Устройство для выполнения преобразования фурье

)5 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ИЗОБРЕТЕН СВИДЕТЕЛЬСТВУ АВТОРСКО отехнике и электросвязи для выполнения преобразования Фурье непрерывных и дискретных, детерминированных и случайных сигналов в реальном масштабе времени. Целью изобретения является повышение точности вычисления коэффициентов дискретного преобразования Фурье (за счет использования дополнительного преобразования исследуемого сигнала, исключающего наложение спектров). Устройство содержит фильтр 2 (первый) нижних частот, умножитель 3, второй фильтр 4 нижних частот, генератор 5 гармонического сигнала, генератор 6 тактовых импульсов, первый 7 и второй 8 преобразователи Фурье.2 ил., 1 табл. 17(71) Институт технической кибернетики АН БССР(56) Авторское свидетельство СССР М 1418747, кл, 6 06 Г 15/332, 1987.Авторское свидетельство СССР М 1332331, кл. 6 05 Р 15/332, 1986.(54) УСТ РО Й СТВ О ДЛЯ В Ы ПОЛ Н Е Н ИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ(57) Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в измерительной технике, радис з11 ЯдИзобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнике и электросвязи для выполнения преобразования Фурье непрерывных и дискретных, детерминированных и случайных сигналов в реальном масштабе времени.Цель изобретения - повышение точности вычисления коэффициентов дискретного преобразования Фурье за счет использования дополнительного преобразования исследуемого сигнала, исключающего наложение спектров.Существенным Отличием устройства по отношению к прототипу является следующее.8 прототипе частота выделяемой гармоники Й связана с частотой квантования 1 т соотношением8 соответствии с теоремой Котельникова 1 т21 в (Гв - верхняя граничная частота в спектре исследуемого процесса). При 12 Ь будет наблюдаться наложение спектров.Исходя из уравнения (1) получаем, что налокение спектров получается при выделении частот л8 предлагаемом же устройстве диапа 1 взон частот б.= О, преобразуется в дитеаПаЭОН ЧаСтат 1 = Тв -- В СООтВЕтСтвИИ со следующим выражениемЧ = 1 в (2)Полученные частоты 5 выделяются с по 1мощью Второго преобразователя Фурье.Таким образом, в и редлагаемом устройтвстве диапазон частот от Ьв до - выделяет 2ся также как и в прототипе. Диапазон же частот от 0 до 2 преобразуется в диапав1 взон частот от Ь до , а затем уже выделяется вторым Фурье преобразователь. В результате этого весь диапазон частот будет выделен без наложений спектров.Исходя иэ изложенного можно сказать, что существенным отличием предлагаемого устройстваявляется то, что в нем проявляется новое свойство поворачивать участок частотной оси длиной от 0 до в на 180 еВокруг точки 2 , в результате чего Высокие частоты меняются местами с низкимичастотами расположенными симметрично5 1 в. Последнее позволяет повысить точность измерения.На фиг.1 приведена блок-схема устройства для выполнения преобразованияФурье; на фиг,2 - блок синхронизации.Устройство содержит вход 1, первыйфильтр 2 нижних частот, умножитель 3, второй фильтр 4 нижних частот, генератор 5гармонического сигнала, генератор 6 тактовых импульсов, первый 7 и второй 8 преобразователи Фурье, аналого-цифровойпреобразователь (АЦП) 9, первую и вторуюгруппы 10 сумматоров-вычитателей 11,группу 13 из М делителей 14 частоты, группу15 из М синхронизаторов (распределителейимпульсов в прототипе) 16, высокочастотную и низкочастотную группы 17 и 18 информационных выходов, соответственно.Блок 16 синхронизации (фиг.2) содержит счетчик 19, 3 К-триггер 20, узел элементов И 21, элемент ИЛИ 22,8 качестве умножителя 3 можно испольэовать, например, микросхему К 525 ПС 2,Вход первого фильтра 2 нижних частотявляется входом устройства, а выход - информационным входом первого йреобразователя Фурье 7, подключенным к входуаналого-цифрового преобразователя 9, выход которого подключен к информационнымвходам 1-х накапливающих сумматоров-вычитателей 11 первой и второй групп 10 ( = 1, М,где М - количество определяемых гармоник ввысокочастотной полосе спектра), выходы которых являются выходами соответственно ре 40 альной и мнимой частей 1-й гармоникивысокочастотной полосы спектра устройства, генератор 6 тактовых импульсов, выходкоторого является синхровходом первогопреобразователя Фурье 7, соединенным с45 соответствующим входом аналого-цифрового преобразователя 9, элемента 12 задержки и тактовым входом -го делителя частоты14, выходом соединенного с входом запуска1-го блока синхронизации 16, первый и вто 50 рой выходы которого подключены к Входамвыбора режима 1-х накапливающих сумматоров-вцчитателей 11 соответственно первой и второй групп 10, выход элемента 12задержки подсоединен к тактовому входу1-го блока синхронизации 16, выходы второ-.го преобразователя Фурье являются выходами реальной и мнимой астей 1-йгармоники низкочастотной полосы спектраустройства 0 = 1, В, где В - количество опре 1833893деляемых гармоник в низкочастотной полосе спектра). причем выход первого фильтра 2 нижних частот соединен со вторым входом умножителя 3, а выход генератора 6 тактовых импульсов подключен к синхровходу второго преобразователя 8 Фурье,. Устройство работает следующим образом.Входной аналоговый сигнал поступает на вход фильтра нижних частот 2, Фильтр ограничивает спектр сигнала до частоты 1. Сигнал с ограниченным спектром поступает на информационный вход аналого-цифрового преобразователя 9, первого Фурье преобразователя, Тактовые импульсы с периодом Т с выхода генератора 6 поступают на вход синхронизации АЦП 9, на входы делителей частоты 14 и на вход элемента 12 задержки первого Фурье преобразователя 7. Значения исследуемого сигнала в момент дискретизации с выхода АЦП 9 поступают на информационные входы накапливающих сумматоров-вычитателей 11, С выходов делителей 14 частоты импульсы поступают на тактовые входы соответствующих блоков 16 синхронизации, на входы блокировки которых поступают тактовые импульсы с выхода элемента 12 задержки.Каждый блок синхронизации посылает две последовательности кодов на входы выбора режима двух соответствующих накапливающих сумматЬров вычитателей для вычисления коэффициентов Фурье (а и Ь), В каждой последовательности кодов присутствуют только три операции: сложение, вычитание и отсутствие операции. Операция сложения соответствует умножению на тригонометрический коэффициент 1, операция вычитания эквивалентна умножению на тригонометрический коэффициент (-1) и отсутствие операции соответствует умножению на тригонометрический коэффициент О,. С приходом на управляющий вход сумматора-вычитателя 11 кода на сложение; число поступившее на его информационный вход, складывается с накопленной в нем ранее суммой, с приходом кода на вычитание - вычитается и при коде, соответствующем отсутствию операции, число с информационного входа в сумматор-вычитатель не передается. Таким образом, в накапливающих сумматорах-вычитателях первой группы 10 первого Фурье преобразователяя о казы ва ются за писа нн ыми М значений коэффициентов аь а в накапливающих сумматорах-вычитателях 11 второй группы 10 М значений коэффициентов Ь.р = 90 - угол, через который берутся15 тригойометрические коэффициенты;1(п,Т) - последовательность отсчетоввходного сигнала;и - порядковый номер отсчета входногосигнала;Т - интервал дскрезаци;Й - количество отсчетов.Элемент задержки 12 необходим длятого, чтобы исключить возможность прихода кодов, поступающих на входы выборарежима накапливающих сумматоров-вычитателей, в моменты, когда происходит аналого-цифровое преобразование в АЦП, т.е,в переходные моменты,В исходном состоянии счетчик 19 и 3 К 30 триггер 20 сброшены (находятся в нулевомсостоянии), Низкий потенциал с выхода 1 Ктриггера 20 поступает на один из входовэлемента И 21 и блокирует их. Приходящиена другие входы элементов И 21 импульсыот элемента 12 задержки не могут передатьна выходы элементов И 21 код, образованный разрядами счетчика 19, На выходах элементов И 21 присутствуютнизкие40 потенциалы которые передаются на выходв видедвух двухразрядных кодов 00 и 00,Эти коды для сумматоров-вычитателей означают отсутствие операции. Кроме того,низкИе потенциалы с выходов элементов И45 21 поступают на входы элемента ИЛИ 22, свыхода которого низкий потенциал поступает на К-вход ) К-триггерЭ 20. На Л-входе триггера 20 также присутствует низкийпотенциал, и триггер 20 продолжает находиться в нулевом состоянии, блокируя элементы И 21.Блокировка элементов И 21 происходитдо тех пор, пока на 3-вход триггера 20 непридет положительный импул ьс от делителя14 частоты, С приходом этого импульсатриггер 20 переходит в единичное состояние, а в счетчике 19 срабатывает младшийразряд. На выходе триггера 20 появляетсявысокий потенциал, который уже не блокирует элементы И 21. Первый пришедшийимпульс с элемента 12 задержки передаетна выходы элемента И 21 четырехразрядный код, образованный разрядами счетчика 19. Этот код в виду двух двухразрядных кодов поступает на управляющий вход сумматоров-вы читателей 11, в которых выполняются соответствующие операции. Четырехрарзядный код с выходов элементов И 21, в котором обязательно присутствует единица, поступает на входы элемента ИЛИ 22. Положительный импульс с выхода элемента ИЛИ 22 сбрасывает ЛК-триггер 20 в нулевое состояние.Таким образом, все узлы блока синхронизации приходят в исходное состояние за исключением того, что в счетчике 19 зафиксирована единица. Далее цикл работы повторяется таким же образом, Отличие только в том, что на выходы элементов И 21 передается со счетчика 19 другой код, образованный разрядами счетчика при хранении в нем числа 2. В третьем цикле работы на выходы элементов И 21 передается со счетчика 19 код, образованный его разрядами при хранении в нем числа 3 и т,д,При каждом цикле работы на управляющие входы сумматоров-вычитателей 11 поступают последовательности из четырех периодически повторяющихся кодов, В каждой четверке кодов присутствуют операции: сложение, вычитание и отсутствие операции, Эти операции реализуют умножение на тригонометрические коэффициенты 1, -1, 0 в соответствии с выражениями (3).В таблице показано состояние разрядов счетчика 19 и соответствующие им коды на выходах схем И 21, а также четверки периодически повторяющихся кодов, поступающих на шины.Аналоговый сигнал с выхода фильтра 2 поступает также и на второй вход умножителя 3, На первый вход умножителя поступает гармонический сигнал частотой 1 от генератора 5 гармонического сигнала, На выходе умножителя 3 появляются разностные и суммарные частоты, Разностные частоты образуют набор частот 5 от О до Ь, Причем б = 1 в - ь где б - частота 1-й гармоники исследуемого аналогового сигнала, т,е. произошел поворот участка частотной оси длиов ной от 0 до Ь на 180 вокруг точки 2 . В результате этого высокие частоты поменялись местами с низкими частотами, расположенными симметрично относительно точки в2Суммарные частоты образуют набор частот от 1 до 21. Сигнал с выхода умножителя 3 поступает на вход второго фильтра 4 ниж них частот, частота среза которого равна , После прохождения сигнала через фильтр 4 в спектре его останутся частоты от 0 до 1. Сигнал с выхода фильтра 4 поступает на второй преобразователь Фурье 8, который работает аналогично первому преобразователю Фурье 7. Преобразователь Фурье 8 вычисляет коэффициенты Фурье в диапазовне частот от Ь до 2, который соответст 5 10 55)-й гармоники низкочастотной полосы спектра устройства 0 = 1, й; В - количество определяемых гармоник в низкочастотной полосе спектра), причем выход первого фильтра нижних частот соединен с первым вует диапазону частот от 0 до1 висходного аналогового сигнала.Таким образом преобразователь Фурье15 7 вычисляет коэффициенты Фурье а 1 и Ьисследуемого аналогового сигнала в диапавзоне частот от Ь до 2, а второй преобразователь Фурье 8 вычисляет коэффициенты20 1 вФурье в диапазоне частот от 0 до 2 . Приэтом никаких наложений спектров не происходит, В результате точность устройства повышается,25 Погрешность вычисления коэффициентов Фурье в предлагаемом устройстве обусловлена только разбросом периода. следования кодов, приходящих на входы выбора режима накапливающих сумматоров 30 вычитателей 11 и не превышает 0,5%. Впрототипе же погрешность вычисления коэффициентов Фурье при исследовании частот вблизи нуля. в результате наложения. спектров может достичь 100%.Формула изобретенияУстройство для выполнения преобразования Фурье, содержащее первый фильтрнижних частот, вход которого является входом устройства, а выход соединен с информа 40 ционным входом первого преобразователяФурье, выходы которого являются выходамисоответственно реальной и мнимой частей -йгармоники высокочастотной полосы спектраустройства(где= 1, М, М - количество опре 45 деляемых гармоник в высокочастотной полосе спектра), генератор тактовыхимпульсов, выход которого соединен с синхровходом первого преобразователяФурье, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью50 повышения точности, в него введены генератор гармонического сигнала, умножитель,второй фильтр нижних частот и второй преобразователь Фурье, выходы которого являются выходами реальной и мнимой частей10 1833893 оставитель В,Куконинехред М,Моргентал орректор Н.Ревска едак каз 2688 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производс 1 венно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 входом умножителя, выход генератора тактовых импульсов подключен к синхровходу второго преобразователя Фурье, выход генератора гармонического сигнала соединен с вторым входом.умножителя, выход которо- ;го через второй фильтр нижних частот соединен с информационным входом второгопреобразователя Фурье.5ееР.Ющф.