JPH0227703B2 - - Google Patents
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- JPH0227703B2 JPH0227703B2 JP58060554A JP6055483A JPH0227703B2 JP H0227703 B2 JPH0227703 B2 JP H0227703B2 JP 58060554 A JP58060554 A JP 58060554A JP 6055483 A JP6055483 A JP 6055483A JP H0227703 B2 JPH0227703 B2 JP H0227703B2
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- G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
- G06F17/10—Complex mathematical operations
- G06F17/14—Fourier, Walsh or analogous domain transformations, e.g. Laplace, Hilbert, Karhunen-Loeve, transforms
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Description
【発明の詳細な説明】
この発明はバタラフイ演算回路と、二つのデー
タ入出力用メモリとを有するステージが複数個縦
続接続されているブロツク浮動小数点演算型高速
フーリエ変換プロセツサに関し、特に自動スケー
リング回路に係わる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a block floating point arithmetic fast Fourier transform processor in which a plurality of stages each having a butterfly arithmetic circuit and two data input/output memories are connected in cascade, and is particularly applicable to an automatic scaling circuit. Involved.
高速フーリエ変換プロセツサを含め、一般の演
算装置においては、そのハードウエア構成から演
算語長が決まる。演算対象のデータのダイナミツ
クレンジが広いと、演算により決められた演算語
長よりも長い語長となり、いわゆるオーバーフロ
ーが生じることがある。従来においてはこのよう
なオーバーフローが発生すると、演算対象データ
を桁下げして再び演算を行い、オーバーフローし
ないようにしていた。このように演算しオーバー
フローが生じると、桁下げを行つて再び演算をや
りなおすため、演算時間が長くなる欠点があつ
た。 In general arithmetic devices, including fast Fourier transform processors, the word length of arithmetic operations is determined by the hardware configuration thereof. When the dynamic range of the data to be operated on is wide, the word length becomes longer than the operation word length determined by the operation, and so-called overflow may occur. Conventionally, when such an overflow occurs, the calculation target data is incremented and the calculation is performed again to prevent the overflow. When an overflow occurs in such a calculation, the calculation is performed again after carrying down, which has the disadvantage that the calculation time becomes longer.
この発明の目的は、高速フーリエ変換プロセツ
サを、バタフライ演算回路と、二つのデータ入出
力用メモリとをもつステージの複数個を縦続的に
接続して、高速度に演算を行うと共に、その場合
のオーバーフローを予測して演算のやりなおしを
必要とせず、それだけ演算時間を短かくすること
にある。 An object of the present invention is to perform high-speed calculations by cascading a plurality of stages each having a butterfly calculation circuit and two data input/output memories in a fast Fourier transform processor. The purpose is to reduce the computation time by predicting overflow and not requiring redoing the computation.
この発明によればバタフライ演算回路と、二つ
のデータ入出力用メモリとをもつステージが複数
個縦続接続された高速フーリエ変換プロセツサに
おいて、各ステージに対し、その入力データの上
位2ビツトを入力して最大値を検出する回路を含
むスケーリング回路と加算回路とがそれぞれ設け
られ、これら加算回路は縦続的に接続され、各ス
テージ入力における1フレーム内のデータの最大
値を上記最大値検出回路で検出してそのステージ
におけるバタフライ演算のオーバーフローを予知
し、そのオーバーフロー防止のためのスケーリン
グ信号をそのスケーリング回路からそのステージ
へ出力すると共に、そのステージの加算回路の内
容を1だけ増加し、その加算回路の出力をスケー
ルフアクタとして次段ステージの加算回路へ入力
し、そのスケールフアクタの最終出力結果として
高速フーリエ変換プロセツサにおけるスペクトル
出力データの指数部を得る。 According to this invention, in a fast Fourier transform processor in which a plurality of stages each having a butterfly operation circuit and two data input/output memories are connected in cascade, the upper two bits of the input data are input to each stage. A scaling circuit including a maximum value detection circuit and an addition circuit are respectively provided, and these addition circuits are connected in series, and the maximum value detection circuit detects the maximum value of data within one frame at each stage input. predicts the overflow of the butterfly operation at that stage, outputs a scaling signal for preventing overflow from that scaling circuit to that stage, increases the content of the adder circuit of that stage by 1, and increases the output of the adder circuit. is input as a scale factor to the addition circuit of the next stage, and the exponent part of the spectrum output data in the fast Fourier transform processor is obtained as the final output result of the scale factor.
また高速フーリエ変換プロセツサへの入力デー
タのビツト数をiとした場合に、必要に応じてi
ビツトのうちからjビツト(j<i)をビツト変
換回路で選択し、その選択されたjビツトを
FFTの初段ステージに入力し、そのビツト変換
回路でのビツト選択信号を自動スケーリング装置
の初段の加算器へ入力してスケールフアクタの初
期値とする。jビツトの選択はそのiビツトデー
タの上位の複数ビツト、例えば4ビツトの状態を
見て、FFTプロセツサ内での演算にオーバーフ
ローが発生しないようにiビツト中の適当な部分
のjビツトを選択する。 Also, if the number of bits of input data to the fast Fourier transform processor is i, then i
A bit conversion circuit selects j bits (j<i) from among the bits, and converts the selected j bits into
It is input to the first stage of the FFT, and the bit selection signal from the bit conversion circuit is input to the first stage adder of the automatic scaling device and used as the initial value of the scale factor. To select the j bit, look at the state of the upper multiple bits of the i-bit data, for example 4 bits, and select an appropriate part of the j bit in the i-bit so that overflow does not occur in calculations within the FFT processor. .
このようにこの発明によつて高速フーリエ変換
プロセツサは演算語長が比較的短かく、従つてハ
ードウエアの規模を余り大きくすることなく、入
力データの値、つまり振幅が大きく変動する入力
信号の高速フーリエ変換を実時間で行うことを可
能とする。このように入力信号振幅のダイナミツ
クレンジが大きく、しかも短時間で高速フーリエ
変換することが要求されるものとして、物体が微
視的に破壊する際に、その歪みエネルギーの一部
が超音波として放出されるアコーステイツクエミ
ツシヨン(以下AEと記す)を監視して材料、設
備機器の異常を検知する応用例がある。 As described above, the fast Fourier transform processor according to the present invention has a relatively short calculation word length, and therefore can perform high-speed processing of input signals whose input data values, that is, amplitudes, fluctuate greatly, without significantly increasing the scale of the hardware. It is possible to perform Fourier transform in real time. As described above, the dynamic range of the input signal amplitude is large and high-speed Fourier transform is required in a short time. There is an example of an application in which abnormalities in materials or equipment are detected by monitoring emitted acoustic emissions (hereinafter referred to as AE).
以下この発明を、AE信号を捕捉して物体の微
視的破壊を検出する装置に適用した場合を図面を
参照して説明する。 Hereinafter, a case where the present invention is applied to a device that detects microscopic destruction of an object by capturing an AE signal will be described with reference to the drawings.
第1図において、被検出物体11の微視的破壊
により発生するAE信号はピツクアツプ12によ
り電気信号として捕捉される。このピツクアツプ
12の出力は増幅器13で増幅されて端子14よ
りAD変換器15へ入力される。増幅器13の出
力は比較器16へも入力されて基準信号源17の
基準信号と比較され、その入力の絶対値が基準信
号より大きい場合はAE信号が入力されたと判定
されてAD変換器15以後の動作を開始させると
共に時間信号発生器18を起動し、時間経過を知
ることができるようにされる。 In FIG. 1, an AE signal generated by microscopic destruction of an object to be detected 11 is captured by a pickup 12 as an electrical signal. The output of this pickup 12 is amplified by an amplifier 13 and inputted to an AD converter 15 from a terminal 14. The output of the amplifier 13 is also input to the comparator 16 and compared with the reference signal of the reference signal source 17. If the absolute value of the input is larger than the reference signal, it is determined that the AE signal has been input, and the output is sent to the AD converter 15 and thereafter. At the same time, the time signal generator 18 is activated so that the elapsed time can be known.
AD変換器15ではその入力されたAE信号を
一定周期で標本化し、その各標本値を複数ビツト
のデイジタル信号に変換する。そのデイジタル信
号はバツフアメモリ19に書き込まれ、これより
高速フーリエ変換(以下FFTと記す)プロセツ
サ21に転送され、FFTプロセツサ21よりの
複素周波数スペクトル出力はパワースペクトル演
算器22でパワースペクトルに変換されて累算器
23に入力され、AE信号1個を1イベントと定
義すれば、1イベントに対して累算されたパワー
スペクトルが計算され、データ圧縮器24へ転送
される。自動スケーリング回路25はFFTプロ
セツサ21で行なわれるブロツク浮動小数点演算
を制御しつつスケールフアクタを計算する。この
スケールフアクタ26は、累算器23における累
算の際のスペクトル強度の規格化に用いられる。 The AD converter 15 samples the input AE signal at regular intervals and converts each sample value into a multi-bit digital signal. The digital signal is written into a buffer memory 19 and transferred from there to a fast Fourier transform (hereinafter referred to as FFT) processor 21, and the complex frequency spectrum output from the FFT processor 21 is converted into a power spectrum by a power spectrum calculator 22 and accumulated. If input to the calculator 23 and one AE signal is defined as one event, a power spectrum accumulated for one event is calculated and transferred to the data compressor 24. The automatic scaling circuit 25 calculates a scale factor while controlling the block floating point operation performed by the FFT processor 21. This scale factor 26 is used to normalize the spectral intensity during accumulation in the accumulator 23.
基数2の高速フーリエ変換アルゴリズムでは2n
個のデータを1フレームと定義して各フレーム毎
にFFT演算を行なう。例えばn=10の場合1024
個のデータ群で1フレームを形成する。またサン
プリング(標本化)定理によれば、被測定信号の
含む最高周波数の少くとも2倍のサンプリング周
波数によつてサンプリングを行なわなければ
FFTによるスペクトルは確定しない。AE信号が
1MHzの周波数成分を有していればサンプリング
周波数(s)は2MHzとなる。従つて1フレーム
のデータを取り込むのに必要な時間(T)は次
の(1)式の様に求められる。 For the radix-2 fast Fourier transform algorithm, 2 n
data is defined as one frame, and FFT calculation is performed for each frame. For example, if n=10, 1024
A data group forms one frame. Also, according to the sampling theorem, sampling must be performed at a sampling frequency that is at least twice the highest frequency included in the signal under test.
The spectrum obtained by FFT is not determined. AE signal
If it has a frequency component of 1MHz, the sampling frequency ( s ) will be 2MHz. Therefore, the time (T) required to capture one frame of data can be obtained from the following equation (1).
T=2n/s=1024/2×106
=0.512msec (1)
第2図にAE信号とフレーム分割の模式図を示
す。この図に示すように1フレームTよりも長
い接続時間を有するAE信号に対してのFFT方法
は2通りあり、n=13として1フレーム8192点の
FFTを行なう方法と、8フレームについてそれ
ぞれFFTを行ない、得られたスペクトル成分を
累算することによりスペクトルを求める方法とが
ある。第1図に示した例では
ハードウエア量が少なくて済むこと、
AE信号の場合さほど分解能は問わないこと、
累算による平均化操作のためFFT特有のス
ペクトルの微細振動が抑えられること、
等の理由により後者を採用している。しかし前者
の手法によつてもよい。 T=2 n / s =1024/2×10 6 =0.512 msec (1) Figure 2 shows a schematic diagram of the AE signal and frame division. As shown in this figure, there are two FFT methods for AE signals that have a connection time longer than one frame T. Assuming n=13, one frame has 8192 points.
There is a method of performing FFT, and a method of calculating the spectrum by performing FFT on each of 8 frames and accumulating the obtained spectral components. The example shown in Figure 1 has the following advantages: the amount of hardware is small, the resolution is not so important for AE signals, and the averaging operation by accumulation suppresses the minute oscillations in the spectrum that are characteristic of FFT. For some reason, we have chosen the latter. However, the former method may also be used.
この発明によるFFTプロセツサは第3図に示
すように、2n点を1フレームとするとn段のバタ
フライ演算ステージ33およびその前段に設けら
れたウインドウ処理を行なうステージ32から構
成されており、n=10の1024点の場合はステージ
32,33を合せて11段の縦続ステージ構成とな
つている。第4図に第1図及び第3図中のバツフ
アメモリ19を、第5図にステージ33のブロツ
ク図を示す。バツフアメモリ19及び各ステージ
32,33は全て2面の入出力用メモリM1,M2
を有しており、一方がAD変換器15あるいは前
段のステージの出力データの書き込み状態にある
時、他方は以前に書き込んだデータを演算後次段
へ転送する読出し状態とされる。そして1024点の
データの転送が終了するとメモリM1とM2の状態
が交換され、今まで読出し状態であつたメモリが
書き込み状態に、書き込み状態であつたメモリが
読み出し状態になることによつて、データの流れ
がパイプライン的に行なわれる。この時メモリア
クセスのためのアドレスは、アドレスレジスタユ
ニツト37から供給される。 As shown in FIG. 3, the FFT processor according to the present invention is composed of an n-stage butterfly operation stage 33 and a stage 32 that performs window processing provided in the preceding stage, where 2 n points constitute one frame. In the case of 1024 points, stages 32 and 33 are combined to form a cascaded stage configuration of 11 stages. FIG. 4 shows a block diagram of the buffer memory 19 in FIGS. 1 and 3, and FIG. 5 shows a block diagram of the stage 33. The buffer memory 19 and each stage 32, 33 are all two-sided input/output memories M 1 , M 2
When one is in a writing state of output data from the AD converter 15 or the previous stage, the other is in a reading state in which previously written data is transferred to the next stage after calculation. When the transfer of 1024 points of data is completed, the states of memories M1 and M2 are exchanged, and the memory that was in the read state changes to the write state, and the memory that was in the write state changes to the read state. , the data flow is performed in a pipeline manner. At this time, the address for memory access is supplied from the address register unit 37.
各ステージ33におけるバタフライ演算ユニツ
ト41も制御部38より与えられるマイクロ命令
によつて制御され、パイプライン演算によりバタ
フライ演算を行う。各ステージ33には回転因子
が記憶されたメモリ44が設けられている。各ス
テージにおける入力データをAk,Bk、出力デー
タをA′k,B′k、回転因子をWkと略記すれば、各
ステージでのバタフライ演算は次の(2)式の繰り返
しとなる。 The butterfly calculation unit 41 in each stage 33 is also controlled by microinstructions given by the control section 38, and performs butterfly calculation by pipeline calculation. Each stage 33 is provided with a memory 44 in which twiddle factors are stored. If we abbreviate the input data at each stage as A k , B k , the output data as A′ k , B′ k , and the twiddle factor as W k , the butterfly operation at each stage is a repetition of the following equation (2). .
A′k=Ak+WkBk
B′k=Ak−WkBk ……(2)
この際マイクロ命令の命令状態が第6図に示す
状態で与えられ、この命令を解読すすることによ
つて第6図に示すようにD1乃至D6,S1乃至S4、
更にSUBの制御信号が発生して第7図に示すよ
うな内容の命令が実行される。この結果このよう
な命令を用いてメモリM1,M2から読出されたデ
ータ中の入力Akは第5図に示すようにレジスタ
42に、バスバツフア43を介して格納され、入
力データBkがバスバツフア43を介して、また
回転因子Wkが回転因子用ROM(メモリ)44か
ら乗算器45にそれぞれ格納されて乗算が行なわ
れる。ROM44にアドレス46が与えられると
共にこのアドレス46はマルチプレクサ47によ
り選択されてメモリM1,M2に選択的に与えられ
る。乗算器45の乗算結果はマルチプレクサ47
及び加算器51を介してレジスタ48又は49に
格納される。その乗算結果WkBkはマルチプレク
サ52を通り、排他的論理和回路53を通り、更
にマルチプレクサ54を通つて加算器51に与え
られる。その際に排他的論理和回路53の一方の
入力を全て“0”又は全て“1”とし、前者の場
合はその出力とレジスタ42の内容とを加算して
A′kを得、後者の場合はレジスタ42の内容と加
算する際にさらに“1”を加えてWkBkの補数を
得て加算結果にB′kを得る。これらにより(2)式の
バタフライ演算がパイプライン式に実行されるよ
うにデータが入力され各部が制御される。演算結
果はオーバーフロー防止回路55を通じて次のス
テージに送られる。なおメモリM1,M2に対する
書込みはデータ56がバスバツフア57を介して
メモリM1,M2に与えられると共にアドレス58
がマルチプレクサ47で選択されてメモリM1,
M2に与えられて行われる。 A' k = A k + W k B k B' k = A k −W k B k ...(2) At this time, the instruction state of the microinstruction is given as shown in Figure 6, and this instruction is decoded. In particular, as shown in FIG. 6, D 1 to D 6 , S 1 to S 4 ,
Further, a SUB control signal is generated and an instruction as shown in FIG. 7 is executed. As a result, the input A k in the data read from the memories M 1 and M 2 using such an instruction is stored in the register 42 via the bus buffer 43 as shown in FIG. 5, and the input data B k is Via the bus buffer 43, the twiddle factor Wk is stored from the twiddle factor ROM (memory) 44 into the multiplier 45, and multiplication is performed. An address 46 is applied to the ROM 44, and this address 46 is selected by a multiplexer 47 and selectively applied to the memories M 1 and M 2 . The multiplication result of the multiplier 45 is sent to the multiplexer 47
and is stored in the register 48 or 49 via the adder 51. The multiplication result W k B k passes through a multiplexer 52 , an exclusive OR circuit 53 , and further passes through a multiplexer 54 to be applied to an adder 51 . At this time, one input of the exclusive OR circuit 53 is set to all "0" or all "1", and in the case of the former, the output and the contents of the register 42 are added.
A′ k is obtained, and in the latter case, when adding with the contents of the register 42, “1” is further added to obtain the complement of W k B k to obtain B′ k as the addition result. These input data and control each part so that the butterfly operation of equation (2) is executed in a pipeline manner. The calculation result is sent to the next stage through the overflow prevention circuit 55. Note that when writing to the memories M 1 and M 2 , the data 56 is given to the memories M 1 and M 2 via the bus buffer 57 and the address 58 is
is selected by the multiplexer 47 and the memory M 1 ,
M2 is given and done.
この様なパイプライン構成により、実時間演算
でナイキスト周波数1.4MHzという高速演算が可
能となり、AE信号の実時間高速フーリエ変換が
達成された。 This pipeline configuration enables high-speed calculations with a Nyquist frequency of 1.4MHz in real-time calculations, and achieves real-time fast Fourier transform of AE signals.
AE信号の特徴の一つに、各イベントの強度が
非常にばらついていることがあり、そのレンジは
40dB以上もある。またAE信号波形自体も減衰振
動波形であり1イベント内の各フレームについて
もデータの大きさはそれぞれ異なるため、フレー
ム分割を行なつた場合イベントの最後の方のフレ
ームに含まれるデータは小振幅のものとなる。従
つて有限語長のデイジタル演算を行なう場合は、
小振幅信号に対しても桁落ちなく十分な演算精度
が得られる様に、AD変換器15の語長を大きく
とり入力信号強度に合せて適当なビツトをその中
より選択すること、および自動スケーリング手段
によつて演算時のオーバーフローおよびアンダー
フローを防止することが好ましい。 One of the characteristics of the AE signal is that the intensity of each event varies greatly, and the range is
It is over 40dB. Furthermore, the AE signal waveform itself is a damped vibration waveform, and the data size for each frame within one event is different, so when frame division is performed, the data included in the last frame of the event will have a small amplitude. Become something. Therefore, when performing digital operations with a finite word length,
In order to obtain sufficient calculation accuracy without loss of digits even for small amplitude signals, the word length of the AD converter 15 is made large, and an appropriate bit is selected from among them according to the input signal strength, and automatic scaling is used. It is preferable to prevent overflow and underflow during calculation by means.
第3図にこの発明による自動スケーリング回路
25を備えたFFTプロセツサのブロツク図を示
す。例えばAD変換器15の語長を10ビツト、
FFTデータ語長を8ビツトとする。バツフアメ
モリ19については、第4図において一方のメモ
リにAD変換器15から1フレームの10ビツト
(D9〜D0)のデータが書き込まれる際に、フレー
ムの中での最大値を最大値検出器61(第3図)
で検出し、各フレームごとにその検出出力がフリ
ツプフロツプ67にセツトされ、そのセツト内容
がデコーダ62でデコードされ、デコーダ62の
出力で次のように制御される。10ビツトで表現で
きる最大値は1023であるから、検出器61で検出
された最大値が1023/4=255以下であればデコ
ーダ62から出力されるビツトセレクト信号63
によつてバツフアメモリ19内のビツトセレクタ
(ビツト変換回路)60において第4図中のバス
バツフア64が選択され、255〜511(=1023/2)
の範囲内であればバスバツフア65が、512以上
であればバスバツフア66がそれぞれ選択され、
8ビツトデータとしてFFTプロセツサ21に転
送される。フリツプフロツプ回路67の出力はま
たゲート回路68を通りスケールフアクタ26の
初期値となつてカウンタ73にプリセツトされ
る。このようにして、いたずらにFFTプロセツ
サ21のデータ語長、すなわちハードウエア量を
増大させることなく振幅変化の大きいAE入力信
号に対するダイナミツクレンジを広げることがで
き、8ビツト語長を有効に使用することができ
る。 FIG. 3 shows a block diagram of an FFT processor equipped with an automatic scaling circuit 25 according to the present invention. For example, if the word length of AD converter 15 is 10 bits,
The FFT data word length is 8 bits. Regarding the buffer memory 19, in FIG. 4, when one frame of 10-bit data (D 9 to D 0 ) is written from the AD converter 15 to one memory, the maximum value in the frame is detected by the maximum value detector. 61 (Figure 3)
The detection output is set in the flip-flop 67 for each frame, the set contents are decoded by the decoder 62, and the output of the decoder 62 is controlled as follows. Since the maximum value that can be expressed with 10 bits is 1023, if the maximum value detected by the detector 61 is less than 1023/4=255, the bit select signal 63 output from the decoder 62 is
The bit selector (bit conversion circuit) 60 in the buffer memory 19 selects the bus buffer 64 in FIG.
If it is within the range, bus buffer 65 is selected, and if it is 512 or more, bus buffer 66 is selected.
The data is transferred to the FFT processor 21 as 8-bit data. The output of the flip-flop circuit 67 also passes through a gate circuit 68, becomes the initial value of the scale factor 26, and is preset in the counter 73. In this way, the dynamic range for AE input signals with large amplitude changes can be expanded without unnecessarily increasing the data word length of the FFT processor 21, that is, the amount of hardware, and the 8-bit word length can be used effectively. be able to.
第3図の各ステージ33についても同様にして
1フレーム内の最大値を検出する手段を用いてブ
ロツク浮動小数点演算を制御することができる。
そのため各ステージ33に対し、最大値検出回路
71を含むスケーリング回路70と加算回路73
とがそれぞれ設けられ、これら加算回路73はス
テージ33の順に縦続的に接続されている。バタ
フライ演算は(2)式の通りであるが、ここで|Wk
|≦1であるからオーバーフローの可能性がある
のは、データAkあるいはBkが8ビツトで表現さ
れる最大値の半分を越えた時である。FFTプロ
セツサ21内ではデータAk,Bkがとり得る値の
範囲は
−128≦Ak,Bk≦127 ……(3)
であるから
Ak,Bk<−64
あるいはAk,Bk>63 ……(4)
となつた時のみ
Ak′=Ak′/2
B′k=B′k/2 ……(5)
とすればよいことになる。これをブロツク浮動小
数点演算とよぶが、この方法により8ビツト語長
を最大限に利用しつつバタフライ演算を行なうこ
とができる。ここで、2で割るか割らないかの制
御は、そのステージ33の入力データの上位2ビ
ツトを最大値検出回路71に入力し、(4)式の条件
を検出し、その出力をフリツプフロツプ回路67
でラツチしてブロツク浮動小数点演算信号(スケ
ーリング信号)72としてスケーリング回路70
から対応するステージのオーバーフロー防止回路
55(第5図)に与えることによつて行なう。ま
た同時にスケーリング回路70の出力を用い、ス
テージの出力データを2で割つた場合のみそのス
テージ33の加算回路としてのカウンタ73の内
容、つまりスケールフアクタを1歩進する。この
スケールフアクタはデータフローに同期して各ス
テージのカウンタ73を伝搬してゆく。従つて最
終的に出力されるスケールフアクタ26はFFT
演算時に2で割つた回数を示すことになるため、
2を底とした指数表示量となつて周波数スペクト
ルの指数部を形成することになる。よつて累算の
際にはこのスケールフアクタで仮数部のスペクト
ルを規格化して累算する。 Similarly, for each stage 33 in FIG. 3, block floating point operations can be controlled using means for detecting the maximum value within one frame.
Therefore, for each stage 33, a scaling circuit 70 including a maximum value detection circuit 71 and an addition circuit 73 are provided.
These adder circuits 73 are connected in series in the order of the stage 33. The butterfly operation is as shown in equation (2), where |W k
Since |≦1, there is a possibility of overflow when data A k or B k exceeds half of the maximum value expressed in 8 bits. In the FFT processor 21, the range of values that data A k and B k can take is -128≦A k , B k ≦127 ... (3), so A k , B k < -64 or A k , B k >63 ……(4) Only when A k ′=A k ′/2 B′ k =B′ k /2 ……(5) is sufficient. This method is called block floating point arithmetic, and it is possible to perform butterfly arithmetic while making full use of the 8-bit word length. Here, to control whether to divide by 2 or not, the upper 2 bits of the input data of the stage 33 are input to the maximum value detection circuit 71, the condition of equation (4) is detected, and the output is sent to the flip-flop circuit 67.
The scaling circuit 70 outputs a block floating point arithmetic signal (scaling signal) 72 by latching it at
This is done by applying the signal to the overflow prevention circuit 55 (FIG. 5) of the corresponding stage. At the same time, using the output of the scaling circuit 70, only when the output data of the stage is divided by 2, the contents of the counter 73 as an adder circuit of the stage 33, that is, the scale factor, is incremented by one step. This scale factor is propagated through the counters 73 of each stage in synchronization with the data flow. Therefore, the scale factor 26 that is finally output is FFT
This indicates the number of times divided by 2 during calculation, so
This becomes an exponential display amount with base 2 and forms the exponential part of the frequency spectrum. Therefore, during accumulation, the spectrum of the mantissa part is normalized by this scale factor and then accumulated.
スケールリング回路70の具体例を第8図に示
す。即ち前段ステージからの演算結果中の上位2
ビツト、つまり第6及び第7ビツトD6,D7が排
他的論理和回路(EXNOR)75に入力され、こ
の出力はNOR回路76を通じてD形フリツプフ
ロツプ77に供給され、各データごとにクロツク
78により読込まれる。そのフリツプフロツプ7
7の出力はNOR回路76を通じて帰還される。
よつてデータAk,Bkが−64<Ak,Bk<63の範囲
外になると回路75の出力が“1”となり、フリ
ツプフロツプ77の出力は“1”となり、この
状態が保持される。この“1”となつた時にカウ
ンタ73が1歩進される。1フレーム(この例で
は1024標本)分のデータが取込まれるごとにクロ
ツク79によりカウンタ73に前段ステージのカ
ウンタ73の内容がラツチされ、またフリツプフ
ロツプ77の出力はフリツプフロツプ67にラ
ツチされる。フリツプフロツプ67のQ出力はブ
ロツク浮動小数点演算制御信号72として出力さ
れる。クロツク79の反転信号でフリツプフロツ
プ77はゼロにプリセツトされる。 A specific example of the scale ring circuit 70 is shown in FIG. In other words, the top two of the calculation results from the previous stage
The bits, that is, the sixth and seventh bits D 6 and D 7 are input to an exclusive OR circuit (EXNOR) 75, the output of which is supplied to a D-type flip-flop 77 through a NOR circuit 76, and is clocked by a clock 78 for each data. Read. That flipflop 7
The output of 7 is fed back through a NOR circuit 76.
Therefore, when the data A k and B k are outside the range of -64<A k , B k <63, the output of the circuit 75 becomes "1", the output of the flip-flop 77 becomes "1", and this state is maintained. . When the value becomes "1", the counter 73 is incremented by one step. Every time data for one frame (1024 samples in this example) is taken in, the contents of the counter 73 in the previous stage are latched in the counter 73 by the clock 79, and the output of the flip-flop 77 is latched in the flip-flop 67. The Q output of the flip-flop 67 is output as a block floating point arithmetic control signal 72. The inverted signal of clock 79 presets flip-flop 77 to zero.
バツフアメモリ19からFFTプロセツサ21
へ入力する際のスケールフアクタの作成は例えば
第9図に示すように行われる。即ちAD変換器1
5からの10ビツトD0〜D9(D9が最上位ビツト)中
の上位4ビツトD8,D9及びD7,D9が排他的論理
和回路83及び84にそれぞれ供給され、これら
回路83,84の出力はAND回路85へ供給さ
れ、回路83,85の出力はそれぞれインバータ
を通じてNOR回路86,87へ供給される。
NOR回路86,87の出力はそれぞれクロツク
78によりデータごとにフリツプフロツプ88,
89に取込まれ、このフリツプフロツプ88,8
9の各出力はそれぞれNOR回路86,87に
帰還される。従つて入力データが512以上であれ
ばフリツプフロツプ88の出力が“1”とな
り、入力データが255以上であればフリツプフロ
ツプ89の出力が“1”となる。これらフリツ
プフロツプ88,89は各フレームごとにクロツ
ク79によりフリツプフロツプ91,92に取込
まれ、フリツプフロツプ91,92の出力はデ
コーダ62でデコードされ、前記3つの状態に応
じて3本の出力線63の1つが“1”となる。フ
リツプフロツプ91,92の出力は排他的論理
和回路93、NOR回路94にも供給され、入力
データが512以上で回路93の出力は“1”、回路
94の出力は“0”、入力データが255〜511の範
囲で回路93の出力は“0”、回路94の出力は
“1”となり、入力データが254以下で回路93,
94はそれぞれ“0”となる。これら回路93,
94の出力は後者を最下位ビツトとしてカウンタ
73にフレームごとにプリセツトされ、つまり各
入力データの状態に応じて10進数2,1,0の何
れかがプリセツトされる。このバツフアメモリ1
9に対するカウンタ(加算回路)73は、各ステ
ージ33に対するカウンタ(加算回路)の縦続接
続の初段として接続される。 From buffer memory 19 to FFT processor 21
Creation of the scale factor when inputting it to is performed as shown in FIG. 9, for example. That is, AD converter 1
The upper 4 bits D 8 , D 9 and D 7 , D 9 of the 10 bits D 0 to D 9 (D 9 is the most significant bit) from 5 are supplied to exclusive OR circuits 83 and 84, respectively, and these circuits The outputs of circuits 83 and 84 are supplied to an AND circuit 85, and the outputs of circuits 83 and 85 are supplied to NOR circuits 86 and 87 through inverters, respectively.
The outputs of the NOR circuits 86 and 87 are sent to the flip-flops 88 and 88 for each data by the clock 78, respectively.
89, this flip-flop 88,8
The respective outputs of 9 are fed back to NOR circuits 86 and 87, respectively. Therefore, if the input data is 512 or more, the output of the flip-flop 88 becomes "1", and if the input data is 255 or more, the output of the flip-flop 89 becomes "1". These flip-flops 88 and 89 are input into flip-flops 91 and 92 by the clock 79 for each frame, and the outputs of the flip-flops 91 and 92 are decoded by the decoder 62, and the outputs of the three output lines 63 are input according to the three states. becomes “1”. The outputs of the flip-flops 91 and 92 are also supplied to an exclusive OR circuit 93 and a NOR circuit 94. When the input data is 512 or more, the output of the circuit 93 is "1", the output of the circuit 94 is "0", and the input data is 255 ~511, the output of the circuit 93 is "0", the output of the circuit 94 is "1", and when the input data is 254 or less, the output of the circuit 93,
94 are each "0". These circuits 93,
The output of 94 is preset in the counter 73 for each frame with the latter as the least significant bit, that is, either decimal 2, 1, or 0 is preset depending on the state of each input data. This buffer memory 1
The counter (addition circuit) 73 for each stage 33 is connected as the first stage of the cascade connection of counters (addition circuits) for each stage 33.
第3図において必要に応じて各カウンタ73の
間にレジスタを介在させ、初段カウンタの内容が
一挙に終段カウンタへレーシングするのを防止す
ることができる。 In FIG. 3, a register can be interposed between each counter 73 as necessary to prevent the contents of the initial stage counter from racing all at once to the final stage counter.
第10図にAE信号に対するFFT処理の具体例
におけるタイムチヤートを示す。同図において第
10図Aの例えばAE信号の第1フレーム#1の
データは、タイムスケール(同図F)の区間1に
おいてバツフアメモリ19に書き込まれ、区間2
でウインドウ演算ステージ32で第10図Bに示
すようにウインドウ演算された後、10段のバタフ
ライ演算ステージ33によりバタフライ演算がほ
どこされ、複素スペクトル81として区間12で
出される。このスペクトルはFFT演算特有の折
り返しスペクトルとなつているため、区間13で
その前半部のみをパワースペクトルとして変換さ
れる(第10図D)。その後累算器23(第1図)
に転送されて累算が繰り返され、1イベントにつ
いての演算全てが終了した区間17で累算された
パワースペクトルとして出力される(第10図
E)。 FIG. 10 shows a time chart in a specific example of FFT processing for the AE signal. In the figure, data of the first frame #1 of the AE signal in FIG. 10A, for example, is written to the buffer memory 19 in section 1 of the time scale (FIG.
After window calculation is performed at the window calculation stage 32 as shown in FIG. Since this spectrum is a folded spectrum peculiar to FFT calculation, only the first half of the spectrum is converted as a power spectrum in section 13 (FIG. 10D). Then accumulator 23 (Fig. 1)
The accumulation is repeated, and the accumulated power spectrum is output in section 17 where all calculations for one event have been completed (FIG. 10E).
第11図はこの発明を適用した場合と適用しな
い場合のAE信号のスペクトル例を示し、同図A
はフレーム分割と自動スケーリングによつて得ら
れたAE信号のスペクトルであり、同図Bはフレ
ーム分割をせず8192点のFFTの行なつた場合の
スペクトル、同図Cは自動スケーリング手段を伴
わない14ビツト固定小数点演算FFTによるスペ
クトルである。前記実施例より、フレーム分割法
によつてもAE信号スペクトルの特徴は失われる
ことはなく、同図Bにおいて見られる微細振動も
抑えられ特徴が返つて判別し易くなつていること
が理解された。 Figure 11 shows an example of the spectrum of an AE signal when this invention is applied and when it is not applied.
is the spectrum of the AE signal obtained by frame division and automatic scaling, Figure B is the spectrum obtained when 8192-point FFT is performed without frame division, and Figure C is the spectrum obtained without automatic scaling. This is a spectrum obtained by 14-bit fixed-point arithmetic FFT. From the above example, it was understood that the features of the AE signal spectrum are not lost even with the frame division method, and the minute vibrations seen in Figure B are also suppressed, making it easier to distinguish the features. .
このようにこの発明によれば入力信号スペクト
ルの特徴によく現われ、しかも自動スケーリング
回路25の付加により、8ビツトデータ語長
FFTが14ビツト固定小数点演算FFTに匹敵し、
ハードウエア規模が比較的小さいがデータ語長の
長いデータの演算が可能である。かつこの発明で
は各ステージには入力されるデータからそのステ
ージにおける演算でオーバーフローが発生するこ
とを予知すると、スケーリング信号を発生するた
め、オーバーフローした後に入力データの桁下を
行つて演算をやりなおす場合と比較して高速度に
演算を行うことができる。このため前記実施例の
ようにイベント毎に振幅、持続時間が大きく異な
り周波数成分も1MHzまでと広帯域なAE信号につ
いての実時間周波数解析が可能となる。 As described above, according to the present invention, the 8-bit data word length can be easily expressed in the characteristics of the input signal spectrum, and by adding the automatic scaling circuit 25.
FFT is comparable to 14-bit fixed-point arithmetic FFT,
Although the hardware scale is relatively small, it is possible to operate on data with a long data word length. In addition, in this invention, each stage generates a scaling signal when it is predicted from the input data that an overflow will occur in the calculation at that stage. In comparison, calculations can be performed at high speed. Therefore, as in the embodiment described above, it is possible to perform real-time frequency analysis of a wideband AE signal in which the amplitude and duration vary greatly for each event, and the frequency components are up to 1 MHz.
なお第1図に示すようにこのようにして解析さ
れたAE信号の周波数スペクトルの包絡と、標準
メモリ34に予め記憶していた標準パターンとを
比較器35で比較し、微小破壊が検出された場
合、或はそれが所定値以上の場合に、報知器36
に表示又は警報を発する。累算器23の出力をメ
モリ24に記憶する場合は時間信号発生器18の
時間信号もメモリ24に記憶して発生スペクトル
パワーの時間経過がわかるようにされる。比較器
16を用いてAE信号が得られている時のみ記憶
する場合は比較器16の出力によりメモリ24を
有効に用いることができる。この発明の自動スケ
ーリング回路25はAE信号の周波数解析のみな
らず、FFT一般にも適用できる。 As shown in FIG. 1, the envelope of the frequency spectrum of the AE signal analyzed in this manner was compared with a standard pattern previously stored in the standard memory 34 by a comparator 35, and micro-fractures were detected. or if it is greater than or equal to a predetermined value, the alarm 36
display or issue a warning. When the output of the accumulator 23 is stored in the memory 24, the time signal of the time signal generator 18 is also stored in the memory 24 so that the elapsed time of the generated spectral power can be seen. If the comparator 16 is used to store the AE signal only when it is obtained, the memory 24 can be effectively used by the output of the comparator 16. The automatic scaling circuit 25 of the present invention can be applied not only to frequency analysis of AE signals but also to general FFT.
第1図はこの発明を適用した微視的破壊検出装
置の構成例を示すブロツク図、第2図はAE信号
をフレーム分割する模式図、第3図はこの発明に
よる高速フーリエ変換プロセツサの一例を示すブ
ロツク図、第4図はバツフアメモリ19の一例を
示すブロツク図、第5図はFFTステージ33の
一例を示すブロツク図、第6図は演算ユニツトの
各部を制御する信号とマイクロ命令との関係を示
す図、第7図は第6図に示した命令の内容例を示
す図、第8図は演算ステージにおけるスケーリン
グ回路70の具体例を示す論理回路図、第9図は
バツフアメモリの入力におけるスケーリング回路
の具体例を示す論理回路図、第10図は第1図に
示した装置全体の動作タイムチヤート、第11図
Aは実施例によつて得られたAE信号のスペクト
ル例を示す図、第11図Bはフレーム分割を行な
わず8192点でFFTを行なつた場合のスペクトル
例を示す図、第11図Cは自動スケーリング回路
25を伴なわない固定小数点演算の語長14ビツト
のFFTを行なつた場合のスペクトル例を示す図
である。
19:バツフアメモリ、21:FFTプロセツ
サ、24:出力メモリ、25:自動スケーリング
回路、26:指数部出力、32:ウインド演算ス
テージ、33:バタフライ演算ステージ、41:
バタフライ演算ユニツト、44:回転因子メモ
リ、60:ビツト変換回路、70:スケーリング
回路、71:最大値検出回路、72:スケーリン
グ信号、73:加算回路。
Fig. 1 is a block diagram showing a configuration example of a microscopic fracture detection device to which the present invention is applied, Fig. 2 is a schematic diagram of dividing an AE signal into frames, and Fig. 3 is an example of a fast Fourier transform processor according to the invention. 4 is a block diagram showing an example of the buffer memory 19, FIG. 5 is a block diagram showing an example of the FFT stage 33, and FIG. 7 is a diagram showing an example of the contents of the instruction shown in FIG. 6, FIG. 8 is a logic circuit diagram showing a specific example of the scaling circuit 70 in the calculation stage, and FIG. 9 is a scaling circuit at the input of the buffer memory. 10 is an operation time chart of the entire device shown in FIG. 1. FIG. 11A is a diagram showing an example of the spectrum of the AE signal obtained by the example. Figure B shows an example of a spectrum when FFT is performed at 8192 points without frame division, and Figure 11C shows an example of a spectrum when FFT is performed with a word length of 14 bits using fixed-point arithmetic without the automatic scaling circuit 25. FIG. 3 is a diagram showing an example of a spectrum when 19: Buffer memory, 21: FFT processor, 24: Output memory, 25: Automatic scaling circuit, 26: Exponent output, 32: Wind calculation stage, 33: Butterfly calculation stage, 41:
Butterfly operation unit, 44: twiddle factor memory, 60: bit conversion circuit, 70: scaling circuit, 71: maximum value detection circuit, 72: scaling signal, 73: addition circuit.
Claims (1)
メモリとを有するステージが複数個縦続に接続さ
れているブロツク浮動小数点演算型高速フーリエ
変換プロセツサにおいて、上記各ステージに対し
てその入力データの上位2ビツトを入力とする最
大値検出回路71を有するスケーリング回路およ
び加算回路がそれぞれ設けられ、これら加算回路
は縦続的に接続されており、各ステージ入力にお
ける1フレーム内のデータの最大値を上記最大値
検出回路で検出して、そのステージにおけるバタ
フライ演算のオーバーフローを予知し、そのオー
バーフロー防止のためのスケーリング信号をその
スケーリング回路よりそのステージへ出力すると
ともに、そのステージの加算回路の内容を1だけ
増加させ、その加算回路の出力をスケールフアク
タとして次段ステージの加算回路へ入力し、その
スケールフアクタの最終出力結果として高速フー
リエ変換プロセツサにおけるスペクトル出力デー
タの指数部を得る自動スケーリング装置を有する
高速フーリエ変換プロセツサ。1. In a block floating point arithmetic fast Fourier transform processor in which a plurality of stages each having a butterfly arithmetic circuit and two data input/output memories are connected in series, the upper two bits of the input data are sent to each stage. A scaling circuit and an addition circuit each having a maximum value detection circuit 71 as an input are provided, and these addition circuits are connected in series, and the maximum value of data within one frame at each stage input is detected by the maximum value detection circuit 71. detects the overflow of the butterfly operation in that stage, outputs a scaling signal to prevent the overflow from the scaling circuit to that stage, increases the content of the adder circuit in that stage by 1, and A fast Fourier transform processor that has an automatic scaling device that inputs the output of the adder circuit as a scale factor to the adder circuit in the next stage and obtains the exponent part of the spectral output data in the fast Fourier transform processor as the final output result of the scale factor. .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58060554A JPS5981762A (en) | 1983-04-06 | 1983-04-06 | High-speed fourier conversion processor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58060554A JPS5981762A (en) | 1983-04-06 | 1983-04-06 | High-speed fourier conversion processor |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57191335A Division JPS5979852A (en) | 1982-10-29 | 1982-10-29 | Apparatus for detecting microscopic destruction |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5981762A JPS5981762A (en) | 1984-05-11 |
| JPH0227703B2 true JPH0227703B2 (en) | 1990-06-19 |
Family
ID=13145617
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58060554A Granted JPS5981762A (en) | 1983-04-06 | 1983-04-06 | High-speed fourier conversion processor |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JPS5981762A (en) |
Families Citing this family (3)
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Family Cites Families (2)
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-
1983
- 1983-04-06 JP JP58060554A patent/JPS5981762A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| JPS5981762A (en) | 1984-05-11 |
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