Цифровой анализатор спектра,основанный ha дискретном преобразо-вании фурье

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

It АВТОРСХОМУ CS ИТВЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистических

Республик (1)807181 (61) Дополнительное к авт. свмд-ву (22) Заявлено 21.08.78 (2! } 2660916/18-24 с присоединением заявки йо (51)М. Кл.

Q 01 R 23/00

5 06 F 15/36

Государственный комнтет

СССР по делам нзобретеннй н открытнй (23) Приоритет

Опубликовано 230281. Бюллетень 1ч- 7

Дата опубликования описания 25.0231 (И) 4Ê 681.323 (088.8) В. A. Буров, Ю. Ф. Алексеенков, Л. Л. Ник ороЪ,",„:, ": -.,:

В. В. Садовский и А. И. Решетников

-! ," 7

1 !

Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) ЦИФРОВОИ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА, ОСНОВАННЫЙ

HA ДИСКРЕТНОИ HPEOFPAB BAHHH ФУРЬЕ

Изобретение относится к цифровой обработке сигналов, а именно к устройствам анализа спектра сигналов.

Иэвестно параллельное быстродействующее устройство вычисления пол5 ного преобразования Фурье, в котором последовательность входных кван) тованных сигналов передается на каждый из нескольких параллельных блоков обработки, содержащих группы накопленных сумм произведений входных квантованных сигналов с соответ- ствующими величинами тригонометрических функций. указанные группы накопленных сумм подвергаются затем параллельно преобразованию Фурье для получения коэфФициентов Фурье, соответствующих начальной входной последовательности111.

Одн ако, поскольку количество блоков З) обработки сигналов соответствует числу требуемых коэффициентов фурье, то в большинстве реальных задач состав аппаратуры, необходимый для реализации указанного способа и устройства, становится через- вычайно большим, устройство же очень сложным, что в свою очередь понижает надежность его работы. Возникает необходимость хранить в памяти каждого блока обработки набор триго- ЗО. нометрических коэффициентов, что еще более увеличивает состав аппаратуры устройства.

Известна так:;e система для преобразования Фурье в реальном времени, содержащая ряд последовательно соедийенных вычислительных устройств, каждое из которых состоит из устройства, выполняющего арифметические операции над группой данных, устрояства для запоминания части группы данных,устройства для передачи результата арифметических операций над данными к устройствам их запоминания постоянное запоминающее устройство для запоминания значений тригонометрических функций 2)

Однако в этом устройстве количество аппаратуры также значительно, и для хранения тригонометрических коэффициентов требуется запоминающее устройство.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является цнфровой анализатор спектра, использующий дискретное, преобразование фурье,а состав аппаратуры, .реализующей преобразование Фурье, существенно уменьшен. Этот анализатор спектра содержит аналого-цифровой преобразователь вопвг для получения последовательного ряда цифровых слов, первый блок для запоминания последовательности слов, блок умножения каждого слова, выбранного из первого устройства памяти, на выбранное значение функции окна, служащее для обраэования слов соответствующих произведений, второй блок для запоминания произведений, блок для умножения слов, выбираемых из второго запоминающего устройства, на выбранные значения тригонометри- 1О ческих функций, служащих для получения множества групп, представляющих соответственно вещественную и мнимую части дискретного преобразования Фурье (ДПФ)для последователь- 35

I ности упомянутых произведений. Каждое слово иэ множества групп действительной и мнимой частей ДПФ, соответствующее множеству спектральных линий К, накапливается в накопите- щ лях, затем усредняется. Для получения значения мощности соответствующее среднее значение действительной и мнимой частей каждой спектральной линии возводится в квадрат и квад раты полученных средних значений складываются.

Для получения тригонометрических коэффициентов в памяти хранятся значения синусов четверти периода гармонической функции. Считывание из памяти нужного значения этой функции происходит после вычисления адреса, соответствующего текущим значениям аргумента, что достигается при помощи специального вычис- М лительного блока f3).

Хотя в указанном устройстве и достигается сокращение аппаратурных средств, но получается проигрыш в быстродействии, в результате чего 4Q работа в реальном времени возможна не во всех анализируемых диапазонах частот. Кроме этого, блок получения тригонометрических коэффициентов довольно сложен по конструкции и количество анализируемых спектральных составляющих и отсчетов определено конструкцией прибора и не может изменяться пользователем.

Целью изобретения является повышение быстродействия и упрощение

50 цифрового анализатора спектра.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой анализатор спектра, основанный на дискретном преобразовании Фурье, содержащим аналогоцифровой преобразователь, вход которого является входом устройства, а выход подключен к первому входу блока умножения, второй вход которого соединен с выходом блока выбора ве- 5Q совых коэффициентов,.сумматор, первый, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам блока накопления, блока вычисления мощности и блока памяти, выходы сумматора соединены соответственно со входами блока накопления, блока вычисления мощности и блока памяти, введен блок тригонометрического умножения, вход которого соединен с выходом блока умножения, а выходы подключены соответственно ко входу блока выбора весовой функции и к четвертому и пятому входам сумматора.

Другое отличие анализатора состоит в том, что блок тригонометрического умножения содержит первый и второй блоки задания постоянных. кодов, первый и второй источники постоянных напряжений и первый и второй синус-косинусные умножающие генераторы, входы первого иэ которых подключены соответственно к выходам первого и второго блоков задания постоянных кодов и к выходам первого и второго источников постоянных напряжении, входы второго синус-косинусного умножающего генератора подключены соответственно к первому и второму выходам первого синус-косинусного умножающего генератора, .к выходу первого источника постоянного напряжения, а четвертый вход является входом блока тригонометрического умножения, выходами которого являются соответственно первый вЫход первого синус-косинусного умножающего генератора и первый и второй выходы второго синус-косинусного умножающего генератора.

При этом синус-косинусный умножающий генератор, содержащий первый регистр, выход которого соединен со входами первого и второго блоков умножения, и второй регистр, выход которого соединен со входами третьего и четвертого блоков умножения, вторые входы первого и третьего блоков умножения являются первыми управлякицими входами синус-косинусиого умножающего генератора, второй управляющий вход которого соединен со вторым входом четвертого и через иивертор — co вторым входом второго блока умножения, выходы первого и четвертого блоков умножения соединены с соответствующими входами первого сумматора, а выходы второго и третьего блоков умножения подключены к соответствующим входам второго сумматора, выход первого сумматора соединен со входом первого регистра, выход второго сумматора — со входом второго регистра, вторые входы регистров яв- . ляются соответственно третьим и четвертым входами синус-косииусного умножающего генератора, а выходы регистров являются выходами синус-косинусного умножающего генератора.

На фиг. 1 изображена структурная схема цифрового анализатора спектрами на фиг. 2 - структурная схема устройства получения произведений.взвешенных отсчетов на тригонометрические

807181 коэффициенты; на фиг. 3 — структурная схема синус- косинусного генератора.

Цифровой анализатор спектра состоит из аналого-циФрового преобразователя

1, выход которого соединен с первым входом блока 2 умножения второй

У вход которого соединен с блоком 3 5 выбора весовои функции, а выход— со входом блока 4 тригонометрйческого умножения для получения произведений взвешенных отсчетов на тригонометрические коэффициенты. Первый 1 выход блока 4 соединен со входом блока 3, а другие его выходы — со входом сумматора 5. Другие входы и выходы сумматора 5 соединены с блоком

6 памяти, хранящим мнимую и действительную части дискретного преобразования Фурье, н с блоком 7 накопления для усреднения коэффициентов спектра мощности, а также с блоком 8 вычисления мощности и входом цифрового дис- 39 плея 9.Выход блока 8 через цифроаналоговый преобразователь 10 подключается к электроннолучевой трубке 11 и самописцу 12.

Блок 4 для получения произведений взвешенных отсчетов на тригонометри- ческие коэффициенты состоит из двух. синус-коеинусных умножающих генераторов, каждый из которых имеет два управляющих входа, два установочных входа и два выхода (фиг.2). Первый установочный вход генератора 13 соединен с источником 14 постоянного . напряжения, управляющие входы соединены с блоками 15 и 16 задания постоянных кодов, а выходы соединены с управляющими входами генератора 17, первый установочный вход которого является входом блока 4.Вторые установочные входы обоих генера roðîâ 13и17 соединены с источником 18. постоянного 49 напряжения и выход синус-косинусного генератора 13 является первым выходом блока 4, а выходы второго генератора 17- другими выходами устройства 4. 45

Синус-косинус ный умножающий генератор, структурная схема которого изображена на фиг. 3, состоит из первого регистра 19, выход которого соединен со входом блоков 20 и 21 умножения, и второго регистра .22, выход которого соединен со входами блоков 23 и 24 умножения, вторые входы блоков 20 и 23 умножения соединены с первым управляющим входом синускосинусного умножающего генератора, второй управляющий вход его соединен. со вторым входом блока 24 умножения и через инвертор 25 — с блоком 21.

Выходы блоков 20 и 24 соединены со входами сумматора 26, à 46 выходы. блоков 21 и 23 соединены со входами сумматора 27. Выход сумматора 26 соединен со входом регистра 19, а выход суматора 27 соединен со входом регистра 22. Вторые входы регистров являются установочными входами, а выходы регистров — выходами синус-косинусного генератора.

С выхода аналого-цифрового преобразователя 1 на вход блока 2 умножения поступает цифровое слово f(n), соответствующее И -й выборке в последовательности и выборок входного сигнала. В блоке 2 вычисляется произведение A f(n) Ю(И) где

N(n) †. И, -е значение весовой функции, поступающее с выхода устройства

3, производящего выбор весовой функции. Взвешенный отсчет A поступает затеи на вход блока 4, в котором для соответствующему текущей выборке f(g) последовательно вычисляется К произведений АМИЖиК/N и coS2llngnl для И = 0,1... N u

K = 0,1... К, где K — количество анализируемых спектральных составляющих. С первого выхода устройства 4 на вход устройства 3 поступает значение коэффициента со3.2 Хи/ц для формирования весовой функции окна Хемминга 4/2.(e-со52Ги/И) а со второго выхода — произведения ясо$ Щ- — и Aип 2йnK/IV поступают на вход сумматора 5, где суммируются с содержимым К-й ячейки. блока 6 памяти, хранящего сумвзи вида yAwseana/й

И EASIN2llrtg/й . Результат сложения отсылается в К-ю ячейку. После обработки N -го отсчета в запоминающем устройстве 6 хранится К мнимых(1)и действительных (В)частей коэффициентов

ДПФ входного сигнала, заданного последов атель н остью И слов Х(н °, I

Множество К коэффициентов ДПФ сумМируется с накапливаемыми в блоке 7, накопления суммами и затем усредняя ется. усредненные значения мнимой и действительной части K коэффициентов

ДПФ поступают в блок 8 вычисления мощности, где вычисляется К-я сскгтавляющая спектра мощности входного сигнала Р(К)= P(k)+ В (К) . Значенне P (К) может быть выведено на цифровой дисплей 9, и через цифроаналоговый преобразователь 10 — на электроннолучевую ъ;рубку 11 и самописец 12. На выходе источника 15 постоянного кода формируется код, соответствующий значению s i л2ЖМ) а на выходе блока 16 задания постоянного кода — код, соответствукщий cos

2Я/ККод на выходе источника 14 напряжения соответствует значецию "1", а на выходе источника напряжения 18 значению "0". С первого выхода. генератора 13 поступает значение sin со второго его выхода-значение cps

gIIn/й.Перед началом обработки отсчета f(nI на первый установочный вход генератора 17 подается произведение A. В процессе обработки ss -го взвешенного отсчета на первом выходе генератора 17 форми807181

Формула изобретения

15 ключены соответственно к выходам блоНа 3-м такте на этих выходах будут соответственно g1I1y — — и cpsj, а на -м 20

2 II 211 такте — ми-{- 1.1 и cas и. Значения

24 N 2IÃ ъ1 и 2IIn/N и соэ2%и/N подаются на уп. равляющие входы в торого ге нератора

17, а на установочные входы — соответственно А и ."О". 25

Тогда, очевидно, на . выходах генератора 17 после отработки К-го такта будут коды, соответ твующие произведениям Асозйипк/1ч и Asin28 l1ê/N, Накапливая сумму 2 N .таких произ- gg ведений для каждого К в запоминающем устройстве, выполненном, например, на сдвиговых регистрах, мы получаем множество мнимых частей I (X)II и действительных частей (Е)спектральных линий К.

Таким образом, в предлагаемом устройстве нет необходимости в запоминании последовательности N слов т(и) так как каждое слово f { И ) обрабатывается для всех К спектральных состав- 4О ляющих, и после обработки хранение ,его не обязательно. Кроме.;:того, отсут ствует память для хранения тригонометрических коэффициентов.и специаль ный блок для вычисления адресов,соот- 4$ ветствующих коэффициентов с текущими значениями и и К.умножение взвешенного отсчета А на тригонометрические коэффициенты co52linK/N и 5ll125nK/f4 в предлагаемом устройстве совмещается щ с получением значений этих коэффициентов, таким образом не требуется времени на вычисление нужного адреса коэффициента и вызов его иэ запоминающего устройства. Это позволяет также изменять число анализируемых линий К и число анализируемых отсчетов N по желанию пользователя как в сторону увеличения, так в сторону уменьшения, чего нельзя сделать в известном устройстве, поскольку эти 60 числа определяются в нем конструкцией . блока хранения и выборки тригонометрических,коэффициентов. Кроме того, ПРОИЗВЕДЕНИЯ А МН 2% ll К/N И АСОЭ21111К/N вычисляются одновременно, в то время, е5 руется произведение ACoS13nk/Й а на втором выходе — произведение

AsttlMl1к/N поступающее затем в сумматор 5.

Формирование этих произведений происходит следующим образом. В начале работы ра первый установочный вход синус-косинусного генератора 13 подается "1", а на второй-"О,"

Это соответствует занесению "1" в регистр 22, а "О" — в регистр 19.

Таким образом, на следующем такте на выходе сумматора 26 будет значение

Мй 211/N а на выходе сумматора

27 - соэ211/N . На втором такте на тех же выходах соответственно будет

54l1 25/N coS 21/5 «co52II/N 5.1И 2 /N =Sill 2 25 /й

С05 211/N CO52Il/N — Sln 2й/И . 51И 2II/N =COSЯ 2II/N как в известном устройстве это принципиально невозможно.

1. Цифровой анализатор спектра, основанный на дискретном преобразовании Фурье, содержащий аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом устройства, а выход подключен к первому входу блока умножения, второй вход которого соединен с выходом блока выбора весовых коэффициентов, сумматор, первый, второй и третий входы которого подка накопления, блока вычисления мощности и блока памяти, выходы сумматора соединены соответственно со входами блока накопления, блока вычисления мощности и блока памяти, о т л и ч а ю щ и A. ñ я тем, что, с целью повышения быстродействия и упрощения цифрового анализатора спектра, в него введен блок тригонометрического умножения, вход которого соединен с выходом блока умножения, а выходы подключены соответственно ко входу блока выбора весовой функции и к четвертому и пятому входам сумматора.

2. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок тригонометрического умножения содержит первый и второй блоки задания постоянных кодов, первый и второй источники постоянных напряжений и первый и второй синус-косинусные умножающие генераторы, входы первого из которых подключены соответственно к выходам первого и второго блоков задания постоянных кодов и к выходам первого и второго источников постоянных напряжений, входы второго синус-коси-, нусного умножающего генератора подключены соответственно к первому и второму выходам первого синус-косинусного умножающего генератора, к выхо-, ду первого источника постоянного напряжения, а четвертый вхсщ является входом блока тригонометрического умножения, выходами которого являются соответственно первый выход первого синус-косинусного умножающего генератора и первый и -второй выходы второго синус-косинусного умножающего генератора.

3. Устройство по п п. 1-2, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что синускосинусный умножающий генератор содержит первый регистр, выход которого соединен со входами первого и второго блоков умножения, и второй регистр, выход которого соединен со входами третьего и четвертого блоков умножения, вторые входы первого и . третьего блоков умножения яэляются первыми входами умножающего синус- .

807181

10 косинусного генератора, второй вход которого соединен со вторым входом четвертого и,через инвертор - qo вторым входом второго блока умножения, выходы первого и четвертого блоков умножения соединены с соответствующими входами первого сумматора, а выходы второго и третъего блоков умножения подключены к соответствующим входам второго сумматора, выходы первого сумматора соединены со входом первого регистра, выход второго сумйатора - со входом второго регистра, вторые входы регистров являются соответственно третъим и четвертым входаэа синус- косинусного умножающего генератора, а выходы регистров являются выходами синус-косинусного умножающего генератора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертиэе1 ° Патент CllA 9 3662161, кл. G 06 F 7/38, 1972.

2. Патент CllA Ю 3881100, кл. G 06 Р 15/34, 1975.

3. Патент США Ф 3881097, кл. G 06 F 15/34, 1975(прототип).