Анализатор спектра

- " нагъ,1 ки Т Е ЙЪ.АЪНи ЧЪО)(аЭзрал катечка)1 Ь .А Союз Советскик Социалистических Республик(51)М. Кл. С 01 й 23/16 Государственный комитет СССР по дедам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения Ю.И. Смирнов, Е.С, Потапов и В.В. Сюэев Иосковское ордена Ленина и ордена Трудового КрасногоЗнамени высшее техническое училище имени Н.Э. Баумана(5 4) АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для спектрального анализа непрерывно изменяющихся во времени си гн алов. 5Известен анализатор периодических сигналов, предназначенный для вычислени я спектральных коэффициентов периодических сигналов и содержащий источник сигнала, усилитель мощности, (О инвертор, фильтр низкой частоты, усилитель-ограничитель, интегратор, фильтр постоянной составляющей, детектор, дифференцируюшее устройство, генератор уолша и и каналов, состоя ыих иэ последовательно соединенных умножителя, интегратора и регистрирую. щего устройства 1 .Недостатками анализатора периодических сигналов являются низкое бы стродействие, ограниченные функциональные воэможности. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению 25 является анализатор с дискретным преобразованием, который содержит и усреднителейл блОк быстрОГО преобразования Уолша, коммутатор на (и) выход, и накопительных ячеек (ре" 30 гистров), генератор тактовых импульсов и блок управления, причем информационные входы всех усреднителейОбъединены и подключены к источникуаналогового анализируемого сигнала.Первый управляющий вход первого усреднителя подсоединен к первому выходу блока управления, Второй управляющий вход каждого усреднителя объединен с первым управляющим входомследующего усреднителя и подключенк соответствующему выходу коммутатора. Выход генератора тактовых импульсов подсоединен к входу коммутатора и к входу блока управления, второйвыход которого подключен к объединенным управляющим входам накопительных ячеек (аналоговых ячеек памяти) . Выходы и усреднителей подсоединены к соответствующим входам блока быстрого преобразования Уолша (ББПУ), и выходов которого подсоединены к входам соответствующих накопительных ячеек, выходы которых являются выходами устройства. Для работы с ЦВИ или в составе ЦВИ в качестве встроенного блока необходимо введение в его состав цифроаналогового преобразователя и и аналого-циФровых преобразователей (2),20 Одним из недостатком устройстваявляется низкая точность вычисленияспектральных коэффициентов, в связис тем, что усреднители интегрируютвходной сигнал на интервале времениТр/и без учета отрицательного знака, т.е.отрицательные полуволнывходного сигнала фсрезаются и неинтегрируются. Кроме того пониженная точность вычисления связана с необходимостью хранения величины сигнала Я (пропорционального интегралу входного сигнала) на интегралеТр/и в течение времени от Тр/п доТр- Тр/и в виде напряжения на интегрйрующей емкости усреднителя.Другим недостатком анализатора 15является ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем,что действительные значения спектральных коэффициентов могут бытьполучены только после окончанияинтервала времени, на котором производится анализ сигнала и анализаторне может быть использован для скользящегоф режима непрерывного вычисления спектральных коэффициентов непрерывно изменяющегося во времени сигнала,Цель изобретения - повышение точности определения спектральных коэфФициентов и расширение функциональныхвозможностей анализатора.Указанная цель достигается тем,что анализатор спектра, содержащийблок быстрого преобразования Уолша,усреднитель, блок определения коэффициентов, преобразователь, регистрысдвига и блок управления, выходы которого связаны с управляющими входами упомянутых блоков, а вход подключен к выходу генератора тактовых им. пульсов,дополнительно содержит блок 40выделения знака, выходами подключенный к двух входам усреднителя, третийи четвертый входы которого соединеныс выходом преобразователя, вторые входы которого соединены с входом анали-затора и одновременно со входамиблока выделения знака, а третий входк выходу блока выделения знака, причем выходы усреднителя подключенычерез первый регистр сдвига ко входам блока быстрого преобразованияУолша, выходы которого связаны через второй регистр сдвига со входами блока определения коэффициентов.На фиг, 1 представлена блок-схемаанализатора спектра; на Фиг, 2, 3, 554 и 5 - схемы блока выделения знака,преобразователя, усреднителя, схемасоединения одной пары сумматоров,входящих в состав первой ступениблока быстрого преобразования Уолша щ(БПУ), соответственно.В состав анализатора входятблок выделения знака 1, преобразователь 2, усреднитель 3, сдвигатель 4 емкостью (и) машинных слов, блок 5 быстрого преобразования Уолша, сдвигатель 6емкостью машинных слов, блок 7 первойступени БПУ, генератор 8 тактовыхимпульсов и блок 9 управления. Цифрами 10 и 11 обозначены соответственно цифровой и аналоговый входы анализатора, Цифрой 12 обозначен контрольный выход (сигналсбоя ) анализатора.В состав блока выделения знака (фиг.2) входят элементы НЕ 13 и 14, элементы И 15 и 16, элементы ИЛИ 17, 18 и 19, усилители-ограничители 20 и 21 и инвертор 22, Блок 1 предназначен для определения знака сигнала, заданного либо цифровым кодом, знаковые разряды которого подсоединяются к входам элементов НЕ, либо аналоговой величины, например, медленно изменяющимся напряжением, подаваемый на вход усилителя-ограничителя 20 и на вход инвертора 22. В результате анализа на выходе элемента ИЛИ 18 сигнал появляется в случае отрицательного сигнала и на выходе элемента ИЛИ 19 в случае положительного значения сигнала, На выходе элемента ИЛИ 17 появляется в случае, если на входы элементовНЕ 13 и 14 подается код 01 или код 10.Инвертированное значение анализируемого аналогового сигнала с выхода инвертора 22 подается на один иэ входов преобразователя 2,Блок-схема преобразователя 2(фнг.З) состоит из компараторов 23и 24, схемы 25 сравнения, датчикаслучайных чисел и сигналов 26 и элемента ИЛИ 27, Преобразователь 2 предназначен для преобразования входного сигнала в случайную последовательность импульсов (преобразование типасигнал-вероятность) . Датчик 26 может представлять собой, например, последовательно соединенные датчик случайных чисел и цифроаналоговыйпреобразователь. В этом случае выходтакже подключается и к входу схемы 25 сравнения, а выход цифроаналогоного преобразователя - к входам компараторов 23 и 24. Импульс на выходекомпаратора 23, компаратора 24 или схемы 25 сравнения появляется в том случае, если случайное число по величине меньше числа, поступившего на другой вход схемы 25 сравнения, или в том случае, если случайная аналоговая величина меньше значенияаналогового сигнала на другом входеодного из компараторов 23 или 24Блок-схема усреднителя 3 (фиг,4)состоит из элементов И 28 реверсивного счетчика 29, блока 30 считывания, счетчика 31 и элемента 32 задержки, Усреднитель предназначен для суммирования или вычитания (в зависимостиот знака усоедняемой функции) импульсов случайной последовательностис выхода преобразователя 2. Импульсыв реверсивном счетчике 29 суммируются732759 или вычитаются до момента переполнения счетчика 31, что соответствуетинтервалу времени Ь 1, При этом код,сформированный в реверсивном счетчике,пропорционален интегралу 3 от входного сигнала на интервале временидС. В момент переполнения счетчика31 на выход усреднителя выдается управляющий импульс, а спустя некотороевремя, определяемое элементом задержки32, осуществляется считывание кода диз реверсивного счетчика 29 через блок10считывания 30 с одновременным обнулением реверсивного счетчика 29,В схеме соединения одной пары сумматоров, входящих в состав блока 7первой ступени БПУ (фиг.5) 1-ый и3-ый входы подключаются к выходамсдвигателя 6 в соответствии с законом реализации первой итерации БНУ.В анализаторе спектра реализуетсяалгоритм расчета спектральных коэффициентов при разложении исследуемогосигнала по дискретным ортогональнымкусочно-постоянным функциям (Радемахера, Уолша, Хаара и т.п.), Любойспектральный коэффициент, например 25в базисе Уолша, может быть расчитанпо формуле: 1 фСЫ) -,1., (1) З 0 где С,50 55 и через элемент ИЛИ 18 подается навыход блока 1 для управления реверсивным счетчиком 29 (Фиг.4) с цельюсуммировани я импульсов, поступающихс выхода преобразователя 2. Если знаковые разряды представляют код 11,то сигнал появляется на выходе элемента И 16 и через элемент ИЛИ 19поступает на выход блока 1 для управ" 60 65 ления процессом вычитания импульсов,спектр Уолша от исследуемого сигнала х(С,Г)ХФ.система. Ортогональных Функций Уолша;текущее время;Г - переменная интегриьрования на интервалеортогональности(0,Т);п=2 =ТЙ С - число участков постоянства ФункцийУолша максимальнойчастоть 1 (1 п 1 2)- интервал дискретизации по времени.Так как И, = + 1 для функций Раде-: махера и Уолша, что (1) можно представить в виде: М ь 1 ьЮдс Ме Я 1 мьюдс Ва2 При расчете спектральных коэффициентов в предлагаемом устройстве реализуется алгоритм быстрого преобразования Уолша,Работа анализатора спектра происходит следующим образом.В каждый момент времени в сдвига-. теле 4 находится (п - 1) значений элементарных интервалов выражения (2) от 1 до 3 включительнс. Значение2каждого элементарного интегралами вычисляется с помощью усреднителя 3 на предыдущих этапах расчета спектральных коэффициентов.В момент времени , в который начинается расчет спектральных коэфФициентов С(1) для отрезка, исследуемой Функции х на интервале С, 1-Т, на и/2 входов блока 5 быстрого преобразователя Уолша поступают четные значения элементарных интегралов, включая только что сформированноеиз сдвигателя 4, т.е. четная полувыборка. Далее с помощью блока 5 вычисляются спектральные коэффициенты для этой четной полу- выборки (с использованием общеизвестного алгоритма быстрого преобразователя Уолша, которые помещаются в нечетные (условно нечетные) ячейки сдвигателя 6 от 1 до п-ой включительно (всего и/2 коэффициентов). В четных же ячейках сдвигателя б находя-ся значения спектральных козф Фициентов, вычисленных для четнойполувыборки элементарных интеграловна предыдущем шаге, т,е. для момента- времени (1 - а ), которая в момент времени 1 является нечетной полувыборкой. Тем самым исключается не обходимость расчета спектральныхкоэффициентов для нечетной полувыборки в каждый момент времени, Затем спомощью блока 7 первой ступени быстрого преобразователя определяютсявсе текущие спектральные коэффициентыанализируемого сигнала по спектральным коэфФициентам четной полувыборки и нечетной полувыборки (четной на предыдущем шаге) .В тот же момент времени ,когда начинается расчет спектральных коэффициентов, начинается также процесс Формирования очередного элементарного интеграла на интервале времени+ а 1, При этом одиовременно и непрерывно определяется знак анализируемой функции с помощью блока 1 и преобразование ее в случайную последовательность импульсов с помощью преобразователя 2.Выделение знака осуществляется следующим образом,Если анализируемый сигнал задается в цифровом виде, то его знаковые разряды (в модифицированном коде) поступают на входы элементов НЕ 13 и 14 и элемента И 16 (фиг.2) . Если это код 00 (знак плюс), то сигнал появляется на выходе элемента И 1560 поступающих с выхода преобразователя2. Если анализируемый сигнал является аналоговой величиной, например,медленно изменяющееся напряжениепостоянного тока, то он поступаетна вход усилителя-ограничителя 20,и на нход инвертора 22. Если сигналположительный, то поступив черезусилитель-ограничитель 20 на входэлемента ИЛИ 18 и с него на выходблока 1, интерпретируемый как знакплюс. Если сигнал отрицательный,то пройдя через инвертор 22, усилитель-ограничитель 21 и элемент ИЛИ19 он интерпретируется как управляющий сигнал. минус, Одновременно сэтим инвертированный сигнал с выхода инвертора 22 поступает на входодного из компараторов преобразователя 2,Преобразон атель 2 осуще ст нляетпреобразование сигналов следующимобразом.Если сигнал задается н цифровомвиде, то его значения беэ знаковыхрязрядов непрерывно подаются на входсхемы 25 сравнения (фиг.3), на другойвход которой с датчика 2 б также непрерывно поступают случайные равномерно распределенные числа. Импульсына выходе схемы сравнения 25 появляются всякий раэ, когда случайноечисло оказывается меньше числа, поступающего на другой вход схемы сравнения. Если сигнал задается в,аналоговом виде, то он поступает на входодного иэ компараторон, а на нходдругого компаратора поступает его инвертированное значение с блока 1. Надругие объединенные входы компараторон поступают случайные аналоговыесигналы с датчика 26, имеющие толькоположительные значения, Импульсы воз -никают на выходе того компаратора,на вход которого поступает положительный анализируемый сигнал (ибоотрицательный сигнал алгебраическивсегда меньше любого положительного),причем импульсы возникают только нслучае, когда случайный аналоговыйсигнал меньше анализируемого.Усреднитель 3 работает следующимобразом.Импульсы с выхода преобразователя2 через элемент И 28 (фиг.4) поступают на счетный вход реверсивногосчетчика 29, где они суммируются иливычитаются в зависимости от знакаанализируемой Функции. Тактовые импульсы высокой частоты, поступающиена управляющие входы преобразователя2 и усреднителя 3, синхронизируют работу этих блоков и одновременно под- .считываются счетчиком 31 усреднителя,емкость которого пропорциональнаинтервалу времени ь С (интервалу интегрирования), При переполнении счетчика 31, т . е. по прошествии времениМ, импульс переполнения поступаетна вход элемента 32 задержки и науправляющий вход сднигателя 4, вкотором при этом осуществляется сдвигинформации на одно машинное слово,с оснобождением ячейки Э Спустявремя определяемое злемеитом 32 задержкй, из реверсивного счетчика29 код через блок 30 считыванияпередается н сдвигатель 4 н ячейкуЭп. Одновременно с этим с помощью блока 9 управления осуществляется сдвигинформации н сдвигателе б на одномашинное слово с одновременным обнулением нечетных ячеек. При этомреверсинный счетчик 29 обнуляетсяи процесс формирования очередногоэлементарного интеграла начинаетсяснова. Остальные же узлы и блокиустройства начинают формированиеспектральных коэффициентов н соответстнии с алгоритмом, изложенным выше,Таким образом, понышение точностиопределения спектральных коэффициентов достигается за счет тоГо, чтоинтегрирование си гнала осуществляетсяс учетом его знака,Формула изобретенияАнализатор спектра, содержащий блок быстрого преобразования Уолша усреднитель, блок определения коэффициентов, преобразователь, регистры сдвига и блок управления, выходы которого связаны с управляющими входами упомянутых блоков, а вход подключен к выходу генератора тактовых импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности вычислений, он до пол нител ьно содержит блок выделения знака, выходами подключенный к двум входам усреднителя, третий и четвертый входы которого соединены с выходом преобразователя, вторые входы которого соединены со входом анализатора и одновременно со входами блока выделения знака, а третий вход - к выходу блока выделения знака, причем выходы усреднителя подключены через первый регистр сдвига ко входам блока быстрого преобразованйя Уолша, выходы которого связаны через второй регистр сдвига со входами блока определения козффициентон.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР М 40754, кл. С 01 В 23/00, 1974. 2. Зарубежная радиоэлектроника,1972, 9 5, с. 27, рис. 7,7 32759 Состав итель Н. Филли новаРедактор П, Макаревич Техред Н,Бабурка Корректор И.Мус каз 1550/ Филиал ППП Патентф, г, Ужгород, ул, Проектная,4 Тираж 1019 ЦНИИПИ Государственног по делам иэобретений 13035, Москва, Ж, РаушПо коми и от ская исное та СССР рытий аб., д, 4/5