АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА Российский патент 1995 года по МПК G06F7/14 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, а также к приборостроению и может быть использовано для анализа спектра по функциям Уолша или по последовательностям D-кодов однополярных телеграфных сигналов.

Известен анализатор спектра по функциям Уолша, содержащий генератор тактовых импульсов, генератор функций Уолша, элемент И, N регистров [1]
Однако известный анализатор спектра обладает ограниченными функциональными возможностями, поскольку вычисляет коэффициенты дискретного преобразования однополярных телеграфных сигналов только по функциям Уолша.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является анализатор спектра по функциям Уолша, содержащий элемент И, генератор тактовых импульсов, N реверсивных счетчиков, где N размер преобразования, генератор функций Уолша и N регистров, причем выход генератора тактовых импульсов подключен к входу синхронизации генератора функций Уолша и первому входу элемента И, второй вход которого является информационным входом анализатора, выход элемента И подключен к счетному входу i-го (i=) реверсивного счетчика, информационный выход которого подключен к информационному входу i-го регистра, выход i-й функции Уолша генератора функций Уолша подключен к синхронизирующему входу i-го реверсивного счетчика, выход окончания работы генератора функций Уолша подключен к входу обнуления i-го реверсивного счетчика и к тактовому входу i-го регистра, выход которого является выходом i-й гармоники анализатора [2]
Недостатком известного анализатора спектра являются ограниченные функциональные возможности, поскольку он вычисляет коэффициенты дискретного преобразования однополярных телеграфных сигналов только по функциям Уолша.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей анализатора спектра, заключающихся в вычислении коэффициентов дискретного преобразования либо по функциям Уолша, либо по последовательностям D-кодов.

Поставленная цель достигается тем, что в известный анализатор спектра, содержащий элемент И, генератор тактовых импульсов, N реверсивных счетчиков (где N размер преобразования), генератор функций Уолша и N регистров, причем выход генератора тактовых импульсов подключен к входу синхронизации генератора функций Уолша и первому входу элемента И, второй вход которого является информационным входом анализатора, выход элемента И подключен к счетному входу i-го (i=) реверсивного счетчика, информационный выход которого подключен к информационному входу i-го регистра, выход окончания работы генератора функций Уолша подключен к входу обнуления i-го реверсивного счетчика и к тактовому входу i-го регистра, выход которого является выходом i-й гармоники анализатора, введены (k-2)-разрядный двоичный счетчик, где k=log₂N, k-1 кольцевых четырехразрядных регистров сдвига, k-1 управляемых инверторов, источник положительного напряжения, N умножителей, источник логической единицы и два переключателя, причем выход генератора тактовых импульсов подключен к счетному входу (k-2)-разрядного двоичного счетчика и тактовому входу первого кольцевого четырехразрядного регистра сдвига, выход m-го разряда счетчика (где m= 1, k-2-нумерация со стороны младшего разряда) подключен к тактовому входу (m+1)-го регистра сдвига, выход четвертого разряда j-го регистра сдвига (где j=1,k-1-нумерация регистров сдвига) подключен к управляющему входу j-го управляемого инвертора, информационный вход первого управляемого инвертора подключен к выходу источника положительного напряжения, выход j-го управляемого инвертора подключен к входу (j+1)-го управляемого инвертора, выход (k-1)-го управляемого инвертора подключен к первым входам всех умножителей, второй вход i-го умножителя подключен к выходу i-й функции Уолша генератора функций Уолша, выход i-го умножителя подключен к синхронизирующему входу i-го реверсивного счетчика, выход источника логической единицы подключен к входам первого и второго переключателей, а также к информационным входам первого и второго переключателей, а также к информационным входам первых разрядов всех кольцевых четырехразрядных регистров сдвига, выход первого переключателя подключен к входам установки в нуль всех кольцевых четырехразрядных регистров сдвига, выход второго переключателя подключен к входам разрешения записи всех кольцевых четырехразрядных регистров сдвига.

На фиг. 1 представлена структурная схема анализатора спектра; на фиг. 2 временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования во втором режиме работы последовательности D-кода d₇³, поступающей на вход соответствующего реверсивного счетчика 3, на фиг. 3 вид функций Уолша, формируемых на выходах генераторов 4 функций Уолша; на фиг. 4 вид последовательностей D-кодов, поступающих на входы соответствующих реверсивных счетчиков 3 в предлагаемом анализаторе спектра во втором режиме работы.

Анализатор спектра содержит элемент И 1, генератор 2 тактовых импульсов, реверсивные счетчики 3, генератор 4 функций Уолша, регистры 5, двоичный счетчик 6, кольцевые четырехразрядные регистры 7 сдвига, источник 8 положительного напряжения, управляемые инверторы 9, умножители 10, источник 11 логической единицы, первый переключатель 12, второй переключатель 13.

Функции Уолша и последовательности D-кодов находят широкое применение в радиолокации, системах связи и устройствах анализа и синтеза сигналов.

Последовательности, образующие D-код являются взаимно-ортогональными (см. Варакин Л. Е. Система связи с шумоподобными сигналами. М. Радио и связь, 1985, с. 108).

Система последовательностей D-кода размерности N=2^k является полной, что позволяет использовать ее для разложения сигналов в ряд Фурье в базисе последовательностей D-кодов.

Вообще i-ю последовательность D-кода порядка k можно обозначить как d_i^k}d _1,id _2,id _n,i,d _N,i
Здесь длина последовательности N и ее порядок k связаны соотношением N= 2^k; номер символа изменяется в пределах n=1,2,N; а номер последовательности i= 0,1,N-1. Число последовательностей равно числу символов в последовательности, т.е. N=2^k (см. Варакин Л. Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М. Радио и связь, 1985, с. 106).

Если ввести обозначение символов α=1, β=-1, то последовательности D-кодов имеют вид: а) для k=2: d₀²}α,α,α,β; d₁²}α,β,α,α; d₂²}α,α,β,α; d₃²}α,β,β,β. (1) б) для k=3: d₀³}α,α,α,β,α,α,β,α; d₁³}α,βα,α,α,β,β,β; d₂³}α,α,β,α,α,α,α,β; d₃³}α,β,β,β,α,β,α,α; d₄³}α,α,α,β,β,β,α,β; d₅³}α,β,α,α,β,α,α,α; (2) d₆³}α,α,β,α,β,β,β,α; d₇³}α,β,β,β,β,α,β,β; (см. Варакин Л. Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М. Радио и связь, 1985, с. 107).

В соответствии с (2) система последовательностей D-кода для N=8 имеет вид (3)
В ходе исследований автор предлагаемого изобретения пришел к выводу, что система последовательностей D-кодов является производной от системы функций Уолша. Таким образом, для получения системы последовательностей D-кодов достаточно все функции, входящие в систему функций Уолша, умножить на порождающую последовательность, в качестве которой принимается первая последовательность системы последовательностей D-кодов.

Например, для случая N=8 система функций Уолша с упорядочением по Адамару имеет вид (4) (см. Трахтман А М. Трахтман В. А. Основы теории дискретных сигналов на конечных интервалах. М. Советское радио, 1975, с. 45).

Осуществляя посимвольное умножение каждой функции Уолша на последовательность d₀³, имеющую вид
[+ + + + + + (5) получаем систему последовательностей D-кода для N=8 (3).

Аналогичным образом может быть получена система последовательностей D-кодов для любого N=2^k.

Применение вывода, сделанного автором предлагаемого изобретения, позволяет использовать известный анализатор спектра (см. прототип) для вычисления коэффициентов дискретного преобразования не только по функциям Уолша, но и по последовательностям D-кодов, что расширяет функциональные возможности известного устройства.

Анализатор спектра по функциям Уолша и по последовательностям D-кодов работает следующим образом.

В исходном состоянии реверсивные счетчики 3, регистры 5, двоичный счетчик 6 обнулены, переключатели 12 и 13 находятся в разомкнутом состоянии. Напряжение с выхода источника 11 логической единицы поступает на информационные входы первых разрядов всех кольцевых четырехразрядных регистров 7 сдвига, но не записывается в них, поскольку на входы разрешения записи регистров 7 управляющий сигнал не подается.

Для работы в первом режиме (режиме вычисления коэффициентов дискретного преобразования по функциям Уолша) оператор должен замкнуть и разомкнуть контакты переключателя 12. В момент замыкания контактов переключателя 12 логическая единица с выхода источника 11 поступает на входы установки в нуль всех кольцевых четырехразрядных регистров 7 сдвига, в результате чего все разряды регистров 7 сдвига обнуляются.

При поступлении импульсов с выхода генератора 2 тактовых импульсов на тактовый вход кольцевого четырехразрядного регистра 7.1 сдвига и счетный вход счетчика 6, разрядные выходы которого подключены к тактовым входам соответствующих регистров 7.2, 7.k-1 сдвига, на выходах всех регистров 7 сдвига формируются нули. В результате на выходе управляемого инвертора 9.k-1 будет формироваться "1", поступающая на первые входы умножителей 10. Так как на вторые входы умножителей 10 поступают функции Уолша, на выходах умножителей 10 они будут формироваться без изменения.

Исследуемый телеграфный сигнал поступает на вход элемента И 1, на другой вход которого подается импульсная последовательность с выхода генератора 2 тактовых импульсов. Телеграфный сигнал может принимать только два значения: положительное напряжение соответствует телеграфной посылке, нулевое напряжение соответствует паузе между посылками. На выходе элемента И 1 действуют пачки импульсов, соответствующие телеграфным посылкам. Для точной работы устройства скорость генерирования импульсов генератором 2 должна быть существенно больше скорости передачи телеграфных сообщений. Сформированные пачки импульсов поступают одновременно на счетный вход каждого из реверсивных счетчиков 3. Если на входе управления реверсом действует положительный сигнал, счетчик 3 работает на накопление, т.е. осуществляет подсчет числа импульсов, поступающих на счетный вход. Если на входе управления реверсом этого счетчика действует нулевое напряжение или напряжение, меньше нуля, то счетчик 3 работает на отрицательное накопление, т.е. осуществляет вычитание числа импульсов, поступающих на его вход. На вход управления реверсом каждого счетчика 3 поступает соответствующая функция Уолша, которая принимает значения ±1. Поэтому за время генерирования полной системы функций Уолша в каждом реверсивном счетчике 3 накоплено число импульсов W, пропорциональное соответствующей компоненте спектра Уолша и равное
W= M⁺-M^-, где М⁺ число импульсов, подсчитанных счетчиком 3 на накопление за время положительных значений соответствующей секвенты;
М^- число импульсов, подсчитанных счетчиком 3 на вычитание за время отрицательных значений соответствующей секвенты Уолша.

В момент окончания генерирования полной системы функций Уолша генератор 4 функций Уолша на своем выходе окончания работы вырабатывает импульс, который поступает на входы обнуления всех реверсивных счетчиков 3 и тактовые входы регистров 5. По его команде показания каждого счетчика 3 переписываются в соответствующий регистр 5, где фиксируются, а сами счетчики 3 обнуляются.

Для работы во втором режиме (режиме вычисления коэффициентов дискретного преобразования по последовательностям D-кодов) оператор должен замкнуть и разомкнуть контакты переключателя 13. В момент замыкания контактов переключателя 13 логическая единица с выхода источника 11 поступает на входы разрешения записи всех кольцевых четырехразрядных регистров 7 сдвига, в результате чего в регистрах 7 сдвига окажутся записанными коды вида "1000".

Исследуемый телеграфный сигнал поступает на вход элемента И 1, на другой вход которого подается импульсная последовательность с выхода генератора 2 тактовых импульсов. На выходе элемента И 1 действуют пачки импульсов, соответствующие телеграфным посылкам. Сформированные пачки импульсов поступают одновременно на счетный вход каждого из реверсивных счетчиков 3. Если на входе управления реверсом действует положительный сигнал, счетчик 3 работает на накопление, т. е. осуществляет подсчет числа импульсов, поступающих на счетный вход. Если на входе управления реверсом этого счетчика действует нулевое напряжение или напряжение, меньше нуля, то счетчик 3 работает на отрицательное накопление, т.е. осуществляет вычитание числа импульсов, поступающих на его вход. На вход управления реверсом каждого счетчика 3 поступает соответствующая последовательность D-кода, принимающая значения ±1 и формируемая следующим образом (рассмотрим случай N=8).

При поступлении импульсов с выхода генератора 2 тактовых импульсов на тактовый вход кольцевого четырехразрядного регистра 7.1 сдвига в нем осуществляется циклический сдвиг единицы из разряда в разряд. На четвертом такте работы генератора 2 тактовых импульсов "1" с выхода четвертого разряда регистра 7.1 сдвига поступит на управляющий вход управляемого инвертора 9.1, на информационный вход которого поступает стабилизированное положительное напряжение с выхода источника 8. В результате на выходе управляемого инвертора 9.1 будет сформирована последовательность
+ + + так как управляемые инверторы 9 осуществляют инверсию входного сигнала в случае поступления на их управляющие входы "1". Эта последовательность является последовательностью D-кода d₀², т.е. первой последовательностью матрицы (1).

В течение последующих четырех тактов работы на выходе управляемого инвертора 9.1 повторно будет сформирована последовательность вида
+ + +
Таким образом, в течение 8 тактов работы генератора 2 тактовых импульсов на выходе управляемого инвертора 9.1 будет сформирована последовательность
+ + +- + + +
Эта последовательность поступит на информационный вход управляемого инвертора 9.2.

Поскольку на тактовый вход регистра 7.2 сдвига поступает последовательность импульсов с выхода первого разряда счетчика 6, осуществляющего деление частоты генератора 2 тактовых импульсов с коэффициентом деления два, то на выходе четвертого разряда регистра 7.2 сдвига в течениe седьмого и восьмого тактов работы генератора 2 тактовых импульсов будет формироваться "1", поступающая на управляющий вход управляемого инвертора 9.2. В результате два последних элемента последовательности, поступающей на вход инвертора 9.2 окажутся инвертированными и на его выходе будет сформирована последовательность
+ + + + + +, представляющая собой первую последовательность матрицы (2), т.е. последовательность D-кода d₀³.

Аналогичным образом на выходе управляемого инвертора 9. k-1 формируется последовательность D-кода d₀^k.

В течение времени формирования первой последовательности D-кода матрицы соответствующей размерности на выходе управляемого инвертора 5.k-1 импульсы с выхода генератора 2 тактовых импульсов поступают также на тактовый вход генератора 4 функций Уолша.

Для случая N=8 матрица системы функций Уолша имеет вид (4).

В умножителях 10 осуществляется умножение перовой последовательности D-кода (для N=8 это последовательность d₀³) на функции Уолша, в результате чего на выходах умножителей формируются соответствующие последовательности D-кода.

Для случая N=8 матрица последовательностей D-кода имеет вид (3).

На фиг. 2 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования последовательности d₇³, поступающей на вход соответствующего реверсивного счетчика 3. На диаграммах показано временное состояние:
а) выхода генератора 2 тактовых импульсов;
б) выхода четвертого разряда кольцевого регистра сдвига 7.1.

в) выхода источника 8 положительного напряжения;
г) выхода управляемого инвертора 9.1;
д) выхода первого разряда счетчика 6;
е) выхода четвертого разряда кольцевого регистра 7.2 сдвига;
ж) выхода управляемого инвертора 9.2, на котором формируется последовательность d₀³;
з) выхода генератора 4 функций Уолша, на котором формируется функция Wal(7, θ);
и) выхода умножителя 10, на котором формируется последовательность d₇³.

На фиг. 3 представлен вид функций Уолша, поступающих на вторые входы соответствующих умножителей 10. На фиг. 4 представлен вид последовательностей D-кода, формируемых на выходах соответствующих умножителей 10 и поступающих на входы соответствующих реверсивных счетчиков 3 для случая N=8.

Таким образом за время генерирования полной системы последовательностей D-кода в каждом реверсивном счетчике 3 будет накоплено число импульсов W, пропорциональное соответствующей компоненте спектра по последовательностям D-кода и равное
W= M⁺-M^-, (6) где М⁺ число импульсов, подсчитанных счетчиком 3 на накопление за время положительных значений соответствующей секвенты;
М^- число импульсов, подсчитанных счетчиком 3 на вычитание за время отрицательных значений соответствующей секвенты.

В момент окончания генерирования полной системы последовательностей D-кодов (а соответственно, и полной системы функций Уолша) генератор 4 функций Уолша на своем выходе окончания работы вырабатывает импульс, который поступает на входы обнуления всех реверсивных счетчиков 3 и тактовые входы регистров 5. По его команде показания каждого счетчика 3 переписываются в соответствующий регистр 5, где фиксируются, а сами счетчики 3 обнуляются.

Использование предлагаемого анализатора спектра позволяет существенно расширить его функциональные возможности, заключающиеся в вычислении коэффициентов дискретного преобразования как по функциям Уолша, так и по последовательностям D-кодов.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, а также к приборостроению и может быть использовано для анализа спектра по функциям Уолша или по последовательностям D-кодов однополярных телеграфных сигналов. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности анализатора спектра, заключающиеся в вычислении коэффициентов дискретного преобразования либо по функциям Уолша, либо по последовательностям D-кодов. Анализатор спектра содержит элемент 1И, генератор 2 тактовых импульсов, N реверсивных счетчиков 3, где N размер преобразования, генератор 4 функций Уолша, N регистров 5, (К-2) разрядный двоичный счетчик 6, где K = log₂N К 1 кольцевых четырехразрядных регистров 7 сдвига, К 1 управляемых инверторов 9, источник 8 положительного напряжения, N умножителей 10, источник 11 логической единицы и два переключателя 12, 13. 4 ил.

АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА, содержащий элемент И, генератор тактовых импульсов, N реверсивных счетчиков (где N размер преобразования), генератор Уолша, N регистров, причем выход генератора тактовых импульсов подключен к входу синхронизации генератора функций Уолша и первому входу элемента И, второй вход которого является информационным входом анализатора, выход элемента И подключен к счетному входу реверсивного счетчика, информационный выход которого подключен к информационному входу i-го регистра, выход окончания работы генератора функций Уолша подключен к входу обнуления i-го реверсивного счетчика и к тактовому входу i-го регистра, выход которого является выходом i-й гармоники анализатора, отличающийся тем, что в него введены (K 2)-разрядный двоичный счетчик (где K log₂N), K 1 кольцевых четырехразрядных регистров сдвига, K 1 управляемых инверторов, источник положительного напряжения, N умножителей, источник логической единицы и два переключателя, причем выход генератора тактовых импульсов подключен к счетному входу (k 2)-разрядного двоичного счетчика и тактовому входу первого кольцевого четырехразрядного регистра сдвига, выход m-го разряда счетчика (где m 1, k 2 нумерация со стороны младшего разряда) подключен к тактовому входу (m + 1)-го регистра сдвига, выход четвертого разряда j-го регистра сдвига (где j 1, k 1 нумерация регистров сдвига) подключен к управляющему входу j-го управляемого инвертора, информационный вход первого управляемого инвертора подключен к выходу источника положительного напряжения, выход j-го управляемого инвертора подключен к входу (j + 1)-го управляемого инвертора, выход (k 1)-го управляемого инвертора подключен к первым входам всех умножителей, второй вход i-го умножителя подключен к выходу i-й функции Уолша генератора функции Уолша, выход i-го умножителя подключен к выходу управления сложением-вычитанием i-го реверсивного счетчика, выход источника логической единицы подключен к входам первого и второго переключателей, а также к информационным входам первых разрядов всех кольцевых четырехразрядных регистров сдвига, выход первого переключателя подключен к входам установки в "0" всех кольцевых четырехразрядных регистров сдвига, выход второго переключателя подключен к входам разрешения записи всех кольцевых четырехразрядных регистров сдвига.