SU1667102A1 - 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 генератор 1 шумового сигнала, коммутаторы 2, 3, три фильтра 4 промежуточной частоты, коммутатор 5, два фазовых детектора 6, два фильтра 7 нижних частот, два аналого-цифровых преобразовател  8, блок 9 дискретного преобразовани  Фурье, сумматор 10, блок пам ти 11, два ключа 13, 14, блок 21 посто нной пам ти, умножитель 22, счетчик адресов 17, синхронизатор 23, дополнительно введены блок 19 делени , второй блок 12 пам ти, второй счетчик 18 адресов, два ключа 15, 16, регистр 20 кода нормирующего коэффициента, три двоичных счетчика 24, 25, 26. Сущность изобретени  заключаетс  в том, что увеличиваетс  точность вычислени  спектра выходных сигналов за счет повышени  точности определени  усредненных значений АХЧ фильтров, которые вычисл ютс  путем нахождени  среднего значени  из N отсчетов случайного шумового сигнала при N*981. 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к вычислительной технике, в частности к устройствам спектрального анализа сигналов, представленных в цифровой форме,

Изобретение может быть использовано при проектировании и построении систем, осуществл ющих вычисление спектра сигналов в св зи, телеметрии и других област х техники.

Цель изобретени  - повышение точности вычислени  спектра выходных сигналов .

Сущность изобретени  заключаетс  в том. что увеличиваетс  точность вычислени  спектра выходных сигналов за счет повышени  точности определени  усредненных значений АЧХ фильтров. Это достигаетс  тем, что вычисление усредненных значений амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) фильтров по шумовому сигналу производитс  по формуле

1 N

-Я.2Л

(1)

где N - количество отсчетов накоплени  усреднени  при вычислении спектра шумового сигнала, прошедшего АЧХ фильтров;

Vk - результат усреднени  на k-ом шаге вычислени ;

xk - отсчет спектра (тестового) шумового сигнала, подлежащий усреднению на k-ом шаге вычислений.

При этом дисперси  Д(у) усредненного значени  АЧХ фильтров в каждой точке ее частоты, выраженна  через дисперсию входного сигнала, равна

Д(У)1д(х)

(2)

Таким образом, чем больше число усреднений N, тем меньше дисперси  Д(у), т.е. гем ниже погрешность оценки усредненного значени  АЧХ. Так, если N 1024, то

д(у))

(3)

Сопоставл   этот результат, видим, что точность вычислени  усредненных значений АЧХ существенно возрастает при увеличении числа усреднений. Тем самым видно, что операци  усреднени  по формуле (1) при N 1 существенно увеличивает точность вычислени  спектра выходных сигналов устройства.

На фиг. 1 представлйна структурна  схема yrrponcim дл  вычислени  спектра сигнал )в; на фиг.2 - временные диаграммы, по сн ющие работу устройства.

Устройство дл  вычислени  спектра сигналов содержит генератор 1 шумового сигнала , коммутаторы 2-3, фильтры 4 промежуточной частоты, коммутатор 5, два канала, каждый из которых состоит из последовательно соединенных фазового детектора 6, фильтра 7 нижних частот,

0 аналого-цифрового преобразовател  (АЦП) 8, блок 9 дискретного преобразовани  Фурье, сумматор 10, блоки 11-12 пам ти, ключи 13-16, счетчики 17-18 адресов, блок 19 делени , регистр 20 кода нормирующего

5 коэффициента, блок 21 посто нной пам ти, умножитель 22, синхронизатор 23, двоичные счетчики 24-26, информационные входы 27-29 устройства, вход пуска 30, информационный выход 31, вход 32 пуска

0 синхронизатора, выход 33 синхронизатора, входы 34-36 задани  режима синхронизатора и выходы 37-50 синхронизатора.

Обозначение временных диаграмм на фиг.2 соответствует обозначени м входов и

5 выходов синхронизатора.

Устройство работает следующим образом .

С момента поступлени  сигнала Пуск на вход 30 устройство работает в соответст0 вии с временной диаграммой (см. фиг.2), разделенной на три части вертикальными пунктирными лини ми. Лева  часть соответствует режиму установки исходного состо ни  устройства, средн   часть - режиму

5 ускоренной разовой записи исходного состо ни  формы АЧХ и права  часть соответствует одному из многих одинаковых циклов режима коррекции (осноаной режим), чередующегос  с режимом повторной записи те0 кущей, изменившейс  формы АЧХ.

Таким образом, и,г,е  временной диаграммы работы устройства заключаетс  в установке исходного состо ни  устройства, в ускоренной записи исходной формы АЧХ, а

5 затем следуют циклы работы, каждый из которых состоит из режима коррекции и чередующегос  с ним режима повторной записи изменившейс  формы АЧХ.

Режим установки устройства в исходное

0 состо ние начинаетс  при поступлении сигнала ПУСК (диаграмма 32) на вход 30 устройства , который устанавливает в исходное состо ние и дает начало работы синхронизатору 23, двоичным счетчикам 24-26, пер5 вому 17 и второму 18 счетчикам4 адресов (диаграммы 33-36, 43-46 фиг.2, слева от первой пунктирной линии), а также устанавливает в исходное нулевое состо ние информацию АЦП 8 и блока 9 (диаграммы 41. 42).

Первый двоичный счетчик 24 из тактовой частоты {диаграмма 33) формирует импульсы с периодом обработки Тп (диаграмма 34), второй двоичный счетчик 25 насчитывает m периодов Тп (в нашем случае m 3, по числу фильтров 4 промежуточной частоты) при воздействии единичного уровн  диаграммы 50.

Третий двоичный счетчик 26 начинает счет временных интервалов тТп,  вл ю- щихс  выходными дл  счетчика 25. Режим установки устройства в исходное состо ние заканчиваетс  записью нулевой информации в первый 11 и второй 12 блоки пам ти с помощью тактовой частоты, проход щей че- рез открытые ключи 15 и 16 и осуществл ющей полный перебор адресов первого 17 и второго 18 счетчиков адресов, синхронно с поступлением команд управлени  записью/считыванием (диаграмма 48) дл  первого блока 11 пам ти и команды управлени  записью (диаграмма 49) дл  второго блока 12 пам ти. При этом нулева  входна  информаци  на первый блок 11 пам ти подаетс  с установленного в нулевое состо - ние (диаграмма 42) блока 9 через коммутатор 3 и сумматор 10, а из первого блока 11 пам ти нулева  информаци  переписываетс  во второй блок 12 пам ти через блок 19 делени , который выполн ет функ- цию делени  его входной информации на коэффициент N, записанный и считываемый из регистра 20 кода нормирующего коэффициента . В этом режиме операци  делени  не имеет принципиального значени . Она будет необходима в конце режимов записи в следующих циклах работы устройства.

Режим записи исходного состо ни  формы АЧХ устройства представл ет собой обработку с вычислением спектра широко- полосного сигнала генератора 1 шума за N периодов Тп в полосе АЧХ устройства с вычислением в сумматоре 10 и первом блоке 11 пам ти накопленной информации о форме АЧХ, нормировку этой информации (де- лениена блоке 19 делени ) и запись этой информации, вычисленной в соответствии с выражением (1) во второй блок 12 пам ти.

Точность полученной информации о форме АЧХ тем выше, чем больше число N периодов Тп обработки и усреднени  шумовых мгновенных спектров, полученных в каждом периоде Тп вычислений. В этом режиме работают все узлы устройства, кроме второго ключа 14, блока 21 посто нной па- м ти и умножител  22. Широкополосный сигнал генератора 1 шума (диаграмма 37), прошедший коммутаторы 2 и фильтры 4 промежуточной частоты (диаграмма 37) поочередно с выхода коммутатора 5 (диаграммы 38, 39, 40), управл емого командами (диаграммы 38, 39, 40), поступает на входы фазовых детекторов 6, затем, пройд  их, фильтры 7 нижних частот и АЦП 8, шумовой сигнал, дискретизированный по времени, квантованный по уровню и представленный в двоичном коде на интервалах времени, соответствующих диаграмме 41, подаетс  на входы блока 9, который за эти же интервалы времени (диаграмма 42, первые полупериоды обработки) производит дискретное преобразование Фурье по алгоритму БПФ. Таким образом, на выходе БПФ 9 (диаграмма 42, вторые полупериоды обработки ) будут получены три последовательности спектральных отсчетов шумового сигнала, которые  вл ютс  мгновенными спектрами шумового сигнала, прошедшего АЧХ трех фильтров 4 промежуточной частоты .

Считанный сигнал из блока 9 (диаграммы 42, вторые полупериоды), прошедший коммутатор 3 и поданный на первый вход сумматора 10 (диаграмма 44), затем обрабатываетс  за N периодов Тп по алгоритму в соответствии с выражением (1). Этот алгоритм реализуетс  с помощью следующих узлов устройства: сумматор 10, блоки 11 и 12 пам ти, ключи 13, 15, 16, счетчики 17 и 18 адресов, блок 19 делени , регистр 20 кода нормирующего коэффициента. Управление работой этих узлов обеспечиваетс  от синхронизатора 23 и двоичных счетчиков 24-26. Прошивка ПЗУ в синхронизаторе 23 соответствует временным диаграммам (фиг.2).

Вычисление суммы (без нормировки) производитс  на временных интервалах диаграмм 43 и 44 (между первой и второй вертикальными пунктирными лини ми), где показаны первые три и последние три N-e периоды вычислени  дл  каждого из трех фильтров 4 промежуточной частоты. Дл  этих вычислений информаци , прошедша  сумматор 10, записываетс  в блок 11 пам ти и подаетс  с его выхода через открытый первый ключ 13 на второй вход сумматора 10, чтобы в результате повторени  N подобных одинаковых операций обеспечить алгоритм суммировани  (накоплени ) текущей входной информации сумматора 10 с суммой предыдущей текущей информации, поступающей на второй вход сумматора 10.

Дл  обеспечени  синхронной работы сумматора 10 и первого блока 11 пам ти производитс  одновременное открывание первого 13 и четвертого 16 ключей и синхронный счет адресов в первом счетчике 17 адресов на интервалах действи  команд записи , считывани  и запоминани  (диаграмма 48) дл  первого блока 11 пам ти.

Вычисленна  таким образом сумма по выражению (1) переписываетс  из первого блока 11 пам ти во второй блок 12 пам ти через блок 19 делени , в котором осуществл етс  деление (нормировка) двоичной циф- ровой информации на коэффициент N (записанный и считываемый из регистра 20 кода нормирующего коэффициента N) на последних трех N-x периодах (диаграмма 45). Считывание суммы, нормировка и перепись информации об исходной форме АЧХ во второй блок 12 пам ти обеспечиваетс  синхронной работой четвертого ключа 16, первого счетчика 17 адресов, первого блока 11 пам ти, блока 19 делени  и регистра 20 кода нормирующего коэффициента, второго блока 12 пам ти, второго счетчика 18 адресов и третьего ключа 15 (диаграммы 43, 45, 46, 48 и 49).

Таким образом, полученна  информа- ци  об исходной форме АЧХ устройства с учетом АЧХ трех фильтров 4 промежуточной частоты в соответствии с выражением (1) записана во второй блок 12 пам ти. Нормировка информации о форме АЧХ (деление на N) обеспечивает посто нство среднего значени  разр дности этой информации, что стабилизирует также средний коэффициент передачи информации в последующих циклах коррекции при любом значении коэффи- циен та N, численно равного количеству периодов обработки и накоплени .

Режим коррекции  вл етс  основным режимом работы устройства, в котором спектр сигнала, прошедшего все устройство от информационных входов 27-29 до первого входа умножител  22 и несущий в себе информацию об искажени х, вызванных неидеальной формой АЧХ, корректируетс  путем перемножени  в умножителе 22 на корректирующие множители, которые представл ют собой обратные величины 1/К от усредненных амлпитудных значений К на каждом отсчете по частоте АЧХ устройства.

Корректирующие множители формируютс  в блоке 21 посто нной пам ти, в ПЗУ которого защиты обратные функции 1/К от двоичного кода амплитудных значений К, считываемых из блока 12 пам ти (диаграм- мы 46, 49) и передаваемых через ключ 14 (диаграмма 47) на блок 21 посто нной пам ти , а с его выхода - на второй вход умножител  22 дл  корректировки спектра основных сигналов, поступающих на пер- вый вход умножител  22. При работе устройства в режиме коррекции участвуют все узлы устройства, кроме сумматора 10, блока 11 пам ти, ключей 13 и 16, счетчика 17 адресов , блока 19 делени  и регистра 20.

Временные диаграммы режима коррекции и чередующегос  с ним режима записи (обновлени ) информации об изменившейс  форме АЧХ изображены справа от второй вертикальной пунктирной линии на фиг.2. Сначала следуют три периода повторени , соответствующие коррекции вычисленных спектров сигналов, прошедших коммутаторы 2, а также последовательно во времени первый, второй и третий, фильтры 4 промежуточной частоты, затем три первых из mN периодов обновлени  записи информации об АЧХ. После трех точек на ос х времени диаграмм показана последн   группа из шести периодов, состо ща  из трех периодов коррекции и трех последних N-x периодов записи-обновлени  информации об изменившейс  за это врем  форме АЧХ. В этих же последних трех периодах происходит перепись обновленной информации из блока 11 пам ти в блок 12 пам ти.

Работа узлов устройства в режиме записи исходной информации и в режиме записи обновленной информации об АЧХ, т.е. в разовом и чередующихс  режимах, идентична и состоит в обоих случа х из mN периодов. На фиг.2 показан частный случай чередовани  режимов коррекции и перезаписи со

ГП IVloppeu

скважностью

m Mr

равной 1,

ГП Мщфезап

где Мкоррекц - число периодов коррекции за врем  одного цикла с чередующимис  режимами. На практике обновлени  информации об АЧХ требуетс  реже, что зависит от скорости изменени  формы АЧХ от температуры , окружающей узлы устройства, а также от скорости изменени  температуры, т.е. может оказатьс  целесообразным т 1, что может быть реализовано в устройстве путем увеличени  коэффициента делени  во втором двоичной счетчике 24 путем записи в него соответствующего двоичного кода по низкому уровню команды диаграммы 50. Скорректированные спектры сигналов поступают с умножител  22 на выход 32 устройства дл  дальнейшей обработки. Затем циклы работы с чередующимис  режимами повтор ютс .

Таким образом, повторение циклов работы с чередующимис  режимами позвол ет отслеживать изменени  уровн  и формы АЧХ устройства во времени и учитывать эти изменени  при корректировке вычисленного спектра основных сигналов устройства с точностью, определ емой выражением (1), более высокой при N 1.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Устройство дл  вычислени  спектра сигналов , содержащее генератор шумового

   сигнала, п ть коммутаторов, три фильтра промежуточной частоты, синхронизатор, два фазовых детектора, два фильтра нижних частот, два аналого-цифровых преобразовател , блок дискретного преобразовани  Фурье, сумматор, первый блок пам ти, два ключа, блок посто нной пам ти, умножитель , первый счетчик адресов, причем выход генератора шумового сигнала подключен к Первым информационным входам первого, второго и третьего коммутаторов, выходы которых подключены к входам соответственно первого, второго и третьего фильтров промежуточной частоты, выходы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему информационным входам четвертого 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 соответст: венно реальной и мнимой составл ющих блока дискретного преобразовани  Фурье, выход которого подключен к информационному входу п того коммутатора, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому входу умножител  и первому входу сумматора, выход которого подключен к информационному входу первого блока пам ти, выход которого подключен к информационному входу первого ключа, выход которого подключен к второму входу сумматора , адресный вход первого блока пам ти подключен к информационному выходу первого счетчика адресов, выход второго ключа подключен к адресному входу блока посто нной пам ти, выход которого подключен к второму входу умножител , выход которого  вл етс  информационным выходом устройства , первым, вторым и третьим информаци- оннымии входами которого  вл ютс  вторые информационные входы соответственно первого , второго и третьего коммутаторов, управ л ющие входы которых соединены ме/кду собой и подключены к первому выходу синхронизатора , управл ющий сход первого ключа соединен с управл ющим входом п того коммутатора и вторым выходом синхронизатора , тактирующие входы блока дискретного преобразовани  Фурье и аналого-цифровых преобразователей соединены с третьим выходом синхронизатора, отличающее- С   тем, что, с целью повышени  точности вычислени  спектра сигналов, в него введены блок делени , второй блок пам ти, второй

   счетчик адресов, третий и четвертый ключи , регистр кода нормирующего коэффициента и три двоичных счетчика, причем выход первого блока пам ти подключен к первому входу блока делени , выход которого подключен к информационному входу второго блока пам ти, выход и адресный вход которого подключены соответственно к информационному входу второго ключа и к

   0 информационному выходу второго счетчика адресов, счетный вход которого подключен к выходу третьего ключа, информационный вход которого подключен к информационному входу четвертого ключа, выход которого

   5 подключен к счетному входу первого счетчика адресов, второй вход блока делени  подключен к выходу регистра кода нормирующего коэффициента, первый выход синхронизатора подключен к входу запуска генератора шу0 мового сигнала, четвертый, п тый и шестой выходы синхронизатора подключены соответственно к первому, второму и третьему управл ющим входам четвертого коммутатора , седьмой выход синхронизатора подклю5 чен к входу сброса блока дискретного преобразовани  Фурье, восьмой выход синхронизатора подключен к управл ющему входу четвертого ключа, дев тый выход синхронизатора подключен к входам сброса

   0 аналого-цифровых преобразователей, дес тый выход синхронизатора подключен к входу считывани  регистра кода нормирующего коэффициента , третий выход синхронизатора подключен к информационному входу треть5 его ключа и к счетному входу первого двоичного счетчика, выход которого подключен к первому входу задани  режима синхронизатора , второй и третий входы задани  режима которого подключены соответственно к выхо0 дам второго и третьего двоичных счетчиков, одиннадцатый выход синхронизатора подключен к управл ющему входу третьего ключа , двенадцатый выход синхронизатора подключен к управл ющему входу второго

   5 ключа, тринадцатый выход синхронизатора подключен к входам управлени  записью и счишванием первого блока пам ти, четырнадцатый выход синхронизатора подключен к входам управлени  записью и

   0 считыванием второго блока пам ти, п тнадцатый выход синхронизатора подключен к с/оду записи коэффициента счета второго двоичного счетчика, счетный вход и выход которого подключены соответственно к вы5 ходу псрпого и счетному входу третьего двоичных счетчиков, вход пуска устройства подключен к входу пуска синхронизатора и к в/одьм установки исходного состо ни  перьогс, второго, третьего двоичных счетчи- коа и первого, второго счетчиков адресов.

   Cvj

   I