Устройство для выполнения быстрого преобразования фурье

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(61) Дополнительно (22) Зая,влено 13 02 ид-ву 1996828 18 51),Ч. 1 хл, С 061 15,34 аявкиисоединением Государстаеннын комите овета Министров СССР по делам изобретений и открытий. Бахтиаров и А. 1 О, Тищенко 1) Заявител 54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ БЫСТРОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕИзобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для построения устройств спектрального анализа и фильтрации, основанных на алгоритме быстрого преобразования Фурье (БПФ), когда объем входной выборки Л=г г 2 гз,т, где г, гз, гз, гм различные простые числа.Известно устройство для выполнения БПФ, содержашее каскады, каждый из которых включает две группы аналоговых сдвигающих регистров и переключателей, коммутационные панели, переключатели выходов усилителей, счетчики и блоки операционных усилителей.С целью существенного сокращения оборудования в предложенном устройстве применена последовательно-параллельная структура вычислений, для чего выходы одного счетчика каждого каскада подключены ко входам первой коммутационной панели, выходы которой соединены с управляющими входами переключателей первой группы, другие входы которых соединены со входной шиной, а выходы - со входами аналоговых сдвигаюищх регистров первой группы и со входами переключателей второй грулпы, управляющие входы которых подключены к выходу другого счетчика и вхо ду переключателя выходов усилителей, другие входы переключателей второй группы соединены с выходами, второй коммутационной панели, выходы переключателей второй группы соединены со входами аналоговых сдвигающих регистров второй группы, входы второй коммутационной панели соединены с выходами а налоговых сдвигающих регистров второй 5 группы и входами блоков Операционных усилителей, выходы которых соединены со входами переключателя выходов усилителей, причем выход каждого аналогового,сдвигающсго регистра первой группы соединен со входом 10 соответствующего переключателя даннойгруппы.Блок-схемы устройства для выполненияпрямого быстрого преобразования Фурье соответственно для отдельного каскада и для двух 15 каскадов представлены на фиг. 1 и 2, где 1 -входная шина каскада; 2 - переключатели первой группы; 3 - аналоговые сдвигающие регистры первой группы; 4 - переключатели второй группы; 5 - аналоговые сдвигающие 20 регистры второй группы; 6 - первая коммутационная панель; 7, 8 - блоки операционных усилителей (БОУ); 9 - переключатель выходов усилителей; 10 - выходная шина каскада; 11 - счетчик управления перестановкой;25 12 - шина импульсов дискретизации; 13 -вторая коммутационная панель; 14 - счетчик управления обменом; 15 - шина тактовых импульсов с частотой, равной н,/Я; ; 16 - шина тактовых импульсов с частотой, равной 30 1 нв/Йт.; о где г . 2 кК ехр-) номерами а;1) ). После выполнения накопления в каждом из аналоговых сдвигающих регистров первой группы 3 оказывается за и н ппсаннои строка матрицы, подготовленнои к обработке, Эти данные заносятся в аналоговые сдвигающие регистры второй группы 5 (группа содержит г, регистров длиной Я; каждый), для чего переключатели второй группы 4 по сигналу счетчика управления обменом 14, подключают входы с этих регистров на вовремя Й, тактов ко входам Й переклю 50 55 чателей второй группы, которые соединены со входами аналоговых сдвига 1 ощих регистров первой группы 3, Из регистров второй группы 5 сигналы поступают на БОУ 7 и 8, где за Р, тактов вычисляется одна строка матрицы результатов,Если н: производится обмен, то эти же данные со входов 1 переключателей второй группы 4 снова поступают в аналоговые сдвиУстройство рассчитано на естественный порядок входных данных, результаты же вычислений получаются в порядке, удобном для последующего выполнсния обратного преобразования. В соответствии с используемым алгоритмом входная выборка данных размером Л записывается в виде таблицы, имекццсй Л, столбцов размера г,. Над точкам, образующими столбец, выполняется БПФ, а затем для вычисления конечных результатов выполняется БПФ над строками, Прп этом для исключения операций умножения промежуточных результатов на комплексные коэффициенты точки в каждом столбце перед выполнением БПФ от столбца смещаются по кругу на а 1 позиций, где 1 - номер столбца, Выходные данные в каждой строке получаются смсьцепными по кругу на Ьт позиций, где т - номер строки (нумерация идет с нуля). Так как строка имеет значительную длину, то се, в свою очередь, можно представить в вцдс таблицы и вычислить БПФ от строки указанным выше способом. Таким образом, вычисление БПФ состоит пз И шагов, причем на всех, кроме последнего, цеобходпмо обработать таблицу с размером столоца г; и строкииЙ;= 11 г где- номер шага, т. с. нау .юкаждом шаге нужно вычислять БПФ от Я; столбцов размером гь причем перед вычислением точки столбца смещаются по кругу на а;1 позиций, где 1 - номер столбца; а; -- целочисленное решение уравнения б;г, - аЯ;= - 1;6; - также целое число. На последнем шаге обрабатывается строка размером гм и пе требуются перестановки перед вычп лсппямп.К-ая точки БПФ вычисляется согласно формуле Так как 0(й(г;, 0(1(г;, то сели йФО и г; - простое число, среди 1 Р 1 есть все г; возможных значений и каждое пз нпх встречается ровно один раз. Т. е. для вычисления всех точечек БПФ, кроме Ло, можно использовать блок операционных усилителей, состоящий и; двух операционных усилителей (один для получения действительной, другой - мнимой части результата) и набора весовых сопротивлений, что достигается многократной (г; - 1) подачей на его входы одних и тех же сигналов Й, в разном порядке.Для вычисления Н, используется отдельный блок операционных усилителей 8,В устройстве использова каскадная структура, в которой вычисления выполняются параллельно в М каскадах, причем в каждом каскаде промежуточные результаты и точки искомого БПФ вынисляются последовательно. Данные проходят последовательно через все 111 15 20 2,) ЗО 35 40 45 каскады, кроме того, от каскада к каскаду передаются необходимые тактовые сигналы.Обработку в -том каскаде можно начать, когда будет накоплено гД, данных, поступающих ца каскад последовательно. Для этого даиныс, поступающие по входной шине 1, вводятся в аналоговые сдвцгаю 1 цие рсгистры 3, Длина каждого из этих регистров Яь а вместе опп об)разук)т кольцевой регистр сдвига. Одновременно с накоплением производится требуемое смещение данны:с в столбцах по кругу, для чего на входе каждого из регистров 3 имеются переключатсли 2, которые могут подключать эти входы либо к выходу предыду щего аналогового сдвигающего регистра первой группы, либо к входной шине 1. Выборочное значение, поступающее через 1 тактов после начала строки, относится к столбцу с номером 1 и должно бь)ть введено с круговым смещением на а,1) ) позиций (знаки х) ) обозначают остаток от деления х на г;), что выполняется введением этого сигнала через переключатель первой группы с номером а,1) ) (нумерация начинается с нуля).Для этого соответствующий перск;початель 2 по сигналу с устройства управления перестановкой подключает выход с ко входу а, в то время, как к выходам остальных переключателей первой группы 2 подключены их входы б.Устройство управления перестановкой состоит из счетчика управления перестановкой 11, пмеющсго , положений, причем управляк)щучий сигнал выдается по вы.соду с номером, равным 1, для чего счетчик считает сигналы, поступая)щне по шине импульсов дискретизации 12 ц имеющие частоту, равную частоте квантования входного сигнала 1 и устанавливается в ноль сигналами, поступающими по шине 1 б в начале обработки строки.Выходы счетчика управления перестановкой 11 соединяются в управляющими входами у переключателей первой группы 2 через первую коммутационную панель б, в которой входы с номерами 1 соединены с выходами с10 15 20 25 где гающие регистры второй группы 5 и используются в ходе вычисления следующей строки, для чего их порядок опредсленым образом меняется, Изхсненцс порядка осуществляется путем соединения выходов аналоговых сдвигающцх регистров Второй Группы 5, кото рые В начале обработки содержат строку с номером К черсз вторую коммутационную пацель 13 с входами ( тех переключателей втэрэй гругпы 4, которые стоят на входах регистров, хранивших в начале обраооткц матрицы строку с номером г, Осычно к выходной шине каскада 1 Э подключается БОУ 7, который вычисляет строки Нгде 1=1, 2, , г; - 1, Для вычисления Но на время обмена к выходной шине каскада 10 через переключатель выходов усилителей 9 подключается БОУ 8.На выходе каскада строка, идущая 1-той по порядку (начиная с ц)ля) имеет помер (М 1) ), а нулевая строка постуПает на выход каскада последней, здесь д - первообразный корень г;.Нл фиг. 3 и -1 приведены соответственн обЩЯ 5 элок-схема ц блок.схем 5 От 1 е.1 ьцэГО каскадаа устройства для выплнсци 5 Обратного бь.строго преобразования Фурь .На блок-схемах применены тс же обозначения отдельных каскадов, что ц на фиг. 1 ц 2, а также введены следующие дополнительные каскады: 17 - переключатели третьей группы; 18 - аналоговые сдвигающи" реги тры третьей грунины; 19 - блок начаьной установки.Устройство для выполнения обратного БПФ имеет следующие особенности.Входные данные от устройства. выполняющего прямое БПФ, поступают В требуемом порядке, в то время как выходные результаты, как правило, требуется получать в естетвенном порядке. Поэтому ацалэговые слвиглющие регистры первой грунины 3 и переключатели первой грунины 2, выполняющие круговую псрестановку, Вклкчсцы после переключателя выходов усилителей 9. По окончании перестлновки требуется Выводить данны. сразу из всех 1 аналоговы:( сдвцгающцх регистров первой группы 3, цо устройство цмсст последовательный выход, поэтому данные пред варительно перописываотся в аналоговые регистры третьей группы 18 через персключатели третьей группы 17. Эти жс регистры ц переключатели служат для накопления входных :анны:( перед Вычислением.Для выполцснця перестановки выходных сигналов утравляющце входы переключателей первой группы 2 соединсны через первую коммутационную панель 6 с выходами счетчика управления перестановкой 11, так что его выход с номером 5 соединяется с управляющим входом переключателя первой группы с номером- а;Я) ), Для устанения дополнительной перестановки, возникшей при вычислении г, - 1 строк в одном БСУ, необходимо в начале получения каждой строки результатов 3) )5 4 15 50 55 60 В 5 устанавливать сч "тчик управления перестановкой 11 в положение х;(, где ( - номер получаемой строки по порядку вычисления (состояние счетчика управления обменом 14),Значение х;( находится цз урлвсниц: Г- Цсп- , если (.ф Г,1- а;)с;Г - 1г,1, если (- г - 1, Эта начальная установка осуществ,ляется блоком начальной устакэвки 19, которос соединено с выходами счетчика управления обменом 14, считающего импульсы с шины 16 с частотой, ряВПОЙ (яви. Кроме ТОГО, к последнему выходу этого счетчика подк,лючены управляющие вхэды перек,лючателей 4. Счетчик 14 вырабатывает также импульсные сигналы для шины 15 с частотой, равной 1),Р,Вычислительную часть устройства для выполнения обратного БПФ можно было бы выполнить такой же, клк в устройстве для выпо; Пения прямого БПФ, однако для упрощения применен блок, работающий по фор- муле 1% Й:, г, - 1 и Т ехр(2-1,). Для этого первый из аназоговых слвцгающцх регис-ров Второй группь 5 через первый цз :ерсклю:Ятелей второй г);ппы 4 замкнут сам цл себя, а С.тлльныс ОбЯзлот кольцсвоц рсгистэ,Д:я цсцОьзэВяцця клсклдя В устрэйстВВ с др; гцм размером Выоэркц ц.ц распоожсНС. КЛ КЯ ЗОВ ДОСТЛТО. ЦО ЗЯХЕЦТЬ ГСРВО комутл ноннуО панел 6, поставить анл ОГОВье сдВПГЛс 1 цце реГП-трь соэтвстстз 11 ей ДЛЦЦЫ, Я ТЯК ЖЕ СМСНЦТЬ В. ЭРУЮ КОММ ТЛЦ 1- Оцц 1 О илс,ь 13 В встр э:твс д 1 я Выпэ;Пецц 51 црямог;) БПФ ц прэграмму расэты блока начлльюй остановки 19 В хстрэство для Выпо гцецця сбратцогэ БПФ.Г р с д и ец:),), с т с ц 1 5г СТРОСТВО;Л 5 Ь.:ОЛ.ЕЦЦ 5 ОЫСТРЭГО ЦРС- образования Фурье, содержащее каскады, каждый цз которых содержит;Ве группы аналоговых сдвгаюцих рег.стров и псрекючатезсй, коммутационные ганелц, переключлгель вьходов усилцтглей, счетчики, блоки 1 Р)ЛЦЦ,)ЦЧ)Х Ц,ЦТЬ С., 0 Т, Ц Ч Л К) Ц . С С 5 т,.м, т:), с цс ью;с(рлщсцця об)рлэвацц 5 устрой.тва, В нем Выходы о.ного счетчикКЛ)К ЛОГО КЯСКЯДЛ Полк,ЮСЦЫ КО ВХО;1 Л.с ПЕР- вой коммутационной панели, выходы которой соединены с управляОщими входамц переключателей первой группы, другие входы которых соединены с входной шиной, а выхо ды - со входами аналогэвых сдвигаОщих регистров первой группы и со входами, пере:.; ктчагелей второй группы, управляющие входы которых подключены к выходу, другого с;етчикя ц входу переключателя выходов уси497589 1 атс/гРг с/Гад 1 аЮЧадРы,г лителей, другие, входы переключателей второй группы соединены с выходами второй коммутационной панели, выходы переключателей второй группы соединены с входами аналоговых сдвигающих регистров второй группы, входы второй коммутационной,панели соединены с выходами аналоговых сдвигающих регистров второй группы и входами блоков операционных усилителей, выходы которых сосдинены со входами переключателя выходов усилителейпричем выход каждого аналогового регистра первой группы соединен со входом соответствующего переключателя данной группы,каз 1092/13ЦНИИ одписно ТипограФия. пр. Сапунова, 2 Изд.2120Государственного комите по делам изобретении113035, Москва, Ж.35, Рау Тираж 679Совета Министров и открытий ская наб., д. 4/5