Устройство для вычисления свертки

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИДЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН Г 15 332 ВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ГОСУД А ПО ДЕЛ(с Е ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ВУ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ(56) Авторское свидетельство СССРУ 890922, кл. С Об Р 15/332, 1981.Авторское свидетельство СССРВ 800995, кл. С 06 Г 15/332, 1981.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯСВЕРТКИ(57) Изобретение относится к областисвязи и вычислительной техники и ЯО 5 о предназначено для спектрального икорреляционного анализа электрических сигналов, представленных в цифровой форме. Цель изобретения -повышение быстродействия. Поставленная цель достигается за счет того,что в состав устройства входят дваблока дискретного преобразованияФурье, блок памяти коэффициентов,четыре блока памяти, четыре регистра,четыре сумматора, суммирующий и вычитающий счетчики и генератор тактовых импульсов с соответствующимисвязями. 4 ил.55 к(п) = х,(п) + 3 х (и); Е(1 с) = Х, (1 с) + 3 Хг(1 с)1 д) соотношения для разделения спектров Х(1 с) = Е(1 с) + Е (ис);Х (1 с) = 3 Е (ис) - Е(1 с) . (6) Формулы (2) - (б) приведены с точностью до постоянного множителя, что не отражается на результатах вычислений из-за линейности преобразования Фурье,Из соотношения (2) видно, что свертка Свычисляется на осноХванин обратного преобразования Фурье от спектра 8(1 с). При замене спектра Б(1 с) на комплексно-сопряженный спектр 8 (1 с) обратное преобразоХванне Фурье заменяется прямым.Обозначив 8(1 с) = 0(1 с) + 3 7(1 с) имеем:25-хь( ) 35Из соотношений (7) видно, что свертки можно вычислять по соотношениям (1), т.е,й) =8 (1 )1 Р 8 (1 с)1 р С(т) = Г 8,(1 с)3 = Г8(1 с); 8(1 с) = Х(1 с) Н(1 с); 8 (1 с) = Х (1 с)с Н (1 с)(8) Одновременное вычисление двух сверток С 1. ; Сх (с,) входных сигналов х,(п), х (й) с зондирующими сигналами соответственно 11(п), 11 г(п) основывается на использовании разделения и смешивания спектров.Введем обозначения: Х,(1 с) = А,(1 с) +,1 В(1 с)1 Х (1 с) = Аг(1 с) + 3 В,(1 с); Н(1 с) = и (1 с) + 3 С (1 с);Н (1 с) = В,(1 с) + 3 Сг( );8, ( ) = 11, (1 с) + 3 Ч, (1 с) 18,(1) = Нг(1) + 3 Чг(1)2(1 с) = Гх (п) + 3 хг(п)= Н(1 с) + 3 0(1 с) = Х(1 с) + 3 Х,(1 с) Ь,с=О,Я(9) В соответствии с формулой (5) смесь спектров Е(1 с) = Х(1 с) + 3 Хг(1 с) вычисляется за один проход алгоритма быстрого преобразования Фурье, затем но формуле (6) производится разделение спектра Е(1 с) = К(1 с) + +3 Я(1 с) на спектры Х,(1 с) = А(1 с) + + 3 В(1 с) и Хг(1 с) = Аг(1 с) + 3 Вг(1 с)Используя свойство симметрии спектров (3), а также формулы (5), (6) и (9), получим алгоритм разделения спектров: А,(1 с) = А, Рс) = К(1 с) + К(Мс)1В(1 с) = - В, (Ис) = (1 с) -- ( (1 хс); А (1 с) = А (Ис) = С(1 с) + 0(11-1 с);) = А (о)=А (-) =О.Иг В первом и втором. согласованных фильтрах 3 и 4 производится умножение спектров Х(1 с), Хг(1 с) входных сигналов х,(п), х (и) на спектры соответственно Н(1 с), Нг(1 с) зондирующих сигналов Ь (п), Ь (и)8,(1 с) = Х (1 с) Н 1 с)1 8 (1 с) = Хг(1 с) Нг(1 с)Спектры 8(1 с), 8 г(1 с) являютсяспектрами сверток С х ,; Сх(с)Х э Хг аТак как зондирующие сигналы Ь и), 11 г(п) при функционировании устроиства не изменяются, то их спектры1251306 В итоге получаемвания спектров 1( )2((1 с) получаем вычислены мять блок алгори ц,(1 с) + = 11, (1 с) 1 Л (1 с) 1 с) = П О) г( )ф 1 ч,(1 с) == 1(1 с) +лгоритспектра у тветствии ждения (ь) 1) нео вычисл бота блока 5 смешива ния спектр 2 ((11-1 с) Ц, (1 с) - Ч ( сигнасмеси спектр Н,(1 с), Н 2(1 с) вычисляются заранее и вводятся в память соответственно первого и второго согласованных фильт" ров 3 и 4.5Для вывода алгоритма смешивания спектров Б (1 с), Бг(1 с) в спек-,р У(1 с) 1(1 с) + 3 М(1 с), обеспечивающего за один проход выполнения процедуры быстрого преобразования Фурье 1 О вычисление двух сверток С х 1, (с), С х 11 , рассмотрим выражения: Схи =Схь (")+3 СхЬ, == Р у (1 с) = Р Б",(1 с) + +Б+(1 с)1 = Р Б (1 с) + + 3 Р 1 Б (1 с), (12) алгоритм смеши 20 25Используя свойство симмерии спектров (3) и обозначения (9) , алгоритм смешивания спектров (1".) примет вид Таким образом, для нахо двух сверток Сх ,(с), Ссоответствии с алгоритмом одимо выполнить следуюия.Нахождениеов х (и), х (и) Е(1 с) = Рх, (и) + 1 х(и).2( (15) (работа первого блокапреобразования Фурье).Разделение по формуле (10) спектра Е(1 с) на спектры Х,(1 с), Х (1 с), К О, - - 1(работа блока 2 разделения спектров): 2(1 с):к(1 с) + 1 1(1 с)12(1 с) = Х (1 с) + 3 Хг(1 с)А (1 с) - В. (1 с) + К(И 1 с) 1А,(1) =а(1) Ю);Хт(1) = АФ(1) + Д В(1)1Х 2(1 с) = Аг(1 с) + д В 2(1 с) ф но).Перемножение по формуле (11) спектров Х(1 с), Х 2(1 с) входных сигналов х,(и), хг(п) на спектры соответственно Н(1 с), Н 2(1 с) зондирую . щих сигналов Ь(и), Ь (и) (работа согласованных фильтров 3 и 4;спектры Н,(1 с), Н 2(1 с), 1 с = Оюзаранее и введены в паов 3 и 4 соответственно):(18) цией1г 40 45 50 55 М(И = 11 зф) гг ф) фМ(Б-Е) = Б,(1 с) + 7 г (К)1 Нсчитая И= - для 1 = 0 (условно).2Вычисление по формуле (12) прямо"го преобразования Фурье от спектрау(1 с) = Ь(1 с) + г М(1 с) (работа второгоблока 6 преобразования Фурье, навыходах которого вырабатываютсяфункции сверток С гг, гг,ф С у гг (") О, М - 1; 1 с = О, Н - 1.1Для управления работой блоков разделения и смешивания спектров 2 и 5, а также согласованных фильтров 3 и 4 введен блок 9 управления согласованной фильтрацией, который содержит суммирующий и вычитающий счетчики 21 и 22, на счетные входы которых подаются импульсы с выхода генератора 8 тактовых сигналов.При организации управления умножением частотных зондирующих сигналов характеристик на спектры 1входных сигналов используются обычно счетчики, формирующие адреса ОЗУ для считывания и записи информации.Счетчики используются для выработки адресов считывания информации из блоков 11,1 и 11.2 памяти блока 2 разделения спектрова также записи информации в блоки 20.1 и 20.2 памяти блока 5 смешивания спектров.В блоки 11.1 и 11.2 блока 2 разделения спектров поступает массив (длина Б. отсчетов составляющих) смеси спектров 2(1) с выхода первого блока быстрого преобразования Фурье, Каждая составляющая спектра 2(Е) содержит действительную К(Е) и мнимую Я(Е) составляющие, поэтому для хранения каждой комплексной величины 2(Е) отводится две ячейки памяти, имеющие общий адрес. Адреса величин 2(Ъ), 2(11-1 с) приИЕ = 0 -- 1 вырабатываю;ся соотг 2к 4ветстяенно в счетчиках 21 и 22 блока 9 управления согласованной фильтрацией, На выходе блоков 11,1 и 11.2 памяти поступают величины В.(1),5 го г 5 20 25 30 35 ОЖ), ВФ), Я(11-Е), которые в соответствии с алгоритмом (16) разделяются на составляющие спектров Х г Ф) = А г В) + З В, Ф); Х ( ) = А(Е) + 1 В(Е), для чего используются,сумматоры 12 и 13.Комплексные величины Хг(1 с), Х(1 с) поступают в первый и второй согласованные фильтры 3 и 4, в которых производится перемножение спектров в соответствии с алгоритмом (17). Так как вычисляются Яг Ф)БгФ)Ндля 1 с = О,- - 1, то адрес, выраба 2тываемый счетчиком 21 блока 9, является также адресом считывания составляющих Н,(1 с), Н (1 с) памяти соответственнопервого и второго согласованных фильтров 3 и 4.Вычисленные составляющие Я,(1 с), Б(Е) через промежуточные регистры 16 и 17 блока 5 смешивания спектров поступают в сумматоры 18 и 19, на входах которых вырабатываются сосБ тавляющие смеси спектра для 1=0 - -12 у(1) = Ь(1) +МЮ; Д-М = = Ь(Н-Е) + 1 М(Н) в соответствии с алгоритмом (18). Адресами.для записи еоставляющих спектров у(1), у(И-Е) в блоки 20.1 и 20,2 памяти блока 5 смешивания спектров являются адреса, вырабатываемые соответственно счетчиками 21 и 22 блока 9 управления согласованной фильтраВыработанный спектр у(Е) дйиной И отсчетов поступает во второй блок 6 преобразования Фурье, на выходах действительной и мнимой частей которого (первый и второй выходы) вырабатываются функции сверток Сь , С ьв соответствии с алгоритмом (19).Работа устройства синхронизирует ся путем выдачи тактовых сигналон с выхода генератора 8. Формула изобретения Устройство для вычисления свертки, содержащее первый и второй блоки дискретного преобразования Фурье, блок памяти коэффициентов, первый и второй согласованные фильтры, причем входы реальной и мнимой частей операции первого блока преобразования Фурье являются вхо 1751 106дами задания соотнетственно первой и второй вхоцовых последовательностей устройства, а выходы реальной и мнимой частей результата второго блока,цискретного преобразования5 Фурье являются выходами свертки соответственно перьой и второй последовательностей устройства, выхоц блока памяти коэффициентов подключен к нходам задания коэ 44 ициентон первого и второго блоков дискретного преобразования Фурье, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения быстродействия, в него введены первый, второй, третий и чет -15 вертый сумматоры, первый, второй, третий и четвертый регистры, первый, второй, третий и четвертый блоки памяти суммирующий и вычитающий счетчики и генератор тактовых им- о пульсов, ныход которого подключен к счетным входам суммирующего и вычитающего счетчиков, информационный выход суммирующего счетчика подключен к входам задания адресов ко эффициентов первого и второго согласованных фильтров и к адресным входам первого и третьего блоков памяти, а информационный выход вычитаю" щего счетчика подключен к адресным входам второго и четвертого блоков памяти, выход результата первого блока дискретного преобразования Фурье подключен к информационным входам первого и второго блоков памяти, выходы реальной и мнимой частей опе 35 рандов которых подключены соответственно к первому входу первого сумматора, второму входу второго сумматора, второму входу первого сумматора и гервому входу второго сумматора,выходы суммы и разности первого ивторого сумматоров подключены соответственно к входу реальной частиоперанда первого регистра, входумнимой части операнд второго регист-ра, входу реальной части операндавторого регистра и вхоцу мнимойчасти операнда первого регистра, выходы первого и второго регистров подключены к информационным входамсоответственно первого и второго согласованных фильтров, информационныевыходы которых подключены к информа"ционным входам соответственно третьего и четвертого регистров выходыреальной и мнимой частей операндовкоторых подключены соответственнок перному входу третьего сумматора,второму входу четвертого сумматора,первому входу четвертого сумматораи второму входу третьего сумматора,выходы суммы и разности которогоподключены к входам реальных частейоперандов соответственно третьегои четвертого блоков памяти, входымнимых частей операндов которыхподключены к выходам соответственноразности и суммы четвертого сумматора, ныходы третьего и четвертогоблоков памяти подключены к информационному входу нтооого блока дискретного преобразования Фурье, входсинхронизации которого объединен свходом синхронизации первого блокадискретного преобразования Фурье иподключен к выходу генератора тактовых импульсов.З,Ф,ЯФоа. 4. Составитель А, Техред М.Ходан орректор С,Шекмар актор И.Рыбченк Заказ 4413/47 исно ронзводстэенно-полиграфическое предлрнятие, г.ужгород, ул.Проек Тираж 671 ВНКИПИ Государственног цо делам изобретений 113035, Москва, Ж, Раушкомитета ССи открытийкая наб., д