АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА
SPECTRUM ANALYZER

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, а также к приборостроению и может быть использовано для вычисления коэффициентов дискретного преобразования по функциям Варакина двухзначных сигналов (последовательностей единиц и нулей) в аппаратуре обработки и сжатия информации, для анализа и обработки сигналов ЭВМ, для анализа и обработки звуковых и видеосигналов, при передаче данных, например, однополярных телеграфных сигналов, сигналов телеметрии, сигналов в системах с кодовым разделением каналов, в том числе, для решения задач распознавания источников радиоизлучения.
Известен анализатор спектра для вычисления коэффициентов дискретного преобразования по функциям Уолша, содержащий информационный вход, делитель частоты, регистр сдвига, тактовый генератор, дешифратор синхросигнала, счетчик, два элемента И, дешифратор интервалов преобразования, генератор функций Уолша, реверсивные счетчики и регистры (см. авторское свидетельство на изобретение №1415225 по заявке на изобретение №3920341/24-24 от 01.07.1985, опубликовано 07.08.1988, кл. G06F 15/332).
Однако известный анализатор спектра, вычисляющий коэффициенты дискретного преобразования по функциям Уолша, не может осуществлять вычисление коэффициентов дискретного преобразования по функциям Варакина.
2
Известен анализатор спектра для вычисления коэффициентов дискретного преобразования по функциям, описываемым последовательностями D-кодов, содержащий элемент И, генератор тактовых импульсов, N реверсивных счетчиков (где N - размер преобразования), генератор функций Уолша, N регистров, (k - 2) - разрядный двоичный счетчик (где k=log N), k - 1 кольцевых четырехразрядных регистров сдвига, k - 1 управляемых инверторов, источник положительного напряжения, N умножителей, источник логической единицы, и два переключателя (см. патент на изобретение №2047895 по заявке на изобретение №5034180/24 от 25.03.1992, опубликован 10.11.1995, кл. G06F 7/14).
Однако известный анализатор спектра, вычисляющий коэффициенты дискретного преобразования по функциям, описываемым последовательностями D-кодов, не может осуществлять вычисление коэффициентов дискретного преобразования по функциям Варакина.
n
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является анализатор спектра по функциям Уолша, содержащий элемент И, генератор тактовых импульсов, N реверсивных счетчиков, генератор функций Уолша, N регистров, причем выход генератора тактовых импульсов подключен к входу синхронизации генератора функций Уолша и первому входу элемента И, второй вход которого является информационным входом анализатора спектра, выход окончания работы генератора функций Уолша подключен к тактовому входу i-го регистра (где  N - 2 - размер преобразования), выход которого является выходом i-го коэффициента дискретного преобразования по функциям Уолша, выход элемента И подключен к счетному входу i-го реверсивного счетчика, информационный выход которого подключен к информационному входу i-го регистра, выход i-й функции Уолша генератора функций Уолша подключен к синхронизирующему входу i-го реверсивного счетчика, вход обнуления которого подключен к выходу окончания работы генератора функций Уолша (см. авторское свидетельство на изобретение №1203536 по заявке на изобретение №3747403/24-24 от 22.02.1984, опубликовано 07.01.1986, бюл. №1, кл. G06F 15/332).
Недостатком известного анализатора спектра, вычисляющего коэффициенты дискретного преобразования по функциям Уолша, являются ограниченные функциональные возможности, поскольку он не может осуществлять вычисление коэффициентов дискретного преобразования по функциям Варакина.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей анализатора спектра, заключающихся в вычислении коэффициентов дискретного преобразования по функциям Варакина.
n
n
n
n-1
n-1
Поставленная цель достигается тем, что в известный анализатор спектра, содержащий элемент И, генератор тактовых импульсов, N реверсивных счетчиков, генератор функций Уолша, N регистров, причем выход генератора тактовых импульсов подключен к входу синхронизации генератора функций Уолша и первому входу элемента И, второй вход которого является информационным входом анализатора спектра, выход окончания работы генератора функций Уолша подключен к тактовому входу i-го регистра (где  N=2 - размер преобразования), выход которого является выходом i-го коэффициента дискретного преобразования, выход элемента И подключен к счетному входу i-го реверсивного счетчика, информационный выход которого подключен к информационному входу i-го регистра, вход обнуления i-го реверсивного счетчика подключен к выходу окончания работы генератора функций Уолша введены элемент односторонней проводимости, двухразрядный регистр сдвига, двухвходовый коммутатор, группа из 2 двухвходовых умножителей и дополнительный двухвходовый умножитель, причем 2-ый выход генератора функций Уолша подключен к тактовому входу двухразрядного регистра сдвига, i-й выход генератора функций Уолша (где  порядковый номер выхода генератора функций Уолша) подключен к первому входу i-го двухвходового умножителя группы, вход элемента односторонней проводимости подключен к второму выходу генератора функций Уолша, выход элемента односторонней проводимости соединен с информационным входом двухразрядного регистра сдвига, выход которого подключен к управляющему входу двухвходового коммутатора, первый информационный вход которого соединен с (2-2)-м выходом генератора функций Уолша, второй информационный вход двухвходового коммутатора соединен с (2+1)-м выходом генератора функций Уолша, выход коммутатора подключен к первому входу дополнительного двухвходового умножителя, второй вход которого подключен к второму выходу генератора функций Уолша, выход дополнительного двухвходового умножителя соединен с вторыми входами всех двухвходовых умножителей группы, выход i-го двухвходового умножителя группы подключен к синхронизирующему входу i-го реверсивного счетчика.
Для вычисления коэффициентов дискретного преобразования по функциям Варакина в предлагаемом анализаторе спектра необходимо использовать соответствующую базисную систему.
В качестве базисной системы в предлагаемом анализаторе спектра используется система дискретных ортогональных функций Варакина, подробно описанная, например, в книге Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. В указанном источнике на странице 113, рис. 4.4, а представлен один из сигналов базисной системы функций Варакина, который является первым в составе системы функций Варакина.
Свойства базисной системы функций Варакина можно охарактеризовать следующим образом.
1. Функции базисной системы Варакина имеют только два значения: +1 и -1 (см. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, стр. 113, рис. 4.4, а).
2. Объем базисной системы функций Варакина равен объему системы Уолша (см. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, стр. 113, нижний абзац).
На фиг. 1 представлена структурная схема анализатора спектра, на фиг. 2 - временные диаграммы системы дискретных ортогональных функций Уолша, используемых в прототипе, на фиг. 3 - временные диаграммы системы дискретных ортогональных функций Варакина, используемых в предлагаемом анализаторе спектра, на фиг. 4 - временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования дискретной ортогональной функции V(12, θ) базисной системы функций Варакина для получения соответствующего коэффициента дискретного преобразования в предлагаемом анализаторе спектра.
n
n
Анализатор спектра содержит элемент И 1, генератор 2 тактовых импульсов, N реверсивных счетчиков 3 (где N=2 - размер преобразования), генератор 4 функций Уолша, N регистров 5, группу из 2 двухвходовых умножителей 6, элемент 7 односторонней проводимости, двухразрядный регистр 8 сдвига, двухвходовый коммутатор 9 и дополнительный двухвходовый умножитель 10.
Анализатор спектра работает следующим образом.
Исследуемый двухзначный сигнал (последовательность единиц и нулей) поступает на вход элемента И 1, на другой вход которого подается импульсная последовательность с выхода генератора 2 тактовых импульсов. Указанный сигнал на входе анализатора спектра принимает два значения (положительное напряжение, или нулевое напряжение). На выходе элемента И 1 действуют пачки импульсов, соответствующие исследуемому сигналу.
Сформированные пачки импульсов поступают одновременно на счетный вход каждого из реверсивных счетчиков 3. Если на входе управления реверсом действует положительный сигнал, то реверсивный счетчик 3 работает на накопление, то есть осуществляет подсчет числа импульсов, поступающих на счетный вход. Если на входе управления реверсом этого счетчика действует нулевое напряжение или напряжение меньше нуля, то счетчик 3 работает на отрицательное накопление, т.е. осуществляет вычитание числа импульсов, поступающих на его вход. На вход управления реверсом каждого счетчика 3 поступает соответствующая функция Варакина, которая принимает значения +1 или -1. Поэтому за время генерирования полной системы функций Варакина в каждом реверсивном счетчике 3 накоплено число импульсов, пропорциональное соответствующей компоненте спектра Варакина, равное разности между числом импульсов, подсчитанных счетчиком 3 на накопление за время положительных значений соответствующей секвенты Варакина, и числом импульсов, подсчитанных счетчиком 3 на вычитание за время отрицательных значений соответствующей секвенты Варакина.
Поясним подробнее процесс формирования системы базисных функций Варакина V(i, θ) в предлагаемом анализаторе спектра для случая N=16.
Перед началом работы анализатора спектра разряды двухразрядного регистра 8 сдвига находятся в нулевом состоянии.
n
В момент поступления импульса от генератора 2 тактовых импульсов на вход синхронизации генератора 4 функций Уолша на его информационных выходах начинается формирование 2 функций Уолша.
n
Подробное описание устройства и принципа работы 2-канального генератора функций Уолша представлено как в описании прототипа, так и во многих других известных источниках (см., например, Тузов Г.И., Сивов В.А., Прытков В.И., Урядников Ю.Ф., Дергачев Ю.А., Сулиманов А.А. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами / Под ред. Тузова Г.И. - М.: Радио и связь, 1985, с. 67, рис. 2.18).
n
Функция Уолша Wal(15, θ) с 2-го выхода генератора 4 функций Уолша (фиг.4, а) поступает на тактовый (сдвигающий) вход двухразрядного регистра 8 сдвига
n
Функция Уолша Wal(1, θ), формируемая на втором выходе 2-канального генератора 4 функций Уолша (фиг. 4, б) подается на вход элемента 7 односторонней проводимости (в качестве которого может использоваться обычный диод), с выхода которого на информационный вход регистра 8 сдвига поступает только положительная часть функции Уолша Wal(1, θ) (фиг. 4, в).
n
Для двухразрядного регистра 8 сдвига импульсы, поступающие с 2-го выхода генератора 4 функций Уолша (фиг. 4, а), играют роль сдвигающих импульсов, чем обеспечивается синхронность формирования и одинаковая длительность минимальных элементов в составе функций Варакина и функций Уолша.
В связи с тем, что в разрядах двухразрядного регистра 8 сдвига в исходном состоянии записаны нули, информация на его выходе оказывается сдвинутой относительно информации на его входе на два такта (фиг. 4, г). Последовательность единиц и нулей с выхода регистра 8 сдвига поступает на управляющий вход двухвходового коммутатора 9, устроенного таким образом, что при поступлении на управляющий вход «0» на выходе коммутатора 9 появляется информация, поступающая на его первый вход, а при поступлении на управляющий вход «1» на выходе коммутатора 9 появляется информация, поступающая на его второй вход.
Схемы двухвходового коммутатора 9 часто используются в составе различных дискретных устройств, и представлены, например, в источнике: Основы дискретной техники АСУ и связи. Под общей редакцией Гриненко Г.Ф. - Л.: ВИКИ им. А.Ф. Можайского, 1980, с. 461.
Таким образом, вид сигнала на выходе двухвходового коммутатора 9 (фиг. 4, ж) определяется видом сигнала Уолша Wal(5, θ), формируемого на шестом выходе (фиг. 4, д) генератора 4 функций Уолша и видом сигнала Уолша Wal(8,0), формируемого на девятом выходе генератора 4 функций Уолша (фиг. 4, е).
n
Сигнал с выхода двухвходового коммутатора 9 (фиг. 4, ж) поступает на первый вход дополнительного двухвходового умножителя 10, на второй вход которого подается сигнал Wal(1, θ) (фиг. 4, б) со второго выхода 2-канального генератора 4 функций Уолша, в результате чего на выходе дополнительного двухвходового умножителя 10 появляется сигнал (см. фиг. 4, з), поступающий на вторые входы всех двухвходовых умножителей 6 группы.
Поскольку на вторые входы двухвходовых умножителей 6 группы подаются соответствующие сигналы Уолша Wal(i, θ), на их выходах формируются функции Варакина V(i, θ), имеющие вид, отличающийся от вида функций Уолша Wal(i, θ).
Таким образом, на выходе дополнительного двухвходового умножителя 10 в течение периода формирования любой функции Варакина V(i, θ) будет сформирована производящая функция V(0, θ) (фиг. 4, з). При умножении ее в двухвходовых умножителях 6 группы на все функции Wal(i, θ), будет получена система дискретных ортогональных функций Варакина V(i, θ).
Например, при умножении функции Уолша Wal(12, θ) (фиг. 4, и), формируемой на тринадцатом выходе генератора 4 функций Уолша, на производящую функцию системы функций Варакина V(0, θ) (фиг. 4, з), будет получена функция Варакина V(12, θ) (фиг. 4, й).
n
На фиг. 4 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования функции Варакина V(12, θ) в предлагаемом анализаторе спектра для случая 2=16.
На диаграммах показано временное состояние:
а) шестнадцатого выхода генератора 4 функций Уолша, на котором формируется функция Уолша Wal(15, θ);
б) второго информационного выхода генератора 4 функций Уолша, на котором формируется функция Wal(1, θ);
в) выхода элемента 9 односторонней проводимости, на котором формируется положительная часть сигнала Wal(1, θ);
г) выхода двухразрядного регистра 10 сдвига;
д) шестого информационного выхода генератора 4 функций Уолша, на котором формируется функция Wal(5, θ);
е) девятого информационного выхода генератора 4 функций Уолша, на котором формируется функция Wal(8, θ);
ж) выхода двухвходового коммутатора 9;
з) выхода дополнительного двухвходового умножителя 10, на котором формируется производящая функция V(0, θ) базисной системы Варакина;
и) тринадцатого выхода 4 функций Уолша, на котором формируется функция Wal(12, θ);
й) выхода тринадцатого двухвходового умножителя 6 группы, на котором формируется функция Варакина V(12, θ).
В ортогональности функций Варакина V(i, θ), формируемых в предлагаемом анализаторе спектра, можно убедиться путем перемножения любых функций V(i, θ) и интегрирования результата перемножения за время Т (где Т - период определения функций).
В момент окончания генерирования полной системы функций Уолша генератор 4 функций Уолша на своем выходе окончания работы вырабатывает импульс, который поступает на входы обнуления всех реверсивных счетчиков 3 и тактовые входы регистров 5. По его команде показания каждого реверсивного счетчика 3, соответствующие коэффициентам дискретного преобразования Варакина, переписываются в соответствующий регистр 5, где фиксируются, а сами счетчики 3 обнуляются.
Таким образом, предлагаемый анализатор спектра обладает расширенными функциональными возможностями, заключающимися в вычислении коэффициентов дискретного преобразования по функциям Варакина.