Оптико-электронное логическое устройство для контроля четности

 

Изобретение относится к оптической обработке информации и может быть использовано в устройствах логического контроля и анализа двоичных последовательностей сигналов. Сущность изобретения: для контроля числа четных сумм по строкам в матрице из n столбцов и m строк на вектор из n элементов реализуют перемножение с помощью оптических транспарантов, после которых сигнал преобразуют с помощью цилиндрической линзы или комплектом из сферической и двух цилиндрических линз и регистрируют линейкой фотодетекторов. 23.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к оптической обработке информации, а более конкретно - к устройствам логического контроля и анализа двоичных последовательностей сигналов (векторов) оптико-электронными средствами.

Известными являются электронные устройства проверки суммы элементов двоичных векторов на четность, основанные на применение специализированных интегральных микросхем, например микросхемы К155ИП2 в качестве восьмиразрядной схемы контроля четности [1].

Данные устройства характеризуются низкой производительностью обработки информации, ограничиваемой невысоким быстродействием применяемых серий интегральных схем, а также допустимыми аппаратными затратами, либо требуют разработки специализированных больших интегральных схем.

Известно также оптико-электронное логическое устройство, предназначенное для проверки двоичных векторов на четность [2]. Данное устройство содержит последовательно расположенные источник поляризованного света, матричный управляемый транспарант, анализатор, выходные фотодетекторы, электронные входные и выходные устройства. Выходной сигнал данного устройства принимает два значения в зависимости от четности или нечетности суммы элементов подаваемого на вход двоичного вектора.

Функциональные возможности данного устройства при необходимости выполнения операций, включающих в себя операции контроля четности, ограничены. В частности, использование данного устройства для одновременной проверки на четность группы двоичных векторов, составляющих двоичную матрицу, неэффективно, поскольку потребует проверки на четность каждого из векторов с запоминанием результатов промежуточных вычислений. Кроме того, операции предварительного логического поэлементного умножения вектора на матрицу, встречающиеся в задачах логического контроля, в данном устройстве невозможны.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей оптико-электронного логического устройства за счет контроля числа четных сумм по строкам в матрице из n столбцов и m строк, получаемой поэлементным логическим умножением контрольной матрицы из n столбцов и m строк на вектор из n элементов.

Цель достигается тем, что в известное оптико-электронное логическое устройство, содержащее последовательно расположенные источник поляризованного света, матричный управляемый транспарант, анализатор, выходные фотодетекторы, вводят дополнительные k оптических управляемых транспарантов, располагаемых последовательно между управляемым транспарантом и анализатором, цилиндрическую линзу, установленную между анализатором и выходными фотоприемниками, выполняемыми в виде линейки из 2^n/k+1 фотоприемников, и вычислительное устройство, выходы которого соединены с входами управляемых транспарантов и вход которого является входом всего устройства, причем первый управляемый транспарант выполняют в виде матрицы из 2^n/k+1 столбцов и m строк, остальные управляемые транспаранты выполняют в виде столбцов из m элементов.

Другой вариант достижения цели отличается тем, что первые k-1 дополнительных управляемых транспарантов устанавливаются вплотную друг к другу, между k-тым и k-1 управляемым транспарантом устанавливают сферическую и вторую цилиндрическую линзы, между анализатором и первой цилиндрической линзой устанавливают третью цилиндрическую линзу так, что ее образующая перпендикулярна образующей первой цилиндрической линзы, и выходные фотоприемники выполняют в виде фотоприемной матрицы с 2^n/k+1 фотоприемниками по строкам и с 2^n/k+1 фотоприемниками по столбцам, причем k-1 управляемый транспарант выполняют в виде матрицы из 2^n/k+1 столбцов и m строк и на столбцы его наносят систему оптических клиньев с увеличивающимся от столбца к столбцу углом наклона к плоскости светомодуляции этого управляемого транспаранта.

На фиг.1 приведена функциональная схема реализации предлагаемого оптико-электронного логического устройства; на фиг.2 приведена функциональная схема второго варианта выполнения предлагаемого оптико-электронного устройства.

Первый вариант реализации оптико-электронного логического устройства включает в себя источник 1 поляризованного света, построенный, например, на основе лампы накаливания, оптической системы формирования параллельного пучка света и поляризатора, оптических управляемых транспарантов 2-5 (приводится конкретный пример с k=4 управляемыми транспарантами), например жидкокристаллических, с эффектом вращения плоскости поляризации проходящего света, анализатор 6, цилиндрическую линзу 7, линейку фотодиодов 8, установленную в фокальной плоскости линзы 7, вычислительное устройство 9, например ЭВМ персонального типа, связанную с оптическими управляемыми транспарантами 2-5. С помощью данного устройства необходимо определить число четных сумм по строкам в р матрицах из n столбцов и m строк, получаемых поэлементным логическим умножением каждого из р векторов длиной n элементов на контрольную матрицу из n столбцов и m строк.

Для этого перед началом работы контрольную матрицу вводят в вычислительное устройство 9, в процессе вычисления в устройстве 9 представляют контрольную матрицу в виде совокупности контрольных подматриц с меньшей длиной строк, получают для каждого из возможных двоичных векторов с длиной, равной длине строк контрольных подматриц, подматрицы произведения путем умножения i-го элемента двоичного вектора на элементы i-го столбца контрольной подматрицы. По каждой подматрице произведений вычисляют сигнальные подматрицы, в качестве элементов каждой из которых используются суммы по модулю 2 по строкам соответствующей подматрицы произведений для всех возможных двоичных подвекторов. Если исходная контрольная матрица разбивается на k+1 частей, то образуется k+1 сигнальных подматриц с 2^n/k+1 элементами в строке (2^n/k+1 - число возможных двоичных подвекторов).

Далее одна из сигнальных подматриц выводится полностью на первый управляемый транспарант 2, а каждая из остальных k сигнальных подматриц выводится последовательно во времени на один из соответствующих ей сигнальных транспарантов таким образом, что каждый из указанных транспарантов отображает на всей его площади в отдельные моменты времени только один столбец соответствующей ему сигнальной матрицы.

Оптические управляемые транспаранты 2-5, например жидкокристаллические, реализуют эффект вращения плоскости поляризации проходящего света таким образом, что при подаче соответствующего единице уровня управляющего напряжения поворот плоскости поляризации осуществляется на угол (n = 0,1,2...). В результате перемножения картин светомодуляции управляемых транспарантов с данной модуляционной характеристикой достигается сложение по модулю 2 цифровой информации, записанной на транспаранты.

В результате этого изображение после анализатора соответствует матрице с 2^n/k+1 элементами в строке и m строками, элементы которой отражают результат контроля четности по строкам матриц поэлементного логического произведения контрольной матрицы на группу из 2^n/k+1 различных двоичных векторов.

Собранный цилиндрической линзой 7 на фотоприемнике 8 свет несет информацию о числе четных сумм по строкам в матрицах поэлементного логического произведения контрольной матрицы на группу из 2^n/k+1 различных двоичных векторов.

Для охвата всей группы из р двоичных векторов необходимо произвести р/2^n/k+1 обновлений информации на оптических управляемых транспарантах 3-5, вызывая на эти транспаранты из вычислительного устройства 9 необходимые столбцы соответствующих сигнальных подматриц. Выходные сигналы устройства снимаются с линейки фотоприемников. Если исходная контрольная матрица имеет n= 32 элементов в строке и m=248 строк, то при использовании в устройстве k+1=4 управляемых транспаранта (как показано на фиг.1), транспарант 2 должен быть выполнен в виде матрицы из 2^n/k+1 248=248 ˙248 элементов, транспаранты 3-5 выполняются в виде столбца из протяженных 248 элементов.

Если необходимо произвести контроль группы всех возможных 32 элементных векторов, то потребуется одно обращение к транспаранту 2, по 256 обращений к каждому из транспарантов 3-5 и более 16 млн циклов снятия информации с каждого из фотоприемников линейки 9.

В данной задаче предварительные расчеты в вычислительном устройстве 9 требуют порядка 50 млн регистровых операций (при использовании в качестве вычислительного устройства 9 ПЭВМ типа IВМ РС АТ время расчета составит несколько десятков секунд).

В случае использования для решения рассматриваемой задачи оптико-электронного логического устройства, выбранного в качестве прототипа, потребовалось бы свыше 1000 млрд обращений к этому устройству (без учета необходимости хранения промежуточных результатов вычислений и выполнения других операций).

Другой вариант построения предлагаемого устройства показан на фиг.2.

Данный вариант реализации включает источник 1 поляризованного света, выполненный, например, в виде лампы накаливания, оптической системы, освещающей матовое стекло, и поляризатора, оптические управляемые транспаранты 2, 3, 4, 7, сферическую и цилиндрические линзы 5, 6, 9, 10, анализатор 8, матрицу фотоприемников 11 (например, ПЗС матрицу) и вычислительное устройство 12.

Вычислительное устройство 12 рассчитывает сигнальные подматрицы по вводимой в него предварительно контрольной матрице (алгоритм расчета аналогичен алгоритму расчета вычислительного устройства 9 на фиг.1 по первому варианту реализации предлагаемого устройства). Отличие от первого варианта состоит в том, что соответствующие сигнальные подматрицы выводятся сразу полностью не только на первый управляемый транспарант 2, но и на последний управляемый транспарант 7; на остальные транспаранты выводится только один столбец соответствующих сигнальных подматриц, обновляемый во времени. С помощью системы из установленных вплотную друг к другу сферической и цилиндрической линз 5, 6 обеспечивается прохождение каждого из столбцов матричной картины светомодуляции, сформированной системой управляемых транспарантов 2-4 через каждый столбец матричной картины светомодуляции на управляемом транспаранте 7. Оптический управляемый транспарант 7 выполнен таким образом, что на столбцы матричной структуры транспаранта нанесена система оптических клиньев, угол наклона которых возрастает от столбца к столбцу.

В результате этого на фотоприемной матрице, установленной в фокальной плоскости цилиндрической линзы 10, формируется матрица из 2^n/k˙ 2^n/k+1 световых отсчетов, интенсивность каждого из которых соответствует числу четных сумм по строкам в одной из матриц произведений из n столбцов и m строк, полученной поэлементным логическим умножением одного из векторов длиной из n элементов на контрольную матрицу из n столбцов и m строк.

Формула изобретения

1. ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЧЕТНОСТИ, содержащее оптически связанные источник поляризованного света, управляемый матричный транспарант, анализатор поляризации и фотодетектор, выход которого является информационным выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью осуществления контроля четности в матричных массивах информации, в устройство дополнительно введены k последовательно оптически связанных управляемых транспарантов, цилиндрическая линза и вычислительный блок, причем k управляемых транспарантов расположены между управляемым матричным транспарантом и анализатором поляризации, цилиндрическая линза расположена между анализатором поляризации и фотодетектором, выходы вычислительного блока соединены с управляющими входами всех управляемых транспарантов, вход вычислительного блока является информационным входом устройства, а управляемый матричный транспарант выполнен с m строками и 2^{n / k+1} столбцами, где m и n - соответственно число строк и столбцов в контролируемом матричном массиве информации.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фотодетектор выполнен в виде линейки из 2^{n / k+1} фотоприемных элементов, а каждый из k управляемых транспарантов выполнен в виде столбца из m элементов.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первые k-1 из k управляемых транспарантов примыкают друг к другу, в устройство дополнительно введены сферическая линза, вторая и третья цилиндрические линзы, причем сферическая линза и вторая цилиндрическая линза расположены между k-1 и k-тым управляемым транспарантом, третья цилиндрическая линза расположена между анализатором поляризации и первой цилиндрической линзой так, что образующие первой и третьей цилиндрических линз взаимно ортогональны, фотодетектор выполнен в виде матрицы фотоприемных элементов с 2^{n / k+1} строками и 2^{n / k+1} столбцами, а k-тый управляемый транспарант выполнен в виде матрицы с m строками и 2^{n / k+1} столбцами, причем последние снабжены системой оптических клиньев с переменным от столбца к столбцу углом наклона между гранями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2