Устройство для временного и спектрального анализа сигналов

(71) Н аучно-и роизводствен ный институт приборостроения(56) Андриянов А.ВШпак И,И, Цифровая обработка информации в измерительных приборах и.системах, Мн., Выш,шк., 1987, с,131, рис.6.1.Авторское свидетельство СССР К. 1363244, кл, 6 06 Р 15/332, 1986Рабинер Л., Гоулд Б; Теория и применение цифровой обработки сигналов, М.; Мир, 1978, с.625, фиг,9.27.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВРЕМЕННОГО И СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ К АВТОРСКОМУ СВ создании устройств цифровой обработки информации в измерительных приборах и системах. Цель изобретения - расширение полосы анализируемых частот и повышение точности анализа. Устройство содержит широкополосный усилитель 1, цифровой си нтезатор 2 частоты, фэзовые детекторы 3, 4, фильтры 5, 6 нижних частот, блок 7 управления, аналого-цифровые преобразователи 8, 9, блоки 10, 15 дискретного преобразования фурье, блок 11 оперативной памяти, , блок 12 обратного дискретного преобразо-вания Фурье, блок 13 постоянной памяти, перемножитель 14, генератор 16 тактовых импульсов, Цель изобретения достигается благодаря применению интерполяции, компенсирующей аффект "наложения спектров" при дискретизации сигналов, 4 ил,Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано присоздании устройств цифровой обработкиинформации в измерительных приборах исистемах,Цель изобретения - расширение полосы анализируемых частот и повышение точности анализа.На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для временного и спектраль,ного анализа сигналов; на фиг. 2 -временные диаграммы работы блока оперативной памяти; на фиг, 3 - схема блока управления; на фиг, 4 - временные диаграммыработы блока управления.Устройство содержит широкополосныйусилитель 1, цифровой синтезатор 2 частоты,фазовые детекторы 3, 4, фильтры 5, 6 нижнихчастот, блок 7 управления, аналого-цифровыеи реоб разо ватели 8, 9, блоки 10, 15 дискретного преобразования Фурье(ДПФ), блок 11 оперативной памяти, блок 12 обратногодискретного преобразования Фурье (ОДПФ),блок 13 постоянной памяти, перемножитель14, генератор 16 тактовых импульсов.Блок 7 управления (фиг. 3) включает в.себя формирователь адреса, состоящийизэлемента И 17 и счетчика 18 адреса, синхронизатор 19, второй формирователь адреса,состоящий из элемента И 20 и счетчика 21адреса, а также регистр 22.Устройство для временного и спектрального анализа сигналов работает следующим образом,На вход широкополосного усилителя 1поступает исследуемый сигнал (фиг. 1). Затем усиленный сигнал преобразуется вквадратном преобразователе, состоящемиз фазовых детекторов 3, 4 и фильтров нижних частот 5, 6. Квадратурный преобразователь вычисляет комплексную огибающуюсигнала, которая после преобразования ваналого-цифровых преобразователях 8, 9 вцифровом виде поступает на реальный имнимый входы блока 10 ДПФ, Данный блокпроизводит И-точечное ДПФ, С выхода блока 10 ДПФ М отсчетов дискретного спектразаписываются в блок 11 оперативной памяти, который по команде блока 7 управленияпереводится в режим записи (фиг. 2). Послезаписи всех спектральных отсчетов блок 11переводится в режим считывания, при этомадресные сигналы формируются в блоке 7так, что с выхода блока 11 считывается Мотсчетов, Это достигается циклическим считыванием ячеек блока 11, при этом М спектральных отсчетов поступают накомплексный вход блока 12 ОДПФ, на выходе которого образуется М-точечная временная последовательность, Данная45 50 55 5 10 15 20 25 30 35 40 последовательность умножается на функцию "окна", записанную в блоке 13 постоянной памяти, в перемножителе 14. С выхода перемножителя 14 М-точечная последовательность поступает на первый выход устройства и на вход блока 15 ДПФ, с выхода которого информация поступает на второй выход устройства. С первого и второго выходов устройства информация может поступать на устройства индикации или на устройства обработки сигналов, Опорные сигналы для детекторов 4 формируются в цифровом синтезаторе 2 частоты. Генератор 16 тактовых импульсов формирует тактовые импульсы, необходимые для работы синтезатора и блока 7,Работа блока начинается при поступлении на его вход сигнала "Запуск" ЯО (фиг. 3, 4), Данный сигнал запускает синхронизатор 19 и открывает элемент И 20, При этом на вход счетчика 21 адреса поступают тактовые импульсы от генератора 16, На выходе счетчика 21 адреса образуется линейно возрастающий код, пбступающий на адресный вход блока 11. Переключение режимов работы блока 11 происходит по команде 32 синхронизатора 19. Включение счетчика 18 адреса производится сигналом 81 синхронизатора 19. Синхронный регистр 22 предназначен для стробирования кода частоты синтезатора 2. Емкость счетчика 18 адреса М, счетчика 21 адреса М.Повышение точности и расширение полосы частот анализа сигналов достигается эа счет работы интерполятора, включающего в себя блок 10 ДПФ, блок 11, блок 12 ОДПФ, блок 13 и перемножитель 14. Интерполятор позволяет перейти к повышенной частоте дискретизации сигнала с компенсацией эффекта "наложения спектров". Рассмотрим процеСс прохождения сигналов в интерполяторе. На вход блока 10 ДПФ поступает дискретная последовательность ЩК) = Хм(К)+ ИК),где Хи(К) - М - точечная последовательность на выходе аналого-цифрового преобразователя 8;Ум(К) - М - точечная последовательность на выходе аналого-цифрового преобразователя 9.На выходе блока 10 ДПФ образуется Й-точечная спектральная последовательность ЕЙ(п), которая связана со спектром непрерывного сигнала Р в согласно выражениюГи (и) =, Р п + в М) (1)П 1 =-Огде со = 2 гг 1 - круговая частота дискретизации. Пусть Р(м) определен в полосе частот ,М - 1 М - 1- г(.)ц авд . Рассмотрим дискретный спектр на следующем примере:М - 1,М - 1где М = (2 Ь+1)И+1; Ь - целое число, определяющее кратность интерполяции; М - четное число, В этом случае выражение (1) можно приближенно выразить в видеьРм (и) - , Г ( п)ос 3 м (и + и) М),(2) где п)обм -по модулю М, Точность приближенного равенства (2) растет с увеличением числа выборок ч. Последовательность Рм(п) образуется на выходе блока 11 и поступает на вход блока 12 ОДПФ, на выходе которого возникает сигналМ и2ъ, ) - ,л9 СК)= - ( Г л)Е = - хМ) м-(гМ 2,(- С п)е"гИ1 рГ 2 Ь+1) як1 1 Ь(п (лК)м г ЫК мГГ п)ещ -1гФ о р мул а из о брет е ни я Устройство для временного и спектрального анализа сигналов, содержащее первый и второй фазовые детекторы, генератор тактовых импульсов, первый и второй фильтры нижних частот, блок управления, первый и второй аналого-цифровой преобразователи, первый блок дискретного преобразователя Фурье, блок оперативной памяти и блок постоянной памяти, выход которого соединен с первым входом пере- множителя, при этом выходы первого и второго фазовых детекторов соединены соответственно через первый и второй фильтры нижних частот с информационными входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей, выходы которых соединены с входами соответственно реальной и мнимой составляющих первого Обозначимзи (л (2 Ь + 1) )Мзп (п К)В блоке 13 записана функция 5 р= 1/ф(К) поэтому на выходе перемножителя 14 формируется последовательностьОм(К) = р (К) ц.(К) =27 г 10 2м)(пРфп)еП2Очевидно, что М - точечная последовательность Ом(К) связана с непрерывным 15 Мсигналом О(т) как Ом(К) = а 0(Тд - К),где а = коэффициент сжатия.КТаким образом, на первом выходе устройства появляется последовательность,соответствующая частоте дискретизацииМ1 д, = - Гц, где 1 д - частота дискретизациийаналого-цифровых преобразователей 8 и 9, 25 Повышение частоты дискретизации позволяет повысить точность и расширить полосучастот анализируемых сигналов, На выходеблока 15 ДПФ образуется результирующийдискретный спектр30 2 Л иГкм(п) =;" Ум(К) е1=окоторый поступает на второй выход устройства.35.блока дискретного преобразователя Фурье, адресный вход блока оперативной памяти подключен к первому выходу блока управления, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения полОсы анализируемых частот и повышения точности анализа, в него введены широкополосный усилитель. выход которого соединен соответственно с информационными входами первого и второго фазовых детекторов, второй блок дискретного преобразования Фурье, блок обратного дискретного преобразования Фурье и цифровой синтезатор частоты,первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами синхронизации первого и второго фазовых детекторов, выход первого блока дискретного преобразования Фурье соединен с информационными входами блока оперативной памяти, выходкоторого соединен с входом блока обратного дискретного преобразования Фурье, вы-. ход которого соединен с вторым входом перемножителя, выход которого является выходом частоты дискретизации устройства и соединен с информационным входом второго блока дискретного преобразования Фурье, выход которого является выходом дискретного спектра устройства, при этом второй выход блока управления соединен с . информационным входом цифрового синтезатора частоты, третий и четвертый выходы блока управления соединены соответственно с адресным входом блока постоянной памяти и входом чтения-записи блока оперативной памяти, вход широкополосного усилителя является информационным входом устройства, пятый выход блока управления соединен с тактовыми входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей, первого и второго блоков дискретного преобразования Фурье, блока оперативной памяти и блока обратного дискретного преобразования Фурье, выход генератора тактовых импульсов соединен с тактовыми входами цифрового синтезатора частоты и блока управления, вход запуска и информационный входы которого подклюцены соответственно к входу запуска и входу задания кода частоты устройства,1793445 Составитель Ю, ЛанцовТехред М, Морге нтал актор С, Кулаков ектор М. Ткач Тираж Подписное ПИ Государственного комитета по изобретениям и открыти 113035, Москва, Ж. Раушская наб 4/5