Цифровой анализатор спектра б реальном масштабе времени

) Ч, Кл. 6061 исоединением заяв асударствеииын коиите авета Мииистров ССС(32) Приоритет -Опубликовано 15.05,74. Бюллетень ЪЪ 18 1,332:519 53) по делам изобретений и открытий) Автор изобретен)ия В, Зеленко Заявитель ижский Краснознаменный институт инженеров гражданской авиации4) ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТР В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ Изоорстснпе относится к специализированным средствам цифровой вычислительной техники, предназначенным для спектрального анализа случайных процессов.Известны устройства, содержащие сумма- ТОРЫ, ОХвдсСННЫС ОЛЬЦОМ ЗЯДЕРжаННОй ратной связи, усилитель и регулятор. Недостаток этого класса устройств связан с невысокой точностью вследствие трудностей реализации задержанной обратной связи и систесмы сдвига частоты. Друтой класс анализаторов, содержащих либо полосовые фильтры, либо множительные устройства, содержат два кзадратурных кяпала, квадраторы и сумматор, Эти у 1 строГСпвя сущест)венто усложняются при необходимост 5 проведения параллельного апаЛИЗс 1.0(тисьваемое устройство отличается тем, что с целью повышения точности оно содержит дс)"Олнительное постояннос запоминаю 5 цес устройство (ПЗУ), сум м атор ы, образу)оц);с два связанных мс 5 кду собой квадратурных капала накопления - канал наксп(- ЛСПИ 5 ВЫборо)С ВСЩЕСТВЕПНОЙ 1/ ЛИНСйиой састи спектра входного оигпала. При этом сипфазнос накопление выборок В обоих каналах происходит в моменты Времени каждого интервала длительностью Т между двумя соседиими выборками, в которые происходит компенсация набсга фазы выборки на частоТЕ ВХодьОГО СПГПЯ:111 За В 1)СМ 5 7. ДЛ 5 ПОЛус)С- ния выборок Вещественной и мнимой )астсй спектра входного сигнала в однозначном дис 1 апазоне анализа - на входе оппсывдемо устройства включается полосовой фильтр2шириной ИОлОсы пронуссяГп 5 - , фязовя(сатель ня - для деления мнимой чдсти спскс)тра, два аналого-цифровых преооразовятсля (АЦП) дл получения выоорок вещественной И ЪНИМОЙ с)ЯСТ 11 С 1 СГСТ)Д П ЯВТОЪ 1 ЯТНЧСС 1 СЯ 51 регулировка усиления (АРУ) и сдвига фаз ДЛЯ ВЫРЯВНПВЯН 1151 ДМПСИТУД и ПОЛУсСНП 51 сдвига фаз 90 сигналов на входе обо(их АЦП. Для осуществления комиспсяц и набега фазы на частоте входного сигнала за время Т пс- ПОЛЬЗУСТСЯ Двс) ООИИХ Л 1 ВСГЦЕСТВСННОГО И МНИКГОГО КЯНЯ;ОВ ПОСТО)ННОГО Зс)11Пна)0)ЦС- го устройства вь)борок з)п О и сов О, где О ИЗМЕНяЕтСя В,1)дис)ЗОНС От 0 дО 2 Л. ПОСЛС накопления Выооркп с выходя вещественного и мнимого каналов поступают нд устройства ВОЗВСДСНИЯ В КваДРат, а ЗдтЕМ СКЛДДЫВсПОтС. Результат сложения поступает либо на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), либо вначале нд устройство извлечения квядрат 428389о 15 20 25 зо З 5=А сов (о 1+ р) 4 О 45 50 55 ао 65 14= 111215 )10+ 13 ного корня, а затем также на ЦАП. На выходе ЦАП включен индикатор для визуальной индикации мгновенного спектра мощности цлц мгновснного спектра амплитуд. Вместо индикатора может быть подключено регистрирующее устройство любого вида, например, самописец, либо устройство магнитной записи. Оба квадратурных канала накопления вещественной и мнимой частей спектра, ПЗУ выборок, устройства возведения в квадрат и суммирования и устройство извлечения квадратного корня выполняются на типовых элементах цифровой техники, В качестве АЦП и ЦАП могут быть использованы серийные устройства, выпускаемые промышленностью,Реализация устройства сдвига частоты (фазы) путем использования двух цифровых квадратурных каналов, аналогового фазовращателя на 90 и схемы АРУ, а также ПЗУ выборок позволяет значительно ослабить влияние комбинационных составляющих на частотах о, и соо - й и практически полностью устранить влияние комбинационных составляющих на кратных расстройках.Применение ПЗУ позволяет легко осуществить считывание выборочных значений з 1 пО и созО при дискретном измерении аргумента от 0 до 2 д соответственно от начала до конца интервала длительностью Т.На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства,Пусть на вход полосового фильтра 1 подано гармоническое колебание с частотой ЙР (сов/г+1)О, Й=О, 1, 2 и начальцой фазой ср и амплитудой А, т. е. Это колебание после фильтра поступает на вход АЦП 2 и через фазовращатель 3 (на 90) - на вход АЦП 4.Усилитель-регулятор 6 предназначен для автоматической рсгулцровки усиления и фазового сдвига, т, е. для поддеожанця равенства амплитуд сигналов на входах АЦП 2 и 4 ц сдвига цх фаз на 90. Из выходных сигналов АЦП 2 и 4 в начале каждого интервала длительностью Т берутся выборки, амплитуда которых преобразуется в двоичный код ц затем запоминается на весь интервал длительностью Т.Выходные сигналы АЦП 2 и 4 в виде выборок в двоичном кодс У в течение каждого интервала подаются на сумматор 6 вещественного ц сумматор 7 мнимого квадратурных каналов.С выхода сумматора 6 выборка сигнала, равная (РД 1=Асозр, в течение первой циркуляции длительностью 0 - Т последовательно У раз подается на вход оперативного запомина 1 ощего устройства (ОЗУ) 8 вещественного канала. Одновременно с вь 1 хода сумматора 7 выборка сигнала (Г 4)1=Аз 1 пр подается И раз на вход ОЗУ 9 мнимого канала. ОЗУ 8 и 9 предназначены для задержки чисел, поступающих с выходов сумматоров 6 и 7, на время, равное Т. ОЗУ собираются на ферритовых ячейках памяти, число которых равно Л. В течение первой циркуляции во все ячейки ОЗУ 8 и 9 происходит последовательная запись чисел, соответствующих выборкам с сумматоров б и 7 соответственно. Так как в течение первой циркуляции на сумматоры б и 7 поступают только указанные числа, то через время Т от начала анализа во все Л ячеек ОЗУ 8 записывается одно и то же число (Р) 1, а во все М ячеек ОЗУ 9 - одно ц то же число (14).В начале второй циркуляции происходит считывание чисел Гл и 41 из первых ячеек ОЗУ 8 и 9, и они поступают на вход арифметического устройства, производящего операцию перемножения комплексных чисел,Арифметическое устройство включает в свой состав блоки умножения 10 - 13, причем два блока умножения 10 и 11 находятся в канале накопителя вещественной части спектра и два блока умножения 12 и 13 - в канале накопления мнимой част 1 и спектра, блок вычитания 14 - в канале накопления вещественной части спектра и сумматор 16 - в канале накопления мнимой части спектра.Арифметическое устройст 1 во имеет четыре входа и два выхода. На первый вход - вход блоков умножения 10 и 11 - подаются числа с выхода ОЗУ 8, на второй вход - вход блоков умножения 12 и 13 - числа с выхода ОЗУ 9, на третий вход - вход блоков умножения 11 и 13 - числа с выхода ПЗУ 16 выборок созО (О"0(21) и на четвертый вход - вход блоков умножения 10 и 12 - числа с выхода ПЗУ 17 выборок в 1 пО(0(0(2 л), С первого выхода - выхода блока вычитания 14 - числа, представляющие собой выборки вещественной части результата перемножения, поступают на сумматор б, а со второго выхода - выхода сумматора 16 - числа, претставляющце собой выборки мнимой части результата перемножения, поступают на сумматор 7.В ячейках ПЗУ 16 записано У чисел, соответствующих выборкам созО, где О изменя 2 тс 2-ется от 0 до 2 л -- через ЛО= - а в ячейТ ) Жках ПЗУ 17 записано Л чисел, соответствующих выборкам з 1 пО. Последовательное считывание всех значений созО и 51 пО производится параллельно в течение каждого интервала длительностью Т, начиная со значения 01=02 ни кончая зцаче 1 иом О =2 л -- .УБлоквычитания 14 производит вычитание кодов с выходов блоков умножения 11 ц 12, т, е. Согласно описанному принципу действия+ 2 -)- - (О - гооТ) арифметического устройства в течение второйциркуляции цри 1= Т на блоке вычитания 4получается 1 Ч чисел, равных Ж - 1где гр=сопз 1, а 0=0 - 2 л Одновременно на выходе сумматора 15 получается М чисел, равных Числа с выхода блока вычитания 4 поступают на сумматор б ц складываются с новой выборкой (2)2=Асов(гооТ+гр), в результате чего на выходе сумматора б получается Ь чисел(о) 2=АСОВ (гооТ+ гр) +Асов (гр+0),которые последовательно записываются в ячейки ОЗУ 8.Числа г,с выхода сумматора 5 поступают на сумматор 7 и складываются с новой выооркой (Ъ 4) 2=А з 1 п (аоТ+ гр), в результате чего на выходе сумматора 7 получается Ж чисел(Ъ 1) 2=Аз)п(сооТ+гр) +АВ)п(гр+0),которые последовательно записываются в ячейки ОЗУ 9.Числа (1 2) 2 и ( 4) 2 ЯВЛЯ 10 тся нОВыми Вы" борками сигнала на выходе АЦП 2 ц 4, эти выборки Аг раз в течение второй циркуляции считываются с выходов АЦП 2 ц 4 и подаются, соответственно, на сумматоры б ц 7,В оощем случае в течение М-ой циркуля ццц, т. с. на ичтсрвале времени 1=(М - 1)Т -- МТ, на выходы сумматоров б и 7 поступит чисел=д етг,(М - ) гооТ+ гр+ ( - 1) 0, У - 1где гооТ, гр=сопе 1, 0=0 - 2 л55Числа (Го)ог и (Ъ 77)ог можно представитьв следующем виде: Я(0 - соо Т ),2со 1(М - 1) сооТ+з 1 п М(0 - аТ)Я 1.п 1(М - 1) оооТ+О 1 оЯ)п 2 в течение М-ой циркуляции числа (1 го) , и 1/.,)ог подаются на квадраторы 18 ц 19 соотвстственно. Квадраторы 18 ц 19 одинаковы по схемному построению ц представляют собой устройство уменьшения, на оба входа которого подается одно и то же число, С выходов квадратордв 18 и 19 коды поступают ца сумматор 20,На выходе сумматора 20 в теченце М-ой циркуляции получают Л чисел где 0(гос(0, так как еооТ=Й 2 л+го.,Т,Эти числа подаются лцоо на ЦАП 21, либо на блок 22 извлечения корня, С выхода ЦАП 21 напряжение, пропорциональное числам (112 о)ог, может быть подано либо на индикатор 23, либо на регистрирующее устройство 24 для записи.С помощью блока 22 можно получить последовательность чисел, равных корню квадратному пз (ъ 2 о) 41Числа (Ъ 22)ог так же, как и числа (Ъ 2 о).41, могут быть поданы на тот же самый ЦАП 21, а полученное на его выходе напряжение (ток), пропорциональное числу (Г 22) ог, - ца индикатор 23, либо на рцгцстрцрующее устройство 24 для записи.Полученные числа принимают максимальное значение прп О=го. Т, при этом(12)у -- А 2 М а ( Г ), =А М Таким образом, предлагаемое устройство цифрового спектрального анализа (анализатор спектра) позволяет произвести преобразование частота - время, На интервале времени (М - 1)Т - МТ получается ряд пиковых чисел, временное положение которых прямо пропорционально частотам со, гармонических составляющих исследуемого сигнала ня выходе полосового фильтра 1, а величина этих чисел пропорциональна квадратам амплитуд илц амплитудам соответствуощцх гармонок.Распределение квадратов амплитуд цикЙ Й 1-1 лов в частотном диапазоне от - до , где- любое целое число, определит спектормощности, а амплитуда пиков - амцлцтудно428389 частотный спектр исследуемого сигнала на выходе фильтра 1 в реальном времени,Ширина инков по первым нулям огибающей на осп частоты Ь, легко определяетсяеиз Условил хо= +7 г, напРимеР, пРи 0=0. Тогдат. е 2Ь,.=2, =Л 7 огибающей на вревременной интер 2 Т Ьт =- 711 Можно сказать, что на интервале времениТ число выборок должно быть не менее У= Т 2 ИР=2 М. Предмет изобретенияЦифровой анализатор спектра в реальном масштабе времени, содержащий полосовой фильтр, фазовращатель, постоянное запоминающее устройство и в каждом из двух квадратурных каналов - аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, подклгоченное к соответствующему блоку умножения, вторые входы которого соединены с постоянным запоминающим устройством, п квадратор, подключсиньш ко входу соответствующего оперативного запоминающего устройства, причем выходы кв "драторов Г 1575Заказ 63/385 одипсио и. Харьк, фил. пред. Патент 1 Т Ширине пиков по нулям менной оси соответствует валсоединены с двумя входами межканального сумматора, от гичающийся тем, что, с целью ИОВЫШЕИИ 51 ТОс 1 НОСТИ, ОН СОДСРЖИТ УСИЛИТСЛЬ- регулятор, дополнительное постоянное заио минающее устройство, в первом каналепервый сумматор, блок вычитания и дополнительный блок умножения, а во втором - первый и второй сумматоры и дополнительный блок умножения; выход полосового фильтра 10 подключен к аналого-цифровому преобразователю второго канала через фазовращатель, управляющий вход которого соединен с выходом усилителя-регулятора фазового сдвига; выход аналого-цифрового преобразователя в 15 каждом канале подключен к первому входупервого сумматора, второй вход которого соед 1 шен в гервом канале с блоком вычитг 1 ии 51, а во втором - со вторым сумматором; выходы первых сумматоров подключены к соответ ствующим оперативным запоминающим устройствам, выходы которых подключены к первым входам дополнительных блоков умножения, вторые входы которых соединены с дополнительным постоянным запоминающим 25 устройством; выход дополнительного блокаумножения второго канала подключен к блоку вычитания, а выход дополнительного блока умножения первого канала соединен со входом второго сумматора; вторые входы блока 30 вы штания и второго сумматора соединены сблоком умножения соответствующего канала; выходы блока вычитания и второго сумматора подключены ко вторым входам первых сумматоров соответствующих каналов, выходы которых соединены со входами квадраторов.