Анализатор спектра фурье

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советснин

Социапистичесиин рес у

< >940170 (6! ) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 04.01.81 (21) 3230500/18-24 (51)М. Кл.

606 F 15/332 с присоединением заявки М (23) Приоритет

9кулнротпнны6 комнтет

CCCP ао делен пзобретеннй и отнрытнй

Опубликовано 30.06.82 Бюллетень РЙ 24

Дата опубликования описания 30.06.82 (53) УДК 681. .323(088. S) (72) Автор изобретения

В. jl. Гусев

Специальное конструкторское бюро Производственного объединения

"Виброприбор (7l ) Заявитель (54) АНАЛИЗАТОР С ПЕ КТРА ФУРЬЕ

Изобретение относится к вычислительной технике для обработки сигналов в реальном времени в задачах выделения полезных сигналов на фоне помех, в спектральном анализе для вибрвционной

5 диагностики и т.д.

В задачах вибрационного контроля состояния механизмов часто поступают следующим образом. Измерив полный спектр сигнала объекта контроля, выделяют одну или несколько апасньсс" гармоник и переходят к их непрерывному наблюдению в режиме скользящей выборки.

Остальной массив спектра, не представляющий интереса, исключают из вычислений.

Осуществить; узкую сле цяшую фильтра.1 цию сигнала можно двояко: либо с помсецью гетеродини ования, либо с помощью цифровой фильтрации. В указанных задачах использование гетеродгнных анализаторов нецелесообразно, так как оператор имеет дело с двумя приборами, кроме того, возникает проблема

2 масштабирования сигналов при переходе от одного прибора к другому. К тому же, нестабильность гетеродина вносит дополнительную частотную погрешность, в результате отслеживается гармоника,. несколько смещенная относительно заданной. Следует указать также, что при контроле одного обьекта используется одновременно лишь один прибор. Устройствам, способным вычислять полный спектр сигнала и осуществлять следящую фильтрацию, указанные недостатки несвойственны. Для построения таких устройств используют цифровые методы.

Известно устройство, позволяющее . обновлять коэффициенты Фурье после каждого нового отсчета входного сигна.,л, однако на самом деле скольжения не происходит, обновление спектральных оценок носит характер их уточнения до некоторого момента, заканчивающего этот цикл и начинакщего новый с грубы. ми первыми и уточненными последукеци

3 9401 ми оценками, устройство выполнено на цифровой элементной базе $1 j .

Наиболее бпизким . по технической сущности к предлагаемому является анализатор спектра Фурье, содержащий аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом первого сумматора и с вхоцом первого блока памяти, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, вто- . ц рой блок памяти, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, третий блок памяти и блок формирования синусных и косинусных весовых коэффициентов, первый выход которого подклю чен к первым входам первого и второго умножителей, а второй подключен к первым входам третьего и четвертого умножителей, вторые входы первого и тре тьего умножителей, а также второго и четвертого соединены между собой; а выходы второго и третьего, первого и четвертого умножителей соединены с первыми и вторыми входами третьего и четвертого сумматоров соответственно, выход первого сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, выход которого подсоединен к второму входу первого умножителя, выход третьего блока памяти подсоединен к второму входу второго умножителя, а выходы третьего и четвертого сумматоров соединены с входами второго и третьего блоков памяти соответственно (2 ), Известное устройство вычисляет спектральные оценки, обновляя их с каждым отсчетом входного сигнала в скользящем временном окне анализа. Сущность процесса в следующем. "Окно" охватывает ((отсчетов и оценка производится по формуле -j2fcKp/щ

40 р=,e р K=o к где - значение k-га отсчета; рК номер отслеживаемой гармоники (относительно первой основной гармоники анализа); (- "р("= СОБ Кр (-Л1

= .Ир) $ S(Êð), - единичный радиус вектор поворачиВак цийся с каждым но» sg ялг вым отсчетом, на угол (по часовой стрелке в комплексной плоскости.

Таким образом, для отсчетов времен( ного "окна вектор делает ровно р пол- ss ных оборотов, При этом важно, чтобы в исходном положении (в момент первого отсчета в пределах окна ) вектор

70 4 совмещался с осью вещественных чисел. ,Если, предположим, для какого то окна это условие выполняется, то для следующего соседнего "окна" все отсчеты сместятся по фазе на - — р, для последу27( ющего смешение, по фазе составит уже

-"-г.ри т.д. После М тактов скольжения и вектор вновь сместится с вещественной осью, поскольку сделает полный оборот.

При выполнении прямого ЕПФ смещение фазы направлено в сторону отставания, поэтому для его компенсации результат вычислений в предыдущем "окне" умножается на вектор Е . Но предварительно . вычитается первый отсчет о предыдущего "окна", выходивший в оценку с нулевой фазой, и добавляется новый отсчет 1д с фазой, кратной 2Т!(, и поэтому коллинеарный отсчету .- . Таким образом, корректирующие преобразования скользящей спектральной оценки на частоте p-oN гармоники имеют вин

"p (Fp (" н) (Fp+Hp-F))F где Pp — спектральная оценка после g<<-. ( го отсчета входного сигнала; Fp — спектральная оценка после f -го отсчета входного сигнала. В общем случае оценки Fp u Fp — комплексные, а величина

I (f ) всегда действительна, потоо му, что, как отмечено выше, ей соответствует вектор, лежащий на вещественной оси. Учитывая это обстоятельство и представляя компенсирующий вектор в тркгонометрической форме, имеем выражения, реализуемые известным устройством е р= "е р (н о)1С М)-E Fp 3« м"р=Ре "р Им- оЦБИ,P) +

+ f F )CO,P3 (Э)

Символами R u I „обозначены соответе ственно реальные и мнимые части спектральных оценок..

Схема известного устройства построена

s точном соответствии с выражениями (2) и (3) и поэтому испсльзует четыре умножителя. Однако это не самое экономичное решение. Общеизвестно, что умножители сложнее сумматоров на кодовый. порядок, т.е., если, например, разрядность кодов равна 16 (типичный случай), для построения однотактового умножителя потребуется 16 сумматоров, расположенных лесенкой со сдвигом каждого последующего на разряд. Уменьшение количества

940170

5 умножителей в схеме без ущерба для быстродействия устройства приводит к существенному схемно-технологическому упрощению анализатора.

Бель изобретения -. упрощение устрой- 5 ства.

Указанная цель. достигается тем, что в анализатор спектра Фурье, содержащий три блока умножения, первый блок памяти, вход которого объединен с первым входом 0 первого блока вычитания и является и)) формационным BzopoM анализатора, второй вход первого блока вычитания подключен к выходу первого блока памяти, а выход первого блока вычитания подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго блока памяти, первые входы первого и второго блоков умножения подключены соответственно к первому и второму вхо- 2о дам опорного гармонии ского сигнала анализатора, вторые входы первого и второго блоков умножения соединены соответственно с выходами первого сумматора и третьего блока памяти, выходы перво- 5 го и второго блоков умножения подключены к первым входам второго блока вычитания и второго сумматора, выходы которых соединены соответственно с входами второго и третьего блоков памяти, 30 введены третий блок вычитания и третий сумматор, входы которого подключены соответственно к первому и второму тригонометрическим входам анализатора, а выход — к первому входу третьего бл - з5 ка умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего блока вычитания, входы которого подключены соот ственно к выходу первого сумматора и третьего блока памяти, выход третьего блока умножения подключен к вторым входам второго сумматора и второго блока вычитания.

На чертеже показана схема устройства. 4

Анализатор содержит сумматоры 1 и

2 соответственно первый и второй, вычитатели 3 и 4 соответственно первый и второй, умножители 5- 7 соответст- венно первый, второй, третий, блоки

8 — 10 памяти соответственно первый, второй, третий, третий сумматор 11, третий вычитатель 12, входы 13 и

14 опорного сигнала соответственно первый и второй.

5 (4) с ИР) Ф s(q,p) =A, (5) .(RgFp+(f M-fo)jA

{6) (7) ветНа третий умножитель 7 подаются величинаСо I), выделенная сумматором. 11, и разность

t R") - ) - ) (8) полученная вычитателем 12 (следует заметить, что для получения на выходе сумматора 11 величины С ({ p) доста -. точно отбросить разряд переполнения, так как непосредственное суммирование выражений (4) и (5) дает удвоенное з).-ачение косинуса) .

На выходе умножителя 7 образуется произведение, (R Fp+(fg-f )- Ур)С(1Р, . (9)

5 роды выражений (9) и (7) подаются в ð 2, на выходе которого образуС1 ется новая оценка реальной части -e Ср комплексной спектральной компоненты

Устройство работает следующим образом.

В блок 10 памяти заносятся отсчеты входного сигнала, поступакщие на вход устройства от АЦП (не показано).

Блок 10 представляет собой. линию задержки чисел на М тактов: запись операнда f „сопровождается выдачей из блока

10 значения „. Цычитатель 3 формирут разность (Ук о), добавляемую в сумматоре 1 к величине R< Fp вызываемую из блока 10 памяти. Полученная сумма C t à +(fN-т )Iподается в ужножитель 5.

В отличие от известного устройства компенсирук)щий вектор подается в предлагаемое устройство следующим образом: на первый тригонометрический вход 13 иэ табличной памяти анализатора (не показана) выводится величина на второй тригонометрический вход 14 выводится ,(cow P-<1h „P)

q цр)- «р)=8

4 соответствии с этим умножитель 5 вырабатывает нроиэведение

Блок 9 памяти раб6тает синхронно и в одном адресном режиме с блоком 10> выдавая мнимую часть I fy ксьшлексной оценки в умножиталь 6, вырабатывакеций

I произведение

3 FpO

0170 ключен к выходу первого блока памяти, а выI

5 хо д первого блока вычитания подключен к

1. Патент США ¹ 3778606, 40 . а01й 23/ОО, 6„„. 1972

7 94

Я р= р+ (%g-%@) - >m> p) (1 p)+

+(и ЫЗ= еГр Ик-Ц„Цс(1»)

-PFp)S(<Ð), (10) что идентично выражению (2).

Коды выражений (6) и {9) подаклся в вычитатель 4, формирующий на своем выходе новую оценку мнимой части

Т„„FР комплексной спектральной компоненты, р=е "р Им о» - РеF„ .4 8 4 О)- Р1*

«С бР) =БЕ"Р+(% н оЦ (АУ/+

4 ЭюFPЗCO,Р), что идентично выражению (3).

Полученные оценки 8< F и Т„„рр подакеся на запись в блоки 10 и 9 памяти соответственно.

Описанным выше способом можно обработать большое количество спектраль ных оценок. Например, для времени обработки одной компоненты 0,5-1 мкс и периода дискретизации входного сигнала

20 мкс (при анализе в реальном времени сигналов частотой до 20 кГц) количество таких компонентов составляет соответственно 40-20.

Предлагаемое устройство содержит на два сумматора (сумматор плюс вычитатель) больше, чем известное. однако экономия на одном умножителе, для построения которого при 16-разрядной сетке вычислений потребовалось бы 16 сумматоров, проводит, таким образо)4, в целом к экономии 14 сумматоров при реализации анализатора по предлагаемой схеме.

Формула изобретения

to !

35 вым входом первого блока вычитания и является информационным входом анализатора, второй вход первого блока вычитания подпервому входу первого сумматора, второ l вход которого соединен с выходом вторго блока памяти, первые входы первогс и второго блоков умножения подключены соответственно к первому и второму входам опорного гармонического сигнал.B анализатора, вторые входы первого и второго блоков умножения соединены соответственно с выходами первого сумматора и третьего блока памяти, выходы первого и второго блоков умножения и:-:ключены к первым входам второго бпо,. вычитания и второго сумматора, выходкоторых соединены соответственно с входами второго и третьего блоков памяти, отличаюшийсятем, что,с целью упрощения, в анализатор введены третий блок вычитания и третий сумматор, входы которого подключены соответственно к первому и второму тригонометрическим входам анализатора, B . выход — к первому входу третьего блока умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего блока вычитания, входы которого подключены соответственно к выходу первого сумматора и третьего блока памяти, выход третьего блока умножения подключен к вторым входам второго сумматора и второго блока вычитания.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Анализатор спектра Фурье, содержащий три блока умножения, первый блок памяти, вход которого обьединен с йер2. Авторское свидетельство СССР № 560232, кл. GOI- R 23/ОО, 1975 (прототип) .

940170

Составитель В. Жовинскнй

Редактор С. Крупенина Техред М. Гергель Корректор М. Коста:

Заказ 4669/71 Тираж 7Л1 Подписное

БНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-38, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 8