Анализатор спектра сигналов

-л исти СС 9. с ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Житомирский филиал. Кневсполитехнического института имтия Великой Октябрьской социалческой революции(54) АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА СИГНАЛОВ(57) Изобретение относится к вычислительной технике и мо)кет быть использовано для определения спектральных характеристик детерминированныхи случайных сигналов. Цель изобретения - повышение быстродействия. Поставленная цель достигается за счеттого, что в состав устройства входятаналого-цифровой преобразователь 1,информационный вход 2, генератор 3тактовых импульсов, счетчики 4,5,геиератор 6 тактовых импульсов, счетчик 7, блоки 8,9 постоянной памяти,1399765 генератор 1 О псевдослучайных чисел,блок 11 постоянной памяти, переключатель режимов 12, умножители 13,14,накапливающие сумматоры-вычитатели 15,6, компараторы 17,18, информационный выхоц 19, выход 21 АЦП, выход 22ГТИ 3, счетный вход 23 счетчика 4,тактовый вход 24 генератора 10, выход 25 генератора 10, выходы 26, 27счетчика 4, вход 28 и выход 29 счетчика 5, вход 30 и выход 31 генератора 6, входы 32, 33 и выходы 34, 35,36 счетчика 7, вход 37 ПЗУ 9, вход 38и выход 40 ПЗУ 9, вход 41 и выход 42 Данное выражение показывает, чтослучайный фильтр при таком режимедискретизации будет выфильтровывать 30 из сигнала синусоиду с частотой и;без операций умножения многоразрядных чисел. Для каждой частотной оценки данным способом требуются двафильтра,(для синуеной и косинусной. составляющих спектра). Обработка сиг нала при данном способе производится Изобретение относится к измерительной технике и может быть испоЛьзовано для определения спектральныххарактеристик детерминированных ислучайных сигналов.Целью изобретения являетсяповышение быстродействия.Сущность способа заключается вследующем,Математическое ожидание частотнойхарактеристики случайного фильтра,работающего на интервале от 0 до Т,определяется выражением тк 4 цы) = е ее,где Р(ц) =е (с - 1 с-й-1 и кк=а момент дискретизации).При этом плотность вероятности распределения моментов дискретизации на интервале анализа равномерна и равна 1/Т.1 При неравномерной плотности вероятности математическое ожидание частотной характеристики случайного фильтра имеет вид т 1-1 ы и Еы)1) - -) е)е Йе,бгде С - константа, определяемая из условия нормировки",(е.)- некоторая заданная функция,пропорциональная плотности вероятности распределения мо ПЗУ 11, входы 43, 44, 45 и выходы46, 47 и 48 переключателя режимов 12,входы 49 и 50 умножителя 13, входы51, 52 умножителя 14, выход 53 умножителя 13, выход 54 умножителя 14,входы 5556 компаратора 17, входы57, 58 компаратора 8, выход 59 компаратора 17, выход 60 компаратора 18,входы 61 сумматоров-вычитателей 15,16, входы 62 и 63 сумматоров-вычитателей 15 и 16 соответственно, входы64, 65, 66 сумматоров-вычитателей15 и 16, выходы 67 и 68 анализатора,2 ил. ментов дискретизации на интервале от 0 до Т.Приведенное выражение показываетчто при обработке сигнала данным 5 фильтром. будет происходит взвешивание сигнала функцией с(й).В качестве д(с) выбирают требуемую временную весовую функцию. Коэф, Фициент С определяют из выражения 1 Ос -асср(е) ае,оРассмотрим случайный фильтр, работающий с прямоугольной фильтрующей 15 функцией у,(г)ящп(я 1 пю;г)е гдеЯ; - частота требуемой спектральнойоценки. Плотность вероятности момен.тов дискретизации будем менять по закону, пропорциональному функции.20 Математическое ожидание частотнойхарактеристики такого случайногофильтра определяется выражением.с прямоугольной временной весовой функцией.При другом способе обработки сигнал умножается на прямоугольную функцию у;(с) яцп (япи;с), а плотность вероятности моментов дискретизации изменяется пропорционально функции / (с) япи с/. Математическое ожидание частотной характеристики данного фильтра определяется выражениемт1. -1 ы 1М ГУ (1 У) ---- ) в спи се йс .2 е )1оСлучайный фильтр, работающий поданному алгоритму, будет выфильтровывать из сигнала синусоиду с частотойу; с заданной временной весовой функцией(с) без операций умножениядвоичных многоразрядчых чисел. Перестройку по частоте можно производить соответствующими изменениямифильтрующей функции и плотности вероятности моментов дискретизации. Приэтом стохастическая дискретизацияпозволяет обрабатывать сигналы практически с любой верхней граничнойчастотой,На фиг.1 представлена функциональная схема анализатора спектра сигналов; ча фиг.2 - временные диаграммы,поясняющие его работу. Анализатор спектра сигналов содержит аналого-цифровой преобразователь 1, информационный вход 2, генератор 3 тактовых импульсов, счетчики 4 и 5, генератор 6 тактовых импульсов, счетчик 7 меандра, блоки 8 и 9 постоянной памяти, генератор 10 псевдослучайных чисел, блок 11 постоянной памяти, переключатель 12 режимов, два умножителя 13 и 14, два накапливающих сумматора-вычитателя 15 и 16, два компаратора 17 и 18, информационный выход 19, тактовый вход 20 и выход 21 аналого-цифрового преобразова.теля 1, выход 22 генератора 3 тактовых импульсов, счетный вход 23 счетчика 4, тактовый вход 24 и выход 25 генератора 10 псевдослучайных чисел, информационный выход 26 и выход 27 переноса счетчика 4, счетный вход 28, и информационный выход 29 счетчика 5, вход 30 задания частоты и выход 31 генератора 6, счетный вход 32 и обнуляющий вход 33 счетчика 7 меандра, выход 34 формирователя меандра четной50 5 с Анализатор спектра сигналов работает следующим образом.Первый генератор 3 тактовьй импульсов вырабатывает последовательность тактовых импульсов с периодом Ьс которые поступают на тактовый входаналого-цифрового преобразователя 1, вход 23 счетчика 4 и вход 24 генератора 10 псевдослучайных чи 1 О 15 20 25 30 35 40 45 фильтрующей функции счетчика 7, выход 35 формирователя меандра нечетной фильтрующей функции счетчика 7, информационный выход 36 счетчика 7, адресный вход 37 блока 8 постоянной памяти, адресный вход 38 блока 9 постоянной памяти, выход 39 блока 8 постоянной памяти, выход 40 блока 9 постоянной памяти, адресный вход 41 и выход 42 блока 11 постоянной памяти, управляющий вход 43, информационные входь 44 и 45 и выходы 46-48 переключателя 12 режимов, входы 49 и 50 умножителя 13, входы 51 и 52 умножителя 14, выход 53 умножителя 13, выход 54 умножителя 14, входы 55 и 56 компаратора 17, входы 57 и 58 компаратора 18, выход 59 компаратора 17, выход 60 компаратора 18, информационные входы 61 накапливающих сумматоров-вычитателей 15 и 16, управляющий вход 62 накапливающего сумматора-вычитателя 15, вход 63 синхронизации накапливающего сумматора-вычитателя 16, обнуляющие.входы 64 накап.- ливающих сумматоров-вычитателей 15 и 16, управляющий вход 65 и вход 66 синхронизации накапливающего сумматора-вычитателя 16, выход 67 реальной составляющей спектра и выход 68 мнимой составляющей спектра.На фиг.2 .обозначены: 69 - пример временной весовой функции (р(с); 70 - пример изменения нечетной фильтрующей функции в 8 п(япи;с); 71 - пример изменения функции (яапа с 1; 72 - пример изменения синусоиды с частотой и,; 73 - пример результата наложения выфильтровываемой синусоиды эапц;С и временной весовой функции р(с);74 - пример изменения четной фильтрующей функции в 1 п(сову с); 75 пример изменения функции 1 совя;с;76 - пример изменения косинусоиды с час-отой у 77 - пример результата наложения выфильтровываемой косинусоиды сову;с и временной весовой функции у(с).10 15 20 25 30 35 40 45 сел. Счетчик 4 тактовых импульсов считает по модулю И, которым задается временной интервал для анализа на одной частоте (И ьс = Т,фиг,2). Появление сигнала переноса на выходе 27 счетчика 4 приводит к увеличению на единицу состояния счетчика 5 и обнуление по входам 64 содержимого наКапливающих сумматоров-вычитателей 5 и 16 и по входу 33 обнуления счетчика 7; Счетчик 5 считает по модулю 111 (где И - число анализируемых гармоник) .Поступающий с выхода 29 на вход 30 цифровой код управляет частотойгенератора 6 тактовых импульсов, Который формирует тактовые импульсы на входе 32 счетчика 7. На выходе 34 счетчика 7 формируется код четной ильтрующей функции пример 74,фиг.2) поступающий на управляющий вход 62 акапливающего сумматора-вычитателя 1,5, а на выходе 35 - код нечетной фильтрующей функции (пример 70, Фиг.2). С выхода 36 счетчика 7 посТу 1 ает периодическая последовательность адресов на адресные входы 37 И 38 блоков 8 и 9 постоянной памяти соответственно, Периодичность поступления адресов соответствует подупери". оду фильтрующей функции, а частота смены адресов задается частотой Г, генератора 6 тактовых импульсов, При этом с выхода 39 блока 8 постоянной памяти снимается цифровой код функфи 1 сьяд; с/ (пример 75,фиг,2), а с выхода 40 блока 9 постоянной памятл - цифровой код функции япа с Ьример 71,фиг 2) .Одновременно на вЫходе 42 блока 11 постоянной памятй Формируется цифровой код требуемой ФИльтрующей Функции (пример.69,фиг,2), который через переключатель режимов поступает на входы 49 и 51 умножителей 13 и 14. На вход 50 умножителя 1 3 погтупает цифровой код функции 1 сояц;с (пример 75, фиг.2). Результат умножителя 13 соответствует проиэведению 1(1:) сояц;с( и поступает на вкод 55 компаратора 17. На вход 56 компаратора 17 поступает последова" тельность псевдослучайных чисел с выхода 25 генератора 10 псевдослучай нМх чисел. Данная последовательность псевдослучайных чисел имеет равномернФе распределение. На выходе 59 компбратора 17 будет возникать сигнал синхронизации накапливающего сумматора-вычитателя 15 в том случае, если число на входе 55 будет больше числа на входе 56 компаратора 7. Таким образом, на выходе 59 компаратора 17 будут в случайные моменты времени возникать импульсы синхронизации. Их средняя интенсивность появления во времени будет изменяться пропорционально функции /(р(с)созе;С/, поступающей в цифровом виде на вход 55 компаратора 17.На вход 51 умножителя 14 также через переключатель 12 режимов поступает цифровой код временной весовой функции с), а на вход 52 - циф- ровои код функции /ядпи,с 1. Произведение этих кодов с выхода 54 умно- жителя 14 поступает на вход 57 компаратора 18. На вход 58 компаратора 18 поступает последовательность псевдослучайных чисел (с равномерным распределением) с выхода 25 генератора 1 О псевдослучайных чисел, Компаратор 8 работает аналогично компаратору 17 .с той разницей, что на его выходе 60 интенсивность появления моментов дискретизации, поступающих на. синхровход 66 накапливающего сумматора-вычитателя 16, будет пропорциональна функциид(С)ядпЯ;С(.На информационные входы 61 накапливающих сумматоров"вычитателей 15 и 16 поступают значения анализируемого сигнала в цифровом виде с выхода 21 аналого-циФрового преобразователя 1 . На управляющий вход 62 накапливающего сумматора-вычитателя 15 поступает код, соответствующий знаку четной фильтрующей функции, а на управляющий вход 65 накапливающего сумматора-вычитателя 16 подается код, соответствующий знаку нечетной.фильтрующей функции. Если знаки сигнала и фильтрующей функции совпадают вмомент прихода синхроимпульса на входнакапливающего сумматора-вычитателя,то значение сигнала суммируется ссодержимым соответствующего накапливающего сумматора-вычитателя 15 или 16, если знаки не совпадают, то значение сигнала вычитается из содержимого соответствующего накапливающегосумматора-вычитателя. Таким образом, по окончании интервала анализа Т в накапливающих сумматорах-вычжтателях 15 и 16 будут нахо-.диться величины, пропорциональныекосинусной и синусной спектральнойоценке на частоте М взвешенной временной весовой функцией(г.) .Умножения спектральных оценок на кон станту можно произвести во внешнем5 устройстве (не показано), которое примет информацию по окончании интервала Т (с приходом импульса переноса с выхода 27 счетчика 4). Одновременно производится обнуление 10 счетчика 7 и накапливающих сумматоров-вычитателей 15 и 16. При этом работа устройства продолжается, но анализ производится на следующей более высокой частоте за счет увели чения частоты Г следования тактовых 1импульсов генератора 6, Частота увеличивается иэ-за увеличения на единицу содержимого счетчика 5, управляющего частотой генератора 6. На 2 О фиг.2 показано, как при этом будут изменяться периоды Фильтрующих функций 70 и 74, периоды соответствующих синусоиды и косинусоиды 72 и 76, периоды следования управляющих кодов 25 71 и 75,а также результаты наложения временной весовой Функции с синусной 73 и косинусной 77 составляющими спектра. 30Формула изобретения Анализатор спектра сигналов, содержащий первый и второй накапливающие сумматоры-вычитатели, аналогоцифровой преобразователь, выход кото" рого подключен к информационному входу первого накапливающего сумматора-вычитателя, а информационный вход аналого-цифрового преорразовате О ля является информационным входом анализатора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены два генера тора тактовых импульсов, генератор 45 псевдослучайных чисел, тры счетчика, три блока постоянной памяти, два умножителя, два компаратора и переключатель режимов, первый выход которого подключен к первым входам первого и второго умножителей, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого и второго компараторов, выходы которых подключены к входам синхронизации соответственно первого и второго чакапливающих сумматоров-вычитателей, выходыкоторых являются выходами соответственно реальной и мнимой частей,спектра анализатора, выход первогогенератора тактовых импульсов подключен к тактовым входам аналогоцифрового преобразователя и генератора псевдослучайных чисел и счетному входу первого счетчика, выход переноса которого подключен к входамобнуления первого и второго накапливающих сумматоров-вычитателей, второго счетчика и счетному входу третьего счетчика, информационный выходкоторого подключен к входу заданиячастоты второго генератора тактовыхимпульсов, выход которого подключен,к счетному входу второго счетчика,первый информационный выход которогоподключен к адресным входам первогои второго блоков постоянной памяти,выходы которых подключены соответств енно к первому и второму информационным входам переключателя режимов,второй и третий выходы которогоподключены к вторым входам соответственно первого и второго умножителей, второй и третий информационные выходы второго счетчика подключены к управляющим вход"м соответственно первого и второго накапливающих сумматоров-вычитателей, информационный выход первого счетчика подключен к адресному входу третьегоблока постоянной памяти, выход которого подключен к управляющему входупереключателя режимов, выход генератора псевдослучайных чисел подключен к вторым входам первого и второго компараторов, а выход аналого-цифрового преобразователя подключен кинформационному входу второго накапливающего сумматора-вычитателя.3997 б 5 72 77 Составитель А.БарановРедактор А.Лепнина Техред А.Кравчук Корректор А. Тяско Тиразк 704 Заказ 26 5 Подписи роизводственно.-полиграфическое предприятие, г. Уагород, ул. Проект ВНИИПИ Государственно по делам изобретений13035, Москва, Ж, Ра омитета СССР открытийая наб,д. 4/