НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Ліпінський Олександр Юрійович

УДК 004.31:004.22:534:621.382

ОПТОЕЛЕКТРОННІ ВИСОКОТОЧНІ ОПЕРАЦІЙНІ ПРИСТРОЇ

ДИСКРЕТНОЇ ОБРОБКИ СИГНАЛІВ

Спеціальність 05.13.05 – Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донецькому Національному університеті,

Україна, м. Донецьк

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Данилов Володимир Васильович,

Донецький Національний університет,

завідувач кафедри радіофізики

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Крючин Андрій Андрійович,

Інститут проблем реєстрації інформації

НАН України (м. Київ),

заступник директора

кандидат фізико-математичних наук, доцент

Смірнов Євген Миколайович,

Київський національний університет

імені Тараса Шевченка,

доцент кафедри квантової радіофізики

Провідна установа: Одеський національний політехнічний університет, кафедра інформаційних систем

Захист відбудеться “ 19 ” _березня__ 2007 року о _14:30_ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.02 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” (м. Київ, пр. Перемоги 37, корп. 18, ауд. 306).

Відгуки на автореферат у двох екземплярах, завірені печаткою установи, просимо надсилати на адресу: пр. Перемоги 37, м. Київ 03056, вченому секретарю Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий “ 16 ” _лютого___ 2007 року.

Вчений секретар

спеціалізованої ради,

кандидат технічних наук, доцент М.М. Орлова

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Зростання продуктивності інформаційних систем (ІС) обробки радіосигналів (моніторинг і контроль радіоперешкод, радіорозвідка, дослідження радіовипромінювань космічного простору, тощо), в основному, визначається швидкістю обробки радіосигналів обчислювальними засобами (ОЗ) ІС. Таке збільшення, за рахунок створення оптоелектронних аналогових обчислювальних пристроїв, наприклад, на основі радіофізичних уявлень про акустооптичну взаємодію (АОВ), відкриває широкі можливості паралельної обробки, чим і досягається висока продуктивність таких ОЗ.

Проте, існує ряд задач (виявлення й розпізнавання радіосигналів у системах “свій-чужий”, радіонаведення та інші), коли важливі не тільки продуктивність, але й висока точність обчислень, яка може бути забезпечена тільки дискретними (цифровими) ОЗ.

Гонка за мініатюризацією й інтеграцією в кремнієвій індустрії, сприяла розробці дешевих, швидкодіючих та ефективних електронних систем, здатних виконати більшість завдань обробки сигналів. Висока продуктивність цих систем, їхня універсальність, поряд з низькою вартістю виробництва, призвели до збільшення величезного ринку додатків, заснованих на обробці інформації. Разом з тим, достатньо виявилися фізичні фактори, що обмежують процес мікромініатюризації та зростання швидкодії мікросхем.

Протягом останніх 10 років набув широкого розвитку науковий напрямок в електроніці - функціональна електроніка, основний принцип якого полягає у переході від мініатюризації мікросхем до мініатюризації пристроїв і навіть систем. Функціональна електроніка створила основу ряду найперспективніших наукових напрямків: кріоелектроніки, акустоелектроніки, магнітоелектроніки, спінелектроніки, оптоелектроніки та інших. Тільки в оптоелектроніці розрізняють рідкокристалічну та когерентну оптоелектроніку, які засновані на ефектах і явищах у рідких та твердих кристалах, а також оптроніку.

Продуктивність мікроелектронних систем досягла фізичної межі, що не може бути переборена існуючою технологією мініатюризації кремнієвих схем. Можна стверджувати, що когерентна оптоелектроніка є тим базисом, на якому цілком можливе створення оптоелектронних пристроїв дискретної (цифрової) обробки сигналів, зокрема, радіосигналів.

Вирішення такої задачі дозволить створювати оптоелектронні процесори, що реалізують скалярне множення вектора на вектор, вектора на матрицю, матриці на матрицю, потрійного добутку матриць, рішення систем лінійних алгебраїчних рівнянь, тощо.

Пристрої оптоелектронних ОЗ можуть бути використані і в суміжних областях, наприклад: при аналізі характеристик радіо й оптичних сигналів у вимірювальній техніці, пеленгуванні перешкод в гідроакустиці, космічній розвідці корисних копалин та інших. У цій технологічній галузі була розроблена велика кількість пристроїв, що дозволяють здійснювати генерацію, детектування і керування оптичними сигналами.

Зважаючи на перспективи створення оптоелектронних пристроїв дискретної обробки сигналів на основі принципів когерентної оптоелектроніки необхідні додаткові дослідження, спрямовані на подальший розвиток радіофізичних уявлень про явища й процеси в області акустооптичної взаємодії скінченних розмірів, які забезпечать мінімальні втрати (перекручування) інформації.

Таким чином, у даній роботі вирішується важлива науково-прикладна задача підвищення точності обчислень аналогових оптоелектронних акустооптичних процесорів радіосигналів при збереженні їхньої продуктивності, шляхом переходу на дискретне (цифрове) подання інформації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота була виконана в рамках держбюджетної НДР кафедри радіофізики Донецького національного університету “Дослідження та розробка радіофізичних та оптоелектронних пристроїв з покращеними функціональними характеристиками” (2003 - 2008), державний реєстраційний номер 0103U004438.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення високоточних й високопродуктивних оптоелектронних операційних пристроїв за рахунок подальшого розвитку теорії акустооптичної взаємодії в частині створення скінченно-елементної математичної моделі акустооптичної комірки.

Об'єктом дослідження є процес перетворення радіосигналу у випадку слабкої акустооптичної взаємодії в області скінченних розмірів в його оптичний дискретний (цифровий) аналог.

Предметом дослідження є розробка методів створення оптоелектронних акустооптичних пристроїв дискретної обробки сигналів, які дозволяють розрахувати з високою точністю геометрію області акустооптичної взаємодії при проектуванні.

Основні задачі дослідження, відповідно до поставленої мети, полягають у наступному:

- розробка методів моделювання поширення світлової хвилі у світловедучих середовищах;

- розвиток радіофізичних уявлень про процеси та явища в області акустооптичної взаємодії скінченних розмірів шляхом створення математичної моделі та методів моделювання як у частотній, так і в часовій областях;

- створення фізичної моделі акустооптичного процесора цифрової обробки сигналів;

- розвиток векторного методу скінченних елементів у процесі моделювання акустооптичних пристроїв дискретної (цифрової) обробки сигналів у часовій області;

- розробка прототипу оптоелектронного акустооптичного дискретного (цифрового) операційного пристрою обробки сигналів.

Методи дослідження: теорія оптичних хвиль у кристалах; теорія дифракції й лінійних перетворень в оптиці; теорія комплексних сигналів; теорія дискретних сигналів і систем; методи математичного моделювання електродинамічних задач, такі як метод характеристичних матриць, скалярний метод скінченних елементів для рішення задач на власні значення, векторний метод скінченних елементів у часовій області; теорія перетворення сигналів в оптико-електронних системах; теорія радіофізичних вимірів.

Наукова новизна одержаних результатів визначається створенням нового підходу до розробки оптоелектронних пристроїв дискретної (цифрової) обробки сигналів шляхом подальшого розвитку теорії акустооптичної взаємодії, у частині створення скінченно-елементної математичної моделі.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- створення скінченно-елементної математичної моделі акустооптичної комірки;

- визначення, у рамках фізичної моделі акустооптичної комірки, ділянки існування лінійного перетворення інформації, що призвело до можливості реалізації операцій множення та затримки в акустооптичному середовищі з високою точністю;

- розвиток векторного методу скінченних елементів для процесу моделювання операційних пристроїв з скінченними розмірами області акустооптичної взаємодії;

- моделювання оптоелектронних акустооптичних пристроїв з дискретним розподілом акустичної потужності з використанням векторного методу скінченних елементів;

- вперше проведений синтез та теоретичне обґрунтування архітектури оптоелектронного акустооптичного дискретного (цифрового) операційного пристрою обробки радіосигналів.

Практичне значення одержаних результатів визначається одержанням і створенням на основі теоретичних результатів роботи:

- методики проектування оптоелектронних акустооптичних пристроїв з урахуванням скінченних розмірів області взаємодії;

- методу побудови оптоелектронних акустооптичних пристроїв з дискретним розподілом акустичної потужності;

- методів і способів підвищення точності обчислень оптоелектронних процесорів за рахунок цифрового подання даних.

Результати роботи можуть бути використані в організаціях і підприємствах, які займаються проектуванням і створенням нових оптоелектронних інформаційних технологій, інформаційних систем обробки радіосигналів, а також у навчальному процесі, при викладанні курсів “Оптичні методи обробки інформації”, “Оптоелектроніка”, “Теорія інформаційно-вимірювальних систем”, “Системи зв'язку”, “Функціональна електроніка”.

Особистий внесок здобувача. У роботах, виконаних у співавторстві, здобувачу належить: [1] - аналіз сучасного стану розробки акустооптичних пристроїв перетворення сигналів; [2, 3, 7] - математичний опис пристрою; [4] - побудова фізичної моделі акустооптичного процесора цифрової обробки сигналів; [5, 8, 9] - побудова скінченно-елементної математичної моделі слабкої акустооптичної взаємодії в часовій області; [6] - ідея структурної організації ядра акустооптичного дискретного сигнального процесора.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на наступних міжнародних конференціях: Науково-технічна конференція “Сучасні інформаційно-комунікаційні технології”, COMINFO’2005 (Форос, Україна, 2005), Науково-практична конференція “Сучасні інформаційні та електронні технології”, СІЕТ’2006 (Одеса, Україна, 2006), Kharkiv Electromagnetics and Photonics Week 2006, 11th International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (Kharkiv, Ukraine, 2006).

Публікації. Матеріали дисертації оприлюднені у 9 наукових працях, у тому числі у 5 статтях у наукових фахових виданнях, в одному патенті України на корисну модель, і в тезах 3 доповідей на наукових конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатка, та містить 166 сторінок, з них 135 сторінок друкованого тексту, 50 рисунків, 3 таблиці. Список використаних джерел містить 151 назву. Додаток містить 17 сторінок.

Основний зміст дисертації

У вступі дисертаційної роботи обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, наведені основні наукові результати і їхнє практичне значення.

У першому розділі наведений огляд літератури з фізико-технічних основ функціонування акустооптичних процесорів (АОП) кореляційного типу.

Показано, що дифракція світла на звуковій хвилі в акустооптичній комірці описується досить нескладною фізичною моделлю, яка дозволяє успішно проектувати акустооптичні аналогові процесори, що відрізняються високою швидкістю обробки даних, більш великим обсягом паралельно оброблюваної інформації. Розглянуті: АОП кореляційного типу, яким властива висока продуктивність у певному типі функціональних операцій - згорточному перемножуванні масивів даних; акустооптичні цифрові процесори (АОЦП) кореляційного типу, які реалізують операцію дискретної згортки та використовують методи аналогової обробки інформації і цифрового подання даних. Оскільки АОЦП функціонують при дискретному розподілі акустичної потужності, аналітичні розрахунки на основі існуючих фізичних моделей акустооптичної взаємодії не дозволяють проектувати такі процесори з достатнім ступенем точності. Зроблено висновок про необхідність врахування скінченних розмірів області взаємодії, що вимагає залучення сучасних чисельних методів моделювання.

У другому розділі вирішується задача розробки методів моделювання поширення світлової хвилі у світловедучих пристроях і визначення фізико-технічних умов проектування цифрових оптоелектронних операційних пристроїв на етапі моделювання фізичних процесів взаємодії оптичних і акустичних хвиль в акустооптичному середовищі, як у частотній, так і в часовій областях.

Для рішення поставлених задач виконано: математичне моделювання інтегрального оптичного хвилеводу (ІОХ) із градієнтним профілем показника заломлення, аналіз профілів мод інтегрального анізотропного оптичного хвилеводу методом скінченних елементів, побудована математична модель слабкої акустооптичної взаємодії в області скінченних розмірів.

Математичне моделювання термодифузійного оптичного хвилеводу методом характеристичної матриці включає наступні кроки: апроксимація коефіцієнта заломлення звичайної й незвичайної хвиль східчастою функцією; складання математичної моделі отриманого багатошарового хвилеводу; визначення сталих поширення TE і TM поляризованих мод із трансцендентних дисперсійних рівнянь.

Термодифузійний оптичний хвилевід можна розглядати як градієнтну структуру із профілем показника заломлення, що монотонно змінюється:

де – нормована довжина хвилі; індекс у випадку звичайної хвилі позначається як , або у випадку незвичайної. Результати розрахунку показника заломлення звичайної хвилі в поперечному перерізі ІОХ, для, , , часу дифузії 14400с, температури дифузії 1250 К, подані на рис. 1.

Рис. 1. Залежність показника заломлення для звичайної хвилі в поперечному перерізі інтегрального оптичного хвилеводу

Характеристична матриця шару для TE поляризованих мод задається в такий спосіб:

де - хвильовий вектор в -м шарі, - товщина шару. Результати розрахунку дисперсійних характеристик ІОХ ТE поляризованих мод для звичайної хвилі наведені на рисунку 2.

Рис. 2. Дисперсія TE мод для звичайної хвилі

Показано, що метод характеристичної матриці вимагає, щоб поле в кожній із площин багатошарового планарного хвилеводу виражалося через добуток поля в сусідній площині на характеристичну матрицю шару між ними і не залежало від поперечних координат. Виконання цієї умови робить практично неможливим моделювання акустооптичної взаємодії в області скінченних розмірів.

Основна ідея методу скінченних елементів полягає в тім, що безперервні фізичні величини, такі як напруженості електричного й магнітного полів можуть бути апроксимовані дискретною моделлю, побудованою на множині кусково-безперервних функцій, визначених на скінченному числі підобластей.

Аналіз профілів мод інтегрального анізотропного оптичного хвилеводу методом скінченних елементів включав наступні етапи: розбивка області аналізу на скінченні елементи першого порядку трикутної форми методом тріангуляції Делоне; визначення функцій форми скінченного елементу; запис задачі на власні значення з використанням методу зважених нев'язань (Гальоркіна); завдання граничної умови Діріхлє; визначення сталих поширення хвилеводних мод, а також нормованих значень поля у вузлових точках з рішення задачі на власні значення.

За область аналізу обрано поперечний переріз інтегрального оптичного хвилеводу із профілем показника заломлення, зображеним на рис. 1. Розбиття області на скінченні елементи першого порядку трикутної форми (рис. 3) проведено методом тріангуляції Делоне.

Рис. 3. Розбиття області аналізу ІОХ на скінченні елементи першого порядку трикутної форми

Для однорідного в напрямку оптичного хвилеводу скалярне хвильове рівняння записується в такий спосіб:

де для моди, ,. Хвильова функція для довільної координати усередині трикутного елемента виражається через функції форми, і (з полями, , у вершинах трикутника):

Для запису задачі на власні значення в матричній формі, використаний метод Гальоркіна:

де й - матриці скінченних елементів.

Отримані в результаті моделювання профілі поля моди й наведені на рисунках 4, 5.

Успішне проектування цифрових акустооптичних сигнальних процесорів містить у собі етап досить складного моделювання фізичних процесів взаємодії оптичних і акустичних хвиль в акустооптичному (АО) середовищі, що вимагає залучення чисельних методів розрахунку, які дозволяють урахувати скінченні розміри області взаємодії.

Рис. 4. Профіль поля моди в поперечному перерізі ІОХ

Рис. 5. Профіль поля моди в поперечному перерізі ІОХ

Для одержання просторової скінченно-елементної апроксимації залежних від часу рівнянь Максвелла використано метод Гальоркіна. За скінченні елементи обрано тетраедри, що дозволяє досить точно апроксимувати область аналізу неправильної форми без значного зменшення характерних розмірів.

Значення напруженостей і електричного й магнітного полів у довільній внутрішній точці тетраедра виражені через, ступені свободи й, і базисні функції як,.

У результаті реалізації методу Гальоркіна одержимо наступну систему лінійних звичайних диференціальних рівнянь:

де, , а, , – матриці з елементами:

Перевагою використання векторних базисних функцій є відсутність нефізичних рішень, що з'являються при використанні скалярних базисних функцій для подання векторних величин і .

Показано, що метод скінченних елементів може бути використаний для проектування цифрових оптоелектронних процесорів на етапі моделювання фізичних процесів взаємодії оптичних і акустичних хвиль в акустооптичному середовищі, як у частотній, так і в часовій областях.

У третьому розділі вирішена задача побудови фізичної моделі акустооптичного процесора цифрової обробки сигналів.

Для рішення поставленої задачі виконано моделювання операцій множення та затримки в акустооптичному середовищі, зроблено оцінку фізичних обмежень продуктивності процесора.

Дифракцію світла на звуці можна описати, якщо в рівняннях стану середовища врахувати нелінійні перехресні члени, що відповідають електромагнітному полю й пружним деформаціям. Для ізотропного твердого тіла з рівнянь Максвелла одержано хвильове рівняння для електричного поля:

Подальше спрощення полягає в тому, що електромагнітна хвиля вважається слабкою, а акустична - досить інтенсивною. При цьому зміна інтенсивності звуку, обумовлена взаємодією зі світлом за рахунок механізму електрострикції нехтовно мала й можна користуватися наближенням заданого звукового поля.

Вираз для інтенсивностей дифракційних максимумів записуються як:

де – поле дифракційного максимуму -го порядку. При цьому інтенсивність падаючої хвилі дорівнює .

Брегговський режим дифракції реалізується для досить великих акустичної частоти й довжини області взаємодії () при виконанні умови Брегга-Вульфа.

Результати розрахунку відносин інтенсивностей першого й нульового порядків дифракції при зростанні амплітуди зміни показника заломлення для заданої довжини області взаємодії . у випадку брегговської дифракції ( , ) наведені на рис. 6.

Рис. 6. Відносини інтенсивностей нульових і першого дифракційних порядків до інтенсивності падаючої хвилі залежно від зміни показника заломлення середовища

Як для першого, так і для нульового порядків можна виділити ділянку лінійної залежності нормованої інтенсивності від амплітуди зміни показника заломлення (рис. 7).

Оскільки для діапазону амплітуд , що відповідає ділянці лінійної залежності (рис. 7), з точністю до деякої сталої інтенсивності, виконується подібний режим акустооптичної взаємодії може бути використаний для виконання операції множення. При цьому один операнд задається інтенсивністю падаючої світлової хвилі; інший операнд – амплітудою акустичної хвилі, яка визначає амплітуду зміни показника заломлення ; результат операції пропорційний інтенсивності першого дифракційного порядку з коефіцієнтом, що залежить від властивостей матеріалу середовища. У випадку використання нульового порядку дифракції результат буде відрізнятися знаком.

Рис. 7. Ділянка лінійної залежності нормованих інтенсивностей перших і нульового дифракційних порядків від амплітуди зміни показника заломлення

Іншою особливістю акустооптичного середовища є те, що воно виступає як послідовність елементів затримки, а виходить, містить не тільки поточний вхідний сигнал, але й попередні його значення.

Оцінку продуктивності такої системи можна виконати, виходячи з того, що при кодуванні “акустичного” множника радіоімпульсом із пропорційною амплітудою, інтенсивність дифрагованого світла досягне стаціонарного значення через проміжок часу, необхідний для заповнення ультразвуком всієї області взаємодії. Для малих , при час заповнення області взаємодії ультразвуком, записується як:

де - висота стовпа ультразвуку, – швидкість звуку в матеріалі середовища. Наприклад, для довжини області взаємодії , швидкості звуку 6 км/с і частоти акустичної хвилі 500 МГц час заповнення дорівнює 63.1 нс. Подвоюючи цей час для відокремлення одного радіоімпульсу, що кодує, від іншого, одержимо для одного осередку 7.92 мільйона операцій у секунду. Збільшити це значення можна зменшенням довжини області взаємодії, вибором матеріалу з більшою швидкістю ультразвуку, а також зменшенням довжини хвилі оптичного сигналу.

У результаті побудови фізичної моделі показано: наявність ділянки лінійної залежності інтенсивностей перших і нульового дифракційних порядків від амплітуди зміни показника заломлення середовища акустооптичної взаємодії дозволяє реалізувати операцію множення; оскільки АО середовище містить всі відліки, що беруть участь у перетворенні, можна розглядати її як послідовність елементів затримки, а також як аналог запам'ятовувального пристрою зі значно більшою швидкодією, чим існуючі електронні.

У розділі 4 вирішена задача моделювання акустооптичних пристроїв дискретної обробки сигналів векторним методом скінченних елементів у часовій області.

Для рішення поставленої задачі побудовано скінченно-елементну модель дифракції світлових хвиль на акустичному імпульсі.

За скінченні елементи при побудові моделі обрано тетраедри. Приклад розбиття області моделювання слабкої акустооптичної взаємодії на 62636 елементів наведений на рис. 8. Систему рівнянь (1), розповсюджену на всю область акустооптичної взаємодії, включаючи границю, можна записати як:

де й – вектори ступенів свободи напруженостей електричного й магнітного полів, що описують всі ребра в області взаємодії, відповідно до їхньої глобальної нумерації.

Для електродинамічних задач без фізичного розсіювання енергії через провідність, або поглинаючих граничних умов, загальна електромагнітна енергія повинна залишатися постійною. Використання розповсюджених дисипативних методів чисельного рішення систем звичайних диференціальних рівнянь приводить до експонентного загасання чисельних значень повної енергії. Тому для рішення системи (2) обраний умовно стійкий недисипативний метод другого порядку “leap-frog”. При цьому перші похідні інтенсивностей електричного й магнітного полів замінялися скінченно-різницевими апроксимаціями в такий спосіб:

де – крок за часом, – номер кроку. При цьому значення напруженості електричного поля обчислюються для повних часових кроків, а напруженості магнітного поля - для половинних.

Рис. 8. Приклад розбиття області моделювання слабкої акустооптичної взаємодії на 62636 елементів

Скінченно-елементна модель акустооптичної взаємодії з скінченно-різницевою апроксимацією за часом представлена у вигляді:

На рисунку 9 зображено отриманий в результаті моделювання розподіл модуля напруженості електричного поля в області акустооптичної взаємодії розмірами, ( ) для перерізу, паралельного площини , на рівні , світловий пучок падає під кутом Брегга, зміна коефіцієнта заломлення, обумовлена звуковою хвилею, що поширюється уздовж осі , становить .

Розраховано кутові залежності модуля вектора Умова-Пойтинга (рис. 10). Як видно з рис. 10, відбувається перерозподіл енергії оптичного пучка, що падає під кутом Брегга . Кутові співвідношення між дифракційними максимумами нульового й першого порядків відповідають фізичній моделі дифракції.

Зроблено наступні висновки: отримана модель застосовна не тільки у випадку режимів дифракції Рамана-Ната й Брегга, але й у проміжних, які часто використовуються в реальних пристроях; практичне рішення прикладних задач значною мірою залежить від наявних у розпорядженні обчислювальних потужностей, характеристики яких визначають можливості використання необхідної кількості елементів, оптимізації характеристик проектованого оптоелектронного пристрою.

Рис. 9. Модуль напруженості електричного поля

Рис. 10. Кутовий розподіл модуля вектора Умова-Пойтинга

У розділі 5 вирішена задача розробки прототипу оптоелектронного акустооптичного дискретного (цифрового) операційного пристрою обробки сигналів.

Для цього розроблено архітектуру оптоелектронного акустооптичного операційного пристрою цифрової обробки сигналів, проведено оцінку його швидкодії.

Найбільш важлива операція в цифровій обробці сигналів - множення з нагромадженням (MAC):

MAC операції використовується як для реалізації цифрових фільтрів, швидкого перетворення Фур’є (ШПФ), так і для безлічі інших алгоритмів цифрової обробки сигналів. Вираз (3) описує лінійну, незалежну від часу систему, що виконує дискретну згортку послідовності зі зверненою в часі послідовністю . Із цього погляду оптоелектронна система, що реалізує алгоритм (3), буде оптоелектронним цифровим процесором.

Використаємо цифрове подання даних, призначених для обробки. Оброблюваний сигнал , з метою дискретизації його в часі, множиться на періодичну послідовність радіоімпульсів, заповнених частотою, яка забезпечує брегговський режим дифракції. При подачі послідовності на акустичний випромінювач, в акустооптичному середовищі будуть збуджуватися акустичні хвилі. Якщо – задана швидкість акустичної хвилі в акустооптичному середовищі, сигнал, що з'явився в площині – це сигнал, що був у точці на секунд раніше. Розділимо АО середовище на комірки довжиною кожна, і розташуємо напівпровідникових лазерів із кроком так, щоб кожний з них був спрямований під кутом Брегга . Розглядаючи акустооптичну взаємодію в -й комірці для перших дифракційних максимумів одержимо добуток , де – акустичний сигнал в -й комірці, – це при. Для дифракційних максимумів нульового порядку результат буде відрізнятися знаком. Така система реалізує основний алгоритм DSP (3), де – це вхід системи, – вихід, і кожний добуток відповідає певній комірці з її лазерним діодом. Позитивні й негативні добутки можуть бути надалі вибірково підсумовані з метою одержання .

Структурна схема -ї комірки зображена на рисунку 11. Неколінеарна акустооптична взаємодія (дифракція Брегга) відбувається в ізотропному матеріалі, довжина області взаємодії – , довжина світлової хвилі у вільному просторі , довжина звукової хвилі , хвильовий параметр.

Рис. 11. -та комірка оптоелектронного акустооптичного цифрового сигнального процесора

Як джерело модульованого оптичного випромінювання використовується лазерний діод із двома гетеропереходами, реалізованими між різними матеріалами, наприклад Частота сигналу, що модулює, сучасних лазерних діодів може досягати 50 ГГц і вище. Інтенсивності перших і нульового дифракційних максимумів реєструються -фотодіодами на гетероструктурі. На сьогоднішній день розроблені фотодіоди, здатні детектувати сигнали із шириною смуги частот до 370 ГГц.

Структурна схема оптоелектронного акустооптичного цифрового операційного пристрою подана на рис. 12, і містить середовище акустооптичної взаємодії, що включає в себе послідовно розташовані брегговські акустооптичні комірки, збуджувані п'єзоелектричним перетворювачем, лазерні діоди, спрямовані під кутом Брегга до акустооптичних комірок, фотодетектори для реєстрації інтенсивностей нульових і перших дифракційних порядків. Входом акустооптичного дискретного сигнального процесора є вхід пристрою дискретизації, вихід якого з'єднаний із входом п'єзоелектричного перетворювача акустооптичного середовища, у якого оптичні входи комірок з'єднані з оптичними виходами лазерних діодів, оптичні виходи нульових і першого дифракційних порядків з'єднані з оптичними входами фотодетекторів, електричні виходи яких з'єднані з електричними входами суматорів окремо для фотодетекторів нульових і перших дифракційних порядків, виходи суматорів є виходами акустооптичного дискретного сигнального процесора.

Рис. 12. Структурна схема оптоелектронного акустооптичного цифрового операційного пристрою

Запропонований прототип розмірами порядку містить 128 брегговських комірок, і, залежно від задачі, може бути оснащений додатковими електронними пристроями кодування/дискретизації й підсумовування для використання в якості сигнального процесора, або процесора-перемножувача.

Однією з переваг ядра оптоелектронного акустооптичного процесора, є можливість побудови на його основі аналогів електронних цифрових пристроїв, що реалізують алгоритм дискретної згортки. Реакцію лінійної дискретної системи на одиничний імпульс можна позначити як . Приклад вихідних сигналів представлений на рис. 13.

Рис. 13. Вихідні послідовності й

Процедура обчислення дискретної згортки і оптоелектронним акустооптичним операційним пристроєм зображена на рис. 14. Результат дискретної згортки, отриманий у змішаній двійковій формі, при необхідності, може бути зведений до стандартної двійкової форми.

Для оцінки швидкодії операційного пристрою необхідно врахувати час уведення даних. Оскільки швидкість звуку в акустооптичному середовищу обмежена, і становить для розповсюджених акустооптичних матеріалів, час формування акустичного імпульсу необхідної довжини ( ) становить .

Рис. 14. Процедура обчислення дискретної згортки

У випадку згортки сигналів, які містять відліків кожний, загальний час виконання можна обчислити як. Таким чином, згортка двох сигналів із числом відліків 128 для кожного, потребує . У разі імпульсного висвітлення області акустооптичної взаємодії у мить, коли вона цілком заповниться акустичними імпульсами, перемножування відбувається практично “миттєво” (протягом часу поширення світла в брегговській комірці).

За результатами роботи зроблені наступні висновки: одним зі шляхів підвищення точності обчислювальних пристроїв є використання методів аналогової обробки інформації з застосуванням цифрового подання даних, а саме, реалізація алгоритму дискретної згортки; при побудові багатофункціональної елементної бази алгебраїчних оптичних процесорів перспективно використовувати акустооптичні пристрої, які дозволяють реалізувати операції множення й затримки у силу властивостей середовища акустооптичної взаємодії.

Висновки

В дисертації розроблені фізико-технічні основи створення оптоелектронних пристроїв дискретної (цифрової) обробки інформації, що дозволяють підвищити точність обчислень оптоелектронних акустооптичних процесорів.

1. У результаті аналізу сучасного стану розробок в області оптоелектронних процесорів, що функціонують на основі акустооптичної взаємодії при дискретному розподілі акустичної потужності, зроблено висновок про необхідність урахування скінченних розмірів області взаємодії, що вимагає залучення сучасних чисельних методів моделювання, оскільки розрахунки з використанням існуючих аналітичних моделей акустооптичної взаємодії не дозволяють проектувати акустооптичні операційні пристрої із достатнім ступенем точності.

2. Виконано математичне моделювання основного вузла інтегральних акустооптичних приладів – оптичного хвилеводу, що відіграє важливу роль на етапі проектування й наступної оптимізації з метою одержання певних властивостей хвилеводів, таких як ширина смуги, профілі мод, узгодження фаз мод з різною довжиною хвилі, тощо. Чисельне рішення дисперсійного рівняння інтегрального оптичного хвилеводу, отриманого в результаті застосування методу характеристичної матриці, яке визначає сталі поширення хвилеводних мод, вимагає малих обчислювальних потужностей.

3. Розроблено методику проектування цифрових оптоелектронних операційних пристроїв на етапі моделювання фізичних процесів взаємодії оптичних і акустичних хвиль в акустооптичному середовищі, в основі якої лежить розвиток радіофізичних уявлень про процеси та явища в області акустооптичної взаємодії скінченних розмірів шляхом створення математичної моделі й методів моделювання як у частотній, так і в часовій областях.

4. Запропоновано фізичну модель акустооптичного процесора цифрової обробки сигналів. Виконано моделювання операцій множення й затримки в акустооптичному середовищі, визначені фізичні обмеження продуктивності пристрою.

5. Розвинуто векторний метод скінченних елементів у процесі моделювання акустооптичних пристроїв дискретної (цифрової) обробки сигналів у часовій області, внаслідок чого, побудовано математичну модель дифракції світлової хвилі на акустичному імпульсі.

6. Запропоновано архітектуру 128-бітного оптоелектронного акустооптичного операційного пристрою. На основі скінченно-елементної математичної моделі дифракції світла на акустичному імпульсі, розраховано геометрію області взаємодії. Проведено оцінку похибки розрахунку й швидкодії пристрою.

7. Розроблено прототип оптоелектронного акустооптичного цифрового операційного пристрою обробки сигналів, який доцільно використовувати при побудові за інтегральною технологією багатофункціональної елементної бази алгебраїчних оптоелектронних процесорів на основі сучасних швидкодіючих фотоприймачів, лазерних діодів та п’єзоперетворювачів.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Липинский А.Ю., Рудякова А.Н., Данилов В.В., “Интегральные акустооптические перестраиваемые фильтры для оптоволоконных линий передачи со спектральным уплотнением” // Реєстрація, зберігання і обробка даних. - 2005. - т. 7. - № 2.- с. 45-54. (Здобувачу належить аналіз сучасного стану розробки акустооптичних пристроїв перетворення сигналів)

2. Липинский А.Ю., Рудякова А.Н., Данилов В.В., “Исследование дисперсионных характеристик интегрального оптического волновода” // Реєстрація, зберігання і обробка даних. – 2005. - т. 7. - №3, стр. 26 – 39.. (Здобувачу належить математичний опис пристрою)

3. Липинский А.Ю., Рудякова А.Н., Данилов В.В., “Анализ профилей мод интегрального анизотропного оптического волновода методом конечных элементов” // Реєстрація, зберігання і обробка даних. - 2005. - т. 7. - №4. - с. 29 - 43. (Здобувачу належить математичний опис пристрою)

4. Липинский А.Ю., Рудякова А.Н., Данилов В.В., “Физическая модель акустооптического процессора цифровой обработки сигналов” // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2006. - №1 (61). - с. 9 - 12. (Здобувачу належить побудова фізичної моделі акустооптичного процесора цифрової обробки сигналів)

5. Липинский А.Ю., Рудякова А.Н., Данилов В.В., “Моделирование слабого акустооптического взаимодействия методом конечных элементов во временной области” // Реєстрація, зберігання і обрабка даних. - 2006. - т.8. - №2. - с. 25 - 37. (Здобувачу належить побудова скінченно-елементної математичної моделі слабкої акустооптичної взаємодії в часовій області)

6. Липинский А.Ю., Рудякова А.Н., Данилов В.В., “Акустооптический дискретный сигнальный процессор”, патент на полезную модель, UA №15936 U. (Здобувачу належить ідея структурної організації ядра акустооптичного дискретного сигнального процесора)

7. Липинский А.Ю., Рудякова А.Н., Данилов В.В., “Дисперсионные характеристики оптического волновода интегрального акустооптического фильтра” // Вісник Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій. - 2005. - т. 3. - № 3 - 4. - с. 102 - 103. (Здобувачу належить математичний опис пристрою)

8. Липинский А.Ю., Рудякова А.Н., Данилов В.В., “Моделирование слабого акустооптического ваимодействия методом конечных элементов” // Труды шестой международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”, Одесса, 2006. - с. 168. (Здобувачу належить побудова скінченно-елементної математичної моделі слабкої акустооптичної взаємодії в часовій області)

9. Lipinskii A.Y., Rudiakova A.N., Danilov V.V., “Time-domain finite element modeling of weak acousto-optic interaction” // Proceedings of the 11th International Conference on Mathematical Method in Electromagnetic theory, Kharkov, Ukraine, 2006. - pp. 309 - 311. (Здобувачу належить побудова скінченно-елементної математичної моделі слабкої акустооптичної взаємодії в часовій області)

Анотації

Ліпінський О.Ю. Оптоелектронні високоточні операційні пристрої дискретної обробки сигналів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 – елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2007.

Викладено фізико-технічні основи створення оптоелектронних пристроїв дискретної обробки інформації, що дозволяють підвищити точність обчислень оптоелектронних акустооптичних процесорів.

Запропоновано фізичну модель акустооптичного процесора цифрової обробки сигналів. Виконано моделювання операцій множення і затримки в акустооптичному середовищі, визначені фізичні обмеження продуктивності пристрою.

Побудовано математичну модель дифракції світлової хвилі на акустичному імпульсі з використанням векторного методу скінченних елементів у часовій області.

Запропоновано архітектуру 128-бітного оптоелектронного акустооптичного операційного пристрою. Проведено оцінку його швидкодії і похибки розрахунку.

Розроблено прототип оптоелектронного акустооптичного цифрового операційного пристрою обробки сигналів, який доцільно використовувати при побудові багатофункціональної елементної бази алгебраїчних оптоелектронних процесорів.

Ключові слова: акустооптичний операційний пристрій, цифрове подання даних, дискретна згортка, множення з нагромадженням, акустооптична взаємодія в області скінченних розмірів, дискретний розподіл акустичної потужності, векторний метод скінченних елементів у часовій області.

Lipinskii A.Y. The optoelectronic high-accurate discrete signal processing operational devices. – Manuscript.

Dissertation on competition of the candidate of technical sciences scientific degree on the 05.13.05 speciality – elements and devices of the computing technique and control systems. – National technical university of Ukraine “Kiev polytechnic institute”, Kiev, 2007.

The physical and technical background of the optoelectronic discrete signal processing devices’ creation is developed. This allows to increase the computation accuracy of optoelectronic acousto-optic processors.

The physical model of acousto-optic digital signal processor is proposed. The modeling of multiplication and delay operations within the acousto-optic interaction media is performed. The physical limitations of device performance are determined.

The mathematical model of light wave diffraction on the acoustic pulse is built using the time-domain vector finite-element method.

The core architecture of 128-bit optoelectronic acousto-optic processor is proposed. The estimation of design accuracy and device performance is conducted.

The prototype of optoelectronic acousto-optic digital signal processor is designed, and can be successfully used for the construction of multifunctional element base of algebraic optoelectronic processors.

Key words: acousto-optic digital processor, digital data, discrete convolution, multiplication with accumulation, acousto-optic interaction for finite-size domain, discrete acoustic power distribution, time-domain vector finite-element method.

Липинский А.Ю. Оптоэлектронные высокоточные операционные устройства дискретной обработки сигналов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 – элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. – Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2007.

Изложены физико-технические основы создания оптоэлектронных устройств дискретной обработки информации, позволяющие повысить точность вычислений оптоэлектронных акустооптических процессоров.

Выполнено математическое моделирование интегрального оптического волновода, играющее важную роль на этапе проектирования и последующей оптимизации с целью получения определенных свойств волноводов, таких как ширина полосы, профили мод, согласование фаз мод с различной длиной волны.

Разработана методика проектирования цифровых оптоэлектронных операцыонных устройств на этапе моделирования физических процессов взаимодействия оптических и акустических волн в акустооптической среде, как в частотной, так и во временной областях, в основе которой лежит аппроксимация непрерывных физических величин (напряженностей электрического и магнитного полей) дискретной моделью, построенной на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей.

Предложена физическая модель акустооптического процессора цифровой обработки сигналов. Выполнено моделирование операций умножения и задержки в акустооптической среде, определены физические ограничения производительности устройства.

Построена математическая модель дифракции световой волны на акустическом импульсе с использованием векторного метода конечных элементов во временной области. Выполнено моделирование акустооптического взаимодействия в устройствах с дискретным распределением акустической мощности.

Предложена архитектура 128-битного оптоэлектронного акустооптического операционного устройства. На основе конечно-элементной математической модели дифракции света на акустическом импульсе, рассчитана геометрия области взаимодействия. Проведена оценка погрешности расчета и быстродействия устройства.

Разработан прототип оптоэлектронного акустооптического цифрового операционного устройства обработки сигналов, который целесообразно использовать при построении многофункциональной элементной базы алгебраических оптоэлектронных процессоров, в силу свойств среды акустооптического взаимодействия, позволяющих реализовать операции умножения и задержки. Современные микроэлектронные технологии сделали возможным производство быстродействующих фотоприемников, лазерных диодов, пьезопреобразователей, что делает перспективным исполнение цифрового сигнального акустооптического процессора по интегральной технологии.

Ключевые слова: акустооптическое операционное устройство, цифровое представление данных, дискретная свертка, умножение с накоплением, акустооптическое взаимодействие в области конечных размеров, дискретное распределение акустической мощности, векторный метод конечных элементов во временной области.