Оптоэлектронный процессор

Министерство  образования и науки, молодежи и спорта Украины

Национальный технический университет  Украины

«Киевский политехнический институт»

Факультет электроники

Кафедра физической и биомедицинской электроники 

 

 

РЕФЕРАТ

По  курсу: функциональная электроника

На тему: «Оптоэлектронный процессор »

 

 

 

 

 

            Выполнил:     студент ІV курса ФЭЛ

      группы ДМ-92

    Шаленко И.В.

Проверил:     Иващук А.В.

 

 

 

 

 

 

Киев – 2012

Содержание

1. Оптоэлектронный процессор                 1
2. Оптоэлектронный процессор обработки оптической информации при лазеро-локационном зондировании                 4
3. Оптоэлектронный нечетный процессор               6
4. Гибридный оптоэлектронный процессор для обнаружения и пеленгации источников сложных сигналов                  8
5. Выводы                 11
6. Список источников информации             12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оптоэлектронный процессор это  изобретение относится к области  оптоэлектроники, в частности к  оптоэлектронным вычислительным устройствам, и предназначено для использования  в схемах параллельной оптоэлектронной  обработки информации для реализации логических операций MAXIMUM, MINIMUM многозначной и нечеткой логики.

Есть  множество видом оптоэлектронных  процессоров, вот некоторые из них:  оптоэлектронный матричный процессор,  оптоэлектронный нечеткий процессор, многофункциональный оптоэлектронный процессор, оптоэлектронный процессор в виде гибридной микросхемы, оптоэлектронный процессор со сканирующими ПЗС фотоприемниками.

Рассмотрим характеристики, возможности, строение и методы применения некоторых из них.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОЦЕССОР

Предлагаемый  оптоэлектронный процессор позволяет  реализовать сложные логические операции многозначной и нечеткой логики на основе хорошо известной элементной базы, обычно используемой для выполнения процедур умножения вектора, записанного  в двоичном коде, на матрицу, также  записанную в виде двоичного кода.

Принцип роботы заключается в следующем. Информационные сигналы X1, X2, ..., Xn, величины которых  могут принимать р-дискретных градаций по величине, вводятся в кодированном виде в линейки, составленные из р  светоизлучающих элементов и  составляющие строки матрицы светоизлучающих  элементов 1 (см рис.2). В первом исполнении оптоэлектронного процессора на входы подается неинвертированный кодированный сигнал (см рис.1), а во втором исполнении - инвертированный кодированный сигнал. В каждой из строк матрицы светоизлучающих элементов 1 каждый светоизлучающий элемент, предназначенный для ввода определенного логического уровня k, имеет номер q=k+1, отсчитываемый в одном и том же направлении для всех строк матрицы светоизлучающих элементов 1. Направление отсчета номеров q, которому на рис.2 соответствует ось у, совпадает с направлением отсчета номеров фотоприемников в линейке фотоприемников 2. При этом пропорционально величине входного сигнала высвечивается разное число рядом расположенных светоизлучающих элементов. При уровне входного сигнала, описываемом нулевым логическим уровнем k=0, свет испускает только один элемент имеющий наименьшее значение номера q=1, то есть крайний левый элемент. При уровне входного сигнала, описываемом 1-м логическим уровнем, свет испускает крайний левый элемент и следующий, расположенный справа от него (этот случай показан на рис.2 для сигнала X1). При максимально возможном логическом уровне входного сигнала k=p-1 свет испускают все р элементов линейки светоизлучающих элементов в соответствующей строке матрицы светоизлучающих элементов 1. Вследствие наличия оптической связи между элементами матрицы светоизлучающих элементов 1 и линейкой фотоприемников 2 световые сигналы, кодирующие входные сигналы X1, X2, ..., Xn будут подаваться на фотоприемники в линейке фотоприемников 2, работающие в пороговом режиме. На рис.2 показано направление отсчета номеров слева направо, начиная от крайних левых элементов, вдоль оси Y, однако выбор направления отсчетов номеров элементов вдоль оси Y условен, если бы было выбрано направление отсчета номеров справа налево, то и направление отсчета фотоприемников и выходов инвертирующих микросхем НЕ следовало бы взять противоположным.

 В линейке фотоприемников 2 каждый фотоприемник предназначен  для идентификации строго определенного  логического уровня k, где k=0,..., р-1, а отсчет логических уровней  фотоприемников в линейке фотоприемников 2 производится в том же направлении,  что и для светоизлучающих  элементов в матрице светоизлучающих  элементов 2. На рис.2 этому направлению соответствует ось Y. Для срабатывания фотоприемника, обнаруживающего наличие логического сигнала k-уровня и находящегося одновременно в оптической связи со всеми светоизлучающими элементами, которые могут вводить сигнал k-го логического уровня отдельно по каждой из входных переменных X1, X2, ..., Xn, достаточно поступления сигнала хотя бы от одной из строк матрицы светоизлучающих элементов 1. На рис.2 сработавшие в пороговом режиме фотоприемники в линейке фотоприемников 2, выдающие на выход электрический сигнал "1", показаны белым цветом. Фотоприемники, на которые свет не поступает, выдают выходной электрический сигнал "0" и заштрихованы на рис.2. Выбор направления считывания выходных сигналов с линейки фотоприемников 2 является одинаковым для обоих исполнений оптоэлектронного процессора и определяется изначальным выбором отсчета первого элемента в линейках светоизлучающих элементов. Ввод входного сигнала "0" для какой-либо входной переменной приведет к засвечиванию фотоприемника, регистрирующего "0"-й логический уровень. Последующий ввод логического сигнала "1" для какой-либо входной переменной приведет к засвечиванию двух фотоприемников, и т. д. Для вычисления выражения Y=MAXIMUM(X1,X2,...,Xn) следует использовать вариант исполнения оптоэлектронного процессора, в котором каждый из сигналов с фотоприемников в линейке фотоприемников 2 подается на вход одной из микросхем, входящей в набор неинвертирующих буферных электронных микросхем 3. Набор выходных сигналов неинвертирующих буферных электронных микросхем 3 формирует неинвертированный выходной сигнал оптоэлектронного процессора. Для вычисления выражения Y=MINIMUM(X1,X2,...,Xn) следует использовать второй вариант исполнения оптоэлектронного процессора, в котором сигналы с фотоприемников в линейке фотоприемников 2 дополнительно инвертируются. Для этого каждый из этих сигналов подается на вход одной из микросхем, входящей в набор электронных инвертирующих микросхем НЕ 3. На выходах набора электронных инвертирующих микросхем НЕ 3 будет получен результат выполнения операции MINIMUM, при этом выходной сигнал будет представлен в неинвертированном виде согласно рис.1.

 

Формула изобретения

1. Оптоэлектронный процессор, содержащий  последовательно расположенные  матрицу светоизлучающих элементов,  линейку фотоприемников, отличающийся  тем, что строки матрицы представляют  собой линейки светоизлучающих  элементов, где каждая линейка  содержит р светоизлучающих элементов,  количество которых равно числу  логических уровней оптоэлектронного  процессора, при этом логические  уровни входных сигналов X1, . . . , Хn  принимают значения k от 0 до р-1, количество  строк матрицы n равно числу  входных сигналов, все линейки  матрицы светоизлучающих элементов  расположены параллельно друг  другу, фотоприемники в линейке  фотоприемников расположены вдоль  направления строк матрицы, количество  фотоприемников в линейке равно  числу логических уровней оптоэлектронного  процессора, в каждой из строк  матрицы каждый из светоизлучающих  элементов, имеющий номер от 1 до р, последовательно отсчитанный  вдоль одного из направлений  вдоль строки матрицы, оптически  связан со входом одного фотоприемника  в линейке фотоприемников, имеющего  такой же номер, отсчитанный  вдоль того же направления,  выход каждого из фотоприемников  электрически связан со входом  буферной электронной микросхемы, формирующей дискретное логическое  значение выходного сигнала, при  этом р выходов буферных электронных  микросхем являются выходом оптоэлектронного  процесса.

2. Для реализации логической операции MAXIMUM каждый из входных сигналов X1, . . . , Xn представлен в виде неинвертированного  кода в одной из строк матрицы,  при этом использованы неинвертирующие буферные микросхемы, задающие логические значения выходных сигналов в виде неинвертированного кода.

3. Для реализации логической операции MINIMUM каждый из входных сигналов X1, . . . , Хn представлен в виде  инвертированного кода в одной  из строк матрицы, при этом  использованы инвертирующие буферные  микросхемы, задающие логические  значения выходных сигналов в  виде инвертированного кода.

Рис.1      Рис.2

 

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОЦЕССОР ОБРАБОТКИ ОПТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

ПРИ ЛАЗЕРНО-ЛОКАЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ

Предлагается  структура оптоэлектронного процессора активного типа, основанная на методе регенеративного хранения и записи оптической информации в лазерном элементе памяти с волоконно-оптической линией запаздывания, и совмещающая в оптическом диапазоне элементы программирования, первичную обработку, хранение и кодирование оптической информации. В оптическом диапазоне длин волн в настоящее время поиск методов построения систем обработки и преобразования информации ведется по нескольким направлениям, связанным с созданием оптических логических элементов и оптоэлектронных процессоров пассивного и активного действия с многоуровневым преобразованием информации в лазерных устройствах. Одним из перспективных направлений является создание оптического компьютера с обработкой информации по принципу регенеративных нейронных систем. Наиболее известными разработками в данном направлении являются структуры оптических процессоров типа digital bit-serial memory (DBSM) [1] и analog fiber-optic memory (AOFM) [2]. В DBSM структуре хранение массива информации осуществляется в цифровом виде; в AOFM структуре информация представляется в аналоговом виде. Мы рассмотрим структуру оптоэлектроенного процессора активного типа (ОЭП), основанную на методе регенеративного хранения и записи оптической информации в лазерном многостабильном элементе памяти с волоконно-оптической линией запаздывания.

В простейшем случае лазерный многостабильный элемент памяти с регенеративным принципом хранения информации представляет собой оптическую колебательную систему, восприимчивую к информационному потоку с различными типами носителей, которые в процессе управляемого оптического хранения могут подвергаться преобразованию по заданной программе вычислений. Достоинством ОЭП регенеративного типа является возможность записи и хранения информации как в цифровом, так и в аналоговом виде. При этом скорость записи информации зависит от времени срабатывания инжекционного лазера и может варьироваться от наносекундного до пикосекундного масштаба длительности. Если необходимо в память ОЭП записать цифровую информацию в виде линейного кода или в виде случайной последовательности световых импульсов, возможно, используя синтезатор оптических частот, сформировать цифровую информацию в виде дискретно заданной последовательности моментов срабатывания инжекционного лазера, то таким образом осуществляется программирование оптоэлектронного процессора. При необходимости записи в ОЭП аналоговой информации, например, в виде временных интервалов между оптическими импульсами, в контуре памяти оптоэлектронного процессора формируются временные шкалы, размерность которых соответствует информационным признакам аналоговых сигналов. Одним из основных вопросов для архитектуры современных сверхвысокопроизводительных вычислительных систем является вопрос, связанный с реализацией запоминающих устройств, обладающих достаточным быстродействием при большой информационной емкости. Для эффективной реализации принципа управления потоками данных, кроме этого, память должна обладать дополнительным свойством ассоциативного доступа к данным. В настоящее время существует задача промежуточного хранения оптической информации в цифровом и аналоговом виде, например, поступающей с аэрокосмических носителей при лазерно-локационном зондировании, для последующего ввода этой информации в вычислительные структуры, в частности в вычислительный канал суперкомпьютера «СКИФ K1000-2». Существующие в настоящее время интерфейсы электронных компьютеров не позволяют осуществлять непосредственный ввод данных субнаносекундного диапазона. Для этих целей разрабатываются специализированные быстродействующие буферные запоминающие устройства, позволяющие избежать потерь оптической информации при ее последующей обработке. Одним из перспективных направлений создания буферной памяти являются волоконно-оптические динамические запоминающие устройства рециркуляционного типа. Интерес исследователей к подобным системам обусловлен, прежде всего, их способностью производить высокоскоростную запись реализаций однократных быстропротекающих случайных процессов. Достоинством ВОДЗУ является то, что запись информационного потока в них осуществляется в реальном масштабе времени, а хранение данных в цифровой и аналоговой форме возможно в течение времени, необходимого для их последующей обработки. Существующие в настоящее время архитектуры ВОДЗУ в основном ориентированы только на восстановление амплитудных характеристик циркулирующих сигналов, что ограничивает время хранения информации за счет дисперсионных эффектов в волоконном световоде.  Разработана архитектура цифрового ВОДЗУ  со спектральным уплотнением информационных каналов, позволяющая уменьшить влияние указанных недостатков на информационные характеристики таких устройств. Кроме того, регенерация циркуляционных информационных сигналов осуществляется в оптическом диапазоне, что дает возможность работать с гигагерцовыми скоростями записи информационного потока и не осуществлять промежуточное периодическое преобразование сигналов из оптического диапазона в электрический и обратно. Время хранения информации определяется индексом нестабильности, и он должен быть меньше интервала между импульсами оптической последовательности. В аналоговой памяти информация кодируется в виде длительности временных интервалов между импульсами.

Создание  ВОДЗУ с высокими эксплуатационными характеристиками ограничено следующими факторами:

-увеличение объема хранимой информации при сохранении длины волоконного световода ограничено допустимым временем хранения информации, обусловленным полосой пропускания системы;

-время хранения информации увеличивается оптимизацией схемного построения и режимов работы элементов контура ВОДЗУ по критерию максимума отношения сигнал/шум.

 

Таким образом, на основе оптоэлектронных  процессоров возможно создание сверхбыстродействующих оптоэлектронных вычислительных устройств, совмещающих в оптическом диапазоне элементы программирования, первичную обработку, вычисление, хранение и кодирование оптической информации, что позволяет значительно увеличить быстродействие, точность и уменьшить объем вычислительных процедур.

 

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ НЕЧЕТНЫЙ ПРОЦЕССОР

 

Рис. 3

 

Формула изобретения

 

Оптоэлектронный нечеткий процессор, содержащий селектор минимального сигнала, отличающийся тем, что в него введены m·n оптоэлектронных  блоков фаззификации, m-1 селекторов минимального сигнала, m оптоэлектронных блоков активизации, оптоэлектронный блок дефаззификации, j-м входом оптоэлектронного нечеткого  процессора являются объединенные входы ij-х оптоэлектронных блоков фаззификации и j-й вход i-го оптоэлектронного блока  активизации (i=1, 2,  , m; j=1, 2,  , n), каждый оптоэлектронный блок фаззификации содержит источник излучения, электрооптический дефлектор, группу r равноудаленных от выхода электрооптического дефлектора оптических волноводов, линейный оптический транспарант, оптический r-входной объединитель, входом ij-го оптоэлектронного блока фаззификации является управляющий вход электрооптического дефлектора (i=1, 2,  , m; j=1, 2,  , n), к информационному входу которого подключен выход источника излучения, выход электрооптического дефлектора оптически подключен ко входам равноудаленных оптических волноводов, выход каждого а-го равноудаленного оптического волновода подключен через линейный оптический транспарант к а-му входу оптического r-входного объединителя, выход которого является выходом ij-го оптоэлектронного блока фаззификации (а=1, 2,  , r, i=1, 2,  , m; j=1, 2,  , n), выход ij-го оптоэлектронного блока фаззификации подключен к j-му входу i-го селектора минимального сигнала (i=1, 2,  , m; j=1, 2,  , n), выход которого подключен к i-му входу первой группы входов оптоэлектронного блока дефаззификации (i=1, 2,  , m), i-й оптоэлектронный блок активизации содержит источник излучения, оптический (n+1)-выходной разветитель, n+1 оптических транспарантов (i=1, 2,  , m), n оптических амплитудных модуляторов, n блоков извлечения квадратного корня, оптический (n+1)-входной объединитель, j-м входом оптоэлектронного блока активизации является вход i-го блока извлечения квадратного корня (j=1, 2,  , n), выход источника излучения подключен ко входу оптического (n+1)-выходного разветвителя, каждый j-й выход которого оптически связан со входом j-го оптического транспаранта (j=0, 1, 2,  , n), выход j-го оптического транспаранта подключен к информационному входу j-го оптического амплитудного модулятора (j=1, 2,  , n), выход нулевого оптического транспаранта подключен к нулевому входу оптического (n+1)-входного объединителя, выход j-го блока извлечения квадратного корня подключен к управляющему входу j-го оптического амплитудного модулятора (j=1, 2,  , n), выход j-го оптического амплитудного модулятора оптически связан с j-м входом оптического (n+1)-входного объединителя (j=1, 2,  , n), выход которого является выходом i-го оптоэлектронного блока активизации (i=1, 2,  , m), выход i-го оптоэлектронного блока активизации подключен к i-му входу второй группы входов оптоэлектронного блока дефаззификации (i=1, 2,  , m), оптоэлектронный блок дефаззификации содержит источник когерентного излучения, оптический m-выходной разветвитель, m оптических амплитудных модуляторов, m оптических Y-разветвителей, m оптически управляемых транспаранта, два оптических m-входных объединителя, фотоэлемент, фоторезистор, управляющие входы m оптических амплитудных модуляторов являются первой группой входов оптоэлектронного блока дефаззификации, а управляющие входы m оптически управляемых транспарантов являются второй группой входов оптоэлектронного блока дефаззификации, выход источника излучения подключен ко входу оптического m-выходного разветвителя, каждый выход оптического m-выходного разветвителя подключен к информационному входу соответствующего оптического амплитудного модулятора, выход i-го оптического амплитудного модулятора подключен ко входу i-го оптического Y-разветвителя (i=1, 2,  , m), первый выход которого подключен к информационному входу i-го оптически управляемого транспаранта (i=1, 2,  , m), выход i-го оптически управляемого транспаранта подключен к i-му входу первого оптического m-входного объединителя (i=1, 2,  , m), второй выход i-го оптического Y-разветвителя подключен к i-му входу второго оптического m-входного объединителя (i=1, 2,  , m), выход первого оптического m-входного объединителя подключен ко входу фотоэлемента, выход второго оптического m-входного объединителя подключен ко входу фоторезистора, фотоэлемент и фоторезистор соединены последовательно, выводы фоторезистора являются выходом оптоэлектронного блока дефаззификации, выход оптоэлектронного блока дефаззификации является выходом устройства.

 

 

 

 

ГИБРИДНЫЙ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ  ПРОЦЕССОР ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ПЕЛЕНГАЦИИИ ИСТОЧНИКОВ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ

 

Аннотация - Рассмотрена реализация средствами гибридных оптоэлектронных процессоров (ГОЭП) интерферометрического алгоритма для обнаружения, пеленгации и спектрального анализа сложных сверхширокополосных (СШП) сигналов. Предложена структура ГОЭП на основе интеграции радиооптической антенной решетки (АР) и интерферометра, дополнительно позволяющая осуществить двумерную пеленгацию и обладающая повышенной помехозащищенностью.

 

I. Введение

В современные и перспективные  радиосистемы внедряются сложные сигналы с базой B = DFDT = 103…106 ( DF и DT - полоса частот и длительность сигнала) и более с DF в сотни МГц- сигналы с ФМн, ЧМ, псевдослучайной перестройкой рабочей частоты и др. Разведывательный приемник, не владеющий в полной мере априорной информацией, вынужден использовать такие алгоритмы перехвата (обнаружения, пеленгации) сигналов, которые, с одной стороны, требуют минимума априорной информации о параметрах сигнала, с другой - обеспечивают высокую вероятность обнаружения и низкую вероятность ложных тревог, обусловленную внутренними шумами приемника [1].

В ряде задач известен только диапазон частот, который использует радиосредство; для установления факта работы источника радиоизлучения используют энергетический обнаружитель, для пеленгации — направленные антенны либо интерферометрические системы. При ΔF от 100 МГц до 1-2 ГГц и B до 108 в таких приемниках перспективны [2] ГОЭП, в частности, на основе акустооптических корреляторов с временным интегрированием (АОКВИ) [3]. Применение АОКВИ для обнаружения СШП сигналов неизвестной формы предложено в [4]. В [5] рассмотрена та же схема АОКВИ, которая дополнена приемной двухканальной интерферометрической антенной системой и выполняет обнаружение, пеленгацию и спектральный анализ СШП сигналов. Здесь представлена модификация такого устройства, позволяющая организовать двумерный параллельный обзор радиосцены либо обрабатывать не только СШП, но и узкополосные сигналы.

II. Основная часть

ГОЭП (рис. 4) работает совместно с приемной антенной, образованной одиночным элементом WA1 и малоэлементной линейной АР WA2. Элементы WA2 расположены в первом варианте (WA2X) вдоль базы d , во втором (WA2Y) - перпендикулярно d . Регистрируемые сигналы вводятся в ГОЭП посредством акустооптических модуляторов (АОМ) 1 и 2. ГОЭП также включает лазер с коллиматором (не показаны), линзы и астигматические пары Л1-Л4, транспаранты Tp1 , Tp2 матричный накапливающий фотоприемник (ФПЗС).

 

 

Рис.4. Двумерный параллельный ГОЭП, реализующий интерферометрический алгоритм и алгоритм диаграммообразования.