Устройство для выполнения преобразования фурье

ИСАНИЕ БР ДЕТЕЛЬСТВУ А ВТОРСИОМ лииЪФ ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Житомирский филиал Киевскогополитехнического института им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции(56) Патент США Яф 388100,кл. С Об Р 15/332, 1975,Авторское свидетельство СССРМ 928363, кл. С 06 Р 15/332,1982,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ(57) Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в радиотехнике и измерительной технике для определения коэффициентов преобразованияФурье случайных сигналов в реальноммасштабе времени. Цель изобретения -повышение быстродействияПоставленная цель достигается за счет того,что в состав устройства входят аналого-цифровой преобразователь 1, информационный вход 2, генератор 3 тактовых импульсов, генератор 4 псевдослучайных чисел, блок 5 постояннойпамяти, блок 6 синхронизации, группа 7, содержащая п формирователей моментов дискретизации 8 (и - размерпреобразования ), две группы 9, каждая из которых состоит из и накалвающих сумматоров-вычитателей 10умножителей на коэффициент, информационные выходы 12, 4 ил,13255 Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в радиотехнике и измерительной технике для определе 5 ния коэффициентов преобразования Фурье непрерывных и дискретных случайных сигналов в реальном масштабе вре 40 мени.Пель изобретения - повьппение быст родействия за счет уменьшения количества арифметических операций пересчета из,базиса прямоугольных фильтрующих Функций в тригонометрический.На Фиг. 1 представлена Функциональная схема устройства для выполнения преобразования Фурьена фиг, 2 - структурная схема Формирователя моментов дискретизации; на фиг. 3 - графики и временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг, 4 - временные диаграммы, поясняющие работу формирователя моментов дискретизации.Устройство для выполнения Фурье25 (Фиг. 1) содержит аналого-цифровой преобразователь (АПП) 1 с информационным входом 2, генератор 3 тактовых импульсов, генератор 4 псевдослучайных чисел блок 5 постоянной памяти 30 блок 6 синхронизации, группу 7, со.держащую и формирователей 8 моментов дискретизации, цве группы 9 одинако. вых блоков, содержащих и накапливающих сумматоров-вычитателей 10 и умножителей 11 на коэффициент, первый выход 13 генератора 3 тактовых импуль-. сов, вход 14 генератора 4 псевдослу-. чайных чисел, тактовый вход 15, так." товый вход 16, выход 17 генератора 3 тактовых импульсов, вход 18 обнуления, выход 19 генератора 4 псевдо"- случайных чисел, второй вход 20 форми- рователей 8 моментов дискретизации, первый выход 21, адресный вход 22 бло ка 5 постоянной памяти, второй выход 23, первый вход 24 Формирователей 8 моментов дискретизации, знако-. вый выход 25, знаковый вход 26 сумматоров вычитателей 1 О, информационный выход 2, информационный вход 28 сумматоров-вычитателей, выход 29 блока 5 постоянной памяти, управляющие входы 30 сумматоров-вычитателей 10 второй группы 9, установочный вход 32, третий вход 33 формирователей 8 моментов дискретизации, третий выход 34, четвертый вход 35 Формирователей 8 моментов дискретизации, четвертый 09 гвыход 36, пятый вход 37 формирователей 8 моментов дискретизации, пятыйвыход 38 блока 6, шестой вход 39 ипервый выход 40 формирователя 8 моментов дискретизации, тактовый вход41 сумматора-вычитателя 10 первойгруппы 9, второй тактовый выход 42формирователя 8 моментов дискретизации, тактовый вход 43 сумматора-вычитателя 10 второй группы 9, шестойвыход 44, обнуляющий вход 45 и выходы 46 сумматоров-вычитателей 1 Опервой и второй групп 9, вход 47 умножителей 11 на коэффициент.Формирователь 8 моментов дискретизации содержит (Фиг, 2) узел 48постоянной памяти, первый 49 и второй50 узлы (оперативной) памяти, коммутатор 51, первый адресный вход 52первого 49 и первый адресный вход53 второго 50 узлов оперативной памяти информационные входы 54 и 55первого 49 и второго 50 узлов оперативной памяти, управляющий вход 56коммутатора 51, выход 57 узла 48 постоянной памяти вторые адресные входы 58 и 59 соответственно первого 49 ивторого 50 узлов оперативной памяти,выход 60 первого узла 49 оперативнойпамяти, информационный вход 61 коммутатора 51, выход 62 второго узла 50оперативной памяти, информационныйвход 63 коммутатора 51, входы 64 и ббразрешения записи первого 49 и второго 50 узлов оперативной памяти,входы 65 и 67 разрешения считываниясоответственно первого 49 и второго50 узлов оперативной памяти, первый69 и второй 68 выходы коммутатора 51,управляющий вход 70 коммутатора 51,адресный вход 71,На фиг, 3 обозначены диаграммы: 72 - х-й нечетной прямоугольной Фильтрующей функции К .; 73 - плотность вероятности моментов дискретизации для -го сумматора-вычитателя 10 второй группы 9 74 - стохастической последовательности импульсов дискретизации на входе 41 1-го сумматоравычитателя 10 второй группы 9; 75 - первой гармоники 1"й Фильтрующей функции К (г), которая выфильтровывается в результате указанного алгоритма дискретизации; 76 - 1-й четной прямоугольной фильтрующей функции К , 77 " плотности вероятности моментов дискретизации для -го сумматора-вычитателя 10 первой группы 9;з132 78 - стохастической последовательности импульсов дискретизации на входе 43 -го сумматора-вычитателя 10 первой группы 9; 79 в .первой гармоники х-й фильтрующей функции К,(С), которая выфильтровывается в результате указанного алгоритма дискретизации;80 - сигнала на входе 67 второго узла 50 оперативной памяти 1.-го формирователя 8 моментов дискретизации;81 - сигнала на входе 65 первого узла 49 оперативной памяти 1-го формирователя 8 моментов дискретизации;82 - сигнала на входе 64 узла 49 оперативной памяти -го формирователя 8 моментов дискретизации; 83 - сигнала на входе 66 узла 50 оперативной памяти 1-го формирователя 8 моментов ди скретизации.На фиг. 4 обозначены: 84 - сигнал на первом выходе 13 генератора 3 тактовых импульсов; 85 - сигнал на втором выходе 17 генератора 3 тактовых импульсов; 86 - сигнал, поступающий на вход 65 в интервале считывания моментов дискретизации из узла 49 памяти моментов дискретизации или на вход 67 в интервале считывания моментов дискретизации 1-го формирователя 8 моментов дискретизации (в интервале записи информации на соответствущем входе 65 или 67 должен быть уровень "Лог. 0"); 87 - сигнал адреса, постулающий на входы 52 и 53 узлов 49 и 50 памяти моментов дискретизации (для работы их в режиме сччтывания информации с обнулением) 1-го формирователя 8 моментов дескритизации;88 и 89 - сигналы, поступающие на вход 70 коммутаторов 51 формирователей 8 моментов дискретизации.Пусть задана прямоугольная фильтрующая функция К (с), которая определяется выражейиемК (г) = вопд(впыс)где ы - частота требуемой спектральной оценки,Будем осуществлять стохастическую дискретизацию входного сигнала, умноженного на фильтрующую функцию Кв,(г-) с плотностью вероятности моментов дискретизации, пропорциональной функциив 1 п ю(. Для удобства возьмем1по М моментов дискретизации на каж-, дом полупериоде фильтрующей функции. Частотная характеристика случайного 5509 фильтра определяется выражением Р, (1 ы)М;Ь;1 - - 3 фк5 ф (иу)= с - Кв(г 1,) е эгде 1. - число периодов фильтрующейфункции К; на интервале анализа Т,который выбирается кратным периоду10 фильтрующей функции,Математическое ожидание ф з; (1 Ю)будет равно:Т М;Ь;Юфи 1 тРй)Р)ейк15оТ 14; 1.ц (1 Х Рц И дК:1оРк - плотность вероятностираспределения К-го момента дискретизации. В данном случаеР (г.) = Р = С; в 1 пЫ;с 1,где С. - коэффициент пропорциональ-,25 ности, вытекающий из условия нормировки плотности вероятности, который,в данном случае равен Т. Тогдай ь2: РК) = в.п., = Ю,Ь,-1 в р 1.Кг 1С учетом последнего выражения матема"тическое ожидание примет видт= -в 1 п(в 1 пш с)1 в 1 пы,с е Йс11Оти Г . -1 Ивхп м.се ЙС,2Из последнего выражения следует,40что такой случайный фильтр будет выделять синусоиду с частотой и;. Приэтом умножение сигнала производитсятолько на +1 и -1, Размножения спектра при стохастической дискретизации45не происходит, что позволяет получить спектральные оценки при сравнительно низкой частоте дискретизации.Для получения спектральной оценки начастоте ы, требуется два фильтра, работающих по описанному выше алгоритму(для синусной и косинусной составляющих). Операция перерасчетаиэ прямоугольного базисав тригонометрическийпри этомне требуется (кроме масштаби"рования).Устройство работает следующим образом.Генератор 3 тактовых импульсовгенерирует две последовательности5 1325509тактовых импульсов 84 и 85, которыеснимаются с его первогс 3 и второго17 выходов, соответственно, ВременнойТ 1интервал - соответствующий половине15периода х-й нечетной фильтрующей Функции, разбит на М, тактов с шагом З 1В И. из М. тактов (ИМ,) проиэво 1 1 1дится стохастическая дискретизациявходного сигнала с неравномерной 10плотностью вероятности, пропорциональ"ной Функции в 1 и М.г.1. Тактовые импульсы 84 поступают на вход 15 ЬЦПинформации, на вход 14 генераторапсевдослучайных чисел и вход 16 блока 6,За М, тактов с выхода 19 генератора 4 псевдослучайных чисел снимаетсяИ псевдослучайных чисел с рввномерной плотностью вероятности в интервале 0 - 1. Псевдослучайные числа поступают на входы 71 узлов 48 постоянной памяти Формирователей 8 моментовдискретизации. С выходов 57 снимаютпсевдослучайные числа с требуемой для 25каждой спектральной составляющейнеравномерной плотностью вероятности,пропорциональной модулю синусоиды измеряемой 1.-й гармоники. С выхода 57псевдослучайные числа поступают на, 30адресный вход 58 узла 49 оперативнойпамяти моментов дискретизации и адресный вход 59 узла 50 оперативной иамяти моментов дискретизации 1-го формирователя 8 моментов дискретизации, 35Узлы 49 и 50 оперативной памятиформирователя 8 моментов дискретизации служат для поочередного Формирования и выдачи моментов дискретиза. -ции входного сигнала для нахождения 10спектрального коэффициента Фурье. Если один из узлов 49 или 50 выдает мо-менты дискретизации на данном полупериоде 1-й нечетной фильтрующей Функции К., то другой из них нахо" 45дится в режиме Формирования моментов дискретизации для следующего полупериода. 50 Моменты ди скр етиз ации в виде положительных импульсов (74 и 78, Фиг. 3) поступают на тактовые входы соответствующих -х сумматоров-вычитателей 10 первой и второй групп 9 с того узла 49 или 50 памяти моментов дискретизации, который на данном полупериоде 1-й нечетной фильтрующей Функции 72 К (с) находится в режиме выдачи моментов дискретизации для четной и нечетной составляющих 1.-йспектральной оценки,Режим работы узлов 49 и 50 памятимоментов дискретизации задается уровнем 1.-й нечетной Фильтрующей функцииК , При низком уровне 1.-й нечетной фильтрующей функции 72 К ,соответствующий 1-й узел 49 оперативной памяти моментов дискретизации работает в режиме считывания моментовдискретизации, а -й увел 50 оперативной памяти моментов дискретизацииработает в режиме записи моментовдискретизации для последующего полупериода -й Фильтрующей функции. Приверхнем уровне нечетной К;фильтрующей функции 72 -й узел 50 памятимоментов дискретизации работает в режиме считывания момептов дискретиза -ции, а 1.-й узел 49 памяти моментовдискретизации работает в режиме записи моментов дискретизации для последующего полупериода:-й фильтрующейфункции, Адресация 1.-х узлов 49 и 50при низком уровне 1.-й нечетной фильтрующей Функции производится по адресным вхоцам 52 и 59 соответственно,а при высоком уровне К ;(С) - по адресным входам 58 и 53 соответственно.Блок 6 синхронизации формирует накаждом полупериоде последовательностьуправляющих сигналов 80-83 (фиг,З),88 и 89 (фиг, 4) и последовательностьадресов от 0 до Т, поступающую с еговыхода 21 на адресный вход 22 блока 5постоянной памя ги, а также п последовательностей адресов, поступающихс выходов 23 на соответствующие адресные входы 52 и 53 соответственноузлов 49 и 50 памяти моментов дискретизации Формирователей 8 моментовдискретизации (сигнал 87, фиг, 4),Раори заис омнтов дискретизации:в узел 50 при низком уровне фильтрующей функции 72 Кз приусловии, что все ячейки памяти узла 50 находятся в состоянии "Лог, 0",На вход бб узла 50 поступает с соответствующего выхода 34 "Лог. 1" ( сигнал 83, Фиг, 3), на вход 67 - с соответствующего выхода Зб "Лог, 0" ( сигнал 80, фиг. 3 ) который устанавливает память в режим записи. Навход 55 узла 50 постсянной памяти поступает сигнал, который разрешает адресацию узла 50 через адресный .вход 59, За время М . тактов данного1полупериода нечетной фильтрующей функции Кэ,(С) на адресный вход 59 соот 7 3ветствующего узла 50 памяти моментовдискретизации поступает М; псевдонаучных чисел с требуемой для гармоники неравномерной плотностью вероятности распределения. В выпавшие И .1ячеек памяти узла 50 записываются й,единиц, которые соответствуют моментам дискретизации с требуемой дляданной гармоники неравномерной плотностью вероятности в интервале от 0до М;. Временная диаграмма этого процесса приведена на фиг. 3,Рассмотрим считывание моментов дискретизации из соответствующего узла 49 при низком уровне 1-й фильтрующей Функции К з;(Й) при условии, что на предыдущем полупериоде в него было занесено Б. единиц описанным выше об 1разом, На вход 54 этого узла поступает "Лог. 0" (сигнал 72, фиг. 3), который разрешает адресацию блока 49 по входу 52. На вход 65 узла 49 памяти моментов дискретизации подается сигнал 81 с соответствующего выхода 36, на вход 64 поступает "Лог. 0" с соответствующего выхода 34. Первую половину полупериода К ;(й) узел 49 памяти моментов дискретизации находится в режиме считывания, а вторую половину - в режиме считывания с обнулением ячеек (сигнал 81, фиг, 3).За время одного полутакта генератора 3 тактовых импульсов (сигнал 84, фиг, 4) на адресный вход 52 приходит две адресные комбинации ш-я иМ;в 8 - ( 9 означает сложение по мо 2дулю М.). Переключение адресов (87, фиг. 4 ) производится сигналом 85 (фиг. 4), поступающим с второго выхода 17 генератора 3 тактовых импульсов на вход 18. На первом полутакте сигнала 84 с генератора 3 ("Лог. 1", сигнал 84, фиг. 4) из узла 49 памяти моментов дискретизации производится считывание информации из ш-й и изМ;ш + - ячейки памяти. Информация из2ш-й ячейки через коммутатор .51 формирователя 8 моментов дискретизации подается на тактовый вход 41 соответствующего сумматора-вычитателя 1 О второй группы 9 а информация из.шс+)М 72 ячейки памяти через коммутатор 51 подается на тактовый вход 43 соответствующего сумматора-вычитателя 10 первой группы 9, Наличие единиц в этих 25509 8ячейках памяти соответствует приходутактового импульса.На втором полутакте сигнала 84("Лог. 0", сигнал 84, фиг. 4) на узел49 памяти моментов дискретизации подаются те же два адреса ш-й иМ,т в. Это необходимо для того, чтобы на второй половине полупериодаО д-й Фильтрующей функции 72 производить обнуление этих ячеек памяти (сиг.нал 86, фиг. 4). Первую половину периода .-й нечетной фильтрующей функции К , на входе 65 узла 49 уро 5 вень "Лог, " (81, фиг. 3) . На вход 56коммутатора 51 подается код 1-й нечетной фильтрующей функции Кз, (г)для переключения входов 61 и 63 информации. На вход 70 коммутатора 5120 подаются сигналы 88 и 89 (фиг. 4).Уровень "Лог. 0" сигнала 89 разрешаетвыдачу информации с коммутатора 51, асигнал 88 служит для переключения выходов. При "Лог. 0" сигнала 88 (фиг.4)25 информация выдается на выход 68, а приуровне "Лог. 1" - на выход 69 коммутатора 5 формирователя 8 моментов дискретизации.Таким образом, на данном полуперио 30 де 1-й фильтрующей функции Кь;(й) эаМ, тактов производится стохастическаядискретизация сигнала, причем в -мсумматоре-вычитателе 10 первой группы 9 плотность вероятности 77 момен 35 тов дискретизации пропорциональна модулю косинусной составляющей 79 -йгармоники, а в .-м сумматоре-вычитателе 10 второй группы 9 плотность вероятности 73 пропорциональна модулю40 синусной составляющей 75 -й фильтрующей функции,На следующем полупериоде Кз,режимы работы узлов 49 и 50 памяти 45 моментов дискретизации меняются.Поступающая на адресный вход 22блока 5 постоянной памяти последовательность адресов производит считывание кодов Фильтрующих функций, кото рые поступают на информационные входы 30 и 31 сумматоров-вычитателей 1 О.На другие информационные и знаковыевходы 28 и 26 с интервалом дискретизации ЛТ поступают отсчеты в цифровом 55 виде с информационного выхода 27 изнакового вьхода 25 АЦП 1.Операции суммирования и вычитанияв сумматорах-вычитателях 10 осуществляются при поступлении. на вход 43а Ь; с; или 41 тактового импульса в видеЛог, ", Если знаки отсчета и кодафильтрующей функции совпадают, то производится спожение значения отсчета ссодержимым соответствующего сумматора вычитателя 10, если знаки не совпадают - вычитание. По окончании интер-,вала анализа с выхода 44 поступает импульс обнуления сумматоров-вычитателей 10. Одновременно производится счиОтывание информации с выхода 46 сумматоров-вычитателей О через умножители 11,На входы 30 сумматоров-вычитателей 10 первой группы 9 подаются коды 15фильтрующих функций К , , а на входы 31 сумматоров-вычитателей 1 О второй группы - В , (Е):Кз, (С) = зз.дп(з.пЫ;С),К с; (С) = зз.п(зз.п .),По окончании анализа в 1-х сумматорах-вычитателях 10 - промежуточныекоэффициенты а . и Ь,:11 где а и Ь, - спектральные коэффициенты Фурье исследуемого сигнала.По окончании анализа производится операция умножения в умножителях 11: а, = с,а,Если операцию умножения производить непрерывно, то с выхода устройства можно снимать текущий спектр исследуемого сигнала,Формула изобретения Устройство для выполнения преобразования Фурье, содержащее блок постоянной памяти, первую и вторую группы из п (п - размер преобразова ния) накапливающих сумматоров-вычитателей, первую и вторую группы из и умножителей на коэффициент, генератор псевдослучайных чисел, генератор тактовых импульсов, аналого-цифровой 50 преобразователь, выхоц знака и информационный выход которого подключены соответственно к входам 1.-х (=:1,п) накапливающих сумматоров-вычитателей первой и второй групп, выходы которых подключены к входам -х умножителей на коэффициент соответственных первой и второй групп, выходы которых являются .-ми информационными выходами 9 1 Осоответственно первой и второй группустройства, информационным входом которого является информационный входаналого-цифрового преобразователя,тактовый вход которого соединен с тактовь 1 м входом генератора псевдослучайных чисеп и подключен к первому выходу генератора тактовых импульсов, авыход блока постоянной памяти подключен к управляющим входам -х накапливающих сумматоров-вычитателей первойи второй групп, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены блок синхронизации и и формирователей моментовдискретизации, причем первый и второй выходы -го формирователя моментов дискретизации подключены к тактовым входам .-х накапливающих сумматоров-вычитателей соответственно второйи первой групп, первый и второй выходы генератора тактовых импульсов под -ключены соответственно к тактовомувходу и входу обнуления блока синхронизации, первый и второй выходы которого подключены соответственно к адресному входу блока постоянной памятии первому входу -го формирователя моментов дискретизации, второй вход которого подключен к выходу генератора псевдослучайных чисел, третий вход-го формирователя моментов дискретизации соединен с установочным входом блока синхронизации и подключенк выходу блока постоянной памяти,третий, четвертый и пятый выходы блока синхронизации подключены соответственно к четвертому, пятому и шестому входам 1.-го формирователя моментов дискретизации, а шестой выходблока синхронизации подключен к обнуляющим входам -х накапливающих сумматоров-вычитателей первой и второйгрупп, причем -й формирователь моментов дискретизации содержит узелпостоянной памяти, два узла памяти икоммутатор, первый и второй информационные входы которого подключены к выходам соответственно первого и второго узлов памяти, первые адресныевходы которых соединены и являютсяпервым входом формирователя, вторымвходом которого является адресныйвход узла постоянной памяти, выходкоторого подключен к вторым адреснымвходам первого и второго узлов памяти, информационные входы которых соединены с третьим информационным входом коммутатора и являются третьим11 1325509 12 входом формирователя, четвертым вхо- входом формирователя, шестым входом дом которого являются соединенные меж- которого является управляющий вход ду собой входы управления записью пер- коммутатора, первый и второй выходы вого и второго узлов памяти, входы которого являются соответственно перуправления считыванием которых соеди вым и вторым выходами формиронены между собой и являются пятым вателя.1325509Составитель А., Варанов Редактор В. Петраш Техред И,Попович Корректор Е. Рошко Заказ 3112/46 Тираж 672 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. УжгоРод, ул, Проектная, 4