Цифровой функциональный генератор

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для обработки двумерных сигналов и изображений, а также в системах спектрального анализа и информационно-измерительных комплексах. Цель изобретения - повышение помехоустойчивости формируемых сигналов путем улучшения их корреляционных свойств посредством уменьшения амплитуды боковых пиков автокорреляционных функций этих сигналов. Цифровой функциональный генератор содержит первый и второй счетчики 1 и 2, элемент ИЛИ 3, элемент задержки 4, генератор функций Уолша 5, регистр сдвига 6, блок памяти 7, элемент НЕ 8, группу элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9, первый и второй управляющие входы 10 и 11 генератора, первый делитель частоты 12, второй делитель частоты 13, ключ 14, сумматор по модулю два 15. Изобретение позволяет создавать генераторное оборудование для обработки двумерных сигналов и изображений, которое формирует сигналы, обладающие улучшенными корреляционными свойствами и высокой помехоустойчивостью формируемых сигналов. 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для обработки двумерных сигналов и изображений, а также в системах спектрального анализа и информационно-измерительных комплексах.

Известен генератор дискретных ортогональных функций, содержащий задающий генератор, делитель частоты, блок формирования функций Уолша, элемент НЕ, умножители и коммутатор [1] Однако указанный генератор, формирующий функции с улучшенными корреляционными характеристиками и тем самым повышающий помехоустойчивость сигналов, формируемых в базисе выходных функций генератора, не может быть использован для генерирования дискретных ортогональных функций от двух аргументов (двумерных дискретных ортогональных функций), что не позволяет применить его для обработки двумерных сигналов и изображений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является цифровой функциональный генератор, содержащий два счетчика, элемент ИЛИ, элемент задержки, генератор функций Уолша, регистр сдвига, блок памяти, элемент НЕ и группу элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, причем вход управления записью генератора подключен к первому входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу записи регистра сдвига, вход синхронизации которого и счетный вход первого счетчика подключены к тактовому входу генератора, выход переполнения первого счетчика подключен к счетному входу второго счетчика и через элемент задержки к второму входу элемента ИЛИ, выход второго счетчика подключен к адресному входу блока памяти, выход которого подключен к информационному входу регистра сдвига, выход которого подключен к входу элемента НЕ, выход которого подключен к первым входам n элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, вторые входы которых подключены к выходам соответствующих разрядов генератора функций Уолша, вход управления которого подключен к выходу переполнения второго счетчика, выходы элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ являются выходами цифрового функционального генератора [2] Однако двумерные сигналы, формируемые этим цифровым функциональным генератором, обладают плохими корреляционными свойствами, поскольку амплитуды боковых пиков автокорреляционных функций этих сигналов велики, что приводит к низкой помехоустойчивости формируемых сигналов.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости формируемых сигналов путем улучшения их корреляционных свойств посредством уменьшения амплитуды боковых пиков автокорреляционных функций этих сигналов.

Цель достигается тем, что цифровой функциональный генератор, содержащий два счетчика, элемент ИЛИ, элемент задержки, генератор функций Уолша, регистр сдвига, блок памяти, элемент НЕ и группу элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, причем вход управления записью генератора подключен к первому входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу записи регистра сдвига, вход синхронизации которого и счетный вход первого счетчика подключены к тактовому входу генератора, выход переполнения первого счетчика подключен к счетному входу второго счетчика и через элемент задержки к второму входу элемента ИЛИ, выход второго счетчика подключен к адресному входу блока памяти, выход которого подключен к информационному входу регистра сдвига, выход элемента НЕ подключен к первым входам n элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, вторые входы которых подключены к выходам соответствующих разрядов генератора функций Уолша, вход управления которого подключен к выходу переполнения второго счетчика, выходы n элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ являются выходами цифрового функционального генератора, введены дополнительно два делителя частоты, ключ и сумматор по модулю два. При этом входы делителей частоты подключены к тактовому входу генератора, выход первого делителя частоты подключен к информационному входу ключа, выход второго делителя частоты подключен к управляющему входу ключа, выход ключа подключен к первому входу сумматора по модулю два, второй вход сумматора по модулю два подключен к выходу регистра сдвига, выход сумматора по модулю два подключен к входу элемента НЕ.

Это приводит к повышению помехоустойчивости формируемых сигналов путем улучшения из корреляционных свойств посредством уменьшения амплитуды боковых пиков автокорреляционных функций этих сигналов.

На фиг.1 изображена структурная схема цифрового функционального генератора; на фиг.2 первые шестнадцать дискретных ортогональных функций; на фиг.3 автокорреляционные функции сигналов, формируемые прототипом (для pазмеpности N=4); на фиг.4 автокорреляционные функции сигналов, формируемые предлагаемым генератором (для размерности N4).

Цифровой функциональный генератор содержит первый и второй счетчики 1 и 2, элемент ИЛИ 3, элемент задержки 4, генератор функций Уолша 5, регистр сдвига 6, блок памяти 7, элемент НЕ 8, группу элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9, первый и второй управляющие входы 10 и 11 генератора, первый делитель частоты 12, второй делитель частоты 13, ключ 14, сумматор по модулю два 15.

Вход управления записью генератора подключен к первому входу элемента ИЛИ 3, выход которого подключен к входу записи регистра сдвига 6. Вход синхронизации регистра сдвига 6 и счетный вход счетчика 1 подключен к тактовому входу генератора 11, а также к входам делителей частоты 12 и 13. Выходы переполнения счетчика 1 подключен к счетному входу счетчика 2 и через элемент задержки 4 к второму входу элемента ИЛИ 3. Выход счетчика 2 подключен к адресному входу блока памяти 7, выход которого подключен к информационному входу регистра сдвига 6. Выход делителя частоты 12 подключен к информационному входу ключа 14, а выход делителя частоты 12 подключен к информационному входу ключа 14, а выход делителя частоты 13 подключен к управляющему входу ключа 14, выход которого подключен к первому входу сумматора по модулю два 15. Второй вход сумматора 15 подключен к выходу регистра сдвига 6. Выход сумматора 15 подключен к входу элемента НЕ 8, выход которого подключен к первым входам n элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9, вторые входы которых подключены к выходам соответствующих разрядов генератора функций Уолша 5, вход управления которого подключен к выходу переполнения счетчика 2. Выходы n элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9 являются выходами цифрового функционального генератора.

Цифровой функциональный генератор работает следующим образом.

В исходный момент на выходах генератора 5 сформирована функция Wal (O, y), которая для N 4 равна Счетчики 1 и 2 находятся в состоянии "0", а делитель частоты 12, имеющий коэффициент деления 2, и делитель частоты 13, имеющий коэффициент деления 2, и делитель частоты 13, имеющий коэффициент деления 2^N-1, находятся в исходном состоянии.

Так как счетчики 1 и 2 находятся в состоянии "0", то из блока 7 выбирается записанная по нулевому адресу функция Wal (O,x), значение которой имеет вид [1 1 1 1] которая записывается в регистр сдвига 6 импульсом записи, поступающим с входа 10 через элемент ИЛИ 3. В результате на выходе регистра 6 сдвига появляется первое значение "1" функции Wal(O,x). С поступлением на вход тактовых импульсов 11 в течение первых N/2 тактов работы генератора на выходе делителя частоты 13 формируется "0" (коэффициент деления 2^N-1), в результате чего в течение первого полупериода формирования функции Wal(O,x) оказывается на выходе сумматора по модулю два 15 без изменения.

В течение последующих N/2 тактов работы генератора на выходе делителя частоты13 сформируется "1", в результате чего в течение второго полупериода формирования функции Wal(O,x) ключ 14 оказывается открытым. На выходе ключа 14 появляются импульсы с выхода делителя частоты 12 (коэффициент деления 2), соответствующие четным элементам функции Wal(O,x), поступающие на первый вход сумматора по модулю два 15. Таким образом, четные элементы второго полупериода функции Wal(O,x), поступающей на второй вход сумматора по модулю два 15, оказываются инвертированными.

Вследствие этого на выходе сумматора по модулю два 15 в течение N тактов работы будет сформирован сигнал Z (O,x): [1 1 1 -1] Итак, в течение первого такта работы на выходе сумматора по модулю два появляется первое значение "1" функции Z(O,x), которое инвертируется в сигнал "0" элементом НЕ 8 и подается на вторые входы группы n элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9. На выходах элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9 получается первый столбец функции Z (О,О,х.y) При поступлении остальных тактовых импульсов на вход 11, производящих последовательный сдвиг на выход регистра 6 значений записанной в него функции, подсчет импульсов осуществляется счетчиком 1. В результате на выходах элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9 ранее описанным образом последовательно формируются остальные N-1 столбцов, а функция Z (О,О,х,y) имеет вид

Одновременно происходит переполнение счетчика 1, на выходе которого появляется импульс переполнения. Этот импульс записывается в счетчик 2, а новое содержимое счетчика 2, поступающее на адресные входы блока 7, осуществляют выборку из него функции Wal(1,x), значение которой имеет вид
[1 1 -1 -1]
В результате поступления импульса переполнения с выхода счетчика 1 на элемент задержки 4 и элемент ИЛИ 3 в регистр сдвига 6 записывается функция Wal(1, x). Задеpжка на элементе 4 необходима для того, чтобы процесс дешифрации адреса и выборки из блока 7 очередной функции Уолша происходил раньше, чем осуществится запись функции Wal в регистр 6.

В результате последовательного прохождения этих символов через сумматор по модулю два 15, на первый вход которого в течение второго полупериода поступают импульсы, соответствующие нечетным элементам функции Wal(1,x), на выходе сумматора по модулю два 15 будет сформирована функция Z(1,x):
[1 1 -1 1]
Описанный процесс формирования столбцов повторяется, при этом генерируется функция Z (1,0,x,y) (см.фиг.2). Аналогичным образом генерируются остальные функции Z (k,0,x,y).

Как только окончится процесс генерирования столбцов для функции Z, формируемой из последней функции Уолша-Качмажа, записанной в блок памяти 7, счетчик 2 обнуляется, а на его выходе появляется импульс переполнения, который поступает в генератор 5 и вызывает появление на его выходах очередной функции Уолша Wal(1,y)

При этом из блока 7 опять выбирается функция Wal(0,x), которая записывается в регистр 6 импульсом переполнения счетчика 1 (через элементы 4 и 3), и преобразовывается с помощью делителей частоты 12 и 13, ключа 14 и сумматора по модулю два 15 в функцию Z(0,х).

Далее осуществляется формирование функции Z(k,1,x,y).

Аналогично формируются все N² функций Z(k,m,x,y). Необходимо подчеркнуть, что кронекеровское произведение осуществляется элементом НЕ 8 и группой элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9.

Система двумерных функций Уолша определяется следующим образом:
Wal (k,m,x,y) Wal (k,x) x Wal (m,y), (1) где Wal (k,x) вектор-строка;
Wal (m,y) вектор-столбец;
* кронекеровское произведение функций.

Рассмотрим пример получения функции Wal (3,2,x, y):
a2x a,)l,
(2)
Аналогичным образом можно построить любую двумерную функцию Уолша. Для размерности N получаем N² матриц вида (2) [2]
Таким образом, двумерные функции Уолша состоят из прямых или инвертированных одномерных функций Уолша. Число различных одномерных функций Уолша для размерности N равно 2N.

Известно, что автокорреляционная функция сигнала s(t) определяется выражением
R(q) S(t)S(t-q)dt
(3) где q величина временного сдвига сигнала.

Из выражения (1) видно, что R(q) характеризует степень связи (корреляции) сигнала S(t) с его копией, сдвинутой на величину q по оси времени. Ясно, что функция R(q) достигает максимума при q 0, так как любой сигнал полностью коррелирован с самим собой. При этом
R(O) S²(t)dt E
(4) т.е. максимальное значение автокорреляционной функции равно энергии сигнала (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М: Советское радио, 1971, с.68).

Для случая сигналов, пронормированных по энергии с учетом Е=1, автокорреляционная функция состоит из центрального пика с амплитудой 1, размещенного на интервале (-q,q) и боковых пиков, распределенных на интервалах (-Т, -q) и (q,T). Амплитуды боковых пиков принимают различные значения, но у сигналов с хорошими корреляционными свойствами они малы, т.е. существенно меньше амплитуды центрального пика, равной 1 (см. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М. Радио и связь, 1985, с.30). Сигналы, обладающие меньшими по амплитуде боковыми пиками АКАФ, являются более помехоустойчивыми.

Корреляционные свойства одномерного сигнала, входящего в состав двумерного сигнала, характеризует показатель различимости (ПР), определяемый как разность значений функции автокорреляции, соответствующих основному и максимальному боковому пикам. Очевидно, чем больше ПР, тем лучше сигнал (см. Диксон Р. К. Широкополосные системы. М. Связь, 1979, с.85, а также 66, рис. 3.11).

Расчеты автокорреляционных функций сигналов, являющихся строками матриц, описывающих двумерные функции Уолша, формируемые прототипом, показывают, что они имеют большие боковые пики, что приводит к низкой помехоустойчивости формируемых сигналов.

С использованием ЭЦВМ была синтезирована система двумерных функций Z (k, m,x,y), формируемая предлагаемым генератором, имеющая значительно лучше автокорреляционные функции и показатели различимости (ПР), повышающие помехоустойчивость формируемых сигналов.

Система двумерных дискретных ортогональных функций, формируемых предлагаемым генератором, определяется следующим образом:
Z(k,m,x,y) Z(k,x) * Wal(m,y), (5) где Z(k,x) вектор-строка;
Wal(m,y) вектор-столбец;
* кронекеровское произведение функций.

Одномерная функция Wal(m, y) представляет собой обычную функцию Уолша. Одномерная функция Z(k,x) формируется из функции Wal(k,x) по определенному правилу таким образом, чтобы функция Z(k,x) имела существенно улучшенную автокорреляционную функцию, чем функция Wal(k,x). Это правило заключается в том, что в функции Wal(k,x) осуществляется инвертирование четных элементов второй половины периода.

Например, для N=4 система функций Уолша имеет вид
(6)
После инвертирования четных элементов второй половины периода получим новую систему ортогональных функций
(7)
Рассмотрим пример получения двумерной функции Z (3,2,x,y)
(xy (,Wly=
(8)
Для размерности N получаем N² матриц вида (8). Для сигналов, являющихся строками матриц, описывающих двумерные функции Уолша, формируемые прототипом, и сигналов, являющихся строками матриц, описывающих двумерные функции, формируемые предлагаемым генератором, были рассчитаны автокорреляционные функции и показатели различимости (ПР).

Результаты расчетов представлены в таблице.

Предлагаемый цифровой функциональный генератор формирует сигналы, у которых показатель различимости (ПР) больше, чем у сигналов, формируемых прототипом на 75% для любой размерности N функций (см.таблицу, а также фиг.3 и 4).

В силу симметрии графиков автокорреляционных функций сигналов относительно оси ординат на фиг.3 и 4 представлены правые части графиков.

На фиг.2 знаками "+" и "-" показаны соответственно значения "+1" и "-1" функции Z(k,m,x,y), а сама функция находится на пересечении столбца, определяемого функцией Z(k,x), и строки, определяемой функцией W (m,y).

В блоке 7 (ПЗУ), как и в прототипе [2] последовательно записаны функции Уолша-Качмажа. При этом значению "+1" функции соответствует сигнал "1", а значению функции "-1" сигнал "0" на выходах ПЗУ.

Использование изобретения позволяет создавать генераторное оборудование для обработки двумерных сигналов и изображений, которое формирует сигналы, обладающие улучшенными корреляционными свойствами, поскольку автокорреляционные функции сигналов, являющихся строками матриц, описывающих двумерные функции, имеют малые амплитуды боковых пиков, что приводит к высокой помехоустойчивости формируемых сигналов.

Формула изобретения

ЦИФРОВОЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий два счетчика, элемент ИЛИ, элемент задержки, генератор функций Уолша, регистр сдвига, блок памяти, элемент НЕ и группу элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, причем вход управления записью генератора подключен к первому входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу записи регистра сдвига, вход синхронизации которого и счетный вход первого счетчика подключены к тактовому входу генератора, выход переполнения первого счетчика подключен к счетному входу второго счетчика и через элемент задержки к второму входу элемента ИЛИ, выход второго счетчика подключен к адресному входу блока памяти, выход которого подключен к информационному входу регистра сдвига, выход элемента НЕ подключен к первым входам элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ группы, вторые входы которых подключены к выходам соответствующих разрядов генератора функций Уолша, вход управления которого подключен к выходу переполнения второго счетчика, выходы элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ группы являются выходами цифрового функционального генератора, отличающийся тем, что в него введены два делителя частоты, ключ и сумматор по модулю два, причем входы делителей частоты подключены к тактовому входу генератора, выход первого делителя частоты подключен к информационному входу ключа, выход второго делителя частоты подключен к управляющему входу ключа, выход которого подключен к первому входу сумматора по модулю два, второй вход которого подключен к выходу регистра сдвига, а выход к входу элемента НЕ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5