Цифровой анализатор спектра Советский патент 1979 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к специализированным средствам цифровой техники, предназначенным для спектрального анализа случайных процессов. Известно устройство для быстрого решения задач гармонического анализа, содержащее вычислитель., выполняющий операции над индексами,- оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство и арифметическое устройство, оперирующее с комплексными числами 1. Однако для вычисления алгоритма, быстрого преобразования Фурье (БПФ) этим устройством требуется предварительная запись реализации в цифровой форме, после чего производятся опера ции умнотсеяия; пересылки и -суммирозвания. Кроме того, предварительная эапийь реализации не позволяет прово дить съем информации в любой момент времени. Наиболее близким решением нз известных является устройство, содержЬщее последовательно соединенные входной блок квадратурных составляющих,., аналого-цифровой преобразова1тель, сумматор и оперативное запоминак)щее устройство,постоянное запоминающее устройство, связанное с арифметическим блоком, блок квадраторов, подключенный к блоку извлечения корня квадратного через канальный сумматор, блок управления, ключи 2. Такое устройство при небольшом числе рассчитываемых коэффициентов Фурье (порядка 100-300) позволяет получить более широкий однозначный диапазон анализируемых частот по сравнению с устройством, реализующим алгоритм БПФ. Однако это устройство также имеет .ограничение по диапазону анализируемых частот, которое зависит от числа рассчитываемых коэффициентов Фурье и от числа отсчетов случайного процесса, поскольку за время Т при параллельном ангшизе должно производиться N комплексных сложений и умножений. Время Т может быть выбрано из условия Т Д-fc-N, где F fliKC максимальная частота в спектре исследуемого сигнала; t - время, необходимое на выполнение одной операции комплекйиого умножения и сложения, определяемое разрядиостыс чисел, нац которыми производятся арифметические действия Поскольку максимальное число цирку ляции М ограничивается числом рассчитываег-шх коэффициентов дискретного преобразования Фурье (ДПФ), то случай, когда я определяет быстродействие всего устройства, поскольку количество разрядов, определяющее быстродействие устройства, находится в случае работы с фиксированной запятой из условия , , где К - число двоичных разрядов АЦП K+K;j число двоичных разрядок для обработки чисел в случае М циркуляции Увеличение скорости анализа можно получить, если ограничить число цирку ляции, при прежней разрешающей способности, что приведет к возможности опе рирования с числами, имеющими меньшее число разрядов, и, как следствие, к снижению Ati Целью изобретения является расшире ние диапазона анализируемых частот. Это достигается тем, что цифровой анализатор спектра, содержащий последовательно соединенные входной блок квадратурных составляющих, аналогоцифровой преобразователь, сумматор и оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, связанное с арифметическим блоком, блок квадраторов, подключенный к блоку извлечения корня квгидратного через канальный сумматор, блок управления и ключи,дополнительно снабжен сумматором с округлением и вторым оперативным запомина)ои|им устройством, причем выход блока управления связан с первыми входами всех ключей,выход пер вого ключа подсоединен ко второму входу сумматора, выходы второго и третьего ключей связаны со вторым входом арифметического блока, выходы которого подключены ко вторым входам первого и четвертого ключей, выходы четвертого и пятого ключей подключены ко входам сумматора с округлением, выход которого соединен со входами квадратора и одновр.еменно через второе оперативное запоминающее устройство - со вторым входом третьего ключа, при этом выход первого оперативного запоминазощего устройства подключен ко вторым входам второго и пятого ключей, На фиг,1 изображена структурная схема устройства; на фиг. 2 - огибающие амплитудно-частотных характеристик (ДЧХ): а-первогЬ каскада; б второго каскада; в - результирующая ЙЧХ. Цифровой анализатор спектра содержит последовательно соединенные входной блок 1 квадратурных составляющих, аналого-цифровой преобразова тель (ЛЦП) 2, сумматор 3 и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 4, Со вторым входом cyivwaTopa 3 соединен выход ключа 5, а выход ОЗУ 4 соединен со входом ключа б, выход кото-. рого соединен с выходом ключа 7, который по одному входу соединен со входом ключей 8 и 9, Выходы ключей 6 и 7 соединены с одним из входов арифметического блока (&Б) 10, со вторым входом которого соединено постоянное згшоминающее устройство (ПЗУ) И, а выход блока 10 соединен со входами ключей 5 и 8. Выход ключа 8 соединен со входом сумматора 12 с округлением, второй вход которого соединен с выходом ключа 9, а выход сумматора 12 с округлением через второе оперативное запоминающее устройство (второе ОЗУ) 13со входом ключа 7 и со входом блока 14квадраторов.: Блок.15 управления соединен по выходам с соответствующими входами ключей 5-9. Выход блока 14 квадраторов подключен через канальный сумматор 16 к блоку 17 извлечения корня квадратного. Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени блок 15управления Зё1мыкает ключи 5 и б и размыкает- ключи 7-9. При этом образуется цифровой рециркулятор, сост.оящий соответственно из сумматора 3, ОЗУ 4, ключа 6, ЙБ 10, ПЗУ 11 и ключа 5 . При поступлении на вход анализатора гармонического колебания част.отой UJj( в блоке 1 образуются квадратурные составляющие, которые поступают на входы АЦП 2. Из выходных сигналов Р.Щ1 2 в начгше каждого интервала длительности Т берутся выборки, амплитуда которых преобразует ся в двоичный код и затем запоминается на весь интервал длительности Т. Выходные сигналы ЙЦП 2 в виде выборок в двоичном коде N раз в течение каждого интервала времени Т подаются на сумматор 3. С его выхода квадратурные составляющие в течение времени первой циркуляции 0-Т последовательно N раз подаются на вход ОЗУ 4, количество квадратурных ячеек которого равно N (т.е. всего 2 N вещественных ячеек). Это ОЗУ 4 предназначено для задержки чисел, поступающих с выхода сумматора 3 на время, равное Т. В течение первой циркуляции во все N ячеек ОЗУ 4 запишется одно и то же число. В начале второй циркуляции происходит считывание двух чисел из первых ячеек ОЗУ 4, которые через ключ б поступают на вход йБ 10 о Иг второй вход Б 10 поступают числа, записанные в ПЗУ 11. . В ПЗУ 11 записано N чисел,соответствуюйшх .выборкам cos, где © изменяется от О до - через и N чисел, соответствующих выборкам sin©. Последовательное считывание всех значений соБ0и sin Q производится параллельно в течение каждого интервала длительностью Т, начиная со значения Sti О и кончая значение 0 --21ГЧисла, полученные на выходе ЙБ 10 поступают через ключ 5 на вход сумма тора 3 и складываются с новой выборкой, образованной в начале цикла на выходах йЦП 2, в результате чего последовательно получается N комплек ных чисел, которые записываются в ячейки ОЗУ 4. После L-1 циркуляции, т.е. на интервале времени t(L-2)T-XL-l)Т, в ячейках ОЗУ 4 будут находиться чис ла, величины которых представляют от клик входного сигнала, прошедшего фильтр с йЧХ (см, фиг,2а). В конце интервала времени t блок управления 15 размыкает ключи 5 и б и замыкает ключи 7-9, При этом ко входам Б 10 через ключ 7. подключается выход второго ОЗУ 13, а ко входам cy Iмaтopa 12 с округлением через ключ 4 - выход иБ 10 и через ключ 5 выход ОЗУ 4. При этом образуется циф ровой рециркулятор, состоящий из сум матора 12 с округлением, второго ОЗУ 13, ключа 7, 10, ПЗУ 13 и ключа 8. За время Т с момента t-(L-l)T до N комплексных чисел последовательно записываются через сумматор 12 с округлением в N комплексных ячеек второго ОЗУ 13. Поскольку перед началом работы во втором ОЗУ 13 были записаны нулевые числа, то ЙБ 10 в этом случае производит операции с нулевыми числами. Так как величина чисел при когерентном суммировании после циркуляции линейно возрастает в L-1 раз, то в сумматоре с окрутлением производится отбрасывание р gog, (Ij-l) младших двоичных разрядов. Это позволяет во втором каскаде оперировать с числами, имеющими то же число разрядов, как и в первом каскаде. .. В то же время, когда числа переписываются из ОЗУ 4 во второе ОЗУ 13 выборка сигнала с ЙЦР 2 одновременно записывается через сумматор 3 послед вательно N раз в освободившиеся ячейки ОЗУ 4. После окончания процес са перезаписи блок 15 управления размыкает ключи 7-9 и замыкает ключи 5 и 6. При этом, образуется схема, описанная ранее, и начинается процесс накопления выборок в течение второй группы I--1 циркуляции, в- результате чего в ячейках ОЗУ 4 в интервал времени с (2L-2)T по (2L-,)T будут находиться числа, представляющие из себя реакцию фильтра с АЧХ, изображенной на фиг. 2а, на воздействие следующего отрезка входного сигнала. В момент времени t(2L-l)T блок 15управления разомкнет ключи 5 и 6.. и замкнет ключи 7-9. При этом числа, которые были записаны во втором ОЗУ 13 L-1 периодов назад, последовательно будут поступать на ЙБ 10 и над ними будут производиться операции, описанные ранее, за исключением того, что из ПЗУ 11 выбираются N чисел, соответствующих выборкам cos LS, где Ь изменяется от О до 2-HL через , и N чисел, соответствующих выборкам sin L$. При этом второе ОЗУ 13 играет роль задержки каждого числа на- L периодов. После W-1 циркуляции во втором каскаде в течение времени Т на выходе второго ОЗУ 13 будут появляться числа, являющиеся откликом на . входное воздействие фильтра с ЙЧХ, изображенной на фиг.2в, которая представляет из себя произведение ЙЧХ первого (фиг.2а) и второго (фиг. 26) каскадов.. В течение последней циркуляции числа с выхода сумматора 12 с округлением подаются на входы блока 14 квадраторов и цосле операции перемножения-на канальный сумматор 16. На выходе канального сумматора 16в течение циркуляции получается N чисел в виде ,2 M(Qi-UJ T) 2 e-i - шк т где и - амплитуда гармонического колебания ни , ft..2b. Эти числа могут подаваться либо сразу на выход (в этом случае получаются числа, характеризующие энер- гетический спектр исследуемого проц сса.) , либо через блок 17 извлечения корня квадратного (в этом случае получается амплитудный спектр). Полученные числа принимают максимальные значения при в г ш Т, которые соответственно равны , (, --AfA. Таким образом, первый каскад описываемого устройства определяет однозначность отсчетов в диапазоне частот 0-Й., а второй каскад - разрешающую способность. При этом видно, что максимумы ЙЧХ второго каскада попадают в нули ЙЧХ первого каскада и полностью подавляются (фиг.2). По окончании процесса накопления на временном интервале, равном периоду Т, с выхода устройства последовательно поступают отсчеты, временное положение и величина которых характеризуют спектр сигнала. Формула изобретения Цифровой анализатор спектра, содержащий последовательно соединенные входной блок квадратурных составляцощих,. аналого-цифровой пр образователь, сумматор иоперативное запомина ющее устройство., постоянное запоминающее устройство., связанное с ари.фметическим блоком, блок квадраторов, подключенный к блоку извлечения корня квадратного через канальный .сумматор, блок управления, ключи, отличающийся тем,что, с целью расшире ния диапазона анализируемых частот, он снабжен сумматором с округлением и вторым оперативным запоминающим устройством,причем выход блока управления связан с первыми входами всех ключей, выход первого ключа подсоединен ко вто рому входу сумматора,выходы второго и третьего ключей связаны со вторым

TW 6

Btaodi 6ым82 5g входом арифметического блока, выходы которого подключены ко вторым входам первого и четвертого ключей, выходы четвертого и пятого ключей подключены ко входам сумматора с округлением, выход которого соединен со входами квадратора и одновременно через второе оперативное запоминающее устройство .- со вторым входом третьего ключа, при зтом выход первого оперативного запоминающего устройства подключен ко вторым входам второго и пятого ключей. . .: Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Клан и др..Специализированный процессор для быстрого решения задач гармониче.ского анализа. Электроника, 1968, т.41, 13, с.З. 2.Авторское свидетельство СССР 428389, кл. G06 f 15/36, 1972.

)t Фие.2