Цифровой анализатор спектра

 

Союз Советских .Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 25. 05. 81 (21) 3292010/18-24 (5l)Nl. Кл. с присоединением заявки.М

G 06 F 15/332

Реударотвапай комитет

СССР яо делам изобретений н открытий (23) Приоритет

Опубликовано 15. 11. 82. Бюллетень М 42 (53) УДК 681. 323 (088. 8) Дата опубликования описания 15. 11. 82

E. К. Костецкая, Л. В. Сабаев и T. Н. Федор (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в аппаратуре, осуществляющей спектральную обработку электрических сигналов s реальном масштабе времени.

Известны цифровые устройства, .осуществляющие спектральную обработку электрических сигналов в реальном масштабе времени по алгоритмам быстрого преобразования Фурье (БПФ) . Эти уст1о ройства содержат либо один узел БПФ, состоящий из запоминающих блоков, сумматоров и умножителей, либо несколько одинаковых узлов БПФ, соединенных параллельно или последовательно.

Известно устройство, реализующее алгоритм БПФ на большое число входных отсчетов, работающее в реальном масштабе времени, содержащее несколько одинаковых параллельно соединенных узлов БПФ, каждый из которых состоит иэ запоминающих блоков, арифметического блока, блока хранения коэффициентов БПФ и коммутаторов (1 ).

Недостатком этого устройства является большой объем аппаратуры, в случае, когда на вход устройства поступает большой объем входной информации, а на выходе требуется получить небольшое число выходных значений, а также невысокая частотная избирательность фильтров, реализуемых с помощью алгоритма БПФ.

Объем аппаратуры устройства-прототипа зависит от числа входных выборок

N: чем больше N, тем большее количество узлов БПФ должно быть в устройстве-прототипе при работе в реальном масштабе времени.

Известно устройство, содержащее блок преобразования, фурье, два выхода которого через квадраторы соединены со входом сумматора, выход которого соединен с линейным или нелинейным регистратором (2).

Недостаток устройств связан с недостаточной разрешающей способностью устройства.

974374

Бельа изобретения является увеличение разрешающей способности;

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой анализатор спектра, содержащий блок быстрого преобразования фурье, два выхода которого подключены соответственно ко входам первого и второго квадраторов, выходы которых соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого 10 подключен ко входу блока извлечения квадратного корня, введены преобразователь частоты, блок цифровой фильтрации и блок весовой обработки, пер вый и второй выход которого соединены 1 соответственно с первым и вторым входами блока быстрого преобразования

Фурье, первый и второй входы преобразователя частоты являются соответственно первым и вторым входами цифрово го анализатора спектра, два выхода преобразователя частоты подключены соответственно к первому и второму входам блока цифровой фильтрации, выходы которого соединены соответствен- но с первым и вторым входами блока весовой обработки.

Второе отличие цифрового анализатора спектра состоит. в том, что преобразователь частоты содержит четыре блока умножения, два суммФгора и блок памяти, первый выход которог.о соединен с первыми входами первог.о и четвертого блоков умножения, второй выход блока памяти подключен к первым входам второго и третьего блоков ум3$ ножения, вторые входы первого и третьего блоков умножения объединены и являются первым входом преобразователя частоты вторым входом которого явля-.

40 ются вторые входы второго и четвертого блоков умножения, входы первого сумматора соединены соответственно с выходами первого и второго блоков умножения, входы второго сумматора подключены соответственно к выходам треМ тьего и четвертого блоков умножения, выходы сумматоров являются соответственно первым и вторым выходами преобразователя частоты.

Третье отличие цифрового анализатора спектра состоит в том, что блок весовой обработки содержит блок памяти и два блока умножения, первые входы которых являются соответственно первым и вторым входами блока весовой обработки, выходами которого являются соответствейно выходы блоков умножения, вторые входы которых подключены к выходу блока памяти.

Четвертое отличие цифрового анализатора спектра состоит в том, что блок цифровой фильтрации содержит блок памяти и два фильтра нижних частот, каждый иэ которых содержит блоки умножения, накапливающие сумматоры и коммутатор, выход. которого является соответствующим выходом блока цифровой . фильтрации, входами которого являются соответственно объединенные первые входы блоков умножения первого и вто° рого фильтра нижних частот, вторые входы одноименных блоков умножения первого и второго филь гров нижних частот соединены с соответствующими выходами блока .памяти, выходы блоков умножения каждого из фильтров нижних частот через соответствующие накапливающие сумматоры соединены с соответствующими входами коммутатора.

Уэег, цифровой фильтрации состоит из двух одинаковых фильтров нижних частот (ФНЧ),. каждый из которых содержит несколько умножителей и соединенных с каждйм из них последовательно накапливающих сумматоров, выходы которых соединены с коммутатором. С помощью узла цифровой филЬтрации осуществляется сужение полосы частот входного комплексного процесса до величины, равной зоне анализа. За счет этого число выборок, поступающих на вход узла БПФ, может быть сокращено в — . раз, что позволяет обрабатывать

hF ы в реальном масштабе времени поступаю-: щую с выходов ФНЧ информацию с помощью одного узла БПФ, в то время, как в устройстве-прототипе для этого требуется несколько узлов БПФ.

Узел весовой обработки состоит из двух умножителей и блока хранения весовых коэффициентов и предназначен для умножения выборок, поступающих с выходов ФНЧ, на весовую функцию, что обеспечивает формирование требуемой ормы амплитудно-частотной характеристики фильтров анализатора спектра.

Преобразователь частоты состоит из четырех блоков умножения, двух сумматоров и блока хранения комплексных гармонических коэффициентов, и осуществляет перенос спектра входного процесса в область йижних частот путем перемножения входных комплексных отсчетов сягнала с комплексными коэффйциентами, представляющими собой вы974374 где х (l)- комплексная выборка на выходе преобразователя частоты;

- номер выборки; ш — центральная частота эоны анализа, 04;П 64Р

45 тк =1/F»

Гк, Т„- соответственно частота и такт квантования входного комплексного процесса.

Обычно для комплексного процесса

55 с целью уменьшения эффекта наложения спектров сигналов из"за временной дискретизации частота Г» берется в a pay борки иэ двух ортогональных гармонических колебаний ожидаемой частоты.

На чертеже показана блок-схема анализатора.

Устройство состоит из последовательно соединенных между собой преобразователя частоты 1, блока цифровой фильтрации 2, блока 3 весово". обработ» ки, блока 4 быстрого преобразования

Фурье и блока 5 детектирования, блок 1О

2 содержит два фильтра 6 йижних частот.

Преобразователь частоты содержит четыре блока умножения 7, два сумматора 8 и блок памяти 9 для хранения комплексных гармонических коэффици- 1З ентов.

Бпок цифровой фильтрации 2 состоит иэ блоков 10 умножения, накапливающих сумматоров 11, блока памяти 12 для хранения коэффициентов ФНЧ, коммута- 20 торов 13. Блок весовой обработки 3 содержит два блока умножения 14 и блок памяти 15 для хранения весовых коэффициентов. Блок 4 БПФ содержит коммутатор 16, блоки памяти 17 и 18, 2$ коммутатор 19, арифметический блок 20, и блок памяти 21 для хранения коэффициентов БПФ, блок памяти 22. Блок детектирования 5 состоит иэ двух квадраторов 23, сумматора 24 и узла извлек чения квадратного корня 25.

Цифровой анализатор спектра работает следующим образом.

На вход устройства с тактом Т„ поступают комплексные выборки хв,,(1)

= хикс(1) + ix&x р(1)- входного процесса соответственно на косинусный и синусный входы преобразователя частоты.

Алгоритм работы преобразователя частоты 3ш е Tê 4Ф х (1) = хек (1) -е " больше половины полосы частот входного процесса ьГ, т-е. Гк=(Косинусные составляющие входных выборок х „ (1) поступают на первые входы первого и третьего блоков умножения 7, синусные хв„ (1) — на первые входы второго и четвертого блоков умножения 7.

Иэ блока памяти 9 комплексных гармонических коэффициентов с тем we тактом Тк выбираются соответствующие

-,,ют значения функции в к, которые поступают на вторые входы соответствующих блоков умножения 7 для выполнения операции умножения двух комплексных чисел. С выходов первого и второго блоков умножения 7 информация поступает на входы первого сумматора 8, на выходе которого получается косинусная составляющая выборки х (l), а с выходов третьего и четвертого блоков умножения 7 информация поступает на вхо- ды второго сумматора 8, на выходе которого получается соответственно синусная составляющая выборки x (I).

t I

Две квадратурные составляющие преобразованного сигнала х (l)с тем же тактом Тк поступают на вход узла цифровой фильтрации 2, работающего по следующему алгоритму

Э-4

k(4)=K х (%Ь-1)М1, ic0 где х() - комплексная выборка сигна-ла на выходе узла цифровой фильтрации 2; (1) - весовая функция фильтров нижних частот 6; номер числа среди выбранной последовательности чисел;

I - порядок (кратность ) перекурсивного ФНЧ 6;

n - номер отсчета с выхода ФНЧ

У

q - коэффициент временного раз режения выходной информации;

Т о вЂ, Т вЂ” такт съема информации с выхода ФНЧ 6.

Число умножителей lOM и связанных с ними накапливающих сумматоров 11 в каждом ФНЧ 6 определяется из соотношения . тв

&cp

М=— тс где Т» - длительность весовой функции ФНЧ.

974374

Косинусная составляющая сигнала х(1) поступает на первые входы всех

М блоков умножения 10 первого фильтра 6 нижних частот, синусная — второго. Одновременно с ними на вторые вхо- ды блоков умножения 10 поступают из блока памяти 12 коэффициентов соответствующие значения функции h(i-mô, где m=0-M-1; m — номер блока умножения в каждом фильтре нижних частот. IO

С выходов блока умножения 10 информация поступает на входы накапливающих сумматоров 11, где копится в течение тактов, после чего считывается на выход блока 2 с помощью коммутато- 1$ ра 13, который последовательно во времени с тактом Т подключает выходы накапливающих сумматоров 11 к выходу блока 6. После съема информации с соответствующего накапливающего сумма- 20 тора ll цикл работы каждого блока умножения 10 и накапливающего. сумматора

11 повторяется.

С помощью обоих фильтров 6 полоса пропускания каждого из которых выби-. 2S рается равной половине полосы анализа, происходит сужение полосы частот входного процесса до величины, равной зоне анализа. За счет этого частота съема информации с фильтров 6 может З0 быть взята равной F =asap+«=anF/2.

Таким образом, на выходе каждого фильтра 6, т. е. на выходе коммутаторов

13,информация получается разреженной

llo отношению к входной в bF/üFà раз,, что позволяет во столько же раэ уменьшить число отсчетов, поступающих на вход блока 4, и тем самым сократить объем обрабатываемой им информации.

Разреженная информация с выходов

УЦФ 2 поступает на входы бл ка 3, работающего по следующему алгоритму х"(Ь)=А(Ь)С(п), где С(п1 - действительные выборки из весовой функции.

В блоке 3 происходит умножение комплексных выборок x(n), поступающих на блоки умножения 14 на действительную весовую функцию С (и), коэффициенты которой. хранятся в блоке памяти 15.

S0 Это обеспечивает получение требуемои формы амплитудно-частотной характеристики фильтров спектроанализатора.

С выхода блока 3 весовой обработки взвешенные выборки х"(n) поступают на вход блока .4 .БПФ, работающего по алИ го ритму й„-1 «3 (y(k) D х".(г.) ° е — „1 п1, и-О где k - номер выходного отсчета;

n — номер входного отсчета;

N — количество поступающих на вход узла БПФ комплексных выборок; j(k)- комплексйая выборка на выходе

k-го фильтра.

Входная информация поступает на входы коммутатора 16, вторая пара входов которого соединена с выходом арифметического блока 20, осуществляющего в соответствии с алгоритмом БПФ реализацию элементарной операции над двумя точками, поступающими через коммутатор 19 на арифметический блок 20 с одного из блоков памяти 17 и 18 или

22 в зависимости от номера выполняемой операции. На вторые входы арифметического блока 20 с выхода блока хранения комплексных коэффициентов БПФ

21 поступают соответствующие значения функции.

С выхода блока БПФ 4 выходные от- . счеты y(k) последовательно поступают на вход блока детектирования 5, реализующего следующий алгоритм:

Б(1) =

rAe ye(k) + jy>(k) = y(k)

S (k) - значение огибающей на выходе k- го фильтра. ус(k) и у (k) поступают на входы соответствующих квадраторов 23, с выходов которых у (k) и у (k) поступают на входы, сумматора 24, с выхода которого полученная сумма поступает на вход узла извлечения квадратного корня 25.

Оценку технико-экономической эффективности применения предложенного устройства по сравнению с устройствомпрототипом целесообразно проводить, исходя из условия решения ими одной и той же задачи.

Требуется построить анализатор спектра на основании следующих исходных данных: полоса частот входного комплексного процесса дГ, соответстаГ венно частота квантования Гк=а-у, полоса анализадГа, длительность весовой функции фильтров анализатора спектра

Тф, период спектрального анализа Тсы.

Можно показать, что применение описанного устройства более экономично для зоны анализа меньшей полосы частот входного комплексного процесса более чем в два раза.

Формула изобретения

Цифровой анализатор спектра, содержащий блок быстрого преобразования

9743

Фурье, два выхода которого подключены соответственно ко входам первого и второго квадраторов, выходы которых соединены с соответствующими входами

<.умматора, выход которого подключен 5 ,ко входу блока извлечения квадратного корня, о т л .и ч а ю шийся тем что, с целью увеличения разрешающей .=пособности, в него введены преобразователь частоты, блок цифровой филь- 1 грации и блок весовой обработки, первый и второй выход которого соединены соответственно с первым и вторым входами блока быстрого преобразования

Фурье, первый и второй входы преобра- 1з эователя частоты являются соответственно первым и вторым входами цифрового анализатора спектра, два выхода преобразователя частоты подключены соответственно к первому и второму вхо- 11 дам блока цифровой фильтрации, выходы с которого соединены соответственно с первым и вторым входами блока весовой обработки.

2. Анализатор по и. 1, о т л и ч а- ю шийся тем, что преобразователь частоты содержит четыре блока умножения, два сумматора и блок памяти, первый выход которого соединен с первыми входами первого и четвертого бло- ЗФ ков умножения, второй выход блока памяти подключен к первым входам второго и третьего блоков умножения, вторые входы первого и третьего блоков умножения объединены и являются первым входом преобразователя частоты, вторым входом которого являются вторые входы второго и четвертого блоков умножения, входы первого сумматора соединены соответственно с выходами пер- р вого и второго блоков умножения, входы второго сумматора подключены соответственно к выходам третьего и чет74 10 вертого блоков умножения, выходы сумматоров являются соответственно первым и вторым выходами преобразователя частоты.

3. Анализатор по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю шийся тем, что блок весовой обработки содержит блок памяти и два блока умножения, первые входы которых являются соответственно первым и вторым входами блока весовой обработки, выходами которого являются соответственно выходы блоков умножения, вторые входы которых подключены к выходу блока памяти.

4. Цифровой анализатор спектра по пп. 1-3, отличающийся тем, что блок цифровой фильтрации содержит

5floK памяти и два фильтра нижних частот, каждый иэ которых содержит блоки умножения, накапливающие сумматоры и коммутатор, выход которого является соответствующим выходом блока цифровой фильтрации, входами которого являются соответственно объединенные первые входы блоков умножения первого и второго фильтров нижних частот, вторые входы одноименных блоков умножения первого и второго фильтров нижних частот соединены с соответствующими выходами блока памяти, выходы блоков умножения каждого иэ фильтров нижних частот через соответствующие накапливающие сумматоры соединены с соответствующими входами коммутатора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР и 660057, кл. G 06 F 15/332, 1979

2. Мирский Г. Я. Аппаратурное on ределение характеристик случайных процессов. M., "Энергия", 1972, с. 259261-(прототип).