案例分享 | 使用pSim Plus實現(xiàn)光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的脈沖幅值調(diào)制技術(shù)仿真

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光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與圖像調(diào)制簡介
! A& S- w3 V# B' H深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)主要用于處理二維數(shù)據(jù)（如圖像），這些數(shù)據(jù)最初以電子信號形式存在。光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則使用光信號進(jìn)行傳輸，因此需要圖像調(diào)制單元將電子信號轉(zhuǎn)換為光信號，使光學(xué)系統(tǒng)能夠讀取和處理圖像數(shù)據(jù)。本文重點介紹如何使用pSim Plus軟件實現(xiàn)16級脈沖幅值調(diào)制(PAM)單元。這個單元負(fù)責(zé)將表示圖像數(shù)據(jù)的電信號轉(zhuǎn)換成可供光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理的光信號。

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脈沖幅值調(diào)制(PAM)在信號轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用
脈沖幅值調(diào)制(PAM)實現(xiàn)電子信號到光信號的轉(zhuǎn)換。在PAM中，輸入信號的幅值被劃分為多個離散等級，每個等級對應(yīng)特定的信號值。

6 j( k9 j8 T: D: f% {3 yPAM調(diào)制示例

PAM2：僅有兩個幅值等級，表示0和1兩種二進(jìn)制值

PAM4：使用四個不同的幅值等級，對應(yīng)四種二進(jìn)制狀態(tài)
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PAM的優(yōu)勢
9 ~+ u! A7 ^$ S/ M' c0 r$ e高階PAM方案（如PAM4）相比低階方案（如PAM2）可在相同時間內(nèi)傳輸更多信息。
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PAM在圖像處理中的應(yīng)用
) E2 u! X/ G8 t0 x以灰度圖像為例，每個像素值可視為一個電子信號，這些像素值決定圖像的亮度等級。通過PAM，每個像素的亮度信息被轉(zhuǎn)換為特定強(qiáng)度的光信號。亮度越高，輸出光信號強(qiáng)度越大。
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16級PAM調(diào)制單元設(shè)計
* B) |1 o- Y& h4 J; m4 C8 o使用pSim Plus仿真工具構(gòu)建的16級PAM調(diào)制單元，采用四組壓縮至16個等級的仿真數(shù)據(jù)，加載到具有逐漸增加偏置場的調(diào)制器上，從而調(diào)制光載波。
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數(shù)據(jù)傳輸速率比較

NRZ（非歸零碼）：每個符號周期可傳輸兩種狀態(tài)（0和1），相當(dāng)于一位數(shù)據(jù)

PAM16：每個周期可傳輸四位數(shù)據(jù)，傳輸速率是NRZ的四倍
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pSim Plus中16級PAM調(diào)制單元的實現(xiàn)步驟
1. 仿真環(huán)境設(shè)置

定義時域仿真區(qū)域

配置必要的域參數(shù)
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+ q$ n. w$ j& }$ s2 p$ E2. 模型參數(shù)調(diào)整
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光脈沖整形的上升沿和下降沿比率

光信號的中心頻率、線寬和功率

調(diào)制器長度，注意調(diào)制器長度逐級倍增

1 R3 [8 b% A; Q' q! v: h  V+ y* i) M: {3. 信號轉(zhuǎn)換

光信號通過光電二極管(PD)轉(zhuǎn)換回電信號

  t* m8 \. G* s/ J5 y( \4. 信號觀察與分析
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使用電子示波器和眼圖分析儀觀察分析信號
" O* c# X1 Z* ?1 f8 B, h  v6 X
仿真結(jié)果分析
示波器結(jié)果
PAM16波形顯示16級PAM調(diào)制的光波形，波形幅值在不同時間點出現(xiàn)波動，呈現(xiàn)明顯的階梯狀變化，表示調(diào)制信號的逐級變化。


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眼圖分析結(jié)果
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信號躍遷：眼圖展示不同PAM狀態(tài)間的信號躍遷行為

眼圖開啟：可觀察對應(yīng)16個不同符號值的眼圖開啟特性
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8 n' E- w/ x  t( b) Q1 i9 t結(jié)語
" J9 H" L) ~# Y- _* z) p本文介紹了使用pSim Plus仿真工具設(shè)計實現(xiàn)光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)16級PAM調(diào)制單元的基本原理和方法。

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