Оптический цифровой многофункциональный коррелятор

 

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для обработки световых сигналов. Целью изобретения является повышение производительности и расширение функциональных возможностей коррелятора за счет определения числа и номеров совпавших разрядов при выполнении сложного ассоциативного поиска информации одновременно и независимо по многим признакам опроса аппаратными средствами оптики. Оптический цифровой многофункциональный коррелятор содержит многоканальный спектральный излучательный блок 1, группу 2 оптических мультиплексоров, группу 3 оптических разветвителей, блок 4 оптических модуляторов, группу 5 оптических вентилей, группу 6 оптических объединителей, группу 7 спектральных разделителей, блок 8 фотоприемников простого поиска, группу 9 оптических объединителей сложного поиска, группу 10 спектральных разделителей, блоки 11-1 ... 11-S фотоприемников сложного поиска и блок 12 управления, который имеет входы 13-1 ... 13-(S+4) и выходы 14-1 ... 14-(S+4). 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для простого и сложного ассоциативного поиска информации в различных ее устройствах, например запоминающих устройствах (оптоэлектронных, магнитных и т.д.), базах данных, процессорах и т.п.

Известен многоканальный ассоциативный оптический коррелятор для запоминающего устройства [1] содержащий многоканальный спектральный излучательный блок, группу световодных мультиплексоров, группу световодных демультиплексоров, многоканальный световодный модулятор, группу световодных мультиплексоров, матрицу многоцветных фотоприемников и блок управления. Основным недостатком данного устройства является относительно невысокое быстродействие выполнения сложного поиска информации из-за отсутствия аппаратных средств такого поиска.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является многоканальный ассоциативный оптический коррелятор для запоминающего устройства [2] содержащий блок управления, группу оптических мультиплексоров, группу оптических разветвителей, блок оптических модуляторов, группу оптических объединителей, группу спектральных разделителей, блок фотоприемников простого поиска и многоканальный спектральный излучательный блок, группы выходов которого оптически связаны с одноименными входами соответствующего оптического мультиплексора группы, выход которого оптически связан с входом соответствующего оптического разветвителя группы, выходы которой оптически связаны с одноименными входами блока оптических модуляторов, каждый выход группы оптических объединителей оптически связан с входом соответствующего спектрального разделителя группы, каждый выход которой оптически связан с одноименным входом блока фотоприемников простого поиска, первый вход и первый выход блока управления являются, соответственно, информационным входом и адресным выходом коррелятора, выходы блока управления со второго по четвертый подключены к управляющим входам соответственно многоканального спектрального излучательного блока, блока оптических модуляторов и блока фотоприемников простого поиска, выход которого подключен ко второму входу блока управления. Основным недостатком данного устройства является относительно невысокое быстродействие выполнения сложного поиска информации из-за отсутствия аппаратных средств такого поиска.

Техническим результатом является повышение производительности и расширение функциональных возможностей коррелятора за счет определения числа и номеров совпавших разрядов при выполнении сложного ассоциативного поиска информации одновременно и независимо по многим признакам опроса аппаратными средствами оптики.

Это достигается тем, что в оптический цифровой многофункциональный коррелятор, содержащий блок управления, группу оптических мультиплексоров, группу оптических разветвлений, блок оптических модуляторов, группу оптических объединителей, группу спектральных разделителей, блок фотоприемников простого поиска и многоканальный спектральный излучательный блок, группы выходов которого оптически связаны с одноименными входами соответствующего оптического мультиплексора группы, выход которого оптически связан с входом соответствующего разветвителя группы, выходы которой оптически связаны с одноименными входами блока оптических модуляторов, каждый выход группы оптических объединителей оптически связан со входом соответствующего спектрального разделителя группу, каждый выход которой оптически связан с одноименным входом блока фотоприемников простого поиска, первый вход и первый выход блока управления являются соответственно информационным входом и адресным выходом коррелятора, выходы блока управления со второго по четвертый подключены к управляющим входам соответственно многоканального спектрального излучательного блока, блока оптических модуляторов и блока фотоприемников простого поиска, выход которого подключен ко второму входу блока управления, отличающийся тем, что введены группы оптических вентилей, группы оптических объединителей сложного поиска, группы спектральных разделителей сложного поиска, блоки фотоприемников сложного поиска, причем выходы каждой группы ячеек блока оптических модуляторов оптически связаны с одноименными входами соответствующей группы оптических вентилей, первые выходы которой оптически связаны с одноименными входами соответствующего оптического объединителя группы сложного поиска, вторые выходы каждой группы оптических вентилей оптически связаны с одноименными входами соответствующей группы оптических объединителей сложного поиска, выходы каждой которой оптически связаны с одноименными входами соответствующей группы спектральных разделителей сложного поиска, каждый выход которой оптически связан с одноименным входом соответствующего блока фотоприемников сложного поиска, выходы которых подключены к соответствующим входам блока управления, выходы которого начиная с пятого подключены к управляющим входам соответствующих блоков фотоприемников сложного поиска.

Технических решений с совокупностью признаков, сходной с совокупностью отличительных признаков объекта изобретенияне имеется.

Данная совокупность существенных признаков и связей между ними позволяет получить устройство, обладающее новыми функциональными возможностями и в 10²-10³ раз больше производительностью, а также меньшими габаритами по сравнению с известными устройствами и прототипом. В отличие от известных устройств данное устройство определяет количество и номера совпавших разрядов при выполнении сложного ассоциативного поиска информации одновременно и независимо по многим признакам опроса аппаратными средствами световодной оптики.

Таким образом, предложенное устройство обладает свойствами, не присущими известным устройством. Это объясняется новой совокупностью признаков и новыми связями, изложенными выше.

Ввиду того, что предложенное техническое решение по сравнению с известными выполняет простой и сложный ассоциативные поиски информации по многим признакам опроса в электронных и других типах устройств световодными методами, значительно повышаются их надежность и производительность, а также обеспечивается компактность конструкции.

Сравнение предлагаемого устройства с известными свидетельствует о соответствии его критерию "новизна", а отсутствие в аналогах отличительных признаков предлагаемого устройства о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 (а и б ортогональные проекции, в вид по стрелке А) приведена оптическая схема оптического цифрового многофункционального коррелятора, на фиг. 2 блок-схема блока управления.

Коррелятор содержит многоканальный спектральный излучательный блок 1, группу 2 оптических мультиплексоров, группу 3 оптических разветвителей, блок 4 оптических модуляторов, группы 5 оптических вентилей, группу 6 оптических объединителей, группу 7 спектральных разделителей, блок 8 фотоприемников простого поиска, группы 9 оптических объединителей сложного поиска, группы 10 спектральных разделителей, блоки 11-1.11-S фотоприемников сложного поиска и блок 12 управления, который имеет входы 13-1.13-(S + 4) и выходы 14-1. 14-(S + 4).

Каждый многоканальный спектральный излучательный блок 1 предназначен для ввода, например, ассоциативных признаков в коррелятор в виде световых пучков таким образов, что разряды каждого признака отображаются оптическими сигналами с одинаковой длиной волны, отличной от длин волн оптических сигналов, на которых отображаются остальные признаки в корреляторе, и преобразует, например, входные электрические сигналы в оптические. Блок 1 может состоять, например, из групп (линеек) лазерных диодов, каждая из которых излучает на своей определенной длине волны.

Каждый оптический мультиплексор группы 2 предназначен для объединения световых пучков с разными длинами волн в единый многоволновой (многоцветный) пучок и может быть выполнен, например, в виде волоконно-оптического или интегрально-оптического объединителя или в виде волноводной линзы. Группа 2 может быть также выполнена из объемных цилиндрических линз или голографических элементов.

Каждый оптический разветвитель группы 3 предназначен для размножения многоволнового (многоцветного) светового пучка и может быть выполнен, например, в виде волоконно-оптического или интегрально-оптического разветвителя или в виде волноводной линзы. Группа 3 может быть также выполнена из объемных цилиндрических линз или голографических элементов.

Блок 4 оптических модуляторов предназначен, например, для отображения признаков опроса и может быть выполнен, например, в интегральном виде на основе электрооптического кристалла.

Каждый оптический вентиль группы 5 предназначен для переключения работы коррелятора с простого поиска на сложный и обратно и может быть выполнен, например, в виде оптического переключателя или волоконно-оптического (интегрально-оптического) разветвителя.

Каждый оптический объединитель группы 6 предназначен для объединения многоволновых (многоцветных) световых пучков, соответствующих различным разрядам каждого признака, в единый многоволновой (многоцветный) пучок и может быть выполнен, например, в виде волоконно-оптического или интегрально-оптического объединителя или из волноводной линзы. Группа 6 оптических объединителей может быть также выполнена из объемных цилиндрических линз.

Каждый спектральный разделитель группы 7 предназначен для разделения многоволнового (многоцветного) оптического пучка на составляющие его одноволновые (одноцветные) световые пучки и может быть выполнен, например, на основе сплавных ответвителей из одномодовых волоконных световодов или интегральных световодов, из гофрированных волноводных структур или дифракционных решеток.

Блок 8 фотоприемников простого поиска служит для определения полного совпадения ассоциативных признаков с признаками опроса и может быть выполнен, например, в виде интегральной матрицы фотопремников.

Каждый оптический объединитель группы 9 сложного поиска предназначен для объединения определенного числа каналов многоволновых (многоцветных) световых пучков, соответствующих одноименным разрядами различных слов в единый канал и может быть выполнен, например, в виде волоконно-оптического или интегрального объединителя или волноводной линзы.

Каждый спектральный разделитель группы 10 сложного поиска аналогичен разделителю группы 7.

Блоки 11-1.11-S фотоприемников сложного поиска служат для определения номеров разрядов признаков, по которым произошло их совпадение, и может выполнен, например, в виде интегральных или наборных фотоприемных матриц.

Блок 12 управления обеспечивает работу устройства и может состоять, например, из канала 15 ввода-вывода, генератора 16 синхроимпульсов, формирователя 17 управляющих сигналов, буферного накопителя 18, формирователя 19 управляющих сигналов, буферного накопителя 20, формирователей 21 25 управляющих сигналов, буферных накопителей 26, 27-1.27S.

В отличие от известных корреляторов данный коррелятор может проводить одновременно простой и сложный поиски информации. При простом поиске данный коррелятор осуществляет поиск информации по полному совпадению (т.е. по совпадению значений всех разрядов) признаков опроса с ассоциативным признаком, а при сложном поиске поиск информации по совпадению только некоторых определенных разрядов признаков.

1. В режиме простой ассоциативной выборки информации по многим признакам опроса данное устройство работает следующим образом.

По команде генератора 16 синхроимпульсов из канала 15 ввода-вывода n (где n=1, 2, 3,m, m число строк излучательных элементов в блоке 1) ассоциативных признаков информации через беферный накопитель 17 и формирователь 18 управляющих сигналов поступают на излучательный блок 1, например, в виде электрических сигналов. Блок 1 преобразует электрические сигналы в оптические, например, таким образом, чтобы каждому n-му ассоциативному признаку соответствовала n-ая строка оптических сигналов, отображающая на выходе блока 1 все р-ые (где p= 1, 2, 3. S, S максимальное число разрядов в признаке) разряды n-го признака на одной и той же длине волны _n отличающейся от длин волн, на которых отображаются остальные (n-1)-е признаки. Причем эти оптические сигналы отображают ассоциативные признаки, например, или в коде Рида-Маллера, между двоичными знаками которого, представленными в прямом парафазном коде, располагаются опорные разряды в простом коде; или в коде Рида-Маллера двоичные знаки представлены в прямом коде Манчестера, за которым следует во времени опорный сигнал. Опорный сигнал в последнем случае формируется, например, когда все излучательные элементы блока 1, отображающие все разряды каждого ассоциативного признака, излучают свет, т.е. отображают "1" в простом коде.

По команде генератора 16 из канала 15 ввода-вывода K (где K=1, 2, 3,f, f-число строк в блоке 4 оптических модуляторов) признаков опроса через накопитель 19 и формирователь 20 поступают на блок 4, например, или в коде Рида-Маллера, между двоичными знаками которого, представленными в обратном парафазом коде, располагаются опорные разряды в простом коде, или в коде Рида-Маллера, двоичные знаки которого представлены в обратном коде Манчестера, с разделенным во времени опорным сигналом. При этом каждый K-ый признак опроса занимает, например, соответствующую K-ю строку блока 4, а при подаче опорного сигнала в каждой K-ой строке блока 4 остается открытой, например, только одна ячейки (остальные закрыты), т.е. в каждой строке блока 4 отображается только одна двоичная "1" остальные "0" все в простом коде.

Ниже будет дано описание работы коррелятора в случае использования второго способа кодирования.

Оптические сигналы, отображающие одноименные р-ые разряды всех ассоциативных признаков, объединяются соответствующим мультиплексором группы 2 в единый n-цветный оптический сигнал, который оптическим разветвителем группы 3 размножается на K оптических сигналов. Эти оптические сигналы направляются на все ячейки блока 4, отображающие p-ые разряды всех K признаков опроса.

Так как оптические сигналы, отображающие одноименные p-ые двоичные разряды всех n-ассоциативных признаков на различных длинах волн _n, проходят через все ячейки блока 4, отображающие соответствующие p-ые разряды всех K признаков опроса, то осуществляется оптическое умножение всех n-ассоциативных признаков на все K признаков опроса, и при этом оптические сигналы произведений спектрально разделены.

Многоцветные оптические сигналы, соответствующие всем p разрядам каждого K признака опроса, проходят через оптические вентили 5 и оптическим объединителем группы 6 объединяются в единый n-цветный оптический сигнал, который поступает на соответствующий спектральный разделитель группы 7. Этот разделитель группы 7 направляет каждую n-ю спектральную составляющую многоцветного оптического сигнала на соответствующий n K-ый фотоприемник блока 8. При этом фотоприемный элемент блока 8 с координатами nK регистрирует оптический сигнал, соответствующий n-му ассоциативному признаку и K-му признаку опроса.

По команде генератора 16 формирователь 21 подает напряжение на блок 8. Координаты n и K фотоприемного элемента блока 8, на котором оптический опорный сигнал превышает оптический сигнал основных разрядов, определяют соответственно n-ый ассоциативный признак и K признак опроса, по которым произошло совпадение. По команде генератора 16 код адреса nK-го фотоприемного элемента с блока 8 через накопитель 26 передается в канал 15 ввода-вывода. Таким образом производится определение адреса ассоциативного признака в странице ассоциативных признаков и адреса признака опроса в странице признаков опроса, по которым произошло полное совпадение.

2. Определение номеров разрядов производится в два этапа. На первом этапе определяются адреса всех признаков, по которым произошло совпадение не менее чем в заданном количестве разрядов. При этом устройство работает, как в простом поиске, но вводится определенный опорный сигал для выделения указанных признаков. Затем устройство переводится на второй этап поиска, на котором определяются номера совпавших разрядов для найденных на первом этапе признаков.

Предположим, что нам необходимо найти все слова исходной информации, у которой ассоциативные признаки совпадают с признаками опроса не менее чем в r (где r1, 2, 3,S-1) разрядах, и определить номера этих разрядов в признаках. В этом случае количество единичных опорных сигналов () в блоке 1 и блоке 4 равно = 1+(S-r) Определение номеров разрядов, по которым произошло совпадение признаков, производится в два этапа.

На первом этапе находятся адреса всех признаков, по которым произошло совпадение не менее чем в r разрядах. При этом коррелятор работает так же, как описано в пункте 1, с той лишь разницей, что теперь блок 1 и блок 4 отображают единичных опорных сигналов. Поэтому координаты i и j фотоприемных элементов блока 8, на которых оптические сигналы опорных разрядов превышают оптические сигналы основных разрядов, определяют соответственно i_r-е ассоциативные признаки и j_r-е признаки опроса, в которых произошло совпадение не менее, чем в r разрядах.

Для определения номеров разрядов, по которым произошло совпадение признаков, на блоке 1 высвечиваются только i_r-е ассоциативные признаки (остальные отключаются) или переключается на 90^o плоскость поляризации i_r-х оптических сигналов, а на блоке 4 отображаются только j_r-е признаки опроса так, чтобы каждому j_r-у признаку соответствовала своя группа спектральных разделителей 10. Если на некоторые группы разделителей 10 приходится несколько признаков опроса, то они либо перераспределяются по блоку 4, либо отображаются последовательно в зависимости от приоритета. При этом оптические сигналы группами 5 вентилей направляются в группе 9 объединителей сложного поиска.

Определение номеров совпавших разрядов осуществляется на блоках 11 фотоприемников сложного поиска. По команде генератора 16 формирователи 22-25 подают напряжения на блоки 11. При этом на каждый блок 11 направляются оптические сигналы на одной и той же длине волны, т.е. соответствующие одну и тому же i_r-му ассоциативному признаку. Так как в совпавших разрядах признаков оптические сигналы отсутствуют, то координаты фотоприемников в j_r-х строках блоков 11 регистрирующие отсутствие оптических сигналов, определяют номера разрядов в j_r-х признаках опроса, по которым произошло совпадение.

Таким образом, номера разрядов определяются только в соответствующих K-ых строках S-ых блоков 11 по соответствующим i и j, которые определены на первом этапе поиска-поиска по совпадению не менее чем в r-ых разрядах слов. Это существенно повышает быстродействие устройства.

По команде генератора 16 коды адресов найденных разрядов с блоков 11 через соответствующие накопители 27-1.27-S подаются в канал 15 ввода-вывода.

Таким образом производится определение номеров совпавших разрядов при сложном ассоциативном поиске информации.

Использование предлагаемого оптического цифрового многофункционального коррелятора в вычислительной технике позволит расширить функциональные возможности устройств и в 10²-10³ раз повысить производительность, надежность и компактность такого рода устройств.

Формула изобретения

Оптический цифровой многофункциональный коррелятор, содержащий блок управления, группу оптических мультиплексоров, группу оптических разветвителей, блок оптических модуляторов, группу оптических объединителей, группу спектральных разделителей, блок фотоприемников простого поиска и многоканальный спектральный излучательный блок, группа выходов которого оптически связана с одноименными входами соответствующего оптического мультиплексора группы, выход которого оптически связан с входом соответствующего оптического разветвителя группы, выходы которых оптически связаны с одноименными входами блока оптических модуляторов, выход каждого оптического объединителя группы оптически связан с входом соответствующего спектрального разделителя группы, каждый выход которого оптически связан с одноименным входом блока фотоприемников простого поиска, первый вход и первый выход блока управления являются соответственно информационным входом и адресным выходом коррелятора, выходы блока управления с второго по четвертый подключены к управляющим входам соответственно многоканального спектрального излучательного блока, блока оптических модуляторов и блока фотоприемников простого поиска, выход которого подключен к второму входу блока управления, отличающийся тем, что в него введены группы оптических вентилей, группы оптических объединителей сложного поиска, группы спектральных разделителей сложного поиска, блоки фотоприемников сложного поиска, причем выходы блока оптических модуляторов оптически связаны с одноименными входами оптических вентилей соответствующей группы, первые выходы оптических вентилей каждой группы оптически связаны с одноименными входами соответствующего оптического объединителя сложного поиска одноименной группы, вторые выходы оптических вентилей каждой группы оптически связаны с одноименными входами оптических объединителей сложного поиска соответствующей группы, выходы которых оптически связаны с одноименными входами спектральных разделителей сложного поиска соответствующей группы, выход каждого из которых оптически связан с одноименным входом соответствующего блока фотоприемников сложного поиска, выходы которого подключены к соответствующим входам блока управления, выходы которого, начиная с пятого, подключены к управляющим входам соответствующих блоков фотоприемников сложного поиска.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2