Устройство для выполнения преобразования Фурье Советский патент 1982 года по МПК G06F17/14 

Изобретение относится к авгомагике и вычислительной технике и может быть использовано в рациотехнике, электросвязи и измерительной технике для определения коэффициентов преобразования Фурье непрерывных и дискретных случайных сигналов в реальном масштабе времени. Известно устройство для выполнения преобразования Фурье, содержащее входные регистры, регистры комплексной весовой функции, коммутатор сомножителей, блок управления, блок умножения, репнстРЫ произведений, коммутатор слагаемых, сумматор и регистр суммы Tl . Недостатком этого устройства является низкое быстродействие, обусловленное необходимостью большого количества операций перемножения многоразрядных чисел. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является-устройство для преобразования Фурье в,реальном масштабе времени, содержащее аналогоцифровой преобразователь, вход которого является аналоговым входом устройства, ,. генератор тактовых импульсов, делители частоты, постоянное запоминающее устройство и несколько идентичных каналов, каждый из которых содержит регистр и арифметическое устройство, предназначенное для преобразования промежуточных коэффициентов в коэффициенты Фурье Г2 . Недостатком этого устройства является низкое бьютродействие, обусловленное необходимостью выполнения большого количества операций перемножения многоразрядных чисел при вычислении коэффициентов Фурье. Цель изобретения - повышение быстродействия устройства для выполнения преобразования Фурье. Поставленная цель достигается тем, что устройство для выполнения преобразования Фурье, содержащее генератор тактовых импульсов, блок памяти, блок задания входной информации, информационный вход которого является информационным входом устройства, первый и второй вычислительныс блоки, вхоцы и выхоцы которых являюгсй sbixoaaNfH устройсгва, содержит генератор псевцослучайных чисел, блок фор мйрования стробим пульс се, две группы по rt шифраторов и иве группы по п сумматорой-вычислителей { Я N/2, N-число отсчетов входного сигнала), два регистра промежуточных коэффициентов, причем выход генерагора гакговых кмпульсов поп ключен к вхбду генератора псевдослучайных нисеп, выход которого подключен к адресному входу блока памяти и к входу блока формирования стробимпульсов, выход которого подключен к управляющему входу блока задания входной информации, выход знакового разряда которого подклю чен к первым входам всех шифраторов, . вторые входы которых подключены к соот ветствующим выходам блока памяти, выходы шифраторов первой и второй групп подключены к управляющим входам соответствуюших сумматоровнвычитателей пер вой и второй групп соответственно, инфор мационные вхоаы всех сумматоров-вьгчитабелей подключены к информационному входу блока задания входной информации, выходы сумматоров-вьгчитателей первой и второй, групп подключены к входам соотвегственно первого и втсрого регистров промежуточньгх коэффициентов, выходы первого и второго регистров промежуточных коэффициентов подключены к входам соответственно первого и второго вычислительных блоков. На фиг, I представлена функдиональная схема устройства для вьтолнения пре образования Фурьер на фиг. 2 - пример фильтрукядих функций и соответствующих им кодов. Устройство содержит информационный ВХОД I, блок 2 заданий входной информации, генератор 3 тактовых импульсш, генератор 4 псевдосд1гчайных чисел, блок 5 формирования стробим пульс (36, блок 6 памяти, две идентичные группы 7 блоков, каждая из которых содержит п шифраторов 8, п сумматоров-вычитателей 9, регистр 10 промежуточных коэффициентов, вычислительный блок 11, выходы 12 и входы 13 которых являются выходами устройства. Блок 2 представляет собой аналогоцифровой преобразователь в случае задания входной информации в виде аналогово го сигнала или блок памяти, в который записываются цифровые отсчеты входной информации в случае задания входной информации в цйскретной форме. Работа устройства в предположении, что входной сигнал его является аналоговым. Блок 5 в этом случае осуществляет п реобразование поступающего на его вход кода во временной интервал. Входной сигнал (аналоговый) поступает на вход блока 2 аналого-«ифрового преобразователя. Тактовые импульсы с периодом ut с выхода генератфа 3 гактовых импульсе поступают на вхоц генератора 4 псевдослучайных чисел, на выходе которого формируется последовагельвосчъ псевдослучайных чисел. Псевдсюлучайные числа поступают на вхоа бло e 5 и адресный вход блока 6 памяти, реализованного в вице постоянного запоминающего устройства. На вьсходе блока 5 через интервалы времени, пропорцишальные значениям псевдослучайных чисел. формируются стробимпульсы,«эапускающие блок 2 н образующие на оси времени стационарный поток с ограниченным последствием. Таким образом, производится дискретизация, входного сигнала потока импульсов, отстоящих один от другого на псевдослучайные интервалы времени, т.е. стохастическая дискрешза.ция. Минимально возможный шаг по частоте определения значений коэффициентов дискретного преобразования Фурье составляетN.At V . . , це N - Количество точек выборки для вычисления коэффициенту дискретного преобразования Фурье; At - период тактовых импульсов с выхода генератора тактовых импуЯьсов. Логический уровень, соответствующий знаку текущего значения исследуемого сигнала в момент дискретизации, с знакового выхода блока 2 поступает на первые входы шифраторов 8 групп 7 блоков ка вторые входы которых поступают считываемые кодом псевдослучайные числа с блока 6 памяти, соответствующие данному моменту дискретизации значения кодов фильтрующих фуНКЙИЙ Rg-(tii) ЦЛЯ первой группы 7 блоков и R, (к второй группы. Знак исследуемого входного сигнала в момент дискретизации поступает с выхода знакового раеряда аналогочхифрового преобразователя 2 на первые входы щифраторов 8. На их вторые входы с соотвегствующих выходов блока 6 паvfяти поступают значения фильгруюидах функций для тех же моментов дискретизации: 5 .92 Rg {t)j) - на первую группу 7 блоков, . F (ч {t J, ) - на вторую группу. При совпааении знаков исслецуемого сигнала и фильтрующей функции на выходе щифратора 8 формируется код, разрешающий выполнение в соответствукмцем накапливающем сумматоре -вьгчитателе 9 операции сложени51, при несовпадении знаков - коа, разрещающий выполнение операции вычитания. При поступлении на второй вхоц шифратора 8 кода, соответствующего нулевому значению фильтрующей функции, на его выходе формируется код, запродающий выполнение операции, при этом значение входного сигнала для данного момента дискретизации не учитывается. Пусть, например, используются фильтрующие функции (фиг. 2) R а ) . о.я О, 0,15; Д Сл К.) Ь ;оД5 л 0,15 i - порядковый номер фильтрующей функции N mqx (I -fej, - момент, дискретизаций исследуемого входного сигнала. . 1 - дробная часть числа периодов i -ой .фильтрующей функции в ин тервале времени Го,Ч , где целая часть выраженная в скобках. Значения исследуемого сигнала в моменты дискретизации j. в виде цифрового кода с выхода блока 2 поступают на информационные входы накапливающих сум маторов- вычита елей} 9, на управляющие входы которых поступают сигналы с выхо дов соответствующих шифраторов 8. При совпадении сигналов на обоих входах i -г шифратора 8, на его вькоде формируется код, разрешающий выполнение операции сложения Х( i) ) с суммой, накопленной в i -ом накапливающем сумматоре-вычитателе 9 в (фецшествующие моменты дискретизации данного цикла выборки. При несовпадении сигналсе производится вычитание х( t ). В результате, после выполнения N тактов выборки .значений исследуемого сигнала, в накапливающих сум маторах-вычитателях 9 первой группы 7 36 оказьтаюгся записанными п промежуточных значений коэффициентов 01 , а в накапливаюших суммагорах-вычитателях 9 вгорой группы 7 - г промежуточных значений коэффициентов Ъ :. 4-R-E(-w По окончании каждого цикла выборки N значений X (t,) исследуемого сигнала производится перезапись промежуточ-jt ных значений коэффициентов а , и t)l из накапливающих сумматоров-вычитателей g в регистры Ю промежуточных коэффициентов, после чего накапливающие суммагоры-вычитатели 9 обнуляются и начйнается новый цикл выборки значений исслецуемого сигнала и накопления промежуточных значений коэффициентов q. в 1.1 Поскольку стохастическая иискретизания стационарным потоком с ограниченным последствием позволяет получить ассжмптотически несмещенные оценки значений коэффициентов дискретного преобразшавия Фурье вля любой частоты незави-, симо от средней частоты дискретизации иослецуемого сигнала, то при условии отсутствия во входном сигнале составляк щих с частотой быше частоты среза j. J-- . д ; значения коэффициентов Фурье с, и Ь в тригонометрическом базисе рассчитываются через промежуточные значения коэффициентов 0- и Ь1 в базисе ценных фильтрукяцих функций RC- (t) и Rp. (t ) в соответствии со следугадими соотношениями: c,(a,M)vM.f Ч.(|-)-1 / N . . тг--;г/. .bl)i,i-i,(-) Как видно из соотношений, часть коэффициентов 4i и b- с индексами от +1 до -я- формируется в накап7928Ливаюших суммагорах-вычигагелязс 9 и поступает на выходы 13. Значения коэффициентов а и Ъ с индексами от до I рассчитываются в блоках; 11 в соответствии с приведенными соотношения ми. Их значения снимаются с выходов 12 Вьгчисление значений коэффициентов d и b; производится ВО время набора последуюших Н значений Тясследуемого, сигнала. В- случае, если входная информация задается в цифрдаой форме, то блок 2 реализуется в виде блока памяти, в который строб-импульсами с выхода блока 5 производится запись текущего-значения вход-п ного сигнала в моменты дискретизации. В ротальном работа устройства осуществляется аналогично. Предлагаемое устройство позволяет существенно. повысите бьютродействие бла-20 годаря новому алгоритму вычисления коэффициентов Фурье, в котором вместо операций перемножения многоразрядных отсчетов исследуемого сигнала и многоразрядных отсчетов фильтрующих функций в тригонометрическомбазисе производятся простые операции сложения и вычитания отсчетов сигналов. Количество операций умножения, необходимых для вычисления коэффициентов Фурье, варьируется в зависимости от вида фильтрующих функций и, в целом, в несколько раз меньше, чем в известных устройствах, реализующих алгоfMTM быстрого преобразования Фурье. .. Формула изобретения Устройство для выполнения преобразования Фурье, содержащее генератор ,тактовых импульсов, блок памяти, блок задания входной информации, информационный вход которого является информационным входом 3.8 устройсгва, вычислительные блоки, входы и выходы которых являются выхоцами устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия устройства, с«о содержит генератор, пюевдослучайных чисе; блок формирования стробимпульсов, две группы по п шифраторов и две группы по п сумматоров-вычитателей t (п N/2, - число отсчетов входного сигнала) два регистра промежуточных коэффициентов, причем выход ге- . нератора тактовых импульсов подключен к входу генератора псевдослучайных чисел, выход которого подключен к адресному входу блока памяти и к входу блока формирования стробимпульссе, выход которого подключен управляющему вхоцу блока задания входной информации, выход знакового разряда которого подключен к первым входам всех шифраторов, вторые входы которых подключены к соответствующим выходам блока памяти, выходы шифраторов первой и второй групп подключены к управлякнцим входам соответствующих сумматоров-вычитателей первой и второй групп соответственно, информационные входы всех сумматоров-Вычктателей подключены к информационному выходу блока задания входной информации, выходы сумматорЬв-вычитателей первой и второй групп туодключены к входам соответствен- , но первого и второго регистров промежуточных коэффициентов, выходы первого и второго регистров промежуточных коэффициентов подключены к входам срответственно первого и второго вычислительных блокда. Источники информации, принятие во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР Nf 598О85, кл. Q Об F 15/34, 2.Патент США № 3881 ЮО, кл. 235-156, опублик. 1979 (прототип).