Цифровой анализатор спектра

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик в 734579Опубликовано 15.05,80, Бюллетень М 18 Дата опубликования описания 18,05,80(71) Заявитель Минский радиотехнический институт(54) ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА 1Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники, предназначенным для спектрального анализа случайных процессов, и может использоваться при построении автоматизированных систем формирования и управлейия спектром случайного процесса.Известны цифровые анализаторы спектра 1, 2 и 31.Анализатор 111, содержит соединенные последовательно генератор тактовых импульсов и делитель частоты, выход которого соединен со входом блока ввода и первыми входами двух элементов И, вторые входы которых подключены к выходу генератора тактовых импульсов, соединенного со входом счетчика прямого счета; выход блока ввода через блок умножения, подключенный вторым входом к выходу счетчика обратного счета, соединен с первыми входами двух накапливаюших регистров, последовательно соединенные блок установки номера гармо 2ники и формирователь кода аргумента и знаков синуса и косинуса, а также две схемы сравнения и дешифратор пороговых значений. Выход делителя частоты соединен с импульсным входом формиро вателя кода аргумента и знаков синуса и косинуса, информационные выходы которого соединены с первыми входами схем сравнения, а знаковые выходы - с вторыми входами соответствующего накапливающего регистра. Третьи входы регистра под. ключены к выходу соответствующего элемеы та И, третьи входы которого подключены к выходам соответствующих схем сравнения, вторые входы которых соединены со входом дешифоатора пороговых значений и первым выходом счетчика прямого счета. Второй выход счетчика. соединен с с первым входом счетчика, обратного счета, подключенного вторым входом к выходу дешифратора пороговых значений. Недостатком устройства является малое быстродействие, так как анализ вецется с постоянной абсолютной разреша- ющей способностьео.Известно также устройство для спектрального анализа 2 С двумя каналами в каждый из которых входят блок преобразования, соепиненный с квадратором, общий сумматор, соединенный с усредняющим блоком, генератор гармонического сигнала и схемы сравнения. Каждый блок преобразования содержит измерительный блок, соединенный с накопителем, интегратор с ключом-разрядником, подключенный входом к одному из выхо 10; 1,1 ИЕ 1 ОСти СР ПЛОЖЕЧНОМУ ЯВИ ЯЕТ 1 У 30 анализатор спектра 3, содержащии бЛСК уира.ЗПЕНця, ПЕрВЫй В,;ХОП КОтрГОГО соединен СО входом счетчика преоб 11 а. зователь а 1 ад оп код, первый вход ,с с; о - рого является входом анализатора, а вто .;5 рой, соединеее с первым выходом бл 11 ка управлен 11 я; первый и второй блоки умножен 11 я, г 1 ервые входы которых соединены с выходом преобразователя анало 1-код, а втопь.е - с выходом соответствующего 40 преобразователя к 0 да аргумента в значения функций с 1 п 1 уса и косиуса; первый и второй сумматоры, первые входы кото- рых соединены с выходом соответствующего блока умножения; первый и второй 45 блоки сдвигающих регистров, вхоцы которых подключены к выходу соответствующего сумматора, а выходы - ко вторым входам соответствующих сумматоров; первый и второй блоки элементов И, пер вые входы которых соединены с выходами, соответствующих сумматоров, вторые входы - с первым выходом двоичногосчетчика, а выходы являются соответственно первым и вторым выходами анализатора. Ае 1 ад из спектра В этом анализатореведется с постоянной абсаеютнОЙ разрецов генератора гармоническоЕ о сигнала,а выхоцом - к двум схемам сравнения,вторые входы которых подключены к источникам постоянных напряжений, и логический элемент ИЛИ, Один вход элемента ИЛИ соединен с выходом первой схемы сравнения, другой - с выходом вто- р 0рой схемы сравнения и с управляющимвходом накопителя, выход элемента ИЛИподключен к измерительному блоку иключу.-разряднику.Зтот анализатор хотя и имеет более высокое быстродействие, чем анализатор 1)но тем не менее и его быстродействиееЕепостаточчо,Наиболее близким по технической шакыеей способ 1 еостьв или с переменной относительной разрецеающей способностью.Однако при постоянной абсолютной разрешающей способности анализа в высокочастотной части спектра берется значительно больше гармоник, чем это нужно для обеспечения заданной точности анализа, а это приводит к лишним вычислительным операциям (сложению, умножению), т, е. увеличению времени анализа и снижению быстродействия анализатора. Следовательно, для обеспечения заданной точности анализа можно в высокочастотной части спектра взять значительно меньше гармоник, т. е, вести анализ с постоянной относительной разрешающей способностью.Таким образом, недостатком известных анализаторов спектра является низкое быстродействие вследствие вепения спектрального анализа с постоянной абсолютной разрешающей способностью. Цель изобретения - повышение быстродействия цифрового анализатора спектра.Для достижения поставленной цели в цифровой анализатор спектра введены третий блок умножения, регистр константы и регистр кода аргумента, пульт управления, третий, четвертый и пятый блоки элементов И и формирователь знака ,осцнуса,При этом первый вход третьего блока умножения соединен с выходом регистра константы, вход которого соединен с выходом третьего блока элементов И.Первый вход третьего блока элементов И подключен к пульту управления, а второй - ко второму выходу блока управления; первый вход регистра кода аргумента соединен с выходом четвертого блока элементов И, первый вход которого подключен ко второму выходу двоичного сче. еека, а веорой =. к первому выходу блока управления. Второй вход регистра кода аргуиента соединен с выходом пятого блока элементов И, первый вход которого подключен к выходу третьего блока умножения, второй вход - к третьему выходу блока управления, Первый выход регистра кода аргумента соединен со вторым входом третьего блока умножения, второй и третий выходы - с первым и вторым входами формирователя знака косинуса, а четвертый выход первыми входами преобразователей кода аргумента в значения функций синуса и косинуса, Второй вход преобразователя кода аргумента в значение функции сину- некоторый постоянный коэф Чфициент. Тогда относительная разрешающая способностьбудет постоянной. где а абсолютная разрешающая способностьбудет изменяться(, к р)КОтносительная разрешающая способность определяется через заданную добротность О по следующей формуле: Из формул (2) и (4) определяют введенный ранее постоянный коэффициент На этот коэффициент умножают значение аргумента одной гармоники, чтобы попу чить значение аргумента следующей гармоники, При этом добротность во всем частотном диапазоне будет равна Я,: Частоты гармоник будут располагаться как показано на фиг. 2 и опредепяться по формулам (5) и (1), причем число их будет существенно меньше, чем при постоянной разрешающей способности.Если считать, что спектральный анапиэ с постоянной абсолютной разрешающей способностью является первым споса соединен со вторым выходом регистра кода аргумента, а второй вход преобразователя кода аргумента в значение функции косинуса подключен к выходу формирователя знака косинуса,Так как значение нового аргумента получается путем умножения на постоянное число, то отношение приращения частоты к частоте будет постоянным во всем диапазоне частот.Частота к-й гармоники будет опредепяться следующим образом:4 579 б собом, а с постоянной относительной разрешаю.цей способностью - вторым способом, то можно показать, что отношение Д 11 числа частотных отсчетов в первом способе к аналогичному числу во втором способе составит 1 О ОЗ- верхняя частота спектра; Ю 11 - нижняя частота спектра.На фиг. 1 показано расположение гармоник при спектральном анализе с постоянной абсолютной разрешающей способностью; на фиг. 2 - расположение гармоник при спектральном анализе с постоянной относительной разрешающей способностью; на фиг. 3 - структурная схема цифрового анализатора спектра.Цифровой анализатор спектра содержит блок управления 1, состоящий иэ генератора тактовых импульсов и делителя частоты, пульт управления 2, блок элементов И 3, двоичный счетчик 4, регистр 5 константы, блок умножения 6, блоки элементов И 7, 8 формирователь 9 знака косинуса, регистр 1 О кода аргуЗ 0 мента, преобразователи 11, 12 кода аргумента в значения функций синуса и косинуса соответственно, два идентичных канала попучения коэффициентов разложения Фурье Ак и Вк, кажцый из которых состоит из блока умножения 13(14), сумматора 15(16), параппепьно сдвигающего регистра 17(18), блока эпементов И 19 (20). Входной сигнал поступает на вход преобразователя 21 ана пог-код.Двоичный счетчик 4 имеет два выхода "а и "б". По выходу б" передается содержимое разрядов О - , по выхо ду а" - сигнал на разрешение выдачи вычисленных очередных коэффициентов разложения фурье АК и ВКс сумматоров 15, 17. Регистр 10 кода аргумента имеет два входа "а и "б" и четыре выхода в, "г, д", е", Разрядность регистра р. По входу "а. информация заносится в разряды т-.1 1., а по вхо ду "б - в разряды 0 -р, С выхода в снимается содержимое разрядов О.аР, а с с выхода г". - содержимое (г 1 )-го разряда, выход д" - выход (г -1 ) раз ряда, с выхода е снимается содержимое разрядов,О-+ -1; Г+ 1 )-И раз9 734579 занесется "1 " в-й разряд, а после 3 умножения на С получится число меньс ше двух и если не оставить разрядов з справа от Г ( т. е. 0 - Г -1)то дробная часть пропадет и останется та же 1 " 5 д что и до умножения, Число этих разряс дов определяется точностью задания чис- и ла С, т. е. числом разрядов регистрам 5 константы. Разряды (г+) +1) - Р В нужны для хранения полного аргумента 0 сИ, который необходим для полученияКс значения аргумента (к + 1)-й гармоники.Количество этих разрядов определяетсяпо следующей формуле: 5 20 30 35 Зна с 0 1 0 нак осинуса- количество разрядов отДОП(гч +1) до р.Таким образом, во сколько раз больше частота во столько раз больше и полный аргумент (т. е. без исключения целых периодов). Знаки функций синуса и косинуса формируются следующим образом:- знак синуса получается автоматически;- знак косинуса формируется форми. рователем 9, а это есть сумматор по модулю два, работа которого поясняетсятаблицей,Х( - содержимое (Г+ )-го разряд регистра 10 с весом М,Х - содержимое ( ф -1)-го раз 2 ряда регистра 10 с весом М/2.начения Х совпадают со знаком синуа, а значения Х + Х - со значениемнака косинуса,Цифровые значения частных произвеений со своими знаками поступают наумматоры 15, 16. Знак частного прозведения определяет переключение суматора на суммирование или вычитание.результате частное произведение, потупающее на сумматор, либо суммируетя с предыдущим результатом, либо выитается из него.Каждый сумматор. 15, 16 связан пряой и обратной связью с соответствующим сдвигающим регистром 17 или 18, что позволяет осуществлять циклическое движение сумм частных произведений соответствующих К 0,1внутри сдвигающих регистров с возвращением в сумматоры сумм для КфО ко времени очередного (п + 1)-го дискретного отсчета сигнала, В сдвигающем регистре происходит движение разрядных слов, соответствующих суммам частных произведений по уровням параллельно сдвигающего регистра, Очевидно, что .за время выдачи всех И отсчетов в разрядных цепочках параллельно сдвигающих регистров 17, 18 по всем уровням будут накоплены значения коэффициентов А, и ВК, В интервале време ни между засылкой К-го дискрета исследуемого участка сигнала и первым отсчетом следующего его участка осуществляется выдача коэффициентов фурье А к и Вк через открытые блоки элементов И 19, 20 на внешнее устройство ити в память ЭЦВМ, если цифровой анализатор является модулем машины.Использование новых элементов; блока умножения, регистра константы, регистра кода аргумента, формирователя знака косинуса, пульта управления, трех блоков элементов И позволяет повысить быстродействие цифрового анализатора спектра.В результате может быть расширена сфера применения анализаторанапример, использование его в качестве блока цифровой системы формирования и управления случайными вибропроцессами позволит существенно. уменьшить время такта управления и более эффективно настраиваться на заданную программу виброиспытаний.формула из обретенияЦифровой анализатор спектра, содержащий блок управления, первый выходкоторого соединен со входом счет чика,преобразователь аналог-код, первыйвхоц которого является входом анализатора, а второй - соединен с первым выходом блока управления, первый и второй блоки умножения, первые входы которых соединены с выходом преобразователя аналог-код, а вторые - с выходом соответствующего преобразователякода аргумента в значения функции синуса и косинуса, первый и второй сумматоры, первые входы которых соединены с выходом соответствующего блокаумножения, первый и второй блоки сдвигающих регистров, входы которых подключены к выходу соответствующегосумматора, а выходы - ко вторым входам соответствующих сумматоров, первый и второй блоки элементов И, первые входы которых соединены с выходами соответствующих сумматоров, вторые вхоцы - с первым выходом двоичного счетчика, а выходы - являютсясоответственно первым и вторым выходами анализатора, о т л и ч а ю щ и й -с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в анализатор спектра введены третий блок умножения, регистрконстанты, регистр кода аргумента,пульт управления, третий, четвертый ипятый блоки элементов И, формировательзнака косинуса, причем первый входтретьего блока умножения соединен свыходом регистра константы, вход которого соединен с выходом третьего блока элементов И, первый вход которогоподключен к пульту управления, а вто 30 рой - ко второму выходу блока управления, первый вход регистра кода аргумента соединен с выходом четвертого блокаэлементов И, первый вход которогоподключен ко второму выходу двоичногосчетчика, а второй - к первому выходублока управления, второй вход регистракода аргумента соединен с выходом пятого блока элемента И, первый вход ко 10 торого подключен к выходу третьегоблока умножения, второй вход - к третьему выходу блока управления, первыйвыход регистра кода аргумента соединен со вторым входом третьего блока5 умножения, второй и третий выходы регистра кода аргумента соединены с первым и вторым входами формирователя.знака косинуса, четвертый выход регистра кода аргумента соединен с первымивходами преобразователей кода аргумента в значения функций синуса и косинуса,второй вход преобразователя кода аргумента в значение функции синуса соединен со вторым выхоцом регистра кода25аргумента, а второй вход преобразователя кода аргумента в значения функциикосинуса соединен с выходом формирователя знака косинуса.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССР% 377811, кл. 9 06 б 7/52, 1973,2. Авторское свидетельство СССРМ 474810, кл. Э 06 Г 15/34, 1975,3, Авторское свидетельство СССРМ 446063, кл. О 06 Р 15/34, 1974прототип).