Устройство для спектрального анализа

 

Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике, в частности к устройствам, предназначенным для спектрального анализа и обнаружения сигналов на фоне помех в диапазоне радиоволн сверхнизкой яастоты. Цель изобретения - увеличение точности спектральной оценки. Поставленная цель достигается тем, что устройство для спектрального анализа состоит из двух блоков дискретного преобразования Фурье, семи коммутаторов, четырех регистров, арифметического блока, сумматора-вычитателя, группы регистров, накапливающего сумматора, блок сравнения, цвух счетчиков, дешифратора и блока постоянной памяти с соответствующими связями. 8 ил. (Л С f S9 сл СА9 сл

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН. (19) (Н) А2 1) 4 G 06 F 15/332

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ф4к (6 1 ) 1 08480 7 (21) 3860316/24-24 (22) 22.01.85 (46) 07.08.86. Бюл. 1(29 (71) Винницкий политехнический институт (72) В.С.Бордюженко (53) 681.32(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 1084807, кл. G 06 F 15/332, 1984. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОГО

АНАЛИЗА (57) Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике, в частности к устройствам, предназначенным для спектрального анализа и обнаружения сигналов на фоне помех в диапазоне радиоволн сверхнизкой яастоты. Цель изобретения — увеличение точности спектральной оценки.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для спектрального анализа состоит из двух блоков дискретного преобразования Фурье, семи коммутаторов, четырех регистров, арифметического блока, сумматора-вычитателя, группы регистров, накапливающего сумматора, блок сравнения, цвух счетчиков, дешифратора и блока постоянной памяти с соответствующими связями. 8 ил. (2) Ф

К-1, К -1 о = 0 +

К К-1,1 (82 е

6 =(1-)о I )6 коэффициент отражения модели порядка К;

Б — ошибка предсказания модели.

Рекурсия прекращается при снижении относительной скорости убывания ошибки предсказания Ь„с увеличением по55 рядка модели менее некоторой величины

Z- к1 " (F i 1О)

6 к-1 где а„

1

1249

Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике, в частности к устройствам, предна=-наченным для спектрального анализа и обнаружения сигналов на фоне помех в диапазоне радиоволн сверхнизкой частоты.

Цель изобретения — увеличение точности спектральной оценки.

На фиг. 1 представлена структурная 1р схема устройства; на фиг. 2 — функциональная схема устройства для выполнения преобразования Фурье; на фиг. 3 — схема блока вычисления спектра; на фиг. 4 — схема первого арифметико-логического блока; на фиг. 5 — схема синхронизатора блока вычисления спектра; на фиг. 6 — схема блока определения параметров авторегрессионной модели; на фиг. 7 — схема щ второго арифметико-логического блока; на фиг. 8 — схема синхронизатора бло-ка определения параметров авторегрессионной модели, Устройство содержит коммутатор 1, 25 блоки 2 и 3 дискретного преобразования Фурье, блок 4 вычисления спектра и блок 5 определения параметров авторегрессионной модели.

Блок дискретного преобразования

Фурье (фиг. 2) содержит блоки 6 преобразования первого рода, суммирующие блоки 7, блоки 8 преобразования второго рода и представляет собой устройство быстрого преобразоваh 35 ния Фурье размерностью 2

Блок вычисления спектра (фиг. 3) содержит коммутатор 9, (входные) регистры 10 и 11, арифметико-логический блок 12 (АЛБ), синхронизатор 13 40 блока вычисления спектра, регистр 14 (хранения промежуточного результата) и накапливающий сумматор 15.

Арифметико-логический блок 12 (фиг. 4) содержит коммутатор 16 и сумматор-вычитатель 17.

Синхронизатор 13 (фиг. 5) содержит счетчик 18 и дешифратор 19.

Блок 5 определения параметров авторегрессионной модели (фиг. 6) содержит (входной) регистр 20, (входной) коммутатор 21, арифметико-логический блок 22, (входной) коммутатор 23, блок 24 управления, групrry регистров 25, (выходной) коммутатор 26 и блок 27 сравнения.

Арифметико-логический блок 22 (фиг. 7) состоит из коммутатора 28 и арифметического блока 29.

535 2

Блок 24 управления (фиг. 8) содержит счетчик 30 и блок 31 постоянttoA памяти.

Устройство работает следующим образом.

На вход устройства поступает

М-точечная последовательность Х

X Х комплексных значений

М исследуемого сигнала которая секциоt1

1 нируется по 2 отчетов с перекрытием, равным 2:1, т.е.. сдвигается каждый раэ на 2 отчетов: х,,х,...,х

1 2

Х вЂ” 1 1 ° ° ° 1Х 1з

2 ° 2 +1 (1) х,„ \ 1 у ° ° ° 1Х11 1 1 Oy ° ° ° уО °

Над каждой из секций производится дискретное преобразование Фурье

V. (k)=DIIa1õ х,, ° . х „- j i

V,(1с)=РПФ1х -1,...,х,0,...,0) и вычисляют х,(k)=V;(1с)CVÄ (k)+(-1) 1 ., (k) . (3) Вычисляя сумму т

x(k)=, 1 х, (k), k=0,1.,2 (4)

j=n и произведя обратное дискретное преобразование Фурье

R(m)=0DII@fx(k)f, m=0,2 получим 2 первых отсчетов автокорреляционной функции исследуемого сигнала.

Вычислив параметры авторегрессионной модели первого порядка а„=-к(1) /R(0); (5) а, =(1-)a„l )R(0), (6) организуется рекурсия Левинсона

К-1 а„„= (а, Д(к- 2)/ е=а

9535 4 порядка р 5 г

8 ч р уа > т ° ° ° уарр у по которым легко построить непрерывную спектральную оценку исследуемого си гнала

6 1 (.,(с>- (11) и з 124 которую можно положить равной, например, C=O 1. Входными параметрами авторегрессивного оценивания спектра являются параметры модели выбранного

11++ о, eXP(-ТЛ )(Ттт= Т где at — интервал дискретизации.

Использование в предлагаемом устройстве в качестве выходных парамет- 15 ров коэффициентов авторегрессионТТ - 1 ной модели, поступающих на (1-2 )-й информационные выходы блока 5, более целесообразно, чем получение отчетов спектральной оценки исследуемого 20 сигнала по следующим причинам: количество выходных параметров 6,а а ... а значительно меньше колиР2 РР чества отсчетов спектральной оценки, поступающих на выходы в известном 25 устройстве в результате дискретного преобразования Фурье, что создает дополнительные удобства по их хране" нию и дальнейшей обработке; при определении спектра исследуемого сигнала,З0 как правило, получают несколько его последовательных спектральных оценок (количество которых может достигать десятков тысйч) и производят их статистическое усреднение. Если выполнять статистическое усреднение выходных параметров предлагаемого устройства, количество которых не превышает

2, то это позволит значительно снизить аппаратурные и временные за-40 траты на выполнение операции статисти.ческого усреднения.

С другой стороны, использование в качестве выходных параметров 6 а,а,...,арр позволЯет пРосматРи- 45

P1 р2 вать интересующие участки спектра исследуемого сигнала с произвольным шагом, что нельзя сделать с помощью известного устройства. л

В исходном состоянии на 2 входов 50 блока 2 с группы выходов компаратоТ Т ра 1 поступают первые 2 элементов h выборки входного сигнала, а на 2 входов блока 3 с группы выходов комh-Т мутатора 1 поступают первые 2 — 55 (+2 ) элементов входной выборки.

Результаты выполнения дискретного преобразования Фурье поступают с выходов блока 2 и 3 на соответствующие входы блока 4, являющиеся соответственно первой и второй группой входов коммутатора 9, который в исходном состоянии замыкает первую

ТТ h группу из 2 входов на 2 выходов коммутатора 9.

По сигналу с выхода блока 13 соответствующему исходному состоянию счетчика 18 и единичному сигналу на выходе дешифратора 19, происходит запись информации с выхода коммутатора 9 во входной регистр 11.

При поступлении тактового импульса на вход счетчика 18 его состояние увеличивается на единицу, что приводит к изменению состояния дешифратора 19, и íà erî выходе, соответствующем второму выходу блока 16, появляется единичный импульс, передний фронт которого через (2 +1)-й вход коммутатора 9 переводит его в противоположное состояние, при этом инфорh мация с второй группы 2 входов по.ступает на выход коммутатора 9 и на (3 2 +2)-й вход блока 2. При этом над операндом V; (К) (см. выражение (3), поступающим на (1-2 ") входы сумматора-вычитателя 17, и операндом

Ч,„(К) (см. выражение (3), который постунает .через первые 2" его выходов, а с них на т. (2" +1)-(2" т" )1 входы сумматора-вычитателя 17, выполняется операция сложения-вычитания согласно выражения (3), результат которой по окончании единичного импульса на выходе 2 блока 16 с выходов 1 — 2" блока 12 записывается в регистр 14.

После этого на тактирующий вход . счетчика 18 блока 13 поступает следующий тактирующий импульс, увеличивающий его состояние на единицу.

На выходе 3 дешифратора 19 и соответственно на выходе 3 блока 13 появляется единичный импульс, который

Т+ Т поступает на (3 2 )-й управляющий вход блока 12 и в коммутаторе 16 подключает ((2" )-(2" )j входы на его (1-2") выходы. При этом происходит умножение операнда, находящегося в регистре 10 и поступающего на nep87 группу входов сумматора-вычитателя 17, на операнд, записанный в регистр 14, который через коммутатор 16 поступает на вторую группу входов сумматора-вычитателя 17. По заднему фронту импульса на выходе 3 блока 13 происходит сложение результатов умножения в сумматоре 15 с его

1249535 содержанием и перезапись содержимого регистра 11 в регистр 10. После этого счетчик 18 переходит в исходное состояние и описанный цикл работы

N блока 4 повторяется (2-„+2) раз, и после чего на (1-2 ) выходах сумматора появляется 2 -точечная оценка спектра входного сигнала, согласно выражения (4), После этого коммутатор 1 переходит в состояние, соответствующее максимальному значению. При этом происходит коммутация (N+1) — (N+2 ) входов коммутатора 1, которые соединены с соответствующими выходами блока 4, и на входы блока 2. Таким образом 2 точечная оценка спектра исследуемого сигнала поступает на (1-2") входы блока 2. Результат выполнения дискретного преобразования Фурье (в дан\

h ном случае 2 -точечная оценка циклической автокорреляционной функции входного сигнала, первые 2" " точек р5 которой несут информацию) блоком 2 преобразования Фурье поступает на его выходы и соответственно на 1-2 входы блока 5, и заносится во входной регистр 20 по сигналу, поступаюп-l щему на его (2 +1)-й вход с первого выхода блока 24, который появляется на выходе 1 блока 31 при единичном состоянии счетчика 30.

Режиму записи информации в ре-, гистр 20 соответствует управляющее

35 слово и содержит единицу в первом разряде при нулевом значении всех остальных.

Порядок следования управляющих

40 слов на выходе блока 31, а следовательно, и выполнение операций блоком 5 определяется состоянием счетчика 30, состояние выходов которого является адресом блока 31. Для управ45 ления в структуре управляющего слова блока 31 выделены соответствующие зоны, разрядность которых определяется количеством входов либо операций каждого узла.

В зонах структуры находятся адреN са коммутируемых входов соответственно коммутаторов 21 и 20, определяюшиеся выражением (7) . В зоне управляющей структуры находятся адреса операций, необходимых для вычисления

15 2 а„„,б и сравнения согласно выражениям 1 7) — (10) . В другой зоне нахолнтся адреса выходов и регистров соотвpтс I Бенно коммутат()ра и группы регистров 25.

Следование управляющих слов с блока 2б позволяет оперировать с входйыми операндами и результатами промежуточных вычислений и в соответствии с (7) — (9) вычислить с,а,а для авторегрессионной модели К-го поряд— ка. На основании вычисленной ошибки

2 предсказания 6„, согласно (10) происходит вычисление Z-относительной скорости, убивая ошибки предсказания модели порядка К при увеличении его от (К-1) до К.

В блоке 27 сравнения происходит сравнение вычисленного в блоке 22 параметра Z которь!й через коммутатор 23 поступает на второй вход блока 27 со значением константы С, поступающей на первый вход блока 27 с (2"-1)-ой ячейки блока 25. Если выполняется неравенство (10), то на выходе блока 27, который является контрольным выходом 2 устройства, появится единичный сигнал, который заблокирует счетчик 30 и будет свидетельствовать об окончании процесса вычисления, и на (1-2 ) информационных выходах блока 5 появится результат вычисления параметров авторегрессионной модели К-го порядка.

В случае невыполнения условия (10) на выходе блока 27 сравнения сигнал отсутствует и счетчик 30 продолжает измерять свое состояние так, что в исходный момент (1-(n+1)) элементы .памяти его обнуляются, а единичный импульс записывается в N-ый элемент.

При этом на адресных входах блока 31 появляется исходный адрес и описанный цикл вычислений повторяется, порядок модели увеличивается на единицу и вычисляются ее параметры.

Если количество выполненных цик N-1 лов достигло (2 -1), что соответствует максимально возможному порядку аппроксимирующей входной сигнал анторегрессионной модели, на первом контрольном выходе устройства появится сигнал, свидетельствующий об окон% чании вычислений, и значения В,,ар„, a „(i=-1,2,3... Р-1) на (1-2" ) выходных групп регистров результата будут выходными данными устройства.

Формула из о бр ет ения

Устройство для спектрального анализа по авт. св. Ф 1084807, о т и и1249535 чающее с я тем, что, с целью увеличения точности, в него введены семь коммутаторов, второй блок дискретного преобразования Фурье, четыре регистра, группа регистров, блок сравнения, арифметический блок, сумматор-вычитатель, накапливающий сумматор, два счетчика, дешифратор и блок постоянной памяти, причем первый 10 выход первого коммутатора подключен к информационному входу первого блока дискретного преобразования Фурье, выход которого подключен к первому информационному входу второго коммутатора и информационному входу первого регистра, выходы разрядов которого подключены к соответствующим информационным входам третьего коммутатора, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому информационному входу четвертого коммутатора и входу первого операнда арифметического блока, выход результата которого подключен к информационному входу пятого коммутатора, i-й (i=1,2"j выход которого подключен к информационному входу

i-го регистра группы, выход j-ro (j=1,2"-1) регистра группы является

j-м информационным выходом устройства и подключен к j -му информационному входу шестого коммутатора, выход которого подключен к второму информационному входу четвертого коммутато35 ра, выход которого подключен к входу второго операнда арифметического бло" ка,,(2" +1)-й выход пятого коммутато ра и выход 2"-го регистра группы подключены соответственно к первому и второму входам блока сравнения, выход которого является выходом окончания вычислений и подключен к установочному входу первого счетчика, информационный выход. которого подклю- чен к адресному входу блока постоянной памяти, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключе. ны соответственно к тактовому входу первого регистра, управляющим входам третьего и четвертого коммутаторов и входу синхронизации арифметического блока, пятый выход блока постоянной памяти подключен к управляющему входу пятого коммутатора и тактовым входам регистров группы, шестой выход блока постоянной памяти подключен к управляющему входу шестого коммутатора, а седьмой выход блока постоянной памяти является контрольным выходом устройства, второй выход первого коммутатора подключен к информационному входу второго блока дискретного преобразования Фурье, выход которого подключен к второму информационному входу второго коммутатора, выход которого подключен к первому информационному входу седьмого коммутатора и информационному входу третьего регистра, выход которого подключен

k первому входу сумматора-вычитателя,. выход которого подключен к входу сумматора-вычитателя и информационному входу четвертого регистра,:выход которого подключен к второму информационному входу седьмого коммутатора, выход которого подключен к второму входу сумматора-вычитателя, выход накапливающего сумматора подключен к первому информационному входу первого коммутатора, второй информационный вход которого является информационным входом устройства, информационный выход второго счетчика подключен к входу дешифратора, первый выход которого подключен к тактовому входу второго регистра, второй выход дешифратора подключен к управляющим входам второго коммутатора и сумматоравычитателя и тактовому входу четвертого регистра, третий выход дешифратора подключен к тактовым входам третьего регистра и накапливающего сумматора и .управляющему входу седьмого коммутатора,счетныевходы первого и второгс дчетчика объединеныи являются тактовым входом устройства,ауправляющий вход первого коммутатора является входомзадания режима устройства.

l249535

1249535

° °

° в 7 Ю 7 Ф . 7

Фие. 8

Составитель А.Баранов

Редактор С.Патрушева Техред О.Гортвай Корректор О Луговая

Закаэ 4326/50 Тираж 67 t Подпис ное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобрет ений и открытий

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

Проиэводственно-полиграфическое предприятие, r.Óæãaðoä, ул.Проектная,