ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА Российский патент 1994 года по МПК G06F15/332 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в цифровых вычислительных системах, предназначенных для обработки сигналов, в частности для проведения цифрового динамического спектрального анализа и корреляционной фильтрации сигналов.

Известны цифровые анализаторы спектра, используемые при организации спектрального анализа сигналов (авт. св. СССР N 932419, кл. G 06 F 15/332, 1982 и авт. св. СССР N 1365094, кл. G 06 F 15/332, 1988).

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является анализатор спектра (авт. св. СССР N 1365094, кл. G 06 F 15/332, 1988), имеющий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), сумматоры, умножители, генератор и распределитель тактовых импульсов.

Спектральный анализ сигналов в таком анализаторе проводится в поле комплексных чисел, для чего в анализатор введен генератор гармонических функций, и операции в сумматорах и умножителях выполняются над комплексными числами в тригонометрической форме, что вызывает возрастание объема вычислений и снижение их точности.

Цель изобретения - снижение аппаратурных затрат, повышение быстродействия и точности.

Цель достигается за счет того, что все вычисления в цифровом анализаторе спектра выполняются над целыми числами с помощью операций сдвига и сложения и спектральное преобразование производится по pекуppентной формуле
F_j(s) = [F_j(s - 1) + (f_n-1(s) - f_o(s - 1))] α^-j modM_t,
j= , s = 1, 2, ..., где F_j(s) - значение j-го спектрального коэффициента на s-м шаге спектрального преобразования (F_j(0) = 0);
f_n-1(s) - (n - 1)-й отсчет исследуемого сигнала на s-м шаге спектрального преобразования (f_o(0) = 0);
α ≡ 22-1mod M_t - представление числа 2 в кольце целых чисел по mod M_t=(α²≡ 2 mod M_t) и α имеет порядок n);
M_t = 2^2t+ 1 - число Ферма; t - целое положительное число;
n = 2^t+2 - длина окна спектрального преобразования.

На чертеже представлена структурная схема цифрового анализатора спектра.

Цифровой анализатор спектра содержит АЦП 1, на вход которого поступает исследуемый сигнал. Выход АЦП 1 подключен к первому входу сумматора 2 и блоку 4 оперативной памяти, предназначенному для хранения отсчетов исследуемого сигнала предшествующего шага спектрального преобразования. Выход блока 4 является вторым входом сумматора 2, формирующего по модулю числа Ферма разность между последним отсчетом на текущем и первым отсчетом сигнала на предшествующем шаге спектрального преобразования. Выход сумматора 2 подключен к первому входу сумматора 3 по модулю числа Ферма, второй вход которого подключен к блоку 6 оперативной памяти, предназначенному для хранения вычисленных на предшествующем шаге спектральных коэффициентов, поступивших с выхода умножителя 5. В умножителе 5 производится вычисление спектральных коэффициентов путем умножения по модулю Ферма поступающих на его первый вход с выхода сумматора 3 чисел на число два в соответствующей степени. Номера вычисляемых коэффициентов поступают на второй вход умножителя 5 с выхода счетчика 10, на вход которого подаются импульсы генератора тактовых импульсов (ГТИ) 9, осуществляющего вместе с делителем частоты (ДЧ) 7, выход которого подключен к счетчику 8, управление работой цифрового анализатора спектра.

Цифровой анализатор спектра работает следующим образом.

При подаче сигнала запуска на вход анализатора спектра ГТИ 9 и ДЧ 7 начинают вырабатывать управляющие тактовые импульсы. Исследуемый сигнал f(t) подается на вход АЦП 1, с выхода которого дискретные значения отсчетов сигнала поступают на вход блока 4 оперативной памяти и первый вход сумматора 2. Смена информации в АЦП 1, сумматоре 2 и блоке 4 оперативной памяти происходит под воздействием тактовых импульсов ДЧ 7 в n раз реже, чем в остальных блоках анализатора, где n - число вычисляемых на каждом шаге s спектрального преобразования коэффициентов F_j(s), т.е. j= . Номер текущего шага спектрального преобразования s соответствует показанию счетчика 8 числа шагов спектрального преобразования, подключенного к выходу ДЧ 7, а номер j вычисляемого спектрального коэффициента F_j(s) - текущему значению счетчика 10 числа спектральных коэффициентов, подключенного к выходу ГТИ 9. Через каждые n импульсов ГТИ 9 по сигналу от ДЧ 7 значение счетчика 10 обнуляется. Под воздействием импульса ДЧ 7 происходит считывание из блока 4 оперативной памяти значения f_о(s - 1) первого отсчета исследуемого сигнала на предшествующем (s - 1)-м шаге спектрального преобразования и запись в блок 4 последнего отсчета сигнала f_n-1(s) на текущем шаге спектрального преобразования s. Считанное значение f_j(s - 1) поступает на второй вход сумматора 2 по модулю числа Ферма, где формируется разность (f_n-1(s) - f_o(s - 1)) modM_t. Полученная разность подается на первый вход сумматора 3, где происходит ее сложение по модулю числа Ферма M_t с соответствующим j-м спектральным коэффициентом F_j(s - 1) предшествующего (s - 1)-го шага спектрального преобразования, который подается на второй вход сумматора 3 из блока 6 оперативной памяти по тактовому импульсу ГТИ 9. Результат сложения поступает из сумматора 3 в умножитель 5, где производится умножение по модулю Ферма на число 2 (значение j, соответствующее номеру вычисляемого спектрального коэффициента F_j(s), считывается в умножитель 5 со счетчика 10). Полученное в результате умножения значение спектрального коэффициента F_j(s) поступает на хранение в блок 6 оперативной памяти и на выход цифрового анализатора спектра, значения s и j считываются со счетчиков 8 и 10 соответственно, и под воздействием следующих импульсов ГТИ 9 и ДЧ 7 цикл работы цифрового анализатора спектра повторяется.

Сумматоры 2 и 3 по модулю числа Ферма M_t=2+1 реализуются на основе регистров сдвига и элементов двоичной логики. Блоки 4 и 6 оперативной памяти строятся из n = 2^t+2 элементов памяти разрядности 2^t. Умножение чисел на 2 , j= , по модулю Mt в умножителе 5 при четных значениях n - j сводится к выполнению операций двоичного сдвига содержимого регистров умножителя и сложения по модулю M_t, при нечетных n - j осуществляется дополнительно умножение на 2 , которое с учетом двухразрядного двоичного представления 2 mod M_t=22-1 mod M_t также реализуется с помощью операций сдвига и сложения по модулю Mt. Таким образом, все вычисления в предложенном цифровом анализаторе спектра производятся над целыми числами с помощью операций сдвига и сложения, что снижает аппаратурные затраты, повышает быстродействие и точность выполнения спектральных преобразований.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в цифровых вычислительных системах, предназначенных для обработки сигналов, в частности для проведения цифрового динамического спектрального анализа и корреляционной фильтрации сигналов. Достигаемый технический эффект изобретения - снижение аппаратурных затрат, повышение быстродействия и точности при вычислении спектральных коэффициентов. Цифровой анализатор спектра содержит аналого-цифровой преобразователь 1, два блока 4, 6 оперативной памяти, генератор 9 тактовых импульсов, делитель 7 частоты и счетчики 8 числа спектральных коэффициентов и шагов спектрального преобразования, два сумматора 2, 3 по модулю Ферма и умножитель 5 по модулю чисел Ферма. Вычисление спектральных коэффициентов в таком анализаторе спектра производится по рекуррентной формуле в конечном поле, что обеспечивает выигрыш в быстродействии приблизительно в 3 - 5 раз по сравненияю с аналогичными анализаторами, работающими в поле комплексных чисел. 1 ил.

ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА, содержащий два блока оперативной памяти, аналого-цифровой преобразователь, генератор тактовых импульсов, делитель частоты, два сумматора и умножитель, причем информационный вход анализатора соединен с одноименным входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым информационным входом первого сумматора и информационным входом первого блока оперативной памяти, вход управления записью и считыванием которого соединен с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя и выходом делителя частоты, вход которого соединен с тактовым первым выходом генератора тактовых импульсов, выход первого блока оперативной памяти соединен с вторым информационным входом первого сумматора, второй выход генератора тактовых импульсов соединен с входом управления записью и считыванием второго блока оперативной памяти, выход которого соединен с первым информационным входом второго сумматора, отличающийся тем, что анализатор содержит два счетчика, первый и второй сумматоры являются сумматорами по модулю чисел Ферма, умножитель - умножителем по модулю чисел Ферма, при этом вход запуска анализатора соединен с одноименными входами аналого-цифрового преобразователя и генератора тактовых импульсов, вход сброса которого соединен с одноименным входом анализатора, второй выход генератора тактовых импульсов соединен со счетным входом первого счетчика, вход сброса которого соединен с выходом делителя частоты и счетным входом второго счетчика, выход которого соединен с выходом номера текущего тока преобразования анализатора, выход первого счетчика соединен с выходом спектрального коэффициента анализатора и первым информационным входом умножителя, второй информационный вход которого соединен с выходом второго сумматора, второй информационный вход которого соединен с выходом первого сумматора, выход умножителя соединен с информационным входом второго блока оперативной памяти и с выходом значения спектрального преобразования анализатора.