Цифровой анализатор спектра фурье

е,Оа",е,ыф нс ОЛ ИКАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Сфтфз Сфюетсиию Сфцналистичесиик Республик,614440 лнительиое к авт, сеид(22 т Зайвлеио 060476 (2 Ц 2344895/18-24 рисоедииеииеМ заявки Эе Приоритет -б ГеерАерзтеееемй кеюетет Вееете Меееетрее 666 Р ее Азию кэеерзтеее е атерюткА(45) Вата опубликования описания 0 Ч 678 681.323 (088.8)(72) Двторьт иаобрете В.И.Чайковский, В.Я.Краковский и В.Ф,КовалЯ р Заявите ибернетики АН Украинской СС Ийс 54) ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА ФУР.Изобретение относится к област вычислительной техники, предназнач но для цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени и может быть использовано.взадачахобработ ки и отображениянояазййх ьчн:налов на Фоне помех, вычисления корреляции, свертки, спектрального анализа и тому подобных. Решение перечисленных задач необходимо в таких областях тех ники как связь, радиолокация, звуковая локация, сейсмология, виброметрия и других.Известны различные методы н аппаратура для выполнения дискретного преобразования спектра фурье в реальном масштабе времени.Алгоритмы и аппаратуру для спектрального анализа условно можно раз- . бить йа две группы. К первой группе относятся устройства, реализующие алгоритм, получивший в настоящее время широкое распространение и известный в литературе под названием алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ). 25 Ко второй группе относятся устройства, реализующие алгоритм прямого преобразования Фурье и осуществляющие вычислительные операции в паузах между вводом отсчетов исследуемого сиг 30 нала. Обработка начинается одновременно с поступлением первого отсчета. К устройствам такого типа относйтся цифровой генератор спектра Фурье Я .Цифровой анализатор спектра Фурье . Я, содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) два оперативных запоминающих устройства, преобразовательРкода аргумента, генератор тактовых импульсов, делитель частоты, два умноаителя и два сумматораВычисление коэффициентов Фурье начинается непосредственно после поступления перво го отсчета исследуемой реализации, и нроцедура вычисления равномерно распределена пь всей длительности реали" зации. ОднаКо при этом обрабатываемые отсчеты не запоминаются, что не позволяет. вычислять спектральные ха" рактеристики в режиме скольжения временного окна анализа. Наиболее близ" ким по технической сущности к изобретению является цифровой анализатор спектра Фурье 2, содержащий генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к управляющим входам первого и второго блоков оператив ной памяти (БОП), ко входам генератора гармонических сигналов и делителя частоты, выход которого соединен суправляющими входами третьего блока оперативной памяти и АЦП, вход которого является входом анализатора. Выход АЦП подключен к первому входу пер; вого сумматора, а через третий БОП ко второму входу первого сумматора, выход которого подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого БОП. Выход второго сумматора подключен к первым входам первого и второго блоков умножения, вторые входы которых соединены с первым и вторым выходами генератора гармонических сигналов, а выходы подключены соответственно к первым входам третьего и четвертого сумматоров, вторые входы которых соединены с выходами соответственно третьего и четвертого блоков умножения, первые входы которых подключены соответственно ко второму и первому выходам генератора гармонического сигнала. Выходы третьего и четвертого сумматоров подключены к информационным входам соответственно второго и первого БОП и являются выходами устройства. 25Однако такое устройство содержит один канал, что позволяет анализировать только действительные (вещественные) входные сигналы.Отсутствие возможности осуществ лять анализ комплексных сигналов (2) ограничивает воэможность применения такого устройства в инвариантных к сдвигу исследуемого комплексного сигнала системах обработки и отображез 5 ния информации.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей цифрового анализатора спектра Фурье в реэуль тате реализации устройства спектраль ного анализа, осуществляющего вычислительные операции в паузах между вводом отсчетов и обеспечивающего скользящий режим анализа спектра с одновременной компенсацией смешения интервала анализа относительно начала отсчета для комплексных сигналов.Поставленная цель достигается тем, что в предложенное устройство введены второй АЦП, вход которого является вторым входом устройства, пятый и шестой сумматоры и четвертый БОП. Выход делителя частоты подключен к управляющим входам второго АЦП и четвертого БОП информациоаный вход которого соединей с выходом второго АЦП и первым входом пятого сумматора, а выход - со вторым входом пятого суваиатора, выход которого .подключен к первому входу шестого сумматора, второй вход которого соединен с ныхо 60 дом второго БОП, а выход подключен ко вторым входам третьего и четветтого блоков умножения.На чертеже представлена структурная схема цифрового анализатора спек тра Фурье, осуществляющего скользящий режим анализа комплексного сигнала с согласованием начальной фазы взвешивающей функции с началом интервала.Анализатор содержит дна АЦП 1 и 2, на входы которых поступают действительная к (1) и мнимая у (1) составляющие входного комплексного сигнала, БОН 3 и 4 для хранения дискретных отсчетов действительной и мнимой составляющих исследуемого участка реализации, сумматоры 5-10, блоки умножения 11-14, БОП 15 для хранения действительной составляющей спектра, БОП 16 для хранения мнимой составляющей спектра, генератор тактовых импульсов 17, делитель частоты 18, генератор 19 гармонических сигналов (формнрователь значений синусов и косинусов).Вместо АЦП 1 и 2 могут быть использованы любые источники цифровых кодов, обеспечивающие подачу отсчетов комплексного сигнала, например, от ЭВМ.Реализуя алгоритм дискретного преобразователя Фурье, цифровой анализатор скользящего спектра работает следУющим образом.Прн поступлении первых К отсчетов вычисление коэФфициентов Фурье проиэнодится по следующей формуле:Н- 2 й кррЕ 1 еКаО 7где М - число исследуемых отсчетовР - порядковый номер гармоники;цифровые значений комплексныхКотсчетов;К = к К+,) 7 К (2)Значения коэффициентов Фурье н соответствии с формулой (1) при поступлении (Я - 1)-го отсчета и до поступления Н -го отсчета будут сформированы и записаны н соответствующих ячейках БОП 15 и 16, выполненных н виде парал лельных цепочек сдвигающих регистров, число фиксируемых слоев н каждом из которых соответствует числу определяемых коэФФициентов Фурье.Одновременно с вычислением коэффициентов фурье в БОП 3 производится последовательная запись дейстнительной составляющей обрабатываемых отсчетов Х, а в БОП 4 - мнимых составляющих обрабатываемых отсчетон БОП 3 и 4 собраны из цепочек сдвигающих регистров. Число фиксируемых слоев в каждом из сднигающих регистров этих БОП равно К , а число цепочек сдвигаю. щих регистров соответствует разрядности анализируемых отсчетов, выдаваемых АЦП.Можно сказать, что действительная и мнимая части текущего спектра сост нетстненно равнырер =йеГ +х -х )сов , рЬщГ ф(у У Пбщ РЗЕБРфйЕР(Х -Х ЯЫИ Р+ р(Уч Хнф " Заметим, что формулы (3 и 4) спра" въедливы и при 1 4 )( , если предполо" жить, что 11 яО:при с-К сО. такое предположение всегда справедливо для каузальных сигналов. Таким образом, для получения действительной и мнимой составляющих текущего спектра при поступлении очередного отсчета 1 , сумматоры 7 и 9 формируют разностй (х ф")-я ) и (-)( ). Полученные раэностй суммируются с выдаваемыми БОП 15 и 16 действительной ЯЕР и мнимой:)е составляющими спектра соответственно сумматорами 8 и 10. ЗначенияЯеУР+(,- -х,( и)1 подаются на первые входи блоков умножения 11 и 12, где производится их умножение (взвешивание) на значения весовых коэФФициентов (синуса и крсинуса), выдаваемых генератором 19 (блоком Формирования значений синусов и косинусов). Одновременно с этим значения ЗтРФ(у -у, и 1 подаютЖ ся на первые входы блоков умножения 13 и 14, где производится взвешивание на значения косинуса и синуса вычисля емой гармоники согласно выражения (3) в (4)3)Полученные на выходе блоков 12 и 14 произведения алгебраически суммируются сумматором 6. В результате на его выходе формируется отсчет текущего спектра %еР который поступает на 35 первый выход анализатора и одновременно с этим записывается в БОП 15. Аналогично происходят формирование и запись отсчета 3 М ф, , который выдается первым сумматором 5 на второй 40 выход анализатора и вход ВОП 16.Синхронизация работы всех БОП, М,П 1 и 2 и генератора 19 (блока формирования значений синусов и косинусов) осуществляется при помощи генератора тактовых импульсов 17 и делителя частоты 18. Отношение частот следования тактовых импульсов, поступающих с генератора 17 тактовых импульсов и де" лителя частоты 18, определяется числом определяемых гармоник спектра. Блоки арифметического устройства (сумматоры и умножители) могут быть выполнены, например, в виде нетактируемых. комбинационных схем на потенциальных элементах и не требуют синхронизирующих тактовых импульсов.Введение в схему предлагаемого анализатора спектра второго АЦП, четвертого БОП, пятого и шестого сумматоров, частичное изменение связей между су ществующими блоками и введение новых связей, приводящих к изменению процедуры. вычислений, расширяет его функциональные воэможности по сравненгю с прототипом, обеспечивая возможность 65 вычисления составляющих спектра комплексного сигнала в скользящем режиме с согласованием начальной фазы взвешивающей функции с началом интервала анализа, т.е. осуществление инвариантного к сдвигу исследуемого комплексного сигнала режима спектрального анализа.Формула изобретенияЦиФровой анализатор спектра фурье, содержащий генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к уп" равляющим входам первого и второго блоков оперативной памяти, ко входам генератора гармонических сигналов иделителя частоты, выход которого соединен с управляющими входами третьего блока оперативной памяти и аналогоцифрового преобразователя, вход которого является входом анализатора, выход аналого-циФрового преобразователя подключен к первому входу первого сумматора, а через третий блок оперативной памяти ко второму входу первого сумматора, выход которого подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого блока оперативной памяти, выход второго сумматора подключен к первым входам первого и второго блоков умножения, вторые входы которых соединены с первым и вторым выходами генератора гармонических сигналов; а выходы подключены соответственно к первым входам третьего и четвертого сумматоров, вторые входы которых соединены с выходами соответственно третьего и четвертого блоков умножения, первые входы которых подключены соответственно ко второму и первому выходам генератора гармонических сигналов, выхсды третьего и четвертого сумматоров подключены к информационным входам соответственно второго и первого блоков оперативной памяти и являются выходами устройства, о т - л и ч а ю щ и и с я тем, что, с цельн расширения Функциональных возможностей циФрового анализатора спектра Фурье, в него введены второй аналогоцифровой преобразователь, .вход которого является вторым входом устройства, пятый и шестой сумматоры и четвертый блок оперативной памяти; вь 1- ход делителя частоты подключен к управляющим входам второго аналого-цифрового преобразователя, и четвертого блока оперативной пам-ти, информационный вхсц которого соедйнен с выходоЕ второго аналого-цифрового преобразователя и первым входом пятого суммато" ра, а выход - со вторым входом пятого сумматора, выход. которого подключен к первому входу шестого сумматора, второй вход к торого соединен с выхо614440 сставитель В.Жовинскехред Е.давидович Редактор Л.Утехина Корректор Н.Ковалева э 3698/4 ЦНИНПН Тираж 826 арственного комнте о делам изобретениМосква, Ж, Ра осу илиал ППП Патент, г. Ужгор Ул. Проек од,4 дом второго блока оперативной памяти, а выход подключен ко вторым входам третьего и четвертого блоков умножения.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1. Авторское свидетельство СССРР 446063, ( 06 Р 15/36, 1974,2. Заявка Р 2147593/24 от 23,06.76,06 Г 15/34 по которой вынесено решение о выдаче авторского свидетельства,Подписноеа Совета Министров СССРи открытийушская наб., д, 4/5