Анализатор спектра

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«

G01 R 23/00

G 06 F 15/36

Гасударственный комитет

СССР по делам изооретений н открытий (53) УДК 681.323 (088.8) Опубликовано 25.06.79. Бюллетень № 23

Дата опубликования описания 05.07.79 (72) Автор изобретения

Ю. Л. Иваськив

Ордена Ленина институт кибернетики АН Украинской CCP (71 ) Заявитель (54) АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА ;»1

Изобретение относится к вычислительной технике и может использоваться для анализа спектра случайных сигналов.

Известно устройство для определения спектральной плотности с использованием знакового преобразования, содержащее знаковые нелинейные блоки, генераторы ортогональных прямоугольных функций, генератор треугольного сип<аlа, квадраторы, интеграторы и сумматор (1).

Однако такое устройство служит для анализа только нормальных процессов.

Б тех случаях, когда к устройствам анализа спектра предъявляются olfoöèàëüíûå треоования Ifo точности при ограничениях на их гаоариты, сложность, а также дополнитсг<ьн!.»е требования, диктуемые применяемой технологией изготовления, используют методы анализа спектра, ocffof33IIIII>IE на дискретном представлении перерабатываемых

» и! H3, 10»3. Дискретнь<й а на,1из спектра сл >чаHIIыx сllгна,1ов можст I<роизВОJитьсH с по— мо<ць»о методов цифр<3»3ой фильтрации либо посре.fc1 !fox! дискретного преобразования

Фурье (ДПФ). Предлагаемый анализатор

«

Анализаторы спектра, в которых используется ДПФ, строятся на основе устройства, вычисляющего корреляционную функц<<ю анализируемого сигнала, и цифрового усгройства, реализующего собственно дискр» тное преобразование Фурье.

С целью экономии вычислений и упроп.ения анализаторов спектра на практике применяют некоторые искусственные приемы

ДПФ и специализированные устройства, рс»вЂ” .1изую<цие преобразования такого типа. К числу таких устройств относятся приборы, в которых реализуются быстрые преобразования Фурье (БПФ).

Известен анализатор спектра, в котором

ДПФ выполняется на основе устройства, реализующего алгоритм БПФ (2). Это устройство содержит регистр числа, квантователь сигнала, первый вход которого является входом анализатора. а выход подключеH

20 к первым входам блоков умножения знаков сигналов, вторые входы которых подк,<3юч»ны к соответствующим выходам блока задержки, вход которого соединен с выходом квантователя, блок управления, четыре выхо669295 да которого соответственно подключены к управляющим входам квантователя, счетчика адресов, постоянного запоминающего устройства и к первому входу арифметического блока, второй вход которого соединен с выходом постоянного запоминающего устройства, выходы блоков умножения знаков сигналов подключены к входам соответствуюгцих счетчиков, каждый разрядный вход которых соединен с выходом соответствующего элемента И записи, а каждый разрядный выход счетчика подключен к первому входу соответствующего элемента И считывания, вторые входы элементов И считывания и первые входы элементов И записи подключены к соответствующему выходу дешифратора, соответствующему номеру счетчика, входы дешифратора соединены с соответствующими выходами счетчика адресов, выходы эле— ментов И считывания каждого счетчика объединены и подключены к соответствующему входу элемента ИЛИ.

Однако такие анализаторы отличаются сложностью и значительным расходом оборудования.

Целью изобретения является упрощение анализатора спектра.

В качестве оперативной памяти устройства БПФ в анализаторе спектра используют канальные счетчики коррелятора. В этом случае все время анализа может быть разделено на два этапа. В течение одного из них (составляющего большую часть общего времени) счетчики работают как на- ЗО копители коррелятора, в течение другого (при вычислении спектра) счетчики используются в качестве оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) для хранения промежуточных и конечного результатов реа35 лизации алгоритма БПФ. Поскольку вторая часть времени оказывается существенно меньшей, чем та, в течение которой канальные счетчики работают в качестве накопителей, то быстродействие анализатора спектра в целом практически не уменьшается. 40

Однако можно отказаться от использования в анализаторе специального блока в ОЗУ, и, таким образом, уменьшить затраты оборудования и упростить схему анализатора.

В предлагаемый анализатор спектра до- 45 полнительно введены четыре элемента И и коммутаторы записи и считывания, входы которых подключены соответственно к четвертому и пятому выходам блока управления, выходы коммутатора записи соединены соответственно с первыми входами первого и второго элементов И, второй вход первого элемента И подключен к выходу арифметического блока, а второй вход второго элемента И подключен к выходу элемента ИЛИ, выходы первого и второго элементов И соединены соответственно с первыми и вторыми входами разрядов регистра числа, выходы которого объединены и подключены к первым входам третьего и четвертого элементов И, вторые входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам коммутатора считывания, выход третьего элемента И соединен со вторыми входами элементов И записи, а выход четвертого элемента И подключен к третьему входу арифметического блока.

На чертеже дана структурная схема описываемого анализатора спектра.

Он содержит квантователь 1 входного сигнала анализатора, блок задержки 2, элементы 3, 4 и 5 блока задержки, блоки умножения знаковых сигналов (БУЗС) 6 — 9, входную шину 10 квантователя 1 входного сигнала анализатора, выходную шину 11 квантователя 1 входного сигнала анализатора, выходную шину 12 линии задержки 4, входные шины 13 и 14 БУЗС, выходную шину 15 БУЗС. Устройство имеет также счетчики 16 в 19, разряды 20 — 23 счетчика 18, элементы И 24 — 27 записи соответствующих разрядов счетчика 18, управляющие входы

28 — 31 элементов И 24 — 27 соответственно, выходы 32 — 35 соответственно разрядов 20

23 счетчика 18, элементы И считывания 36—

39 соответственно разрядов 20 — 23 счетчика

18, шины записи 40 — 43 информации в счетчики 16 — 19 соответственно, выходные шины

44 — 47 канальных счетчиков 16 — 19 соответственно, элемент ИЛИ 48, выходную шину

49 элемента ИЛИ 48, элемент И 50, регистр

51 числа, шину записи 52 в регистр 51 информации, считанной из канальных счетчиков, шину считывания 53 информации из регистра 51, элемент И 54, выходную шину 55 элемента И, счетчик адресов 56. дешифратор 57, выходные шины 58 — 61 дешифратора 57, выходные шины 62 — 65 счетчика адресов 56. Кроме того, устройство содержит постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 66, арифметический блок (АБ), 67, блок управления (БУ) 68, коммутатор

69 записи информации в регистр 51, шину

70 связи ПЗУ 66 и АБ 67, шину 71 выдачи числовой информации из АБ 67, элемент

И 72, шину 73 записи в регистр 51 информации, считанной из АБ 67, шину 74 записи числовой информации в АБ 67, элемент

И 75, шину 76 связи БУ 68 и коммутатора записи 69, выходную шину 77 коммутатора

69 записи, по которой поступают сигналы управления перезаписью числа в регистр 51 из канальных счетчиков, выходную шину

78 коммутатора 69, по которой поступают сигналы управления перезаписью числа в регистр 51 числа из АБ, коммутатор 79 считывания числа из регистра 51, шину 80 связи БУ 68 и коммутатора 79, шину 81, по которой управляющие сигналы из БУ

68 поступают на элемент И 75, шину 82, rto которой управляющие сигналы из БУ

68 поступают на элемент И 54, шину 83 связи БУ 68 и счетчика 56, шину 84 связи

669295

ЬУ 68 и квантователя 1 входных сигналов анализатора спектра, шину 85 связи БУ

68 и Г!ЗУ 66, шину 86 связи БУ 68 и АБ 67.

В анализаторе спектра регистр 51 предназначен для хранения числа, считываемого с канального счетчика либо записываемого в него.

Анализатор спектра работает следующим образом.

Общий процесс переработки информации в анализаторе подразделяется на два этапа. На первом этапе вычисляется корреляционная функция входного сигнала. На втором, в соответствии с алгоритмом БПФ, вычисляется энергетический спектр этого сигнала. Корреляционная функция вычисляется с помощью блока задержки 2, включающего элементы 3, 4 и 5, БУЗС 6 — 9 и канальных счетчиков 16 — 19. Энергетический спектр вычисляется на основе ПЗУ 66, ЛБ

67, БУ 68, коммутатора 69 записи, канальных счетчиков 16 — 19, регистра 51 числа, счетчика 56 и дешифратора 57.

Вычисление корреляционной функции на первом этапе осуществляется следующим образом.

Входной сигнал анализатора по шине

10 поступает на квантователь 1. Не уменьшая общности рассмотрения, будем для определенности считать, что коррелятор анализатора работает ilo знаковому принципу.

В этом случае квантователь осуществляет временную дискретизацию входного сигнала с шагом At и глубокое двустороннее ограничение, в результате чего на выходной .шине 11 квантователя получается случайная последовательность импульсов. Рассмотрим работу некоторого i-го канала коррелятора. Каждый из элементов 3, 4 и 5 блока задержки 2 задерживает входной сигнал на время Л E. Поэтому на выходе эле. мента задержки с номером i (пусть на чертеже это будет элемент задержки 4) слу— чайная последовательность импульсов оказывается задержанной на время 157. Э а последовательность поступает на входную шину 14 блока 8. На другую входную шину

l3 этого блока поступает последовательность случайных сигналов непосредственно с выходной шины 11 квантователя 1. На выходе !

5 блока 8 формируется сигнал, пропорциональный произведению знаков прямого и задержанного сигналов, который поступает в счетчик 18, выполняюгций функцию интегрирования и отвечающий каналу коррялятора с номером i Число, накопленное в счетчике, соответствует опенке i ординаты корреляционной функции.

После заполнения канальных счетчиков режим вычисления корреляционной функции входного сигнала заканчивается. Начинается второй этап работы анализатора, непосредсгвенно связанный с вычислением энергетического спектра входного сигнала на

1о

1S

2о

11 зо

35 во

so

6 основе алгоритма БГ1Ф. Особенностьк> второго этапа является то, что каиальныс сч Tчики при реализации алгоритма БПФ уже используются как блоки оперативной памяти. В соответствии с этим режимом управляюгций сигнал, поступающий на квантователь 1 по шине 84 из БУ 68, отключает этот квантовател ь. Из БУ по шина м 76, 82, 81, 86, 85 и 83 поступают сигналы, синхронизирую цие работу соответственно коммутатора 69, элементов И 54, 75, ЛБ 67, ПЗУ 66, счетчика адресов 56. Ллгоритii БПФ на основе указанных узлов реализуется известным способом. Числа, представляющие значения коэффициентов ряда Фурье, подсчитвнных в результате реализации алгоритма

БПФ, накапливаются в канальных счетчиках.

При реализации алгоритма БГ1Ф информация из канальных счетчиков считывается в АБ 67 следующим образом.

В соответстствии с сигналами, поступак щими из БУ 68 по шине 83, устанавливаются требуемые состояния счетчика 56. Под действием сигнала, поступающего из БУ 68 по шине 76 на коммутатор 69, этот коммутатор устанавливается в такое -îñòîÿíèå,,при котором управляющий сигнал появляется на его выходной шине 77. Управляющий сигнал открывает элемент И 50. Состояния счетчика 56 дешифрируются дешифратором

57. Под действием выходных сигHd. ов дешифратора 57, появляющихся на его выходных шинах 58 — 61, канальные счетчики 1619 поочередно подключаются своими вы. :пдами через элемент И 50 к соотвстстг..югцим входам 52 регHcTp3 51. В ча ; iiocTli, в том случае, когда счетчик 56 находится в состоянии с номером, в деILèôðàòoðå:i появляется выходной сигнал на шине 60.

Этот сигнал поступает на управляющие входы элементов И 24- — 27 и 36 — 39. В режиме считывания информации из ЛБ элемент И 54 заперт управляющим сигналом. поступаюгцим из коммутатора 79 по шине 82.

На информационные входы 28 — 31 э1ементов 24 — 27 по шине 42 в этом режиме информация не поступает, Зато обеспечи;,i тся условия считывания информации из канального счетчика !8. При считывании иi!формация из соответствующих разрядoB счетчика по шинан32 — 35 постугает на входы элементов 36 — 39 соответственно. С выходов этих схем по шине 46 эта информация поступает на элемент ИЛИ 48, выход ксT0рого посредством шины 49 подсоединен к входу элемента И 50. Поскольку элемент

И 50 в режиме считывания информации из

ЛБ открыт (сигналом из коммутагора 69, поступающим по шине 77), происходит перезапись содержимого из счетчика 18 в регистр 51. Из регистра 51 под действием vi:равляюшего сигнала, поступающего из коммутатора 69 на элемент Й 75 по шине 81, 669295

7 выполняется считывание информации из регистра 5! в АБ 67 (по шине 74!.

Перезапись информации из АБ в канальные счетчики выполняется так. Под действием сигнала, поступающего из БУ по ши1н

76, коммутатор 69 устанавливается в такос

S состояние, при котором управляющий сигнал появляется на его выходной шине 78.

Этот сигнал открывает элемент И 72. Требуемое слово из АБ 67 по шине 7! переписывается в регистр 5!. Сигналом, поступающим из БУ по шине 83, устанавливается р в требуемое состояние счетчик 56. Его с<>стояния дешифрируются дешифратором 57.

В результате оказывается подключенным к выходу элемента И 54 тот канальный счстчик, в который должно быть переписано слово из регистра 51. Перезапись выполняется под действием управляющего сигнала, поступающего по шине 82 из коммутатора

79 и открываю1цего элемент И 54.

Таким образом, благодаря примеHPIIHIo счетчиков коррелятора в качестве оперативной памяти удается значительно упростить анализатор спектра.

Фор 11ула изобретения

Анализатор спектра, содержащий регистр числа, квантователь сигнала, первый вход которого является входом анализагора, а выход подключен к первь1м вх1) I;3 1 блоков ум11ожсния знаков сигналов, вторые 30 входы которых подключены к соответстB) к)щнм выходам блока задержки, вход когорого соединен с выходом квантователя, блок управления, четыре выхода которого соответственно подключены к управляющим вхо3S дам квацтователя, счетчика адресов, г1остоянного запомина)ощего устройства и к первому входу арифметического блока, второй вход которого соединен с выходом постоянного запоминающего устроиства, выхс)ды блоков умножения знаков сигна10B подклю- 4р чены к входам соответствуюших счетчиков, каждый разрядный вход которых соединен с выходом соответствующего элемента И записи, а каждый разрядный выход счетчика подключен к первому входу соответствуюгцего элемента И считывания, вторые входы элементов И считывания и первые входы элементов И записи подключены к соответствуюгцему выходу дешифратора, входы дешифратора соединены с соответствующими выходами счетчика адресов, выходы элементов И считывания каждого счетшка объединены и подключены к соответству)ощему входу элемента ИЛ И, отличающийся тем, что, с целью упрогцения. в него дополнительно введены четыре элс мснта

И и коммутаторы записи и считывания, входы которых подключены соответственно к четвертому и пятому выходам блока управления, выходы коммутатора записи соединены соответственно с первыми входами первого и второго элементов И, второй вход

IIc ðâîãо элемента И подключен к выход; арифметического блока, а второй вход второго элемента И подключен к выходу элемента ИЛИ, выходы первого и второго элементов И соединены соответственно с пер выми и вторыми входами разрядов регистра числа, выходы которого объединены и подключены к первым входам третьего и четвертого элементов И, вторые входы коo()BID подключены соответcTBBIIIII) к первомх и Вторс)м) выходам коммътатор;3 o÷BT. ilнация, BhlxoJ третьего элемента И соединен сo вторыми входами элементов И занис и, а

BI.lxo3 четвертого элемента И 1н)дключеп к трс тьему входу арифметического блока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе !. Мирский Г. Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов.

М., <Энергия>, !972, с. 276.

2. Патент CIIJA Xo 3808412, кл 324 !)8, ! 970.

669295

Составитель В. Жовинский

Редактор Т. Фадеева Техред О. Луговая Корректор Е. Папп

Заказ 3653 37 Тираж 1089 Подписное

ЦН ИИ ПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, )К вЂ” 35, Раушская наб., д. 4(5

Филиал П П П к Патент>, г. Ужгород, ул. Проектная, 4