Устройство для вычисления скользящего спектра

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 19) (И) 3240 6 Р 15/332 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ЕНИЯ ОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(71) Киевский политехнический инсттут им. 50-летия Великой Октябрьсксоциалистической революции(56) Авторское свидетельство СССРУ 1027733, кл. С 06 Р 15/332, 1983Авторское свидетельство СССРУ 1095188, кл. С 06 Р 15/332, 1985(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЬ 1 ЧИСЛСКОЛЬЗЯЩЕГО СПЕКТРА(57) Изобретение относится к вычис-лительной технике, предназначено длявычисления скользящего спектра сигналов и может быть использовано ванализаторах спектра, работающих вреальном масвтабе времени, при цифровой обработке сейсмических и других сигналов. Цель изобретения - повыщение быстродействия. Поставленнаяцель достигается за счет того, чтов состав устройства входят информационный вход 1, блок памяти 2, мультиплексор 3, блок памяти 4, арифметический блок 5, блок памяти б коэффициентов, регистры 7,8,9, вычитатель 10, сумматор 11, блок управления 12, управляющие входы 13 - 163 ил.1 13Изобретение относится к вычислительной технике, предназначено длявычисления скользящего спектра сигналов и может быть использовано ванализаторах спектра, работающих вреальном масштабе времени при цифровой обработке сейсмических и дру"гих сигналов.Целью изобретения является повы"шения быстродействия устройства привычислении мгновенного спектра сигналов,На фиг. 1 изображена структурнаясхема предлагаемого устройства; нафиг. 2 - пример конкретной реализации блока управления; на фиг. 3структурная схема арифметическогоблока (пример конкретной реализации).Устройство для вычисления скользящего спектра (фиг. 1) содержит информационный вход 1, первый блок 2памяти, мультиплексор 3, второй блок4 памяти, арифметический блок 5,блок 6 памяти коэффициентов, регист"ры 7-9, вычитатель 10, сумматор 11,блок 12 управления, управляющие входы 13,14,15,16 устройства,Блок 12 управления (фиг. 2) содержитадресные входы 17-19, управляющие выходы 20-24, генератор 25 тактовых импульсов, счетчик 26 (тактовыхимпульсов), количество разрядовкоторого .равно р+1, р=1 орМ, счетчик27 итерации (количество разрядов1 с=31 о 81 оВХГ), дешифратор 28, 1 -округление до большего целого, счетчик 29 кода (количество разрядов р),счетчик 30 адреса записи (количестворазрядов р+ 1), счетчик 31 адресасчитывания (количество разрядов р+1),сумматор 32 (количество разрядовр+1), мультиплексоры 33,34,35, регистр 36, сумматор 37, инверторы 38,39,40, элемент И 41, КБ-триггер 42,элемент И 43, элемент ИЛИ 44, мультиплексор 45.Кроме того, арифметический блок 5(фиг. 3) содержит умножители 46 - 49,сумматоры 50 " 53, регистры 54,55,инверторы 56,57, сумматор 58 по модулю два.Устройство вычисляет спектральныесоставляющие циклического и скользящего спектров аналогично описанию,представленному в прототипе,В арифметическом блоке 5 вычисля"ется базовая операция алгоритма БПФ 632402при наличии единичного значения на управляющем входе 16. По синхросигналу (24)прошедшему через элемент58, выполняется прием входных операндов, по этому же синхроимпульсуосуществляется выдача результатов.Коды 10 и 11 на управляющих входахсумматоров 52 и 53 соответствуют режимам суммирования и вычитания. Приединичном значении на управляющемвходе 16 в арифметическом блоке 5выполняется простое комплексное умно"жение. Коды 00 или 01 соответствуютрежиму пропуска операнда через сумматоры 52 и 53.Вычисления мгновенного спектраможно осуществлять следующим образом.Пусть Рф = О, 3-1) - коэффициенты Фурье, полученные после 1-Йреализации алгоритма БПФ над исходным вектором с (п = О, Н). Длявычисления мгновенного спектра сигналов достаточно из каждого коэффициента Фурье Рвычесть вклад,вносимый самим "старим" отсчетомвектора с(3 -с( прибавить вклад,:вносимый следующим отсчетом а, ирезультат умножить на коэффициентЪ, где 1 = 1 ", т,е, вычислитьиновые коэффициенты Фурье Г " всоответствии с выражением Р( =е(1 т 3(сдля получения Й коэффициентов Фурьетребуется всего М комплексных умножений.В блоке 2 памяти хранится исходный вектор, в блоке 4 памяти -вектор коэффициентов Фурье Г1 .1В каждом первом такте выполняетсясчитывание коэффициентов Фурье Гиз блока 4 памяти, на каждом второмтакте - запись результатов Р ("1в блок 4 памяти; в каждом шаге выполняется умножение (Р( - ц + о( )о Ина коэффициент 11 " в арифметическомблоке 5. Выбор соответствующих коэффициентов 11 осуществляется на каждом шаге из блока 6 коэффициентов 11.Один раз за всю итерацию выполняетсяприем в регистры 7 и 8 соответственно м, поступившего на вход 1, и с(Ф фсчитанного из блока 2 памяти. С целью упрощения структурной схемы устройства цепи начальной установки непоказаны, управляющие входы сумматора 11 и вычитателя 10 также не показаны, так как за время работы .уст 1363240 45 15 25 30 35 40 45 50 55 20 ройства их значения не изменяются. Примем, что режиму вычисления мгновенного спектра сигналов соответствует нулевое значение на входе 16, другим режимам - единичное; режиму считывания из блоков 2, 4 - памяти - нулевое записи - единичное значение, Единичное значение на управляющем входе обеспечивает режим суммирования, нулевое - режим вычитания в сумматоре 37, На управляющих входах мультиплексоров 35. 1, 35.2, 45 нулевое значение обеспечивает прохождение сигналов с первых входов на выход мультиплексоров, т.е. сигналов, используемых при вычислении мгновенного спектра; при единичном значении через мультиплексоры 45, 35.1, 35.2 проходят сигналы с вторых входов, т.е. сигналы, используемые при вычислении циклического и скользящего спектров. Коды 1 О и 11 на управляющих входах мультиплексора 33 обеспечивают прохождение адресов записи и считывания при вычислении циклического и скользящего спектров сигналов; коды 00 и 01 подключают адреса записи и считывания при вычислении мгновенного спектра сигна" лов; сигнал 16, поступая на старший адресный вход блока 6 коэффициентовЧ, обеспечивает выбор коэффициентов И , которые записаны в блок 6 коэффициентов И, в последовательности, необходимой для вычисления значений мгновенного спектра в соответствии с приведенным выражением; коды 10, 11 на управляющих входах мультиплексора 3 обеспечивают прохождение информации с выходов блоков 3,4 памяти соответственно, код 00 или 01 - с выхода сумматора 11.Рассмотрим работу устройства при вычислении мгновенного спектра сиг" налов. В одном их положении счетчик 26 тактовых импульсов, счетчик 27 итераций, счетчик 31 адреса считывания, регистр 36 находятся в нулевом состоянии, триггер 42 - в единичном, счетчик 30 адреса записи - в состоянии 0111. Нулевое значение на управляющем входе мультиплексора 33 . обеспечивает прохождение значений с выхода счетчика 31 адреса считывания, т,е, на входе блока 2 памяти присутствует код 0000, на входе управления записью, считыванием блока 2 памяти - код О, который обеспечивает режим считывания, Из блока 2 памятипо адресу 000 считываетсяНулевое значение на управляющем входе мультиплексора 45 обеспечиваетпрохождение сигналов с выхода, регистра 36 на адресный вход блока 4 памяти; на входе управления записью, считыванием блока 4 памяти присутствует нулевое значение и выполняетсясчитывание коэффициента фурье Р(1)На адресных входах блока 6 коэффициентов Фурье присутствует код 000,по которому считывается коэффициент-оЫ, Пусть на входе устройства присутствует операнд ав счетчик 29 синхросигналом 15 заносится код 000,поступающий по входу 13 задания параметра устройства. На входе регистра 36 образуется код 1110 с помощью сумматора 37.Будем считать исходное состояниепервым шагом и первым тактом работыустройства,На первом шаге во втором тактесчетчик 26 тактов находится в состоянии 001, Пусть по входу 14 поступает синхросигнал, сопровождающийвходной операнд а , и, пройдя черезнфэлемент И 43 (на втором входе которого единичное значение), изменяет состояние счетчика 29 кода на 111,а счетчика 30 адреса записи - на1000, Этим же сигналом выполняется а, и д соответственно в регистры 8 и 7. Сигнал переполнения с выхода счетчика 29 кода устанавливаеттриггер 42 в нулевое состояние, темсамым запрещая прием входных данныхдо окончания выполнения итерации; врегистр 9 принимается Р 0 синхрьосигналом 23, В этом же такте на выходе сумматора 11 получаем заданиеР 11 - 4, + 4, которое, пройдя черезмультиплексор 3 (на управляющем входе код 00), поступает на вход арифметического блока 5. Значение коэффициента Мтакже присутствуетна входе арифметического блока 5,состояние адресных выходов 17 счетчика 31 адреса считывания не изменяется. На входе счетчика 31 адресасчитывания присутствует код 001.В регистр 36 принимается код 1110,который, пройдя через мультиплексор45, поступает на адресный вход блока 4 памяти. На входе управления записью, считыванием 23 - код 1. Поадресу 1110 может выполняться за406 5 13632пись коэффициента Фурье Р ) преМ.1 .дыдущей 1-й реализации. На входе регистра 36 с помощью сумматора 37 образуется код 00101.На втором шаге в первом такте со 5стояние счетчика 26 тактов - 010,состояния счетчиков 30,31,29,27,триггера 42 не изменяются,В арифметический блок 5 по синхро-сигналу (24) осуществляется прием(Р о - а, + а ) и Ч и выполняетсяиоперация комплексного умножения.В блоке 2 памяти выполняется запись операнда ц,по адресу 1000,сформулированному в счетчике 30, который проходит через мультиплексор33 при коде 01 на управляющих кодах,В регистр 36 принимается код 0001,который, пройдя через мультиплексор45, поступает на адресный вход блока 4 памяти, на входе 23 управлениязаписью, считыванием присутствуеткод О. Из блока 4 памяти выполняется-бсчитывание коэффициента Фурье Р щ), 25который поступает на вход регистра 9;из блока 6 коэффициентов И по адресу 001 считывается М , на входе регистра 36 образуется код 111130На втором шаге во втором тактесчетчик 26 тактов находится в состоянии 0011, состояния счетчиков27 - 31, триггера 42 не изменяются,Аналогично второму такту первого ша"га в регистр 9 записывается РСю) 35состояния регистров 7 и 8 не изменяются, На выходе сумматора 11 получаем значение (Р и - й + а ), котороепоступает на вход арифметического-и(1 )Облока 5, значение коэффициента Ятакже присутствует на входе арифметического блока 5.В регистр 36 принимается код 1111, в соответствии с которым вы)5полняется запись в блок 4 памяти коэффициента Фурье Р , предыдущей-й реализации. На входе регистра 36образуется код 0010.На третьем шаге в первом тактесчетчик 26 находится в состоянии О100,В арифметическом блоке 5 по синхросигналу 24 выполняется прием,Р и - ц + а и м " . По этому же син-хроимпульсу осуществляется выдача ре"зультата умножения Р"ц=(Р;и, +ци)М,который поступает на вход блока 4памяти. В блок 2 памяти может повто" риться запись операнда юм по адресу 1000, В регистр 36 принимается код 00 10, который является адресом считывания коэффициента Фурье,Р. Р )4 поступает на вход регии/стра 9. Из блока б коэффициентов Ч, -и( по адресу 010 считывается Ч На входе регистра 36 образуется код 000О.На третьем шаге во втором такте работа устройства аналогична второму такту первого и второго шагов.В этом такте по адресу 000 в блок 4 памяти выполняется запись Р ", в регистр 9 - Р. На вход арифметического блока 5 поступает Ри - а, + а, Значение коэффициента Ч и)4 присутствует также на входе арифметического блока 5, В регистр 36 принимается код 0000, а на входе регистра 36 образуется код 0011.В остальных тактах работа устройства аналогична, За М шагов в блоке 4 памяти будет записан мгновенный спектр вектора исходных данных а 1, (а = 1,Я.После выполнения второго такта И-го шага сигнал переполнения с выхода счетчика 26 тактов, пройдя через мультиплексор 35.2, устанавливает счетчик 29 в исходное состояние - 0000, триггер 42 - в единичное, в счетчик 31 записывается код 00 01 и работа устройства повторяет" ся, Из блока 2 памяти по адресу 0001 считывается операнд р входной операнд изаписывается по адресу 1001 в блок 2 памяти, адрес формируется в счетчике 30 адреса записи. В блоке 4 памяти полу-. чим мгновенный спектр от вектора исходных данных41 =(2, И+1). Формула изобретения Устройство для вычисления скользящего спектра, содержащее блок управления, блок памяти коэффициентов, мультиплексор, первый и второй блоки памяти, причем выход первого блока памяти подключен к первому информационному входу мультиплексора, первый и второй выходы которого подключены к первому и второму входам операндов арифметического блока, выход результата которого подключен к информационному входу второго блокасумматора, два регистра, два элемента НЕ и сумматор по мадулю два. причемпервый вход первого сумматора соединен с первыми входами первого ивторого умножителей и является первым входом операндов арифметическогоблока, вторым входом операндов которого являются соединенные между собой первый вход второго сумматораи первые входы третьего и четвертогоумножителей, вторые входы первого ичетвертого умножителей соединенымежду собой и являются первым входом 15 коэффициента арифметического блока,вторым входом коэффициента которогоявляются соединенные между собойвторые входы второго и третьего умножителей, выходы первого и третьего 20 умножителей подключены соответственно к первому и второму входам третьего сумматора, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, выходы второго и четвертого 25 умножителей подключены соответственно к первому .и второму входам четвертого сумматора, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, выходы первого и второго сумма торов подключены к информационнымвходам соответственно первого и второго регистров, выходы которых объединены и. являются выходом результата арифметического блока, синхровходом которого является первый входсумматора по модулю два, выход которого подключен к тактовым входампервого, второго, третьего и четвертого умножителей, первого и второгорегистров и входу первого элементаНЕ, входы синхронизации приема первого, второго и третьего сумматоровсоединены с входом второго элементаНЕ, вторым входом сумматора по моду лю два и является управляющим входомарифметического блока, выход первогоэлемента НЕ подключен к входам синхронизации выдачи первого и второгосумматоров, а выход второго элемента НЕ - к входу синхронизации приема четвертого сумматора, при этомблок управления содержит пять мульти.плексоров, счетчик, счетчик адресазаписи, счетчик адреса считывания,счетчик кода, три элемента НЕ, КБтриггер, счетчик итераций, два сумматора, два элемента И, дешифратор,элемент ИЛИ, регистр и генератортактовых импульсов, выход которого 7 1363240памяти, первый и второй выходы блокапамяти коэффициентов подключены кпервому и второму входам коэффициентов арифметического блока, первыеи вторые адресные выходы блока управления подключены к ацресным входам соответственно первого и второго блоков памяти, первый и второйуправляющие выходы блока управленияподключены соответственно к входууправления записью - считыванием первого блока памяти и первому управляющему входу мультиплексора, а первый, второй и третий входы блокауправления являются соответственновходом задания параметра, первым ивторым входами синхронизации устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что, с целью повышения быстродействия, в него введены сумматор, вычитатель, три регистра, причем информационный вход первого регистраявляется информационным входом устройства, а выход первого регистраподключен к информационному входупервого блока памяти и первому входувычитателя, выход которого подключенк первому входу сумматора, выход которого подключен к третьему информа"ционному входу мультиплексора; выходпервого блока памяти подключен кинформационному входу второго регистра, выход которого подключен к второму входу вычитателя, выход второго блока памяти подключен к информационному входу третьего регистра, выход которого подключен к второмувходу сумматора, четвертый вход блока управлениясоединен с управляющимвходом арифметического блока, вторымуправляющим входом мультиплексора,входом старшего разряда адреса блока памяти коэффициентов и являетсявходом задания режима устройства,третий управляющий выход блока управления подключен к тактовым входампервого и второго регистров, четвертый управляющий выход блока управлеления подключен к тактовому входутретьего регистра и входу управлениязаписью - считыванием второго блокапамяти, пятый управляющий и третийадресный выходы блока управленияподключены соответственно к синхровходу арифметического блока и адресному входу блока памяти коэффициентов, при этом арифметический блоксодержит четыре умножителя, четыреподключен к первому входу первого элемента И, счетному входу счетчика и тактовому входу регистра, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, старшие разряды второго входа которого подключены к входам задания логического нуля устройства, а выход первого сумматора подключен к информационному входу регистра, выход переполнения счетчика подключен к первому информационному входу первого мультиплексора и счетному входу счетчика итераций, выход переполнения которого подключен к второму информационному входу первого мультиплексора, выход которого подключен к установочному входу счетчика адреса считывания, Б- входу КБ-триггера и первому входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к установочному входу счетчика кода, выход переполнения которого подключен к Е-входу КЯ-триггера, выход которого подключен к первому входу второго элемента И, выход которого подключен к счетным входам счетчика кода, счетчика адреса записи и является третьим управляющим выходом блока управления, выход 1-го (х = 0 Р; Р = 1 оК, Ю, И - размерпреобразования) разряда счетчика записи подключен к входам д-х разрядов первого и второго информационных входов второго мультиплексора ио входу -го разряда первого сумматора, выход 1-го Ц = о, р) разрядае которого подключен к входу 1.-го разряда счетчика адреса считывания, выход прего (ш = 1, р) разряда которого подключен к входам ш-х разрядов третьего и четвертого информационных входов второго мультиплексора,. первый управляющий вход которого подключен к выходу второго разряда счетчика, выход первого разряда которого подключен к входу первого элемента НЕ, входам первого разряда первого входа второго сумматора и пер-. вым информационным входам первого мультиплексора, выход которого является четвертым управляющим выходом блока управления, выход первого элемента НЕ подключен к первому информационному входу четвертого муль" типлексора и является пятым управля 55 пятого мультиплексоров и второй уп"равляющий вход второго мультиплексора,ющим выходом блока управления, управляющий вход четвертого мультиплексора соединен с входом дешифратора иподключен к информационному выходу 5счетчика итераций, выход р-го разряда счетчика адреса записи подключенк входу второго элемента НЕ, выходкоторого подключен к входу р"го разряда первого входа первого сумматора, выход переноса которого соединенс входом первого разряда второговхода второго сумматора и являетсявходом задания логической единицыблока, выход дешифратора подключен квторому входу первого элемента И,выход которого подключен к счетномувходу счетчика адреса считывания, выход первого разряда которого подключен к входу третьего элемента НЕ, выход которого подключен к входу первого разряда второго информационноговхода второго мультиплексора, информационный вход счетчика кода является первым входом блока управления,вторым и третьим входами которогоявляются соответственно вторые входы первого элемента И и элементаИЛИ, выход д-го (д = 2, р+1) разрядасчетчика подключен к входу -го разряда второго информационного входачетвертого мультиплексора, выход ко- .торого подключен к первому информационному входу пятого мультиплексора, второй информационный вход которого подключен к выходу регистра,выход второго мультиплексора является первым адресным выходом блокауправления, вторым адресным выходомкоторого является выход пятого мультиплексора, а информационный выходсчетчика является третьим, адреснымвыходом блока, первым управляющимвыходом которого является выход второго разряда счетчика выход второФго разряда счетчика подключен к второму информационному входу третьегомультиплексора, выход которого является вторым управляющим выходом блока 50управления, четвертым входом которого являются соединенные между собойтретий вход первого элемента И, уп"равляющие входы первого, третьего и3363240 г. Составитель А. Барановковская,Техред. М.Дидык КорректорА. Обручар Редактор аз 6364 2 Тираж 671ВНИИПИ Государственного комитепо делам изобретений и отк 13035, Москва, Ж, Раушская н оизводственно-полиграфическое предп Подписноеа СССРытийб., д. 4/5 г. Ужгород, ул. Проектная, 4