RU2160926C1

RU2160926C1 - Walsh function spectrum analyzer

Info

Publication number: RU2160926C1
Application number: RU99112023A
Authority: RU
Inventors: Е.Ю. Павлов; Е.И. Шабаков
Original assignee: Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского
Priority date: 1999-06-02
Filing date: 1999-06-02
Publication date: 2000-12-20

Abstract

FIELD: data processing for voice signal analyzers. SUBSTANCE: analyzer has clock generator, Walsh function generator, reversing counter, register, AND gate, frequency divider, and series-connected shift register and circular shift register. EFFECT: provision for joint frequency and time analyses. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для вычисления коэффициентов дискретного ортогонального преобразования Уолша над аналоговыми сигналами в различных устройствах автоматики, например, в анализаторах речевых сигналов, устройствах обработки изображений и т. п. The invention relates to the field of instrumentation and can be used to calculate the coefficients of discrete orthogonal Walsh transform over analog signals in various automation devices, for example, in speech signal analyzers, image processing devices, etc.

Устройства для вычисления коэффициентов преобразования Уолша известны. Известные устройства осуществляют спектральное преобразование дискретных сигналов, заданных на конечных интервалах определения в базисе ортогональных функций Уолша-Адамара [1] . Наиболее жесткие требования к устройствам для вычисления коэффициентов преобразования Уолша прежде всего по быстродействию предъявляются в случае их применения для совместного частотно-временного анализа радиосигналов [2] . На практике более широко применяются цифровые анализаторы спектра по функциям Уолша [3]. Они наиболее универсальны и способны обеспечить лучшую точность представления данных. Входной сигнал в таких устройствах должен быть задан на конечном интервале определения и дискретизован как по амплитуде, так и по времени. Отношение базы разложения, то есть интервала задания сигнала к шагу дискретизации, даст число N вычисляемых коэффициентов преобразования Уолша. Общим недостатком универсальных цифровых анализаторов спектра Уолша является их относительно низкое быстродействие. Значительно повысить быстродействие удается путем применения специализированных устройств, ориентированных на выполнение одной или нескольких родственных задач. В частном случае, когда аналоговые сигналы имеют вид однополярных телеграфных или фототелеграфных сигналов функции аналого-цифрового преобразователя и анализатора спектра, можно совместить и создать достаточно простой анализатор спектра [4], который обеспечивает высокую точность преобразования данных при высоком быстродействии, определяемом применяемой элементной базой. Devices for computing Walsh transform coefficients are known. Known devices perform spectral conversion of discrete signals defined at finite determination intervals in the basis of Walsh-Hadamard orthogonal functions [1]. The most stringent requirements for devices for calculating the Walsh transform coefficients are primarily imposed on speed if they are used for joint time-frequency analysis of radio signals [2]. In practice, digital spectrum analyzers for Walsh functions are more widely used [3]. They are the most versatile and capable of providing the best accuracy of data presentation. The input signal in such devices should be specified on a finite determination interval and discretized both in amplitude and in time. The ratio of the expansion base, that is, the interval of the signal to the sampling step, will give the number N of the calculated Walsh transform coefficients. A common disadvantage of universal digital Walsh spectrum analyzers is their relatively low speed. Significantly improve performance by using specialized devices focused on the performance of one or more related tasks. In the particular case, when the analog signals are in the form of unipolar telegraph or photo telegraph signals as an analog-to-digital converter and a spectrum analyzer, it is possible to combine and create a fairly simple spectrum analyzer [4], which provides high accuracy of data conversion at high speed determined by the used element base.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является анализатор спектра по функциям Уолша [4], который можно выбрать в качестве прототипа. Прототип содержит генератор функций Уолша, каждый из выходов которого подключен к входу управления соответствующего реверсивного счетчика. Общее число реверсивных счетчиков может быть произвольным и определяется характером решаемой устройством задачи. В общем случае число реверсивных счетчиков равно числу N базисной системы ортогональных функций Уолша, определяемому как целая степень числа два N=2ⁿ. Выход каждого реверсивного счетчика соединен с входом соответствующего регистра, осуществляющего хранение рассчитанных данных. Информационный вход каждого реверсивного счетчика подключен к выходу элемента И, первый вход которого служит входом устройства, а второй присоединен параллельно с синхронизирующим входом генератора функций Уолша к выходу генератора тактовых импульсов. В зависимости от знака i-й функции Уолша, действующей на i-м выходе генератора функций Уолша, i-й реверсивный счетчик пересчитает число импульсов с выхода элемента И в накапливающем или вычитающем режиме. Сигнал на выходе элемента И действует только в случае наличия входного сигнала. Поэтому каждый реверсивный счетчик за время генерирования полной системы ортогональных функций подсчитает в заданном коде число импульсов, пропорциональное соответствующему коэффициенту преобразования Уолша.The closest in technical essence to the claimed device is a spectrum analyzer for the Walsh functions [4], which can be selected as a prototype. The prototype contains a Walsh function generator, each of the outputs of which is connected to the control input of the corresponding reversible counter. The total number of reversible counters can be arbitrary and is determined by the nature of the problem being solved by the device. In the general case, the number of reversible counters is equal to the number N of the basic system of Walsh orthogonal functions, defined as an integer power of two N = 2 ⁿ . The output of each reversible counter is connected to the input of the corresponding register, which stores the calculated data. The information input of each reversible counter is connected to the output of the And element, the first input of which serves as the input of the device, and the second is connected in parallel with the clock input of the Walsh function generator to the output of the clock generator. Depending on the sign of the i-th Walsh function, acting on the i-th output of the Walsh function generator, the i-th reverse counter will recount the number of pulses from the output of the And element in the accumulating or subtracting mode. The signal at the output of the AND element is valid only if there is an input signal. Therefore, each reversible counter during the generation of a complete system of orthogonal functions will count in a given code the number of pulses proportional to the corresponding Walsh transform coefficient.

Недостаток известного устройства состоит в невозможности осуществления с его помощью совместного частотно-временного анализа, когда необходимо для каждого дискретного отсчета времени определять все текущие коэффициенты преобразования Уолша. Зависимость этих коэффициентов от времени получила название "скользящего спектра" [2]. A disadvantage of the known device is the impossibility of carrying out a joint time-frequency analysis with it, when it is necessary to determine all current Walsh transform coefficients for each discrete time reference. The dependence of these coefficients on time is called the “moving spectrum” [2].

Цель настоящего изобретения состоит в обеспечении возможности одновременного вычисления всех коэффициентов преобразования Уолша для каждого дискретного отсчета времени и обеспечении тем самым возможности проведения совместного частотно-временного анализа сигналов. An object of the present invention is to enable the simultaneous calculation of all Walsh transform coefficients for each discrete time reference, and thereby to enable joint time-frequency analysis of the signals.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство дополнительно введены делитель частоты и соединенные между собой сдвиговый регистр, кольцевой сдвиговый регистр, а также делитель. Выход кольцевого сдвигового регистра соединен с входами реверсивных счетчиков, при этом его входы соединены с выходами генератора функций Уолша и сдвигового регистра, который, в свою очередь, соединен с генератором тактовых импульсов через делитель и с выходом элемента И непосредственно. Выход делителя также соединен с входами реверсивных счетчиков. Сдвиговый регистр накапливает пачки по N импульсов и под действием импульса с делителя частоты подает такую пачку на кольцевой сдвиговый регистр, с которого импульсы под действием импульса с генератора функций Уолша поступают на соответствующие реверсивные счетчики. Частота следования импульсов в пачке соответствует частоте тактовых импульсов, которые больше частоты смены значений функций Уолша в число раз, равное значению делителя частоты. This goal is achieved by the fact that in the known device is additionally introduced a frequency divider and interconnected shift register, ring shift register, and also a divider. The output of the annular shift register is connected to the inputs of the reversible counters, while its inputs are connected to the outputs of the Walsh function generator and the shift register, which, in turn, is connected to the clock generator via a divider and to the output of the AND element directly. The output of the divider is also connected to the inputs of the reversing counters. The shift register accumulates packets of N pulses and, under the action of a pulse from the frequency divider, feeds such a packet to an annular shift register from which the pulses under the influence of a pulse from the Walsh function generator are fed to the corresponding reverse counters. The pulse repetition rate in the packet corresponds to the frequency of the clock pulses, which are more than the frequency of the change in the values of the Walsh functions by the number of times equal to the value of the frequency divider.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на чертеже. Устройство содержит последовательно соединенные генератор тактовых импульсов 1, делитель частоты 2, элемент И 3, генератор функций Уолша 4, сдвиговый регистр 5, кольцевой сдвиговый регистр 6, N реверсивных счетчиков 7 и N регистров 8. Входом устройства служит элемент И 3, второй вход которого соединен с генератором тактовых импульсов 1 через делитель частоты 2. Выход делителя частоты соединен также с управляющим входом сдвигового регистра 5, с обнуляющим входом каждого i-го реверсивного счетчика 7 и с управляющим входом регистров хранения 8. Каждый реверсивный счетчик 7 предназначен для подсчета числа импульсов. При этом каждый реверсивный счетчик считает на накопление или вычитание в соответствии со знаком сигнала, поступающего на его вход управления реверсом. Выход каждого i-го реверсивного счетчика 7 соединен с информационным входом соответствующего i-го регистра 8. Генератор функций Уолша 4 предназначен для генерирования полной системы ортогональных функций Уолша размера N, причем каждой генерируемой функции соответствует отдельный выход генератора функций Уолша 4, соединенный с входом управления реверса каждого i-го реверсивного счетчика 7. Генератор тактовых импульсов 1 предназначен для генерирования синхронизирующих импульсов. Его выход соединен с входом делителя частоты 2, с управляющим входом генератора функций Уолша 4 и управляющим входом кольцевого сдвигового регистра 6. Информационный вход кольцевого сдвигового регистра 6 соединен с выходом сдвигового регистра 5, а его выход подключен к информационному входу каждого реверсивного счетчика 7. Делитель частоты 2 предназначен для деления частоты импульсной последовательности в N раз. The structural diagram of the proposed device is shown in the drawing. The device contains series-connected clock generator 1, frequency divider 2, element And 3, Walsh function generator 4, shift register 5, ring shift register 6, N reverse counters 7 and N registers 8. The input of the device is the element And 3, the second input of which connected to a clock generator 1 through a frequency divider 2. The output of the frequency divider is also connected to the control input of the shift register 5, with the zeroing input of each i-th reversible counter 7 and with the control input of the storage registers 8. Each down counter 7 for counting the number of pulses. At the same time, each reversible counter considers accumulation or subtraction in accordance with the sign of the signal arriving at its reverse control input. The output of each i-th reverse counter 7 is connected to the information input of the corresponding i-th register 8. The Walsh function generator 4 is designed to generate a complete system of Walsh orthogonal functions of size N, and each generated function corresponds to a separate output of the Walsh function generator 4 connected to the control input the reverse of each i-th reversible counter 7. The clock generator 1 is designed to generate synchronizing pulses. Its output is connected to the input of the frequency divider 2, with the control input of the Walsh function generator 4 and the control input of the ring shift register 6. The information input of the ring shift register 6 is connected to the output of the shift register 5, and its output is connected to the information input of each reversible counter 7. Divider frequency 2 is designed to divide the frequency of the pulse sequence by N times.

Работает устройство следующим образом. Генератор тактовых импульсов 1 непрерывно генерирует последовательность импульсов с некоторой частотой f_n. Эта импульсная последовательность поступает одновременно на вход делителя частоты 2, кольцевой сдвиговый регистр 6 и генератор функций Уолша 4. Коэффициент деления частоты блока 2 выбран равным N, причем N >> 1. Импульсная последовательность с выхода делителя частоты 2 с частотой f_д=f_n/N поступает на обнуляющий вход каждого реверсивного счетчика 7 и на первый вход элемента И 3, управляющий вход сдвигового регистра 5 и управляющий вход регистра 8. Входом устройства является второй вход элемента И 3, с выхода которого входной сигнал под действием управляющего импульса с делителя частоты 2 поступает на информационный вход сдвигового регистра 5, где формируются пачки импульсов, которые затем поступают на информационные входы кольцевого сдвигового регистра 6. Кольцевой сдвиговый регистр последовательно подает импульсы на реверсивные счетчики 7 под действием управляющего импульса с выхода генератора тактовых импульсов 1. Одновременно на вход управления реверсом реверсивного счетчика с номером i поступает напряжение с i-го выхода генератора функций Уолша 4. Если на входе i-го реверсивного счетчика 7 действует напряжение логической "1", то счетчик работает на накопление, то есть ведет суммирование числа импульсов, поступающих на счетный вход. Если на входе управления реверсом действует логический "0", то счетчик 7 работает на вычитание, то есть ведет вычитание числа импульсов, поступающих на счетный вход. За время генерирования полной системы функций Уолша в каждом i-м реверсивном счетчике 7 будет накоплено в заданном коде число импульсов, пропорциональное i-й компоненте спектра Уолша. В момент окончания генерирования системы функций Уолша генератор вырабатывает на своем синхронизирующем входе импульс, который переписывает показания каждого реверсивного счетчика 7 в соответствующий регистр 8. Таким образом, в каждом i-м регистре 8 будет храниться цифровой код, пропорциональный i-й компоненте спектра Уолша входного аналогового сигнала, зафиксированного на данный момент времени в сдвиговом регистре 5. Одновременно со сбросом информации из реверсивных счетчиков 7 в регистр 8 происходит считывание через элемент И 3 очередного значения входного сигнала. Цикл расчета полной системы коэффициентов преобразования Уолша над значениями сигнала, хранящихся в сдвиговом регистре, повторяется. Таким образом, периодически, с частотой f_д в регистры 8 будут сбрасываться значения "скользящего" спектра входного сигнала, вычисленные в базисе полной системы ортогональных функций Уолша.The device operates as follows. The clock generator 1 continuously generates a sequence of pulses with a certain frequency f _n . This pulse sequence is fed simultaneously to the input of the frequency divider 2, the ring shift register 6 and the Walsh function generator 4. The frequency division coefficient of block 2 is chosen equal to N, and N >> 1. The pulse sequence from the output of the frequency divider 2 with a frequency f _d = f _n / N goes to the zeroing input of each reversible counter 7 and to the first input of the And 3 element, the control input of the shift register 5 and the control input of the register 8. The input of the device is the second input of the And 3 element, from the output of which the input signal under the action of of the splitting pulse from the frequency divider 2 is fed to the information input of the shift register 5, where bursts of pulses are formed, which are then fed to the information inputs of the ring shift register 6. The ring shift register sequentially supplies pulses to the reverse counters 7 under the action of a control pulse from the output of the clock pulse generator 1 At the same time, the voltage from the i-th output of the Walsh function generator 4 is supplied to the reverse control input of the reversing counter with number i. If the input of the i-th reverse th counter 7 acts voltage logic "1", the counter operates on the accumulation, i.e. is the summation of the pulses arriving at the counting input. If a logical “0” acts at the reverse control input, then counter 7 works for subtraction, that is, it subtracts the number of pulses arriving at the counting input. During the generation of a complete system of Walsh functions, the number of pulses proportional to the ith component of the Walsh spectrum will be accumulated in a given code in each ith reversible counter 7. At the time of the end of the generation of the Walsh function system, the generator generates a pulse at its synchronizing input, which transcribes the readings of each reverse counter 7 to the corresponding register 8. Thus, in each ith register 8, a digital code proportional to the ith component of the Walsh spectrum of the input analog signal fixed at the current moment in the shift register 5. Simultaneously with the reset of information from the reverse counters 7 in the register 8 is read through the element And 3 next th value of the input signal. The cycle of calculating the complete system of Walsh transform coefficients over the signal values stored in the shift register is repeated. Thus, periodically, with a frequency f _{d, the} values of the "moving" spectrum of the input signal calculated in the basis of the complete system of orthogonal Walsh functions will be reset to the registers 8.

Литература
1. Х. Хартмут. Теория секвентного анализа. - М.: Мир, 1980.Literature
1. H. Hartmouth. Theory of sequential analysis. - M .: Mir, 1980.

2. А.А. Алексеев, А.Б. Кирилов. Технический анализ сигналов и распознавание радиоизлучений. - С.-Пб.: Военная академия связи, 1998. Раздел 4. Элементы теории обобщенного спектрально-временного анализа, 4.3.2. Распределение Вигнера-Уолша, стр. 164-209. 2. A.A. Alekseev, A.B. Kirilov. Technical analysis of signals and recognition of radio emissions. - S.-Pb .: Military Academy of Communications, 1998. Section 4. Elements of the theory of generalized spectral-temporal analysis, 4.3.2. Wigner-Walsh Distribution, pp. 164-209.

3. Анализатор спектра по функциям Уолша. А.С. N 640305, G 06 F 15/34, 1976. 3. Spectrum analyzer by Walsh functions. A.S. N 640305, G 06 F 15/34, 1976.

4. Виноградов Д.Г., Шабаков Е.И. Анализатор спектра по функциям Уолша. А.С. СССР N 1203536, G 06 F 15/332, 1985. 4. Vinogradov D.G., Shabakov E.I. Spectrum analyzer for Walsh functions. A.S. USSR N 1203536, G 06 F 15/332, 1985.

Claims

Spectrum analyzer for Walsh functions, containing a clock generator, connected to the synchronization input of the Walsh function generator, output i

Walsh function which is connected to the synchronizing input of the i-th reverse counter connected to the information input of the i-th register, the output of which is the output of the i-th harmonic of the analyzer, and also the element And, the first input of which is the information input of the analyzer, characterized in that introduced a frequency divider and a series-connected shift register and a ring shift register included between the output of the AND element and the counting input of each of the reversible counters, and the frequency divider is turned on between the clock pulse generator and the second input of the element And connected to the control input of the shift register in parallel with the control input of each reversible counter and each register, and the output of the clock pulse generator is connected to the control input of the ring shift register in parallel with the input of the Walsh function generator.