Устройство для вычисления спектра сигналов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 6 Р 15/332 О РЕТЕН ское бюро 00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССР В 1363244, кл, 6 06 Е 15/332, 1987,Авторское свидетельство СССР М 1667102, 1989.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ СП ЕКТРА СИ ГНАЛ О В(57) Изобретение относится к вычислительной технике и, в частности, к устройствам спектрального анализа сигналов, представленных в цифровой форме. Целью изобретения является повышение быстродействия вычисления спектра сигналов. Цель достигается тем, что устройство содержит три переключателя 6, три фильтра 7 ЯО 1730638 А промежуточной частоты, коммутатор 8, два фазовых детектора 9, два фильтра 10 нижних частот, два аналого-цифровых преобразователя 11, блок 12 дискретного преобразования Фурье, блок 16 памяти, два ключа 15, 18, блок 17 постоянной памяти, умножитель 13, счетчик 19 адресов, три двоичных счетчика 1, 20, 21, формирователь 2 одиночных импульсов, элемент. НЕ 3, ключ 4, генератор 5 промежуточной частоты, сдвиговый регистр 14, синхронизатор 22. Сущность изобретения заключается в том, что повышается быстродействие вычисления спектра сигналов за счет повышения быстродействия вычисления "портрета" АЧХ устройства. Это достигается тем, что портрет АЧХ устройства в режиме работы с каждым из фильтров промежуточной частоты вычисляется за один период обработки, а не в результате многопериодной обработки,2 ил.Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам спектрального анализа сигналов, представленных в цифровой форме.Изобретение может быть использовано при проектировании и построении систем, осуществляющих вычисление спектра сигналов в связи, телеметрии и других областях техники.Цель изобретения - повышение быстродействия вычисления спектра сигналов.Сущность изобретения заключается в том, что повышается быстродействие вычисления спектра сигналов за счет повышения быстродействия вычисления портрета АЧХ устройства. Это достигается тем, что портрет АЧХ устройства в режиме работы с одним из фильтров ПЧ вычисляется за один период обработки, а не в результате многопериодной обработки (не менее 100 периодов) по результатам усреднения спектра шумового тестового сигнала. Предлагается использовать в качестве тестового сигнала короткий одиночный радиоимпульс такой длительности, чтобы основной лепесток его сплошного спектра видабыл гоз 1 п ххраздо шире полосы пропускания АЧХ фильтров устройства, чтобы собственная неравномерность средней "плоской" части основного лепестка спектра в пределах полосы пропускания АЧХ устройства была минимальной и допустимой, например не более 1;,На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для вычисления спектра сигналов; на фиг, 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу,Устройство (фиг. 1) содержит двоичный счетчик 1, формирователь 2 одиночных импульсов, элемент НЕ 3, ключ 4, генератор 5 промежуточной частоты, переключатели 6, фильтры 7 промежуточной частоты, коммутатор 8, фазовые детекторы 9, фильтры 10 нижних частот, аналого-цифровые преобразователи 11, блок 12 дискретного преобразования Фурье, умножитель 13, сдвиговый регистр 14, ключ 15, блок . 6 памяти. блок 17 постоянной памяти, ключ 18, счетчик 19. адресов, двоичный счетчик 20, двоичный счетчик 21, синхронизатор 22, первый 23, второй 24, третий 25 информационные входы устройства, вход 26 пуска, выход 27 синхронизатора, тактовые входы 28, 29 синхронизатора, выход 30 синхронизатора, выход 31 элемента НЕ 3, выходы 32-41 синхронизатора и выход 42.Тактовые входы С 1, С 2 синхронизатора 22 представлены на фиг. 2 временными диаграммами 28, 29 соответственно. Выходы С К 2-С К 12 синхронизатора 22представлены на фиг. 2 временными диаграммами 30, 32-41 соответственно, полученными прошивкой ПЗУ в5 синхронизаторе 22, Выход С К 1(диаграмма27) соответствует выходу задающей частотыР синхронизатора 22.Устройство работает следующим образом,10 С момента поступления сигнала "Пуск"на вход 26 устройство работает в соответствии с временной диаграммой фиг. 2, разделенной на три части двумя высокимивертикальными пунктирными линиями, а15 средняя и правая части разделены, в своюочередь, на три части двумя низкими вертикальными пунктирными линиями. Леваячасть фиг, 2 соответствует режиму запускаустройства, средняя и правая части - двум20 одинаковым рабочим циклам устройства,каждый из которых состоит из режима установки узлов устройства в исходное состояние (левая часть), режима записи состоянияформы АЧХ устройства (средняя часть) и25 режима корреляции (основной режим), состоящего из а р одинаковых периодов повторения (правая часть). Таким образом,.идея временной диаграммы работы устройства заключается в формировании режима30 запуска устройства и следующих за ниммножества одинаковых циклов работы, каждый из которых состоит из одного периодаповторения Т режима установки узлов устройства в исходное состояние, а периодов35 (в нашем случае а = 3) повторения Тп режима записи состояния формы АЧХ устройствадля каждого фильтра 7 промежуточной частоты и щ р периодов повторения Т режимакорреляции. Период повторения цикла Тч =40 1 + в (1 + р) Тп соответствует интервалувремени, через который проводится обновление информации о состоянии формыАЧХ устройства, Рдличина р 1 выбирается из условия малых еще допустимых изме 45 нений формы АЧХ, чтобы своевременнопроизвести коррекцию искажений спектральных отсчетов сигнала.Режим запуска устройства начинаетсяпри поступлении сигнала "Пуск" (диаграмма50 26, фиг, 2) на вход 26 устройства. Сигнал"Пуск" устанавливает в исходное состояниеи дает начало работы синхронизатору 22 идвоичным счетчикам 20 и 21, что соответствует нулевым уровням временных диаграмм55 27, 28 и единичному уровню диаграммы 29в этом режиме,В режиме установки узлов устройства висходное состояниесинхронизатор 22 начинает выдавать на узлы устройства импульсную последовательность задающейтактовой частоты Р (диаграмма 27), из которой, в частности, формируется с помощью второго двоичного счетчика 20 импульсная последовательность в виде меандра с периодом Т, являющимся основным интервалом чередования периодов обработки сигналов в узлах устройства, синхронизаторе 22, и в том числе третий двоичный счетчик 21 начинает выдавать импульсную последовательность (диаграмма 29) с периодом повторения цикла Т. Эта последовательность устанавливает выходы 30, 32 - 41 синхронизатора 22 в нулевые исходные состояния (диаграммы 30, 32 - 41), благодаря чему узлы устройства, подключенные к этим выходам синхронизатора 22, также устанавливаются в исходные состояния.Режим записи состояния формы АЧХ включает в себя а = 3 периодов Тп повторения, каждый из которых состоит из двух полупериодов, при этом в первых полупериодах осуществляется предварительная запись нулевой информации в блок 16 памяти, а в трех вторых полупериодах - запись состояния формы АЧХ устройства с использованием этой информации. В режиме предварительной записи участвуют второй ключ 15, блок 16 памяти, счетчик 19 адресов и синхронизатор 22. В блок 16 памяти записывается нулевая информация (диаграмма 38) закрытого второго ключа 15 при синхронном счете адресов (диаграмма 40) в счетчике 19 адресов и при выдаче из синхронизатора 22 на блок памяти команды записи ( диаграмма 41) по двухпроводной линии связи (диаграмма 41). В результате этого режима в первых трех полупериодах в блок 16 памяти записывается нулевая информация во все ячейки памяти, чтение которой осуществляется в трех вторых полупериодах.В трех периодах режима записи АЧХ работают, используются все узлы устройства, Работа начинается с формирования одиночного (одного) радиоимпульса промежуточной частоты за один период повторения Т заданной длительности. Первый двоичный счетчик 1, предварительно установленный нулевым уровнем (диаграмма 30) в исходное состояние, насчитывает из тактовой последовательности (диаграмма 27) последовательность с заданной длительностью импульсов, из которой после подачи на тактирующий вход формирователя 2 одиночных импульсов выделяется в нем первый из импульсов в каждом из трех первых полупериодов режима записи. установка формирователя 2 одиночных импульсов в исходное состояние осуществляется по входу установки в исходное состояние (диаг 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 рамма 29) и по входу управления (диаграмма 30). После инвертирования одиночных импульсов (диаграмма 31) в элементе НЕ 3 и открывания ими первого ключа 4 на его выходе из непрерывных колебаний генератора 5 промежуточной частоты формируются радиоимпульсы промежуточной частоты, имеющие сплошной спектр видази хсх шириной основного лепестка во много раз большей, чем полоса пропускания АЧХ устройства. Затем сигналы одиночных радио- импульсов промежуточной частоты проходят переключатели 6, фильтры 7 промежуточной частоты, проходят поочередно в соответствии с диаграммами 33 - 35 коммутатор 8, фазовые детекторы 9, фильтры 10 нижних частот, дискретизируются по времени и квантуются по уровню в аналого-цифровых преобразователях 11 и, представ в двоичном коде на интервалах времени, соответствующих диаграмме 36, подаются на входы блока 12 ДПФ, который за эти же интервалы времени (диаграмма 37, первые полупериоды обработки) проводит дискретное преобразование Фурье по алгоритму БПФ. Таким образом, на выходе блока 12 ДПФ (диаграмма 37, вторые полупериоды) будут получены три последовательности спектральных отсчетов, которые являются мгновенными спектрами тестовых радиоимпульсов промежуточной частоты, прошедших АЧХ устройства и в том числе прошедших поочередно АЧХ трех фильтров 7 промежуточной частоты.Конечной целью режима записи является запись информации об АЧХ из блока 12 ДПФ в блок 16 памяти. При этом используются следующие узлы устройства: умножитель 13, сдвиговый регистр 14, второй ключ 15, блок 16 памяти, блок 17 постоянной памяти, третий ключ 18, счетчик 19 адресов и синхронизатор 2. Сначала организуется режим чтения нулевой информации (диаграмма 41 К.) блока 16 памяти, которая в блоке 17 постоянной памяти преобразуется в единичную информацию по всем разрядам и которая, будучи подана через открытый ключ 18 (диаграмма 39) на второй вход умножителя 13, обеспечивает перемножение синхронно с информацией об АЧХ, поданнной на первый вход умножителя 13 с блока 12 ДПФ, Коэффициент передачи умножителя 13 в этом режиме максимальный. Затем выходная информация умножителя 13 задерживается в сдвиговом регистре 14 на половину периода Т тактовой последовательности 27 и подается черезоткрытыйключ 15 (диаграмма 38) для записи (диаграмма 41,.И.) в блок 16 памяти при перебореадресов счетчиком 19 адресов на интервалах времени, соответствующих диаграмме40 (вторые полупериоды). При этом каждаяячейка памяти блока 16 памяти работаетсначала в режиме чтения нулевой информации, а затем в режиме записи соответствующего спектрального отсчета от тестовогоодиночного радиоимпульса, несущего в себе информацию об АЧХ устройства. Возможность такого чередования режимов 10каждой ячейки памяти обеспечивается задержкой информации в регистре 14. Записанная в блок 16 памяти информация обАЧХ запоминается в нем для чтения в течение всего следующего режима работы устройства - режима коррекции. Такимобразом, информация о состоянии формыАЧХ получена за один период Тп повторенияработы устройства, что существенно повышает его быстродействие. 20В режиме коррекции работают все узлыустройства. На временной диаграмме (фиг.2) этот режим занимает а р периодов Тпповторения, причем периоды группируютсяв тройки (в нашем случае в =3), в каждой из 25которых обработка ведется поочередно сучастием сначала первого, второго, а затемтретьего фильтров 7 промежуточной частоты. Режим коррекции начинается с моментапоступления сигналов на информационные 30входы 23 - 25 устройства. После прохождения этих сигналов через переключатели 6(диаграмма 30) и поочередного прохождения сигналов фильтров 7 промежуточной частоты через коммутатор 8 (диаграммы 33, 3534, 35) обработка и преобразование сигналов в узлах 9-12 проводится аналогично обработке тестового радиоимпульса,описанной выше, Считанная из блока 12ДПФ информация проходит умножитель 13, 40перемножаясь с корректирующими множителями, поданными на второй вход умножителя 13 с выхода блока 17 постояннойпамяти через открытый третий ключ 18 (диаграмма 39). Корректирующие множители 45представаляют собой обратные величиныйот амплитудных значений К на каждом от-Ксчете по частоте АЧХ устройства. Корректирующие множители окончательноформируются в блоке 17 постоянной памяти, в ПЗУ которого зашиты обратные функ 1ции - от двоичного кода амплитудныхКзначений К, считываемых из блока 16 памяти (диаграмма 41,УЦ при переборе адресов 55на интервалах времени, соответствующихдиаграмме 40,Таким образом, вычисление спектрасигналов в рассматриваемом устройстве заключается в перемножении спектральных отсчетов полезного сигнала, промодулированного значениями отсчетов АЧХ, на корректирующие множители, промодулированные обратными величинами от значений отсчетов АЧХ, Благодаря перемножению нежелательные искажения спектра полезного сигнала формой АЧХ на выходе 42 устройства устраняются. Вычисления корректирующих множителей по сплошному спектру одиночного радиоимпульса проводятся за один период работы устройства, что существенно повышает его быстродействие,Формула изобретения Устройство для вычисления спектра сигналов, содержащее три переключателя, три фильтра промежуточной частоты, коммутатор, два фазовых детектора, два фильтра нижних частот, два аналого-цифровых преобразователя,блокдискретного преобразования Фурье, умножитель, два ключа, блок памяти, счетчик адресов, блок постоянной памяти, синхронизатор, три двоичных счетчика, причем первый, второй и третий информационные входы устройства подключены соответственно к первым информационным входам первого, второго и третьего переключателей, выходы которых подключены к входам соответственно первого, второго и третьего фильтров промежуточной частоты, выходы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему информационным входам коммутатора, выход которого подключен к входам первого и второго фазовых детекторов, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго фильтров нижних частот, выходы которых подключены к информационным входам соответственно первого и второго аналого-цифровых преобразователей, выходы которых подключены к входам соответственно реальной и мнимой составляющих блока дискретного преобразования Фурье, выход счетчика адресов подключен к адресному входу блока памяти, первый выход синхронизатора подключен к тактирующим входам аналогоцифровых и реобразователей, к тактирующему входу блока дискретного преобразования Фурье и счетному входу второго двоичного счетчика, выход которого подключен к счетному входу третьего двоичного счетчика и первому тактовому входу синхронизатора, второй тактовый вход которого подключен к выходу третьего двоичного счетчика, вход пуска устройства подключен к входу запуска синхронизатора и входам установки исходного состояния второго и третьего двоичных счетчиков, второй выход синхронизатора подключен к управляющим входам первого, второго и1730638 10 35 40 45 50 55 третьего переключателей, вторые информационные входы которых соединены между собой, третий, четвертый и пятый выходы синхронизатора подключены соответственно к первому, второму и третьему управля ющим входам коммутатора, шестой выход синхронизатора подключен к управляющим входам аналого-цифровых преобразователей, седьмой выход синхронизатора подключен к управляющему входу блока 10 дискретного преобразования Фурье, вось.мой выход синхронизатора подключен к входу управления записью-чтением блока памяти, выход умножителя является информационным выходом устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия вычисления спектра сигналов, в него введены формирователь одиночных импульсов, элемент НЕ, ключ, генератор промежуточной частоты и сдвиго вый регистр, причем выход первого двоичного счетчика подключен к тактирующему входу формирователя одиночных импульсов, выход которого через элемент НЕ подключен к управляющему входу первого 25 ключа, информационный вход которого под-, ключен к выходу генератора промежуточной частоты, а выход первого ключа подключен к второму информационному входу первого переключателя, выход блока 30 дискретного преобразования Фурье подключен к первому входу умножителя, выход которого подключен к информационному входу сдвигового регистра, выход которого подключен к информационному входу второго ключа, выход которого подключен к информационному входу блока памяти, выход которого подключен к адресному входу блока постоянной памяти, выход которого подключен к информационному входу третьего ключа, выход которого подключен к второму входу умножителя, первый выход синхронизатора подключен к счетному входу первого двоичного счетчика, к входу сдвига сдвигового регистра и счетному входу счетчика адресов, девятый выход синхронизатора подключен к входу установки исходного состояния первого. двоичного счетчика и входу запуска,.формирователя одиночных импульсов, вход установки исходного состояния которого подключен к выходу третьего двоичного счетчика, десятый выход синхронизатора подключен к управляющему входу второго ключа, одиннадцатый выход синхронизатора подключен к управляющему входу третьего ключа, двенадцатый выход синхронизатора подключен к входу установки исходного состояния счетчика адресов.1730638 иг Редактор А.Маковская рректор М.Максимиш Тираж Подписноедарственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 Заказ 1513 ВНИИП