Устройство для определения спектра

 

. Союз Советскик

Социалистических

Респубиии

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 03.04. 81 (21) 3267193/18-24 с присоединением заявки М— (23) Приоритет—

Опубликовано 07.11.82, Бюллетень М 41

Дата опубликования описания 07.11,82 (51) М. Кл.

G 06 F 11/332

G 01 R 23/16 фЬсударстаскный комитат

СССР ао аелаи имаретений и открытий (53) /Л К 681. 323 (088. 8, И. Я. Билинский, 10. ф. Боровик, А. К. Иикелсон и И. Б. Недниекс (72) Авторы изобретения . С-ОВЗНЯЯ

Институт электроники и еыиисл тельной техники и 1 АТЕМтяюАН Латвийской ССР 1 - 1>ХНИт(КМ (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРА

Изобретение относится к специализированной аналого-цифровой вычислительной технике, предназначенной для определения статистических характеристик случайных сигналов, и может быть использовано в радиотехнике,-5 электросвязи и измерительной технике для определения спектральных характеристик случайных сигналов в реальном масштабе времени.

Известно устроиство для преобразо1о вания корреляционной функции в спектр мощности, Содержащее блок вычисления корреляционной функции, сумматор, первый и второй электронные переключатет5 ли, счетчик ординат, триггер, блок запоминания и блок вычисления и вывода спектра Г1 3.

Недостатком такого устройства является низкое быстродействие, что обусловлено выполнением операции умножения многоразрядных чисел в блоке

I вычисления корреляционной функции, а также в блоке вычисления и вывода

2 спектра. Вследствие этого устройство выделяет только одну составляющую спектра входного сигнала за один цикл работы и не может быть использовано для определения спектра в реальном масштабе времени.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для выполнения преобразования

Фурье, содержащее генератор тактовых импульсов, генератор псевдослучайных чисел, блок формирования,стробимпульсов, блок памяти, блок задания, входной информации, вход которого являет.ся входом устройства, две группы шифраторов (число которых в каждой группе равно количеству частот анализа), две группы блоков суммирования-вычитания, два регистра промежуточных коэффициентов и два вычислительных блока, входы и выходы которых являют.ся выходами устройства. В этом устройстве отсчеты стохастически дискретизован" ного сигнала умножаются на отсчеты

972519

3 прямогоульных фильтрующих функций, а полученные оценки в базисе этих функций пересчитываются в тригонометрический базис в вычислительных блоках Г21.

Недостатками известного устройства являются низкое быстродействие и конструктивная сложность, обусловленные тем, что для выделения каждой составляющей спектра сигнала необходимо 10 использовать две ортогональные фильтрующие функции, что приводит к необходимости иметь две группы шифраторов, две группы блоков суммированиявычитания, два регистра промежуточ- 15 ных коэффициентов и два вычислительных блока, а также необходимость дополнительных вычислительных операций для вычисления спектральных оценок по оценкам коэффициентов Фурье. Осо- р0 бенно сильно эти недостатки проявляются при большом количестве исследуемых частот.

Целью изобретения является повышение быстродействия и упрощение уст- 25 ройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения спектра, содержащее цифро-аналоговый преобразователь, выход которого соединен 50 с первым входом блока квантовд ия, второй вход которого является входом устройства, к управляющему входу блока квантования подключен выход блока формирования стробимпульсов, вхо 35 которого соединен с выходом генератора псевдослучайных чисел, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выход генератора псевдослучайных чисел подключен к адресному входу блока памяти, выходы ко-, торого подключены к первым входам соответствующих шифраторов, число- которых равно количеству частот анализа, выходы шифраторов подключены к управ45 ляющим входам соответствующих блоков суммирования - вычитания, выходы которых подключены к соответствующим входам регистра промежуточных коэффициентов, выход которого является пер50 вым выходом устройства и подключен к входу вычислительного блока, выход которого является вторым выходом устройства введены регистр сомножителя, первый, второй и третий блоки умноже-, ния и сумматор, выход генератора

55 псевдослучайных чисел подключен к входу цифро-аналогового преобразователя и к первым входам регистра сомф ножителя и первого блока умножения, выход блока квантования подключен к второму входу регистра сомножителя и к первым входам второго и третьего блоков умножения, первый выход регистра сомножителя подключен к второму входу третьего блока умножения, второй выход регистра сомножителя подключен к вторым входам первого и второго блоков умножения, выходы блоков умножения подключены к соответствующим входам сумматора, знаковый выход которого соединен с вторыми входами шифраторов, а информационный выход сумматора подключен к информационным входам блоков суммирования - вычитания.

Такая структура устройства позволяет получить на выходе сумматора оценки корреляционой функции сигнала. Так как корреляционная функция является четной функцией, то нет необходимости умножать ее на нечетные фильтрующие функции, так как эти умножения заведомо дают в результате ноль, что упрощает устройство, исключая одну группу шифраторов, одну группу блоков суммирования - вычитания, а также один регистр промежуточных коэффициентов и один из вычислительных блоков. На выходе вычислительного блока, и регистра промежуточных коэффициентов могут быть подключены сразу значения спектральной плотности мощности как дискретное косинуспреобразование корреляционной функции и нет необходимости эти значения вычислять по коэффициентам Фурье, т.е. сокращается количество операций умножения на 2 и (и - количество частот анализа). Это повышает быстродействие устройства.

На чертеже показана блок-схема предлагаемого устройства.

Входом 1 устройства является первый информационный вход блока 2 задания входной информации, который состоит из блока 3 квантования, и цифра-аналогового преобразователя 4.

Входом 1 устройства является первый информационный вход блока 3 квантования, второй информационный вход которого подключен к выходу цифроаналогового преобразователя 4. Выход генератора 5 тактовых импульсов через последовательно соединенные генератор 6 псевдослучайных чисел и блок

7 формирования стробимпульсов подклю чен к управляющему входу блока 3

19. 6 мирования стробимпульсов формируют. стробимпульсы, которые на временной оси образуют стационарный случайный поток с ограниченным последствием.

Эти импульсы подаются на управляющий вход блока 2 задания. С помощью этих импульсов выполняется стохастическая дискретизация входного сигнала. С помощью цифро-аналогового преобразователя 4 псевдослучайная последовательность на выходе генератора 6 псевдослучайных чисел преобразовывается в аналоговую форму и подаетс на второй информационный вход блока 3 квантования ° Эта величина используется в качестве опорной величины для квантования. Блок 3 квантования производит грубое стохастическое кван:. тование входного сигнала. При этом оценка значения входного с гнала в

k-й момент дискретизации определ, ется по формуле т к + где „ — псевдослучайная величина на выходе генератора 6 псевдослучайных чисел, равномерно распределенная в интервале .— ",;Н; пк — малоразрядная оценка значения входного сигнала на выходе блока 3 квантования.

Время накопления значений спектра разделяется на циклы, в пределах которых оценка первого значения входно- го сигнала в цикле умножается на все другие оценки входного сигнала этого цикла для получения оценок корреляционной функции сигнала. Регистр 8 сомножителя запоминает значения оце" нок входного сигнала в первой точке дискретизации каждого цикла, через каждые Й точек дискретизации .содержимое регистра 8 сомножителя обновляется. Оценки корреляционной функции сигнала при временном сдвиге ; между и-й и первой точками дискретизации i-го цикла определяются по формуле л

")((jg) jg "1% fjg lt1 f19 1 1

Необходимее операции умножения, обусловленные применением такой оцен ки, выполняют первый 9, второй 11 и третий 12 блоки умножения, а на вы5 9725 квантования. Выход генератора 6 псев дослучайных чисел подключен также к входу цифро-аналогового преобразователя 4, к первому входу регистра 8 сомножителя и первого блока 9 умноже- 5 ния и к адресному входу блока 10 памяти. Выход блока 3 квантования подключен к второму входу регистра 8 сомножителя и к первым входам второго (11} и третьего (12) блоков умножения. Первый выход регистра 8 сомножителя подключен к второму входу третьего блока 12 умножения, второй выход регистра 8 сомножителя подключен к вторым входам первого 9 и второго Il блоков умножения. Выходы всех трех блоков 9, 11 и 12 умножения подключены к соответствующим входам сумматора 13. Выходы блока 10 памяти подключены к первым входам и шифраторов 14, вторые входы которых подключены к знаковому выходу сумматора 13. Выходы шифраторов 14 подключены к управляющим входам соответствующих блоков

15 суммирования-вычитания, информаци- >5 онные входы которых подключены к информационному выходу сумматора 13.

Выходы блоков 15 подключены к входам регистра 16 промежуточных коэффициен тов, выход регистра 16 промежуточных 50 коэффициентов подключен к входу вычис: лительного блока 17, вход и выход, которого являются выходами 18 и 19 устройства.

Устройство работает в два этапа. 15

На первом этапе в блоках 15 накапливаются значения спектральной плотности мощности в базисе прямоугольных. фильтрующих функций. В конце этого этапа информация с блоков 15 перепи-! сывается в регистр 16 промежуточных коэб ициентов, блоки 15 обнуляются, и начинается новый этап накопления промежуточных значений спектральной плотности мощности. 45

На втором этапе производится вычисление в вычислительном блоке 17 оценок спектральной плотности мощности в тригонометрическом базисе по значениям оценок спектральной плотности мощности в базисе прямоугольных фильтрующих функций.

Исследуемый непрерывный сигнал .поступает на аналоговый вход l устройства который является первым инЭ

55 формационным входом блока 3 квантования.

Последовательно соединенные генера1тор 5 тактовых импульсов, генератор

6 псевдослучайных чисел и блок 7 форММ И Ц (>К14

„ (ье) е . „Йд2к ф ае),scaui=,("")

К=1

С„(1 Е) =

7 9725 ходе сумматора 13 формируются оценки корреляционной функции сигнала для каждого момента дискретизации. Вслед. ствие того, что оценка входного сигнала на выходе блока 3 квантования является малоразрядной, операции умножения в блоках 9, 11 и 12 выполняются в виде логических операций над сомножителями, Логический уровень> соответствующия знаку текущего значения «6 оценки .корреляционной функции в момент дискретизации с выхода знакового разряда сумматора 13, поступабт на первые входы шифраторов 14, на вторые входы которых поступают считываемые 15 кодом псевдослучайного числа с блока

10 памяти соответствующие данному моменту дискретизации значения кодов фильтрующих функций. При совпадении в момент дискретизации знаков иссле- 20 дуемого сигнала и фильтрующей функции на выходе шифраторов 14 формируется код, разрешающий выполнение в соот. ветствующем блоке 15 суммирования-вычитания операции сложения, при несов-25 падении знаков - код, разрешающий выполнение операции вычитания. При поступлении на второй вход шифраторов 14 кода, соответствующего нулевому значению фильтрующей функции, На30 выходе формируется код, запрещающий выполнение операции, при этом оценка корреляционной функции для данного момента дискретизации не учитывается, В результате этих действий после М циклов определения оценок корреляционной функции входного сигнала в блоках

15 оказываются накопленными оценки спектральной плотности мощности в базисе выбранных фильтрующих функций

-i, М A

Я

Ь,,(К)=К 2 dt s Е К(0) 2 Е.К„(7...„)к

Х1 2 11 х Рс(Е, „,), где Кф — коэффициент, зависящии от, 45 формы фильтрующей функции

КХ1(0) — оценка дисперсии сигнала в i-м цикле;. где (. ) - целая часть выражения в скобках.

19 8

К)((g) — оценка корреляционной функции при сдвиге Т„, „1р 111,- 4.1„— временной сдвиг между

h-м и первым моментом дискретизации i-го цикла;

Ро(Е, ; )- значение фильтрующей функ ции частоты f в и-й момент дискретизации i-ro цикла;

Ы: средний шаг дискретйзации; с(, — шаг квантования.

По окончании И циклов определения оценок корреляционной функции производится перезапись промежуточных значений спектральной плотности мощности в базисе выбранных фильтрующих функций из блоков 15 суммированиявычитания в регистр 16 промежуточных коэффициентов, после чего блоки 15 обнуляются, и начинается новый этап накопления значений спектра. Если в качестве фильтрующих выбрать функции вида

1, если cos 2У Гt Ъ О (f .t)

-1, если cos27> ft С О, тогда промежуточные значения спектральной плотности мощности пересчитываются в тригонометрический базис в вычислительном блоке 17 по формуле л е H)044

2 +.1 6)(((2г фИ), acа где d f = - минимальный шаг по

N5h частоте определения значений спектральной плотности мощности; — средняя частота дискретизации.

При условии отсутствия во входном сигнале частот выше частоты среза

1G =Е ср!2,значения спектральной плотности мощности в тригонометрическом л базисе 6 к (1 ь Г) рассчитываются через промежуточные значения спектральной плотности мощности в базисе выбранных фильтрующих функций 6 (i a f) по формуле

Как видно из этой формулы, часть значений спектральной плотности мощ9725

Формула изобретения

Устройство для определения спектра, содержащее цифро-аналоговый преобразователь, выход которого соединен с первым входом блока квантования, 20 второй вход которого является входом устройства, к управляющему входу блока квантования подключен выход блока формирования стробимпульсов, вход которого соединен с выходом re- нератора псевдослучайных чисел, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выход генератора псевдослучайных чисел подключен к адресному входу блока памяти, выхо-30 ды которого подклочены к первым входам соответствующих шифраторов, число которых равно количеству частот анализа, выходы шифраторов подключены к управляющим входам соответствующих д блоков суммирования-вычитания, выходы которых подключены к соответствующим

9 ности 6х (1 а f) с индексами 1 от

1 м цм

6 — до — формируется сразу в

6 сумматорах-вычитателях 15 и подается на первый выход 18 устройства без S дополнительного пересчета. Остальные значения получаем на втором выходе

19 устройства после пересчета в вычислительном блоке 17.

Таким образом, на выходах устройства получаем сразу значения спектральной плотности мощности сигнала.

19 10 входам регистра промежуточных коэффи" циентов, выход которого является пер.вым выходом устройства и подключен к входу вычислительного блока, выход которого является вторым выходом устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия и упрощения устройства, в него введены регистр сомножителя, первый, второй и третий блоки умножения и. сумматор, выход генератора псевдослучайных чисел подключен к входу цифро-аналогового преобразователя и первым входам регистра сомножителя и первого блока умножения, выход блока квантования подключен к второму входу регистра сомножителя и к первым входам второго и третьего блоков умножения, первый в.;:."од регистра сомножителя подключен к второму входу третьего блока умножения, второй выход регистра сомножителя подключен к вторым входам первого; и второго блоков умножения, выходы блоков-, умножения подключены к соответствующим входам сумматора, знаковый выход которого соединен с вторыми входами шифраторов, а информационный выход сумматора подключен к информационным входам блоков суммирования-вычитания.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

l. Авторское свидетельство СССР

11 532100, кл. Ci 01 R 23/16, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР ,по заявке 11" 2943590/1S-24, кл. & 01 R 23/16.(прототип).

972519

Заказ 8519/42

Тираж 731 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r, Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель В, Жовинский

Редактор Р. Цицика Техред Е,Харитончик Корректор Н. Еуряк