Устройство для определения спектра Советский патент 1982 года по МПК G06F17/14 G01R23/16 

Изобретение относится к специализированной аналого-цифровой вычислительной технике, предназначенной для определения статистических характеристик случайных сигналов, и может быть использовано в радиотехнике электросвязи и измерительной технике для определения спектральных характеристик случайных сигналов в реальном масштабе времени. Известно устройство для преобразования корреляционной функции в спектр мощности, (Содержащее блок вычисления корреляционной функции, сумматор, пер вый и второй электронные переключатели, счетчик ординат, триггер, блок запоминания и блок вычисления и вывода спектра Г1 Недостатком такого устройства является низкое быстродействие, что обусловлено выполнением операции умно жения многоразрядных чисел в блоке вычисления корреляционной функции, а также в блоке вычисления и вывода спектра. Вследствие этого устройство выделяет только одну составляющую спектра входного сигнала за один цикл работы и не может быть использовано для определения спектра в реальном масштабе времени. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для выполнения преобразования Фурье, содержащее генератор тактовых импульсов, генератор псевдослучайных чисел, блок формирования,стробимпульсов, блок памяти, блок задания.входной информации, вход которого является входом устройства, две группы шифраторов (число которых в каждой группе равно количеству частот анализа), две группы блоков суммирования-вычитания, два регистра промежуточных коэффициентов и два вычислительных блока, входы и выходы которых являются выходами устройства. В этом устройстве отсчеты стохастически дискретизованного сигнала умножаются на отсчеты прямогоульных фильтрующих функций, а полученные оценки в базисе этих функций пересчитываются в тригонометрический базис в вычислительных блоках Г2. Недостатками известного устройства являются низкое быстродействие и конструктивная сложность, обусловленные тем, что для выделения каждой составляющей спектра сигнала,необходимо использовать две ортогональные фильтрующие функции, что приводит к необходимости иметь две группы шифраторов, две группы блоков суммированиявычитания, два регистра промежуточных коэффициентов и два вычислительных блока, а также необходимость дополнительных вычислительных операций для вычисления спектральных оценок по оценкам коэффициентов Фурье. Особенно сильно эти недостатки проявляют ся при большом количестве исследуемых частот. Целью изобретения является повышение быстродействия и упрощение уст- 25

ройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения спектра, содержащее цифро-аналоговый преобразователь, выход которого соединен JQ с первым входом блока квантова|ния, второй вход которого является входом устройства, к управляющему входу блока квантования подключен выход блока формирования стробимпульсов, вход которого соединен с выходом генератора псевдослучайных чисел, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выход генератора псевдослучайных чисел подключен к ад- ресному входу блока памяти, выходы которого подключены к первым входам соответствующих шифраторов, число-которых равно количеству частот анализа, выходы шифраторов подключены к управляющим входам соответствующих блоков суммирования - вычитания, выходы которых подключены к соответствующим входам регистра промежуточных коэффициентов, выход которого является первым выходом устройства и подключен к входу вычислительного блока, выход которого является вторым выходом устройства введены регистр сомножителя, первый, второй и третий блоки умножеЦия и сумматор, выход генератора псевдослучайных чисел подключен к входу цифро-аналогового преобразователя и к первым входам регистра сомноль, что упрощает устройство, исключая одну группу шифраторов, одну группу блоков суммирования - вычитания, а также один регистр промежуточных ножителя и первого блока умножения, выход блока квантования подключен к второму входу регистра сомножителя и к первым входам второго и третьего блоков умножения, первый выход регистра сомножителя подключен к второму входу третьего блока умножения, второй выход регистра сомножителя подключен к вторым входам первого и второго блоков умножения, выходы блоков умножения подключены к соответствующим входам сумматора, знаковый выход которого соединен с вторыми входами шифраторов, а информационный выход сумматора подключен к информационным входам блоков суммирования - вычитания. Такая структура устройства позволяет получить на выходе сумматора оценки корреляционой функции сигнала. Так как корреляционная функция является четной функцией, то нет необходимости умножать ее на нечетные фильтрующие функции, так как эти умножения заведомо дaюt в результате коэффициентов и один из вычислительных блоков. На выходе вычислительного блока, и регистра промежуточных коэффициентов могут быть подключены сразу значения спектральной плотности мощности как дискретное косинус преобразование корреляционной функции и нет необходимости эти значения вычислять по коэффициентам Фурье, т.е. сокращается количество операций умножения на 2 п (п - количество частот анализа). Это повышает быстродействие устройства. На чертеже показана блок-схема предлагаемого устройства. Входом 1 устройства является первый информационный вход блока 2 задания входной информации, который состоит из блока 3 квантования, и цифро-аналогового преобразователя А. Входом 1 устройства является первый информационный вход блока 3 квантования , второй информационный вход которого подключен к выходу цифроаналогового преобразователя k. Выход генератора 5 тактовых импульсов через последовательно соединенные генератор 6 псевдослучайных чисел и блок 7 формирования стробимпульсов подклю чен к управляющему входу блока 3 59 квантования. Выход генератора 6 псев дослучайных чисел подключен также к входу цифро-аналогового преобразрвателя 4, к первому входу регистра 8 сомножителя и первого блока 9 умноже ния и к адресному входу блока 10 памяти. Выход блока 3 квантования подключен к второму входу регистра 8 со ножителя и к первым входам второго (11) и третьего (12) блоков умножения. Первый выход регистра 8 сомножи теля подключен к второму входу третье го блока 12 умножения, второй выход регистра 8 сомножителя подключен -к вторым входам первого 9 и второго 11 блоков умножения. Выходы всех трех блоков 9, 11 и 12 умножения подключены к соответствующим входам сумматора 13. Выходы блока 10 памяти подключены к первым входам п шифраторов Н вторые входы которых подключены к зна ковому выходу сумматора 13. Выходы шифраторов подключены к управляющим входам соответствующих блоков 15 суммирования-вычитания, информационные входы которых подключены к информационному выходу сумматора 13. Выходы блоков 15 подключены к входам регистра 16 промежуточных коэффициентов, выход регистра 16 промежуточных I коэффициентов подключен к входу вычис лительного блока 17, вход и выход которого являются выходами 18 и 19 устройства. Устройство работает в два этапа. На первом этапе в блоках 15 накапливаются значения спектральной плотности мощности в базисе прямоугольных фильтрующих функций. В конце этого этапа информация с блоков 15 переписывается в регистр 16 промежуточных коэбОициентов, блоки 15 обнуляются, и начинается новый этап накопления промежуточных значений спектральной плотности мощности. На втором этапе производится вычисление в вычислительном блоке 17 оценок спектральной плотности мощности в тригонометрическом базисе по значениям оценок спектральной плотности мощности в базисе прямоугольных фильтрующих функций. Исследуемый непрерывный сигнал .поступает на аналоговый вход 1 устройства, который является первым информационным входом блока 3 квантования Последовательно соединенные генераiTop 5 тактовых импульсов, генератор 6 псевдослучайных чисел и блок 7 фор19-«мирования стробимпульсов формируют стробимпульсы, которые на временной оси образуют стационарный случайный пото-к с ограниченным последствием, Эти импульсы подаются на управляющий вход блока 2 задания. С помощью этих импульсов выполняется стохастическая дискретизация входного сигнала. С помощью цифро-аналогового преобразователя k псевдослучайная последовательность на выходе генератора 6 псевдослучайных чисел преобразовывается в аналоговую форму и подаете на второй информационный вход блока 3 квантования. Эта величина используется в качестве опорной величины для квантования. Блок 3 квантования прсизводит грубое стохастическое кванг тование входного сигнала. При этом оценка значения входного сигнала в k-й момент дискретизации определяется по формуле где &J; - псевдослучайная величина на выходе генератора 6 псевдослучайных чисел, paBHoTiepHO распределенная в интервале Г-±. . Ч 1 aJ Пц - малоразрядная оценка значения входного сигнала на выходе блока 3 квантования. Время накопления значений спектра разделяется на циклы, в пределах которых оценка первого значения входного сигнала в цикле умножается на все другие оценки входного сигнала этого цикла для получения оценок корреляционной функции сигнала. Регистр 8 сомножителя запоминает значения оценок входного сигнала в первой точке дискретизации каждого цикла, через каждые N точек дискретизации содержимое регистра 8 сомножителя обновляется. Оценки корреляционной функции сигнала при временном сдвигеu f, между п-й и первой точками дискретизац и i-ro цикла определяются по формуле . ,),i., . Необходимые операции умножения, обусловленные применением такой оценки, выполняют первый 9, второй 11 и третий 12 блоки умножения, а на вы9ходе сумматора 13 формируются оценки корреляционной функции сигнала для каждого момента дискретизации. Вследт ствие того, что оценка входного сигна ла на выходе блока 3 квантования является малоразрядной, операции умножения в блоках 3, 11 и 12 выполняются в виде логических операций над сомножителями. Логический уровень, соответствующий знаку текущего значения оценки корреляционной функции в момен дискретизации с выхода знакового разряда сумматора 13, поступает на первые входы шифраторов 14, на вторые входы которых поступают считываемые коДом псевдослучайного числа с блока 10 памяти соответствующие данному,моменту дискретизации значения кодов фильтрующих функций. При совпадении в момент дискретизации знаков исследуемого сигнала и фильтрующей функции на выходе шифраторов 1А формирует ся код, разрешающий выполнение в соот ветствующем блоке 15 суммирования-вычитания операции сложения, при несовпадении знаков - код, разрешающий выполнение операции вычитания. При поступлении на второй вход шифраторов 14 крда, соответствующего нулевому значению фильтрующей функции, на выходе формируется код, запрещс1ющий выполнение операции, при этом оценка корреляционной функции для данного момента дискретизации не учитывается, В результате этих действий после М циклов определения оценок корреляцион ной функции входного сигнала в блоках 15 оказываются накопленными оценки спектральной плотности мощности в базисе выбранных фильтрующих функций М Г N ;()Кф2- )2i:.K,tr.g. c(f,), где Кф - коэффициент, зависящий от формы фильтрующей функ ции; Kxuf) оценка дисперсии сигнала в i-M цикле;

.Л

a;(i.f).i::. ,(,-.f,ecAH,|Jpj

С(

G(i.f).ecAv, J,

где II - целая часть выражения в скобках.

Как видно из этой формулы, часть значений спектральной плотности мощ9Kj(tJ,j) - оценка корреляционной функции при сдвиге 4j,j, ,-i - временной сдвиг между Ь-м и первым моментом дискретизации i-ro цикла; RC, (, Т;,)- значение фильтрующей функ ции частоты f в li-й момент дискретизации 1-го , цикла; t - средний шаг дискретизации; q, - шаг квантования. , По окончании М циклов определения оценок корреляционной функции производится перезапись промежуточных значений спектральной плотности мощности в базисе выбранных фильтрующих функций из блоков 15 суммирования вычитания в регистр 16 промежуточных коэффициентов, после чего блоки 15 обнуляются, и начинается новый этап накопления значений спектра. Если в качестве фильтрующих выбрать функции вида f1, если cos7Jf ft О -1 , если cos 2л f t О , огда промежуточные значения спе1 тальной плотности мощности пересчитыаются в тригонометрический базис в ычислительном блоке 17 по формуле СО и (1л)б (). где 4f ., - минимальный шаг по частоте определения значений спектральной плотности мощности; Аср средняя частота дискретизации. При условии отсутствия во входном сигнале частот выше частоты среза f {.р/2, значения -спектральной плотности мощности в тригонометрическом базисе G ,( () рассчитываются через промежуточные значения спектральной плотности мощности в базисе выбранных фильтрующих функций GQJ. (i 4f) по формулеНОСТ.И GX () с индексами от (Г NM Т1INM |-g-jH до - формируется сразу в сумматорах-вычитателях 15 и подается на первый выход 18 устройства без дополнительного пересчета. Остальные значения получаем на втором выходе 19 устройства после пересчета в вычис лительном блоке 17. Таким образом, на выходах устройства получаем сразу значения спектральной плотности мощности сигнала. Формула изобретения Устройство для определения спектра, содержащее цифро-аналоговый преобразователь , выход которого соедине С первым входом блока квантования, второй вход которого является входом устройства, к управляющему входу блока квантования подключен выход блока формирования стробимпульсов, вход которого соединен с выходом генератора псевдослучайных чисел, вход которого соединен с выходом генерато ра тактовых импульсов, выход генератора псевдослучайных чисел подключен к адресному входу блока памяти, выходы которого подключены к первым входам соответствующих шифраторов, число которых равно количеству частот анализа, выходы шифраторов подключены к управляющим входам соответствующих блоков суммирования-вычитания, выходы которых подключены к соответствующим 9 910 входам регистра промежуточных коэффициентов, выход которого является первым выходом устройства и подключен к входу вычислительного блока, выход которого является вторым выходом устройства , отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия и упрощения устройства, в него введены регистр сомножителя, первый, второй и третий блоки умноже ния и.сумматор, выход генератора псевдослучайных чисел подключен к входу цифро-аналогового преобразователя и первым входам регистра сомножителя |1 первого блока умножения, выход блока квантования подключен к второму входу регистра сомножителя и к первым входам второго и третьего блоков умножения, первый в ;; од регистра сомножителя подключен к второму входу третьего блока умножения, второй выход регистра сомножителя подключен к вторым входам первого .- и второго блоков умножения, выходы блоков умножения подключены к соответствующим входам сумматора, знаковый выход которого соединен с вторыми входами шифраторов, а информационный выход сумматора подключен к информационным входам блоков суммирования-вычитания. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 532100, кл. G 01 R 23/16, 1975. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке f. 29 43590/18-2, кл. С 01 R 23/16.(прототип).

rri

I I I.I