Анализатор спектра Фурье Советский патент 1982 года по МПК G06F17/14 G01R23/00 

(54) АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА ФУРЬЕ

Изобретение относится к вычислитель ной технике для обработки сигналов в реальном времени в задачах выделения полезных сигналов на фоне помех, в спектральном анализе для вибрационной диагностики и т.д. В задачах вибрационного контроля состояния механизмов часто поступают следукщим образом. Измерив полный сп.екгр сигнала объекта контроля, рыцел ют одну или несколько опасных гармо ник и переходят к их непрерывному наблюдению в режиме скользящей выборки Остальной массив спектра, не представл ющий интереса, исключают из вычислени Осуществить .узкую следяаую фильтрацию сигнала можно двояко: либо с по- мсацью гетеродини ования, либо с помощью цифровой фильтрации. В указанных задачах использование гетерошнных анализаггоров нецелесообразно, так как оперйггор имеет дело с двумя приборами, кроме того, возникает проблема масштабирования сигналов при переходе от одного прибора к другому. К тому же, нестабильность гетеродина вносит дополнительную частотную погрешность, в результате отслеживается гармоника, несколько смещенная относительно заданной. Следует указать также, тго при контроле одного объекта используется одновременно лшиь один прибор. Устройствам, способным вычислять полный спектр сигнала и осуществлять следящую фильтрацию, указанные недостатки несвойственны. Для построения таких устройств используют цифровые методы. Известно устройство, позволяющее обновлять коэффициенты Фурье после каждого нового отсчета входного сигнала, однако на самом деле скольжения не происходит, обновление спектральных оценок носит характер их уточнения до некоторого момента, заканчивающего этот цикл к начинающего новый с груй ми первыми и уточненными последующиМИ оцешсоми, устройство выполнено на цифровой элементной базе fl 1 Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является анализатор спектра Фурье, содержащий аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом первого сумматора и с вхоаом первого бло ка памяти, выход которого соединен с вторым входом первого сумкштора, ьторой блок памяти, выход которого соединен с первым входом второго сумматора третий блок памяти и блок формирования синусных и косинусных весовьк коэффициентов, первый выход которого подклкх чен к первым входам первого и второго умножителей, а второй подключен к первым входам третьего и четвертого умножителей, вторые первого и тре тьего умножителей, а также второго и четвертого соединены между собой, а выходы второго и третьего, первого и четвертого умножителей соединены с первыми и вторыми входами третьего и четвертого сумматоров соответственно, выход первого сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, выход которого подсоединен к второму входу первого умножителя, выход третье го блока памяти подсоединен к второму входу второго умножителя, а выводы третьего и четвертого сумматоров соеди нены с входами второго и тоетьего блоков памяти соответственно 2 . Известное устройство вычисляет спек тральные оценки, обновляя их с каждым отсчетом Входного сигнала в скользящем временном окне анализа. Сущность процесса в следующем, Окно охватывает N отсчетов и оценка производится по формуле J. - -jZTEKp/N р к I, к--О где Ij - значение k-ro отсчета; р номер отслеживаемой гармоники (относительно первой основной гармоники анализа); - , . ,(f KpVBiHfH.Kp. -CCKp)-jSl. единичный радиус - вектор, поворачивающийся с каждым новым отсчетом ( на угол -j по часово стрелке в комплексной плоскости. Таким образом, для N отсчетов време ного окна вектор делает ровно р полных оборотов. При этом важно, чтойы в исходном положении (в момент первого отсчета в пределах окна) вектор совмещался с осью вещественных чисел. Если, предположим, для какого-тоокна это условие выполняется, то для следующего соседнего окна все отсчеты сместятся по фазе на р, для последующего смещение, по фазе составитуже л . -г , Т.Д. После N тактов скольжения вектор вновь сместится с вещественной осью, поскольку сделает полный оборот. При вьшолнении прямого ШФ смещение фазы направлено в сторону отставания, поэтому для его компенсации результат вычислений в предыдущем окне умножается на вектор Е . Но предваритея1.ко вычитается первый отсчет Q предыдущего окна, выходивший в оценку с нулевой фазой, и добавляется новый отсчет )j с фазой, кратной 21Г, и поэтому коллинеарный отсчету . Таким образом, корректирующие преобразования скользящей спектральной оценки на частоте р-ой гармоники имеюг виц tp-v-fNr fp v-), где FP - спектральная оценка после . го отсчета входного сигнала; Fi - спектральная оценка после { -го отсчета входного сигнала. В случае оцен™ ки FP и FP - комплексные, а величина (fy- { ) всегда действительна, потому, что, как отмечено вьпие, ей соответствует вектор, лежащий на вещественной оси. Учитывая это обстоятельство и представляя компенсирующий вектор в тригонометрической форме, имеем выражение, реализуемые известным устройством, ReFp-- R-efpHfN- o).P)- (2) -Pvy,,P) 3 Fp-- eFpHfw-fo SHP) -i::3 Fp CCf/ (3) Символами Rg и 1 обозначены соответтвенно реальные и мнимые части спекральных оценок. Схема и естного устройства построена точном соответствии с выражениями (2) и (3) и поэтому использует четыре умножителя. Однако это не самое экономичное рещение. Ойцеизвестно, что уможители сложнее сумматоров на кодовый порядок, т.е., если, например, разрядность кодов равна 16 (типичный случай), для построения однотактового умножителя потребуется 16 сумматоров, расположенных, лесенкой со сдвигом каждого последукяцего на разряд. Уменьшение количества

умножителей в схеме без ущерба дан быстродействия устройства приводит к существенному схемно-геоснояогическому упрощению анализатора.

Цель изобретения - упрощение устройства.

Указанная цель достигается тем, что в анализатор спектра Фурье, содержащий три блока умножения, первый блок памяти вход которого объединен с первым входом первогч5 блока вычитания и является информационным вэсодом анализатора, второй ЕЖОД первого блока вычитания подключен к выходу первого блока памяти, а выход первого блока вычитания пошсп.ючен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго блока памяти, первые входы первого и второго блоков умножения подключены соответственно к.пе даому и второму вхсьдам опорного гармонического сигнала ана лизатора, вторые входы первого и второго блокав умножения соединены соответственно с в&1ходами первого сумматора и третьего блока памяти, выходы первого и второго блоков умножения подключены к первым входам второго блока вычитания и второго сумматора, выходы которых соединены соответственно с входами второго и третьего блоков памяти, введены третий блок вычитания и третий сумматор, входы которого подключены соответственно к первому и второму тригонометрическим входам анализатора, а выход - к первому входу третьего блока умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего блока вычитания, входы которого подключены соответственно к выходу первого сумматора и третьего блока памяти, выход третьего блока умножения подключен к вторым входам второго сумматора и второго блока вычитания.

На чертеже показана схема устройства,

Анализатор содержит сумматор 1 и 2 соответственно первый и второй, вы- читатели 3 и 4 соответственно первый и второй, умножители 5-7 соответственно первый, второй, третий, блоки 8 - 10 памяти соответственно первый, второй, третий, третий сумматор 11 i третий вычитатель 12, вхопы 13 и 14 опорно.го сигнала соответственно первый и второй. .

Устройство работает следующим образом .

В блок 10 памяти заносятся отсче ты входного сигнала, поступающие на вход устройства от АИП (не показано). Блок 10 представляет собой линию задержки чисел на N тактов: запись операнда .. сопровождается выдачей из блока 10 значения f,. Рычит ат ель 3 формирует разность (f -), добавляемую В сумматоре 1 к величине е вызываемую из блока 10 памяти. Полученная сумма С Ре С f N о) - подается в умножтель 5.

В отличие от известного устройства компенсирукщий вектор подается в предлагаемое устройство следунлцим образом: на первый тригонометрический вхоД 13 из таблишой памяти анализатора (не показана) выводится величина

(4).

CC,p)tS(P)A,

на второй тригонометрический вход

ВЫВООТ ТСЯ

fp)

Ж

:(

inr

coft - pP-siKi

сс,р)-ч.р)--в

ъ

соответствии с этим умножитель вырабатывает произведение

lReFp(«N-to)A

(6)

Блок 9 памяти работает синхронно и в одном адресном режиме с блоком 1О выдавая мнимую, часть I уу, Fp ксАшлексноЙ оцешш в умножитель 6, вырабатываюощй произведение

(7) .

На третий умножитель 7 подаются вели SJC

чина Cos-j p., выделенная сумматоре 11, и разность

i eFp4f«-fo) (о)

полученная вычитателем 12 (следует заметить, что для получения на выходе сумматора 11 величины С ( доста точно относить разряд переполнеяня, так как непосредственное суммирование выражений (4) и (5) дает удвоенное 31;ачение косинуса).

На выходе умножителя 7 офаауется п роизведени

)-3vr..f5: (9)

Коды выражений (9) и (7) подаются в сумматор 2, на выходе которюго образу ется новая оценка реальной части р : комплейсной спектральной компоненты 7.9 VT--I efp- C N-fo)-3vY. ,Т:р в--1ЛеРр м- о)И,Р)г -DniFpl6C,P),(10) что идентично выражению (2). Коды выражений (6) и (9) подакггся в вычитатель 4, формирующий на своем выходе новую оценку мнимой части 1 FP комплексной спектральной компонентыыРрЧ еРрЧ1м-«о)ЗЛЧЯеРр t(«M-io)-3«, cu,P)i:«.)5aP)t + n.Fp3cu,p), ,,, что идентично выражению (3). Полученные оценки Rg Fp и 1,Р подаются на запись в блоки 10 и 9 памяти соответственно. Описанным выше способом можно обработать большое количество спектральных оценок. Например, для врюмени обработки одной компоненты 0,5-1 мне и периода дискретизации входного сигнала 20 МКС (при анализе в реальном времени сигналов частотой до 20 кГц) количество таких компонентов сосгавляет соответственно 40-2О. Предлагаемое устройство содержит на два сумматора (сумматор плюс вычи татель) больше, чем известное, рднако экономия на одном умножителе,, цпя построения которого при 16-разрядной сетке вьгчиспений потребовалось бы 16 сумматоров, проводит, таким образом, в целом к экономии 14 сумматоров при реализации анализатора по предлагаемой схеме. Формула изобретения

Анализатор спектра Фурье, содержащий три блока умножения, первый блок памяти, вход которого объединен с пер2. Авторское свидетельство СССР № 560232, кл. G01- R 23/00, 1975 (прототип). 0 вым входом первого блока вычитания и является информационным вхоцом анализатора, второй вход первого блока вычитания подключен к выходу первого блока памяти, а выхо д первого блока вычитания пооключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго блока памяти, первые входы первого и второго блоков умножения подключены соответственно к первому и второму входам опорного гармонического сигналл анализатора, вторые входы первого и второго блоков умножения соединены соответственно с выходами первого сумметора и третьего блока памяти, выходы первого и второго блоков умножения П -;ключены к первым входам второго блоь вычитания и второго сумматора, выход;которых соединены соответственно с входами второго и третьего блоков памяти, отличающийся тем, что, с целью упрощения, в анализатор введены третий блок вычитания и третий сумматор, входы которого подключены соответственно к первому и второму тригонометрическим входам анализатора, а . выход - к первому входу третьего блока умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего блока вычитание, входы которого подключены соответственно к ВЫХОДУ первого сумматора и третьего блока памяти, выход третьего блока умножения подключен к вторым входам второго сумматора и второго блока вычитания. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США № 3778606, °,кл- 01 R 23/00, опубпик. 1972.