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 ]; z# d7 ~- o/ A. _: s3 f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)。
& s" w  N! r# _) f! O. t7 l) F! [

脈沖幅值調(diào)制(PAM)在信號(hào)轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用
) F' b* [. q8 Z2 q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
  t) D1 a6 Z3 M# Q4 |

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)
& l( g$ q/ ^2 @: c' Q; e" k
- [( c3 d/ M7 o2 [8 `

+ c! F1 u# [% R2 A
8 u8 e( \  [0 d8 ePAM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。

* o  _* R8 J* H* {9 j/ qPAM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(guò)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。

; p2 I, @9 ?- H1 W' ]& ^5 w6 @
% v5 u9 F6 @2 p. D- }- p' h+ R. O16級(jí)PAM調(diào)制單元設(shè)計(jì)
2 n4 x, f& z* s9 V- q+ z! G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。
  Z9 F8 u  A8 s, y5 Q
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
1 b, _5 k5 u3 J4 M  u


1 ^; ~, _  A0 h( x6 }% O8 N/ bpSim 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
0 c  F( ?: r) i! d6 b
+ L6 g2 d: v+ V2 G0 Q  _6 d4 W3. 信號(hào)轉(zhuǎn)換
, ?1 k7 Q: g) a$ s* E* s

光信號(hào)通過(guò)光電二極管(PD)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)
0 }& x5 W4 m+ }( J! p: J
# i5 D* Y1 g4 m/ P  d4. 信號(hào)觀察與分析
9 g, L+ h6 _8 S9 v- z

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
* L  E# e" K. m* V/ ^0 CPAM16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。
# w, K3 H. M& e3 ^. S
2 |. s* X  z' i4 L: C. d

' k6 T- i7 ^/ k+ y眼圖分析結(jié)果
7 o" r7 K- Y  {& q  ?) W

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(kāi)啟：可觀察對(duì)應(yīng)16個(gè)不同符號(hào)值的眼圖開(kāi)啟特性
0 d6 b3 w- @7 r0 _5 R: g
: m6 U2 d/ ~9 S- [, E7 d+ O2 l+ \

9 M7 B5 x& X  x# E7 J
6 j: D6 E! x% q7 k* G結(jié)語(yǔ)
( s8 W! o4 ~0 O8 l3 s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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8 c  e9 ]! u2 G5 ?2 _深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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