SU769443A1 - Цифровой анализатор энергетического спектра - Google Patents

Description

1

Изобретение относитс  к области специализированных средств цифровой вычислительной техники, предназначенных дл  вычислени  статических характеристик случайных процессов. Анализатор может быть использован дл  исследовани  энергетических спектров случайных сигналов и помех в системах св зи, радиолокации, технической диагностики и управлени .

Известны различные устройства дл  вычислени  энергетических спектров случайных сигналов, построенные как на основе вычислени  коррел ционной функции, так и периодограмме сигнала.

Известен веро тностный спектрокоррел тор 1, состо щий из блока управлени , блока центрировани , блока вентилей, блока веро тностного округлени , блока динамических сдвигающих регистров, регистра числа, первого блока сравнени , блока согласовани , блока веро тностного умножени , блока определени  масштабных коэффициентов, генератора случайных чисел, второго блока сравнени , блока ассоциативной пам ти, блока накопителей и блока регистров. Это техническое рещение позвол ет вычисл ть энергетический спектр случайного сигнала параллельно с вычислением коррел ционной функции по графсхеме алгоритма быстрого преобразовани  Фурье.

Недостатком этого устройства  вл етс  низкое быстродействие, что обусловлено

5 необходимостью производить большое количество вычислительных операций при вычислении коррел ционной функции.

Наиболее близким техническим решением к изобретению  вл етс  цифровой анализатор спектра, использующий дискретное преобразование Фурье 2 и содержащий последовательно соеднненные предварительный фильтр, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок временного взве15 шивани , блок вычислени  дискретного

преобразовани  Фурье, блок вычислени 

квадрата модул , блок усреднени  и блок

отобрал ени .

Этот анализатор позвол ет вычисл ть

20 энергетический спектр на основе вычислени  периодограммы случайного сигнала.

Недостатком устройства также  вл етс  малое быстродействие вследствие больших вычислительных затрат при вычислении

25 дискретного преобразовани  Фурье (вычисление дискретного преобразовани  Фурье даже по граф-схеме алгоритма быстрого преобразовани  требует производить N о§2 Л операций комплексного умноже30 ни  и сложени , где N - число выборок

анализируемого сигнала), что не позвол ет анализировать энергетический спектр широкополосных сигналов в реальном масштабе времени.

Целью изобретени   вл етс  повышение быстродействи  пифрового анализатора энергетического спектра.

Эта цель достигаетс  тем, что в предложенное устройство дл  вычислени  энергетического спектра, содерлсашее блок вычислени  дискретного преобразовани  Фурье, предварительный фильтр, вход которого  вл етс  входом устройства, а выход подключен ко входу АЦП, блок усреднени , вход которого подключен к выходу блока вычислени  квадрата модул , выход блока сглаживани  подключен ко входу блока отображени , введены четыре коммутатора , дешифратор адреса, блок посто нной пам ти п блок сложени  по модулю два, входы которого соединены соответственно с первым выходом первого коммутатора и с выходом блока посто нной пам ти . Выход блока сложени  по модулю два соединен с первым информационным входом второго коммутатора. Цервый, второй, третий и четвертый входы блока вычислени  дискретного преобразовани  Фурье подключены соответственно ко второму выходу первого коммутатора и к первым выходам второго и третьего коммутаторов и к первому выходу дешифратора адреса. Управл ющие входы коммутаторов соединены с первым управл ющим выходом блока вычислени  дискретного преобразовани  Фурье, второй управл ющий выход которого подключен ко входу дешифратора адреса, второй выход которого подключен ко входу блока посто нной пам ти. Другие выходы блока вычислени  дискретного преобразовани  Фурье соединены соответственно с информационным входом первого коммутатора, со вторым информационным входом второго коммутатора и с информационным входом четвертого коммутатора , первый выход которого подключен ко входу блока сглаживани . Информационные входы третьего коммутатора соединены соответственно с выходом АЦП и блока усреднени . Второй выход четвертого коммутатора подключен ко входу блока вычислени  квадрата модул .

На фиг. 1 приведена структурна  схема предлагаемого цифрового анализатора энергетического спектра; на фиг. 2 - графсхема вычислени  восьми точек энергетического спектра.

Анализатор содержит АЦП 1, фильтр 2, блок усреднени  3, блок вычислени  квадрата модул  4, блок вычислени  дискретного преобразовани  Фурье 5, блок сглаживани  6, блоки отображени  7, коммутаторы 8-11, блок 12 сложени  по модулю два, блок 13 посто нной пам ти, дешифратор адреса 14, блок обмена 15, оперативное ЗУ 16, блок управлени  17, арифметическое устройство 18, сумматор 19, перемножитель 20 и посто нное ЗУ 21.

На фиг. 2 штриховыми лини ми обозначены операции инверсии знака чисел {сложение по модулю двух знаковых разр дов чисел с элементами матрицы Уолша); точкамн - операции сложени  чисел; стрелками - операции умножени  чисел; 22 - этап вычислени  преобразовани  Уолша по алгоритму быстрого преобразовани ;

23- этап вычислени  квадрата модул ;

24- этап усреднени ; 25 - этаи вычислени  быстрого преобразовани  энергетического спектра Уолша в энергетический спектр Фурье.

Этапы 22-24 образуют первый цикл преобразований, этап 25 - второй цикл.

АЦП 1 предназначен дл  получени  кода выборок анализируемого случайного сигнала . Фильтр 2 ограничивает анализируемый сигнал по полосе частот и тем самым уменьшает погрешность АЦП. Блок усреднени  3 обеспечивает накопление элементов массивов квадратов модул  дискретного преобразовани  и усреднение этих элементов по числу массивов. Блок вычислени  квадрата модул  4 осуществл ет возведение в квадрат модул  элементов массивов дискретного преобразовани . Блок вычислени  дискретного преобразовани  Фурье 5 предназначен дл  вычислени  дискретного преобразовани  Фурье от массива выборок входного сигнала (в общем случае обеспечивает вычисление произведени  матрицы преобразовани  на входной массив). Блок сглаживани  6 служит дл  уменьшени  случайных флуктуации вычисленного энергетического спектра, обусловлеиных ограниченным количеством обрабатываемых выборок сигнала. Блоки отображени  7 предназначены дл  регистрации результатов спектрального анализа. Коммутаторы 8-11 обеспечивают переключение двух входов на один выход или одного входа на два выхода. Блок сложени  по модулю два 12 осуществл ет сложение по модулю два знаковых разр дов поступающих на него чисел с элементами матрицы Уолша, хран щимис  в блоке посто нной пам ти 13. Дешифратор адреса 14 обеспечивает формирование команды обращени  к блоку 13 или к блоку пам ти, 21, .в котором хран тс  элементы матрицы дискретного преобразовани . Блок обмена 15 предназначен дл  обмена данными между входом и выходом блока 5 и оперативным ЗУ 16, в котором формируютс  обрабатываемые массивы и результаты промежуточных вычислений. Блок управлени  формирует команды управлени  блоками анализатора в соответствии с алгоритмом вычислени  энергетического спектра. Арифметическое устройство 18 выполн ет операции

сложени  и умножени  числа соответственно в сумматоре 19 и перемножителе 20.

Работа предлагаемого цифрового анализатора энергетического спектра раздел етс  на два основных цикла преобразований.

В первом цикле блок управлени  17 выдает сигналы управлени  на коммутаторы 8-11 и дешифратор адреса 14, по котопым коммутатор 8 подключает выход АЦП 1 ко входу блока обмена 15 б.1ока вычислени  дискретного преобразовани  Фурье 5. Коммутатор 9 соедин ет выход ЗУ 16 с первым входом блока сложени  по модулю два 12, коммутатор 11 - выход б.пока 12 со входом ЗУ 16, а коммутатор 10 - выход блока обмена 15 со входом блока вычислени  квадпата модул  4. Дешифратор адреса 14 формирует сигнал обращени  к блоку посто нной пам ти 13.

Во втором цикле поеобразований блок управлени  17 вырабатывает уцравл юи1;ие сигналы на коммутаторы 8-II и дешифратор адреса 14, по которым коммутатор 8 переключает вход блока обмена 15 с выхода АЦП 1 на вход блока усреднени  3, коммутатор 9 переключает выход ЗУ 16 го входа блока 12 на вход перемножител  20 арифметического устройства 18, коммутаTOD 11 нерек.пючает вход ЗУ 16 с выхода схемы 12 на выход перемножител  20, коммутатоп 10 перек.гтючает выход б.тока обмена 15 со входа блока вычислени  квадрата модул  4 на вход блока сглаживани  6. Дешифратор 14 формипует команду обращени  к посто нному ЗУ 21.

В первом цикле преобразований анализируемый сигнал подаетс  на вход фильтра 2, в КОТОРОМ ограничиваетс  на полосе частот и с его выхода подаетс  на вход АЦП 1, где преобразуетс  в цифровой вид. С выхода АЦП 1 сигнал в цифровом виде через коммутатор 8 поступает в блок обмена 15, который пересылает далее сигнал в ЗУ 16, где кодовые слова (выборки сигнала ) формируютс  в соответствующие массивы слов. Далее выборки сигнала из ЗУ 16 в пор дке, определ емом алгоритмом умножени  матрицы преобразовани  Уолща на массив выборок сигнала, подаютс  через коммутатор 9 на вход блока 12 еложени  по модулю два, где ПРОИСХОДИТ сложение по модулю два значений знаковых разр дов кодовых слов с коэффициентом матрицы Уолта, котопые подаютс  на второй вход блока 12 с блока 13 по командам обращени , подаваемым из дещифратора адреса 14. Преобразованные таким обпазом кодовые слова подаютс  с выхода блока 12 через коммутатор 11 в ЗУ 16, откуда далее поступают в пор дке, определ емом алгоритмом преобразовани , в сумматор 19, где происходит сложение преобразованных кодовых слов. Результаты сложени  из сумматора 19 пересылаютс  обратно в ЗУ 16, После обработки всех кодовых слов

из массива в ЗУ 16 образуетс  массив коэффициентов разложени  Уолша

,

где W - матрица Уолша;

X массив выборок входного сигнала.

Рассмотренна  последовательность преобразований выборок сигнала соответствует этану 22 на фиг. 2.

Далее массив р через блок обмена 15 и коммутатор 10 нодаетс  та вход блока вычислени  квадрата модул  4, где происходит возведение в квадрат модулей э,пементов массива р, а затем полученные результаты подаютс  в блок усреднени , где происходит их накопление с последующим усреднением.

Рассмотренна  носле.аовательность выполнени  операций на первом цикле повтор етс  м раз, в результате чего в блоке усредиенп  3 образуетс  массив коэффициентов энергетического сиектра Уодща

- После этого начинаетс  второй иикл преобразований , на котором коэффициенты

эиергетического сиектра Уолига V преобразуютс  в коэффициенты энергетического

спектра Фурье G, т. е. реализуетс  преобразование вида G TV ио алгоритму быстрого иреобразовани . При этом коэффи-

циенты энергетического спектра Уолша V подаютс  с выхода блока усреднени  3 через коммутатор 8 н блок обмена 15 в ЗУ 16, откуда в соответствии с алгоритмом

умножени  матрицы Т на вектор V подаютс  через коммутатор 9 на вход перемножител  20, на другой вход которого подаютс  коэффициенты матрицы Т из ЗУ 21. Результаты умножений с выхода перемножител  20 подаютс  через коммутатор 11 в ЗУ 16, откуда в опреле,пенном пор дке посылаютс  в сумматор 19, где ПРОИСХОДИТ их попарное сложение. Получаемые суммы пересылаютс  обратио из сумматора 19 в ЗУ 16, в результате чего в нем формируетс  массив коэффициентов энергетического

спектра G, которые да,1ее через блок обмена 15 н коммутатор 10 подаютс  в блок сглаживани  6, где осуществл етс  сглаживание полученного массива G заданным спектральным окном. С выхода блока 6 сглаженный энергетический спектр нодаетс  на блоки отображени .

Таким образом, описанное устройство позвол ет вычисл ть энергетический спектр

Фурье через энергетический спектр Уолша и за счет этого полностью исключить операции умножени  чисел на первом цикле преобразований, а следовательно, значительно увеличить быстродействие цифрового анализатора энергетического спектра. Если учесть, что быстрое преобразование Уолша вычисл етс  в 13 раз быстрее, чем быстрое преобразование Фурье, то предлагаемый цифровой анализатор энергетического спектра позвол ет обрабатывать в реальном масштабе времени сигналы с шириной спектра в 13 раз большей, чем известные технические решени .

Claims (2)

1.Авторское свидетельство СССР № 526907, кл. G 06F 15/34, 1975.

2.Патент США № 3881097, кл. G 06F 15/34, опубл. 1975 (прототип).