Анализатор спектра

Союз Советских Социалистических РеспубликОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1111669295(23) Приоритет -Опубликовано 25.06.79,Государственный квинтет СССР по делам нзабретвнн н аткрытнй) УДК 681.323 (088.8) етень2305.07.79 л опубликования описан 72) Автор изобретения Л. Иваськи нститут кибернетики АН Украинской С 71) Заявитель Ордена Ленин) АНАЛИЗАТОР СПЕКТ Р СПЕКтРа, В КОтОРомоснове устройствз, м БПФ 2. Это устстр числа, квзнтовз ход которого являета выход подключен в умножения знаковкоторых подключевы холам блока зз- СОЕДИНЕН С ВЫХОЛОМ авленця, четыре выхо 71 Изобретение относится к вычислительной технике и может использоваться для анализа спектра случайных сигналов.Известно устройство для определения спектральной плотности с использованием знакового преобразования, содержащее знаковые нелинейные блоки, генераторы ортогональцых прямоугольных функций, генератор треугольного сип 1 ала, квалраторы, интеграторы и сумматор 1.Однако такое устройство служит лля анализа только нормальных процессов.Б тех случаях, когда к устройствам анализа спектра предъявляются специальные треоовация цо точности прц ограничениях цз их гзоариты, сложность, а также дополнительные требования, диктуемые применяемой технологией изготовления, используют методы анализа спектра, Основанные ца диск.ротном представлении перерабатываемых сиг 511 лов. Дискретный анализ спектра случ 11 йцых сигналов может прОизволитьс 51 с помощью методов цифровой фильтрации либо посредством дискретного преобразования Фурье (ДПФ). Предлагаемый анализатор спектр;1 ОО 1 оцзц ца использовании ДПФ. Анализаторы спектра, в которых используется ДПФ, строятся на основе устройства, вычисляющего корреляционную фуцкц 11 к 1 анализируемого сигнала, ц цифрового усгройства, реализующего собственно дцскрет ное преобразование Фурье.С целью экономии вычислений ц уцроп;ения анализаторов спектра на практике при меняют некоторые искусственные приемы ДПФ и специализированные устройства, рез - лизующие преобразования такого типа. К числу таких устройств относятся приборы, в которых реализуются быстрые преобразования Фурье БПФ). Известен анализат 15 ДПФ выполняется нареализующего алгорит ройство содержит реги тель сигнала, первый в ся входом анализатора к первым водам блоко сигналов, вторые входь ны к соответствующим держки, вход которого квантователя, блок упрда которого соответственно подключены к управляющим входам квантователя, счетчика адресов, постоянного запоминающегоустройства и к первому входу арифметического блока, второй вход которого соединенс выходом постоянного запоминающего устройства, выходы блоков умножения знаковсигналов подключены к входам соответствуюгцих счетчиков, каждый разрядный вход которых соединен с выходом соответствующего элемента И записи, а каждый разрядныйвыход счетчика подключен к первому входусоответствующего элемента И считывания, вторые входы элементов И считывания и первые входы элементов И записи подключены к соответствующему выходу дешифратора, соответствующему номеру счетчика, входы дешифратора соединены с соответствующими выходами счетчика адресов, выходы эле - ментов И считывания каждого счетчика объединены и подключены к соответствующему входу элемента ИЛИ.Однако такие анализаторы отличаются 20 сложностью и значительным расходом оборудования.Целью изобретения является упрощение анализатора спектра.В качестве оперативной памяти устройства БПФ в анализаторе спектра используют канальные счетчики коррелятора. В этом случае все время анализа может быть разделено на два этапа. В течение одного из них (составляющего большую часть общего времени) счетчики работают как на- ЗО копители коррелятора, в течение другого (при вычислении спектра) счетчики используются в качестве оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) для хранения промежуточных и конечного результатов реа 35 лизации алгоритма БПФ, Поскольку вторая часть времени оказывается существенно меньшей, чем та, в течение которой канальные счетчики работают в качестве накопителей, то быстродействие анализатора спектра в целом практически не уменьшается. 40 Однако можно отказаться от использования в анализаторе специального блока в ОЗУ, и, таким образом, уменьшить затраты оборудования и упростить схему анализатора.В предлагаемый анализатор спектра до полнительно введены четыре элемента И и коммутаторы записи и считывания, входы которых подключены соответственно к четвертому и пятому выходам блока управления, выходы коммутатора записи соединены соответственно с первыми входами пер вого и второго элементов И, второй вход первого элемента И подключен к выходу арифметического блока, а второй вход второго элемента И подключен к выходу элемента ИЛИ, выходы первого и второго элементов И соединены соответственно с первыми и вторыми входами разрядов регистра числа, выходы которого объединены и подключены к первым входам третьего и четвертого элементов И, вторые входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам коммутатора считывания, выход третьего элемента И соединен со вторыми входами элементов И записи, а выход четвертого элемента И подключен к третьему входу арифметического блока,На чертеже дана структурная схема описываемого анализатора спектра.Он содержит квантователь 1 входного сигнала анализатора, блок задержки 2, элементы 3, 4 и 5 блока задержки, блоки умножения знаковых сигналов (БУЗС) 6 - 9, входную шину 10 квантователя 1 входного сигнала анализатора, выходную шину 11 квантователя 1 входного сигнала анализатора, выходную шину 12 линии задержки 4, входные шины 13 и 14 БУЗС, выходную шину 15 БУЗС. Устройство имеет также счетчики 16 - 19, разряды 20 - 23 счетчика 18, элементы И 24 - 27 записи соответствующих разрядов счетчика 18, управляющие входы 28 - 31 элементов И 24 - 27 соответственно, выходы 32 - 35 соответственно разрядов 20 23 счетчика 18, элементы И считывания 36 - 39 соответственно разрядов 20 - 23 счетчика 18, шины записи 40 - 43 информации в счетчики 16 - 19 соответственно, выходные шины 44 - 47 канальных счетчиков 16 - 19 соответственно, элемент ИЛИ 48, выходную шину 49 элемента ИЛИ 48, элемент И 50, регистр 51 числа, шину записи 52 в регистр 51 информации, считанной из канальных счетчиков, шину считывания 53 информации из регистра 51, элемент И 54, выходную шину 55 элемента И, счетчик адресов 56, дешифратор 57, выходные шины 58 - 61 дешифратора 57, выходные шины 62 - 65 счетчика адресов 56. Кроме того, устройство содержит постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 66, арифметический блок (АБ), 67, блок управления (БУ) 68, коммутатор 69 записи информации в регистр 51, шину 70 связи ПЗУ 66 и АБ 67, шину 71 выдачи числовой информации из АБ 67, элемент И 72, шину 73 записи в регистр 51 информации, считанной из АБ 67, шину 74 записи числовой информации в АБ 67, элемент И 75, шину 76 связи БУ 68 и коммутатора записи 69, выходную шину 77 коммутатора 69 записи, по которой поступают сигналы управления перезаписью числа в регистр 51 из канальных счетчиков, выходную шину 78 коммутатора 69, по которой поступают сигналы управления перезаписью числа в регистр 51 числа из АБ, коммутатор 79 считывания числа из регистра 51, шину 80 связи БУ 68 и коммутатора 79, шину 81, по которой управляющие сигналы из БУ 68 поступают на элемент И 75, шину 82, по которой управляюгцие сигналы из БУ 68 поступают на элемент И 54, шину 83 связи БУ 68 и счетчика 56, шину 84 связи669295 5ЬУ 68 и квацтователя 1 входных сигналов анализатора спектра, шину 85 связи БУ 68 и РЗУ 66, шину 86 связи ЬУ 68 и АЬ 67.В анализаторе спектра регистр 51 предназначен для хранения числа, считываемого с канального счетчика либо записываемого в него.Анализатор спектра работает следующим образом.Общий процесс переработки информации в анализаторе подразделяется на два этапа. На первом этапе вычисляется корреляционная функция входного сигнала. На втором, в соответствии с алгоритмом БПФ, вычисляется энергетический спектр этого сигнала. Корреляционная функция вычисляется с помощью блока задержки 2, включающего элементы 3, 4 и 5, БУЗС 6 - 9 и канальных счетчиков 16 - 19. Энергетический спектр вычисляется на основе ПЗУ 66, ЛБ 67, БУ 68, коммутатора 69 записи, канальных счетчиков 16 в 19, регистра 51 числа, счетчика 56 и дешифратора 57.Вычисление корреляционной функции на первом этапе осуществляется следуюшим образом.Входной сигнал анализатора по шине 10 поступает на квантователь 1. Не уменьшая общности рассмотрения, будем для определенности считать, что коррелятор анализатора работает по знаковому принципу. В этом случае квантователь осуществляет временную дискретизацию входного сигнала с шагом Л 1 и глубокое двустороннее ограничение, в результате чего ца выходной шине 11 квацтователя получается случайная последовательность импульсов. Рассмотрим работу некоторого 1-го канала коррелятора. Каждый из элементов 3, 4 и 5 блока задержки 2 задерживает вхолной сигнал на время ЬЕ, Г 1 оэтому на выходе эле мента задержки с номером 1 (пусть на чертеже это будет элемент задержки 4) случайная последовательность импульсов оказывается задержанной на время ыЪТ. Э а последовательность поступает на входную шину 14 блока 8. На другую входную шину 13 этого блока поступает последовательность случайных сигналов непосредственно с выходной шицы 11 квантователя 1. На выходе 5 блока 8 формируется сигнал, пропорциональный произведению знаков прямого и задержанного сигналов, который поступает в счетчик 18, выполняюгций функцию интегрирования и отвечающий каналу коррялятора с номером . Число, накопленное в счетчике, соответствует опенкеординаты корреляционной функции.После заполнения канальных счетчиков режим вычисления корреляционной фмнкции входного сигнала заканчивается. Начинается второй этап работы анализатора, непосрелсгвеццо связанный с вычислением энергетического спектра входного сигнала на 6основе алгоритма ЬГ 1 Ф. Особеццостьк) второго этапа является то, что канальные счетчики при реализации алгоритма БПФ уже используются как блоки оперативной памяти. В соответствии с этим режимом управляюгций сигнал, поступающий на квднтовдтель 1 по шине 84 из БУ 68, отключает этот квантова тел ь. Из Б У по ши на м 76, 82, 81, 86, 85 и 83 поступают сигналы, синхроцизируюцие работу соответственно коммутатора 69, элементов И 54, 75, АЬ 67, ПЗУ 66, счетчика адресов 56. Алгоритм ЬПФ ца основе указанных узлов реализуется известным способом. Числа, представляюшие значения коэффициентов ряда Фурье, подсчитанных в результате реализации алгоритма БПФ, накапливаются в канальных счетчиках.При реализации алгоритма БГ 1 Ф информация из канальных счетчиков считывается в АБ 67 следуюшим образом.В соответстствии с сигналами, поступак- шими из БУ 68 по шине 83, устанавливаются требуемые состояния счетчика 56. Пол действием сигнала, постмпаюшего из БУ 68 по шине 76 на коммутатор 69, этот коммутатор устанавливается в такое состояние, при котором управляющий сигнал появляется цд его выходной шине 77. Управляющий сигнал открывает элемент И 50. Состояния счетчика 56 лешифрируются лешифрдтором 57. Под действием выходных сигнд. ов лешифратора 57, появляющихся на его выходных шинах 58 - 61, канальные счетчики 16- 19 поочередно подключаются соими выходами через элемент И 50 к соотвстстп югцим входам 52 регистра 5. В чдсгцости,том случае, когда счетчик 56 находится в состоянии с номером 1, в лешифраторе 5) появляется выходной сигнал на шине 60. Этот сигнал поступает на упрдвляюшне входы элементов И 24 - 27 и 36 - 39. В режиме считывания информации цз АБ элемент И 54 заперт управляюшим сигналом, поступаюгцим из коммутатора 79 по шицс 82. На информационные входы 28 - 3 э емецтов 24 - 27 по шине 42 в этом режиме информация не поступает, Зато обеспечи;.дгот. ся условия считывания информации из кд. нального счетчика 8. При считывании ицформдция из соответствуюших разрядов счетчика по шинан 32 - 35 постугает цд входы элементов 36 - 39 соответственно. С выходов этих схем по шине 46 эта информация поступает на элемент ИЛИ 48, выхол которого посредством шины 49 подсоединен к вхолу элемента И 50. Поскольку элемент И 50 в режиме считывания информации из ЛБ открыт (сигналом из коммутагора 69, поступающим по шине 77), происходит перезапись содержимого из счетчика 8 в регистр 51. Из регистра 51 пол действием хправляюшего сигнала, поступающего из коммутатора 69 на элемент И 75 по шине 81,5 во 55 о 5 зо З 5 во 45 5 О 557выполняется считывание информации из регистра 5 в АБ 67 (по шине 74).Перезапись информации из АБ в канальные счетчики выполняется так. Под действием сигнала, поступающего из БУ по шицс 76, коммутатор 69 устанавливается в такос5 состояние, при котором управляющий сигнал появляется на его выходной шине 78. Этот сигнал открывает элемент И 72. Требуемое слово из АБ 67 по шине 71 переписывается в регистр 51. Сигналом, поступающим из БУ по шине 83, устанавливается 1 о в требуемое состояние счетчик 56. Его состояния дешифрируются дешифратором 57. В результате оказывается подключенным к выходу элемента И 54 тот канальный счетчик, в который должно быть переписано слово из регистра 51. Перезапись выцоляется под действием управляющего сигнала, поступающего по шине 82 из коммутатора 79 и открывающего элемент И 54.Таким образом, благодаря применению счетчиков коррелятора в качестве оперативной памяти удается значительно упростить анализатор спектра.Формула изобретенияАнализатор спектра, содержащий регистр числа, квантователь сигнала, первый вход которого является входом анализамра, а выход подключен к первым входам блоков умножения знаков сигналов, вторые зо входы которых подключешя к соответств ющцм выходам блока задержки, вход которого соединен с выходом квантователя, блок управления, четыре выхода которого соответственно подключены к управляющим вхо 35 дам квацтователя, счетчика адресов, гостояццого запоминающего устройства и к первому входу арифметического блока, второй вход которого соединен с выходом постоянного запоминающего устроиства, выходы блоков умножения знаков сигналов подклю- ао чены к входам соответствующих счетчиков, каждый разрядный вход которых соединен с выходом соответствующего элемента И записи, а каждый разрядный выход счетчика подключен к первому входу соответствующего элемента И считывания, вторые входы элементов И считывания и первые входы элементов И записи подключены к соответствующему выходу дешифратора, входы дешифратора соединены с соответствующими выходами счетчика адресов, выходы элементов И считывания каждого счетшка объединены и подключены к соответствующему входу элемента ИЛ И, отличив. щийсн тем, что, с целью упрощения. в него дополнительно введены четыре эзе":ента И и коммутаторы записи и считывания, входы которых подключены соответственно к четвертому и пятому выходам блока управления, выходы коммутатора записи соединены соответственно с первыми входами первого и второго элементов И, второй вход первого элемента И подключен к выход; арифметического блока, а второй вход второго элемента И подключен к выходу элемента ИЛИ, выходы первого и второго элементов И соединены соответственно с пер выми ц вторыми входами разрядов регистра числа, выходы которого объединены и подключены к первым входам третьего и четвертого элементов И, вторые входы которых подключены соответствеццо к первомх и второму выходам коммутатора считывания, выход третьего элемента И соединен со вторыми входами элементов И записи, а выход четвертого элемента И подключен к третьему входу арифметического блока. Источники информации, принятые во внимацие цри экспертизе1. Мирский Г. Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. М, хЭ перги я, 1972, с. 276.2. Патент США ЛЪ 380842, кл 324 68,970.Составитель В, Жовинский Редактор Т. Фадеева Техред О. Луговая Корректор Е. Папп Заказ 3653/37 Тираж 1089 Подписное ЦН ИИ ПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д. 4(5 филиал П ПП к Патентэ, г. Ужгород, ул. Проектная, 4