Анализатор мгновенного спектра Советский патент 1981 года по МПК G06F17/14 G01R23/00 

(54) АНАЛИЗАТОР МГНОВЕННОГО СПЕКТРА

1

Изобретение относится к средствам измерительной и вычислительной технике и может быть применено для определения коэффициентов дискретного преобразования Фурье с целью текущего спектрального анализа детерминированных и случайных сигналов.

Известен цифровой анализатор спектра, содержащий устройство ввода данных, адресные устройства записи, набор блоков буферной памяти, процессор и синхронизатор 1.

Однако такое устройство при значительном числе ячеек блока.памяти не позволяет измерять мгновенный спектр исследуемого сигнала, т.е. измерять весь в -темпе с отбором каждого текущего отсчета исследуемого сигнала, а также требует существенного усложнения для улучшения частотного разрешения при сохранении сетки .анализируемых частот.

Наиболее близким к изобретению является цифровой анализатор мгновенного спектра, содержащий блок ввода данных, два запоминающих устройства (отсчетов исследуемого сигнала и текущих спектров), например, типа сдвигайщих ре1 истров задержки,блок вычитания, сумматор, блок умножения.

блок экспоненциальных функций и синхронизатор 2.

Недостатками известного анализатора являются невозможность улучшения частотного разрешения и управления им при заданной сетке анализируемых частот и заданной размерности N используемого конечного дискретного преобразования Фурье, а также необ-

10 ходимость значительного увеличения оборудования для улучшения частотного разрешения путем увеличения N . Цель изобретения - повышение разрешающей способности и обеспечение

15 управления ею.

Поставленная цель достигается тем, что в анализатор, содержащий блок ввода данных, вход которого является информационным входом анали.затора спектра, а выход соединен с

20 входом уменьшаемого блока вычитания, выход которого подключен к первому входу блока умножения, второй вход которого подключен к выходу генератора экспоненциальных функций, выход блока умножения соединен с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу блока запоминания текущих спектров, вход которого объединен с входом блока вычислвния спектральных .характеристик, и подключен к выходу сумматора, введе ны многокаскадный блок запоминания отсчетов, коммутатор и буферный регистр, вход которого является управ ляющим входом анализатора спектра, а выход соединен -с управляющим вход KOiviMyTaTopa, информационные входы которого п1- дключены к соответствующим выходам многокаскадного блока запоминания отсчетов, вход которого соединен с выходом блока ввода данн выход коммутатора подключен к входу вычитаемого блока вычитания. На чертеже изображена структурна схема анализатора. Анализатор содержит блок 1 ввода данных, блок 2 вычитанип, генератор 3 экспоненциальных функций, блок 4 умножения, cyiviMaTOp 5, блок 6 запоминания текущих спектров б, блок 7 обработки коэффициентов Фурье и вывода результатов (блок обработки) , многокаскадный блок 8 запоминания отсчетов ,сигнала с каскадами 8/1-БЭ, коммутатор 9 и буферный регистр 10., Вход блока 1 ввода является входом анализатора, выход блока 1 подключен к входу уменьшаемого блока 2 вычитания и входу блока 8 (к входу первого каскада 8, ) , выходы всех каскадов которого подключены к информационным входам коммутатора 9, подключенного своим вькодом к входу вычитаемого блока 2, выход которого подключен к одному информационному входу блока 4 умножения, другой информационный вход которого подключе к выходу генератора 3, а выход - к одному информационному входу сумматора 5, другой информационный вход которого подключен к выходу блока 6, вход которого соединен с входом блока 7 обработки и подключен к выходу сумматора 5. Выход блока 7 является выходом анализатора, управля ющий вход коммутатора 9 подключен к выходу буферного регистра 10, вход которого является входом сигнала уп равления частотным разрешением, а управляющий выход соединен с синхро низирующим входом коммутатора 9. Синхронизация работы анализатора ос ществляется блоком синхронизации (не показан). Анализатор работает следующим об разом. Для улучшения частотного разрешения и обеспечения возможности управления им при сохранении заданной сетки частот в основуработы анализатора положена формула п( x(,-i-t)wj%(./.t)w;, 1 n-CyN V n ,,N + ,, X(-iAtjприOiliC(,N--l .x(Vut)-x(4-ci,N)At при (z) x(t) -.исследуемый сигнал; At - шаг дискретизации сигнала по времени; -шаг дискретизации спектра по частоте (шаг сетки частот) ; -заданное число, определяющее размерность дискретного преобразования Фурье (ДПФ), количество точек спектра-узлов сетки частот;w ехр I JN ,2,3, . . ; Q - аарьируемая переменная, определяющая требуемое разрешение. Исследуемый сигнал xXt) подается на вход блока 1, в котором по сигналам синхронизатора производится периодический отбор значений x(iAt),rfle ,l,2... Отобранные значения x(iAt) поступают с выхода блока 1 на вход уменьшаемого блока 2 вычитания и. вход первого каскада 8, многокаскадного блока 8. Блок 8 представляет собой набор из Q последовательно .соединенных каскадов, каждый из которых представляет собой запоминающее устройство и позволяет запоминать N текущих отсчетов х(1ЛЪ) -сигнала x(t). Отдельные запоминающие устройства соединены между собой и внутри себя по типу сдвигового регистра, т.е. так, что позволяют в текущий момент времени te(i/i.t, (i+l)ut) ,т.е. сразу же после ввода x(ibt) и записи его в первую ячейку каскада 8 и перезаписи в блок 8, хранить в г-й ячейке (,2, ...,N) q-ro (,2,...Q) запоминающего устройства 8 значение отсчета X(i-r+l-(q-l). В этом случае выходом 8( является выход N-й ячейки этого каскада (что реализуется аппаратно, если запоминающие устройства строятся на сдвиговых регистрах, либо аппаратно-программно, когда, на выходе каскада в любой момент времени поступает содержимое его N-й ячейки, если запоминающие устройства выполняются в виде оперативной памяти) Следовательно, если коммутатор 9 в момент времени te(iAt, (1+1)Д. t находится в положении q, т.е. включен на выход каскада 8cj, блока 8, одновре менно с поступлением x(iit) на вход уменьшаемого блока 2 вычитания до сдвига (перезаписи) в блоке 8, на вход блока 2 подается значение отсчё та X {i-qisi)ut , предшествующее X ()At , который появля ется на выходе каскада 8q, сразу же после сдвига (записи) к (lit) в перву ячейку первого каскада В, блока 8 и перезаписи (сдвига) содержимого блока 8 на одну ячейку. Запись x(i&t) и перезапись (сдвиг) в блоке.8 осущест вляются после того, как сумматорпри нимает отсчет x(i-qN)At. Запись в сумматор этого отсчета может предшествовать моменту , если на входе вычитаемого блока 2 включен буферный регистр; Передача отсчетов в сумматор 5 из блока 8 через коммутатор 9 осуществляется по сигналам синхронизатора, поступающим на синхронизирующий вход коммутатора и управляющий вход блока 8. При этом x() записывается в первую ячейку каскада ,8 отсчет xj(i-qN)4vt перемещается с выхода каскада 8о в первую ячейку (q+l)-ro каскада 8 , уступая место отсчету X (i-qN+Di. t , а отсчет x( -QN) теряется на выходе каскада 8(3 . Перед началом работы блок 8 находится в исходном, обнуленном состоянии. В результате, по поступлении отсчета x(iut) и выполнении вычитания на входе блока 2 получают значение отсчета y() согласно формуле (2) Из формул (1) и (2) видно, что это соответствует определяемому спектру по участку сигнала x(-fc) длиной cj, Nut, т.е. значению частотного разрешения определяемого значением . Поскольку произведение N t постоян кю, а значение с определяется поло жением коммутатора,именно положение коммутатора определяет частотное раз решение. После получения текущего значения y(abti) с помощью генератора 3, блока 4 умножения и сумматора 5, образующего с блоком б синхронный накопитель, из генератора 3 извлекается очередное значение W (для k -и ординаты спект.ра) , которое в блоке 4 умножается на значение текущего отсчета y(nbt). Полученное произведение у (пм ) поступает на вход сумматора 5, на второй вход которого в это же время из блока б поступает значение спектра, в результате чего н выходе сумматора 5 получается текущее значенир коэффициента Фурье r,, (u). Полученное значение поступает на вход блока 7, который вычисляет по коэффициентам Фурье спектр амплитуд и фаз, спектральнуюПЛОТНОСТЬ MomHOOf ти и т.д. известным способом и выводит полученные результаты из анализатора . Для изменения частотного разрешения на вход регистра 10 подается сигнал управления, равный значению cj, , определяющему положение коммутатора 9 и длину участка входного сигнала, участвующего в образовании текущих значений коэффициентов Фурье. Запись сигнала в регистр 10 производится по сигналам синхронизатора, поступающим на управляющий вход регистра 10. Запись может осуществляться один раз на текущий отсчет xCnAt), если значение tj. остается постоянным для всех точек спектра (т.е. для всех k )при данном п или перед каждым измеряемым коэффи- циентом Фурье, если частотное разрешение и, следовательно,с|, определяются для каждого коэффициента Фурье, т.е. для каждого k . СигнаЛл Правления разрешением может вырататываться оператором, внешним по отношению к анализатору устройством либо блоком 7 обработки. В последнем случае, подключая вход регистра 10 к входу блока 7, можно обеспечить автоматическое управление частотным разрешением. Регулирование значения определяет положение коммутатора 9, т.е. подключение к входу сумма.тора 5 выхода соответствующего каскада 8q, многокаскадного блока 8, а также длину CJ, N it участка входного сигнала, по .которому находится текущее значение коэффициента Фурье для всех частот. Поскольку длина QNbt однозначно определяет частотное разрешение при заданной форме и параметрах спектральной характеристики, обеспечивается улучшение частотного регулирования и управление им. Формула изобретения Анализатор мгновенного спектра, содержащий блок ввода данных, вход которого является информационным входом анализатора, а выход соединен с входом уменьшаемого блока вычитания, выход которого подключен к первому входу блока умножения, второй вход которого подключен к выходу генератора экспоненциальных функций, выход блока умножения соединен с первым входом сумг атора, второй вход оторого подключен к выходу блока апоминания текущих спектров, вход оторого объединен с входом блока ычисления спектральных характеристик подключен к выходу сумматора,о т ичающийся тем, что, с елью повышения разрешающей способности и обеспечения управления ею, введены многокаскадный блок запоминания отсчетов, коммутатор и буферный регистр, вход которого является управляющим входом анализатора а выход соединен с управляющим входом коммутатора, -информационные входы которого подключены к соответствующим выходам многокаскадного блока запоминания отсчетов, вход которого

соединен с выходом блока ввода данных, выход коммутатора подключен к входу вычитаемого блока вычитания.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Евтеев Ю.И. и др. Аппаратурная реализации дискретного преобразовани Фурье. М., Энергия, 1978, с.59.

2.Авторское свидетельство СССР 537349, кл. G Об F 15/332, 1974.