Устройство для вычисления спектра сигналов

 

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам спектрального анализа сигналов, представленных в цифровой форме. Целью изобретения является повышение точности вычисления спектра сигналов. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее три коммутатора 6, три фильтра 7 промежуточной частоты, коммутатор 9, два фазовых детектора 10, два фильтра 11 нижних частот, два аналого-цифровых преобразователя 12, блок 13 дискретного преобразования Фурье, умножитель 14, три ключа4,20,23, блок 21 памяти, счетчик 24 адресов, блок 22 постоянной памяти, синхронизатор 27, формирователь 2 одиночных импульсов, генератор 5

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (ll) (st)s G 06 F 15/332

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ОО

С> ! (р )

1Я

C) (в (21) 4833832/24 (22) 01.06,90 (46) 23.03.93. Бюл. N. 11 (71) Централ ь н ое ко нструкторс кое бюро

"Алмаз" (72) Н,Г.Каратаев (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1363244, кл, G 06 F 15/332, 1987.

Авторское свидетельство СССР

N 1730638, кл. G 06 F 15/332. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ

СПЕКТРА СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам спектрального анализа сигналов, представленных в цифровой форме. Целью изобретения является повышение точности вычисления спектра сигналов, Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее три коммутатора 6, три фильтра 7 промежуточной частоты, коммутатор 9, два фазовых детектора 10, два фильтра 11 нижних частот, два аналого-цифровых преобразователя 12, блок 13 дискретного преобразования

Фурье, умножитель 14, три кл юча 4, 20, 23, блок

21 памяти, счетчик 24 адресов, блок 22 постоянной памяти, синхронизатор 27, формирователь 2 одиночных импульсов. генератор 5

1803920 Д(Х)упч А(х)Фнч.

0с(х) А(х) Щх)

1 промежуточной частоты, три двоичных счетчика 1, 25, 26, дополнительно введены усилитель 8 промежуточной частоты, второй блок 16 памяти, второй блок 17 постоянной памяти, второй счетчик 19 адресов, два ключа 15, 18, соединенные в соответствии с временными диаграммами. Сущность изобретения заключается в том, что повышается точность вычисления спектра сигналов за счет повышения точности вычисления портрета АЧХ устройства. Это достигается тем, что портрет АЧХ устройства в режиме работы с каждым из фильтров промежуточной частоты вычисляется за один период обработки одиночного радиоимпульса, а в отлиИзобретение относится к области вычислительной техники, в частности к устройствам спектрального анализа сигналов, представленных в цифровой форме.

Целью настоящего изобретения является повышение точности вычисления спектра выходного сигнала, Сущность изобретения заключается в том, что повышается точность вычисления спектра сигналов за счет точности вычисления портрета АЧХ устройства, Это достигается тем, что в отличии от прототипа из портрета АЧХ устройства исключается собственная неравномерность средней части основного лепестка спектра одиночного радиоимпульса при обработке за два соседних периода, следующих до режима коррекции.

Сначала в результате прохождения радиоимпульса через УПЧ и ФНЧ (в обход фильтров ПЧ) получим после обработки в первом периоде произведение спектра радиоимпульса и формы АЧХ УПЧ и ФНЧ, т.е.

Выбирая ширину полосы пропускания

АЧХ широкополосного УПЧ много больше ширины полосы пропускания АЧХ устройства, можно пренебречь неравномерностью

АЧХ УПЧ, т.е, А(х)упч = 1.

Используя в качестве фильтра нижних частот активный RC-фильтр нижних частот, можно получить практически равномерную

АЧХ фильтра нижних частот, т.е. А(х)Фнч 1 в пределах полосы пропускания АЧХ фильтров промежуточной частоты, Поэтому выраSI AX жение (1) принимает вид, т.е. за один период обработки тестового радиоимчии от устройства-прототипа собственная неравномерность формы сплошного спектра основного лепестка тестового одиночного радиоимпульса корректируется с помощью обратной функции за тот же период записи портрета АЧХ. Форма спектра тестового радиоимпульса (и его обратная функция) получается в результате обработки и записи его во второй блок памяти в дополнительном предыдущем периоде обработки при прохождении радиоимпульса через усилитель промежуточной частоты в обход фильтров ПЧ. Обратная функция спектра формируется с помощью функционального

ПЗУ второго блока постоянной памяти. 2 ил. пульса в первый блок памяти будет записан спектр этого одиночного тестового радиоимпульса, Затем перемножая обратную функцию

5 х спектра тестового радиоимпульса — „„на спектр тестового радиоимпульса, прошедшего АЧХ устройства в следующем периоде обработки, т.е, на . А(х) получим

sinx х

А(х) = А(х) (2)

sInx x

15 т.е, в следующем периоде обработки тестового радиоимпульса получим точную информацию о портрете АЧХ устройства, записанную во второй блок памяти для случая прохождения тестового радиоимпульса

20 через, например, первый фильтр промежуточной частоты.

В режиме коррекции производится перемножение обратной функции выражения (2), т.е, — -- на спектр входного сигнала

1 А(х)

Uc(x), прошедший АЧХ устройства, т.е, на

Ос(х) А(х), B результате перемножения в режиме коррекции получим

При таком вычислении из отсчетов спек35 тра выходного сигнала исключается собственная неравномерность формы спектра тестового радиоимпульса и неравномерность формы АЧХ устройства, через которое проходит сигнал, т.е, повышается точность

40 вычисления спектра сигналов.

1803920

20

На фиг, 1 представлена структурная схема устройства для вычисления спектра сигналов; на фиг, 2 — временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для вычисления спектра сигналов содержит двоичный счетчик 1, формирователь 2 одиночных импульсов, элемент НЕ 3, ключ 4, генератор 5 промежуточной частоты, три переключателя 6, три фильтра 7 промежуточной частоты, усилитель 8 промежуточной частоты, коммутатор

9, два фазовых детектора 10, два фильтра 11 нижних частот, два аналого-цифровых преобразователя 12, блок 13 дискретного преобразования Фурье, умножитель 14, ключ

15, блок 16 памяти, блок 17 постоянной памяти, ключ 18, счетчик 19 адресов, ключ 20, блок 21 памяти, блок 22 постоянной памяти, ключ 23, счетчик 24 адресов, двоичные счетчики 25, 26, синхронизатор 27, информационные входы 28, 29, 30, вход пуска 31 устройства, выход 32 синхронизатора, тактовые входы 33, 34 синхронизатора, выход

35 синхронизатора, выход 36 элемента НЕ, выходы 37 — 50 синхронизатора, информационный выход 51 устройства.

Тактовые входы С1, С2 синхронизатора

27 представлены на фиг.2 соответственно диаграммами 33, 34.

Выходы CLK2 — CLK15 синхронизатора

27 представлены на фиг.2 соответственно диаграммами 35, 37 — 50, полученными прощивкой ПЗУ в синхронизаторе 27. Выход

CLK1 (диаграмма 32) соответствует выходу задающей частоты F синхронизатора 27.

Устройство работает следующим образом, С момента поступления сигнала ПУСК на вход 31 устройство работает в соответствии с временнойдиаграммой фиг.2, разделенной на три части высокими вертикальными пунктирными линиями, а средняя часть разделена в свою очередь на четыре части тремя низкими вертикальными пунктирными линиями, Левая часть фиг. 2 соответствует режиму запуска устройства, средняя и правая (изображена частично) части соответствуют двум одинаковым рабочим циклам устройства, каждый из которых состоит из режима установки узлов устройства в исходное состояние (левая часть), режима записи формы спектра тестового сигнала через УПЧ (вторая часть), режима записи и вычисления состояния формы АЧХ устройства (третья часть) и режима коррекции (основной режим), ссстоящего из вр одинаковых периодов повторения (правая часть). Таким образом, идея временной диаграммы работы устройства заключа тся в формировании режима запуска устройства и следующих за ним множества одинаковых циклов работы, каждый из которых состоит из одного периода повторения Тп режима установки узлов устройства в исходное состояние, одного периода повторения Тп режима записи в блок 16 памяти формы спектра тестового сигнала, m = 3 периодов повторения режима записи и вычисления состояния формы АЧХ устройства с участием каждого фильтра промежуточной частоты и п р периодов повторения Тп режима коррекции, Период повторения цикла Тц = (2 + m(1 + р)1Тп сооТветствует интервалу времени, через который производится обновление информации о состоянии формы АЧХ устройства. Величина р» 1 выбирается из условия малых, еще допустимых изменений формы АЧХ. чтобы своевременно произвести коррекцию искажений спектральных отсчетов сигнала.

Режим запуска устройства начинается при поступлении сигнала ПУСК (диаграмма

31, фиг.2) на вход устройства. Сигнал ПУСК устанавливает в исходное состояние и дает начало работы синхронизатору 27 и двоичным счетчикам 25 и 26, что соответствует нулевым уровням временных диаграмм 32 и

33 и единичному уровню диаграммы 34 в этом режиме работы (слева от первой вертикальной высокой пунктирной линии).

В режиме установки узлов устройства в исходное состояние синхронизатор 27 начинает выдавать на узлы устройства импульсную последовательность задающей тактовой частоты F (диаграмма 32) из которой, в частности, формируется с помощью второго двоичного счетчика 25 импульсная последовательность в виде меандра с периодом Тп, являющимся основным интервалом чередования периодов обработки сигналов в узлах устройства и синхронизаторе 27 и в том числе третий двоичный счетчик 26 начинает выдавать импульсную последовательность (диаграмма 34) с периодом повторения Тц, Эта последовательность устанавливает выходы 35. 37 — 50 синхронизатора 27 в нулевые исходные состояния (диаграммы 35, 37 — 50), благодаря чему узлы устройства, подключенные к этим выходам синхронизатора 27 также устанавливаются в исходные состояния.

Устанавливается в исходное состояние последовательностью 34 также формирователь

2 одиночных импульсов, Режим записи формы спектра тестового сигнала включает в себя один период повторения T . Основная задача в этом режиме это записать в блок 16 памяти форму симметрично спадающей вершины основного

sinx лепестка спектра тестового сигнала х

1803920

55 радиоимпульса, прошедшего через широкополосный усилитель 8 промежуточной частоты помимо фильтров 7 промежуточной частоты. В этом режиме используются все узлы устройства, кроме узлов 6, 7, 14, 17, 18, 20 — 24, Работа начинается с формирования одиночного радиоимпульса заданной длительности в узлах 1-5 устройства, Первый двоичный счетчик 1, предварительно установленный нулевым уровнем (диаграмма 35) в исходное состояние, насчитывает из тактовой последовательности (диаграмма 32) последовательность импульсов с заданной длительностью, из которой после подачи на тактирующий вход формирователя 2 одиночных импульсов выделяется в нем первый из импульсов в первом полупериоде этого режима, Установка формирователя 2 одиночных импульсов в исходное состояние производится нулевыми уровнями по входу установки в исходное состояние (диаграмма

34) и по входу запуска (диаграмма 35), После инвертирования одиночного импульса (диаграмма 36) в элементе НЕ 3 и открывания им первого ключа 4 на его выходе формируется из непрерывных колебаний генератора

5 промежуточной частоты радиоимпульс промежуточной частоты, имеющий сплошной спектр вида

sinx х с шириной основного лепестка большей, чем полоса пропускания АЧХ устройства. Затем сигнал одиночного радиоимпул ьса проходит усилитель 8 промежуточной частоты и коммутатор

9 (диаграммы 38). проходит фазовые детекторы 10, фильтры 11 нижних частот, дискретизируется по времени и квантуется по уровню в аналого-цифровых преобразователях 12 и представленный в двоичном коде (диаграмма 42), подается на входы блока 13 дискретного преобразования Фурье, который за этот же интервал времени (диаграмма

43, первый полупериод) производит дискретное преобразование Фурье по алгоритму

БПФ, Таким образом, на выходе блока 13

ДПФ (диаграмма 43, второй полупериод) будет получена последовательность спектральных отсчетов, которые являются мгновенным спектром тестового одиночного радиоимпульса, не промодулированным формой АЧХ фильтров 7 промежуточной частоты и допустимо промодулированным формой АЧХ фильтров 11 нижних частот. Сформированные таким путем спектральные отсчеты подаются с выхода блока 13 ДПФ через открытый ключ 15 (диаграмма 44) на информационный вход блока 16 памяти и записываются в него при подаче на его вход управления команды записи (диаграмма 46.Г 1- ) при переборе адресов счетчиком 19 адресов (диаграмма

45). Записанная информация запоминается в блоке 16 памяти для чтения ее в последующем режиме работы устройства, Режим записи состояния формы АЧХ включает в себя m = 3 периодов повторения

Тп. Основная задача этого режима — записать в блок 21 памяти информацию о состоянии формы АЧХ, предварительно исключив из нее составляющую неравномерности формы спектра тестового сигнала путем перемножения входных сигналов умножителя. — и А(х) по формуле (2), х sinx япх х чтобы получить точную информацию А(х) от

АЧХ каждого фильтра ПЧ за один период повторения, В трех периодах режима записи АЧХ работают и используются все узлы устройства, кроме УПЧ 8. Работа начинается с формирования (см.выше) одиночного радиоимпульса промежуточной частоты за один период повторения Тп заданной длительности в узлах 1 — 5 устройства. Затем сигналы одиночных радиоимпульсов проходят переключатели 6 (диаграмма 37), фильтры 7 промежуточной частоты. проходят поочередно s соответствии с диаграммами 39, 40, 41 коммутатор 9, дальнейшая обработка и преобразование сигналов в узлах 10-13 производится аналогично обработке тестового радиоимпульса, описанной выше. Считанная из блока 13 ДПФ информация, представляющая собой произведение форsinx. мы спектра тестового сигнала х

И формы АЧХ устройства, и поданная на первый вход умножителя 13, перемножается с обратными функциями тестового сигнала х, поданными на второй вход умножиsinx теля 1 после считывания из блока 16 памя ти (диаграмма 46 - - ), функционального

1 преобразования вида — в блоке 17 пох стоянной памяти и прохождения (диаграмма 47) открытого ключа 18. Полученные в результате такого вычисления по формуле (2) отсчеты состояния формы АЧХ устройства записываются через открытый ключ 20 (диаграмма 47) в блок 21 памяти по команде записи (диаграмма 50л) при переборе адресов (диаграмма 49) счетчиком 24 адресов.

Записанные в блок 21 памяти отсчеты состояния формы АЧХ устройства используются для чтения в периодах заключительного основного режима коррекции. Обновление этой информации производится в начале следующего цикла работы устройства.

В режиме коррекции работают все узлы устройства. кроме узлов 1 — 5, 8, 15-20, На

1803920 временной диаграмме фиг.2 этот режим условно занимает шесть вместо mp периодов повторения Тп, причем периоды группируются в тройки (т.к. гп = 3), в каждой из которых обработка ведется поочередно с участием сигнала первого, второго, а затем третьего фильтров 7 промежуточной частоты. Режим коррекции начинается с момента поступления сигналов на информационные входы 28, 29, 30 устройства, а после прохождения этих сигналов через переключатели 6 (диаграмма 37) и фильтры 7 промежуточной частоты, через коммутатор 9 (диаграммы 39, 40, 41), дальнейшая обработка и преобразование сигналов в узлах 10 — 13 производится аналогично обработке тестового радиоимпульса, описанной выше, Считанная из блока 13 ДПФ информация проходит умножитель 14, перемножается с корректирующими множителями, поданными на вто5

20 рой вход умножителя 14 с выхода блока 22 постоянной памяти через открытый ключ 23 (диаграмма 48). Корректирующие множители представляют собой обратные величины

1 25 — от амплитудных значений на каждом отК счете по частоте АЧХ устройства, Корректирующие множители окончательно формируются в блоке 22 постоянной памяти, в ПЗУ которого

1 30 зашиты обратные функции — от двоичного

К кода амплитудных значений К, считываемых из блока 21 памяти (диаграмма 50,w) при переборе адресов счетчиком 24 адресов на тех же интервалах времени (диаграмма 49), 35

Таким образом, вычисление спектра сигналов в рассматриваемом устройстве заключается в перемножении спектральных отсчетов полезного сигнала, промодулирован ного значениями отсчетов АЧХ, на 40 корректирующие множители, промодулированные обратными величинами от значений отсчетов АЧХ, Благодаря перемножению нежелательные искажения спектра полезного сигнала формой АЧХ на выходе 51 уст- 45 ройства устраняются. Вычисление корректирующих множителей по сплошному спектру одиночного радиоимпульса производится за один период работы устройства, Собственная неравномерность симметрич- 50 но спадающей формы спектра вершины основного лепестка тестового одиночного радиоимпульса корректируется с помощью обратной функции за тот же период записи портрета АЧХ устройства. Обратная функ- 55 ция спек гру тестового сигнала формируется в дополнительном периоде повторения Т> в результате прохождения тестового радиоимпульса через широкополосный УПЧ 8 записи и запоминания в блоке 16 памяти и

1 пересчета в функциональном ПЗУ вида х блока 17 постоянной памяти, Устройство корректирует тем самым и разницу коэффициентов передачи фильтров 7 промежуточной частоты.

По данному техническому решению изготовлен макетный образец устройства для вычисления спектра сигналов, подтвердивший более высокую точность по сравнению с устройством-прототипом.

Формула изобретения

Устройство для вычисления спектра сигналов, содержащее три переключателя, три фильтра промежуточной частоты, коммутатор, два фазовых детектора, два фильтра нижних частот, два аналого-цифровых преобразователя, блок дискретного преобразования Фурье, умножитель, три ключа. первый блок памяти, первый счетчик адресов, первый блок постоянной памяти, синхронизатор, формирователь одиночных импульсов, элемент НЕ. генератор промежуточной частоты, три двоичных счетчика. причем первый, второй и третий информационные входы устройства подключены соответственно к первым информационным входам первого, второго и третьего переключателей, выходы которых подключены к входам соответственно первого, второго и третьего фильтров промежуточной частоты. выходы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему информационному входам коммутатора. выход которого подключен к входам первого и второго фазовых детекторов, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго фильтров нижних частот. выходы которых подключены к информационным входам соответственно первого и второго аналого-цифровых преобразователей, выходы которых подключены к входам соответственно реальной и мнимой составляющих блока дискретного преобразования Фурье, выход первого счетчика адресов подключен к адресному входу первого блока памяти, первый выход синхронизатора подключен к тактирующим входам аналого-цифровых преобразователей. к тактирующему входу блока дискретного преобразования Фурье, к счетному входу первого счетчика адресов и к счетным входам первого и второго двоичных счетчиков выход второго двоичного счетчика подключен к счетному входу третьего двоичного счетчика и к первому тактовому входу синхронизатора, второй тактовый вход которого подключен к выходу третьего двои <ного счетчика, вход пуска устройства подключен

1803920

55 к входу запуска синхронизатора и к входам установки исходного состояния второго и третьего двоичных счетчиков, второй выход синхронизатора подключен к управляющим входам первого, второго и третьего переключателей, вторые информационные Bxo" ды которых соединены между собой и подключены к выходу первого ключа, третий и четвертый и пятый выходы синхронизатора подключены соответственно к первому, второму и третьему управляющим входам коммутатора, шестой выход синхронизатора подключен к управляющим входам аналого-цифровых преобразователей, седьмой выход синхронизатора подключен к управляющему входу блока дискретного преобразования Фурье, восьмой выход синхронизатора подключен к входу управления записью/чтением первого блока памяти, выход умножителя является информационным выходом устройства, причем выход первого двоичного счетчика подключен к тактирующему входу формирователя одиночных импульсов, выход которого через злемент HE подключен к управляющему входу первого ключа, информационный вход которого подключен к выходу генератора промежуточной частоты, выход второго ключа соединен с информационным входом первого блока памяти, выход блока дискретного преобразования Фурье подключен к первому входу умножителя, выход первого блока памяти подключен к адресному входу первого блока постоянной памяти, выход которого подключен к информационному входу третьего ключа, выход которого подключен к второму входу умножителя, девятый выход синхронизатора подключен к входу установки исходного состояния первого двоичного счетчика и к входу запуска формирователя одиночных импульсов, вход установки исходного состояния которого подключен к выходу третьего двоичного счетчика, десятый выход синхронизатора подключен к управляющему входу третьего ключа, 5 двенадцатый выход синхронизатора подключен к входу установки исходного состояния первого счетчика адресов, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности вычисления спектра сигналов, в

10 него введены вторые блок памяти, блок постоянной памяти и счетчик адресов, четвертый и пятый ключи и усилитель промежуточной частоты, причем выход первого ключа соединен с входом усилителя промежуточ15 ной частоты, выход которого соединен с четвертым информационным входом коммутатора, четвертый управляющий вход которого соединен с тринадцатым выходом синхронизатора, одиннадцатый выход кото20 рого соединен с управляющим входом четвертого ключа, информационный вход и выход которого соединены соответственно с выходом умножителя и информационным входом второго блока памяти, адресный

25 вход и выход которого соединены соответственно с выходом второго счетчика адресов и адресным входом второго блока постоянной памяти, выход которого соединен с информационным входом пятого клю30 чд, выход и управляющий вход которого соединены соответственно с вторым входом умножителя и четвертым выходом синхронизатора, пятнадцатый и шестнадцатый выходы которого соединены соответственно с

35 входом установки исходного состояния второго счетчика адресов и входом чтения/записи второго блока памяти, счетный вход которого соединен с первым выходом синхронизатора, информационный вход второго

40 ключа соединен с выходом блока дискретного преобразования Фурье.

1803920

l !!

N! !!

I !

57 I! I

4Г

Q.ГЧ 1раз

И -Граы

Фиг с

Редактор Т, Иванова

Заказ 1058 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Л

l3llll3

И !

54. ! !

Составитель Н. Каратаев

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Н, Король