Цифровой анализатор спектра

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

Ii» 734579 (61) Дополнительное к авт. свил-ву = (51)М. Кл.

G 01 R 23/00 (22) Заявлено 25.01.78 (21) 2573098/18-24 с присоединением заявки ¹â€”

Государственный комитет (23) Приоритет— по делам изобретений и открытий

Опубликовано 15.05.80. Бюллетень J4 18

Дата опубликования описания 18.05,80 (53) УДК681.323 (088.8 ) (72) Авторы изобретения

А. А. Петровский и B. Б. Клюс (71) Заявитель

Минский радиотехнический институт (54) ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники, предназначенным для спектрального анализа случайных процессов, и может использоваться при построении автоматизированных систем формирования и управлейия спектром случайного процесса.

Известны цифровые анализаторы спектра 1$, pj и (31.

Анализатор (11, содержит соединенные последовательно генератор тактовых импульсов и делитель частоты, выход которого соединен со входом блока ввода и первыми входами двух элементов

И, вторые входы которых подключены к выходу генератора тактовых импульсов, соединенного со входом счетчика прямого счета; выход блока ввода через блок умножения, подключенный вторым входом к выходу счетчика обратного счета, соединен с первыми входами двух накапливающих регистров, последовательно соединенные блок установки номера гармо2 ники и формирователь кода аргумента и знаков синуса и косинуса, а также две схемы сравнения и дешифратор пороговых значений. Выход делителя частоты соединен с импульсным входом формиро вателя кода аргумента и знаков синуса и косинуса, информационные выходы которого соединены с первыми входами схем сравнения, а знаковые выходы - с вторыми входами соответствующего накапливающего регистра. Третьи входы регистра подключены к выходу соответствующего элемеы. та И, третьи входы которого подключены к выходам соответствующих схем сравнения, вторые входы которых соединены со входом дешифратора пороговых значений и первым выходом счетчика прямого счета. Второй выход счетчика соединен с с первым входом счетчика, обратного счета, подключенного вторым входом к выходу дешифратора пороговых значений.

Недостатком устройства является малое быстродействие, так как анализ ве7, 3 ) "79 дется с постоянной абсолютной разреша ющей способностью.

Известно также устройство для спектрального анализа (2)с двумя каналами, в каждый из которых входят блок преобразования, соединенный с квадратором, общий сумматор, соединенный с усредняющим блоком, генератор гармонического сигнала и схемы сравнения. Каждый блок преобразования содержит измерительный блок, соединенный с накопителем, интегратор с ключом-разрядником, подключенный входом к одному из выхо1О

; s,.IIIaot.òê гc :О rFJ!o+&gному яви яе "ся,-o анализатор с .!elтра Я . содержащий блок уира пения, пеовый выход котово о соединен с" входом счетчика) преоб;;а-зователь аналог=код, первый вход .::.,", о.=-. рого являе-:.ся входом анализатора, ;. вто.. рой -. Соединен с первым выходом блокa упражнения; первый и второй блоки умно ilIeния, первые входы которых соединены с выходом преобразователя аналог. Од, а ВТООЬ.Е - С ВЫХОДОМ СООтВЕтСтВУЮЩЕг.О 40 преобразователя кода аргумента a enaseния функций синуса и косинуса; первый и второй сумматоры, первые входы кото= рых соединены с выходом соответствующего блока умножения; первый и второй 45 блоки сдвигающих регистров, вхоцы которых подключены к выходу соответствующего сумматора, а выходы — ко вторым вхоцам соответствующих сумматоров; первый и второй блоки элементов И, пер- 50 вые входы которых соединены с выходами, соответствующих сумматоров, вторые входы — с первым выходом двои диого счетчика, а выходы являются соответственно первым и вторым выходами анализатора.

Анап из Г;пектра В этОм анализатОре ведется с постоянной абсолютной ра;.öleцов генератора гармоническо о сигнала, а выхоцом — к двум схемам сравнения, вторые входы которых подключены к источникам постоянных напряжений, и логический элемент ИЛИ, Один вход элемента ИЛИ соединен с выходом первой схемы сравнения, другой — с выходом второй схемы сравнения и с управляющим входом накопителя, выход элемента ИЛИ подключен к измерительному блоку и илKI !y, ðазряднику„

Зтот анализатор хотя и имеет более вы- 25 сокое быстродействие, чем анализатор (1) но тем не менее и его быстродействие недоста очно, Наиболее близким ПО техническОй шаюгцей способностью или с переменной относительной разрепгающей способностью.

Однако при постоянной абсолютной разрешающей способности анализа в высокочастотной части спектра берется значительно больше гармоник, чем это нужно для обеспечения заданной точности анализа, а это приводит к лишним вычислительным операциям (сложению, умножению), т. е. увеличению времени анализа и снижению быстродействия анализатора. Следовательно, для обеспечения заданной точности анализа можно в высокочастотной части спектра взять значительно меньше гармоник, т. е. вести анализ с постоянной относительной разрешающей способностью.

Таким образом, недостатком известных анализаторов спектра является низкое быстродействие вследствие ведения спектрального анализа с постоянной абсолютной разрешающей способностью.

Цель изобретения - повышение быстродействия цифрового анализатора спектра.

Для достижения поставленной цели в цифровой анализатор спектра введены третий блок умножения, регистр константы и регистр кода аргумента, пульт управления, третий, четвертый и пятый блоки элементов И и формирователь знака

::.синуса.

При этом первый вход третьего блока умножения соединен с выходом регистра константы, вход которого соединен с выходом третьего блока элементов И.

Первый вход третьего блока элементов

И подключен к пульту управления, а второй — ко второму выходу блока управления; первый вход регистра кода аргумента соединен с выходом четвертого блока элементов И, первый вход которого подключен ко второму выхоцу двоичного сче. ика, а иорой =- к первому выходу блока управления. Второй вход регистра кода аргумента соединен с выходом пятого блока элементов И, первый вход которого подключен к выходу третьего блока умножения, второй вход — к третьему выходу блока управления. Первый выход регистра кода аргумента соединен со вторым входом третьего блока умножения, второй и третий выходы — с первым и вторым входами формирователя знака косинуса, а четвертый выход первыми входами преобразователей кода аргумента в значения функций < ипуга и косинуса. Второй вход преобразователя кода аргумента в значение функции сину0D<--àâñ,, (4) — некоторый постоянный коэф»

Ч фициент. Тогда относительная разрешающая способность будет постоянной. где а абсолютная разрешающая способность будет изменяться (,„„ к (g)

К

Относительная разрешающая способность определяется через заданную добротность G по следующей формуле:

Д в=ми/а) =qlq (Ч)

Из формул (2) и (4) определяют введенный ранее постоянный коэффициент са соединен со вторым выходом регистра кода аргумента, а второй вход преобразователя кода аргумента в значение функции косинуса подключен к выходу формирователя знака косинуса.

Так как значение нового аргумента получается путем умножения на постоянное число, то отношение приращения частоты к частоте будет постоянным во всем диапазоне частот.

Частота к-й гармоники будет опредепяться следующим образом:

45 j9 б собом, а с постоянной относительной разрешаю цей способностью - вторым способом, то можно показать, что отношение Д, числа частотных отсчетов в первом способе к аналогичному числу во втором способе составит

00@- верхняя частота спектра;

UD — нижняя частота спектра.

На фиг. 1 показано расположение гармоник при спектральном анализе с постоянной абсолютной разрешающей способностью; на фиг. 2 — расположение гармоник при спектральном анализе с постоянной относительной разрешающей способностью; на фиг. 3 — структурная схема цифрового анализатора спектра.

Цифровой анализатор спектра содержит блок управления 1, состоящий иэ генератора тактовых импульсов и делителя частоты, пульт управления 2, блок элементов И 3, двоичный счетчик 4, регистр 5 константы, блок умножения 6, блоки элементов И 7, 8 формирователь

9 знака косинуса, регистр 1 0 кода аргумента, преобразователи 11, 12 кода аргумента в значения функций синуса и косинуса соответственно, два идентичных канала получения коэффициентов разложения Фурье Ак и Вк, кажцый из которых состоит из блока умножения 13(14), сумматора 1 5 (1 6), параллельно сдвигающего регистра 17(18), блока эпементов И 19 (20). Входной сигнал поступает на вход преобразователя 21 ана4о пог-код. (5) На этот коэффициент умножают значение аргумента одной гармоники, чтобы попу» чить значение аргумента следующей гармоники, При этом добротность во всем частотном диапазоне будет равна Q.,::

Частоты гармоник будут располагаться как показано на фиг. 2 и опредепяться по формулам (5) и (1), причем число их будет существенно меньше, чем при постоянной разрешающей способности.

Если считать, что спектральный анапиэ с постоянной абсолютной разрешающей способностью является первым споДвоичный счетчик 4 имеет два выхода "а и "б . По выходу б" передается содержимое разрядов 0 -$ по выхо-45 ду а" - сигнал на разрешение выдачи вычисленных очередных коэффициентов разложения Фурье АК и ВК с сумматоров 15, 17. Регистр 10 кода аргумента имеет два входа "а и "б и четыре выхода в, г, д, е". Разрядность регистра р . По входу а . информация заносится в разряды N-. Г j, а по вхо» ду б - в разряды 0 -р, С выхода в снимается содержимое разрядов О- Р, а с с выхода г . — содержимое (гk j )-го разряда, выход д — выход (г -1) раз. ряда, с выхода е снимается содержимое разрядов,0-p+) -1; ((Г+ ) )-й раз734579 8 ряд - знаковый разряд аргумента функции синус) .

Пульт управления 2 предназначен для задания кода числа, которое определяет добротность спектрального анализа. В качестве пульта управления может использоваться набор кнопочных переключателей или микротумблеров, но если цифровой анализатор является модулем

ЭЩЗМЯ или блоком автоматизированной системы виброиспытаний, то в качестве пульта управления применяют выходной регистр устройства сопряжения.

Определение спектра исследуемого сигнала основано на реализации алгоритма

М вЂ” Е Х(Ит 5 иф -Е -, И"-1 I4T .) 1Ч

ВХ= — „2.е Х ИТ)СОУС, И. — "»

6=4 JOT где А и В - коэффициенты ФУРье исследуемого сигнала; у,(д )- числовое значение дискретного отсчета сигнала;

Т вЂ” период квантования; порядковый номер дискрет ного отсчета сигнала;

)ц - число дискретных отсчетов сигнала в выборке;

q — определяемый по форму ле (5); к 0,1, ...,щ- порядковый номер гармоники;

Yrl - общее число гармоник; ф - емкость счетчика 4, без знакового разряда.

С пульта управления 2, по разрешающему сигналу с выхода a" блока управления 1 в регистр 5 константы заносится код числа <ф . Исследуемый сигнал

W (4 ) поступает на вход преобразователя 21 аналог-код, где происходит его дискретизация с частотой, задаваемой с выхода "б", блока управления 1 и равной 1/Т, и преобразование дискретных отсчетов в цифровую форму. Коды дискретных отсчетов подаются на объединенные входы блоков умножения 13, 14, формирующик частные произведения ,Х (иТ) и (ц, — ") и (иГ)со (п,," " ), цифровые значенйя синуса и косинуса формируются преобразователями 11 и 12 аргумента в значение синуса и косинуса по кодовым значениям аргументов .функций синуса и косинуса, поданным на входы "а", и ик знаков, поданным на входы б" этих преобразователей. Формирование кода аргументoB и знаков си5 нуса и косинуса осуществляется следующим образом.

На вход двоичного. счетчика 4 с выхода "б", блока управления 1 поступает импульс с частотой дискретизации 1/T.

10 Содержимое счетчика 4 с выкода б" в начале каждого периода квантования, пе редается через блок алементов И 7 в регистр 1 0 кода аргумента по входу а .» а затем умножается k раз на содержимое регистра 5 константы на блоке умно-. жения 6. Результаты каждого умножения по сигналу в, блока управления 1, через блок элементов И 8, заносятся по входу б в регистр l 0. При этом в регистре последовательно образуются коды аргумента функций синуса и косинуса

И(Период первой гармоники определяется емкостью счетчика 4. Емкость счет25 чика,без знакового разряда (j ) равна

М=2 », время заполнения (-1)-го

4-1 разряда двоичного счетчика равно МТ, а это половина периода первой гармоники. При этом аргумент изменяется от

1 до М, на второй половине периода аргумент снова изменяется от 1 до М, но при атом в знаковом разряде двоичного счетчика 4 будет "1, что означает отрицательный знак синуса. ЗначеЗ5 ние аргумента и знака синуса первой гармочики формируется счетчиком 4 .и передается в регистр 1 О. Значение аргумента и знака функций И и C.os последующих гармоник формируется в регистре

10 путем умножения его содержимого на код регистра 5 константы. Разряд (-+ ) регистра 10 показывает, в четное или нечетное число раз содержимое регистра

10 больше числа М, т. е. формируется автоматически знак синуса. В разрядах (t +j ) -р образуется число Д = k4 "1 м (здесь в квадратных скобках целая часть выражения), показывающее, во сколько раз содержимое регистра 10 больше величины М. Разряд (p + ) ) принимается за разряд с нулевым весом. Аргументом функций синуса и косинуса является содержимое разрядов 0- (г+> -1 ) „равное

55 я;х„-d. v,.

Разряды 0 - l-1 нужны для правильного вычисления аргумента, т. е. число

lI=»+$ бельме 1, не меньше 2 (Qtl).

При этом в начале цикла в регистр 10

9 734579 занесется "1 в g -й разряд, а после 3 умножения на С получится число мень с ше двух и если не оставить разрядов з справа от V (т. е. 0 - Г -1)„то дробная часть пропадет и останется та же 1 " 5 д что и до умножения. Число этих разряс дов определяется точностью задания чис- и

na j, т. е. числом разрядов регистра м

5 константы. Разряды (Г+) +1) - р В нужны для хранения полного аргумента 0 с

И, который необходим для получения

К с значения аргумента (к + 1)-й гармоники.

Количество этих разрядов определяется по следующей формуле:!

5 и = (6а и l „) 20

35

Знак синуса

0 1

1 0

45

Х„

Знак косинуса

Х„+ Xg

50 где (g — целая часть выражения;

- количество разрядов от

ДОП (г ) +1) до р.

Таким образом, во сколько раз больше частота, во столько раз больше и полный аргумент (т. е. без исключения целых периодов). Знаки функций синуса и косинуса формируются следующим образом:

- знак синуса получается автоматически; — знак косинуса формируется форми. рователем 9, а это есть сумматор по модулю два, работа которого поясняется таблицей. где Х< содержимое (Г+ j ) -го Разряда

55 регистра LO с весом М, Х - содержимое (1+j -1)-го раз2 ряда регистра 10 с весом

М/2. начения Х4 совпадают со знаком синуа, а значения Х + Х - со значением нака косинуса. цифровые значения частных произвеений со своими знаками поступают на умматоры 15, 16. Знак частного прозведения определяет переключение сум атора на суммирование или вычитание. результате частное произведение, потупающее на сумматор, либо суммирует я с предыдущим результатом, либо вы итается из него.

Каждый сумматор. 15, 16 связан пря» ой и обратной связью с соответствующим сдвигающим регистром 17 или

18, что позволяет осуществлять циклическое движение сумм частных произведений соответствующих K 0,1,..., внутри сдвигающих регистров с возвращением в сумматоры сумм для К -"0 ко времени очередного (п + 1)-го дискретного отсчета сигнала. В сдвигающем регистре происходит движение разрядных слов, соответствующих суммам частных произведений по уровням параллельно сдвигающего регистра. Очевидно, что .за время выдачи всех l1 отсчетов в разрядных цепочках параллельно сдвигающих регистров 17, 18 по всем уровням будут накоплены значения коэффициентов А, и В1, В интервале време« ни между засылкой К -го дискрета исследуемого участка сигнала и первым отсчетом следующего его участка осуществляется выдача коэффициентов

Фурье А к и Вк через открытые блоки элементов И 19, 20 на внешнее устройство и ти в память ЭЦВМ, если цифровой анализатор является модулем машины.

Использование новых элементов: блока умножения, регистра константы, регистра кода аргумента, формирователя знака косинуса, пульта управления, трех блоков элементов И позволяет повысить быстродействие цифрового анализатора спектра.

В результате может быль расширена сфера применения анализатора например, использование его в качестве блока цифровой системы формирования и управления случайными вибропроцессами позволит существенно. уменьшить время такта управления и более эффективно настраиваться на заданную программу виброиспытаний.

Формула из обретения

?цифровой анализатор спектра, содержащий блок управления, первый выход

734579 когорого соединен со входом c:четника, преобразователь аналог-код, первый вхоц которого является входом анализатора, а второй — соединен с первым выходом блока управления, первый и второй блоки умножения, первые входы которых соединены с выходом преобразователя аналог-код, а вторые — с выходом соответствующего преобразователя кода аргумента в значения функции синуса и косинуса, первый и второй сумматоры, первые входы которых соединены с выходом соответствующего блока умножения, первый и второй блоки сдвигающих регистров, входы которых подключены к выходу соответствующего сумматора, а выходы - ко вторым входам соответствующих сумматоров, первый и второй блоки элементов И, первые входы которых соединены с выходами соответствующих сумматоров, вторые вхоцы - с первым выходом двоичного счетчика, а выходы - являются соответственно первым и вторым выходами анализатора, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в анализатор спектра введены третий блок умножения, регистр константы, регистр кода аргумента, пульт управления, третий, четвертый и пятый блоки элементов И, формирователь знака косинуса, причем первый вход третьего блока умножения соединен с выходом регистра константы, вход которого соединен с выходом третьего блока элементов И, первый вход которого подключен к пульту управления, а вто30 рой — ко второму выходу блока управления, первый вход регистра кода аргумента соединен с выходом четвертого блока элементов И, первый вход которого подключен ко второму выходу двоичного счетчика, а второй - к первому выходу блока управления, второй вход регистра кода аргумента соединен с выходом пятого блока элемента И, первый вход ко10 торого подключен к выходу третьего блока умножения, второй вход - к третьему выходу блока управления, первый выход регистра кода аргумента соединен со вторым входом третьего блока !

5 умножения, второй и третий выходы регистра кода аргумента соединены с первым и вторым входами формирователя знака косинуса, четвертый выход регист ра кода аргумента соединен с первыми входами преобразователей кода аргумента в значения функций синуса и косинуса, второй вход преобразователя кода аргумента в значение функции синуса соединен со вторым выхоцом регистра кода

25 аргумента, а второй вход преобразователя кода аргумента в значения функции косинуса соединен с выходом формирователя знака косинуса.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

% 377811, кл. (3 06 G 7/52, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР

No. 474810, кл. G 06 F 15/34, 1975.

35 3. Авторское свидетельство СССР

М. 446063, кл. O 06 F 15/34, 1974 (прототип).