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
4 l; x# i$ {8 U8 [  `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)。


脈沖幅值調(diào)制(PAM)在信號(hào)轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用
3 p. }: I" q. f/ s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。

PAM調(diào)制示例
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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)
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PAM的優(yōu)勢(shì)
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。

PAM在圖像處理中的應(yīng)用
. ?) F2 n! _) r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。
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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。
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數(shù)據(jù)傳輸速率比較

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
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. v2 f1 z4 n8 w# _2 \. HpSim 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

定義時(shí)域仿真區(qū)域

配置必要的域參數(shù)

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

3. 信號(hào)轉(zhuǎn)換
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光信號(hào)通過光電二極管(PD)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)
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4. 信號(hào)觀察與分析

使用電子示波器和眼圖分析儀觀察分析信號(hào)
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仿真結(jié)果分析
示波器結(jié)果
PAM16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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0 B( U( b) l+ y2 F+ D眼圖分析結(jié)果

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
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4 M+ s# i7 K* S結(jié)語(yǔ)
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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