Цифровой анализатор спектра в ортогональном базисе Советский патент 1984 года по МПК G06F17/14 G01R23/16 

Изобретение относится к вычислительной технике и может найти применение в системах цифровой обработки сигналов в реальном времени. Известен анализатор спектра в базисах Уолша и Хаара, содержащий АЦП приемный регистр, цифр-овой интегратор, группу регистров сдвига и блок управления. Такие устройства позволяют 1зычислять спектры сигналов в базисах Уолша и Хаара размерности , требуют для вычисления одного коэффициента преобразования не менее сложений и вносят задержку между поступлением на вход отсчетов преобразуемого сигнала и вьодачей соответствующих коэффициентов не менее N тактов l . Недостатками таких устройств явля ются бедный набор размерностей преобразуемого сигнала (2 отсчетов), плохая сходимость ряда коэффициенто Уолша и Хаара при представлении сигналов типа вещественных экспонент и большая задержка при вычислении ортогональных преобразований, что ограничивает применение зтих устройств в системах реального времени Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является циф ровой генератор спбктра Фурье, содержасций аналЬго-цифровой преобразо ватель, вход которого подключен к входу устройства, а выход - к входа умножителей, генератор тактовых импульсов, делитель частоты, счетчик, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, формирователь кода аргумента, преобразователи кода, умножители, сумматор сдвиговые регистры и схемы совпадения 2 . Такое устройство позволяет вычис лять значение спектральных коэффици ентов Фурье дискретного сигнала и отличается низким быстродействием (за N тактов работы устройства формируется один спектральный коэффициент) , а также узкими функциональными возможностями, связанными С плохой сходимостью ряда Фурье при представлении сигналов вида, к ljii)-.I.Aj6,,.. Цель изобретения - повьшение быс родействия цифрового анализатора спектра в ортогональном базисе. 262 Поставленная цель достигается тем, что в цифровой анализатор спектра в ортогональном базисе, содержащий первый и второй умножители, первые входы которых йодключены к информационному выходу аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого является информационным входом анализатора, первый и второй сумматоры, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к тактовым входам аналого-цифрового преобразователя, первого и второго регистров и счетному входу счетчика, введены группа элементов И, группа элементов НЕ, третий регистр, третий сумматор, третий умножитель, элемент ИЖ-НЕ, одновибратор и блок постоянной памяти, информационный выход которого подключен к первому входу третьего умножителя, выход которого является информационным выходом анализатора, выход первого умножителя подключен к первому входу первого сумматора, выход которого подключен к информационному входу первого регистра, выход i -го ((1,1 ) разряда которого подключен к первому входу i-ro элемента И группы, выход которого подключен к -му входу первой группы второго сумматора, выход которого подключен к второму входу третьего умножителя, информационный выход второго регистра подключен к второму входу второго умножителя, первому входу третьего сумматора и информационному входу третьего регистра, информационный выход которого подключен к второму входу третьего сумматора, выход которого подключен к второму входу первого умножителя и Информационному входу второго регистра, установочный вход которого соединен с установочным входом третьего регистра и подключен к выходу одновибратора, вход которого соединен с входом переноса третьего сумматора, вторыми входами элементов И группы и подКлючен -К выходу элемента Ш1И-НЕ, i-й вход которого соединен с входом i-ro разряда адреса блока постоянной памяти и подключен-к выходу -то разряда счетчика,, выход генератора тактовых импульсов подключен к тактовому входу третьего регистра, выход i-ro разряда второго умножителя подключен к входу i-ro элемента НЕ группы, выход которого 31 подключен к i -му входу второй группы второго сумматора, вход переноса которого является входом задания логической единицы анализатора. Введение в устройство дополнительного оборудования позволяет вычислять коэффициенты спектрального преобразования сигнала по системе ортогональных базисых функций на основе чисел Фибоначчи, которые обеспечивают оптимальное приближение широкого класса сигналов типа вещественных экспонент и их сумм, получаемых при решении дифференциальньпс уравнений с действительными корнями характерис тических. уравнений. При этом данное устройство обеспечивает вычисление i-ro спектрального коэффициента с за держкой на один такт относительно i.-ro отсчета сигнала. На фиг, 1 приведена структурная схема цифрового анализатора спектра в ортогональном базисе; на фиг. 2 временные диаграммы работы устройства. Устройство содержит аналого-цифро вой преобразователь (АЦП) 1, первый и второй 3 умножители, первый сумматор 4, первый регистр 5, группу элементов И 6, второй сумматор 7, группу элементов НЕ 8, второй 9 и третий 10 регистры, третий сумматор 11, генератор 12 тактовых импульсов, счетчик 13, элемент ИЛИ-НЕ 1А, блок 15 постоянной памяти, одновибратор 16, третий умножитель 17. На фиг. 2 диаграмма а характеризует импульсы на выходе генератора; б - сигналы записи информации в регистры 5, 9и 10; в - последовательность коэффициентов bj на выходе умножителя 17; г, д, е - сигналы на выходах разрядов счетчика 13 для ж - сигнал на вбЬсоде элемента ИПИ-НЕ 14; и - импульсы одновибратора 16. Данное устройство позволяет вычислять спектральные коэффициенты дискретного сигнала в соответствии С формулой b..aj.;U), (1) N - размерность преобразования (N - любое натуральное число); 124326 5f функ соот fO ;( где 2Q Д смот . И обра т.е. 55 обра де N (1) .спек 4 bj - i-й обобщенный спектральный коэффициент; а; - j-й отсчет преобразуемого сигнала; ;(J) значение 1 -и базисной ции на i-м такте, определяемое ношением npHl jti4l(r«odNl , ))-j-K;-Pj., при Н), С О при j i +«(wod N)j P: -j-e число Фибоначчи р,Рг 1 и Pi-P|-5 ri-. нормирующий коэффициент W при i N ля произвольных f(j), f)(j) расрим сумму вида 5-Zl;lj)-f,U), p.. .p.p-u,p;vp--M r s 1 1+г X Ki-г pr4--t f i l p ipJnpn..K,(3) звестно, что .Z P P--P{, . Таким зом из выражения (3) следует с г ,-х Г О РИ , S SLiUiVi ) . f , j-1 LI при ic . J множество функций f,(.1) N зует ортонормированную на периобазисную систему, а выражен1{е позволяет находить коэффициенты трального преобразования сигнала ai по системе ортогональных функ ций. Обратное преобразование является эквивалентным прямому, т.е эквивалентным прямому, Oj-X Ь-1- (i). , Например, при N 7 базисные функции имеют ввд -1,0,0,0, О, О, 1., (.-UO,0,0,0,1...); (Ы.2,-2,0,0,0,1 .1.2,3,-3,0,0,1 (1,1,2,3,5,-5,0,1...); (1,1,2,3,5,8,-8,U..)} (,3,5.8,}2,.,.); Подставляя выражение (2) в выражение (1) получаем b,«(,avP,-c 2PiV i biKaVpA+0(2pa-a,Pi)-V2, V(i р;1-1;, (4) Ре)-а с1е-ре) ь«Ч Вид выражения (4) позволяет реку рентно получать коэффициенты спектрального преобразования сигнала по системе ортогональных функций, что значительно сокращает требуемое обо рудование и уменьшает задержку межд поступлением на вход устройства отсчетов преобразуемого сигнала и появлением на выходе устройства спект ральных коэффициентов. Устройство работает следующим об разом. Счетчик 13 осуществляет подсчет по модулю N импульсов генератора 12 и периодически устанавливается в ноль. При этом регистры 9 и 10 такж устанавливаются в ноль импульсом одновибратора 16, запускаемого пере падом напряжения с, выхода элемента ИЛИ-НЕ 14, (фиг. 2, ж, и) и тем са мым устройство оказывается в исходн состоянии. На вход переноса сумматора 11 и на второй вход группы эле ментов 6 поступает логическая едини ца с выхода элемента ИЛИ-НЕ 14. С выхода генератора,12 на тактовые вх ды АЦП 1, регистров 5, 9 и 10 и сче чика 13 по модулю Я поступают импул 26 сы. На информационный вход второго регистра 9 поступает код С с выхода сумматора 11, определяемый суммой кодов регистров 9 и to и сигнала переноса Q с выхода элемента ИЛИ-НЕ 14 на информационный вход третьего регистра 10 поступает код с выхода второго регистра 9. Таким образом, с приходом -го тактового импульса на тактовые входы регистров 9 и 10 в регистр 10 записывается код Р,, в регистр 9 - код Р.- , +Р ,+2 где код, записанный в регистре 9 в i-M такте. Поскольку на выходе элемента ИПИ-НЕ 14 присутствует уровень логической единицы лишь при нулевом состоянии счетчика, то Г 1 при( 1 О при i 1. Таким образом, на выходе сумматора 11 формируется последовательность чисел Фибоначчи 1,1,2,3,5,8,..., P-,,PV,, Р Р{-, +Р,-н . (5) На выходе регистра 9 формируется определяемый выражением Р. - р. j ,., при i t 1, -1о при i 1 (6) На вход АЦП 1 поступает аналоговый, сигнал, подлежащий преобразованию. На выходе АЦП 1 с частотой, определяемой тактовой частотой генератора, формируются коды а, численно равные значениям отсчетов преобразуемого сигнала. Эти коды поступают на первые ды умножителей 2 и 3, на вторые входы которых в i-M такте поступают соответственно коды Р , Р- , определяемые выражениями (5) и (6). На выходе умножителя 2 формируется последовательность кодов С,, которые поступают на вход сумматора 4. В первом такте работы устройства логическая единица с выхода элемента ИЛИ-НЕ 14 поступает на соответствующие входы элементов И 6 группы. . . Таким образом, в первом такте у :тройства элементы И 6 группы закрыты уровнем логической единицы с выхода элемента ИЛИ-НЕ 14, и на его выходе ормируется нулевой код, который оступает на вход сумматора 4. Таким образом, во втором такте в регистр 5 записывается код С, с выхода суммаора 4. В последующих тактах на второй вход сумматора 4 через открытые элементы И 6 поступает сигнал с выхода регистра 5. Таким образом, .сумматор 4 и регистр 5 образуют накапливающий сумматор, на выходе которого ,(выход регистра 5) в i -м такте форми о руется код R; K.-PK-I (7) . Этот ко поступает на вход сумматора 7. На другой вход сумматора 7 через элеме ты НЕ 8 поступает код с вькода умно жителя 3, а на вход переноса сумматора 7 постоянно подан уровень логи ческой единицы. Инвертирование каждого из разрядов кода с выхода умно жителя 3 в сочетании с добавлением единицы в младший разряд эквивалент но перемене знака кода сз| Р- . Сумматор 7 осуществляет суммиров ние в дополнительном коде чисел , и на его выходе в -м так те формируется код . В .соответствии с выражением (6) (7) Eaepe-arP,.,i-t/li-i7 (8) где . : Код с выхода счетчика 13 поступа .ет на адресные входы блока 15, в ко .тором по i-му адресу записано численное значение коэффициента К., гтри iUofcc(ipecaj i-i) при 1 (коА лАреса 00...о). 1РмРмн На вход умножителя 17 поступает код /5; с выхода сумматора 7, Умножитель 17 осуществляет операцию перемножения кодов К,-,, и и, таким образом, с его выхода в соответствии с выражением(8) в i-м такте снимается коэффициент ортогонального преобразования Ь,-.. Генератор 12 формирует прямоуголь ные импульсы со скважностью 2 (фиг, 2а), передним фронтом каждого импульса осуществляется запись, кодов в регистры 5, 9 и 10 и считывание кода из АЦП 1 (фиг. 26), все остальные блоки предлагаемого устрой ства являются асинхронными, не требуют дополнительного тактирования и. таким образом, через время t., , определяемое задержками распространения сигнала в блоках 2, 3, 4, 6, 7, 8, 11, 14, 15 и 17, на выходе умножителя 17 формируется код соответствующего коэффициента преобразования (фиг. 2в), Счетчик 13 осуществляет подсчет импульсов по модулю N . На фиг. 2 г-е изображены сигналы на выходах разрядов счетчика 13 для случая . N-й импульс переводит, счетчик 13 в нулевое состояние. На выходе элемента 14 появ.гшется положительный перепад напряжения (фиг. 2ж), которым запускается одновибратор 16. На выходе одновибратора 16 формируется короткий импульс (фиг. 2и), которым сбрасываются в нулевое состояние регистры 9 и 10. Таким образом, схема переходит в исходное состояние, и начинается новый цикл ортогонального преобразования. Задний фронт импульса (фиг. 2и) на выходе элемента ИЛИ-НЕ 14 совпадает с началом новой серии спектральных коэффициентов. Технико-экономические преимущества предлагаемого устройства заключаются в том, что за счет введения в него дополнительного оборудования значительно повышается быстродействие устройства и обеспечивается минимальная по сравнению с известными устройствами быстрых преобразований Фурье, Уолша, Хаара задержка между поступлением на его вход i -го отсчета преобразуемого сигнала и появлением на его выходе 1 -го спектрального коэффициента. При этом устройство может быть реализовано для любой размерности преобразования не сложнее, чем устройство быстрого преобразования Фурье за счет того, что базисные функции вычисляются при помощи операций над целыми числами (кроме умножения на нормирующие коэффициенты в конце преобразования). Этот факт позволяет также повысить точность преобразования по сравнению с ДПФ при сравнимой точности представления входных сигналов.

1

г

2

г

ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА В ОРТОГОНАЛЬНОМ БАЗИСЕ, содержаний первый и второй умножители, первые, входы которых подключены к информационному выходу аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого является информационным входом анализатора, первьй и второй сумматоры, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к тактовым входам аналого-цифрового преобразователя, первого и второго регистров и счетному входу счетчика, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены группа элементов И, групйа элементов НЕ, третий регистр, третий сумматор, третий умножитель, элемент ИЛИ-НЕ, одновибратор и блок постоянной памяти, информационный выход которого подключен к первому входу третьего умножителя, клход ко торого является информационным выходом анализатора, выход первого умножителя подключен к первому входу первого сумматора, выход крторого подключен к информационному входу пер-, вого регистра, выход i-ro (, I) разряда которого подключен к первому входу i-ro элемента И группы, выход которого подключен к -му вход первой группы второго сумматора, выход которого подключен к второму входу третьего умножителя, информационный выход второго регистра подключен к второму входу второго умножителя, первому входу третьего сумматора и информационному входу третьего регистра, информационный выход которого подключен к второму входу третьего сумматораv выход которого подключен к второму входу первого умножителя и информационному входу второго регистра, установочный вход которого соединен с установочным входом третьего регистра и подключен к выходу одновибратора, вход которого соединен с входом переноса третьего сумматора, вторыми входами элементов И группы и подключен к выходу элемента ИЛИ-НЕ, i-й вход котоiрого соединен с входом i-ro разряда адреса блока постоянной памяти и подключен к выходу i-ro разряда счетчика, выход генератора тактовых импульсов подключен к тактовому входу третьего регистра, выход i-ro разряда второго умножителя подключен к входу i-fo элемента НЕ группы, выход которого подключен к i-му входу второй группы второго сумматора, вход переноса которого является входом задания логической единицы анализатора.

/3

W

/5

//

{

/7

w./