Цифровой анализатор фазового кепстра Советский патент 1982 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к цифровым радиотехническим устройствам, позволяющим повысить разрешение перекрывакнцихся во времени сигналов и точность измерения относительного временного сдвига этих сигналов, в. частности в радиотехнических установках различного назначения, в которых информация об измеряемом параметре заложена во взаимном временном сдвиге составных частей ( элемеН тарных сигналов ) принимаемого сигна- . ла при практически любом соотношении амплитуд и любой, близкой у всех элементарных сигналов форме, а именно в обзорных импульсных радиолокаторах, импульсных радиовысотомерах для измерения с воздуха толщины земных покровов (толщины льда и других геологических образований ), системах обработки сейсмических данных и т.д.

Известен цифровой анализатор кепстра, содержащий пепетрумпроцессор мощности или кокшлексного спектра II.

Указанное устройство сложно и имеет недостаточную точность.

Известен также анализатор содержащий аналого-цифровой преобразователь щп), основной процессор быстрого преобразования Фурье, входом подключенный к выходу АЦП, вещественный и мнимый выходы которого подключены ко входам вычислителя квадрата модуля отсчетов спектральной функции, процессор обратного &лстрого преобразования Фурье. Выход вычислителя квадрата модуля подключен ко входу блока логарифмирования,

10 а выход блока делення подключен ко входу блока вычисления арктангенса. К выходу блока вычисления арктангенса подключен блок развертываний аргумента фазы спектральной функции.Выход

15 блока развертывания соединен со входом блока оценки и исключения линейной фазовой компонент1 (ЛФК). Выход блока логарифмирования и выход блока оценки и исключения ЛФК подключены

20 Кс1ждый к своему входу блока процессора обратного быстрого преобразова/ния Фурье 21.

Недостатком этого устройства является невозможность обеспечить без25ошибочное развертывание значения аргумента прежде всего в тех точках на оси частот, где модуль спектральной функции равен нулю (этим точкам соответствуют нули Z-преобразования входного сигнала) и вообще там

30 где уровень спектральной функции .ст .новится соизмеримым с , уровнем шумо Кроме того, на качество фазового кепстра оказывает влияние степень компенсации линейной компоненты.Нео ходимость оценивания и компенсации линейной .компоненты в аргументе спе тральной функции усложняет реализацию аппаратуры анализа фазового, а ;значит и комплексного кепстров, и уменьшает ее быстродействие. Целью изобретения является увели чение точности измерения относитель ного времени запаздывания импульсных сигналов произвольной, но одина ковой для всех сигналов формы. Поставленная цель достигается тем,что в цифровой анализатор фазово го кепстра,содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), основной процессор быстрого преобразования Фурье (БПФ), входом подключенный к выхо ду ЛЦП,вещественный(выход для отсч тов вецественной части спектральной функции)и мнимый(выход для отсчетов мнимой части спектральной функции),вы ходы которого подключены ко входам вычислителя квадрата модуля отсчетов спектральной функции, процессор обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ), введены первый счетчик, первый умножитель, один из выходов которого подключен ко входу основного процессова БПФ, а второй вход - к выходу первого счетчика, вспомогательный процессор БПФ, выход которого подключен к выходу пер вого умножителя, второй умножитель, один из входов которого ;подключен к мнимому выходу основного процессо ра БПФ, а второй вход - к мнимому выходу вспомогательного процессора БПФ, третий умножитель,.один из вхо дов которого подключен к веществен ному выходу основного процессора БПФ, а второй вход - к вещественн му выходу вспомогательного процессора БПФ, сумматор, один вход которого подключен к выходу второго умножителя, а второй вход - к выходу третьего умножителя, первый делитель, входом делимого подключен к выходу сумматора, а вход делителя к выходу вычислителя квадрата модуля отсчетов спектральной функции, запоминающий блок, вход записи которого подключен к выходу первого делителя, первый ключ, первый вход которого подключен также к выходу первого делителя, второй вход - к выходу считывания запоминающего бло ка, а выход - ко входу процессора ОБПФ, второй ключ, выходом подключенный ко входу управления делением первого делителя, а также ко вхо ду управления записью, запоминающего блока, логический элемент ариф метического сравнения, первый вход которого подключен к выходу вычислителя квадрата модуля отсчетов спектральной функции., а выход - ко входу управления считыванием запоминающего блока, ко входу управления первого и ко входу управления второго ключа, блок формирования кода опорного числа, задающего порог срабатывания элемента сравнения, выход которого подключается ко второму входу логического элемента арифметического сравнения, второй счетчик, второй делитель, вход делимого которого подключен к выходу процессора ОБПФ, а вход делителя - к в1ыходу второго счетчика, блок Управления, выходы которого подгключены ко входам синхронизации и управления.блоков цифрового анализатора фазового кепстра. На чертеже представлена блок-схема цифрового анализатора фазового кепстра. Цифровой анализатор фазового кепстра содержит блок 1 АЦП, блок 2 основного процессора БПФ, вычислитель 3 квалрата модуля отсчетов спектральной функции, первый умножитель 4, первый счетчик 5, блок 6 вспомогательного процессора БПФ, второй умножитель 7, третий умножитель 8, сумматор 9, первый делитель 10, запоминающий блок 11, логический элемент 12 арифметического сравнения, блок 13 формирования кода опорного числа, первый ключ 14, второй ключ 15, блок 16 процессора ОБПФ, второй делитель 17, второй счетчик 18, блок 19 управления... Вход ЛЦП является входом цифрового анализатора. Выход второго делителя служит выходом цифрового анализатора. В цифровом анализаторе для получения фазового кепстра используется не аргумент спектральной функции, а его производная, которая вычисляется с помощью блоков 2 - 10.- Блоки 11-15 служат для ослабления влияния помех в фазовом кепстре, возникающих за счет нулей в спектральной функции,а блоки 16 - 18 осуществляют преобразование производной аргумента спектральной функции,в фазовый кепстр. Устройство работает следующим образом. На вход блока 1 АЦП поступает аналоговый сигнал D{t),который с помощью АЦП преобразуется в цифровой сигнал 3(пТ) в виде цифрового кода отсчетов входного сигнала, взятых через время Т. В дальнейшем полагаем для простоты . Сигнал j(n) подается на общий вход блоков 2 и 4. С помощью блока 2 вычисляется дискретная спектральная функция 5(к),которая представляется в виде цифрового кода вещественной RgS(K) и мнимой I м 5(К) части для каждого номера и последовательно поступает на вещественный Rg и мниNыйO выходы блока 2. Вычислитель 3 .вычисляет квадрат модуля для каждого комплексного отсчета спектральной функции (коэффициента Фурье) согласно выражению

S(K)(K) + 3j CS(K).

Одновременно происходит вычисление вещественной и мнимой частей функции й(К) с помощью блоков 4-6. Блок 4 на своем выходе формирует код произведения пО(п) для чего на один из его входов подается код выборок сигнала Э(п), а на другой - код текущего номера отсчетов входного сигнала п,формируемый счетчиком 5 с помощью тактовых импульсов запуска АЦП, поступающих с одного из выходов блока 19 ( выход q. Блок 6 формирует на вещественном выходе код Re Q(K) , а на мнимом выходе - код (К) . Блоки 7 и 8 умножения сумматора 9 и делителя 10 формируют код отсчетов производной аргумента спектральной функции 5(К) с обратным знаком в соответствии с выражением (8). При этом на выход блока 7 поступает код произведения J((K)-3uj S(K) ,а на выход блока-8 - соответственно код произведения R CQ(K)-Re tS(K) . С выхода сумматора 9 код суммы указанных произведений поступает на вход делимого блока 10. На вход делителя блока 10 подается код квадрата модуля отсчетов спектральной функции с илхода блока 3. Блок 10 первого делителя имеет вход управления делением, подключенный к выходу 2-го клча 15, при поступлении на управляющий вход 2-го ключа импульсов запрета деления от элемента 12 прекращается прохождение импул сов запуска на вход управления делением блока 10 Последний прекращает функционироват и на его выход код частотного, т.е. код отсчетов функции arg tS(K)}, не поступает. С выхода блока 10 код частного подается с одной стороны н вход запоминающего блока 11 для записи, а с другой через 1-й ключ 11 на вход 16 ОБПФ. Блок II запоминает

код числа, поступающий с выхода .блка 10, до прихода кода следующего числа, т.е. на время, пока не прекратится поступление импульсов запрета деления на управляющий вход 2-го ключа 15. Блок 11 имеет также вход управления записью,, куда подаются те же синхронизирующие импульсы, что и на вход управления делением в блоке 10 с выхода 2-го ключа 15. При поступлении импульса запрета деления на управлякиций вход 2-го ключа 15 этим же импульсом блок 11 переводится из режима Запись в режим Считывание. При этом на вых блока 11 поступает код последнего

числа, появившегося на выходе блока 10 перед началом сигнала запрета деления. Этот код подается на вход блока 16 через 1-й ключ 14 вместо кода с выхода блока 10. Импульсы запрета деления (они же импульсы считывания для блока 11 ) подаются на управляющий вход 1-ого ключа 14, обеспечивая его переключение из состояния, когда соединенными являются 1-ый вход и выход при отключенном 2-ом входе, в состояние, когда соединяются 2-ой вход с выходом, а 1-й вход отключается. Они формируются логическим элементом 12 сравнения, который вырабатывает эти импульсы в случае, когда квгщрат модуля отсчетов .спектральной функции становится меньше задаваемого схемой 13 в виде кода порргового значения U.

0 Блок 16 формирует код отсчетов функции п.ф(п) при п 1, 2,...,N/2 и Ф(0)0, который поступает на вещественный выход блока 16 и далее на вход делимого второго делителя 17. На

5 выходе блока 17 формируется код отсчетов фазового кепстра Ф(п) для чего на вход делителя этого блока поступает код текущего номера отсчетов фазового кепстра п с выхода 2-го

Q счетчика 18, кроме . При этом следует иметь D виду, что всегда Ф(0)0. Блок 18 управляется тактовыми импульсами, поступающими на управляющий вход блока 18 с одного из выходов

, блока 19 (выход КJ.

Использование новых элементов блоков 3-19 выгодно отличает предлагаемый анализатор фазового кепстра от известного, так как позволяет исключить необходимость /развертывания аргумента спектральной функции, оценки и компенсации линейной компоненты в аргументе, и уменьшить тем самым составляющие погрешности, обусловлен5 Hbie влиянием этих процедур, особенно . существенные в том случае, когда спектральная функция исследуемого сигнала имеет нули или сигнал обрабатывается вместе с шумами как внешним, так и

л внутренними из-за эффек.тов квантования. Кроме того, исключение указанных процедур позволяет увеличить быстродействие аппаратуры анализатора, что расширяет его возможности при работе

с быстроповторяющимися периодическими сигналами, например, в радиолокационной и гидролокационной аппаратуре, в высотомерах для измерения толщины земных покровов и т.д.

«О

Формула изобретения

Цифровой анализатор фазового кеп65 стра, содержащий аналого-цифровой

преобразователь, основной процессор быстрого преобразования Фурье, подключенный своим входом к выходу аналого-цифрового преобразователя., а i вещественным и мнимым выходами к входам вычислителя- квадрата модуля отсчетов спектральной функции,процессор обратного быстрого преобразования Фурье, отличающийс я тем, что, с целью увеличения точности измерения относительного времени запаздывания импульсных сигналов произвольной, но одинаковой для всех сигналов формы, в него введены первый счетчик,перилй умножитель ,. один из выходов которого подключен к входу основного процессора быстрого преобразования Фурье,а второй вход - к выходу первого счетчика, вспомогательный процессор быстрого преобразования Фурье, вход которого подключен к выходу первого умножителя, второй умножитель, один из входов которого подключен к мнимому выходу основного процессора быстрого преобразования Фурье, а второй вход - к мнимому выходу вмпо югательного процессора быстрого преобразования Фурье, третий умножитель, один из входов которого подключен к вещественному выходу основного процессора быстрого преобразования Фурье, а второй вход к вещественному выходу вспомогательного процессора быстрого преобразования Фурье, сумматор, один вход которого подключен к выходу второго умножителя, а второй вход - к выходу третьего умножителя, первый делитель, входом делимого подключенный к выходу сумматора, а входом делителя - к выходу вычислителя квадрата модуля отсчетов спектральной-функции,запоминаюпций блок, входом записи подключенный к выходу первого делителя, первый ключ, первый вход.которого также подключен к выходу первого делителя, второй вход - к выходу считывания запоминающего блока, а выход - к входу процессора обратного быстрого преобразования Фурье, второй ключ, выходом подключенный к входу управления делением первого делителя, а также к входу управления записью запоминающего блока, логический элемент арифметического сравнения, первым входом подключенный к выходу вычислителя квадрата, модуля отсчетов

5 спектральной функции, а выходом к входу управления считыванием запо-) минающего блока, к входу Управления первого ключа и к входу управления второго ключа, блок формирования кода опорного числа, выход которого подключен к второму входу логического элемента арифметического сравнения второй счетчик, второй делитель, входом делимого подключенный к выходу процессора обратного быстрого преобразования Фурье, а входом делителя - к выходу второго счетчика, блок управления, выходы которого подключены к входам синхронизации и управления блока анализатора фазового кепстра.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Чайлдерс Д. и др. Кепстр и его применение при обработке данных. Обзор ТИИЭР .т. 65, 1977, № 10,с.5-- . 10, 15-23.

2.Чайлдерс Д. и др. Кепстр и его применение при обработке данных. Обзор ТИИЭР, т.65, 1977, 10, с 8 0 10, рис. 1.