Устройство для определения спектральных коэффициентов разложения случайного процесса по функциям хаара

 

. Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 25. 08. 80 (21) 2999477/18-24 1511 М. Кд.з с присоединением заявки № (23) Приоритет

G 01 R 23/16

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 150682, Бюллетень ¹ 22 (53) УДК 681. 323 (088.8) Дата опубликования описания 15.06.82 (72) Авторы изобретения

2. (A.A. Докучаев, В.A. Зенцов и С. Ф. Свиньин (7! ) Заявитель

Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина) (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ

КОЭФФИЦИЕНТОВ РАЗЛОЖЕНИЯ СЛУЧАЙНОГО

ПРОЦЕССА ПО ФУНКЦИЯМ ХААРА

Изобретение относится к вычислительной, информационно-измерительной технике и автоматике, может быть использовано в радиотехнике, акустике, аппаратуре для анализа широкополосных случайных или детерминированных сигналов и т.д. и предназначено для одновременного вычисления N=2 коэффициентов ортогонального разложения аналогового сигнала в базисе функций Хаара.

Известен анализатор спектра по функциям Хаара, содержащий сумматоры, генератор функций Хаара, логические блоки (1) .

Это устройство обладает достаточной сложностью при вычислении эквивалентного числа коэффициентов разложения..Параллельный метод обработки обуславливает использование в негл основных блоков, число которых пропорционально числу вычисляемых коэффициентов, что при больших значениях порядка преобразования делает устройство слишком громоздким.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является анализатор спектра по функ. цням Уолнга(функции Уолша и функции

Хаара стносятка к одному классу кусочно-постоянных ортогональных функций), содержащий аналого-цифровой преобразователь, генератор импульсов, блоки регистрации коэффициентов, двоичный счетчик, регистры и блоки анализа. Каждый блок анализа содержит сумматор по глодулю два, блок свертки по модулю два и накапливающий сумматор-вычитатель. Вход аналого-цифрового преобразователя является входом устройства, а выход соединен с входами накапливающих сумматоров-вычитателей, выходы которых соединены с входами блоков регистрации. Выход генератора соединен с вторым входом греобразователя и входом.двоичного счетчика, выход которого соединен с первыглн входами полусумматоров. Вторые входы полусумматоров соединены с выходами регистров соответственно. .Выходы полусумг1аторов соединены соответственно с входами блоков свертки по модулю два, 25 выходы которых соединены соответственно с управляющими входами накапливающих сумматоров-вычитателей. Это устройство в темпе преобразования входного аналогового сигнала в цифро30 вой код параллельным способом внчис935814 ляет т)==2" коэффициентов спектрального разложения ттхэдногo сигнала в базисе функций Услща (2).

Недостаток этогo v(тройства состоит и излещней сложности схемы, являющейся следствием параллельного способа вычисления коэффициентов.

11ель изобретения — упрощение устройства ттрн сохраттеттии требуемой точнос ти вычисления коэффициентов .

Поставленная цель достигается тем,10 что в устройство для определения спектральных т<оэффициентон разложения случайного процесса .по функциям

Хаара, содержатттее аналого-цифровой преобразователь, информационный вход 15 которого является входом устройства, а управляющий вход объединен со входом

cчетчика и подключен к выходу генератора импульсон, и+1 накапливающих сумматоров-вычитателей, введены и-1 дифференцирующих звеньев и цифровой интегратор, управляющий выход которого соединен с выходом генератора импульсон, а информационный выход подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, выход цифрового интегратора соединен с первыми входами накапливающих сумматороввычитателей, разрядные выходы счетчика, кроме последнего, подключенны ко входам соответствующих дифференцирующих звеньен, вторые нходы накапливающих сумматоров-нычитателей, кроме первого, подключены к соответствуюLтим разрядным выходам счетчика, выходы дифференцирующих звеньев соединены с третьими входами соответствуюш. Y накапливают:тих сумматоров-вычитателей, кроме первых двух.

Сущность предлагаемого изобре- "0 тения заключается н однснременном (в смене цифрового интегрирования значений входного сигнала) вычислении 11=2 специальных коэффициент тов Хаара с помощью и+1 накапливаю- 45 щих сумматоров-вычитателей. За счет использования аналитических свойств функций Хаара реализуется последовательно-параллельный способ вычисления коэффициентов Хаара. с0

Коэффициенты С Фурье-Хаара для функции f (t) с интегрируемым квадратом и определенной на интервале (0; 1) вычисляются по обобщенной формуле Фурье .т Й-1 тт-

С„= ry{t)d = X, У- {1. d =7,5;

1 в- Й-т

С - 4 Ф) Н1 (т ) Ж = Х i т {) ) k {t) g<=. K h {j 5, ), I .1 1, r )(1 Р {з - л т), P-I где 1 2..., °; - 01...,2

h . (j) — значение функции Хаара

11 (t) при t.=j/Ы;

S. — значение определенного интервала от f (t) ва Ги р — номер группы функций Хаара (текущий порядок г.реобразования).

Функции Хаара присуще следующее свойство.

Среди 2(функций Хаара, принадлежащих группе с номером р, только одна функция отлична от нуля на двоичном интеграле .P.p„, Следовательно, вычисление коэффициентов Хаара для функций одной группы можно осуществить с помощью одной и той же группы блоков, но в разное время. Например, коэффициент Ср, вычисляется к моменту окончания первого двоичного отрезка

=t0; -- --), 1 тт 2 P

1 так как при t) 2„значение функции

Н(т„(t) =О. Поскольку на данном двоичном отрезке только функция H>, (t) фО, вычисленный коэффициент относится именно к этой функции. Затем вычисляется второй коэффициент Ср и так далее.

Таким образом, получение нескольких коэффициентов Хаара фиксированной группы можно выполнить с помощью одного накапливающего сумматора-вычитателя по форттуле (1), осуществляя в определенные моменты време1+1 ни t . = ---- съем накопленной с1"ммы р л и обнуление накапливающего сумматора-вычитателя для подготовки его к

l вычислению нового коэффициента.

На отрезке 6р, где функция

Xaa1i Н т. (t) не равна нулю, ее конкретное значение определяется по значению р-го разряда кода аргумента

Н („) t+1, если t> — — 0;

{ -1, если tp —- 1, где Г =t, tk i .. ° t p 7 t p4.; .— двоичные цифры, причем в общем случае ттгтп.

Моменты времени t . соответствуют

Р смене значения (р-1) -го разряда кода 0 на 1 и могут быть зафиксированы с помощью дифференцирующего звена.

Вычисление определенных интервалов Я, в устройстве осуществляется н йифровом интеграторе по к зна-. чениям входного сигнала на каждом отрезке Гт,„ . Работа цифрового интеграла основывается на применении формул численного интегрирования (трапеции или Симпсона), обеспечивающих достаточно высокую точи стт, ит—

935814

60 . 5 тегриронания и, следовательно, вычисления коэффициентов Фурье-Хаара.

На фиг.1 показана блок схема предлагаемого устройства; на фиr.2 то же, для случая n=4.

Блок-схема (фиг.1) содержит анало- 5 го-цифровой преобразователь 1, генератор импульсов 2, цифровой интегратор 3, двоичный счетчик 4, и-1 дифференцирующих звеньев 5 и n+1 накапливающих сумматоров-вычитателей б. 10

Информационный вход аналого-цифрового преобразователя 1 является входом устройства. Выход генератора импульсов 2 соединен с управляющим входом преобразователя 1, управляю- 15 щим входом цифрового интегратора 3 и входом двоичного счетчика 4. Выход преобразователя 1 соединен с входом цифрового интегратора 3, а выход цифрового интегратора 3 соединен с информационными входами всех n+1 накапливающих сумглатороввычитателей 6. Выходы и старших разрядов двоичного счетчика 4 соединены

Соответственно с первыми управляющи:ми входами накапливающих сумматоров-. вычитателей б, имеющих порядковые номера от 2 до n+1. Выходы и-1 старших разрядов двоичного счетчика 4 соединен соответственно с входами 30 дифференцирующих звеньев 5, выходы которых подключены соответственно к вторым управляющим входам накапливающих сумматоров- вычитателей, имеющих порядковые номера от 3 до и+1. Выходы накапливающих сумматоров-З5 вычитателей являются выходами устройства.

Первый накапливающий сумматор-вычитатель работает только в режиме суммирования. Остальные сумматоры-вы- 40 читатели при поступлении на их первый управляющий вход сигнала 1 работает в режиме вычитания, а при поступлении сигнала 0 — в режиме суммирования. При поступлении 45 на второй упранляющий вход накапливающего сумматора-нычитателя импульса, сформированного дифференцирующим звеногл, на накапливающем сумматоре-нычитателе устанавливается нулевой код, а нычисленное на нем значение может быть считано с выхода этого сумматора-вычитателя.

Дифференцирующие звенья предназначены для преобразования скачка потенциального сигнала на выходе старших разрядов двоичного счетчика 4 в управляющий иглпульс, который формируется при переходе данного г 1 г разряда счетчика либо из 0 н 1 либо наоборот из 1 н 0 . Этот управляющий импульс приводит накапливающий сумматор-вычитатель в исходное (нулевое) положение и фиксирует момент считывания вычисленного значения коэффициента с выхода данного накапливающего сумматора-нычитателя.

Частота импульсов, вырабатываемых генератором иглпульсов 2, выбирается равной Т/kN, где Т вЂ” длительность входного сигнала, а Р— требуемое число отсчетов сигнала на двоичном отрезке для достижения необходимой точности вычисления коэффициента

Хаара.

При поступлении тактового импульса на управляющий вход преобразователя 1 происходит преобразонание текуцего значения аналогового сигнала н цифровой код. Тактовые импульсы управляют работой цифрового интегратора 3, который заканчивает вычисление очередного значения определенно-. го интеграла S через каждые k тактовых импульсов. Одновременно тактовые импульсы поступают на нход двоичного счетчика 4 и на каждом k-ом тактовогл импульсе значение п-го старшего разряда двоичного счетчика изменяется на протиноположное.

Принцип работы блок-схемы устройства рассмотрим на примере схемы для n=4; B исходном состоянии на двоичном счетчике 4 и на всех накапливающих сумматорах-вычитателях б установлен нулевой код. Входной аналоГОТОВый сиГнал длительностью Т секунд поступает на информационный вход аналого-цифрового преобразователя 1, где происходит преобразование сигнала в последовательность цифровых кодов. Цифровые значения, соответствующие отсчетагл входного сигнала, поступают с периодом TjkN на информационный вход цифрового интегратора 3.

К моменту времени =Т/N в цифровом интеграторе формируется значение определенного интеграла S, а на первых четырех старших разрядах двоичного счетчика по-прежнему находится нулевой код. Значение S поступает на входы пяти накапливающих сумматоровнычитателей и добавляется к имеющимся там нулевым кодам.

К моменту времени t =2T/N в цифровом интеграторе Формируется значение определенного интеграла Я, а на первых четырех старших разрядах двоичного счетчика устанавливается код 0001 . Значения разрядов этого кода воздействуют на первые управляющие входы накапливающих сумглаторов-нычитателей с порядковыми номерами от 2 до 5. Эти значения являются значениями первых функций

Хаара каждой из четырех групп:

Нл (t), Н (1), Нд (t), Нн(1) . Так как Функция Н (t) тождественно ранна единице, то первый накапливающий сумматор-вычитатель работает

9358)4

30

Формула изобретения только в режиме суммирования и управляющий вход ему не требуется.

В соответствии с дейстнующими на первых управляющих входах значениями величина Б добавляется к содержимому первых четырех накапливающих сумматоров-нычитателеи и вычитается из содержиглогo пятого накапли— вающе о сумматора-вычитателя.

К моменту времени tg =ЗТ/И н цифровом интеграторе форглируется значение S, а на первых четырех старших разрядах двоичного счетчика устанавливается код 0010 . Изменение значения третьего разряда вызывает появление на выходе первого по порядку дифференцирующего звена импульса, который служит сигналом для считывания значения вычисленного коэффициента С и приведения пятого накапливающего сумматора-вычитателя н исходное (нулевое) состояние. В соответствии с кодами на первых управляющих входах накапливающих сумматоров-вычитателей значение

S добавляется к содержиглому второго, третьего и пятого накапливающих сумматоров-вычитателей и вычитается из содержимого четвертого накапливающего сумматора-вычитателя. Таким образом, после очистки пятого накапливающего сумматора-вычитателя он сразу же в текущем такте работы принимает очередной код, поступающий с выхода цифрового интегратора.

В гломент времени t+ =4T/N считываются значения вычисленных коэффициентов С4 и Сб. Дальнейшая работа схемы устройства протекает аналогично, K моменту времени 1„ =Т на накапливающих сумматорах-нйчитателях с порядковыми номерагли от 1 до 5 формируются последние коэффициенты каждой иэ групп: С,, С, С, С

С, Таким образом, применный последовательно-параллельный принцип работы устройства определяет формиронание коэффициентов фиксированной группы на одном и том же накапливающем сумматоре-вычитателе, но н разное время. Для этого в схеме устройства имеются блоки, реализующие надлежащее управление работой

46

56 накапливающих сумматоров-вычитателей.

В описанном устройстне упрощение

его схемы выражается в том, что для вычисления И=2 коэффициентов требуи ется лишь n+1 накапливающих сумматоров-вычитателей п-1 простейших дифференцирующих звеньев, а в известном устройстве (2 1 для вычисления того же числа коэффициентов используется в общей сложности 2" накапливающих сумматороввычитателей, 2 И регистров, и

2 блоков свертки и 2 сумматоров по модулю два:

Устройство для определения спектральных коэффициентов разложения случайного процесса по функциям Хаара содержащее аналого-цифровой преобразователь, информационный вход которого является входом устройства, а управляющий вход объединен с входом счетчика и подключен к выходу генератора импульсов, n+1 накапливающих сумматоров-вычитателей, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью упрощения устройства, в него введены и-1 дифференцирующих звеньев и цифровой интегратор, управляющий выход кото рого соединен с выходом генератора импульсов, а информационный выход подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, выход цифрового интегратора соединен с первыми входами накапливающих сумматоров-нычитателей, разрядные выходы счетчика, кроме последнего, подключены к входам соответствующих дифференцирующих звеньев, вторые входы накапливающих сумматоров-вычитателей, кроме перного, подключены к соответствующим разрядным выходам счетчика, выходы дифференцирующих звеньзв соединены с тре тьими входами соответствующих накапливающих сумматооов-вычитателей, кроме первых двух.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 588544, кл. G 01 В 23/16, 1976.

2. Авторское свидетель тво СССР

9 640305, кл. G 01 R 23/ 6, 1977.

935814

С7

Составитель В.Жовинский

Техред T. Маточка Корректор В.Бутяга

Редактор Л.Алексеенко

Подписное

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 4200/45 Тираж 717

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам -изобретений и открытий

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