Устройство для спектрального анализа сигналов Советский патент 1989 года по МПК G06F17/14 G01R23/00 

iJ

-si

4

Изобретение относится к области автоматики, вычислительной техники и может быть использовано при построении специализированных устройств и информационно-вычислительных систем, предназначенных для спектрального анализа сигналов. Цель изобретения - повышение быстродействия. Цель достигается за счет того, что в состав устройства входят аналого-цифровой преобразователь 1, блок 2 умножения на коэффициенты, блок 3 прямого теоретико-числового преобразования, арифметический блок 4, блок 5 обратного теоретико-числового преобразования, блок 6 дискретного преобразования Фурье, блок синхронизации 7, информационные вход 8 и выход 9. 15 ил.

Ф1/г,1

; Изобретение относится к автомати- KJej вычислительной технике и теории обработки сигналов и может быть ис- прльзовано при построении специализированных устройств и информационно- в| 1числительных систем, предназначён- для спектрального анализа сигна- л|ов.

i TI,

Цель изобретения - повышение быстродействия,10

На фиг. 1 показана функциональная ckeMa устройства для спектрального анализа сигналов; на фиг. 2 - функциональная схема блока умножения на коэффициенты; на фиг. 3 - функциональ- 15 схема арифметического блока 4 для слу- ная схема блока прямого теоретико-чис- чая, когда N четное показана на фиг.6, лэвого преобразования; на фиг. k - а для случая, когда N нечетное - на функциональная схема вычислителя ну- фиг. 7.

Вычислитель i-ro коэффициента (фиг. 5), , 2,...,N-1, содержит счетчик 32, ПЗУ 33, умножитель 34, п-разрядный сумматор 35, п-разряд- ньй сумматор 36, регистры 37 и 38 и элемент 39 задержки.

Арифметический блок 4 (фиг. 6 и 7) содержит накапливающие сумматоры 40

(,1(N-1)/2, если N нечетное

и ,-1,... ,N/2, если N четное), умножители 41(j 1,2,...,(N-1)/2, если N нечетное и j 1 ,J,... ,.N/2, если N четное), входы 42 и 43 la также содержит квадратор 44. Функциональная

левого коэффициента; на фиг. 5 - функ Ц1ональная схема вычислителя 1-го коэЬФициента; на фиг. 6 - функциональная схема арифметического блока для С1учая нечетного N;, на фиг. 7 - то же, для случая четного N; на фиг. 8 - функциональная схема накапливающего сумматора по модулю М; на фиг. 9 - скема умножителя; на фиг. 10 - функциональная схема блока обратного теоретико-числового преобразования; на . 11 - функциональная схема блока Д1скретного преобразования Фурье; на ф;1г. 12.- функциональная схема накап- л:1вающего сумматора; на фиг. 13 - 15 в: еменные диаграммы работы устройства.

I Устройство содержит (фиг. 1) ана- лэго-дафровой преобразователь 1 (блок АЩ), блок 2 умножения на коэффициента, блок 3 прямого теоретико-числово- гЬ преобразования, арифметический 4, блок 5 обратного теоретико- ч|1слового преобразования, блок 6 дис- кЬетного преобразования Фурье (блок ДПФ), блок 7 синхронизации, информа- uiiOHHbie вход 8 и выход 9.

Блок 2 умножения на коэффициенты (фиг. 2) содержит счетчик 10, посто- яйное запоминающее устройство (ПЗУ) 11, умножитель 12, регистр 13, вход 14, выход 15 и входы 16-19.

Блок прямого теоретико-числового преобразования (фиг. 3) содержит вы- .ч слители 20, 21,- 21 , 1-го (1 o.N-1) коэффициента входы 22-27 хрды 28,

Вычислитель 20 нулевого коэффици- ejiTa (фиг. 4) содержит регистр 29, п- -разрядный сумматор 30 и регистр 31,

схема арифметического блока 4 для слу- чая, когда N четное показана на фиг.6 а для случая, когда N нечетное - на фиг. 7.

Вычислитель i-ro коэффициента (фиг. 5), , 2,...,N-1, содержит счетчик 32, ПЗУ 33, умножитель 34, п-разрядный сумматор 35, п-разряд- ньй сумматор 36, регистры 37 и 38 и элемент 39 задержки.

Арифметический блок 4 (фиг. 6 и 7) содержит накапливающие сумматоры 40

(,1(N-1)/2, если N нечетное

и ,-1,... ,N/2, если N четное), умножители 41(j 1,2,...,(N-1)/2, если N нечетное и j 1 ,J,... ,.N/2, если N четное), входы 42 и 43 la также содержит квадратор 44. Функциональная

С помощью арифметического блока 4

.4

ВЫЧИСЛЯЮТСЯ квадраты: |7(0)S.f(0);

t,(1)4-4Se(1)4-S,(N-1)-4 4s.(1)- -S,B(N-1)2;

S.p(K)4 i:St(N/2-1)+S.(N/2+i)- (N/2-1)-St(N/2+1)2; Sg(K-H)S,j(N/2).

для всех значений 1 и результаты сум- мируются, т.е. вычисляется спектр

1( 1 t/c).

г.

г

о 5

5

5

0

5

Накапливающий сумматор 40 может быть выполнен по схеме (фиг. 8) содержащей выход 45,, регистр 46 и сумматор 47.

Умножитель 41, (фиг. 9) содержит инэертор по модулю 48, три сумматора 49, два табличных преобразователя 50 , и три элемента: 51 задержки и вход 52.

Блок 5 обратного теоретико-числового преобразования (фиг. 10) содер-, жит счетчик 53, умножитель 54, ПЗУ 55,; .накапливающий сумматор 56 по модулю, регистры 57, входы 58 - 63 и выход 64. .Блок 6 ДПФ (фиг. 11) содержит счетчик 65, умножитель 66, ПЗУ 67,накапливающий сумматор 68 и регистры 69, входы 70-75.

Накапливающий 68 сумматор (фиг.12) содержит сумматор 76 и регистр 77.

Временная диаграмма работы устройства в целом приведена на фиг. 13. Работу тактирует сброс Ст. С началом второго импульса строба на выходе блока 1 АЦП появляются значения сигнала Х(п). Перед началом работы обнуляются, регистры 13, 29, 31, 37, 38, 46 и 77 подачей соответствующих импульсов на входы 19, 23, 25, 43 и 74 соответственно, а также счетчики 10, 32, 53 и 65 подачей соответствующих импульсов на входы 16, 26j 59 и 71 (на временной диаграмме не показано). В связи с тем, что с подачей из регистра 37 (фиг, 5) нулевого значения на вход умножителя 34,на выходах этого умножителя также устанавливаются нулевые значения и результат суммы сумматора 35 будет нулевым, что приведет к установлению нулевого значения на элементе 39 задержки. Нулевые значения также установятся на сумматорах 36 вычислителей спектральных коэффициентов 21 и сукиаторе 30, что определяет нулевые значения на вхоЗапись данных в регистры 46 (фиг.8) обеспечивается подачей сигнала на вход 42 этого регистра, который сдвинут вправо (задержан) пс отношению к сигналу 24 на N тактов. Период его также равен N. Далее процесс повторяется для сигналов X ,,.(п) , X д(п) ,... ,X,i(n) и получают спектр (аО . Теперь блоки 1-4 могут обрабатывать следующий g отрезок временной последовательности. Блоки 5 и 6 должны определить результаты для первого отрезка последовательности. В работу вступает блок 5, который в последовательном режиме осудах квадратора 44 и умножителей 41.. Значит нулевые значежя установятся и 20 Ществляет обратное преобразование ТЧП на элементах 51,-.51з задержки.Строб сигнала Х(п).

С одновременно подается на счетный Временная диаграмма работы блока вход 17 счетчика 10 (фиг. 2) и на приведена на фиг. 14. Подачей управ- вход 27 счетчика 32. Регистры 57 об- ляющих сигналов на входы 63 и 58 бло- нупяются подачей соответствующих сиг- 25 « 5 в регистры 57 записываются значения сигнала Х(п) . Далее работу блока 5 поясняет временная диаграмма, показанная на фиг. 15. На счетный вход 60 счетчика 53 подается импульс. Пос- 2Q ле каждого такта содержимое счетчика 53 увеличивается на единицу. Выход счетчика соединен с адресным входом ПЗУ 55 и на каждом также выбирается нужный коэффициент. Выходы регистров 57Q, 57,,... ,57 ,j соединены. Эти регистры должны иметь третье высоко- омное состояние. Сигнал высокого уровня на входах 63 переводит в высокоим- пендансное состояние. Если на входах „ 13 устанавливается низкий уровень, а на входах 58 - сигнал высокого уровня , информация с входом регистра передается на выходы. Подачей на оба входа сигналов низкого уровня можно

рого импульса сигнала, подаваемого на проводить считывание информации именно вход 18. Далее процесс повторяется и с того регистра, на который п.одаются

управляющие сигналы. На (1N+1)-M так- же производится запись информации в

множенные отсчеты сигнала Х(п) на регистры 57 (фиг. 15). Далее-на каж- с| записываются, с приходом импульсов 50 - такте информация. последовательно

налов на входы 63,- и 58j (фиг. 10). Регистры 69 обнуляются подачей соответствующих сигналов на входы 75- и 70. (фиг. 11). С приходом импульса на вход 18 регистра 13 (фиг. 2 и 13) первый отсчет сигнала Х,(0) записывается в регистр 13. На выходах счетчика 10 установлено нулевое кодовое слово после обнуления, которое подается на адресные входы ПЗУ 11 и выбирает из него коэффициент учета спектрального окна «о, на которое умно-- жается содержимое регистра 13.

После окончания второго импульса строба содержимое счетчика 10 увеличивается на единицу, из ПЗУ 11 выбирается следующий коэффициент, на который умножается отсчет Х,(1), запи- санный в регистр 13 с приходом втокаждый отсчет сигнала X, (п) умножается на соответствующие отсчеты а

35

счить ается с регистров 57 , 57

на вход 22 регистра 29 (фиг. 4 и 13),

которые сдвинуты вправо по отнощению57 /, что еобходимо для вычисления

к импульсам на время работы блока 2.значений Х(п)блоком 5. Вычисленный

Йосле срабатывания сумматора 30 вычис-коэффициент -Щ)) записывается в ре.лителя 20 нулевого коэффициента и сум-55гастр 69 блока 6 ДПФ и далее послематоров 35 и 36, счетчика 32, ПЗУ 33довательно записываются коэффициенты

и умножителя 34 вычислителей 21. спе-Х(Т)ХШ2) . ,3апись производится

ктральных коэффициентов данные записы-таким же образом, как и в регистры

ваются в регистры 31 и 38 для подсум-57. Потом осуществляется последовамирования на следующем такте работы. Это обеспечивается подачей сигналов на входы 24 регистров 31 и 38,; (фиг.13).

Запись данных в регистры 46 (фиг.8) обеспечивается подачей сигнала на вход 42 этого регистра, который сдвинут вправо (задержан) пс отношению к сигналу 24 на N тактов. Период его также равен N. Далее процесс повторяется для сигналов X ,,.(п) , X д(п) ,... ,X,i(n) и получают спектр (аО . Теперь блоки 1-4 могут обрабатывать следующий g отрезок временной последовательности. Блоки 5 и 6 должны определить результаты для первого отрезка последовательности. В работу вступает блок 5, который в последовательном режиме осу0

0 Ществляет обратное преобразование ТЧП сигнала Х(п).

25 2Q „

35

регистры 57 (фиг. 15). Далее-на каж- - такте информация. последовательно

счить ается с регистров 57 , 57

4 ельное считывание информации из ре- | истров 69 и вычисление коэффициентов Х(о) спектральной плотности | ощности. Фиг. 15 иллюстрирует про- itecc последовательного считывания ин (формации с регистров 57, 57i,«) 7 nji с помощью временных диаграмм. )тот1фоцесс повторяется для каждого оэффициента Х(п). Процесс записи и читывания информации в регистры 69 е отличается от процесса записи и читывания информации в регистрах 57. оэтому пояснение работы блока 6 ЩФ временными диаграммами не иллюст- ируется.

.-

Управляющие временные последова- ельности формируются с помощью бло- а 7 синхронизации.

ормула изобретения

Устройство для спектрального ана- иза сигналов, содержащее аналого-циф- овой преобразователь, блок синхрони- ации и блок дискретного преобразова ия Фурье, выход которого-является; 1нформационньм выходом устройства, нформационньш входом которого явля- ;тся инфор.мационный вход аналог о-циф- ового преобразобатепя, тактовый вход :8торого подключен к первому выходу лока синхронизации, второй выход ко- орого подключен к входу синхрониаа- блока дискретного преобразования Фурье, вход запуска блока синхрониза- щи является входом запуска устройст- la, отличающееся тем, что с: целью повышения быстродействия, в i:ero введены блок умножения на коэффи ф1енты, блок прямого теоретико-число- його преобразования, арифметический блок и блок обратного теоретико-чис- jfoBoro преобразования, при этом вы- Нод аналого-цифрового преобразователя Подключен к информационному входу блока умножения на коэффициенты, йыход которого подключен к инфор- Мационному входу блока прямого теоре-

5

0

о

}5 Ю 5

тико-числового преобразования, вьпсод нулевой составляющей которого подключен к информационному входу арифмети- .ческого блока .выход нулевой составляющей которого подключен к входу нулевой составляющей блока обратного теоретико-числового преобразования, выход которого подключен к информационному входу блока дискретного преобразования Фурье,, выходы i-й к (Ы-1)-й (, TN-j)/2, где N - размар преобразования, j О, если N-четчое и j 1, если N - нечетное) состав ляющнх блока прямого теоретико-чис л;ового преобраз ования подключены к i-M информационным входам соответственной первой и второй групп арифметического блокгц , выход i-й составляющей которого подключен к входу i-й составляющей блока обратного теоретико-числового преобразования, а третий, четвертый, пятый и шестой выходы блока синхронизации подключены к входам синхронизации соответственно блока умножения на коэффициенты, блока прямо- го теоретико-числового преобразования, арифметического блока и блока обратного теоретико-числового преобразования, при этом арифметический блок содержит ((N-j)/2+1) накапливающие сумматоры, (N-j)/2 умножителей и квадратор, выход которого подключен к информационному входу первого накапливающего сумматора, выход которого является выходом нулевой составляющей арифметического блока, информационным входом которого является вход квадратора, выход i-ro умножителя подключен к информационному входу (1+ +1)-го накапливающего сумматора, вы- ход которого является выходом i-й составляющей арифметического блока, i-ми информационными входами первой и второй групп которого являются соответственно первый и второй входы i-ro умножителя, а входы синхронизации всех накапливающих сумматоров соединены между собой и являются входом синхронизации арифметического блока.

№/./

1C

«м

ае-1 ог i5

Д-.« I г м«

:: Р t I -

«

- вЧJC

аЗ С а

.il g

Г

i

55

см

см

«ч

t« С

«т о о

«гЬ

А

::i

е«ccrvT

IOC

iE

«ч

я «

«Г

о

SJ

Jr Си

4

.8

т

j/

(Риг. 9

5о

0-/

Р Т

5Z.

0 Т

57,

DE

Т

Л

Б

R 1

53

Q

55

/о. 5f о«Риг./О

5/f

56

5 -о

иг.11

ц, Vj

S2 и И S

2 -°°

ifi