Устройство для реализации быстрого преобразования фурье

(19) (11)3(51) 6 06 Р 15/332 ИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ(71) Специальное проектно-конструкторское и технологическое бюро покомплексным низковольтным устройствам зациты и системной автоматикидля энергетики(56) 1. Авторское свидетельство СССРР 615488, кл. С 06 Р 15/332, 1976(54)(57) УСТРОЙСТВО;ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИБЫСТРОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ поавт.св,Р 615488, о т л н ч а ю щ е - .е с я тем, что, с целью увеличениябыстродействия при обработке сигналовс переменной частотой среза, в неговведены счетчик, реверсивный счетчик,элемент НЕ, четыре элемента ИЛИ идва элемента И, причем выход переноса счетчика соединен с вычитающимвходом реверсивного счетчика, выходпервого разряда которого подключен к входу элемента НЕ, выход которого соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, выход которого соединен С первым входом второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов И, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым тактовыми входами устройства, выход второго разряда реверсивного счетчика подключен к второму входу первого элемента ИЛИ, выходы третьего и четвертого разрядов реверсивного счетчика соединены соответственно с первым и Вторым входами четвертого элемента ИЛИ, щ выход которого подключен к второму входу второго элемента ИЛИ, второй вход первого элемента И является так товым входом устройства, второй вход второго элемента И объединен с тактовым входом счетчика и является вторым. Я тактовым входом. устройства, а второй вход третьего элемента ИЛИ являетсявходом задания частоты среза устройства.Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для спектрального анализа электрических сигналов, представленных в цифровой форме, в реальном масштабе времени. Применение изобретения связано с 5 цифровой обработкой электрических сигналов с изменяющейся во времени частотой среза, к которым относятся такие сигналы, как, например, речевой сигнал в аппаратуре связи, сигна лы гидро-,звуко-и радиолокации, навигации и телеметрии.По основному авт.св. М б 15488 известно устройство для реализации быстрого преобразования фуРье, со держащее блок памяти, состоящий из И регистров сдвига, арифметический блок, блок памяти коэффициентов, первые и вторые элементы И и элементы ИЛИ,. причем параллельные входыН20 ( -- 1) -го и (М -1) -го регистров2сдвига соединены соответственно с первым и вторым выходами арифметического блока, а параллельные выходыИнулевого и - -го регистров сдвига2соединены соответственно с первым и вторым входами арифметического блока, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с выходами блока памяти коэффициентов, последовательный вход каждого регистра сдвига подключен к выходам соответствующего элемента ИЛИ, а выход - к первым входам первого и второго соот ветствующих элементов И, выходы первых элементов И каждого регистра сдвига, за исключением нулевого иБ- - -го регистров сдвига, соединены2 , 40 с первыми входами элементов ИЛИ пре- дыдущих регистров сдвига, выход вто- , "рого элемента И 1-го регистра сдвига соединен с вторым входом элемента ИЛИ З-го ренистра сдвига, где 3 - 45 двоичный код, полученный путем циклического сдвига на один разряд влево двоичного кода 1, вторые входы всех первых и вторых элементов И соединены соответственно с первым и вторым тактовыми входами устройства (.1.Недостатком известного устройства является ограниченное быстродействие, которое не повышается с понижением частоты среза сигнала, в результате чего отсутствует возможность работы 55 устройства с повыаенным быстродействием для реально существующих сигналовЦель изобретения в . повышение быстродействия устройства при обра ботке сигналов с переменной частотой среза.Поставленная цель достигается тем, что в устройство для реализации быстрого преобразования Фурье введены счетчик, реверсивный счетчик,элемент НЕ, четыре элемента ИЛИ идва элемента И, причем выход переносасчетчика соединен с вычитающим входомреверсивного счетчика, выход первогоразряда которого подключен к входуэлемента НЕ, выход которого соединенс первым входом первого элемента ИЛИ,выход которого соединен с первымвходом второго элемента ИЛИ, выходкоторого подключен к первому входутретьего элемента ИЛИ, выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов И, выходыкоторых соединены с первым и вторымтактовыми входами устройства, соответственно выход второго разрядареверсивного счетчика подключен квторому входу первого элемента ИЛИ, выходы третьего и четвертого разря- дов реверсивного счетчика соединенысоответственно с первым и вторым выходами четвертого элемента ИЛИ, выход которого подключен к второму входу второго элемента ИЛИ, второй вход первого элемента И является первым тактовым входом устройства, второй вход второго элемента И объединен с тактовым входом счетчика и является вторым тактовым вхсдом устройства, а второй вход третьего элемента ИЛИ является входом задания частоты среза устройства.На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - пример реализации блока вычисления предпоследней итерации и блока отключения.Устройство для реализации БПФ сигналов с переменной частотой среза содержит блок 1 памяти, состоящий из Ю регистров 2 сдвига, арифметический блок 3, блок 4 памяти коэффициентов, элементы И 5 первой группы, элементы И б второй группы, элементы ИЛИ 7, блок 8 отключения, блок 9 вычисления предпоследней итерации, первый 10 и второй 11 входы устройства и вход 12 задания частоты среза.Блок 8 отключения содержит элемент ИЛИ 13 и элементы И 14 и 15. Блок 9 вычисления предпоследней итерации содержит счетчик 16, реверсивный счетчик 17, элементы ЙЕ 18 и ИЛИ 19-21.Устройство рабОтает следующим образом.В арифметический блок 3 по первому и второму входам из нулевого и - -го регистров 2 сдвига поступают В2выборки сигнала,а по третьему и чет- вертому входам из блока 4 памяти коэффициентов поступают коэффициенты видасов (1 ЛМ/М, Мо (2 Ус/ и (К=6,-2 -1,следней (в)-Я итерации от всех четных и нечетных выборок сигнала. Поэтому с точки зрения равноценности получаемого спектра нет отличия между спектром фурье, получаемым на предпоследней (п)-й итерации БПФ при утвердительном значении сигнала половинной частоты среза, и спектром фурье, получаемом на последней (ш)-й итерации БПФ при отрицательном значении сигнала половинной частоты,среза. Отличие состоит в том, что спектр фурье, вычисленный на предпоследней (в-,1)-Я итерации, получается раньше во времени по отношению к спектру фурье, вычисленному 5 на последней (в)-й итерации.В устройстве для реализации БПФ сигналов с переменной частотой среза для определения предпоследней (в)-й итерации используется блок й вычисления предпоследней (в)-й итерации, который осуществляет подсчет групп тактовых импульсов ТИ 2, т,е. подсчет числа итераций. При подсчете итераций в блоке 9 вычисле ния предпоследней итерации, когда заканчивается выполнение предпоследней (ш)-й итерации, на его выходе появляется сигнал, который поступает на четвертый вход блока 8 отключения. В блоке 8 отключения происходит отключение подачи тактовых импульсов ТИ 1 и ТИ 2, в том случае, когда одновременно присутствует сигнал половинной частоты среза и сигнал на выходе блока 9 вычисления предпоследней (ш)-й итерации. В противном случае при отсутствии хотя бы одного из этих сигналов тактовые импульсы проходят без изменения. с первого 10 и второго 11 тактовых 4 О входоз блока 8 отключения ка его первый и второй выходы соответственно. Конец вычисления БПФ наступает 45 после окончания поступления тактовых импульсоз ТИ 1 и ТИ 2 либо после вычисления предпоследней (в)-й итерации з случае утвердительного значения сигнала половинной частоты 5 О срезалибо после вычисления последней (щ)-й итерации при отрицательном значении половинной частоты среза.Результаты спектра фурье, вычисленные по алгоритму ВПФ, в случае, когда; процесс вычиаления заканчивается йа предпоследней (а)-й итерации, рас полагаются в двоично-инверском порядке з верхней половине (О-( в -1-хИ 2 регистров сдвига, когда ае зыполня- зО ется и последняя (в)-я итерация, тогда результаты занимают полностью все регистры 2 сдвига к тоае располагаются в двоичио-инверсном порядке.65 В блоке й вычисления предпоследней (в)-и итерации выполняется деление тактовой последовательности импульсов ТИ 2 на п=16 (Р 1), подсчет числа итераций, оставшихся выполнить до конца вычисления БПФ , и выделение предпоследней итерации. Деление тактовой последовательности ТИ 2 на п=16 осуществляется счетчиком 16, в результате чего получается последовательность импеульсов выполненных итераций БПФ, которая подсчитывается реверсивным счетчиком 17, куда предварительно записано общее число всех итераций (в) БПФ. Вычитание числа поступающих импульсов выполненных итераций от их общего значения ,(в), вызолняемое в реверсивном счетчике 17, позволяет получить значение оставшихся выполнить итераций. Этот результат и отражается на выходе реверсивного счетчика.Элементы 18 - 21 фиксируют на счетчике 17 оставшуюся невыполненной последнюю (в)-ю итерацию, что свидетельствует об окончании вычисления предпоследней (в)-й итерации, т.е, когда значение в счетчике 17 равно единице, на выходе элемента ИЛИ 21 и, следовательно, на выходе блока 9 вычисления предпоследней (в)-й итерации появляется сигнал логического нуля, который соответствует окончанию вычисления предпоследней (в)-й итерации.В блоке 8 отключения с помощью элемента ИЛИ 13 выполняется объединение двух сигналов: с выхода блока 9 вычисления предпоследней (ю)-й итерации и с входа 12 задания частоты среза. Выход элемента ИЛИ 13 далее управляет отключением тактовых импульсов ТИ 1 и ТИ 2, подаваемых соответственно на первый 10 и второй 11 входы устройства через элементы И 14 и 15. Технико-экономическая эффектив- ность предлагаемого устройства заключается з повышении быстродействия при вычислении БПФ для сигналоз с переменной частотой среза за счет окончаная вычисления БПФ на предпоследней (в)-й итерации при поступлении сигнала половинной частоты " среза. Для сигналов, например, имеющих во времени равномерную плотность распределения частож среза, имеем, что за промежуток времени й сигнал половику времени (0,51) имеет частоту среза меньшую половины исходквй частоты среза, .поэтому вычисление БПФ з данные интервалы времени выполняется только до конца предпоследней (ш)-й итерации. Повьааение быстродействия при вычислении БПФ только до конца предпоследней (в)-й итерации заключается в невыполнении последней (щ) -й итерации и равноПовышение быстродействия устрой-. 5 ства для данного закона распределения частоты среза сигнала равняетсяу=а,5 % =- =- "гДДля примера восьмнточечного БПФ поведение быстродействия равняется У=0,166=16,6(У==д- = 0,166=16,6), для случая05051024 точек преобразования БПФ У=0,05=5 =5 (У= - д - = -д - = 0,05 = 5)05 05зп 10 Оценивая дополнительные аппаратурные затраты, следует, что для блока 9 вычисления предпоследней (в-й)-й итерации и для блока 8 отключения требуются всего две микросхемы К 155 ИЕ 7, одна микросхема К 155 ЛЛ 1, один элемент НЕ из микросхемы К 155 ЛН 1 и два элемента 2 И иэ микросхемы К 155 ЛИ 1Дополнительные аппаратурные затраты по сравнению с общим объемом оборудования, необходимым для вычисления БПФ, являются соверщенно незначительными, однако введение дополнительных узлов позволяет увеличить быстродействие предлагаемого устройства на 5 - 15