SU1096655A1 - Устройство дл вычислени коэффициентов Фурье - Google Patents

Abstract

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЬГЧИСЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ФУРЬЕ, содержащее генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с входом запуска генератора псевдослучайных чисел, выход которого подключен к входу блока формировани  стробимпульсов, выход которого соединен с управл ющим входом аналого-цифрового преобразовател , информационный вход которого  вл етс  информационным входом устройства , блок пам ти, первую и вторую группы сумматоров-вычитателей, первую и вторую группы регистров промежуточных коэффициентов, первый ч второй арифметические блоки, информационные выходы которых  вл ютс  соответственно первым и вторым информационными выходами устройства, отличающеес  тем, что, с целью повьппени  быстродействи , в него введены регистр отсчетов, блок вьгчислени  комбинаций отсчетов, перва  и втора  группы регистров комбинаций по |Т1 (w П/К, где К - количество коэффициентов Фурье, обрабатываемых сумматором-вычитателем; п - количество с У I 1 ьь.. анализируемых частот входного сигнала ) в каждой, причем информационный выход аналого-цифрового преобразовател  соединен с входом регистра отсчетов , выход которого подключен к входу блока вычислени  комбинаций отсчетов, выход которого подключен к информационным входам i -х (,w) регистров комбинаций первой и второй групп, информационные выходы которых подключены к первым входам i-х сумматоров-вычитателей соответственно первой и второй групп, выходы которых соединены с информационными входами -X регистров промежуточных коэффициентов соответственно первой и второй групп, информационные выходы которых соединены с вторыми входами J -X сумматоров-вьЕчитателей соответственно первой и второй групп, информационными входами соответственно первого и второго арифметичаскиз: блоков и  вл ютс  соответствен о третьим и четвертым информацион:0 Hbijm выходами устройства, j -е ( -1) (i f7rrt) и (i+m)-e выходы блока 05 СЛ СЛ пам ти соединены с управл ющими входами регистров комбинаций соответственно первой и второй групп, а (i+ +№)-е и (i+3m)-e выходы блока пам ти подключены к управл ющим входам 5 ьк сумматоров-вычитателей соответственно йервой и второй групп, причем блок вычислени  комбинаций отсчетов содер- жит первый, второй, третий, четвертый и п тый регистры, первый, зторой и третий сумматоры-вычитатели, информационный выход первого регистра соединен с первым входом первого сумматоравычитател , выход которого подключен

Description

к информационным входам второго и третьего регистров, информационные выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам второго сумматора-вычитател , выход которого соединен с информационными входами четвертого и п того регистров, информационные выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам третьего сумматора-вычитател , выход которого  вл етс  выходом блока а второй вход первого сумматора-вычитател  объединен с информациойньм входом первого регистра и  вл етс  входом блока .

Изобретение относитс  к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в радиотехнике, электросв зи и измерительной технике дл  определени .коэффициентов преобразовани  Фурье случайных сигналов в реальном масштабе времени. Известно устройство дл  последовательного выполнени  быстрого преобразовани  Фурье (БПФ), содержащее одну или несколько последовательно соединенных арифметических групп,сос то щих из сумматоров, умножителей и элементов задержки и , 1-J Недостатком устройства  вл етс  низкое быстродействие, обусловленное необходимостью выполнени  большого числа, операций перемножени  многоразр дных чисел. Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  устройство дл  выполнени  преобразовани  Фурье, содержащее генератор тактовых импульсов, выход ко торого соединен с входом генератора псевдослучайных чисел, выход которог подключен к входу блока формировани  стробимпульсов, выход которого соединен с управл ю1дим входом блока задани  входной информации, вход которого  вл етс  входом устройства, бло пам ти, две группы по п шифраторов, две группы по п сумматоров-вычитателей ( П - количество частот анализа.), два регистра промежуточных коэффициентов и два вычислительных блока, входы и выходы которых  вл ютс  выхо дами устройства. Отсчеты стохастичес ки дискретизированного сигнала умнож ютс  на отсчеты пр моугольных периодичееких функций, а полученные оценк в базисе этих функций пересчитьтаютс в базис Фурье в вычислительных блока .х 2j , Недостатком известного устройства  вл етс  низкое быстродействие, обусловленное необходимостью вьшолнени  большого числа операций суммировани вычитани  дл  определени  промежуточных коэффициентов. Цель изобретени  - повышение быстродействи . Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройство дл  вычислени  коэффициентов Фурье, содержащее генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с входом запуска генератора псевдослучайных чисел, выход которого подключен к входу блока формировани  стробимпульсов, выход которого соединен с управл ющим входом аналого-цифрового преобразовател , информационный вход которого  вл етс  информационным входом устройства, блок пам ти, первую и вторую группы сумматоров-вычитателей, первую и вторую группы регистров промежуточных ко:э(М ициентов, первый и второй арифметические блоки, информационные вькоды которых  вл ютс  соответственно первым и вторым информадионньми вьгходами устройства, введены регистр отсчетов, блок вычислени  комбинаций отсчетов, перва  и втора  группы регистров комбинаций пот (), где К количество коэф4зициентов Фурье, обрабатываемых сумматором-вычитателем; п - количество аналнзируемьо: частот входного сигнала) в каждой , причем информационный выход аналого-цифрового преобразовател  со€.динен с входом регистра отсчетов, о вьгаюд которого подключен к входу блока вычислени  5:омбинаций отсчетов. выход которого подключен к информационным входам i -X (,m) регистров комбинаций первой и второй групп информационные выходы которых подклю чены к первым йХодам i -х сумматороввычитателей соответственно первой и второй групп, выходы которых соедине ны с информационными входаьш -х регистров промежуточных коэффициенто соответственно первой и второй групп информационные выходы которых соединены с вторыми входами i -х сумматоров-вычитателей соответственно перво и второй групп, информационными входами соответственно первого и второго арифметических блоков и  вл ютс  соответственно третьим и четвертым информационными выходами устройства, j|-e(} 2i-l)(i -- ГГп) и (А + т) -е выходы блока пам ти соединены с управлающими входами регистров комбинаций соответственно первой и второй групп, a(ivm1 -е и( -е выходы блока пам ти подключены к управл ющим входам i-X сумматоров-вычитателей соответственно первой и второй групп, при этом блок вычислени  комбинаций отсчетов содержит пер вый, второй, третий, четвертый и п тый регистры, первый, второй и третий сумматоры-вычитатели, информацио ный выход первого регистра соединен с первым входом первого сумматоравычитател , выход которого подключен к информационным входам второго и третьего регистров, информационные выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам второго сумматора-вычитател , выход которого соединен с информационными входами четвертого и п того регистров информационные выходы которых подклю чены сооЧ-ветственно к первому и второму входам третьего сумматора-вычитател , выход которого  вл етс  выхо дом блока, а второй вход первого сум матора-вычитател  объединен с информационным входом первого регистра и  вл етс  входом блока. Предлагаемое устройство обеспечивает более эффективный алгоритм вычислени  промежуточных коэффициентов в базисе пр моугольных промежуточных функций, в отличие от алгоритма рабо ты известного устройства, где каждый отсчет входного сигнала обрабатьшает с  непосредственно в 2п сумматорахвычитател х ( п - количество частот анализа) дл  накоплени  промежуточных коэффициентов. Алгоритм предлагаемого устройства включает вычисление частньсх сумм/разностей (комбинаций) групп по несколько отсчетов входного сигнала в блоке вычислени  комбинаций отсчетов с последующей обработкой в сумматорах-вычитател х одной из этих комбинаций каждой группы дл  каждого обрабатываемого коэффициента. Это позвол ет в несколько раз сократить количество операций суммировани -вычитани  при вычислении промежуточных коэффициентов и, следовательно, повысить быстродействие устройства. На фиг.1 представлена функциональна  схема устройства дл  вычислени  коэффициентов Фурье, на фиг. 2 - функциональна  схема блока вычислени  комбинаций отсчетов. Устройство (фиг.1) содержит генератор 1 тактовых импульсов, генератор 2 псевдослучайных чисел, формирователь 3 стробимпульсов, аналого-цифровой преобразователь 4, информационный вход 5, регистр 6 отсчетов, блок 7 вычислени  комбинаций отсчетов, in регистров 8 комбинаций в каждой из двух идентичных групп 9, блок 10 пам ти , in сумматоров-вычитателей 11 первой и второй групп 9, m регистров 12 промежуточных коэффициентов первой и второй групп 9, арифметические блоки 13 первой и второй групп 9, информационные выходы 14 и 15. Блок 7 вычислени  комбинаций отсчетов (фиг.2) включает в себ  вход 16, сумматор7вьмитатель 17, регистр 18, регистры 19 и 20, сумматор-вычитатель 21, регистры 22 и 23, сумматор-вычитатель 24 и выход 25. Устройство работает в два этапа. На первом этапе в регистрах 12 накапливаютс  значени  промежуточных коэффициентов в базисе пр моугольных периодических функций. Устройство позвол ет на первом этапе работы определить значени  промежуточных коэффициентов в базисе пр моугольных периодических функций, принимающих только значени  +1 и -1. Вычислени  промежуточных коэффициентов дл  четных пр моугольных периодических функций производ тс  в блоках первой группы 9, дл  нечетных - в блоках второй группы 9. Обработка данных в блоках обеих групп 9 производитс  идентично. На втором этапе накопленные значени  промежуточных коэффициентов с регистров 12 вывод тс  на арифметические блоки 13, где производитс  пересчет оценок промежуточных коэффи циентов в коэффициенты Фурье. Одновременно производитс  этап накоплени новьЕХ значений промежуточных коэффициентов в регистрах 12. Исследуемый непрерывный сигнал поступает на аналоговый вход 5 устройства , который  вл етс  информационным входом аналого-цифрового преоб разовател  4. Последовательно соединенные генератор 1 тактовых импульсов , генератор 2 псевдослучайных чисел и формирователь 3 стробимпульсов формируют стробимпульсы, которые на временной оси образуют стационарный случайный поток с ограниченным после действием. Эти импульсы подаютс  на управл ющий вход аналого-цифрового преобразовател  4 и с помощью этих импульсов производитс  стохастическа дискретизаци  входного сигнала. Кван тованные значени  входного сигнала в моменты дискретизации с выхода аналого-цифрового преобразовател  4 запи .сываютс  в регистр 6 отсчетов. В блоках 7, 8, 11 и 12 эти отсчеты обрабатываютс  группами по И (,3, ...). Количество циклов обработки равно - , где К - объем выборки, кратный . Каждый из этих циклов содержит вьпшсление частных сумм разностей (комбинаций) в блоке 7, а также К последовательных тактов накоплени  значений промежуточных коэффициентов в регистрах 12, С выхода регистра 6 отсчетов группа из t квантованных отсчетов входного сигна ла считываетс  на вход блока 7, кото 6 / рый вычисл ет 2 комбинаций этих значений по формуле c,л,,l,.o -г-  комбинаци  отсчетов входного сигнала р -и груп пы по t отсчетов, р 0,1, 2 -I , . . . , л I, -значение квантованного j отсчета входного сигнала из р -и группы по отсче тов; цела  часть выражени  в скобках. Например, если 8, число вычисл емых комбинаций равно 2 128 и Cp,Xp,,,.Xpg (2) pg и т.д. Ра Вычисленные комбинации с выхода блока 7 записываютс  в регистры 8 комбинаций. Дл  обработки каждого промежуточного коэффициента в одном цикле обработке € отсчетов необходима одна из этих комбинаций. В каждом такте накоплени  значений промежуточных коэффициентов каждого цикла обработки отсчетов на выходах блока 10 пам ти, подключенных к управл ющим входам регистров 8 комбинаций, по вл ютс  адреса комбинаций, необходимых );л  обработки соответствующих промежуточных коэффици:ентов. Считываемые с регистров 8 комбинации поступают на первые входы соответствуюffljix сумматоров-вьгчитателей 1 1 . Одновременно с выходов соответствующих регистров 12 промежуточных коэффициентов поступают накопленные в предыдущих циклах обработки значени  (а первом цикле обработки отсчетов выборки - нули)5 и сумматоры-вычитатели 1 1 вьшолн ют операц11и суммировани  или вычитани  в зависимости от кодов, поступающих на их упранл ющие входы с соответствующих выходов блока 10 пам ти. Результаты вычислений записываютс  обратно в  чейка: обрабатываемых S текущем такте коэффициентов в регистрах 12. Аналогичным образом дл  каждой группы по f отсчетов последовательно обрабатываютс  все коэффициенты в регистрах 12, число которых в каждом регистре равно К. После завершени  обработки V отсчетов входного сигнала вычисленные значени  промежуточных коэффициентов станов т ,с  доступными дл  считывани  на выходы регистров 12 и независимо от процесса их считывани  производитс  этап накоплени  новых промежуточных коэффициентов в регистрах 12. Таким образом, после обработки N отсчетов сигнала на первом этапе работы устройства в регистрах 12 первой группы 9 накоплены промежуточные значени  коэффициентов а,- дл  четных пр моугольных периодических функций, а в регистрах 12 второй rpynrfbi 9 - коэффициенты Ь; дл  нечетных пр моугольных перио дических функций по формулам Р 1 , в- I Q V.., V N р, ip ip Ь - т- ъ) 1 и С- л L . N ри 1р лр где и принимают значени  -1-1 или -1 в зависимости от того, с ка ким знаком соответствующа  комбинаци  суммируетс  при вычислении коэффициен тов 1Д и Ь. в СО 1 ответствии с этим с выхода блока 10 пам ти поступает на управл ющий вход сумматора-вычитател са) .tb) 1 °Д О - 1) С- n -комбинаци  из р-и группы отсчетов, не обходима  дл  вычис лени  i -го коэффициента а или Ь. 1 Если обозначить пр моугольные периодические функции, образующие бази промежуточных коэффициентов R ( д1 Д) (четные) иRg(йi,t) (нечетные фун %ср 1ции), где л{ - - средн   S-.CP частота дискретизации, то , 4p-oe.,t,p.,,e,.V, ,,.,,e.,V,Uf,tp. где t-i - К-й момент дискретизации входного сигнала. Вычисление коэффициентов Фурье через промежуточные коэффициенты Я; и Ь в блоках 13 производитс  по тем же принципам, что и в известном устройстве . Например, если выбрать пр моугольные периодические функции вид Г 1, еслисо5()0 Ui,t , 1, ес. co5(2iiiAft)0 Г 1 , если (2 iiitl .0 .i,ib ,,,,,,,..,,0 и во входном сигнале отсутствуют сос тавл ющие выше частоты nif , значени  коэффициентов Фурье а, и Ь; рассчитываютс  через промежуточные значени  коэффициентов Д; и Ь; в базисе данных пр моугольных периодических функций R-i,(ii,t) I 5(.iii,i)B соответствии со след ющими соотношени ми: ««ч. , Кг 1 -Vi-H / - цела  часть выражени  в скобках. Блок 7 вычислени  комбинаций отсчетов (фиг.2) обрабатывает отсчеты входного сигнала группами по 8. Первый сумматор-вычитлтель 17 вычисл ет частные суммы-разности пар отсчетов , второй сумматор-вычитатель 21 - част.1ые суммы-разности четь1рех отсчетов, а третий сумматор-вь(читатель - суммы-разности (комбинации) восьми отсчетов. На вход 16 блока 7 вычислени  комбинаций отсчетов поступают отсчеты входного сигнала. Каждый отсчет р -и группы с нечетным пор дковым номером записываетс  в первый регистр 18. После поступлени  следующего отсчета (с счетным номером ) в cy iaтope-вычитaтeлe 17 вьмисл етс  сумма и разность между отсчетом , записанным в регистр 18, и отсчетом , поступающим на вход блока 7, На выходе сумматора-вычитател  17 образуютс  частные суммы-разности Хр + и т.д. Частр2- ,Хр,,+ (р ,РТ,Hbie суммы-разности пар Хр р иХр , Хр записываютс  в регистр 19,а частные суммы-разности пар X р - р ч Рг Хро в регистр 20. С выходов регистров 19 и 20 эти величины считываютс  на входы второго сумматора-вычитател  21, которьм вычисл ет частные суммь1-разности (J.p,+ (Xp,+ Хр , (Xp -t-Xp,, + ) и т.д. Частные сум Ь -разности отсчетов р ро X р .. 4 записываютс  в регистр 22, а частные cyм ы-paзнocти Хр , Хр( , РЭ регистр 23. С выходив регистров эти величины считываютс  на входы третьего сумматоравычитател  24, который вычисл ет суммыразности восьми отсчетов и подает

их на выход 25 блока 7 вычислени  комбинаций отсчетов,

Количество операций суь{мировани вычитани  дл  вычислени  2 и промежуточных коэффициентов следовательно равнои

C42fl C OMTV 5 (7)

где количество суммирований- вьмитаний при определении комбинаций отсчетов в блоке 7.

зависит от €, а

Величина С

комт

также от алгоритма вычислени  комбинаций f отсчетов. В предлагаемом блоке 7 вычислени  комбинаций отсчетов

С,ом.2 +С,,,,

комт

(8) 152

и общее количество вьтолн емых операций суммировани -вычитани  на первом этапе работы устройства

С,.... (2п-152)

(9)

WMT

В известном устройстве это количество равно

Сг1-2п.М,(Q-j

следовательно, предлагаемое устройство позвол ет при количестве анализируемых частот от 128 до 512 уменьшить количество операций суммировани -вычитани  на первом этапе работы устройства в 5-7 раз, что повьшает быстродействие устройства при одинаковой элементной базе.

5 - ; |- 22 17 гг 2

и лИ. U J -

/(

25

Фиг. 2

Claims (1)

1. УСТРОЙСТВО ДОЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ФУРЬЕ, содержащее генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с входом запуска генератора псевдослучайных чисел, выход которого подключен к входу блока формирования стробимпульсов, выход которого соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого является информационным входом устройства, блок памяти, первую и вторую группы сумматоров-вычитателей, первую и вторую группы регистров промежуточных коэффициентов, первый к второй арифметические блоки, информационные выходы которых являются соответственно первым и вторым информационными выходами устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены регистр отсчетов, блок вычисления комбинаций отсчетов, первая и вторая группы регистров комбинаций по щ (тп = = р/К, где К - количество коэффициентов Фурье, обрабатываемых сумматором-вычитателем; η - количество анализируемых частот входного сигнала) в каждой, причем информационный ¹ выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом регистра отсчетов, выход которого подключен к входу блока вычисления комбинаций отсчетов, выход которого подключен к информационным входам i -х (i=1,m) регистров комбинаций первой и второй групп, информационные выходы которых подключены к первым входам ΐ-х сумматоров-вычитателей соответственно первой и второй групп, выходы которых соединены с информационными входами 1 -х регистров промежуточных коэффициентов соответственно первой и второй групп, информационные выходы которых соединены с вторыми входами j -х сумматоров-вычитателей соответственно первой и второй групп, информационными входами соответственно первого и второго арифметических блоков и являются соответственно третьим и четвертым информационны^ выходами устройства, j -е ((=2)-1) () = ГТ™) и G+m)-e выходы блока памяти соединены с управляющими входами регистров комбинаций соотвётственно первой и второй групп, а (ί+ ' +ffl)-e и (i+3m)-e выходы блока памяти подключены к управляющим входам ί-ых сумматоров-вычитателей соответственно первой и второй групп, причем блок вычисления комбинаций отсчетов содер’жит первый, второй, третий, четвертый и пятый регистры, первый, второй и третий сумматоры-вьгчитатели, информа- ционный выход первого регистра соеди нен с первым входом первого сумматора вычитателя, выход которого подключен к информационным входам второго и третьего регистров, информационные выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам второго сумматора-вычитателя, выход которого соединен с информационными входами четвертого и пятого регистров, информационные выходы которых подклю чены соответственно к первому и второму входам третьего сумматора-вычитателя, выход которого является выходом блока, а второй вход первого сумматора-вычитателя объединен с информационным входом первого регистра и является входом блока .