Устройство для вычисления дискретного преобразования фурье

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК О 9) (11) 1)5 О 06 Е 15/332 41 Р,ЙСАНЙЕ ЙЗОБРЕТЕИЙ ВТОРСКО ДЕТЕЛЬС Ьг ). (56) Цифровые фильтры и устройства обботки сигналов на интегральных микросмах. Справочное пособие/Под редакциеФ. Высоцкого. М.: Радио и связь, 1984103. рис, 4.3.Авторское свидетельство СССРМ 1501085, кл, 0 06 Г 15/332, 1989.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ ДСКРЕТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬ(57) Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники и может быть использовано в кий аппаратуре, осуществляющей спектральную обработку сигналов с дельта-модуляцией в реальном. масштабе времени. Цель изобретения - повышение быстродействия, ра- Устройство содержит модулятор 2, регистр хе сдвига, буферный регистр 4, блоки 5 и 6 й Б. постоянной памяти, сумматоры 7 и 8, муль, с. типлексоры 9 и 10, блоки ключей 11 и 12,блоки 13 и 14 памяти, генератор 15 тактовых импульсов и счетчики 16 - 18. Использование оригинального алгоритма вычисления ДПФ позволяет сократить количество арифметических операций сложения, что и при- Е водит к достижению указанной цели. 2 ил. Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники и может быть использовано в аппаратуре, осуществляющей спектральную обработку сигналов с дельта-модуляцией в реальном масштабе времени.Цель изобретения - повышение быстродействия,Нэ фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для вычисления дискретного преобразования Фурье (ДПФ); на фиг. 2 - временные зависимости основных сигналов,Устройство для вычисления ДПФ содержит информационный вход 1, модулятор 2 линейной дельта-модуляции, регистр 3 сдвига, буферный регистр 4, первый и второйблоки постоянной. памяти 5 и 6, первый и второй сумматоры 7 и 8, первый и второй ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР мультиплексоры 9 и 10, первый и второй блоки ключей 11 и 12, первый и второй блоки памяти 13 и 14, генератор 15 тактбвых импульсов, первый, второй и третий счетчики .16, 17 и 18, выход 19 реальной части результата, выход 20 мнимой части результата, вход 21 задания константы устройства,Информационный вход модулятора 2 является информационным входом 1 устройства, выход модулятора 2 соединен с информационным входом регистра 3 сдвига, выход которого соединен с информационным входом буферного регистра 4, Выходами 19 реальной и выходами 20 мнимой частей результата являются выходы со. ответственно первого 11 и второго 12 блока ключей. Выход генератора 15 тактовых импульсов подключен к входам управления записью считыванием первого 13 и второго 14блоков памяти, тактовому входу третьего счетчика 18, тактовому входу первого счетчика 16, информационный выход которого подключен к первым адресным входам первого 5 и второго 6 блоков постоянной памяти и адресным входам первого 13 и второго 14 блоков памяти, информационные входы которых подключены к выходам соответственно первого 9 и второго 10 мультиплексоров, Выход переноса первого счетчика 16 подключен к тактовому входу буферного регистра 4 и к тактовому входу второго счетчика 17, информационный выход которого подключен к вторым адресным входам первого 5 и второго 6 блоков постоянной памяти. Выход переноса второго счетчика 17 подключен к управляющим входам первого 11 и второго 12 блока ключей и управляющим входам первого 9 и второго 10 мультиплексоров, первые информационные входы которых подключены к входу 21 задания константы устройства. Выход переноса третьего счетчика 18 подключен к тактовому входу регистра 3 сдвига и входу синхронизации модулятора 2 линейной дельта-модуляции. Выход буферного регистра 4 подключен к третьим адресным входам первого 5 и второго 6 блоков постоянной памяти, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого 7 и второго 8 сумматоров, выходы которых подключены к информационным входам соответственно .первого 11 и второго 12 блока ключей и вторым информационным входам соответственно первого 9 и второго 10 мультиплексоров, выходы первого 13 и второго 14 блоков памяти подключены к вторым входам соответственно первого 7 и второго 8 сумматоров.На фиг. 2 показаны следующие сигналы: а - импульсы тактового генератора 15; б - импульсы на выходе переноса третьего счетчика 18; в - дельта-последовательность на выходе модулятора 2 линейной дельта- модуляции; г,д - импульсы на выходах переносов счетчиков 16 и 17 соответственно; е, ж - сигналы на выходах 19 и 20 соответственно действительной и мнимой частей ДПФ,Устройство для вычисления ДПФ работает следующим образом,Алгоритм работы устройства ДПФ массива отсчетов входного сигнала, полученного при частоте дискретизации Тд, равной частоте дискретизации входного сигнала с линейной дельта-модуляцией, записывается в следующем виде;% =1М где Ж= (М.Тд) - разрешение по частоте; М-Е ИТР/Тд) - число отсчетов; 6- интервал реализации,5 Примем Тд=1 и заменим отсчеты входного сигнала аппроксимациями, характеризующими сигнал в формате линейнойдельта-модуляции.ф10 Х =Х ех, е" (-1,ц.1=1Тогда ДПФ (1) записывается в следующем виде:Х М) =,р, , е 1 ехр ( - 1 - гп к), (2)в В Ь (х) 2 тг 15 к =11=1Мгде К, в,1=1 М. Для получения алгоритма функционирования предлагаемого устройства заменим 20 порядок суммирования в (2). Область изменения значений индексов суммирования на плоскости (К), как следует из (2), ограничена прямыми 1=1, К=М, 1=. Поэтому при изменении порядка суммирования индекс25 будет меняться от 1 до М, а индекс К отдоМ, На основании этого получимх д) =, еИ" ехр-т к), (3)к =1 к =130 Действительную и мнимую части(3) преобразуем следующим образом: де: е,.соб - тк= е, с;фгтрк( - )= я ) во п 7 к:еД 40 где С 1(ф 31) - суммы соответствующих величин,Разделив действительную и мнимую части ДПФ (4) и (5) на Р частей, получим следующие алгоритмы;45м1 +1)ЙеГ 4;)Ее "с, ; 6)Ог.О с= ф - +1РРф+1)Я+50 1 о,хцИ= , е,"Б,". с 7)=0 с= - 1 Приведенные алгоритмы реализуются вустройстве следующим способом. Входной 55 сгнал е ") кодируется одним битом в виде4 "=(е +1) /2- Ь "(0,1), Тогда для-фикси- рованного индекса гл значения действительной и мнимой частей ДПФ по (6) и (7) вычисляются при помощи р суммированийчастичных сумма - состояние фициент пере 5 декс ц=О, которы+1) -МС) Р (х) спи) яе г", ме С С=у - н гм )- Рг ) р)Хая ь) . м мых - шагами квантования ф" ),М 1 вв - с( +1, - (с)+1), с 1=0,Р - 1, которые затемМ М 10 Р Рдля заданного гп накапливаются в памяти,Значения элементов последовательности (гфтрк)лл = ,м,=Мй+ ,М(й+ ), о = О, р - 1 записаны в блоке 5 постоянной памяти, причем первые адресные входы блока 5 соответствуют индексу е, вторые входы - индексу ц, третьи входы блока 5М 20 постоянной памяти соответствует - поРследовательным значениям) шагов квантования входного сигнала (1 1 ). Запись в блок 5 производится подряд по группам значений тс 1, начиная с нулевой группы, для ко торой вц=1 и заканчивая группой, для которой пщ=МР, В каждой отдельной группе (при фиксированных значениях индексов й и ц значения д В 8(п)(ч считываются из блока(ч)М 30 5 постоянной памяти при помощи - знаРчений шагов квантования (Ь"), поступающих на третьи входы блока 5 памяти. Число входов блока 5 памяти равно г= 1 о 92 М++1 о 92 р+ - , а используемый обьем памятиМ 3 рС 1= 2= рМ 2 - ячеек,МРАналогично производится запись значений, элементов последовательности 4 (д ъ (щ)(ч) в блоке 6 постоянной памяти.Перед началом работы необходимо занести нулевые значения в блоки 13 и 14 памяти и установить счетчики 16, 17,.18 в начальное нулевое состояние (цепи сброса 4 на чертеже не показаны).Вычисление массива ДПФ Х( М ), в=1.МЩпроизводится раздельно для действительной и мнимой частей блоками 5, 7,9, 11, 13 5 и 6, 8, 10, 12, 14. Различия в функционировании указанных блоков отсутствуют, поэтому рассмотрим реализацию вычислений массива отсчетов действительной части ДПФ, которые производятся в режиме ре ального времени следующим образомТактовый генератор 15 генерирует непрерывную последовательность импульсов (см. фиг, 2,а) с частотой, кратнойчастоте дискретизации Тд входного сигнала в формате линейной дельта-модуляции, 1=-рТд . Импульсы (см, фиг. 2,а) поступают на счетчик 18 с коэффициентом пересчета р. Импульсы с выхода переноса счетчика 18 с частотой, равной частоте дискретизации Тд (см. фиг. 2,б) поступают на тактовые входы модулятора 2 линейной дельта-модуляции и регистра 3 сдвига. Модулятор 2 преобразует поступающий с информационного входа 1 входной аналоговый сигнал х(1 в дельте-кодовую последовательность (4 ), 1 0 (см, фиг. 2, в), которая по импульсам (см. фиг, 2,б) записывается и сдвигается в регистре 3 сдвига. Импульсы (см,фигг 2,а) с выхода тактового генератора 15 поступают также на счетчик 16, имеющий коэффициент пересчета М. Импульсы (см. фиг. 2,г) с выхода переноса счетчика 16 следуют с частотой 1 = Тд Р ММ- т,е, один импульс на - периодов часРтоты дискретизации входного сигнала Тд По этим импульсам последовательность из- шагов квантования входного сигнал ф , 1= с 1 - + 1, (ц + 1) - фиксируется(х) М МР Рв буферном регистре 4, гдесчетчика 17, имеющего, коэфсчета р (см. фиг. 2,д).Обозначим кодовое слово из после овательностизначений(Ь",1= о - + 1, (ц. + 1) - чера М МР Р рез(ЯР), к= 1/( - ), Значения сигналов пз, о иМРз поступают на первые, вторые и третьи адресные входы блока 5 постоянной памяти, в результате чего за интервал времени МТд с выхода блока 5 памяти считывается Р(Игрупп по М значений дй(п, каждое на протяжении интервала времени - .РСигнал с выхода генератора 15 тактовых импульсов (см. фиг. 2,а) является также управляющим для блока 13 памяти: при высоком уровне этого сигнала производится чтение из блока 13 записанного в нем значения сигнала, а при низком уровне - запись в блок 13. Поэтому, с учетом установки начальных значений в интервале времени (то, О) нулевое значение сигнала из 1-й ячейки блока 13 подается на вход сумматора 7, на другой вход которого поступает сигнал с выхода лока 5 постоянной памяти. В результате этого сумматор.7 выполняет операцию суммирования содержимого 1-й ячейки блока 13 со значением дй,п),в=1, причемМпервыйинтервал времени - Тд имеет инРй определяется значениемкода на разрядных выходах счетчика 17 (см, фиг, 2, д).Импульс переноса счетчика 17 появляется в ц=Р - 1-м интервале времени - Тд,М .Р поэтому иэ-за отсутствия в данном периодеМвремени - Тд сигнала (см. фиг. 2, д) с выхоРда переноса счетчика 17 (ц О) в интервале времени (то, 12) блок 11 ключей находится в закрытом состоянии, а мультиплексор 9 передает сигнал с выхода сумматора 7 на информационный вход блока. 15 памяти и в интервале времени (т 1, тг), производится запись значения сигнала из сумматора 7 в 1-ю ячейку блока 13 Аналогичные операции производятсядля интервалов времени (тг,щ и т. д., в результате чего в ячейках в=1,М блока 13 памяти записывается соответствующее значение сигнала)К в= Же(п), 1(= 1, Гп= 1, т.е, для 1= 1, -В следующем периоде временизначение кода на разрядных выходахРсчетчика 17 увеличивается на единицу (ц=1)и поэтому в интервалы времени (то, 12), (12, И)и т.д. указанного периода происходит накопление значений сигналов:В в= Вщ дйе(р), 1( 2, В=1,М,(ч)т.е. для= - +1,Р РВ результате такого накопления после(Р)-го периода времени (для ц=Р)ТМРв ячейках блока 13 памяти накоплено значение сигнала, равное сумме(Р - 1)-го слагаемых вида д ае(п)ф по (8).В Р-м периоде времени д на выхоРде переноса счетчика 17 появляется импульс(см. фиг.2, б)(ц=Р - 1), в результатечегооткрывается блок 11 ключей, а мультиплексор 9 переводится в положение, при котором информационный вход блока 13подключаются к входу 21 задания константы устройства, сигнал на котором равен нулю. Поэтому в интервалы времени(то,11), (т 2,тз) и т.д. выходной сигнал блока 13 суммуруется с последним, Р-м, слагаемым дае(м)согласно (6) и через открытый блок 11 ключей поступает на выход 19 (действительной)части результата вычислений, т.е, на выходе19 формируется в данном периоде временипоследовательность. элементов дейстРвительной части массива ДПФ (6) йе(Х(М Я,гп в=1,М. (сигнал, фиг. 2 е). В интервалы времени (ц, тг), (тз, И) и т.д., т.е. при низкоМуровне сигнала (см. фиг, 2, а), блок 13 переводится в режим записи, и в ячейки в=1,М5 записывается нулевое значение сигнала, врезультате чего устройство приводится в исходное состояние.Аналогично производится вычислениемассива отсчетов мнимой части ДПФ, Выда 10ча массива пХ (М ), а=1,М (сигнал, фиг. 2,ж) на выход 20 производится в Р-м интервале времени- - одновременно с формироР15 ванием массива действительной части ДПФП 1йе(Х( М ) на выходе 19, что обеспечиваетформирование значений массива мнимойчасти согласно (7).20 Таким образом, для вычисления в предлагаемом устройстве ДПФ входной последовательности; представленной в формателинейной дельта-модуляции, за счет использования одновременной обработки25 Мгруппы из - шагов квантования, используРется только М,Р арифметических операцийсуммирования, что позволяет увеличить частоту дискретизации входного сигнала в30 М- раз по сравнению с прототипом, где выРчисление ДПФ такого же размера требуетМ указанных операций,гБлок 5 постоянной памяти может быть35 реализован на основе постоянного запоминающего устройства, число адресных входов которого равно г= одгМ+одгР+ - , аМРразрядность представления значений40 дйе(а)ч определяется от требуемой точно(я)сти представления результата ДПФ (1. Например, при выборе М= 128, Р=32 имеемвыигрыш в быстродействии - = 4 при обьМЯ45 еме использтуемой памяти блока 5, равнойО 2 .2 .2 = 2, что реализуется на восьми7 5 4 6микросхемах типа КР 556 РТ 16,Таким образом, введение в известноеустройство регистров, в каждый вычисли 50 тельный блок - комбинационного сумматора, в блок управления - счетчика позволяетдостичь поставленной цели. Вычислениемассива действительной и мнимой частейДПФ входного сигнала с линейной дельта 55 модуляцией осуществляется при помощисущественно меньшего, чем в прототипе,числа арифметических операций сложенияРМ против М в прототипе, что позволяет2Мсоответственно в - раз.увеличить частотуРдискретизации Тд входного сигнала, а значит соответственно увеличить быстродействие предлагаемого устройства. Формула изобретения 5 Устройство для вычисления дискретного преобразования Фурье, содержащее два блока постоянной памяти, два блока памяти, два мультиплексора, два блока ключей, два счетчика, генератор тактовых импуль сов и модулятор линейной дельта-модуляции, информационный вход которого подключен к информационному входу устройства, выходами реальной и мнимой частей результата которого являются выходы 15 соответственно первого и второго блока ключей, выход генератора тактовых импульсов подключен к тактовому входу первого счетчика, информационный выход которого подключен к первым адресным входам пер вого и второго блоков постоянной памяти и адресным входам первого и второго блоков памяти, информационные входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго мультиплексоров, выход пе реноса первого счетчика подключен к тактовому входу второго счетчика, информационный выход которого подключен к.вторым адресным входам первого и второго блоков постоянной памяти, выход переноса 30 второго счетчика подключен к управляющим входам первого и второго блоков ключей с управляющим входом первого и второго мультиплексоров, первые информационные входы которых подключены к входу задания константы устройства, а выход генератора тактовых импульсов подключен к входам управления записью-считыванием первого и второго блоков памяти, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены два сумматора; регистр сдвига, буферный регистр и третий счетчик, выход переноса которого подключен к тактовому входу регистра сдвига и входу синхронизации модулятора линейной дельта-модуляции, выход которого подключен к информационному входу регистра сдвига, выход которого подключен к. информационному входу буферного регистра, выход которого подключен к третьим адресным входам первого и второго блоков постоянной памяти, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого и второго сумматоров, выходы которых подключены к информационным входам соответственно первого и второго блоков ключей и вторым информационным входам соответственно первого и второго мультиплексоров, выходы первого и второго блоков памяти подключены к вторым входам соответственно первого и второго сумматоров, выход генератора тактовых импульсов подключен к тактовому входу третьего счетчика, выход переноса первого счетчика подключен к тактовому входу буферного регистра,