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

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光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與圖像調(diào)制簡介
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(diǎn)介紹如何使用pSim Plus軟件實(shí)現(xiàn)16級脈沖幅值調(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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, k5 d' n  Z! Z% Y9 J0 `
脈沖幅值調(diào)制(PAM)在信號轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用
: i) w% f/ {0 ~# l3 B, K2 Q脈沖幅值調(diào)制(PAM)實(shí)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(gè)離散等級，每個(gè)等級對應(yīng)特定的信號值。
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PAM調(diào)制示例
: `1 N5 g- e6 }4 k0 k+ R- a

PAM2：僅有兩個(gè)幅值等級，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，對應(yīng)四種二進(jìn)制狀態(tài)

: l' l/ _5 j2 W6 }4 h6 s' h$ s
5 h" k5 i) b* j2 q2 x

PAM的優(yōu)勢
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。

4 m1 }( `5 p+ A1 e0 S7 tPAM在圖像處理中的應(yīng)用
4 O# r0 Y! l# H; s5 B$ _  A以灰度圖像為例，每個(gè)像素值可視為一個(gè)電子信號，這些像素值決定圖像的亮度等級。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。亮度越高，輸出光信號強(qiáng)度越大。

$ A; I, t+ q$ [4 e( D! Q
( I# N# I/ B& Q, ~$ M7 p16級PAM調(diào)制單元設(shè)計(jì)
% m3 T) o# ~# ]/ z) |; ]3 [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(gè)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。

4 K) U% ^: l1 @# C數(shù)據(jù)傳輸速率比較

NRZ（非歸零碼）：每個(gè)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(gè)周期可傳輸四位數(shù)據(jù)，傳輸速率是NRZ的四倍



5 Q5 l9 ~- d0 f% XpSim Plus中16級PAM調(diào)制單元的實(shí)現(xiàn)步驟
1. 仿真環(huán)境設(shè)置
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定義時(shí)域仿真區(qū)域

配置必要的域參數(shù)
5 i) a- e5 I( U( E
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

: h& I3 S, O% G+ {3. 信號轉(zhuǎn)換
) `- M. N( x# \/ J- Y5 K! Y

光信號通過光電二極管(PD)轉(zhuǎn)換回電信號

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
- l, k. w3 b7 q1 V2 B
: s: E) O5 _+ E$ W6 Q仿真結(jié)果分析
5 y5 J+ _7 o' L7 U( Z1 P示波器結(jié)果
: K/ x9 |" b# D# p) F1 Z( yPAM16波形顯示16級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，呈現(xiàn)明顯的階梯狀變化，表示調(diào)制信號的逐級變化。
" R( o9 N: J5 m
3 r; d# h0 Q: L2 c2 E1 Z

眼圖分析結(jié)果
+ e# y: ^" i. x

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(gè)不同符號值的眼圖開啟特性

" I) w" a1 ?8 h% r0 X
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0 x+ L+ x7 a. O
結(jié)語
. |5 K/ C: O/ P& C9 W! Q' ?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PAM調(diào)制單元的基本原理和方法。
: ~+ K$ g2 Z" b9 p) M% G9 e# n! f
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