Цифровой анализатор фазового кепстра

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(23) Приоритет 6 01 В 23/16 Госуларственный комитет СССР по ледам изобретений н открытийОпубликовано 2309,82, Бюллетень Мо 35 Дата опубликования описания 23.09.82(54) ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР ФАЗОВОГО КЕПСТ 15 менкаИзобретение относится к цифровым радиотехническим устройствам,позво ляющим повысить разрешение перекрывающихся во времени сигналов и точность измерения относительного временного сдвига этих сигналов, в частности в радиотехнических установках различного назначения, в которых информация об измеряемом параметре заложена во взаимном временном сдвиге составных частей ( элемен+ тарных сигналов ) принимаемого сигнала при практически любом соотношении амплитуд и любой, близкой у всех элементарных сигналов форме, а и но в обзорных импульсных радиола торах, импульсных радиовысотамерах для измерения с воздуха толщины земных покровов (толщины льда и других геологических образований ), системах обработки сейсмических данных и т.д.Известен цифровой анализатор кепстра, содержащий пепетрумпроцессор мощности или комплексного спектра 1).Указанное устройство сложно и имеет недостаточную точность,Известен также анализатор, содержащий аналого-рифровой преобразователь АЦП), основной процессор быст рого преобразования Фурье, входомподключенный к выходу АЦП, "вещественный" и нмниыяй" выходы которогоподключены ко входам вычислителяквадрата модуля отсчетов спектральной функции, процессор обратногобыстрого преобразования Фурье. Выходвычислителя квадрата модуля подключен ко входу блока логарифмирования,а выход блока деления подключен ковходу блока вычисления арктангенса.К выходу блока вычисления арктангенеа подключен блок развертываний аргумента фазы спектральной функции. Выходблока развертывания соединен со входом блока оценки иисключения линейной фаэовай компоненть) (ЛФК ). Выходблока логарифмирования и выход блокаоценки и исключения ЛФК подключеныкаждый к своему входу блока процессора обратного быстрого преобразования Фурье 21.Недостатком этого устройства явля-ется невозможность обеспечить без оаибочное развертывание значения аргумента прежде всего в тех точкахна оси частот, где модуль спектральной функции равен нулю (этим точкамсоответствуют нули 2-преобраэова ния входного сигнала) и вообще там,где уровень спектральной Функции .ста,новится соизмеримым с, уровнем шумов.Кроме того, на качество фазового кепстра оказывает влияние степень компенсации линейной компоненты.Необходимость оценивания и компенсации линейной, компоненты в аргументе спектральной функции усложняет реализацию аппаратуры анализа Фазового, а значит и комплексного кепстров, и .уменьшает ее быстродействие. Целью изобретения является увеличение точности измерения относительного времени запаздывания импульсных сигналон произвольной, но одина-. ковой для всех сигналов Формы.Поставленная цель достигается тем,что в цифровой анализатор Фазового кепстра, содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП),основной процессор быстрого преобразования Фурье (БПФ), входом подключенный к выхо ду АЦП,"вещественный"(выход для отсчетов вещественной части спектральнбй функции)и"мнимый"(выход для отсчетов мнимой части спектральной функции),выходы которого подключены ко входам вычислителя квадрата модуля отсчетов спектральной функции, процессор обратного быстрого преобразования Фурье ОБПФ ), введены первый счетчик, первый умножитель, один из выходов которого подключен ко входу основного процессова БПФ, а второй вход - к выходу первого счетчика, вспомогательный процессор БПФ, выход которого подключен к выходу первого умножителя, второй умножитель, один из входов которого;подключен к "мнимому" выходу основного процессора БПФ, а второй вход - к "мнимому" выходу вспомогательного процессора БПФ, третий умножитель,.один из нхо. дон которого подключен к ."вещественному" выходу основного процессора БПФ, а второй вход - к "вещественному" выходу вспомогательного процессора БПФ, сумматор, один вход которого подключен к выходу второго умножителя, а второй вход - к выходу третьего умножителя, первый делитель, входом делимого нодключен к выходу сумматора, а вход делителя к выходу вычислителя квадрата модуля отсчетов спектральной функции, запоминающий блок, вход записи которого подключен к выходу первого делителя, первый ключ, первый вход которого подключен также к выходу первого делителя, второй вход - к выходу считывания запоминающего блока, а выход - ко входу процессора ОБПФ, второй ключ, выходом подключенный ко входу управления делением первсго делителя, а также ко входу упранления записью, запоминающего блока, логический элемент арифметического сравнения, первый входкоторого подключен к выходу вычислителя квадрата модуля отсчетов спектральной функции., а выход - ко входууправления считыванием запоминающе го блока, ко входу управления первогои ко входу управления второго ключа,блок Формирования кода опорного числа, задающего порог срабатывания элемента сравнения, выход которого под ключается ко второму входу логического элемента арифметического сравнения, второй счетчик, второй делитель, вход делимого которого подклю -чен к выходу процессора ОБПФ, а входделителя - к выходу второго счетчика,блок управления, выходы которого подключены ко входам синхронизации иуправления блоков цифрового анализатора фазового кепстра.На чертеже представлена блок-схемацифрового анализатора фазового кепстра.Цифровой анализатор Фазового кепстра содержит блок 1 АЦП,блок 2 основного процессора БПФ, вычислитель 3квалрата модуля отсчетов спектральнойфункции, первый умножитель 4, первыйсчетчик 5, блок 6 вспомогательногопроцессора БПФ, второй умножитель 7,третий умножитель 8, сумматор 9, пер-.вый делитель 10, запоминающий блок 11,логический элемент 12 арифметическогосравнения, блок 13 формирования кодаопорного числа, первый ключ 14, второй ключ 15, блок 16 процессора ОБПФ,второй делитель 17, второй счетчик 18, 35 блок 19 управления.Вход АЦП является входом цифровогоанализатора. Выход второго делителяслужит выходом цифрового анализатора.В цифровом анализаторе для получе ния Фазового кепстра используется йеаргумент спектральной функции, а егопроизводная, которая вычисляется с помощью блоков 2 - 10. Блоки 11 - 15служат для ослабления влияния помех 45 в фазовом кепстре, возникающих засчет нулей в спектральной Функции,аблоки 16 - 18 осуществляют преобразование производной аргумента спектральной функции,в фазовый кепстр.Устройство работает следующимобразом.На вход блока 1 АЦП поступаетаналоговый сигнал Э(й),который с помощью АЦП преобразуется в цифронойсигнал )(пТ) в виде цифрового кодаотсчетов входного сигнала, взятыхчерез время Т. В дальнейшем полагаем для простоты Т=1. Сигнал Э(п) подается на общий вход блоков 2 и 4.С помощью блока 2 вычисляется дискретная спектральная Функция 5(К),которая представляется н виде цифровогокода вещественной В5(К) и мнимойм 5(К) части ДлЯ кажДого нсмеРаи последовательно поступает на вещественный Рн и мнимыйЭ выходы блока 2. Вычислитель 3 .вычисляет квад-, рат модуля для каждого комплексного отсчета спектральной функции (коэффициента фурье) согласно выражению(КИ =Й 5(К) + 3 5(К) Одновременно происходит вычисление вещественной и мнимой частей функции 0.(К) с помощью блоков 4-6. Блок 4 на своем выходе формирует код произведения и Э(п) для чего , на один из его входов подается код выборок сигнала Э(в), а на другой - код текущего номера отсчетов входного сигнала п,формируеьщй счетчиком 5 с помощью тактовых импульсов запуска АЦП, поступающих с одного из выходов блока 19 ( выход ц) . Блок 6 формирует на вещественном выходе код В е Я(К) , а на мнимом выходе - код 3 ш Я ( К ЦБлоки 7 и 8 умножения сумматора 9 и делителя 10 формируют код отсчетов производной аргумента спектральной функции 5(К) с обратным знаком в соответствии с выражением (8). При этом на выход блока 7 поступает код произведения Зш 0,(КЦ 3 5(Кц,а на выход блока 8 -, соответственно код произведения й ГО(К)3 е ГЬ(КИ Свыхода сумматора 9 код суммы указанных произведений поступает на входделимого блока 10. На вход делителяблока 10 подается код квадрата модуля отсчетов спектральной функции с выхода блока 3. Блок 10 первого делителя имеет вход управления делением, подключенный к выходу 2-го ключа 15, при поступлении на управляющий вход 2-го ключа импульсов запрета деления от элемента 12 прекращается прохождение импульсов запускана вход управления делением блока 10. Последний прекращает функционировать и на его выход код частотного, т.е. код отсчетов функции агу 5(К, не поступает. С выхода блока 10 код частного подается с одной стороны на вход запоминающего блока 11 для записи, а с другой через 1-й ключ 11 на вход 16 ОБПФ. Блок 11 запоминаеткод числа, поступающий с выхода .блока 10, до прихода кода следующего числа, т.е. на время, пока не прекратится поступление импульсов запрета деления на управляющий вход 2-го ключа 15. Блок 11 имеет также вход управления записью, куда подаются те же синхронизирукщие импульсы, что и на вход управления делением в блоке 10 с выхода 2-го ключа 15. При поступлении импульса запрета деления на управляющий вход 2-го ключа 15 этим же импульсом блок 11 переводится из режима "Запись" врежим "Считывание". При этом на выходблока 11 поступает код последнего числа, появившегося на выходе блока10 перед началом сигнала запрета деления. Этот код подается на вход блока 16 через 1-й ключ 14 вместо кодас выхода блока 10. Импульсы запрета5 деления (они же импульсы считываниядля блока 11 ) подаются на управляющий вход 1-ого ключа 14, обеспечиваяего переключение из состояния, когдасоединенными являются 1-ый вход и вы 10 ход при отключенном 2-ом входе, всостояние, когда соединяются 2-ойвход с выходом, а 1-й вход отключается. Они Формируются логическим элементом 12 сравнения, который выраба 15 тывает эти импульсы в случае, когдаквадрат модуля отсчетов .спектральнойФункции становится меньше задаваемого схемой 13 в виде кода поррговогозначения О 2,2 О Блок 16 формирует код отсчетов функции и. ф(п) при и = 1, 2 .,й/2 иф(0)=0, который поступает на вещественный выход блока 16 и далее на входделимого второго делителя 17. На25 выходе блока 17 формируется код отсчетов фазового кепстра ф(п) для чего на вход делителя этого блока поступает код текущего номера отсчетовфазового кепстра и с выхода 2-гоЗО счетчика 18, кроме и О, При этом следует иметь в виду, что всегда ф(0)= О.Блок 18 управляется тактовыми импульсами, поступающими на управляющий вход блока 18 с одного из выходовблока 19 (выход К).Использование новых элементов -блоков 3 - 19 выгодно отличает предлагаемый анализатор фазового кепстраот известного, так как позволяет ис 40 ключить необходимостыраэвертыванияаргумента спектральной функции, оценки и компенсации линейной компонентыв аргументе, и уменьшить тем саьымсоставляющие погрешности, обусловленные влиянием этих процедур, особенносущественные в том случае, когда спектральная Функция исследуемого сигналаимеет нули или сигнал обрабатываетсявместе с шумами как внешним, так и5 О внутренними из-за эффектов квантования. Кроме того, исключение укаэанныхпроцедур позволяет увеличить быстродействие аппаратуры анализатора, чторасширяет его возможности при работес быстроповторякщимися периодическими сигналами, например, в радиолокаци"онной и гидролокационной аппаратуре,в высотомерах для измерения толщиныземных покровов и т.д.формула изобретенияЦифровой анализатор фазового кепстра, содержащий аналого-цифровойпреобразователь, основной процессор быстрого преобразования фурье, подключенный своим входом к выходу аналого-цифрового преобразователя., а вещественным и мнимым выходами - к входам вычислителя квадрата моду ля отсчетов спектральной Функции,процессор обратного быстрого преобразования фурье, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения точности измерения относительного вре мени запаздывания импульсных сигна-лов произвольной, но одинаковой для всех сигналов формы, в него введены первый счетчик, первый умножитель;. один из выходов которого подключен к входу основного процессора быстрого преобраэования фурье, а второй вход - к выходу первого счетчика, вспомогательный процессор быстрого преобразования фурье, вход которого подключен к выходу первого умножителя, второй умножитель, один из входов которого подключен к мнимому выходу основного процессора бЫстрого преобразования фурье, а второй вход - к мнимому выходу вмпомогательного процессора быстрого преобразования Фурье, третий умножитель, один из входов которого подключен к вещественному выходу основного процессора быстрого преобразования фурье, а второй входк вещественному выходу вспомогательного процессора быстрого преобразования фурье, сумматор, один вход которого подключен к выходу второго умножителя, а второй вход - к выходу третьего умножителя, первый делитель, входом делимого подключенный к выходу сумматора, а входом делителя - к выходу вычислителя квадрата модуля отсчетов спектральной функции, запоминаю щий блок, входом записи подключенныйк выходу первого делителя, первыйключ, первый вход, которого также подключен к выходу первого делителя,второй вход - к выходу считываниязапоминающего блока, а выход -,к входу процессора обратного быстрогопреобразования фурье, второй ключ,выходом подключенный к входу управления делением первого делителя, атакже к входу управления записьюзапоминающего блока, логический элемент арифметического сравнения, первым входом подключенный к выходу вычислителя квадрата, модуля отсчетовспектральной функции, а выходом -к входу управления считыванием запо-минающего блока, к входу управленияпервого ключа и к входу управлениявторого ключа, блок Формирования кодаопорного числа, выход которого подключен к второму входу логическогоэлемента арифметического сравнениявторой счетчик, второй делитель,входом делимого подключенный к выходу процессора обратного быстрогопреобразования Фурье, а входом делителя - к выходу второго счетчика,блок управления, выходы которогоподключены к входам синхронизациии управления блока анализатора Фазового кепстра.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Чайлдерс Д. и др. Кепстр иего применение при обработке данных,Обзор ТИИЭР, т. 65, 1977, М 10,с.5 -10, 15-23.2. Чайлдерс Д. и др. Кепстр иего применение при обработке данных.Обзор ТИИЭР, т.65, 1977, М 10, с 810, рис. 1,960655 Составитель М.Катановаедактор Н.Пушненкова Техред М.Коштура ;Корректор Ю.Макаре филиал ППП фПатент, г. Ужгород, ул. Проектная Заказ 7255/.51 Тираж 717 ВНИИПИ Государственного коми по делам изобретений и от 113035, Москва, Ж, Раушск