案例分享 | 使用pSim Plus实现光学神经网络中的脉冲幅值调制技术仿真

逍遥设计自动化

光学神经网络与图像调制简介
5 z# G) v; t! `* y5 g: P深度学习卷积神经网络(CNN)主要用于处理二维数据（如图像），这些数据最初以电子信号形式存在。光学神经网络则使用光信号进行传输，因此需要图像调制单元将电子信号转换为光信号，使光学系统能够读取和处理图像数据。本文重点介绍如何使用pSim Plus软件实现16级脉冲幅值调制(PAM)单元。这个单元负责将表示图像数据的电信号转换成可供光学神经网络处理的光信号。
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- H  D$ J) W2 V  ]# S& h- h) c脉冲幅值调制(PAM)在信号转换中的应用
脉冲幅值调制(PAM)实现电子信号到光信号的转换。在PAM中，输入信号的幅值被划分为多个离散等级，每个等级对应特定的信号值。

PAM调制示例
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PAM2：仅有两个幅值等级，表示0和1两种二进制值

PAM4：使用四个不同的幅值等级，对应四种二进制状态

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PAM的优势
高阶PAM方案（如PAM4）相比低阶方案（如PAM2）可在相同时间内传输更多信息。

* u# s* V: w' V: ?; [: n, OPAM在图像处理中的应用
以灰度图像为例，每个像素值可视为一个电子信号，这些像素值决定图像的亮度等级。通过PAM，每个像素的亮度信息被转换为特定强度的光信号。亮度越高，输出光信号强度越大。

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9 o9 V' ]. E' w8 P2 W/ b
- l, Q. e& e! m* K: }8 K: \% E16级PAM调制单元设计
, S2 b% r$ i5 L$ U使用pSim Plus仿真工具构建的16级PAM调制单元，采用四组压缩至16个等级的仿真数据，加载到具有逐渐增加偏置场的调制器上，从而调制光载波。

* T5 |. w0 M; o3 Y. d% k) M' O数据传输速率比较

NRZ（非归零码）：每个符号周期可传输两种状态（0和1），相当于一位数据

PAM16：每个周期可传输四位数据，传输速率是NRZ的四倍
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pSim Plus中16级PAM调制单元的实现步骤
1. 仿真环境设置
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定义时域仿真区域

配置必要的域参数

2. 模型参数调整

光脉冲整形的上升沿和下降沿比率

光信号的中心频率、线宽和功率

调制器长度，注意调制器长度逐级倍增
: E0 H# L4 n* N- I+ G2 V
3. 信号转换
- e$ m' K- Q8 S! Z0 O# Q- _

光信号通过光电二极管(PD)转换回电信号
; S* i$ f9 H* y- \2 n0 k
5 D  `. t1 S5 U1 {. d% }4. 信号观察与分析
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使用电子示波器和眼图分析仪观察分析信号
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仿真结果分析
+ t/ R' u8 z3 d( {示波器结果
5 ^+ w0 K- l- q  k# ZPAM16波形显示16级PAM调制的光波形，波形幅值在不同时间点出现波动，呈现明显的阶梯状变化，表示调制信号的逐级变化。
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8 G! @9 M3 Y( y眼图分析结果
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信号跃迁：眼图展示不同PAM状态间的信号跃迁行为

眼图开启：可观察对应16个不同符号值的眼图开启特性

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结语
本文介绍了使用pSim Plus仿真工具设计实现光学神经网络16级PAM调制单元的基本原理和方法。
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