Анализатор спектра

 

т а А 4s -АЪи и )в,сз)(а

Фззвлк втВД и } ; й, Союз Советскик

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ (и>732759.е

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6() Дополнительное к авт. сеид-ву— (22) Заявлено 221177 (21) 2545534/18-2) с присоединением заявки HP (23) Приоритет

Опубликовано050580. Бюллетень HP 17

Дата опубликования описания 050580 (51)М. Кл.

С 01 и 23/16

Государственный комитет

СССР по дедам изобретений и открытий (53) УДК621. З17.. 757 (088.8) (72) Авторы изобретения

Ю.М. Смирнов, Е.С. Потапов и В.В. Сюэев

Московское ордена Ленина и ордена Трудового Красного

Знамени высшее техническое училище имени Н. Э. Баумана (71) Заявитель (5 4) АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для спектрального анализа непрерывно изменяющихся во времени сигналов. 5

Известен анализатор периодических сигналов, предназначенный для вычислени я спектральных коэффициентов периодических сигналов и содержащий источник сигнала, усилитель мощности,(0 инвертор, фильтр низкой частоты, усилитель-ограничитель, интегратор, фильтр постоянной составляющей, детектор, дифференцирующее устройство, генератор уолша н пканалов,,состоя- (5 щих из последовательно соединенных умножителя, интегратора и регистрирующего устройства (1) .

Недостатками анализатора периодических сигналов являются низкое бы- 20 стродействие, ограниченные функциональные воэможности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению 25 является анализатор с дискретным преобразованием, который содержит и усреднит ей, блок быстрого и;.1еобразов ани я Уолша, коммут ат ор на (n-1 ) выход, и накопительных ячеек (pe= 30 гистров), генератор тактовых импульсов и блок управления, причем информационные входы всех усреднителей объединены и подключены к источнику аналогового анализируемого сигнала.

Первый управл яющий вход первого усреднителя подсоединен к первому выходу блока управления. Второй управляющий вход каждого усреднителя объединен с первым управляющим входом следующего усреднителя и подключен к соответствующему выходу коммутатора. Выход генератора тактовых импульсов подсоединен к входу коммутатора и к входу блока управления, второй выход которого подключен к объединенным управляющим входам накопительных ячеек (аналоговых ячеек памяти) .

Выходы и усреднителей подсоединены к соответствующим входам блока быстрого преобраэовани я уолша (ББПУ), и выходов которого подсоединены к входам соответствующих накопительных ячеек, выходы которых являются выходами устройства. Для работы с ЦВМ или в составе ЦВМ в качестве встроенного блока необходимо введение в е го состав ци фроан ало гово го прео браэователя и и аналого-uz4poavx преобразователей (2) .

732759

Одним из недостатком устройства является низкая точность вычисления спектральных коэффициентов, в связи с тем, что усреднители интегрируют входной сигнал на интервале времени

Tp/n без учета отрицательного знака, т.е. отрицательные полуволны

f входного сигнала срезаются и не

*интегрируются. Кроме того пониженная точность вычисления связана с необходимостью хранения величины сигнала Я (пропорционального интегралу входного сигнала) на интеграле

Tp/и в течение времени от Т /п до

Тд- То/и в виде напряжения на интегрйрующей емкости усреднителя.

Другим недостатком анализатора )5 является ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что действительные значения спектральных коэффициентов могут быть получены только после окончания интервала времени, на котором производится анализ сигнала и анализатор не может быть использован для скользящего режима непрерывного вычисления спектральных коэффициентов непре- рывно изменяющегося во времени сигнала.

Цель изобретения — повышение точности определения спектральных коэффициентов и расширение функциональных возможностей анализатора.

Указанная цель достигается тем, что анализатор спектра, содержащий блок быстрого преобразования Уолша, усреднитель, блок определения коэффициентов, преобразователь, регистры сдвига и блок управления, выходы которого связаны с управляющими входами упомянутых блоков, а вход подключен к выходу генератора тактовых им. пульсов, дополнительно содержит блок 4Q выделения знака, выходами подключенный к двух входам усреднителя, третий и четвертый входы которого соединены с выходом преобразователя, вторые входы которого соединены с входом анали- „ затора и одновременно со входами блока выделения знака, а третий вход к выходу блока выделения знака, причем выходы усреднителя подключены через первый регистр сдвига ко входам блока быстрого преобразования

Уолша, выходы которого связаны через второй регистр сдвига со входами блока определения коэффициентов.

На фиг. 1 представлена блок-схема анализатора спектрами на фиг, 2, 3, 4 и 5 — схемы блока выделения знака, преобразователя, усреднителя, схема соединения одной пары сумматоров, входящих в состав первой ступени блока быстрого преобразования Уолша щ (БПУ), соответственно.

В состав анализатора входят блок выделения знака 1, преобразователь 2, усреднитель 3, сдвигатель 4 емкостью (и-1) машинных слов, блок 5 быстрого vpeобразования Уолша, сдвигатель 6 емкостью машинных слов, блок 7 первой ступени БПУ, генератор 8 тактовых импульсов и блок 9 управления. Цифрами 10 и 11 обозначены соответственно цифровой и аналоговый входы анализатора. Цифрой 12 обозначен контрольный выход (сигнал сбоя ) анализатора.

В состав блока выделения знака (фиг.2) входят элементы НЕ 13 и 14, элементы И 15 и 16, элементы ИЛИ

17, 18 и 19, усилители-ограничители

20 и 21 и инвертор 22. Блок 1 предназначен для определения знака сигнала, заданного либо цифровым кодом, знаковые разряды которого подсоединяются к входам элементов НЕ, либо аналоговой величины, например, медленно изменяющимся напряжением, подаваемый на вход усилителя-ограничителя 20 и на вход инвертора 22.

В результате анализа на выходе элемента ИЛИ 18 сигнал появляется в случае отрицательного сигнала и на выходе элемента ИЛИ 19 в случае положительного значения сигнала. На выходе элемента ИЛИ 17 появляется в случае, если на входы элементов

НЕ 13 и 14 подается код 01 или код 10.

Инвертированное значение анализируемого аналогового сигнала с выхода инвертора 22 подается на один иэ входов преобразователя 2.

Блок-схема преобразователя 2 (фнг.3) состоит из компараторов 23 и 24, схемы 25 сравнения, датчика случайных чисел и сигналов 26 и элемента ИЛИ 27, Преобразователь 2 предназначен для преобразования входного сигнала в случайную последовательность импульсов (преобразование типа сигнал-вероятность ) . Датчик 26 может представлять собой, например, последовательно соединенные дат чи к случайных чисел и цифроаналоговый преобразователь. В этом случае выход также подключается и к входу схемы

2 5 сра в не ни я, а выход ци фро ан ало гоного преобразователя — к входам компараторов 23 и 24. Импульс на выходе компаратора 23, компаратора 24 или схемы 25 сравнения появляется в том случае, если случайное чи сло по величине меньше числа, поступившего на другой вход схемы 25 сравнения, или в том случае, если случайная аналоговая величина меньше значения аналогового сигнала на другом входе одного из компараторов 23 нли 24 °

Блок-схема усреднителя 3 (фиг.4) состоит из элементов И 28 реверсивного счетчика 29, блока 30 считывания, счетчика 31 и элемента 32 задержки.

Усреднитель предназначен для суммирования или вычитания (в зависимости от знака ужедняемой функции) импульсов случайной последовательности с выхода преобразователя 2. Импульсы в реверсивном счетчике 29 суммируются

732759 или вычитаются до момента переполнения счетчика 31, что соответствует интервалу времени ht, При этом код, сформированный в реверсивном счетчике ,пропорционален интегралу 3 от вход1 ного сигнала на интервале времени д . В момент переполнения счетчика

31 на выход усреднителя выдается управляющий импульс, а спустя некоторое время, определяемое элементом задержки

32, осуществляется считывание кода д из реверсивного счетчика 29 через блок

10 считывания 30 с одновременным обнулением реверсивного счетчика 29.

В схеме соединения одной пары сумматоров, входя(гдх в состав блока 7 первой ступени БПУ (фиг.5) i-ый и

j -ый входы подключают ся к выходам сдви гателя 6 в соот вет ст вии с зако— ном реализации первой итерации БНУ.

В анализаторе спектра реализуется алгоритм расчета спектральных коэф- 20 фициентов при разложении исследуемого сигнала по дискретным ортогональным кусочно-постоянным функциям (Радемахера, Уолша, Хаара и т.п.) . Любой спектральный коэффициент, например 25 в базисе Уолша, может быть расчитан по формуле: вычисляется с помощью усреднителя 3 на предыдущих этапах расчета спектральных коэффициентов.

В момент времени t в который начинается расчет спектральных коэффициентов С (t) для отрезка, исследуемой функции х() на интервале

t-T, íà n/2 входов блока 5 быстрого преобразователя Уолша поступают четные значения элементарных интегралов, включая только что сформированное гг из сдвигателя 4, т.е. четная полувыборка. Далее с помощью блока 5 вычи сл яют с я сп ктрал ьные коэффициенты для этой четной полувыборки (с использованием общеизвестного алгоритма быстрого преобразователя Уолша), которые помещаются в нечетные (условно нечетные) ячейки сдвигателя 6 от 1 до п-1-ой включительно (всего и/2 коэффициентов) . .В четных же ячейках сдвигателя б находя-.ся значения спектральных козф. фициентов, вычисленных для четной полувыборки элементарных интегралов на предыдущем шаге, т.е. для момента

- времени (t — a t), которая в момент времени t является нечетной полувыборкой. Тем самым исключается не-обходимость расчета спектральных коэффициентов для нечетной полувыборки в каждый момент времени, Затем с помощью блока 7 первой ступени быгде С, (t) (iteat гг-г с ie=z ЯI мгюгг =з(и г; 1! (г!

i=0 at 1гО

При расчете спектральных коэффициентов в предлагаемом устройстве реализуется алгоритм быстрого преобразования Уолша.

Работа анализатора спектра происходит следующим образом.

В каждый момент времени в сдвига-. теле 4 находится (п — 1) значений элементарных интервалов выражения (2) от ) до д .включительно. Значение

2 Ь каждого элементарного интеграла 3 спектр Уолша от исследуемого сигнала x(t, Г);

Фсистема. ортогональных Функций Уолша;

t текущее время; à — переменная интегриь рования на интервале ортогональности (О, T);

n=2 =T/д t — число участков постоянства функций

Уолша максимальной частоты (m = 1, 2..);

gt — интервал дискретизации по времени.

Так как И, = — 1 для фун кций Раде-: махера и Уолша, что (1) можно представить в виде: строго преобразователя определяются все текущие спектральные коэффициенты анализируемого сигнала по спектральным коэффициентам четной полувыборки и нечетной полувыборки (четной на предыдущем шаге) .

В тот же момент времени t, когда начинается расчет спектральных коэфФициентов, начинается также процесс формирования очередного элементарного интеграла на интервале времени

+ at, При этом одиовременно и непрерывно определяется знак анализируемой функции с помощью блока 1 и преобразование ее в случайную последовательность импульсов с помощью преобразователя 2.

Выделение знака осуществляется следующим образом.

Если анализируемый сигнал задается в цифровом виде, то его знаковые разряды (в модифицированном коде) поступают на входы элементов НЕ 13 и 14 и элемента И 16 (фиг.2) . Если это код 00 (знак плюс), то сигнал появляется на выходе элемента И 15

55 и через элемент ИЛИ 18 подается на выход блока 1 для управления реверсивнымм счетчиком 29 (фи г. 4) с целью суммировани я импульсов, поступающих с выхода преобразователя 2. Если зна ковые разряды представляют код 11, то сигнал появляется на выходе элемента И 16 и через элемент ИЛИ 19 поступает на выход блока 1 для управ"

65 ления процессом вычитания импульсов, 732759

60 поступающих с выхода преобразователя

2. Если анализируемый сигнал является аналоговой величиной, например, медленно изменяющееся напряжение постоянного тока, то он поступает на вход усилителя-ограничителя 20 ,и на нход инвертора 22. Если сигнал положительный, то поступив через усилитель-ограничитель 20 на вход элемента ИЛИ 18 и с него на выход блока 1, интерпретируемый как знак плюс. Если сигнал отрицательный, то пройдя через инвертор 22, усили— тель-ограничитель 21 и элемент ИЛИ

19 он интерпретируется как управляющий сигнал. минус, Одновременно с этим инвертированный си гнал с выхода инвертора 22 поступает на вход одного из компараторов преобразователя 2.

Преобразов атель 2 осуще ст вляет преобразование сигналов следующим образом.

Если сигнал задается н цифровом виде, то его значения беэ знаковых рязрядов непрерывно подаются на вход схемы 25 сравнения (фиг. 3), на другой вход которой с датчика 26 также непрерывно поступают случайные равномерно распределенные числа. Импульсы на выходе схемы сравнения 25 появляются всякий раэ, когда случайное число оказывается меньше числа, поступающего на другой вход схемы сравненияя. Если си гнал задает ся в, аналоговом виде, то он поступает на вход одного иэ компараторон, а на нход другого компаратора поступает его инвертированное значение с блока 1. На другие объединенные входы комлараторон поступают случайные аналоговые сигналы с датчика 26, имеющие только положительные значения, Импульсы воз— никают на выходе того комларатора, на вход которого поступает положительный анализируемый сигнал (ибо отрицательный сигнал алгебраически всегда меньше любого положительного), причем импульсы возникают только н случае, когда случайный аналоговый сигнал меньше анализируемого.

Усреднитель 3 работает следующим образом.

Импульсы с выхода преобразователя

2 через элемент И 28 (фиг4) поступают на счетный вход реверсивного счетчика 29, где они суммируются или вычитаются в зависимости от знака анализируемой функции. Тактовые импульсы высокой частоты, поступающие на управляющие входы преобразователя

2 и усреднителя 3, синхронизируют работу этих блоков и одновременно под- . считываются счетчиком 31 усреднителя, емкость которого пропорциональна интервалу времени ь t (интервалу интегрирования), При переполнении счетчика 31, т.е. ло прошествии времени

at, импульс переполнения поступает на вход элемента 32 задержки и на управляющий вход сднигателя 4, в котором при этом осуществляется сдвиг информации на одно машинное слово, с оснобождением ячейки 3,. Спустя время определяемое злемеитом 32 задержкй, и з реверси вно го счет чи ка

29 код через блок 30 считывания передается н сдвигатель 4 н ячейку

Зп. Одновременно с этим с помощью блока 9 управления осуществляется сдвиг информации н сдвигателе 6 на одно машинное слово с одновременным обнулением нечетных ячеек. При этом реверсинный счетчик 29 обнуляется и процесс формирования очередного элементарного интеграла начинается снова. Остальные же узлы и блоки устройства начинают формирование спектральных коэффициентов в соответстнии с алгоритмом, изложенным выше.

Таким образом, понышение точности олределе ни я спектр ал ьных коэ ффициентов достигается за счет того, что интегрирование си гнала осуществляется с учетом его знака.

Формула изобретения

Анализатор спектра, содержащий блок быстрого преобразования Уолша,, усреднитель, блок определения коэффициентов, преобразователь, регистры сдвига и блок управления, выходы которого связаны с управляющими входами упомянутых блоков, а вход подключен к выходу генератора тактовых импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности вычислений, он до пол нител ьно содержит блок выделения знака, выходами подключенный к двум входам усреднителя, третий и четвертый входы которого соединены с выходом преобразователя, вторые входы которого соединены со входом анализатора и одновременно со входами блока выделения знака, а третий вход — к выходу блока выделения знака, причем выходы усреднителя подключены через первый регистр сдвига ко входам блока быстрого преобразов анй я Уолша, выходы которого связаны через второй регистр сдвига со входами блока определения коэффициентов, Источники информации, принятые во внимание лри экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 4?0754, кл. С 01 R 23/00, 1974.

2. Зарубежная радиоэлектроника.

1972, 9 5, с. 27, рис. ?.! ..а .. у. В, g" 732759

Ф"фиг Ю

Составитель Н. Филлипова

ТехРед Н.БабУРка КоРРектоР И.Муска

Редактор П. Макаревич

Тираж 1019 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035р Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4!5

Заказ 1550/8

Филиал ППП Патент, r, Ужгород, ул. Проектная,4