Анализатор спектра сигналов

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для определения спектральных характеристик детерминированных и случайных сигналов. Цель изобретения - повышение быстродействия. Поставленная цель достигается за счет того, что в состав устройства входят аналого-цифровой преобразователь 1, информационный вход 2, генератор 3 тактовых импульсов, счетчики 4,5, геЯератор 6 тактовых импульсов, счетчик 7, блоки 8,9 постоянной памяти,

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ РЕСПУБЛИК (19) (11) Ai ц11 4 G 06 F 15/332

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4189997/24-24 (22) 16.12.86 (46) 30.05.88. Вюл. У 20 (71) Житомирский филиал- Киевского политехнического института им.50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) В,В.Гнилицкий, Д.В.Корчев и П.М.Повндайко (53) 681.32 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 253193, кл.С 01 Р 23/16, 1969.

Авторское свидетельство СССР

Ф 834577, кл.С Ol F 23/16, 1981. (54) АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к вычислительной технике и мокет быть использовано для определения спектраль- ных характеристик детерминированных и случайных сигналов. Цель изобретения — повышение быстродействия. Поставленная цель достигается за счет того, что в состав устройства входят аналого-цифровой преобразователь 1, информационный вход 2, генератор 3 тактовых импульсов, счетчики 4,5, геиератор 6 тактовых импульсов, счетчик 7, блоки 8,9 постоянной памяти, 1399765 генератор 10 псевдослучайных чисел, блок II постоянной памяти, переключатель режимов )?, умножители 13,14, накапливающие сумматоры-вычитатели 15, !

6, компараторы 17,18, информационный «ыхоц 19, выход 21 АЦП, выход 22

ГТИ 3, счетный вход 23 счетчика 4, тактовый вход 24 генератора 10, выход 25 генератора 10, выходы 26, 27 счетчика 4, вход 28 и выход 29 счетчика 5, вход 30 и выход ЗI генератора 6, входы 32, 33 и выходы 34, 35, 36 счетчика 7, вход 31 ПЗУ 9, вход 38 и выход 40 ПЗУ 9, вход 41 и выход 42

Данное выражение показывает, что случайный фильтр при таком режиме дискретизации будет выфильтровывать

30 из сигнала синусоиду с частотой и; без операций умножения многоразрядных чисел. Для каждой частотной оценки данным способом требуются два фильтра,(для синуеной и косинусной . составляющих спектра). Обработка сиг35 нала при данном способе производится

Изобретение относится к измерительной технике и может быть испоЛьзовано для определения спектральных характеристик детерминированных и случайных сигналов.

Целью изобретения является повышение быстродействия.

Сущность способа заключается в следующем.

Математическое ожидание частотной характеристики случайного фильтра, работающего на интервале от О до Т, определяется выражением т

N (

-)ее) К

Кеа момент дискретизации).

При этом плотность вероятности распределения моментов дискретизации на интервале анализа равномерна и равна 1/Т.

При неравномерной плотности вероятности математическое ожидание частотной характеристики случайного фильтра имеет вид т

l 1 г -I at к (у<уе)) — -) (е)е 4е, Ь где С вЂ” константа, определяемая из условия нормировкиу (1(? — некоторая заданная функция, пропорциональная плотности вероятности распределения моПЗУ 11, входы 43, 44, 45 и выходы

46, 41 и 48 переключателя режимов 12, входы 49 и 50 умножителя 13, входы

5l, 52 умножителя 14, выход 53 умножителя 13, выход 54 умножителя 14, входы 55 56 компаратора 17, входы

57, 58 компаратора !8, выход 59 компаратора 17, выход 60 компаратора 18, входы 61 сумматоров-вычитателей 15, 16, входы 62 и 63 сумматоров-вычитателей 15 и 16 соответственно, входы

64, 65, 66 сумматоров-вычитателей

15 и 16, выходы 67 и 68 анализатора, 2 ил. ментов дискретизации на интервале от 0 до Т.

Приведенное выражение показывает что при обработке сигнала данным

5 фильтром. будет происходит взвешивание сигнала функцией cI)(t).

В качестве q (t) выбирают требуемую временную весовую функцию. Коэф, фициент С определяют из выражения

1О с - J cp(r) ае, о

Рассмотрим случайный фильтр, работающий с прямоугольной фильтрующей

15 функцией у;(t) sign(sinu;t), где

Я;-- частота требуемой спектральной оценки. Плотность вероятности моментов дискретизации будем менять по за.кону, пропорциональному функции.

20 Математическое ожидание частотной характеристики такого случайного фильтра определяется выражением °

-)Ю

М ГФ (jg)3 - — (sinu te dt о

1399765

5с с прямоугольной временной весовой функцией.

При другом способе обработки сигнал умножается на прямоугольную функцию y;(t) sign (sinu t), а плотность вероятности моментов дискретизации изменяется пропорционально функции (q (t) s inu t (. Математическое ожидание частотной характеристики данного фильтра определяется выражением т

1 . - leal

М Гф (ju)) — - - — — ) s inu te dt .

2 е )

1 о

Случайный фильтр, работающий по данному алгоритму, будет выфильтровывать из сигнала синусоиду с частотой у; с заданной временной весовой функцией g (t) без операций умножения двоичных многоразрядчых чисел. Перестройку по частоте можно производить соответствующими изменениями фильтрующей функции и плотности вероятности моментов дискретизации. При этом стохастическая дискретизация позволяет обрабатывать сигналы практически с любой верхней граничной частотой.

На фиг.l представлена функциональная схема анализатора спектра сигналов; ча фиг.2 — временные диаграммы, поясняющие его работу.

Анализатор спектра сигналов содержит аналого-цифровой преобразователь

l, информационный вход 2, генератор

3 тактовых импульсов, счетчики 4и 5, генератор 6 тактовых импульсов, счетчик 7 меандра, блоки 8 и 9 постоянной памяти, генератор 10 псевдослучайных чисел, блок 11 постоянной памяти, переключатель 12 режимов, два умножителя 13 и 14, два накапли вающих сумматора †вычитате 15 и 16, два компаратора 17 и 18, информационный выход 19, тактовый вход 20 и выход 21 аналого-цифрового преобразова.теля l, выход 22 генератора 3 тактовых импульсов, счетный вход 23 счетчика 4, тактовый вход 24 и выход 25 генератора 10 псевдослучайных чисел, информационный выход 26 и выход 27 переноса счетчика 4, счетный вход 28, и информационный выход 29 счетчика 5, вход 30 задания частоты и выход 31 генератора 6, счетный вход 32 и обнуляющий вход 33 счетчика 7 меандра, выход 34 формирователя меандра четной

45 фильтрующей функции счетчика 7, выход 35 формирователя меандра нечетной фильтрующей функции счетчика 7, информационный выход 36 счетчика 7, адресный вход 37 блока 8 постоянной памяти, адресный вход 38 блока 9 постоянной памяти, выход 39 блока 8 постоянной памяти, выход 40 блока 9 постоянной памяти, адресный вход 41 и выход 42 блока 11 постоянной памяти, управляющий вход 43, информационные входь 44 и 45 и выходы 46-48 переключателя 12 режимов, входы 49 и 50 умножителя 13, входы 51 и 52 умножителя 14, выход 53 умножителя

13, выход 54 умножителя 14, входы 55 и 56 компаратора 17, входы 57 и 58 компаратора 18, выход 59 компаратора

17, выход 60 компаратора 18, информационные входы 61 накапливающих сумматоров-вычитателей 15 и 16, управляющий вход 62 накапливающего сумматора-вычитателя 15, вход 63 синхронизации накапливающего сумматора-вычитателя 16 обнуляющие.входы 64 накап.ливающих сумматоров-вычитателей 15 и 16, управляющий вход 65 и вход 66 синхронизации накапливающего сумматора-вычитателя 16, выход 67 реальной составляющей спектра и выход 68 мнимой составляющей спектра.

На фиг.2 .обозначены: 69 — пример временной весовой функции q(t); 70— пример изменения нечетной фильтрующей функции s ign(s in u; t); 71 — пример изменения функции (здnu г.1; 72 — пример изменения синусоиды с частотой о, ; 73 — пример результата наложения выфильтровываемой синусоиды эапц;Г и временной весовой функции (p(t);

74 — пример изменения четной фильтрующей функции sign(casu t); 75 пример изменения функции /созе;с ;

76 — пример изменения косинусоиды с час-отой у;; 77 — пример результата наложения выфильтровываемой косинусоиды созе;с и временной весовой функции q(t) .

Анализатор спектра сигналов работает следующим образом.

Первый генератор 3 тактовьй импульсов вырабатывает последовательность тактовых импульсов с периодом

Qt,, которые поступают на тактовый вход-20 аналого-цифрового преобразователя 1, вход 23 счетчика 4 и вход

24 генератора 10 псевдослучайных чи1399765 сел. Счетчик 4 тактовых импульсов считает по модулю N, которым задается временной интервал для анализа на одной частоте (N At = Т,фиг.2). Появление сигнала переноса на выходе 27 счетчика 4 приводит к увеличению на единицу состояния счетчика 5 и обнуление по входам 64 содержимого наКапливающих сумматоров-вычитателей !

5 и 16 и по входу 33 обнуления счетчика 7; Счетчик 5 считает по модулю

И. (где М вЂ” число анализируемых гармоник) .

Поступающий с выхода 29 на вход

30 цифровой код управляет частотой генератора 6 тактовых импульсов, который формирует тактовые импульсы на входе 32 счетчика 7. На выходе

34 счетчика 7 формируется код четной ильтрующей функции (пример 74,фиг. 2) поступающий на управляющий вход 62 акапливающего сумматора-вычитателя

15, а на выходе 35 — код нечетной ильтрующей функции (пример 70, 4иг.2). С выхода 36 счетчика 7 посТу 1ает периодическая последовательность адресов на адресные входы 37

И 38 блоков 8 и 9 постоянной памяти соответственно. Периодичность поступления адресов соответствует подупери". оду фильтрующей функции, а частота смены адресов задается частотой f," генератора 6 тактовых импульсов. При этом с выхода 39 блока 8 постоянной памяти снимается цифровой код функ-! цйи /самад; t/ (пример 75,фиг.2), а с! выхода 40 блока 9 постоянной памят л — цифровой код функции jsin6);t! (1 ример 71,фиг..2) .Одновременно на вЫходе 42 блока 11 постоянной памятй формируется цифровой код требуемой ф лльтрующей функции {пример.69,фиг,2), который через переключатель режимов поступает на входы 49 и 51 умножителей 13 и 14. На вход 50 умножителя

1 3 погтупает цифровой код функции

1созю; с((пример 75, фиг.2) . Результат умножителя 13 соответствует произведению/q(t) cosa;tj и поступает на вход 55 компаратора 17. На вход 56 компаратора 17 поступает последовательность псевдослучайных чисел с выхода 25 генератора 10 псевдослучай н1 х чисел. Данная последовательность псевдослучайных чисел имеет равномернФе распределение. На выходе 59 комп ратора 17 будет возникать сигнал синхронизации накапливающего сумма10

45 тора-вычитателя 15 в том случае, если число на входе 55 будет больше числа на входе 56 компаратора 17. Таким образом, на выходе 59 компаратора 17 будут в случайные моменты времени возникать импульсы синхронизации. Их средняя интенсивность появления во времени будет изменяться пропорционально функции /<р(с)сова;t/, поступающей в цифровом виде на вход

55 компаратора 17.

На вход 51 умножителя 14 также через переключатель 12 режимов поступает цифровой код временной весовой функции (p(t), a на вход 52 — цифровои код функции /sinu;tj. Произведение этих кодов с выхода 54 умножителя 14 поступает на вход 57 компаратора 18. На вход 58 компаратора

18 поступает последовательность псевдослучайных чисел (с равномерным распределением) с выхода 25 генератора 10 псевдослучайных чисел. Компаратор 18 работает аналогично компаратору 17 .с той разницей, что на

его выходе 60 интенсивность появления моментов дискретизации, поступающих на. синхровход 66 накапливающего сумматора-вычитателя 16, будет пропорциональна функции j y(t)sinQ;tj.

На информационные входы 6) накапливающих сумматоров-вычитателей 15 и 16 поступают значения анализируемого сигнала в цифровом виде с выхода

21 аналого-um5poaoro преобразователя

1 . На управляющий вход 62 накапливающего сумматора-вычитателя 15 поступает код, соответствующий знаку четной фильтрующей функции, а на управляющий вход 65 накапливающего сумматора-вычитателя 16 подается код, соответствующий знаку нечетной.фильтрующей функции. Если знаки сигнала и фильтрующей функции совпадают в момент прихода синхроимпульса на вход накапливающего сумматора-вычитателя, то значение сигнала суммируется с содержимым соответствующего накапливающего сумматора-вычитателя 15 или

16, если знаки не совпадают, то значение сигнала вычитается из содержимого соответствующего накапливающего сумматора-вычитателя.

Таким образом, по окончании интервала анализа Т в накапливающих сумматорах-вычжтателях 15 и 16 будут нахо-. диться величины, пропорциональные косинусной и синусной спектральной

1399765 оценке на частоте М,, взвешенной временной весовой функцией tg (t).

Умножения спектральных оценок на кон станту можно произвести во внешнем

5 устройстве (не показано), которое примет информацию по окончании интервала Т (с приходом импульса переноса с выхода 27 счетчика 4). Одновременно производится обнуление 10 счетчика 7 и накапливающих сумматоров-вычитателей 15 и 16. При этом работа устройства продолжается, но анализ производится на следующей более высокой частоте sa счет увели- 15 чения частоты f„ следования тактовых

I импульсов генератора 6. Частота увеличивается иэ-за увеличения на единицу содержимого счетчика 5, управляющего частотой генератора 6. На 2о фиг.2 показано,. как при этом будут изменяться периоды фильтрующих функций 70 и 74, периоды соответствующих синусоиды и косинусоиды 72 и 76, периоды следования управляющих кодов 25

71 и 75,а также результаты наложения временной весовой функции с синусной

73 и косинусной 77 составляющими спектра.

Формула изобретения

Анализатор спектра сигналов, содержащий первый и второй накапливающие сумматоры-вычитатели, аналогоцифровой преобразователь, выход которого подключен к информационному входу первого накапливающего сумматора-вычитателя, а информационный вход аналого-цифрового преобразовате- 4О ля является информационным входом анализатора, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены два генератора тактовых импульсов, генератор 45 псевдослучайных чисел, тры счетчика, три блока постоянной памяти, два умножителя, два компаратора и переключатель режимов, первый выход которого подключен к первым входам первого и второго умножителей, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого и второго компараторов, выходы которых подключены к входам синхронизации соответственно первого и второго чакапливающих сумматоров-вычитателей, выходы которых являются выходами соответственно реальной и мнимой частей . спектра анализатора, выход первого генератора тактовых импульсов подключен к тактовым входам аналогоцифрового преобразователя и генератора псевдослучайных чисел и счетному входу первого счетчика, выход переноса которого подключен к входам обнуления первого и второго накапливающих сумматоров-вычитателей, второго счетчика и счетному входу третьего счетчика, информационный выход которого подключен к входу задания частоты второго генератора тактовых импульсов, выход которого подключен, к счетному входу второго счетчика, первый информационный выход которого подключен к адресным входам первого и второго блоков постоянной памяти, выходы которых подключены соответств енно к первому и второму информационным входам переключателя режимов, второй и третий выходы которого подключены к вторым входам соответственно первого и второго умножителей, второй и третий информационные выходы второго счетчика подключены к управляющим вход"м соответственно первого и второго накапливающих сумматоров-вычитателей, информационный выход первого счетчика подключен к адресному входу третьего блока постоянной памяти, выход которого подключен к управляющему входу переключателя режимов, выход генератора псевдослучайных чисел подключен к вторым входам первого и второго компараторов, а выход аналого-цифрового преобразователя подключен к информационному входу второго накапливающего сумматора-вычитателя.

1399765

И и

Составитель А.Баранов редактор А.Лепнина Техред А.Кравчук Корректор А. Тяско

Заказ 2668/50 Тира>к 704

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб. ° д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4