Устройство для вычисления коэффициентов фурье

1043 б 62 вых импульсов, счетчика и блока постоянной памяти, причем выход генератора тактовых импульсов подключен квходу счетчика, выход счетчика подИзобретение относится к автоматике и. вычислительной технике и может быть использовано в системах обработки сигналов цифровыми методами, системах диагностики, а также в системах автоматического управления.Известно устройство для вычисления коэффициентов Фурье, содержащее две группы аналоговых сдвигающих регистров и переключателей, коммутационные панели, счетчики и блоки операционных усилителей 1 .Недостатками этого устройства являются низкая точность, ограниченные функциональные возможности, а также сравнительно большая сложность и низкая надежность.Наиболее близким по техническому решению к изобретению является устройство для вычисления коэффициентов Фурье, содержащее аналогоцифровой преобразователь, коммутатор, арифметический блок, состоящий из двух ариФметических узлов, блок памяти коэффициентов, первый и второй блоки сдвига, каждый из которых состоит из четырех узлов сдвига, и блок управления 1 2 .Недостатком известного усТройства для вычисления коэффициентов Фурье является низкое быстродействие и, как следствие, узкий частотный диапазон входного сигнала, поскольку анализируемые данные поступают через аналого-цифровой преобразователь на блок буферных регистров, в котором накапливается входная информация. После окончания текущей реализации входного сигнала информация переписывается в первый блок сдвига. Подобная организация устройства требует значительных затрат времени на перезапись информации, так как при больших объемах выборки запись из одного блока сдвига в другой может быть организована толь.ко в последовательном режиме. В противном случае требуются значительные аппаратурные затраты. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 сдвига в каждом блоке сдвига подключены соответственно к первой, второй, третьей и четвертой группамвходов второго коммутатора первыйвыход второго коммутатора подключен 50 ко входам первых операндов арифметических узлов, в арифметическом блоке, второй выход второго коммутатора подключен ко входам вторых операндоварифметических узлов в арифметичесЦель изобретения - повышение быстродействия устройства.Поставленная цель достигается тем, что устройство для вычисления коэффициентов Фурье, содержащее аналогоцифровой преобразователь, арифметиключен к адресному входу блока постоянной памяти, выходы блока постоянной памяти являются выходами блокауправления. ческий блок, состоящий из двух арифметических узлов, блок памяти коэффициентов, первый коммутатор, первый и второй блоки сдвига, каждыйиэ которых состоит иэ четырех узловсдвига, и блок управления, причеминформационный вход аналого-цифрового преобразователя является информационным входом устройства, авыход подключен к первому информационному входу первого коммутатора,выход блока памяти коэффициентовподключен ко входам коэффициентоварифметических узлов арифметического блока, выходы которых подключены ко второму и третьему информационным входам первого коммутатора, выходы первого, второго и третьего узлов сдвига в каждом блокесдвига подключены к информационнымвходам второго, третьего и четвертого. узлов сдвига соответственно,информационные входы первых и третьихузлов сдвига в каждом блоке сдвигаподключены к соответствующим выходам первого коммутатора, адресныевходы блока памяти коэффициентов,а также управляющие входы аналогоцифрового преобразователя, арифметических узлов в арифметическом блоке,первого коммутатора и узлов сдвигав первом и втором блоках сдвига подключены к соответствующим выходамблока управления, содержит второйкоммутатор и третий блок сдвига,состоящий из четырех узлов сдвига,причем выходы первого, второго итретьего узлов сдвига в третьем блоке сдвига подключены к информационным входам второго, третьего и четвертого узлов сдвига соответственно,информационные входы первого и третьего узлов сдвига в третьем блоке сдвига подключены к соответствующим выходам первого коммутатора, выходы первых,вторых, третьих и четвертых узлов5 10 ком блоке, третий и четвертый выходывторого коммутатора подключены ковходам третьего операнда соответственно первого и второго арифметических узлов в арифметическом блоке, управляющие входы второго коммутатора и узлов сдвига в третьем блоке сдвига подключены ксоответствующим выходам блока управления, выход четвертого узла сдвига в третьем блоке сдвига является выходомустройства.Кроме того, блок управления состоит из генератора тактовых импульсов, счетчика и блока постоЯнной памяти, причем выход генератора такто.вых импульсов подключен ко входусчетчика, выход счетчика подключенк адресному входу блока постояннойпамяти, выходы блока постоянной памяти являются выходами блока управления.На фиг.1 представлена структурная схема устройства для вычисления коэффициентов Фурье; на фиг.2структурная схема блока управления.Устройство содержит входную шину 1, аналого-циФровой преобразова-.тель 2, коммутатор 3, .арифметический блок 4, состоящий иэ арифметических узлов 5 и 6, блок 7 памятикоэффициентов, блоки 8-10 сдвига, 30состоящие из узлов 11-22 сдвига,коммутатор 23, выходную шину 24,блок 25 управления, Блок управлениясостоит из генератора 26 тактовыхимпульсов, счетчика 27 и,блока 28 35постоянной памяти.Устройство для вычисления коэффициентов Фурье работает следующимобразом.1вВ исходном состоянии блоки 8 и 10 40сдвига не содержат информации, тогда как в блоке 9 сдвига в параллельном коде хранится Й отсчетов предыдущей реализации входного сигнала,которая была подана на вход 1 устройства, так что на выходе узла 18сдвига присутствует нулевой отсчет,на выходе узла 17 сдвига - отсчет сномером Й/4, на выходе узла 15.сдвига - отсчет с номером ЗХ/4.Аналого-цифровой преобразовательобеспечивает в моменты поступленияна его управляющий вход тактовыхимпульсов преобразование входногОаналогового сигнала, подаваемого .,на вход 1, в цифровую форму на выходе. Параллельный код отсчетов текущей реализации последовательно .загружается через коммутатор 3 в блок 8сдвига так, что первый из М отсчетов реализации после М тактов синхронизации занимает выходную позицию узла 14 сдвига, отсчет с номером М/4 занимает выходную позицию в узле 13 сдвига, отсчет с номером Й/2 занимает выходную позицию 65 в узле 12 сдвига, а отсчет с номеромЗЙ/4 - в узле 11 сдвига. Одновременно с загрузкой текущей реализациивычисляются коэффициенты Фурье дляреализации, хранящейся в исходномсостоянии в блоке 9 сдвига. Вычисление происходит по алгоритму быстрого преобразования Фурье для вещественных входных сигналов. Согласно этому алгоритму в первом циКле вычислений на входы арифметического блока 4 через коммутатор 23поступают в параллельном коде отсчеты с номерами О, М/4, й/2 и ЗМ/4,которые служат для арифметическогоблока 4 опЕрандами Хо, Х , Х 2 и Х.Арифметический блок выполняет надпоступившими операндами следующиедействия:ХО+Х 2 Х 1+Х 3 ХО Х 2 ф Х 1- Х 3+Результаты укаэанных действийявляются составляющими первого массива частичных сумм при вычислениикоэФфициентов Фурье. При этом навыходах арифметического блока сначала одновременно формируются числаХ,+Х и Х.,+ Х., а затем-числа Хо-Хи Х-Х. Вычисленные таким образомзначения поступают через коммутатор 3на входы блока 10 сдвига. ЧислаХо+Хи Х+ Ходно за другим загРУжаютсЯ в узел 19 сдвига, а числа Х-Х 2 и Х-Х - в узел 21 сдвига. Затем происходит сдвиг информации, и выходные позиции в узлах 1518 сдвига занимают отсчеты обрабатываемой реализации с номерами 1,М/4+1, Н/2+1 и ЗИ/4+1, которые всвою очередь являются операндамидля вычисления следующих значенийпервого массива частичных сумм,значения которых через коммутатор 3записываются в блок 10 сдвига,В дальнейшем, вследствие выполнения й/4 аналогичных операций блок9 сдвига очищается, а блок 10 сдвига оказывается заполненным частичными суммами первого массива. Послеэтого выходы блока 1,0 сдвига черезкоммутатор 9 подключаются ко входам арифметического блока 4, арезультаты вычислений записываются через коммутатор 3 в блок 9 сдвига в качестве второго массива частичных сумм. Затем второй массивобрабатывается аналогичным образом, а результат обработки - третиймассив - помещается в свободныйблок 10 сдвига,После выполнения 1 од,И операцийв блоке 9 сдвига, если )одой является четным числом, или в блоке 10сдвига, если Го 92 И - нечетное, оказываются записанными коэффициентыфурье. При этом на соответствующихэтапах вычисления арифметическийблок может выполнять, кроме указан-,ных действий, и операции вида Х 0+Х+Р 1 Х 1 ф ХФХ 2-Р Х ХЗ+Х +У.ХУ,Х 3+Х 1 -Р,Ху, Хо+И Ху, Р Х 2, РХзфХ+Р Х,где Р - значения векторов поворота,хранящиеся в блоке 7 памятикоэффициентов и поступающие на первый вход арифметического блока 4.Быстродействие элементиой базыи тактовая частота функционированияарифметического блока выбирается такой, чтобы все Род 2 И итераций по вы"числению коэффициентов Фурье выполнялись за время, меньшеб,.чем времязагрузки текущей реализации в блок 8сдвига, Поэтому, после окончания последней инерции результаты преобразования Фурье над предыдущей реализацией выводятся иэ устройства навыход 24 последовательно, число эачислом в параллельном коде, Такимобразом блоки 9 и 10 сдвига очищаются прежде, чем заканчиваЕтсязагрузка текущей реализации. Послеокончания . текущей реализации следующая реализация начинает загружаться во второй блок сдвига, атекущая реализация обрабатываетсяаналогични образом, за исключениемтого, что обмен операндами и резуль-татамн вычислений производится между первым и третьим блоками сдвига.Блок управления работает следующим образом.Пусть в исходном состоянии блоки 8 и 10 сдвига не содержат информации, тогда как в блоке 9 сдвигав параллельном коде хранится М отсчетов предыдущей реализации входного сигнала. Первый и второй коммутаторы 3 и 23 программируются кодами,формируемыМи на выходах блока 25управления так, что первый иэ нихподключает выходы арифметическихузлов б и 5 н входам узлов 19 и 21сдвига, а второй соединяет выходыузлов 15-18 сдвига с входами арифметического блока 4, Во время первой итерации блок управления формирует на своих выходах импульсысдвига для блока 8 с частотой аналоГо-циФрового преобразования. Эт;.импульсы поступают на управляющиевходы узлов 11-14 сдвига и иницкруют запись входной реализации с выхода аналого-циФрового преобразователя 2 через первый коммутатор 3 вблок 8 сдвига по входу узла 11 сдвнга. Одновременно подаются импульсысдвига на блоки 9 и 10 сдвига, причемчастота синхронизации блока 9, иэкоторого считываются по четыре операнда за каждый такт по выходам узлов 15-18 сдвига через второй коммутатор 23 в арифметический блок 4,в два раза меньше частоты сдвига вблоке 10, в который результаты промежуточных вычислений записывают 10 сяпопарно из арифметических узлов5 и б через первый. коммутатор 3,Арифметические узлы 5 и б настраиваются кодами, поступающими на ихуправляющие входы, на те операции,1 которые необходимо выполнить в течение первой итерации., При этом контакты для выполнения операции умножения на коэффициент поступают варифметический блок 4 из блока 7 памяти коэффициентов, адресуемого погруппе. выходов блока б управления.Такой порядок работы сохраняется до тех пор, пока не опорожнится блок 9 сдвига., а блок 10 не заполнится. После этого, коды, управляющие коммутаторами и настраивающиеарифметический блок, изменяются так,что к входам арифметического бло- .ка 4 подсоединяются выходы узлов19-22 сдвига, а выходы арифметического блока подключаются к входам блока 9 сдвига. Синхронизирующиеимпульсы удвоенной частоты начинают поступать уже на вход 9 блока,а на синхронизирующий вход блока 1035 импульсы подаются в два раза реже,По окончании второй итерации сновапроисходит изменение состояния выходов блока управления в соответствии с выбранным алгоритмом. Сигна 4 О лы, формируемые на управляющих входах аналого-циФрового преобразователя 2, асинхронны по отношению к остальным управляющим сигналам. Последовательность этих импульсов прекращается после заполнения блока 8сдвига. К этому моменту все итерацииуже закончены и результат преобразования выведен во внешнее устройство через выход 24,Предлагаемая конструкция и порядок .работы устройства для вычислениякоэффициентов Фурье позволяет вычислять преобразование Фурье для относительно широкополосных сигналовв реальном масштабе времени, что55 недостижимо в известном устройстве.