Анализатор дискретного спектра

3 О Л-И-"С - -А-"Ю" И Е ИЗОБРЕТЕ Н ИЯ Союз Советски кСоциалистическихРеспублик 1731391 К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(28) Приоритет -Опубликовано 30,04.80, Бюллетень М 16Дата опубликования описания 30.04.80 по делам нэобретеннй н открытийИзобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники, предназначенным для исследования случайных электрических сигналов, например в акустике. технической и медицинской диагностике и др.Современные научные и технические экспе 5 рименты, в которых информация об объекте получается при обработке электрических сиг- налов случайного характера, часто требуют сочетания широкого диапазона частот анализа -О ряда 100 - 500 ортогональных составляющих, точности работы аппаратуры, при ее конструктивной компактности и логической простоте структуры. 5Известен беэреэонансный анализатор спект. ра, содержащий последовательно соединенные преобразователь напряжение- частота, умножитель частоты, ключ и счетчик. На второй вход умножителя частоты от генератора подаются импульсы с синусным законом изменения их частоты, а счетчик и ключ управляются формирователем периода исследуемого сигнала 11. Недостаток такого анализатора - увеличение погрешностей вычислений спектра при расширении диапазона частот анализа, что определяется трудностями генерирования ряда импульсных последовательностей при соблюде. нии условия синусного закона изменения частот импульсов в каждой из этих последова. тельностей.еНеобходимость упрощения процедуры вычисления спектра и требований к блокам аппаратуры способствовали разработке анализа. торов аналого-цифрового типа, выполняющих математические операции в дискретных устройствах с активным (управляемым) и пас. сивным принципом действия, К такой аппаратуре относится многоканальный анализатор спектра, являющийся наиболее близким,к предлагаемому анализатору, содержащий квантователь, первый вход которого является входом анализатора, второй вход квантователя соединен с первым выходом блока управления, а выход соединен с первым входом бло. ка умножения, второй вход которого соединен со входом анализатора, а выход через73139 3блок стробирования подключен ко входу ком. мутатора, выходы которого соединены с соответствующими входами накопителя ординат корреляционной функции, выходы которого соединены с информационными входами соответствувицих ключей первой группы, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам первого регистра опросаЧ,Существенными недостатками указанного многоканального анализатора являются ограниченные значения нижних частот анализа (от единиц Гц и выше) из-эа использования многоканальных сумматоров, которые могут быть только аналогового типа, что приводит к существенным токам утечки прй-больших дли. тельностях реализаций сигнала; громоздкость аппаратуры при большом количестве вычисляемых ординат спектра, так как каждый масштабный блок содержит ряд из М-пассивных аппроксимирующих элементов (один ряд ап. проксимирует одну базисную функцию), вследствие чего общее количество аппроксимирующих элементов равно М = 2000 - 0000 штук, что уменьшает и экономическую эффективность аппаратуры; небольшой диапазон частоты анализа, так как при М30-50 начинают проявляться взаимные влияния сигналов в каналах, что уменьшает точность вычисления ординат спектра.Цель изобретения - расширение диапазона частот анализа исследуемых сигналов при миниатюризации аппаратуры вычисления спектра.,Поставленная цель достигается тем, что в анализатор дополнительно введены три регистра опроса, три группы ключей, делители напряжения, преобразователь напряжение код, пако. питель ординат спектра и формирователь импульсных последовательностей, соответствующие выходы которого соединены с управляющими входами регистров опроса и преобразователя напряжение.код с инвертором знака, информа. ционныи вход которого соединен с выходом делителей напряжения, входы которых соединены с выходами соответствующих ключей второй группы, входы которых объединены и подключены к объединенному выходу ключей пер. вой группы, управляющие входы ключей второй группы соединены с соответствующими выходами второго регистра опроса, управляющие входы ключей третьей и четвертой группы под. ключены к соответствующим выходам соответ. ственно третьего и четвертого регистра опроса, информационные входы ключей третьей группы объединены и подключены к выходу преобразователя напряжение-код с инвертором знака, а их выходы соединены с соответствующими входами накопителя ординат спектра, выходы которого соединены с информационными вхо 5 О 5 20 25 ЗО 35 40 45 Я 55 4дами соответствующих ключей четвертой группы, выходы которых объединены и являются выходом анализатора, а управляющий вход формирователя импульсных последовательностей подключен ко второму выходу блока управления.На фиг. 1 приведена блок. схема предлага. емого анализатора дискретного спектра; на фнг. 2 - временная диаграмма.Анализатор дискретного спектра содержит последовательно соединенные квантователь 1, блок 2 умножения, блок 3 стробнрования, первый распределительный коммутатор 4, Й- канальный накопитель 5 ординат корреляционной функции, коммутатор вывода с ключами б и регистром 7 опроса, второй распределительный коммутатор с регистром 8 опроса, ключами 9 и одним рядом делителей напряжения 10 о, 10 10,), выходной преобразователь 11 напряжение-код, третий распределительный коммутатор с регистром 12 опроса и ключами 13, накопитель 14 ординат спектра; коммутатор вывода с ключами 15 и регистром 16 опроса, при этом каждый ключ 9 второго распределительного коммутатора соединен с одним аппроксимирующим элементом 10 к, значение которого равно значению выборки базисной функции на четверти периода разложения сигнала, а управляющие входы ключей каждого коммутатора соединены с выходами соответствующих регистров 7, 8, 12 и 16 опроса, входы которых, и управляющий вход выход. ного преобразователя 11 с инвертором знака, подключены к соответствующим выходам фор. мнрователя 17 импульсных последовательностей, соединенного входом с выходом устройства управления 18.Анализатор дискретного спектра, осуществляющий измерение спектра через Фурье-преобразование корреляционной функции, работает следующим образом.Перед началом работы все устройства анализатора установлены в исходное состояние, ключи 6, 9 и 13 распределительных коммутаторов, и ключ 15 коммутатора вывода- - разомкнуты; при этом коэффициент передачи выходного преобразователя 11 с инвертором знака установлен равнымК = +1, Измерение спектра производится в два этапа.На первом этапе из входного исследуемого сигнала Хт) формируется корреляционная функция С;т, представленная Й-ординатами(а = О, 1, 2, й - 1). Для этого входной сигнал поступает через квантовательи блок2 умножения на блок стробирования. Период стробирования определяет дискретность (шагаргумента) корреляционной функции, а числотактов стробирования за олин цикл опрелеля.73139 где 6 5ет количество ординат корреляционной функции.Дискреты с амплитудами, пропорциональными произведениям текущего значения сигнала на задержанный, распределяются коммутатором 4 в соответствующие ячейки накопителя 5 корреляционной функции (фиг. 2 а).Таким образом, введение накопителя 5 в анализатор позволяет в явном виде иметь информацию о временных связях сигнала и су щественно упростить устройства, предназначенные непосредственно для измерений спектра.Второй этап обработки состоит непосредственно в измерении спектра, для чего осуществляется последовательность математических опе раций. составляющих дискретное преобразование Фурье. Использование второго распределительного коммутатора лишь с одним рядом делителей 10 к напряжения (например резисторов Р, значения которых пропорциональны значе ниям выборок базисной функции - см фиг. 2 е), позволяет в 5 - 10 раз расширить диапазон частот анализа благодаря изменяющейся от цикла к циклу кратности частот управляющих импульсов, подаваемых на регистр 9 опроса по отно. шению к частотам управляющих импульсов подаваемых на регистр 7 опроса.Используя свойство равенства выборок кратд ных частот базисных функций С,11 Ч = СН,1 при помощи одного ряда аппроксимирующих 30 элементов 12 формируется система из Н )100 - 200 базисных функций.Вычисление дискретного преобразования Фурье для 0 ординат спектра осуществляется за 0 циклов (ц = 1,20) при этом на з 5 регистр 7 опроса от формирователя 17 импульсных последовательностей подаются управляющие импульсы (импульсы опроса) постоянной частоты Е на регистр 8 опроса - с частотой, различной в каждом ц цикле и равной оЕ а на 40 регистр 12 опроса - с частотой -Е для рас 1И пределения выборок, через ключи 13, в определенные ячейки накопителя 14 ординат спект ра. 15Для и = 1 вычисляется первая ордината спектра, что достигается благодаря синхронному открыванию ключей 6 (от 1 до Й-го) и ключей 9 (от 1 до М-го и от М-го до 1-го, если Мй) с частотой Е,; через открытый ключ о 13 1-го канала соответствующего распределительного коммутатора выборки временной функции С, каждая из которых по амплитуде промодулирована соответствующим аппроксимируюпцтм элементом 1 О, поступают в 1-ую ячейку,. накопителя 14 ординат спектра (фиг. 2 б); при-чем выходной преобразователь 11 с инвертором знака производит инверсию знака выборок временной функции и преобразует форму этих 6выборок (например "амплитуда -ъ код" или"амплитуда .+ количество импульсов"), чтопозволяет анализировать инфранизкочастотныесигналы с частотными составляющими до сотыхдолей Гц с накоплением в компактных счетчиковых структурах.Для о = 2 вычисляется вторая ордината спектра - Я(1,), благодаря изменению лишь частоты управления регистром 8 опроса первого распределительного коммутатора (фиг. 2 в), т.е. выборки с О, 1, 2,(й - 1) каналов накопителя 5, через ключи 6, поступают на вхо. ды ключей 9, открываемых регистром 8 опроса в 2 раза чаще, вследствие чего эти выборки проходят через О, 2, 4 аппроксимирующие элементы 10 и далее через выходной преобразователь 11 с инвертором знака и второй из ключей 13 во 2-ую ячейку накопителя 14 ординат спектра.Для с 1 = 0 процедуры производятся аналогично предыдущим циклам, лишь с изменением частоты управляющих импульсов; большая кратность частот управления регистрами опроса 7 и 8 приводит к тому, что выборки временной функции проходят только через первый ключ 9 и нулевой делитель напряжения 10 о,что соответствует умножению функции С на базисную функцию (например, Со представленную на фиг. 2 е); результат накапливается в 0-ой ячейке накопителя 17.В итоге после 0-циклов преобразование Фурье в накопителе 14 накапливаются потен":алы, характеризующие действительную и мнимую компоненты дискретного спектра б:аргд, 2 яф (п дтпл значение проводимости аппроксимирующего элемента с номером,равныл произведению (ц х гп;импульсы опроса;значение частоты первой ординатыспектра;номер полупериода базисной функции, аппроксимируемой при вы-,числении каждой с 1-ой ординатыспектра (фиг. 2 е); В - масштабный множитель.Прн этом для вычисления мнимой комполнентыЯ (1) опрос ключей 9 производят в .Ообратном порядке по отношению к вычислен нию действительной компоненты Йе Б(т), т,е. начиная с номеров (М - 1), (М - 2),н т.д., что соответствует умножению временной фун. кции на а 1 п-функцию.(с ключами и лишь одним рядом аппроксимирующих элементов) и последовательно соединенных с ним выходного преобразователя11 с инвертором знака и третьего распредели.тельного коммутатора, благодаря управлениюрежимеми их работы при помощи дельта-им.пульсов кратных частот, подаваемых от фор. 10мироватвля импульсной последовательности, позволяют получить существенный совокупныйтехнико-экономический эффект,Формула изобретения Анализатор дискретного спектра, содержащий квантователь, первый вход которого является входом анализатора, второй вход кван тователя соединен с первым выходом блока управления, а выход соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого соединен со входом анализатора, а выход через блок стробирования подключен ко входу коммутаторе, выходы которого соединены с с о-.ветствующими входами наполнителя ордина.: корреляционной функции, выходы которого соединены с информационными входами соответствующих ключей первой группы, управля- З 0 ющие входы которых попключень. к соответствующим выходам первого регистра опроса, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения частотного диапазона, в анализатор, дополнительно введены три регистра опро сатри группы ключей, делители напряжения,преобразователь напряжение-коп,накопительординат спектра и формирователь импульсныхпоследовательностей, соответствующие входыкоторого соединены с управляют "нмн входамирегистров опроса и преобразователя напряжение.код, информационный вход кото.его соединенс выходом делителей напряжения, входы которых соединены с выходами соответствующихключей второй группы, входы которых объединены и подключены к объелиненному выходуключей первой группы, управляющие входыключей второй группы соединены с соответст.вующими выходами второго регистра опроса,управляющие входь 1 ила;-й третьей и четвертой группы подключенъ 1 к соответствующимвыходам соответственно третьего и четвертогорегистра опроса,информационные входы ключейтретьей группы объединена: н подключены к выходу преобразователя напряжение-коп, а нх выходы соепннены с соответствующими входаминакопителя ординат спектра, выходы которогосоединены с информационными входами соответствуюгцих ключей четвертой группы, выходыкоторых объепннень 1 : - -.лх:дтся выходом ана.лизатора, а управлянцций вход формирователяимпульсных последовательностей подключенко второму выходу блока управления. Источники информации,принятые во вннманнсп лри экспертизе 1. Авторское свидетельство ГССР Н 453645, кл. 6 01 В 23/16, 1973.2. Авторское свидетельство ГССР Иф 382111, кл, 6 06 6 7/52, 1971 (промип).