SU940170A1 - Анализатор спектра Фурье - Google Patents

Description

(54) АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА ФУРЬЕ

Изобретение относитс  к вычислитель ной технике дл  обработки сигналов в реальном времени в задачах выделени  полезных сигналов на фоне помех, в спектральном анализе дл  вибрационной диагностики и т.д. В задачах вибрационного контрол  состо ни  механизмов часто поступают следукщим образом. Измерив полный сп.екгр сигнала объекта контрол , рыцел ют одну или несколько опасных гармо ник и переход т к их непрерывному наблюдению в режиме скольз щей выборки Остальной массив спектра, не представл ющий интереса, исключают из вычислени Осуществить .узкую след аую фильтрацию сигнала можно дво ко: либо с по- мсацью гетеродини овани , либо с помощью цифровой фильтрации. В указанных задачах использование гетерошнных анализаггоров нецелесообразно, так как оперйггор имеет дело с двум  приборами , кроме того, возникает проблема масштабировани  сигналов при переходе от одного прибора к другому. К тому же, нестабильность гетеродина вносит дополнительную частотную погрешность, в результате отслеживаетс  гармоника, несколько смещенна  относительно заданной . Следует указать также, тго при контроле одного объекта используетс  одновременно лшиь один прибор. Устройствам , способным вычисл ть полный спектр сигнала и осуществл ть след щую фильтрацию, указанные недостатки несвойственны. Дл  построени  таких устройств используют цифровые методы. Известно устройство, позвол ющее обновл ть коэффициенты Фурье после каждого нового отсчета входного сигнала , однако на самом деле скольжени  не происходит, обновление спектральных оценок носит характер их уточнени  до некоторого момента, заканчивающего этот цикл к начинающего новый с груй ми первыми и уточненными последующиМИ оцешсоми, устройство выполнено на цифровой элементной базе fl 1 Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  анализатор спектра Фурье, содержащий аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом первого сумматора и с вхоаом первого бло ка пам ти, выход которого соединен с вторым входом первого сумкштора, ьторой блок пам ти, выход которого соединен с первым входом второго сумматора третий блок пам ти и блок формировани  синусных и косинусных весовьк коэффициентов , первый выход которого подклкх чен к первым входам первого и второго умножителей, а второй подключен к первым входам третьего и четвертого умножителей , вторые первого и тре тьего умножителей, а также второго и четвертого соединены между собой, а выходы второго и третьего, первого и четвертого умножителей соединены с первыми и вторыми входами третьего и четвертого сумматоров соответственно, выход первого сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, выход которого подсоединен к второму входу первого умножител , выход третье го блока пам ти подсоединен к второму входу второго умножител , а выводы третьего и четвертого сумматоров соеди нены с входами второго и тоетьего блоков пам ти соответственно 2 . Известное устройство вычисл ет спек тральные оценки, обновл   их с каждым отсчетом Входного сигнала в скольз щем временном окне анализа. Сущность процесса в следующем, Окно охватывает N отсчетов и оценка производитс  по формуле J. - -jZTEKp/N р к I, к--О где Ij - значение k-ro отсчета; р номер отслеживаемой гармоники (относительно первой основной гармоники анализа); - , . ,(f KpVBiHfH.Kp. -CCKp)-jSl. единичный радиус - вектор, поворачивающийс  с каждым новым отсчетом ( на угол -j по часово стрелке в комплексной плоскости. Таким образом, дл  N отсчетов време ного окна вектор делает ровно р полных оборотов. При этом важно, чтойы в исходном положении (в момент первого отсчета в пределах окна) вектор совмещалс  с осью вещественных чисел. Если, предположим, дл  какого-тоокна это условие выполн етс , то дл  следующего соседнего окна все отсчеты смест тс  по фазе на р, дл  последующего смещение, по фазе составитуже л . -г , Т.Д. После N тактов скольжени  вектор вновь сместитс  с вещественной осью, поскольку сделает полный оборот. При вьшолнении пр мого ШФ смещение фазы направлено в сторону отставани , поэтому дл  его компенсации результат вычислений в предыдущем окне умножаетс  на вектор Е . Но предварите 1.ко вычитаетс  первый отсчет Q предыдущего окна, выходивший в оценку с нулевой фазой, и добавл етс  новый отсчет )j с фазой, кратной 21Г, и поэтому коллинеарный отсчету . Таким образом, корректирующие преобразовани  скольз щей спектральной оценки на частоте р-ой гармоники имеюг виц tp-v-fNr fp v-), где FP - спектральна  оценка после . го отсчета входного сигнала; Fi - спектральна  оценка после { -го отсчета входного сигнала. В случае оцен™ ки FP и FP - комплексные, а величина (fy- { ) всегда действительна, потому , что, как отмечено вьпие, ей соответствует вектор, лежащий на вещественной оси. Учитыва  это обсто тельство и представл   компенсирующий вектор в тригонометрической форме, имеем выражение , реализуемые известным устройством , ReFp-- R-efpHfN- o).P)- (2) -Pvy,,P) 3 Fp-- eFpHfw-fo SHP) -i::3 Fp CCf/ (3) Символами Rg и 1 обозначены соответтвенно реальные и мнимые части спекральных оценок. Схема и естного устройства построена точном соответствии с выражени ми (2) и (3) и поэтому использует четыре умножител . Однако это не самое экономичное рещение. Ойцеизвестно, что уможители сложнее сумматоров на кодовый пор док, т.е., если, например, разр дность кодов равна 16 (типичный случай), дл  построени  однотактового умножител  потребуетс  16 сумматоров, расположенных , лесенкой со сдвигом каждого последук цего на разр д. Уменьшение количества

умножителей в схеме без ущерба дан быстродействи  устройства приводит к существенному схемно-геосно огическому упрощению анализатора.

Цель изобретени  - упрощение устройства .

Указанна  цель достигаетс  тем, что в анализатор спектра Фурье, содержащий три блока умножени , первый блок пам ти вход которого объединен с первым входом первогч5 блока вычитани  и  вл етс  информационным вэсодом анализатора, второй ЕЖОД первого блока вычитани  подключен к выходу первого блока пам ти, а выход первого блока вычитани  пошсп.ючен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго блока пам ти, первые входы первого и второго блоков умножени  подключены соответственно к.пе даому и второму вхсьдам опорного гармонического сигнала ана лизатора, вторые входы первого и второго блокав умножени  соединены соответственно с в&1ходами первого сумматора и третьего блока пам ти, выходы первого и второго блоков умножени  подключены к первым входам второго блока вычитани  и второго сумматора, выходы которых соединены соответственно с входами второго и третьего блоков пам ти, введены третий блок вычитани  и третий сумматор, входы которого подключены соответственно к первому и второму тригонометрическим входам анализатора, а выход - к первому входу третьего блока умножени , второй вход которого соединен с выходом третьего блока вычитани , входы которого подключены соответственно к выходу первого сумматора и третьего блока пам ти, выход третьего блока умножени  подключен к вторым входам второго сумматора и второго блока вычитани .

На чертеже показана схема устройства ,

Анализатор содержит сумматор 1 и 2 соответственно первый и второй, вы- читатели 3 и 4 соответственно первый и второй, умножители 5-7 соответственно первый, второй, третий, блоки 8 - 10 пам ти соответственно первый, второй, третий, третий сумматор 11 i третий вычитатель 12, вхопы 13 и 14 опорно.го сигнала соответственно первый и второй. .

Устройство работает следующим образом .

В блок 10 пам ти занос тс  отсче ты входного сигнала, поступающие на вход устройства от АИП (не показано). Блок 10 представл ет собой линию задержки чисел на N тактов: запись операнда .. сопровождаетс  выдачей из блока 10 значени  f,. Рычит ат ель 3 формирует разность (f -), добавл емую В сумматоре 1 к величине е вызываемую из блока 10 пам ти. Полученна  сумма С Ре С f N о) - подаетс  в умножтель 5.

В отличие от известного устройства компенсирукщий вектор подаетс  в предлагаемое устройство следунлцим образом: на первый тригонометрический вхоД 13 из таблишой пам ти анализатора (не показана) выводитс  величина

(4).

CC,p)tS(P)A,

на второй тригонометрический вход

ВЫВООТ ТСЯ

fp)

Ж

:(

inr

coft - pP-siKi

сс,р)-ч.р)--в

ъ

соответствии с этим умножитель вырабатывает произведение

lReFp(«N-to)A

(6)

Блок 9 пам ти работает синхронно и в одном адресном режиме с блоком 1О выдава  мнимую, часть I уу, Fp ксАшлексноЙ оцешш в умножитель 6, вырабатываюощй произведение

(7) .

На третий умножитель 7 подаютс  вели SJC

чина Cos-j p., выделенна  сумматоре 11, и разность

i eFp4f«-fo) (о)

полученна  вычитателем 12 (следует заметить , что дл  получени  на выходе сумматора 11 величины С ( доста точно относить разр д переполне н , так как непосредственное суммирование выражений (4) и (5) дает удвоенное 31;ачение косинуса).

На выходе умножител  7 офаауетс  п роизведени

)-3vr..f5: (9)

Claims (1)

1. Коды выражений (9) и (7) подаютс  в сумматор 2, на выходе которюго образу етс  нова  оценка реальной части р : комплейсной спектральной компоненты 7.9 VT--I efp- C N-fo)-3vY. ,Т:р в--1ЛеРр м- о)И,Р)г -DniFpl6C,P),(10) что идентично выражению (2). Коды выражений (6) и (9) подакггс  в вычитатель 4, формирующий на своем выходе новую оценку мнимой части 1 FP комплексной спектральной компоненты ыРрЧ еРрЧ1м-«о)ЗЛЧЯеРр t(«M-io)-3«, cu,P)i:«.)5aP)t + n.Fp3cu,p), ,,, что идентично выражению (3). Полученные оценки Rg Fp и 1,Р подаютс  на запись в блоки 10 и 9 пам ти соответственно. Описанным выше способом можно обработать большое количество спектральных оценок. Например, дл  врюмени обработки одной компоненты 0,5-1 мне и периода дискретизации входного сигнала 20 МКС (при анализе в реальном времени сигналов частотой до 20 кГц) количество таких компонентов сосгавл ет соответственно 40-2О. Предлагаемое устройство содержит на два сумматора (сумматор плюс вычи татель) больше, чем известное, рднако экономи  на одном умножителе,, цп  построени  которого при 16-разр дной сетке вьгчиспений потребовалось бы 16 сумматоров, проводит, таким образом, в целом к экономии 14 сумматоров при реализации анализатора по предлагаемой схеме. Формула изобретени 

   Анализатор спектра Фурье, содержащий три блока умножени , первый блок пам ти, вход которого объединен с пер2 . Авторское свидетельство СССР № 560232, кл. G01- R 23/00, 1975 (прототип). 0 вым входом первого блока вычитани  и  вл етс  информационным вхоцом анализатора , второй вход первого блока вычитани  подключен к выходу первого блока пам ти, а выхо д первого блока вычитани  пооключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго блока пам ти, первые входы первого и второго блоков умножени  подключены соответственно к первому и второму входам опорного гармонического сигналл анализатора, вторые входы первого и второго блоков умножени  соединены соответственно с выходами первого сумметора и третьего блока пам ти, выходы первого и второго блоков умножени  П -;ключены к первым входам второго блоь вычитани  и второго сумматора, выход;которых соединены соответственно с входами второго и третьего блоков пам ти , отличающийс  тем, что, с целью упрощени , в анализатор введены третий блок вычитани  и третий сумматор , входы которого подключены соответственно к первому и второму тригонометрическим входам анализатора, а . выход - к первому входу третьего блока умножени , второй вход которого соединен с выходом третьего блока вычитание, входы которого подключены соответственно к ВЫХОДУ первого сумматора и третьего блока пам ти, выход третьего блока умножени  подключен к вторым входам второго сумматора и второго блока вычитани . Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Патент США № 3778606, °,кл- 01 R 23/00, опубпик. 1972.