ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА Б РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ Советский патент 1974 года по МПК G06F17/17 

Изобретенне относится к снециализнрованным средствам цифровой вычислительной техники, предназначенным для спектрального анализа случайных ироцессов.

Известны устройства, содержащие сумматоры, охваченные кольцом задержанной обратной связи, усилитель и регулятор. Недостаток этого класса устройств связан с невысокой точностью .вследствие трудностей реализац1И И задержанной об|ратиой связи и систе.мы сд1вига частоты. Другой класс анализаторов, содержащих либо полосовые фильтры, либо миожительные устройства, содержат два квадратурных , Квад|раторы и сум-матор. Эти у|СтроЙ€Т1Ба Существенно усложняются ири необходимости проведения параллельного анализа.

Описываемое устройство отличается тем, что с целью новышення точности оно содержит дополнительное иостоянное заноминающес устройство (ПЗУ), сумматоры, образуюнхие два связанных между собой квадратурных канала паконления -- канал накоплен 1Я выборок вещественной и линейной части сиектра входного сигнала. При этом сиифазиое накопление выборок в обоих каналах нроисходит в моменты сремеин каждого интервала длительностью Т между двумя соседи1ими Выборками, в которые происходит комненсация набега фазы выборки на частоте входного сигнала за время Т. Для нолучення выборок вещественной н мнимой частей спектра входного сигнала в однозначном дн2аназоне анализа -„- на входе описываемого

устройства включается полосовой фильтр с

2 , щирпной полосы пропускання -„ , фазовраТ

для делення мннмой части спекщатель на

9

тра, два аналого-цнфровых преобразователя (АЦП) для получения выборок вещественной и мнимой части спектра н автоматическая регулировка усилення (АРУ) и сдвнга фаз для выравнивания амплитуд н получения сдвига фаз 90° сигналов па входе оболх АПП. Для осуществления комненсации набега фазы на частоте входного стенала за время Г пснользуется два обни1х для веидествеиного п мнимого каналов постоянного заноминающего устройства выборок sin 0 и cos в, где 8 пзм еняется в Д1:а11азоне от О до 2л. После накопления выборки с выхода венлественного и мнимого каналов юступают на устройства возведения в квадрат, а затем складываются. Результат сложения поступает либо на цифро-аналоговый нреобразователь (ЦАП), либо вначале на устройство пзвлеченпя квадратного корня, а затем также на ЦАП. На выходе ЦАП включен индикатор для визуальной индикации мгновенного спектра мощности или мгновенного снектра амнлитуд. Вместо индикатора может быть нодключено регистрирующее устройство любого вида, наиример, самонисец, либо устройство магнитной заниси. Оба квадратурных канала накопления вещественной и мнимой частей сиектра, ПЗУ выборок, устройства возведения в квадрат и суммирования и устройство извлечения квадратного корня выполняются на типовых элементах цифровой техники. В качестве АЦП и ЦАП могут быть использованы серийные устройства, выпускаемые нромыщленностью.

Реализация устройства сдвига частоты (фазы) тутем ИОполъзоваЕ.ия двух цифровых квадратурных каналов, аналогового фазовращателя на 90° и схемы АРУ, а также ПЗУ выборок позволяет значительно ослабить влияние комбинационных составляющих на частотах соо и соо-Q и практически полностью устранить влияние комбинационных составляющих на кратных расстройках.

Применение ПЗУ позволяет легко осуществить считывание выборочных значений sine и cose при дискретном измерении аргумента от О до 2л соответственно от начала до конца интервала длительностью Т.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Пусть 1на .Вход полосового фильтра / подано гармоническое колебание с частотой Q соо (й+1)Q, k 0, 1, 2... и начальной фазой ф и амшлитудой А, т. е.

cos(cuoi-f ф)

Это колебание после фильтра поступает на вход АЦП 2 и через фазовращатель 3 (на 90°) - на вход АЦП 4.

Усилитель-регулятор 5 предназначен для автоматической регулировки усиления и фазового сдвига, т. е. для поддержания равенства амплитуд сигналов на входах АЦП 2 и 4 и сдвига их фаз на 90°.

Пз выходных сигналов АЦП 2 п 4 в начале каждого интервала длительностью Т берутся выборки, амилитуда которых преобразуется в двоичный код и затем заиоминается на весь интервал длительностью Т.

Выходные сигналы АЦП 2 и 4 в виде выборок в двоичном коде N в течение каждого иитервала подаются па сумматор 6 вещественного и сумматор 7 мнимого квадратурных каналов.

С выхода сумматора 6 выборка сигнала, равная ()1 со5ф, в течение первой циркуляции длительностью О-Т последовательно Л раз подается на вход оперативного заиоминающего устройства (ОЗУ) 8 вещественного канала. Одновременно с выхода сумматора 7 выборка сигнала () подается Л раз на вход ОЗУ 9 мнимого канала.

ОЗУ 8 9 предназначены для задержки чисел, постуиающих с выходов сумматоров 6 и 7, на время, равное Т. ОЗУ собираются на ферритовых ячейках памяти, число которых

равно Л. В течение первой циркуляции во все ЯчеЙ1КИ ОЗУ S и 9 происходит последовательная запись чисел, соответствующих выборзкам с сумматоров 6 к 7 соответственно. Так как в течение .первой циркуЛЯции на сумаматоры

б .и 7 поступают только указанные Ч1исла, то через время Т от начала анализа во все Л ячеек ОЗУ 8 записывается одно и то же число (Vzji, а во все Л ячеек ОЗУ 9 - одно и то же число (V)i.

В начале второй циркуляции ироисходит считывание чисел 1/21 и 1/41 из первых ячеек ОЗУ 5 и Р, и они поступают на вход арифметического устройства, производящего операцию перемножения комплекспых чисел.

Арифметическое устройство включает в свой состав блоки умножения 10-13, причем два блока умножения 10 к 11 находятся в канале накопителя вещественной части сиектра и два блока умножения 12 и 13 - в канале

накопления М.нилюй ча1СТ1И онектра, блок вычитания 14 - в канале накопления вещественной части спектра и сумматор 15 - в канале накопления мнимой части спектра.

Арифметическое устройство имеет четыре

входа и два выхода. Па первый вход - вход блоков умножения 10 и // - подаются числа с выхода ОЗУ 5, на второй вход - вход блоков умножения 12 VI 13 - числа с выхода ОЗУ 9, на третий вход - вход блоков умножения // и 13 - числа с выхода ПЗУ 16 выборок cose (.2л) и «а четвертый вход- вход блоков умножения 10 vi 12 - числа с выхода ПЗУ 17 выборок sine(0 ). С первого выхода - выхода блока вычитания 14-

числа, представляющие собой выборки вещественной части результата перемножения, поступают на сумматор 6, а со второго выхода - выхода сумматора 15 - числа, представляющие собой выборки мнимой части результата перемножения, поступают на сумматор 7.

В ПЗУ 16 за пи сано N чисел, соответствуюпдих выборкам cosB, где в пзменяется от О до 2л--, через Ав -, а в ячейках ПЗУ 17 записано N чисел, соответствующих выборкам sinO. Последовательное считывание всех значений cos0 и sine производится параллельно в течение .каждого интервала длительностью Т, начиная со значення ei 0

IT. и кончая значением ел 2я-г .

Блок вычитания 14 производит вычитание кодов с выходов блоков умножения // и 12,

1 14 11-1/12 1,.3.

Согласно описанному принципу действия

арифметического устройства в течение второй циркуляции при t-T на блоке вычитания 14 получается N чисел, равных

(14)2 Лс05(ф + в),

N-1

где ф const, а 6 0-2я

N Одновременно на выходе сумматора 15 иолучается Л чисел, равиых (Viz)2 Asm((f + &). Числа с выхода блока вычитания 14 поступают на сумматор 6 и складываются с новой выбор.кой (1/2)2 А€08(соо7 + ф), 8 результате чего на выходе сумматора 6 получается N чисел (Кб)2 Асоз((ОоГ-|-ф)-ЬЛсоз(ф + в), которые последовательно записываются в ячейки ОЗУ 8. Числа Vi5 с выхода сумматора 15 поступаЕОт на сумматор 7 и складываются с новой выборкой (4)2 5{п(соо7 + ф), в результате чего на выходе сумматора 7 получается Л чисел (1/7)(сОоГ-Ьф) +Л51п(ф-1-в). которые последовательно записываются в ячейки ОЗУ 9. Числа ()2 и (4)2 являются .новыми выборками сигнала на выходе АЦП 2 и 4, эти выборки ;V раз в течение второй циркуляции считываются с выходов АЦП 2 п 4 и подаются, соответственно, на сумматоры б и 7. В общем случае в теченпе /W-ой циркуляции, т. е. на интервале времени /(Af-)Т- -МТ, на выходы сумматоров 6 и 7 поступит (П)м(1/2)(У14). 2 cos(Af-0«)оГ + ф+С/-1)0 {Vr)M(V4}M+(Vi,), A V sm() + (f + (l-l)Q, где ti)oT, ф const, 0 0-2п; Числа (VS)M и (7) ,1 можно представить в следующем виде: AlCe-copT-), (У&) . г, г со5 ГЛ1-1)шоГ+ (0-шоГ)

Л1(е-%Г) sin п

A. .)соо7-+

W - .l

sin

2 yVl-1

(в-сооГ)

+ ч + в течение М-ой циркуляции числа (Кб)м и V)I подаются на квадраторы 18 и 19 соответственно. Квадраторы 18 и 19 одинаковы по схемному иостроению и представляют собой устройство уменьшенпя, на оба входа которого подается одно и то же число. С выходов квадраторов 18 и 19 коды поступают на сумматор 20. На выходе сумматора 20 в течение ЛГ-ой циркуляции получают Л чисел м(е-0).7) (1/2о)м Л2 где ., так как ( 2п + (ЛхТ. Эти числа подаются либо на ЦАП 21, либо на блок 22 извлечения корня. С выхода ЦАП 21 напряжение, пропорциональное числам (2о)ль может быть подано либо на индикатор 23, Либо на регистрирующее устройство 24 для записи. С помощью блока 22 можно получить последовательность чисел, равных корню квадратному из (20X1 Числа ()31- та« же, как и числа (VZO)M, могут быть поданы на тот же самый ЦАП 21, а полученное иа его выходе напряжение (ток), пропорциональное ццслу (Vzz),-на индикатор 23, либо на ригистрирующее устройство 24 для записп. Полученные числа прини тют максимальное значение прп 0 00-7, при этом (,).,,,,, W, а (V,,),,,A.M. Таким образом, предлагаемое устройство цифрового спектрального анализа (анализатор сиектра) позволяет произвести преобразование «частота - время. На интервале времени (М-)Т-МТ получается ряд пиковых чисел, временное положение которых прямо прс/иорционалыш частотам со.у гармо)гаческих составляюпд.их исследуемого сигиала на выходе полосового фильтра /, а величина этих чисел пропорциональна квадратам амплитуд или амплитудам соответствующих гармонок. Распределение квадратов амплитуд цикk ft + 1 лов в частотном диапазоне от , где k - любое целое число, определит спектор мощности, а амплитуда пиков - амплитудно