ОПТИЧЕСКИЙ ФАЗЗИФИКАТОР Российский патент 2012 года по МПК G06E3/00 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики.

Известно оптическое вычислительное устройство, предназначенное для вычитания оптических сигналов, содержащее оптические усилители, входной оптический разветвитель, две группы оптических транспарантов, оптические разветвления, кольцевое ответвление, оптический компаратор, оптическое ответвление, пару связанных оптических волноводов и оптический бистабильный элемент [Пат. RU 2103721 С1, 1998, Устройство для вычитания оптических сигналов / С.В.Соколов, А.А.Баранник].

Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: оптический транспарант, оптический разветвитель.

Известно оптическое вычислительное устройство - нелинейный степенной преобразователь [Пат. RU 2020550 С1, 1994, Оптический функциональный преобразователь / С.В. Соколов], содержащий источник когерентного излучения, дифференциатор, оптический n-выходной разветвитель, оптический транспарант, оптический n-входной объединитель, пару оптически связанных волноводов, оптический модулятор.

Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: источник излучения, оптический n-выходной разветвитель, оптический транспарант, выход источника излучения подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя, каждый выход оптического n-выходного разветвителя подключен к соответствующему входу оптического транспаранта.

Недостатками вышеописанных устройств являются сложность конструкции и невозможность выполнения операции введения нечеткости - фаззификации при задании входной переменной в виде нечеткого множества.

Известно оптическое вычислительное устройство - селектор минимального сигнала (CMC) [A.c. №1223259. СССР, 1986. Селектор минимального сигнала / Соколов С.В. и др.], принятый за прототип и предназначенный для вычисления минимального сигнала из совокупности оптических сигналов, поданных на его вход. CMC содержит дифференциальные оптроны, входные оптические волноводы.

Прототип является существенным признаком предлагаемого изобретения.

Недостатком вышеописанного устройства является невозможность выполнения операции введения нечеткости - фаззификации при задании входной переменной в виде нечеткого множества.

Задачей изобретения является создание оптического фаззификатора, позволяющего повысить вычислительную производительность процесса фаззификации до 10⁵-10⁶ операций в секунду при одновременной возможности выполнения операции введения нечеткости - фаззификации при задании входной переменной в виде нечеткого множества.

Технический результат выражается в расширении возможностей устройства - создание устройства, выполняющего операцию введения нечеткости - фаззификации при задании входной переменной в виде нечеткого множества, а также в одновременном увеличении вычислительной производительности.

Сущность изобретения состоит в том, что в оптический фаззификатор, содержащий селектор минимального сигнала, введены источник излучения, оптический n-выходной разветвитель, первый линейный оптический транспарант, второй линейный оптический транспарант, резисторная оптопара, источник единичного напряжения, резистор, инвертирующий операционный усилитель, выход источника излучения подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя, выходы которого подключены к соответствующим входам первого линейного оптического транспаранта, выходы которого подключены к соответствующим входам второго линейного оптического транспаранта, каждый выход которого подключен к соответствующему входу селектора минимального сигнала, выход селектора минимального сигнала подключен ко входу резисторной оптопары, резистор которой включен в цепь отрицательной обратной связи инвертирующего операционного усилителя, источник единичного напряжения подключен через резистор к инвертирующему входу инвертирующего операционного усилителя, выход которого является выходом устройства.

Оптический фаззификатор - устройство, предназначенное для вычисления в режиме реального времени значения функции:

где α(x) - функция принадлежности, описывающая терм нечеткой лингвистической переменной x;

x_i - конкретное числовое («четкое») значение входной лингвистической переменной, определенное на базовой шкале X (x₁, x₂, …, x_n, где n -определенное число значений базовой шкалы X, x_i∈X);

β(x) - функция принадлежности нечеткого множества, в виде которого представлена входная переменная х.

Функциональная схема оптического фаззификатора показана на фигуре 1.

Оптический фаззификатор содержит:

- 1 - источник излучения (ИИ) с интенсивностью n усл(овных) ед(иниц);

- 2 - оптический n-выходной разветвитель;

- 3 - первый линейный оптический транспарант (ЛОТ) с функцией пропускания, пропорциональной ;

- 4 - второй ЛОТ с функцией пропускания, пропорциональной ;

- 5 - селектор минимального сигнала (CMC), выполненный в виде CMC, описанного в [А.с. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала / Соколов С.В. и др.];

- VO 6 - резисторную оптопару;

- Е7 - источник единичного напряжения;

- R8 - резистор, сопротивление которого равно 1 усл. ед.;

- DA9 - операционный усилитель, включенный совместно с резистором R8 во входной цепи и резистором оптопары VO 6 в цепи отрицательной обратной связи по схеме инвертирующего усилителя.

Выход ИИ 1 подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя 2. Выходы 2₁, 2₂, 2₃, … 2_n оптического n-выходного разветвителя 2 подключены к соответствующим входам первого линейного оптического транспаранта 3. Выходы первого линейного оптического транспаранта 3 подключены к соответствующим входам второго линейного оптического транспаранта 4, каждый выход которого подключен к соответствующему входу селектора минимального сигнала 5. Выход селектора минимального сигнала 5 подключен ко входу резисторной оптопары VO 6 - светоизлучающему диоду. Резистор оптопары VO 6 включен в цепь отрицательной обратной связи инвертирующего операционного усилителя DA9. Положительный полюс источника единичного напряжения Е7 через резистор R8 подключен к инвертирующему входу инвертирующего операционного усилителя DA9, выход которого является выходом устройства.

Работа устройства происходит следующим образом. С выхода ИИ 1 оптический поток с интенсивностью n усл.ед. поступает на вход n-выходного разветвителя 2. С выходов 2₁, 2₂, …, 2_n оптического n-выходного разветвителя 2 оптические потоки единичной интенсивности поступают на входы первого ЛОТ 3 с функцией пропускания по оси ОХ, пропорциональной функции , на выходах которого формируется плоский оптический поток с интенсивностью по оси ОХ, пропорциональной функции 1/α(x). Данный оптический поток поступает на входы второго ЛОТ 4 с функцией пропускания по оси ОХ, пропорциональной функции , на выходах которого формируется оптический поток с интенсивностью по оси ОХ, пропорциональной функции 1/(α(x)·β(x)).

Данный оптический поток поступает на соответствующие входы CMC 5. Работа селектора минимального сигнала 5 описана в [А.с.№1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала / Соколов С. В. и др.]. С выхода CMC 5 снимается сигнал напряжения, пропорционального значению

(При этом очевидно, что минимум значения функции 1/(α(x)·β(x)) определен для того же значения аргумента х_i, для которого определен и максимум функции α(x_i)·β(x_i), i=1, …, n).

Выходной сигнал CMC 5 поступает на светоизлучающий диод резисторной оптопары VO 6. Сопротивление R_VO6 резистора оптопары VO 6 будет обратно пропорционально входному току резисторной оптопары [Иванов В.И., Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник / В.И.Иванов, А.И.Аксенов, A.M.Юшин/ Под ред. Н.Н.Горюнова. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 184 с.], т.е. выходному току CMC 5, и следовательно:

Напряжение на выходе U_ВЫХ инвертирующего операционного усилителя DA9 определяется как:

где U_ВХ=1 усл. ед. - напряжение на входе инвертирующего операционного усилителя DA9;

К - коэффициент усиления инвертирующего усилителя, который определяется как:

где R_R8 - сопротивление резистора R8, равное 1 усл. ед.

Таким образом, с учетом (3), (4), (5) напряжение на выходе инвертирующего операционного усилителя DA9 оказывается пропорциональным:

,

т.е. пропорциональным искомому модулю значения γ: γ~|U_ВЫХ|.

Быстродействие оптического фаззификатора определяется динамическими характеристиками селектора минимального сигнала и операционного усилителя. Селектор минимального сигнала, выполненный на лавинных фотодиодах, имеет время срабатывания до 80-100 пс, а операционные усилители, реализованные на основе ПЛИС (ПАИС), имеют быстродействие ~2,5-3 мкс [Щерба А. Программируемые аналоговые ИС Anadigm: применение конфигурируемых аналоговых модулей в составе программы AnadigmDesigner2 / А.Щерба // Компоненты и технологии. - 2007. - №12]. Для существующих непрерывнологических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе непрерывной (нечеткой) логики. Технический результат выражается в расширении возможностей устройства - создание устройства, выполняющего операцию введения нечеткости - фаззификации при задании входной переменной в виде нечеткого множества, а также в одновременном увеличении вычислительной производительности. Такой результат достигается за счет того, что в оптический фаззификатор, содержащий селектор минимального сигнала, введены источник излучения, оптический n-выходной разветвитель, первый линейный оптический транспарант, второй линейный оптический транспарант, резисторная оптопара, источник единичного напряжения, резистор, инвертирующий операционный усилитель. 1 ил.

Оптический фаззификатор, содержащий селектор минимального сигнала, отличающийся тем, что в него введены источник излучения, оптический n-выходной разветвитель, первый линейный оптический транспарант, второй линейный оптический транспарант, резисторная оптопара, источник единичного напряжения, резистор, инвертирующий операционный усилитель, выход источника излучения подключен ко входу оптического n-выходного разветвителя, выходы которого подключены к соответствующим входам первого линейного оптического транспаранта, выходы которого подключены к соответствующим входам второго линейного оптического транспаранта, каждый выход которого подключен к соответствующему входу селектора минимального сигнала, выход селектора минимального сигнала подключен ко входу резисторной оптопары, резистор которой включен в цепь отрицательной обратной связи инвертирующего операционного усилителя, источник единичного напряжения подключен через резистор к инвертирующему входу инвертирующего операционного усилителя, выход которого является выходом устройства.