Цифровой анализатор мгновенного спектра

 

Изобретение предназначено для обработки вещественных сигналов в реальном масштабе времени. Анализатор содержит аналого-цифровой преобразователь 1, блоки 2,15 и 16 памяти, сумматор 3, регистры 4,6,9,10,17 и 18, цифровой генератор 5 гармонических функций, блоки 7 и 8 умножения, генератор 19 импульсов и делитель 20 час-, тоты.Введение блоков 30 и 31 оперативной памяти, мультиплексоров 21 и 22, сумматора 23 по модулю два, блоков 24 и 25 управления знаком операнда , сумматоров 26 и 27, регистров 28, 29, 32 и 33 и блока 34 задержки повышает быстродействие анализатора и расширяет частотный диапазон анализируемых вещественных сигналов. В опи- . сании приведен пример реализации цифрового генератора 5 гармонических функций. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл. §

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„,SU„„1456904 А 2 (511 4 С О1 R 23/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (6 l ) 932419 (21) 4) 67! 26/24-21 (22) 22.12 ° 86 (46) 07.02.89. Бюл. !! - 5 (71) Институт кибернетики им. В.И. Глушкова (72) В.Я. Краковский и В.Ф. Коваль (53) 681.323(088.8) (56) Авторское свидетельстйо СССР

В 93241 9, кл. G 01 R 23/00, 1982. (54) ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР МГНОВЕННОГО

СПЕКТРА (57) Изобретение предназначено для обработки вещественных сигналов в реальном масштабе времени. Анализатор содержит аналого-цифровой преобразователь 1, блоки 2,15 и 16 памяти, сумматор 3, регистры 4,6,9,10,17 и 18, цифровой генератор 5 гармонических функций, блоки 7 и 8 умножения, генератор 19 импульсов и делитель 20 частоты. Введение блоков 30 и 31 оперативной памяти, мультиплексоров 21 и

22, сумматора 23 по модулю два, блоков 24 и 25 управления знаком операнда, сумматоров 26 и 27, регистров 28, 29, 32 и 33 и блока 34 задержки повышает быстродействие анализатора и расширяет частотный диапазон анализируемых вещественных сигналов, В описании приведен пример реализации цифрового генератора 5 гармонических функций. 1 з.п, ф-лы, 2 ил., 1 табл. нен с выходом генератора 19 тактовых импульсов. Выходы функционального преобразователя 35 являются первым и вторым выходами генератора. Выходы первого и второго разрядов счетчика !

38 параметра частоты являются соответственно третьим и четвертым выходами генератора 5.

Анализатор работает следующим образом. диапазона р, Е О, N/4-l и р еЯ/4,N/2-1.

Анализатор определяет одновременно два спектра l

Р,„(p, ) Q f (k)W„

/ =1-e+<

Ф - Р )

F (p ) = Г f(k)Ъ/, t q-и+1

Так как р = P, + N/4, то в зависимости от остатка деления k на 4 (k mod 4) в силу периодичности весовой функции (период равен N) 4) = О,.!

4). = 1, 4) = 2, 4) =3 соот27< N — jsin — Я-ч = -j, 2n ° N

+ jsin — = j°N 4

Это приводит к тому., что рекуррентный алгоритм, по которому функционирует известный анализатор, преобразу- ется к виду < (Р ) = с -, (Р,) + — 11 f(g) -f(g-N) W„ (Р ) =, (Р ) + Е (g шой 4) — Е () - (-Я) у где E(g mod 4) = ) при (g mod 4)= 0, E(gmod 4) -j при (g mod 4) 1;

E(gmod 4) +) при (g mod 4}

E(gmod 4) —" 1 при (gmod 4) В обоих рекуррентных алгоритмах имеется общая часть ° Эта общая часть. включает в себя вычисление на каз)дом шаге скольжения приращения Р (р, ) 1 1456904 2

Изобретение относится к цифровой вычислительной технике, предназначено для обработки вещественных сигналов в реальном масштабе времени, может быть использовано в спектральном анализе, в задачах .классификации вещественных сигналов и т.п. и является усовершенствованием изобретения по авт. св.

N 932419. 10 . Цель изобретения — повышение быстродействия цифрового анализатора мгновенного спектра вещественного сигнала: Диап аз он оп ределяемьм г арм он ик и, как следствие, расширение частотного диапазона анализируемых вещест- 15 Р О N/2 1 разделяется на два подФ венных сигналов, На фиг. 1 представлена структурная схема цифрового анализатора мгновенного спектра, "на фиг. 2 — схема цифрового генератора гармонических функций. 20

Анализатор содержит аналого-цифровой преобразователь 1, на вход которого поступает исследуемый вещественный сигнал f(t), первый блок. 2 оперативной памяти (БОП) для хранения дис-25 кретных отсчетов исследуемого участка реализации, сумматор,З, регистр 4, циф- ровой генератор 5 гармонических функций, регистр 6, блоки 7 и 8 умножения, регистры 9 H )О, сУмматоРы 11 H 12,. Ре- 30 W„ W „при (kmod гистры 13 и 14, второй и третий бло-, -р,k -Р,k -н/4 ки )5 и 16 оперативной памяти, рея Н и гистры 17 и 18, генератор 19 импуль- W„ =-W

-рg P,k при (kmod сов и делитель 20 частоты, первый и -Р,М -Ч4 н/4 второй мультиплексоры 21 и 22, сум- 35 матор 23 по модулю два, первый и Поворачивающиеся множители второй блоки 24 и 25 управления зна- ветственно равны .ком операнда, сумматоры 26 и 27, регистры 28 и 29, блоки 30 и 31 опе- )/ = сое—

H/4 2%Я ративной памяти, регистры 32 и 33, а, 40 .также блок 34 задержки.

Цифровой генератор 5 гармониче- и/4 2ФЯ ских функций содержит функциональный преобразователь 35; регистр 36, сумматор 37 H счетчик 38 параметра час- 45 тоты, стробирующий вход которого соединен с выходом делителя 20 частоты.

Стробирующий вход регистра 36 соеди1456904 спектра, которое для первого поддиапазона всегда суммируется с имеющимся спектром, а для второго поддиапазона в зависимости от остатка деления @ на 4 оно либо суммируется с имеющимся спектром, либо вычитается из него, либо выполняется поворот о приращения на 90, его последующее суммирование с имеющимся спектром )р или вычитание из него.

В предложенном устройстве л Р (p, ) вычисляется так же, как и в известном анализаторе. Далее вычисления разделяются на два параллельных кон- 15 вейера, в первом из,которых; вычисляется F (p,), а во втором F (р ), что и приводит к увеличению быстродействия в 2 раза при небольших дополнительных аппаратурных затратах. 2р

Генератор 19 тактовых импульсов и делитель 20 частсты управляют работой операционных блоков анализатора таким образом, что смена информации в преобразователе 1, первом блоке 2 оперативной памяти, сумматоре 3 и регистре 4 происходит в N/4 раз реже, чем в остальных блоках анализатора. зр

Разрядность БОП 2 соответствует разрядности преобразователя 1, а число ячеек равно N. С приходом каждого запускающего импульса с выхода делителя,20 частоты происходит запись приращения отсчета ЬЕ = Е(ф)

-f(g-И) в регистр 4, в блок 2 записывается значение отсчета f(g) и на его выходе появляется значение отсчета f (g-N+1) = А. Преобразователь 1 4р вырабатывает код нового отсчета

f(g+I) =. В и подает его на вход блока 2 и первый вход сумматора 3, на второй вход которого с выхода блока

2 подано значение А. Сумматор произ- 45 водит вычитание  — А и результат

ЬЕ„„ подает на информационный вход регистра 4. В таком состоянии блоки

1-4 остаются до прихода следующего импульса с делителя 20 частоты, который записывает g f +, в регистр 4, и производятся вновь перечисленные операции.

Выход регистра 4 подан на первые входы блоков 7 и 8 умножения, на вторые входы которых с выходов регистра

6 последовательно во времени поступают значения весовых коэффициентов

- ), 2n ., 2

4 z = cos — p,g — jsin — р — Ср, — j Sp Эти коэффициенты вырабатывает цифровой генератор 5 гармо.нических функций.и подает на информационные входы регистра б. Причем с помошью генератора 19 тактовых импуль сов работа схемы синхронизирована . таким образом, что с приходом каждого тактового импульса в регистр 6 записываются значения С> и Бр,, à генератор начинает вырабатывать следующую пару коэффициентов Cp,+, и S p, Разделительные регистры выполняют функции сверхоперативных запоминающих устройств.

При необходимости выработки очередного отсчета гармонической функ.— ции на стробирующий вход регистра

36 генератора 5 гармонических функций с выхода генератора !9 тактовых импульсов поступает импульс, который записывает в регистр 36 код с выхода сумматора 37. Этот код поступает на вход функционального преобразователя

35, где производится соответствующее преобразование. С приходом следующего импульса на стробирующий вход регистра 36 в регистр 36 с выхода сумматора 37 записывается сумма предыдущего значения аргумента и кода номера отсчета сигнала с выхода счетчика 38 параметра частоты,т.е. значение для следующего номера гармоники °

С выходов блоков 7 и 8 умножения произведения Ьй Ср и 5f(p ).

Выходы регистров 9 и IO соединены соответственно с первыми входами сумматоров )I и 12, на вторые входы которых поданы соответственно выходы регистров 17 и 18, в которых записаны соответствующие значения действительной и мнимой составляющих спектра,по- ° лученных на предыдущем шаге скольжения.

56904 6 ратора 5. Соответственно в блоке 34 задержки производится задержка выдачи значений двух младших разрядов счетчика 27 на 2 такта действия импульсов с выхода генератора 31 тактовых импульсов.

Блоки 24 и 25 либо сохраняют знак операнда (при подаче на их управляю10 щие входы логического нуля), либо меняют его на противоположное (при подаче на их управляющие входы логической, единицы) . Управляющим сигналом для блока 24 служит. второй вы15 ход блока 34 задержки, а управляющим сигналом для блока 25 — выход сумматора по модулю два 23, реали-, зующего логическую функцию исключающего ИЛИ над логическими значения20 ми первого и второго выходов блока

34 задержки. Блоки 21-25 реализуют оператор E (g mod 4), действие которого можно описать таблицей соответствия

gma 4

Приращение спектра

a F (p,) Выходы блока. 34

Е (g mod 4) задержки

l р 2р

df% Ср, -МЕФ $р

0 0

1, 0

0 1

° Яр

-1 Ы„ср, +j ЬЕ,„Sp

-ЬГ С

df(Sp

+jhf) cp, Выходы. блоков 24 и 25 соединены соответственно.с.первыми входами сумматоров 26 и 27, на вторые входы которых поданы соответственно выходы 45 регистров 32 и 33, в которых записаны соответствующие значения действительной и мнимой составляющих спектра второго поддиапазона, полученных на предыдущем шаге скольжения. Сум- 50 мирование в сумматорах 11, 12, 26 и 27 производится с учетом масштабного множителя 1/N, так как 111 = 2 где п — целое, то учет этого масштабного множителя осуществляется весьма просто путем соответствующего сдвига íà п разрядов..

На выходе сумматора 11 получается сумма R„F (p, ) = К У, „ (р<) +

5 14

Одновременно с этим выходы регистров 9 и 10 соединены с входами мультиплексоров 21 и 22 таким образом, что при наличии логического нуля на первом выходе блока 34 задержки (что соответствует четным номерам g отсчетов сигнала) выход регистра 9 подается на вход блока 24 управления знаком операнда, а выход регистра

10 — на вход блока 25 управления знаком операнда, При наличии логической единицы (при нечетном значении g) на этом выходе подключение блоков противоположное, что реализует повоо рот на 90 вектора приращения спектра d F (р, ) . Необходимость введения блока 34 задержки обусловлена конвейерным характером обработки информации, так как номер гармоники, приращение спектра которой записано в регистры 9 и 10, отстает на 2 от номера гармоники, значение -g для которой показывает счетчик 38 генеt

+ 6К- Ср которая подается на инь формационный вход регистра 13. С выхода сумматора 12 алгебраическая сумма Т F (ð„) = I F,(р,) — 1 d F ° Sp и подается на информационный вход регистра 14. На выходе сугегатора 26 получается сумма К Р, (р ) = К Р, (р ) г.

+ — К F (р ), которая подается на информационный вход регистра 28. С выхода сумматора 27 алгебраическая сум1 ма Т Р (р ) = Т Р, (р ) + — Т„AF (p<) подается на информационный вход регистра 29. Запись в регистры 13, 14, 28 и

29 производится следующим тактовым им904

7 1456 пульсом. С выхода регистров 13 и 14 значения отсчетов мгновенного спектра К Г (р, ) и I Г, (р,) поступают на первый выход анализатора и одновремен- 5 но на информационные входы соответственно блоков 15 и 16. С выходов регистров 28 и 29 значения отсчетов мгновенного спектра RsF (р ) и

IF (pz) поступают на второй выход анализатора и одновременно на информационные входы соответственно блоков 30 и 3.1 .

Следующим тактовым импульсом в регистры 17 и 18 с выходов блоков

15 и 16 записываются соответственно значения В. Р,„, (р,+2) и I F (р, +2)

9 т а в регистры 32 и 33 с выходов блоков 30 и 31 — соответственно значения КеР,1, (р +2) и Х F, (р +2). Чис- 2р ло ячеек в каждом из блоков 15, 16, 30 и 31 оперативной памяти равно

N/4 — 2. Следует иметь в виду, что в тот момент времени, когда на выход анализатора поданы отсчеты гармоник с номерами р, и р (записанные в реги-. страх 13,14,28 и 29), на выходах регистров 9, 10, 17, 18, 32 и 33 уста-. новлены операнды, соответствующие но-... мерам гармоник р,+1 и р +1, на выхо- 30 дах регистра 6, блоков 15, 16 30 и

31 устанавливаются операнды, соот.ветствующие номерам гармоник р, +2 и р +2, и цифровой генератор 5 гармонических функций готовит в этот мо35 мент весовые коэффициенты, соответствующие номеру гармоники р +3.

Введенные блоки являются типовыми блоками цифровой вычислительной техники и их реализация с помощью ин- 4р тегральных микросхем не вызывает затруднений. Блоки оперативной памяти могут быть собраны иэ цепочек сдвигающих регистров. В блоках 24 и 25 управления знаком операнда могут быть 45 использованы микросхемы, реализующие логическую функцию ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

Блок 34 задержки может быть выполнен в виде двух 2-разрядных сдвиговых регистров, содержащих всего 4 триггера. 5р

Длительность такта работы конвейерного устройства определения мгновенного спектра определяется в основном временем выполнения операции умножения в блоках 7 и 8, так что выполнение дополнительной операции E(g mod 4), осуществляемой в блохах 21-25 в одном такте, с суммированием в сумматорах 11, 12, 26 и 27 не увеличивает длительности такта работы. В то же время за счет параллельного вычисле" ния двух спектров период дискретизации анализируемого сигнала может быть уменьшен в 2 раза, что приводит к такому же расширению частотного диапазона анализируемых сигналов.

Формула изобретения

1. Цифровой анализатор мгновенного спектра по авт. св. СССР 11- 93241 9, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены два мультиплексора, сум" матор по модулю два, два блока управления знаком операнда, два сумматора, два блока оперативной памяти, четыре регистра и блок задержкИ, причем второй вход цифрового генератора гармонических функций соединен с выходом делителя частоты, первый вход первого мультиплексора соединен с вторым входом мультиплексора и подключен к четвертому выходу регистра, второй вход первого мультиплексора соединен с первым входом второго муль" типлексора и подключен к выходу третьего регистра, управляющие входы обоих мультиплексоров объединены с первым входом сумматора по модулю два и подключены к первому выходу блока задержки, второй выход которого подключен к второму входу сумматора по модулю два и к управляющему входу первого блока управления знаком операнда, выход сумматора по модулю два подключен к управляющему входу второго блока управления знаком операнда, выходы первого и второго мультиплексоров соединены с первыми входами со- ответственно четвертого и пятого сумматоров через первый и второй блоки управления знаком операнда соответственно, выходы четвертого и пятого сумматоров соединены с выходами соответственно четвертого и пятого блоков оперативной памяти через девятый и десятый регистры соответственно, выходы четвертого и пятого блоков оперативной памяти соединены с вторыми входами соответственно четвертого и пятого сумматоров через одиннадцатый и двенадцатый регистры соответственно, выходы девятого и десятого регистров соединены с вторыми вы-. ходами устройства, управляющие входы всех введенных регистров, блоков оперативной памяти и блока задержки

904

2. Анализатор по п.1, о т л и— ч а ю шийся тем, что цифровой генератор гармонических функций содержит последовательно соединенные счетчик параметра частоты, сумматор, 10

СИДР g

Составитель А. Козленко

Техред Л.Олийнык

Корректор В. Гирняк

Редактор В. Данко

Заказ 7548/44 Тираж 711 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

9 1456 соединены с выходом генератора тактовых импульсов, первый и второй входы блока задержки соединены соответственно с третьим и четвертым выходами

5 цифрового генератора гармонических функций. регистр и функциональный преобразователь, причем выходы функционального преобразователя являются первым и вторым выходами генератора, его вход одновременно соединен с вторым входом сумматора, управляющие входы регистра и счетчика являются соответственно первым и вторым входами генератора, а выходы первого и второго разрядов счетчика являются соответственно третьим и четвертым выходами генератора.