Устройство для спектрального анализа Советский патент 1986 года по МПК G06F17/14 G01R23/00 

1

Изобретение относится к измерительной и вьмислительной технике, в частности к устройствам, предназначенным для спектрального анализа и обнаружения сигналов на фоне помех j и диапазоне радиоволн сверхнизкой частоты.

Цель изобретения - увеличение точ- нйсти спектральной оденки.

На фиг. 1 представлена структурная ю схема устройства; на фиг. 2 - функциональная схема устройства для выполнения пр.еобрг13ования Фурье; на фиг. 3 - схема блока вычисления спектра; на фиг. 4 - схема первого is арифметико-логического блока; на фиг. 5 - схема синхронизатора блока вычисления спектра; на фиг. 6 - схема блока определения параметров авторе- грессионн.ой модели; на фиг. 7 - схема 20 второго арифметико-логического блока; на фиг. 8 - схема синхронизатора блока определения параметров авторегрессионной модели.

Устройство содержит коммутатор 1, 25 блоки 2 и 3 дискретного преобразования Фурье, блок 4 вычисления спектра и блок 5 определения параметров авторегрессионной модели.

Блок дискретного преобразования Фурье (фиг. 2) содержит блоки 6 преобразования первого рода, суммирую- пще блоки 7, блоки 8 преобразования второго рода и представляет собой устройство быстрого преобразования Фурье размерностью 2 .

Блок вычисления спектра (фиг. 3) содержит коммутатор 9, (входные) регистры. 10 и 11, арифметико-логический блок 12 (АЛБ), синхронизатор 13 блока вычисления спектра, регистр 14 (хранения промежуточного результата) и накапливающий сумматор 15.

Арифметико-логический блок 12 (фиг. 4) содержит коммутатор 16 и сумматор-вычитатель 17.

Синхронизатор 13 (фиг. 5) содержит счетчик 18 и дешифратор 19.

Блок 5 определения параметров авторегрессионной модели (фиг. 6) содержит (входной) регистр 20, (входной) коммутатор 21, арифметико-ло гический блок 22, (входной) коммутатор 23, блок 24 управления, группу регистров 25, (выходной) коммутатор 26 и блок 27 сравнения.

Арифметико-логический блок 22 (фиг. 7) состоит из коммутатора 28 и арифметичес.ког о блока 29.

12495352

Блок 24 управления (фиг. 8) содержит счетчик 30 и блок 31 постоянной памяти.

Устройство работает следующим образом.

На вход устройства поступает N-точечная последовательность X

X

35

1

Vi

комплексных

о значений

исследуемого сигнала, которая секционируется по 2 отчетов с перекрытием, равным 2:1, т.е. сдвигается каждый раз на 2 отчетов:

40

50

о 1

X,

П 1 , . I

, X И -1 ;

(1)

N-7 X

N-1 0, . . . ,0.

Над каждой из секций производится дискретное преобразование Фурье V/(k)Dno{x,x,,..,,x,.};

(2)

У(Ю ВПф{х..-1,...,х. ,0

ычисляют x.Ck)V(k)V,(k) + (-1) v.

Вычисляя

I

сумму

x(k),,(k), ,1,2

h-t

(k)j (3)

(4)

и произведя обратное дискретное пре- образование Фурье, ,

R (m)ODno{x(k)}, ,2 , получим 2 первых отсчетов автокорреляционной функции исследуемого сигнала.

Вычислив параметры авторегрессионной модели первого порядка

а„ -R(l)/R(0);(5)

(1-(а„| 2)R(0),(6)

I

8.

организуется рекурсия Левинсона

км

г

«K.-ti:Q,.,,..

45

«к, -ак-,,.акк-ак-1,к-,

.(1где а

ло

Q 1)6

хкк-1

(7)

(8)

(9)

- коэффициент отражения модели порядка К;

& - ошибка предсказания модели.

Рекурсия прекращается при снижении

относительной скорости убывания ошиб6

ки предсказания

55

рядка

ны ,

модели а

..Гб

менее

1

б:.

с увеличением по- некоторой величисю)

На вход устройства поступает N-точечная последовательность X

X

1

Vi

комплексных

о значений

исследуемого сигнала, которая секционируется по 2 отчетов с перекрытием, равным 2:1, т.е. сдвигается каждый раз на 2 отчетов:

, X И -1 ;

(1)

N-7 X

N-1 0, . . . ,0.

Над каждой из секций производится дискретное преобразование Фурье V/(k)Dno{x,x,,..,,x,.};

(2)

У(Ю ВПф{х..-1,...,х

ычисляют x.Ck)V(k)V,(k) + (-1) v.

Вычисляя

I

сумму

x(k),,(k), ,1,2

h-t

и произведя обратное дискретное пре- образование Фурье, ,

R (m)ODno{x(k)}, ,2 , получим 2 первых отсчетов автокорреляционной функции исследуемого сигнала.

Вычислив параметры авторегрессионной модели первого порядка

а„ -R(l)/R(0);(5)

(1-(а„| 2)R(0),(6)

I

8.

организуется рекурсия Левинсона

км

г

«K.-ti:Q,.,,..

(7)

45

«к, -ак-,,.акк-ак-1,к-,

(8)

(1ло

Q 1)6

хкк-1

(9)

где а

- коэффициент отражения модели порядка К;

& - ошибка предсказания модели.

Рекурсия прекращается при снижении

относительной скорости убывания ошиб6

ки предсказания

5

рядка

ны ,

модели а

..Гб

менее

1

б:.

с увеличением по- некоторой величисю)

312495354

которую можно положить равной, напри- с выходов блока 2 и 3 на соответст- мер, 0,1. Входными параметрами ав- вующие входы блока 4, являющиеся торегрессивного оценивания спектра

соответственно первой и второй груп- пой входов коммутатора 9, который J в исходном состоянии замыкает первую группу из 2 входов на 2 выходов коммутатора 9.

являются параметры модели выбранног

порядка р

А

р --1 р, р, рр

по которым легко построить непрерывную спектральную оценку исследуемого сигнала

G ( f)

с

Р

(-11)

йр exp(-j2TTmAt)/

где fit - интервал дискретизации.

Использование в предлагаемом устройстве в качестве выходных парамет- ров коэффициентов авторегрессионной модели, поступающих на (1-2 )информационные выходы блока 5, более целесообразно, чем получение отчетов спектральной оценки исследуемого сигнала по следующим причинам: коли.-. г

честно выходных параметров Ор ,ар, ар ,...,арр значительно меньше количества отсчетов спектральной оценки,

поступающих на выходы в известном устройст-ве в результате дискретногс) преобразования Фурье, что создает дополнительные удобства по их хранению и дальнейшей обработке; при определении спектра исследуемого сигнала как правило, получают несколько его последовательных спектральных оценок (количество которых может достигать десятков тысйч) и производят их статистическое усреднение. Если вьшол- нять статистическое усреднение выходных параметров предлагаемого устройсва., количество которых не превьшает 2 , то это позволит значительно снизить аппаратурные и временные затраты на выполнение операции статистического усреднения.,

С другой стороны, использование в качестве выходных параметров бр ,

Р1 Р7

появляется единичный импульс, котор

h + 11

,арр позволяет просматри-45/о поступает на (3-2 )-и управляющий

вать интересующие участки спектра

исследуемого сигнала с произвольным

вход блока 12 и в коммутаторе 16 под ключает С()-( ) входы на его (1-2) выходы. При этом происходит умножение операнда, находящегося в регистре 10 и поступающего на пер- еую группу входов сумматора-вычитате ля 17, на операнд, записанный в ре- гисТр 14, который через коммутатор 16 поступает на вторую группу входов сумматора-вычитателя 17. По заднему фронту импульса на выходе 3 блока 13 происходит сложение результатов умножения в сумматоре 15 с его

шагом, что нельзя сделать с помощью известного устройства.

В исходном состоянии на 2 входов блока 2 с группы выходов компаратора 1 поступают первые 2 элементов выборки входного сигнала, а на 2 входов блока 3 с группы выходов коммутатора 1 поступают первые 2 - (2 ) элементов входной выборки.

Результаты выполнения дискретного преобразования Фурье поступают

- с выходов блока 2 и 3 на соответст- - вующие входы блока 4, являющиеся

15

25

20

30 .j 9

соответственно первой и второй груп- пой входов коммутатора 9, который J в исходном состоянии замыкает первую группу из 2 входов на 2 выходов коммутатора 9.

По сигналу с выхода блока 13, соответствующему исходному состоянию j-f) счетчика 18 и единичному сигналу на выходе дешифратора 19, происходит запись информации с выхода коммутатора 9 во входной регистр 11.

При,поступлении тактового импульса на вход счетчика 18 его состояние увеличивается на единицу, что приводит к изменению состояния дешифратора 19, и на efo выходе, соответствующем второму выходу блока 16, появляется единичный импульс, передний- фронт которого через ()-й вход коммутатора 9 переводит его в противоположное состояние, при этом информация с второй группы 2 входов по- .ступает на выход коммутатора 9 и на (32 +2)-й вход блока 2. При этом над операндом V. (К) (см. выражение (3), поступаюш 1м на (1-2) входы сумматора-вычитателя 17, и операндом V,,(K) (см. выражение (3), который поступает-через; пё рвые 2 его выходов, ас них на t (2 -i-i)) входы сумматора-вычитателя 17, выполняется операция сложения-вычитания согласно 1 ьфажения (3), результат которой по окончании единичного импульса на выходе 2 блока 16 с выходов 1 - 2 блока 12 записывается в регистр 14.

После этого на тактирующий вход счетчика 18 блока 13 поступает следующий тактирующий импульс, увеличивающий его состояние на единицу.

На выходе 3 дешифратора 19 и соответственно на выходе 3 блока 13

появляется единичный импульс, который

h + 11

/о поступает на (3-2 )-и управляющий

вход блока 12 и в коммутаторе 16 подключает С()-( ) входы на его (1-2) выходы. При этом происходит умножение операнда, находящегося в регистре 10 и поступающего на пер- еую группу входов сумматора-вычитателя 17, на операнд, записанный в ре- гисТр 14, который через коммутатор 16 поступает на вторую группу входов сумматора-вычитателя 17. По заднему фронту импульса на выходе 3 блока 13 происходит сложение результатов умножения в сумматоре 15 с его

содержанием и перезапись содержимого регистра 11 в регистр 10. .После этого счетчик 18 переходит в исходно состояние и описанный ш-1кл работы

N блока 4 повторяется (2 З) раз,

после чего на (1-2) выходах сумма- появляется 2 -точечная оценка спектра входного сигнала, согласно выражений (А).

После этого коммутатор 1 переходи в состояние, соответствующее максимальному значению. При этом происходит коммутация (N+1) - (N+2 ) входов коммутатора 1, которые соединены с соответствующими выходами блока 4, на входы блока 2. Таким образом точечная оценка спектра исследуемого сигнала поступает на (1-2) входы блока 2. Результат выполнения дис KpeTHqro преобразования Фурье (в данном случае 2 -точечная оценка циклической автокорреляционной функции входного сигнала, первые 2 точек которой несут информацию) блоком 2 преобразования Фурье поступает на его выходы и соответственно на 1-2 входы блока 5, и заносится во входной регистр 20 по сигналу, поступающему на его ( +1)-й вход с первог выхода блока 24, который появляется на выходе 1 блока 31 при единичном состоянии счетчика 30.

Режиму записи информации в регистр 20 соответствует управляющее слово и содержит единицу в первом разряде при нулевом значении всех остальных.

Порядок следования управляющих слов на выходе блока 31, а следовательно, и выполнение операций блоком 5 определяется состоянием счетчика 30, состояние выходов которого является адресом блока 31. Для управления в структуре управляющего слова блока 31 вьщелены соответствующие зоны, разрядность которых определяется количеством входов либо операций каждого узла.

В зонах структуры находятся адреса коммутируемых входов соответственно коммутаторов 21 и 20, определяющиеся выражением (7). В зоне управляющей структуры находятся адреса операций, необходимых для вычисления

а

кк

и сравнения согласно выраже. . -- J- ,- , - - -.

ниям (7)-(10). В другой зоне находится адреса выходов и регист

ров соответствемгно коммутатора и группы регистров 25.

Следование управляющих слов с блока 26-позволяет оперировать с входными операндами и результатами промежуточных вычислений и в соответствии с (7) - (9) вычислить,,а. для авторегрессионной модели К-го порядка. На основании вычисленной ошибки предсказания 6 , согласно (10) происходит вычисление Z-относительной скорости, убивая ошибки предсказания модели порядка К при увеличении его от (К-1) до К.

В блоке 27 сравнения происходит сравнение вычисленного в блоке 22 параметра Z, который через коммутатор 23 поступает на второй вход блока 27 со значением константы 8, поступающей на первый вход блока 27 с ()-ой ячейки блока 25. Если выполняется неравенство (10), то на выходе блока 27, который является контрольным выходом 2 устройства, появится единичный сигнал, который заблокирует счетчик 30 и будет свидетельствовать об окончании процесса вычисления, и на () информационных выходах блока 5 появится результат вычисления параметров авторегрессиояной модели К-го порядка .

В случае невыполнения условия (10) на выходе блока 27 сравнения сигнал отсутствует и счетчик 30 продолжает измерять свое состояние так, что в исходный момент Г1-(п+1) элементы памяти его обнуляются, а единичный импульс записывается в N-ый элемент. При этом на адресных входах блока 31 появляется исходный адрес и описанный 1ЩКП вычислений повторяется, порядок модели увеличивается на единицу и вычисляются ее параметры.

Если количество выполненных циклов достигло (2 -1), что соответствует максимально зозможному порядку аппроксимирующей входной сигнал авторегрессионной модели, на первом контрольном выходе устройства появится сигнал, свидетельствующий об окончании вычислений, и значения &р ,api, ар (,2,3... Р-1) на () выходных групп регистров результата будут выходными данными устройства. Формула изобретения Устройство для спектрального анализа по авт. св. № 1084807, о т л и

ч а ю El е е с я тем, что, с целью увеличения точности, в него введены семь коммутаторов, второй блок дискретного преобразования Фурье, четы ре регистра, группа регистров, блок сравнения, арифметический блок, сум- матор-вычитатель, накапливающий сумматор, два счетчика, дешифратор и блок постоянной памяти, причем первы выход первого коммутатора подключен к информационному входу первого бло- йа дискретного преобразования Фурье, выход которого подключен к первому информационному входу второго коммутатора и информа1щонному входу первого регистра, выходы разрядов которого подключены к соответствующим информационным входам третьего коммутатора, первый и второй выходы кото- рого подключены соответственно к первому информационному входу четвертого коммутатора и входу первого операнда арифметического блока, вькод результата которого подключен к ин- формационному входу пятого коммутатора, i-й (,2) выход которого подключен к информационному входу i-ro регистра группы, выход j-ro (,) регистра группы является J-M информационным выходом устройства и подключен к j-му информационному входу шестого коммутатора, выход которого подключен к второму информационному входу четвертого коммутато

ра, выход которого подключен к входу второго операнда арифметического блока, .(2 + 1)-и выход пятого коммутато- ра и выход регистра труппы подключены соответственно к первому и второму входам блока сравнения, выход которого является выходом оконча- ния вычислений и подключен к установочному входу первого счетчика, информационный выход которого подключен к адресному входу блока постоянной памяти, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключв ны соответственно к тактовому входу первого регистра, управляющим входам

15

. Q 2о

25.

30

5

0

5

третьего и четвертого коммутаторов и входу синхронизации арифметического блока, пятый выход блока постоянной памяти подключен к управляющему входу пятого коммутатора и тактовым входам регистров группы, шестой выхо д блока постоянной памяти подключен к управляющему входу шестого коммутатора, а седьмой выход блока постоянной памяти является контрольным выходом устройства, второй выход первого коммутатора подключен к информационному входу второго блока дискретного преобразования Фурье, выход которого подключен к второму информационному входу второго-коммутатора, выход которого подключен к первому информационному входу седьмого коммутатора и информационному входу третьего регистра, выход которого подключен k первому входу сумматора-вьгчитателя,, выход которого подключен к входу сум- матора-вычитателя и информационному входу четвертого регистра,:выход которого подключен к второму информационному входу седьмого коммутатора, выход которого подключен к второму входу сумматора-вычитателя, выход накапливающего сумматора подключен к первому информационному входу первого коммутатора, второй информацион- ньй вход которого является информационным входом устройства, информационный выход второго счетчика подключен к входу дешифратора, первьй выход которого подключен к тактовому входу второго регистра, второй выход дешифратора подключен к управляющим входам второго коммутатора и сумматора- вычитателя и тактовому входу четвертого регистра, третий выход дешифратора подключен к тактовым входам третьего регистра и накапливающего сумматора и управляющему входу седьмого коммутатора,счетныевходы первого и второгосчетчика объединеныи являются тактовым входом устройства,ауправляющий вход первого коммутатора является входомзадания режима устройства.

фиг А

(риг.5

(pU2.-1

Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике, в частности к устройствам, предназначенным для спектрального анализа и обнаружения сигналов на фоне помех в диапазоне радиоволн сверхнизкой яастоты. Цель изобретения - увеличение точности спектральной оценки. Поставленная цель достигается тем, что устройство для спектрального анализа состоит из двух блоков дискретного преобразования Фурье, семи коммутаторов, четырех регистров, арифметического блока, сумматора-вы- читателя, группы регистров, накапливающего сумматора, блок сравнения, цвух счетчиков, дешифратора и блока постоянной памяти с соответствующими связями. 8 ил. (Л С f S9 сл СА9 сл

Ш-;Н W ШФЧ

в - 7 |... 6 - 7

фиг. г

фиг. 7