Устройство для вычисления скользящего спектра

выли.ы,ь сов ь Ы ьС - т - -"-1 о -ьорвиц.ы 41 совам,ае впВ Ы,ьСсовЯы а --- ф -оЮЬ 3 впЛО дсовИЮ а 1 О 0 0т Изобретение относится к вычислительной технике, предназначено для вычисления скользящего спектра сигналов и может быть использовано в ана 5 лизаторах спектра, работающих в реальном масштабе времени при цифровой обработке сейсмических и других сигналов.Целью изобретения является повыше 10 ние точности (оценки спектральных сос. тавляющих сигнала) устройства.На чертеже изображена структурная схема устройства.Устройство содержит информацион ный вход 1, регистр 2, регистр 3, вычитатель 4, регистр 5, блок 6памяти, умножитель 7, блок 8 постоянной памяти, блок 9 синхронизации, информационный выход 10 устройства. 2 О регистр 11, сумматор 12, регистр 13, вход 14 задания режима устройства, элемент И 15, тактовый вход 16, выходы 17-23 блока 9 синхронизации, который содержит генератор 24 тактовых 25 импульсов, регистр 25,счетчик 27 тактов, счетчик 27 операЦий, дешифратор 28, элемент ИЛИ 29, узел 30 постоянной памяти, сумматор 31, элемент И 32. 30 Устройство работает следующим образом.Пусть на входе 1 устройства поступают отсчеты частотно-ограниченного периодического сигнала вида: переходная матрица размерности 2(И+1)х 2(К+1)в которой2 пы,=, дй, интервал дискрети.1 55 зации, С = Г К 1 К 2 эВ 2 н+1 ФО 3 2 И+2 - мерный вектор коэффициентов усиления, элементы которого предварительно рассчитываются,и 2 пс, и 28 у(Т) = д+ Е.(с сов --- + / зп --- ); Т Тпериод сигнала у(Т),номер наивысшей гармоники,представленной в у(Т);до, Р- коэффициенты Фурье, играющие ту же роль, что и действительная и мнимая части при комплексном представлении преобразования Фурье.Выражение для вычисления коэффициентов Фурье имеет вид: х(К+1) = Ф(К)+С у(К) -с х(К) 3 = ф(К)++С у (К) - ) (К) ,(К) = с х (К),где у(К) - к-й отсчет входного сигнала у,2 ТР 1(К) 2 2 цх(К)= (К) Т2(К) Т 2(К)М 27"н(К)1 н(К) до 01- 2 И+2 - мерный вектор- оценки спектральных составляющих, элементами которого являются коэффициенты Фурье а,(К)1 р.(К)д, д = (1,И), образующие мгновенный спектр сигналов для к-го шагадискретизации входного сигнала у;2 71х(К+1) =Ы 1 (К+1) - - р, 0+1) ,(К+1),-- (3 (К+1), д,(К+1)01- 2 И+2 - мери.ныи вектор оценки спектральных состав"ляющих на К-м шаге,С- Г 1010 103 - 2 (И+1) - мерный вектор измерения; т - индекс транспонирования,2 мтаты выполнения 1-и итерации, а именно элементы вектора состояний (х(К, в регистр 25 записан адрес считывания данного х,(К)Л х (К)=0000, из блока 6 памяти считывается опезп ылС сов ды аоз 14273864Базовая операция рекурсивного алго. в 000, в регистр 3 записан вход- ритма ДПФ определена как сумма про- ной отсчет у (К+1), в блоке 6 памяизведений блока матрицы Ф ти последовательно записаны ревульГ10на соответствующие элементы вектора х(К) - х;(К), х, (К) и величины рассогласования 1,у (К) - у(К) 3 на коэффициенты усиления я ,вектора С. Обозначим соз 1 О.,б = а;,1 ю, вп ,л = Й;.з 1 Й 14 о 1 (Ф,20Базовые операции рекурсивногоалгоритма ДПФ, кроме последней имеютвидх; (К+1) = =а.,х, (К)+Ь;х; (К)+д 1 у(К) -25,2 И, и = 1/2.Последняя базовая операция, опреде-З ляющая значения постоянной составляющей в сигнале, имеет видх , (К+1) = д (К)=1 х(1,)+О х ,(К) +(определение постоянной составляющей Й (К) приведено к виду, аналогичному базовой операции рекурсивного алгоритма ДПФ).Рассмотрим работу устройства при определении 2 И+1 коэффициентов Фурье (М - коэффициентов 1 И коэффициентови один коэффициент Й) при поступлении (К+1)-го входного отсчета, т.е. выполнение (К+1)-й итерации.55В исходном состоянии, которое принимаем за 1 такт работы устройства, счетчик 26 тактов находится в состоянии 000, счетчик 27 операций ранд х,(К) (на управляющем выходе 19 - код 1) и поступает на вход умножителя 7, на выходе управления 23 код О, в регистр 5 записан код разности Гу(К) - (К)1, из блока памяти 8 (весовых коэФФициентов) считывается коэффициент а из узла 30 постоянной памяти считывается код 01, в сумматоре 31 выполняется суммирование кода, записанного в регистре 25,-000 и кода, поступающего с выхода узла 30 постоянной памяти, на входе регистра 25 присутствует код 0001, который в последующем такте является адресом считывания А, х (К).Во втором такте состояние счетчика 26 тактов - 001, счетчика 27 операций - 0000, из узла 30 постоянной памяти на вход управления сумматором 31 поступает код 1, на два младших разряда сумматора 31 - код 10, в сумматоре 31 вычисляется адрес 000.,010010=1111=Ах(К), который является адресом записи по - следнего результата К-й итерации, в регистр 25 синхроимпульсом принимается адрес Ах,(К)=0001, на входе 19 - код 1, и из блока 6 памяти выполняется считывание х .(К), а, и х (К), принимаются синхроимпульсом в умножитель 7, в котором вычисляется произведение а, х (К) и поступает через сумматор 12 (на управляющем выходе 18-1) на вход регистра 13, в регистр 11 передним фронтом управляющего сигнала на выходе 18 выполняется прием х (К), сформирован 3..ного в предыдущем такте на входе регистра 11, из блока 8 по адресу 0001 считывается коэффициент Ь .В третьем такте состояние счетчика 26 тактов - 010, счетчика 2 операций - 0000, из узла 30 постоянной памяти на вход управления сумматором 31 поступает код О, на два младших разряда сумматора 31-01, в сумматоре 31 вычисляется адрес 11,.11 + 0001 = 0000, который является адресом считывания Ах,(К), в регистр 25 принимается адресА х 1(К) на выходе 19 0 и в блок 6 тором вычисляется произведение памяти записывается х +г(К) по ад- х,(К) д, и, пройдя через сумматор 12, ресу 1111, х (К), Ъ принимаются поступает на вход регистров 13. и 11, в умножитель 7, в котоРом вычисля- В из блока памяти 8 на вход умножитеются произведение х(К)Ь 1, в сумма- ля 7 поступает коэффициент а, торе 12 выполняется суммирование со- В этом такте в вычитателе 4 вычис держимого регистра 13 - а,х,(К) и ляетсяу(К+1)-х,(К+1) и в конце пярезультата умножения Ьх (К), на уп- того такта, положительным перепадом равляющем выходе 23-1, который раз управляющего сигнала на выходе 20 решает прохождение величины у(К)- этот результат записывается в ре(К) на вход умножителя 7, из бло- гистр 3 (на управляющем входе 21-1), ка 8 на вход умножителя 7 поступает В шестом такте состояние счетчикоэффициент ка 26 тактов - 101, счетчика 27 опеВ четвертом такте состояние счет раций - 0000, из узла 30 посто- чика 26 тактов - 011, счетчика 27 опе. янной памяти на вход управления сумраций - 0000, из узла 30 постоян- матора 31 поступает код О, на два ной памяти на вход управления сумма- младших разряда сумматора 31-10, в тором 31 поступает код О, на два сумматоре 31 вычисляется адрес 00; младших разряда сумматора 31-01, в 20 00+0010=1010, который является сумматоре 31 вычисляется адрес 00 адресом считывания А,х (К), в ре+0001.в .0001, который является гистр 25 принимается адрес Ах,(К+1) в в . адресом Ах (К), в регистр 25 при- = 0000, на выходе - 19-0, и в нимается адрес Ах,(К) = 00000, блок б памяти записывается содержина выходе 19-1, и из блока 6 памяти 2 б мое регистра 11 - х,(К+1), на выходе считывается данное х.(К), которое 23 - 1, и величина у(К) - ) (К)3 посту- поступает на вход умножителя 7, на пает на вход умножителя 7, операнды выходе управления 23-0, результат х (К) и а, принимаются в умножисуммирования в сумматоре 12 х,(К) х тель 7, произведение х,(К) Л, - в ре - х а,+ Ьх (К) записан в регистр 13, 30 гистр 13, в сумматоре 12 (управляющий у (К) - у(К) и д,принимаются в ум- выход 18 - О) вычисляется х,(К)с 1+ ножитель 7, в котором вычисляется + х (К)аг из блока 8 памяти поступапроизведение 8 у(К) - у(К), в сум- ет коэффициент маторе 12 вычисляется х,(К)а, + В седьмом такте состояние счетчи+ х (К)Ъ,фд, Гу(К) - фК)1 и поступа- Зб ка 26 тактов - 000, счетчика 27 опеет на вход регистров 13 и 11, иэ раций - 0001, из узла 30 постоянблока 8 памяти на вход умножителя 7 ной памяти считывается код 0 на уппоступает коэффициент Й на выходе равляющий вход сумматора 31, на млад-0. шие разряды - код 01 и работа анаВ пятом такте состояние счетчика 40 логична первому такту работы устрой тактов - 100, счетчика 27 опера- ства. В регистр 25 записывается адрес ций - 00;00, из узла 30 постоянной А, х (К), из блока 6 памяти считывапамяти на вход управления суммато- ется операнд х(К), в умножитель 7ра 31 поступает код 1, на два млад- принимаются 8 иу(К) - у(К), в ших разряда сумматора 31-01, в сум В сумматоре 12 вычисляется х,(К)д,+ маторе 31 вычисляется адресс 0001-+ х 1(К)а,+р у(К) - у(К) н поступа- -0001 = 00000, который является ет на входы регистров 11 и 13.в следующем такте адресом записи В восьмом такте работа устройства Ах(К+1), в регистр 25 принимается аналогична второму такту, В регистр 11 адрес А щх (К) = 0001, на выходе ВО принимается х(К+1), из блока 6 памя -19-1, и иэ блока 6 памяти считыва- :ти считывается х (К) по адресуется данное х (К), которое поступает А х (К) = 0000, в умножителена вход умножителя , на выходе уп- вычисляется произведение х(К) а и, равления 23-0, резулЬтат суммирова- пройдя через сумматор 12, поступает ния в сумматоре 12 х,(К)а+,х (К)Ь+ ВВ на входы регистров 13,11 из блока 8 + К 11 у(К) у(К)3 = х (1+1) записывает- считывается Ъ .ся в регистры 11 и 13 (на выходе В девятом такте работа устройства18-1), операнды х,(К), д 1 принимаются аналогична третьему такту. В блок 6 синхроимпульсом в умножитель 7, в ко- памяти записывается х 1(К+ 1) по адре 7 1427386су А х (К+1)=0001, в умножителе 7 вычисляется произведение х(К) Ь, на сумматоре 12 - х (К)Ь +х,(К)аиз регистра 5 операнд Г у(К) - у(К)3 поступает на вход умножителя 7, иэ блока 8 памяти считывается3Далее работа устройства аналогична.В течение выполнения итерации наинформационный входустройства поступает отсчет у(К+2) и, если на входе 14 присутствует "1", синхроимпулюсприема входного данного, поступающийпо входу 16, запишет (К+2) в регистр 2.После выполнения (И+)-й базовой операции сигнал переполненияс выхода счетчика 27 операций запишетв регистр 5 вычисленную разность 20у(К+)-у(К+1), а с помощью нулевогозначения на управляющем выходе 2 исинхросигнала на выходе 20, значениеу(К+2) запишется в регистр 3, и вычисление коэффициентов фурье на К+2 25шаге для скользящего спектра повторяется,Если требуется устранить ошибки,вызванные усечением или округлениемвычислений при получении элементов Зовектора Гх(К+1), необходимо выполнять повторное вычисление векторах(К+) согласно выражению (1), вкотором в качестве исходного вектора состояний х(К) взят вычисленныйвектор х(К+1), а значение входногоотсчета не изменяется.Таким образом, если на входе 14присутствует нулевой уровень, тозапрещается запись следующего входно Ого отсчета у(К+2) в регистр 2, в регистр 3 выполняется повторная записьу(К+1) из регистра 2, в регистр 5 записывается разность у(К+1)-(К+1)1и вычисления повторяются согласноуказанной работе устройства. В регист-ре 3 вычисляется разность (К+1)-(К+2),которая в следующей итерации участвует в коррекции вектора состоянийК+2.50Формула изобретения1. Устройство для вычисленияскользящего спектра, содержащее умно- житель, сумматор, вычитатель, первый регистр, блок памяти, блок синхронизации и блок постоянной памяти, выход которого подключен к первому информационному входу умножителя, выход которого подключен к первому информационному входу сумматора, выход которого подключен к информационному входу первого регистра, выход которогоявляется информационным выходом устройства и подключен к информационномувходу блока памяти, выход которогоподключен к второму информационномувходу умножителя, первый выход блокасинхронизации подключен к входу синхронизации умножителя, вход синхронизации сумматора соединен с входомсинхронизации первого регистра и подключен к второму выходу блока синхронизации, третий выход которого подключен к входу управления эаписьюСчитыванием блока памяти, адресныевходы которого подключены к выходампервой группы блока синхронизации,выходы второй группы которого подключены к адресным входам блока постоянной памяти, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью повышения точности вычислений, в него введены второй,третий, четвертый и пятый регистрыи элемент И, выход которого подключен к входу синхронизации второго регистра, выход которого подключен кпервому информационному входу третьего регистра, выход которого соединен с выходом четвертого регистра иподключен к первому входу вычитателя,выход которого подключен к второмуинформационному входу третьего регистра, выход первого регистра подключен к второму входу вычитателя,выход блока памяти подключен к информационному входу четвертого регистра,выход сумматора подключен к информационному входу пятого регистра, выход которого подключен к второму информационному входу сумматора, входсинхронизации пятого регистра подключен к первому выходу блока синхронизации, четвертый выход которого под.ключен к входу синхронизации третьегорегистра, вход разрешения приема которого подключен к пятому выходу блока синхронизации, шестой и седьмойвыходы которого подключены соответветственно к входу синхронизации ивходу разрешения приема четвертогорегистра, информационный вход второго регистра является информационнымвходом устройства, входом задания режима и тактовым входом которого явСоставитель А.БарановТехред М.Ходанич Корректор И.Муска Редактор О.Спесивых Тираж 704 Заказ 5979 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий1 13035, Москва, Ж, Раушская наб д, 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 9 14273ляются соответственно первый и второйвходы элемента И.1 2, Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок синхронизации содержит регистр, сумматор, элемент И, элемент ИЛИ, дешифратор, узел постоянной памяти, счетчик операций, счетчик тактов и генератор тактовых импульсов, выход которого является первым выходом блока и подключен к счетному входу счетчика тактов, информационный выход которого подключен к адресному входу узла постоянной па б мяти, первый и второй выходы которого являются соответственно вторым,и третьим выходами блока, четвертым выходом которого является выход элемента И, первый вход которого подклю О чен к третьему выходу узла постоянной памяти, четвертый выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ, выход которого является пятым выходом блока, выход переноса счетчика тактов 25 подключен к счетному входу счетчи 86 0ка операций, выход переноса которогоподключен к второму входу элемента Ии является шестым выходом блока,седьмым выходом которого являетсяпятый выход узла постоянной памяти,шестой выход которого подключен квходу синхронизации сумматора, выходкоторого подключен к информационному входу регистра, выходы разрядовкоторого являются выходами первойгруппы блока и подключены к входу первого слагаемого сумматора, входы первого и второго разрядов второго слагаемого подключены соответственно кседьмому и восьмому выходам узла постоянной памяти, входы старших разрядов, начиная с третьего, второго слагаемого сумматора соединены междусобой и подключены к входу логического нуля, информационные выходы разрядов счетчика операций являются выходами второй группы блока и подключены к вхолу дешифратора, выход которого подключен к второму входу элемента ИЛИ.