Устройство для вычисления скользящего спектра

 

Изобретение относится к вычислительной технике, предназначено для вычисления скользящего спектра сигналов и может быть использовано в анализаторах спектра, работающих в реальном масштабе времени при цифровой обработке радиолокационных, сейсмических и других сигналов. Цель изобретения - повышение быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что в устройство входят блок постоянной памяти, блок регистров, блок синхронизации, три умножителя, три сумматора, пять регистров, вычитатель и шинный формирователь. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

С ОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

42 А1 (19) (l1) (д1) 4 G 06 F 15/332

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

» г

»

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21 ) 4398858/24-24 (22) 28 .03.88 (46) 07.12.89. Бюл, У 45 (71) КиевскыЪ политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) Ю. С. Каневский, Н. E. Куц и A.Ì. Сергиенко (53) Ü81.32 (088 .8) (56) Авторское свидетельство СССР

9 1 095188, кл. G 06 F 15/332, 1 984 .

Авторское свидетельство СССР

М 1427386, кл. G 06 F 15/332,, 23.09.87.

Изобретение относится к вычислительной технике, предназначено для вычисления скользящего спектра сигналов и может быть использовано в анализаторах спек †, работающих в реальном масштабе времени при цифровой обработке сейсмических,и других сигналов.

Целью устройства является повьш ение быстродействия.

Иа фиг, l изображена структурная схема устройства; на фиг. 2 — блок— схема рекурсивного алгоритма дискретного преобразования Фурье; на фиг. 3— временная ди;.грамма работы устройства.

Устройство содержит информационный вход 1, регистр 2, вычитатель 3, умножитель 4, регистр 5, сумматор 6, 2 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИСПЕШЯ

СКОЛЬЗЯЦЕГО СПЕКТРА (57) Изобретение относится к вычислительной технике, предназначено для вычисления скользящего спектра сигналов и может быть использовано в анализаторах спектра, работающих в реальном масштабе времени при цифровой об работке радиолокационных, сейсмических и других сигналов. Бель изобретения — повышение быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство входят блок постоянной памяти, блок регистров, блок синхронизации, три умножителя, три сумматора, пять регистров, вычитатель и шинный формирователь, 3 ип. шиншлй формирователь 7 сумматор 8 регистры 9-11, сумматор 12, умножитель 13, блок 14 постоянной памяти, блок 15 регистров, информационный выход 6, умножитель 1 7, выход 18 блока Ь )

1 9 синхронизации, выходы 20-23 блока

1 9 синхронизации, генератор 24 тактовых импульсов, счетчик 25, триггеры 26 и 27 и дешифратор 28.

Устройство работает следующим образом.

Пусть на вход 1 поступают отсчеты у(К), К = О, 1, 2, ..., частотноограниченного периодического сигнала у(с), который можно представить как

i27t

y(t) = d + (Ы cos +

Т

i2н(:

+ (re.- sin — — — -) (»»

1527642 где

dna+ о

l1) l (11, N) — коэффициенты (l)ypbe, аналогичныее действ итель ной и ми имой частям при комплексном представлении преобразования 10

Фурье, Значения коэффициентов Фурье, со ответствующие значениям мгновенного спектра сигналов, можно получить, воспользовавшись методом описания

2То

P) (K) — — "- oL (К) Н ° 2о (К) а ч y т х (К) = ((X,(K), 2 2)о (К)

1 Т

4 (к), 01

sinC3 ht совУ ht о С о о о

cos Иоht

sin2Q gt

cos 2У;1(t

2(3

-2И, в1п2Я, bt со в2(до g t

sinNQ 5t совИ(„1 5 t о

11 о

45 х ., (К+1) д,, (К+1) aL z ) (К)

SOS 1Ы St + >) Sin iiK(t i gs, (y(K)

ol; (К> + d,(K)) - ... (К>» (< I

K COS 1(О(>С + Ха (K) Sl n 1ЯО + g(s - (K) — )) (К>); (2. l > х,(К+1) + iQ0 Р2 cos

)( (, (К) =! sin ig,ht +

+ K, (y(K)—

Т вЂ” период сигнала y(t)

N — номер наивысшей гармоники в сигнале у (t); системы посредством переменных состояния и алгоритмом фильтра Калмана, в котором вектор состояния образован коэффициентами Фурье-. Лолучаем рекурсивный алгоритм для вычисления коэффициентов Фурье в следующем виде:

x(K + 1) X(K) + Gfy(K)

>(x(K)) (Рх(К) + G(y(K) — 2t (K)j, (К) С х (К), (1) 22) в которой Q = --- — о (> Т ° (2 инте рв ал дис к ре тиз а пип; (К (у 8(уу(-у у (2N + 21-мерный вектор ксэффициентов усиления, значение которого рассчитывается предварительно исходя из априорных данных об исследуемом сигнале

y(t); 7

С = L1010 ° ., 10) — $2N +2)мерный вектор измерения, Т вЂ” индекс транспонирования;

Н ((К) — С х(К) - () .; (K)+d (К) °

Один проход рекурсивного алгоритма вычисления коэффициентов Фурье со— где у(К) — отсчеты входного сигнала

y(t);

x(K) — (2N + 21-мерный вектор

i оценки спектральных coc— тавляющих на К-м ыаге д ис к ре тиз ации х (К+1 ) — (2N + 2) -ме рный в ек то р оценки спектральных составляющих íà (К+1)-м mare диск ретиз ации

27

x(K + >) = (М,(К + I), Ы(К+ 1) P (К+1) — — -"2 2о

N о (1) н(К 1) d(+1), О); ф — ((2М + 2) s (2N + 2))-мерная переходная матрица вида

-NQ sinNg,gt совМЯ gt

00 держит N + 1 базовых операций, i-я базовая операция i = 1, N имеет вид: а)оо(21 l (K) sin iuо11t (и, Ks + K,, (У(к)

"(М - "" -(K) ь.И х;(К) cos 1(;) gt +

У(Кй . (2.2) 5

Выражение для (N+1)-й базовой операции, в которой определяется значение постоянной составляющей, приведено к тому же виду, что и остальные баэо вые операции:

1527642 х >(+, (К+1) = lx (К) + 0 х (К)

K1„+,Ió(К) — } (K)) = 4 (К)

+ К, (у(К) - )(K)), к и+ (К+1) =- 0 х) + (К) + 0

«,1(К) + О fy(K) — (K)J = О.

Для упрощения описания вы>уолнич следующую замену

sin iQ,}} t сов }ь1 1>3t = а

Е 1 Э

143 (>

b), -iQ, sin ibad„!! t = d,, Тогда (2, 1) и (2. 2) примут вид: х>;, (К+!) а;х, (К) + Ь к

:,, (K) + К,;, (У(К) — (К)), (3.1>

"a . (К+! ) = di х,,(К) + a x,(};)

Кт . (У(К) }(K)j ° (3.2) Одна итерация рекурсивного алгоритма вычисления коэффициентов Фурье выполняется за М+! шагов, равных количеству базовых операций, Каждый шаг содержит два такта. Коэффициенты а;, Ь,, d,, g; записаны в блок 14, объем которого составляет 6(N + 1) слов ° В каждом четном такте из блока 14 параллельно считываются коэффициенты

a,, d1, я..., в каждом нечетном такте — коэффициенты Ь;, а;, р,, Блок

15 регистров представляет собой ли> нейку сдвиговых регистров объемом

2(N + 1) + 1 слов. В каждом четном такте выполняетс я и рием операндов х (К + 1) и вьдача операнда х <,+41(K) в каждом нечетном такте — прием х ;,(К + 1) и вьдача х < +t)- (К), Счетчик 25 имеет коэффициент пересчета К = 21! + 3, прием во все регистры и умножитель осуществляется положительным фронтом синхроимпульса.

В сумматорах 8 и 12 при отрицательном уровне на уп равляющем входе вьг полняется пропуск операнда, поступающего по первому входу, при положительном уровне — суммирование опе— рандов (}управляющие входы сумматора

6 и вычитателя 3 Не показаны, так как режимы работы этих узлов не изменяются) . Вь1дача и 3 регистров 5 и

9-! 1 и пропуск oneðen(;I,oí через шин« ный формирс ватель 7 выполняются по положительному уровню на управляющем входе .

Рассмотрим работу устройства при вычислен ии (К+1 ) -й ите ра ции. В пе р+ вом такте состояние счетчика 25

00 .. ° 00. В умножителях 13 и 17 приняты соответственно операнды х (К) а, и х, (К), b, ; выполняются умножения х (К) а, х (К) b<, Результаты умножения проходят через сумматоры 12 и 8 и поступают на вход регистров l! и 9. В умножителе 4 — холостой такт.

Из блока 15 считывается операнд х (К)

У который является результатом вычисления К-й итерации, и поступает на выход l 6,,из блока 14 по адресу

00 ... 00 считываются коэффициенты

gz !

1а выход 1 устройства поступает операнд у (К+1), на выходе вычитателя

3 получаем результат вычисления выМ р.èåíèÿ y(K) — хт;, (К) (y(K)

У(К)j ет ирецещущей итерации. На вход триггера 26 поступает нулевой уровень.

I (ЗС Во втором такте состояние счетчика 25 — 00 ... 01. В умножителях 13 и 17 выполняется соответственно прием );,(К), d< я x (} ), 1<, вычисляются произведения х,(К) d,, х (K). а1 °

B регистры 11 и 9 принимаются oneJ ранды х, (К) ° d, и х (К) Ь1. В сумматорах 12 и 8 вычисляются соответственно х„(К) di + х (К) ° а и х,(К) а, +

+ х (К) ° Ь4 и поступают на вход реги4О стров 11 и 9. Положительным перепадом с выхода 23 блока 19 синхронизации (сигнал образован дешифрацией нулевого состояния счетчика 25 тактов) в умножитель 4 принимается операнд

45 Гу(К) — y (К)), вычисленный в предыдущем такте в вычитателе 3, а также операнд g по синхроимпульсу 18, В умножителе 4 вычисляется произведение я, у(К) — g (};)7 и поступает на

5р вход регистра 5, по синхроимпульсу

l8 и присутствующему ему нулевому

v уровню на выходе 23 управления в регистр 2 принимается у(К+! ) . Из блока 15 считывается операнд х4}(К) и

55 поступает на выход 16 и на вход умножителей 13 и 17, иэ блока 14 по адресу 00 ... 01 считываются коэффициенты а у Ь и g < . В триггер 26 записывается О, а на его вход поступа1527642 ет единичный уровень. Триггер 27 в нулевом состоянии.

В третьем такте состояние счетчика 25 — 00 ... 10. В умножителях 13

5 и 17 выполняется соответственно прием х4 (К) а + и х4 (K) ° Ь вычислЯютпроизведения х 4(K) a» H x4 (K) b 2 и через сумматоры 12 и 8 соответственно поступают на вход регистров 11 и 9. В регистры 11 и 9 записываются соответственно х, (K) d «+ х (К) ° а, и х,.(К) ° а «+ х, (К) ° Ь<. На управляющем входе регистров 11 и 9 присутствует единичный уровень (управляющий сигнал 21 равен единице, т.к. в триггер

26 записын ается по синхроимпульсу .единица и поступает на вход триггера 27) . Этот единичный уровень разрешает поступление операнда х,(К) »1« +

+ х (К) ° а, на вход сумматора 6, операнда x (K) a„+ х (К) Ь«на вход регистра 10 и на вход вычитателя 3, на другой вход которого поступает с выхода регистра 2 операнд у(К+1) . В 25 вычитателе 3 вычисляется у(К+1) (x, (g) а,, + x(K) b«и поступает результат на вход регистра 2, Произведение g 1у(К) - a! (K)) записывается в регистр 5 и поступает на вход сумматора 6, на выходе сумматора 6 получается х (К+1) х (К) d < +

+ х (К) à «+ gz (у(К) — 11(К)) . В триггер 27 записан нуль, который запрещает подключение регистра 10 и шинного формирователя 7 соответственно к

35 входам сумматора 6 и вычитателя 3, В умножителе 4 вычисляется произведение g «(у (К) — f (K)), которое посг»уды»ет на вход регистра 5. Из блока 15 с «итывается операнд х (К), а из блока 14 — операнды <1!, ад, g4.

В четвертом такте состояние счетчика 25 — 00 ... 11. В умножителях

13 и 17 выполняется прием х (К), d и х (К), а«», вычисляются произведения х (К) ° <1 и х. (К), d . В регистрах 11

3 и 9 выполняется прием х4(К), а и х4 (К). b . В сумматорах 12 и 8 ныч ис50 ляются соответственно х (К) d< +

+ х4(К) ° аа и х(К) аа + х4(К) результаты поступают на входы регистров 11 и 9, В регистр 10 принимается операнд х «(К)» а, + х (К) Ь,, нл его ! управляющем входе присутствует еди55 ничный уровень, т.к. триггер 27 устав навливается н единиву (управляющий сигнал 22), и обеспечивается поступ- ление one ранца х, (K) d, + x <(K) i b> на вход сумматора G. 1!а другом входе суммлторл 6 присутствует операнд

1, (у (К) — 1 (К)), который н данном такте запи» ывлется в регистр 5. В сумматоре 6 вычисляется х, (К+1) х, (К) ° а, + х (Е)" Ь< + g,,Ру (К)

2I (K) J . Результат суммирования, полученный н предыдущем такте на сумматоре 6, х (Е+1) = х, (Е) d < +

+ x<(K) л, + д (у(К) — g (К)) синхроимпульсом записывается в блок 15, иэ

KoTopoI сч?сгынлется ог«ерлнд X (К) .

1!э блока 14 считываются операнды а, Ь, g . Б регистр 2 принимается сийхроимпульсом операнд (у(К) — (х (К) ° а< + х, (Е) ° Ь,) . Операнд е< (у (К) !

1 (Е)), эапислг<ный н регистр 5, кроме тог о, поступает через шинный формирователь 7 на управляющем входе

22 — "1" на вход вычитателя 3, где вычисляется у(К+1) — (х<(К) а< +

° .,(Е) Ь,) — g,PV(K) — r(K)7 = — у(Е+1) — x «(K+1 ), и результат поступает на вход регистра 2. В умножителе 4 вычисляется g 4 fy (К) — $(K)J и поступает на вход регистра 5.

В пятом такте состояние счетчика 26 — 00 ... 1 00. Операнд х, (К+! ) х! (K) d, + х (К) »Ь + д у(К)

8I (K)) записывается н блок 15, из которогo считывлется операнд х (К) .

Работа остальных узлов устройства аналогична. В (2N+1) м такте начинает вычисляться последняя баэоная операция алгоритма. В умножителях 13 и

17 вычисляются произведения соответственно х,, (К) ° ад и х «(К) Ь««<.! и поступают на вход регистров 11 и 9, В умножителе 4 вычисляется g<Ä, (у (K)—

l! (K)J. В регистры 11 и 9 злписываютсЯ соответственно х 1 <(К) d 11 +

+ х к(К) а<«и хщ (К) а,! + х «« ° Ь«« .

В сумматоре 6 вычисляются х »,(Е+1) — х ««- (К) «1 я + х ««(К)" а««+ Идя (у(К)2% (K)j . В регистр 5 записывается произведение g (у(К) — Ir (К)) . В вы<«-r»« читателе 3 получаем у(К+1) вЂ, х,и

-(:.— ,»=! х.<,, (K) а, + x N (К) Ь,) . Иэ блока

15 считынается xä„<(К), а из блока

14 — операнды»1к <, а««2! gg«I«g

В (21!+2) -м такте х „(Е+1) записывается в блок 15 и выполняется холостой такт счить<нлния. В умножителях

13 и 17 вычисляются произведения х ц,(Е) d <« и х „,(К) а „, В умножителе 4 вычисляется gp«<+.. jó (K) — g (K)), !

527642!

В сумматорах 12 и 8 вычисляются х1)г+) (K) d н+(+ xg)l+р a„ ) H x« ) (K)1

>" н+(+ х,„+ (К) Ьм+) ° В регистр 10 принимается операнд х м+,(К) ° а м, +

+ х м+ (Е) b М,(. В сумматоре 6 вычисляется х м ((K+1 ) = х м ((K) ам q +

+?М () " М + 024-(ГУ(К) 3 (")1 °

1!з блока 14 считывается д к+г произвольные значения а и Ь». г регистр 5 записывается g<>, (y(K)

$(K)J y H Ha нычитателе 3 получаем

М (y(K+) ) — p x>., (K+)) с) 15

В (2N+3)-м такте х „, (K+1 ) записывается в блок 15, из которого считывается х (К+! ) для следующей итерации. В умножителях 13 и выполняется холостой такт. В умножителе 4

Вь(числяется произведение g, (У (К)

l3 (K)7. В регистры 11 и 9 записываются соответственно х g„, (К) ° Й g г +

+ хаМ+а(К)" а М«В сумматоре 6 вычисляется х м g (К+1) = х ) м, (К) dg+) + 25

° х,.„(К) М., + а... Cy(K) E(K)) н Регистр 5 принято произведение

К, Гу(К) — 1(К)3

Ь (2N+4)-м такте или, что то же самое, в первом такте (К+2)-го шага 30 работа устройства повторяется. В блок 15 записывается х м,< (K+1 ), в сумматоре 6 вычисляется х ««(K+1) х М °, (К) а М + " гМ+2(К) b и+г +

+ К,„„ ГУ(К) — y(K)g

Далее работа устройства аналогична. формула изобретения

Устройство для вычисления скользящего спектра, содержащее блок синхронизации, первый умножитель, первый сумматор, блок регистров, первый, второй, третий и четвертый регистры, 45 вычитатель и блок постоянной памяти, первый выход которого подключен к первому информационному входу первого умножителя, выход которого подключен к первому информационному входу

50 первого сумматора, выход которого подключен к информационному входу первого регистра, выход которого подключен к второму информационному входу первого сумматора, вьгход блока регистров подключен к второму информа55 ционному входу первого умножителя, вход синхронизации которогo соединен с входами. синхронизации блока регистров, первого, второго и третьего регистров и подключен к иервому такт — ному выходу блока синхронизации, второй тактовый выход которого подключен к входу синхронизации первого сумматора, третий тактовый выход блока синхронизации подключен к входам разрешения выдачи первого и второго регистров, четвертый тактовый выход блока синхронизации подключен к входу синхронизации и входу синхронизации выдачи четвертого регистра, информационный вход которого подключен к выходу второго регистра, пятый тактовый выход блока синхронизации подкгп ген к входу синхронизации ныдачи третьего регистра, выход которого подключен к первому входу вычитателя, выход которого подключен к первому информационному входу третьего регистра, второй информационный нход которого является информационным входом устройства, а кодовый выход блока синхронизации подключен к адресному входу блока постоянной памяти, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены второй и третий умножители, второй и третий сумматоры, пятый регистр и шинный формирователь, выход которого подключен к нторому входу вычитателя, первому информационному нходу второго сумматора и информа ционному входу четвертого регистра, выход которого соединен с выходом первого регистра и подключен к первому входу третьего сумматора, выход которого подключен к информационному входу блока регистров, выход которого является информационным выходом устройства и подключен к первому информационному входу второго умножителя, выход которого подключен к второму информационному входу второго сумматора, выход которого подключен к информационному входу второго регистра, второй и третий выходы блока постоянной памяти подключены соответственно к второму информационному входу второго умножителя и первому информационному входу третьего умножителя, ныход которого подключен к информационному входу пятого регистра, выход которого подключен к второму входу третьего сумматора и информационному входу шинного формирователя, тактовый вход которого подкгвочен к четвертому выходу блока синхрониэаi

1527642

gluz. f ции, первый выход которого подключен к входам синхронизации второго и третьего умножителей и пятого регистра, пятый выход блока синхронизации подключеH к входу синхронизации вьдачи третьего умножителя, второй информационный вход которого подключен к выходу вычитателя.

1527642

Х1(N

Х, fr+1) г(1

,(х) Х,(К+1)

JJ (М) J4(»Ф1) Ъ (» 1) гн i(® 1) Ъ(4

4,() Ъ г(»

Х,Z(K 1) ОР

СцЩ

Улр гп

Упр

71

Иго

27

5Ьр

QN. a

Составитель А.Баранов

Редактор В.Петраш Техред Л.Сердюкова

КорректоР О.Кравцова

Заказ 7511/53 Тираж 668 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открь.тиям при ГКНТ СССР

1!3035, Москва, Ж-35, Раушская наб °, д. 4/5

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