Цифровой анализатор энергетического спектра Советский патент 1980 года по МПК G06F17/14 G01R23/00 

1

Изобретение относится к области специализированных средств цифровой вычислительной техники, предназначенных для вычисления статических характеристик случайных процессов. Анализатор может быть использован для исследования энергетических спектров случайных сигналов и помех в системах связи, радиолокации, технической диагностики и управления.

Известны различные устройства для вычисления энергетических спектров случайных сигналов, построенные как на основе вычисления корреляционной функции, так и периодограмме сигнала.

Известен вероятностный спектрокоррелятор 1, состоящий из блока управления, блока центрирования, блока вентилей, блока вероятностного округления, блока динамических сдвигающих регистров, регистра числа, первого блока сравнения, блока согласования, блока вероятностного умножения, блока определения масштабных коэффициентов, генератора случайных чисел, второго блока сравнения, блока ассоциативной памяти, блока накопителей и блока регистров. Это техническое рещение позволяет вычислять энергетический спектр случайного сигнала параллельно с вычислением корреляционной функции по графсхеме алгоритма быстрого преобразования Фурье.

Недостатком этого устройства является низкое быстродействие, что обусловлено

5 необходимостью производить большое количество вычислительных операций при вычислении корреляционной функции.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является цифровой анализатор спектра, использующий дискретное преобразование Фурье 2 и содержащий последовательно соеднненные предварительный фильтр, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок временного взве15 шивания, блок вычисления дискретного

преобразования Фурье, блок вычисления

квадрата модуля, блок усреднения и блок

отобрал ения.

Этот анализатор позволяет вычислять

20 энергетический спектр на основе вычисления периодограммы случайного сигнала.

Недостатком устройства также является малое быстродействие вследствие больших вычислительных затрат при вычислении

25 дискретного преобразования Фурье (вычисление дискретного преобразования Фурье даже по граф-схеме алгоритма быстрого преобразования требует производить N о§2 Л операций комплексного умноже30 ния и сложения, где N - число выборок

анализируемого сигнала), что не позволяет анализировать энергетический спектр широкополосных сигналов в реальном масштабе времени.

Целью изобретения является повышение быстродействия пифрового анализатора энергетического спектра.

Эта цель достигается тем, что в предложенное устройство для вычисления энергетического спектра, содерлсашее блок вычисления дискретного преобразования Фурье, предварительный фильтр, вход которого является входом устройства, а выход подключен ко входу АЦП, блок усреднения, вход которого подключен к выходу блока вычисления квадрата модуля, выход блока сглаживания подключен ко входу блока отображения, введены четыре коммутатора, дешифратор адреса, блок постоянной памяти п блок сложения по модулю два, входы которого соединены соответственно с первым выходом первого коммутатора и с выходом блока постоянной памяти. Выход блока сложения по модулю два соединен с первым информационным входом второго коммутатора. Цервый, второй, третий и четвертый входы блока вычисления дискретного преобразования Фурье подключены соответственно ко второму выходу первого коммутатора и к первым выходам второго и третьего коммутаторов и к первому выходу дешифратора адреса. Управляющие входы коммутаторов соединены с первым управляющим выходом блока вычисления дискретного преобразования Фурье, второй управляющий выход которого подключен ко входу дешифратора адреса, второй выход которого подключен ко входу блока постоянной памяти. Другие выходы блока вычисления дискретного преобразования Фурье соединены соответственно с информационным входом первого коммутатора, со вторым информационным входом второго коммутатора и с информационным входом четвертого коммутатора, первый выход которого подключен ко входу блока сглаживания. Информационные входы третьего коммутатора соединены соответственно с выходом АЦП и блока усреднения. Второй выход четвертого коммутатора подключен ко входу блока вычисления квадрата модуля.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого цифрового анализатора энергетического спектра; на фиг. 2 - графсхема вычисления восьми точек энергетического спектра.

Анализатор содержит АЦП 1, фильтр 2, блок усреднения 3, блок вычисления квадрата модуля 4, блок вычисления дискретного преобразования Фурье 5, блок сглаживания 6, блоки отображения 7, коммутаторы 8-11, блок 12 сложения по модулю два, блок 13 постоянной памяти, дешифратор адреса 14, блок обмена 15, оперативное ЗУ 16, блок управления 17, арифметическое устройство 18, сумматор 19, перемножитель 20 и постоянное ЗУ 21.

На фиг. 2 штриховыми линиями обозначены операции инверсии знака чисел {сложение по модулю двух знаковых разрядов чисел с элементами матрицы Уолша); точкамн - операции сложения чисел; стрелками - операции умножения чисел; 22 - этап вычисления преобразования Уолша по алгоритму быстрого преобразования;

23- этап вычисления квадрата модуля;

24- этап усреднения; 25 - этаи вычисления быстрого преобразования энергетического спектра Уолша в энергетический спектр Фурье.

Этапы 22-24 образуют первый цикл преобразований, этап 25 - второй цикл.

АЦП 1 предназначен для получения кода выборок анализируемого случайного сигнала. Фильтр 2 ограничивает анализируемый сигнал по полосе частот и тем самым уменьшает погрешность АЦП. Блок усреднения 3 обеспечивает накопление элементов массивов квадратов модуля дискретного преобразования и усреднение этих элементов по числу массивов. Блок вычисления квадрата модуля 4 осуществляет возведение в квадрат модуля элементов массивов дискретного преобразования. Блок вычисления дискретного преобразования Фурье 5 предназначен для вычисления дискретного преобразования Фурье от массива выборок входного сигнала (в общем случае обеспечивает вычисление произведения матрицы преобразования на входной массив). Блок сглаживания 6 служит для уменьшения случайных флуктуации вычисленного энергетического спектра, обусловлеиных ограниченным количеством обрабатываемых выборок сигнала. Блоки отображения 7 предназначены для регистрации результатов спектрального анализа. Коммутаторы 8-11 обеспечивают переключение двух входов на один выход или одного входа на два выхода. Блок сложения по модулю два 12 осуществляет сложение по модулю два знаковых разрядов поступающих на него чисел с элементами матрицы Уолша, хранящимися в блоке постоянной памяти 13. Дешифратор адреса 14 обеспечивает формирование команды обращения к блоку 13 или к блоку памяти, 21, .в котором хранятся элементы матрицы дискретного преобразования. Блок обмена 15 предназначен для обмена данными между входом и выходом блока 5 и оперативным ЗУ 16, в котором формируются обрабатываемые массивы и результаты промежуточных вычислений. Блок управления формирует команды управления блоками анализатора в соответствии с алгоритмом вычисления энергетического спектра. Арифметическое устройство 18 выполняет операции

сложения и умножения числа соответственно в сумматоре 19 и перемножителе 20.

Работа предлагаемого цифрового анализатора энергетического спектра разделяется на два основных цикла преобразований.

В первом цикле блок управления 17 выдает сигналы управления на коммутаторы 8-11 и дешифратор адреса 14, по котопым коммутатор 8 подключает выход АЦП 1 ко входу блока обмена 15 б.1ока вычисления дискретного преобразования Фурье 5. Коммутатор 9 соединяет выход ЗУ 16 с первым входом блока сложения по модулю два 12, коммутатор 11 - выход б.пока 12 со входом ЗУ 16, а коммутатор 10 - выход блока обмена 15 со входом блока вычисления квадпата модуля 4. Дешифратор адреса 14 формирует сигнал обращения к блоку постоянной памяти 13.

Во втором цикле поеобразований блок управления 17 вырабатывает уцравляюи1;ие сигналы на коммутаторы 8-II и дешифратор адреса 14, по которым коммутатор 8 переключает вход блока обмена 15 с выхода АЦП 1 на вход блока усреднения 3, коммутатор 9 переключает выход ЗУ 16 го входа блока 12 на вход перемножителя 20 арифметического устройства 18, коммутаTOD 11 нерек.пючает вход ЗУ 16 с выхода схемы 12 на выход перемножителя 20, коммутатоп 10 перек.гтючает выход б.тока обмена 15 со входа блока вычисления квадрата модуля 4 на вход блока сглаживания 6. Дешифратор 14 формипует команду обращения к постоянному ЗУ 21.

В первом цикле преобразований анализируемый сигнал подается на вход фильтра 2, в КОТОРОМ ограничивается на полосе частот и с его выхода подается на вход АЦП 1, где преобразуется в цифровой вид. С выхода АЦП 1 сигнал в цифровом виде через коммутатор 8 поступает в блок обмена 15, который пересылает далее сигнал в ЗУ 16, где кодовые слова (выборки сигнала) формируются в соответствующие массивы слов. Далее выборки сигнала из ЗУ 16 в порядке, определяемом алгоритмом умножения матрицы преобразования Уолща на массив выборок сигнала, подаются через коммутатор 9 на вход блока 12 еложения по модулю два, где ПРОИСХОДИТ сложение по модулю два значений знаковых разрядов кодовых слов с коэффициентом матрицы Уолта, котопые подаются на второй вход блока 12 с блока 13 по командам обращения, подаваемым из дещифратора адреса 14. Преобразованные таким обпазом кодовые слова подаются с выхода блока 12 через коммутатор 11 в ЗУ 16, откуда далее поступают в порядке, определяемом алгоритмом преобразования, в сумматор 19, где происходит сложение преобразованных кодовых слов. Результаты сложения из сумматора 19 пересылаются обратно в ЗУ 16, После обработки всех кодовых слов

из массива в ЗУ 16 образуется массив коэффициентов разложения Уолша

,

где W - матрица Уолша;

X массив выборок входного сигнала.

Рассмотренная последовательность преобразований выборок сигнала соответствует этану 22 на фиг. 2.

Далее массив р через блок обмена 15 и коммутатор 10 нодается та вход блока вычисления квадрата модуля 4, где происходит возведение в квадрат модулей э,пементов массива р, а затем полученные результаты подаются в блок усреднения, где происходит их накопление с последующим усреднением.

Рассмотренная носле.аовательность выполнения операций на первом цикле повторяется м раз, в результате чего в блоке усредиенпя 3 образуется массив коэффициентов энергетического сиектра Уодща

- После этого начинается второй иикл преобразований, на котором коэффициенты

эиергетического сиектра Уолига V преобразуются в коэффициенты энергетического

спектра Фурье G, т. е. реализуется преобразование вида G TV ио алгоритму быстрого иреобразования. При этом коэффи-

циенты энергетического спектра Уолша V подаются с выхода блока усреднения 3 через коммутатор 8 н блок обмена 15 в ЗУ 16, откуда в соответствии с алгоритмом

умножения матрицы Т на вектор V подаются через коммутатор 9 на вход перемножителя 20, на другой вход которого подаются коэффициенты матрицы Т из ЗУ 21. Результаты умножений с выхода перемножителя 20 подаются через коммутатор 11 в ЗУ 16, откуда в опреле,пенном порядке посылаются в сумматор 19, где ПРОИСХОДИТ их попарное сложение. Получаемые суммы пересылаются обратио из сумматора 19 в ЗУ 16, в результате чего в нем формируется массив коэффициентов энергетического

спектра G, которые да,1ее через блок обмена 15 н коммутатор 10 подаются в блок сглаживания 6, где осуществляется сглаживание полученного массива G заданным спектральным окном. С выхода блока 6 сглаженный энергетический спектр нодается на блоки отображения.

Таким образом, описанное устройство позволяет вычислять энергетический спектр

Фурье через энергетический спектр Уолша и за счет этого полностью исключить операции умножения чисел на первом цикле преобразований, а следовательно, значительно увеличить быстродействие цифрового анализатора энергетического спектра. Если учесть, что быстрое преобразование Уолша вычисляется в 13 раз быстрее, чем быстрое преобразование Фурье, то предлагаемый цифровой анализатор энергетического спектра позволяет обрабатывать в реальном масштабе времени сигналы с шириной спектра в 13 раз большей, чем известные технические решения.

Формула изобретения

Цифровой анализатор энергетического спектра, содержащий блок вычисления дискретного преобразования Фурье, фильтр, вход которого является входом устройства, а выход подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, блок усреднения, вход которого подключен к выходу блока вычисления квадрата модуля, выход блока сглаживания подключен ко входу блока отображения, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в анализатор введены четыре коммутатора, дешифратор адреса, блок постоянной памяти и блок сложения по модулю два, входы которого соединены соответственно с первым выходом первого коммутатора и с выходом блока постоянной памяти, а выход блока сложения по модулю два соединен с первым информационным входом второго

коммутатора, первый, второй, третий и четвертый входы блока вычисления дискретного преобразования Фурье подключены соответственно ко второму выходу

первого коммутатора и к первым выходам второго и третьего коммутаторов и к первому выходу дешифратора адреса, управляющие входы коммутаторов соединены с первым управляющим выходом блока вычисления дискретного преобразования Фурье, второй управляющий выход которого подключен ко входу дещифратора адреса, второй выход которого подключен ко входу блока постоянной памяти, другие выходы блока вычисления дискретного преобразования Фурье соединены соответственно с информационным входом первого коммутатора, со вторым информационным входом второго коммутатора, и с информационным входом четвертого коммутатора, первый выход которого подключен ко входу блока сглаживания, информационные входы третьего коммутатора соединены соответственно с выходом аналого-цифрового

преобразователя и блока усреднения, второй выход четвертого коммутатора подключен ко входу блока вычисления квадрата модуля.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 526907, кл. G 06F 15/34, 1975.

2.Патент США № 3881097, кл. G 06F 15/34, опубл. 1975 (прототип).