SU732759A1 - Анализатор спектра - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  спектрального анализа непрерывно измен ющихс  во времени сигналов. Известен анализатор периодических сигналов, предназначенный дл  вычислени  спектральных коэффициентов периодических, сигнапов и содержащий источник сигнала, усилитель мощности инвертор, фильтр низкой частоты, усилитель-ограничитель, интегратор, фильтр посто нной составл ющей, детектор , дифференцирующее устройство генератор Уолша и п каналов, состо  ших из последовательно соединенных умножител , интегратора и регистрир щего устройства 1. Недостатками анализатора периоди ческих сигналов  вл ютс  низкое быстродействие , ограниченные функциональные возможности. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению  вл етс  анализатор с дискретным преобразованием, который содержит п усреднителей, блок быстрого преобразовани  Уолша, коммутатор на {п-1 выход, п накопительных  чеек (регистров ), генератор тактовых импульсов и блок управлени , причем информационные входы всех усреднителей объединены и подключены к источнику аналогового анализируемого сигнала. Первый управл ющий вход первого усреднител  подсоединен к первому выходу блока управлени . Второй управл ющий вход каждого усреднител  объединен с первым управл ющим входом следующего усреднител  и подключен к соответствующему выходу коммутатора . Выход генератора тактовых импульсов подсоединен к входу коммутатора и к входу блока управлени , второй выход которого подключен к объединенным управл ющим входам накопительных  чеек (аналоговых  чеек пам ти). Выхода п усреднителей подсоединены к соответствующим входам блока быстрого преобразовани  Уолша (ББПУ), п выходов которого подсоединены к входам соответствующих накопительных  чеек, выходы которых  вл ютс  выходами устройства. Дл  работы с ЦВМ или в составе ЦВМ в качестве встроенного блока необходимо введение в его состав цифроаналогового преоб разовател  и п аналого-цифровых преобразователей 12 . Одним из недостатком устройства  вл етс  низка  точность вычислени  спектральных коэффициентов, в св зи с тем, что усреднители интегрируют входной сигнал на интервале времени Тр/п без учета отрицательного знака , т.е. отрицательные полуволны срезаютс  входного сигнала интегрируютс . Кроме того пониженна  точность вычислени  св зана с не обходимостью хранени  величины сигнала S (пропорционального интегралу входного сигнала) на интеграле Уд/п в течение времени от до Тр- в виде напр жени  на интегрирующей емкости усреднител . недостатком анализатора  вл етс  ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что действительные значени  спектральных коэффициентов могут быть получены только после окончани  интервала времени, на котором производитс  анализ сигнала и анализато не может быть использован дл  скол з щего режима непрерывного вычисле ни  спектральных коэффициентов непре рывно измен ющегос  во времени сигнала . Цель изобретени  - повышение точности определени  спектргшьных коэффициентов и расширение функциональны возможностей анализатора. Указанна  цель достигаетс  тем, что анализатор спектра, содержащий блок быстрого преобразовани  Уолша, усреднитель, блок определени  коэффициентов , преобразователь, регистры сдвига и блок управлени , выходы ко торого св заны с уп авл ющими входа ми упом нутых блоков, а вход подклю чен к выходу генератора тактовых им пульсов, дополнительно содержит бло выделени  знака, выходами подключен ный к двух входам усреднител , трети и четвертый входы которого соединены с выходом преобразовател , вторые в ды которого соединены с входом анали затор а и одновременно со входами блока выделени  знака, а третий вхо к выходу блока выделени  знака, при чем выходы усреднител  подключены через первый регистр сдвига ко входам блока быстрого преобразовани  Уолша, выходы которого св заны через второй регистр сдвига со входами блока определени  коэффициентов. На фиг. 1 представлена блок-схем ансшизатора спектра; на фиг. 2, 3, 4 и 5 - схемы блока выделени  знака преобразовател , усреднител , схема соединени  одной пары сумматоров, вход щих в состав первой ступени блока быстрого преобразовани  Уолша (БПУ), соответственно. В . состав анализатора вход т блок выделени  знака 1, преобразователь 2, усреднитель 3, сдви гатель 4 емкостью (п-1) машин ных слов, блок 5 быстрого пре образовани  Уолша, сдвигатель 6 емкостью машинных слов, блок 7 первой ступени БПУ, генератор 8 тактовых импульсов и блок 9 управлени . Цифрами 10 и 11 обозначены соответственно цифровой и аналоговый входы анализатора . Цифрой 12 обозначен контрольный выход (сигнал сбо ) анализатора . В состав блока выделени  знака (фиг.2) вход т элементы НЕ 13 и 14, элементы И 15 и 16, элементы ИЛИ 17, 18 и 19, усилители-ограничители 20 и 21 и инвертор 22. Блок 1 предназначен дл  определени  знака сигнала, заданного либо цифровым кодом , знаковые разр ды которого подсоедин ютс  к входам элементов НЕ, либо аналоговой величины, например, медленно измен ющимс  напр жением, подаваемый на вход усилител -ограничител  20 и на вход инвертора 22. В результате анализа на выходе элемента ИЛИ 18 сигнал по вл етс  в случае отрицательного сигнала и на выходе элемента ИЛИ 19 в случае положительного значени  сигнала. На выходе элемента ИЛИ 17 по вл етс  в случае, если на входы элементов НЕ 13 и 14 подаетс  код 01 или код 10. Инвертированное значение анализируемого ансшогового сигнаша с выхода инвертора 22 подаетс  на один из входов преобразовател  2 Блок-схема преобразовател  2 (фиг.З) состоит из компараторов 23 и 24, схемы 25 сравнени , датчика случайных чисел и сигналов 26 и элемента ИЛИ 27. Преобразователь 2 предназначен дл  преобразовани  входного сигнала в случайную последовательность импульсов (преобразование типа сигнал-веро тность). Датчик 26 может представл ть собой, например, последовательно соединенные датчик случайных чисел и цифроаналоговый преобразователь. В этом случае выход также подключаетс  и к входу схемы 25 сравнени , а выход цифроаналогового преобразовател  - к входам компараторов 23 и 24. Импульс на выходе компаратора 23, компаратора 24 или схемы 25 сравнени  по вл етс  в том случае, если случайное число по величине меньше числа, поступившего на другой вход схемы 25 сравнени , или в том случае, если случайна  аналогова  величина меньше значени  аналогового сигнала на другхзм входе одного из компараторов 23 или 24, Блок-схема усреднител  3 (фиг.4) состоит из элементов И 28 реверсивного счетчика 29, блока 30 считывани , счетчика 31 и элемента 32 задержки. Усреднитель предназначен дл  суммировани  или вычитани  (в зависимости от знака усредн емой функции) импульсов случайной последовательности с выхода преобразовател  2. Импульсы в реверсивном счетчике 29 суммируютс  или вычитаютс  до момента переполне ни  счетчика 31, что соответствует интервалу времени At. При этом код, сформированный в реверсивном счетчи . пропорционален интегралу Zlj от вхо ного сигнала на интервале времени &t. В момент переполнени  счетчика 31 на выход усреднител  выдаетс  уп равл ющий импульс, а спуст  некоторо врем ,определ емое элементом задерж 32, осуществл етс  считывание кода 0 из реверсивного счетчика 29 через бл считывани  30 с одновременным обнулением реверсивного счетчика 29. В схеме соединени  одной пары су маторов, вход щих в состав блока 7 первой ступени БПУ (фиг.5) i-ый и j-ый входы подключаютс  к выходам сдвигател  6 в соответствии с законом реализации первой итерации БНУ, В анализаторе спектра реализуетс алгоритм расчета спектральных коэффициентов при разложении исследуемо сигнала по дискретным ортогональным кусочно-посто нным функци м {Радема хера, Уолша, Хаара и т.п.). Любой спектральный коэффициент, например в базисе Уолша, может быть расчитан по формуле: VbU,r,4.(,nl, (i) )- спектр Уолша от исследуемого сигнала x(t, Г) ; W.- система . ортогхэнальных функций Уолша; t- текущее врем ; Т- переменна  интегрировани  на интервал ортогональности (О.Т); T/ut - число участков посто нства функций Уолша максимальной частоты (т 1,2..) t- интервал дискретизации по времени. Так как Wjj ±1 дл  функций Радемахера и Уолша, что (1) -южно представить в виде: пи Г tiMlui1 «ч гт / . При расчете спектральных коэффициентов в предлагаемом устройстве реализуетс  алгоритм быстрого преобразовани  Уолша. Работа анализатора спектра происходит следующим образом. В каждый момент времени в сдвигателе 4 находитс  (п-1) значений элементарных интервалов выражени  (2) от 3, до 3„ -включительно. Значение каждого элементарного интеграла 3 вычисл етс  с помощью усреднител  3 на предыдусдих этапах расчета спектрашьных коэффициентов. В момент времени t. в который начинаетс  расчет спектральных коэффициентов ) дл  отрезка, исследуемой функции x(t) на интервале t, t-, на п/3 входов блока 5 быстрого преобразовател  Уолша поступают четные значени  элементарных интегралов , включа  только что сформированное Зц из сдвигател  4, т.е. четна  полувыбор-ка. Далее с помощью блока 5 вычисл ютсн спектральные коэффициенты дл  этой четной полувыборки (с использованием общеизвестного алгоритма быстрого преобразовател  Уолша), которые помещаютс  в нечетные (условно нечетные)  чейки сдвигател  6 от I до п-1-ой включительно (всего п/2 коэффициентов). В четных же  чейках сдвигател  6 наход тс  значени  спектральных коэффициентов , вычисленных дл  четной полувыборки элементарных интегралов на предаадущем шаге, т.е. дл  момента времени (t - u.t), котора  в момент времени t  вл етс  нечетной полувыборкой . Тем самым исключаетс  не-обходимость расчета спектральных коэффициентов дл  нечетной полувыборки в каждый момент времени. Затем с помощью блока 7первой ступени быстрого преобразовател  определ ютс  все текущие спектргшьные коэффициенты анализируемого сигнала по спектральным коэффициентам четной полувыборки и нечетной полувыборки (четной на предаддущем шаге) . в тот же момент времени t,когда начинаетс  расчет спектральных коэффициентов , начинаетс  также процесс формировани  очередного элементарного интеграла на интервале времени t, t -fit. При этом одновременно и непрерывно определ етс  знак анализируемой функции с помощью блока 1 и преобразование ее в случайную последовательность импульсов с помощью . преобразовател  2. Выделение знака осуществл етс  следующим образом. Если анализируемый сигнал задаетс  в цифровом виде, то его знаковые разр ды (в модифицированном коде) поступают на входы элементов НЕ 13 и 14 и элемента И 16 (фиг.2). Если это код 00 (знак плюс) , то сигнал по вл етс  на выходе элемента И 15 и через элемент ИЛИ 18 подаетс  на выход блока 1 дл  управлени  реверсивным счетчиком 29 (фиг.4) с целью суммировани  импульсов, поступающих с выхода преобразовател  2. Если знаковые разр ды представл ют код 11, то сигнал по вл етс  на выходе элемента И 16 и через элемент ИЛИ 19 поступает на выход блока 1 дли управлени  процессом вычитани  импульсов.

поступающих с выхода преобразовател  2. Если анализируемый сигнал  вл етс  аналоговой величиной, например, медленно измен ющеес  напр жение посто нного тока, то он поступает на вход усилител -ограничител  20 ,и на вход инвертора 22. Если сигнал положительный, то поступив через усилитель-ограничитель 20 на вход элемента ИЛИ 18 и с него на выход блока 1, интерпретируемый как знак плюс. ЕСЛИ сигнал отрицательный, то пройд  через инвертор 22, усилитель-ограничитель 21 и элемент ИЛИ 19 он интерпретируетс  как управл ющий сигнал, минус. Одновременно с этим инвертированный сигнгш с выхода инвертора 22 поступает на вход одного из компараторов преобразовател  2.

Преобразователь 2 осуществл ет преобразование сигналов следующим образом.

Если сигнал задаетс  в цифровом виде, то его значени  без знаковых р зр дов непрерывно подаютс  на вход схемы 25 сравнени  (фиг.3), на друго вход которой с датчика 26 также непрерывно поступают случайные равномерно распределенные числа. Импульсы на выходе схемы сравнени  25 по вл ютс  вс кий раз, когда случайное число оказываетс  меньше- числа, поступающего на другой вход схемы сравнени . Если сигнал задаетс  в,аналоговом виде, то он поступает на вход одного из компараторов, а на вход другого компаратора поступает его инвертированное значение с блока 1. На другие объединенные входы компараторов поступают случайные аналоговые сигналы с датчика 26. имеющие только положительные значени . Импульсы возникают на выходе того компаратора, на вход которого поступает положительный анализируемый сигнал (ибо отрицательный сигнал алгебраически всегда меньще любого положительного) причем импульсы возникают только в случае, когда случайный аналоговый сигнал меньше анализируемого.

Усреднитель 3 работает следующим образом.

Импульсы с выхойа преобразовател  2 через элемент И 28 (фиг.4) поступают на счетный вход реверсивного счетчика 29, где они суммируютс  или вычитаютс  в зависимости от знака анализируемой функции. Тактовые импульсы высокой частоты, поступающие на управл ющие входы преобразовател  2 и усреднител  3, синхронизируют работу этих блоков и одновременно подсчитываютс  счетчиком 31 усреднител  емкость которого пропорциональна интервалу времени &t (интервалу интегрировани ). При переполнении счетчика 31, т.е. по прошествии времени &t, импульс переполнени  поступает на вход элемента 32 задержки и на управл ющий вход сдвигател  4, в - котором при этом осуществл етс  сдвиг информации на одно машинное слово, с освобождением  чейки Зут Спуст  врем  определ емое элемектом 32 задержки , из реверсивного счетчика 29 код через блок 30 считывани  передаетс  в сдвигатель 4 в  чейку Зц. Одновременно с этим с помощью блока 9 управлени  осуществл етс  сдвиг информации в сдвигателе 6 на одно машинное слово с одновременным обну5 лением нечетных  чеек. При этом реверсивный счетчик 29 обнул етс  и процесс формировани  очередного элементарного интеграла начинаетс  снова. Остальные же узлы и блоки

0 устройства начинают формирование

спектральных коэффициентов в соответствии с алгоритмом, изложенным выше.

Таким образом, повышение точности определени  спектральных коэффициен5 тов достигаетс  за счет того, что

интегрирование сигнала осуществл етс  с учетом его знака.

Claims (2)

1.Авторское свидетельство СССР № 470754, кл. G 01 R 23/00, 1974.

2.Зарубежна  радиоэлектроника. 1972, 5, с. 27, рис. 7.

Sil

,:--- ,/.-;v :-v7./ 32759

27

I о8;

фи.