Устройство для вычисления скользящего спектра

СОЮЗ СОВЕТСНИХС ОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК А 1Устроиство со й входреги ножитель 4, ре ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗО К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ(71) Киевскими политехническтут им, 50-летия Великой Октсоциалистической революции(56) Авторское свидетельство СССР1 09588, кл, С 06 Р 15/332, 1 984 .Авторское свидетельство СССР1427386, кл. С 06 Р 15/33223,09.87. Изобретение оттельной технике, предназначено для вычисления скользящего спектра сигналов и может быть использовано в анализаторах спектра, работающих в реальном масштабе времени при цифровой обработке сейсмических,и других сигналов.Целью устройства является повьшение быстродействия,Иа фиг,изображена структурная схема устройства; на фиг. 2 - блоксхема рекурсивного алгоритма дискретного преобразования Фурье; на фиг. 3 - временная ди;.грамма работы устройства. ержит информационтр 2, вычитатель 3, истр 5, сумматор 6,2(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИСЛЕШЯ СКОЛЬЗЯЦЕГО СПЕКТРА(57) 1 зобретение относится к вычислительной технике, предназначено дл вычисления скользящего спектра сиги лов и может быть использовано в ана лизаторах спектра, работающих в реальном масштабе времени при цифровой обработке радиолокационных сейсмических и других сигналов. Бель изоб ретения - повьппение быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что в устройство входят блок постоян ной памяти, блок регистров, блок синхронизации, три умножителя три сумматора, пять регистров, вычитател и шинный формирователь, 3 ип. шинный формирователь 7, сумматор 8 регистры 9-11, сумматор 12, умножитель 13, блок 4 постоянной памяти, блок 5 регистров, информационный вы ход 6, умножитель 17, выход 8 блок 9 синхронизации, выходы 20-23 блока 9 синхронизации, генератор 24 тактовых импульсов, счетчик 25, триггеры 26 и 27 и дешифратор 28.Устройство работает следующим образом.Пусть на вход 1 поступают отсчеты у(К), К = О, 1, 2, , частотно- ограниченного периодического сигнала у(с) который можно представить как12 Сое) о51,3) - коэффициенты Аурье, аналогичные действительной и мнимой частям при комплексномпредставлении преобразования 1 ОФурье,Значения коэффициентов Фурье, соответствующие значениям мгновенногоспектра сигналов, можно получить,воспользовавшись методом описания 271-ц, вдпяобС сов ИоИ ядп 2 И ссов 2 Ц;6 со 2 се)о+( -е 1 Т - период сигнала у(с);Б - номер наивысшей гармоники всигнале у (с); системы посредством переменных состояния и алгоритмом фильтра Калмана,в котором вектор состояния образованкоэффициентами Фурье. Лолучаем рекурсивный алгоритм для вычисления коэффициентов Фурье в следующем виде: 2 Яв которой я = , - е Со Т о а инте рв ал дис к ретив а пип; К 1 о В.ео Д )ДГОО 1 ф 2 И + 21-мерный вектор ксэффициентов усиления, значение которого рассчитывается предварительно исходя из априорных данныхоб исследуемом сигнале(с) 11 с =1010103 - 20 +21- мерный вектор измерения; Т - индекс транспонирования; Ну(К) - Сх(К) -; Ы,(К)+(о(К)Один проход рекурсивного алгоритма вычисления коэффициентов Фурье со -где у(К) - отсчеты входного сигналау(с);х(К) - 121( + 21-мерный вектороценки спектральных сос -тавляющих на К-м ыагедис к ре тиз ации х(К+1) - 2 И + 2-мерный вектороценки спектральных составляющих на (К+)-м шагедискретизации2-БЯ вдпИУ аС сояМЯ С1 О 00 держит Ы +базовых операций, д-ябазовая операция д = 1, Б имеет ваап;- даос(;, (К) 81 п дЯ,ЬС +11, КС + е, (2(К)о,(Ю - (дИо х(К) сов 1(до С +Г(к) . (2,2)5Выражение для (11+1)-й базовой операции, в которой определяется значение постоянной составляющей, приведено к тому же виду, что и остальные баэо вые операции: 1527642 х 21)+, (К+1) = 1 х (К) + 0 х (К)КееУРК) - 1(Е) д еК), 11 РК) + О у 1 К) - у(К) Для упрощения описания выполним следующую замену в 2.п дСд 2) Ьсов У Ьй = аШЕ 1 Э1.И1)Ь, -).И,вдп щц Ьс. = д Тогда (2, 1) и (2. 2) примут вид; х 2(К+) = а;х, (К) + Ь; к ха,(К) + К у(К) - (К), (З,х 2, (К+1) = й; х(К) + а х,(К) + + К УЕК) - (К). 13.2) Одна итерация рекурсивного алгоритма вычисления коэффициентов Фурье выполняется за И+1 шагов, равных количеству базовых операций, Каждый шаг содержит два такта, Коэффициенты а;, Ь д 1 р е; записаны в блок 14, объем которого составляет 6(И + 1) слов, В каждом четном такте из блока 14 параллельно считываются коэффициенты а Й р 82 р в каждом нечетном такте - коэффициенты Ь;, а р Блок 15 регистров представляет собой ли)нейку сдвиговых регистров объемом 2(И + 1) + 1 слов. В каждом четном такте выполняется прием операндов х; (К + 1) и вьдача операнда х 2(,+(К) в каждом нечетном такте - приемх(К + 1) и вьдача х (,+е) (К)Счетчик 25 имеет коэффициент пересчета К = 2 И + 3, прием во все регистры и умножитель осуществляется положительным фронтом сицхроимпульса. В сумматорах 8 и 12 при отрицательном уровне на управляющем входе вьг полняется пропуск операнда, поступающего по первому входу, при положительном уровне - суммирование опе - рандов управляющие входы сумматора б и вычитателя 3 не показаны, так как режимы работы этих узлов не иэменяютсл). Вь 1 дача и) регистров 5 и 9-1 и пропуск операцдов через шинцый формирователь 7 выполняются поположительному уровню на управляющемвходе .5Рассмотрим работу устройства привычислен ии (К+1) -й ите ра ции. В пе р+ вом такте состояние счетчика 250000. В умножителях 13 и 17 прицяты соответственно операнды х (К)а, и х,(К), Ь,; выполняются умножеНця Х (К) е а, Х (К)1 Ь РЕЗуЛЬтатЫумножения проходят через сумматоры 12и 8 и поступают на вход регистров 11и 9. В умножителе 4 - холостой такт,Из блока 15 считывается операнд х (К)у ркоторый является результатом вычисления К-й итерации, и поступает навь)ход 16, из блока 14 по адресу0000 считываются коэффициенты20р а р Ва выход 1 устройства поступаетоперацд у(К+1), на выходе вычитателя3 получаем результат вычисления выЯщ 1р,гхеиии у(К) -хт;, РК) У 1 К)1)ЗС Во втором такте состояние счетчика 25 - 0001 . В умножителях 13и 17 выполняется соответс.твенно прием );,(К), с 1 и х, Щ , )1 р вычисляются произведения х,(К) с 1 х(К)а.В регистры 11 и 9 принимаются операнды х(К) с 1, и х (К) Ь. В сумматорах 12 и 8 вычисляются соответственнох(К) с + х (К)еа и х,(К) а, ++ х 2(К)Ь и поступают на вход реги 4 О стгов 11 и 9. Положительным перепадом с выхода 23 блока 19 синхронизации (сигнал образован дешифрацией нулевого состояния счетчика 25 тактов)в умножитель 4 принимается операнд45 Гу(К) - Ь" (К) р вычисленный в предыдущем такте в вычитателе 3, а такжеоперанд р цо сццхроимпульсу 18, Вумножителе 4 вычисляется произведение 8, у(К) - 11 (К) и поступает на50 вход регистра 5, по синхроимпульсу8 и присутствующему ему нулевомууровню на выходе 23 управления в регистр 2 принимается у(К+) . Из блока 15 считывается операнд х 1(К) и55 поступает на выход 16 и на вход умножителей 13 и 17, иэ блока 14 по адресу 0001 считываются коэффициенты ар Ь и е. В триггер 26 записывается О, а и его вход поступа 1527 Ь 42ет единичный уровень, Триггер 27в нулевом состоянии,В третьем такте состояние счетчика 25 - 001 О. В умножителях 135и 17 выполняется соответственно прием х(К), а и х (К), Ь, вычисляются произведения х (К)а, и х (К) Ьи через сумматоры 12 и 8 соответственно поступают на вход регистров 11и 9, В регистры 11 и 9 записываютсясоответственно х, (Е) д + х(К)а, их,(К)а + х(К) Ь. На управляющемвходе регистров 11 и 9 присутствуетединичный уровень (управляющий сигнал 21 равен единице, т.к. в триггер26 записывается по синхроимпульсуединица и поступает на вход триггера 27) . Этот единичный уровень разрешает поступление операнда х(К)Й+ 2+ х (К) а, на вход сумматора 6, операнда х,(Е) а + х(К) Ьна вход регистра 10 и на вход вычитателя 3, надругой вход которого поступает с выхода регистра 2 операнд у(К+1). Ввычитателе 3 вычисляется у(К+1)хЯ) а + х(Е) Ь, и поступаетрезультат на вход регистра 2,Произведение я 1 у(К) - (К) записывается в регистр 5 и поступает навход сумматора 6, на выходе сумматора 6 получается х (К+1) х (К) с 1++ х(К)а, + 8 у(К) - (К), В триггер 27 записан нуль, который запрещает подключение регистра 10 и шинного формирователя 7 соответственно к35входам сумматора 6 и вычитателя 3.В умножителе 4 вычисляется произведение д у(К) -(К), которое посФдает на вход регистра 5. Из блока 15считывается операнд х(К), а из блока 14 - операнды Й, а, КФ В четвертом такте состояние счетчика 25 - 0011. В умножителях13 и 17 выполняется прием х (К), йи х(К), а вычисляются произведения х (К)1 и х, (К), 1, В регистрах 113и 9 выполняется прием х(К) а и х(К). Ь, В сумматорах 12 и 8 вычис 50ляются соответственно х (К) л 1 ++ х,(К) а и х(Е) а + х(К)Ь, ирезультаты поступают на входы регистров 11 и 9, В регистр 10 принимается операнд х (К) а, + х (К) Ь на егоуправляющем входе присутствует еди 55ничный уровень, т.к. триггер 27 уста -навливается н единипу 1 управляющий сигнал 22), и обеспечивается поступление Операнда х, (Е)О + х(К)Ьна вход сумматора Ь, 1 а другом входе суммдторд 6 присутствует операнд ь 1 у(К) - (Е), который н данном тдкте запывдется в регистр 5, В сумматоре 6 вычисляется х, (К+1)х, (К)а, + х (Е)" Ь + Г у (К)(Е) . Результат суммирования, полученный н предыдущем такте на сумматоре Ь, х (Е+1) = х,(Е) 1 + + х(Е) д, + д Гу(Е) - 1(Е)1 синхроимпульсом записывается в блок 15, иэ которого счГГывдется О 1 ерднд х (К), Нэ блока 14 считываются операнды а, Ь, е. Б регистр 2 принимается сийхроимпульсом Операнд (у(е) -х(к)д + х, (Е) Ь 1 . Операнд д у (К)(Е)1, эдпсдный н регистр 5, кроме того, поступает через шинный формировдтель 7 на управляющем входе 22 - "1" на вход вычитателя 3, где вычисляется у(К+1) - х(Е)а + + х (Е) Ь - К Гу(К) 3 (КЛ - у (Е+1) - х (Е+1), и результат поступает на вход регистра 2. В умножителе 4 вычисляется 8,. у(К) - 1(К)1 и поступает на вход регистра 5.В пятом такте состояние счетчика 26 - ОО100, Операнд х, (К+1)х (Е)+ х (К)Ь + ду(Е)(К) записывается н блок 15, из котороО считывается Операнд х 5(К) . Работа Остальных узлов устройства аналогична, В (2 Ы+1)-м такте начинает вычисляться последняя баэондя операция алгоритма. В умножителях 13 и 17 вычисляются произведения соответственно х (К) ад+ и х+ (К)" Ьй+ и поступают на вход регистров 11 и 9,В умножителе 4 вычисляется я ,у(Е)-(Е . В регистры 11 и 9 записываются соотнетстненно х (К) Й 1 +,=1хам 1 (Е) а, + х(К) Ь . Иэ блока15 считынается х,1+(К), а из блока14 - Операнды 1ау Кгв+рВ (211+2) -м такте х (Е+1) записывается в блок 15 и выполняется холостой такт считывания. В умножителях13 и 17 вычисляются произведения хсн(Е) 11 " х+,(К) а 1 В умножитепе 4 вычисляется В у(К) (К) 1,с 15В (2 К+3)-м такте х ги, (К+1) записываетсяв блок 15, из которого считывается х (К+ ) для следующей итерации. В умножителях 13 и7 выполняется холостой такт, В умножителе 4вычисляется произведение яги) у(К)(К)1. В регистры 11 и 9 записываются соответственно х г.к, (К) " д я++ 0 а.ц+ Гу(Ю - 3(К)1,Далее работа устройства аналогична,формула изобретения40Устройство для вычисления скользящего спектра, содержащее блок синхронизации, первый умножитель, первый сумматорблок регистров, первый,второй, третий и четвертый регистры, 45 вычитатель и блок постоянной памяти, первый выход которого подключен к первому информационному входу первого умножителя, выход которого подключен к первому информационному входу50 первого сумматора, выход которого подключен к информационному входу первого регистра, выход которого подключен к второму информационному входу первого сумматора, выход блока регистров подключен к второму информа 55ционному входу первого умножителя, вход синхронизации которого соединен с входами синхронизации блока регистров, первого, второго и третьего регистров и подключен к первому такт -ному выходу блока синхронизации, второй тактовый выход которого подключенк входу синхронизации первого сумматора, третий тактовый выход блокасинхронизации подключен к входам разрешения выдачи первого и второго регистров, четвертый тактовый выходблока синхронизации подключен к входусинхронизации и входу синхронизациивыдачи четвертого регистра, информационный вход которого подключен квыходу второго регистра, пятый тактовый выход блока синхронизации подкл) чен к входу синхронизации ныдачитретьего регистра, выход которогоподключен к первому входу вычитателя,выход которого подключен к первомуинформационному входу третьего регистра, второй информационный нходкоторого является информационным входом устройства, а кодовый выход блока синхронизации подключен к адресному входу блока постоянной памяти,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью повышения быстродействия, в него введены второй и третий умножители, второй и третий сумматоры, пятыйрегистр и шинный формирователь, выход которого подключен к нторому входу вычитателя, первому информационному нходу второго сумматора и информационному входу четвертого регистра,выход которого соединен с выходомпервого регистра и подключен к первому входу третьего сумматора, выходкоторого подключен к информационномувходу блока регистров, выход которого является информационным выходомустройства и подключен к первому информационному входу второго умножителя, выход которого подключен к второму информационному входу второгосумматора, выход которого подключенк информационному входу второго регистра, второй и третий выходы блокапостоянной памяти подключены соответственно к второму информационномувходу второго умножителя и первомуинформационному входу третьего умножителя, ныход которого подключен кинформационному входу пятого регистра, выход которого подключен к второму входу третьего сумматора и информационному входу шинного формирователя, тактовый вход которого подквоченк четвертому выходу блока синхрониэа)ции, первый выход которого подключенк входам синхронизации второго и третьего умножителей и пятого регистра,пятый выход блока синхронизации под -ключен к входу синхронизации вьдачитретьего умножителя, второй информационньп вход которого подключен квыходу вычитателя,(Ю 1) Составитель А.БараноРедактор В,Петраш Техред Л,Сердюкова КорректоР О.Еравцо 11/53 осуда аказНИИПИ ГКНТ ССС 1 тия 4/5 вельо-издательский комбинат "Патент", г. У ул. Гагарина, 101 Произ Улр гп 9 п) Уао 28 Уп Тираж венного ко 13035, Мо 668 Подписнмитета по изобретениям и отсква, Ж, Раушская наб,Х (+1) ,Г,1 Р) я Й) ни фф