Цифровой анализатор Советский патент 1981 года по МПК G01R23/16 

(5А) ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР

Изобретение относится к радиотех ническим устройствам, служащим для измерения времени запаздывания относительно друг друга близких по фо ме колебаний, образующих в сумме обрабатываемый составной сигнал, и может найти применение, например, в обзорных радиолокационных системах, в радиолокационной аппаратуре измерения толпщны слоев в земных покровах, в гидроакустической и сейсмологической аппаратуре. Известны цифровые анализаторы, содержащие процессоры быстрого преобразования Фурье (БПФ) и обратног быстрого преобразования Фурье (ОБПф) блок вычисления квадрата модуля спектральной функции, блок логарифмирования, генератор весовой функции и запоминающие устройства . Однако точность анализа их не - достаточна.. ( Цель изобретения - повышение точ ности измерений. Поставленная цель достигается за счет того, что в цифровой анализатор, содержащий первый процессор- быстрого преобразования Фурье, выходы которого соединены со входами блока вычисления квадрата модуля дискретной спектральной функции, блок логарифмирования, последовательно соединенные первый процессор обратного быстрого преобразования Фурье длинных частот и второй процессор быстрого преобразования Фурье, генератор весовой функции, блок потенцирования, основное и вспомогательное запоминающие устройства и второй прЬцессор обратного быстрого преобразования Фурье, дополшстельио введены -два блока ограни ёния снизу, блок сравнения, вычитатель, три умножителя, делитель, блок вычитания среднего и блок ограничения сверху, причем выход первого блока ограничения снизу включен между выходом блока вычисления квадрата модуля дискретной спектральной функции и входом блока логарифмирований, выход-которого соединен с одним входом вычитателя через вспомогательное запоминающее устройство, а с его другим входом - через основ ное запоминающее устройство, первый умножитель включен между выходом вычитателя и входом первого процессора обратного быстрого преоб разования Фурье, выход второго процессора .быстрого преобразования Фурье подключен к последовательно соединенным делителю;блоку ограничения сверху, блоку потенцирования, блоку вычитания среднего, второму умножителю, второму процессору обратного быстрого преобразования Фурье, третьему умножителю и к второму блоку ограничения снизу, управ ляющие входы обоих запоминающих уст ройств подключены к выходу блока сравнения, вход которого соединен со вторьм входом блока вычитания среднего и со входом генератора весовой функции, выходы которого соединены со вторыми входами первых дв умножителей и делителя, а второй вх третьего умножителя подключен к вых ду лифтра длинных частот. На чертеже представлена структур ная схема цифрового анализатора. Устройство содержит процессор 1 быстрого преобразования Фурье, блок 2 вычисления квадрата модуля дискретной, спектральной функции (т.е. квадрата модуля ДПФ сигнала), первый блок 3 ограничения снизу, блок 4 логарифмирования, основное запоминающее устройство (ЗУ) 5, вспомо гательное ЗУ 6, блок 7 сравнения, вьгчитатель 8, первый умножитель 9, первый процессор 10 обратного бы рого преобразования Фурье, блок 11 лифтра длинных частот, второй процессор 12 быстрого преобразования Фурье, делитель 13, генератор 14 весовой фуйкции, блок 15 ограничения сверху, блок 16 потенцирования блок 17 вычитания среднего, второй умножитель 18, второй процессор 19 обратного быстрого преобразования Фурье, третий умножитель 20, второй блок 2I ограничения снизу. Анализатор имеет три выхода. Выход 22 блока 11 лифтра длинных частот - эт выход кепстра мощности после лифтрации, выход 23 второго процессора 4 ОВПФ - это выход обращенного кепстоа мощности и выход 24 второго блока 21 ограничения снизу - этот выход ограниченного сризу произведения отсчетов, поступающих на выходы 22 и 23. Анализатор работает следующим образом На вход процессора 1 поступает цифровой сигнал S(), , 1, 2,...,N-1 . в виде цифрового кода отсчетов сигнала, взятых через постоянный интервал времени, соответствующий периоду квантования. Процессор 1 вычисляет дискретную спектральную функцию S(f), которая представляется в виде цифрового кода вещественной (f)j и мнимой Im{S(f) частей каждого из ее отсчетов. Эти коды постзтают соответственно на вещественный (Re) и мнимый (im) выходы процессора 1. Блок 2 вычисляет квадрат модуля для каждого комплексного отсчета дискретной спектральной функции согласно выражения|s(f)(f)(f). С помощью блока 3 эти отсчеты сравниваются с пороговым числом и и, если S(f), то проходят на выход 5лока 3 без изменения, а если |s(f) заменяются на U. Блоком 4 выполняется логарифмирование и на его выход поступают либо ртечеты 2-ln)S(f)| , либо 21 nil. в зависимости от соотношения межДУ |S(f))H и. Так как функция Ib(f)j2 является вещественной и четной, то логарифмировать необходимо не все N значений iMf) а только для , 1, -2,..., N/2. Отсчеты с выхода блока 4 поступают на вход записи запоминающего устройства 5, являющегося оперативш 1м запоминающим устройством с объемом памяти (N/2+1) -Отсчетов (машинных слов), и запоминаются им последовательно по мере поступления. Запоминающее устройство 5 может работать в двух режимах - режиме запнси пока и в режиме считывания, начиная с момента, когда и далее до окончания считьшания всех записанных отсчетов. Управление запоминающим устройством 5 с целью переключения его режима работы осуществляется по входу ЗАПИСЬ-СЧИТЫВАНИЕ, подключенному к вькоду блока 7 сравнения. Блок 7 вырабатывает на своем если f выходе сигнал управления, .,, Для этого на один его вход подается код текущего номера f, а на другой код порогового номера о . Кроме основного запоминающего ус ,ройства 5 к выходу блока 4 подключено вспомогательное запоминающее устройство 6, объем памяти которого в отличие от запоминающего устройст ва 5 рассчитан на запоминание кода только одного отсчета (на одно слов В запоминающем устройстве 6 записывается отсчет с.номером f(когда (j и с выхода блока 7 на управляющий вход ЗАПИСЬ-СЧИТЫВАНЖ вспом гательного запоминающего устройства 6 начинает поступать сигнал управления), который далее считывается с выхода вспомогательного запоминающего устройства 6 и поступает в ка честве вычитаемого на вход вычитателя 8. В качестве уменьщаемого на другой вход вычитателя 8 подаются отсчеты, считываемые из памяти блока 5 в том же порядке, как и производилась их запись от до f fQ-l, В результате на выходе вычитателя 8 получается разность между каждым выходным отсчетом блока 4, з писанным в память запоминающего уст ройства 5 и затем считанным оттуда, и отсчетом на выходе блока 4 для . С выхода вычитателя 8 разност ные отсчеты для асех , 1, 2,..., f.j-1 умножаются на отсчеты весовой функции, которые, например, для окна Ханна вычисляются по следующей формуле .W. (f)0,5+0,5-cos() I- - iQ а для окна Хэмминга соответственно W,,(f)0,54 + 0,46 - cos( f f) ,(2) Умножение на весовую функцию осуществляется умножителем 9. Отсчеты весовой функции формируются генератором 14 весовой функции по жесткой программе при заданном значении f , код которого подается на вход генератора. Снимается код отсчетов весовой функции с первого выхода генератора 14 и подается на один из вхо- дов умножителя 9. Взвешенные отсчеты с выхода первого умножителя 9 подаются на вход первого процессора 10, на входе которого из .этих отсчетов, поделенных на N, формируется одномерный массив размером в N злементов. При этом нормализованные (деленные на N) отсчеты симметрично записьгоаются в первые (fol) элеот 2 до f. ментв С номерами последние () элементы с номерами от N до H-fQ+2 соответственно, в остальные элементы записывгиотся нулевые значения. В первый элемент этого массивазаписывается нормализованный отсчет, соответствующий .Нормализация соответствует математической записи обратного ДГМ и в принципе может быть введена не при обратиом, а при прямом ДПФ. В случае кепстрального анализа ее требуется вводить при ОДПФ (ОБПФ) с целью приведения пиков на выходе первого процессора 10, а также и на выходе второго процессора 19 к относительной амплитуде (всегда меньше 1) элементарных колебаний в составном сигнале. На вещественном вькоде первого процессора 10 формирзтотся отсчеты сглаженного окном кепстра мощности. Далее кепстр лифтруется лифтром 11 длинных частот. Самьш простой способ такой лифтрации - замена нулевыми отсчётами отсчетов кепстра мощности в начале и в конце интервала определения (о, N). В результате лифтрации исключается кепстр элементарного колебания, сосредоточенный в начале и в конце интервал определения, и остаются пики от логарифма множителя запаздьюания. Следует 1меть в виду, что кепстр мощности TaKke является вещественной, четной функцией и поэтому подвергать лифтрации доста- точно лишь его половину от нуля оси частот до середины интервала определения. После лифтрации выпо пШется БПФ процессором 12. На вещественном выходе получаются отсчеты отлифтрованного логарифма множителя з,апаздывания спектральной функции .тавного сигнала, умноженные на функцию (О или (2) (или другого вида), а также может быть остаток от логарифма квадрата модуля ;Лектральной функции элементарно колеания и шумы. Дпя того, чтобы исключить весоой сомножитель, отсчеты с выхода торого процессора 12 подаются на ход делителя 13 где делятся а ту же весовую функцию что ранее подавалась на один из вкодов первого з множителя 9, Отсчеты весовай функции поступают со второго выхода генератора 14 на вход делителя 13. В результате деления форма окна для пульсаций логарифма множителя запаздывания приводится к прямоугольной. Затем отсчеты в области положительных пиков (такие пики могут быть за счет шумовых выбросов) огра ничиваются сверху на заданном уровне иг блоком 15 и поступают с его выхода на вход блока 16 потенцирования. С помощью блока 16 потенцирования на участках , N-f J$ восстанавливается сам множитель запаздьшания, плюс остаток квадрата модуля спектральной функции элементарного колебания и случайная помеха, В пределах той части окна, которая находится в начале интервала определения, вычисляется среднее значение путем суммирования отсчетов и деления суммы на их число, равное f + l, и это среднее вычитается из каждого отсчета, находящегося в пределах окна. Все эти операции выполняются блоком I7 вычитания среднего. Этот блок имеет управляющий вход, на который подается код номера f, определяющего число отсчетов, которое требуется усредтяятъ, Отсчеты с выхода блока 17 подаются на вход умножителя 18, на дру гой вход которого с выхода генератора 14 поступают отсчеты весовой функции. Из взвешенных отсчетов на входе второго процессора ОБПФ 19 формируется N-элементный массив, в среднюю часть которого (за предела. ми окна) записываются нули. После ОБПФ на вещественном выход второго процессора 19 (выход 23 ан лизатора) формируются.отсчеты обра ценного кепстра мощности, которые лее с помощью третьего умножителя умножаются на отсчеты кепстра мощности, поступающие с вещественного выхода блока 11, произведение огран чивается на нулевом уровне блоком ограничения снизу и поступает на вы ход 24 анализатора. Следует иметь в виду, что квадра модуля дискретной спектральной фун ции, логарифм квадрата модуля, кеп мощности логарифм множителя запазды вания) сам множитель запаздывания, обращеннЬЕЙ кепстр мощности и все в совые функции - все это четные вещественные функции, что позволяет практически в два раза сократить требуемые для промежуточных вычислений объем памяти и число арифметических операций. На выходы 22-24 также достаточно подать только первую половину из N отсчетов интервала определения. Процессоры 1, 10, 12 и 19 работают одинаково (в силу четности входных функций и их вещественного характера без учета нормализации на выходе, процессоров для одинаков,ого входа будет одно и то же при БПФ и ОБПФ) за исключением необходимости нормализации при ОБПФ. Поэтому вместо 4-х процессоров можно использовать один работающий с разделением во времени. Таким образом, предлагаемый анализатор позволяет работать с более широким классом сигналов, включая низкополосные сигналы с нулями в спектральной функции, и в присутствии шумов он обеспечивает более высокую точность измерения относительной задержки, что расширяет возможности анализатора и увеличивает тем самым сферу его применения, особенно в гидро- и радиолокационной аппаратуре, где приходится считаться с наличием шума на выходе приемника. Формула изобретения Цифровой анализатор, содержащий первый процессор быстрого преобразования Фурье, выходы которого соединены со входами блока вычисления квадрата модуля дискретной спектральной функции, блок логарифмирования, последовательно соединенные первый процессор обратного быстрого преобразования Фурье, лифтр длинных частот и второй процессор быстрого преобразования Фурье, генератор весовой функции, блок потенцирования, основное и вспомогательное запоминающее устройства и второй процессор обратного быстрого преобразования Фурье, отличающийся, тем, что, с целью повьш1ения точности измерений у в него дополнительно введены два блока ограничения снизу, блок сравнения, вычитатель, три умножителя, делитель, блок вычитания среднего и блок ограничения сверху, причем выход первого блока ограничения снизу включен между выходом блока вычисления квадрата модуля дискретной спектральной функции и входом блока логарифмирования, вькод которого соединен с одним входом вычитателя через вспомогательное запоминающее устройство, а с его другим входом через основное запоминающее устройство, первьй умножитель включен между выходом вычитателя и входом первого процессора обратного быстрого преобразования Фурье, выход второго процессора, быстрого преобразования Фурье подключен к последовательно соединенным делителю, блоку ограничения сверху, блоку потенцирования, блоку вычитания среднего, второму умножителю, второму процессору обратного быстрого преобразова ния Фурье, третьему умножителю и к второму блоку ограничения снизу, управляющие входы обоих запоминающих устройств подключены к выходу блока сравнения, вход которого сое. динен со вторым входом блока вычитания среднего и со входом генератора весовой функции, выхода которого соединены со вторьв4И входами первых двух.умножителей и делителя, а второй вход третьего умножителя подключен к выходу лнфтра длинных частот.

Источники информации,

принятые во внимание при зкспертизе

кл. G 01 R 23/16, 25.07.79.