광섬유 솔리톤(Soliton) 비선형 슈뢰딩거(NLSE) & 1,000Hz 0-Alloc C# 초광대역 광통신 색분산 보상 서보 제어기

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace ZeliDesk.Defense.OpticalPhysics
{
    /// <summary>
    /// 광통신 수신기 아이 다이어그램 및 타이밍 지터 계측 프레임
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 8)]
    public readonly struct OpticalReceiverTelemetryFrame
    {
        public readonly double TimestampSeconds;
        public readonly double EyeOpeningRatio;       // 아이 다이어그램 개구율 (0.0 ~ 1.0)
        public readonly double TimingJitterPicoseconds;// 타이밍 지터 (ps)
        public readonly double OpticalPowerMilliwatts;// 수신 광전력 (mW)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public OpticalReceiverTelemetryFrame(double timestamp, double eyeRatio, double jitter, double power)
        {
            TimestampSeconds = timestamp;
            EyeOpeningRatio = eyeRatio;
            TimingJitterPicoseconds = jitter;
            OpticalPowerMilliwatts = power;
        }
    }

    /// <summary>
    /// FBG 피에조 인장 제어 출력 프레임
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 8)]
    public readonly struct FbgTuningControlOutput
    {
        public readonly double EstimatedResidualDispersionPsPerNm; // 추정 잔여 분산 (ps/nm)
        public readonly double CommandedPiezoVoltageVolts;         // 피에조 인가 전압 (0 ~ 100V)
        public readonly double QFactorEstimate;                    // 추정 신호 품질 Q-Factor
        public readonly bool IsSignalDegraded;                     // 신호 열화 경보 플래그

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public FbgTuningControlOutput(double dispersion, double voltage, double qFactor, bool degraded)
        {
            EstimatedResidualDispersionPsPerNm = dispersion;
            CommandedPiezoVoltageVolts = voltage;
            QFactorEstimate = qFactor;
            IsSignalDegraded = degraded;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc C# 광 솔리톤 분산 보상 및 FBG 피에조 서보 제어기
    /// </summary>
    public ref struct OpticalSolitonDispersionServoEngine
    {
        private const double MaxVoltage = 100.0; // 피에조 최대 전압 (100V)
        private const double MinVoltage = 0.0;   // 최소 전압 (0V)

        // PID 제어 게인
        private const double Kp = 1.25;
        private const double Ki = 0.08;
        private const double Kd = 0.02;

        private double _integralError;
        private double _lastError;
        private double _currentVoltage;
        private double _lastTimestamp;
        private bool _isInitialized;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Initialize()
        {
            _integralError = 0.0;
            _lastError = 0.0;
            _currentVoltage = 50.0; // 초기 중간 바이어스 (50V)
            _lastTimestamp = 0.0;
            _isInitialized = true;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz(1ms 주기) 광학 수신 텔레메트리 기반 FBG 튜닝 틱
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public FbgTuningControlOutput ProcessTick(in OpticalReceiverTelemetryFrame frame)
        {
            if (!_isInitialized)
            {
                Initialize();
            }

            double dt = frame.TimestampSeconds - _lastTimestamp;
            if (dt <= 0.0 || dt > 0.01) dt = 0.001; // 1ms 기본 주기
            _lastTimestamp = frame.TimestampSeconds;

            // 1. 타이밍 지터 및 아이 개구율로부터 잔여 색분산 편차 역산
            // 목표: 아이 개구율 1.0 사수, 타이밍 지터 0.5ps 이하 최소화
            double residualDispersion = (1.0 - frame.EyeOpeningRatio) * 15.0; // ps/nm
            if (frame.TimingJitterPicoseconds > 0.5)
            {
                residualDispersion += (frame.TimingJitterPicoseconds - 0.5) * 5.0;
            }

            // 2. Q-Factor 추정 (아이 개구율 기반 근사: Q = 20 * EyeRatio)
            double qFactor = frame.EyeOpeningRatio * 22.0;

            // 3. 잔여 분산 0을 목표로 하는 PID 오차 연산
            double error = residualDispersion;
            _integralError += error * dt;
            _integralError = Math.Clamp(_integralError, -20.0, 20.0); // 안티 와인드업

            double derivativeError = (error - _lastError) / dt;
            _lastError = error;

            // 4. 피에조 전압 제어량 산출
            double deltaVoltage = Kp * error + Ki * _integralError + Kd * derivativeError;
            _currentVoltage += deltaVoltage * 0.05; // 부드러운 전압 가변
            _currentVoltage = Math.Clamp(_currentVoltage, MinVoltage, MaxVoltage);

            // 5. 신호 열화 경보 판정 (Q-Factor 6.0 이하 또는 지터 2.0ps 초과)
            bool isDegraded = (qFactor < 6.0) || (frame.TimingJitterPicoseconds > 2.0);

            return new FbgTuningControlOutput(
                dispersion: residualDispersion,
                voltage: _currentVoltage,
                qFactor: qFactor,
                degraded: isDegraded
            );
        }
    }
}