Анализатор спектра Советский патент 1981 года по МПК G01R23/16 

1

Устройство относится к вычислительной технике и может быть использовано для определения дискретного преобразования Фурье исследуемых сигналов.

Известны цифровые анализаторы спектра прямого или итерационного действия, посредством которых реализация дискретного преобразователя Фурье сводится к выборке и кодированию в циф- .ровом виде мгновенных значений си1- нала f(k), отдельному генерированию весовых коэф циентов cos- pk-jsin pk, где N - количество учитываемых отсчетов сигнала; р 0,N/2-1 - безраз- ,5 мерные частоты анализа, в том же кодовом представлении - перемножению отсчетов сигнала f(k) с соответствующими коэффициентами cos pk и sin pk и суммированию взвешенных отсчетов 20 сигнала по всем k для фиксированных значений р 1.

Основным недостатком таких цифровых анализаторов спектра является их

малое быстродействие, что ограничивает рабочий диапазон частот.

Известны также анализаторы спектра, в которых, с целью увеличения быстродействия, введены преобразователь кода аргумента в значения косинуса и синуса,.формирователь кода аргумента и знаков синуса и косинуса, т.е. вместо постоянного запоминающего устройства, в котором обычно хранятся в цифровом виде значения косинусных и синусных коэффициентов, предлагается формировать эти значения весовых коэффициентов путем линейной аппроксимации синусных и косинуснь1х функций, причем сам преобразователь кода аргумента в значения синуса и косинуса содержит целый ряд узлов цифровой техники и предназначен только для уменьшения времени, которое обычно затрачивается на обращение к постоянному запоминающем устройству 2.

Недостаток устройств - низкое быстродействие. Цель изобретения - увеличение рабо чего диапазона частот. Эта цель достигается тем, что устройство, содержащее входное аналогозапоминающее устройство, подключенное ко входам двух квадратурных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных схемы аналоговог взвешивания группы преобразователей аналог-код, сумматора и накопителя-, причем выход накопителя подключен ко второму входу сумматора, генератор тактовых импульсов, выходы которого подключены ко вторым входам преобразователей аналог-код обеих групп, элементы ИЛИ, дополнительно содер1жит программный блок управления взвешиванием, один выход которого подключен ко второму входу входного аналого-запоминающего устройства, другой выход подключен одновременно ко вторым входам обеих схем аналогового взвешиваяия, а вход соединен через элемент ИЛИ с выходами генератора тактовой частоты, при этом вторые выходы груп пы преобразователей аналог-код одного из каналов подключены через второй элемент ИЛИ к третьим входам сумматоров и вторым входам накопителей обоих каналов. Кроме того, программный управления взвешиванием выполнен в виде счетчика временного отсчета последовательно соединеншз1х счетчика номера частоты, третьего сумматора, регистра номеров весовых коэффициентов и дешифратора, при этом второй выход счетчика номера частоты подключен через счетчик временного отсчета ко второму входу сумматора, третий вход которого подключен к выходу накопителя, у которого входы соединены соответственно с выходом сумматора и со входом счетчика номера частоты. На чертеже изображена блок-схема устройства.. Анализатор спектра содержит генератор тактовых импульсов 1, группу 2 квадратурных каналов, содержащую преобразователи 3,4,...,h для синусного канала обработки и группу 5 преобразователей аналог-код, содержащую преобразователи 6,7,...,п для косинусного канала обработки. В состав анализатора входят сумматоры 8 и 9 накопителей 10 и -11 частных произведений, выполненные в виде набора разрядных цепочек сдвигающих регист2ров, аналоговое запоминающее устройство 12, выполненное в виде аналогового ключа, нагруженного на запоминающий конденсатор (на чертеже не показан), две схемы 13 и 14 аналогового взвешивания, выполненные в виде единых резисторно-переключающихся ячеек (на чертеже не показаны) программный блок 15 управления, вьтолненный в виде простейшего конечного цифрового автомата, содержащего последовательно соединенные между собой счетчик 16 номера частоты, сумматор 17 номеров весовых коэффициентов, накопитель 18 номероБ весовых коэффициентов, соединенный со вторым- входом сумматора 17, выход которого подклю-, чен к регистру 19 номеров весовых коэффициентов, соединенному со входом дешифратора20. В состав схемы 15 управления входит также счетчик 21 .номера временного отсчета, выход (нулевое состояние которого подключе|й ко входу запрет-записи сумматора 17. Анализатор спектра содержит также две схемы ИЛИ 22 и 23. Аналоговое запоминающее устройство 12 - это элемент аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выполняющий ту же функцию, поэтому он вынесен из АЦП и поставлен на входе схемы анализатора. Все 2п-АЩ1, применяемые в предлагаемом анализаторе спектра, не содержат аналоговой схемы выборки и запоминания, что значительно упрощает их практическую реализацию. Исследуемый сигнал f(t) подается на вход схемы аналогового запоминающего устройства 12,-где осуществляется его дискретизация с частотой, равной частоте следования импульсов с первого выхода программного блока 15 управления, т.е. с выхода счетчика 21 номера временного отсчета. Первый импульс с выхода счетчика 21 номера временного отсчета появится только при появлении первого импульса переполнения счетчика 16 номера частоты. Поэтому нулевое состояние счетчика 21 используется для взятия аналоговым запоминающим устройством 12 первого, по порядковому номеру к-вре-. менного отсчета сигнала f (k) . Нулевое состояние счетчика 21 используется также как потенциал запрет-записи содержимого счетчика 16 в сумматор 17 на длительности первого импульса дискретизации , k О,. :и КОД на входе дешифратора 20 не изменяется, что обеспечивает включение весового канала схемы 13 для Р 0. РК 1, К О, Р - О, для взвешивания отсчета сигнала A(k) k О на все значения безразмерных частот P€O N/2-1. Первый импуль с выхода генератора 1 является импульсом начало преобразования для преобразователя 3 в синусном и преобразователя 6 в косинусном каналах обработки. Отсчет сигнала f(k) на выход схемы 13 оказывается взвешенным на ко эффициент передачи f(k)cos 1 РК f(k); К О, Р О, и после преобразования преобразователем 6 в цифровой вид импульсом конец преобразования,поступающим с выхода преобразователя 6 через схему ШШ 22 на управлякщие входы сумматора 9 и накопителя 11, переписывается в сумматор 9, где осуществляется стомирова ние текущего значения f (k)co5 РК, К 0 Р О, с нулевым значением нак пителя для К О и порядкового номер частоты Р О и перезапись снова в ha копитель 11. Второй импульс с выхода генератора 1 включает АЦП 4 и 7 на преобразование в цифровой вид -взвешенной выборки сигнала f (k)cos f(k); К О, Р О, и импульсом конец преобразования АЦП 7 текущее значение сигнала сумми руется с нулевым значением накопител для порядкового номера частоты р 1 и переписывается в накопитель II. п-й импульс генератора 1 включает п АЦП на преобразование в цифровой вид взвешенной выборки сигнала адСОё-РК Х ; К 0;р 0, И импульсом конец преобразования п-го АЦП осуществляется суммирование с нулевым значением накопителя для и запись снова в накопитель I1. Период следования импульсов с первого выхода генератора 1 равняется где f« - верхняя У-раничная частота исследуемого сигнала,И +1-й импульс генератора 1 снова включает АЦП 3 и 6,Гг импульс - АЦП 4 и 7 и Информационный выход каждого АЦП подключен к первому информационному входу сумматора 9, поэтому на входе последнего стоит развязывающая цепочка для п-АЦП типа п-входовой схемы ИЛИ, т.е. выход схемы ИЛИ подключает по очереди выход каждого АЦП на вход сумматора 9 в момент поступления импульсов конец преобразования. После преобразования взвешенной выборки сигнала ()oos -:--РК(к),к:0;Р0 ее суммирования с нулевым значением накопителя 11 для последней по порядковому номеру частоты P N/2-1 на первом выходе программный блок управления 15 появляется импульс, включения устройства 12 (соответствующий импульсу переполнения счетчика 16} на взятие очередного по порядковому номеру безразмерного времени К отсчета сигнала f(k.it), k 1, а потенциал включения весового канала на втором выходе блока 15 будет изменяться на длительности второго импульса дискретизации Kut, где К 1 по заданной программе программного блока управления 15 для всех частот РЕ , так как исчезает потенциал запрет записи содержимого счетчика 16 и сумматора 17 (исчезает нулевое состояние счетчика 21). , Вычисление номера весового коэфd)ициeнтa ,,p,.)./;, ДЛЯ каждого временного отсчета К по всем безразмерным частотам анализа Р осуществляется при суммировании по модулю К содержимого накопителя I8 номеров весовых коэффициентов с значением кода номера частоты, подаваемого на второй вход сумматора 17 номеров весовых коэффициентов со счетчика 16 номера частоты. Код с выхода сумматора 17, представляющий полный адрес весового коэффициента, переписывается каждым импульсом генератора 1 в накопитель 18 (импупьсом, поступающим через схему ИЛИ 23 на управляющий вход накопителя 18 и без двух старших разрядов - в регистр номеров весовых коэффициентов 19, соединенный с дешифратором 20. Выходной управляющий) импульс дешифратора 20, соответствующий для данного К и Р номеру весового коэффициента(k-l) P+Pj включает . 78 ключи, а следовательно, и резисторы схем аналогового взвешивания 13 и 14, обеспечивая взвешивание отсчета сигнала f(k) на весовые коэффициенты 06(К) |())-Sin-j5 PK Например, первым импульсом с выхода генератора 1 на длительности второго импульса дискретизацииКлЬ, К 1 ,включается весовой коэффициент для номера КР, К 1, р -О, вторым импульсом генератора 1 включается весовой коэффициент для номера КР; К 1; Р О, вторым импульсом генератора 1 включается весовой коэффициент для номераКР Р i и т.д. до номера КР, , P N/2-1. Цифровые значения частотных произв 2И/7% дений f(k)cos д-- РК и f (k)sin РК NN с выхода АЦП 6,7,...,п и 3,4 ,...,п подаются на первые информационные вхо ды сумматора 9 и 8, на вторые информа ционные входы которых подаются текущие частные значения накопителей И и 10, в которых осуществляется циклическое движение сумм частных произведений, соответствукицих частотамPCO - по сдвигающим регистрам с возвращением этих сумм в сумматоры при ко времени очерёдного (k-Hl)-ro д кретно го отсчета сигнала. Сдвиг слов, соотвествующих текущему значению сумм час ных произведений составлякицих спектра Фурье, осуществляется в сдвиговых ре- гистрах накопителей 10 и 11 с частото следования импульсов конец преобразования, поступающих с выхода АЦП 6,7,...,h. Таким образом, используя конечное время преобразования АЦП взвешенной в борки сигнала в цифровой вид можно совместить во времени, равном времени преобразования одного АЦП взвеши ание и преобразование в цифровой вид отсчета сигнала f(k) на п значений частот анализа Р. Взвешивание отсчета сигнала f(k) на весовые коэффициенты схем взвешивания осуществляется почти мгновенно (занимает время включения ключа) и для п значений частот осуществляется сдвигом, равным времени включения ключа. Преобразование взвешенных отсчетов сигнала, например на длительности второго импульса дискретизации Kfcit, К 1 f{li), К 1, Р О, К 1, Р 1. f (k), 2 f(K)cos РК, 1, р п, в цифровой вид можно совместить на длительности преобразования одного АЦП со сдвигом во времени, равным nt,);. где . время включения ключа. Преимуществом структуры анализатора спектра является возможность включения в состав схемы нескольких преобразователей аналог-код. Включив, например, четыре преобразователя с tf,p 5 , получим N уг/, tf,p 80 мк.сек. что соответствует ft 6000 Гц, т.е. в четыре раза расширяется диапазон рабочих частот. Формула изобретения 1. Анализатор спектра, содержащий входное аналого-запоминающее устройство, подключенное ко входам двух квадратурных каналов, каяодый из которых состоит из последовательно соединенных схемы аналогового взвешивания, группы преобразователей аналогкод, сумматора и накопителя, причем выход накопителя подключен ко второму входу сумматора, генератор тактовых импульсов, выходы которого подключены ко вторым входам преобразователей аналог-код обеих Трупп, элементы ИЛИ, отличающийся тем, что, с целью увеличения диапазона рабочих частот, он дополнительно содержит программный блок управления взвешиванием, один выход которого подключен ко второму входу входного аналого-запоминающего устройства, другой выход подключен одновременно ко вторым входам обеих схем аналогового взвешивания, а вход соединен через элемент ИЛИ с выходами генератора тактовой частоты, при этом вторые выходы группы преобразователей аналог-код одного из каналов подключены через второй элемент И.ПИ к третьим входам сумматоров и вторым входам накопителей обоих каналов. 2. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что программный блок управления взвешиванием выполнен в виде счетчика временного отсчета последовательно соединенных счетчика номера частоты, третьего сумматора, егистра номеров весовых коэффициентов и дешифратора, при этом второй вычерез счетчик временного отсчета ко второму входу сумматора, третий вход которого подключен к выходу накопителя, у которого входы соединены соответственно с выходом сумматора и со входом счетчика номера частоты.

принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США № 3631339, кл. 324-77, 1972.

2.Авторское свидетельство СССР №446063, кл. G06F 25/34, 1974.