Устройство для выполнения преобразования фурье

(9) 01) 7 4 С О 6 Р 15/33 О НИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ффициен епрерыв сигнал ени, Ц 47 ал Кие ническ ского Корч 11 74 о СССР 32, 1982. ЛНЕНИЯ ПРЕ ЫПО сится к автоматехнике и мов радиотехнихник иГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(46) 23.12,86, Бюл. У (71) Житомирский фили ордена Ленина политех института(72) В. В. Гнилицкий, и П. М, Повидайко (53) 681, 32(088, 8) (56) Патент США У 388 кл, С 06 Р 15/332, 19Авторское свидетел ,В 928363, кл. С 06 Р (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ В ОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ (57) Изобретение отно тике и вычислительной жет быть использовано ке и измерительной те ределения коэ тов преобразования Фурье н ных и дискретных случайных ов в реальноммасштабе врем ель изобретенияупрощение устройства. Поставленнаяцель достигается эа счет того, чтоустройство для выполнения преобразования Фурье содержит две группынакапливающих сумматоров-вычитателдве группы умножителей, коммутатордва блока памяти, блок постояннойпамяти, синхронизатор, аналого-цифровой преобразователь, генератортактовых импульсов, генератор псевдослучайных чисел преобразовательпсевдослучайных чисел в последовательность псевдослучайных чисел сзаданной плотностью вероятности исоответствующие связи между узламиустройства. 4 ил,278887 2 Устройство для выполнения преобразования Фурье (фиг. 1) содержит аналого-цифровой преобразователь 1, информационный вход 2,.генератор 3 тактовых импульсов, генератор 4 псевдослучайных чисел, преобразова. тель 5 псевдослучайных чисел в последовательность псевдослучайных чисел с заданной плотностью вероятности, блок 6 постоянной памяти (кодов фильтрующих функций), синхронизатор 7, два блока 8 и 9 памяти (моментов дискретизации), коммутатор 10, две группы 11 вычислительных блоков, каждая из которых содержит по п накапливающих сумматоров-вычитателей 12 и по п умножителей 13 с информационными выходами 14, выход 15 генератора 3 тактовых импульсов, тактовый вход 16 генератора 4 псевдослучайных чисел, тактовый вход 17 синхронизатора 7, выход 18 генератора 4 псевдослучайных чисел, вход 19 преобразователя 5, выход 20 преобразователя 5, адресный вход 21 блока 8 памяти, адресный вход 22 блока 9 памяти, выход 23 синхронизатора 7, информационный вход 24 блока 9 памяти, выход 25 синхронизатора 7, информационный вход 26 блока 8 памяти, выход 27 синхронизатора 7, адресный вход 28 блока бпостоянной памяти, адресный вход29 блока 8 памяти, адресный вход30 блока 9 памяти, выход 31 синхронизатора 7, управляющий вход 32 блока 9 памяти, выход 33 синхронизатора 7, управляющий вход 34 блока 8 45 50 55 1Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и мо" жет быть использовано в радиотехнике и измерительной технике для определения коэффициентов преобразования Фурье непрерывных и дискретных случайных сигналов в реальном масштабе времени.Цель изобретения - упрощение устройства.На фиг. 1 представлена Функциональная "хема устройства для выполнения преобразования Фурье; на Фиг. 2 - графики, поясняющие теоретические основы работы устройства; на фиг, 3 - графики и временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг. 4 - времейные диаграммы работы блоков памяти (моментов дискретизации),памяти, выход 35 синхронизатора 7, управляющий вход 36 блока 8 памяти (иоментов),.управляющий вход 37 блока 9 памяти, управляющий вход 38 коммутатора 10, выход 39 синхронизатора 7, входы 40 обнуления сумматоров-вычитателей 12, информационный выход 41 блока 8 памяти, информационный вход 42 коммутатора 10, выход 43 блока 9 памяти, информационный вход 44 комиутатора 10, выход 45 коммутатора 10, тактовый вход 46 аналого-цифрового преобразователя 1, тактовые входы 47 сумматоров вычитателей 12, выходы 48 кодов Фильтрующих функций блока 6 паияти, ин" формационные входы 49 сумматороввычитателей 12 первой группы 11 и информационные входы 50 сумматороввычитателей 12 второй группы 11, знаковый выход 51 аналого-цифрового преобразователя 1, управляющие входы 52 сумматоров-вычитателей 12, информационный выход 53 аналого-цифрового преобразователя 1, информационные входы 54 сумматоров-вычитателей 12, выход 55 сумматоров-вычитателей 12 и входы 56 умножителей 13,На Фиг. 2 обозначены: 57 - пример желаемой временной весовой Функции ы(с); 58 - соответствующая 57 плотность вероятности распределенчя моиентов дискретизаций р(С).На Фиг. 3 обозначены: 59 - сигнал управления с выхода 35 синхронизатора 7; 60 - условное изображениесигнала на выходе 41 блока. 8 памяти(верхний уровень соответствует воз 40 никающим при считывании на выходе 41 моментам дискретизации в виде положительных импульсов); 61 - условноеизображение сигнала на выходе 43блока 9 памяти (верхннй уровень соответствует возникающим при считывании на выходе 43 моментам дискретизации в виде положительных им"пульсов); 62 - сигнал на входе 26блока 8 памяти; 63 - сигнал на входе 24 блока 9 памяти; 64 - условноеизображение сигнала на входе 34 блока 8 памяти," 65 - условное изображение сигнала на входе 32 блока 9памяти; 66пример изображения В,фильтрующей функции; 67 - формасигнала (код) знака фильтрующейфункции 66; 68 - форма сигнала (код)признака неравенства нулю фильтрующей Функции 66; 69 - пример нзобра78887Н4 Тогда Л . Рк =И Р(С),С учетом этого математическогоожидания спектр примет видт"5 К=Уи - -х(с). и(с). е дс.Таким образом получается, чтостохастическая дискретизация, осуществляемая по описанному принципу,приводит к умножению сигнала на заданную временную весовую функцию,которая улучшает качество вычисления коэффициентов Фурье. Заданиевременной весовой функции производится плотностью вероятности моментов дискретизации. Размножения спектра при стохастической дискретизации.не происходит, что позволяет использовать прямоугольные ФильтрующиеФункцииьРассмотрим работу устройства длявыполнения преобразования Фурье, реализующего данный алгоритм дискретизации,Рассмотрим обработку устройствоманалогичного сигнала. За один циклработы устройство обрабатывает сигнал на временном интервале длительностью Т с заданной временной весовой Функцией И (г.). Следующий временной интервал анализа начинаетсясразу за предыдущим без разрыва фазыанализируемого сигнала.Генератор 3 тактовых импульсовгенерирует последовательность 72(Фиг. 4) прямоугольных импульсов с ц(Е) сР(г) 9 40 45 Определим математическое ожидание этого спектрат)( 9ц)3 - - )( х(с)")"ь,аок ( где Рк(й) - плотность вероятностираспределения К-го момента дискретизации.В нашем случае 50 ь 55 жения фильтрующей функции К; 70 - форма сигнала (код) знака фильтрующей функции 69; 71 - форма сигнала (код) признака неравенства нулю Фильтрующей функции 69,На фиг. 4 обозначены; 72 - сигнал на выходе 15 генератора 3 тактовых импульсов; 73 - сигнал адресации на выходе 27 синхронизатора 7; 74 . - сигнал, поступающий на вход 34 в интервале считывания моментов дискретизации из блока 8 памяти или,на вход 32 в интервале считывания моментов дискретизации иэ блока 9 памяти (в интервале записи информации на соответствующем входе 34 или 32 должен быть уровень "лог, 0");75 " пример сигнала (информации) навыходе 45 коммутатора 10.Рассмотрим теоретические основы работы устройства.Для этого воспользуемся понятием случайного фильтра. Пусть, задан временной интервал Т и временная весовая Функция а(й) (Фиг. 2). Произведем на интервале от 0 до Т стохастическую дискретизацию. последовательностью из Но-Функцийь причем плотность вероятности распределения одного момента дискретизаций определяется Функцией Р(й)9 удовлетворяющей снедующим условиямгде с - коэффициент пропорциональности, определяемый из соотношениятс -а дС,оНайдем усредненный спектр сигнала,умноженного на стохастическую поснедовательность из 1(1 о-функцийп)(.1 Ы = 2- К(к) е1-1 и 111 к:( Р( (ф) Рфф РкР 9 интервалом Ьь которые снимаются свыхода 15. Интервал анализа длитель" ностью Т разбит на М тактов, с шагомС, В М из М тактов (К с М)производится стохастическая дискре" тизация входного сигнала с неравномерной плотностью вероятности. Тактовые импульсы поступают на вход 16,генератора 4 псевдослучайных чисел и на тактовый вход 17 блока 7, За М тактов с выхода 18 генератора 4псевдослучайных чисел снимается Бпсевдослучайных чисел с равномернойвероятностью в интервале 0 : М.Псевдослучайные числа поступают навход 19 преобразователя 5, с выхода20 которого снимаются псевдослучайные числа с требуемой неравномерностью плотностью вероятности, С выхода 20 преобразователя 5 псевдослучайные числа поступают на адресныйвход 21 блока 8 и адресный вход блока 9. Блоки 8 и 9 памяти (моментовдискретизации) служат .для поочередного формирования и выдачи моментовдискретизации входного сигнала наинтервале Т. Если один из блоков 8или 9 выдает моменты дискретизациина данном интерв;ле анализа Т, тодругой из них находится в режимеформирования моментов дискретизациидля следующего интервала анализа,Моменты дискретизации 75 (фиг. 4) ввиде импульсов с выхода 41 (условноеизображение 60 фиг, 3) блока 8 иливыхода 43 (условное изображение 61на фиг. 3) блока 9, поступают на инфор"мационные входы 42 и 44 коммутато-ра 10 соответственно, который передает на свой выход 45 информацию стого блока 8 или 9, который находится на текущем интервале анализа врежиме выдачи информации. Моментыдискретизации поступают на тактовыйвход 46 блока 1 и тактовые входы 47сумматоров-вычитателей 12, Условноинтервалы анализа входного сигналадлительностью Т можно разбить на нечетные и четные, Начнем рассмотрениеработы узлов устройства с нечетногоинтервала. Нечетному интервалу навыходе 36 блока .7 будет соответствовать уровень лог, "0", а четному ингтервалу - лог, "1" (сигнал 59 нафиг. 3), Этот сигнал 59 подается науправляющий вход 38 коммутатора иуправляющие входы 36 и 37 блоков 8и 9 соответственно. На нечетных ин"тервалах блок 8 памяти работает в режиме считывания моментов дискретизации, а блок 9 работает в режиме записи моментов дискретизации для следующего четного интервала анализа. Адресация блоков 8 и 9 нанечетных интервалах анализа производится по адресным входам 29 и 22соответственно, а на четных интервалах - по входам 21 и 30 соответственно. На нечетных интервалахинформация на выход 45 коммутаторапоступает с входа 42, а на четных -:с входа 44, На четном интервале анализа формирование моментов дискретизации производится в блоке 8, аих считывание - из блока 9,Синхронизатор 7, содержащий счетчик выборки со схемой управления, формирует на каждом интервале анализа последовательность управляющих сигналов 59, 62, 63 64, 65 (фиг, 3) и последовательность адресов от 0до М, поступающую с его выхода 27 на адресный вход 28 блока 6 адресный вход 29 и адресный вход 30 блоков 8 и 9 соответственно (условное изображение 73 на фиг. 4).Рассмотрим запись моментов дис-. кретизации в блок 9 иа нечетном интервале анализа при условии, что все ячейки памяти блока 9 находятся в состоянии лог. "0". На информационный вход 24 блока 9 с выхода 23 блока 7 поступает лог, "1" (сиг" нал 63 на фиг, 3). На вход 37 блока 9 поступает уровень лог. "0" с выхода 35 блока 7 (сигнал 59 нафиг. 3), который разрешает адресацию блока 9 через адресный вход 22 На вход 32 блока 9 поступает уровень лог. "0" с выхода 31 блока 7 (сигнал 65 на фиг. 3), .который устанав" ливает память блока 9 в режим запи" си. За время М тактов данного нечетного интервала анализа на адресный вход 22 блока 9 поступает И псевдослучайных чисел с требуемой для анализа неравномерной плотностью вероятности распределения, В выпавшие И ячеек памяти блока 9 записывают И единиц, которые соответствуют моментам дискретизации с неравномерной плотностью в интервале от 0 до М. Временная диаграмма этого процесса представлена на фиг, 3. 35 40 45 50 55 Рассмотрим считывание моментов. дискретизации из блока 8 на нечет-ном интервале анализа при условии, что на предыдущем интервале в него заносится И единиц описанным образом. На вход блока 8 поступает уровень лог, "О" (сигнал 59 на фиг, 3), который разрешает адресацию блока 8 по адресному входу 29, На вход 34 блока 8 поступает последовательность импульсов (условное изображение 64 на фиг, 3) с выхода блока 7, которая попеременно на каждом такте меняет режим работы памяти блока 8 (сигнал 74 на фиг. 4). Первую половину такта длительностью Ай память находится в режиме считывания, вторую - в режиме записи, Поскольку на информационном входе 26 установлен уровень лог. "О" ;сигнал 62 на фиг. 3), то ячейки памяти блока 8 после каждого считывания об"нуляются, На адресный вход 29 блока 8 поступает с выхода 27 блока 7 последовательность адресов (услов7 12ное изображение 73 на фиг. 4) от Одо М с шагом ьй.Таким образом, на данном интервале за М тактов (что составляет дли"тельность всего интервала) производится последовательное считываниеинформации из памяти блока 8, Появляющиеся на информационном выходе41 блока 8 положительные импульсы(условное иэображение 60 на фиг, 3)через коммутатор 10 поступают .натактовый вход 46 блока 1 и тактовыевходы 47 сумматоров-вычитателей 12Моменты появления положительных импульсов на выходе 45 коммутатора 10(условное изображение 75 на фиг. 4)соответствуют моментам дискретизации входного сигнала,Описанным способом осуществляется стохастическая дискретизациявходного сигнала с неравномернойплотностью вероятности распределения моментов отсчетов на"интервалеанализа беэ разрыва фазы анализиру-емого сигнала между интерваламианализа,По окончании текущего интервалаанализа режимы работы блоков 8 и 9меняются.Поступающая на адресный вход 28блоков последовательность адресов от0 до И производит считывание кодовфильтрующих Функций, которые поступают на информационные входы 49 и50 сумматоров-вычитателей 12. На 78887 8другие информационные входы 54 ивходы 52 с сумматоров-вычитателей12 поступают отсчеты в цифровомвиде с информационного выхода 53 изнакового выхода 51 блока 1 соответственно. Операции суммирования ивычитания в сумматорах-вычитателях12 осуществляются при поступлении навход 47 тактового импульса в ниде О лог, "1" (условное изображение 5на фиг, 4), Если знак отсчета и.кода фильтрующей функции совпадает,то производится сложение значенияотсчета с содержимым соответствую щего сукчатора-вычитателя,12, еслизнаки не совпадаютто - вычитание.При поступлении кода фильтрующейфункции, соответствующего нулю,данный отсчет не учитывается. По 20 окончании интервала анализа с выхода 39 блока 7 поступает импульс обнуления сумматоров-вычитателей 12,Одновременно производится считывание информации с выходов 55 сумма торов-вычнтателей 12 через умножители 13. На входы 49 сумматоров-вычитателей 12 первой группы 1 подаются ко- ЗО ды фильтрующих функций К ,(с), навходы 50 сумматоров-вычитателей второй группы - К ,(С).Пусть, например, используютсяфильтрующие функции вида 66 и 69 35 (фиг 3)5 Т; 7 Т,78887 10 1а, -а;с Ь- .Ь1.с а, саЬ; сЬ,Устройство для выполнения преобразования Фурье, содержащее две группы накапливающих сумматоров-вычитателей, две группы умножителей, аналого-цифровой преобразователь, блок постоянной памяти, выход которого подключен к первым информационным входам накапливающих сумматоров-нычитателей первой и второй групп, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к входу генератора псевдослучайных чисел, выходы х-х (=1,; и - размерность преобразования) накапливающих сумматоров 9 12где д - порядковый номер фильтрующей функции;Т, - период 1.-й фильтрующейфункции;1. " любое целое число,Пусть спектр исследуемого сигналане содержит частот выше пятой гармоники самой низкочастотной фильтрующей функции,Тогда после окончания интервалаанализа в сумматорах-нычитателях 12первой группы 11 будет л промежуточных коэффициентов Ь; , а в накапливающих сумматорах-вычитателях 12второй группы 11 " и промежуточных1значений коэффициентов а2а," -111" )Ик)с, Ик)1(сЬ, - - . ХкМ(к)э, к)сК ,Поскольку спектр сигнала не перекрывает высших гармоник фильтрующих функций, то данная система примет вид где аи Ь, - спектральные коэффициенты исследуемого сигнала на 1.-й частоте.Их вычислениепроизводится по формулам Операция умножения производится в умножителях 13 по окончании интервала анализа. Формула изобретения 10 15 20 25 30 35 40 45 50 вычитателей первой и второй групп подключены к входам 1.-х умножителей соответственно первой и второй групп, выходы которых являются выходами соответственно реальной и мнимой частей д-го коэффициента Фурье устройства, выход знака аналого-цифрового преобразователя подключен к управляюпим входам накапливающих сумматоров-вычитателей первой и второй групп, информационный выход аналогоцифрового преобразователя подключен к вторым информационным входам накапливающих сумматоров-вычитателей первой и второй групп, а информационный вход аналого-цифрового пре" образователя является информационным входом устройства, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью упро" щения, оно содержит два блока памяти, коммутатор, синхронизатор и преобразователь псевдослучайных чисел в последовательность псевдослучайных чисел с заданной плотностью вероятности, выход которого подключен к первым адресным входам первого и второго блоков памяти, выходы которых подключены соответственно к первому и второму информационным входам коммутатора, выход которого подклю" чен к тактовому входу аналого-цифро. ного преобразователя и тактовым входам накапливающих сумматоров-вычитателей первой и второй групп, входы обнуления которых подключены к первому выходу синхронизатора, второй выход которого подключен к управляющему входу коммутатора и входам управления считыванием первого и второго блоков памяти, входы управления записью которых подключены соответственно к третьему и четвертому выходам синхрониэатора, пятый и шес" той выходы которого подключены к информационным входам соответственУ но первого и второго блоков памяти, вторые адресные нходы которых соединены с адресным входом блока постоянной памяти и подключены к седьмому выходу синхронизатора, тактовый вход которого подключен к ныходу генератора тактовых импульсов,выход генератора псевдослучайных чисел подключен к входу преобразователя псевдослучайных чисел в последовательность псевдослучайных чисел с заданной плотностью вероятности.1278887ггйУюга ааг ю ю ааа ю ю г ааоюю юоооюююооо у ю ю аа юааюоаюааюааюоаюооюооюооюо о юююаааюю оооюююоаоюююоооюююо еюю агар юрою ооюооюаоюоо юооюоо юао с 7 ЧФиг.ФСоставитель А, Баранов Редактор В. Иванова Техред А,Кравчу к Ко екто С, ШекмарРР р Заказ 6841/49 Тираж 671 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Б, Раушская наб., д, 4/5 Производственно-,полиграфическое предприяти , ,ре г Ужго од ул. Проектная, 4