Анализатор дискретного спектра

 

О Л-И - - С вЂ” -А-"Ю" И Е

ИЗОБРЕТЕ Н ИЯ

Союз Советски к

Социалистических

Республик

<,731391

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6l ) Дополнительное к аят. свид-ву (22) Зая влено 01.11.77 (21) 2538413/18-24 (5 i у М. Кл.

G 01 R 23/00 с присоединением заявки Ж—

Государстеенный комнтет (28) Приоритет—

Опубликовано 30.04.80. Бюллетень ¹ 1" (53) УДК 681.323 (088.8) по делам нэобретеннй н открытий

З,ата опубликования описания 30.04.80 (72) Автор изобретения

В. И. Якименко (7!) Заявитель (54) АНАЛИЗАТОР ДИСКРЕТНОГО

СПЕКТРА

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники, предназначенным для исследования случайных электрических сигналов, например в акустике. технической и медицинской диагностике и др.

Современные научные и технические экспе5 рименты, в которых информация об объекте получается при обработке электрических сиг- налов случайного характера, часто требуют сочетания широкого диапазона частот анализа—

10 ряда 100 — 500 ортогональных составляющих, точности работы аппаратуры, при ее конструктивной компактности и логической простоте структуры.

Известен беэреэонансный анализатор спектра, содержащий последовательно соединенные преобразователь напряжение- частота, умножитель частоты, ключ и счетчик. На второй вход умножителя частоты от генератора подаются импульсы с синусным законом изменения их частоты, а счетчик и ключ управляются формирователем периода исследуемого сигнала fl).

Недостаток такого анализатора — увеличение погрешностей вычислений спектра при расширении диапазона частот анализа, что определяется трудностями генерирования ряда импульсных последовательностей при соблюдении условия синусного закона изменения частот импульсов в каждой из этих последовательностей.

Ю

Необходимость упрощения процедуры вычисления спектра и требований к блокам ant паратуры способствовали разработке анализаторов аналого-цифрового типа, выполняющих математические операции в дискретных устройствах с активным (управляемым) и пассивным принципом действия. К такой аппаратуре относится многоканальный анализатор спектра, являющийся наиболее близким,к предлагаемому анализатору, содержащий квантователь, первый вход которого является входом анализатора, второй вход квантователя соединен с первым выходом блока управления, а выход соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого соеди. нен со входом анализатора, а выход через

731391

3 блок стробирования подключен ко входу коммутатора, выходы которого соединены с соответствующими входами накопителя ординат корреляционной функции, выходы которого соединены с информационными входами соответствующих ключей первой группы, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам первого регистра опросами).

Существенными недостатками указанного многоканального анализатора являются ограниченные значения нижних частот анализа (or единиц Гц и выше) из-эа использования многоканальных сумматоров, которые могут быт4 только аналогового типа, что приводит к существенным токам утечки прй-больших длительностях реализаций сигнала; громоздкость аппаратуры при большом количестве вычисля- . емых ординат спектра, так как каждый масштабный блок содержит ряд из М-пассивных аппроксимирующих элементов (один ряд аппроксимирует одну базисную функцию), вследствие чего общее количество аппроксимирующих элементов равно М = 2000 — !0000 штук, что уменьшает и экономическую эффективность аппаратуры; небольшой диапазон частоты анализа, так как при М > 30 — 50 начинают проявляться взаимные влияния сигналов в каналах, что уменьшает точность вычисления ординат спектра.

Цель изобретения — расширение диапазона частот анализа исследуемых сигналов при миниатюризации аппаратуры вычисления спектра., Поставленная цель достигается тем, что в анализатор дополнительно введены три регистра опроса, три группы ключей, делители напряжения, преобразователь напряжение-код, накопитель ординат спектра и формирователь импульсных последовательностей, соответствующие выходы которого соединены с управляющими входами регистров опроса и преобразователя напряжение-код с инвертором знака, информационный вход которого соединен с выходом делителей напряжения, входы которых соединены с выходами соответствующих ключей второй группы, входы которых объединены и подключены к объединенному выходу ключей первой группы, управляющие входы ключей второй группы соединены с соответствующими выходами второго регистра опроса, управляющие входы ключей третьей и четвертой группы подключены к соответствующим выходам соответственно третьего и четвертого регистра опроса, информационные входы ключей третьей группы объединены и подключены к выходу преобразователя напряжение-код с инвертором знака. а их выходы соединены с соответствующими входами накопителя ординат спектра, выходы которого соединены с информационными вхо5 !

О !

ЗО

$0

4 дами соответствующих ключей четвертой группы, выходы которых объединены и являются выходом анализатора, а управляющий вход формирователя импульсных последовательностей подключен ко второму выходу блока управления.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого анализатора дискретного спектра; на фнг. 2 — временная диаграмма.

Анализатор дискретного спектра содержит последовательно соединенные квантователь 1, блок 2 умножения, блок 3 стробнрования, первый распределительный коммутатор 4, Йканальный накопитель 5 ординат корреляцион- . ной функции, коммутатор вывода с ключами б и регистром 7 опроса, второй распределительный коммутатор с регистром 8 опроса, ключами 9 и одним рядом делителей напряжения

10, 1О, 1О(„„,), выходной преобразователь

11 напряжение-код, третий распределительный коммутатор с регистром 12 опроса и ключами

13, накопитель 14 ординат спектра; коммутатор вывода с ключами 15 и регистром 16 опроса, при этом каждый ключ 9 второго распределительного коммутатора соединен с одним аппроксимирующим цементом 10к, значение которого равно значению выборки базисной функции на четверти периода разложения сигнала, а управляющие входы ключей каждого коммутатора соединены с выходами соответствующих регистров 7, 8, 12 и 16 опроса, входы которых, и управляющий вход выходного преобразователя 11 с инвертором знака, подключены к соответствующим выходам формирователя 17 импульсных последовательностей, соединенного входом с выходом устройства управления 18.

Анализатор дискретного спектра, осуществляющий измерение спектра через Фурье-преобразование корреляционной функции, работает следующим образом.

Перед началом работы все устройства анализатора установлены в исходное состояние, ключи 6, 9 и 13 распределительных коммутаторов, и ключ 15 коммутатора вывода- — разомкнуты; при этом коэффициент передачи выходного преобразователя 11 с инвертором знака — установлен равным Ki =- +1, Измерение спектра производится в два этапа.

На первом этапе из входного исследуемого сигнала Х(т) формируется корреляционная функция C .т, представленная N-ординатами (m = О, 1, 2, „N — 1). Для этого входной сигнал. поступает через квантователь и блок

2 умножения на блок стробирования. Период стробирования определяет дискретность (шаг аргумента) корреляционной функции, а число

I тактов стробирования за олин цикл опрелеля73139 где G

fl

5 ет количество ординат корреляционной функции.

Дискреты с амплитудами, пропорциональными произведениям текущего значения сигнала на задержанный, распределяются коммутатором 4 в соответствующие ячейки накопителя 5 корреляционной функции (фиг. 2а).

Таким образом, введение накопителя 5 в анализатор позволяет в явном виде иметь информацию о временных связях сигнала и су- 10 щественно упростить устройства, предназначенные непосредственно для измерений спектра.

Второй этап обработки состоит непосредственно в измерении спектра, для чего осуществляется последовательность математических опе- 15 раций. составляющих дискретное преобразование

Фурье. Использование второго распределительного коммутатора лишь с одним рядом делителей 10к напряжения (например резисторов

Р, значения которых пропорциональны значе- 20 ниям выборок базисной функции — см фиг. 2е), позволяет в 5 — 10 раз расширить диапазон частот анализа благодаря изменяющейся от цикла к циклу кратности частот управляющих импульсов, подаваемых на регистр 9 опроса по отношению к частотам управляющих импульсов подаваемых на регистр 7 опроса.

Используя свойство равенства выборок крат ных частот базисных функций С» = Сн» при помощи одного ряда аппроксимирующих ЗО элементов 12 формируется система из N >100—

200 базисных функций.

Вычисление дискретного преобразования

Фурье для 0 ординат спектра осуществляется за 0 циклов (q = 1,2, ..., О) при этом на з5 регистр 7 опроса от формирователя 17 импульсных последовательностей подаются управляющие импульсы (импульсы опроса) постоянной частоты Fl, на регистр 8 опроса — с частотой, различной в каждом q цикле и равной qF,, а на 4Ц регистр 12 опроса — с частотой — Fl, для рас1

f4 пределения выборок, через ключи 13, в определенные ячейки накопителя 14 ординат спект-: ра. 15

Для q = 1 вычисляется первая ордината спектра, что достигается благодаря -синхронному открыванию ключей 6 (от 1 до Й-го) и ключей

9 (от 1 до М-го и от М-го до 1-го, если

М ((N) с частотой Fl; через открытый ключ о

13 1-го канала соответствующего распределительного коммутатора выборки временной функции С, каждая из которых по амплитуде промодулирована соответствующим аппроксимирующим элементом 10, поступают в 1-ую ячейку,накопителя 14 ординат спектра (фиг. 2б); при- чем выходной преобразователь 11 с инвертором знака производит инверсию знака выборок временной функции и преобразует форму этих

6 выборок (например "амплитуда - код" или

"амплитуда -+ количество импульсов") . .что позволяет анализировать инфранизкочастотные сигналы с частотными составляющими до сотых долей Гц с накоплением в компактных счетчиковых структурах.

Для q = 2 вычисляется вторая ордината спектра — Б(1 ), благодаря изменению лишь частоты управления регистром 8 опроса первого распределительного коммутатора (фиг. 2в), т.е. выборки с О, 1, 2, ... (N — 1) каналов накопителя 5, через ключи 6, поступают на входы ключей 9, открываемых регистром 8 опроса в 2 раза чаще, вследствие чего эти выборки проходят через О, 2, 4, ... аппроксимирующие элементы 10 и далее через выходной преобразователь 11 с инвертором знака и второй из ключей 13 во 2-ую ячейку накопителя

14 ординат спектра.

Для q = 0 процедуры производятся аналогично предыдущим циклам, лишь с изменением частоты управляющих импульсов; большая кратность частот управления регистрами опроса

7 и 8 приводит к тому, что выборки временной функции проходят только через первый ключ 9 и нулевой делитель напряжения 10О, \ что соответствует умножению функции С на базисную функцию (напрнмер, Со представленную на фиг. 2е); результат накапливается в

О-ой ячейке накопителя 17.

В итоге после О-циклов преобразование

Фурье в накопителе 14 накапливаются потен:алы, характеризующие действительную и мнимую компоненты дискретного спектра значение проводимости аппроксимирующего элемента с номером, равным произведению (q х m; импульсы опроса; значение частоты первой ординаты спектра; номер полупериода базисной функции, аппроксимируемой при вы-, числении каждой с1-ой ординаты спектра (фиг. 2е);

 — масштабный множитель.

Прн этом для вычисления мнимой компол ненты I S(f) опрос ключей 9 производят в.

lYl обратном порядке по отношению к вычислен нию действительной компоненты Re S(f), т.е. начиная с номеров (М вЂ” 1), (М вЂ” 2), ... н т.д., что соответствует умножению временной функции на sin-функцию.

731391

Таким образом, введение в анализатор второго накопителя с коммутатором вывода, sTopofo распределительного коммутатора (с ключами и лишь одним рядом аппроксимирующих элементов) и последовательно соединенных с ним выходного преобразователя

11 с инвертором знака и третьего распределительного коммутатора, благодаря управлению режимами их работы при помощи дельта-импульсов кратных частот, подаваемых от фор- 10 мироватвля импульсной последовательности, позволяют получить существенный совокупный технико-экономический эффект, Формула изобретения

Анализатор дискретного спектра, содержащий квантователь, первый вход которого является входом анализатора, второй вход кван- 2о тователя соединен с первым выходом блока управления, а выход соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого соединен со входом анализатора, а выход через блок стробирования подключен ко входу коммутаторе, выходы которого соединены с сзо=ветствующими входами наполнителя ордина. корреляционной функции, выходы которого соединены с информационными входами соответствующих ключей первой группы. управля- 30 ющие входы которых подключень. к соответствующим выходам первого регистра опроса, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона, в анализатор, дополнительно введены три регистра опро- 35 са„три группы ключей, делители напряжения, преобразователь напряжение-код,накопитель ординат спектра и формирователь импульсных последовательностей, соответствующие входы которого соединены с управляющими входами регистров опроса и преобразователя напряжениекод, информационный вход кото .его соединен с выходом делителей напряжения, входы которых соединены с выходами соответствующих ключей второй группы, входы которых объединены и подключены к объединенному выходу ключей первой группы, управляющие входы ключей второй группы соединены с соответствующими выходами второго регистра опроса, управляющие входь1 хлк;-"-й третьей и четвертой группы подключены к соответствующим выходам соответствен "o третьего и четвертого регистра опроса,информацио .Hûå входы ключей третьей группы объединена: н подключены к выходу преобразователя напряжение-код, а их выходы соединены с соответствующими входами накопителя ординат спектра, выходы которого соединены с информационными входами соответствуюгцих ключей четвертой группы, выходы которых объедннень1 .: —-.лх iTcB выходом анализатора, а управляющий вход формирователя импульсных последовательностей подключен ко второму выходу блока управления.

Источники информации, принятьге во вниманнсп лри экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР N 453645, кл. 6 01 823/16,,19973.

2. Авторское свидетельство ГССР И 382111, кл. G 06 6 7/S2, 1971 (про о1ип).

731391 о и ь !

04259 56

О 3R3956789

1 I

О 100 20О 300 .

ЦНИИПИ Закаэ 1497/22

Тираж 1019

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4