Цифровой анализатор спектра Советский патент 1982 года по МПК G06F17/14 G01R23/00 

( ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА

1

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в аппаратуре, осуществляющей спектральную обработку электрических сигналов в реальном масштабе времени.

Известны цифровые устройства, .осуществляющие спектрал1гную обработку электрических сигналов в реальном масштабе времени по алгоритмам быстрого преобразования Фурье (БПФ). Эти устройства содержат либо один узел БПФ, состоящий из запоминающих блоков, сумматоров и умножителей, либо несколько одинаковых узлов БПФ, соединенных параллельно или последовательно.

Известно устройство, реализующее алгоритм БПФ на большое число входных отсчетов, работающее в реальном масштабе времени, содержащее несколько одинаковых параллельно соединенных узлов БПФ, каждый из которых состо.ит из запоминающих блоков, арифметического блока, блока хранения коэффициентов БПФ и коммутаторов l.

Недостатком этого устройства является большой объем аппаратуры, в случае, когда на вход устройства поступает большой объем входной информации, а на выходе требуется получить небольшое число выходных значений, а также невысокая частотная избирательность фильтров, реализуемых с помощью алгоритма БПФ.

Объем аппаратуры устройства-прототипа зависит от числа входных выборок N: чем больше N, тем большее количество узлов БПФ должно быть в устройстве-прототипе при работе в реальном масштабе времени.

Известно устройство, содержащее блок преобразования. Фурье, два выхода которого через квадраторы соединены со входом сумматора, выход которого соединен с линейным или нелинейным регистратором 2.j

Недостаток устройств связан с недостаточной разрешающей способностью .устройства. 397 Целью изобретения является величение разрешающей способностиv Поставленная цель достигается тем, что в цифровой анализатор спектра, содержащий блок быстрого преобразования Фурье, два выхода которого подключены соответственно ко входам первого и второго квадраторов, выходы ко торых соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого подключен ко входуfблока извлечения квадратного корня, введены преобразователь частоты, блок цифровой фильтрации и блок весовой обработки, пер-вый и второй выход которого соединены соответственно с первым и вторым входами блока быстрого преобразова ния Фурье, первый и второй входы преобразователя частоты являются соответственно первым и вторым входами цифрово го анализатора спектра, два выхода преобразователя частоты подключены соответственно к первому и второму входам блока цифровой фильтрации, выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами блока весовой обработки. Второе отличие цифрового анализаfopa спектра состоит в том, что преоб разователь частоты содержит четыре блока умножения, два сумматора и блок памяти, первый выход которого соединен с первыми входами первого и четвертого блоков умножения, второй выход блока памяти подключен к первым входам второго и третьего блоков умножения, вторые входы первого и треть его блоков умножения объединены и являются первым входом преобразователя частоты, вторым входом кото|:юго являются вторые входы второго и четвертого блоков умножения, входы первого сумматора соединены соответственно с выходами первого и второго блоков умножения, входы второго сумматора подключены соответственно к выходам третьего и четвертого блоков умножения, выходы сумматоров являются соответственно первым и вторым выходами преобразователя частоты. Третье отличие цифрового анализато ра спектра состоит в том, что блок ве СОВО1Й обработки содержит блок памяти и два блока умножения, первые входы которых являются соответственно первым и вторым входами блока весовой обработки, выходами которого являются соответственно выходы блоков умножения, вторые входы которых подключены к выходу блока памяти. Четвертое отличие цифрового анализатора спектра состоит в том, что блок цифровой фильтрации содержит блок памяти и два фильтра нижних частот, каждый из которых содержит блоки умножения, накапливающие сумматоры и коммутатор, выход которого является соответствующим выходом блока цифровой фильтрации, входами которого являются соответственно объединенные первые входы блоков умножения первого и второго фильтра нижних частот, вторые входы одноименных блоков умножения первого и второго фильtpoв нижних частот соединены с соответствующими выходами блока .памяти, выходы блоков умножения каждого из фильтров нижних частот через соответствующие накапливающие сумматоры соединены с соответствующими входами коммутатора. Узел цифровой фильтрации состоит из двух одинаковых фильтров нижних частот (ФНЧ),.каждый из которых содержит несколько умножителей и соединенных с каждым из них последовательно накапливающих сумматоров, выходы которых соединены с коммутатором. С помощью узла цифровой филЬтрации осуществляется сужение полосы частот входного комплексного процесса до величины, равной зоне анализа. За счет этого число выборок, поступающих на вход узла БПФ, может быть сокращено В - раз, что позволяет обрабатывать bt . . в реальном масштабе времени поступающую с выходов ФНЧ информацию С помощью одного узла БПФ, в то время, как в устройстве-прототипе для этого требуется несколько узлов БПФ. Узел весовой обработки состоит из двух умножителей и блока хранения весовых коэффициентов и предназначен для умножения выборок, поступающих с выходов ФНЧ, на весовую функцию, что обеспечивает формирование требуемой формы амплитудно-частотной характеристики фильтров анализатора спектра. Преобразователь частоты состоит из четырех блоков умножения, двух сумматоров и блока хранения комплексных гармонических коэффициентов, и осуществляет перенос спектра входного процесса в область йижних частот путём перемножения входных комплексных .отсчетов сигнала с комплексными коэффициентами, представляющими собой выборки из двух ортогональных гармонических колебаний ожидаемой частрты. На чертеже показана блок-схема ана лизатора. Устройство состоит из последовате льно соединенных между собой преобра зователя частоты 1, блока цифровой фильтрации 2, блока 3 весовой обрабо ки, блока быстрого преобразования Фурье и блока 5 детектирования, блок 2 содержит два фильтра 6 нижних част Преобразователь частоты содержит четыре блока умножения 7, два сумматора 8 и блок памяти 9 для хранения комплексных . гармонических коэффициентов. Блок цифровой фильтрации 2 состои из блоков 10 умножения, накапливающи сумматоров 11, блока памяти 12 для хранения коэффициентов ФНЧ, коммутаторов 13- Блок весовой обработки 3 содержит два блока умноже ния Ц и блок памяти 15 для хранения весовых коэффициентов. Блок k БПФ содержит коммутатор 16, блоки памяти 17 и 18, коммутатор 19. арифметический блок 2 и блок памяти 21 для хранения коэффи циентов БПФ, блок памяти 22. Блок де тектирования 5 состоит из двух квадраторов 23, сумматора 2k и узла извл чения квадратного корня 25. Цифровой анализатор спектра работ ет следующим образом. На вход устройства с тактом Т по ступают комплексные выборки Xgv(0 хвхс() () входного процесса соответственно на косинусный и синус ный входы преобразователя частоты. Алгоритм работы преобразователя частоты -лшвТк х (1) хв(1)-е х (1)комплексная выборка на выходе преобразователя частоты-, номер выборки; центральная частота зоны анализа. О -дт Тц- соответственно частота и такт квантования входного комплексного процесса. Обычно для комплексного процесса с целью уменьшения эффекта наложения спектров сигналов из-за временной дискретизации частота Гц берется в с(,ра . 6 больше половины полосы частот входного процесса дР, т.е. FK O Косинусные составляющие входных выборок 1) поступают на первые входы первого и третьего блоков умножения 7, синусные ) ч первые входы второго и четвертого блоков умножения 7. Из блока памяти 9 комплексных гармонических коэффициентов с тем же тактом Тк выбираются соответствующие значения функции g , которые поступают на вторые входы соответствующих блоков умножения 7 для выполнения операции умножения двух комплексных чисел. С выходов первого и второго блоков умножения 7 информация поступает на входы первого сумматора 8, на выходе которого полумается косинусная составляющая выборки х(1), а с выходов третьего и четвертого блоков умножения 7 информация поступает на входы второго сумматора 8, на выходе которого получается соответственно синусная составляющая выборки Х5(1). Две квадратурные составляющие преобразованного сигнала х (1)с тем же тактом Т поступают на вход узла цифровой фильтрации 2, работающего по следующему алгоритму а Э- (4,) Г ()fCiV, где x(f,) - комплексная выборка сигнала на выходе узла цифровой фильтрации 2; h(i) - весовая функция фильтров нижних частот 6; j - номер числа среди выбранной последовательности чисел;I - порядок (кратность) перекурсивного ФНЧ 6, п - номер отсчета с выхода ФНЧ q - коэффициент време.нного разрежения выходной информации; Тс . , Т - такт съема информации с выхода ФНЧ 6. Число умножителей ЮМ и связанных ними накапливающих сумматоров 11 в аждом ФНЧ 6 определяется из соотноения Та ы ТГ де длительность весовой функции ФНЧ.

Косинусная составля1ощая сигнала х ( 1) поступает на первые входы всех М блоков умножения 10 первого фильтра 6 нижних частот, синусная - второго. Одновременно с ними на вторые входы блоков умножения 10 поступают из блока памяти 12 коэффициентов соответствующие значения функции h(i-ma), где т 0-М-1; m - номер блока умножения в каждом фильтре нижних Мастот.

С выходов блока умножения 10 информация поступает на входы накапливающих сумматоров 11, где копится в течение тактов, после чего считывается на выход блока 2 с помощью коммутатора 13, который последовательно во вре мени с тактом Т, подключает выходы накапливающих сумматоров 11 к выходу блока 6, После съема информации с соответствующего накапливающего сумматора 11 цикл работы каждого блока умножения 10 и накапливающего, сумматора 11 повторяется.

С помощью обоих фильтров 6 полоса пропускания каждого из которых выби-. рается равной половине полосы анализа, происходит сужение полосы частот входного процесса до величины, равной зоне анализа. Засчет этого частота съема информации с фильтров 6 может быть взята равной F. . Таким образом, на выходе каждого филь тра 6, т. е. на выходе коммутаторов 13(Информация получается разреженной по отношению к входной в дР/дРа раз, , что позволяет во столько же раз уменьшить число отсчетов, поступающих на вход блока k, и тем самым сократить объем обрабатываемой им информации.

Разреженная информация с выходов УЦФ 2 поступает на входы 3, работающего по следующему алгоритму

x(h)A(h)C(n), где С (п) - действительные выборки из

весовой функции.

В блоке 3 происходит умножение комплексных выборок х(п) , поступающих на блоки умножения И на действительную весовую функцию С (п), коэффициенты которой хранятся в блоке-памяти 15Это обеспечивает получение требуемой формы амплитудно-цастотной характерис тики фильтров спектроанализатора.

С выхода блока 3 .весовой обработки взвешенные выборки х(п) поступают на вход блока А БПФ, работающего по алгоритму

W,-1

-Шг

y().

где k номер выходного отсчета;

номер входного отсчета; п N

количество поступающих на вход

узла БПФ комплексных выборок; y(k)- комплексная выборка на выходе

k-ro фильтра.

Входная информация поступает на входы коммутатора 16, вторая пара входов которого соединена с выходом арифметического блока 20, осуществляющего в соответствии с алгоритмом БПФ реализацию элементарной операции над двумя точками, поступающими через коммутатор 19 на арифметический блок 20 с одного из блоков памяти 17 и 18 или 22 в зависимости от ноиера. выполняемой операции. На вторые входы арифметического блока 20 с выхода блока хранения комплексных коэффициентов БПФ 21 поступают соответствующие значения функции.

С выхода блока БПФ Ц выходные от- счеты y{k) последовательно поступают на вход блока детектирования 5, реа.лизующего следу|г щий алгоритм:

S(k) iy2(k) - y|(k) где yc(k) - JYsCk) y(k)

S(k) - значение огибающей на выходе k-го филь-тра.

и VgCk) поступают на входы соответствующих квадраторов 23, с выходов которых y(k) и yc(k) поступают на входы, сумматора 2ч, с выхода которого полученная сумма поступает на вход узла извлечения квадратного корня 25Оценку технико-экономической эффективности применения предложенного устройства по сравнению с устройствомпрототипом целесообразно проводить, исходя из условия решения ими одной и той же задачи.

Требуется построить анализатор спектра на основании следующих исходных данных: полоса частот входного комплексного процесса uf, соответственно частота квантования Р(, полоса анализалРа, длительность весовой функции фильтров анализатора спектра Тф, период спектрального анализа Ted. Можно показать, что применение описанного устройства более экономично для зоны анализа меньшей полосы частот входного комплексного процесса более чем в два раза.

Формула изобретения

Цифровой анализатор спектра, содержащий блок быстрого преобразования Фурье, два выхода которого подключены соответственно ко входам первого и второго квадраторов, выходы которых соединены с соответствующими входами г.умматора, выход которого подключен .ко входу блока извлечения квадратного корня, отл.и чающийся тем что, с целью увеличения разрешающей :;пособности, в него введены преобразователь частоты, блок цифровой фильграции и блок весовой обработки, первыи и второй выход которого соединены соответственно с первым и вторым входами блока быстрого преобразования Фурье, первый и второй входы преобразователя частоты являются соответственно первым и вторым входами цифрового анализатора спектра, два выхода преобразователя частоты подключены со ответственно к первому и второму входам блока цифровой фильтрации, выходы которого соединены Соответственно с первым и вторым входами блока весовой обработки. 2. Анализатор по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что преобразователь частоты содержит четыре блока умножения, два сумматора и блок памяти, пер вый выход которого соединен с первыми входами первого и четвертого блоков умножения, второй выход блока памяти подключен к первым входам второго и третьего блоков умножения, вторые входы первого и третьего блоков умножения объединены и являются первым входом преобразователя частоты, вторым входом которого являются вторые входы второго и четвертого блоков умножения, входы первого сумматора соединены соответственно с выходами пер вого и второго блоков умножения, входы второго сумматора подключены соответственно к выходам третьего и четвертого блоков умножения, выходы сумматоров являются соответственно первым и вторым выходами преобразователя частоты. 3. Анализатор по пп. 1 и 2, о т личающийся тем, что блок весовой обработки содержит блок памяти и два блока умножения, первые входы которых являются соответственно первым и вторым входами блока весовой обработки, выходами которого являются соответственно выходы блоков умножения, вторые входы которых подключены к выходу блока памяти. . Цифровой анализатор спектра по пп. 1-3, отличающийся тем, что блок цифровой фильтрации содержит элок памяти и два фильтра нижних частот, каждый из которых содержит блоки умножения, накапливающие сумматоры и коммутатор, выход которого является соответствующим выходом блока цифровой фильтрации, входами которого являются соответственно объединенные первые входы блоков умножения первого и второго фильтров нижних частот, вторые входы одноименных блоков умножения первого и второго фильтров нижних частот соединены с соответствующими выходами блока памяти, выходы блоков умножения каждого из фильтров нижних частот через соответствующие накапливающие сумматоры соединены с соответствующими входами коммутатора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Авторское свидетельство СССР № 660057, кл. G 06 F 15/332, 19792.Мирский Г. Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. М., Энергия, 1972, с. 259 2бГ (прототип).