RU1803920C - Устройство дл вычислени спектра сигналов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к вычислительной технике, в частности к устройствам спектрального анализа сигналов, представленных в цифровой форме. Целью изобретени   вл етс  повышение точности вычислени  спектра сигналов. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройство, содержащее три коммутатора 6, три фильтра 7 промежуточной частоты, коммутатор 9, два фазовых детектора 10, два фильтра 11 нижних частот, два аналого-цифровых преобразовател  12, блок 13 дискретного преобразовани  Фурье, умножитель 14, три ключа4,20,23, блок 21 пам ти, счетчик 24 адресов, блок 22 посто нной пам ти, синхронизатор 27, формирователь 2 одиночных импульсов, генератор 5

Description

промежуточной частоты, три двоичных счетчика 1, 25, 26, дополнительно введены усилитель 8 промежуточной частоты, второй блок 16 пам ти, второй блок 17 посто нной пам ти, второй счетчик 19 адресов, два ключа 15, 18, соединенные в соответствии с временными диаграммами. Сущность изобретени  заключаетс  в том, что повышаетс  точность вычислени  спектра сигналов за счет повышени  точности вычислени  портрета АЧХ устройства. Это достигаетс  тем, что портрет АЧХ устройства в режиме работы с каждым из фильтров промежуточной частоты вычисл етс  за один период обработки одиночного радиоимпульса, а в отличии от устройства-прототипа собственна  неравномерность формы сплошного спектра основного лепестка тестового одиночного радиоимпульса корректируетс  с помощью обратной функции за тот же период записи портрета АЧХ. Форма спектра тестового радиоимпульса (и его обратна  функци ) получаетс  в результате обработки и записи его во второй блок пам ти в дополнительном предыдущем периоде обработки при прохождении радиоимпульса через усилитель промежуточной частоты в обход фильтров ПЧ. Обратна  функци  спектра формируетс  с помощью функционального ПЗУ второго блока посто нной пам ти. 2 ил.

Изобретение относитс  к области вычислительной техники, в частности к устройствам спектрального анализа сигналов, представленных в цифровой форме.

Целью насто щего изобретени   вл етс  повышение точности вычислени  спектра выходного сигнала.

Сущность изобретени  заключаетс  в том, что повышаетс  точность вычислени  спектра сигналов за счет точности вычислени  портрета АЧХ устройства. Это достигаетс  тем, что в отличии от прототипа из портрета АЧХ устройства исключаетс  собственна  неравномерность средней части основного лепестка спектра одиночного радиоимпульса при обработке за два соседних периода, следующих до режима коррекции.

Сначала в результате прохождени  радиоимпульса через УПЧ и ФНЧ (в обход фильтров ПЧ) получим после обработки в первом периоде произведение спектра радиоимпульса и формы АЧХ УПЧ и ФНЧ, т.е.

smx

А(х)упч А(Х)ФНЧ.

(П

Выбира  ширину полосы пропускани  АЧХ широкополосного УПЧ много больше ширины полосы пропускани  АЧХ устройства , можно пренебречь неравномерностью АЧХ УПЧ, т.е. А(х)упч 1.

Использу  в качестве фильтра нижних частот активный RC-фильтр нижних частот, можно получить практически равномерную АЧХ фильтра нижних частот, т.е. А(Х)ФНЧ ±11 в пределах полосы пропускани  АЧХ фильтров промежуточной частоты. Поэтому выражение (1) принимает вид

т.е. за

один период обработки тестового радиоимпульса в первый блок пам ти будет записан спектр этого одиночного тестового радиоимпульса .

Затем перемножа  обратную функцию

спектра тестового радиоимпульса

х sinx

на

спектр тестового радиоимпульса, прошедшего АЧХ устройства в следующем периоде sinx

обработки, т.е. на

А(х) получим

sinx

X

А(х) А(х)

(2)

т.е. в следующем периоде обработки тестового радиоимпульса получим точную инфор- мацию о портрете АЧХ устройства, записанную во второй блок пам ти дл  случа  прохождени  тестового радиоимпульса

через, например, первый фильтр промежуточной частоты.

В режиме коррекции производитс  перемножение обратной функции выражени 

(2), т.е. -дт- на спектр входного сигнала v/v

Uc(x), прошедший АЧХ устройства, т.е. на

Uc(x) -А(х).

В результате перемножени  в режиме

коррекции получим

Uc(x) -А(х) д ис(х)

При таком вычислении из отсчетов спек- тра выходного сигнала исключаетс  собственна  неравномерность формы спектра тестового радиоимпульса и неравномерность формы АЧХ устройства, через которое проходит сигнал, т.е. повышаетс  точность вычислени  спектра сигналов.

На фиг. 1 представлена структурна  схема устройства дл  вычислени  спектра сигналов; на фиг, 2-временные диаграммы, по сн ющие работу устройства.

Устройство дл  вычислени  спектра сигналов содержит двоичный счетчик 1, формирователь 2 одиночных импульсов, Элемент НЕ 3, ключ 4, генератор 5 промежуточной частоты, три переключател  6, три фильтра 7 промежуточной частоты, усили- тель 8 промежуточной частоты, коммутатор 9, два фазовых детектора 10, два фильтра 11 нижних частот, два аналого-цифровых преобразовател  12, блок 13 дискретного преобразовани  Фурье, умножитель 14, ключ 15, блок 16 пам ти, блок 17 посто нной пам ти , ключ 18, счетчик 19 адресов.ключ 20, блок 21 пам ти, блок 22 посто нн ой пам ти, ключ 23, счетчик 24 адресов, двоичные счетчики 25, 26, синхронизатор 27, информаци- онные входы 28, 29, 30, вход пуска 31 устройства, выход 32 синхронизатора, тактовые входы 33, 34 синхронизатора, выход 35 синхронизатора, выход 36 элемента НЕ, выходы 37-50 синхронизатора, информаци- О нный выход 51 устройства.

Тактовые входы С1, С2 синхронизатора 27 представлены на фиг.2 соответственно диаграммами 33, 34.

Выходы CLK2 - CLK15 синхронизатора 27 представлены на фиг.2 соответственно диаграммами 35, 37-50, полученными про- и|ивкой ПЗУ в синхронизаторе 27. Выход CLK1 (диаграмма 32) соответствует выходу задающей частоты F синхронизатора 27.

Устройство работает следующим образом .

С момента поступлени  сигнала ПУСК на вход 31 устройство работает в соответствии с временной диаграммой фиг.2, разделен- н0й на три части высокими вертикальными пунктирными лини ми, а средн   часть разделена в свою очередь на четыре части трем  низкими вертикальными пунктирными лини ми . Лева  часть фиг. 2 соответствует ре- жцму запуска устройства, средн   и права  (изображена частично) части соответствуют двум одинаковым рабочим циклам устрой- , каждый из которых состоит из режима установки узлов устройства в исходное со- сто ние (лева  часть), режима записи формы спектра тестового сигнала через УПЧ (втора  часть), режима записи и вычислени  состо ни  формы АЧХ устройства (треть  часть) и режима коррекции (основной ре- жим), состо щего из тр одинаковых периодов повторени  (права  часть). Таким образом, иде  временной диаграммы работы устройства заключаетс  в формировании режима запуска устройства и следующих за

ним множества одинаковых циклов работы, каждый из которых состоит из одного периода повторени  Тп режима установки узлов устройства в исходное состо ние, одного периода повторени  Тп режима записи в блок 16 пам ти формы спектра тестового сигнала, m 3 периодов повторени  режима записи и вычислени  состо ни  формы АЧХ устройства с участием каждого фильтра промежуточной частоты и тр периодов повторени  Тп режима коррекции. Период повторени  цикла Тц 2 + т(1 + р)Тп соответствует интервалу времени, через который производитс  обновление информации о состо нии формы АЧХ устройства. Величина р 1 выбираетс  из услови  малых, еще допустимых изменений формы АЧХ. чтобы своевременно произвести коррекцию искажений спектральных отсчетов сигнала.

Режим запуска устройства начинаетс  при поступлении сигнала ПУСК (диаграмма 31, фиг.2) на вход устройства. Сигнал ПУСК устанавливает в исходное состо ние и дает начало работы синхронизатору 27 и двоичным счетчикам 25 и 26, что соответствует нулевым уровн м временных диаграмм 32 и 33 и единичному уровню диаграммы 34 в этом режиме работы (слева от первой вертикальной высокой пунктирной линии).

В режиме установки узлов устройства е исходное состо ние синхронизатор 27 начинает выдавать на узлы устройства импульсную последовательность задающей тактовой частоты F (диаграмма 32) из которой , в частности, формируетс  с помощью второго двоичного счетчика 25 импульсна  последовательность в виде меандра с периодом Тп.  вл ющимс  основным интервалом чередовани  периодов обработки сигналов в узлах устройства и синхронизаторе 27 и в том числе третий двоичный счетчик 26 начинает выдавать импульсную последовательность (диаграмма 34) с периодом повторени  Тц. Эта последовательность устанавливает выходы 35. 37-50 синхронизатора 27 в нулевые исходные состо ни  (диаграммы 35, 37-50), благодар  чему узлы устройства, подключенные к этим выходам синхронизатора 27 также устанавливаютс  е исходные состо ни . Устанавливаетс  в исходное состо ние последовательностью 34 также формирователь 2 одиночных импульсов.

Режим записи формы спектра тестового сигнала включает в себ  один период повторени  Тп. Основна  задача в этом режиме это записать в блок 16 пам ти форму симметрично спадающей вершины основного

sinx лепестка спектра

тестового сигнала

радиоимпульса, прошедшего через широкополосный усилитель 8 промежуточной частоты помимо фильтров 7 промежуточной частоты. В этом режиме используютс  все узлы устройства, кроме узлов 6,7,14,17,18, 20-24. Работа начинаетс  с формировани  одиночного радиоимпульса заданной длительности в узлах 1-5 устройства. Первый двоичный счетчик 1, предварительно установленный нулевым уровнем (диаграмма 35) в исходное состо ние, насчитывает из тактовой последовательности (диаграмма 32) последовательность импульсов с заданной длительностью, из которой после подачи на тактирующий вход формировател  2 оди- ночных импульсов выдел етс  в нем первый из импульсов в первом полупериоде этого режима. Установка формировател  2 одиночных импульсов в исходное состо ние производитс  нулевыми уровн ми по входу установки в исходное состо ние (диаграмма 34) и по входу запуска (диаграмма 35). После инвертировани  одиночного импульса (диаграмма 36) в элементе НЕ 3 и открывани  им первого ключа 4 на его выходе формиру- етс  из непрерывных колебаний генератора 5 промежуточной частоты радиоимпульс промежуточной частоты, имеющий сплош- sinx

ной спектр вида

с шириной основ

ного лепестка большей, чем полоса пропускани  АЧХ устройства. Затем сигнал одиночного радиоимпульса проходитусили- .тель 8 промежуточной частоты и коммутатор 9 (диаграммы 38). проходит фазовые детек- торы 10, фильтры 11 нижних частот, дискре- тизируетс  по времени и квантуетс  по уровню в аналого-цифровых преобразовател х 12 и представленный в двоичном коде (диаграмма 42), подаетс  на входы блока 13 дискретного преобразовани  Фурье, который за этот же интервал времени (диаграмма 43, первый полупериод) производит дискретное преобразование Фурье по алгоритму БПФ. Таким образом, на выходе блока 13 ДПФ (диаграмма 43, второй полупериод) будет получена последовательность спектральных отсчетов, которые  вл ютс  мгновенным спектром тестового одиночного радиоимпульса , не промодулированным формой АЧХ фильтров 7 промежуточной частоты и допустимо промодулированным формой АЧХ фильтров 11 нижних частот. Сформированные таким путем спектральные отсчеты подаютс  с выхода блока 13 ДПФ через открытый ключ 15 (диаграмма 44) на информационный вход блока 16 пам ти и записываютс  в него при подаче на его вход управлени  команды записи (диаграмма 46 ) при переборе адресов счетчиком 19 адресов (диаграмма

45). Записанна  информаци  запоминаетс  в блоке 16 пам ти дл  чтени  ее в последующем режиме работы устройства.

Режим записи состо ни  формы АЧХ включает в себ  m 3 периодов повторени  Тп. Основна  задача этого режима - записать в блок 21 пам ти информацию о состо нии формы АЧХ, предварительно исключив из нее составл ющую неравномерности формы спектра тестового сигнала путем перемножени  входных сигналов умножител .

X

smx

smx

А(х) по формуле (2),

чтобы получить точную информацию А(х) от АЧХ каждого фильтра ПЧ за один период повторени .

В трех периодах режима записи АЧХ работают и используютс  все узлы устройства , кроме УПЧ 8. Работа начинаетс  с фор- мировани  (см.выше) одиночного радиоимпульса промежуточной частоты за один период повторени  Тп заданной длительности в узлах 1 -5 устройства. Затем сигналы одиночных радиоимпульсов проход т переключатели 6 (диаграмма 37), фильтры 7 промежуточной частоты, проход т поочередно в соответствии с диаграммами 39, 40, 41 коммутатор 9, дальнейша  обработка и преобразование сигналов в узлах 10-13 производитс  аналогично обработке тестового радиоимпульса, описанной выше. Считанна  из блока 13 ДПФ информаци , представл юща  собой произведение форsinx . мы спектра тестового сигнала

формы АЧХ устройства, и поданна  на первый вход умножител  13, перемножаетс  с обратными функци ми тестового сигнала

X

j , поданными на второй вход умножи- sinx i

тел  13 после считывани  из блока 16 пам  ти (диаграмма 46 -S ), функционального

преобразовани  вида - в блоке 17 посто нной пам ти и прохождени  (диаграмма 47) открытого ключа 18. Полученные в результате такого вычислени  по формуле (2) отсчеты состо ни  формы АЧХ устройства записываютс  через открытый ключ 20 (диаграмма 47) в блок 21 пам ти по команде записи (диаграмма 50л) при переборе адресов (диаграмма 49) счетчиком 24 адресов. Записанные в блок 21 пам ти отсчеты состо ни  формы АЧХ устройства используютс  дл  чтени  в периодах заключительного основного режима коррекции. Обновление этой информации производитс  в начале следующего цикла работы устройства.

В режиме коррекции работают все узлы устройства, кроме узлов 1-5, 8, 15-20. На

временной диаграмме фиг.2 этот режим условно занимает шесть вместо тр периодов повторени  Тп, причем периоды группируютс  в тройки (т.к. m 3), в каждой из которых обработка ведетс  поочередно с участием сигнала первого, второго, а затем третьего фильтров 7 промежуточной частоты . Режим коррекции начинаетс  с момента поступлени  сигналов на информационные Входы 28, 29, 30 устройства, а после прохождени  этих сигналов через переключатели 6 (диаграмма 37) и фильтры 7 промежуточной частоты, через коммутатор 9 (диаграммы 39, 40, 41), дальнейша  обработка и преобразование сигналов в узлах 10-13 производитс  аналогично обработке тестового радиоимпульса, описанной выше. Считанна  из блока 13 ДПФ информаци  проходит умножитель 14, перемножаетс  с корректирующими множител ми, поданными на второй вход умножител  14с выхода блока 22 Посто нной пам ти через открытый ключ 23 (диаграмма 48). Корректирующие множители представл ют собой обратные величины

-у от амплитудных значений на каждом от- f

счете по частоте АЧХ устройства. Корректирующие множители окончательно формируютс  в блоке 22 посто нной пам ти, в ПЗУ которого

защиты обратные функции -& от двоичного

к

кода амплитудных значений К, считываемых из блока 21 пам ти (диаграмма 50,) при переборе адресов счетчиком 24 адресов на тех же интервалах времени (диаграмма 49). Таким образом, вычисление спектра сигналов в рассматриваемом устройстве заключаетс  в перемножении спектральных отсчетов полезного сигнала, промоду- лированного значени ми отсчетов АЧХ, на корректирующие множители, промодулиро- в;анные обратными величинами от значений отсчетов АЧХ. Благодар  перемножению нежелательные искажени  спектра полезного сигнала формой АЧХ на выходе 51 устройства устран ютс . Вычисление корректирующих множителей по сплошному спектру одиночного радиоимпульса производитс  за один период работы устройства. Собственна  неравномерность симметрично спадающей формы спектра вершины основного лепестка тестового одиночного радиоимпульса корректируетс  с помощью обратной функции за тот же период записи портрета АЧХ устройства. Обратна  функци  спектру тестового сигнала формируетс  в дополнительном периоде повторени  Тп в результате прохождени  тестового радиоимпульса через широкополосный УПЧ 8 записи и запоминани  в блоке 16 пам ти и

пересчета в функциональном ПЗУ вида -

блока 17 посто нной пам ти. Устройство корректирует тем самым и разницу коэффициентов передачи фильтров 7 промежуточной частоты.

По данному техническому решению изготовлен макетный образец устройства дл  вычислени  спектра сигналов, подтвердивший более высокую точность по сравнению с устройством-прототипом.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Устройство дл  вычислени  спектра сигналов , содержащее три переключател , три фильтра промежуточной частоты, коммутатор , два фазовых детектора, два фильтра нижних частот, два аналого-цифровых преобразовател , блок дискретного преобразовани  Фурье, умножитель, три ключа. первый блок пам ти, первый счетчик адресов , первый блок посто нной пам ти, синхронизатор , формирователь одиночных импульсов, элемент НЕ. генератор промежуточной частоты, три двоичных счетчика. причем первый, второй и третий информационные входы устройства подключены соответственно к первым информационным входам первого, второго и третьего переключателей , выходы которых подключены к входам соответственно первого, второго и третьего фильтров промежуточной частоты, выходы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему информационному входам коммутатора, выход которого подключен к входам первого и второго фазовых детекторов, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго фильтров нижних частот, выходы которых подключены к информационным входам соответственно первого и второго аналого-цифровых преобразователей , выходы которых подключены к входам соответственно реальной и мнимой

   составл ющих блока дискретного преобразовани  Фурье, выход первого счетчика адресов подключен к адресному входу первого блока пам ти, первый выход синхронизатора подключен к тактирующим входам аналого-цифровых преобразователей. к тактирующему входу блока дискретного преобразовани  Фурье, к счетному входу первого счетчика адресов и к счетным входам первого и второго двоичных счетчиков,

   выход второго двоичного счетчика подключен к счетному входу третьего двоичного счетчика и к первому тактовому входу синхронизатора , второй тактовый вход которого подключен к выходу третьего двоичного счетчика, вход пуска устройства подключен

   к входу запуска синхронизатора и к входам установки исходного состо ни  второго и третьего двоичных счетчиков, второй выход синхронизатора подключен к управл ющим входам первого, второго и третьего пере- ключателей, вторые информационные входы которых соединены между собой и подключены к выходу первого ключа, третий и четвертый и п тый выходы синхронизатора подключены соответственно к перво- му, второму и третьему управл ющим входам коммутатора, шестой выход синхронизатора подключен к управл ющим входам аналого-цифровых преобразователей , седьмой выход синхронизатора подключен к управл ющему входу блока дискретного преобразовани  Фурье, восьмой выход синхронизатора подключен к входу управлени  записью/чтением первого блока пам ти, выход умножител   вл ет- с  информационным выходом устройства, причем выход первого двоичного счетчика подключен к тактирующему входу формировател  одиночных импульсов, выход которого через элемент НЕ подключен к управл юще- му входу первого ключа, информационный вход которого подключен к выходу генератора промежуточной частоты, выход второго ключа соединен с информационным входом первого блока пам ти, выход блока дискрет- ного преобразовани  Фурье подключен к первому входу умножител , выход первого блока пам ти подключен к адресному входу первого блока посто нной пам ти, выход которого подключен к информационному входу третьего ключа, выход которого подключен к второму входу умножител , дев тый выход синхронизатора подключен к входу установки исходного состо ни  первого двоичного счетчика и к входу запуска формировател  одиночных импульсов, вход установки исходного состо ни  которого подключен к выходу третьего двоичного счетчика, дес тый выход синхронизатора подключен к уп- равл ющему входу третьего ключа, двенадцатый выход синхронизатора подключен к входу установки исходного состо ни  первого счетчика адресов, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности вычислени  спектра сигналов, в него введены вторые блок пам ти, блок посто нной пам ти и счетчик адресов, четвертый и п тый ключи и усилитель промежуточной частоты, причем выход первого ключа соединен с входом усилител  промежуточной частоты, выход которого соединен с четвертым информационным входом коммутатора , четвертый управл ющий вход которого соединен с тринадцатым выходом синхронизатора, одиннадцатый выход которого соединен с управл ющим входом четвертого ключа, информационный вход и выход которого соединены соответственно с выходом умножител  и информационным входом второго блока пам ти, адресный вход и выход которого соединены соответственно с выходом второго счетчика адресов и адресным входом второго блока посто нной пам ти, выход которого соединен с информационным входом п того ключа , выход и управл ющий вход которого соединены соответственно с вторым входом умножител  и четвертым выходом синхронизатора , п тнадцатый и шестнадцатый выходы которого соединены соответственно с входом установки исходного состо ни  второго счетчика адресов и входом чтени /записи второго блока пам ти, счетный вход которого соединен с первым выходом синхронизатора , информационный вход второго ключа соединен с выходом блока дискретного преобразовани  Фурье.

   -N.-//WH

   J7L-2pwa Фаг г