Устройство для вычисления спектра сигналов — SU 1649566 (original) (raw)
ССВОЭ СОВЕТСНИХмюмщиаюРЕСПУБЛИН 801 649566 06 Г 15/332, 15/353 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ что в устроиство вычисления спектрасигналов, содержащее коммутаторы 1,2, генератор 4 шумового сигнапа, три.фильтра 5 промежуточной частоты, коммутатор 6, два канала, каждый из которых состоит из фазового детектора7, фильтра 8 нижних частот и АЦП 9,блок 10 ДПФ, умножитель 11, сумматор13, блок 14 памяти, счетчик 15 адресов, два ключа 16, 17, блок 22 синхронизации и блок 18 постоянной памяти, введены второй умножитель 12, вычитатель 19, регистр 20 коэффициентов, пятый коммутатор 3, блок 21 микропрограммного управления. Сущностьизобретения заключается в том, чтоувеличивается точность вычисления Щспектра сигналов за счет повышения точности значении ча.оты. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОУИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И СПНРЬПИЯПРИ ГКНТ СССР(56) Высоцкий Ф.Б. и др. Цифровые фильтры и устройства обработки сигналов на интегральных микросхемах. М.: Радио и связь, 1984, с. 22.Авторское свидетельство СССР по заявке Ф 4110942(24-24.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЬИИСЛВНИЯ СПЕКТРА СИГНАЛОВ(57) Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам спектрального анализа сигналов, представленных в цифровой форме. Целью изобретения является увеличение точности вычисления спектра сигналов. Поставленная цель достигается тем,ри определении усредненных ЧХ фильтров промежуточной ил., 1 табл.Изобретение относится к вычцслцтельцоц технике, и частности к устройствам спектрального анализа сигцалон, представленных в цифровой Форме,Пель изобретения - поньппение точности вычисления спектра сигнала.Сущность изобретения заключается в том, что для нахождения, значений ЛЧХ Фильтров промежуточной частоты 10 проводится усреднение каждого спектрального отсчета шумового сигнала по формулеу =ах + (1 - а)у 1 (1) где х - дискретный отсчет спектральной плотности шумового сигнала, подлежащий усредцеццюна 1 с-м шаге вычислений," У,У 1,- результаты усреднения соответстненно ца к-м и (1 с)-мшагах вычисленийа - постоячный коэффициент (аС 1) .На Фиг, 1 приведена функцпональцая 25 схема устройства ца Фиг. 2 - схема блока микропрограммного управления, на Фиг. 3 - временные диаграммы сицхроцизирующих импульсов, Формируемых блоком синхр они зации.30Устройство для вычисления спектра сигналов (Фиг. 1) содержит коммутатс - ры 1-3, генератор 4 шумового сигнала, фильтры 5 промежуточной частоты, коммутатор 6, два канала, каждый из которых состоит из последовательно соединенных Фазового детектора 7, Фильтра 8 нижних частот и аналого-цифрового преобразователя 9, блок 10 дискрет ного преобразования Фурье (ДПФ), умножители 11 и 12, сумматор 13 блок 14 памяти, счетчик 15 адресов, ключи 16 и 17, блок 18 постоянной памяти, нычитатель 19, регистр 20 коэффициентов, блок 21 микропрограммного управ пения, блок 22 синхронизации информационные входы 23-25 и выход 26 вы" ходы 27 блока 21, вход 28 команд и вход 29 запуска.Блок 21 микропрограммного управления (фиг. 2) образуют последовательно соединенные узел 30 ввода команд, узел 31 Формирования адреса, постоянная память 32 и регистр ЗЗ.Устройство для вычисления спектра сигналов работает следующим образом,При поступлении на вход 29 устройства сигнала "Пуск" осущестнляется запуск блока 22, который при поступпении команд (см., таблицу) па вход 28 устройства формирует ца выходах сигналы (Фиг. 3),При поступлении на вход 28 устройства команды цПачальцая устанонка" (см. таблицу) на выходе узла 30 ввода команд Формируется сигнал обнуления, который подается ца узел 31 Формирования адреса и переводит его выход н нулевое состояние.Таким образом, на входе постоянной памяти 32 будет сформирован нулевой адрес. Нулевому адресу, как следует из таблицы микрокоманд, записанньгх в постоянную память 32, соответствует сигнал, которьп переписывается н регистр ЗЗ и выводится ца выход 27. Поэтому сигналу осуществляется установка в цсходпое состояние блока 10 ДПФ, сигнала счетчика 15 адресов и регист - ра 20 коэффициентов. При этом ца втором выходе регистра 33 Формируется сигнал, который подается на вход узла 31 формирования ацреса и подготавливает его для приема коканды от узла 30 ввода команд. 1Лмплптудцо-частотные искажения н спек-.ре сигцалон, нозникаюшие из-за различных ЛЧХ Фильтрон 5 промежуточной частоты, подвергаются коррекции. Исполнительцье элементы схемы коррекции входят н ту ее часть, которая содержит коммутатор 3, умножитель 11, блок 14 памяти, счетчик 15 адресов, ключ 17 и блок 18 постоянной памяти. ,Цля проведения коррекции амплитудночастотцьтх искажений н спектре сигналон необходимо иметь ицформащю о виде и Форме ЛЧХ Фильтров 5 промежуточной частогы. Такую информацию можно получить при вычислении спектра шумового сигнала, который Формируется генератором 4 шумового сигнала и подается на первые входы коммутаторов 1. Периодически основной режим работы устройства вычисления спектра сигна - лон прерывается и на вход 28 устройства подается команда "Фильтр промежуточной частоты 1" (ФПЧ 1, ,см. таблицу). При поступлении этой команды на вход блока 21 осуществляется ее трансляция через узел 30 ввода команд и узел 31 Формирования адреса на вход постоянной памяти 32, Б соответствии с таблицей микрокоманд , .записанных в постоянную память,32, на его выходе формируются сигналы, которые перепи 5 164 сываются в регистр 33 и выводятся на выход 27.По сигналам, передаваемым по выходу 27, осуществляется отключение с помощью коммутаторов 1 входов фильтров 5 промежуточной частоты соответственно от первого 23, второго 24 и третьего 25 информационных входов устройства и подключение к выходу ге; нератора 4 шумового сигнала,а также подключение с помощью коммутатора 6 выхода первого фильтра 5 промежуточной частоты к входам фазовых детекторов 7,перевод блока 10 ДПФ на осуществление вычислений по алгоритму БПФ, управление коммутаторами 2 и 3 и ключами 16 и 17, переключение режимов "Запись-считывание" в блоке 14 памяти, запись начального адреса в счетчик 15 адресов, наращивание адресов в счетчике 15 адресов, а также запись постоянного коэффициента а в региатр 20 коэффициентов. Таким образом, шумовой сигнал, прошедший через первый фильтр 5 промежуточной частоты, с помощью коммутатора 6, подается на входы фазовых детекторов 7. После преобразования в фазовых детекторах 7, фильтрах 8 нижних частот и аналого-цифровом преобразователе 9 шумовой сигнал, дискретизированный по времени, квантованный по уровню и представленный в двоичном коде, подается соответственно на реальный и мнимый входы блока 10 ДПФ, который производит вычиспение дискретного преобразования Фурье по алгоритму БПФ, Таким образом, на выходе блока 10 ДПФ получают последовательность спектральных отсчетов шумового сигнала, которая является мгновенным спектром шумового сигнала, . прошедшего через первый фильтр 5 промежуточной частоты. С выхода блока 10 ДН последовательность спектральных отсчетов шумового сигнала подается на первый вход умножителя 11, на второй вход которого через коммутатор 3 с выхода регистра 20 коэффициентов подается постоянный коэффициент а, представленный в двоичном коде. С помощью коммутатора 2 с выхода умножителя 11 последовательность спектральных отсчетов шумового сигнала, умноженная на постоянный коэффициент а, подает" ся на первый вход сумматора 13, на второй вход которого с выхода разомкнутого ключа 16 подаются нулевые отсчеты, которые не меняют значений9566 6 тра шумового сигнала.Для определения АЧХ фильтров 5 .промежуточной частоты необходимо про-вести многократное вычисление мгновенных спектров шумового сигнала и ихобработку по формуле (1). Поэтомуописанный режим работы устройства вычисления спектра сигналов периодичес"ки повторяется, за исключением того, 35 что при повторюк в. Ислениях мгно-венных спектров шумового сигнала замыкается ключ 6 и амплитудные значения вновь вычисленных мгновенныхспектров шумового сигнала, умножен" 40 ные в умножителе 11 на постоянный коэффициент, суммируются в сумматоре 13с амплитудными значениями мгновенныхспектров шумового сигнала, записанными в блоке 14 памяти. Далее из полу" 45 ченной суммы в вычитателе 19 вычитается результат произведения амплитудных значениймгновенного спектра шумового сигнала, записанного в блоке/14 памяти, и постоянного коэффицнен та, полученный во втором умножителе12, Таким образом, происходит чередо" 55 5 10 15 20 25 спектральных отсчетов шумового сигнала. Полученная сумма двух чисел с выхода сумматора 13 поступает на первый вход вычитателя 19, на второй вход которого с выхода второго умножителя 12 поступает произведение нулевых отсчетов, подаваемых с выхода разомкнутого ключа 16, и постоянного коэффициента, подаваемого с выхода регистра 20 коэффициентов. Получаемое произведение двух чисел также не меняет:, значений спектральных отсчетов шумо" вого сигнала. С выхода вычитателя 19 спектральные отсчеты шумового сигнала поочередно записываются в ячейки блока 14 памяти с адресами, которые вырабатываются счетчиком 15 адресов.Последний сигнал, который формируется на выходе 27 под действием команды ФПЧ 1, переводит узел 31 формирования адреса в состояние готовности для приема новой команды с входа 28 устройства.На этом заканчивается один цикл вычисления и записи мгновенного спек" вание режима считывания иэ блока 14 памяти спектральных отсчетов шумовогосигнала, которые были записаны в негов предыдущем цикле обработки мгновенного. спектра шумового сигнала, и режима записи в блок 14 памяти вновьобработанных амплитудных значенийспектральных отсчетов. Для вычислениямгновенных спектров шумового сигнала, прошедшего через второй и третий Фильтры 5 промежуточной частоты, на вход 28 устройства подаются команды ФПЧ 2 и ФПЧ 3, которые отличаются от команды ФПЧ 1 тем, что при наличии этих команд осуществляется подключение с помощью коммутатора 6 соответственно второго или третьего Фильтра 5 промежуточной частоты к входам фазовых детекторов 7, а также запись соответствующего начального адреса в счетчик 15 адресов. Таким образом, после проведения многократной обработки мгновенных спектров шумового сигнала в блоке 14 памяти будут записаны амплитудные значения отсчетов АЧХ фильтров 5 промежуточной частоты.В основном режиме работы устройства вычисления спектра сигналов на вход 8 устройства подается команда "Коррекция 1" (см. таблицу). При поступлении этой команды на вход блока 21 осуществляется ее трансляция через узел 30 ввода команд и узел 31 Формирования адреса на вход постоянной памяти 32. В соответствии с таблицей . команд, записанных в постоянную память 32, на ее выходе Формируютсясигналы, которые переписываются в регистр 33 и выводятся на выход 27.По.сигналам, передаваемым по выхо" ду 27, осуществляется подключение с помощью коммутаторов 1 входов фильтров 5 промежуточной частоты соответственно к первому 23, второму 24 и третьему 25 информационным входам устройства, а также подключение с помощью коммутатора 6 выхода первого фильтра 5 промежуточной частоты к входам фазовых детекторов 7, перевод блока 10 ДПФ на осуществление вычислений по алгоритму БПФ, управление коммутаторами 2 и 3 и ключами 16 и 17, включение режима "Считывание" в блоке 14 памяти, запись начального адреса в счетчик 15 адресов и наращивание адресов в счетчике 15 адресов. Таким образом, входной сигнал, прошедший через первый Фильтр 5 промежуточной частоты, с помощью коммутато" ра 6 подается на входы фазовых детекторов 7, После преобразования в фазовых детекторах 7, фильтрах 8 нижних частот и аналого-цифровом преобразователе 9 обрабатываемый сигнал подается на блок ДПФ для вычисления его спектра. Амплитудные значения спектральных отсчетов входного сигнала подаются на первый вход умножителя 11для умножения на корректирующие коэфФициенты, которые представляют собойобратные величины 1/В от амплитудныхзначений отсчетов В АЧХ Фильтров 5промежуточной частоты. Последовательности спектральных отсчетов, снимаемой с выхода блока 10 ДПФ, соответст-.вует последовательность корректирующих коэффициентов, значения которойполучаются благодаря поочередномусчитыванию из блока 14 памяти ампли-тудных значений АЧХ первого фильтра5 промежуточной частоты. При этомключ 16 разомкнут и информация с выхода блока 14 памяти через замкнутыйключ 17 поступает на вход блока 18постоянной памяти и преобразуется внем в последовательность корректирующих коэффициентов, которые через коммутатор 3 поочередно поступают навторой вход умножителя 11.25 Таким образом, на выходе умножителя 11 получена последовательностьспектральных отсчетов входного сигнала, которая скорректирована в соот"ветствии с видом и формой АЧХ первогофильтра 5 промежуточной частоты.Скорректированные отсчеты спектрасигналов поступают через коммутатор 2на информационный выход 26 устройствадля дальнейшей обработки.Последний сигнал, который Формируется на выходе 27 под действием команды "Коррекция 1", переводит, узел31 формирования адреса в состояниеготовности для приема новой командыс входа 28 устройства.Для вычисления спектра сигналов,прошедших через второй и третий Фильтры 5 промежуточной частоты, на вход28 устройства подаются команды "Коррекция" и "Коррекция 3", которыеотличаются от команды "Коррекция 1"тем, что при наличии этих команд осуществляется подключение с помощью .коммутатора 6 соответственно второгоили третьего фильтра 5 промежуточной 5 О частоты к входам фазовых детекторов7, а также запись соответствующегоначального адреса в счетчик 15 адресов.Использование изобретения позволя, ет увеличить точность вычисленияспектра сигналов путем повышения точности при определении усредненныхзжвдчений АЧХ фильтров 5 промежуточнойчастоты, При этом точность определения усредненных значений ЛЧХ фильтров 5 промежуточной частоты зависит от выбора величины постоянного коэффициента а в формуле (1) и обеспечивается на заданном уровне при выполнении условия а 1.Формула изобретенияУстройство для вычисления спектра сигналов, содержащее пять коммутаторов, генератор шумового сигнала, три фильтра промежуточной частоты, блок синхронизации, два фазовых детектора, два фильтра нижних частот, два аналого-цифровых преобразователя, блок дискретного преобразования Фурье, умножитель, сумматор, блок памяти, счетчик адресов, два ключа и блок постоянной памяти, причем первые информационные входы с первого по третий коммутаторов объединены и подключены к выходу генератора шумового сигнала, выходы первого и второго фильтров нижних частот соединены соответственно с информационными входами первого и второго аналого-циФровых преобразователей, вторые информационные входы с первого по третий коммутаторов являются соответственно первым, вторым и третьим информационными входами устройства, выходы с первого по третий коммутаторов соединены соответственно с входами с первого по третий фильтров промежуточной частоты, выходы которых соединены соответственно с первого по третий информационными вхоцами четвертого коммутатора, входы фазовых детекторов подключены к выходу четвертого коммутатора, выходы аналого-цифровых гр еобразователей подключены соответственно к входам реальной и мнимой частей сигнала блока дискретного преобразования Фурье, первый выход пятого коммутатора подключен к первому входу сумматора, адресный вход блока памяти подключен к информационному выходу счетчика адресов, выход блока памяти соединен с информационными входами первого и, второго ключей выходы которых соединены соответственно с вторьи входом сумматора и адресным вхоЛом блока постоянной памяти, выходы первого ивторого фазовых детекторон соеднцецыс вхолами соответственно первого нвторого фильтров нижних частот, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения точности вычисленияспектра сигнала, н него введены второй умцожитель, вычитатель,регистркоэдкЬициентов, шестой коммутатор, блокмикропрограммного управлении, причемвыход блока дискретного преобразования Фурье подключен к первому входупервого умножителя, выход которогосоединен с информационным входом пятого коммутатора, второй выход которого является инФормационным выходомустройства, выход сумматора подключенк первому входу вычитателя, выход которого соединен с информационным входом блока памяти, выход блока постоянной памяти подключен к первому информационному входу шестого коммута тора, выход которого соединен с вторым входом первого умножителя, второйинформационный вход шестого коммутатора и первый вход второго умножителя подключены к выходу регистра коэффициентов, второй .вход второго умножителя соединен с выходом первого:ключавыход второго умножителя подключен к второму входу вычитателя,управляющие входы с первого по шестойкоммутаторов, блока дискретного преобразователя Фурье, блока памяти,счетчика адресов, первого и второгоключей, информационные входы и входсинхронизации регистра коэффициентов 4 подключены к соответствующим выходамблока микропрограммного управления,вход команд которого является входомкоманд устройства, входы синхронизации первого и второго аналого-цифро вых преобразователей подключены кпервому выходу блока синхронизации,входы синхронизации блока дискретногопреобразования Фурье, блока памяти иблока микропрограммного управления 50подключены соответственно к второму,третьему и четвертому выходам блокасинхронизации, вход запуска которогоявляется одноименньи входом устройства..12 1649566 команда Вход блока 32 Выход блоке 32 (упрввлякгщие входы блоков) г г 1 3Ф 1 го Г ФФ 1 гз Тгз Гг г Т гз Зг О.0000 000000000101 О,. .0000 0 0 00 О 1 00 Началънвя О, 000 0 установка 0000000000001 00,.000 0 0 1 0 0е001 00000000001000001 00 0 0 0П аказ 15 ое ГКНТ СССР НИИПИ Госуд Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужго ул, Гагарина, 10 Тираж 424ственного комитета 113035, Москва, Б изобретениям и открытиям5, Раушская наб., д. 4/5