Цифровой анализатор спектра,ОСНОВАННый HA диСКРЕТНОМ пРЕОбРАзО-ВАНии фуРьЕ Советский патент 1981 года по МПК G06F17/14 

(54) ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА ОСНОВАННЫЙ НА ДИСКРЕТНОМ ПРЕОБРАЗОВАНИИ ФУРЬЕ для получения последовательного ряд цифровых слов, первый блок для зап минания посл овательности слов, блок умножения каядаого слова, выбр ного из первого устройства памяти, выбранное значение функции окна, сл жащее для образования слов соответ ствующих произведений, второй блок для запоминания произведений, блок для умножения слов, выбираемых из второго запоминающего устройства, на ВЕлбранные значения тригонометрических функций, служащих для получения множества групп, представляющих соответственно вещественную и мнимую части дискретного преобразования Фурье (ДПФХдля последовательности упомянутых произведений. Каждое слово из множества групп действительной и мнимой частей ДПФ, соот ветствующее множеству спектральных линий К, накапливается в накопителях, затем усредняется. Для получения значения мсацности соответствующее среднее значение действительной и мнимой частей каждой спектральной линии возводится в квгщрат и квадраты полученных средних значений складываются. Для получения тригонометрических коэффициентов в памяти хранятся значения синусов четверти периода гармонической функции. Считывание из памяти нужного значения этой функции происходит после вычисления адреса, соответствующего текущим значениям аргумента, что достигает ся при помощи специального вычислительного блока {.ЗЗХотя в указанном устройстве и до тигается сокращение аппаратурных средств, но получается проигрыш в быстродействии, в результате чего работа в реальном времени возможна не во всех анализируемых диапазонах частот. Кроме этого, блок получения тригонометрических коэффициентов до вольно сложен по конструкции и количество анализируемых спектральных составляющих и отсчетов определено конструкцией прибора и не может изм няться пользователем. . Целью изобретения является повышение быстродействия и упрсвдение цифрового анализатора спектра. Поставленная цель достигается тем, что в цифровой анализатор спек ра, основанный на дискретном преобр зовании Фурье, содержащим аналогоцифровой преобразователь, вход кото рого является входом устройства, а выход подключен к первому входу бло ка умножения, второй вход которого соединен с выходом блоки В1ыбора весовых коэффициентов,, сумматор, первый, второй и третий входы которого подключен соответственно к выходам блока накопления, блока вычисления мощности и блока памяти,выходы сумматора соединены соответственно со входами блока накопления, блока вычисления модности и блока памяти, введен блок тригонометрического умножения, вход которого соединен с выходом блока умножения, а выходы подключены соответственно ко входу блока выбора весовой функции и к четвертому и пятому входам сумматора. Другое отличие анализатора состоит в том, что блок тригонометрического умножения содержит первый и второй блоки задания постоянных, кодов, первый и второй источники постоянных напряжений и первый и второй синус-косинусные умножающие генераторы, входы первого из которых подключены соответственно к выходам первого и второго блоков задания постоянных кодов и к выходам первого и второго источников постоянных напряжении, входы второго синус-косинусного умножающего генератора подключены соответственно к первому и второму выходам первого синус-косинусного умножаквдего генератора, .к выходу первого источника постоянного напряжения, а четвертый вход является входом блока тригонометрического умножения, выходами которого являются соответственно первый выхрд первого синус-косинусного умножающего генератора и первый и второй выходы второго синус-косинусного умножающего генератора. При этом синус-косинусный умножающий генератор, содержащий первый регистр, выход которого соединен со входами первого и второго блоков у}лножения, и второй регистр, выход которого соединен со входами третьего и четвертого блоков умножения, вто{ше входы первого и третьего блоков умножения являются первыми упрааляиощми входами синус-коси;нусного умножающего генератора, второй управлшощий вход которого соеихинен со вторым входом четвертого и через инвертор - со вторым входом второго блока умножения, выходы первого и четвертого блоков умножения соединены с соответствующими входами первого сумматора, а выходы второго и третьего блоков умножения подключены к соответствующим входам второго Сумматора, выход первого сумматора соединен со входом первого регистра, выход второгр сумматора - со входом второго регистра, вторые входы регистров яв- . ляются соответственно третьим и четвертым входами синус-косинусного умножающего генератора, а выходы регистров являются выходами синус-косинусного умножающего генератора. На фиг. 1 изображена структурная схема цифрового анализатора спектра; на фиг. 2 - структурная схема устрсЛства получения произведений взвешенных отсчетов на тригонометрические коэффициенты; на фиг. 3 - структурна схема синус- косинусного генератора. Цифровой анализатор спектра состо из аналого-цифрового преобразователя 1, выход которого соединен с первьм входом блока 2 умножения, второй вход которого соединен с блоком 3 выбора весовой функции, а выход со входом блока 4 тригонометрического умножения для получения произведений взвешенных отсчетов на тригонометрические коэффициенты. Первый i выход блока 4 соединен со входом бло ка 3, а другие его выходы - со входом сумматора 5. Другие входы и выход сумматора 5 соединены с блоком 6 памяти, хранящим мнимую и действительную части дискретного преобразования Фурье, и с блоком 7 накопления для усреднения коэффициентов спектра мощности, а также с блоком 8 вычисле ния мощности и входом цифрового дисплея 9.Выход блока 8 через цифроаналоговый преобразователь 10 подключает ся к электроннолучевой трубке 11 и самописцу 12. Блок 4 для получения произведений взвешенных отсчетов на тригонометрические коэффициенты состоит из двух синус-косинусных умножающих генераторов, каждый из которых имеет два управляющих входа, два установочных входа и два выхода (фиг.2). Первый установочный вход генератора 13 соединен с источником 14 постоянного . напряжения, управляющие входы соединены с блоками 15 и 16 задания постоянных кодов, а выходы соединены с управляющими входами генератора 17 первый установочный вход которого является входом блока 4.Вторые установочные входы обоих генераторов 13и17 со динены с источником 18- постоянного напряжения и выход синус-косинусного генератора 13 является первым выходом блока 4, а выходы второго генератора 17- другими выходами устройства 4.. Синус-косинусный умножакяций генератор, структурная схема которого изображена на фиг. 3, состоит из пер вого регистра 19, выход которого сое динен со входом блоков 20 и 21 умноженин, и второго регистра 22, выход которого соединен со входами бло ков 23 н 24 умножения, вторые входы блоков 20 и 23 умножения соединены с первым управляющим входом синускосинусного умножающего генератора, второй управляющий вход его соединен со вторым входом блока 24 умножения и через инвертор 25 - с блоком 2i. Выходы блоков 20 и 24 соедине.ны со входами сумматора 26, а выходы блоков 21 и 23 соединены со входами сумматора 27. Шлход сумматора 26 соединен со входом регистра 19, а выход суматора 27 соединен со входом регистра 22. Вторые входы регистров являются установочными входами, а выходы регистров - выходами синус-косинусного генератора. С выхода аналого-цифрового преобразователя 1 на вход блока 2 умножения поступает цифровое слово 1(п), соответствующее м -и выборке в последовательности н выборок входного сигнала, в блоке 2 вычисляется произведение А в (и|- W(H/, где W(rt) -.И е значение весовой функции , поступающее с выхода устройства 3, производящего выбор весовой функции. Взвешенный отсчет А поступает затем на вход блока 4, в котором для И I соответствующетну текущей выборке f(H), последовательно вычисля.ется к произведений A5iii5ffhK./N и coiSrHJ N для И 0,1... Ми К 0,1... К, где К - количество анализируемых спектральных составляющих. С первого выхода устройства 4 на вход устройства 3 поступает значение коэффициента COS.3 п/ц для фсчрмирования весовой функции окна Хемминга -t/a-(-«-созгГп/И )f а со второго выхода - произведения Асо5 и Asfn2irnK./N поступают на вход сумматора 5, где сукмируются с со- . держимым К-й ячейки. блЪка б памяти, хранящего суммы вида жАсв аГнк/м и ЕA5(M2rMH/N . Результат сложения отсылается в К-ю ячейку.После обработки N -го отсчета в запоминающем устройстве б хранится К мнимых 1)и действительных (Н)частей коэффициентов ДПФ входного сигнала,заданного последовательностью N слов fCR/r Множество К коэффициентов ДПФ су(л- мируется с накапливаемыми в блоке 7 . . накопления суммами и затем усредняя ется. Усредненные значения мнимой и действительной части К коэффициентов ДПФ поступают в блок 8 вычисления мощности, где вычисляется К-я с ойтавляющая спектра мощности входного сигнала Р(К)1ЧК) R(K) . Значение Р (к) может быть выведено на цифровой дисплей 9, и через цифроаналоговый преобразователь 10 -. на электроннолучевую трубку 11 и самописец 12. На выходе источника 15 постоянного крца формируется код, соответствующий значению sin2«i /,a на выходе блока 16 задания постоянного кода - код, соответствующий cos 2Я/ЛКод на выходе источника 14 напряжения соответствует значе1|ию 1, ., а на выходе источника напряжения 18 - значению О. С первого выхода генератора 13 поступает значение sin со второго его выхода-значение cos lfn/N. Перед началом обработки отсчета t(n} на первый установочный вход генератора 17 подается произведение А. В процессе обработки 1 -го взвешенного отсчета на / первом выходе генератора 17 формируется произведение Aco5l v l /N а на втором выходе - произведение AbinuJTH K/N . поступающее затем в сумматор 5. Формирование этих произведений происходит следующим образом, в начале работы ра первый установочный вход синус-косинусного генератора 13 подается 1, а на торой- Это соответствует занесению 1 в регистр 22, а О - в регистр 19. Таким образом, на следующем такте н выходе сумматора 26 будет значение ittt itr/N , а на выходе сумматора 27 - со52П/м . На втором такте на тех же выходах соответственно будет sVn If/N -COS 2r/N 2ir/N SlH 2-2ir/N COS iT/N -COSZff/N - Sf 2ii/N 2r/N CO52-lir/N Ha 3-M такте на этих выходах будут соответствен но si пЗ-тг исолз-З ,а на , ОТГ Л такте - и . Значения ъ/и aiTn/N и co32irn/N подаются на управляющие входы второго генератора 17, а на установочные входы - соответственно А и .О. Тогда, очевидно-, на выходах генератора 17 после отработки К-го такта будут коды, соответствующие произве дениям Асб52 ГпК/М и А5ш11ГиК/М Накапливая сумму 2 N таких прои ведений для ка кдого К в запоминающем устройстве, выполненном, например, на сдвиговых регистрах, мы получаем множество мнимых частей I (к Идействительных частей (к)спектральных линий К. Таким образом, в предлагаемом ус ройстве нет необходимости в запоминании последовательности N слов f так как каждое слово f (и)обрабатыв ется для всех К спектральных состав ляющих, и после обработки хранение его не .обязательно.Кроме;;Того,отсут ствует память для хранения тригонометрических коэффициентов-и специальный блок для вычисления адресов,COOTветствующих коэффициентов с текущим значениями п и К.Умножение взветаен ного отсчета л на тригонометрические коэффициенты cosSlTHK/N и 5 H21TnK/N в предлагаемом устройстве совмещаетс с получением значений этих коэффициентов, таким образом не требуется времени на вычисление нужного адреса коэффициента и вызов его из запоминающего устройства. Это позволяет также изменять- число анализируемых линий К и число анализируемых отсчетов N по желанию пользователя как в сторону увеличения, так в сторону уменьшения, чего нельзя сделать в известном устройстве поскольку эти числа определяются в нем конструкцие блока хранения и выборки тригонометрических коэффициентов. Кроме того, произведения Asin2TfhK/N HACOSJirnK/N азычисляются одновременно, в то время как в известном устройстве это принципиально невозможно. Формула изобретения 1.Цифровой анализатор спектра, основанный на дискретном преобразовании Фурье, содержа1«ий аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом устройства, а выход подключен к первому нходу блока умножения, второй вход которого соединен с выходом блока выбора весовых коэффициентов, сумматор, первый, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам блока накопления, блока вычисления мощности и блока памяти, выходы сумматора соединены соответственно со входами блока накопления, блока вычисления мощности и блока памяти, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и упрощения цифрового анализатора спектра, в него введен блок тригонометрического умножения/ вход которого соединен с выходом блока умноженияj а выходы подключены соответственно ко входу блока выбора весовой функции и к четвертому и пятому входг1м сумматора. , 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок тригонометрического умножения содержит первый и второй; блоки задания постоянных кодов, первый и второй источники постоянных напряжений и первый и второй синус-косинусные умножающие генераторы, входы первого из которых подключены соответственно к выходам первого и второго блоков задания постоянных кодов и к выходам первого и второго источников постоянных напряжений, входы второго синус-коси-ч нусного умножающего генератора подключены соответственно к первому и второму выходам первого синус-косинусного умножающего генератора, к выхог ду первого источника постоянного напряжения, а четвертый вход является входом блока тригонометрического ум- . ножения, выходами которого являются соответственно первый выход первого синус-косинусного умножающего -генератора и первый и -второй выхогал второго синус-косинусного умножающего генератора .. . 3.Устройство по п п. 1-2, о тличающееся тем, что синускосинусньзй умножающий генератор содержит первый регистр, выход которого соединен со входами первого и второго блоков умножения, и второй регистр, выход которого соединен со входами третьего и четвертого блоков умножения, вторые входы первого и третьего блоков умножения являются первыми входами умножающего синус- .

косинусного генератора, второй вход . котсфого соединен со вторым входом четвертого и. через инвертор - ро .вторым входом второгоблока умножения, выходы первого и четвертого блоков умножения соединены с соответствующими входами первого сумматора, а выходы второго и третьего блоков умножеиия подключены к соответст1вуюцим входам второго сумматора, выходы первого сумматора соединены со входом первого регистра,выход второго cyMitaTopa -со входом второго регистра, вторые входы регистров являются соответственно третьим и четвертым входами синус- косинусного умножающего генератора, а выходы регистров являются выходами синус-косинусного умножанцего генератора.

Источники .информёщии, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США W 3662161, кл. Q 06 Р 7/38, 1972.

2.Патент США 3881100,

0 кл. G 06 F 15/34, 1975.

3.Патент США 3881097,

кл. G 06 Р 15/34, 1975(прототип),