Цифровой анализатор спектра

О П И С А Н И Е (и)798615ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик(51)М. Кл. Ц 01 Р 23/ОО 1 Ъеударетаанный комитат СССР но делам изобретений н открытий(72) Авторы изобретения В. И. Якименко, А. Ф. Бульбанюк, Е. Г. Пащенкои А. П. Рязановц ) а еф аейаЪЛенингралсний орнена Ленина алентротехничесьнй"йе аййинститут им. В. И. УльяноваЛенина) 71) Заявитель(54) ЦИФРОВОИ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА 1Изобретение относится к специализированным средствам измерительновычислительной техники, предназначенным для исследований частотных свойств случайных электрических сигналов, характеризующих, например биологические структуры в медицинских эксперимен - тах или технические объекты в промышленности.Анализ ряда ортогональных составляющих спектра производится аппаратуройто с использованием или одной из модификаций дискретного преобразования фурье (ППФ)- с разложением сигнала в ряд Фурье (при использовании тригонометрит 5 ческих базисных функций) или с использованием разложения в ряд Уолша-Фурье (при использовании кусочно-постоянных базисных функций Уолша, простых для генерирования и умножения).Известен ортогональный анализатор спектра содержащий блок выборки и распределения сигнала, состоящий из генератора тактовых импульсов с послеповательно соединенным устройством дискретной выборки и коммутатора; постоянного запоминающего устройства, подключенного входом к третьему выходу генератора тактовых импульсова выходом й.к выходам двух цифроаналоговых-преобразователей, другие входы которых объединены и соединены с выходом коммутатора, приэтом выходы ттифроаналоговых преобразователей, через интегрирующие усилители, соединены с выходами анализатора спектра 1 1.Недостатками такого анализатора являются трудности вычисления одновременно нескольких сотен составляющих спектра и невысокое быстродействие в реальном масштабе времени,Известно более быстродейс твующеецифровое устройство для вычисления,спектра, содержащее последовательно етзединенные коррелятор, первый переключатель, запоминающее ) устройство, второйпереключатель, умножитель и интегратор,ко второму выходу второго переключателялодключен управляемый регистр; к выходуинтегратора - последовательно соединенные блок весовых коэффициентов, шифратор и схема сравнения, а ко второмувходу умножителя - блок памяти базисных функций. Управление процедурой формирования спектра осуществляется блокомсинхронизации через делители частоты,счетчик гармоник, счетчик ординат, дешифратор и переключатель кода 2.Недостаток цифровых анализаторов -в необходимости наличия входного (буферного) запоминающего устройства набольшое количество выборок; наличиямногоканального умножителя и блока памяти базисных функций, а также сложные связи элементов управления блокомпамяти при одновременном считыванииряда отсчетов базисных функций.Стремление к минимизации связейустройств и элементов управления; атакже к простоте процедуры обработки сигнала и преобразования промежуточных результатов - выполнения умножения, формирования сетки частот базисных функций, приводит к разработке анализаторов с комбинированным принципомдействия с применением операций, эквивалентных сжатию сигнала или сжатиюбазисных функций,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является автоматический анализатор, спектра с цифровой обработкой информации, содержащий квантователь,управляющий вход которого подключен кпервому выходу блока управления, и последовательно соединенные переключа -тель, ждущий генератор, аналого-цифровой преобразователь и сумматор-накопитель, при этом второй выход блока управления соединен со входом тактовогогенератора импульсов переменной (управляемой) частоты повторения, выход которого соединен с управляющим входоманалого-цифрового преобразователя, а квыходу ждущего генератора подключенключ, соединенный выходом с шиной .нулевого потенциала 31. 5 0 15 20 25 30 Цифровой анализвтор спектра содержит 40последовательно соединенные квантователь 1, переключатель 2, ждущий.генератор 3 гармонических колебаний, аналого-циФровой преобразователь 4, а также блок 5 синхронизации, тактовый 45 генератор 6, блок .7 памяти произведений, накапливающий сумматор 8, блок 9 формирования адреса, первый выход ко- .торого соединен с управляющим входом накапливающего сумматора 8, второй Недостатком является анализ в реальном масштабе .времени только низкочастотных сигналов - верхней частотой не более нескольких сотен Гц, так как для достаточно высокой точности формирования Оценки спектра. необходимо увеличи- Вить количестВО Входных ВыбОр 9 к сигнала. Но это приводит к такому же увеличению необходимого количества периодов гармонической функции, которые определяют быстродействие анализатора,Цель изобретения - повышение быстродействия анализатора.Поставленная цель достигается тем, что в цифровой анализатор спектра, содержащий накапливающий сумматор, квантователь, первый выход которого является входом анализатора, а выход подключен к информационному входу переключателя, выход которого соединен с первым входом ждущего генератора гармонических колебаний, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преоб. разователя, второй вход которого соединен с выходом тактового генератора, управляющие входы квантователя и переключателя подключены к первому выходу блока синхронизации, второй выход которого соединен со вторым входом ждчцего генератора гармонических колебаний, введены блок памяти произведений и блок формирования, вход которого соединен с первым выходом блока синхронизации, а выходы подключены соответственно к к первым входам накапливающего сумматора и блока памяти произведений, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом аналого-цифрового преобразователя и тактового генератора, вход которого соединен с четвертым выходом блока синхронизации, второй вход накапливающего сумматора подключен к выходу блока памяти произведений. К первому управляющему входу которого и к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя подключен выход тактового генератора,На чертеже представлена блок-схемацифрового анализатора спектра,выход - со вторым управляющим входом блока 7, к первому входу которого и к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя 4 подключен выход тактового генератора 6.Цифровой анализатор спектра работает следующим образом.Перед началом работы все устройства анализатора установлены в исходное ну7986 10 кФ1Г =(д) МТ 1 ("А К д 1" ц(1 4С 4 (ц Ч ф ) Отсюда следует, что в ЗМ -раз увеличивается быстродействие вычислений и верхняя частота анализа в реальном масштабе времени При М ) 50 это составляет более, чем в 150 раз повышение верхней частоты диапазона левое состояние( переключатель 2 разомкнут.Исследуемый электрический случайный сигнал Х (1 ) подается на вход квантователя 1 и по командам с блока 5 управления преобразуется в дискретную форму Х (1 Ь 1 ), Одновременно с получением первого отсчета блок 5 управления переводит подвижный контакт переключателя 2 в замкнутое положение и мгновенно возвращает в исходное, благодаря чему на управляющий вход ждущего генератора 3 поступает возбуждающий импульс: в генераторе 3 возбуждает. ся гармоническое колебание частоты с 15 амплитудой, равной амплитуде возбуждающего импульса.Одновременно в блок 9 от блока 5 управления синхронизации передается код, соответствующий 1.= 1, для задания по рядка считывания данных с блока 7 памяти произведений, На тактовый генератор 6 подается команда о начале дискретизации гармонического колебания с преобразованием его в последовательность 25 кодов.Гармоническое колебание с выхода ждущего генератора 3 подается на вход аналого-цифрового преобразователя 4 и в течение 1/4 периода (или полуперио да) преобразуется в кодовую последовательность с постоянной частотой Г 1,.Частота "( при этом является частотой записи кодов с выхода аналого-цифрового преобразователя 4 в устройство 7 запоминания произведений, в ячейках которого запоминается следующее про- изведение где К - количество вычисляемыхординат спектра;ЬЦВЧ,=СОРБ- заданная частота возбуждения колебаний;В - масштабный коэффициент 50шкалы частот;дС- время записи кода одной3 0 Пвыборки произведения ( 1)в устройство запоминания.По другой команде с блока 5 синхронизации срабатывает блок 9 формирования адреса формируя с частотой Рс 4 последовательность кода адресов считывания выборок произведения (1) из ячеек уст 15 бройства 7 запоминания произведенийТаккак ГСМ Г с (практпчески многие импульсные устройства имеют Гг( 3.0+50,Дто считывайие выборок произведения(1/4 - периода базисной функции на одинотсчет входного сигнала Х (3 д 1) производится в ускоренном ритме.В накапливающем сумматоре 8 изпроизведения (1) формируется полныйпериод базисной функции с амплитудой,пропорциональной Х ( 1 Ы), а изменениезнака для задания отрицательного полупериода этого произведения, перед егозаписью в К ячейки сумматора, осуществляется по команде со второго выходасчетно-адресного устройства 9.Таким образом, первый цикл обработки сигнала и накапливания информации производится за время+ 4, 4 ( фЧ+Кзадгде су=ь 3 ьи /Аси - коэффициент ускорения.Аналогично осуществляются операциипреобразования при втором цикле и после.дующих циклах.После М-ого цикла обработки в накапливающем сумматоре 8 формируетсясумма, описывающая спектп сигналал)4л 4 Ю р Р,(иВ =В а (-1) С ГЮ(с-иЕы),Р=1 ЯЭгже Р - номер полупериода базиснойфункции.При этом каждый из М циклов выполняется за одинаковое время, равное Т , так они состоят из одинаково%го количества операци - записи 1/4периода произведения П; формированиякодов адресов считывания К выборокэтого произведения; запись этих К выборок в накапливающий сумматор,Таким образом, если в прототипеМ-ый цикл выполняется за время в Мраз большее, чем при первом цикле, тов описываемом цифровом анализаторевремя вычисления спектра уменьшеновраз, т е.7 7986 анализа, что в настоящеей время (при современном состоянии;микроэлектронной,ьлементной базы) достигащ 50 100 кГц.Сокращение времени выполнения каждого цикла обработки сигнала при М порядка нескольких десятков, увеличивает быстродействие анализа и реализуется на микропроцессорных элементах.Формула изобретенияЦифровой анализатор спектра, содержащий накапливающий сумматор, квантова- д тель, информационный вход которого является входом анализатора, а выход под- ключен к информационному входу переключателя, выход которого соединен с первым входом ждущего генератора гармонических колебаний, выход которого соединен с первым входоманалого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен выходом тактового генератора, управляющие входы квантователя 2 З и переключателя подключены к первому выходу блока синхронизации, второй выход которого соединен со вторым входом 15 8ждущего генератора гармонических колебаний, о т л и ч а ю ш и й с я тем, что, с целью увеличения быстродействия, в анализатор спектра введены блок памяти произведений и блок формирования, вход которого соединен с третьим выходом лока синхронизации а выходы подбключены соответственно к первым входам накапливающего сумматора и блока памяти произведений, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом аналого-цифрового преобразователя и тактового генератора, вход которого соединен с четвертым выходом блока синхронизации, второй вход накапливающего сумматора подключен к выходу блока памяти произведений.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 3 Авторское свидетельство С;Ср М 550522, кл. 6 01 К 23/16 3.976. 2. Авторское свидетельств СССР% 532863, кл.б 06 Г 15/34, 197,4.3, Авторское свидетельство СССРЪ 525895 кл. О 01 Р 23/00, 19 Уд