соединен со входом второго квадратора, выход которого подключен к первому входу четвертого умножителя, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого является информационным выходом устройства, информацион-, ные выходы второго и третьего блоков постоянной памяти подключены ко вторым входам соответственно третьего и, четвертого умножителей, выход ком- > мутатора соединен со вторым входом сумматора, первый выход блока синхро- ф низации подключен к адресному входу ф блока памяти и первому входу вычитателя, выход которого соединен со вто- „р . рым входом второго умножителя, вто- р рой и третий выходы блока синхрони зации соединены соответственно с тактовыми входами и входами обнуления. первого и второго накапливающих сумматоров, четвертый и пятый выходы блока синхронизации подключены соответственно к управляющему входу коммутатора и адресному входу третьего блока постоянной памяти, шестой выход блока синхронизации соединен с адресными входами первого и второго блоков постоянной памяти, а второй 1142844 вход вычитателя является входом задания коэффициента устройства.
29 Устроиство по пэ 19 о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок синхронизации содержит первый и второй счетчики, первый и второй дешифраторы и генератор тактовых импульсов, выход которого является вторым выходом блока и подключен к счетному входу первого счетчика, выход переполнения которого является третьим вы1
Изобретение относится к вычислительной технике, в частности, к цифровой обработке сигналов, и может быть использована при решении задач статистического спектрального анализа, связанных с необходимостью определения статистических характеристик ,спектра сигналов.
Известно устройство, которое реализует известные соотношения для оценки дисперсии спектральных составляющих, полученных методом периодограмм, и содержит квадраторы и накапливающие сумматоры 1.11.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, которое для осуществления известного метода должно содержать блок памяти, выход которого соединен с первым входом умножителя, выход которого подключен ко входу накапли-, вающего сумматора, выход которого соединен со входом квадратора, выход которого подключен ко входу коммутатора, выход которого является информационным выходом устройства, выход блока постоянной памяти коэффициентов соединен со вторым входом умножителя, а вход блока памяти является информационным входом устройства f23.
К недостаткам данного устройства относится то, что оценка дисперсии спектральных составляющих, полученных на основе метода периодогр4мм, дает удовлетворительные результаты только при значительных объемах выборок. В случае коротких выборок ходом блока и подключен к счетному ° входу второго счетчика, информационный выход которого является .шестым выходом блока и подключен к первому входу первого дешифратора и входу второго дешифратора,выход которого явля— ется четвертым выходом блока,информа— ционный выход первого счетчика являет, ся первым выходом блока и подключен ко второму входу первого дешифратора, выход которого является пятым выходом блока.
3 входного сигнала оценка дисперсии получается с большой погрешностью.
Цель изобретения — увеличение точности вычисления оценок дисперсии при малом количестве выборок, Поставленная цель достигается те>:., что в устройство для анализа характеристик спектра, содержащее первый накапливающий сумматор, блок памяти, 1п информационный выход которого соединен с первым входом первого умножителя, второй вход которого подключен к информационному выходу первого блока постоянной памяти, первый квадратор, выходы разрядов которого соединены с соответствующими информационными входами коммутатора, информационный вход блока памяти является информационным входом устройства, введены второй и третий блоки постоянной памяти, второй, третий и четвертый умножителя, вычитатель, сумматор, второй накапливающий сумматор, второй квадратор, первый и второй масштаби2 рующие умножители и блок синхронизации, причем выход первого умножителя соединен с первым входом второго умножителя, выход которого подключен ко входу первого накапливающего,сум- . о матора, выход которого соединен со входом первого масштабирующего умножителя, выход которого соединен со входом первого квадратора, информационный выход блока памяти подключен к первому входу третьего умнояытеля, выход которого соединен со входом второго накапливающего сумматора,выход которого подключен ко входу
2 ) (1с}, и ри 1 = a, k = NI2 тф„(1 })=
N-1
2л „
3 . 11428 второго масштабирующего умножителя, выход которого соединен со входом второго квадратора, выход которого подключен к первому входу четвертого умножителя, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого является информационным выходом устройства, информационные выходы второго и третьего блоков постоянной памяти подключены ко вторым входам lO соответственно третьего и четвертого умножителей, выход коммутатора соединен со вторым входом сумматора, пер1вый выход блока синхронизации подключен к адресному входу блока памяти 15 и первому входу вычитателя, выход которого соединен со вторым входом второго умножителя, второй и третий выходы блока синхронизации соединены соответственно с тактовыми входами и входа- 2Р ми обнуления первого и второго накапливающего сумматоров, четвертый и пятый выходы блока синхронизации подключены соответственно к управляющему входу коммутатора и адресному входу третьего блока постоянной памяти, шестой выход блока синхронизации соединен с адресными входами первого и второго блоков постоянной памяти, а второй вход вычитателя яв- 30 ляется входом задания коэффициента устройства, причем блок синхронизации содержит первый и второй счетчики, первый и второй дешифраторы и генератор тактовых импульсов, выход которого является вторым выходом блока и подключен к счетному входу первого счетчика, выход переполнения которого является третьим выходом блока и подключен к счетному входу 4р второго счетчика, информационный выход которого является шестым выходом блока и подключен к первому входу первого дешифратора и входу второго дешифратора, выход которого явля- 45 ется четвертым выходом блока, информационный выход первого счетчика является первым выходом блока .и подключен ко второму входу первого дешифратора, выход которого является пятым 5р выходом блока.
На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — конкретный пример выполнения блока синхронизации.,55
Устройство (фиг. 1) содержит 1 блок памяти,умножитепи 2 и 3, накапливающий сумматор 4, масштабирующий
44 4 умножитель 5, квадратор 6, коммутатор 7, сумматор 8, вычитатель 9, умножитель 10, накапливающий сумматор 11, масштабирующий умножитель 12, квадратор 13, умножитель 14, блок 15 синхронизации, блоки постоянной памяти 16 — 18.
Блок 15 синхронизац)ии (фиг. 2) может, например состоять из генератора 19 тактовых импульсов, первого 20 . и второго 21 счетчиков, дешифратора
22 (адреса постоянной памяти) и де- " шифратора 23 (адреса коммутатора) °
Расчет оценок дисперсии спектральных отсчетов, которые получены методом периодограмм, на частотах кратных 23/N в .предлагаемом устройстве основан на следующем выражении:
Ц (К}+, при Ос 1сс М!2 (1) 2 С (1с) 2 2л зп — k
М где
N-1
U(k}= Г(О)+ (N"h)г(п) сз 1<п;
2 2и
=1
N — длина выборки; r(n) — отсчеты корреляционной функции; I < (k) — зна. чение периодаграммы на частоте =- k..
М
Выражение (1) получено следующим образом. По определению периодограммы
I<(<}= — (Х(1с)} = — (йе X(k)+Im2Х(1с)}, (2). где Х((с) — коэффициенты дискретного преобразования Фурье (ДПФ).
Отсюда следует, что р(Г llel)= }3(Re X(el)+D(lm <(el)
+21с(йе ХМ,Im ) (1 1) ..
Выражения для ReX(k) и ImX(n) имеют вид
М-1
: РЕХА = . X(0)eOee " %n п=О М
М-1 п )((И=3 . х(.)з).— " 1сп, п=0 Н
44 б
В 11428 где X(n) — отсчеты измеряемого процесса.
В случае если процесс fX(n)j стационарный, то, используя соотношения (3) и (4), можно получить выражения для DjReX(k)l, D(I X(k))v K(ReX(k), X. Х(1с)(, которые имеют вид
Ilgwu Х(1 =-", (Ч(Ч (М3;
1О
D (I„, Х(Й)= — (Ч(М- Е(Ц);
Зс(йеХ(Ц, I X())= — C(i, 15 где Ч(п) и С(п) определены выше, а
Ч(К), пр В=О, М=й/г
Е(Ц= . у
-С(n)<<ф 1с | npu О(1с(8(2, При нормальном распределении величин X(n), т.е. если процесс гауссов, можно показать, что
D(Йе ХЩ) 29 (ReX(%)), ф Х(Ц)=232(I К(Ц). х(хе Y(n),х х(+2х (хех<х),I х(х)).
Подставляя полученные соотношения в выражение (2), получаем оценку ЗО дисперсии (1) °
Как показали расчеты и результаты моделирования на ЭВМ, точность полученных оценок для гауссова стационарного процесса при Ж60 в 1,5 раза вьппе по сравнению с известными оценками.
Устройство работает следующим образом.
Через информационный вход устрой- 40 ства в блок 1 памяти заносятся отсчеты корреляционной функции r(n) исходного сигнала. Причем в ячейку памяти по нулевому адресу заносится r(0)j2, в первую — r(1), вторую — r(2) и 45 т.д. Далее по адресам, формируемым счетчИком 20 блока 15 синхронизации, происходит последовательное считывание отсчетов r(n) из блока 1 памяти на умножитель 2. На второй вход умно-5О жителя 2 подается соответствующий коэффициент cos "kn из блока 16 поМ стоянкой памяти. Адрес в соответствующем цикле обработки для блока 16 постоянной памяти образуется на вы- 55 ходе деппяфратора 22 адреса. блока 15 синхронизации на основе содержимого счетчиков 20 и 21. Результат умножения далее подается на первый вход умножителя 3,. на другой вход которого подается разность с выхода вычитателя 9. Вычитатель 9 необходим для нахождения разности N n, где n— содержимое счетчика 20 блока 15 синхронизации. В накапливающем сумматоре 4 происходит накопление суммы за
N тактов. По окончании N тактов на выходе накапливающего сумматора 4 образуется величина V(k) для данного номера частотного отсчета К. Импульс переполнения с выхода счетчика 20 добавляет единицу в счетчик 21 (происходит переход к следующему номеру частотного отсчета и сбрасывает регистр накапливающего сумматора 4 в ноль).. Одновременно с этим величина
V(k) с выхода накапливающего сумматора 4 поступает на вход квадратора
6 через масштабирующий умножитель (масштабный множитель 2/N).
Аналогичным образом происходит вычисление величины C(k), при помощи умножителя 10, накапливающего сумматора 11, масштабирующего умножителя
12 (масштабный множитель — 2/N) ° В блоке 17 постоянной памяти в этом случае хранятся коэффициенты
sin — kn.
° 2Л
Й
На выходах первого и второго квадраторов образуются соответственно величины Vz(k) и С (к) последняя из которых умножается в умножителе 14 на коэффициенты 1/sin ) k хранящие2 2й м» ся в блоке 18 постоянной памяти. Адрес этого блока 18 постоянной памяти поступает с выхода счетчика 21 блока
15 синхронизации. Причем в нулевой и И/2-й ячейках этого блока записаны нули.
Величина V (k) поступает на вход сумматора,8 через коммутатор 7. При этом в соответствии с выражением (1) в случае нахождения D(I,(k)j с номерами k=O и k=N/2 величины Vi(k) с выхода квадратора 6 поступают через коммутатор 7 на вход сумматора
8 со сдвигом в сторону старших разрядов на один разряд. Этот сдвиг .осуществляется подключением соответствующих разрядов квадратора 6 к выходу коммутатора 7. Коммутатор 7 адресуется кодом с выхода дешифратора
23 адреса коммутатора блока 15 синхронизации.
Результат вычисления D(I<(k)) образуется на выходе сумматора 8 по,следовательно во времени.
142844
Фиг. z рцщяЩ Заказ 738/42 Тираж 7!О Подписное
1
Таким образом, предлагаемое устройство за счет введения новых блоков и связей между ними позволяет реализовать новый метод оценки дисперсии, который позволяет добиться значительного выигрыша по точности по сравнению с применением известного при малых длинах выборки. Так, результаты моделирования обоих устройств показали, что предлагаемое при длинах выборки Мс60 дает выигрыш по точности порядка 50Х.
