Анализатор спектра сигналов Советский патент 1988 года по МПК G06F17/14 G01R23/16 

Ш

С

генератор 10 псевдослучайных чисел, блок 11 постоянной памяти, переключатель режимов 12, умножители 13,14, накапливающие сумматоры-вычитатели 15, 16, компараторы 17,18, информационный выход 19, выход 21 АЦП, выход 22 ГТИ 3, счетный вход 23 счетчика 4, тактовый вход 24 генератора 10, выход 25 генератора 10, выходы 26, 27 счетчика 4, вход 28 и выход 29 счетчика 5, вход 30 и выход 31 генератора 6, входы 32, 33 и выходы 34, 35, 36 счетчика 7, вход 37 ПЗУ 9, вход 38 и выход 40 ПЗУ 9, вход 41 и выход 42

ПЗУ 11, входы 43, 44, 45 и выходы 46, 47 и 48 переключателя режимов 12, входы 49 и 50 умножителя 13, входы 51, 52 умножителя 14, выход 53 умножителя 13, выход 54 умножителя 14, входы 55,56 компаратора 17, входы 57, 58 компаратора 18, выход 59 компаратора 17, выход 60 компаратора 18, входы 61 сумматоров-вычитателей 15, 16, входы 62 и 63 сумматоров-вычитателей 15 и 16 соответствен но, входы 64, 65, 66 сумматоров-вычитателей 15 и 16, выходы 67 и 68 анализатора, 2 ил.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для определения спектраль- ных характеристик детерминированных и случайных сигналов. Цель изобретения - повышение быстродействия. Поставленная цель достигается за счет того, что в состав устройства входят аналого-цифровой преобразователь 1, информационный вход 2, генератор 3 тактовых импульсов, счетчики 4,5, геЯератор 6 тактовых импульсов, счетчик 7, блоки 8,9 постоянной памяти,

Изобретение относится к измерительной технике и может быть испоЛь- зрвано для определения спектральных характеристик детерминированных и случайных сигналов.

Целью изобретения является повышение быстродействия.

Сущность способа заключается в следующем.

Математическое ожидание частотной характеристики случайного фильтра, ;работающего на интервале от О до Т, :определяется выражением

- L-i.

.M{(P(JU) ,

О u f

Г «J .ja,t.(

где 9(JQ) -g- 2- e

K 0

момент дискретизации).

При этом плотность вероятности распределения моментов дискретизации на интервале анализа равномерна и равна 1/Т. I

При неравномерной плотности вероятности математическое ожидание частотной характеристики случайного фильтра имеет вид

г т If , ч -jcot , М P(JQ) - -g-j tf(t)e dt,

о

где С - константа, определяемая из

условия нормировки; CfCt.)- некоторая заданная функция, пропорциональная плотности вероятности распределения моментов дискретизации на интервале от О до Т. Приведенное выражение показывает что при обработке сигнала данным фильтром.будет происходит взвешивание сигнала функцией q(t).

В качестве Cf(t) выбирают требуемую временную весовую функцию. Козф- фициент С определяют из выражения

С Jcp(t) dt.

20

Рассмотрим случайный фильтр, работающий с прямоугольной фильтрующей 5 функцией yj(t) sign(sinw; t), где t); - частота требуемой спектральной оценки. Плотность вероятности момен- тов дискретизации будем менять по закону, пропорциональному функции.

Математическое ожидание частотной характеристики такого случайного фильтра определяется выражением,

25 М .(Р; (JCO) - -|-J sinco;

о

Данное выражение показывает, что случайный фильтр при таком режиме дискретизации будет выфильтровывать

30 из сигнала синусоиду с частотой о; без операций умножения многоразрядных чиселi Дпя каждой частотной оценки данным способом требуются два фильтра .{япя синусной и косинусной . составляющих спектра). Обработка сиг нала при данном способе производится

с прямоугольной временной весовой функцией.

При другом способе обработки сигнал умножается на прямоугольную функцию yj (t) sign (sinoJjC), a плотность вероятности моментов дискретизации изменяется пропорционально функции qi(t) sinujt/. Математическое ожидание частотной характеристи- ки данного фильтра определяется выражением

М (;( jtO)

IT 1 г . - iwt

г . -jwt

j sinCDjte dt .

Случайный фильтр, работающий по данному алгоритму, будет выфильтровы- вать из сигнала синусоиду с частотой СО; с заданной временной весовой функцией Cp(t) без операций умножения двоичных многоразрядных чисел. Перестройку по частоте можно производить соответствующими изменениями фильтрующей функции и плотности вероятности моментов дискретизации. При этом стохастическая дискретизация позволяет обрабатывать сигналы практически с любой верхней граничной частотой.

На фиг.1 представлена функциональ- ная схема анализатора спектра сигналов; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Анализатор спектра сигналов содер- жит аналого-цифровой преобразователь 1, информационный вход 2, генератор 3 тактовых импульсов, счетчики 4и 5, генератор 6 тактовых импульсов, счетчик 7 меандра, блоки & и 9 постоян- ной памяти, генератор 10 псевдослучайных чисел, блок 11 постоянной памяти, переключатель 12 режимов, два умножителя 13 и 14, два накапли- вающих сумматора-вычитателя 15 и 16, два компаратора 17 и 18, информационный выход 19, тактовый вход 20 и выход 21 аналого-цифрового преобразователя 1, выход 22 генератора 3 тактовых импульсов, счетный вход 23 счет- чика 4, тактовый вход 24 и выход 25 генератора 10 псевдослучайных чисел, информационньм выход 26 и выход 27 переноса счетчика 4, счетный вход 28, и информационный выход 29 счетчика 5, вход 30 задания частоты и выход 31 генератора 6, счетный вход 32 и обнуляющий вход 33 счётчика 7 меандра, выход 34 формирователя меандра четной

5

0 5

О

5 0 5 0 с

фильтрующей функции счетчика 7, выход 35 формирователя меандра нечетной фильтрующей функции счетчика 7, информационный выход 36 счетчика 7, адресный вход 37 блока 8 постоянной памяти, адресный вход 38 блока 9 постоянной памяти, выход 39 блока В постоянной памяти, выход 40 блока 9 постоянной памяти, адресный вход 41 и выход 42 блока 1I постоянной памяти, управляющий вход 43, информационные входы 44 и 45 и выходы 46-48 переключателя 12 режимов, входы 49 и 50 умножителя 13, входы 51 и 52 умножителя 14, выход 53 умножителя 13, выход 54 умножителя 14, входы 55 и 56 компаратора 17, входы 57 и 58 компаратора 18, выход 59 компаратора 17, выход 60 компаратора 18, информационные входы 61 накапливающих сум- маторов-вычитателей 15 и 16, управляющий вход 62 накапливающего сумматора-вычитателя 15, вход 63 синхронизации накапливающего сумматора-вычитателя 16, обнуляющие .входы 64 накап.- ливающих сумматоров-вычитателей 15 и 16, управляющий вход 65 и вход 66 синхронизации накапливающего сумматора-вычитателя 16, выход 67 реальной составляющей спектра и выход 68 мнимой составляющей спектра.

На фиг. 2 .обозначены: 69 - пример временной весовой функции tp(c); 70 - пример изменения нечетной фильтрующей функции sign(sinco;t) ; 71 - пример изменения функции /sinujtj; 72 - пример изменения синусоиды с частотой со; ; 73 - пример результата наложения выфильтровываемой синусоиды sinCi);t и временной весовой функции Cf(c); 74 - пример изменения четной фильтрующей функции sign(cosfo; t); 75 - пример изменения функции /cosQ;t/; 76 - пример изменения косинусоиды с час отой О| ; 77 - пример результата на.аожения выфильтровьшаемой косинусоиды coso;t и временной весовой функции lf(t) .

Анализатор спектра сигналов работает следующ1 м образом.

Первый генератор 3 тактовьЛс импульсов вырабатывает последовательность тактовых импульсов с периодом йСд, которые поступают на тактовый вход-20 аналого-цифрового преобразователя 1, вход 23 счетчика 4 и вход 24 генератора 10 псевдослучайных чисел. Счетчик 4 тактовых импульсов считает по модулю N, которьм задается временной интервал для анализа на одной частоте (N At Т,фиг.2). Появление сигнала переноса на выходе 27 счетчика 4 приводит к увеличению на единицу состояния счетчика 5 и обнуление по входам 64 содержимого накапливающих сумматоров-вычитателей 15 и 16 и по входу 3.3 обнуления счет- Чика 7-. Счетчик 5 считает по модулю М (где М - число анализируемых гар- Кюник) .

Поступаюп1ий с выхода 29 на вход ЗО цифровой код управляет частотой генератора 6 тактовых импульсов, Лоторый формирует тактовые импульсы на входе 32 счетчика 7. На выходе $4 счетчика 7 формируется код.четной «фильтрующей функции (пример 74,фиг. 2) поступающий на управляющий вход 62 йакапливающего сумматора-вычитателя 1|5, а на выходе 35 - код нечетной фильтрующей функции (пример 70, фиг.2). С выхода 36 счетчика 7 пос гу rtaeT периодическая последовательность адресов на адресные входы 37 И 38 блоков 8 и 9 постоянной памяти

J- КИМ образом, на выходе 59 компаратора 17 будут в случайные моменты времени возникать импульсы синхронизации. Их средняя интенсивность появления во .времени будет изменяться

10 пропорционально функции / Q (t)cosW; t/, поступающей в цифровом виде на вход 55 компаратора 17.

На вход 51 умножителя 14 также через переключатель 12 режимов пос15 тупает цифровой код временной весовой функции p(t) , а на вх;од 52 - цифровой код функции jsina tl. Произведение этих кодов с выхода 54 умножителя 14 поступает на вход 57 ком- 20 паратора 18.,На вход 58 компаратора 18 поступает последовательность псевдослучайных чисел Гс равномерным распределением) с выхода 25 генератора 10 псевдослучайных чисел. Ком- 25 паратор I8 работает аналогично компаратору 17 .с той разницей, что на его выходе 60 интенсивность появления моментов дискретизации, поступающих на. синхровход 66 накапливаю- аоответственно. Периодичность поступ- 30 щего сумматора-вьгчитателя 16, будет Ления адресов соответствует подупери- пропорциональна функции j ((t)siniy;t/.

фильтрующей функции, а частота адресов задается частотой f j г|енератора 6 тактовых импульсов. При Э|Том с выхода 39 блока 8 постоянной прмяти снимается цифровой код функ- /cas(0;tf (пример 75,фиг.2), а. С| выхода 40 блока 9 постоянной памя- TJH - цифровой код функции /sinG);t/ (Ьрймар 71 ,фиг..2) .Одновременно на выходе 42 блока 11 постоянной памяти формируется цифровой код требуемой Фильтрующей функции (пример 69,фиг.2), который через переключатель режимов поступает на входы 49 и 51 умножителей 13 и 14 о На вход 50 умножителя 13 поступает цифровой код функции ./Созы;С/ (пример 75, фиг.2). Результат умножителя 13 соответствует про35

На информационные входы 61 накапливающих сумматоров-вычитателей 15 и 16 поступают значения анализируемого сигнала в цифровом виде с выхода 21 аналого-цифрового преобразователя 1. На управляющий вход 62 накапливающего сумматора-вычитателя 15 поступает код, соответствующий знаку

40 четной фильтрующей функции, а на управляющий вход 65 накапливающего сумматора-вычитателя 16 подается код, соответствующий знаку нечетной.фильтрующей функции. Если знаки сигнала и

45 фильтрующей функции совпадают в

момент прихода синхроимпульса на вход накапливающего сумматора-вычитателя, то значение сигнала суммируется с содержимым соответствующего накаплии«ведению/((1:)со8СО; с/ и поступает на gQ вающего сумматора-вычитателя 15 или

вход 55 компаратора 17. На вход 56 К(1)мпаратора 17 постзтает последовательность псевдослучайных чисел с выхода 25 генератора 10 пс евдослучай- ных чисел. Данная последовательность псевдослучайных чисел имеет равномер- нфе распределение. На выходе 59 ком- пйратора 17 будет возникать сигнал синхронизации накапливающего сумма16, если знаки не совпадают, то значение сигнала вычитается из содержимо го соответствующего накапливающего сумматора-вычитателя.

55 Таким образом, по окончании интер- -вала анализа Т в накапливающих сумма- торах-выч;4тателях 15 и 16 будут нахог диться величины, пропорциональные косинусной и синусн ой спектральной

6

тора-вычитателя 15 в том случае, если число на входе 55 будет больше числа на входе 56 компаратора 17. ТаJ- КИМ образом, на выходе 59 компаратора 17 будут в случайные моменты времени возникать импульсы синхронизации. Их средняя интенсивность появления во .времени будет изменяться

10 пропорционально функции / Q (t)cosW; t/, поступающей в цифровом виде на вход 55 компаратора 17.

На вход 51 умножителя 14 также через переключатель 12 режимов пос15 тупает цифровой код временной весовой функции p(t) , а на вх;од 52 - цифровой код функции jsina tl. Произведение этих кодов с выхода 54 умножителя 14 поступает на вход 57 ком- 20 паратора 18.,На вход 58 компаратора 18 поступает последовательность псевдослучайных чисел Гс равномерным распределением) с выхода 25 генератора 10 псевдослучайных чисел. Ком- 25 паратор I8 работает аналогично компаратору 17 .с той разницей, что на его выходе 60 интенсивность появления моментов дискретизации, поступающих на. синхровход 66 накапливаю- 30 щего сумматора-вьгчитателя 16, будет пропорциональна функции j ((t)siniy;t/.

ровой код функции jsina tl. Произведение этих кодов с выхода 54 умножителя 14 поступает на вход 57 ком- паратора 18.,На вход 58 компаратора 18 поступает последовательность псевдослучайных чисел Гс равномерным распределением) с выхода 25 генератора 10 псевдослучайных чисел. Ком- паратор I8 работает аналогично компаратору 17 .с той разницей, что на его выходе 60 интенсивность появления моментов дискретизации, поступающих на. синхровход 66 накапливаю- щего сумматора-вьгчитателя 16, будет пропорциональна функции j ((t)siniy;t/.

На информационные входы 61 накапливающих сумматоров-вычитателей 15 и 16 поступают значения анализируемого сигнала в цифровом виде с выхода 21 аналого-цифрового преобразователя 1. На управляющий вход 62 накапливающего сумматора-вычитателя 15 поступает код, соответствующий знаку

четной фильтрующей функции, а на управляющий вход 65 накапливающего сумматора-вычитателя 16 подается код, соответствующий знаку нечетной.фильтрующей функции. Если знаки сигнала и

фильтрующей функции совпадают в

момент прихода синхроимпульса на вход накапливающего сумматора-вычитателя, то значение сигнала суммируется с содержимым соответствующего накапливающего сумматора-вычитателя 15 или

16, если знаки не совпадают, то значение сигнала вычитается из содержимого соответствующего накапливающего сумматора-вычитателя.

Таким образом, по окончании интер- вала анализа Т в накапливающих сумма- торах-выч;4тателях 15 и 16 будут нахог диться величины, пропорциональные косинусной и синусн ой спектральной

оценке на частоте cj; , взвешенной временной весовой функцией ф (t). Умножения спектральных оценок на кон станту можно произвести во внешнем устройстве (не показано), которое примет информацию по окончании интервала Т (с приходом импульса переноса с выхода 27 счетчика 4). Одновременно производится обнуление счетчика 7 и накапливающих суммато- ров-вьиитателей 15 и 16. При этом работа устройства продолжается, но анализ производится на следующей более высокой частоте за .счет увеличения частоты д следования тактовых импульсов генератора 6. Частота увеличивается из-за увеличения на единицу содержимого счетчика 5, управляющего частотой генератора 6. На фиг.2 показано, как при этом будут изменяться периоды фильтрующих функций 70 и 74, периоды соответствующих синусоиды и косинусоиды 72 и 76, периоды следования управляющих кодов 71 и 75,а также результаты наложения временной весовой функции с синусной 73 и косинусной 77 составляющими спектра.

Формула изобретения

Анализатор спектра сигналов, содержащий первый и второй накапливающие сумматоры-вьгчитатели, аналого- цифровой преобразователь, выход которого подключен к информационному входу первого накапливающего сумма- тора-вычитателя, а информационный вход аналого-цифрового преобразователя является информационным входом анализатора, отличающийся тем, что, с целью повьшения быстродействия, в него введены два генератора тактовых импульсов, генератор псевдослучайных чисел, три счетчика, три блока постоянной памяти, два умножителя, два компаратора и переключатель режимов, первый выход которого подключен к первым входай первого

и второго умножителей, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого и второго компараторов, выходы которых подключены к входам синхронизации соответственно первого и второго накапливающих сумматоров-вычитателей, выходы которых являются выходами соотвёт- 0 ственно реальной и мнимой частей . спектра анализатора, выход первого генератора тактовых импульсов подключен к тактовым входам аналого- цифрового преобразователя и генерато- 5 ра псевдослучайных чисел и счетному входу первого счетчика, выход переноса которого подключен к входам обнуления первого и второго накапливающих сумматоров-вычитателей, вто- 0 рого счетчика и счетному вх-оду третьего счетчика, информационный выход которого подключен к входу задания частоты второго генератора тактовых импульсов, выход которого подключен, 5 к счетному входу второго счетчика, первый информационный выход которого .подключен к адресным входам первого и второго блоков постоянной памяти, выходы которых подключены соответст- 0 венно к первому и второму информационным входам переключателя режимов, второй и третий выходы которого подключены к вторым входам соответственно первого и второго умножите- лей, второй и третий информационные выходы второго счетчика подключены к управляющим вход м соответственно первого и второго накапливающих сумматоров-вычитателей, инфор- Q мационный выход первого счетчика подключен к адресному входу третьего блока постоянной памяти, выход которого подключен к управляющему входу переключателя режимов, выход гене- g ратора псевдослучайных чисел подключен к вторым входам первого и второго компараторов, а выход аналого-цифрового преобразователя подключен к информационному входу второго накапливающего сумматора-вычитателя.

10

Sign (sCn Ц t)

ffiihinaijt

14

Siarticos )

7b

/Cos 0/; if/

77

SCffnCsift a/gfj

I IsintJ il

I tfit)Sin()t

Sign (COS

t

-

ICO CJy t/