Цифровой анализатор спектра в ортогональном базисе

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 09) (11) зш 6 06 Р 15/332 ИЗОБРЕТЕНИ 1ВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОПИСАНИЕ К АВТОРСКОМУ С(71) Харьковский ордена Ленина политехнический институт им. В.И.Ленина(56) 1. Авторское свидетельство СССУ 588544, кл. С 06 Р 15/332, 1978.2, Авторское свидетельство СССРУ 446063, кл. С 06 Р 15/332, 1974(54) (57) ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРАВ ОРТОГОНАЛЬНОМ БАЗИСЕ, содержащийпервый и второй умножители, первые.входы которых подключены к информационному выходу аналого-цифровогопреобразователя, информационный входкоторого является информационнымвходом анализатора, первый и второйсумматоры, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к тактовым входам аналого-цифрового преобразователя, первого и второго регистров и счетному входу счетчика,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения быстродействия, внего введены группа элементов И,группа элементов НЕ, третий регистр,третий сумматор, третий умножитель,элемент ИЛИ-НЕ, одновибратор и блокпостоянной памяти, информационныйвыход которого подключен к первомувходу третьего умножителя, выход которого является информационным выходом анализатора, выход первого умножителя подключен к первому входу первого сумматора, выход крторого подключен к информационному входу первого регистра, выход -го (=1, 1) разряда которого подключен к первому входу 1-го элемента И группы, выход которого подключен к-му входу первой группы второго сумматора, выход которого подключен к второму входу третьего умножителя, информационный выход второго регистра подключен к второму входу второго умно- жителя, первому входу третьего сумматора и информационному входу третьего регистра, информационный выход которого подключен к второму входу третьего сумматора выход которого .подключен к второму входу первого умножителя и информационному входу второго регистра, установочный вход которого соединен с установочным входом третьего регистра и подключен р к выходу одновибратора, вход которого соединен с входом переноса третьего сумматора, вторыми входами элементов И группы и подключен к выходу элемента ИЛИ-НЕ, д-й вход которого соединен с входом д-го разряда адреса блока постоянной памяти и подключен к выходу -го разряда счетчика, выход генератора тактовых импульсов подключен к тактовому входу третьего регистра, выход д-го разряда второго умножителя подключен к входу д-го элемента НЕ группы, выход кото" рого подключен к 1-му входу второй группы второго сумматора, вход переноса которого является входом задания логической щиницы анализатора.+прпМ. и Н 2 О 3подключен к 1 -му входу второй группы второго сумматора, вход переноса которого является входом задания логической единицы анализатора.Введение в устройство дополнитель ного оборудования позволяет вычислять коэффициенты спектрального преобразования сигнала ло системе ортогональных базис ых функций на основе чисел фибоначчи, которые обеспечива ют оптимальное приближение широкого класса сигналов типа вещественных экспонент и их сумм, получаемых при решении дифференциальных уравнений с действительными корнями характеристических уравнений. При этом данное устройство обеспечивает вычисление 2.-го спектрального коэффициента с задержкой на один такт относительно 2;го отсчета сигнала.На фиг. 1 приведена структурная схема цифрового анализатора спектра в ортогональном базисе; на фиг. 2 временные диаграммы работы устройстУстройство содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, первыйи второй 3 умножители, первый сумматор 4, первый регистр 5, группу элементов И 6, второй сумматор 7, группу элементов НЕ 8, второй 9 и третий1 О регистры, третий сумматор 11, генератор 12 тактовых импульсов, счетчик 13, элемент ИЛИ-НЕ 14, блок 15постоянной памяти, одновибратор 16,третий умножитель 17.На фиг. 2 диаграмма а характеризует импульсы на выходе генератора;б - сигналы записи информации в регистры 5, 9 и 10; в - последователь Оность коэффициентов Ь на выходе умножителя 17; г, д, е - сигналы навыходах разрядов счетчика 13 для0=7: ж - сигнал на восходе элементаИЛИ-НЕ 14; и - импульсы одновибратора 16,Данное устройство позволяет вычислять спектральные коэффициентыдИскретного сигнала в соответствиис формулой5 4Ь - 2-й обобщенный спектральный коэффициент;а - 3-й отсчет преобразуемогосигнала;Е (1) - значение р -й базисной функции на 1 -м такте, определяемое соотношениемнормирующнй коэффицие%Для произвольных й(1)отрим сумму вида 1 Известно, что Х Р =Р"Р;, . Так 1,.р,11+1 образом из выражения (3) следует5разоваазмерност ия (Я - л где ое натуральное числ т.е. множеств образует орто де М базисную (1) позволяет .спектрального функций Е(1) р 2=1 э Н ормированную на периосистему, а выражение находить коэффициенты преобразования сигна 1124326ла а по системе ортогональных функций. Обратное преобразование является эквивалентным прямому, т.е. а .2- ,. (;) Например, прия =7 бакзисные функции имеют вид1 =.р(1, - 1,0,0,0, О, О, 1);1 р =-у(1,1,-1,0,0,0,0,1 );1 =-р(1,1,2,-2,0,0,0,1);14= ре(112 3 3 0 0 1.)г 5=Р(1,1,2,3,5,-5,0,1);16=,-,дщ(1 1 2,3,5,8,-8,;1=(1 э 12 3 58 13 1)Подставляя выражение (2) в выражение (1) получаем 10 15 20 Ь,.а,р,-агМЪг.- (а, р,+агрг-азрд"г зФЪ, =ф а, р,) о, р, :,(4)нЬк )бфе 30 Вид выражения (4) позволяет рекурентно получать коэффициенты спектрального преобразования сигнала по системе ортогональных функций, что значительно сокращает требуемое обо- З 5 рудование и уменьшает задержку между поступлением на вход устройства отсчетов преобразуемого сигнала й появлением на выходе устройства спект 40 ральных коэф 4,нциентов.Устройство работает следующим об" , разом.Счетчик 13 осуществляет подсчет по модулю Н импульсов генератора 1245 и периодически устанавлйвается в ноль. При этом регистры 9 и 10 также устанавливаются в ноль импульсом одновибратора 16, запускаемого перепадом напряжения с, выхода элемента ИЛИ-НЕ 14, (фиг, 2, ж, и) и тем са 50 мым устройство оказывается в исходном состоянии. На вход . переноса сумматора 11 и на второй вход группы элементов 6 поступает логическая едини" . ца с выхода элемента ИЛИ-НЕ 14. С выхода генератора, 12 на тактовые вхо- ды АЦП 1, регистров 5, 9 и 10 и счетчика 13 по модулю 11 поступают импульсы. На информационный вход второгорегистра 9 поступает код С с выходасумматора 11, определяемый суммой кодов регистров 9 и 10 и сигнала переноса ч с выхода элемента ИЛИ-НЕ 14на информационный вход третьего регистра 10 поступает код с выхода второго регистра 9. Таким образом, сприходом-го тактового импульса натактовые входы регистров 9 и 1 О врегистр 10 записывается код Р; в. регистр 9 - код Р, +Р;+Ц, гдеР; - код, записаннйй в регистре 9в д-м такте, Поскольку на выходе элемента ИЛИ-НЕ 14 присутствует уровеньлогической единицы лищь при нулевомсостоянии счетчика, то1 при10 при 1,Таким образом, на выходе сумматора 11 формируется последовательность чисел ФибоначчиНа выходе регистра 9 формируетсякод Р, определяемый выражениемр Р;, приФ 1,0 при=1 (6)На вход АЦП 1 поступает аналоговый,сигнал, подлежащий преобразованию.На выходе АЦП 1 с частотой, определяемой тактовой частотой генератора,формируются коды а, численно равныезначениям отсчетов преобразуемогосигнала.Эти коды поступают на первые входы умножителей 2 и 3, на вторые входы которых в х-м такте поступают со"ответственно коды Р;, Р;, определяемые выражениями (5) и (6) . На выходеумножителя 2 формируется последовательность кодов С;=а; Р;, которыепоступают на вход сумматора 4. В первом такте работы устройства логическая единица с выхода элемента ИЛИ-НЕ14 поступает на соответствующие входы элементов И 6 группы.1.Таким образом, в первом такте устройства элементы И 6 группы закрытыуровнем логической единицы с выходаэлемента ИЛИ-НЕ 14, и на его выходеформируется нулевой код, которыйпоступает на вход сумматора 4. Такимобразом, во втором такте в регистр 5записывается код С с выхода сумматора 4. В последующих тактах на второй вход сумматора 4 через открытыеэлементы И 6 поступает сигнал с выхо1124326 8 да регистра 5. Таким образом, .сумма- таким образом че е чер з время 4., опрел .тор 4 и регис 5 об а4 Р тр разуютнакапли- деляемое задержками распространениявающий сумматор, на выходе которого сигнала в блоках 2, 3, 4, 6, 7, 8, ,(выход регистра 5) в 1 -м такте форми 14 15 17и , на выходе умножителя 17 формируется код соответствую 14-1 44-4тот коД щего коэффициента преобразования поступает на вход сумматора 7. На (фиг. 2 в), Счетчик 13 осуществляет другой вход сумматора 7 через элемен- подсчет импульсов по модулю Й . На ты НЕ 8 поступает код с выхода умно-фиг. 2 г-е изображены сигналы на выжителя 3, а на вход переноса сумма О ходах разрядов счетчика 13 для слутора 7 постоянно подан уровень логи- чая 0=7 Ю-й имп лмпульс переводит, ческой единицы. Инвертирование каж- счетчик 13 в нулевое состояние. На дого из РазРЯдов кода с выхода Умно- выходе элемента Ирл.-НЕ 14 появляется жителя 3 в сочетании с добавлением положительный перепад напряжения единицы в младший разряд эквивалент (фиг. 2 ж), которым запускается одно- но перемене знака кода а, РСумматор 7 осуществляет суммирова- ра 16 формируется короткий импульс ние в дополнительном коде чисел . (фиг. 2 и), которым сбрасываются в нуеи-а; г , и на его выходе в 4 -м так- левое состояние регистры 9 и 10. Тате формируется код ; и 11;-а,1., 20 ким образом, схема переходит в исходи (7) В соответствии с выражением (6) ное состояние и начинаетсянается новыи 14цикл ортогонального преобразования. 1 н Е Е 1 4-1 1-1 1-1 у ; =0 О р -О; р; -.Ь;,(К (8) Эадний фронт импульса (фиг. 2 и) навыходе элемента ИЛИ-НЕ 14 совпадает где е=К. 25 с началом новой серии спектральныхКод с выхода счетчика 13 поступа- ффцинв ет на адресные входы блока 15 в ко- Технико-экономические пРеимУщесттором по - у адресу записано чис- ва пРеДлагаемого Устройства заключаленное значение коэффициента К, .ются в том, что за счет введения в00 него дополнительного оборудования 1.1 сЛ 44(9)дзначительно повышается быстродейстевие устройства и обеспечивается мини 4 р 0при с: Ркод адреса 00.01. Н 4441 1. мальная по сравнению с известнымиустройствами быстрых преобразованийНа вход умножителя 17 поступает Фурье, Уолша, Хаара задеРжка между код Д 1 с выхода сумматора 7. Умнопоступлением на г житель 17 осуществляет опе а ю пеего вход 1 -го отсчеР Ци та преобразуемого сигнала и появлеремножения кодов К;. и Й и таким4 4 р 4 0 нием на его выходе 1 -го спектрально- образом, с его выхода в соответствии го коэффициента. При этом устройство с выражением (8) в 1 -м такте снима-кте снима - 4 . может быть реализовано для любой ется коэффициент ортогональногО пре- размерности преоб аз в образования Б;.прес разования не сложГе енее, чем устройство быстрого преобраенератор 12 формирует прямоуголь- зовани Фя урье за счет того что баные импульсы со скважностью "2"1 зисные функции вычисляются при помоад целыми числами крофиг. 2 а , передним фронтом каждого щи операций над целы импульса осуществляется запись, ко- ме умножения на нормнрующие коэ идов в регистры 5, 9 и 10 и считываия на нормнрующие коэффии и считыва- циенты в конце преобразования). Этот ние кода из АЦП 1 (фиг. 2 б) все0факт позволяет также повысить точостальные блоки предлагаемого устрой- но ность прео разования по сравнениюб ства являются асинхронными, не тре- с ДПФ бс Д при сравнимой точности предуют дополнительного тактирования и ставления входных сигналов.1124326 Составитель А.БараноРедактор Л.Алексеенко Техред А.Бабинец ректор В.Гирняк . Заказ 8282/39 Тираж 698 ВНИИПИ Государственного комитета СС по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб.