Устройство для выполнения преобразования фурье

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в радиотехни L r ке и измерительной технике для определейия коэффициентов преобразования Фурье случайных сигналов в реальном масштабе времени. Цель изобретения - повышение быстродействия. Поставленная цель достигается за счет того, что в состав устройства входят аналого-цифровой преобразователь 1, информационный вход 2, генератор 3 тактовых импульсов, генератор 4 псевдослучайных чисел, блок 5 постоянной памяти, блок 6 синхронизации, группа 7, содержащая п формирователей моментов дискретизации 8 (п - размер преобразования ), две группы 9, каждая из которых состоит из п накапливающих сумматоров-вычитателей 10 и умножителей на козффициент, информационные выходы 12. 4 ил. § (Л И п к е J - -I Фи.1

СОЮЗ СОБЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) А1 (51) 4 G 06 F 15/332

@pe

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯМИ

К д ВТОРСИОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ Лк., 1 ъ»

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4022166/24-24 (22) 14,02.86 (46) 23.07.87. Бюл, У 27 (71) Житомирский филиал Киевского политехнического института им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) В, В. Гнилицкий и Д. В. Корчев (53) 681.32(088.8) (56) Патент США У 388!100, кл. G Об F 15/332, 1975, Авторское свидетельство СССР

М 928363, кл. G 06 F 15/332, 1982. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ (57) Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в радиотехнике и измерительной технике для определения коэффициентов преобразования

Фурье случайных сигналов в реальном масштабе времени. Цель изобретения— повышение быстродействия ° Поставленная цель достигается за счет того, что в состав устройства входят аналого-цифровой преобразователь 1, информационный вход 2, генератор 3 тактовых импульсов, генератор 4 псевдослучайных чисел, блок 5 постоянной памяти, блок 6 синхронизации, группа 7, содержащая п формирователей моментов дискретизации 8 (n — размер преобразования ), две группы 9, каждая из которых состоит иэ и накапливающих сумматоров-вычитателей 10 и умножителей на коэффициент, информационные выходы 12. 4 ил.

13255

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в радиотехнике и измерительной технике для определе5 ния коэффициентов преобразования Фурье непрерывных и дискретных случайных сигналов в реальном масштабе вре40 мени.

Цель изобретения — повышение быст- 10 родействия за счет уменьшения количества арифметических операций пересчета из,базиса прямоугольных фильтрующих функций в тригонометрический.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для выполнения преобразования Фурье „на фиг. 2— структурная схема формирователя моментов дискретизации; на фиг. 3— графики и временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг, 4 временные диаграммы, поясняющие работу формирователя моментов дискретизации.

Устройство для выполнения Фурье 25 (фиг. 1) содержит аналого-цифровой преобразователь (АПП) 1 с информационным входом 2, генератор 3 тактовых импульсов, генератор 4 псевдослучайных чисел, блок 5 постоянной памяти„ 30 блок 6 синхронизации, группу 7, со.держащую и формирователей 8 моментов дискретизации, цве группы 9 одинаковых блоков, "îäåðæàùèõ и накапливающих сумматоров-вычитателей ll0 и умножителей 11 на коэффициент, первый выход 13 генератора 3 тактовых импуль-сов, вход 14 генератора 4 псевдослучайных чисел, тактовый вход 15, тактовый вход 16, выход 17 генератора

3 тактовых импульсов, вход 18 обнуления, выход 19 генератора 4 псевдо"случайных чисел, второй вход 20 форми- рователей 8 моментов дискретизации, первый выход 21, адресный вход 22 бло- 45 ка 5 постоянной памяти, второй выход 23, первый вход 24 формирователей 8 моментов дискретизации, знаковый выход 25, знаковый вход 26 сумматоров вычитателей 10, информационный выход 2?, информационный вход 28 сумматоров-вычитателей, выход 29 блока

5 постоянной памяти, управляющие входы 30 сумматоров-вычитателей 10 вто рой группы 9, установочный вход 32, третий вход 33 формирователей 8 моментов дискретизации, третий выход

34, четвертый вход 35 формирователей

8 моментов дискретизации, четвертый

09 г выход 36, пятый вход 37 формирователей 8 моментов дискретизации, пятый выход 38 блока 6, шестой вход 39 и первый выход 40 формирователя 8 моментов дискретизации, тактовый вход

41 сумматора-вычитателя 10 первой группы 9, второй тактовый выход 42 формирователя 8 моментов дискретизации, тактовый вход 43 сумматора-вычитателя 10 второй группы 9, шестой выход 44, обнуляющий вход 45 и выходы 46 сумматоров-вычитателей 10 первой и второй групп 9, вход 47 умножителей 11 на коэффициент.

Формирователь 8 моментов дискретизации содержит (фиг, 2) узел 48 постоянной памяти, первый 49 и второй

50 узлы (оперативной) памяти, коммутатор 51, первый адресный вход 52 первого 49 и первый адресный вход

53 второго 50 узлов оперативной памяти„ информационные входы 54 и 55 первого 49 и второго 50 узлов оперативной памяти, управляющий вход 56 коммутатора 51, выход 57 узла 48 постоянной памяти, вторые адресные входы 58 и 59 соответственно первого 49 и второго 50 узлов оперативной памяти, выход 60 первого узла 49 оперативной памяти, информационный вход 61 коммутатора 51, выход 62 второго узла 50 оперативной памяти, информационный вход 63 коммутатора 51, входы 64 и 66 разрешения записи первого 49 и второго 50 узлов оперативной памяти, входы 65 и 67 разрешения считывания соответственно первого 49 и второго

50 узлов оперативной памяти, первый

69 и второй 68 выходы коммутатора 51, управляющий вход 70 коммутатора 51, адресный вход 71.

На фиг, 3 обозначены диаграммы:

72 — i-й нечетной прямоугольной фильтрующей функции R>.(t); 73 — плотность вероятности моментов дискретизации для i-го сумматора-вычитателя 10 второй группы 9„ 74 — стохастической последовательности импульсов дискретизации на входе 41 i-го сумматоравычитателя 10 второй группы 9; 75— первой гармоники i"é фильтрующей функции R (t), которая выфильтровывается в результате указанного алгоритма дискретизации; 76 — i-й четной прямоугольной фильтрующей функции

К .(t), 77 " плотности вероятности моментов дискретизации для i-го сумматора-вычитателя 10 первой группы 9; з

132

78 — стохастической последовательности импульсов дискретизации на входе 43 i-ro сумматора-вычитателя 10 первой группы 9; 79 —. первой гармоники i-й фильтрующей функции К .(t)» Ko торая выфильтровывается в результате указанного алгоритма дискретизации;

80 — сигнала на входе 67 второго узла 50 оперативной памяти i-ro формирователя 8 моментов дискретизации;

81 — сигнала на входе 65 первого узла 49 Оперативной памяти i-го формирователя 8 моментов дискретизации;

82 — сигнала на входе 64 узла 49 оперативной памяти i-ro формирователя 8 моментов дискретизации; 83 — сигнала на входе 66 узла 50 оперативной памяти i-го формирователя 8 моментов ди скретизации.

На фиг. 4 обозначены: 84 — сигнал на первом выходе 13 генератора 3 тактовых импульсов; 85 — сигнал на втором выходе 17 генератора 3. тактовых импульсов; 86 — сигнал, поступающий .на вход 65 в интервале считывания моментов дискретизации из узла 49 памяти моментов дискретизации или на вход 67 в интервале считывания моментов дискретизации i-ro формирователя

8 моментов дискретизации (в интервале записи информации на соответствущем входе 65 или 67 должен быть уровень

"Лог. 0"); 87 — сигнал адреса, постуI лающий на входы 52 и 53 узлов 49 и

50 памяти моментов дискретизации (для работы их в режиме сччтывания информации с обнулением) i-го формирователя 8 моментов дескритизации;

88 и 89 — сигналы, поступающие на вход 70 коммутаторов 51 формирователей 8 моментов дискретизации.

Пусть задана прямоугольная фильтрующая функция R (t), которая определяется выражейием

R>,(t) = sing(siny,t), где ы,. — частота требуемой спектральной оценки, Будем осуществлять стохастическую дискретизацию входного сигнала, умноженного на фильтрующую функцию К .(t) с плотностью вероятности моментов дискретизации, пропорциональной функции f sin u>t /. Для удобства возьмем

1 по A моментов дискретизации на каж- . дом полупериоде фильтрующей функции.

Частотная характеристика случайного

5509 фильтра определяется выражением Р .(1Ы):

М;Ь;

5 ф.()= - - Rs (51 2N,.ь, „з где L — число периодов фильтрующей

1 функции R ;(t) на интервале анализа Т, который выбирается кратным периоду

10 фильтрующей функции.

Математическое ожидание ф з;(1ы) будет равно:

T М;14, » Ф,(q l)= R (tlP„(t)e " dt=

15 7 о

Т Н;1.;

;-,„,„)<,,I Z P,ìd

1 К=1 о где P К (t) плОтнОсть ВеРОЯтнОсти распределения К-ro момента дискретизации. В данном случае

Р „(t) = P(t) = С., sins.t i, где С. — коэффициент пропорциональ-, 1

25 ности, вытекающий из условия нормировки плотности вероятности, который

1в данном случае равен Т . Тогда 1;1, N)l„

P„(t) = )sinu.t)= 11>L » 1з1-пЬ 1 °

М1 к=

С учетом последнего выражения математическое ожидание примет вид т и 1 -j40t

N (Ф, ()I = — ) К.(t))sinu>;t) e dt т о

35 -Л +

= - ) sign(sinu> t))sin>a.t(е dt

1 от и

)sin y.te dt.

2»1

Из последнего выражения следует, 40 что такой случайный фильтр будет выделять синусоиду с частотой и;. При этом умножение сигнала производится только на +1 и -1, Размножения спектра при стохастической дискретизации

45 не происходит, что позволяет получить спектральные оценки при сравнительно низкой частоте дискретизации.

Для получения спектральной оценки на частоте ы; требуется два фильтра, работающих по описанному выше алгоритму (для синусной и косинусной составляющих). Операция перерасчетаиэ прямоугодьного базисав тригонометрический при этом не требуется (кроме масштабирования).

Устройство работает следующим образом.

Генератор 3 тактовых импульсов генерирует две последовательности

5 132 509 тактовых импульсов 84 и 85, которые снимаются с его первагс 3 и второго

17 выходов. соответственно, Временной

Т интервал - соответствующий половине

2 1

5 периода i-й нечетной фильтрующей функции, разбит на М; тактов с шагом d t„

В N, из M. тактов (N < M ) проиэва1 1 1 1 дится стахастическая дискретизация входного сигнала с неравномерной 10 плотностью вероятности, прапарцианаль" ной функции (sin Lo.tf. Тактовые им1 пульсы 84 поступают на вход 15 ЛЦП информации, на вход 14 генератора псевдослучайных чисел и вход 16 бла- 15 ка 6.

За М, тактов с выхода 19 генерата\ ра 4 псевдослучай пIx чисел снимается

N псевдослучайных чисел с равномер1„ най плотностью вероятности в интерва- 20 ле 0 — 1. Псевдослучайные числа поступают на входы 71 узлов 48 постоянной памяти формирователей 8 моментов дискретизации. С выходов 57 снимают псевдослучайные числа с требуемой для 2> каждой спектральной составляющей неравномерной плотностью вероятности, пропорциональной модулю синусоиды измеряемой i-й гармоники. С выхода 57 псевдослучайные числа поступают на . 30 адресный вход 58 узла 49 оперативной памяти моментов дискретизации и адресный вход 59 узла 50 оперативной ла. мяти моментов дискретизации 1-га формирователя 8 моментов дискретизации. 35

Узлы 49 и 50 оперативной памяти формирователя 8 моментов дискретизации служат для паачереднor о формирования и выдачи моментов дискретиза.— ции входного сигнала для нахождения спектрального коэффициента Фурье. Если один из узлов 49 или 50 выдает мо.менты дискретизации на данном полупериоде i-й нечетной фильтрующей функции R ;(t) то другой из них находится в режиме формирования моментов дискретизации для следующего палупериода.

Моменты ди скр етиз ации в виде положительных импульсов (4 и 78, фиг. 3) поступают на тактовые входы соответствующих i-х сумматоров-вычитателей 10 первой и второй групп 9 с тога узла 49 или 50 памяти моментов дискретизации, который на данном полупериоде i-й нечетной фильтрующей функции 72 К ;,(t) находится в режиме выдачи моментов дискретизации для четной и нечетной составляющих i-й спектральной оценки.

Режим работы узлов 49 и 50 памяти моментов дискре тиэ ации задается уровнем:7.-й нечетнсй фильтрующей функции

77. „(), При низком уровне i-й нечетной фильтрующей функции 72 R (t) соответствующий -и узел 49 оперативной памяти моментов дискретизации работает в режиме считывания моментов дискретизации, à i-й увел 50 оперативной памяти моментов дискретизации работает в режиме записи моментов дискретизации для последующего полупериода х-й фильтрующей функции. При верхнем уровне нечетной R ; (t) фильтрующей функции 72 i-й узел 50 памяти моментов дискретизации работает в режиме считывания мамептав дискретиза— ции, a i-й узел 49 памяти моментов дискретизации работает в релжме записи моментов дискретизации для последующего палупериада 1-й фильтрующей функции, Адресация i -х узлов 49 и 50 при низком уровне х-и нечетной фильтрующей функции производится па адресным вхацам 52 и 59 соответственно, а при высоком уровне R ;(t) — па адресным входам 58 и 53 соответственно.

Блок 6 синхронизации формирует на враждам полупериаде последовательность управляющих сигналов 80-83 (фиг,3)

88 и 89 (фиг. 4) и последовательность адресов от 0 до Т, поступающую с его выхода 27 на адресный вход 22 блока 5 постоянной памяти, а также и последовательностей адресов, поступающих с выходов 23 на соответствующие адресные входы 52 и 53 соответственно узлов 49 и 50 памяти моментов дискретизации формирова.гелей 8 моментов дискретизации (сигнал 87, фиг. 4).

РGccMotpHM зBIIHc MQMPH аB gHcK ретизации:в узел 50 при низком уровíе фильтрующей функции 72 R (t) при условии, что все ячейки памяти узла 50 находятся в состоянии "JIor 0", На вход 66 узла 50 поступает с соответствующего выхода 34 "Лог. 1" (сигнал 83, фиг, 3), на вход 67 — с соответствующего выхода 36 "Лаг. 0" (сигнал 80, фиг. 3 ),, который устанавливает память в режим записи. На вход 55 уэл"- 50 пастсянной памяти поступает сигнал, который разрешает адресацию узла 50 через адресный . вход 59, За время М . тактов данного

1 полупериада нечетной фильтрующей функции R (t) на адресный вход 59 саат7 !3 ветствующего узла 50 памяти моментов дискретизации поступает 11; псевдонаучных чисел с требуемой для гармоники неравномерной плотностью вероятности распределения. В выпавшие N. ! ячеек памяти узла 50 записываются единиц, которые соотв етствуют моментам дискретизации с требуемой для данной гармоники неравномерной плотностью вероятности в интервале от 0 до М;. Временная диаграмма этого процесса приведена на фиг. 3.

Рассмотрим считывание моментов дискретизации из соответствующего узла 49 при низком уровне i-й фильтруюmeA функции R < (t) при условии что на предыдущем полупериоде в него было занесено N. единиц описанным выше об1 разом. На вход 54 этого узла поступает "Лог. О" (сигнал 72, фиг. 3), который разрешает адресацию блока 49 по входу 52. На вход 65 узла 49 памяти моментов дискретизации подается сигнал 81 с соответствующего выхода 36, на вход 64 поступает "Лог. 0" с соответствующего выхода 34. Первую половину полупериода R ;(t) узел 49 памяти моментов дискретизации находится в режиме считывания, а вторую поло— вину — в режиме считывания с обнулением ячеек (сигнал 81, фиг. 3).

3а время одного полутакта генератора 3 тактовых импульсов (сигнал 84, фиг. 4) на адресный вход 52 приходит две адресные комбинации m-я и

М;

m 8 — (8 означает сложение .по мо2 дулю М,). Переключение адресов (87, фиг. 4 ) производится сигналом 85 (фиг. 4), поступающим с второго выхода 17 генератора 3 тактовых импульсов на вход 18. На первом полутакте сигнала 84 с генератора 3 ("Лог. 1", сигнал 84, фиг. 4) из узла 49 памяти моментов дискретизации производится считывание информации из m-й и из

M„. ш — ячейки памяти. Информация из

m é ячейки через коммутатор 51 формирователя 8 моментов дискретизации подается на тактовый вход 41 соответствующего сумматора-вычитателя 10 второй группы 9 а информация из.mg+ - !>

2 ячейки памяти через коммутатор 51 подается на тактовый вход 43 соответствующего сумматора-вычитателя 10 первой группы 9. Наличие единиц в этих

25509 8 ячейках памяти соответствует приходу тактового импульса.

На втором полутакте сигнала 84 ("Лог. 0", сигнал 84, фиг. 4) на узел

49 памяти моментов дискретизации подаются те же два адреса m-й и

М;

m® †. Это необходимо для того, чтобы на второй половине полупериода

i-й фильтрующей функции 72 производить обнуление этих ячеек памяти (сигнал 86, фиг. 4). Первую половину периода i-й нечетной фильтрующей функции R q;(t) на входе 65 узла 49 уро-!

5 вень "Лог. !" (81, фиг. 3) . На вход 56 коммутатора 51 подается код i-й нечетной фильтрующей функции Rsi (t) для переключения входов 61 и 63 информации. На вход 70 коммутатора 51

20 подаются сигналы 88 и 89 (фиг. 4).Уровень "Лог. 0" сигнала 89 разрешает выдачу информации с коммутатора 51 а сигнал 88 служит для переключения выходов. При "Лог. 0" сигнала 88 (фиг.4)

25 информация выдается на выход 68, а при уровне "Лог. 1" — на выход 69 коммутатора 5! формирователя 8 моментов дискретизации.

Таким образом, на данном полуперио30 де i-й фильтрующей функции R, (t) эа

М, тактов производится стохастическая

1 дискретизация сигнала, причем в -м сумматоре-вычитателе 10 первой группы 9 плотность вероятности 77 момен35 тов дискретизации пропорциональна модулю косинусной составляющей 79 i-й гармоники, а в -м сумматоре-вычитателе 10 второй группы 9 плотность вероятности 73 пропорциональна модулю

40 синусной составляющей 75 i-й фильтрующей функции.

На следующем полупериоде Кз; (t) режимы работы узлов 49 и 50 памяти

45 моментов дискретизации меняются.

Поступающая на адресный вход 22 блока 5 постоянной памяти последовательность адресов производит считывание кодов фильтрующих функций, кото50 рые поступают на информационные входы 30 и 31 сумматоров-вычитателей 10.

На другие информационные и знаковые входы 28 и 26 с интервалом дискретизации 8t поступают отсчеты в цифровом

55 виде с информационного выхода 27 и знакового вь|хода 25 АЦП 1.

Операции суммирования и вычитания в сумматорах †вычитател 10 осуществляются при поступлении. на вход 43

132550

20 а, 1 а

Ь;

b), с;.гли 41 тактового импульса в виде

"Лог. !". Если знаки отсчета и кода фильтрующей функции совпадают, то производится спожение значения отсчета с содержимым соответствующего сумматора- вычитателя 10, если знаки не совпадают — вычитание. По окончании интер-, вала анализа с выхода 44 поступает импульс обнуления сумматоров-вычитателей 10. Одновременно производится счи-!О тывание информации с выхода 46 сумматоров-вычитателей 10 через умножители 11.

На входы 30 сумматоров-вычитателей 10 первой группы 9 подаются коды !5 фильтрующих функций К „. (t), а на входы 31 сумматоров-вычитателей 1О второй группы — R >, (t):

К, (t) = sign(sine;t), К, (t) = sign(sin zu,.t) .

По окончании анализа в — х сумматорах-вычитателях 10 — промежуточные

1 ( коэффициенты а . и Ь.:

1 1

1 где а! и b; — спектральные коэффициенты Фурье исследуемого сигнала.

По окончании анализа производится операция умножения в умножителях 11: а, = с,а„, Если операцию умножения производить непрерывно, то с выхода устройства можно снимать текущий спектр исследуемого сигнала.

Формула изобретения

Устройство для выполнения преобразования Фурье, содержащее блок постоянной памяти, первую и вторую группы из n (n — размер преобразова- !5 ния) накапливающих сумматоров-вычитателей, первую и вторую группы из и умножителей на коэффициент, генератор псевдослучайных чисел, генератор тактовых импульсов, аналого-цифровой преобразователь, выхоц знака и ин-. формационный выход которого подключены соответственно к входам i-х (i=::l,n) накапливающих сумматоров-вычитателей первой и второй групп, выходы которых подключены к входам >-х умножителей на коэффициент соответственных первой и второй групп, выходы которых являются ь-ми ичформационными выходами

9 1О соответственно первой и второй групп устройства, информационным входом которого является информационный вход аналого-цифрового преобразователя, тактовый вход которого соединен с тактовь1м входом генератора псевдослучайных чисеп и подключен к первому выходу генератора тактовых импульсов, а выход блока постоянной памяти подключен к управляющим входам >-х накапливающих сумматоров-вычитателей первой и второй групп, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены блок синхронизации и п формирователей моментов дискретизации, причем первый и вто— рой выходы -го формирователя моментов дискретизации подключены к тактовым входам i-х накапливающих сумматоров-вычитателей соответственно второй и первой групп, первый и второй выходы генератора тактовых импульсов под— ключены соответственно к тактовому входу и входу обнуления блока синхронизации, первый и второй выходы которого подключены соответственно к адресному входу блока постоянной памяти и первому входу i-го формирователя моментов дискретизации, второй вход которого подключен к выходу генератора псевдослучайных чисел, третий вход

i-го формирователя моментов дискретизации соединен с установочным входом блока синхронизации и подключен к выходу блока постоянной памяти, третий, четвертый и пятый выходы блока синхронизации подключены соответственно к четвертому, пятому и шестому входам i ro формирователя моментов дискретизации, а шестой выход блока синхронизации подключен к обнуляющим входам i-х накапливающих сумматоров-вычитателей первой и второй групп, причем i-й формирователь моментов дискретизации содержит узел постоянной памяти, два узла памяти и коммутатор, первый и второй информационные входы которого подключены к выходам соответственно первого и второго узлов памяти, первые адресные входы которых соединены и являются первым входом формирователя, вторым входом которого является адресный вход узла постоянной памяти, выход которого подключен к вторым адресным входам первого и второго узлов памяти, информационные входы которых соединены с третьим информационным входом коммутатора и являются третьим

11 1325509 12 входом формирователя, четвертым вхо- входом формирователя, шестым входом дом которого являются соединенные меж- которого является управляющий вход ду собой входы управления записью пер- коммутатора, первый и второй выходы вого и второго узлов памяти, входы которого являются соответственно перуправления считыванием которых соеди- вым и вторым выходами формиронены между собой и являются пятым вателя.

78

1325509

87

Составитель А., Варанов

Редактор В. Петраш Техред И.Попович Корректор Е. Рошко

Заказ 3112/46 Тираж 672 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4