Устройство для вычисления спектрафункций уолша

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советскик С оциалистйческик Республик(22) Заявлено 181079 (21) 2831264/18-24с присоединением заявки йо . -(51)М, Кл. С 06 Р 15/332 Госуларственный комитет СССР по лелам изобретений и открытий(71) Заявител г ютчг инский радиотехнический инстит(5 ТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ СПЕКТР ФУНКЦИЙ УОЛША блок говы блок саци Изобретение относится к цифровой вычислительной текнике и может быть использовано при построении специализированных процессоров дляпреобразований спектральных характеристик в различных базисных системах функцийцифровых многоканальных систем связи, систем автоматизированного синтеза сложных структурных элементов цифройойтехники методом спектральных отОбражений, аппаратуры распознаванияи имитации образов, а также при создании диагностической аппаратуры для систем и устройств, работающих.в базисе функций Уолша.Известнф устройство для спектраль ного анализа, содержащее три блока памяти, коммутатор, блок задания тригонометрических функций, операционный блок, выполненный в виде сумматоров и умножителей, блок инверсной перестановки и соответствующие связи. Устройство реализует наиболее эффективный метод вычислений - быстрое преобразование Фурье 1),.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее блок опреде- ления корреляционной функции, три переключателя, два блока памяти,умножения, регистр, цифроанало"й преобразователь, интегратор,задания констант и блок адреи, в совокупности адекватные пофункциональному назначению блоку определения весового коэффициента,шифратор, блок сравнения, три счетчика, элемент И, ключевой элемент,адекватный по функциональному назначению триггеру, делитель, сумматор,дешифратор, преобразователь кода,блок управления и соответствующиесвязи. Устройство позволяет вычис.лить спектры сигналов и процессов, 5 в том числе и функций Уолша 2.Недостатки известных устройствзаключаются в низком быстродействии,а при решении ряда задач - полнойнепригодностидля спектрального ана лиза функций уолша и образующих ихфункций.Цель изобретения - повышение быстродействия и расширение функциональных возможностей за счет определения спектра функций Уолша и Радемахера только по их номерам, безгенерации во времени этих функций.Поставленная цель достигаетсятем, что в устройство, содержащее 0 счетчик, блок адресации, блок задания констант, блок умножения, сумматор, переключатель, блок сравнения, триггер, формирователь номера цикла, элеМент И и блок управления, первый выход которого подключен к первому входу триггера, первый выход которого подключен к первому входу элемента И, выход которого подключен кпервому входу блока управления, а второй вход элемента И соединен с первым выходом формирователя номера цикла, вход которого подключен к выходу сумматора, а второй выход формирователя номера цикла является первым выходом устройства и соединен с первыми входами переключателя и блока сравнения, выход которого 15 подключен к второму входу триггера, второй выход которого подключен к второму входу переключателя, выход которого подключен к первому входу блока адресации, выход которого под ключен к входу блока задания констант, выход которого подключен к первому входу блока умножения, выход которого является вторым выходом устройства, вход счетчика является первым входом устройства, входрегистра является вторым входом устройства, выход регистра соединен с вторым входом блока сравнения, введены группа элемЕнтов И, генератор кода Грея, регистр сдвига, циклический регистр сдвига и блок формирования знака, выход которого подключен к второму входу блока умножения, а вход блока формирования знака соединен с первым входом регистра сдвига и первым выходом генератора кода Грея, второй и третий выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, а вход генератора кода Грея соединен с выходом счет чика, второй вход блока адресации объединен с вторым входом блока управления и подключен к выходам группы элементов И, входы которых подключены к первому выходу Регистра 45 сдвига, второй выход которого подключен к третьему входу блока адресации, четвертый вход которого соединен с выходом циклического регистра сдвига, первый вход которого подключен квторому входу регистра сдвига и второму выходу блока управления, авторой вход циклического регистра сдвига соединен с третьим выходом блока управления.Кроме того, блок управления со- держит четыре элемента И, делитель частоты, генератор импульсов, регистр сдвига и одновибратор., выходы которого соединены с первыми входами трех элементов И и тактовым входом ре гистра сдвига, первый и второй выходы которого соединены с вторыми входами соответственно первого и второго элементов И, выходы которых являются соответственно первым и третьим выходами блока управления, первый ивторой входы четвертого элемента Иявляются соответственно первым ивторым входами блока управления, авыход четвертого элемента И соединенс вторым входом третьего элемента И,выход которого подключен к входу делителя частоты, выход которого является вторым выходом блока управления,а входы регистра сдвига и одновибратора объединены и являются управляющим входом устройства.На фиг.1 представлена структурнаясхема устройства; на фиг.2 - структурная схема блока управления.Устройство содержит счетчик 1,группу 2 элементов И, блок 3 адресации, блок 4 задания констант,генератор 5 кода Грея, регистр бсдвига, блок 7 умножения, сумматор8, циклический регистр 9 сдвига,переключатель 10, логический блок11, регистр 12, блок 13 сравнения,триггер 14, преобразователь 15 кодаэлемент 16 И и блок 17 управления.Счетчик 1 предназначен для приема с первого входа устройства начального номера г 61,2, .ИФункции Уолша, спектр которой необходимо вычислить, и наращивания этогономера в естественном порядке (вычисление спектра для тривиальногослучая юа 1(0,х) в устройстве непредусмотрено).Группа 2 элементов И предназначена для анализа на нуль состояниярегистра б сдвига и формированиятем самым признака функции синуса,косинуса .(логический уровень единицы) или функции отсчетов (я 1 п х)/х(логический уровень нуля).Блок 3 адресации предназначен дляформирования адреса (в общем случаепризнака) требуемой в процессе вычислений константы (значения функции). На первый его вход подаетсякод 1 Е 1,2Бномера спектральной компоненты, адекватного номеруцикла работы устройства. На второйвход подается одноразрядный признакфункции синуса, косинуса (логическийуровень единицы) или функции отсчетов (логический уровень нуля), Натретий вход подается одноразрядныйпризнак функции синуса (логическийуровень единицы) или косинуса (логический уровень нуля). На четвертыйвход подается код признака сомножителя й /2" аргумента функций, гдел.61,2 в=1 од, И, причем кодировка осуществляется по принципу001-йь/2, 0010-Ж/4, 00100-4/8 и т.д,Блок 4 задания констант предназначен для хранения или,формирования (взависимости от конструкции) значенийфункций я 1 п(ИС/2" ), соясй/2 ),20 25 30 35 40 45 50 55 60 б 5 Генератор 5 кода Грея предназначен для формирования на первом.выходе кода Грея С(г) от числа г; на втором выходе-кода Грея С(2 з) от числа 2; на третьем выходе - С(2 з), Я=г/2 для г-четных, Я=г/2+1 - для г - нечетных чисел.На вход генератора 5 кода Грея подается двоичный код ге 1,2Бномера функции УолшаКонструктивно генератор может быть выполнен по лю" бому из известных методов преобразования двоичного кода в код .Грея.Блок 7 умножения предназначен для выполнения последовательного перемножения операндов, поступающих на первый вход, Знак полученного произведения корректируется (присваивается) в соответствии с сигналом на втором входе. Результат на выходе может сопровождаться одноразрядным признаком действительной или мнимой величины,Сумматор 8 предназначен для выполнения операции сложения по модулю два операндов, поступающих на первый и второй входы, т,е. С(2 Я) +6(2 Я), и управления работой преобразователя 15 кода.Циклический регистр 9 сдвига предназначен для задания сомножителя Ж/2" аргумента функций в соответствии с тактом работы устройства путем циклического сдвига единицы. На первый вход регистра подается сигнал сдвига в сторону старших разрядов. По второму входу организована начальная установка кода 001, а с выхода снимается параллельный код состояния.Переключатель 10 обеспечивает передачу информации с первого входа на выход при разрешающем уровне напряжения на втором входе (логический уровень единицы) и блокирует этот тракт при низком логическом уровне напряжения на втором входе.Блок 11 предназначен для формирования знака и признака действительной или мнимой величины (в общем . случае двухразрядный код на выходе) путем анализа количества функций Ра-. демахера, образующих данную функцию Уолша. Логическая функция, выполняемая блоком, зависит от интервала представления функции Уолша,.Регистр 12 предназначен для приема с второго входа устройства номера )в 1,2. Бвычисляемой спектральной компоненты соответствующей функции Уолша.Блок 13 сравнения предназначен для формирования сигнала совпадения (логический уровень единицы) или несовпадения (логический уровень нуля) кодов, поступающих на первый и второй его входы.Триггер 14 предназначен для формирования управляющих сигналов для переключателя 10 и элемента 16 И,соответственно на втором и первом выходах, По первому входу триггер14 устанавливается в исходное нулевое состояние (высокий логическийуровень напряжения на первом выходе),а второй вход является установочным,формирователь 15 предназначен дляформирования кода номера цикла 161, 2Иработы устройства и имеет особенности функционирования и конструктивных решений.Элемент 1 б И предназначен дляформирования сигнала Прерывания вычислений в случае, если на его входах присутствуют высокие логические уровни напряжения, т.е. вычисления 15 прерываются на данном цикле, если.спектральная компонента с номером, равным номеру цикла, равна нулю.Блбк 17 управления предназначен для синхронизации во времени структурных элементов устройства, По.входу, являющемуся управляющим, задается признак конца вычислений (высокий логический уровень напряжения),т,епрерывание работы устройства на данном цикле и переход на следующий цикл. Первый, второй и третий выходы являются импульсными, по которым организуется передача одиночных или групп импульсов в соответствии с законами функционирования структурных элементов устройства. Одиночные импульсные сигналы с первого и третьего выходов предшествуют началу каждого цикла работы устройства, обеспечивая установку исходных состояний триггера 14 и циклического регистра 9 сдвига. На второй выход блока 17 управления выдаются тактирующие импульсные сигналы, соответствующие тактам работы устройства с номерами в естественном порядке.Блок 17 управления содержит (фиг.2) первый 18, второй 19, третий 20 и четвертый 21 элементы И, делитель 22 частоты, генератор 23 импульсов, регистр 24 сдвига и одновибратор 25. Первые входы второго 19, третьего20 и четвертого 21 элементов И соединены между собой и подключены квыходу генератора 23 и второму входу регистра 24,первый выход которого подключен к внешнему входу блока 17 управления и входу одновибратора 25, выход которого подключен к входу генератора 23, первый и второй входы блока 17 подключены соответственно к первому и второму входам первого элемента 18 И, выход которого подключен к второму входу второго элемента 19 И, выход которого подключен к входу делителя 22, выход которого подключен к второму выходу блока 17, Первый выход блока 17 подключен к выходу второго элемента 19 И, второй вход которого подключен к первомувыходу регистра 24, второй выход которого подключен к второму входу третьего элемента 20 И, выход которого подключен к третьему входу блока 17Первый элемент 18 И предназначен для формирования сигнала прерывания работы блока 17 управления путем осуществления операции конъюнкции над сигналами прерывания вычислений и конца цикла. Второй элемент 19 И предназначен для управления передачей импульсных сигналов на второй выход блока 17. Третий 20 и четвертый 21 элементы И предназначены для формирования одиночных сигналов на первом и третьем выходах блока 17,Делитель 22 частоты педназначен для формирования последовательности импульсов с периодом, равным времени выполнения операций блоками устройства в течение одного такта. Генератор 23 импульсов обеспечивайт Формирование последовательности импульсных сигналов,Регистр 24 сдвига предназначен для управления работой третьего 20 и четвертого 21 элементов ИПо первому входу осуществляется запись единицы в младший разряд, а по второму входу - сдвиг информации в регистре.Одновибратор 25 предназначен для задержки внешнего пускового сигнала при запуске генератора 23 импульсов.Блок управления работает следующим образом.По внешнему пусковому сигналу в момент времени(фиг.3) в младший разряд регистра 24 сдвига записывается единица и через время Ь 1 одно- вибратор 25 запускает генератор 23 импульсов, Первый импульс с выхода генератора 23 передается на первый выход блока 17 управления (1), так как на первом выходе регистра 24 присутствует логический уровень единицы, а на втором выходе - логический .уровень нуля. Этот же импульсный сигнал сдвигает единицу на один разряд в регистре 24Следующий импульс,формируемый генератором 23, передается на третий выход блока 17 ( ) и освобождает регистр 24 от информации. При наличии разрешающих уровней напряжения на первом и втором входах блока 17 тракт передачи сигналов свыхода генератора 23 на второй выходблока 17 открыт, а делитель 22 частоты обеспечивает требуемую частотуформирования. на втором выходе сигналов (1 - 15 ),Блокировка передачи сигналов навторой выход может быть осуществленапо любому из низких уровней напряжения на первом или втором входах блока.17 (ь,1 В), Очередной цикл работыблока 17 выйолняется аналогично (1,9) фПреобразователь 15 кода содержитщ(п=1 оЗ 2 И) схем преобразования, каждая из которых обеспечивает формирование последовательности кодов на выходе в соответствии с Формулой5 уд =2 (2 Х), Р=1,2, 1 Я 2362,3, п+1, (1)где 3 " номер разряда входного двоичного кода, адекватный номеру схемы в преобразователе,в котором записана единица,Выбор схемы преобразования осуществляется ш-разрядным управляющимкодом на входе.После формирования всей последовательности на первый выход выдается сигнал конца последовательности(высокий логический уровень) .Преобразователь 15 может быть выполнен в виде комбинационных схем,синтезированных по известным методам конечных автоматов или в видевычислительных устройств, микропрограмма которых реализует уравнение (1) .В основу работы устройства поло 25 жены следующие математические соотношения. Любую функцию Уолша жа 1(г,х) можно представить в виде произведения функций Радемахерача 1 (г, х) =и Р, (х) ф30 где В(х) =сов Ь - функция Радемахера;9 -1-ый разряд кода Грея от номера г функции Уолша,Спектр Я-й функции Радемахера ра 35 вен Яе 1,2 .,в,Т)с ю 1 з" В,)с РВ (х) = -3 зал - Я - П соз - . Ь 25 д 25 2(2)40 где К=1,2М;Я - символ функции отсчетов(з 1 п Х )/2. Выражение (2) имеет особый случай 45 при Я=1, для которого знак произведения изменяется на противоположный.Спектр г-й функции Уолша определяется как свертка спектров соответствующий Функций Радемахера на основа 5 р нии (2) знак и призна действительно или мнимой ве личины". цд2 Ь 2 где Я - максимальный номер ФункцииРадемахера в структуре данной функции Уолша;60 Я" - разность 2-Я множестваЕе 1,2щ и номеров Я функцийРадемахера из структуры г-й ФункцииУолша.Знак и признак действительной 65 или мнимой величины в (3) онределяется из условия интервала представления функций Уолша и Радемахера идля интервала -1/2 (8 1/2 справедливо соотношениезнак и призна действительноили мнимой ве личиныгде О - количество функций Радемахера в представлении г-йФункции уолшау я 0,1 - значение первого(младшего) разряда кодаГрея от номера г.Работа устройства начинается,с формирования на первом выходе блока 17 управления сигнала, по которому триггер 14 устанавливается в нулевое состояние (на первом выходе уровень нуля, а на втором - уровень единицы). В следующий момент времени на втором выходе блока 17 вырабатывается сигнал установки в исходное состояние 001 регистра 9.Процедура задания исходных данных заключается в записи с первого входа устройства в счетчик 1 номера функции Уолша, спектр которой необходимо вычислить, и с второго входа устройства в регистр 12 номера спектральной компоненты, На этом подготовительный этап заканчивается.Генератор 5 формирует на первом выходе код Грея С(г) от заданного номера г функции Уолша, который записывается в регистр б сдвига, а на втором и третьем выходах - соответственно коды, Грея С(2 я) и С(2 я), над которыми сумматором 8 выполняется операция сложения по модулю дваВ силу известных свойств кода Грея в сумме С(2 я) + С(2 я) присутствует только одна единица в одном из разрядов, а в остальных записаны нули. Код этой суммы является управляющим для преобразователя 15 в соответствии с уравнением (1). Сформированный на втором его выходе код подается на первый вход блока 13 сравнения,на втором входе которого присутствует код состояния регистра 12. Если коды совпадают, на выходе блока 13 формируется уровень логической единицы, по которому триггер 14 переходит в единичное состояние, снимая тем самым блокировку тракта второй выход преобразователя 15 - первый вход переключателя 10 - первый вход блока 3.В противном случае преобразователь 15 генерирует очередной код, т.е, работает до тех пор, пока не происходит совпадение кодов на входах блока 13 сравнения. Если совпадения не происходит, после генерации всей последовательности на первом выходе преобразователя 15 формируется логический уровень единицы(признак конца последовательности),который подается на второй вход элемента 16 И, на первом входе которогоприсутствует высокий логический уровень (нулевое состояние триггера 14).Поэтому на выходе элемента 16 Иформируется сигнал конца цикла, т;е.данная спектральная компонента равна нулю.В общем случае первый такт работы устройства характеризуется формированием адреса на выходе блока 3адресации, считыванием (вычислением)константы из блока 4 задания констант и передачей ее в локальную память блока 7. Это происходит следу ющим образом. Адрес (признак) константы на выходе блока 3 организуетсяв соответствии с набором сигналовна входах: на первом входе - код номера спектральной компоненты, адек ватный номеру цикла; на втором входе - логический уровень единицы илинуля, т.е. признак функции синуса,косинуса либо функции отсчетов,соответственно; на третьем входе д 5 логический уровень единицы или нуля(младший разряд кода Грея С(г), записанный в регистре б , т.е. признакфункции синуса либо косинуса, соот. -ветственно; на четвертом, входе - кодпризнака сомножителя й/2 аргументафункций, т.е. код 001, соответствующий сомножителю )с /2.Этот набор сигналов обеспечиваетформирование адреса блоком, 3 любойиз констант вида я 1 п (1 ь/2 ), соя (КЙ/2) и Бс; сТ/2) с последующим считыванием из блока 4 и передачей в локальную память блока 7. Таким образом, на первом такте работы состоянияузлов и информационных магистралей 40 устройства характеризуются следующими обязательными признаками:а) на втором входе блока 3 высокийлогический уровень напряжения, т.е.признак формирования только функций 45 синуса либо косинуса, так как состояние регистра б не нулевое;б) передача информации на выходустройства из блока 7 блокирована,если на выходе элемента 16 И нет сиг О нала конца цикла; в противном случаена второй выход устройства передается нулевое значение и устройство переводится на первый такт второгоцикла работы.Второй такт вычисления заданнойкомпоненты спектра г-й функции Уолша начинается с управляющего сигналана втором выходе блока 17 управления,.по которому содержимое регистров,б ЬО и 9 сдвигается на один разряд, ифункционирование устройства по логическому содержанию повторяет. первыйтактКоличество тактов на первом цикле 65 определяется состоянием регистра б:его нулевое состояние обеспечивает формирование группой 2 элементов И низкого логического уровня напряжения, который является признаком задания функции отсчетов от аргумента предыдущего такта и признаком последнего такта работы устройства на данном цикле, Значение функции отсчетов передается в блок 7, где выполняется последняя операция умножения и присваивается. знак с признаком действительной или мнимой величины в соответствии с логической Функцией блока 11. По сигналу от блока 17 результат из блока 7 передается на второй выход устройства. Полученная величина является значением компо ненты спектра с номером, определяемым кодом на первом выходе устройства.Второй цикл работы начинается с установки в исходное состояние 001 20 регистра 9 и триггера 14.По второму входу устройства задается номер очередной спектральной компоненты, Логическое содержание функционирования. устройства на втором и последующих циклах не отличается от первого цикла. Количество циклов определяется количеством вычисляемых спектральных компонент.Таким образом, устройство на каждом цикле вычисляет в соответствии с уравнением (3) спектральные компоненты Ке 1,2ИфункцииУолша,Спектр следующей за номером ф функции Уолша находится аналогично,при этом состояние счетчика 1 увеличивается на единицу по сигналу от блока 17 управления.Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства определяется повышением быстродействия, 40 расширением функциональных возможностей, повышением точности вычислений, что позволяет полностью исключить искажения и повысить разрешающую способность устройства, т,е. 45 обеспечивается возможность анализировать функции более высоких частот, при этом ограничения характеризуются не быстродействием элементной базы, а разрядностью конструкции, 50Формула изобретения1. Устройство для вычисления спектра функций Уолша, содержащее счетчик, блок адресации, блок заданияконстант, блок умножения, сумматор,переключатель, блок сравнения, триггер, формирователь номера цикла,элемент И и блок управления, первыйвыход которого подключен к первомувходу триггера, первый выход которого подключен к первому входу элемента И, выход которого подключен к первому входу блока управления, а второй вход элемента И соединен с первым выходом формирователя номера цикла, вход которого поцключен к выходу сумматора, а второй выход Формирователя номера цикла является первым выходом устройства и соединен с первыми входами переключателя и блока сравнения, выход которого подключен к второму входу триггера, второй выход которого подключен к второму входу переключателя, выход которого подключен к первому входу блока адресации,выход которого подключен к входу блока задания константы, выход которого подключен к первому входу блока умножения, выход которого является вторым выходом устройства,вход счетчика является первым входомустройства, вход регистра является вторым входом устройства, выход регистра соединен с вторым входом блока сравнения, о т л и ч а ю щ е е с тем, что, с целью повышения быстродействия и расширения функциональныхвозможностей, в него введены группаэлементов И, генератор кода Грея,регистр сдвига, циклический регистрсдвига и блок формирования знака,выход которого подключен к второмувходу блока умножения, .а вход блокаформирования знака соединен с первымвходом регистра сдвига и первым высодом генератора кода Грея, второй и третий выходы которого подключены ссответственно к первому и второму входам сумматора, а вход генератора кода Грея соединен с выходом счетчика, второй вход блока адресации объединен с вторым входом блока управления и подключен к выходам элементов И группы, входы которы подключены к первому выходу регистра сдвига, второй выход которого подключен к третьему входу блока адресации, четвертый вход которого соединен с выходом циклического регистра сдвига, первый вход которого подключен к второму входу регистра сдвига и второму выходу блока управления, а второй вход циклического регистра сдвига соединен с третьим выходом блока управления.2, Устройство по п,1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок управления содержит четыре элемента И, делитель частоты, генератор импульсов, регистр сдвига и одновибратор, выход которого соединен с входом генератора импульсов, выходы которого соединены с первыми входами трех элементов И и тактовым входом регистра сдвига, первый и второй выходы которого соединены с вторыми входами со ответственно первого и второго.элементов И, выходы которых являются соответственно первым и третим выходами блока управления, первый и второй входы четвертого элемента И являются соответственно первым и вторым входами блока управления, а выход четвертого элемента И соединен13 849224 14 фиг.1 ешн ход с вторым входом третьего элемента И,выход которого подключен к входуделителя частоты, выход которого является вторым выходом блока управления, а входы регистра сдвига и одновибратора. объединены и являются,управляющим входом устройства. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 509872, кл. С 06 Г 15/34, 19762. Авторское свидетельство СССРР 532863, кл. 6 06 Р 15/34, 1976849224 цикл 2 цикл Я бмиУ йкд Уыил Фиа Составитель А,Баранов едактор Г.Кацалап Техред М.Голинка Корректор Л,Ивк ал ППП фПатент, г.Ужгород, ул.Проектная 6095/64ВНИИПИпо д 11303 Тираж 745осударственногам изобретенийМосква, Ж,г Подписноекомитета СССРи открытийаушская наб., д,4/5