Цифровой анализатор энергетического спектра

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (F11769443

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 23.10.78 (21) 2677109/18-24 с присоединением заявки Ло (23) Приоритет (43) Опубликовано 07.10.80. Бюллетень Ке 37 (45) Дата опубликования описания 07.10.80 (51) М. Кл,з

G 0IR 23/00

G 06F 15/332

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий (53) УДК 681.323 (088.8) (72) Автор изобретения

В. Д. Сысоев (71) Заявитель (54) ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО

СПЕКТРА

Изобретение относится к области специализированных средств цифровой вычислительной техники, предназначенных для вычисления статических характеристик случайных процессов. Анализатор может быть использован для исследования энергетических спектров случайных сигналов и помех в системах связи, радиолокации, технической диагностики и управления.

Известны различные устройства для вы- 10 числения энергетических спектров случайных сигналов, построенные как на основе вычисления корреляционной функции, так и периодограмме сигнала.

Известен вероятностный спектрокоррелятор (1), состоящий из блока управления, блока центрирования, блока вентилей, блока вероятностного округления, блока динамических сдвигающих регистров, ре- 20 гистра числа, первого блока сравнения, блока согласования, блока вероятностного умножения, блока определения масштабных коэффициентов, генератора случайных чисел, второго блока сравнения, блока ас- 25 социативной памяти, блока накопителей и блока регистров. Это техническое решение позволяет вычислять энергетический спектр случайного сигнала параллельно с вычислением корреляционной функции по граф- 30 схеме алгоритма быстрого преобразования

Фурье.

Недостатком этого устройства является низкое быстродействие, что обусловлено необходимостью производить большое количество вычислительных операций при вычислении корреляционной функции.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является цифровой анализатор спектра, использующий дискретное преобразование Фурье (2) и содержащий последовательно соединенные предварительный фильтр, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок временного взвешивания, блок вычисления дискретного преобразования Фурье, блок вычисления квадрата модуля, блок усреднения и блок отображения.

Этот анализатор позволяет вычислять энергетический спектр на основе вычисления периодограммы случайного сигнала.

Недостатком устройства также является малое быстродействие вследствие больших вычислительных затрат при вычислении дискретного преобразования Фурье (вычисление дискретного преобразования Фурье даже по граф-схеме алгоритма быстрого преобразования требует производить

N log> N операций комплексного умножения и сложения, где N — число выборок

769443

15 анализируемого сигнала), что не позволяет анализировать энергетический спектр широкополосных сигналов в реальном масштабе времени, Целью изобретения является повышение быстродействия цифрового анализатора энергетического спектра.

Эта цель достигается тем, что в предложенное устройство для вычисления энергетического спектра, содержащее блок вычисления дискретного преобразования

Фурье, предварительный фильтр, вход которого является входом устройства, а выход подключен ко входу АЦП, блок усреднения, вход которого подключен к выходу блока вычисления квадрата модуля, выход блока сглаживания подключен ко входу блока отображения, введены четыре коммутатора, дешифратор адреса, блок постоянной памяти и блок сложения по модулю два, входы которого соединены соответственно с первым выходом первого коммутатора и с выходом блока постоянной памяти. Выход блока сложения по модулю два соединен с первым информационным входом второго коммутатора. Первый, второй, третий и четвертый входы блока вычисления дискретного преобразования Фурье подключены соответственно ко второму выходу первого коммутатора и к первым выходам второго и третьего коммутаторов и к первому выходу дешифратора адреса.

Управляющие входы коммутаторов соединены с первым управляющим выходом блока вычисления дискретного преобразования

Фурье, второй управляющий выход которого подключен ко входу дешифратора адреса, второй выход которого подключен ко входу блока постоянной памяти. Другие выходы блока вычисления дискретного преобразования Фурье соединены соответственно с информационным входом первого коммутатора, со вторым информационным входом второго коммутатора и с информационным входом четвертого коммутатора, первый выход которого подключен ко входу блока сглаживания. Информационные входы третьего коммутатора соединены соответственно с выходом АЦП и блока усреднения. Второй выход четвертого коммутатора подключен ко входу блока вычисления квадрата модуля.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого цифрового анализатора энергетического спектра; на фиг. 2 — графсхема вычисления восьми точек энергетического спектра.

Анализатор содержит АЦП 1, фильтр 2, блок усреднения 3, блок вычисления квадрата модуля 4, блок вычисления дискретного преобразования Фурье 5, блок сглаживания 6, блоки отображения 7, коммутаторы 8 — 11, блок 12 сложения по модулю два, блок 13 постоянной памяти, дешифратор адреса 14, блок обмена 15, опера20

Зд

4ü

65 тивное ЗУ 16, блок управления 17, арифметическое устройство 18, сумматор 19, перемножитель 20 и постоянное ЗУ 21.

На фиг. 2 штриховыми линиями обозначены операции инверсии знака чисел (сложение по модулю двух знаковых разрядов чисел с элементами матрицы Уолша); точками — операции сложения чисел; стрелками — операции умножения чисел; 22— этап вычисления преобразования Уолша по алгоритму быстрого преобразования;

23 — этап вычисления квадрата модуля;

24 — этап усреднения; 25 — этап вычисления быстрого преобразования энергетического спектра Уолша в энергетический спектр Фурье.

Этапы 22 — 24 образуют первый цикл преобразований, этап 25 — второй цикл.

АЦП 1 предназначен для получения кода выборок анализируемого случайного сигнала. Фильтр 2 ограничивает анализируемый сигнал по полосе частот и тем самым уменьшает погрешность АЦП. Блок усреднения 3 обеспечивает накопление элементов массивов квадратов модуля дискретного преобразования и усреднение этих элементов по числу массивов. Блок вычисления квадрата модуля 4 осуществляет возведение в квадрат модуля элементов массивов дискретного преобразования. Блок вычисления дискретного преобразования

Фурье 5 предназначен для вычисления дискретного преобразования Фурье от массива выборок входного сигнала (в общем случае обеспечивает вычисление произведения матрицы преобразования на входной массив). Блок сглаживания 6 служит для уменьшения случайных флуктуаций вычисленного энергетического спектра, обусловленных ограниченным количеством обрабатываемых выборок сигнала. Блоки отображения 7 предназначены для регистрации результатов спектрального анализа.

Коммутаторы 8 — 11 обеспечивают переключение двух входов на один выход или одного входа на два выхода. Блок сложения по модулю два 12 осуществляет сложение по модулю два знаковых разрядов поступающих на него чисел с элементами матрицы Уолша, хранящимися в блоке постоянной памяти 13. Дешифратор адреса 14 обеспечивает формирование команды обращения к блоку 13 или к блоку памяти 21, в котором хранятся элементы матрицы дискретного преобразования. Блок обмена 15 предназначен для обмена данными между входом и выходом блока 5 и оперативным

ЗУ 16, в котором формируются обрабатываемые массивы и результаты промежуточных вычислений. Блок управления формирует команды управления блоками анализатора в соответствии с алгоритмом вычисления энергетического спектра. Арифметическое устройство 18 выполняет операции

769443 сложения и умножения числа соответственно в сумматоре 19 и перемножителе 20.

Работа предлагаемого цифрового анализатора энергетического спектра разделяется на два основных цикла преобразований.

В первом цикле блок управления 17 вылает сигналы управления на коммутаторы

8 — 11 и лешифратор адреса !4, по KoToDblM коммутатор 8 подключает выхоч АЦП 1 ко входу блока обмена 15 блока вычисления дискретного преобразования Фурье 5. Коммутатор 9 соединяет выход ЗУ 16 с пепвым входом блока сложения по модулю лва 12, коммутатор 11 — выход блока 12 со входом ЗУ 16, а коммутатор 10 — выход блока обмена 15 со вхолом блока вычисления квалпата модуля 4. Дешифратор адпеса 14 формирует сигнал обращения к блоку постоянной памяти 13.

Во втором цикле ппеобразований блок управления 17 вырабатывает чппавляющие сигналы на коммутаторы 8 — 11 и дешифпатоп алпеса 14, по которым коммутатор 8 переключает вход блока обмена 15 с выхода АЦП 1 на вход блока ч спелнения 3, коммутатор 9 пепеключает выход ЗУ 16 со вхола блока 12 на вхол пепемножителя 20 апифметического устпойства 18, коммутатоп 11 переключает вхол ЗУ 16 с выхода схемы 12 на выхол пепемножителя 20, коммутатоп 10 переключает выход блока обмена 15 со вхола блока вычисления квалпата модуля 4 на вход блока сглаживания

6; Дешифпатоп 14 фопмипует команду обращения к постоянному ЗУ 21.

В пепвом цикле ппеобпазований анализируемый сигнал подается на вхол фильтра 2, в котопом ограничивается на полосе частот и с его выхода подается на вход

АЦП 1, где ппеобпазуется в цифровой вид.

С выхода АЦП 1 сигнал в цифповом виле через коммутатоп 8 поступает в блок обмена 15, который пересылает далее сигнал в ЗУ 16, гле коловые слова (выборки сигнала) фопмируются в соответствующие массивы слов. Далее выборки сигнала из

ЗУ 16 в порядке, оппелеляемом алгопитмом умножения матпицы ппеобразования Уолша на массив выборок сигнала, полаются через коммутатор 9 на вход блока 12 сложения по модулю лва, где ппоисходит сложение по модулю лва значений знаковых разрядов кодовых слов с коэффициентом матрицы Уолша, KQToT)ble подаются на втопой вход блока 12 с блока 13 по командам обращения, подаваемым из дешифпатопа адреса 14. Преобразованные таким обпазом кодовые слова подаются с выхода блока 12 через коммутатор 11 в ЗУ 16, откуда далее поступают в порядке, определяемом алгоритмом преобразования, в сумматор

19, где происходит сложение преобразованных кодовых слов. Результаты сложения из сумматора 19 пересылаются обратно в

ЗУ 16. После обработки всех кодовых слов

5 и

Зо

05 из массива в 3» 16 образуется массив коэффициентов разложения Уолша р= ЯГХ, гле W — матрица Уолша;

Х массив выборок входного сигнала.

Рассмотренная последовательность преобразований выборок сигнала соответствует этапу 22 на фиг. 2.

Далее массив р через блок обмена 15 и коммутатор 10 подается на вход блока вычисления квадрата модуля 4, гле происходит возведение в квадрат модулей элементов массива р, а затем полученные результаты подаются в блок усреднения, где происходит их накопление с последующим усреднением.

Рассмотренная последовательность выполнения операций на первом цикле повторяется м раз, в результате чего в блоке усреднения 3 образуется массив коэффициентов энергетического спектра Уолша г= — „ li (.

После этого начинается второй цикл ппео6п азов апий, на котором коэффициенты энергетического спектра Уолша V преобпазуются в коэффициенты энергетического спектра Фурье G, т. е. реализуется преобразование вида 6 = TV по алгоритму быстрого преобразования. Прн этом коэффициенты энергетического спектра Уолц а подаются с выхода блока успелнения 3 через коммутатор 8 и блок обмена 15 в ЗУ

16, откуда в соответствии с алгоритмом умножения матрицы Т на вектор V подаются через коммутатор 9 на вход перемножителя 20, на другой вход которого подаются коэффициенты матрицы Т из ЗУ 21.

Результаты умножений с выхода пепемножителя 20 подаются через коммутатор 11 в ЗУ 16, откуда в определенном попялке посылаются в сумматор 19, где ппопсходпт их попапное сложение. Получаемые суммы пепесылаются обратно из сумматора 19 в

ЗУ 16, в результате чего в нем формипуется массив коэффициентов энергетического спектпа 0, которые далее через блок обмена 15 и коммутатор 10 подаются в блок сглаживания 6, где осуществляется сглаживание полученного массива G заданным спектпа ThHhIM окном. С выхода блока 6 сглаженный энепгетический спектр подается на блоки отображения.

Таким образом, описанное устройство позволяет вычислять энергетический спектр

769443

Фурье через энергетический спектр Уолша и за счет этого полностью исключить операции умножения чисел на первом цикле преобразований, а следовательно, значительно увеличить быстродействие цифрового анализатора энергетического спектра.

Если учесть, что быстрое преобразование

Уолша вычисляется в 13 раз быстрее, чем быстрое преобразование Фурье, то предлагаемый цифровой анализатор энергетического спектра позволяет обрабатывать в реальном масштабе времени сигналы с шириной спектра в 13 раз большей, чем известные технические решения.

Формула изобретения

Цифровой анализатор энергетического спектра, содержащий блок вычисления дискретного преобразования Фурье, фильтр, вход которого является входом устройства, а выход подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, блок усреднения,. вход которого подключен к выходу блока вычисления квадрата модуля, выход блока сглаживания подключен ко входу блока отображения, отличающийся тем, что, с пелью повышения быстродействия, в анализатор введены четыре коммутатора, дешифратор адреса, блок постоянной памяти и блок сложения по модулю два, входы которого соединены соответственно с первым выходом первого коммутатора и с выходом блока постоянной памяти, а выход блока сложения по модулю два соединен с первым информационным входом второго коммутатора, первый, второй, третий и четвертый входы блока вычисления дискретного преобразования Фурье подключены соответственно ко второму выходу

5 первого коммутатора и к первым выходам второго и третьего коммутаторов и к первому выходу дешифратора адреса, управляющие входы коммутаторов соединены с первым управляющим выходом блока вы1о числения дискретного преобразования

:Фурье, второй управляющий выход которого подключен ко входу дешифратора адреса, второй выход которого подключен ко входу блока постоянной памяти, другие вы15 ходы блока вычисления дискретного преобразования Фурье соединены соответственно с информационным входом первого коммутатора, со вторым информационным входом второго коммутатора, и с информа2о ционным входом четвертого коммутатора, первый выход которого подключен ко входу блока сглаживания, информационные входы третьего коммутатора соединены соответственно с выходом аналого-цифрового

2я преобразователя и блока усреднения, второй выход четвертого коммутатора подключен ко входу блока вычисления квадрата модуля.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 526907, кл. G 06F 15/34, 1975.

2. Патент США ¹ 3881097, кл. G 06Г

35 15/34, опубл, 1975 (прототип), 769443 из l

25 24

gut. 2 гг

Составитель В. Жовинский

Техред О. Павлова Корректор Н. Федорова

Редактор Л. Утехина

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 2265/14 Изд. 522 ТиранЬ 1033 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

11303б, Москва, Ж-35, Раушская иаб., д. 4/5