Анализатор спектра Советский патент 1980 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для спектрального анализа непрерывно изменяющихся во времени сигналов. Известен анализатор периодических сигналов, предназначенный для вычисления спектральных коэффициентов периодических, сигнапов и содержащий источник сигнала, усилитель мощности инвертор, фильтр низкой частоты, усилитель-ограничитель, интегратор, фильтр постоянной составляющей, детектор, дифференцирующее устройство генератор Уолша и п каналов, состоя ших из последовательно соединенных умножителя, интегратора и регистрир щего устройства 1. Недостатками анализатора периоди ческих сигналов являются низкое быстродействие, ограниченные функциональные возможности. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является анализатор с дискретным преобразованием, который содержит п усреднителей, блок быстрого преобразования Уолша, коммутатор на {п-1 выход, п накопительных ячеек (регистров), генератор тактовых импульсов и блок управления, причем информационные входы всех усреднителей объединены и подключены к источнику аналогового анализируемого сигнала. Первый управляющий вход первого усреднителя подсоединен к первому выходу блока управления. Второй управляющий вход каждого усреднителя объединен с первым управляющим входом следующего усреднителя и подключен к соответствующему выходу коммутатора. Выход генератора тактовых импульсов подсоединен к входу коммутатора и к входу блока управления, второй выход которого подключен к объединенным управляющим входам накопительных ячеек (аналоговых ячеек памяти). Выхода п усреднителей подсоединены к соответствующим входам блока быстрого преобразования Уолша (ББПУ), п выходов которого подсоединены к входам соответствующих накопительных ячеек, выходы которых являются выходами устройства. Для работы с ЦВМ или в составе ЦВМ в качестве встроенного блока необходимо введение в его состав цифроаналогового преоб разователя и п аналого-цифровых преобразователей 12 . Одним из недостатком устройства является низкая точность вычисления спектральных коэффициентов, в связи с тем, что усреднители интегрируют входной сигнал на интервале времени Тр/п без учета отрицательного знака, т.е. отрицательные полуволны срезаются входного сигнала интегрируются. Кроме того пониженная точность вычисления связана с не обходимостью хранения величины сигнала S (пропорционального интегралу входного сигнала) на интеграле Уд/п в течение времени от до Тр- в виде напряжения на интегрирующей емкости усреднителя. недостатком анализатора является ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что действительные значения спектральных коэффициентов могут быть получены только после окончания интервала времени, на котором производится анализ сигнала и анализато не может быть использован для скол зящего режима непрерывного вычисле ния спектральных коэффициентов непре рывно изменяющегося во времени сигнала. Цель изобретения - повышение точности определения спектргшьных коэффициентов и расширение функциональны возможностей анализатора. Указанная цель достигается тем, что анализатор спектра, содержащий блок быстрого преобразования Уолша, усреднитель, блок определения коэффициентов, преобразователь, регистры сдвига и блок управления, выходы ко торого связаны с уп авляющими входа ми упомянутых блоков, а вход подклю чен к выходу генератора тактовых им пульсов, дополнительно содержит бло выделения знака, выходами подключен ный к двух входам усреднителя, трети и четвертый входы которого соединены с выходом преобразователя, вторые в ды которого соединены с входом анали затор а и одновременно со входами блока выделения знака, а третий вхо к выходу блока выделения знака, при чем выходы усреднителя подключены через первый регистр сдвига ко входам блока быстрого преобразования Уолша, выходы которого связаны через второй регистр сдвига со входами блока определения коэффициентов. На фиг. 1 представлена блок-схем ансшизатора спектра; на фиг. 2, 3, 4 и 5 - схемы блока выделения знака преобразователя, усреднителя, схема соединения одной пары сумматоров, входящих в состав первой ступени блока быстрого преобразования Уолша (БПУ), соответственно. В . состав анализатора входят блок выделения знака 1, преобразователь 2, усреднитель 3, сдви гатель 4 емкостью (п-1) машин ных слов, блок 5 быстрого пре образования Уолша, сдвигатель 6 емкостью машинных слов, блок 7 первой ступени БПУ, генератор 8 тактовых импульсов и блок 9 управления. Цифрами 10 и 11 обозначены соответственно цифровой и аналоговый входы анализатора. Цифрой 12 обозначен контрольный выход (сигнал сбоя) анализатора. В состав блока выделения знака (фиг.2) входят элементы НЕ 13 и 14, элементы И 15 и 16, элементы ИЛИ 17, 18 и 19, усилители-ограничители 20 и 21 и инвертор 22. Блок 1 предназначен для определения знака сигнала, заданного либо цифровым кодом, знаковые разряды которого подсоединяются к входам элементов НЕ, либо аналоговой величины, например, медленно изменяющимся напряжением, подаваемый на вход усилителя-ограничителя 20 и на вход инвертора 22. В результате анализа на выходе элемента ИЛИ 18 сигнал появляется в случае отрицательного сигнала и на выходе элемента ИЛИ 19 в случае положительного значения сигнала. На выходе элемента ИЛИ 17 появляется в случае, если на входы элементов НЕ 13 и 14 подается код 01 или код 10. Инвертированное значение анализируемого ансшогового сигнаша с выхода инвертора 22 подается на один из входов преобразователя 2 Блок-схема преобразователя 2 (фиг.З) состоит из компараторов 23 и 24, схемы 25 сравнения, датчика случайных чисел и сигналов 26 и элемента ИЛИ 27. Преобразователь 2 предназначен для преобразования входного сигнала в случайную последовательность импульсов (преобразование типа сигнал-вероятность). Датчик 26 может представлять собой, например, последовательно соединенные датчик случайных чисел и цифроаналоговый преобразователь. В этом случае выход также подключается и к входу схемы 25 сравнения, а выход цифроаналогового преобразователя - к входам компараторов 23 и 24. Импульс на выходе компаратора 23, компаратора 24 или схемы 25 сравнения появляется в том случае, если случайное число по величине меньше числа, поступившего на другой вход схемы 25 сравнения, или в том случае, если случайная аналоговая величина меньше значения аналогового сигнала на другхзм входе одного из компараторов 23 или 24, Блок-схема усреднителя 3 (фиг.4) состоит из элементов И 28 реверсивного счетчика 29, блока 30 считывания, счетчика 31 и элемента 32 задержки. Усреднитель предназначен для суммирования или вычитания (в зависимости от знака усредняемой функции) импульсов случайной последовательности с выхода преобразователя 2. Импульсы в реверсивном счетчике 29 суммируются или вычитаются до момента переполне ния счетчика 31, что соответствует интервалу времени At. При этом код, сформированный в реверсивном счетчи .пропорционален интегралу Zlj от вхо ного сигнала на интервале времени &t. В момент переполнения счетчика 31 на выход усреднителя выдается уп равляющий импульс, а спустя некоторо время,определяемое элементом задерж 32, осуществляется считывание кода 0 из реверсивного счетчика 29 через бл считывания 30 с одновременным обнулением реверсивного счетчика 29. В схеме соединения одной пары су маторов, входящих в состав блока 7 первой ступени БПУ (фиг.5) i-ый и j-ый входы подключаются к выходам сдвигателя 6 в соответствии с законом реализации первой итерации БНУ, В анализаторе спектра реализуетс алгоритм расчета спектральных коэффициентов при разложении исследуемо сигнала по дискретным ортогональным кусочно-постоянным функциям {Радема хера, Уолша, Хаара и т.п.). Любой спектральный коэффициент, например в базисе Уолша, может быть расчитан по формуле: VbU,r,4.(,nl, (i) )- спектр Уолша от исследуемого сигнала x(t, Г) ; W.- система . ортогхэнальных функций Уолша; t- текущее время; Т- переменная интегрирования на интервал ортогональности (О.Т); T/ut - число участков постоянства функций Уолша максимальной частоты (т 1,2..) t- интервал дискретизации по времени. Так как Wjj ±1 для функций Радемахера и Уолша, что (1) -южно представить в виде: пи Г tiMlui1 «ч гт / . При расчете спектральных коэффициентов в предлагаемом устройстве реализуется алгоритм быстрого преобразования Уолша. Работа анализатора спектра происходит следующим образом. В каждый момент времени в сдвигателе 4 находится (п-1) значений элементарных интервалов выражения (2) от 3, до 3„ -включительно. Значение каждого элементарного интеграла 3 вычисляется с помощью усреднителя 3 на предыдусдих этапах расчета спектрашьных коэффициентов. В момент времени t. в который начинается расчет спектральных коэффициентов ) для отрезка, исследуемой функции x(t) на интервале t, t-, на п/3 входов блока 5 быстрого преобразователя Уолша поступают четные значения элементарных интегралов, включая только что сформированное Зц из сдвигателя 4, т.е. четная полувыбор-ка. Далее с помощью блока 5 вычисляютсн спектральные коэффициенты для этой четной полувыборки (с использованием общеизвестного алгоритма быстрого преобразователя Уолша), которые помещаются в нечетные (условно нечетные) ячейки сдвигателя 6 от I до п-1-ой включительно (всего п/2 коэффициентов). В четных же ячейках сдвигателя 6 находятся значения спектральных коэффициентов, вычисленных для четной полувыборки элементарных интегралов на предаадущем шаге, т.е. для момента времени (t - u.t), которая в момент времени t является нечетной полувыборкой. Тем самым исключается не-обходимость расчета спектральных коэффициентов для нечетной полувыборки в каждый момент времени. Затем с помощью блока 7первой ступени быстрого преобразователя определяются все текущие спектргшьные коэффициенты анализируемого сигнала по спектральным коэффициентам четной полувыборки и нечетной полувыборки (четной на предаддущем шаге) . в тот же момент времени t,когда начинается расчет спектральных коэффициентов, начинается также процесс формирования очередного элементарного интеграла на интервале времени t, t -fit. При этом одновременно и непрерывно определяется знак анализируемой функции с помощью блока 1 и преобразование ее в случайную последовательность импульсов с помощью . преобразователя 2. Выделение знака осуществляется следующим образом. Если анализируемый сигнал задается в цифровом виде, то его знаковые разряды (в модифицированном коде) поступают на входы элементов НЕ 13 и 14 и элемента И 16 (фиг.2). Если это код 00 (знак плюс) , то сигнал появляется на выходе элемента И 15 и через элемент ИЛИ 18 подается на выход блока 1 для управления реверсивным счетчиком 29 (фиг.4) с целью суммирования импульсов, поступающих с выхода преобразователя 2. Если знаковые разряды представляют код 11, то сигнал появляется на выходе элемента И 16 и через элемент ИЛИ 19 поступает на выход блока 1 дли управления процессом вычитания импульсов.

поступающих с выхода преобразователя 2. Если анализируемый сигнал является аналоговой величиной, например, медленно изменяющееся напряжение постоянного тока, то он поступает на вход усилителя-ограничителя 20 ,и на вход инвертора 22. Если сигнал положительный, то поступив через усилитель-ограничитель 20 на вход элемента ИЛИ 18 и с него на выход блока 1, интерпретируемый как знак плюс. ЕСЛИ сигнал отрицательный, то пройдя через инвертор 22, усилитель-ограничитель 21 и элемент ИЛИ 19 он интерпретируется как управляющий сигнал, минус. Одновременно с этим инвертированный сигнгш с выхода инвертора 22 поступает на вход одного из компараторов преобразователя 2.

Преобразователь 2 осуществляет преобразование сигналов следующим образом.

Если сигнал задается в цифровом виде, то его значения без знаковых рязрядов непрерывно подаются на вход схемы 25 сравнения (фиг.3), на друго вход которой с датчика 26 также непрерывно поступают случайные равномерно распределенные числа. Импульсы на выходе схемы сравнения 25 появляются всякий раз, когда случайное число оказывается меньше- числа, поступающего на другой вход схемы сравнения. Если сигнал задается в,аналоговом виде, то он поступает на вход одного из компараторов, а на вход другого компаратора поступает его инвертированное значение с блока 1. На другие объединенные входы компараторов поступают случайные аналоговые сигналы с датчика 26. имеющие только положительные значения. Импульсы возникают на выходе того компаратора, на вход которого поступает положительный анализируемый сигнал (ибо отрицательный сигнал алгебраически всегда меньще любого положительного) причем импульсы возникают только в случае, когда случайный аналоговый сигнал меньше анализируемого.

Усреднитель 3 работает следующим образом.

Импульсы с выхойа преобразователя 2 через элемент И 28 (фиг.4) поступают на счетный вход реверсивного счетчика 29, где они суммируются или вычитаются в зависимости от знака анализируемой функции. Тактовые импульсы высокой частоты, поступающие на управляющие входы преобразователя 2 и усреднителя 3, синхронизируют работу этих блоков и одновременно подсчитываются счетчиком 31 усреднителя емкость которого пропорциональна интервалу времени &t (интервалу интегрирования). При переполнении счетчика 31, т.е. по прошествии времени &t, импульс переполнения поступает на вход элемента 32 задержки и на управляющий вход сдвигателя 4, в - котором при этом осуществляется сдвиг информации на одно машинное слово, с освобождением ячейки Зут Спустя время определяемое элемектом 32 задержки, из реверсивного счетчика 29 код через блок 30 считывания передается в сдвигатель 4 в ячейку Зц. Одновременно с этим с помощью блока 9 управления осуществляется сдвиг информации в сдвигателе 6 на одно машинное слово с одновременным обну5 лением нечетных ячеек. При этом реверсивный счетчик 29 обнуляется и процесс формирования очередного элементарного интеграла начинается снова. Остальные же узлы и блоки

0 устройства начинают формирование

спектральных коэффициентов в соответствии с алгоритмом, изложенным выше.

Таким образом, повышение точности определения спектральных коэффициен5 тов достигается за счет того, что

интегрирование сигнала осуществляется с учетом его знака.

Формула изобретения

Анализатор спектра, содержащий блок быстрого преобразования Уолша,, усреднитель, блок определения коэф фициентов, преобразователь, регистры сдвига и блок управления, выходы которого связаны с управляющими входами упомянутых блоков, а вход подключен к выходу генератора тактовых импульсов, отличающи и ся тем, что, с целью повышения точности вычислений, он дополнительно содержит блок выделения знака, выходами подключенный к двум входам усреднителя, третий и четвертый входы которого

5 соединены с выходом преобразователя, вторые входы которого соединены со входом анализатора и одновременно со входами блока выделения знака, а третий вход - к выходу блока выделе0 ния знака, причем выходы усреднителя подключены через первый регистр сдвига ко входам блока быстрого преобразования Уолша, выходы которого связаны через второй регистр сдвига

со входами блока определения коэффициентов ,

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 470754, кл. G 01 R 23/00, 1974.

2.Зарубежная радиоэлектроника. 1972, 5, с. 27, рис. 7.

Sil

,:--- ,/.-;v :-v7./ 32759

27

I о8;

фи.