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
. L+ P4 c* b4 l! {4 q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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8 c; l% b4 O3 q! \" z8 \脈沖幅值調(diào)制(PAM)在信號(hào)轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用
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。

; `% p: {( ]  d5 a5 xPAM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)
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" |" @" c3 B, M; FPAM的優(yōu)勢(shì)
* z' L& p, e( p) R' X! [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。
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PAM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。
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2 S5 @$ j: Y: ]7 h1 ?3 c3 f16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。

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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7 t8 F+ S( b+ o% [, O! t! spSim 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
" T4 I7 f/ T9 D6 L6 D

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
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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

* o- n2 H! ~& ]( q3. 信號(hào)轉(zhuǎn)換
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光信號(hào)通過(guò)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
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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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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(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
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1 m" K* N( m# l0 x* |3 s結(jié)語(yǔ)
3 B; m: p! v' z- k" C9 E2 z: N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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, ]5 M" u* y( N  B3 \( D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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