Цифровой анализатор мгновенного спектра Советский патент 1989 года по МПК G01R23/00 

венных сигналов.

На фиг. 1 представлена структурная схема цифрового анализатора мгновенного спектра; на фиг . 2 - схема цифрового, генератора гармонических функций. 20

Анализатор содержит аналого-цифровой преобразователь 1 на вход которого поступает исследуемый веществен- ньш сигнал f(t), первый блок.2 оперативной памяти (БОП) для хранения дис-25 кретных отсчетов, исследуемого участка реализации, сумматор.3, регистр 4, циф-t ровой генератор 5 гармонических Функций, регистр 6, блоки 7 и 8 умножения, регистры 9 и 10 сумматоры 11 и 12,. ре- 30 гистрЫ 13 и 14, второй и третий блоки 15 и 16 оперативной памяти, регистры 17 и 18, генератор 19 импульсов и Делитель 20 частоты, первый и второй мультиплексоры 21 и 22, сум- 35 матор 23 по модулю два, первый и второй блоки 24 и 25 управления знаком операнда, сумматоры 26 и 27, регистры 28 и 29, блоки 30 и 31 оперативной памяти, регистры 32 и 33, а. 40 .также блок 34 задержки.

Цифровой генератор 5 гармоничеW

COS

2irN N4

jsin

2 n--N N4

СКИХ функций содержит функциональный преобразователь 35, регистр 36, сумматор 37 и счетчик 38 параметра час-45 Это приводит к тому, что рекуррент- тоты, стробирующий вход которого сое-ный алгоритм, по ко.торому функциони- динен с выходом делителя 20 частоты.рует известный анализатор, преобразу- Стробирующий вход регистра 36 соеди-ется к виду

I . .

F(P.) F., (р,) (g) -f(g-N) wt ,

F(Pl) F., (P) E(gmod4)f(g)-f(g-N)

диапазонар,еО, N/4-1 и pj€N/4,N/2-l. Анализатор определяет.одновременно два спектра

F(P|)

г

-РЛ f(k)W« ;

-P,k Ц f.(k)W/ .

N/4, то в зависимости от остатка деления k на 4 (k mod 4) в силу периодичности весовой функции (период равен N)

FoCpa)

Так как р.

РИ

W

W

лРЛ

W.

..г. W

-Ptk „N/4

N

W

N

при(kmod 4) 0,

при(kmod 4) 1 ,

при(kmod 4) 2,

при(kmod 4) 3

Поворачивающиеся множители соответственно равны

21ГН jsin

-J

W

M(4

COS

2irN N4

jsin

2 n--N N4

приводит к тому, что рекуррент- алгоритм, по ко.торому функциони т известный анализатор, преобраз я к виду

Изобретение предназначено для обработки вещественных сигналов в реальном масштабе времени. Анализатор содержит аналого-цифровой преобразователь 1, блоки 2,15 и 16 памяти, сумматор 3, регистры 4,6,9,10,17 и 18, цифровой генератор 5 гармонических функций, блоки 7 и 8 умножения, генератор 19 импульсов и делитель 20 час-, тоты.Введение блоков 30 и 31 оперативной памяти, мультиплексоров 21 и 22, сумматора 23 по модулю два, блоков 24 и 25 управления знаком операнда, сумматоров 26 и 27, регистров 28, 29, 32 и 33 и блока 34 задержки повышает быстродействие анализатора и расширяет частотный диапазон анализируемых вещественных сигналов. В опи- . сании приведен пример реализации циф- рового генератора 5 гармонических функций. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл. §

где E(gmod4) 1 при (ginQd4) 0, E(gmod4) -j при (ginod4) 1, E(gmod4) fl при (gmod4) 2 и E(gmod4) при (gmod4) 3.

В обоих рекуррентных алгоритмах имеется общая часть. Эта общая часть- включает в себя вычисление на казедом шаге скольжения приращения йГлЧр,)

спектра, которое для первого поддиапазона всегда суммируется с имеющимся спектром, а для второго поддиапазона в зависимости от остатка деления g на 4 оно либо суммируется с кг 1еющимся спектром, либо вычитается из наго, либо выполняется поворот приращения на 90, его последующее суммирование с имеющимся спектром- или вычитание из него.

В предложенном устройстве дР. (р ) вьиисляется так же, как и в известном анализаторе. Далее вычисления разделяются на два параллельных конвейера, в первом из ,которых вычисляется F(j(p(), а во втором ), что и приводит к увеличению быстродействия в 2 раза при небольших дополнительных аппаратурных затратах.

Генератор 1 9 тактовых Ш шульсов и дели гель 20 частоты управляют работой операционных блоков анализатора таким образом, что смена информаW

2 п I cos -P,g

jsin

2ir N

P, 8

10

Cp, - jSp . Эти коэффициенты выра- батьшает цифровой генератор 5 гармонических функций, и подает на информа ционные входы регистра 6. Причем с помощью генератора 19 тактовых импул сов работа схемы синхронизирована таким образом, что с приходом каждог тактового импульса в регистр 6 запи- сьшаются значения Ср, и Sp, , а генератор начинает вырабатьтать следую Т5 щую пару козффициентов Ср,, и S р, . Разделительные регистры выполняют функции сверхоперативных запоминающих устройств. при необходимости выработки очередного отсчета гармонической функции на стробирующий вход регистра 36 генератора 5 гармонических функций с выхода генератора 19 тактовых импульсов поступает импульс, который

20

Щ1И в преобразователе I, первом бло- 25 записывает D регистр 36 код с выхода ке2 оперативной памяти, сумматоре 3 сумматора 37. Этот код поступает на

и регистре 4 происходит в N/4 раз реже, чем в остальных блоках анализатора.

Разрядность БОИ 2 соответствует разрядности преобразователя 1, а число ячеек равно N. С приходом каждого запускающего импульса с выхода делителя .20 частоты происходит запись приращения отсчета &fa f(g) - -f(g-N) в регистр4, в блок 2 записывается значение отсчета f(g) и на его выходе появляется значение отсчета f(g-N+-) А. Преобразователь 1 вырабатывает код нового отсчета f(g+l) В и подает его на вход блока 2 и первый вход сумматора 3, на второй вход которого с выхода блока

вход функционального преобразователя 35, где производится соответствующее преобразование. С приходом сле- 30 дующего импульса на стробирующий

вход регистра 36 в регистр 36 с вы- хода сумматора 37 записьшается сумма предыдущего значения аргз мента и кода номера отсчета сигнала с выхода счетчика 38 параметра частоты,т.е значение для следующего номера гарМОНИКИ.

С выходов блоков 7 и 8 умножения

35

,

попроизведения ,Cp и Q ступают соответственно на информационные входы регистров 9 и 10, запись в которые производится следующим тактовым импульсом Далее вычисления разделяются на два параллель2 подано значение А. Сумматор произ- 45 конвейера. В первом конвейере.

водит вычитание Е - А и результат подае:т на информационный вход регистра 4. В таком состоянии блоки 1-4 остаются до прихода следующего импульса с делителя 20 частоты, ко- торьш записывает , в регистр 4, и производятся вновь перечисленные операции.

50

включающем блоки П-18, производится вычисление спектра первого поддиа-. пазона F,((p,), а во втором конвейере, включающем блоки 21-33, производится вычисление спектра второго поддиапазона F(p).

Выходы регистров 9 и 10 соединены соответственно с первыми входами сумматоров 11 и 12, на вторые входы

Выход регистра 4 подан на первые gg которых поданы соответственно выходы входы блоков 7 и 8 умножения, на вто- регистров I 7 и I 8, в которых записаны рые входы которых с выходов регистра соответствующие значения действительной и мнимой составляющих спектра,по- лученных на предьздущем niare скольжения.

6 последовательно во времени поступают значения весовых коэффициентов

2 п I cos -P,g

jsin

2ir N

P, 8

10

Cp, - jSp . Эти коэффициенты выра- батьшает цифровой генератор 5 гармонических функций, и подает на информационные входы регистра 6. Причем с помощью генератора 19 тактовых импульсов работа схемы синхронизирована таким образом, что с приходом каждого тактового импульса в регистр 6 запи- сьшаются значения Ср, и Sp, , а генератор начинает вырабатьтать следую- Т5 щую пару козффициентов Ср,, и S р, . Разделительные регистры выполняют функции сверхоперативных запоминающих устройств. при необходимости выработки очередного отсчета гармонической функции на стробирующий вход регистра 36 генератора 5 гармонических функций с выхода генератора 19 тактовых импульсов поступает импульс, который

0

записывает D регистр 36 код с выхода сумматора 37. Этот код поступает на

вход функционального преобразователя 35, где производится соответствующее преобразование. С приходом сле- дующего импульса на стробирующий

вход регистра 36 в регистр 36 с вы- хода сумматора 37 записьшается сумма предыдущего значения аргз мента и кода номера отсчета сигнала с выхоа счетчика 38 параметра частоты,т.е. значение для следующего номера гарОНИКИ.

С выходов блоков 7 и 8 умножения

,

попроизведения ,Cp и Q ступают соответственно на информационные входы регистров 9 и 10, запись в которые производится следующим тактовым импульсом Далее вычисления разделяются на два параллель45 конвейера. В первом конвейере.

45 конвейера. В первом конвейере.

50

включающем блоки П-18, производится вычисление спектра первого поддиа-. пазона F,((p,), а во втором конвейере включающем блоки 21-33, производится вычисление спектра второго поддиапазона F(p).

Выходы регистров 9 и 10 соединены соответственно с первыми входами сумматоров 11 и 12, на вторые входы

5

Одновременно с этим выходы регистров 9 и 1 О соединены с входами мультиплексоров 21 и 22 таким образом, что при Наличии логического нуля на первом выходе блока ЗА задержки (что соответствует четным номерам g отсчетов сигнала) выход регистра 9 подается на вход блока 24 управления знаком операнда, а выход регистра 10 - на вход блока 25 управления зна кой операнда.. При наличии логической единицы (при нечетном значении g) на этом выходе подключение блоков противоположное, что реализует поворот на 90 вектора приращения спект- Ра uF(j,(p). Необходимость введения блока 34 задержки обусловлена конвейерным характером обработки информации, так как номер гармоники, приращение спектра которой записано в регистры 9 и 1.0, отстает на 2 от номера гармоники, значение-g для которой показьшает счетчик 38 гене. Выходы, блоков 24 и 25 соединены .соответственно.с;перЕыми входами сумматоров 26 и 27, на вторые входы которых поданы соответственно выходы регистров 32 и 33, в которых записаны соответствующие значения действительной и мнимой составляющих спек ра второго поддиапазона, полученньк на предьщущем шаге скольжения. Суммирование в cjn MaTopax 11, 12, 26 и 27 производится с учетом масштабного множителя 1/N, так как N 2, где п - целое, то учет этого масштабного множителя осуществляется весьма просто путем соответствующего сдвига на п разрядов,.

На выходе сумматора 1 получа- ется сумма RpF(p, ) , (pj +

56904 б

ратора 5. Соответственно в блоке 34 задержки производится задержка вьда- чи значений двух младших разрядов 5 счетчика 27. на 2 такта действия импульсов с выхода генератора 31 тактовых импульсов.

Блоки 24 и 25 либо сохраняют знак операнда (при подаче на их управляю- 10 щие входы логического нуля), либо меняют его на противоположное (при подаче на их управляющие входы логической, единицы) . Управляющ™ сигналом для блока 2k служит.второй вы- 15 ход блока 34 задержки, а управляющим сигналом для блока 25 - выход сумматора по модулю два 23, реали7 зующего логическую функцию исключающего ИЛИ над логическими значения- 20 ми первого и второго выходов блока 34 задержки. Блоки 21-25 реализуют оператор E(gmod4), -действие которого можно описать таблицей соответствия

торая подается на информационный вход регистра 13. С 45 выхода сумматора 12 алгебраическая

. 1„г(р,) 1,,) -IUF.SP,

подается на информационный вход регистра 14, На выходе сумматора 26 по- 50 лучается сумма ) ,, (р) Ф

которая подается на информационный вход регистра 28. С выхода сумматора 27 алгебраическая сум « .) I.F.,(p,) 4li,p(p)

подается на информационный вход регистра 29. Запись в регистры 13, 14, 28 и 29 производится следующим тактовым импульсом, с выхода регистров 3 и 14 значения отсчетов мгновенного спектра RgF. (р, ) и 1„Р„(р,) .поступают на первый выход анализатора и одновременно на информационные входы соответственно блоков 15 и 16. С выходов регистров 28 и 29 значения отсчетов

мгновенного спектра ReFoCpz)

и

(p,2 поступают на второй выход 1Q

анализатора и одновременно на информационные входы соответственно блоков 30 и 31.

Следующим тактовым импульсом в регистры 17 и 18 с выходов блоков 5 15 и 16 записьшаются соответственно значения RgF., (р,+2) и , (р,+2) а в регистры 32 и 33 с выходов блоков 30 и 31 - соответственно значеет длительности такта работы. В то же время за счет параллельного вычисления двух спектров период дискретизации анализируемого сигнала может быть уменьшен в 2 раза, что приводит к такому же расширению частотного диапазо на анализируемых сигналов.

Формула изобретения

четыре регистра -и блок задержки, при- ния ReF () и ,, (). Чис- 20 чем второй вход цифрового генератора ло ячеек в каждом из блоков 15, 16, 30 и 31 оперативной памяти равно N/4 - 2. Следует иметь в виду, что в тот момент времени, когда на выход анализатора поданы отсчеты гармоник 25 с номерами р, и р(записанные в регистрах 13,14,28 и 29), на выходах регистров 9, 10, 17, 18, 32иЗЗуста-- новлены операнды, соответствующие ногармонических функций соединен с выходом делителя частоты, первый вход первого мультиплексора соединен с вторым входом мультиплексора и подключен к четвертому выходу регистра, второй вход первого мультиплексора соединен с первым входом второго мультиплексора и подключен к выходу третьего регистра, управляющие входы обогармонических функций соединен с выходом делителя частоты, первый вход первого мультиплексора соединен с вторым входом мультиплексора и подключен к четвертому выходу регистра, второй вход первого мультиплексора соединен с первым входом второго муль типлексора и подключен к выходу треть его регистра, управляющие входы обомерам гармоник р,4-1 и , на вько- 30 их мультиплексоров объединены с пердах регистра 6, блоков 15, 16, 30 и 31 устанавливаются операнды, соЪт- ветствующие номерам гармоник р +2 и p,j+2, и цифровой генератор 5 гармонических функций готовит в этот момент весовые коэффициенты, соответствующие номеру гармоники р +3.

Введенные блоки являются типовьми блоками цифровой вычислительной техники и их реализация с помощью интегральных микросхем не вызьюает затруднений. Блоки оперативной памйти могут быть собраны из цепочек сдвигающих регистров. В блоках 24 и 25

вым входом сумматора по модулю два и подключены к первому выходу блока задержки, второй выход которого подключен к второму входу сумматора по

35 модулю два и к управляющему входу первого блока управления знаком операнда, выход сумматора по модулю два подключен к управляющему входу второго блока управления знаком операнда,

40 выходы первого и второго мультиплек- .соров соединены с первыми входами со- ответственно четвертого и пятого сумматоров через первый и второй блоки

управления знаком операнда соответ- управления знаком операнда могут быть 45 ственно, выходы четвертого и пятого использованы микросхемы, реализующие сумматоров соединены с выходами со- логическую функцию ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. ответственно четвертого и пятого бло- Блок 34 задержки может быть выполнен ков оперативной памяти через девятый в виде двух 2-разрядных сдвиговых ре- и десятый регистры соответственно, гистров, содержащих всего 4 триггера. 50 выходы четвертого и пятого блоков

Длительность такта работы конвейерного устройства определения мгновенного спектра определяется в основном временем вьтолнения операции умножения в блоках 7 и 8, так что выполне- 55 ветственно, выходы девятого и десято- ние дополнительной операции E(ginod4), го регистров соединены с вторыми вы- осуществляемой в блоках 21-25 в од- ходами устройства, управляющие вхо- ном такте, с суммированием в сумма- ды всех введенных регистров, блоков торах II, 12, 26 и 27 не увеличива- оперативной памяти и блока задержки

оперативной памяти соединены с вторыми входами соответственно четвертого и пятого сумматоров через один- надцатьй и двенадцатый регистры соотет длительности такта работы. В то же время за счет параллельного вычисления двух спектров период дискретизации анализируемого сигнала может быть уменьшен в 2 раза, что приводит к такому же расширению частотного диапазона анализируемых сигналов.

Формула изобретения

четыре регистра -и блок задержки, при- чем второй вход цифрового генератора

гармонических функций соединен с выходом делителя частоты, первый вход первого мультиплексора соединен с вторым входом мультиплексора и подключен к четвертому выходу регистра, второй вход первого мультиплексора соединен с первым входом второго мультиплексора и подключен к выходу третьего регистра, управляющие входы обоих мультиплексоров объединены с первым входом сумматора по модулю два и подключены к первому выходу блока задержки, второй выход которого подключен к второму входу сумматора по

35 модулю два и к управляющему входу первого блока управления знаком операнда, выход сумматора по модулю два подключен к управляющему входу второго блока управления знаком операнда,

40 выходы первого и второго мультиплек- .соров соединены с первыми входами со- ответственно четвертого и пятого сумматоров через первый и второй блоки

ветственно, выходы девятого и десято- го регистров соединены с вторыми вы- ходами устройства, управляющие вхо- ды всех введенных регистров, блоков оперативной памяти и блока задержки

оперативной памяти соединены с вторыми входами соответственно четвертого и пятого сумматоров через один- надцатьй и двенадцатый регистры соот91

соединены с выходом генератора такте вых импульсов, первый и второй входы блока задержки соединены соответственно с третьим и четвертым выходами цифрового генератора гармонических функций. I

.

11 II

Л

5690410

регистр и функциональный преобразователь, причем выходы функционального преобразователя являются первым и g вторым выходами генератора, его вход одновременно соединен с вторым входом сумматора, управляющие входы регистра и счетчика являются соответственно первым и вторым входами 10 генератора, а выходы первого и второго разрядов счетчика являются соответственно третьим и четвертым выходами генератора.

,

,

38

1Р

гр

фиг. 2.