SU1456904A2 - Цифровой анализатор мгновенного спектра - Google Patents

Abstract

Изобретение предназначено дл  обработки вещественных сигналов в реальном масштабе времени. Анализатор содержит аналого-цифровой преобразователь 1, блоки 2,15 и 16 пам ти, сумматор 3, регистры 4,6,9,10,17 и 18, цифровой генератор 5 гармонических функций, блоки 7 и 8 умножени , генератор 19 импульсов и делитель 20 час-, тоты.Введение блоков 30 и 31 оперативной пам ти, мультиплексоров 21 и 22, сумматора 23 по модулю два, блоков 24 и 25 управлени  знаком операнда , сумматоров 26 и 27, регистров 28, 29, 32 и 33 и блока 34 задержки повышает быстродействие анализатора и расшир ет частотный диапазон анализируемых вещественных сигналов. В опи- . сании приведен пример реализации циф- рового генератора 5 гармонических функций. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл. §

Description

венных сигналов.

На фиг. 1 представлена структурна  схема цифрового анализатора мгновенного спектра; на фиг . 2 - схема цифрового, генератора гармонических функций. 20

Анализатор содержит аналого-цифровой преобразователь 1 на вход которого поступает исследуемый веществен- ньш сигнал f(t), первый блок.2 оперативной пам ти (БОП) дл  хранени  дис-25 кретных отсчетов, исследуемого участка реализации, сумматор.3, регистр 4, циф-t ровой генератор 5 гармонических Функций, регистр 6, блоки 7 и 8 умножени , регистры 9 и 10 сумматоры 11 и 12,. ре- 30 гистрЫ 13 и 14, второй и третий блоки 15 и 16 оперативной пам ти, регистры 17 и 18, генератор 19 импульсов и Делитель 20 частоты, первый и второй мультиплексоры 21 и 22, сум- 35 матор 23 по модулю два, первый и второй блоки 24 и 25 управлени  знаком операнда, сумматоры 26 и 27, регистры 28 и 29, блоки 30 и 31 оперативной пам ти, регистры 32 и 33, а. 40 .также блок 34 задержки.

Цифровой генератор 5 гармоничеW

COS

2irN N4

jsin

2 n--N N4

СКИХ функций содержит функциональный преобразователь 35, регистр 36, сумматор 37 и счетчик 38 параметра час-45 Это приводит к тому, что рекуррент- тоты, стробирующий вход которого сое-ный алгоритм, по ко.торому функциони- динен с выходом делител  20 частоты.рует известный анализатор, преобразу- Стробирующий вход регистра 36 соеди-етс  к виду

I . .

F(P.) F., (р,) (g) -f(g-N) wt ,

F(Pl) F., (P) E(gmod4)f(g)-f(g-N)

диапазонар,еО, N/4-1 и pj€N/4,N/2-l. Анализатор определ ет.одновременно два спектра

F(P|)

г

-РЛ f(k)W« ;

-P,k Ц f.(k)W/ .

N/4, то в зависимости от остатка делени  k на 4 (k mod 4) в силу периодичности весовой функции (период равен N)

FoCpa)

Так как р.

РИ

W

W

лРЛ

W.

..г. W

-Ptk „N/4

N

W

N

при(kmod 4) 0,

при(kmod 4) 1 ,

при(kmod 4) 2,

при(kmod 4) 3

Поворачивающиес  множители соответственно равны

21ГН jsin

-J

W

M(4

COS

2irN N4

jsin

2 n--N N4

приводит к тому, что рекуррент- алгоритм, по ко.торому функциони т известный анализатор, преобраз   к виду

где E(gmod4) 1 при (ginQd4) 0, E(gmod4) -j при (ginod4) 1, E(gmod4) fl при (gmod4) 2 и E(gmod4) при (gmod4) 3.

В обоих рекуррентных алгоритмах имеетс  обща  часть. Эта обща  часть- включает в себ  вычисление на казедом шаге скольжени  приращени  йГлЧр,)

спектра, которое дл  первого поддиапазона всегда суммируетс  с имеющимс  спектром, а дл  второго поддиапазона в зависимости от остатка делени  g на 4 оно либо суммируетс  с кг 1еющимс  спектром, либо вычитаетс  из наго, либо выполн етс  поворот приращени  на 90, его последующее суммирование с имеющимс  спектром- или вычитание из него.

В предложенном устройстве дР. (р ) вьиисл етс  так же, как и в известном анализаторе. Далее вычислени  раздел ютс  на два параллельных конвейера , в первом из ,которых вычисл етс  F(j(p(), а во втором ), что и приводит к увеличению быстродействи  в 2 раза при небольших дополнительных аппаратурных затратах.

Генератор 1 9 тактовых Ш шульсов и дели гель 20 частоты управл ют работой операционных блоков анализатора таким образом, что смена информаW

2 п I cos -P,g

jsin

2ir N

P, 8

10

Cp, - jSp . Эти коэффициенты выра- батьшает цифровой генератор 5 гармонических функций, и подает на информа ционные входы регистра 6. Причем с помощью генератора 19 тактовых импул сов работа схемы синхронизирована таким образом, что с приходом каждог тактового импульса в регистр 6 запи- сьшаютс  значени  Ср, и Sp, , а генератор начинает вырабатьтать следую Т5 щую пару козффициентов Ср,, и S р, . Разделительные регистры выполн ют функции сверхоперативных запоминающих устройств. при необходимости выработки очередного отсчета гармонической функции на стробирующий вход регистра 36 генератора 5 гармонических функций с выхода генератора 19 тактовых импульсов поступает импульс, который

20

Щ1И в преобразователе I, первом бло- 25 записывает D регистр 36 код с выхода ке2 оперативной пам ти, сумматоре 3 сумматора 37. Этот код поступает на

и регистре 4 происходит в N/4 раз реже, чем в остальных блоках анализатора .

Разр дность БОИ 2 соответствует разр дности преобразовател  1, а число  чеек равно N. С приходом каждого запускающего импульса с выхода делител  .20 частоты происходит запись приращени  отсчета &fa f(g) - -f(g-N) в регистр4, в блок 2 записываетс  значение отсчета f(g) и на его выходе по вл етс  значение отсчета f(g-N+-) А. Преобразователь 1 вырабатывает код нового отсчета f(g+l) В и подает его на вход блока 2 и первый вход сумматора 3, на второй вход которого с выхода блока

вход функционального преобразовател  35, где производитс  соответствующее преобразование. С приходом сле- 30 дующего импульса на стробирующий

вход регистра 36 в регистр 36 с вы- хода сумматора 37 записьшаетс  сумма предыдущего значени  аргз мента и кода номера отсчета сигнала с выхода счетчика 38 параметра частоты,т.е значение дл  следующего номера гарМОНИКИ .

С выходов блоков 7 и 8 умножени 

35

,

попроизведени  ,Cp и Q ступают соответственно на информационные входы регистров 9 и 10, запись в которые производитс  следующим тактовым импульсом Далее вычислени  раздел ютс  на два параллель2 подано значение А. Сумматор произ- 45 конвейера. В первом конвейере.

водит вычитание Е - А и результат подае:т на информационный вход регистра 4. В таком состо нии блоки 1-4 остаютс  до прихода следующего импульса с делител  20 частоты, ко- торьш записывает , в регистр 4, и производ тс  вновь перечисленные операции.

50

включающем блоки П-18, производитс  вычисление спектра первого поддиа-. пазона F,((p,), а во втором конвейере, включающем блоки 21-33, производитс  вычисление спектра второго поддиапазона F(p).

Выходы регистров 9 и 10 соединены соответственно с первыми входами сумматоров 11 и 12, на вторые входы

Выход регистра 4 подан на первые gg которых поданы соответственно выходы входы блоков 7 и 8 умножени , на вто- регистров I 7 и I 8, в которых записаны рые входы которых с выходов регистра соответствующие значени  действительной и мнимой составл ющих спектра,по- лученных на предьздущем niare скольжени .

6 последовательно во времени поступают значени  весовых коэффициентов

2 п I cos -P,g

jsin

2ir N

P, 8

10

Cp, - jSp . Эти коэффициенты выра- батьшает цифровой генератор 5 гармонических функций, и подает на информационные входы регистра 6. Причем с помощью генератора 19 тактовых импульсов работа схемы синхронизирована таким образом, что с приходом каждого тактового импульса в регистр 6 запи- сьшаютс  значени  Ср, и Sp, , а генератор начинает вырабатьтать следую- Т5 щую пару козффициентов Ср,, и S р, . Разделительные регистры выполн ют функции сверхоперативных запоминающих устройств. при необходимости выработки очередного отсчета гармонической функции на стробирующий вход регистра 36 генератора 5 гармонических функций с выхода генератора 19 тактовых импульсов поступает импульс, который

0

записывает D регистр 36 код с выхода сумматора 37. Этот код поступает на

вход функционального преобразовател  35, где производитс  соответствующее преобразование. С приходом сле- дующего импульса на стробирующий

вход регистра 36 в регистр 36 с вы- хода сумматора 37 записьшаетс  сумма предыдущего значени  аргз мента и кода номера отсчета сигнала с выхоа счетчика 38 параметра частоты,т.е. значение дл  следующего номера гарОНИКИ .

С выходов блоков 7 и 8 умножени 

,

попроизведени  ,Cp и Q ступают соответственно на информационные входы регистров 9 и 10, запись в которые производитс  следующим тактовым импульсом Далее вычислени  раздел ютс  на два параллель45 конвейера. В первом конвейере.

45 конвейера. В первом конвейере.

50

включающем блоки П-18, производитс  вычисление спектра первого поддиа-. пазона F,((p,), а во втором конвейере включающем блоки 21-33, производитс  вычисление спектра второго поддиапазона F(p).

Выходы регистров 9 и 10 соединены соответственно с первыми входами сумматоров 11 и 12, на вторые входы

5

Одновременно с этим выходы регистров 9 и 1 О соединены с входами мультиплексоров 21 и 22 таким образом, что при Наличии логического нул  на первом выходе блока ЗА задержки (что соответствует четным номерам g отсчетов сигнала) выход регистра 9 подаетс  на вход блока 24 управлени  знаком операнда, а выход регистра 10 - на вход блока 25 управлени  зна кой операнда.. При наличии логической единицы (при нечетном значении g) на этом выходе подключение блоков противоположное, что реализует поворот на 90 вектора приращени  спект- Ра uF(j,(p). Необходимость введени  блока 34 задержки обусловлена конвейерным характером обработки информации , так как номер гармоники, приращение спектра которой записано в регистры 9 и 1.0, отстает на 2 от номера гармоники, значение-g дл  которой показьшает счетчик 38 гене . Выходы, блоков 24 и 25 соединены .соответственно.с;перЕыми входами сумматоров 26 и 27, на вторые входы которых поданы соответственно выходы регистров 32 и 33, в которых записаны соответствующие значени  действительной и мнимой составл ющих спек ра второго поддиапазона, полученньк на предьщущем шаге скольжени . Суммирование в cjn MaTopax 11, 12, 26 и 27 производитс  с учетом масштабного множител  1/N, так как N 2, где п - целое, то учет этого масштабного множител  осуществл етс  весьма просто путем соответствующего сдвига на п разр дов,.

На выходе сумматора 1 получа- етс  сумма RpF(p, ) , (pj +

56904 б

ратора 5. Соответственно в блоке 34 задержки производитс  задержка вьда- чи значений двух младших разр дов 5 счетчика 27. на 2 такта действи  импульсов с выхода генератора 31 тактовых импульсов.

Блоки 24 и 25 либо сохран ют знак операнда (при подаче на их управл ю- 10 щие входы логического нул ), либо мен ют его на противоположное (при подаче на их управл ющие входы логической , единицы) . Управл ющ™ сигналом дл  блока 2k служит.второй вы- 15 ход блока 34 задержки, а управл ющим сигналом дл  блока 25 - выход сумматора по модулю два 23, реали7 зующего логическую функцию исключающего ИЛИ над логическими значени - 20 ми первого и второго выходов блока 34 задержки. Блоки 21-25 реализуют оператор E(gmod4), -действие которого можно описать таблицей соответстви 

тора  подаетс  на информационный вход регистра 13. С 45 выхода сумматора 12 алгебраическа 

. 1„г(р,) 1,,) -IUF.SP,

подаетс  на информационный вход регистра 14, На выходе сумматора 26 по- 50 лучаетс  сумма ) ,, (р) Ф

котора  подаетс  на информационный вход регистра 28. С выхода сумматора 27 алгебраическа  сум « .) I.F.,(p,) 4li,p(p)

подаетс  на информационный вход регистра 29. Запись в регистры 13, 14, 28 и 29 производитс  следующим тактовым импульсом , с выхода регистров 3 и 14 значени  отсчетов мгновенного спектра RgF. (р, ) и 1„Р„(р,) .поступают на первый выход анализатора и одновременно на информационные входы соответственно блоков 15 и 16. С выходов регистров 28 и 29 значени  отсчетов

мгновенного спектра ReFoCpz)

и

(p,2 поступают на второй выход 1Q

анализатора и одновременно на информационные входы соответственно блоков 30 и 31.

Следующим тактовым импульсом в регистры 17 и 18 с выходов блоков 5 15 и 16 записьшаютс  соответственно значени  RgF., (р,+2) и , (р,+2) а в регистры 32 и 33 с выходов блоков 30 и 31 - соответственно значеет длительности такта работы. В то же врем  за счет параллельного вычислени  двух спектров период дискретизации анализируемого сигнала может быть уменьшен в 2 раза, что приводит к такому же расширению частотного диапазо на анализируемых сигналов.

Claims (2)

1. Цифровой анализатор мгновенного спектра по авт. св. СССР № 932419, отличающийс  тем, что, с целью повьштени  быстродействи , в него введены два мультиплексора, сумматор по модулю два, два блока управлени  знаком операнда, два суммато ра, два блока оперативной пам ти,

четыре регистра -и блок задержки, при- ни  ReF () и ,, (). Чис- 20 чем второй вход цифрового генератора ло  чеек в каждом из блоков 15, 16, 30 и 31 оперативной пам ти равно N/4 - 2. Следует иметь в виду, что в тот момент времени, когда на выход анализатора поданы отсчеты гармоник 25 с номерами р, и р(записанные в регистрах 13,14,28 и 29), на выходах регистров 9, 10, 17, 18, 32иЗЗуста-- новлены операнды, соответствующие ногармонических функций соединен с выходом делител  частоты, первый вход первого мультиплексора соединен с вторым входом мультиплексора и подключен к четвертому выходу регистра, второй вход первого мультиплексора соединен с первым входом второго мультиплексора и подключен к выходу третьего регистра, управл ющие входы обогармонических функций соединен с выходом делител  частоты, первый вход первого мультиплексора соединен с вторым входом мультиплексора и подключен к четвертому выходу регистра, второй вход первого мультиплексора соединен с первым входом второго муль типлексора и подключен к выходу треть его регистра, управл ющие входы обомерам гармоник р,4-1 и , на вько- 30 их мультиплексоров объединены с пердах регистра 6, блоков 15, 16, 30 и 31 устанавливаютс  операнды, соЪт- ветствующие номерам гармоник р +2 и p,j+2, и цифровой генератор 5 гармонических функций готовит в этот момент весовые коэффициенты, соответствующие номеру гармоники р +3.

Введенные блоки  вл ютс  типовьми блоками цифровой вычислительной техники и их реализаци  с помощью интегральных микросхем не вызьюает затруднений . Блоки оперативной памйти могут быть собраны из цепочек сдвигающих регистров. В блоках 24 и 25

вым входом сумматора по модулю два и подключены к первому выходу блока задержки, второй выход которого подключен к второму входу сумматора по

35 модулю два и к управл ющему входу первого блока управлени  знаком операнда , выход сумматора по модулю два подключен к управл ющему входу второго блока управлени  знаком операнда,

40 выходы первого и второго мультиплек- .соров соединены с первыми входами со- ответственно четвертого и п того сумматоров через первый и второй блоки

управлени  знаком операнда соответ- управлени  знаком операнда могут быть 45 ственно, выходы четвертого и п того использованы микросхемы, реализующие сумматоров соединены с выходами со- логическую функцию ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. ответственно четвертого и п того бло- Блок 34 задержки может быть выполнен ков оперативной пам ти через дев тый в виде двух 2-разр дных сдвиговых ре- и дес тый регистры соответственно, гистров, содержащих всего 4 триггера. 50 выходы четвертого и п того блоков

Длительность такта работы конвейерного устройства определени  мгновенного спектра определ етс  в основном временем вьтолнени  операции умножени  в блоках 7 и 8, так что выполне- 55 ветственно, выходы дев того и дес то- ние дополнительной операции E(ginod4), го регистров соединены с вторыми вы- осуществл емой в блоках 21-25 в од- ходами устройства, управл ющие вхо- ном такте, с суммированием в сумма- ды всех введенных регистров, блоков торах II, 12, 26 и 27 не увеличива- оперативной пам ти и блока задержки

оперативной пам ти соединены с вторыми входами соответственно четвертого и п того сумматоров через один- надцатьй и двенадцатый регистры соотет длительности такта работы. В то же врем  за счет параллельного вычислени  двух спектров период дискретизации анализируемого сигнала может быть уменьшен в 2 раза, что приводит к такому же расширению частотного диапазона анализируемых сигналов.

Формула изобретени 

1. Цифровой анализатор мгновенного спектра по авт. св. СССР № 932419, отличающийс  тем, что, с целью повьштени  быстродействи , в него введены два мультиплексора, сумматор по модулю два, два блока управлени  знаком операнда, два сумматора , два блока оперативной пам ти,

четыре регистра -и блок задержки, при- чем второй вход цифрового генератора

гармонических функций соединен с выходом делител  частоты, первый вход первого мультиплексора соединен с вторым входом мультиплексора и подключен к четвертому выходу регистра, второй вход первого мультиплексора соединен с первым входом второго мультиплексора и подключен к выходу третьего регистра, управл ющие входы обоих мультиплексоров объединены с первым входом сумматора по модулю два и подключены к первому выходу блока задержки, второй выход которого подключен к второму входу сумматора по

35 модулю два и к управл ющему входу первого блока управлени  знаком операнда , выход сумматора по модулю два подключен к управл ющему входу второго блока управлени  знаком операнда,

40 выходы первого и второго мультиплек- .соров соединены с первыми входами со- ответственно четвертого и п того сумматоров через первый и второй блоки

ветственно, выходы дев того и дес то- го регистров соединены с вторыми вы- ходами устройства, управл ющие вхо- ды всех введенных регистров, блоков оперативной пам ти и блока задержки

оперативной пам ти соединены с вторыми входами соответственно четвертого и п того сумматоров через один- надцатьй и двенадцатый регистры соот91

соединены с выходом генератора такте вых импульсов, первый и второй входы блока задержки соединены соответственно с третьим и четвертым выходами цифрового генератора гармонических функций. I

2. Анализатор по п. 1 , отличающийс  тем, что цифровой генератор гармонических функций содержит последовательно соединенные счетчик параметра частоты, сумматор.

.

11 II

Л

5690410

регистр и функциональный преобразователь , причем выходы функционального преобразовател   вл ютс  первым и g вторым выходами генератора, его вход одновременно соединен с вторым входом сумматора, управл ющие входы регистра и счетчика  вл ютс  соответственно первым и вторым входами 10 генератора, а выходы первого и второго разр дов счетчика  вл ютс  соответственно третьим и четвертым выходами генератора.

,

,

38

1Р

гр

фиг. 2.