案例分享 | 使用pSim Plus實現光學神經網絡中的脈沖幅值調制技術仿真

逍遙設計自動化

光學神經網絡與圖像調制簡介
! x# V2 M2 i) @; N! ~* v; P深度學習卷積神經網絡(CNN)主要用于處理二維數據（如圖像），這些數據最初以電子信號形式存在。光學神經網絡則使用光信號進行傳輸，因此需要圖像調制單元將電子信號轉換為光信號，使光學系統(tǒng)能夠讀取和處理圖像數據。本文重點介紹如何使用pSim Plus軟件實現16級脈沖幅值調制(PAM)單元。這個單元負責將表示圖像數據的電信號轉換成可供光學神經網絡處理的光信號。


脈沖幅值調制(PAM)在信號轉換中的應用
$ Z5 U: Z- ~3 J6 n) m! x脈沖幅值調制(PAM)實現電子信號到光信號的轉換。在PAM中，輸入信號的幅值被劃分為多個離散等級，每個等級對應特定的信號值。
0 @$ w5 e( R% l7 H
/ M, k+ w2 V& i* gPAM調制示例

PAM2：僅有兩個幅值等級，表示0和1兩種二進制值

PAM4：使用四個不同的幅值等級，對應四種二進制狀態(tài)

$ K6 a8 A! `- T$ l5 S6 E3 N

& I  T0 L, F- r0 R6 W( m
PAM的優(yōu)勢
4 @  V, c  f* Y. W; @高階PAM方案（如PAM4）相比低階方案（如PAM2）可在相同時間內傳輸更多信息。

PAM在圖像處理中的應用
# W& }$ J. P$ U7 z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換為特定強度的光信號。亮度越高，輸出光信號強度越大。
- p4 X, h+ z# i8 u# o# A, A

$ k$ e3 @  B/ O2 w2 \16級PAM調制單元設計
0 Q" z1 y6 G: K% p& Y2 _# [* @8 c使用pSim Plus仿真工具構建的16級PAM調制單元，采用四組壓縮至16個等級的仿真數據，加載到具有逐漸增加偏置場的調制器上，從而調制光載波。
  e* l1 m2 g8 x
- F( N  Q2 v, i6 k5 C* \+ _' s數據傳輸速率比較
8 p$ r3 l; M! ^0 t% `8 @

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

PAM16：每個周期可傳輸四位數據，傳輸速率是NRZ的四倍


/ p% D' h7 d1 f' C; J
; b: J1 Y  s" Y5 d# BpSim Plus中16級PAM調制單元的實現步驟
1. 仿真環(huán)境設置
' l; h+ ]( U" \' m% _3 ~

定義時域仿真區(qū)域

配置必要的域參數
$ r, U- {6 Q  V1 L3 a4 K
/ I! [& Q; \8 e, s# Z. L  I2. 模型參數調整

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

調制器長度，注意調制器長度逐級倍增

3. 信號轉換

光信號通過光電二極管(PD)轉換回電信號

9 [$ L! S& I  l5 N$ F3 x& e4. 信號觀察與分析
# c/ M7 G9 K# q; y3 V: N) u# H: t

使用電子示波器和眼圖分析儀觀察分析信號

仿真結果分析
2 ?( l: j/ O, K3 @9 m( D& g示波器結果
! q. i3 \5 A- f  A/ r& s8 X# w: jPAM16波形顯示16級PAM調制的光波形，波形幅值在不同時間點出現波動，呈現明顯的階梯狀變化，表示調制信號的逐級變化。



9 R2 L* B' C! B( W4 K眼圖分析結果

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16個不同符號值的眼圖開啟特性
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' |8 c  I8 o6 B9 o$ U: m
5 s; a. Q$ v5 K" S5 D8 j

結語
本文介紹了使用pSim Plus仿真工具設計實現光學神經網絡16級PAM調制單元的基本原理和方法。

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