Способ определения результатов векторно-матричных преобразований в параллельных акустооптических процессорах Советский патент 1992 года по МПК G06F3/00 

литулы света, представляющий собой заведомо однополярную (положительную) величину Поэтому для определения результатов векторно-матричных преобразований над знакопеременными данными используется пространственное, временное и частотное разделение каналов вычислений по знакам.

При пространственном разделении каналов вычислений применяют разделенные в пространстве модуляторы света, причем одни модуляторы используют для ввода в оптический процессор положительных данных (положительных временных отсчетов сигналов) , а другие - для ввода отрицательных , Поэтому с учетом знаков множимого, множителя и результата при перемножении двух знакопеременных отсчетов сигналов необходимо не менее четырех модуляторов света и четырех фотодетекторов со схемой обработки (суммирование с учетом знаков) сигналов, полученных фотодетектированием. При этом для обработки массивов знакопеременных данных организуют разделение элементов входных массивов (массивов временных отсчетов сигналов) на подмассивы, состоящие только из положительных либо только из отрицательных элементов, и используют четыре канала определения результатов, образованных четырьмя областями модуляторов света, разделенных по пространству. В данном случае в первом канале обрабатываются положительные элементы одного входного массива и отрицательные элементы другого входного массива, в третьем - положительные элементы обоих входных массивов, в четвертом - отрицательные элементы обоих массивов, а затем осуществляют Фотодетектирование световых сигналов,во всех каналах определения результатов осуществляют суммирование сигналов, полученных фотодетектированием с учетом знака результата в каждом канале вычислений.

При временном либо частотном разделении каналов определения результатов с элементами массивов, имеющими разные знаки, используют либо модулируемые во времени источники света, причем в разные моменты времени их модулируют в соответствии с значениями элементов разных знаков, либо формируют радиосигналы с частотным уплотнением (разделением) ка-

358364

налов (полос частот) для представления положительных и отрицательных элементов и осуществляют их ввод в

- акустооптические модуляторы света, что при дифракции света на акусто- оптических модуляторах в оптических процессорах приводит к разделению каналов вычислений по пространству (раз10 делению по углу дифракции).

Кроме этого, в оптических процессорах для осуществления операций со знакопеременными данными, представленными в числовом виде, используют избыточное представление знакопеременных чисел в дополнительном коде, выбирая для представления число разрядов в несколько раз больше, чем это необходимо для представления знакопеременных чисел в дополнительном

15

20

5

0

5

0

5

0

5

коде, и осуществляют модуляцию света в соответствии с этим избыточным представлением, а после осуществления оптических вычислений, регистрации сигналов фотодетекторами и аналого-цифровом преобразовании этих сигналов определяют результат посредством перевода цифрового сигнала из избыточного представления в обычное представление в дополнительном коде.

Общим недостатком известных способов определения результатов векторно- матричных преобразований являются oi- раниченная скорость определения результатов преобразований и малая размерность параллельно обрабатываемых массивов, что обусловлено либо избыточным представлением знакопере- менных чисел, т.е. использованием числового представления с избыточной разрядностью, в несколько раз превосходящую необходимую, либо организацией в оптическом процессоре разделенных по пространству, времени или частоте каналов вычислений в зависимости от знаков элементов обрабатываемых массивов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения результатов векторно-матричных преобразований в параллельных акустооптических процессорах, заключающийся в осуществляемом параллельном разделении входных импульсных последовательностей, соответствующих параллельно обрабатываемым элементам двух массивов знакопеременных чисел, на импульсные последовательности, соответствующие положительным числам, и импульсные последовательности, соответствующие

от0ицательным числам,и формировании радиосигналов посредством модуляции импульсными последовательностями, соответствующими положительным числам, гармонических несущих сигналов с одинаковыми частотами f, где частота ff выбрана для представления положительных чисел, и модуляцией импульсными последовательностями, соответствующими отрицательным числам, гармонических несущих сигналов .с одинаковыми частотами f2, где частота ft выбрана для представления отрицательных чисел, и аналоговом сложении (частотном уплотнении) ради сигналов, соответствующих положительным и отрицательным числам, для чего частоты f и f,Ј выбирают таким

образом, чгобы спектры радиосигналов соответствующих частотно-уплотняемым радиосигналам, в которые преобразованы импульсные последовательности для поЛбжительных и отрицательных чисел, являлись неперекрывающимися, осуществлении параллельного ввода частотно- уплотняемых радиосигналов в параллельный акустооптический процессор, в котором определение результатов4 векторно-матричных преобра зований осуществляют параллельное оптическое формирование дискретных сверток с последующим оптическим суммированием сигналов, соответствующих ре-, зультатам получения дискретных сверток, прямом параллельном фотодетектировании выходных оптических аналоговых сигналов акустооптического процессора, аналоговом параллельном вычитании из группы сигналов, образованных прямым фотодетектированием и соответствующих положительным по знаку результатам векторно-матричных преобразований, группы сигналов, также образованных прямым фотодетектированием и соответствующих отрицательным по знаку результатам векторно-матричных преобразований, с образованием разностных сигналов, последующем аналого-цифровом преобразовании разностных сигналов в цифровую форму и цифровым взвешиванием и суммированием этих сигналов для предсталения в цифровой форме результатов вычислений. При этом раздельное фотодетектирование результатов векторно- матричных преобразований с учетом знков обрабатываемых чисел возможно потому, что при вводе радиосигналов с частотным уплотнением в акустоопти

o

0

5

ческие ячейки оптического процессора вследствие дифракции света на акусто- оптических ячейках происходит пространственное разделение (разделение по углу дифракции) оптических сигналов, соответствующих числам различных знаков,,

Недостатком известного способа является низкая скорость определения результатов векторно-матричных преобразований и малая размерность параллельно обрабатываемых массивов знакопеременных чисел, так как используется избыточное представление знакопеременных чисел, т„е. организуется разделение чисел на положительные и отрицательные и используются четыре независимых канала определения результатов с последующим суммированием результатов с учетом знаков. При этом для организации четырех независимых каналов определения результатов используется частотное уплотнение каналов, т„е. формирование радиосигналов с частотным уплотнением, где часть полосы частот, равная (W/2), при условии, что W - полоса частот пропускания по каждому входу акустооптического процессора, отводится для представления положительных чисел, а другая часть, также равная (W/2), для представления отрицательных чисел, с последующим вводом радиосигналов в акустооптический процессор. Причем, если рассматривать каждый отдельный вход акустооптического процессора, то его пропускная способность будет определяться количеством информации, передаваемым через него в единицу времени,, Однако известно, что в соответствии с теоремой Шеннона, пропускная способность С канала с полосой частот W, в котором имеется произвольный шум, ограничена неравенством

wbgtji- cswiogJ- s.,

где Р- средняя мощность передавае- 0 мых сигналов;

N- средняя мощность шума;

энтропийная мощность шума,

0

5

0

5

т.е. среднегеометрическая мощность шума по различным частотам в полосеW

ехр j:logN(f)df,

N

W

где N (Е) - мощность шума на частоте f.

Поэтому при использовании частотного уплотнения каналов для представления положительных и отрицательных чисел пропускная способность каждого из входов акустооптического процессора уменьшается в два раза по сравнению со случаем обработки только положительных чисел, так как в единицу времени на каждый вход акустооптического процессора поступает либо только положительное, либо только отрицательное число, а для каждого из них отведена полоса (W/2) При этом, так как размерность каждого из двух параллельно обрабатываемых акустооптическим процессором массивов знакопеременных чисел удваивается (для формирования массивов либо только положительных, либо только отрицательных чисел) и используется частотное уплотнение для представления массивов удвоенной размерности, скорость определения результатов векторно-матричных преобразований,, т„е, количество чисел массивов, обрабатываемых в единицу времени, снижается в четыре раза по сравнению с обработкой массивов только положительных чисел. Кроме того, при фиксированной величине W, т„е„ полосы частот пропускания по входам акустооптического процессора, возможная размерность параллельно обрабатываемых массивов снижается в два раза по сравнению с обработкой массивов только положительных чисел.

Целью изобретения является повышение скорости определения увеличени размерности параллельно -обрабатываемых массивов знакопеременных чисел.

Указанная цель достигается тем, что в способе определения результатов векторно-матричных преобразований в параллельных акустооптических процессорах, основанном на формировании из двухуровневых входных импульсных последовательностей, соответствующих цифровому представлению знакопеременных элементов параллельно обрабатываемых массивов, радиосигналов, ввода в акустооптический процессор, осуществляющий параллельное оптическое формирование дискретных сверток импульсных последовательностей с последующим суммированием оптических сигналов, соответствующих результатам получения дискрет ных сверток, параллельном фотодетектировании выходных оптических сигна

5

5

лов, аналого-цифровом преобразовании фотодетектированных сигналов и последующем цифровом взвешивании и суммировании преобразованных сигналов, формируют из входных двухуровневых импульсных последовательностей трехуровневые импульсные пос- педовательности, в процессе получения которых каждую входную двухуровневую последовательность задерживают на временной интервал, равный периоду следования импульсов во входной двухуровневой импульсной последовательности, вычитают из задержанного сигнала входную двухуровневую импульсную последовательность и прекращают формирование трехуровневой импульсной последовательности после поступления последнего импульса во входной двухуровневой импульсной последовательности и в процессе формирования радиосигналов ввода в акусто- оптический процессор, осуществляют сформированными трехуровневыми импульсными последовательностями балансную модуляцию гармонических несущих сигналов с одинаковыми частотами и начальными фазами, а параллельное фотодетектирование выходных оптических сигналов осуществляют посредством их гетеродинного фотодетектирования на удвоенной по отношению к гармоническим несущим сигналам частоте, синхронно детектируют полученные сигналы с радиосигналами на удвоенной частоте гармонических несущих сигналов, а затем подвергают результат детектирования аналого-цифровому преобразованию, осуществляют

0 над результатом преобразования цифровое взвешивание и суммирование со знакопеременными сигналами, представленными в дополнительном коде.

Предлагаемый способ отличается от

5 известного тем, что формирование ра- диосигналов, соответствующих обрабатываемым знакопеременным числам осуществляется без разделения чисел обра-, батываемых массивов на положительные

0 и отрицательные и организации четырех независимых каналов определения результатов с учетом знаков обрабатываемых чисел посредством частотного уплотнения каналов при формировании

5 радиосигналов с последующим сложением результатов по четырем независимым каналам с учетом знаков. В предлагаемом способе достигается однозначное соответствие между энакопе0

5

ременными числами и формируемыми радиосигналами, в результате чего отпадает необходимость организации независимых каналов, и определение результатов векторно-матричных преобразований, включающее в себя элементарные операции умножения и сложения, может выполняться вне зависимости от знаков обрабатываемых чисел Объясняется это следующим образом Известно, что особенностью акусто- оптических процессоров на основе алгоритма перемножения чисел посредством дискретной свертки является тоу что основной объем операции при определении результатов векторно-матричных преобразований, а именно операции умножения и сложения, осуществляется линейной аналоговой оптической системой, после чего проводят фоторегистрацию оптических сигналов на выходе линейной оптической системы акустооптического процессора и посредством электроники выполняют несложные нелинейные операции аналого-цифрового преобразования сигналов полученных фотодетектированием, и их цифрового взвешивания и суммирования Поэтому для осуществления операций перемножения и сложения знакопеременных чисел в линейной аналоговой оптической системе -необходимо такое представление знакопеременных чисел, которое бы не требовало проведения нелинейных операций для определения знака произведения и суммы чисел. В то же время, до ввода чисел в акустооптический процессор и после фоторегистрации выходных оптических сигналов акустооптического процессора такие нелинейные операции возможны. Обычно для представления знакопеременных чисел используется дополнительное представление (дополнительный код), при этом операции перемножения и сложения в дополнительном коде являются существенно нелинейными. Поэтому для ввода знакопеременных чисел, представленных в дополнительном коде, в акустооптический процессор необходимо перевести знакопеременные числа из дополнительного представления в представление числа со знакопеременными цифрами. При этом необходимо обеспечить однозначность перевода чи сел из одного представления в другое что достигается за счет однознач - ного перевода знакопеременных чисел,

представленных в дополнительном коде двухуровневыми импульсными последовательностями, в числа с знакопеременными цифрами, которым соответствует трехуровневая импульсная последовательность с уровнями -1,0,+1.

Математически это описывается следующим образом. По определению двоичным дополнительным кодом (представление) k-разрядного числа х называют число в ил у

Зон

Х3оп Эоо

х,

2k-x

, получаемое по праесли х 0; если х 0.

Аналогично для х, нормированного к 1, т о е. для -1 6. х б 1

. х.

если х О если х Оможно2k+x,

АЭоп

- х

Обобщенно выражение для х Эоп записать в виде суммы Xgop k которая справедлива при следующих ограничениях: х gon имеет ограниченное число разоядов, а именно k разрядов, а х находится в диапазоне -(.k-l) € Хб2 k -1 . С точки зрения терминологии арифметики в остаточных классах, дополнительный код можно

представить.,как

f

выражения Я + х

вычет по т.е,

C3on,k

m

odzk

где х представлено знакопеременной величиной, т.е. выражение в квадратных скобках может быть 24-х,

если , и 2 - х, если . Рассмотрим, каким образом знакопеременные числа в дополнительном представлении (дополнительном коде) можно преобразовать в число со знакопеременными цифрами х«, где x;Ј{-1,0,lj, т.е. представить число х в канонической форме полинома х

1с-1

k - 2 x-v2 i 0

Используя правила выполнения операций в остаточных классах, можно выражение для х э0п ь преобразовать к виду

xaonrke С2 +

С2 +xLod«k 1

11

«

JmoJjk Mmoe kJCJir)cv,k L J ModzkJmoJzk

J «odzk

+ X

+ х

rood г k JmocJ, k

bnjk 2 X3on2Kjmo32K XK

где xj - представление числа в канонической- форме полинома со знакопеременными цифрами х

1К

т„е.

(

: Ex3on7k 2 X3ontk

k-1

2Их 9ог7ги 2 )

mod2k k-i

- s

(0

X 3onlk 1

2;)J ki§4-03on,k JmoeUk

-Х. л , )x

3onfk

-2 ,

где

x(i-09ana

ir2 k x

и Xl-Son2k 0 при и В соответствии с

4 будет хао„г1

- x;

wt f r

- 1

выражением для получения x fc из дополнительного представления xgon необходимо двухуроввую импульсную последовательность, представляющую с логическими уровнями 0 и 1 задержать на один тактовый интервал, соответствующий периоду следования импульсов в двухуровнезой импульсной последовательности (одному разряду обрабатываемых чисел), и осуществить аналогвое вычитание из задержанной двухуровневой импульсной последовательности, т.е. из значения (.,%gon , входной (незадержанной) импульсной последовательности значение x;gor, а операцию взятия осуществить посредством прекращения формировани трехуровневой последовательности, полученной аналоговым вычитанием, и соответствующей XK, после того, как поступит последний импульс двух уровневой входной импульсной последовательности. Например, пусть десятичное число х ,0 7, тогда двоичное прямое представление х2 0111 и дополнительное представление при числе разрядов k 0111 о Тогда

01110 011t

(+1) 00 (-1) 100-1

1.23

mod г 4 + 0-2 - 1

2e 7

«

173583612

Аналогично для 7, т.е. - От и УЗо,, 1001. Соответственно

to

«м

-101-1 -1-23 + -8+2-1

прекращение формирования трехуровневой последовательности (взятие moda4)

Покажем, что представление знакопе- ременного числа х дог,г в виде числа со знакопеременными цифрами х% удовлетворяет алгоритму перемножения чисел Тюсредством вычисления дискретной свертки. Действительно, пусть XK и ук - два N-разрядных знакопеременных числа в канонической форме полиномов, тсе.

30

х „

Тогда произведение

ZKХК У ; ЛВУХ

чисел Xj, и yk можно вычислить как

ZK

0

Н- ХК У|С S Х

1-сО

т-г . мZIz S Cx,.) J J

где Z(i)

N-1

;-2 ) (Zly)

1-«о 2М-2 . ,

S ), ;-о

х

; © у; - дискретная свертка трехуровневых импульсных

S

последовательностей х ставляющих числа хк и

и

у;, предк°

Известно, что для бинарного (двухуровневого) представления xj и yj при условии и у.0 такое перемножение чисел называется алго- 0 ритмом дискретной свертки. Рассмот-- рим выполнение алгоритма перемножения знакопеременных чисел х к и у,% посредством дискретной свертки на примере ПУСТЬ песятимное число

Пусть десятичное число х() 7, его дополнительное представление хвопг4и 0111 и хк (+1)00(1), а уw - -7, его дополнительное представление yg0pt4 1001 и УК (1)). Тогда перемножение чисел хк и ук для

13

получения ZK хц Ук посредством алгоритма дискретной свертки эквивалентно известному перемножению столбиком с аналоговым сложением результатов частичных произведений, т.е„

1

0

(+1)00(-1)

Н)о(-и)Н)

-1001 +1 00-1 0000 -10 О -И

-10100-11 (-Т)ПОО(-1)1 -1-2б+1-2 +

+ (-D-2 + 1-2° -6Д +16 - -2+1 - -49 - х „ у 10

Для формирования радиосигналов, однозначно соответствующих знакопеременным числам, используют преобразование каждой двухуровневой импульсной последовательности, соответствующей цифровому представлению знакопеременного числа в допол нительном коде с логическими уровнями 0 и 1 , в трехуровневую импульсную последовательность с логическими уровнями -1, 0, +1, а затем осуществляют . балансную манипуляцию гармонического несущего сигнала в соответствии с логическими уровнями трехуровневой последовательности. При этом осуществляется однозначное соответствие между последовательностью амплитуд и фаз в сформированном радиосигнале и последовательностью логических уровней в трехуровневой импульсной последовательности соответствующей знакопеременному числу, что позволяет осуществлять в параллельном акустооптическом процессоре определение результатов вектор- но-матричных преобразований вне зависимости от знаков обрабатываемых чисел. Для ввода сформированных трехуровневых импульсных последовательностей, соответствующих знакопеременным числам, в акустооптический процессор необходимо преобразовать их в радиосигналы. Это необходимо потому, что для ввода сигналов в акустооптическйе ячейки акустоопти- ческого процессора используются пьезопреобразователи, которые осу35836

14

ществляют преобразование электрических сигналов в акустические волны. Вследствие резонансного характера пьезопреобразователя возможным вход5 ным сигналом для акустооптического процессора является модулированный гармонический несущий сигнал с частотой ф„, соответствующей резонансной частоте СОЙ пьезопреобраэователей

акустооптического процессора, т.е.

S(t) S(t),,t +q(t),

ts где S(t) и Cf (t) определяют закон модуляции амплитуды и фазы несущий. 1

Кроме того, в соответствии с правилом преобразования числа х из

20 дополнительного представления (кода) X9onzk B представление хк со знакопеременными цифрами формирование хк можно представить как одновременный ввод двухуровневых импульсных

25 последовательностей, соответствующих

хЭопг1с-2 пш г)с и t-xgon J, так как хк ixaon,k1 -Jinodtk L-Xg00ikJ , ;причем в одной двухуровневой последовательности значения уровней 0 и 1, а в другой 0 и -1. При этом известно, что среди множества N сигналов вида ) Aksin(u)(,t + С,,), где А| характеризует амплитудную модуляцию, a Cfj фазовую, лишь два сигнала являются линейно независимыми, а остальные N-2 сигналов - линейно зависимыми. Поэтому сигнал S(t) можно представить в виде суммы двух квадратурных составляющих

S(t) S0I(t)cosq,t + S0Q(t)x х sinOJHt,

где S0 - некоторый постоянный коэфифициент;КОи .

Q(t) - модулирующие функции);

Kt) gep(t - nT);

ТГ°п

Q(t) -SlVi t - nT

п

где вп и 1П - информационные символы, соответствующие двум возможным линейно независимым импульсным последовательностям; Т - тактовый интервал в импульсных последовательностях;

151735836

(t) и q(t) - элементарные модулирую- щие сигналы в импульсных последовательноснз м н д а

форму импульсов и обычно являющиеся прямоугольными функциями. В зависимости от того, какие значения могут принимать информационные сигналы g n и 1, образуются различные сочетания возможных сигналов S(t), т.е. S;(t),

несущем сигнале, а логическому у ню -1 в трехуровневой импульсной ледовательности соответствует но мированное значение амплитуды 1 значение фазы 180° в гармоническ несущем сигнале. Можно показать, ч при таком представлении знакопер менных чисел радиосигналами, а т же на основании того, что в коге ном акустооптическом процессоре дуляция света осуществляется по комплексной амплитуде света, т.е амплитуда и фаза светового колеб

где S; (t) S0|21g;p(t - iT) cosu)Ht+ J5 ния модулируется в соответствии

с амплитудой и фазой радиосигнал вводимых в акустооптический проц сор, возможно осуществлять опред ние результатов векторно-матричны

1; q(t - iT) sinG3Mt,

Если поставить в соответствие g;p(t - iT) импульсную последовательность ДЛя хЭоПгК. 2 то&лъ a для l;q(t - iT) - импульсную последовательность С хЭопгО и Учитывая, что х k x9otHk. 2jmojzk+

+ kj лля преобразования трехуровневой импульсной последовательности, соответствующей xk, в разложении получим следующий набор сигналов S (t):

qn о, +1

О при S0cosGOHt при

1ц - О, -1;

х;к- х;к

0;

1;

S0cos(coHt+fr) при x;k -J

ли в комплексной форме

ib3Mt

S;(t) - x;k-e1

;

где х; -1,0, +1 - логический уровень в трехуровневой импульсной последовательности, соответствующей xk.

Таким образом, для однозначного перевода трехуровневой импульсной последовательности в радиосигналы необходимо осуществить балансную модуляцию гармонического несущего сигнала с частотой (х)н в соответствии с логическими уровнями трехуровневой импульсной последовательности, соответствующей xk. При этом логическому уровню 0 трехуровневой импульсной последовательности соответствует нулевое значение амплитуды гармонического несущего сигнала, логическому уровню 1 в трехуровневой импульсной последовательности соответствует нормированное значение амплитуды 1 и значение фазы П° в гармоническом

16

несущем сигнале, а логическому уровню -1 в трехуровневой импульсной последовательности соответствует нормированное значение амплитуды 1 и значение фазы 180° в гармоническом несущем сигнале. Можно показать, что при таком представлении знакопеременных чисел радиосигналами, а также на основании того, что в когерентном акустооптическом процессоре модуляция света осуществляется по комплексной амплитуде света, т.е. амплитуда и фаза светового колебания модулируется в соответствии

с амплитудой и фазой радиосигналов, вводимых в акустооптический процессор, возможно осуществлять определение результатов векторно-матричных

преобразований, основанных на операциях умножения и сложения, над массивами знакопеременных чисел на основе операции свертки радиосигналов, При этом комплексная огибающая радиоси - нала представляет значение знакопеременных цифр х-,),,, т.е. амплитуда радиосигнала представляет абсолютное значение цифр х;, а фаза - знак цифр х ;(,, Действительно, если источник когерентного света в акустооптическом процессоре излучает световое колебание E(t) е 63, где СОс - частота светового колебания, то после его взаимодействия в акустоопти- ческой ячейке процессора с акустичес-

кой волной, в которую преобразуется радиосигнал

S(t) A(t)ej4 W eicu«t

icfW

V Р

0 где A(t)e

- комплексная огибающая радиосигнала; A(t) nCP(t) - его амплитуда и

фаза, формируется световой сигнал

E(t)

х

A(t)e-i4 (l1. eJ (c0c+04lH JfUetWuH

«k

т„е осуществляется модуляция света по комплексной амплитуде поля в соответствии с комплексной огибающей радиосигнала S(t), т.е. в соответствии с A(t),

При этом, в когерентном акустооптическом процессоре на основе алгоритма дискретной свертки, при вводе радиосигналов, сооветствующих знакопеременным числам

17

ы

Ј

,м

k

т.е. радиосигналов

(t) - x.v-e

Sg; (t) y, k.e

ju,rt . jtoHt

где значения цифр xjx и у; являются значениями комплексной огибающей радиосигналов, в осуществлении оптических вычислений по комплексной амплитуде светового поля производится многоканальное вычисление дискретной свертки по комплексной амплитуде светового поля, т.е. формирование в каждом mn-ом канале оптического сигнала вида

к е

2N-2

(Z:

ЦОс+гюнН

N-I

S

„

/то

де 1 0,1,2,..

(5-ен

(с)е5(СЭе+гв)мП 25 , N-1;

.и

Е. Ш- комплексная амплитуда

К Я fMW

mn светового сигнала

№

с последующим двумерным либо одномерным (в зависимости от типа выполняемого векторно-матричного преобразования) суммированием оптических сигналов по всем каналам, т.е. образованием сигналов вида

Е либо

III

со

. ю

(t) 2XWft (0)е:(, RHmw

которые можно обобщенно записать в виде

ЕИ (t) -Ек),

.IV Kft

где Е (t)

EKAWn(

лийо Е Ґ. (t)

Е

Шп

KAmn

(t)

Для

IV

регистрации сигнала (t). представленного в виде комплексной амплитуды света, можно использовать метод гетеродинного фотодетектирования, при котором за счет интерференции на фотоприемной площадке фото- детектора немодулированного света E(t) е от источника когерент10

тзрпо

П 25

I73583618

ного света акустооптического процессора и его выходного оптического сигнала Е (t) Е Ј„ (t) ) в фотодетекторе генерируется радиосигнал с несущей частотой 2 С0« и комплексной огибающей, равной ), При этом известно, что гетеродинное фотодетектирование основано на нелинейности фотодетектора по отношению к световому полю.

Если сумма двух гармонических сигналов подвергается нелинейному квадратичному преобразованию, то в результате появляются гармоники как с суммарными так и с разностными частотами. Детектирование оптического сигнала есть не что иное, как квадратичное преобразование поля излучения„ Поэтому при одновременном детектировании двух оптических CHI- налов с различными частотами на выходе фотодетектора возникает электрический сигнал на разностной частоте. Поэтому электрический CHI- нал на выходе фотодетектора будет иметь вид

15

20

EV(t)

|E(t + E,;; (t)i

0 + В, (.

+

IV

i2COHt

1 + Е (t)-e (КГ. (t)).

КА

1 +

|Е.(ОГ

+ (V КА

5

,,.„ т 2Re XVA (t)

Слагаемое 2Re E KVft в выходном токе фотодетекторэ выделяется посредством полосовой фильтрации с центральной частотой полосы про- 0 пускания 2&)(,. Поэтому сигнал после проведения полосовой фильтрации S ,(t) будет иметь вид

IV

5

S,(t)

КА

cos 263.t

Далее, для выделения комплексной огибающей, т.е. сигнала Е kA (t), осуществляют синхронное детектирование сигнала Sf(t) радиосигналами

на удвоенной частоте гармонического несущего сигнала, т.е. на частоте 2й)ц. Известно, что синхронным детектором называют преобразователь частоты, работающий

при условии Qr Ос , где частота (Ог- частота генерации, ()с - частота сигнала, причем для выделения полезного сигнала на выходе включен фильтр нижних частот, например параллельная RC-цепь. Поэтому посредст- вом операции синхронного детектирования осуществляют выделение сигнала E.(t), для представления которого в цифровой форме используют последующие операции аналого-цифрового преобразования и цифрового взвешивания и суммирования о То есть при одновременном выполнении операций над знакопеременными числами обрабатываемых массивов без организации независимых каналов вычислений для учета знаков чисел результатом векторно- матричных преобразований, выполняемых в акустооптическом процессоре, являются знакопеременные величины, для регистрации которых используют гетеродинное фотодегектирование выходных оптических сигналов акусто- оптического процессора с получением радиосигналов на удвоенной по отношению к гармоническим несущим сигналам частоте несущей и осуществляют синхронное детектирование радиосигналов на удвоенной частоте гармонического несущего сигнала с последующим аналого-цифровым преобразованием продетектированных двуполярных аналоговых сигналов и их цифровым взвешиванием и суммированием с представлением результатов вычислений в дополнительном коде.

Предлагаемый способ определения результатов векторно-матричных преобразований в параллельных акусто- оптических процессорах реализуется следующей последовательностью операций.

Формируют из входных-двухуровневых импульсных последовательностей трехуровневые импульсные последовательности, в процессе получения которых каждую входную двухуровневую импульсную последовательность задерживают на временной интервал, соответствующий периоду следования импульсов во входной двухуровневой импульсной последовательности, вычитают из задержанного сигнала входную импульсную последовательность и прекращают формирование трехуровневой импульсной последовательности после поступления последнего импульса во входной двухуровневой импульсной последовательности и затем в процессе формирования радиосигналов | ввода в акустооптический процессор осуществляют сформированными трехуровневыми импульсными последователь0

5

0

5

ностями балансную модуляцию гармонических несущих сигналов с одинаковыми частотами и начальными фазами. После этого осуществляют параллельный ввод сформированных радиосигналов в акустооптический процессор, в котором параллельное оптической формирование дискретных сверток импульсных последовательностей производят с последующим суммированием оптических сигналов, соответствующих результатам получения дискретных сверток и параллельным гетеродинным фотодетектированием выходных оптических сигналов с получением радиосигналов на удвоенной по отношению к гармоническим несущим сигналам частоте, и осуществляют синхронное детектирование полученных сигналов радиосигналами на удвоенной частоте гармонических несущих сигналов, а затем .подвергают результат детектирования аналого-цифровому преобразованию и осуществляют над результатом преобразования цифровое взвешивание и суммирование со знакопеременными сигналами, представленными в дополнительном коде

0

5

0

На фигс1 представлена функциональная схема устройства определения результата скалярного произведения векторов со знакопеременными элементами векторов, представленными знакопеременными числами в дополнительном коде, реализующего предлагаемый способ; на фиг„2 - временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования трехуровневых импульсных преобразователей; на фиг.З - временные диаграммы, иллюстрирующие процесс перемножения знакопеременных чисел, представленных трехуровневыми импульсными последовательностями, посредством дискретной свертки этих последовательностей„

Устройство содержит блок 1 - генератор гармонического сигнала, соединенный своим выходом с входом блока 2 - делителя частоты гармонического сигнала на коэффициент М и формирователя импульсной последовательности с полученной делением частотой следования импульсов, соединенного своим выходом с входом 5 блока 3 - делителя частоты следования импульсов на два, выход которого соединен с первым тактовым выходом всего устройства, а также с тактовыми входами блоков f и 5 много5

O

21

канальных преобразователей входных двухуровневых импульсных последовательностей, соответствующих числовому представлению знакопеременных элементов перемножаемых векторов в дополнительном коде,в трехуровневые

1

импульсные последовательности, при этом числовые входы блоков Ц и 5 являются двумя многоканальными входами всего устройства, а многоканальные выходы соединены соответственно с многоканальными модуляционными входами блоков 6 и 7 - многоканальных амплитудно-фазовых манипуляторов, у которых входы для гармонического несущего сигнала соединены с выходами блока 8 - делителя частоты гармонического сигнала на коэффициент два с образованием гармонического несущего сигнала, вход которого соединен с выходом блока 1 при этом многоканальные выходы блоков 6 и 7 соответственно с многоканальными входами блоков 9 и 10 - многоканальных пространственно-временных акустооптических модуляторов света (МПВАОМ), совмещенных один с другим и имеющих встречное направление распространения звука в модуляторах, аналогично известному. По оптическому входу блоки 9 и 10 оптически связаны через блок 11 - формирователь входного светового пучка с оптическим выходом блока 12 - источника когерентного света (лазера), а по оптическому выходу через блок 13 линзу фокусировки дифрагировавшего светового пучка, оптически связаны с входом блока Ik - фотодетектора , выход которого соединен с входом блока 15 полосового фильтра с центром полосы пропускания на частоте, равной удвоенной частоте гармонического несущего сигнала.хПри этом выход блока 15 соединен с одним из двух входов блока 16 - аналогового перемножителя, второй вход которого соединен с выходом блока 1, а выход блока 16 соединен с входом 17 - фильтра низких частот, выход которого соединен с входом блока 18 - параллельного аналого-цифрового преобразователя двухполярных сигналов, у которого первый тактовый вход (вход стро- бирования) непосредственно соединен с выходом блока 2, а второй тактовый вход соединен с блоком 2 через линию 19 задержки на время аналого- цифрового преобразования, при этом

3583622

разрядные выходы блока 18 соединены с соответствующими разрядными входами блока 20 - цифрового накопителя с введением взвешивающих коэффициентов и представлением результата в дополнительном коде, тактовым выходом всего устройства , а выход является числовым выходом всего устройства.

Устройство определения результата скалярного произведения векторов со знакопеременными элементами векторов, представленными знакопеременными числами в дополнительном коде, работает следующим образом. В блоке 1 вырабатывается выходной гармонический сигнал, который можно записать в виде

10

15

20

W°

(

где

(2fH) - частота гармонического

сигнала. Сигнал U8bUl(t) с выхода блока 1

поступает на вход блока 2 - делителя частоты гармонического сигнала на коэффициент М и формирователя импульсной последовательности с полученной делением частотой следования импульсово Поэтому выходным сигналом блока 2 будет сигнал

и,

(t) (i + 1)T 3

5

0

5

ВЬПСЈ

где i 0,1,2,.00, оо и - -(i +1)T 3 - единичная прямоугольная функция, т.е. rectЈ,..3 1 при | t-(i + 1)к

хТ Т /2, где Т - период следования импульсов (тактовый интервал) в сформированной импульсной последовательности, причем (2Ји) , и rect.H 0 при It - (i + DT j Т/2 о

Сигнал UBb)(2(t) с выхода блока 2 поступает н вход блока 3 - делителя частоты -следования импульсов на два. Поэтому выходным сигналом блока 3 будет сигнал

SO

UB,,x5(t rect

t - (i + 1)

где Т 2Т Сигнал U

5

W0

поступает на первый

с выхода блока 3

тактовый выход всего устройства, соединенный с тактовым входом внешних (не входящих в состав устройства) блоков памяти знакопеременных элементов перемножаемых векторов, т.е. знакопе- ременных чисел, представленных в дополнительном коде. При поступлении сигнала UBb( (t) на тактовые входы этих внешних блоков памяти на их числовых выходах формируются двухуровневые импульсные последовательности, соответствующие перемножаемым элементам векторов, т.е. числам в дополнительном коде которые поступают соответственно на входы блоков k и 5 - многоканальных преобразователей входных двухуровневых импульсных последовательностей, соответствующих перемножаемым числам в дополнительном коде, в трехуровневые импульсные последовательности. При этом числовые входы блоков и 5 являются числовыми входами элементов двух перемножаемых векторов для всего устройства, а тактовые входы блбков А и 5 соединены с выходом блока 3, т.е. на них поступает сигнал ирых (t). Поэтому, при учете того, что на входы блока 4 поступают двухуровневые импульсные последовательности, соответствующие элементам вектора

СХ3 Cxi Х4ХЈ,..,хь размерности L, а на вход блока 5 двухуровневые импульсные последовательности, соответствующие вектору СУ У, Уг.. .,Уг .... размерности L, для суммарных входных сигналов блоков k и 5 можно записать следующие выражения:

i,N-i ) S §Е ЧЭопД

я - (i + 1)) i-N-f

uws(0 - 2 С у;зог,

X (i + 1)

ГЛеГх59опгЫ

и ;авп,«г

Эопгм е

- значения разрядов N-разрядных знакопеременных чисел в дополнительном коде,, соответствующих 1-м элементам векторов-.

На выходе канала блока формируется сигнал ) Овихф Яг представляющий трехуровневую импульсную последовательность

иВь,х

I .v

VT-P

0

5

:ивыхгг({: -Cow (t)c

StifleB. - (i+2)lj -f% С

х;Эоп 1егесЬ С - « + DT S:CxC 3onlN -x.-8on,Nlrectx i + DT,

Г«е Гх(1 -оэопгМ - xJ3ontNlle ПРИНИмает значения -1,0,+1. При этом формирование трехуровневой импульсной последовательности соответствует последовательному формированию представления знакопеременного элемента вектора, т.е. числа Xg в канонической форме полинома по степеням двойки со знакопеременными коэффициентами при степенях, т.е.

Г1 М

JS Lx(43ontN

х5Эол4н е- reStft-a+OT -SCx; r««t-)T.

0 e Cx(i-,)goniN Х59оп1м3езнакопеременные коэффициенты, принимающие значения -1,0 и +1, соответствующие знакопеременным коэффициентам при степенях двойки для пр ед- c ставления элемента (числа) х в канонической форме полинома, т.е. ИМ

xe S ;kV21

0 Описанный процесс формирования выходной трехуровневой импульсной

последовательности (-)в ло ке- 4 из входной двухуровневой импульсной последовательности $ fc проиллюстрирован на временных диаграммах на фиг.2, где CuBX4(t)3Ј соответствует элементу (числу) х. -7, т.е. в дополнительном по отношению к .. 16 коде

0 Cx9ot, г 100К ЭТОМ ВЫ ходной сигнал LUgbijr Ct i 1-го канала блока k представляет число xj ,в канонической форме полинома, т.е.

t т -1 0 +1 - j « -Ь23 + 0-22 +

+ Ь2

1-2

6

-7.

Аналогично 1-му каналу многоканального блока А (фиг.1) работает

25

1-й канал многоканального блока 5. Поэтому выходной сигнал D ekDf lc лля 1-го канала блока 5 можно записать в виде

N-1

tWe(t)e ,.ОЗопгм эомЪ 1

ы

.KV (i+1)T,

-о причем

У S IXV2

о

Следовательно, совокупность выходных сигналов блоков k и 5 можно представить в виде

i f x; Vecti -(i + DT,

ивыу5) SZ Ou erectl - (1е от.

В соответствии с фиг.1, сформированные в блоках и5 трехуровневые импульсные последовательности UByx4(t.) и Ueb|Jt (t) с выходов блоков k и 5 поступают соответственно на модуляционные входы блоков 6 и 7 - многоканальных амплитудно-фазовых манипуляторов, у которых на входы гармонического несущего сигнала поступают гармонический несущий сигнал t ebixg) с выхода блока 8 - делителя частоты гармонического сигнала на коэффициент два с образованием гармонического несущего сигнала, т„е, сигнал, образованный делением частота на два сигнала (t) cos2n(2f H)t, поступающего с выхода блока 1 на вход блока 8. При этом выходной сигнал блока 8 будет

cos2ftfHt,

где f и - частота гармонического несущего сигнала. В блоках 6 и 7 осуществляется многоканальное формирование радиосигналов посредством балансной модуляции в каадом канале гармонического несущего сигнала Ueb)g(t) в соответствии с поступающими i на модуляционные входы блоков 6 и 7 трехуровневыми импульсными последовательностями U Ј1, (t) и иаых5

10

3583626

с выходов блоков k и 5. При этом в формируемых каналах блоков 6 и 7 радиосигналах логическому уровню О в трехуровневой последовательности соответствует нупевое значение амплитуды гармонического несущего сигнала, логическому уровню 1 в трехуровневой импульсной последовательности соответствует нормированное значение амплитуды 1 и значение фазы 0 градусов в гармоническом несущем сигнале, а логическому уровню (-1) в трехуровневой импульсной последовательности соответствует нормированное значение амплитуды 1 и значение фазы 180° в гармоническом несущем сигнале. Т„е„ выходные радиосигналы Ufcbixg t) и ивыхт О блоков JQ 6 и 7 имеют вид

Wt 2&вь,х4(0 Е е 2 ; &иеых5Ш е-е1 27.

15

25

Радиосигналы Ueb)x$(t) HUeb))f7(t) с выходов блоков 6 и 7 поступают соответственно на электрические входы блоков 9 и 10 - многоканальных пространственно-временных акустооптичес3 ких модуляторов света (МПВАОМ), совмещенных друг с другой и имеющих встречное направление распространения звука в модуляторах, причем по оптическому входу блоки S и 10 опти35 чески связаны через-блок 11 - формирователь входного светового пучка с оптическим выходом блока 12 - источником когерентного света (лазера), а по оптическому выходу через

40 блок 13 - линзу фокусировки дифрагировавшего светового пучка оптически связаны с входом блока - фотодетектора „ При поступлении радиосигналов Ueb|Xe(t) и URbh,7(t) на

45 электрические входы блоков 9 и 10 - МПВАОМ посредством пьезопреобразова- телем МПВАОМ, соединенных с электрическими входами блоков S и 10, они преобразуются в бегущие по крис

50 таллам блоков 9 и 10 навстречу друг Другу акустические (ультразвуковые) волны с амплитудами (W.tjQp и . где 1 - 1,2,..., L - номер канала в блоках 9 и 10, W 55 координата вдоль направления распрост- Фанения звука в одном из блоков 9 или 10, например, в направлении распространения звука в блоке 9 с началом координат в середине вход27

ной оптической апертуры. С учетом того, что блоки 9 и 10 совмещены один с другим и имеют встречное направление распространения звука, выражения для бегущих по ним звуковых волн

Г81Ы(У °Зе . соответствующих поданным с выходов блоков 6 и 7 радиосигналам (t)lt. и О вмхт Зе при выборе координаты W вдоль направления распространения звука в блоке 9 можно записать в виде:

v,«.,

xrect(W/W0);

WHe-b4- f l

xrect(W/We),

17

и

73583628

образуют акустооптические конволверы (устройства определения результата операции свертки) с гетеродинным . фотодетектированием и радиочастотным выходным сигналом на удвоенной частоте гармонических несущих сигналов .

Кроме того, блок 13 осуществляет tO оптическое суммирование результатов определения операции свертки по всем имеющимся L каналам. Поэтому выходным сигналом блока 15 будет сигнал вида

UWIX (t) (2f|l)(t -20 ) f.

S ЛКпчИеЧ, ), Ъ

2(t-2.)

fl W

Сигнал Uguy,) c выхода блока 15 пос- тупает на один из входов блока 16,

Изобретение относится к оптической вычислительной технике с выполнением математических операций с помощью оптических или электрооптических элементов, в частности к оптическим средствам для определения результатов векторно-матричных преобразоИзобретение относится к оптической вычислительной технике с выполнением математических операций с помощью оптических или электрооптических элементов, в частности к оптическим средствам для определения результатов векторно-матричных преобра.- зований в реальном масштабе времени; Известны различные способы определения результатов векторно-матричных преобразований, осуществляемых над ваний в реальном масштабе времени. Цель изобретения - повышение скорости определения и увеличение размерности параллельно обрабатываемых массивов знакопеременных чисел. Формирование радиосигналов, соответствующих обрабатываемым знакопеременным числам, осуществляется без разделения чисел обрабатываемых массивов на положительные и отрицательные. Зто достигается тем, что при формировании радиосигналов, соответствующих знакопеременным числам обрабатываемых массивов, достигается однозначное соответствие между знакопеременными числами и формируемыми радиосигналами, в результате чего отпадает необходимость организации независимых каналов вычислений и операции линейной алгебры над знакопеременными числами обрабатываемых массивов, включающие в себя элементарные операции умножения и сложения, могут выполняться вне зависимости от знаков обрабатываемых чисел. 3 ил. элементами массивов знакопеременных данных в параллельных оптических «процессорах для обработки сигналов в реальном масштабе времени. При этом особенностью операций со знакопеременными данными во всех типах оптических процессоров является то, что детекторы световых сигналов, т ,е. фотодетекторы, по своей природе являются квадратичными, т.е. регистрируют квадрат модуля комплексной ампг (Л с | ОЭ ел оо w а

где W0 - размер входной оптической апертуры вдоль направления- распространения звука в блоках 9 и 10;

V.B - скорость звука в кристаллах блоков 9 и 10; rect(W/W$) - прямоугольная функция, учитывающая оптическую апертуру блоков 9 и 10, т.е. rect(W/W0) - 1 при fW/W0U «в/2 и rect(W/W0) t 0 при (W/W0| w,/2 ,

При учете того, что (W0/2V b) в Q0 представляет постоянную задержна второй вход которого поступает сигнал U8b,x, (t) (2ffl)t с вы- хода блока 1. После аналогового пере

и U.kw.(t

множения сигналов Ueb,j,5(t)

еыу.

в блоке 16 на его выходе получаем

сигнал U

30

Ы 1Х16

iW0

(t), т.е. ,5Ct) 6ЫХ 4

(t)

(2fH)(t ) (2fM)t

еГЧивь«4)1е(ивь„5 2(К)ку прохождения звука до середины оптической апертуры блоков 9 и 10,

вых5

2(tV.

«fcos 2t(2fh)0

+ (2fh)(t ) + 2fr(2f,,)

а также подставив выражения для6«Ь р- г

«WO и Ueb)X7(t), (W,t)e 4e«St № tt)J«lU иС8|в,1г получаем t,i

FsfB,(w,t)e {и,мо -(w/v, -,

+ о - (W/V,6)+ -ь Op - rect(W/W0);

,t3je {uRblXg t -e,-(W/V)e exp{j2tf -«, - -(W/Vjft)j rect(W/W0),

где использована тригонометрическая д. формула 2cosA.cosB cos(А - В) + + cos (A + В). Сигнал U-.-y.-Ct) с вы -fBbl 16

хода блока 16 подается на вход блок 17t Поэтому сигнал ,,. (t) на вы ходе блока 17 имеет вид

50

(О

|г(,

) )Je (UBb,(tеиь -tJl,«rt.

Каждые отдельные 1-е каналы блоков 9 и 10 в сочетании с блоком 11, блоком 12, блоком 13, блоком 1 и блоком 15 с центром полосы пропускания на частоте 2fH, равной удвоенной час4 тоте гармонических несущих сигналов,

на второй вход которого поступает сигнал U8b,x, (t) (2ffl)t с вы- хода блока 1. После аналогового переи U.kw.(t)

множения сигналов Ueb,j,5(t)

еыу.

в блоке 16 на его выходе получаем

сигнал U

Ы 1Х16

iW0

(t), т.е. ,5Ct) 6ЫХ 4

(t)

(2fH)(t ) (2fM)t

еГЧивь«4)1е(ивь„5 2(К) вых5

2(tV.

)J

где использована тригонометрическая формула 2cosA.cosB cos(А - В) + + cos (A + В). Сигнал U-.-y.-Ct) с вы -fBbl 16

хода блока 16 подается на вход блока 17t Поэтому сигнал ,,. (t) на вы ходе блока 17 имеет вид

(О

|г(,

) )Je (UBb,(tеиь -tJl,«rt.

Таким образом, блок 16 и блок 17 позволяют осуществить синхронное детектирование сигнала Ueb)Xls (t) радиосигналами Uftbnt((t) на удвоенной час29

тоте гармонических несущих сигналов Так как Ј0 (W0/2)/Vib, то при выборе (2fu) О W /Ъ

&

Н - 1V AJBH П ГДе П целое число, длина волны звука на частоте гармонического несущего сигнала, т.е. при выборе оптической апертуры WQ блоков 9 и 10 вдоль направления распространения звука, кратной Длине волны звука в кристаллах блоков 9 и 10 на частоте гармонического несущего сигнала fH, получаем для UBblx (t) следующее выражение:

ьГ°г

U6bIM7(t) 2 JotUBbl4(0)e,

К.

Й-.L г- г

2 Kb,4)(t- -Uo ,

i о -«.),

d

(t)

Таким образом, сигнал U6b)X на выходе блока 17 - фильтра низких частот представляет сумму сверток трехуровневых импульсных последовательностей flJBb,M (t )„ , (t )g с удвоенным масштабом времени (ускоренным в 2 раза протеканием событий) и постоянной задержкой t 2(t -$e). Поскольку трехуровневые импульсные последовательности {и (t)g и |ГиВЬ| представляют знакопеременные числа в конической форме полиномов по степеням двойки со знакопеременными (-1,0,+1) коэффициентами при степенях двойки, т„е.

N-t LuBb.)Je g x-.J,,

xrect t - (i+1)T, N-i

где X6 S V 2

и аналогично

ш

Cu-x5 jSfr e tN-l

где Уе S y .k%2

JeO

то выражение для (t) можно записать в виде

гм-г NUMeo(t) .1 Z xsj€ ГIffiTi A /- i(° 2()1

ЧУ( + (1} (ТиУт J

3583630

где i и j - целые переменные, i

0,1,2N-1 и j 0,1,2,...,

(2N-2);

5 Г, . / .) 2(t -С0)1

L ( еДиничная положительная треугольная функция (функция пилы, являющаяся результатом операции свертки функций 10 - (i + 1)Т,

®- знак операции свертки. При условии пТ, где п - целое, выражение для Uftbty (t) можно преобразовать к виду 2N-2 N-

н6Ых„ (t) g, Z: S x;k-y(j-,)k

, ( „

(j + От

20 где Т Т/2. Условие 2 2ft пТ при учете ранее наложенного условия (2Јц)0 п означает, что частота гармонического несущего сигнала должна быть кратна частоте следования

25 импульсов в импульсных последовательностях, соответствующих элементам векторов, т.е. числам х и у«, или 1/fj, пТ. Поэтому частота следования импульсов (тактовая частота)

30 должна образовываться посредством деления частоты гармонического несущего сигнала, что осуществляется блоками 2 и 3 (фигЛ).

Сигнал U6b|Xn(t) с выхода блока 17 фильтра низких частот поступает на вход блока 18, в котором при поступлении импульсов с периодом следования Т1 на первый тактовый вход, соединенный с выходом блока 2, осуществляется стробирование сигнала U БЬ|х ,7(t) , т3е. преобразование его в сигнал Ujg(jT ), а затем преобразование сигнала (jT ) в цифровой (двухуровневый сигнал) Ufcbu ,8 (jT1 ) причем преобразование в цифровой сигнал осуществляется раздельно для положительных и отрицательных значений U1g(jT ), -для управления которым используется тактовый CHI- нал, поступающий на второй тактовый вход блока 18 с выхода блока 19, вход которого соединен с выходом блока 2. При этом стробирование сигнала ийЫХ1 в блоке 18 в моменты времени t jT/1 приводит к образованию

55 игнала U18 (jTf)

2N-2 М-

u,8(ji ) -S S Ые .°

40

45

31

Можно показать, что полученный после стробирования сигнал U(jTr) является двуполярной импульсной последовательностью с амплитудами импульсов, равным коэффициентам при степенях двойки при представлении числа z - результата скалярного произведения векторов VJ и fyj,

т.е. (V УД z, где z - скаляр (число), обозначение транспр- нированного вектора„ В соответствии с известным определением скалярное произведение векторов Ј 1 и размерности п есть число Т,Ј, +

+ ос. число образованное матричным произведением строки Јт на столбец { , в канонической форме полинома по степеням двойки со знакопеременными коэффициентами при степенях двойки о Известно, что для двухуровневых импульсных последовательностей, представляющих числа xbfl и yb 0, такое перемножение чи10

173583632

сел называется алгоритмом дискретной свертки

Фактически алгоритм перемножения посредством дискретной свертки эквивалентен аналоговому сложению частичных произведений при последовательном перемножении чисел столби ком.

Рассмотрим вид сигнала U (jT1) на примере перемножения 1-х элементов векторов, соответствующих знакопеременным числам ХЈ 5, У{ 7 представленных трехуровневыми им- 15 пульсными последовательностями, соответствующими этим числам в канонической форме полиномов гго степеням двойки со знакопеременными (-1, О, +1) цифрами, т.е.

(+0-23 + 5 и у, (-0(0) (+0 (-0 - (-0-23 +

V . . в / - V -.Л

20

х (+ОНМ+ОН) . . fc

+ (-0 22 + (+0 2 + (-1)-2ь

+ П-22 + (+0-21 + (-1)«2° -7.

Произведение этих чисел будет равно

(+О (-i)(+0(-O (-O(o)(+O(-O (+0(-0(+0(-0 (-0(о) (+1Н-0

(-0(+0(-0(+0 (+0(-t)(+0(-0 оо о о х

-0(+0(-t)(+0 ч

ч ч

(-0(+Оч(оГ(-Ш+2И-2}(-и)

(rt)-2« + (+0-2 - (0) 24 + + (+2) «22 + (-2)- 2 + (+0-2° -64+32+0-8+8-4+1 - -35 хгуе 5(-7).

При этом fu18(jT )e/b0 1; , . (lJ,8(JT )f,- f - -2; tlJieUT i/M +2; (jT )|j- -I . , {Ui8(JT )bff4 - 0; ((jT ) i;fu48(jT )|,-.6 -1.

Процесс формирования сигнала Ujg(jT ) для перемножения чисел xg 5 и yg -7, представленных сигналами ,UBblX4 (t)j p и иЬЫХ5 (t)e

векторов. Поэтому для получения ск лярного произведения векторов Z txj в обычной цифровой форм в виде двухуровневой импульсной 45 последовательности, соответствующе представлению знакопеременных чисел в дополнительном коде, необходимо осуществить аналого-цифровое преобразование двуполярного сигнала

т.е. формирование сигнала UBblx (t) 50 полученного стробирова.. ..ВЫХ1

и сигнала UieCjT ), являющегося стробированным результатом свертки Сивьпг4 (fc9e® LuBbiys(t)J€, изображен на временных диаграммах на фиг,3. При этом, при перемножении всех возможных чисел значение Uig(jT ) заключено в диапазоне -NL; U,(jT 5Ј -NL, где N - число разрядов перемножаемых чисел, L - число элементов

нием в цифровой сигнал UBWJffeu(jT

соответствующий знакопеременным чис лам, а затем осуществить взвешивани знакопеременных чисел,представленны 55 сигнал9м Ueb|Jr,eu(jT(), коэффициентами 2 и произвести сложение взвешенных чисел для получения результа та произведения Z V. Ју что осуществляется в блоке 20, соединен

10

73583632

сел называется алгоритмом дискретной свертки

Фактически алгоритм перемножения посредством дискретной свертки эквивалентен аналоговому сложению частичных произведений при последовательном перемножении чисел столбиком.

Рассмотрим вид сигнала U (jT1) на примере перемножения 1-х элементов векторов, соответствующих знакопеременным числам ХЈ 5, У{ 7, представленных трехуровневыми им- 15 пульсными последовательностями, соответствующими этим числам в канонической форме полиномов гго степеням двойки со знакопеременными (-1, О, +1) цифрами, т.е.

(+0-23 + 5 и у, (-0(0) (+0 (-0 - (-0-23 +

V . . в / - V -.Л

20

х (+ОНМ+ОН) . . fc

+ (-0 22 + (+0 2 + (-1)-2ь

+ П-22 + (+0-21 + (-1)«2° -7.

(-0-23 +

векторов. Поэтому для получения скалярного произведения векторов Z txj в обычной цифровой форме в виде двухуровневой импульсной последовательности, соответствующей представлению знакопеременных чисел в дополнительном коде, необходимо осуществить аналого-цифровое преобразование двуполярного сигнала

полученного стробироваи я т полученного стробирова18.,

нием в цифровой сигнал UBWJffeu(jT ),

соответствующий знакопеременным числам, а затем осуществить взвешивание знакопеременных чисел,представленных сигнал9м Ueb|Jr,eu(jT(), коэффициентами 2 и произвести сложение взвешенных чисел для получения результата произведения Z V. Ју что осуществляется в блоке 20, соединен33

ном с блоком 18 с получением цифрового сигнала в виде

2N-2

ивых20цат ) -z; и

J6b1V,

„о Так же как и формирование сигнала (JT ), получаемого стробированием , так и преобразование его в Ugbntiei/JT1) осуществляется в блоке 18 (фиг„Л, При этом выходным сигналом блока 20 и, соответственно, всего устройства будет сигнал следующего вида:

17

U

выхц JT UBWXwu(jT )

(JT1 2П

J

Г

Н S U8blX ,8ц

,г.и-г г-о

J-o

-(j +

J3on( S .,°T3 S Z;9an(2 x rectjt - (j + 1)T.

Таким образом, устройство изображенное на фиг„1, осуществляет определение результата скалярного произведения векторов Z Јxj. , где СХ3 и СУ вектора размерности L со знакопеременными элементами в виде знакопеременных N-разрядных чисел в дополнительном коде, с получением двухразрядного результата в дополнительном коде.

В устройстве вычисления скалярного произведения вектора со знакопеременными элементами векторов, представленными знакопеременными числами в дополнительном коде, реализующем предлагаемый способ (фиг.1), в качестве блоков 9 и 10 (многоканальные пространственно-временные акустооптические модуляторы света (МПВАОМ)) могут быть использованы различные типы известных в настоящее время МПВАОМ, причем число каналов МПВАОМ может достигать 128 и теоретически ограничено значением 512, при этом в качестве элементов цифровых электронных узлов могут быть использованы микросхемы серии К500, К1500. В качестве каналов блоков 6 и 7 (многоканальные амплитудно- фазовые манипуляторы), а также для блока 16 (аналоговый перемножитель), могут быть использованы микросхемы аналоговых перемножителей- модуляторов , , и 526ПС1, 526ПС2 либо„цифро,

15

20

735 363J

вые микросхемы серии «500 и К1500 для параллельного аналого-цифрового преобразователя двуполярных сигналов - блока 18 - могут быть использованы микросхемы параллельных аналого- цифровых преобразователей 1107ПВЗ и 1107ПВ, позволяющие работать с тактовыми частотами до 100 МГцв

JQ По сравнению с известным способом предлагаемый позволяет увеличить в k раза скорость определения результатов векторно-матричных преобразований при сохранении размерности обра- батываемых массивов или при сохранении скорости определения результатов увеличить в 2 раза размерность обрабатываемых массивов. Объясняется это следующим образом, В известном способе для операций со знакопеременными числами используется избыточное представление знакопеременных чисел, т„е. организуется разделение чисел на положительные и отрицательные и используются четыре независимых канала вычислений с последующим суммированием результатов вычислений с учетом знаков,, При этом для организации четырех независимых каналов вычислений - используется частотное уплотнение каналов, т,е0. формирование радиосигналов с частотным уплотнением, где часть полосы частот, равная W/2 при условии, что W - полоса частот пропускания по каждому

35 входу акустооптического процессора, отводится для представления чисел, одного знака с последующим вводом радиосигналов в акустооптический процессор. При этом, если рассматривать

40 каждый отдельный вход акустооптического процессора, то его пропускная способность будет определяться количеством информации, передаваемом через него в единицу времени. Одна45 ко, известно, что в соответствии с теоремой Шеннона пропускная способность С канала с полосой частот W, в котором имеется произвольный шум, ограничена неравенством

25

30

Wlog

Р +

NI

ЈC«ЈW log

Р + N

5

где Р N средняя мощность передаваемых сигналов; средняя мощность шума;

К - энтропийная мощность шума, т.е. средне-геометрическая мощность шума по различным частотам в полосе W

35

N,

logN(f)df

где N(f) - мощность шума на частоте f.

Поэтому при использовании в известном способе частотного уплотнения каналов для представления положительных и отрицательных чисел пропусная способность каждого из входов акустооптического процессора в два раза меньше по сравнению с предлагаемым, так как в единицу времени на каждый вход акустооптического процессора поступает либо только положительное, либо только отрицательное число, а для каждого из них отведена полоса W/2, При этом скорость определения результатов векторно-мат ричных преобразований в предлагаемом способе, определяемая количеством чисел массивов, обрабатываемых в единицу времени, в четыре раза больше, чем в известном способе, в котором размерность каждого из двух параллельно обрабатываемых акустооптичес- ким процессором массивов должна уменшаться в два раза/ поскольку при это же числе параллельных входов акустооптического процессора с фиксированной полосой частот пропускания необходимо формировать два раздельных массива обработки с учетом знака (либо только положительных, либо толко отрицательных чисел) и использо-, вать частотное уплотнение для одновременной обработки элементов сформированных массивов. Аналогично при фиксированной скорости определения результатов в предлагаемом способе размерность обрабатываемых массивов увеличивается в 2 раза, так как в известном способе при фиксированной величине W, т.е„ полосы частот пропускания по входам акустооптического процессора, возможная разномерность обрабатываемых массивов в два раза меньше вследствие частотного уплотнения. Формула изобретения

Способ определения результатов векторно-матричных преобразований в параллельных акустооптических процессорах, основанный на формировании из входных двухуровневых импульсных последовательностей, соот10

735Я3636

ветствующих цифровому представлению знакопеременных элементов параллельно обрабатываемых массивов, радиосигналов ввода в акустооптический

процессор, осуществляющий параллельное оптическое формирование дискретных сверток импульсных последовательностей с последующим суммированием оптических сигналов, соответствующих результатам получения дискретных сверток, параллельном фотодетектировании выходных оптических сигналов, аналого-цифровом преобразовании фотодетектированных сигналов и последующем цифровом взвешивании и суммировании, отличающийся тем, что, с целью повышения скорости определения и увеличения размернос20 ти параллельно обрабатываемых массивов знакопеременных чисел, из входных двухуровневых импульсных последовательностей формируют трехуровневые импульсные последовательности, в процессе полуj, чения которых каждую входную двухуровневую импульсную последовательность задерживают на временной интервал, соответствующий периоду следования импульсов во входной двухуровневой импульсной последовательности, вычи

15

30

35

40

45

50

55

тают из задержанного сигнала входную двухуровневую импульсную последовательность и прекращают формирование трехуровневой импульсной последовательности после поступления последнего импульса во входной двухуровневой импульсной последовательности и затем в процессе формирования радиосигналов ввода в акустооптический процессор осуществляют сформированными трехуровневыми импульсными последовательностями балансную модуляцию гармонических несущих CHI- налов с одинаковыми частотами и начальными фазами, а параллельное фотодетектирование выходных оптических сигналов осуществляют посредством гетеродинного фотодетектирования выходных оптических сигналов на удвоенной по отношению в гармонических несущих сигналов и затем подвергают результат детектирования аналого-цифровому преобразованию, осуществляют над результатом преобразования цифровое взвешивание и суммирование со знакопеременными сигналами, представленными в дополнительном коде.

/,/Ц -j--

r/ fnodowp пшои/хои/

: Po,2

Vttft

foxtig

/v

ог

V

/

HitpddU муошжхи |

$0XI9ff