Устройство для выполнения преобразования Фурье Советский патент 1988 года по МПК G06F17/14 

ю

4

О Ю

г--:

ИчоОретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах управления виброиспыт«ниями технических объ- ект:)в, измерительной технике, радио- те..иике и электросвязи для выполнения прямого и оОратиого преобразований Фурье непрерывных и дискретных, детерминированных и случайных сигналов в реальном масштабе времени.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства за счет выполнения им обратного преобразования Фурье.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства для выполнения преобразования Фурье; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства в режиме обратного преобразования Фурье,

Устройство содержит информационный вход 1, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, генератор 3 тактовых импульсов, делитель 4 частоты, генератор 5 псевдослучайных чисел, счетчик 6, блок 7 постоянной памяти, блоки 8 сравнения, накапливающие сум- laтгры-яычитатели 9, две группы JO ;): б, |оков сравнения и М сумматоров- 1ь1читателей, информационные входы 11 для прямого преобразования Фурье, коммутатор 12, распределитель 13 импульсов, элемент ИЛИ 14 и блок элементов ИЛИ 15, накапливающий сумма- тор-пычитатель 16 и выход 17 устройства для обратного преобразования Фурье.

Устройство pnOfvrncT в двух режи- lax: режиме . ,у преобразования и D режиме обратного преобразо- ;аипя Фурье.

В режиме прямого преобразования коммутатор 12 устанавливается в нижнее положение (фиг.1), а входной аналоговый сигнал поступает на вход АДП 2. Тактовые импульсы с выхода генера- гора 3 поступают через делитель 4 с коэффициентом деления 2М (М - количество определяемых гармоник) на управляющий вход блока 2, на информационном выходе которого формируются цифровые отсчеты входного сигнала, на вход генератора 5 псевдослучайных чисел, на выходе которого формируется поспу;1овательность псевдослучайных чисел (п), и через счетчик 6 на адресный вход блока 7, на выходах которого формируются последовательности числовых кодов, соответствующих значениям фильтрующих функций 3„;(п) для первой группы 10 блоков и С„;(п) для второй группы 10. При этом

S,;(n)

. 2 . sin -- ni;

0

(1) (2)

(п) cos - ni,

где N - число отсчетов входного си1-

нала;

п - порядковый номер отсчета 5 пе 1.

m - порядковый номер фильтрующей функции m l ,М ;

1 - номер коэффициента Фурье, подлежащего определению,

0 iiLN/2.

Блоки сравнения осуществляют сравнение чисел, поступающих с выходов блока 7 и генератора 5, Если исло, поступившее на блок 8 сравне5°НИН с блока 7, например, больше числа, поступившего с выхода генератора 5, то на выходе данного блока сравнения формируется код, разрешающий выполнение в соответствующем из М на0 капливающих сумматоров-вычитателей 9 операции сложения, при невыполнении указанного условия - код, разрешающий выполнение операции вычитания. Значр- ния исследуемого сигнала в момент дискретизации Х(п) в виде цифрового кода с выхода блока 2 поступают на информационные входы накапливающих сумматоров-вычитателей 9. При поступлении на управляющий вход сумматора5

пычитателя 9 кода, разрешающего выполнение Сложения, в нем производится слоя-ение Х(п) с суммой, накопленной в предшествующие моменты дискретизации. В обратном случае производится

вычитание Х(п). После выполнения N тактов выборки значений исследуемого сигнала (цикла преобразования) в М накапливающих сумматорах-вычитателях 9 первой группы 10 оказываются запи-

санными М значений коэффициентот а, , а в М накапливающих сумматорах-вычи- тателях 9 второй гругты 10 - М значений коэффициентов Ь; ;

55

АГ

а, Х(п) F sin -,-п1- (п) ;

3)

А

Ь; У;Х(п) F cos .(п) ()

Г

При рапиомерном законе распределения Р(п) н Р1ых(лиой последовательности генератора 5 псепдослучайных чисел F(n) на выходах 11 сумматоров- нычитателей 9 появляются соответствующие значения ко- гЪфициентов дискретного преоСфтования Фурье:

1

Я, N ZX(n)- in-N- i5

12 i

b; Г, Z X(n)cos--ni ,

N

N

15

блока 7, например, больше ч тупившего с выхода генерато на выходе данного блока сра формируется код, разрешающи ние в соответствующем из М ющих сумматоров-вычитателей ции сложения, при невыполне условия - код, разрешающий операции вычитания (фиг.2д) уровень означает вычитание, ный - сложение). Поскольку мационные входы сумматоровлей 9 ничего не подается, т мое их не изменяется, а при равляющие коды на суммирова пычитание хранятся в соотве регистрах сумматоров-вычита По приходу с распределителя пульсов (фиг.2б) эти коды п считываются из регистров су вычитателей 9 ч через элеме (фиг.2е) поступают на управ вход сумматора-вычитателя 1 2g временно со считыванием упр кодов из сумматоров-вычитат поочередно считываются и хр

А

в них коэффициенты а; и Ь;, поступают через блок элемен 1Д на информационный вход с нычитателя 16. После выполн тактов в накапливающем сумм вычитателе 16 (фиг.2ж) оказ записанной следующая сумма

20

30

с коэффициентом доверия, зависящим от времени интервала суммирования (усреднения), так как среднее значение F, например, для S(п) равно

F (n)Jp(n).(7)

В режиме of.ратного преобразования Фурье коммутатор 12 устанавливается в верхнее положение (фиг.1). В сум- маторах- зычитателях 9 первой группы 10 хранятся значения коэффициентов Фурье а, , а в сумматорах-вычитателях 9 второй гругтпы 10 - значения коэфл

фициентов 1э| , которые были получены при прямом п1-)еобразовании Фурье. Сум- матор-вычитатель 16 находится в обнуленном состоянии.

Тактовые импульсы с выхода генератора 3 поступают через коммутатор 12 на вход распределителя 13 импульсов, а через делитель Д частоты с периодом ut (фиг.2а) на входы счетчика 6 и генератора 5 псевдослучайных чисел. На выходе последнего формируется после;товательность псевдослучайных чисел (п), (фиг.2в), а на выходе счетчика 6 формируется код адреса, который поступает, в свою очередь, на адресный вход блока 7. На выходах последнего формируются последовательности числовых кодов, соответствующих значениям синтезирующих функций S (п) для первой группы 10 блоков и С„;(п) для второй группы 10, которые так же, как и Фильтрующие функции,° а в сумматоре-вычитателе 16 описываются соотношениями (1) и (2) (на фиг.г изображены S,(n) и (п) для 1-й и 5-й гармоник).

35

Х(

, 1-1-(1)

,Г 2тг .Ь.

1

40

45

Эта сумма считывается из ра-вычитателя 16 (фиг.2к) н 17 (2М+1)-м импульсом считы распределителя 13 импульсов того, этим же импульсом сум вычитатель 16 обнуляется.

С приходом следующего им дедителя 4 частоты через At цикл работы устройства повт

ется записанной следующая с

Х(2) 21 ja; rfsin-l 2- i-.f(2 :.-Г(2)1

Ьлоки сравнения по импульсу с де- ,ч 4 частоты, осуществляют сравнение чисе:1, поступающих с выходов олока 7 н генератора 5. Если число, поступнви. г. };а Слок 8 сравнения с

10

15

блока 7, например, больше числа, поступившего с выхода генератора 5, то на выходе данного блока сравнения формируется код, разрешающий выполнение в соответствующем из М накапливающих сумматоров-вычитателей 9 операции сложения, при невыполнении этого условия - код, разрешающий выполнение операции вычитания (фиг.2д), нулевом уровень означает вычитание, един;, i- ный - сложение). Поскольку на информационные входы сумматороввычитателей 9 ничего не подается, то содержимое их не изменяется, а принятые управляющие коды на суммирование или пычитание хранятся в соответствующих регистрах сумматоров-вычитателей 9. По приходу с распределителя 13 импульсов (фиг.2б) эти коды поочередно считываются из регистров сумматоров- вычитателей 9 ч через элемент ИЛИ 15 (фиг.2е) поступают на управляющий вход сумматора-вычитателя 16. 2g временно со считыванием управляющих кодов из сумматоров-вычитателей 9 поочередно считываются и хранящиеся

А

в них коэффициенты а; и Ь;, которые поступают через блок элементов ИЛИ 1Д на информационный вход сумматора- нычитателя 16. После выполнения 2М тактов в накапливающем сумматоре- вычитателе 16 (фиг.2ж) оказывается записанной следующая сумма

20

30

,° а в сумматоре-вычитателе 16

° а в сумматоре-вычитателе 16

35

Х(

, 1-1-(1)

сумматоре-вычитателе

,Г 2тг .Ь.

1

а в сумматоре-вычитателе 16

Эта сумма считывается из сумматора-вычитателя 16 (фиг.2к) на В Ыход 17 (2М+1)-м импульсом считывания из распределителя 13 импульсов, кроме того, этим же импульсом сумматор- вычитатель 16 обнуляется.

С приходом следующего импульса с дедителя 4 частоты через At (фиг.2а) цикл работы устройства повторяется,

оказывается записанной следующая сумма:

а в сумматоре-вычитателе 16

н т.д.

Х(2) 21 ja; rfsin-l 2- i-.f(2) :.-Г(2)1

+b, F

I; ч cos -- N

В обшем случ.че с сумматора-вычита- теля 16 считываются на пыход 17 следующие суммы:

м Г Г о 1 Х(п) J а; F sinyi п-(п) -к 1- L LJ

-t-b; рГсо5 1-п-(п)| .

(10)

При равномерном законе распределения Р(п) в выходной последовательнос- и генератора 5 псевдослучайных чисел выражение для среднего значения может быть записано в следующем

(п) Х(п) виде

1

sZi

2/N. , U Sin--ni- -b;

cos--ni),

(11)

с коэффициентом доверия, за висящим от времени интервала суммирования (усреднения), так как среднее значение F, например, для 5„;(п) равно

F (sin ni-fCn)) Р(п).

(12) Формула изобретения

Устройство для выполнения преобразования Фурье, содержащее генератор тактовых импульсов, аналого-цифровой преобразователь, счеТчик, информационный выход которого подключен к ад- гесному вхолу блоки постоянной памяти, i-e (i l,M, М - количество- определяемых гармоник) информационные выходы первой и второй группы которого подключены к первым BXIдам i-x блоков .-равнения соответственно первой и второй групп, выходы которых подклю- 1ены к входам выбора режима i-x на- капливанщих сумматоров-вычитателей соответственно первой-и второГч групп, ыходы которых являются выходами со- тветственно реальной и мнимой частей i-й гармоники спектра устройства, информационным входом которого является информационный вход аналого- цифрового преобразователя, а выход -енератора псевдослучайных чисел под- |.;лючен к вторым входам i-x блоков

5

0

сравнения первой и BTOpoii г рупп, о т :i и ч а ю DI е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет вычисления обратного преобразования Фурье, в него введены коммутатор, делитель частоты, распределитель импульсов, блок элементов ИЛИ, элемент ИЛИ, накапливающий сумматор-вычитатель, выход которого является выходом обратного преобразования Фурье устройства, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к первому информационному входу коммутатора, первый выход которого подключен к информационным входам i-x накапливающих сумматоров-вычитателей первой и второй групп, генератора тактовых импульсов подключен к тактовому входу делителя частоты и второму информационному входу коммутатора, управляющий иход которого является входом задания режима работы устройства, второй выход комму5о татора подключен к тактовому входу распределителя импульсов, j-й (j 2К-1, ,М) выход которого подключен к тактовому входу j-ro накапливающего сумматора-вычитателя первой 1руппы, 1-й выход (, ,М) распределителя импульсов подключен к тактовому входу 1-го накапливающего сумматора-вычитателя второй группы, выход делителя частоты подключен к входу синхронизации аналого-цифрового

5 преобразователя, счетному входу

счетчика и тактовому входу генератора псевдослучайных чисел, выходы i-x накапливающих сумматоров-нычита- телей первой и второй групп подключены соответственно к 1-му и (i- -M)-My входу блока элементов ИЛИ, пыход ко- торг;г о подключен к информационному входу накапливающег о суммятора-ныч и- тателя, вход выбора режима которого

подключен к выходу элемента 11ТИ,

i-и и ()-й входы которого полклю- чены к выходам выбора .иг а i-x сумматоров-вычитателей соответствен ;- первой и второй групп, а (2М+1)-м выход распределителя импульсов .юд- ключен к тактовому п;-;оду нпкаплипаьт- щего сумматора-вычитате, ;я .

0

0

0

I/

1

f

i

2M((2 i)

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано в системах управления виброиспытаниями технических объектов, измерительной технике. радиотехнике и электросвязи для выполнения прямого и обратного преобразований Фурье непрерывных и дискретных, детерминированных и случайных сигналов в реальном масштабе времени. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет выполнения обрат ного преобразования Фурье. Поставленная цель достигается за счет того, что в состав устройства входят аналого-цифровой преобразователь 2, генератор тактовых импульсов 3, делитель частоты 4, генератор псевдослучайных чисел 5, счетчик 6, блок тоянной памяти 7, блоки сравнения 8, накапливающие сумматоры-вычитатели 9 и 16, две группы 10 из М блоков сравнения и М сумматоров-вычитателей, коммутатор 12, распределитель импульсов 13, элемент ИЛИ 14 и блок элементов ИЛИ 15. 2 ил. с (f (Л с:

m,(r

)

Г

/7

-%

Г

tf

Bs

Nf,

J

LJ