Цифровой анализатор спектра

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистицескихРеспублик 1 н 653575) М. Кд. 1 В 23/16 рственныи комитетсссрам изобретенийи открытий дел.А.Юфряков А,Бакулев, В.И.Литю 1) Заявитель Московски ный институт ордена Ленина авиац им,Серго Орджоникид 4) ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА ная частота о сигиала 1одимое на вы комплексног определяем Изобретение относится к специализированным средствам цифровой техники, предназначенным для спектрального анализа случайных процессов.Известно устройство для быстрого . ф решения задач гармонического анализа, содержащее вычислитель., выполняющий операции над индексами, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство и арифмети О ческое устройство, оперирующее с комплексными числами (1.Однако для вычисления алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ) этим устройством требуется предвари тельная запись реализации в цифровой Форме, после чего производятся операции умножения; пересйлки и суммиро-. вания. Кроме того, предварительная запись реализации не позволяет прово- ф дить съем информации в любой момент времени.Наиболее близким решением из известных является устройство, содержащее последовательно соединенные25 .входной блок квадратурных составляющих, аналого-циФровой преобраэова;тель, сумматор и оперативное запоминающее устройство, постоянное запоми-. нающее устройство, связанное с ариф метическим блоком, блок квадраторов,подключенный к блоку извлечения корня квадратного через канальный сумматор, блок управления, ключи (2,Такое устройство при небольшомчисле рассчитываемых коэффициентовФурье (порядка 100-300) позволяетполучить более широкий однозначныйдиапазон анализируемых частот посравнению с устройством, реализующималгоритм БПФ,Однако это устройство также имеет,ограничение по диапазону анализируемых частот, которое зависит от числерассчитываемых коэффициентов фурьеи от числа отсчетов случайного процесса, поскольку за время Т при параллельном анализе должно производиться й комплексных сложений и умножений.Время Т может быть выбрано иэусловия- тдмаксгде Гско - максималв спектре исследуемодС - время, необнение одной операцииумножения и сложенияб 53575 разрядностью чисел:, наи которымипроизводятся арифметические действия.Поскольку максимальное число цирку "ляций М аграничквается числом рассчитываемых коэффициентов дискретногопреобразования Фурье (ДПФ), то случай, когда И=И, и определяет быстро- Ьдействие всего устройства, посколькуколичество разрядов, определяющеебыстродействие устройства находитсяв случае работы с фиксированной запятой из условия 102" м 2где К,( - число двоичных разрядов АЦП;К+К - число двоичных разрядок дляобработки чисел в случае М циркуляций.Увелиение скорости анализа можнополучить, если ограничить число циркуляций при прежней разрешающей способности, чта приведет к возможности оперирования с числами, имеющими меньшеечисло разрядов, к, как следствке, к 20снижению д;Целью изобретения является расширение диапазона анализируемых частот.Это достигается тем, что цифровойанализатор спектра, содержащий после давательна соединенные входной блокквадратурных составляющих, аналогоцифровой преобразователь, сумматор иоперативное запоминающее устройство,постоянное запоминающее устройство,связанное с ариФметическим блокомблок квадратаров, подключенный к блоку извлечения корня квадратного черезканальный сумматор, блок управленияи ключи,дополнительно снабжен сумма- Э 5тором с округлением и вторым оперативным запоминающим устройствам,причем выход блока управления связан спервыми входами всех ключей, выход первого ключа подсоединен ко второмувходу сумматора, выходы второго и40третьего ключей снязаны са вторымвходом арифметического блока, выходыкоторого подключены ко нторым входампервого и четвертого ключей, выходычетвертого и пятого ключей подключены 45ка входам сумматора с округлением,выход которого соединен са входамиквадратора и одновременна через второе оперативное запоминающее устройство - со вторым входом третьего ключа, при этом выход первого оперативного запоминающего устройства подключен ко нторым входам второго и пятогоключей,На фиг,1 изображена структурная 55схема устройства; на фиг, 2 - огибающие амплитудно-частотных характеристик (ЛЧХ): а-первого каскада; бвторого каскада; в - результирующаяАЧХ.60Цифровой анализатор спектра содержит последовательно соединенныевходной элок 1 квадратурных составляющих, аналого-циФровой преобразователь (ЛЦП) 2, сумматор 3 и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 4, б 5 4Со вторым входом сумматора 3 соединен выход ключа 5, а выход ОЗУ 4 соединен со входом ключа б, выход которого соединен с выходом ключа 7, который по одному входу соедкнен со входом ключей 8 и 9.Выходы ключей б и 7 соединены с одним из входов арифметического блока (АБ) 10, со вторым входом которого соединено постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 11, а выход блока 10 соединен со входами ключей 5 и 8. Выход ключа 8 соединен со входомсумматора 12 с округлением, второй вход которого соединен с выходомключа 9 а выход сумматора 12 с округлением через второе оперативное запоминающее устройство (вторае ОЗУ) 13 со входом ключа 7 и со входом блока14 квадраторавБлок 15 управления соединен повыходам с соответствующими входамиключей 5-9. Выход блоха 14 квадраторов подключен через канальный сумматор 16 к блоку 17 извлечения карня квадратного.Устройство работает следующкмобразом.В начальный момент времени блок15 управления замыкает ключи 5 и би размыкает ключи 7-9, Пои этом образуется цифровой рециркулятор, состоящий соответственно из сумматора 3,ОЗУ 4, ключа б, ЛБ 10, ПЗУ 11 и ключа 5.При поступлении на вход анализатора гармонического колебания частотой Ю в блоке 1 образуются квадраХтурные составляющие, которые поступают на входы ИП 2. Из выходныхсигналов ЛЦП 2 в начале каждого интервала длительности Т берутся выборки,амплитуда которых преобразуется вдвоичный код и затем запоминается нанесь интервал длительности Т,Выходные сигналы ЛЦП 2 в виде выборок в двоичном коде И раз в течение каждого интервала времени Т подаются на сумматор 3. С его выходаквадратурные составляющие в течениевремени первой циркуляции 0-Т последовательно И раз подаются на входОЗУ 4, количество квадратурных ячееккаторага равно Ы (т,е. всего 2 Бнещественных ячеек). Это ОЗУ 4 предназначено для задержки чисел, поступающих с выхода сумматора 3 на время,равное Т. В течение перной циркуляцииво нсеячеек ОЗУ 4 запишется одно ито же число. В начале второй циркуляции происходит считывание двух чисел иэ первых ячеек ОЗУ 4, которые через ключ б поступают на вход ЛБ 10 На второй вход ЛБ 10 поступают числа, записанные в ПЗУ 11.В ПЗУ 11 записано И чксел,соответствующих .выборкам соз 9, ."де 8 кзме 5 6535няется от 0 до 2 1 Г --через дЯ= - ,27 Г г 1 Ги М чисел, соответствующих выборкамБ 1 п 3. Последовательное считываниевсех значений созВи здп 8 производится параллельно в течение каждогоинтервала длительностью Т, начинаясо значения 6 =,и кончая значением 52 ЕИ " НЧисла, полученные на выходе АБ 10,поступают через ключ 5 на вход сумматора 3 и складываются с новой выбор- )Окой, образованной в начале циклана выходах ЛЦП 2, в результате чегопоследовательно получается К комплексных чисел, которые записываются вячейки ОЗУ 4. 15После Ьциркуляций, т,е, наинтервале времени Г.=(Ь)Т-,(Ь)Т,в ячейках ОЗУ 4 будут находиться числа, величины которых представляют отклик входного сигнала, прошедшегоФильтр с йЧХ (см, Фиг,2 а),В конце интервала времениблокуправления 15 размыкает ключи 5 и би замыкает ключи 7-9. При этом ковходам РБ 10 через ключ 7 подключается выход второго ОЗУ 13, а ко входам сумматора 12 с округлением черезключ 4 - выход АБ 10 и через ключ 5выход ОЗУ 4. При этом образуется цифровой рециркулятор, состоящий из сумматора 12 с округлением, второго ОЗУ ЭО13, ключа 7, ЛБ 10, ПЗУ 13 и ключаЯЗа время Т с момента Г.=.(Ь)Т доГ.=ЬТ Н комплексных чисел последовательно записываются через сумматор 3512 с округлением в М комплексныхячеек второго ОЗУ 13. Поскольку перед началом работы во втором ОЗУ 13были записаны нулевые числа, то ВБ10 в зтослучае производит операции 40с нулевыми числами Так как величиначисел при когерентном суммированиипосле Ьциркуляции линейно возрастает в Ьраз, то в сумматоре сокруглением производится отбрасывание р=Год (1,-1) младших двоичныхразрядов, Это позволяет во второмкаскаде оперировать с числами, имеющими то же число разрядов, как и впервом каскаде,В то же время, когда числа переписываются из ОЗУ 4 во второе ОЗУ 13, выборка сигнала с ЛЦР 2 одновременно записывается через сумматор 3 последовательно Б раз в освободившиеся 55 ячейки ОЗУ 4. После окончания процесса перезаписи блок 15 управленияразмыкает ключи 7-9 и замыкает ключи 5 и б. При этом. образуется схема,описанная ранее, и начинается процесс накопления выборок в течениевторой группы 1-1 циркуляций, в ре-.зультате чего в ячейках ОЗУ 4 в интервал времени с (2 Ь)Т по (2 Ь) Т будут находиться числа, представляющие из себя реакцию Фильтра с АЧХ, 65 изображенной на Фиг. 2 а, на воздействие следующего отрезка входногосигнала,В момент времени 1=(2 Ь)Т блок15 управления разомкнет ключи 5 и би замкнет ключи 7-9, При этом числа,которые были записаны во втором ОЗУ13 Ьпериодов назад, последовательно будут поступать на ЛБ 10 инад кими будут производиться операции, описанные ранее, за исключениемтого, что из ПЗУ 11 выбираются М чисел, соответствующих выборкам сов Щгде Ь 9 изменяется от 0 до 2.ЯЬ2 Щ21 Гь йчерез дЬВ= ,1, и И чисел, соответствующих выборкам з 1 п Ь 9. При этомвторое ОЗУ 13 играет роль задержкикаждого числа на Ь периодов,После Жциркуляций во второмкаскаде в течение времени Т на выходе второго ОЗУ 13 будут появляться числа, являющиеся откликом на .входное воздействие фильтра с АЧХ,изображенной на Фиг.2 в, котораяпредставляет из себя произведениеАЧХ первого (фиг,2 а) и второго (фиг.2 б) каскадовВ течение последней циркуляциичисла с выхода сумматора 12 с округлением подаются на входы блока 14квадраторов и цосле операции перемножения-на канальный сумматор 16.На выходе канального сумматора16 в течение М=Ь Х циркуляций получается Б чисел в виде2 М(81 ЮХТ)м . а Е-ш,т51 п где А - амплитуда гармонического колебания ц;,с др 21 ГЭти числа могут подаваться либосразу на выход (в этом случае получаются числа, характеризующие энергетический спектрисследуемого процесса), либо через блок 17 извлечениякорня квадратного (в этом случае получается амплитудный спектр),Полученные числа принимают максимальные значения при 9 = ыг Т, которыесоответственно равны1"1,)М=Д М ) (Ч 17)М "фТаким образом, первый каскад описываемого устройства определяет однозначность отсчетов в диапазоне частот О-Я а второй каскад - разрешающую способность. При этом видно, чтомаксимумы ЛЧХ второго каскада попадают в нули ЛЧХ первого каскада и полностью подавляются (фиг,2).По окончании процесса накопленияна временном интервале, равном периоду Т, с выхода устройства последовательно поступают отсчеты, временноеположение и величина которых характеризуют спектр сигнала.6535 Цифровой анализатор спектра, содержащий последовательно соединенные входной блок квадратурных составляющих аналого-цифровой преобразователь, сумматор и оперативное запомина- я ющее устройство., постоянное запоминающее устройство., связанное с арифметическим блоком, блок квадраторов, подключенный к блоку извлечения корня квадратного через канальный сумматор, 1 О блок управления, ключи, о т Л и ч аю щ и й с я тем,что, с целью расширения диапазона анализируемых частот, он снабжен сумматором с округлением и вторым оперативным запоминающим уст ройством,причем выход блока управления связан с первыми входами всех ключей, выход первого ключа подсоединен ко второму входу сумматора, выходы второго и третьего ключей связаны со вторым 75 8входом арифметического блока, выходы которого подключены ко вторым входам первого и четвертого ключей, выходы четвертого и пятого ключей подключены ко входам сумматора с округлением выход которого соединен со входами квадратора и одновременно через второе оперативное запоминающее устройство .- со вторым входом третьего ключа, при этом выход первого оперативного запоминающего устройства подключен ко вторым входам второго и пятого ключей.Источники информации, принятые во внимание при зкспертизе1. Клан и др. Специализированный процессор для быстрого решения задач гармонического анализа. "Электроникаф, 1968, т.41, В 13, с,З.2, Авторское свидетельство СССР Р 428389, кл, 50615/36, 1972653575 лов Составитель Техред И.Аст ректор С Шекма арод дакт аз 1285/ илиал ППППатентф ф, г.ужгород, ул.Проектная, 4 Тираж 696 ЦНИИПИ Государственного по.делам изобретений и 113035, Москва, Ж, Раую