Цифровой анализатор

О П И С А Н И Е (ц 834585ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик(23) Приоритет Опубликовано 30,05. 81. Бюллетень 4 ЧЪ 20 по делам кзвбретевкк и аткрмтп(53) УДК 621,317,757(088 8) Дата опубликования описания 10,06.81/измерения времени запаздывания относительно друг друга близких по форме колебаний, образующих в суммеобрабатываемый составной сигнал,и может найти применение, например,в обзорных радиолокационных системах, в радиолокационной аппаратуре измерения толщины слоев в зем 1 Оных покровах, в гидроакустическойи сейсмологической аппаратуре.Известны цифровые анализаторы;содержащие процессоры быстрого преобразования Фурье (БПФ) и обратногобыстрого преобразования Фурье (ОБПФ),блок вычисления квадрата модуля спек"тральной функции, блок логарифмирования, генератор весовой функциии запоминающие устройства 11 1.20Однако точность анализа их не -достаточна.Цель изобретения - повьппение точности измерений,2Поставленная цель достигается эа счет того, что в цифровой анализатор, содержащий первый процессор быстрого преобразования Фурье, выходы которого соединены со входами блока вычисления квадрата модуля дискретной спектральной функции, блок логарифмирования, последовательно соединенные первый процессор обратного быстрого преобразования Фурьее лифтр длинных частот и второй процессор быстрого преобразования Фурье, генератор весовой функции, блок потенцирования, основное и вспомогательное запоминающие устройства и второй процессор обратного быетрого преобразования фурье, дополнительно введены два блока, ограничения снизу, блок сравнения, вычитатель, три умножителя, делитель, блок вычитания среднего и блок ограничения сверху, причем выход первого блока ограничения снизу включен между вы34585 4 10 25 д С помощью блока 3 эти отсчеты сравниваются с пороговым числом О и30 2йесли 5(Г)1 О, то проходят навыход. блока 3 без изменения, а если 5(Г)ДО , то заменяются на О.Блоком 4 выполняется логарифмирование и на его выход поступаютлибо ртсчеты 21 п 15(Г); либо 21 пОи зависимости от соотношениямежду ) 5(Г)1 и О. Так как Функция5(Г) является вещественной и четной, то логарифмировать необходимо не все М значений )5(Г)1., а только для Г=О, 1, 2 И/2. Отсчеты с выхода блока 4 поступают на вход т- записи запоминающего устройства 5,45 являющегося оперативньв запомина"ющим устройством с объемом памяти(й/2+1) отсчетов (машинных слов),50 55 3 8 ходом блока вычисления квадрата модуля дискретной спектральной функции и входом блока логарифмирования, выход которого соединен с одним входом вычитателя через вспомогательное запоминающее устройство, а с его другим входом - через основное запоминающее устройство, первый умножитель включен между выходом вычитателя и входом первого процессора обратного быстрого преобразования Фурье, выход второго процессора быстрого преобразования Фурье подключен к последователь.но соединенным делителюрблоку ограничения сверху, блоку потенцирования, блоку вычитания среднего, второму умножителю, второму процессору обратного быстрого преобразования Фурье, третьему умножителю и к второму блоку ограничения снизу, управляющие входы обоих запоминающих устройств подключены к выходу блока сравнения, вход которого соединен со вторым входом блока вычитания среднего и со входом генератора весовой функции, выходы которого соединены со вторыми входами первых двух умножителей и делителя, а второй вхо третьего умножителя подключен к выхо ду лифтра длинных частот.На чертеже представлена структурная схема цифрового анализатора.Устройство содержит процессор 1 быстрого преобразования Фурье, блок 2 вычисления квадрата модуля дискретной.спектральной функции (т,е. квадрата модуля ДПФ сигнала), первый блок 3 ограничения снизу, блок 4 логарифмирования, основное запоминающее устройство (ЗУ) 5, вспомогательное ЗУ 6, блок 7 сравнения,вычитатель 1 8, первый умножитель 9, первый процессор 10 обратного быс рого преобразования Фурье, блок 11 лифтра длинных частот, второй процессор 12 быстрого преобразования фурье, делитель 13, генератор 14 весовой фуйкции, блок 15 ограничения сверху, блок 16 потенцирования,блок 17 вычитания среднего, второй умножитель 18, второй процессор 19 обратного быстрого преобразованияФурье, третий умножитель 20, второйблок 21 ограничения снизу. Анализатор имеет три выхода. Выход 22блока 11 лифтра длинных частот - этовыход кепстра мощности после лифтрации, выход 23 второго процессора,ОБПФ - это выход обращенного кепстоа мощности и выход 24 второго блока21 ограничения снизу - этот выходограниченного сризу произведения отсчетов, поступающих на выходы 22 и 23.Анализатор работает следующимобразом. На вход процессора 1 поступает цифровой сигнал 5(1), 1=0, 1, 2Н,в виде цифрового кода отсчетов сигнала, взятых через постоянный интервал времени, соответствующий периоду квантования. Процессор 1 вычисляет дискретную спектральную функцию 5(Г), которая представляется в виде днврового кода вещественной де 5 (р)1 и мнимой Ь 5(Г) частей каждого из ее отсчетов. Эти коды поступают соответственно на вещественный (Ве) и .мнимый (10 выходы процессора 1, Блок 2 вычисляет квадрат модуля для каждого комплексного отсчета дискретной спектральной функции согласно выраже- ния Б(у) щйе й(р)+1 щ й(у)1 и запоминаются им последовательнопо мере поступления. Запоминающееустройство 5 может работать в двухрежимах - режиме записи пока ОИ(ГО и в режиме считывания, начиная с момента, когда Г Г и далее до оконочания считывания всех записанных отсчетов. Управление запоминающим устройством 5 с целью переключения, его режима работы осуществляется по входу "ЗАПИСЬ-СЧИТЫВАНИЕ", подключенному к выходу блока 7 сравне5 8345 ния. Блок 7 вырабатывает на своем выходе сигнал управления, если Г)Для этого на один его вход подается код текущего номера Г, а на другой - код порогового номераКроме основного запоминающего уст ,ройства 5 к выходу блока 4 подключено вспомогательное запоминающее устройство 6, объем памяти которого в отличие от запоминающего устройства 5. рассчитан на запоминание кода только одного отсчета (на одно слово). В запоминающем устройстве 6 записывается отсчет с,номером Гд (когда 1=1 о и с выхода блока 7 на управляющий вход "ЗАПИСЬ-СЧИТЫВАНИЕ" вспомогательного запоминающего устройства 6 начинает поступать сигнал управления), который далее считывается с выхода вспомогательного запоминающего устройства 6 и поступает в качестве вычитаемого на вход вычитателя 8. В качестве уменьшаемого на другой вход вычнтателя 8 подаются отсчеты, считываемые из памяти бло ка 5 в том же порядке, как ипроизводилась их запись от Г=О до =.Г в ,1. В результате на выходе вычитателя 8 получается разность между каждым выходным отсчетом блока 4, за- З 0 писанным в память запоминающего устройства 5 и затем считанным оттуда, и отсчетом на выходе блока 4 для 1=1 . С выхода вычитателя 8 разностные отсчеты для всех Г=О, 1, 2 Гумножаются на отсчеты весовой функции, которые, например, для окна Ханна вычисляются по следующей формуле,Ч.1 (Г)=0,5+0,5 соз(у 1), (1)а для окна Хэмминга соответственно И (Г)=0,54 + 0,46 соз(1) (2) 45Умножение на весовую функцию осуществляется умножителем 9. Отсчеты весовой функции формируются генератором 14 весовой функции по жесткой программе при заданном значении Гр,50 код которого подается на вход генератора. Снимается код отсчетов весовой функции с первого выхода генератора 14 и подается на один из входов умножителя 9. Взвешенные отсчеты с выхода первого умножителя 9 подаются на вход первого процессора 1 О, на входе которого из,этих отсчетов, поделенных на Й, форми" 85 6руется одномерный массив размером вЙ элементовПри этом нормализован-, ные (деленные на Й) отсчеты симметрично записываются в первые (Гр) эле" менти с номерами от 2 до Г, и в последние (Гр) элементы с номерами от Й до Й-Г, +2 соответственно, в остальные элементы записываются нулевые значения. В первый элемент этого массивазаписывается нормализованный отсчет, соответствующий т=О.Йормализация соответствует математической записи обратного ДПФ и в принципе может быть введена не при обратном а при прямом ДПФ. В случае кепстрального анализа ее требуется вводить при ОДПФ (ОБПФ) с целью приведения пиков на выходе первого процессора 10, а также и на выходе второго процессора 19 к относительной амплитуде (всегда меньше 1) элементарных колебаний в составном сигнале.На вещественном выходе первого процессора 10 формируются отсчеты сглаженного окном кепстра мощности, Далее кепстр лифтруется лифтром 11 длинных частот. Самый простой способ такой лифтрации - замена нулевыми отсчетами отсчетов кепстра мощности в начале и в конце интервала определения (О, Й). В результате лифтрации исключается кепстр элементарного колебания, сосредоточенный в начале и в конце интервала определения, и остаются пики от логарнфма множителя запаздывания. Следует иметь в виду, что кепстр мощности также является вещественной, .четной функцией и поэтому подвергать лифтрацин достаточно лишь его половину от нуля оси частот до середины интервала определения, После лифтрации выполняется БПФ процессором 12. На вещественном выходе получаются отсчеты отлифтрованного логарифма множителя запаздывания спектральной функции смтавного сигнала, умноженные на вдовую функцию (1) или (2) (или другого вида), а также может быть остаток от логарифма квадрата модуля :яектральной функции элементарно 1 колебания и шумы. Для того, чтобы исключить весовой сомножитель, отсчеты с выхода второго процессора 12 подаются на вход делителя 13 где о .т делятся на ту же весовую Функцию что ранеесовые функции - все это четные вещественные функции, что позволяет практически в два раза сократить требуемые для промежуточных вычислений объем памяти и число арифметическихопераций. На выходы 22-24 также достаточно подать. только первую половину из Й отсчетов интервала определения,Процессоры 1, 1 О, 12 и 19 работают одинаково (в силу четности входных функций и их вещественного характера без учета нормализации на выходе, процессоров для одинакового входа будет одно и то же при БПФ и ОБПФ) за исключением необходимости нормализации при ОБПФ. Поэтому вместо 4-х процессоров можно использовать один работающий с разделением во врекмени,Таким образом, предлагаемый анализатор позволяет работать с более ши роким классом сигналов, включая ниэкополосные сигналы с нулями в спектральной функции, и в присутствии шумов он обеспечивает более высокуюточность измерения относительной задержки, что расширяет возможностианализатора и увеличивает тем самымсферу его применения, особенно в гидро- и радиолокационной аппаратуре,где приходится считаться с наличием шума на выходе приемника,Формула изобретения Цифровой анализатор, содержащий первый процессор быстрого преобразования Фурье, выходы которого соединены со входами блока вычисления квадрата модуля дискретной спектральной функции, блок логарифмирования, последовательно соединенные первый процессор обратного быстрого преобразования Фурье, литр длинных частот и второй процессор быстрого преобразования Фурье, генератор весовойфункции, блок потенцирования, основное и вспомогательное запоминающее устройства и второй процессор обратного быстрого преобразования Фурье, о т - л и ч а ю щ и й с я, тем, что, с целью повышения точности измерений,в него дополнительно введены дваблока ограничения снизу, блок сравнения, вычитатель,три умножителя,делитель, блок вычитания среднегои блок ограничения сверху, причем вы 7 834585 8подавалась на один из входов первого умножителя 9, Отсчеты весовойфункции поступают со второго выходагенератора 14 на вход делителя 13,В результате деления форма окна для5пульсаций логарифма множителя запаздывания приводится к прямоугольной. Затем отсчеты в области положительных пиков (такие пики могутбыть за счет шумовых выбросов) ограничиваются сверху на заданном уровне 01 блоком 15 и поступают с еговыхода на вход блока 1 б потенцирования. С помощью блока 16 потенцирования на участках ОИ 1 о, Й-Г, %ФЙвосстанавливается сам множитель запаздывания, плюс остатокквадрата модуля спектральной функции элементарного колебания и случайная помеха. В пределах той частиокна, которая находится в началеинтервала определения, вычисляетсясреднее значение путем суммирования отсчетов и деления суммы на ихчисло, равное +1, и это среднеевычитается из каждого отсчета, находящегося в пределах окна. Все этиоперации выполняются блоком 17 вычитания среднего. Этот блок имеетуправляющий вход, на который подается код номера 1 , определяющегочисло отсчетов,. которое требуетсяусреднять.Отсчеты с выхода блока 17 подаются на вход умножителя 18, на другой вход которогос выхода генератора 14 поступают отсчеты .весовойфункции. Из взвешенных отсчетов навходе второго процессора ОБПФ 19формируется Й-элементный массив, в 40среднюю часть которого (за предела, ми окна) записываются нули.После ОБПФ на вещественном выходевторого процессора 19 (выход 23 анализатора) Формируются отсчеты обращенного кепстра мощности, которые далее с помощью третьего умножителя 20умножаются на отсчеты кепстра мощности, поступающие с вещественноговыхода блока 11, произведение ограни 50чивается на нулевом уровне блоком 21ограничения снизу и поступает иа выход 24 анализатора.Следует иметь в виду что квадратмодуля дискретной спектральной Функции, логарифм квадрата модуля, кепстрмощностилогарифм множителя запаздывания сам множитель запаздывания,обращеннйй кепстр мощности и все ве9 83458 ход первого блока ограничения снизу включен между выходом блока вычисления квадрата модуля дискретной спектральной функции и входом блока логарифмирования, выход которого соединен с одним входом вычитателя через вспомогательное запоминающее устройства, а с его другим входом - через основное запоминающее устройство, первый умножитель включен меж О ду выходом вычитателя и входом первого процессора обратного быстрого преобразования Фурье, выход второго процессора, быстрого преобразованчя Фурье подключен к последовательно соеДиненным делителю, блоку ограничения сверху, блоку потенцирования, блоку вычитания среднего, второму умножителю, второму процес 5 . 1 Осору обратного быстрого преобразова- .ния Фурье, третьему умножителю и квторому блоку ограничения снизу,управляющие входы обоих запоминающих устройств подключены к выходублока сравнения, вход которого соединен со вторым входом блока вычитания среднего и со входом генератора весовой функции, выходы ко"торого соединены со вторыми входами первых двух. умножителей и делителя, а второй вход третьего умножителя подключен к выходу лифтрадлинных частот.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРпо заявке В 2686457/18-21,кл. 6 01 й 23/16, 25.07.79.