Устройство для спектрального анализа сигналов

 

Изобретение относится к области автоматики, вычислительной техники и может быть использовано при построении специализированных устройств и информационно-вычислительных систем, предназначенных для спектрального анализа сигналов. Цель изобретения - повышение быстродействия. Цель достигается за счет того, что в состав устройства входят аналого-цифровой преобразователь 1, блок 2 умножения на коэффициенты, блок 3 прямого теоретико-числового преобразования, арифметический блок 4, блок 5 обратного теоретико-числового преобразования, блок 6 дискретного преобразования Фурье, блок синхронизации 7, информационные вход 8 и выход 9. 15 ил.

„„SU„„1513474

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (51}4 G 06 Р 15/332

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМЪ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГГ:ИМИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTKPblTHRM

ПРИ ГННТ СССР

1 (21) 4284471/24-24 (22) IS ° 07.8/ (46) О/.10.89. Бюл. У 37 (71) Физико-механический институт им. Г.В. Карпенко (72) Л.В. Вариченко (53) 681. 32 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 102/733, кл. G 06 Р 15/332, 1983.

Патент США У 4293921, кл. С 06 F 15/332, опублик. 1981. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОГО

АНАЛИЗА СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к автоматике, вычислительной технике и может

2 быть использовано при построении специализированных устройств и информа-. ционно-вычислительных систе*м,предназ- наченных для спектрального анализа сигналов. Цель изобретения — повышение быстродействия. Цель достигается за счет того,что в состав устройства входят аналого-цифровой преобразова,тель 1, блок 2 умножения на коэффициенты, блок 3 прямого теоретико-числового преобразования, арифметический блок 4, блок 5 обратного теоретикочислового преобразования, блок 6 дискретного преобразования Фурье, блок синхронизации /, информационные вход

8 и выход 9. 15 ил.

15134

Изобретение относится к автоматиale вычислительной технике и теории обработки сигналов и может быть использовано при построении специализированных устройств и информационновЫчислительных систем, предназначенн х для спектрального анализа сигналов.

Цель изобретения — повышение быстрЬдействия. !О

На фиг. 1 показана. функциональная с ема устройства для спектрального а ализа сигналов; на фиг, 2 — функцио альная схема блока умножения на коз фициенты; на фиг. 3 — функциональн схема блока прямого теоретико-числ ного преобразования;. на фиг. 4— ф нкциональная схема вычислителя нул, вого коэффициента; на фиг. 5 — функциональная схема вычислителя i-ro ко-gO э фициента; на фиг. 6 — функциональн я схема арифметического блока для учая нечетного N „ на фиг. 7 — то ж, для случая четного N; на фиг. 8— ф нкциональная схема накапливающего $5 с мматора по модулю М; на фиг. 9 с ема умножителя; на фиг. 10 — функональная схема блока обратного тео р тико-числового преобразования; на ф r. 11 — функциональная схема блока скретного преобразования Фурье; на ф г. 12, — функциональная схема накапливающего сумматора; на фиг. 13 — 15временные диаграммы работы устройств .

Устройство содержит (фиг. 1) ана- З5 л ro-цифровой преобразователь 1 (блок

), блок 2 умножения на коэффициент, блок 3 прямого теоретико-числовогЬ преобразования, арифметический б ок 4, блок 5 обратного теоретико- 40 числового преобразования, блок 6 дисетного преобразования Фурье (блок

Ф), блок 7 синхронизации, информационные вход 8 и выход 9.

Блок 2 умножения на коэффициенты 45 (фиг. 2) содержит счетчик 10, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

1 1, умножитель 12, регистр 13, вход

14, выход 15 и входы 16-19.

Блок прямого теоретико-числового преобразования (фиг. 3) содержит выч рслители 20, 21, - 21 н, i-ro (i=

=О. N-1) коэффициента, входы 22-27 и выходы 28 °

Вычислитель 20 нулевого коэффициента (фиг. 4) содержит регистр 29, п -разрядный сумматор 30 и регистр 31, 74

Вычислитель i-го коэффициента (фиг . 5), i= 1» е1-1, содержит счетчик 32, ПЗУ 33, умножитель 34, и-разрядный сумматор 35, и-разрядный сумматор 36, регистры 37 и 38 и элемент 39 задержки.

Арифметический блок 4 (фиг. 6 и 7) содержит накапливающие сумматоры 40 (i 0 1,...,(N-1)/2, если N нечетное и .i=0,.1,.. °,N/2 если N четное), умножители 41.(j = 1,2,...,(N-1)/2, если N нечетное и j= 1 ° g,....,N/2, если

N четное), входы 42 и 43,:а также содержит квадратор 44. Функциональная схема арифметического блока 4 для случая, когда N четное показана на фиг ° 6, а для случая, когда N нечетное — на фиг. 7.

С помощью арифметического блока 4 вычисляются -квадраты:

Бс(0)=S (0);

Й,е(1)=4 СЗе(1)+Б (ж-1)) -" СБ (1)

-S.,(N-1)1 >;

° ° Ф ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° °

Бе(К) =4 ЬЕ (N/2-1)+$Е (N/2+1) —

-4 "(Б, (N/2-1) -Б, (N/2+1)) е;

8 е (К+1) =Б е ("/2) . для всех значений l и результаты суммируются, т.е. вычисляется спектр

Н(Ы) =: K У (.О.

Накапливающий сумматор 40 может быть выполнен по схеме (фиг, 8)» содержащей выход 451, регистр 46 и сумматор 47.

Умножитель 4 1., (фиг. 9) содержит инрертор по модулю 48, три сумматора

49, два табличных преобразователя 50, и три элемента 51 задержки и вход 52.

Блок 5 обратного теоретико-числового преобразования (фиг. 10) содер-, жит счетчик 53, умножитель 54, ПЗУ 55,; накапливающий сумматор 56 по модулю, регистры 57, входы 58 — 63 и выход 64. .Блок 6 ДПФ (фиг. 11) содержит счетчик 65, умножитель 66, ПЗУ 67,накапливающий сумматор 68 и регистры 69, входы 70-75.

Накапливающий 68 сумматор (фиг.12) содержит сумматор 76 и регистр 77.

Временная диаграмма работы устройства в целом приведена на фиг. 13.

Работу тактирует сброс Ст. С началом второго импульса. строба на выходе блока 1 АЦП появляются значения сигнала Х(п). Перед началом работы обнуляются, регистры 13, 29, 31, 37, 38, 46 и 77 подачей соответствующих им5 151 пульсов на входы 19, 23, 25, 43 и 74 соответственно, а также счетчики 10, 32, 53 и 65 подачей соответствующих импульсов на входы 16, 26, 59 и 71 (на временной диаграмме не показано).

В связи с тем, что с подачей из регистра 3/ (фиг. 5) нулевого значения на вход умножителя 34,на выходах этого умножителя также устанавливаются нулевые значения и результат суммы сумматора 35 будет нулевым, что приведет к установлению нулевого значения на элементе 39 задержки. Нулевые значения также установятся на сумматорах 36 вычислителей спектральных коэффициентов 21 и сумматоре 30, что определяет нулевые значения на входах квадратора 44 и умножителей 41

Значит нулевые значения установятся и на элементах 51, вЂ,513 задержки. Строб

С. одновременно подается на счетный вход 1/ счетчика 10 (фиг. 2) и на вход 27 счетчика 32. Регистры 57 обнуляются подачей соответствующих сигналов на входы 63; и 58,. (фиг. 1О).

Регистры 69 обнуляются подачей соответствующих.сигналов на входы 75; и

70,. (фиг. 11). С приходом импульса на вход 18 регистра 13 (фиг. 2 и 13) первый отсчет сигнала Х,(0) записывается в регистр 13. На выходах счетчика 10 установлено нулевое кодовое слово после обнуления, которое подается на адресные входы ПЗУ 11 и выбирает из него коэффициент учета спектрального окна а, на которое умножается содержимое регистра 13.

После окончания второго импульса строба содержимое счетчика 10 увеличивается на единицу, из ПЗУ 11 выбирается следующий коэффициент, на который умножается отсчет Х,(1), записаннъй в регистр 13 с приходом вто-! рого импульса сигнала, подаваемого на вход 18. Далее процесс повторяется и каждый отсчет сигнала Х,(n) умножается на соответствующие отсчеты а

Умноженные отсчеты сигнала Х,(n) на записываются с приходом импульсов на вход 22 регистра 29 (фиг. 4 и 13), которые сдвинуты вправо по отношению к импульсам на время работы блока 2.

После срабатывания сумматора 30 вычислителя 20 нулевого коэффициента и сумматоров 35 и 36, счетчика 32, ПЗУ 33 и умножителя 34 вычислителей 21. спе1 ктральных коэффициентов данные записываются в регистры 3 1 и 38 для подсум3474

6 мирования на следующем такте работы.

Это обеспечивается подачей сигналов на входы 24 регистров 31 и 38 (фиг . 13) .

Запись данных в регистры 46 (фиг.8) обеспечивается подачей сигнала на вход

42 этого регистра, который сдвинут вправо (задержан) пс отношению к сигналу 24 íà N тактов. Период его также равен N, Далее процесс повторяется для сигналов Х (п), Х (n),...,X„ (ï) и получают спектр 5(!!!). Теперь блоки

1 — 4 могут обрабатывать следующий отрезок временной последовательности.

Блоки 5 и 6 должны определить результаты для первого отрезка последовательности. В работу вступает блок 5, который в последовательном режиме осуществляет обратное преобразование ТЧП сигнала Х(п).

Временная диаграмма работы блока 5 приведена на фиг. 14. Подачей управляющих сигналов на входы 63 и 58 бло25 ка 5 в регистры 57 записываются зна/ чения сигнала Х(п) . Далее работу блока

5 поясняет временная диаграмма, показанная на фиг. 15. На счетный вход

60 счетчика 53 подается импульс. После каждого такта содержимое счетчика

53 увеличивается на единицу. Выход счетчика соединен с адресным входом

ПЗУ 55 и на каждом также выбирается нужный коэффициент. Выходы регистров

57„, 57 „,...,5/ „ц соединены. Эти регистры должны иметь "третье!! Высокоомное состояние. Сигнал высокого уровня на входах 63 переводит в высокоимпендансное состояние. Если на входах

4О 13 устанавливается низкий уровень, а на входах 58 — сигнал высокого уровня, информация с входом регистра передается на выходы. Подачей на оба входа сигналов низкого уровня можно

45 проводить считывание ин ормации именно с того регистра, на который подаются управляющие сигналы. На (1М+1)-м также производится запись информации в регистры 57 (фиг. 15). Далее-на каж50 дом такте информация, последовательно считывается с регистров 57,, 57,,..., 5/ что необходимо для вычисления й/ значений Х(п) блоком 5. Вычисленный коэффициент Х(0) записывается в ре55 гистр 69 блока 6 ДПФ и далее послео довательно записываются коэффициенты

Х(1),...,Х(Н/2).,Запись производится таким же образом, как и в регистры

57. Потом осуществляется последова1513474 гельное считывание информации из регистров 69 и вычисление коэффициен.п s ов Х (g) спектральной плотности

Мощности. Фиг. 15 иллюстрирует процесс последовательного считывания инормации с регистров 57» 57„,..., 7 ц с помощью временных диаграмм. тот процесс повторяется для каждого оэффициента Х(п) . Процесс записи и читывания информации в регистры 69

10 е отличается от процесса записи и читывания информации в регистрах 57. оэтому пояснение работы блока 6

ПФ временными диаграммами не иллюст- ируется.

Управляющие временные последоваельности формируются с помощью блоа 7 синхронизации.

10 ормула изобретения

Устройство для спектрального анаиза сигналов, содержащее аналого-цифовой преобразователь, блок синхрони15 ации и блок дискретного преобразовая Фурье, выход которого- является нформационньи выходом устройства, нформационным входом которого являтся информационный вход аналого-циф- З0 ового преобразователя, тактовый вход

8торого подключен к первому выходу лока синхронизации, второй выход коорого подключен к входу синхронизаи блока дискретного преобразования 35 урье„ вход запуска блока синхронизаи является входом запуска устройста, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, целью повышения быстродействия, в

Мего введены блок умножения на коэффи- 0 циенты, блок прямого теоретико-числового преобразования, арифметический блок и блок обратного теоретико-чисЛового преобразования, при этом выход аналого-цифрового преобразователя 15 т одключен к информационному входу блоКа умножения на коэффициенты, выход которого подключен к информационному входу блока прямого теоре тико-числового преобразования, выход нулевой составляющей которого подключен к информационному входу арифмети,ческого блока, выход нулевой состав1ляющей которого подключен к входу нулевой составляющей блока обратного . теоретико-числового преобразования, выход которого подключен к информационному входу блока дискретного преобразования Фурье,. выходы -й и (N-i) Й (i= 1, 7Я-j)T2, где N — разьгр преобразования, j = О, если N -етное и j = 1, если N — нечетное) составляющих блока прямого теоретико-числового преобразования подключены к, i: — ì информационным входам соответст венно первой и второй групп арифме-! тического блока „выход i-й составляющей которого подключен к входу i-й составляющей блока обратного теоретико-числового преобразования, а третий, четвертый, пятый и шестой выходы блока синхронизации подключены к входам синхронизации: соответственно блока умножения на коэффициенты, блока прямого теоретико-числового преобразования, арифметического блока и блока обратного теоретико-числового преобразования, при этом арифметический блок содержит ((И-1) /2+1) нака пливающие сумматоры, (N-j) /2 умножителей и квадратор, выход которого подключен к информационному входу первого накапливающего сумматора, выход которого является выходом нулевой составляющей арифметического блока, информационным входом которого является вход квадратора, выход 1-го умножителя подключен к информационному входу (i+

+1)-ro накапливающего сумматора, выход которого является выходом i-й составляющей арифметического блока, i-ми информационными входами первой и второй групп которого являются соответственно первый и второй входы i-ro умножителя, а входы синхронизации всех накапливающих сумматоров соединены между собой и являются входом campoнизации арифметического блока.

1 513474 гв, 152

Ви-1

24

2 и

1523474

)513474

1513474 (.(28

42

5> "lг- >

Юг

Фиг. 7

15! 3474

15)3474! 5I 3474

75ц

104<

71

72

1513474

1513474 .

Составитель А. Варанов

Техред М.Дидык Корректор Т. Палий

Редактор Н. Рогулич

Заказ 6081/49 Тираж 668 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул. Гагарина, 101