Способ анализа спектра сигналов и устройство для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и может быть использовано для спектрального анализа периодических и квазипериодических сигналов на фоне случайных шумов.

Цель изобретения - повышение частотной избирательности спектрального анализа.

Предлагаемый способ спектрального анализа состоит в накоплении N отсчетов дискретизированного во времени с интервалом Л t и оцифрованного АЦП- сигнала. Каждый такой отсчет образует- 5ся как сумма отсчета, полученного на предыдущем цикле накопления, с разностью этого отсчета и полученного к моменту накопления отсчета входного сигнала, причем разность умножается на масштабирующий коэффициент и взвешивается с помощью спектрального окна Спектральное окно представляет собой {периодическую функцию с периодом N/3t,

где С - нормирующий множитель.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для анализа А спектра.

Устройство содержит АЦП 1, первый регистр 2, вычитатель 3, умложитель 4, сумматор 5, второй регистр 6, генератор 7 тактовых импульсов (ГТИ), перJQ вый 8, второй 9, третий 10 и четвертый 11 счетчики соответственно, блок 12 постоянной памяти, .коммутатор 13, оперативное запоминающее устройство 13, формирователь 15 импульса, блок

J5 16 синхронизации, вычислитель 17,

причем информационный вход анализатора спектра подключен к входу АЦП 1, вход синхронизации анализатора спектра подключен к входу ГТИ, выход кото20 рого соединен с синхронизирующими входами АЦП, первого регистра и блока синхронизации, первый выход которого соединен с входом установки первого

счетчика, входом управления второго .зависящую от двух переменных - номера 25 счетчика и входом начальной установки

третьего счетчика, входом управления четвертого счетчика, выход АЦП через регистр 2 соединен с входом вычитате30

этапа накопления и номера накапливаемого отсчета. Для получения спектра сигнала накопленные отсчеты необходи- ,мо преобразовать в частотную область с помощью ДПФ. Операцию накопления можно представить в виде уравнения

у(п,0) у(п-1,9 ) + 1/М g(n,9)x(Nn+ + Э)-у(п-1,0)), (1)

ля, выход которого соединен с первым

входом умножителя, второй вход которого соединен с выходом блока постоянной памяти, адресный вход которого соединен с выходом счетчика 11, информационный вход которого соединен с выхо35 Д°м счетчика 8, синхронизирующий вход которого соединен с выходом переноса второго счетчика и синхронизирующим входом формирователя импульса, выход которого соединен с входом установки

где у(п,б) - накапливаемый сигнал;

п - номер этапа накопления,

,1с..;

0 - номер накапливаемого отсчета, б 0,1,...,N-1; g(n,9) - функция спектрального

окна;

1/М - масштабирующий коэффициент (М 1);

х(-) - отсчет входного сигнала. Способ спектрального анализа заключается в преобразовании Фурье-сигнала полученного в результате взвешенного когерентного накопления анализируемого сигнала Причем применяемое взве шивание выполняется с помощью спектрального окна, полученного модификацией окна, применяемого в обычном спектральном анализе,, Можно предложить следующее уравнение преобразования спектральных окон для осуществления предлагаемого способа

g(6) - C-g (n+ 6) inodNj, (2)

где С - нормирующий множитель.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для анализа А спектра.

Устройство содержит АЦП 1, первый регистр 2, вычитатель 3, умложитель 4, сумматор 5, второй регистр 6, генератор 7 тактовых импульсов (ГТИ), перQ вый 8, второй 9, третий 10 и четвертый 11 счетчики соответственно, блок 12 постоянной памяти, .коммутатор 13, оперативное запоминающее устройство 13, формирователь 15 импульса, блок

5 16 синхронизации, вычислитель 17,

причем информационный вход анализатора спектра подключен к входу АЦП 1, вход синхронизации анализатора спектра подключен к входу ГТИ, выход кото0 рого соединен с синхронизирующими входами АЦП, первого регистра и блока синхронизации, первый выход которого соединен с входом установки первого

ля, выход которого соединен с первым

входом умножителя, второй вход которого соединен с выходом блока постоянной памяти, адресный вход которого соединен с выходом счетчика 11, информационный вход которого соединен с выхоД°м счетчика 8, синхронизирующий вход которого соединен с выходом переноса второго счетчика и синхронизирующим входом формирователя импульса, выход которого соединен с входом установки

четвертого счетчика, выходы соответственно второго и третьего счетчиков соединены с первым и вторым входами коммутатора, выход которого соединен с адресным входом блока оперативной

памяти (ОЗУ), выход которого соединен с вторыми входами вычитателя и сумматора, входом вычислителя, второй вход которого соединен с вторым выходом блока 16 и с синхронизирующим входом третьего счетчика, выход переноса которого соединен с первым входом блока синхронизации, второй вход которого соединен с первым выходом вычислителя, второй выход которого является выходом анализатора спектра, выход умножителя соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с входом второго регистра, выход которого соединен с входом блока памяти, вход уп515

равления которого объединен с входом синхронизации регистра 6 и соединен с первым выходом блока синхронизации.

Устройство работает следующим образом.

Все счетчики 8-11 осуществляют счет по модулю N, если , то, следовательно, каждый из счетчиков должен иметь по Р разрядов. Если же N i 2 , то в составе каждого из счетчиков должен быть компаратор N, формирующий сигнал переноса. С помощью N определяется число анализируемых частот Rf0, где К 0,1,...,N/2-1, f f./N, где f - частота дискретизации. Импульсы с частотой fg поступают на вход ГТИ„ ГТИ генерирует два импульса, по первому из них отсчет с выхода АЦП записывается в регистр 2, по второму осуществляется запуск следующего, цикла осцифровки А1Щ сигнала на его- входе. Синхронно с записью отсчета сигнала в регистр 2 блок 16 синхронизации формирует сигнал чтения оперативной памяти, на его выходе устанавливается полученный на предыдущем цикле накапливаемый отсчет у(п-1,б), значение которого вычитается из входного отсчета в регистре 2 вычитателем 3 и полученная разница умножается умножителем 4 на весовой коэффициент, который установлен на выходе блока 12 постоянной памяти. Полученное произведение складывается сумматором 5 с у(п-1,0) и сумма, как у(п,0), записывается в регистр 6, а затем в блок 14 памяти на место у(п- -1,0). После этого счетчики 9 и 11 увеличивают свое состояние на 1, код в счетчика 9 становится равным б +1, а счетчики 11 (n+0+1) mod N. По следующему такту fg аналогичные операции выполняются для у(п-1, 6+1).

После выполнения N операций на выходе переноса счетчика 9 появляется активный уровень сигнала, а сам счетчик 9 обнуляется. По фронту этого сигнала счетчик 8 увеличивает свое сосг тояние на 1, а формирователь 15 генерирует импульс, который перезаписывает состояние с«етчика 8 в счетчик 11, следующий цикл счета счетчик 1 1 начинает с этого значения. Таким образом осуществляется чтение постоянной памяти 12 по адресу (n+0)mod N. Вычита- тель 17 предназначен для выполнения ДПФ (или ВПФ), а также для вычисления требуемых спектральных характеристик.

0

5

При необходимости чтения накопленных в блоке 14 памяти данных вычислитель устанавливает сигнал запроса блоку 16 синхронизации, последний переключает в цепь адреса блока 14 памяти счетчик 10 с помощью коммутатора 13, по этому адресу осуществляется чтение ячейки памяти и блок 16 синхронизации стробирует запись отсчета в вычислитель 17, по заднему фронту этого импульса счетчик 10 увеличивает свое состояние на 1, по следующему запросу вычислитель 17 будет выполнять чтение следующего отсчета. После чтения N отсчетов на выходе переноса счетчика 10 появляется активный уровень сигнала, который посредством блока 16 синхронизации передается вычислителю

0 17 как признак готовности данных.

Вычисление спектральных характеристик в вычислителе 17 и когерентное накопление могут выполняться параллельно и асинхронно при следующих услови5 ях: анализируемый сигнал включает стационарные когерентные составляющие, число накопления и число Ив (1) дос-, таточно большое. Тогда в результате длительного накопления x(nN+0) Ј

0 %у(п-1+0) и, следовательно, у(п, () и х x(nN+ в). Благодаря высокой частотной избирательности анализатора спектра некогерентные шумы носят незначительное отклонение в любой произвольный момент (меньше 1/М), тогда в памяти 14 будет присутствовать медленно изменяющийся процесс, постоянная времени которого определяется избирательностью анализатора спектра.

Предлагаемый способ спектрального анализа обеспечивает более высокую по сравнению с известным частотную избирательность, что подтверждается сравнением коэффициентов передачи K(f) и

5 модуля АЧХ предлагаемого способа Кроме того, предлагаемый способ анализа спектра позволяет анализировать параллельно N/2 отсчетов спектра и обеспечивает подавление шумов.

0 Предлагаемый анализатор спектра позволяет проводить анализ спектра в более широкой полосе частот и с более высоким спектральным разрешением по сравнению с известным анапизатором-ус- 5 реднителемо

Формула изобретения

1. Способ анализа спектра сигналов, состоящий в когерентном накоплении

5

0

сигнала посредством суммирования его с результатом, полученным ранее в результате аналогичного накопления, с интервалом времени Ј , отличающийся тем, что, с целью повышения частотной избирательности, производят дискретизацию входного сигнала с периодом Т, кавдый из N накопленного отсчетов образуется как сумма отсчета, полученного на предыдущем цикле накопления с интервалом времени 1 NT, с разностью этого отсчета и полученного к моменту накопления отсчета входного сигнала, данную разность умножают на весовую функцию, накопленные таким образом отсчеты преобразуются с помощью дискретного преобразования Фурье для получения спектра сигнала.

2с, Устройство для анализа спектра сигналов, содержащее генератор тактовых импульсов, сумматор, четыре счетчика, блок памяти, умножитель и аналого-цифровой преобразователь, вход которого является информационным входом анализатора спектра, вход синхронизации которого соединен с входом генератора тактовых импульсов, выход которого соединен с входом управления аналого-цифрового преобразователя, выход первого счетчика соединен с информационным входом четвертого счетчика, а его вход синхронизации соединен с выходом переноса второго счетчика, выход умножителя соединен с пер- вым входом сумматора, ВТОРОЙ вход которого соединен с выходом блока памяти, отличаю ще еся тем5 что, с целью повышения частотной избирательности э введены первый и второй регистры, вычитатель, блок лосто0

5

0

5 0

35

40

янной памяти, коммутатор, формирователь импульса, вычислитель и блок синхронизации, вход синхронизации которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов и с синхронизирующим входом первого регистра, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, выход соединен с первым входом вычитателя, выход которого соединен с первым входом умножителя, второй вход которого соединен с выходом блока постоянной памяти, адресный вход которого соединен с выходом четвертого счетчика, вход установки которого соединен с выходом формирователя импульса,вход которого соединен с выходом переноса второго счетчика, выход которого соединен с первым входом коммутатора, второй вход которого соединен с выходом третьего счетчика, выход коммутатора соединен с адресным входом блока памяти, выход которого соединен с вторым входом вычитателя, первым входом вычислителя, вход блока памяти соединен с выходом второго регистра, вход которого соединен с выходом сумматора, вход синхронизации второго регистра, объединенный с входами управления первого, второго, третьего и четвертого счетчиков, блока памяти и коммутатора, подключен к первому выходу блока синхронизации, первый вход которого соединен с выходом переноса третьего счетчика, вход синхронизации которого соединен с вторым выходом блока синхронизации и вторым входом вычислителя, первый выход которого соединен с вторым входом блока синхронизации, а второй выход является выходом анализатора спектра,

Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике. Цель изобретения - повышение частотной избирательности спектрального анализа. Способ заключается в преобразовании Фурье-сигнала, полученного в результате взвешенного когерентного накопления анализируемого сигнала. Взвешиваемое выполняется с помощью спектрального окна, полученного модификацией окна, применяемого в обычном спектральном анализе. Устройство для анализа спектра содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, регистры 2 и 6, вычитатель 3, умножитель 4, сумматор 5, генератор 7 тактовых импульсов, счетчики 8 - 11, блок 12 постоянной памяти, коммутатор 13, оперативное запоминающее устройство 14, формирователь 15 импульса, блок 16 синхронизации, вычислитель 17. Предлагаемый способ спектрального анализа обеспечивает более высокую частотную избирательность, что подтверждается сравнением коэффициентов передачи K/F/ и модуля АЧХ. Анализатор спектра позволяет проводить анализ спектра в более широкой полосе частот и с более высоким спектральным разрешением. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.