Устройство для определения спектральных коэффициентов разложения случайного процесса по функциям Хаара Советский патент 1982 года по МПК G01R23/16 

Изобретен-ие относится к вычислительной, информационно-измерительной технике и автоматике, может быть использовано в рещиотехнике, акустике, аппаратуре для анализа широкополосных случайных или детерминированных сигналов и т.д. и предназначено для одновременного вычисления коэффициентов ортогонального разложения аналогового сигНсШа в базисе функций Хаара.

Известен анализатор спектра .по функциям Хаара, содержащий сумматоры, генератор функций Хаара, логические блоки 1.

Это устройство обладает достаточной сложностью ПЕИ вычислении эквивалентного числа коэффициентов разложения. .Параллельный метод обработки обуславливает использование в нем основных блоков, число которых пропорционально числу вычисляемых коэффициентов, что при больших значениях порядка преобразования делает устройство слишком громоздким.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является анализатор спектра по функциям Уолта(функции Уолша и функции

Хаара стносятка к одному классу кусочно-постоянных ортогональных функций), содержащий аналого-цифровой преобразователь, генератор импульсов, блоки регистрации коэффициентов, двоичный счетчик, регистры и блоки анализа. Каждый блок анализа содержит сумматор по ьлоду-шо два, блок свертки по модулю два и накапли10вающий сумматор-вычитатель. Вход аналого-цифрового преобразователя является входом устройства, а выход соединен с входами накапливающих сумматоров-вычитателей, выходы кото15рых соединены с входами блоков регистрации. Выход генератора соединен с вторым входом преобразователя и входом, двоичного 9четчика, выход которого соединен с nepBtif/iH входами полу20сумматоров. Вторые входы гюлусумматоров соединены с выходами регистров соответственно. -Выходы полусумматоров соединены соответственно с входами блоков свертки по модулю два,

25 выходы которых соединены соответственно с управляющими входами накапливающих cyм.1aтopoв-вычитaтeлeй. Это устройство в темпе преобразования входного аналогового сигнала в цифро30вой код параллельным способом вычислчег коэффициптов сиектральн ло входного сигнала в базисе функцт Уолта Г 2 . Недостаток этшо устройства состоит в излешней сложности схемы, являющейся следствием параллельного способа вычисления кс эффициентов . Цель изобретения - упрощение уст ройства при сох1эаиении требуемой то ности вычисления коэффициентов. I Поставленная цель достигается те что в устройство для определения спектральных коэффициентов разложения случайного процесса -по функциям Хаара, содержагдее аналого-цифровой преобразователь, информационный вхо которого является входом устройства а уг1равляю1ций вход объединен со вхо счетчика и подключен к выходу генер тора импульсов, п+1 накапливающих сумматоров-вычитателей, введены п-1 дифференцирующих звеньев и цифровой интегратор, управляющий выход котор го соединен с выходом генератора им пульсов , а информационный выход под ключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, выход цифрового ин тегратора соединен с первыми входами накапливающих сумматороввычитателей, разрядные выходы счетчика, кроме последнего, подключеннн ко входам соответствующих дифференцирующих , вторые входы накапливающих сумматоров-вьзчитателей, кроме первого, подключены к соответствуюси1м разрядным выходам счетчика, выходы дифференцирующих звеньев соединены с третьими входами соответствующих: накапливающих cyммaтopoв-вычитaтeJieй, кроме первых двух. Сущность предлагаемого изобретения заключается в одновременном (в смене цифрового интегрирования значений входного сигнала) вычислении специальных коэффициентов Хаара с помощью п+1 накапливающих сумматоров-вычитателей. За счет использования аналитических свойств функций Хаара реализуется последовательно-параллелт.ный способ вычисления коэффициентов Хаара, Коэффициенты С5 Фурье-Хаара для функции f(t) с интегрируемым квадратом и определенной на интервале 0; l3 вычисляются по обобщенной формуле Фурье N-1U-i С.д- )dt - .S ; -S a,)dt --.S S.; ° c -- .) и (i) dt -- (j} I f (t)db.Vi j A-- 0 w-r - p .- 4--ill Л-1,,..., N , tp.., i 1 J где 1,2. ..,; :- n,l. . . , .(j) значение Функции Хаара ly (t) при fc j/N; - значение определенного интервала от f{t) па у ; р - номер группы функций Хаара (текущий порядок преобразования) . Функции Хаара присуще следующее войство. Среди 2° функций Хаара, принадлеащих группе с номером р, только ода функция отлична от нуля на двоичом интеграле 6р . Следовательно, выисление коэффициентов Хаара для ункций одной группы можно осущестить с помощью одной и той же группы блоков, но в разное время. Например, коэффициент Ср вычисляется к моменту окончания первого двоичного отрезкаf -Го- -i -1 2 р- J так как при f) значение функции Нр . Поскольку на данном двоичном отрезке только функцияНр (t)0, вычисленный коэффициент относится именно к этой функции. Затем вычисляется второй коэффициент Ср и так далее. Таким образом, получение нескольких коэффициентов Хаара фиксированной группы можно выполнить с помощью однбго накапливающего сумматорй-вычитателя по фop /Iyлe (1), осуществляя в опраделенные моменты времеt - i±iсъем накопленной СуМмы Р. 2 Ри обнуление накапливающего сумматора-вычитателя для подготовки его к вь5числению нового коэффициента. На отрезке Вр. , где функция Хаара Пр. (t) не равна нулю, ее конкретное значение определяется по значению р-го разряда кода аргументаt) tp 0; { ь tp 1, где f t , tj,, . , . t р, t р. t. .- двоичные цифры, причем в общем случае . Моменты Времени to. соответствуют смене значения (p-l)-ro разряда кода аргумента с на О или с О на и могут быть зафиксированы с помсщыо дифференцируюй1ето звена. Вычисление определенных интервалов S в устройстве осуществляется в, аифровом интеграторе по k значениям входного сигнала на каждом отрезке Ру,- . Работа цифрового интеграша основывается на применении формул численного интегрирования (трапеции или Симпсона), обеспечивающих достаточно высокую гоччост1 VIHтегрирования и, следовательно, вычисления коэффициентов Фурье-Хаара. На фиг.1 показана блок схема пре лагаемого устройства; на фиг.2 то же, для случая . Блок-схема (фиг.1) содержит анал го-цифровой преобразователь 1, гене ратор импульсов 2, цифровой интегра тор 3, двоичный счетчик 4, п-1 дифф ренцирующих авеньев 5 и п+1 накапл вающих сумматоров-вычитателей 6. Информационный вход аналого-цифрового преобразователя 1 является входом устройства. Выход генератора импульсов 2 соединен с управляющим входом преобразователя 1, управляющим входом цифрового интегратора 3 и входом двоичного счетчика 4. Шлход преобразователя 1 соединен с входом цифрового интегратора 3, а выход цифрового интегратора 3 соединен с информационными входами всех п+1 накапливающих сумматоров-- вычитателей 6. Выходы п старших раз рядов двоич1; ого счетчика 4 соединен соответственно с первыми управляющи ми входами накапливающих сумматоров вычитателей б, имеющих порядковые номера от 2 до п+1. Выходы п-1 стар ших разрядов двоичного счетчика 4 соединенЬ соответственно с входамидифференцирующих звеньев 5, выходы которых подключены соответственно к вторым управляющим входам накапливающих сумматоров-вычитателей, имеющих порядковые номера от 3 до п+1. Выходы накапливающих сумматоро вычитателей являются выходами устройства. Первый накапливающий суг/матор-вы читатель работает только в режиме сумг-дарования. Остальные сумматоры-в читатели при поступлении на их первый управляющий вход сигнала работает в режиме вычитания, а при поступлении сигнала О - в режиме суг/1мирования. При поступлении на второй управляющий вход накапливающего сумматора-вычитателя импульса, сфорглированного дифференцирующим звеном, на накапливающем сум маторе-вычитателе устанавливается нулевой код, а вычисленное на нем значение может быть считано с выхода этого сумматора-вычитателя. Дифференцирующи е звенья предназначены для преобразования скачка потенциального сигнала на- выходе старших разрядов двоичного счетчика 4 в управляющий шлпульс, который формируется при переходе данног разряда счетчика либо из в , либо наоборот из s О. Этот управляющий импульс приводит накапливающий cyNtMaTOp-выч татель в исходное (нулевое) положение и фиксирует момент считывания вычисленного значения коэффициента с выхода данного накапливающего сумматора-вычитателя. Частота импульсов, вырабатываемых генератором импульсов 2, выбирается равной T/KN, где Т - длительность входного сигнала, а k - требуемое число отсчетов сигнала на двоичном отрезке для достижения необходимой точности вычисления коэффициента Хаара. При поступлении тактового импульса на управляющий вход преобразователя 1 происходит преобразование текущего значения аналогового сигнала в цифровой код. Тактовые импульсы управляют работой цифрового интегратора 3, который заканчивает вычисление очередного значения определенного интеграла S через каждые k тактовых импульсов. Одновременно тактовые импульсы поступают на вход двоичного счетчика 4 и на каждомk-oM тактовом импульсе значение п-го старшего разряда двоичного.счетчика изменяется на противоположное. Принцип работы блок-схемы устройства рассмотрим на примере схемы для . В исходном состоянии на двоичном.счетчике 4 и на всех накапливающих сумматорах-вычитателях б установлен нулевой код. Входной аналоотовый сигнал длительностью т секунд поступает на информационный вход аналого-цифрового преобразователя 1, где происходит преобразование сигнала в последовательность цифровых кодов. Цифровые значения, соответствующие отсчетам входного сигнала, поступают с периодом T/kN на информационный вход цифрового интегратора 3 . К моменту времени в цифровом интеграторе формируется значение определенного интеграла S, , а на первых четырех старших разрядах двоичного счетчика по-прежнему находится нулевой код. Значение Sj, поступает на входы пяти накапливающих сумматороввычитателей и добавляется к имеющимся там нулевым кодам. К моменту времени t2.2T/N в цифровом интеграторе формируется значение определенного интеграла % , а на первых четырех старших разрядах двоичного счетчика устанавливается код 0001. Значения разрядов этого кода воздействуют на первые управляющие входы накапливающих сумматоров-вычитателей с порядковыми номерами от 2 до 5. Эти значения являются значениями первых функций Хаара каждой из четырех групп: Н (t) , H2.(t), H4(t), ) . Так как функция Ho(t) тождественно равна единице, то первый накапливающий сумматор-вычитатель работает

только в режиме су.ммирования и управляющий вход ему не требуется,

В соответствии с действуюощми на первых управляющих входах значениями величина S добавляется к содержимому первих четырех накапливающих сумматоров-вычитателе-й и вычитается из содержимого пятого накапливающево сумматора-вычитателя,

К моменту времени в цифровом интеграторе формируется значение Зд, а на первых четырех старших разрядах двоичного счетчика устанавливается код 0010. Изменение значения третьего разряда вызывает появление на выходе первого по порядку дифференцирующего звена импульса, который служит сигналом для считывания значенля вычисленног коэффициента Cg и приведения пятого накапливающего сумматора-вычитателя в исходное (нулевое) состояние . В соответствии с кодами на первых управляющих входах накапливающих сумматоров-вычитателей значение S2 добавляется к содержимому второго, третьего и пятого накапливающих сумматоров-вычитателей и вычитается из содержимого четвертого накапливающего сумматора-вычитателя. Таким образом, после очистки пятого накапливающего сумматора-вычитателя он сразу же в текущем такте работы принимает очередной код, поступающий с выхода цифрового интегратора.

В момент времени t 4T/N считываются значения вычисленных коэффициентов С и Сд. Дальнейшая работа схемы устройства протекает аналогично.

К моменту времени Т на накапливающих суг/ маторах-вычитателях с порядковыми номерами от 1 до 5 формируются последние коэффициенты каждой из групп: С, , С , С., С ,

с

Таким образом, применный последовательно-параллельный принцип работы устройства определяет формирование коэффициентов фиксированной группы на одном и том же накапливающем cyMiviaTope-вычитателе, но в разное время. Для этого в схеме устройства имеются блоки, реализующие надлежащее управление работой

накапливающих сумматоров-вычитателей .

В описанном устройстве упрощение его схемы выражается в том, что для вычисления коэффициентов требуется лишь п+1 накапливающих сумматоров-вычитателей п-1 простейших дифференцирующих звеньев, а в известном устройстве 21 для вычисления того же числа коэффициентов используется в общей сложности 2 накапливающих сумматороб-вычитателей, 2И регистров, 2 блоков свертки и 2 сумматоров по модулю два.Формула изобретения

Устройство для определения спектральных коэффициентов разложения

случайного процесса по функциям Хаара содержащее аналого-цифровой преобразователь, информационный вход которого является входом устройства, а управляющий вход объединен с входом счетчика и подключен к выходу генератора импульсов, п+1 накапливающих сумматоров-вычитателей, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью упрощения устройства, в него введены п-1

дифференцирующих звень ев и цифровой интегратор, управляющий выход которого соединен с выходом генератора импульсов, а информационный выход подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, выход цифрового интегратора соединен с первыпи входами

накапливающих сумматоров-вычитателей, разрядные выходы счетчика, кроме последнего, подключены к входам соо,тветствующих дифференцирующих звеньев,

вторые входы накапливающих сумматоров-вычитателей, кроме первого, подключены к соответствующим разрядным выходам счетчика, выходы дифференцирующих звеньев соединены с трет

тьими входами соответствующих накапливающих сумматооов-вычитателей, кроме первых двух.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 588544, кл. G 01 R 23/16, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР № 640305, кл. G 01 R 23/16, 1977.