Устройство для вычисления коэффициентов фурье

1096655 к информационным входам второго итретьего регистров, информационныевыходы которых подключены соответственно к первому и второму входамвторого сумматора-вычитателя, выходкоторого соединен с информационнымивходами четвертого и пятого регистров,информационные выходы которых подклюИзобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в радиотехнике, электросвязи и измерительной технике для определения коэффициентов преоб разования Фурье случайных сигналов в реальном масштабе времени.Известно устройство для последовательного выполнения быстрого преобразования Фурье (БПФ), содержащее одну или несколько последовательно соединенных арифметических групп,состоящих из сумматоров, умножителей и элементов задержки Я15 Недостатком устройства является низкое быстродействие, обусловленное необходимостью выполнения большого числа операций перемножения многоразрядных чисел. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для выполнения преобразования Фурье, содержащее генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с входом генератора псевдослучайных чисел, выход которого подключен к входу блока формирования стробимпульсов, выход которого соединен с управляющим входом блока заЗО дания входной информации, вход которого является входом устройства, блок памяти, две группы по П шифраторов, две группы по П сумматоров-вычитателей ( П - количество частот анализа), два регистра промежуточных коэффициентов и два вычислительных блока, входы и выходы которых являются выхоаамн.устройства, Отсчеты стохастически дискретиэированного сигнала умножа. ются на отсчеты прямоугольных перно О дических функций, а полученные оценки в базисе этих функций пересчитываются чены соответственно к первому и второму входам третьего сумматора-вычитателя, выход которого является выходом блока, а второй вход первого сумматора-вычитателя обьединен с информациойным входом первого регистра и является входом блока. в базис Фурье в вычислительных блоках 21 .Недостатком известного устройстваявляется низкое быстродействие, обусловленное необходимостью выполнениябольшого числа операций суммированиявычитания для определения промежуточных коэффициентов,Цель изобретения - повышение быстродействия.Поставленная цель достигаетсятем, что в устройство для вычислениякоэффициентов Фурье, содержащее генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с входом запуска генератора псевдослучайных чисел, выходкоторого подключен к входу блока формирования стробимпульсов, выход которого соединен с управляющим входоманалого-цифрового преобразователя,информационный вход которого являетсяинформационным входом устройства,блок памяти, первую и вторую группысумматоров-вычитателей, первую и вторую группы регистров промежуточныхкоэффициентов, первый и второй арифметические блоки, информационныевыходы которых являются соответственно первым и вторым информационнымивьгходами устройства, введены регистротсчетов, блок вычисления комбинаций отсчетов первая и вторая группы регистров комбинаций по п (щ = п,К),где К - количество коэффициентовФурье, обрабатываемых сумматором-вычитателем; и - количество анализируемых частот входного сигнала) в каждой, причем информационный выходаналого-циФрового преобразователясоединен с входом регистра отсчетововыход которого подключен к входу блока вычисления комбинаций отсчетов,выход которого подключен к информационным входам 1 -х (=1,щ) регистров комбинаций первой и второй групп, информационные выходы которых подключены к первым 0 ходам 1 -х сумматороввычитателей соответственно первой и второй групп, выходы которых соединены с информационными входами-х регистров промежуточных коэффициентов соответственно первой и второй групп,10 информационные выходы которых соединены с вторыми входами-х сумматоров-вычитателей соответственно первой и второй групп, информационными входами соответственно первого и второго арифметических блоков и являются соответственно третьим и четвертым информационными выходами устройства, Я-е 1=2-1)( . - . 1,тт 1) и (+ т) -е выходы блока памяти соединены с управляющими входами регистров комбинаций соответственно первой и второй групп, а (1т 1 -е и(1 3 гл) -е вы: ходы блока памяти подключены к управляющим входам 1 -х сумматоров-вычитателей соответственно первой и второй групп, при этом блок вычисления комбинаций отсчетов содержит первый, второй, третий, четвертый и пятый регистры, первый, второй и третий сумматоры-вычитатели, информацион. ный выход первого регистра соединен с первым входом первого сумматоравычитателя, выход которого подключен к информационным входам второго и третьего регистров, информационные35 выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам второго сумматора-вычитателя, выход которого соединен с информационными40 входами четвертого и пятого регистров, информационные выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам третьего сумматора-вычитателя, выход которого является выхо 45 дом блока, а второй вход первого сумматора-вычитателя объединен с информационным входом первого регистра и является входом блока.1Предлагаемое устройство обеспечивает более эффективный алгоритм вычисления промежуточных коэффициентов в базисе прямоугольных промежуточных функций, в отличие от алгоритма работы известного устройства, где каждый 55 отсчет входного сигнала обрабатывает" ся непосредственно в 2 л сумматорахвычитателях ( Й - количество частот анализа) для накопления промежуточных коэффициентов. Алгоритм предлагаемого устройства включает вычисление частных сумм/разностей (комбинаций) групп по несколько отсчетов входного сигнала в блоке вычисления комбинаций отсчетов с последующей обработкой в сумматорах-вычитателях одной из этих комбинаций каждой группы для каждого обрабатываемого коэффициента. Это позволяет в несколько раз сократить количество операций суммирования-вычитания при вычислении промежуточных коэффициентов и, следовательно, повысить быстродействие устройства.На Фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для вычисления коэффициентов Фурье, на фиг.2 - функциональная схема блока вычисления комбинаций отсчетов.Устройство (фиг. 1) содержит генератор 1 тактовых импульсов, генератор 2 псевдослучайных чисел, формирователь 3 стробимпульсов, аналого-цифровой преобразователь 4, информационный вход 5, регистр 6 отсчетов, блок 7 вычисления комбинаций отсчетов,регистров 8 комбинаций в каждой из двух идентичных групп 9, блок 10 памяти, п сумматоров-вычитателей 11 первой и второй групп 9, щ регистров 12 промежуточных коэффициентов первой и второй групп 9, арифметические блоки 13 первой и второй групп 9, информационные выходы 14 и 15.ьлок / вычисления комбинаций отсчетов (фиг.2) включает в себя вход 16, сумматор-вычитатель 17, регистр 18, регистры 19 и 20, сумматор-вычитатель 21, регистры 22 и 23, сумматор-вычитатель 24 и выход 25.Устройство работает в два этапа.На первом этапе в регистрах 12 накапливаются значения промежуточных коэффициентов в базисе прямоугольных периодических функций. Устройство позволяет на первом этапе работы определить значения промежуточных коэффициентов в базисе прямоугольных периодических функций, принимающих только значения + 1 и - 1. Вычисления промежуточных коэффициентов для четных прямоугольных периодических функ. ций производятся в блоках первой группы 9, для нечетных - в блоках второй группы 9. Обработка данных в блоках обеихгрупп 9 производится идентично.На втором этапе накопленные значения промежуточных коэффициентов с регистров 12 выводятся на арифметические блоки 13, где производится пересчет оценок промежуточных коэффи циентов в коэффициенты Фурье, Одновременно производится этап накопления новых значений промежуточных коэффициентов в регистрах 12.Исследуемый непрерывный сигнал поступает на аналоговый вход 5 устройства, который является ииформационным входом аналого-цифрового преобразователя 4, Последовательно соединенные генератор 1 тактовых импульсов, генератор 2 псевдослучайных чисел и формирователь 3 стробимпульсов формируют стробимпульсы, которые на временной оси образуют стационарный случайный поток с ограниченным после действием, Эти импульсы подаются на управляющий вход аналого-цифрового преобразователя 4 и с помощью этих импульсов производится стохастическая дискретизация входного сигнала, Кван. 5 тованные значения входного сигнала в моменты дискретизации с выхода аналого-цифрового преобразователя 4 записываются в регистр 6 отсчетов. В блоках 7, 8, 11 и 12 эти отсчеты об- О рабатывавтся группами по 2 ( 2=2,3, ). Количество циклов обработкиМравно - , где я - объем выборки, кратныиКаждыи из этих циклов со Я 5 держит вычисление 2частных сумм разностей (комбинаций) в блоке 7, а также 1 последовательных тактов накопления значений промежуточных коэффициентов в регистрах 12. С выхо да регистра 6 отсчетов группа из 8 квантованных отсчетов входного сигнала считывается на вход блока 7, который вычисляет 2 комбинаций этих значений по Формуле 45г( ) - целая часть выражения вскобках. Например, если 1=8, число вычисляемых комбинаций равно 2 =128 ил л л лСР х дахр,+ хлл л лСР =х 1 +х -х +Х2 1 6 7 РЯл лСР = хР ,+ хР -х -х и тд. з" ь Р 7 РВВычисленные комбинации с выхода блока 7 записываются в регистры 8 комбинаций. Для обработки каждого промежуточного коэффициента в одном цикле обработке 1 отсчетов необходима одна из этих комбинаций. В каждом такте накопления значений промежуточных коэффициентов каждого цикла обработки 2 отсчетов на выходах блока 10 памяти, подключенных к управляющим входам регистров 8 комбинаций, появляются адреса комбинаций, необходимых для обработки соответствующих промежуточных коэффициентов. Считываемые с регистров 8 комбинации поступают на первые входы соответствую. ших сумматоров-вычитателей 11. Одновременно с выходов соответствукицих регистров 12 промежуточных коэффициентов поступают накопленные в предыдущих циклах обработки значения (в первом цикле обработки Й отсчетов выборки - нули), и сумматоры-вычитатели 11 выполняют операции суммирования или вычитания в зависимости от кодов, поступающих на их управляющие входы с соответствующих выходов блока 10 памяти, Результаты вычислений записываются обратно в ячейки обрабатываемых в текущем такте коэффициентов в регистрах 12, Аналогичным образом для каждой группы поотсчетов последовательно обрабатываются все коэфФициенты в регистрах 12, число которых в каждом регистре равно К. После завершения обработки М отсчетов входного сигнала вычисл нные значения промежуточных коэффициентов становятся доступными для считывания на выходы регистров 12 и независимо от процесса их считывания производится этап накопления новых промежуточных коэффициентов в регистрах 12. Таким образом, после обработки 1 отсчетов сигнала на первом этапе работы устройства в регистрах 12 первой группы 9 накоплены промежуточные значения коэфФициентов а; для четных прямоугольных периодических Функций, а в регистрах 12 второй группы 9 - коэффициенты1Ъ, для нечетных прямоугольных перио- дических функций по формулам е (е 2 нЕ - Ер 1 1О а 1 а 1 с Р Р+1 или - 1 в зависимости от того, с каким знаком соответствующая комбинация суммируется при вы - числении коэффициентов э и 0 (В со ответствии с этим с выхода блока 1 О па - средняя35 частота дискретизации, то р р 1=ри 1 са, С, =,ЕХ(й ,ч 1где (, - К-й момент дискретизацииКвходного сигнала.Вычисление коэффициентов Фурье через промежуточные коэффициенты О и Ъ в блоках 13 производится по тем же принципам, что и в известном устройстве. Например, если выбрать прямоугольные периодические функции вида1, если сов(2,) ) 0с(- 1, Рс;.И С 05,2 111) 05) е сли 510(2 р ЬлУ55- 1, есл 1, 5 п (2 61 с 0 и во входном сигнале отсутствуют составляющие выше частоты пуф , значения коэффициентов Фурье д, и мяти поступает науправляющий входсумматора-вычитателя1 О) 1 1 код 0 или 1)С и С - комбинация из Р-й"Ргруппы отсчетов, необходимая для вычисления-го коэффициента д; или Ь1Если обозначить прямоугольные периодические функции, образующие базис 30 промежуточных коэффициентов 1 с(б 1,1) (четные) и 15 (Ь 111) (нечетные функ1 ф срции), где Ь 1=црсррассчитываются через промежуточные значения коэффициентов д и Ъ в1 1 базисе данных прямоугольных периодических функций 1 (,11 и 1;(11,11 в соответствии со следующими соотношениями: и1-. П (- )1(б) ь = ются на входы второго сумматора-вычитателя 21, который вычисляет частныел Лл лсуммы - разности (хр ,ХР (ХР,+ хр ),л л л л 12 Ъ4(хр +хр 1- (хр + хр х и т.д. частныесуммы-разности отсчетов Хр, х ,Х р и Х р записываются в регистр22, а частные суммы-разности х рлхрь, хр и Хс - в регистр 23. Свыходов регистров эти величинь считываются на входы третьего сумматоравычитателя 24,который вычисляет суммыразности восьми отсчетов и подает где 1 ) - целая часть выражения вскобках.Блок 7 вычисления комбинаций отсчетов (фиг.2) обрабатывает отсчеты входногс сигнала группами по 8. Первый сумматор-вычитатель 17 вычисляет частные суммы-разности пар отсчетов, второй сумматор-вычитатель 21 - частные суммы-разности четырех отсчетов, а третий сумматор-вычитатель 2- - суммы в разнос (комбинации) восьми отсчетов. На вход 16 блокавычисления комбинаций отсчетов поступают отсчеты входного сигнала. Каждый отсчет-й группы с нечетньи порядковым номером записывается в первый регистр 18. После поступления следующего отсчета (с счетным номером) в сукиаторе - вычитателе 17 вычисляется сумма и разность между отсчетом, записанным в регистр 18, и отсчетом, поступающим на вход блока ,На выходе суьиатора-вычитателя 17л образуются частные суммы-разности ХЛ 1 л л л лР 1 ХР 2,ХР,-ХР 21 ХР ХР 11 Хр -Хр И т.д. ЧаСтл ные суммы-разности пар Х х и Х л Р 2 хр записываются в регистр 19,а частныел л л сумьы-разности пар х р, Х ри Х РЗ 1 4т Хр - в регистр 20. С выходов ре 8гистров 19 и 20 эти величины считываорректор И.Эр дакт Тираж 699 Государственного ам изобретений и осква, ЖРау аказ 3827/3ВНИИП ПодписноР тета ткрытиикая наб., д.4 по д13035,Патент", г.ужгород, ул .Проектная, 4 лиал их на выход 25 блока 7 вычисления комбинаций отсчетов,Количество операций суммирования- вычитания для вычисления 2 н промежуточных коэффициентов следовательно равно КС=(2 ч ф С йрмт- )где С т - количество суммированийвычитаний при определении комбинаций отсчетов в блоке .Величина Сзависит от 2, а также от алгоритма вычисления комбинаций 1 отсчетов. В предлагаемом бло.)ке 7 вычисления комбинаций отсчетов н общее количество выполняемых операций суммирования-вычитания на первом этапе работы устройства- (2+152) (9) 58 В известном устройстве это количество равноС,=2 й, (10) 10следовательно, предлагаемое устройство позволяет при количестве анализируемых частот от 128 до 512 уменьшить количество операций суммирования-вычитания на первом этапе работы 15устройства в 5-7 раз, что повышает быстродействие устройства при одинаковой элементной базе,