Спектральный анализатор Советский патент 1980 года по МПК G01R23/16 

Предлагаемое изобретение относит ся преимущественно к измерительной технике и может быть использовано для спектрального анализа непрерывно изменяющихся во времени сигналов Известен многоканальный анализато спектра, содержащий.квантователь, блок перемножения, два коммутатора, блок стробирсвания,п % т масштабных . блоков, п сумматоров усреднителей, блок вычитания с соответствующими связями между блоками и узлами, пред назначенный в основном для спектраль ного анализа случайных процессов Щ Недостатками его являются большая конструктивная сложность, так как он содержит вычислитель корреляционной функции и большое количество масштабных блоков, низкое быстродействие из-за того, что значения корреляционной функции вычисляются в результате.многократного прогона запомненной анализируемой функции, и ограниченные функциональные возможности 1 в связи с тем, что он предназначен для анализа запомненной либо циклически повторяющейся функх на ограниченном интервале времени и не может быть использован апя. скользящего режима вычисления спектральных коэффициентов непрерыв но изменяющегося во времени сигнала . Известен также анализатор периодических сигналов, предназначенный для вычисления спектральных коэффициентов периодических сигналов и содержащий исчтоник сигнала, усилитель мощности, инвертор фильтр низкой частоты, усилитель-ограничитель, интегратор, фильтр постоянной составляющей, детектор, дифференцирующее устройство, генератор функций Уолша и п каналов, состоящие из последовательно соединенных умножителя, интегратора и регистрирующего устрой,ства . 23 . Недостатками известного анализатора периодических сигналов являются низкое быстродействие, так как действительные значе.ния спектральных коэффициентов могут быть получены только в конце периода исследуемого сигнала, и ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что он предназначен для анализа периодической фкнкции на выбранном интервале времени и не может быть использован для скользящего режима вычисления спектральных коэффициентов непрерывно изменяющегося во времени сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к-предлагаемому изобретению является устройтсво для вычисления коэффициентов разложения функции в ряд, содержащее накопительный блок, генератор импульсов, п ключей, п блоков делителей напряжения ( с п выходами каждый) и п каналов из последовательно соединенных сумматора , аналого-цифрового преобразователя и блока регистрации с соответствующими связями между блоками и узлами 3.

К недостаткам устройства следует отнести малую разрешающую способ-л ность, обусловленную тем, что очередной цикл анализа входного сигнала может быть начат только после прдыдущего цикла,а действительные значения спектральных коэффициентов могут быть получены только после окончания интервала времени, в течение которого производится анализ сигнала.

Целью предлагаемого изобретения является повышение разрешающей способности.

Поставленная цель достигается тем, что в спектральном ана лизаторе содержащем генератор импульсов,блок считывания, первый и второй элемент И и сумматоры-вычитатели, выход каждого из которых соединен со входом соответств.ующего ему блока для регистрации, выход генератора импульсов подсоединен к первому входу первого элемента И и к синхронизирующему входу интегрального преобразователя, выход которого связан со входом сдвигающего кольцевого регистра, синхронизирующий вход которого .подключен к выходу второго элемента И, а выход - ко входу блока считывания, выход которого соединен с первыми входами всех сумматоров-вычитателей, а синхронизирующий вход - с выходом первого элемента И, подключенного также через первый элемент задержки ко входам генератора дискретных ортогональных функций и второго элемента задержки выход которого соединен с первым входом, второго элемента И, вторые входы первого и второго элементов И подсоединены к единичному выходу триггера, информационные выходы генератор: дискретных ортогональных функций связаны с управляющими .входами соответствующих сумматоров-вычитателей,а его управляющий выход подключен ко входам для установки в нуль всех сумматоров-вычитателей и к нулевому входу триггера, выход генератора импульсов соединен также с входом счетчика, выход переполнения которого подсоединен к первому

управляющему входу интегрального преобразователя и через третий элемент задержки - ко второму управляющему входу интегрального преобразователя и к единичному входу триггера, входы аналогового и цифрового сигналов интегрального преобразоватля являются входами анализатора.

Кроме того,интегральный преобразователь содержит блок для сравнения аналоговых сигналов, первый вхо которого является входом аналогового сигнала преобразователя, и блок для сравнения цифровых сигналов, первый вход которого является входом цифровых сигналов преобразователя, выходы блоков сравнения подсоединены к входам элемента ИЛИ, выход которого связан со входом первого счетчика, установочный вход которого подключен ко второму управляющему входу преобразователя, а выход - ко входу блока считывания, выход которого является выходом интгрального преобразователя, а установочный вход соединен с первым управляющим входом преобразователя, синхронизирующий вход которого подсоединен ко входу датчика случайных чисел и сигналов, аналоговый и цифровой выходы которого связаны со вторыми входами соответствующих блоков для сравнения.

На фиг.1 представлена блок-схема спектрального анализатора; на фиг.2блок-схема интегрального преобразователя 1 на фиг.1.

Спектральный анализатор содержит интегральгый преобразователь 1, сдвигающий кольцевой регистр 2 (динамическая память) , блок 3 считы., элементы 4 и 5 задержки, элементы И 6 и 7, генератор 8 импульсов, триггер 9, генератор 10 дискретных ортогональных функций, сумматорывычитатели 11, блоки 12 для регистрации, счетчик 13 и элемент 14 задержки .

Цифрами 15, 16 и 17 обозначены соответственно цифровой, аналоговый и синхронизирующий входы интегрального преобразователя 1. Цифрой 18 выход интегрального преобразовате11Я, а цифрами 19 и 20 - его соответственно первый и второй управляющие входы.

В состав интегрального преобразователя 1 входят блок 21 для сравнения машинных кодов, блок 22 для сравнения аналогЪвых сигналов,датчик 23 случайных чисел и сигналов, элемент ИЛИ 24, счетчик 25 и блок 26 считывания.

В предлагаемом устройстве реализуется алгори тм расчета спектральных коэффициентов при разложении исследуемого сигнала по дискретным ортогональным кусочно-постоянным функциям (Радемахера, Уолша, Хаара н т.п.)- Любой спектральный коэффициент, например в базисе Уолша, может быть расчитан по формуле )ot(|)d, ,N, (1) где CQU (t) - спектр Уолша от исследуемого сигнала X (t, Ф Wot - система ортогональных функций Уолша; t - текущее время; V - переменная интегрирова ния на интервале ортогональности to, N 2 т/U, t число участков по стоянства функций Уолша максимальной частоты ( п 1,2 ...); At - интервал дискретизации времени. Так как Wo6 + 1 для функций Рад махера и Уолша (для других может принимать значения + А , что в конечном счете не нарушает общности дальнейшего изложения), то (1) можно представить в виде J(M.- ( Работа предлагаемого устройств происходит следующим образом. В каждый момент времени в сдвигаи цем кольцевом регистре 2 находи ся N значений элементарных интегр лов выражения (2) от :3 до С1„ вклю чительно. Значение каждого элементарного интеграла 3 вычисляется е помощью интегрального преобразоват ля 1 на предыдущих этапах расчета спектральных коэффициентов. В момент времени t, в которой на нается расчет спектральных коэффициентов Соо (t) для отрезка исследу емой функции f(t) на интервале ft.t - т , на вход блока 3 считывания поступает код, соответствующий значению элементарного интегра ЗУ, . Триггер 9 находится в единичном состоянии, а единичный выход его открывает элементы И 6 и 7 для прохождения импульсов с генератор 8 импульсов. Генератор 10 дискрет ных ортогональных функций находится в исходном состоянии (значения функций соответствуют началу интер вала ортогональности). Сумматоры-вы читатели 11 обнулены,а в блоках 12 для регистрации зафиксированы значения спектральных коэффициентов исследуемой функции на интервале t -b.t, n-T- . Счетчик 25 инте грального преобразователя 1 обнулен. Исследуемая функция f(t) не прерывно подается на вход 15 (если она представлена в цифровом виде) либо на вход 16 (если она представлена в аналоговом виде) интегрального преобразователя. Таким образом, с момента времени t в сумматорахвьгчитателях 11 осуществляется формирование спектральных коэффициентов с;,( t), с (t), ... ; в с,рответствии с алгоритом (2),-а интёгральньГй преобразователь 1 начинает формирование элементарного интеграла J , который через время Л t будет вычислен и передан в сдвигающий кольцевой регистр 2 на место Я (код которого к тому моменту времени будет подключен к входу блока 3 считывания, и таким образом осуществится автоматическая перенумерация интегралов} 0,,, J...,. Процесс формирования спектральный коэффициентов осуществляется с.ледующим образом. В момент поступления импульса с генератора 8 импульсов через элемент И 7 на синхронизирующий вход блока 3 считывания осуществляется передача кода 3 в . сумматоры-вычитатели 11 со знаками, соответствующими знакам дискретных ортогональных функций (например Уолша WQ , W , ... W, для текущего момента интервала .ортогональности) . Импульс, поступивший на синхронизирующмй вход блока 3 считывания, задерлсивается элементом 4 задержки на время переходных процессов в сумматорах-вычитателях 11 и поступает на вход генератора 10 дискретных ортогональных функций, переводя его в состояние, при котором на его N информационных выходах сигналы соответствуют очередным значениям базисных функций. Импульс с выхода элемента 4 задержки задерживается элементом 5 задержки и через элемент И 6 поступает на управляющий вход сдвигающего кольцевого регистра 2, сдвигая в нем коды таким образом, что на вход блока 3 считывания подается код J., (этот процесс заканчивается до прихода очередного импульса с генератора 8 импульсов). Процесс формирования спектральных коэффициентов продолжается аналогичным образом до появления на входе блока 3 считывания кода ;j. В этот момент времени на N информационных выходах генератора 10 дискретных ортогональньзх функций сигналы соответствуют последнему зн&чению базисных функций V/o , Wi , ... Wf, на выбранном интервале ортогональности 0,ТД. После прихода очередного импульса с генератора 8 импульсов в сумматорах-вычитателях 11 происходит суммирование-вычитание их содержимого с кодом 3, , и задерхсанный на элементе 4 задержки импульс переводит генератор 10 дискретных ортогональных функций в исходное состояние.При этом импульс с управляющехО

(N +1)-го выхода генератора-10 дискретных ортогональных функций после окончания переходных процессов устанавливает триггер 9 в нулевое состояние и считывает сод(8ржимое сумматоров-вычитателей 11- (с установкой и в нулевое состояние)в блоки 12 для регистрации. Импульс, задержанный элементом 5 задержки, и импульсы с генератора 8 импульсов поступают на входы закрытых элементов И 6 и 7: и не воздействуют на блоки 2 и 3. В этом режиме ожидания блоки анали затора (за исключением блоков 1 и 8) находятся до окончания процесса формирования элементарного интеграла Зц (т.е. до окончания интервала времени tit) .

Процесс формирований элементарного интеграла 3 осуществляется в интегральном преобразователе 1 следующим образом. Исследуемая функция, как указано выше, полается либо на вход 15, либо на вход 16 соответственно блоков 21 или 22 для сравнения Другие входы блоков 21 и 22 для сравнения подключены соответственно к цифровому и аналоговому выходам датчика 23 случайных чисел и сигналов, вход которого соединен с синхронизирующим входом 17 интегрального преобразования 1. На дход 17 с генератбра 8 импульсов поступают тактовые импульсы высокой частоты. Если случайное число или значение случайного аналогового сигнала меньше по aбcoлютнt)Й величине мгновенного значения исследуемой функции в момент прихода очередного тактового импульса, то в счетчик 25 через элемент, ИЛИ 24 поступает импульс. Счетчик 13 предназначен для подсчета числа испытаний N ,укладывающихся в интервале времени. Частоту генератора всегда можно выбрать такой, что N 2 (где т - целое число) , и в этом случае величина J (накапливаемая в счетчике 25) может быть промасштабирована путем соответствующего сдвига кода числа при считывани с помощью блока 26 считывания. Считывание кода 3, на выход 18 осущег ствляется импульсом переполнения со счетчика 13. Этот же импульс, но задержанный на время окончания переходных процессов при записи кода Зм( сдвигающий кольцевой регистр 2 (на место кода ) , осуществляет обнулени счетчика 25 и установку в единичное состояние триггера 9. После этого процесс вычисленияспектральных коэффициентов повторяется, как описано выше.Повьшение разрешающей способности проявляется в том, что в предлагаемом устройстве используется сколь- ящий режим вычисления спектральных

коэффициентов с интервалом дискретизации t,B TOik время как устройство-прототип вычисляет спектральные коэффициенты только после окончания интегрирования исследуемой функции f(t) на интервале времени О,Т . Предлагаемый же спектральный анализатор на этом же интервале вычисляет спектральные коэффициенты N раз, причем N и определяется временем преобразования в интегральном преобразователе, которое в свою очередь определяется быстродействием цифровых элементов в интегральном преобразователе (частота генератора импульсов может увеличиваться практически безгранично) и точностью преобразователя, которая связана с числом испытаний м.

Формула изобретения

1. Спектральный анализатор,содержащий генератор импульсов, блок считывания, первый и второй элементы И и сумматоры-вычитатели,выход каждого из которых соединен со входом соответствующего ему блока для регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности, выход генератора импульсов подсоединен к первому входу первого элемента И и к синхронизирующему входу интегрального преобразователя, выход которого связан со входом сдвигающего кольцевого регистра , синхронизиругэщий вход которого подключен к выходу второго элемента И, а выход - ко входу блока считывания, выход которого соединен с первыми входами всех сумматоров-БЫчитателей, а синхронизирующий вход - с выходом первого элемента И, подключенного также через первый элемент задержки ко входам генератора дискретных ортогональных функций и второго элемента задержки, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, вторые входы первого и второго элементов И подсоединены к единичному выходу триггера, информационные выходы генератора дискретных ортогональных функций связаны с управляющими входами соответствующих сумматоров-вычитателей, а его управляющий выход подключен ко входам для установки в нуль всех сумматоров-вычитателей и.к нулевому входу триггера, выход генератораимпульсов соединен также с входом счетчика., выход переполнения которого подсоединен к первому управляющему входу интегрального преобразователя-и через третий.элемент задержки - ко второму управляющему входу интегрального преобразователя и к единичному входу триггера , входы аналогового и цифрового сигналов интегрального преобразователя являются входами анализатора.

2. Спектральный анализатор по п.1 отличающийся тем, что интегральный преобразователь содержит блок для сравнения аналоговых сигналов, первый вход которого является входом аналогового сигнала преобразователя, и блок ДЛЯ сравнения цифровых сигналов, первый вход которого является входом цифровых сигналов преобразователя, выходы блоков., сравнения подсоединены к входам элемента ИЛИ, выход которого связан со входом первого счетчика,установочный вход которого подключен ко второму управляющему входу преобразователя, а выход - ко входу блока считывания, выход которого является выходом

интегрального преобразователя, а установочный вход соединен с первым управляклцим входом преобразователя, синхронизирующий вход которого подсоединен ко входу датчика случайных чисел и сигналов, аналоговый и цифровой выходы которого связаны со вторыми входами соответствующих блоков для сравнения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

(

1.Авторское свидетельство СССР 382111, кл. G 06 G 7/52, 1971..

2.Авторское свидетельство СССР 470754, кл. G 01 R 23/00, 1973.

3.Авторское свидетельство СССР 5 № 470812, кл, G 06 F 15/34, 1974.

/5 о

18

bW

о 20