Усреднитель-анализатор спектра фурье

 

(72) Автор изобретения

Б.С. Демченко (7l ) Заявитель (54) УСРкдниткль-АндлиздтоР спкктРд фуРьв

Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и предназначейо для выделения сигналов из шума и определения коэффициентов фурье высокочастотных процессов an5 парату рой о rpa ни ченно го быстродейст-, вия и может быть использовано в спектрометрии, системах автоматического управления, технического контроля и .т.д. 30

Известен аналого-цифровой спектральный анализатор Фурье, содержащий генератор импульсов, аналого-цифровой преобразователь, перестраиваемый фильтр, интеграторы, вычислительный блок, запоминающее устройство.

Работа этого анализатора основана на предварительной дискретизации и квантовании входного сигнала и записи его в двоичном коде в запоминающее устройство, После записи входного сигнала в виде дискретных отсчетов производится многокрэтное сч игывание их из запоминающего устройства и умножение на гармоники. Умножение производится с помощью перестраиваемого фильтра, далее сигналы поступают %а интегратор и вычислительный блок(1) .

В таком устройстве анализ производится после промежутка времени, сле; дующего за временем поступления дискретных отсчетов. Это устройство не имеет времени для оперативного анализа спектральных составляющих, имеет малое быстродействие из-за последовательной работы, низкий частотный диапазон обрабатываемых сигналов, который в свою очередь определяется быстродействием преобразователя аналог-код и записью отсчетов в запоминающее устройство, а также не позволяет анализировать полезные сигналы на фоне значительных шумов (при отношении сигнал-шум меньше единиц), что необходимо при обработке спектрометрической информации в спект955086 роскопии ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса и др.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является цифровой генератор спектра Фурье, содержащий преобразователь аналог-код, генератор тактовых импульсов, делитель частоты, формирователь кода аргумента, преобразователи кода аргумента в значение косинуса и синуса соответственно, блоки умножения, сумматоры, регистры (эквивалент блокам хранения информации).

Анализатор позволяет совместить 15 время вычисления всех коэффициентов фурье с временем поступления дискретных значений исследуемого сигнала.

При этом частные произведения, составляющие коэффициенты Фурье всех щ гармоник, вычисляют каждый раз за вре. мя между двумя последовательно поступающими дискретными отсчетами.

Этот анализатор приспособлен для оперативного анализа и имеет большее 25 быстродействие иэ-за совмещения времени вычисления всех коэффициентов

Фурье с временем поступления дискретг - ных отсчетов исследуемых сигналов (2>.

Однако такой анализатор имеет низ- щ

f кий частотный диапазон анализируемых сигналов, определяемый частотой дискретизации, и не позволяет,анализировать полезные сигналы на фоне значительных шумов.

Цель изобретения - расширение частотного диапазона обрабатываемых сигналов и определение коэффициентов

Фурье полезных сигналов на фоне значительных шумов, 40

Поставленная цель достигается тем, что в усреднитель-анализатор Фурье, содержащий аналого-цифровой преобразователь, информационный вход которого является первым входом усреднителя-анализатора, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого через регистр текущего среднего соединен с первыми входаМи первого и второго блоков умножения, вторые входы которых подключены к выходам соответственно синусного и косинусного преобразователей, входы которых соединены с выходом блока форми.

«1 рования кода адреса, первыи вход которого объединен со входом первого ! счетчика и подключен к выходу делитеJlR частоты, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, первый вход которого является вторым входом усреднителя-анализатора, выход первого счетчика подключен к управляющим входам первого и второго блоков памяти, информационные входы которых подключены к выходам соответствующих сумматоров, первые входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго блоков памяти, вторые входы сумматоров подключены к выходам соответствующих блоков умножения, введены регистр начального значения аргумента, второй делитель частоты, третий блок памяти, пять счетчиков, блок задания числа подциклов и блок сравнения кодов, входы которого подключены соответственно к выходу блоков задания числа и к выходу второго счетчика, вход которого подключен к выходу третьего счетчика, вход которого объединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя и с первым входом четвертого счетчика и подключен к выходу пятого счетчика, первый вход которого объединен со .вторым. входом четвертого счетчика и подключен к выходу второго делителя частоты, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, первый, второй и третий выходы блока сравнения кодов соединены соответственно с третьим входом четвертого счетчика, со вторым входом пятого счетчика и со входом шестого счетчика, вход которого подключен к второму входу генератора тактовь|х импульсов, выход четвертого счетчика подключен к входу регистра начального значения аргумента, выход которого соединен со вторым входом блока формирования кода адреса, выход третьего блока памяти подключен к второму входу сумматора, первый вход третьего блока памяти соединен с выходом сумматора, второй вход третьего блока памяти объединен со входом регистра начального значения аргумента и подключен к выходу четвертого счетчика.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого усреднителя-анализатора спектра фурье; на фиг. 2функциональная схема формирователя кода аргумента усреднителя-анализатора; на фиг. 3 - функциональная схема блока сравнения кодов усреднителяанализатора., Усреднитель-анализатор (фиг. 1) содержит генератор 1 тактовых импульВ счетчике 18 добавляется импуль и он производит подсчет числа oppH-.

5 95508 сов, выход которого через делитель 2 частоты подключен к входу 3 блока 4 формирования кода аргумента (фиг. 2), соединенного с преобразователями 5 и 6 синусным и косинусным, выходы которых подключены к первым входам блоков 7 и 8 умножения, соединенных с первыми входами сумматоров 9 и 10, к вторым входам и к выходам которых подключены входы-выходы блоков 11 и 12 памяти.

Выходы сумматоров 9 и 10 одновременно являются выходами значений коэффициентов Фурье.

Выход делителя 2 через первый счет- чик !3 соединен с блоками 11 и 12 памяти.

Генератор 1 тактовых импульсов через второй делитель 14 частоты подсоединены к счетным входам четвертого 20 счетчика 15 адреса дискретных отсчетов и пятого счетчика 16 задания периода выборки, выход которого является цепью переноса и подключен к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя 17, счетному входу четвертого счетчика 15 и счетчику 18 числа ординат в подцикле, соединенному со счетчиком 19 подциклов.

Выходы разрядов второго счетчика 30

l9 соединены с первыми 20 входами блока 21 сравнения кодов (фиг. 3), вторые входы 22 которого соединены с выходами блока 23 задания числа подциклов, который может быть построен на переключателях (тумблерах) и предназначен для задания цифрового кода.

Выходы 24 блока 21 сравнения кодов соединены с установочными входами счетчика 15, вторые 25 - с установоч- 4О ными входами счетчика 16, третий выход 26 через счетчик 27 циклов - с управляющим входом reнератора 1.

Выходы счетчика 15 подключены к адресным цепям блока 28 памяти и цепям регистра 29 начального значения аргумента. Разрядность счетчика 15 определяется числом дискретным отсчетов, выдаваемых аналого-цифровым преобразователем 17 эа один полный цикл работы, а разрядность последних — точностью преобразования аналогового сигнала в код.

Вход преобразователя 17 является входом анализатора, а его выход соединен с входом сумматора 39, вход-выход которого соединен с блоком 28 па-: мяти. Выход сумматора 30 через регистр 31 текущего среднего соединен

6 d со вторыми входами блоков 7 и 8 умножения.

Вход 22 генератора является синхронизирующим входом анализатора.

Блок 4 формирования кода аргумента (фиг. 2) содержит сумматор 33 и регистры 34 и 35, управляющий вход 3 регистра 35, являющийся одновременно входом блока 4, вход 36 сумматора 33 (вход 36 - вход блока 4, к которому подключен регистр 29), выход 37 регистра 34,- связанный с регистром 35 и преобразователями 5 и 6.

Блок 21 сравнения кодой (фи г. 3) содержит цифровой компаратор 38, элементы И-НЕ 39 (например, микросхемы серии К561 ИП2, элементы И-HE

К155ЛАЗ). Компаратор 38 имеет выход 40.

Работа анализатора состоит в получении дискретных отсчетов входного сигнала с учетом его частотных свойств и в одновременном вычислении коэффициентов Фурье.

В исходном состоянии делитель 1;4 частоты, счетчики 15, 18, 27 и 19 сброшены в нулевое состояние, а счетчик 16 - в единичное состояние.

По команде внешнего или внутреннего запуска генератор 1 начинает выдавать тактовые импульсы. При внешнем запуске он работает по командам, поступающим на вход 32, при внутреннем - команда запуска вырабатывается самим генератором 1.

Делитель 2 частоты делит частоту импульсов на периоды, в течение каждо. го из которых вычисляются два частных произведения дискретного отсчетао входного сигнала на косинус и синус соответственно, ь генератора 1 тактовые импульсы через время at появляются на выходе делителя 14 частоты, который делит их на периоды д и в зависимости от частотных свойств.

Так как счетчик 16 находится в еди. ничном состоянии,,то с делителя 14 импульсы поступают на выход цепи переноса счетчика 16, который производит пересчет импульсов с периодом Ьт, на импульсы с периодом Т, который является периодом работы преобразователя 17 с учетом получения всех част" ных произведений одного дискретного отсчета на все гармоники.

7 95508 нат (дискретных отсчетов) в подцикле

Обьем этого счетчика равен

m

0 где q = Toi ;

m - общее количество дискретных отсчетов, которыми представляется входной аналоговый сигнал.

По заднему фронту импульса gt за- 10 носится импульс из счетчика 16 в счетчик 15, а во время импульса gt выдается код адреса определяемого дискретного отсчета на адресный вход блока 28 памяти, и в преобразователь 1$

17 производится выборка входного сигнала.

Из блока 28 по первому адресу считывается содержимое (в исходном состоянии во всех ячейках памяти была ро записана нулевая информация) и подается на второй вход сумматора 30, а на первый его вход поступает значение дискретного отсчета с выхода преобразователя 17. Результат сум- zs мирования записывается в регистр 31 и в ту же ячейку блока 28. Через время То на выходе счетчика 16 появляется команда выборки, которая запускает вторично преобразователь 17, зв разрешает выдачу кода адреса о счетчика, 15 на адресные цепи блока 28 и добавляет импульс в счетчик 18.

В счетчике 15 за время Т> насчитывается q импульсов. По этим кодам из блока 28 памяти считывается информация, суммируется с сигналами вторых дискретных отсчетов из преобразователя 17 и записывается в регистр 31 и по тому же адресу в блок 28. !

Последующие дискретные отсчеты будут считываться и записываться в блок 28 по адресам 2q,3q....m q. ПосI ле получения m дискретных отсчетов в счетчик 19 подциклов заносится единица, делитель 14 частоты, счетчики

16, 18 и 15 сбрасываются в нуль. При кодах на входах 20 меньших, чем на входах 22 цифрового компаратора 38 SO (фиг. 3}, на выходе 40 появляется разрешающий потенциал и соответственно на выходах 24 и 25 появляется прямой и обратный код счетчика 19, который . заносится в <: иетчики 16 и 15. Оста- Ы навливает ся работа генератора 1. На этом работа на первом подцикле заканч и Ва е т с Р .

Далее поступает второй синхроимпульс на вход 32 генератора. 1, соответствующий вторичной синхронной развертке входного сигнала, Запускается генератор 1 и начинается второй подцикл получения дискретных отсчетов.

Первая команда выборки на выходе счетчика 16 появится через d t по отношеwe.-к первой команде выборки в первом подцикле, так как в конце первого подцикла в счетчик 16 занесен обрЬт-, ный код единицы, а в счетчике 15 занесен код единицы в прямом коде.. В результате информация из блока 28 считывается по второму адресу и после сложения с дискретным отсчетом записывается по тому же адресу.

Для последующих дискретных отсчетов второго подцикла информация будет считываться йз блока 28 памяти по адресам q+1, 2q+1, 3q+l,...m(+1, суммироваться с дискретными отсчетами и записываться йо тем же адресам.

Для последнего подцикла команда выборки со счетчика 16 сдвигается на (q-l)gt по отношению к первой команде выборки в первом подцикле, а информация с блока 28 считывается по адресам (q+m,2q+m 3q+m m q+m }. После определения последнего дискретного отсчета на q - 1 подцикле в блоке 21 сравнения кодов происходит сравнение кода, зафиксированного на счетчике 19 и установленного на блоке 23 задания числа подциклов. В результате делитель 14 частоты, счетчики 16, 18, 19 и 15 сбрасываются в нуль, в счетчик

27 добавляется единица, а в счетчики

16 и 15 по установочным входам заноcNTcR код нуля из счетчика 19 в обратном и прямом кодах соответственно. На этом полный цикл получения в дискретных отсчетов заканчивается.

При наличии повторяющихся полезных сигналов в шуме производится выделение сигналов из шума. Для этого на счетчике 27, исходя из требуемого соотношения сигнал-шум, устанавливается необходимое число циклов накопления и производится запуск анализатора, после достижения необходимого числа циклов накопления в ячейках памяти записаны дискретные отсчеты с заданными соотношением сигнал-шум.

Работа по циклам аналогична работе для одного цикла получения дискретных отсчетов входного сигнала.

Одновременно с получением дискретных отсчетов за время Т вычисляется о86 l0

За время обработки всех m дискретных отсчетов будут получены значения коэффициентов А < и В, которые перед записью выдаются за внешние устройства (электроннолучевую трубку,,графо- построитель, ЭВИ и т.д.). При исследовании сигналов на фоне шумов используются два режима получения коэффициентов фурье. Для первого режима на каждом цикле накопления получаются коэффициенты Фурье для текущих значений дискретных отсчетов, т.е. перед записью частных произведений на новом, цикле предыдущие значения коэффициентов (полученные на предыдущем цикле) стираются и на последнем цикле получаем значение коэффициентов дискретных отсчетов с заданным отношением сигнал-шум.

9 955

m частных произведений текущего дискретного отсчета X на все гармоники.

Первый дискретный отсчет Х< через регистр 31 поступает на вторые входы блоков 7 и 8 умножения. Код, зафиксированный на регистре 29 начального значения аргумента для Х, является начальным значением кода аргумента косинуса и синуса

2ЯК (f -=—

m где К вЂ” порядковый номер гармоники.

По импул ь с у с дели теля 2 и рои сходи т формирование кода аргумента для пер-. вого частного произведения

2 1

Ч=

По коду ар гумента (и 3 блоков 5 и 6 поступают значения cos " и

2Я

sin " на первые входы блоков 7 и 8 20 умножения, на вторые — Х . На выходах блоков 7 и 8 получаем произведения X

20. 1 ° 2й 1

m в сумматорах 9 и 10 суммируются с информацией, записанной по первым ад- И ресам блоков 11 и 12 памяти (в исходном состоянии по всем адресам блоков памяти записана нулевая информация) и записывается по тем же адресам. На m — импульсе делителя 2 час- Зо тоты получим Х cos и Х э1п

29 т которые записываются по адресам блоков 11 и 12 памяти.

Для второго дискретного отсчета Х2 порядок работы аналогичный, только начальное значение. кода аргумента будет сформировано счетчиком 15 и переписано в регистр 29. Последующие значения кода аргумента будут получать" ся путем многократного суммирования значения начального аргумента и т.д., пока все m дискретных эначени" отсчетов не будут использованы. В ячейках памяти блоков 11 и 12 памяти будут зафиксированы значения коэффициентов Фурье А к и В

m-4

А 1 — — — -, X соБК

m „„< m

2 . z i

В = — 7 X; sinK —

$0 к m 4 4 m

Формула изобретения где Х - текущее значение дискретноro отсчета;

К - порядковый номер гармоники и номер ячейки памяти блоков

11 и 12 памяти;

m - число дискретных отсчетов (ячеек памяти) .

Для второго режима текущие коэффициенты Фурье на каждом новом цикле суммируются. В результате получаем дополнительную возможность. улучшения соотношения сигнал-шум на выходе ана- лизатора.

Наличие дополнительного блока памяти и сумматора позволяет выделять сигнал из шума и выдавать его совместно со спектром на внешние устройства.

Предлагаемый анализатор по сравнению с прототипом позволяет существенно расширить частотный диапазон обрабатываемых сигналов.

Так как к аналого-цифровому преобразователю не предъявляются высокие требования по быстродействию, то это позволяет повысить точность анолого-цифрового преобразователя и точность усреднителя-анализатора.

В анализаторе имеется дополнительная возможность усреднения спектров.

Ъ

Усреднитель-анализатор спектра

Фурье, содержащий аналого-цифровой преобразователь > информационный вход которого является первым входом усредни теля- анали затора, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого через регистр текущего среднего соединен с первыми входами первого и второго блоков умножения, вторые входы которых подключены к выходам соответственно си-, нусного и косинусного преобразовате11 9550 лей, входы которых соединены с выходом блока формирования кода адреса, первый вход которого объединен с входом первого счетчика и подключен к выходу делителя частоты, вход кото- З рого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, первый вход которого является вторым входом усреднителя-анализатора, выход первого счетчика подключен к.управляющим входам первого и второго блоков памяти, информационные, входы которых подключены к выходам соответствующих сумматоров, первые входы которых соединены с выходами соответственно перво- " го и второго блоков памяти, вторые входы сумматоров подключены к выходам соответствующих блоков умножения, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона частот 0 входных сигналов, в усреднитель-анализатор введены регистр начального значения аргумента, второй делитель частоты, третий блок памяти, пять счетчиков, блок задания числа подциклов и блок сравнения кодов, входы которого подключены соответственно к выходу блока задания числа подцик" лов и к выходу второго счетчика, вход которого подключен к выходу треть- 30 его счетчика, вход которого о®ъединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя и с первым

86 входом четвертого счетчика и подключен к выходу пятого счетчика, первый вход которого объединен с вторым входом четвертого счетчика и подключен к выходу второго делителя частоты, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, первый, второй и третий выходы блока сравнения кодов соединены соответственно с третьим входом четвертого счетчика, с вторым входом пятого счетчика и с входом шестого счетчика, выход которого подключен к второму входу генератора тактовых импульсов, выход четвертого счетчика подключен к входу регистра начального значения аргумента, выход которого соединен с вторым входом блока формирования кода адреса, выход третьего блока памяти подключен к второму входу сумматора, первый вход третьего блока памяти соединен с выходом сумматора, второй

1 вход третьего блока памяти объединен с входом регистра начального значения аргумента и подключен к выходу четвертого счетчика.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

N 389525, кл. G 01 R 23/165, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР

11 М6063, кл. G 01 F 15/332, 1972 (прототип).

955086

Тираж 731 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по дела% изобретений и открытий

Il3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Заказ 6439/55 фи lll1 3 fl ППП Па тент", г . Ужгород, ул . Проектная, 4

Составитель В. Жовинский

Редактор С. Тараненко Техред g.Tenep Корректор А. Гриценко