Устройство для вычисления скользящего спектра Советский патент 1989 года по МПК G06F17/14 

Изобретение относится к вычислительной технике, предназначено для вычисления скользящего спектря сигналов и может быть использовано в анализаторах спектра, работающих в реальном масштабе времени при ци})ро- вой обработке сейсмических л других сигналов.

Целью устройства является noBbmie- ние быстродействия.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на фиг. 2 - блок- схема рекурсивного алгоритма дискретного преобразования Фурье; на фиг. 3- временная диг.грамма работы устройства.

Устройство содержит информационный вход 1, регистр 2, вычитатель 3, умножитель 4, регистр 5, сумматор 6,

шинн,1й формирователь 7, сумматор 8, регистры 9-П , су1-1матор 12, умножитель 13, блок 14 постоянной памяти, блок 15 регистров, информационный выход 6, умножитель 17, выход 18 блока 19 синхронизации, выходы 20-23 блока 19 синхронизации, генератор 24 тактовых импульсов, счетчик 25, триггеры 26 и 27 к дешифратор 28.

Устройство работает следующим образом.

Пусть на вход 1 поступают отсчеты у(К), К О, 1, 2, ..., частотно- ограниченного периодического сигнала y(t), который можно представить как

h

y(t)

+ 3; sin

«о

(o(;cos

i2« t

).

где Т - период сигнала yCt);

N - номер наивысшей гармоники в сигнале y(t);

do.

P- tii

1,N) - коэффициенты Фурье, аналоги шые действительной и мнимой частям при комплексном представлении преобразования Фурье.

Значения коэффициентов Фурье, со ответетвующие значениям мгновенного спектра сиг налов, можно получить, воспользовавгаись методом описания системы посредством переменных состояния и алгоритмом фильтра Калмана, в котором вектор состояния образован коэффициентами Фурье. Получаем рекурсивный алгоритм для вычисления коэф- фициентов Фурье в следующем виде:

х(К + 1) Рх(К) + (К) - С .х(К) Фх(К) + (К) - у (К),

уск) - сЧ(к),

(1)

где у(К) - отсчеты входного сигнала

y(t); х(К) - 2N + 2j-мерный вектор

оценки спектральных составляющих На К-м шаге дискретизации

х(К) , (, (К) , )

.21 Т

(К)

de(K), oj ;

.oi,(K).

x(K-t-l) - 2N + 2 -мерный вектор

оценки спектральных составляющих на (К-4-1)-м таге д ис к ре тиэ а ции

х(К - 1) в,(К + 1), р.. ---,

eii(K 1), PJ(K + I)

Г т 2- 2Т

do(K

(К 1), (К + 1)

). г

р - (2N + 2)(2N + 2)-мерная

переходная матрица иида

Изобретение относится к вычислительной технике, предназначено для вычисления скользящего спектра сигналов и может быть использовано в анализаторах спектра, работающих в реальном масштабе времени при цифровой обработке радиолокационных, сейсмических и других сигналов. Цель изобретения - повышение быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что в устройство входят блок постоянной памяти, блок регистров, блок синхронизации, три умножителя, три сумматора, пять регистров, вычитатель и шинный формирователь. 3 ил.

cos 20,.it

sin2Oj ut 0 -2OoSin2w,bt cos2w t

Ф

в которой CO,

zir -f

интервал дискретизации; G f g ,, р,г, . . . , g N4-1 , Ol - 2N + 23-мерный вектор ко эф4)1циентов усиления, значение которого рассчитывается предварительно чс- ходя из априорных данных об исследуемом сигнале y(t);,

С 1010 ... 1 о - 2N -H2J- мерный вектор измерения;

Т - индекс транспонирования;:

г(к) - сЧ(к) « 21 «i;(i)( )д 1

дин проход рекурсивного алгоритма ьмисления коэс и нциентов Фурье со

„ . sinNWait cosNu,

-NOpSinNo bt cosNQgit

10 00

40

держит N -t- 1 базовых операций, i-я базовая операция i I, N имеет вед:

45

50

55

i;.,) iUi(K-t-l) ,., (К) cos iUjftt + ., sin + g4;-i y(K) -Zlo ; (K) + d,(K)} х„.., (К))

«cosiOjit + (K)sin + gc;-,p (K)-J(K) ;(2.1)

Xj.,(K+l) -iOootj;,,(K)sin iw.ut + + iCJo.zi-i cos io, it gj-, y(K) -2: ы;(К) +do(K)l - i(O.X4;.,(K). ((

«siniOjut -t- ioDj Xj;(K)co8 icOe &t

81; yW - yCK).(2.2)

5,

Выражение для (Ы+1)-й базовой операции, в которой определяется значение постоянной составляющей, приведено к тому же виду, что и остальные базовые операции:

Х2М., (К+1) 1X2,., (К)

- g,w4,yW - J(K) d,(K) g.«.yW - ).

X,,,, (К+1) О.Х2,„(К) 0- ,x,j(K) + (К) - (K)j 0.

Для упрощения описания вьпюлним следующую замену

COS icO, i t a; ,

sin iUoJ t Гид

b l , -icOjSin iO,, Л t d; . Тогда (2,1) и (2,2) примут вид:

х,;, (K-t-l) а;х,;., (К) + Ь; х, (К) + gj;., у(К) - (К), (3,1)

xi; (К+1) d;Xi;.,(K) + а,. х,(К) + ei; У(К) - f(K),(3,2)

Одна итерация рекурсивного алгоритма вычисления коэффициентов Фурье выполняется за N+I шагов, равных количеству базовых операций. Каждый шаг содержит два такта. Коэффициенты а;, ( el записаны в блок 14, объем которого составляет 6 (N 1) слов, В каждом четном такте из блока 14 параллельно считьшаются коэффициенты 3,. dj, .,, в каждом нечетном такте - коэффициенты Ь|, а; , р,- , Блок 15 регистров представляет собой ли- нейку сдвиговых рег истров объемом

2(N + 1) + 1 слов. В каждом четном такте выполняется прием операндов (К + 1) и вьиача операнда x((K в каждом нечетном такте - прием + 1) и вьиача (К),

Счетчик 25 имеет коэффициент пересчета К 2N + 3, прием во все регистры и умножитель осуществляется положительным фронтом синхроимпульса, В сумматорах 8 и 12 при отрицательном уровне на управл пощем выполняется пропуск операнда, поступающего по первому входу, при положительном уровне - суммирование операндов (управляющие входы сумматора 6 и вычитателя 3 не показаны, так как режимы работы этих узлов не изменяются , Вьдача и:1 регистров 5 и 9-11 и пропуск операндов через шин276426

Hboi формирователь 7 выполняются по положительному уровню на управляющем входе,

Рассмотрим работу устройства при вычислении (К- -О-й итерации, В первом такте состояние счетчика 25 - 00 ,,, 00, В умножителях 13 и 17 приняты соответственно операнды х(К),

Q а, и х,2(К), Ь; ; выполняются умножения х(К) а,, X (К) Ь, , Результаты умножения проходят через сумматоры 12 и 8 и поступают на вход регистров J1 и 9, В умножителе 4 - холостой такт.

15 И блока 15 счит,|вается операнд х.(К), который является результатом вьгчисле- ния К-й итерации, и поступает на выход 16, из блока 14 по адресу 00 .., 00 считьюаются коэффициенты

20 d ,, а , g,,

iia выход устройства поступает операнд у(), на выходе вычитателя 3 получаем результат вычисления вы25

N+

ражения у(К) - Z. г;., (К) - у(К) - IfCb) от предьщущей итерации. На вход триггера 26 поступает нулевой уровень.

ЗСВо втором такте состояние счетчика 25 - 00 ,,, 01 , В умножителях 13 и 17 выполняется соответственно прием х,(К), d, и х,(К), d,, вычисляются произведения x,(K) d,, х,(К)-а,, е В регистры 11 и 9 принимаются операнды x(K) d, и х(К) Ь|, В сумматорах 12 и 8 вычисляются соответственн x,(K) d, -н Xj,(K).a и х,(К)-а , + Х2(К)-Ь, и поступают на вход реги- 40 стров 11 и 9. Положительным перепадом с выхода 23 блока 19 синхронизации (сигнал образован дешифрацией нулевого состояния счетчика 25 тактов) в умножитель 4 принимается операнд 45 Гу(К) - (К) , вычисленный в предыдущем такте в вычитателе 3, а также операнд g по синхроимпульсу J3, В умножителе 4 вычисляется произведение g у(К) - 0) и поступает на 50 вход регистра 5, по синхро 4пульсу

18 и присутствующему ему нулевому I, уровню на выходе 23 управления в регистр 2 принимается y(K-t-l), Из блока 15 считьшается операнд (К) и jjlпоступает на выход 16 и на вход умножителей 13 и 17, из блока Л4 по адресу 00 ,,, 01 считываются коэффициенты а, Ь и g,. В триггер 26 записывается О, а на его вход поступа

ет единичный уровень. Триггер 27 - в нулевом состоянии.

В третьем такте состояние счетчика 25 - 00 ... 10. В умножителях 13 и 17 выполняется соответственно прием х(К), а j и х (К) , Ь , вычисляются произведения х(К). а и x(K). Ь и через сумматоры 12 и 8 соответственно поступают на вход регистров 11 и 9. В регистры 11 и 9 записываются соответственно x,(K) d,| + х(К) а, и х,(К) а + х(К).Ь,. На управляющем входе регистров 11 и 9 присутствует единичный уровень (управляющий сигнал 21 равен единице, т.к. в триггер 26 записывается по синхроимпульсу .единица и поступает на вход триггера 27). Этот единичный уровень разрешает поступление операнда х (K)id , + Х2(К) а, на вход суммат(5ра 6, операнда х(К) а + Xj(K) b, на вход регистра 10 и на вход вычитателя 3, на другой вход которого поступает с выхода регистра 2 операнд у(К+1). В вычитателе 3 вычисляется у(К+1) - - х,(1)а,, + х(К).-Ь и поступает результат на вход регистра 2,

Произведение (K) - J (К) запи сьшается в регистр 5 и поступает на вход сумматора 6, на выходе сумматора 6 получается х(К+1) x(K)v

+ х(К)-а, + (K) - У(К) . В триггер 27 записан нуль, который запрещает подключение регистра 10 и шинного формирователя 7 соответственно к входам сумматора 6 и вычитателя 3. В умножителе А вычисляется произведение ) - (j (К) , которое noc l на вход регистра 5. Из блока 15 с итьшается операнд х,(К), а из блока 14 - операнды da, а, g.

В четвертом такте состояние счетчика 25 - 00 ... 11 . В умножителях 13 и 17 выполняется прием ), dj х,(К), а, вычисляются произведения x(K) cl2 и x(K),-d2. В регистрах 11 и 9 выполняется прием х(К). а и х(К). bj. В сумматорах 12 и 8 вычисляются соответственно + + x(K) aj и х(К).ад + x(K) bj, и результаты поступшот на входы регисров 11 и 9. В регистр 10 принимаетс операнд хДК) а, + х(К) Ь,, на его I управляющем входе присутствует единичный уровень, т.к. триггер 27 устнавливается в единипу (управляющий сигнал 22), и обеспечивается поступ

0

5

. 5

30

35

40

45

ление операнда x,(K)d, + Xj(K)ib на вход сумматора 6. На другом входе сумматора Ь присутствует операнд ё( ГУ (К) - KK.) , который в данном такте записывается в регистр 5. В сумматоре 6 вычисляется х,(К+1) X, (К), а , + )-. b, + р,у (К) -J (К) . Результат суммирования, полученный в предьцдущем такте на сумматоре 6, х(К+1) х,(К) d, +

+ х,(К)а, + ВгГуСЮ - J (К) синхроимпульсом записывается в блок 15, из которого считывается операнд ). Из блока 14 считьшаются операнды а,, Ь, g. В регистр 2 принимается синхроимпульсом операнд |у(К) - Xj(K) а, + х,ДК).Ь,. Операнд g, у (К) -J (K)J , записанньпд в регистр 5, кроме Того, поступает через шинный формирователь 7 на управляющем входе

22 - 1 на вход вычитателя 3, где вычисляется у(К+1) - х,(К) а( +

4 х,,(к). Ь, - g,y(K) - уш

уСК+1) - х,(К+1), и результат поступает на вход регистра 2. В умножителе 4 вычисляется g у(К.) - У(К) и поступает на вход регистра 5.

В пятом такте состояние счетчика 26 - 00 ... 100. Операнд х, (К+1) X, (K).d , + X2(K),b, ч- g,y(K) -J (K.)J записывается в блок 15, из которого считьшается операнд ). Работа остальных узлов устройства анапогична. В (2Ы+1)-м такте начинает вычисляться последняя базовая операция алгоритма. В умножителях 13 и 17 вычисляются произведения соответственно Xj (К), ац, и (Ю- Ьм-и и поступают на вход регистров 11 и 9. В умножителе 4 вычисляется .)

-J(К) . В регистры 11 и 9 записьгаа- ются соответственно Xj|,..,(K) d

+ (К) ay +

N

гц N

в сумматоре 6 вычисляются ) ., (K)dN+ Х2ц(К.а + - у (K)J , В регистр 5 записьшается произведение ginCy читателе 3 получаем у(К-Ц) - х.

50

4;-1

, (к) а , + х,(К) b,J. Из блока 15 считывается x,jy,(K), а из блока 14 - операнды d,, ац, g u+iВ (2N+2)-M такте .) записывается в блок 15 и выполняется холостой такт считьпзания. В умножителях 13 и 17 вычисляются произведения

4Mfl

(K)-d,

и X

2N +

(K)ia,.. В умножите- 1ПТ ч-

пе f4 вычисляется gjH tiyCK) - .

В сумматорах 12 и 8 вычисляются Х1нц.,(К) dn, + ,-а„, и XjN, (К) + х,2 (K) bN, . В регистр 10

принимается операнд 4.((К) а ( + + (1) N-t-i В сумматоре 6 вычисляется x jj-iCK+l) XjM-i (К) , х,(К).Ь„ g2w-.y(K) - ДК).

Из блока 1А считьгоается g) и произвольные значения а и Ь. Ь регистр 5 записьдаается К1щ. уС)

-уСК)), и на вычитателе 3 получаем

у() - (к

в (2N-t-3)-M такте X N, (К+1) записывается в блок 15, из которого счи- тьшается х(К+1) для следующей итерации. В умножителях 13 и 17 выполняется холостой такт. В умножителе 4 вычисляется произведение gjj,, у(Ю JCK) В регистры II и 9 записываются соответственно ,(K) + . () N + I сумматоре 6 вычисляется X2Nv2() 2N-i W

х,„,2(К)-ац., -ь g,,,,(K) - (К) в регистр 5 принято произведение (к) - У (К).

Ь (2N+4)-M такте или, что то же самое, в первом такте (К+2)-го шага работа устройства повторяется. В блок 15 записьюается x)j,.j (К+1), в сумматоре 6 ьычисляется + l) , (К)«а f( + , + X jf4.2(K) Ьн + 1 « ., ГУ( - ПК).

Далее работа устройства аналогична .

Формула изобретения

Устройство для вьшисления скользящего спектра, содержащее блок синхронизации, первый умножитель, первый сумматор, блок регистров, первый, второй, третий и четвертый регистры, вычитатель и блок постоянной памяти, первый выход которого подключен к первому информационному входу первого умножителя, выход которого подключен к первому информационному входу первого сумматора, выход которого - подключен к информационному входу первого регистра, выход которого подключен к второму информационному входу первого сумматора, выход блока регистров подключен к второму информационному входу первого умножителя, вход синхронизации которого соединен с входамисинхронизации блока регист

Q

5

о 5

о

5

0

0

5

ров, первого, второго и третьего регистров и подключен к первому тактс - вому выходу блока синхронизации, второй тактовый выход которого подключен к входу синхронизации первого сумматора, третий тактовьп выход блока синхронизации подключен к входам разрешения вьщачи первого и второго регистров, четвертый тактовый выход блока синхронизации подключен к входу синхронизации и входу синхронизации вьщачи четвертого регистра, информационный вход которого подключен к выходу второго регистра, пятый тактовый выход блока синхронизации под- к входу синхронизации вьщачи третьего регистра, выход которого подключен к первому входу вь(читателя, выход которого подключен к первому информационному входу третьего регистра, второй информационный вход которого является инфор мационным входом устройства, а кодовый выход блока синхронизации подключен к адресному ВХОДУ блока постоянной памяти, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены второй и третий умножители, второй и третий сумматоры, пятый регистр и щинный формирователь, выход которого подключен к второму входу вычитателя, первому информационному входу второго сумматора и информа ционному входу четвертого регистра, выход которого соединен с выходом первого регистра и подключен к первому входу третьего сумматора, выход которого подключен к информационному входу блока регистров, выход которого является информационным выходом устройства и подключен к первому информационному входу второго умножителя, выход которого подключен к второму информационному входу второго сумматора, выход которого подключен к информационному входу вторюго ре- гистра, второй и третий выходы блока постоянной памяти подключены соответственно к второму информационному входу второго умножителя и первому информационному входу третьего умножителя, выход которого подключен к информационному входу пятого регистра, выход которого подключен к второму входу третьего сумматора и информационному входу шинного формирователя, тактовый вход которого подключен к четвертому выходу блока синхрониэа

ции, первый выход которого подключен к входам синхронизации второго и третьего умножителей и пятого регистра, пятый выход блока синхронизации подфиг.1

ключен к входу синхронизации вьиачи третьего умножителя, второй информа- ционньй вход которого подключен к выходу вычитателя.

v,X

Ы/ff

,.ff)

f.M

/г 2т Зг т

OP

Упр го

Упр 21

Упр 22

Упр Л

/,

v

/г/Of /; /j//r /;

Xtff/(1)

/,

M(

/ „/ л /У

)

CPU г. 2

/V-/ г /г /г