Спектральный анализатор

 

Союз Советских

Социалистических

Респблик

ОП ИС

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к ввт. свид-ву (22) Заявлено 29. 03. 77 {21) .2468235/18-21 Р1) М

3 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет

С 01 и 23/16

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий

Опубликовано 23 Zgp, Бюллетвиь ¹ 47 (53) УДР 681.32 .3 (088.8) Дата опубликования описания 23 12 80 (72) Автор изобретения

Е. С. Потапов (71) Заявитель

Московское ордена Ленина и ордена Трудового Красного

Знамени высшее техническое училище им. Н. Э. Баумана (54) СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗАТОР

Предлагаемое изобретение относит ся преимущественно к измерительной технике и может быть использовано для спектрального анализа непрерывно изменяющихся во. времени сигналов.

Известен многоканальный анализатор спектра, содержащий.квантователь, блок перемножения, два коммутатора, блок стробирования,п х m масштабных блоков, и сумматоров усреднителей, блок вычитания с соответствующими связями между блоками и узлами, предназначенный в основном для спектрального анализа случайных процессов 11 .

Недостатками его являются большая конструктивная сложность, так как он содержит вычислитель корреляционной функции и большое количество масштабных блоков, низкое быстродействие из-за того, что значения кор- 20 реляционной функции вычисляются в результате.многократного"прогона" запомненной анализируемой функции, и ограниченные функциональные возможности и в связи с тем, что он 25 предназначен для анализа запомненной либо циклически повторяющейся функции на ограниченном интервале времени и не может быть использован для

"скользящего" режима вычисления 30 спектральных коэффициентов непрерыв но изменяющегося во времени сигнала.

Известен также анализатор перно дических сигналов, предназначенный для вычисления спектральных коэффициентов периодических сигналов и содержащий исчтоник сигнала, усилитель мощности, инвертор фильтр низкой частоты, усилитель-ограничитель, интегратор, фильтр постоянной составляющей, детектор, дифференцирующее устройство, генератор функций Уолша и и каналов, состоящие из последо-. вательно соединенных умножителя, интегратора и регистрирующего устрой,ства . (2 .

Недостатками известного анализатора периодических сигналов являются низкое быстродействие, так как действительные значения спектральных коэффициентов могут быть получены только в конце периода исследуемого сигнала, и ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что он предназначен для анализа периодической фкнкции на выбранном интервале времени и не может быть использован для "сколь789866 зящего" режима вычисления спектральных коэффициентов непрерывно изменяющегося во времени сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройтсво для вычисления коэффициентов разложения функции в ряд, содержащее накопительный блок, генератор импульсов, и ключей, и блоков делителей напряжения (с и выходами каждый) и n (авалов из последовательно соединенных сумматора, аналого-цифрового преобразователя и блока регистрации с соответствующими связями между блоками и узлами 3).

К недостаткам устройства следует отнести малую разрешающую способ-. ность, обусловленную тем, что очередной цикл анализа входного сигнала может быть начат только после предыдущего цикла,а действительные значения спектральных коэффициентов могут быть получены только после окончания интервала времени, в течение которого производится анализ сигнала.

Целью предлагаемого изобретения является повышение разрешающей способности.

Гоставленная цель достигается тем, что в спектральном анализаторе, содержащем генератор импульсов, блок считывания, первый и второй элементы

И и сумматоры-вычитатели, выход каждого из которых соединен со входом соответствующего ему блока для регистрации, выход генератора импульсов подсоединен к первому входу первого элемента И и к синхронизирующему входу интегрального преобразователя, выход которого связан со входом сдвигающего кольцевого регистра, синхронизирующий вход которого .подключен к выходу второго элемента И, а выход — ко входу блока считывания, выход которого соединен с первыми входами всех сумматоров-вычитателей, а синхронизиру* ющий вход — с выходом первого элемента И, подключенного также через первый элемент задержки ко входам генератора дискретных ортогональных функций и второго элемента задержки выход которого соединен с первым входом. второго элемента И, вторые входы первого и второго элементов

И подсоединены к единичному выходу триггера, информационные выходы генератора дискретных ортогональных функций связаны с управляющими входами соответствующих сумматоров-вы-, читателей, aего управляющий выход подключен ко входам для установки в нуль всех сумматоров-вычитателей и к нулевому входу триггера, выход генератора импульсов соединен также с входом счетчика, выход переполнения которого подсоединен к первому управляющему входу интегрального преобразователя и через третий элемент задержки — ко второму управляющему входу интегрального преобразователя и к единичному входу триггера, входы аналогового и цифрового сигналов интегрального преобразователя являются входами анализатора.

Кроме того, интегральный преобразователь содержит блок для сравнения аналоговых сигналов, первый вход которого является входом аналогового сигнала преобразователя, и блок для сравнения цифровых сигналов, первый вход которого является входом цифровых сигналов преобразо$5 вателя, выходы блоков сравнения подсоединены к входам элемента ИЛИ, выход которого связан со входом первого счетчика, установочный вход которого подключен ко второму управляющему входу преобразователя, а выход — ко входу блока считывания, выход которого является выходом интегрального преобразователя, а установочный вход соединен с первым управляющим входом преобразователя, син25 хронизирующий вход которого подсоединен ко входу датчика случайных чисел и сигналов, аналоговый и цифровой выходы которого связаны со вторыми входами соответствующих бло30 ков для сравнения.

На фиг.1 представлена блок-схема спектрального анализатора; на фиг.2блок-схема интегрального преобразователя 1 на фиг.1.

Спектральный анализатор содержит интегральгый преобразс.ватель 1, сдвигающий кольцевой регистр 2 (динамическая память), блок 3 считывания, 40 элементы 4 и 8 задержки, элементы

И 6 и 7, генератор 8 импульсов, триггер 9, генератор 10 дискретных ортогональных функций, сумматорывычитатели 11, блоки 12 для регистра45 циир ции счетчик 13 и элемент 14 задержки.

Цифрами 1. ), 16 и 17 обозначены соотьетственно цифровой, аналоговый и синхронизирующий входы интеграль50 ного преобразователя 1. Цифрой 18 выход интегрального преобразователя, а цифрами 19 и 20 — его соответственно первый и второй управляющие входы.

В состав интегрального преобразователя 1 входят блок 21 для сравнения машинных кодов, блок 22 для сравнения аналоговых сигналов,датчик 23 случайных чисел и сигналов, элемент ИЛИ 24, счетчик 25 и блок 26

60 считывания.

В предлагаемом устройстве реализуется алгоритм расчета спектральных коэффициен-.ов при разложении исследуемого сигнала по дискретным ор65 тогональным кусочно-постоянным функ789866

15 циям (Радемахера, Уолша, Хаара и т.п.). Любой спектральный коэффициент, например в базисе Уолша, может быть расчитан по формуле т е„-J«(««:)«t+(T)dt, с«е(о«), )«) о где C (t) — спектр Уолша от исследуемого сигнала Х (t,é.);

Wt)t - система ортогональных функций Уолша;

t текущее время;

Ь переменная интегрирования на интервале ортогональности (О, Т);

N = 2 = T«t д t число участков постоянства функций Уолша максимальной частоты (n = 1,2 ...);

b,t — интервал дискретизации по времени.

Так как Wo); = + 1 для функций Радемахера и Уалша (для других может принимать значения + A)5., чта в конечном счете не нарушает общности дальнейшего изложения), то (1) можно представить в виде

С ()=Е (4 («) ) «(«ъ)Ж)-Х („(й«).5 1 )5) (,e, Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом.

В каждый момент времени.в сдвигаю.дем кольцевом регистре 2 находится N значений элементарных интегралов выражения (2) от („ до „ включительна. Значение каждого элементарного интеграла ) вычисляется помощью интегрального преобразователя 1 на предыдущих этапах расчета спектральных коэффициентов.

В момент времени t, в которой начинается расчет спектральных коэффициентов C (t) для отрезка исследуемой функции f(t) на интервале (t,t - Т), на вход блока 3 считывания поступает код, соответствующий значению элементарного интеграла

Триггер 9 находится в единич-т ном состоянии, а единичный выход егс открывает элементы И б и 7 для прохождения импульсов с генератора

8 импульсов. Генератор 10 дискрет: ных ортогональных функций находится в исходном состоянии (значения функций соответствуют началу интервала ортогональности). Сумматоры-вычитатели 11 обнулены,а н блоках 12 для регистрации зафиксированы значения спектральных коэффициентов исследуемой функции на интервале (t - b.t, n-T- д t) . Счетчик 25 интегрального преобразователя 1 абнулен. Исследуемая функция f(t) непрерывно подается на вход 15 (если она представлена в цифровом виде) либо на вход 16 (если она представ20

4$

65 лена в аналоговом ниде) интегрального преобразователя. Таким образом, с момента нремени t в сумматорахвычитателях 11 осуществляется формирование спектральных коэффициентов C(t), С, (t), соответствии с алгоритом (2)« 6 интегральнЫй преобразователь 1 начинает формирование элементарного интеграла н„, который через время д t будет вычислен и передан в сдви- гающий кольцевой регистр 2 на место

P,(код которого к тому моменту времени будет подключен к входу блока 3 вчитывания, и таким образом осущест вится автоматическая перенумерация интегралов .) 3Ä,3„ 3„,,3 - Д .

Процесс формирования спектральных коэффициентов осуществляется следующим образом. В момент поступления импульса с генератора 8 импульсов через элемент И 7 на синхронизирующий вход блока 3 считывания осуществл-.ется передача кода 5„ в сумматоры-вычитатели 11 со знаками, соответствующими знакам дискретных ортогональных функций (например

Уолша Ио, W, . W< для текущего момента йнтервала ортогональности). Импульс, поступивший на синхрОнизирующмй вход блока 3 считывания, задерживается элементом 4 задержки на время переходных процессов в сумматорах-вычитателях 11 и поступает на вход генератора 10 дискретных артогональных функций, переводя

em в состояние, при котором на ега

Н информационных выходах сигналы соответствуют очередным значениям базисных функций. Импульс с выхода элемента 4 задержки задерживается элементом 5 задержки и через элемент И б поступает на управляющий вход сдвигающего кольцевого регистра 2, сдвигая и нем коды таким образом, что на вход блока 3 считывания подается код Л„, (этот процесс заканчивается до йрихода очередного импульса с генератора 8 импульсов), Процесс формиронания спектральных коэффициентов продолжается аналогичным образом до появления на входе блока 3 считывания кода . В этот момент времени на N информационных выходах генератора 10 дискретных ортогональных функций сигналы соответствуют последнему значению базисных функций Мо W„ ... W<, на выбранном интервале ортогональности О,Т (. После прихода очередного импульса с генератора 8 импульсов в сумматорах-вычитателях 11 происходит суммирование-вычитание их содержимого с кодом Qt, и задержанный на элементе 4 задержки импульс переводит генератор 10 дискретнь)х артогональных функций в исход)ае состояние . При этом импульс с упра н5) я) )щ« гo

789866 (й +1)-ro выхода генератора. 10 дискретных ортогональных функций после окончания переходных процессов устанавливает триггер 9 в нулевое состоя. ние и считывает содержимое сумматоров-вычитателей 11 (с установкой их в нулевое состояние)в блоки 12 для регистрации. Импульс, задержанный элементом 5 задержки, и импульсы с генератора 8 импульсов поступают на входы закрытых элементов И 6 и 7 и не воздействуют на блоки 2 и 3.

В этом режиме "ожидания" блоки анали затора (за исключением блоков 1 и 8) находятся до окончания процесса формирования элементарного интеграла (т.е. до окончания интервала времени n,t).

Процесс формирований элементарного интеграла J< осуществляется в интегральном преобразователе 1 следующим образом. Исследуемая функция, как указано выше, полается либо на вход 15, либо на вход 16 соответственно блоков 21 или 22 для сравнения.

Другие входы блоков 21 и 22 для сравнения подключены соответственно к цифровому и аналоговому выходам датчика 23 случайных чисел и сигналов, вход которого соединен с синхронизирующим входом 17 интегрального преобразования 1. На вход 17 с генератбра 8 импульсов поступают тактовые импульсы высокой частоты. Если случайное число или значение случайного аналогового сигнала меньше по абсолютной величине мгновенного значения исследуемой функции в момент прихода очередного тактового импульса, то в счетчик 25 через элемент, ИЛИ 24 поступает импульс. Счетчик

13 предназначен для подсчета числа испытаний И,укладывающихся в интервале времени. Частоту генератора всегда можно выбрать такой, что и = 2 (где а — целое число), и в этом случае величина 1 „ (накапливаемая в счетчике 25) может быть промасштабирована путем соответствующего сдвига кода числа при считывании с помощью блока 26 считывания. Считывание кода 3„+ на выход 18 осуще-. ствляется импульсом переполнения со счетчика 13. Этот же импульс, но задержанный на время окончания переход. ных процессов при записи кода Д„, в сдвигающий кольцевой регистр 2 (на место кода ),осуществляет обнуление счетчика 25 и установку в единичное состояние триггера 9. После этого процесс вычисления спектральных коэффициентов повторяется, как описано выше.

Повышение разрешающей способности проявляется в том, что в предлагаемом устройстве используется "сколь.:зящий" режим вычисления спектральных коэффициентов с интервалом дискретизации с,в то@ время как устройство-прототип вычисляет спектральные коэффициенты только после окончания интегрирования исследуемой Функции

f(t) на интервале времени ) О,Т

Предлагаемый же спектральный анализатор на этом же интервале вычисляет спектральные коэффициенты

N раз, причем N = Т/ht и определяется временем преобразования в интегральном преобразователе, которое в свою очередь определяется быстродействием цифровых элементов в интегральном преобразователе (частота генератора импульсов может уве l5 личиваться практически безгранично) и точностью преобразователя, которая связана с числом испытаний N".

Формула изобретения

2О 1. Спектральный анализатор,содержащий генератор импульсов, блок считывания, первый и второй элементы

И и сумматоры-вычитатели,выход каждого из которых соединен со входом

25 соответствующего ему блока для регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности, выход генератора импульсов подсоединен к первому входу первого элемента И и к синхронизирующему входу интегрального преобразователя, выход которого связан со входом сдвигающего коль— цевого регистра, синхрониэир;...зщий вход которого подключен к выходу второго элемента И, а выход — ко входу блока считывания, выход которого соединен с первыми входами всех =ум— маторов-вычитателей, а синхронизирующий вход — c выходом первого эле4О мента И, подключенного также через первый элемент задержки ко входам генератора дискретных ортогональных функций и второго элемента задержки, выход которого соединен с первым

4 входом второго элемента ii, вторые входы первого и второго элементов

И подсоединены к единичнЧ>му выходу триггера, информационныс выходы генератора дискретных ортогональных функций связаны с управляющими входами соответствующих сумматоров-вычитателей, а его управляющий выход подключен ко входам для установки в нуль всех сумматоров-вычитателей и к нулевому входу триггера, выход генератора импульсов соединен также с входом счетчика,, выход переполнения которого подСоединен к первому управляющему входу интегрального преобразователя и через третий.элеЩ мент задержки — ко второму управляющему входу интегрального преобразователя и к единичному входу триггера, входы аналогового и цифрового сигналов интегрального преобразова65 теля являются входами анализатора.

789866

2. Спектральный анализатор по п.1 отличающийся тем, что интегральный преобразователь содержит блок для сравнения аналоговых сигналов, первый вход которого является входом аналогового сигнала преобразователя, и блок для сравнения цифровых сигналов, первый вход которого является входом цифровых сигна- лов преобразователя, выходы блоков.. сравнения подсоединены к входам элемента ИЛИ, выход которого связан со входом первого счетчика, установочный вход которого подключен ко второму управляющему входу преобразователя, а выход — ко входу блока считывания, выход которого является выходом интегрального преобразователя, а установочный вход соединен с первым управляющим входом преобразователя, синхронизирующий вход которого подсоединен ко входу датчика случайных чисел и сигналов, аналоговый и цифровой выходы которого связаны со вторыми входами соответствующих блоков для сравнения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 382111, кл. G 06 С 7/52, 1971..

2. Авторское свидетельство СССР

9 470754, кл. G 01 R 23/00, 1973.

3. Авторское свидетельство СССР

1S 9 470812, кл. G 06 F 15/34, 1974 .

7898бб

Аг 2

Составитель Е. Потапов

Редактор В. Данко Техред, М.Табакович Корректор Е. Папп

Заказ 9032/44 Тираж 1019 Подписное

BHHHIlH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий, 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб, д. 4/5

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