Устройство для вычисления спектра временного ряда Советский патент 1975 года по МПК G06F17/17 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ СПЕКТРА ВРЕМЕННОГО

РЯДА 7-1О, вычитатель 11, сумматор 12, по стоянное запоминающее устройство 13, квадраторы 14 и 15, накапливающий сум матор 16, ии| ро-4налоговый преобразова тель 17, блок извлечения квадратного корня 18, видеоиндикатор 19 и блок регистрации 2 О, Устройство для вычисления, спектра : временного ряда работает следующим об разом. Блоки умножения 7 и 8, 9 и 1О, вычитатель 11 и сумматор 12 образуют ; арифметическое устройство цифровой част устройства для вычисления спектра време кого ряда. Арифметическое устройство имеет четьфе входа и два выхода. На пер вый вход (вход блоков умножения 7 и 9) подаются числа с первого выхода вхо/tного сумматора 5, на второй вход (вход блоков умножения 8 и 1О)- числа с первого выхода входного сумматора 6, на v третий вход (вход блоков умножения 7 и 8)-числа с выхода постоянного запоминающего устройства 13 выборок {ОЭ и на четвертый вход (вход блоков умноже ния 9 и 1О)-числа с выхода постоянного запоминающего устройства 13.выборок inG С первого выхода (выход вычитателя 11) числа, представляющие собой накапливаемые выборки вещественной части результата перемножения, поступают на первый вход входного сумматора 5 вещественного канала, а со второго выхода (выход сумматора 12) числа, представляющие собой накапливаемые выборки мнимой части результата перемножения, поступают напервый вход входного сук матора 6 мнимого канала, В ячейках постоянного запоминающего + 1 чиустройства 13 записано сел, соответствующих выборкам либо COS б либо Sin 0 , где 0 берется в диапазоне от О до -Л- с шагом . Выборки л COS0 и Sifl6 в полном диапазоне изменения 0 от О до 2Л -т , т. е. N выборок COS в и N выборок silt 0 , получаются из выборок, например, только COS 0 при f о путем инвертирования на- О о правления считьшания и знака выборок. При последовательном цифровом рецир(куляционном спектральном анализе ряда из М пар вьгборок, поступающего с выходов буферного запоминающего устройства 4 на вто- рые входы входных сумматоров 5 и 6, выборки COS 0 и Sifl Q остаются постоянными в течение всего времени, не- обходимого на И циркуляции внутри каждого цикла накопления. Смена величины Q происходит при переходе к новому) циклу накопления. Время К-го цикла накопления Т . определяется суммой интервалов обработки каждой пары выборок с выхода буферного запоминающего устройства 4, т. е. N - - .K.i , где Т ., ; - интервал обработки -ой оор, к, |. пары выборок в К -м цикле, а K2l,..,,N .-. пары выборок в К -1 цикле 0. (K-l)f Переход от одного значения к соседнему значению Q 9 + происходит после окончания к М-й циркуляции очередного К-го цикла анализа. В Л1обом К-м цикле из ячеек буферного запоминающего устройства 4 считьщаются и поступают на вторые входы входных сумматоров 5 и 6 одни и те же пары выборок и в той же последовательности, в которой происходила их запись с выходов аналого-иифровых преобразоватьлей 2 и 3. Такое считьшание М пар вььборок происходит столько раз, сколько имеется градаций по 0 , т. е. N раз. С помощью блоков умножения 7-10 и постоянного запоминающего устройства 13 производятся следующие операции: а)на выходе блока умножения 7 имеем 5Чи,,Г , б)на выходе блока умножения 8 имеем (U,3) ) в); на выходе блока умножения 9 имеем Ug-UjxCUfa) i г)на выходе блока умножения 10 имеем и,.з) - и„, и о 1 Q ЧИСЛО на выхо131оде устройству соответствующего номеру индекса. Вычитатель 11 производит опои,, и,рацию вычитания U U-,- U а сумматор 12 операцию сложения 12 8 Пусть на вход формирователя 1 квадратурных сигналов с момента времени t - О. поступает гармоническое колебание с частотой(г15г« сОд(м)51 (1 0,1,2,3,. 5г,гае Т - период взятия пары выборок из входного сигнала аналого-цифровыми преобразователями 2 и 31 начальной фазой f и 5 : акшлитудой А, т. е. . j.gg Это напряжение с первого вьссода формирователя 1 квадратурных сигналов уже с начальной фазой о. где Д - сдвиг фазы при прохождении формирователя квадратурных сигналов с входа на первый выход, поступает на вход аналого-ци4рового преобразователя 2, т. е. и„ АС08(Шо1+Ч,.. Ti , и со сдвигом фазы + со второго выхода на вход аналого-цифрового преобразователя 3, т. е. ;у д. sin(00ot--f Q) . Из пары квадратурных сигналов U и и с помощью аналого-цифровых преобразователей 2 и 3 в начале каждого пери- . ода повторения длительностью Т берутся выборки, амплитуда которых преобразуется в двоичный код, С выхода аналого-цифровых преобразователей 2 и 3 пара выборок и„ в двоичном коде по- сигналов о дается соответственно на первый и второй вход буферного запоминающего устройства 4. В буферном запоминающем устройстве каждая пара выборок запоминается в своей паре ячеек. Сразу после запоминания предыдущей пары выборок с помощью аналрго цифровых преобразователей 2 и 3 берется следующая пара выборок, т. е. минимальная длительность периода пбвторения выборок Tjjj) определяется суммой максимального времени преобразования в аналого-цифровых преобразователях - Тлцп max и времени записи в буферное запоминающее устройство 4 ТБЗУ : itt rtunniax const После взятия М пар выборок, т. е. через время (М-1) Т, их запись в буферное |jt;c} времм 1, их запись в оуферное запоминающее устройство 4 заканчивается и начинается первый цикл накопления, При этом первая из записанных пар считывается и поступает на вторые входы входных сумматоров 5 и 6: (u.slr -cosfon fll -А e/tiV 1 первая пара выборок ,б1- 3 т1То J С первых выходов входных сумматоров , , ( л подаются на первый и второй вход арифметического устройства, соответственно ( 1 вход блоков умножео 1, 1 ния 7 и 9, а ( и,,) 1 на вход блоков yN b 1,1 ножения 8 и 10, Согласно описанному принципу действия арифметического устройства в течение первой циркуляции 1-го цикла накопления при 49 81 6 t (M-l)(OrTo5p.,,,) Ь крице eej на выходе аычитателя 11 получается число .COS .... ,.. .Sift ((},,(U,l,(),,l((i,,(0,, (Ue),/ Си,У / . - A-COS4oCOSQi-ASiafoXSinQpA-COS(,),; 0 -. компенсирующий фазовый сдвиг при первом цикле накопления.i Одновременно на выходе сумматора 12 получается число д j CU,a),,,(U8),,/(U9),,,4U6),,iX(U,3), 4U5),,), -Asimi xcosQ.-AcosifoXSinQi ASitllVQ -ei). Число ( U) с выхода вычитатеJ- Jля 11 поступает на первый вход сумматора 5 и складьюается по следующей считанной из буферного запоминающего устройства выборной ( и g)ACOS(o +o) в результате чего на первом выходе входного сумматора 5 получается число (Ц г Си„Х/Сич,5)()АсозЦТ Ур), которое подается на первый вход арифметического устройства, Число ( и. ) с выхода сумматора 12 поступает на второй вход входного сумматора 6 и складывается со следу1О« щей считанной из буферного устройства выборкой { и. д)„ ASin(), в р& зультате чего на первом выходе входного сумматора 6 получается число (,ЧМ2 АsinfyQ, А sin () которое подается на второй вход арифме- тического устройства. По аналогии с рассмотре шьтм выше в конце второй циркуляции, т, е. в конце / W Г( интервалаI(M-1)T4Tg5p,,--1Т о5р.,/io5|).uJ на выходе вычитателя 11, т. е, на первом входе входного сумматора 5, получается число (U,,VAcos{fo-20,Acos( j Аналогично.на выходе сумматора 12, т, е. на первом входе сумматора 6, имеем CU,j),,i ASin{V (tOpT Фо Q) После сложения с новой выборкой, считанной из буферного запоминающего устройства представляемой числом ( с о г T-j w О ACOSlScOpT+fo) на первом выходе входного сумматора 5 в начале третьей циркуляции первого цикла накопления получается число tU5),,3 (и,0,2+ 1и,5)з A-cos(,)f t-A-cos(a)oT Co+-Q,V ACos( +, а на первом выходе входного сумматора после сложения чисел ( 4б)з (г() имеем число (иб),, (и,Лг-(и,«г)(20,) (-Л5Ш ,) Л Sm (2 СО Д - 0 } В общем случае в начале циркуля ции первого цикла накопления, т. е. в на чале интервала 4-(М-1)ТЧ|Тй„,.5р,д), на вторые выходы входных сумматоров 5 и 6 поступят числа ((и„)„., ()м A-.SCos(M-l))C9,- oTl+4o и (Ufi),.M (U,г),„.-(U,6), А- -|:,Sini:(M-1)(Mj(8rST)Vo Так как в любом К-м цикле накоплени с вьпсода буферного запоминающего устройства 4 считывается один и тот же pa состоящий из М пар выборок, то по анало гии с вышеполученными, можно записать два Следующих выражения для чисел на . вторых выходах входных сумматоров 5 и 6 в начале М-и циркуляции К-го цикла накопления, т. е. вначале интервала (и-1),,.(|т;.|т;.,,). - (б))к,н-, (4,5)н AZco5(M-i)oo,T-t-(i-o()oT)fJ (иб)к,м 1г).,м-,и,,б)„ A-S: sw(M-i)a)oT a-iK6 -uioT)- V(,. (.i . Числа ( и)к, М к (J ) к, М можно i5о ...представить в следующем виде: /. .Аj.М- / g;. ) g ,.„ Ё&чт; Sin -2-1 {L/J), -со (( где при преобразовании бьши использованы начальные условия со , 05tOx Я из которых следует,что СОдТ /-25Г -ШхТ . 0« .со,. Числа ( и)к, м и ( и )к, м, получе Оо ные в начале М-й циркуляции К -го ци ла накопления, в отличие от предыдущих (М-1) чисел данного же цикла,подаваемых на первые выходы входных сумматоров 5 и 6 в начале каждой циркуляции, не поступают на входы арифметического устройства, а подаются со вторых выходов входных сумматоров 5 и 6 соответственно на входы квадратора 14 и квадратора 15. При этом с первых выходов входных сумматоров 5 и 6 на входы арифметического устройства поступает ноль, чем подготавливается переход к следующему (К+1)-му циклу накопления. Квадраторы 14 и 15 одинаковы по схемному построению и представляют собой блок умножения, на оба входа которого подается одно и то же число. С выходов квадратора 14 и 15 возведенные в квадрат числа ( U)K, м и ( {J ) к, м, 5о |4)(,К(4)к,„ |5)к.М(иб)к,М. поступают соответственно на первый и второй вход накапливающего сумматора 16. При изменяющейся длительности цикла накопления (р общем случае по случайному закону), а также для усреднения (с целью получения спектральной плотности) накапливающий сумматор 16 состоит из N запоминающих ячеек, В эти ячейки записывается результат суммирования квадратов I накопленных выборок вещественной и мнимой части спектра в Конце каждого цикла накопления. Число ячеек N определяется числом градаций по 0 , а оно в свою очередь требуемыми разрешающей способностью и шириной диапазона однозначного частотного анализа. Усреднение осуществляется суммированием квадратов выборок вещественной и мнимой части спектра, полученных в конце каждого цикла накопления, т, е. до значениям 9 , от одного периода анализа к другому. Один полный период анализа занимает интервал времени,, состоящий из времени взятия М пар выборок исследуемой квадратурной пары сигналов и времени всех N (по всем значениям 9 ) циклов накопления. Число суммируемых периодов определяется требуемой щириной доверительного интервала буемой щириной доверительного интер) определения спектральной плоскости. При одинаковой длительности всех циклов накопления и необходимости получения неусредненных данных о спектральном составе входного сигнала результат суммирования квадратов выборок запоминать не требуется. В этом случае результат суммирования поступает с .выхода накапливающего сумматора 16 либо на цифро-аналогоI вый.преобразователь 17, либо на блок иав лечения квадратного корня 18. При этом схема построения накапливающего суммато ра 16 существенно .ч упрощается - для его реализации требуется всего лишь одна яче ка. С целью уяснения принципа действия устройства для вычисления спектра времёв ного ряда рассмотрим его работу без усреднения на выходе. В этом случаепосле суммирования чисел (U)K, м и ( Uie)K, м на выходе накапливающего Хо сумматора 16 получаем число. и к( Эк-оолТ К,и 4 - U )к, м поступают либо на Числа ( 16 . цифро-аналоговый преобразователь 17, либо на блок извлечения квадратного корня 18,а затем тоже на ци4фо-аналоговый преобразователь 17. С выхода цифро-аналогового преобразователя 17 напряжение (ток), пропорциональаое ( ) к, м или 1 V: : ( U, „/к, м, сглаженное фильтром нижних ; .18. , ,;.., частот поступает либо на видёоиндикатор 19,либо на блок регистрации 20 для записи или печати. На выходе блока извлечения квадратног М(ек-ОйлТ) корня 18 имеем числа М.П вк - СОкТ которые представляют собой дискретньхй ам|шитудный спектр ряда из М пар : выборок, записанное в буферное запоминающее устройство 4. После окончания К-го цикла накопления происходит переход к следующему (К + 1)-.му циклу накопления с одювремен ной заменой выборок COS fi( и Sin 0ц на выборки ( Y-1 и Stfi б, sin {бк ) Выборки COS 6.... и -Sift 6, к+ и sin б как и выборки COS0(j и 81Лвц , записываются в регистры блоков умножения : 7, 8, 9 и 10. перед первой цир1куляцией (K-t-l)-ro цикла накопления на все время его длительности от момента времени T,j до момент врем , ,- При переходе конца .

к (К + 1)-му циклу .накопления .HcsPflaL буферного запоминающего устройства 4 считьюается тот же ряд из М пар выборок, 60

;на экране электронно-лучевой трубки видео- . индикатора 19 получим ряд пиков, огибающая котор№с изменяется либо по закону. что и в К-ом цикле, tk в. тойу: же последовательности. Полное число циклов накопления равно N-числу градаций по 6 . После окончания N иикгта накоп-у лення происходит переход к следующему периоду анализа, 1н торый также как и предыдущий начинается с записи нового ряда з М пар выборок входных квадратурных ; сигналов в буферное запоминающее устройство 4. При этом с выходов постоянного I запоминающего устройства 13 опять счить ваются выборки первого цикла накопления ; COS V .. и SlH G и вся последовательность операций обработки вновь повторяется Числа ( U,)j м и ( м приle -18 нимают максимальное значение при W,JH (tijjT , при этом . тгл 2 kji lu«V «Чн Учитывая, что внутри каждого периода анализа при переходе от цикла к циклу GK; возрастая равномерно-ступенчато с шагом 2jr. проходит весь диапазон изменения N компенсирующего фазового сдвига от О до то при к,- e;js.jL. iLz-i-. .-. .. .. напряжение (ток) на выходе цифро-аналогового преобразователя 17 достигает максимального значения. По номеру цикла накопления KX можно судить,о частотах , - гармонических составляющих исследуемого сигнала, а по максимальным значениям напряжения (тока) пикоВ - об относительном распределении квадратов амплитуд или амплитуд этих гармоник.Подавая же на вход формирователя 1 квадратурных сигналов эталонный гармонический сигнал с калиброванной частотой и амплитудой, можно произвести измерение и абсолютного значения амплитуд гармоник. Максимальное значение ;частоты входного сигнала, ° определяющее верхнюю гранйпу частотного диапазона однозначного анализа, определяется равенством Ку N или , т. е. 2ТТ О Запустив развертку в момент начала первого цикла анализа (К 1) и пыбрав при одинаковой длительности циклов накопления длительность развертки равной N М Т

11

Sin л

близкому к функции --r-f, для чисел

( и )к, м, либо к | iU2L|. для чисел 1о

( и:. де X М (

2

и м 1.

Положение максимумов этих пиков на развертке видеоиндикатора 19 определяется частотами гармоник исследуемого сигнала, а юс амплитуда прямо пропорциональ.на квадратам амплитуд или амплитудам этих же гармоник.

Результат анализа временного ряда из М пар выборок исследуемой квадратурно пары сигналов представляет собой либо квадрат модуля, либо модуль комплексных спектральных коэффициентов дискретного преобразования Фурье этого ряда. Соответственно числа ( и )к, м представляют собой дискретный энергетический

спектр ряда, а числа ( U о)к, м - дискХо

ретный амплитудный спектр этого же ряда в диапазоне частот входного сигнала от

t

-, где 1 -целое число. --- до-

т т

Uljipiiiia пиков по первым пулям огибающей на оси частот развертки индикатора 19 определяется из условия X +( наприме), при Qj О, Тогда

НсОлрТ ,аТТ -FrF

или

/ - L, 2

о г мт х- Mf

Ширине пиков по нулям их огибающей соответствует число циклов накопления J , равное числу выборок огибающей пика в пределах его главного лепестка. Это число П легко получить из выражения для К при условии при :

2ек,ло .о гТГ2N

,или .

12

На точность измерения амплитуды и частоты спектральных составляющих исследуемого игнала по дискретному преобразованию Фурье от последовательности его выборок существенное влияние оказывает эффект частокола . Для уменьшения влияния этого эффекта требуется выбирать N 2М . При этом /77 4.

Предмет изобретения

Устройство для вычисления спектра временного ряда, содержащее формирователь квадратурных сигналов, выходы которого подк;йочены ко входам первого и второго аналого-цифровых преобразователей, по два блока умножения в каждом из квадратурных

каналов, первые входы которых соединены между собой, вторые входы подключены к выходам постоянного запоминающего устройства, а выходы подсоедине)ы соответственно ко входам вычитатоля и сумматора, и первый и второй входные сумматоры, первые входы которых соеди)1ены соответственно с выходами вычитатсля и сумматора, а выходы через соответствующие квадраторы соединены со входами накапливающего сумматора, соединенного выходом со входами блока извлечения квадратного корня и цифро-а)шлогового преобразователя,

, второй вход которого подключен к вьсходу блока извлечения квадратного корня, а выход соединен со входами видеоипдикатора и блока регистрации, отличающееся тем, что, с нелью расщирения ча стотного диапазона работы устройства, оно содержит буферное запоминающее устройст. во, входы и выходы которого подсоединены

I соответственно к выходам первого и второго аналого-цифровьгх. преобразователей и ко вторым входам первого и второго входных сумматоров, подключе нных выходами

, к первым входам блоков умножения соответству ощих квадратурных каналов.