案例分享 | 使用pSim Plus實(shí)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

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與圖像調(diào)制簡(jiǎn)介
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(hào)形式存在。光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則使用光信號(hào)進(jìn)行傳輸，因此需要圖像調(diào)制單元將電子信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，使光學(xué)系統(tǒng)能夠讀取和處理圖像數(shù)據(jù)。本文重點(diǎn)介紹如何使用pSim Plus軟件實(shí)現(xiàn)16級(jí)脈沖幅值調(diào)制(PAM)單元。這個(gè)單元負(fù)責(zé)將表示圖像數(shù)據(jù)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理的光信號(hào)。
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, G) T  h: V3 k5 Q$ K0 L. R
; \3 X# j( S2 e8 j脈沖幅值調(diào)制(PAM)在信號(hào)轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用
* T: Z0 |5 Q  P) W+ s4 `# f脈沖幅值調(diào)制(PAM)實(shí)現(xiàn)電子信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。在PAM中，輸入信號(hào)的幅值被劃分為多個(gè)離散等級(jí)，每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)特定的信號(hào)值。
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9 Y( A* E- v7 [& o& O" a8 B5 rPAM調(diào)制示例

PAM2：僅有兩個(gè)幅值等級(jí)，表示0和1兩種二進(jìn)制值

PAM4：使用四個(gè)不同的幅值等級(jí)，對(duì)應(yīng)四種二進(jìn)制狀態(tài)

8 l( G% \) ~$ c
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. W) g4 Y9 u; h2 n8 Y5 kPAM的優(yōu)勢(shì)
6 ?$ \2 h+ X9 F( v8 q3 v高階PAM方案（如PAM4）相比低階方案（如PAM2）可在相同時(shí)間內(nèi)傳輸更多信息。

0 a* @( v' A8 O  r7 N6 Z8 KPAM在圖像處理中的應(yīng)用
以灰度圖像為例，每個(gè)像素值可視為一個(gè)電子信號(hào)，這些像素值決定圖像的亮度等級(jí)。通過PAM，每個(gè)像素的亮度信息被轉(zhuǎn)換為特定強(qiáng)度的光信號(hào)。亮度越高，輸出光信號(hào)強(qiáng)度越大。

- g, d5 b! u+ Z) T+ }& d
16級(jí)PAM調(diào)制單元設(shè)計(jì)
使用pSim Plus仿真工具構(gòu)建的16級(jí)PAM調(diào)制單元，采用四組壓縮至16個(gè)等級(jí)的仿真數(shù)據(jù)，加載到具有逐漸增加偏置場(chǎng)的調(diào)制器上，從而調(diào)制光載波。
: t/ D$ v6 J4 [; A
) c, s% P1 ~/ d4 H& U; K數(shù)據(jù)傳輸速率比較
  [& C' s- n1 ~1 {  J. d

NRZ（非歸零碼）：每個(gè)符號(hào)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(gè)周期可傳輸四位數(shù)據(jù)，傳輸速率是NRZ的四倍
, Y  d3 X; n5 p

! d# w- P. a6 y4 Y: ~8 x* i( l
pSim Plus中16級(jí)PAM調(diào)制單元的實(shí)現(xiàn)步驟
1. 仿真環(huán)境設(shè)置
6 |4 e+ ?  v3 P, f4 }% T

定義時(shí)域仿真區(qū)域

配置必要的域參數(shù)
, j/ G& G! ]1 ]: O. c! ~9 A# q
2. 模型參數(shù)調(diào)整

光脈沖整形的上升沿和下降沿比率

光信號(hào)的中心頻率、線寬和功率

調(diào)制器長(zhǎng)度，注意調(diào)制器長(zhǎng)度逐級(jí)倍增

. ?* n( c. D3 @2 M3. 信號(hào)轉(zhuǎn)換
& U! E, {2 V0 H" |/ }

光信號(hào)通過光電二極管(PD)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)

4. 信號(hào)觀察與分析
: g9 i) r+ Q; J1 `) v. V1 Y. _

使用電子示波器和眼圖分析儀觀察分析信號(hào)

仿真結(jié)果分析
示波器結(jié)果
/ Y0 i( y! S) V! YPAM16波形顯示16級(jí)PAM調(diào)制的光波形，波形幅值在不同時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)波動(dòng)，呈現(xiàn)明顯的階梯狀變化，表示調(diào)制信號(hào)的逐級(jí)變化。
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1 @8 e* E6 Q* d! }7 `
) [0 t2 r( n: Z9 K: T. `2 f% U眼圖分析結(jié)果
2 C1 C% {2 I4 A& E, a. e7 N$ H

信號(hào)躍遷：眼圖展示不同PAM狀態(tài)間的信號(hào)躍遷行為

眼圖開啟：可觀察對(duì)應(yīng)16個(gè)不同符號(hào)值的眼圖開啟特性

- K. q( X/ V) S# G3 ?
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結(jié)語
/ f) k1 h4 H  F9 S. X6 h! r/ v7 _本文介紹了使用pSim Plus仿真工具設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)16級(jí)PAM調(diào)制單元的基本原理和方法。
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& N8 \* e# I4 j9 X$ W9 k) h) Z如需獲取本案例詳細(xì)資料或進(jìn)行技術(shù)交流，點(diǎn)擊左下方“閱讀原文”跳轉(zhuǎn)逍遙問答平臺(tái)聯(lián)系，請(qǐng)注明您的研究方向與應(yīng)用場(chǎng)景，便于我們提供更精準(zhǔn)的技術(shù)支持。
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