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
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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' S: g* H6 V3 u/ h$ k  W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。
% @: J7 P  J7 w' v& n7 {
: g  g' L( ~: d5 Z7 `. F% [0 tPAM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)

2 `4 F4 ]4 n+ f7 {) i: I& f
5 ?: n1 u3 Z. x' R# |3 u! f

* L  @* V6 A1 }1 b4 u. GPAM的優(yōu)勢(shì)
; c; a; l/ ]$ @9 s8 A* L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
9 z* o5 _5 l9 b2 H# F$ H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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" l0 _1 N2 v/ s, D. Q0 x
% Z( l6 b7 R% K/ [) B; G, Q& R3 Y0 D16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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4 m- k5 e5 O7 ^& W* s( ~pSim 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
7 `6 d7 r+ o3 M2 S7 F1 q1 [5 N) o

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
; |$ I6 A8 \3 H. b% F# n+ ^3 `
3. 信號(hào)轉(zhuǎn)換
+ i# S9 |7 I5 x9 k: x

光信號(hào)通過光電二極管(PD)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)

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)

9 y$ Q* h# @' @! T( ~1 v9 O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。
8 {0 W) C& B: y- E4 O  `, s
: i9 X2 J! ^7 K1 |* F- s+ n

0 G( G4 ^+ a. F5 d8 R  z6 N' f  _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
* D) ~5 P2 u1 T& l; B
: K; s0 v0 c( I* _

7 p# f/ b2 o1 a4 ]9 A/ ?
結(jié)語
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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+ a- n0 {3 \) W如需獲取本案例詳細(xì)資料或進(jìn)行技術(shù)交流，點(diǎn)擊左下方“閱讀原文”跳轉(zhuǎn)逍遙問答平臺(tái)聯(lián)系，請(qǐng)注明您的研究方向與應(yīng)用場(chǎng)景，便于我們提供更精準(zhǔn)的技術(shù)支持。
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, _( b0 q; `; w# T0 [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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