SU807181A1 - Цифровой анализатор спектра,ОСНОВАННый HA диСКРЕТНОМ пРЕОбРАзО-ВАНии фуРьЕ - Google Patents

Description

Изобретение относится к цифровой обработке сигналов, а именно к устройствам анализа спектра сигналов.

Известно параллельное быстродействующее устройство вычисления полного преобразования Фурье, в котором последовательность входных квантованных сигналов передается на * каждый из нескольких параллельных блоков обработки, содержащих группы накопленных сумм произведений входных квантованных сигналов с соответствующими величинами тригонометрических функций. Указанные группы накопленных сумм подвергаются, затем параллельно преобразованию Фурье для получения коэффициентов Фурье, соответствующих начальной входной последовательности 11] .

Однако ,поскольку количество блоков обработки сигналов соответствует числу требуемых коэффициентов фурье,то й боль шинстве реальных задач состав аппаратуры, необходимый для реализации указанного способа и устройства, становится чрез-·⁵ вычайно большим, устройство же очень сложным, что в свою очередь понижает надежность его работы. Возникает необходимость хранить в памяти каждого блока обработки набор триго нометрических коэффициентов, что еще более увеличивает состав аппаратуры устройства.

Известна также система для преобразования Фурье в реальном времени, содержащая ряд последовательно соединенных вычислительных устройств, каждое из которых состоит из устройства, выполняющего арифметические операции над группой данных, устройства для запоминания части группы данных, у с тройств а ‘для передачи результата арифметических операций над данными к устройствам их запоминания, постоянное запоминающее устройство для запоминания значений тригонометрических функций 12]·

Однако в этом устройстве количество аппаратуры также значительно, и для хранения тригонометрических коэффициентов требуется запоминающее устройство.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является цифровой анализатор 'спектра, использующий дискретное, преобразование Фурье,а состав аппаратуры, реализующей преобразование Фурье, существенно уменьшен. Этот анализатор спектра содержит аналого-цифровой преобразователь для получения последовательного ряда цифровых слов, первый блок для запоминания последовательности слов, блок умножения каждого слова, выбранного из первого устройства памяти, на выбранное значение функции окна, служащее для образования слов соответствующих произведений, второй блок для запоминания произведений, блок для умножения слов, выбираемых из второго запоминающего устройства, на выбранные значения тригонометрических функций, служащих для получения множества групп, представляющих соответственно вещественную и мнимую части дискретного преобразования Фурье (ДПФ^для последовательности упомянутых произведений. Каждое слово из множества групп действительной и мнимой частей ДПФ, соответствующее множеству спектральных линий К, накапливается в накопителях, затем усредняется. Для получения значения мощности соответствующее среднее значение действительной и мнимой частей каждой спектральной линии возводится в квадрат и квадраты полученных средних значений’ складываются.

Для получения тригонометрических коэффициентов в памяти хранятся значения синусов четверти периода гармонической функции. Считывание из памяти нужного значения этой функции происходит после вычисления • адреса, соответствующего текущим _β значениям аргумента, что достигается при помощи специального вычислительного блока {.3]·

Хотя в указанном устройстве и достигается сокращение аппаратурных средств, но получается проигрыш в быстродействии, в результате чего работа в реальном времени возможна не во всех анализируемых диапазонах частот. Кроме этого, блок получения тригонометрических коэффициентов довольно сложен по конструкции и количество анализируемых спектральных составляющих и отсчетов определено конструкцией прибора и не может изменяться пользователем.

Целью изобретения является повышение быстродействия и упрощение цифрового анализатора спектра.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой анализатор спектра, основанный на дискретном преобразовании Фурье, содержащим аналогоцифровой преобразователь, вход которого является входом устройства, а выход подключен к первому входу блока умножения, второй вход которого соединен с выходом блока выбора ве- 60 совых коэффициентов,, сумматор, первый, второй и третий входы которого подключен^ соответственно к выходам блока накопления, блока вычисления мощности и блока памяти,выходы сум матора соединены соответственно со входами блока накопления, блока вычисления модности и блока памяти, введен блок тригонометрического умножения, вход которого соединен с выходом блока умножения, а выходы подключены соответственно ко входу блока выбора весовой функции и к четвертому и пятому входам сумматора.

Другое отличие анализатора состоит в том, что блок тригонометрического умножения содержит первый и второй блоки задания постоянных, кодов, первый и второй источники постоянных напряжений и первый и второй синус-косинусные умножающие генераторы, входы первого из которых подключены соответственно к выходам первого и второго блоков задания постоянных кодов и к выходам первого и второго, источников постоянных напряжений, входы второго синус—косинусного умножающего генератора подключены соответственно к первому и второму выходам первого синус-косинусного умножающего генератора, к выходу первого источника постоянного напряжения, а четвертый вход является входом блока тригонометрического умножения, выходами которого являются соответственно первый выход первого синус-косинусного умножающего генератора и первый и второй выходы второго синус-косинусного умножающего генератора.

При этом синус-косинусный умножающий генератор, содержащий первый регистр, выход которого соединен со входами первого и второго блоков умножения, и второй регистр, выход которого соединен со входами третьего и четвертого блоков умножения, вторые входы первого и третьего блоков умножения являются первыми управляющими входами синус-косинусного умножающего генератора, второй управляющий вход которого соединен со вторым входом четвертого и через инвертор - со вторым входом второго блока умножения, выходы первого и четвертого блоков умножения соединены с соответствующими входами первого сумматора, а выходы второго и третьего* блоков умножения подключены к соответствующим входам второго Сумматора, выход первого сумматора соединен со входом первого регистра, выход второго сумматора - со входом второго регистра, вторые входы регистров яв- . ляются соответственно третьим и четвертым входами синус-косинусного умножающего генератора, а выходы регистров являются выходами синус-косинусного умножающего генератора.

На фиг. 1 изображена структурная схема цифрового анализатора спектра) на фиг. 2 - структурная схема устройства получения произведений взвешенных отсчетов на тригонометрические коэффициенты; на фиг. 3 - структурная схема синус- косинусного генератора.

Цифровой анализатор спектра состоит из аналого-цифрового преобразователя 1, выход которого соединен с первым входом блока 2 умножения^второй вход которого соединен с блоком 3 выбора весовой функции, а выход со входом блока 4 тригонометрического умножения для получения произведений взвешенных отсчетов на тригонометрические коэффициенты. Первый ι выход блока 4 соединен со входом блока 3, а другие его выходы - со входом сумматора 5. Другие входы и выходу сумматора 5 соединены с блоком 6 памяти, хранящим мнимую и действительную части дискретного преобразования Фурье, и с блоком 7 накопления для усреднения коэффициентов спектра мощности, а также с блоком 8 вычисления мощности и входом цифрового дисплея 9.Выход блока 8 через цифроаналоговый преобразователь 10 подключается к электроннолучевой трубке 11 и самописцу 12.

Блок 4 для получения произведений взвешенных отсчетов на тригонометрические коэффициенты состоит из двух синус-косинусных умножающих генераторов, каждый из которых имеет два управляющих входа, два установочных входа и два выхода (фиг.2). Первый установочный вход генератора 13 соединен с источником 14 постоянного напряжения, управляющие входы соединены с блоками 15 и 16 задания постоянных кодов, а выходы соединены с управляющими входами генератора 17, первый установочный вход которого является входом блока 4.Вторые установочные входы обоих генераторов 13и17 сое40 ется .25 динены с источником 18' постоянного напряжения и выход синус-косинусного генератора 13 является первым выходом блока 4, а выходы второго генератора 17- другими выходами устройства 4.

Синус-косинусный умножающий генератор, структурная схема которого изображена на фиг. 3, состоит из первого регистра 19, выход которого соединен со входом блоков 20 и 21 умножения, и второго регистра 22, выход которого соединен со входами блоков 23 и 24 умножения, вторые входы блоков 20 и 23 умножения соединены с первым управляющим входом синускосинус ного умножающего генератора, второй управляющий вход его соединен, со вторым входом блока 24 умножения и через Выходы _ны со выходы ны со ход сумматора 26 соединен со входом регистра 19, а выход суматора 27 соединен со входом регистра 22. Вто инвертор 25 - с блоком 21 блоков входами блоков входами соедине26, а соедине27. Вы- и 24 сумматора и 23 сумматора —й выборке в выборок входрые входы регистров являются установочными входами, а выходы регистров - выходами синус-косинусного генератора.

С выхода аналого-цифрового преобразователя 1 на вход блока 2 умножения поступает цифровое слово соответствующее и последовательности н ного сигнала. В блоке 2 вычисляется произведение A® f(ti)· где

-И ~е значение весовой функции, поступающее с выхода устройства 3, производящего выбор весовой функции. Взвешенный отсчет А поступает затем на вход блока 4, в котором для И’, соответствующему текущей выборке Ни), последовательно вычисляется к произведений AsihSKhk/N и для И = 0,1... N и

К = 0,1... К, где К - количество анализируемых спектральных составляющих. С первого выхода устройства 4 на вход устройства 3 поступает значение коэффициента СОЭЛИГи/ц для формирования весовой функции окна Хемминга Ί/2 (1-са52Ги /И ) _г а со второго выхода - произведения Асо5 и ΑΜη21ΓπΚ/Ν поступают на вход сумматора 5, где суммируются с содержимым К-й ячейки, блока 6 памяти, хранящего суммы вида я· Асо52Гнк/щ и εАэ<н21Смц/м . Результат сложения отсылается в К-ю ячейку.После обработки N -го отсчета в запоминающем устройстве 6 хранится К мнимых (.1) и действительных (К)частей коэффициентов ДПФ входного сигнала,заданного последовательностью N слов

Множество К коэффициентов ДПФ суммируется с накапливаемыми в блоке 7 накопления суммами и затем усредняя ----1. Усредненные значения мнимой и действительной части К коэффициентов ДПФ поступают в блок 8 вычисле,ния мощности, где вычисляется К-я составляющая спектра мощности входного сигнала Р(К)-=/ЧЮ» . Значение Р (к) может быть выведено на цифровой дисплей 9, и через цифроаналоговый преобразователь 10 -, на электроннолучевую трубку 11 и самописец 12. На выходе источника 15 постоянного кода формируется код, соответствующий значению sin2^;,a на выходе блока 16 задания постоянного кода - код, соответствующий cos 2Я/М.Код на выходе источника 14 напряжения соответствует значению 1”» . а на выходе источника напряжения 18 значению 0. С первого выхода генератора 13 поступает значение sin со второго его выхода-значение cos 2Кп/н.Перед началом обработки отсчета f (и) на первый установочный вход генератора 17 подается произведение А. В процессе обработки и -го взвешенного отсчета на первом выходе генератора 17 форми7 руется произведение AcosUTnfc/N а на втором выходе - произведение ASIHlITttK/N, поступающее затем в сумматор 5.

Формирование этих произведений происходит следующим образом, в начале работы ра первый установоч- ’ ный вход синус-косинусного генератора 13 подается 1, а на .второй-0 Это соответствует занесению 1 в регистр 22, а 0 - в регистр 19. .

Таким образом, на следующем такте на выходе сумматора 26 будет значение

3«η21Γ/Ν , а на выходе сумматора

- COS21I7N · На втором такте на тех же выходах соответственно будет 15

МИ 11Γ/Ν CO5 2r/N-«-COSn/N · 5<Н 21Γ/Ν = SiH 2· 21Γ/Ν COS 2T/N -CO5 2lf/N - Sin 2ίί/Ν -SIH 21Γ/Ν =CO52-21T/N

На 3-м такте на этих выходах будут соответственно sin3исозз-^ , а на -м такте - ыи-^-ц и cos^-и. Значения ы'и 2ϊϊι/Ν и соэ21Гп/м подаются на управляющие входы второго генератора 17, а на установочные входы - соответственно А и 0.

Тогда, очевидно·, на выходах генератора 17 после отработки К-го такта будут коды, соответствующие произведениям Ас0521ГиК/М и ASinlfTnK/N,

Накапливая сумму 2 N таких произведений для каждого К в запоминаю щем устройстве, выполненном, напри мер, на сдвиговых регистрах, мы получаем множество мнимых частей I (K)ft и’действительных частей ξ (К Аспект- , jg ральных линий к.

Таким образом, в предлагаемом устройстве нет необходимости в запоминании последовательности N слов f(h)_f так как каждое слово f(и)обрабатывается для всех К спектральных состав- 40 ляющих, и после обработки хранение _гего не обязательно.Кроме’того,отсутствует память для хранения тригонометрических коэффициентов и специаль*ный блок для вычисления адресов,соот- 45 ветствующих коэффициентов с текущими ^значениями η и К.Умножение взвешен'ного отсчета А на тригонометрические коэффициенты cos 2 ТГц к/Ν и S<n21TnK/N в предлагаемом устройстве совмещается jjq с получением значений этих коэффициентов, таким образом не требуется времени на вычисление нужного адреса коэффициента и вызов его из запоминающего устройства. Это позволяет -также изменять число анализируемых ^э линий К и число анализируемых отсчетов N по желанию пользователя как в сторону увеличения, так в сторону . уменьшения, чего нельзя сделать в известном устройстве,поскольку эти 60 числа определяются в нем конструкцией. блока хранения и выборки тригономет- . рических ^коэффициентов. Кроме того, произведения A sin 2 Я n К/N И Acos2TTm К/N вычисляются одновременно, в то время . 65 как в известном устройстве это принципиально невозможно.

Claims (3)

1.Патент США W 3662161, кл. Q 06 Р 7/38, 1972.

2.Патент США 3881100,

0 кл. G 06 F 15/34, 1975.

3.Патент США 3881097,

кл. G 06 Р 15/34, 1975(прототип),