3. Оцінка складності оптоелектронних структур

Використання оптоелектронних запам’ятовуючих елементів - квантронів вимагає введення поправок до методики Квайна, яка застосовується для електронних комбінаційних схем і не орієнтована на схеми з фотонними носіями інформації, оскільки не враховує їхні особливості. Для оцінювання складності квантрона пропонується модифікований метод Квайна виду:

W = C_B + C_A + C_O , (1)

де W - сумарна складність (ціна) схеми; C_B - ціна схеми по кількості входів; С_А - ціна схеми по кількості р-n переходів активних елементів; C_О - ціна схеми по кількості зворотних зв'язків.

На відміну від засобу Квайна пропонується замість показника ціни по кількості активних елементів ввести більш об'єктивний показник по кількості р-n переходів активних елементів і по кількості зворотних зв'язків. Таке уточнення пов'язане, зокрема, з тим, що оцінювання апаратурних витрат оптоелектронних активних елементів здійснювалося по їхній безпосередній кількості. Наприклад, ціна фотодіоду з одним р-n переходом і фототиристора з чотирма р-n переходами однакова по кількості активних елементів. Це відноситься і до інших оптоелектронних приладів, зокрема, до фотоприймачів, в технології яких застосовуються багатошарові структури з С_А 2 переходів.

В показник кількості активних елементів включаються наступні активні оптоелектронні елементи: фотодіод, фототранзистор, фототиристор, але не враховується, що в склад будь-якого оптрона входить, крім того, джерело випромінення - найчастіше світлодіод. Тому доцільно вважати активними оптоелектронними приладами не окремі фотоприймачі - перетворювачі світлової енергії випромінювання в електричну, а в сукупності весь елементарний оптоелектронний прилад оптрон, складність якого оцінюється по кількості напівпровідникових р-n переходів і рівна С_А = 2.

Для визначення апаратурної складності будемо представляти схему зручними стохастичними моделями - мнемосхемами. Кожна вершина мнемосхеми поділена на три сектори: в верхньому секторі проставляється номер вузла, в правому - його ціна, що визначається за формулою (1), в лівому - функція, що виконується. На дугах можуть бути вказані тимчасові затримки при проходженні інформації з однієї характеристичної точки в іншу. Критерій С_А в формулі (1) вказує на кількість елементів, що керуються ззовні, наприклад, оптоелектронних приладів (фотодіодів, фототранзисторів) і звичайних електронних (транзисторів, тиристорів і т. і.).

В загальному випадку в формулу (1) необхідно ввести масштабні коефіцієнти  так як питома вага кожного з показників С не є однаковою. Тоді формула (1) прийме вид:

W = C_B + C_A+ C_О. (2)

Ціна всього операційного приладу:

.

Білет №15

1. Просторово-часові модулятори світла як базові компоненти систем оптоелектронної обробки в оптоелектронних івс.

ПЧМС – працює в режимі реального часу, це реконфігурований пристрій, який здатний змінювати амплітуду, інтенсивність, фазу чи поляризацію оптичних хвиль в залежності від місця розташування даної ділянки на хвильовому фронті.

Назва структури відображає суть її функціонування, яка полягає в просторов-часовій модуляції світлового потоку деяким модульованим середовищем відповідно до просторово-часового розподілу масиву данних, який поступає на вхід структури.

Властивість ПЧМС модульованого в просторі і часі двовимірний фронт оптичної хвилі дає оптичним процесорам такий рівень паралелізму, якого немає у електронних аналогах.

ПЧМС які здійснюють модуляцію хвильового фронту за одним просторовим виміром називаються одновимірними. На сьогодні вони досягли високого розвитку. Є пристрої які мають число каналів від 1000 і вище. Частота зміни кадрів на рівні МГц.

Такі пристрої не дозволяють виконувати двовимірну модуляцію застосування якої дозволило б збільшити розмір оброблювальних данних до 1 млн. Елементів для матриці (наприклад 1000 на 1000). Тому двовимірні ПЧМС відіграють провідну роль при розробці оптичних систем і обробці зображень.

Двовимірну модуляцію можна здійснити на основі одновимірних ПЧМС так:

1. пакетуванням одновимірних модуляторів

2. застосуванням спеціальних комбінацій двух модуляторів орієнтованих ортогонально один відностно одного.

Проте, багато прикладних задач вимагає віграшу в гнучкості, розмірі, масі, електроспоживанні, що може забезпечити лише застосування двовимірних ПЧМС.

ПЧМС має такі функціональні характеристики:

1. формати данних ПЧМС можуть бути розраховані на сприйняття та виведення данних у вигляді:

а) неперервних сигналів (бажано при обробці зображень)

б) у вигляді дискретних масивів даних, бажано при обробці матриць.

2. Розрізняють 2-а режими зчитування:

а) робота на пропускання

б) робота на відбиття

Геометрія розраховується на роботу в режимі відбиття як правило є переважною для ПЧМС з оптичною адресацією, оскільки вона автоматично забезпечує розвязок між детектором і модулятором.

3. Є ПЧМС модульовані, величину яких можна плавно змінювати в певному динамічному діапазоні – це аналогові ПЧМС. Проте деякі ПЧМС, матеріальне виготовлення яких і механізми модуляції за своєю природою працюють в двійковому режимі. Їх область застосування обмежена, проте разом з іншими корисними властивостями, наприклад, запамятовуванням та новим архітектурними ідеями, вони успішно реалізовують ряд операцій по обробці оптичного сигналу, наприклад, кореляціжю.

4. Важливою характеристикою також є властивість ПЧМС зберігати модуляційну інформацію без її поновлення ззовні. Властивість запамятовувати може бути внутрішньовластива матеріалам модулятора або може створюватися за допомогою спеціальних структур, які можуть зберігати просторові заряди.

2. Основи квантронної схемотехніки.

О птоелектронні елементи, а також пристрої, побудовані на базі оптоелектронної схемотехніки, володіють ознаками багатофункціональності. Їх відмінністю є те, що множина функцій виконується при порівняно невеликій кількості керуючих входів. Скорочення числа входів досягається за рахунок використання способу представлення інформації у вигляді мінімального дискрета часу, що визначається часом спрацювання активного елемента пам’яті. Такими активним елементом пам’яті в оптоелектронній схемотехніці служить квантрон, що є структурним елементом однорідного обчислюю чого середовища, в якому аналогова і цифрова обробка інформації супроводжується запам’ятовуванням і індикацією результатів. Сукупність квантронів утворює напівпровідникову оптоелектронну мікросхему, на яку викладені певні функції.

Прикладом елементарного квантрона може слугувати оптоелектронна пара (рис.)

Рис. Схема елементарного квантрона

1 – фотоприймач з двомафоточутливими поверхнями; 2 – світловипромінювач з трьома розділеними світловипромінюючими поверхнями; 3 – комутатор (підсилювач струму), що узгоджує енергетичні характеристики фотоприймача і світловипромінювача; VD – напівпровідниковий діод.

При дії на квантрон потоку Ф_ВХ і напруги засвічення U_З на вхід модулятора U_M фотоелемент 1 пропускає на комутатор 3 струм, який є достатнім для переходу комутатора з закритого стану у відкритий, в якому вын пропускає струм, який проходить через світловипромінювач 2. При цьому електрична енергія частково перетворюється в променисту і розподіляється в декількох напрямках. Засвічення світловипромінювача 2 відбувається за час τ, що відповідає за швидкодію квантрона. При закритому комутаторі струм через світловипромінювач не проходить. Коли світловипромінювач 2 випромінює енергію, квантрон знаходиться в стані збудження. По закінченню часу τ зовнішній променистий потік Ф_ВХ припиняється, напруга модуляції U_M зменшується і приймає постійне значення U_Ф (напруга фіксації). Але квантрон залишається в збудженому стані, оскільки світлоелемент, що утворює позитивний зворотній зв’язок, дозволяє комутатору пропускати достатній для світіння струм. В стані збудження квантрон знаходиться доти, поки через діод VD не подадуть імпульс скиду U_С з тривалістю τ, при цьому комутатор закривається і світлвипромінювач 2 гасне. Тому квантрон виконує функції активного елемента пам’яті, тобто звичайного тригера, але з двома відмінностями: 1) тригер не може будуватися на одному транзисторі; 2) в тригері необхідні два зворотні зв’язки.

Основні вимоги до квантронів:

1. Квантрон повинен володіти здатністю „запам’ятовувати” вхідний світловий (чи електричний) сигнал до поступання зовнішнього імпульса скиду.

2. Для забезпечення нормального режима роботи в логіко-часових пристроях квантрон повинен видавати світловий (чи електричний) сигнал на виході через певний інтервал часу, що дорівнює затримці розповсюдження (τ = const).

3. Квантрон повинен збуджуватися тільки при співпаданні вхідного світлового сигналу і верхнього рівня модульованої напруги, після чого він підтримується в збудженому стані навіть при низькому рівні напруги модуляції.

4. Квантрон повинен випромінювати світлову енергію на виході і декількох напрямках для збудження інших квантронів і для візуальної індикації.

3. Класифікація нейромереж та їхні властивості.

За топологією можна виділити 3 основних типи нейромереж (НМ):

1. повнозвязні

2. багатошарові (шаруваті)

3. слабо зв’язані (з локальними звязками)

У повнозвязних НМ кожен ФН передає свій вихідний сигнал іншому ФН і самому собі. Всі вхідні сигнали поділяються на всі ФН. Вихідний сигнал ФН після кількох тактів функціонування ФН (рис 1а).

У багатошарових НМ нейрони об’єднані у шари, кожен з яких містить сукупність ФН з єдиним вхідним сигналом. Кількість нейронів у шарі б-яка і не залежить від кількості нейронів в інших шарах. Шари в НМ нумеруються зліва направо. Зовнішні вхідні сигнали подаються на входи нейронів вхідного (нульового) шару, а виходом НМ є вихід сигналів останього шару.

Між вхідними і вихідними шарами в НМ існують приховані шари, а зв’язки між шарами q-тим та (q+1)-м називаються послідовними (рис 1б).

Рис 1. Архітектура НМ:

Повнозвязна НМ(а); багатошарова НМ з послідовними зв’язками (б); слабо зв’язані НМ з прямокутною (в) і гексагональною (г) решітками.

У слабозв’язаних НМ нейрони містяться у вузлах прямокутної або гексагональної решітки (гратки) (рис 1 в,г). Кожен нейрон може бути з’єднаний з 4-ма (окіл фон Неймана). 6-ма (окіл Голея), або 8-ма (окіл Мура) найближчими сусідами. Серед цих НМ можна виділити:

-НМ з перехресними зв’язками

-НМ з латеральними зв’язками.

За типом структур нейронів НМ можна поділити на :

• гомогенні (однорідні);

• гетерогенні

Гомогенні НМ складаються з нейронів з єдиною функцією активації.

У гетерогенній НМ –– нейрони з різними функціями активації.

Крім того, НМ можуть бути бінарними та аналоговими. Бінарні НМ, на відміну від аналогових НМ, оперують тільки двійковими сигналами і вихід кожного нейрона може приймати значення або логічного “0” (гальмуючий сигнал), або логічної “1” (збуджуючий стан).

НМ можуть бути асинхронними і синхронними. В асинхронній НМ в кожен момент часу лише один нейрон змінює свій стан, у синхронній НМ стан змінюється в групі нейронів, як провило в усьому шарі.

Білет №16