Устройство для вычисления спектра сигналов

 

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам спектрального анализа сигналов , представленных в цифровой форме. Цепью изобретения является увеличение точности вычисления спектра сигналов. Поставленная цель достигается тем. что в устройство вычисления спектра сигналов, содержащее коммутаторы 1, 2, генератор 4 шумового сигнала, три. фильтра 5 промежуточной частоты, коммутатор 6, два канала, каждый из которых состоит из фазового детектора 7, фильтра 8 нижних частот и АЦП 9, блок 10 ДПФ, умножитель 11, сумматор 13, блок 14 памяти, счетчик 15 адресов , два ключа 16, 17, блок 22 синхронизации и блок 18 постоянной памяти , введены второй умножитель 12, вычитатель 19, регистр 20 коэффициентов , пятый коммутатор 3, блок 21 микропрограммного управления. Сущность изобретения заключается в том, что увеличивается точность вычисления спектра сигналов за счет повышений точности при определении усредненных значений АЧХ фильтров промежуточной частоты. 3 ил., 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

РЕСПУБЛИН

@ай

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОУИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И СПг1РИТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 44449 79 /24 (22) 20.06.88 (46) 15.05,91. Бвл. t - 18 (72) A. К,Берендс, Г, В. Зайцев и Н.Г.Каратаев (53) 681.3 (088,8) (56) Высоцкий Ф.Б. и др. Пифровые фильтры и устройства обработки сигналов на интегральных микросхемах. М.:

Радио и связь, 1984, с. 22.

Авторское свидетельство СССР по заявке Ф 4110942/24-?4. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЬИИСЛВНИЯ СПЕКТРА СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам спектрального анализа сигналов, представленных в цифровой форме.

1 елью изобретения является увеличение точности вычисления спектра сигналов.

Поставленная цель достигается тем, (1)5 G 06 F 15/332, 15/353

2 что в устройство .вычисления спектра сигналов, содержащее коммутаторы 1, 2, генератор 4 шумового сигнапа, три фильтра 5 промежуточной частоты, коммутатор 6, два канала, каждый из которых состоит из фазового детектора

7, фильтра 8 нижних частот и АЦП 9, блок 10 ДПФ, умножитель 11, сумматор

13, блок 14 памяти, сч етчи к 1 5 адр есов, два ключа 16, 17, блок 22 синхронизации и блок 18 постоянной памяти, введены второй умножитель 12, вычитатель 19, регистр 20 коэффициентов, пятый коммутатор 3, блок 21 микропрограммного управления. Сущность изобретения заключается в том, что увеличивается точность вычисления спектра сигналов за счет повышения точности при определении усредненных значений АЧХ фильтров промежуточной ча. оты. 3 ил., 1 табл.

1649566

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам спектрального анализа сигналов, представленных в цнфровой форме.

Цель изобретения — повышение точности вычисления спектра сигнала.

Сущность изобретения заключается в том, что для нахождения, значений

ЛЧХ фильтров промежуточной частоты 10 проводится усреднение каждого снектрального отсчета шумового сигнала по формуле у = а х + (1 — а)у,, (1) где х — дискретный отсчет спектральk ной плотности шумового сигнала„. подлежашчй усреднению на k-м шаге вычислений", У1„yk, — результаты усреднения соот- 20 ветственно на k-м и (k-1)-м шагах вычислений", а — постоянный коэффициент (а

«1).

На фиг. 1 приведена функциональная схема ус тр ойст ва „на фиг . 2 — схема блока микропрограммного управления, на фиг. 3 — временные диаграммы синхронизирующих импульсов. формируемых блоком синхронизации. 0

Устр ойство для вычисления спектра сигналов (фиг. 1) с одержит коммутатс— ры l 3, генератор 4 шумового сигнал=, фильтры 5 промежуточной частоты, коммутатор 6, два канала, каждый из которых состоит из последовательно соединенных фазового детектора 7, фильтра 8 нижних частот и аналого-цифрового преобразователя 9, блок 10 дискрет-ного преобразования Фурье (ДПФ), умножители 11 и 12, сумматор 13„блок

14 памяти, счетчик 15 адресов, ключи

16 и 17, блок 18 постоянной памяти, вычитатель 19, регистр 20 коэффициентов, блок 21 микропрограммного управ- 15 пения, блок ?2 синхронизации, информационные входы 23-25 и выход 26„ вы" ходы 27 блока 21, вход 28 команд и вход 29 запуска.

Блок 21 микропрограммного управления (фиг. 2) образуют последовательно соединенные узел 30 ввода команд, узел 31 формирования адреса, постоянная память 32 и регистр 33.

Устройство для вычисления спектра сигналов работает следующим образом.

При поступлении на вход 29 устройства сигнала "Пуск" осуществляется запуск блока 22, который при поступленни команд (см. таблицу) па вход 28 устройства формирует *B выходах сигналы (фиг. 3) .

При поступлении на вход 28 устройства команды "11ачальная установка" (см. таблицу) на выходе узла 30 ввода команд формируется сигнал обнуления, который подается на узел 3 t формирования адреса и переводит его выход в нулевое состояние.

Таким образом, на входе постоянной памяти 32 будет сформирован нулевой адрес. Нулевому адресу, как следует из таблицы микрокоманд, записанньг в постоянную память 32, соответствует сигнал, который переписывается в регистр ЗЗ и выводится на выход 27. По этому сигналу осуществляется установка в псходпое состояние блока 10 ДПФ, сигнала счетчика 15 адресов и регист— ра 20 коэффициентов. При этом на втором выходе регистра 33 формируется с ггнал, который подается на вход узла 31 формирования ацреса и подготавливает его для приема команды от узла 30 ввода команд.

Лмплптудпо-частотные искажения в спек-.ре сигпалов, возникаюшие из-за разли ных ЛЧХ фильтров 5 промежуточной частоты, подвергаются коррекции.

Исполнительные элементы схемы коррекции входят в ту ее часть, которая содержит коммутатор 3, умножитель 11, GJIo:: 1-4 памяти, счетчик 15 адресов, ключ 17 и блок 18 постоянной памяти.

Для проведения коррекции амплитудночастотных искажений в спектре сигналов необходимо иметь информащ ю о виде и форме ЛЧХ фильтров 5 пр омежут очной частогы. Такую информацию можно получить при вычислении спектра шумового сигнала, который формируется генератором 4 шумового сигнала и подается на первые входы коммутаторов 1.

Периодически основной режим работы устройства вычисления спектра сигна— лов прерывается и на вход 28 устройства подается команда "Фильтр промежуточной частоты 1" (ФПЧ 1,,см. таблицу). При поступлении этой команды на вход блока 21 осуществляется ее .трансляция через узел 30 ввода команд и узел 31 формирования адреса на вход постоянной памяти 32. Б соответствии с таблицей микрокоманд, .записанных в постоянную память,32, на его выходе формируются сигналы, которые перепи5 I64 сываются в регистр 33 и выводятся на выход 27 °

По сигналам, передаваемым по вы— ходу 27, осуществляется отключение с помощью коммутаторов 1 входов фильтров 5 промежуточной частоты соответственно от первого 23, второго 24 и третьего 25 информационных входов устройства и подключение к выходу ге..нератора 4 шумового сигнала,а также подключение с помощью коммутатора 6 выхода первого фильтра 5 промежуточной частоты к входам фазовых детекторов 7,перевод блока 10 ДПФ на осуществление вычислений по алгоритму БПФ, управление коммутаторами 2 и 3 и ключами t6 и 17, переключение режимов

"Запись-считывание" в блоке 14 памяти, запись начального адреса в счетчик 15 адресов, наращивание адресов в счетчике 15 адресов, а также запись постоянного коэффициента а в ре- . гиатр 20 коэффициентов. Таким образом, шумовой сигнал, прошедший через первый фильтр 5 промежуточной частоты, с помощью коммутатора 6, подается на входы фазовых детекторов 7. После преобразования в фазовых детекторах

7, фильтрах 8 нижних частот и аналого-цифровом преобразователе 9 шумовой сигнал, дискретизированный по времени, квантованный по уровню и представленный в двоичном коде, подается соответственно на реальный и мнимый входы блока 10 ДПФ, который производит вычиспение дискретного преобразования Фурье по алгоритму

БПФ, Таким образом, на выходе блока

10 ДПФ получают последовательность спектральных отсчетов шумового сигна-. ла, которая является мгновенным спектром шумового сигнала, . прошедшего через первый фильтр 5 промежуточной частоты. С выхода блока 10 ДИ> последовательность спектральных отсчетов шумового сигнала подается на первый вход умножителя 11, на второй вход которого через коммутатор 3 с выхода регистра 20 коэффициентов подается постоянный коэффициент а, представленный в двоичном коде. С помощью коммутатора 2 с выхода умножителя 11 последовательность спектральных отсчетов шумового сигнала, умноженная на постоянный коэффициент а подается на первый вход сумматора 13, на второй вход которого с выхода ра зомкнутого ключа 16 подаются нулевые отсчеты, которые не меняют значений

9566 6 тра шумового сигнала.

Для определения АЧХ фильтров 5 . промежуточной частоты необходимо про- вести многократное вычисление мгновенных спектров шумового сигнала и их обработку по формуле (1) . Поэтому описанный режим работы устройства вычисления спектра сигналов периодически повторяется, за исключением того, 35 что при повторных вычислениях мгновенных спектров шумового сигнала замыкается ключ !6 и амплитудные значения вновь вычисленных мгновенных спектров шумового сигнала, умножен 0 ные в умножителе 11 на постоянный коэффициент, суммируются в сумматоре 13 с амплитудными значениями мгновенных спектров шумового сигнала, записанными в блоке 14 памяти. Далее из полу 5 ченной суммы в вычитателе 19 вычитается результат произведения амплитудных значений мгновенного спектра шумового сигнала, записанного в блоке

14 памяти, и постоянного коэффицнен50 та, полу енный во Втором у о т е

12. Таким образом, происходит чередо"

5

25 спектральных отсчетов шумового сигнала. Полученная сумма двух чисел с выхода сумматора 13 поступает на первый вход вычитателя l9 на второй вход которого с выхода второго умножителя

12 поступает произведение нулевых отсчетов, подаваемых с выхода разомкнутого ключа 16, и постоянного коэффициента, подаваемого с выхода регистра

20 коэффициентов. Получаемое произведение двух чисел также не меняет:, значений спектральных отсчетов шумового сигнала. С выхода вычитателя 19 спектральные отсчеты шумового сигнала поочередно записываются в ячейки блока 14 памяти с адресами, которые вырабатываются счетчиком 15 адресов.

Последний сигнал, который формируется на выходе 27 под действием команды ФПЧ 1, переводит узел 31 формирования адреса в состояние готовности для приема новой команды с входа

28 устройства.

На этом заканчивается один цикл вычисления и записи мгновенного спеквание режима считывания иэ блока 14 памяти спектральных отсчетов шумового сигнала, которые были записаны в него в предыдущем цикле обработки мгновенного. спектра шумового сигнала, и режима записи в блок 14 памяти вновь обработанных амплитудных значений спектральных отсчетов. Для вычисления

1649566 мгновенных спектров шумового сигнала, прошедшего через второй и третий фильтры 5 промежуточной частоты, на вход 28 устройства подаются команды

ФПЧ 2 и ФПЧ 3, которые отличаются от команды ФПЧ 1 тем, что при наличии этих команд осуществляется подключение с помощью коммутатора 6 соответственно второго или третьего фильтра

5 промежуточной частоты к входам фазовых детекторов 7, а также запись соответствующего начального адреса в счетчик 15 адресов. Таким образом, после проведения многократной обработки мгновенных спектров шумового сигнала в блоке 14 памяти будут записаны амплитудные значения отсчетов

АЧХ фильтров 5 промежуточной частоты.

В основном режиме работы устройства вычисления спектра сигналов на вход ?8 устройства подается команда

"Коррекция 1" (см. таблицу). При поступлении этой команды на вход блока

21 осуществляется ее трансляция через узел 30 ввода команд и узел 31 формирования адреса на вход постоянной памяти 32. В соответствии с таблицей . команд, записанных в постоянную память 32, на ее выходе формируются .. сигналы, которые переписываются в регистр 33 и выводятся на выход 27.

По.сигналам, передаваемым по выходу 27, осуществляется подключение с помощью коммутаторов 1 входов фильтров 5 промежуточной частоты соответственно к первому 23, второму 24 и третьему 25 информационным входам устройства, а также подключение с помощью коммутатора 6 выхода первого фильтра 5 промежуточной частоты к входам фазовых детекторов 7, перевод блока 10 ДПФ на осуществление вычислений по алгоритму БПФ, управление коммутаторами 2 и 3 и ключами 16 и

17, включение режима "Считывание" в блоке 14 памяти, запись начального адреса в счетчик 15 адресов и наращивание адресов в счетчике 15 адресов.

Таким образом, входной сигнал, прошедший через первый фильтр 5 промежуточной частоты, с помощью коммутатора 6 подается на входы фазовых детекторов 7, После преобразования в фазовых детекторах 7, фильтрах 8 нижних частот и аналого-цифровом преобразователе 9 обрабатываемый сигнал подается на блок ДПФ для вычисления его спектра. Амплитудные значения спектральных отсчетов входного сигнала подаются на первый вход умножителя 11 для умножения на корректирующие коэффициенты, которые представляют собой обратные величины 1/В от амплитудных значений отсчетов В АЧХ фильтров 5 промежуточной частоты. Последовательности спектральных отсчетов, снимаемой с выхода блока 10 ДПФ, соответст-.. вует последовательность корректирующих коэффициентов, значения которой получаются благодаря поочередному считыванию из блока 14 памяти ампли-тудных значений АЧХ первого фильтра

5 промежуточной частоты. При этом ключ 16 разомкнут и информация с выхода блока 14 памяти через замкнутый ключ 17 поступает на вход блока 18 постоянной памяти и преобразуется в нем в последовательность корректирующих коэффициентов, которые через коммутатор 3 поочередно поступают на второй вход умножителя 11.

25 Таким образом, на выходе умножителя 11 получена последовательность спектральных отсчетов входного сигнала, которая скорректирована в соответствии с видом и формой АЧХ первого фильтра 5 промежуточной частоты.

Скорректированные отсчеты спектра сигналов поступают через коммутатор 2 на информационный выход 26 устройства для дальнейшей обработки.

Последний сигнал, который формируется на выходе 27 под действием команды "Коррекция 1"", переводит, узел

31 формирования адреса в состояние готовности для приема новой команды с входа 28 устройства.

Для вычисления спектра сигналов, прошедших через второй и третий фильтры 5 промежуточной частоты, на вход

28 устройства подаются команды "Кор45 рекция-2" и "Коррекция 3", которые отличаются от команды "Коррекция 1" тем, что при наличии этих команд осуществляется подключение с помощью . коммутатора 6 соответственно второго или третьего фильтра 5 промежуточной

5О частоты к входам фазовых детекторов

7, а также запись соответствующего начального адреса в счетчик 15 адресов.

Использование изобретения позволя55, ет увеличить точность вычисления спектра сигналов путем повышения точности при определении усредненных значений АЧХ фильтров 5 промежуточной

1Ы9566 частоты. При этом точность определения усредненных значений ЛЧХ фильтров

5 промежуточной частоты зависит от выбора величины постоянного коэффициента а в формуле (1) и обеспечивается на заданном уровне при выполнении условия а ((1.

Формула изобретения

Устройство для вычисления спектра сигналов, содержащее пять коммутаторов, генератор шумового сигнала, три ! фильтра промежуточной частоты, блок си нхр они за ции, два фа 3 оных детектора, два фильтра нижних частот, два аналого-цифровых преобразователя, блок дискретного преобразования Фурье, умножитель, сумматор, блок памяти, счетчик адресов, два ключа и блок постоянной памяти, причем первые информационные входы с первого по третий коммутаторов объединены и подключены к выходу генератора шумового сигнала, вьгходы первого и второго фильтров нижних частот соединены соответственно с информационными входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей, вторые информационные входы с первого по третий коммутаторов являются соответственно первым, вторым и третьим информационными входами устройства, вьгходы с первого по третий коммутаторов соединены соответственно с входами с первого по третий фильтров промежуточной частоты, выходы которых соединены соответственно с первого по третий информационными вхоцами четвертого коммутатора, входы фазовых детекторов подключены к выходу четвертого коммутатора, выходы аналого-цифровых греобразователей подключены соответственно к входам реальной и мнимой частей сигнала блока дискретного преобразования Фурье, первый выход пятого коммутатора подключен к первому входу сумматора, адресный вход блока памяти подключен к информационному выходу счетчика адресов, выход блока памяти соединен с информационными входами первого и . второго ключей, выходы которых соединены соответственно с вторьи входом сумматора и адресным входом блока постоянной памяти, выходы лервог о и второго фазовых детекторон соединены с вхолами соответственно первого н второго фильтров нижних частот, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения точности вычисления спектра сигнала, н него введены ВТорой умножитель, вычитатель,регистр коэффициентов, шестой коммутатор, блок микропрограммного управления, причем выход блока дискретного преобразования Фурье подключен к первому входу первого умножителя, выход которого соединен с информационным входом пятого коммутатора, второй выход которого является информационным выходом устройства, выход сумматора подключен к первому входу вычитателя, выход которого соединен с информационным входом блока памяти, выход блока постоянной памяти подключен к первому информационному входу шестого коммутатора, выход которого соединен с вторым входом первого умножителя, второй информационный вход шестого коммутатора и первый вход второго умножителя подключены к выходу регистра козффигвгентов, второй вход второго умножителя соединен с выходом первого: ключа, выход. второго умножителя подключен к второму входу вычитателя, управляющие входы с первого по шестой коммутаторов, блока дискретного преобразователя Фурье, блока памяти, счетчика адресов, первого и второго ключей, информационные входы и вход синхронизации регистра коэффициентов

4 подключены к соответствующим выходам блока микропрограммного управления, вход команд которого является входом команд устройства, входы синхронизации первого и второго аналого-цифровых преобразователей подключены к первому выходу блока синхронизации, входы синхронизации блока дискретного преобразования Фурье, блока памяти и блока микропрограммного управления

50 подключены соответственно к второму, третьему и четвертому выходам блока синхронизации, вход запуска которого является одноименньи входом устройства..12

1649566 команда Вход блока 32 Выход блока 32 (упрввяякбзяяе входы блоков)

2 (212 2!2 Г бо Г Ф 1 з Тбз Гз Т 20 зб

О....... 0000

000000000101

О., ° ....0000

О О 00

О 1 00

Начаяъияя О......... 000 О установка 0000000000001 О

0.........000

О

О

О

О. ° ...........001

00000000001000001

0...,...........0

О О

11!0

° °

ФПЧ 1

° ° а

0......011

0......001

0010

Ф Ф ° °

О 1 00 0.......0000

О....,....OOD О

О00000О00О0!0 0

0.........000

oo..............о

000000000101 о.......oooo

00000000001000001

0...............0

О 1 01

1110

ФПЧ 2

° Ф

О

0......011

0......00!

0010

° °

Ф Ф

1 О О...

0.....,...000 О О 1 01 0.......0000,.О

0000000000011 О

0......,..000

1 О 00000000001000001

0.......,.......0

О 1 10 000000000101

0....,..0000

О !

О

111О

° ° °

ФПЧ 3

О О.

О

0......011

0.....,00!

0010

О. ° ° ° ° ° .0000 ....00 О 0 1 10

1 О ОО

О 1 ооооаоооооооооооо оо о

0...............0 11 О

000000000101

0...,...0000

"Коррекция 1"

1 0 ОО 0.......0000

0010

О 1

1 О 01

0О0О0000000000000

0......,........0

1000000000010 1

00....,;.ФООО

1110

О 1

00000000010!

0.......0000

° a ° ° ° °

"Коррекция 2"

° °

° ° Ф

Ф °

0.......0000

0......011

9...,..00!

0010

1 О Of

° ° б

00........000 1

10000О0О00011 1

00........000

О 1

1 О 10 000000000!О1

0.......0000

1110

0000000000000000

a ° ° ° °

"Коррекция 3"

° ° ° ° °

° Ф °

0010

О...... 011

1 0......001 О 1

00.......000 1 1 О 10 0.......0000! ооооооооооо!

00........000

° °

00........000 1

О

О

1 б

0......000

0......001

0......011

0......001

0......011

0......00!

0......001

0......011

0......001

О......ofi

0.....,00!

О......оа!

0......011

0,.....001

0......01f

0......001

О....;.001

0......011

0......001

0......011

0......001

0......011

0......001

0t0000OO00

0......001

0......01!

0......001

0......0f1

0......001

0......001

0......011

О.. ° ...00!

0......011

0......001 64О5Ы агсг сди

Составитель Ю.Ланцов

Редактор A.Îràð Техред М.Моргентал Корректор Л.Патай

Заказ 1523 Тираж 424 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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