普源DG70000圖形信號仿真應用
人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）是一種模仿動物神經(jīng)網(wǎng)絡行為特征，進行分布式并行信息處理的算法數(shù)學模型。這種網(wǎng)絡依靠系統(tǒng)的復雜程度，通過調整內部大量節(jié)點之間的相互連接關系，從而達到處理信息的目的。通過適當?shù)姆答佌{整網(wǎng)絡參數(shù)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡可以“學習”并執(zhí)行面部識別、語音翻譯、策略游戲和醫(yī)療診斷等復雜操作，而且通常這個“學習”過程需要大量合適的數(shù)據(jù)集作為輸入配合完成。本文將介紹RIGOL產(chǎn)品在人工神經(jīng)網(wǎng)絡測試過程中的應用。
光神經(jīng)網(wǎng)絡（ONN）
人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN），以人工神經(jīng)元（Neurous）為節(jié)點，信息由一個神經(jīng)元傳遞到下一個神經(jīng)元，每一道連接都有各自的激勵函數(shù)代表權重大小。
▲人工神經(jīng)網(wǎng)絡
人工神經(jīng)網(wǎng)絡需要大量的數(shù)據(jù)集輸入，其中的光神經(jīng)網(wǎng)絡（ONN）通過在光學器件中以光速完成大量的密集矩陣乘法運算，實現(xiàn)比人工神經(jīng)網(wǎng)絡更高的超快計算速度，并且由于其光通信的傳輸方式，避免了數(shù)據(jù)在讀取和來回移動存儲帶來的能量消耗，具備優(yōu)良的低功耗和高速特性。類似于人眼識別，光神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入數(shù)據(jù)也是圖片，以手寫數(shù)字舉例，每個數(shù)字如果按照7x7=49的像素塊劃分，每個像素有不同的灰度級別（根據(jù)色彩要求可以有不同的灰度級別），通過光傳感器進行圖形提取，將矩陣圖像重新排列成一維數(shù)組。通過這樣的方式，將大量的圖片轉化為光學數(shù)據(jù)，并進入光神經(jīng)網(wǎng)絡進行卷積運算。
▲單個數(shù)字的圖形信號處理
數(shù)據(jù)集的形成來源于將海量的圖像數(shù)據(jù)轉化為一維bit數(shù)據(jù)，再對這些bit數(shù)據(jù)進行處理。此實驗中，研究者將經(jīng)過處理的圖形數(shù)據(jù)作為調制源調制脈沖激光器輸出，通過單模光纖（SMF）傳輸信號，這樣信號繼續(xù)進入下級網(wǎng)絡，或者最終會由光電傳感器（PD）轉化為電信號，最終的輸出結果可以使用高速示波器進行捕獲，最終電腦對波形數(shù)據(jù)做觀察分析。
▲光學感知器的試驗裝置
以上是對一個圖像進行識別判斷的最后過程，因為信號最終光轉電的過程由示波器完成，信號分辨率越高，激光器消光比越大，最終得到的結果清晰度越高，誤碼越小。在初次的測試中，研究者使用了可編程線性直流電源作為調制源，線性電源通常輸出幅度范圍更大，以期望獲得較大的激光器消光比輸出。
測試挑戰(zhàn)
因為脈沖激光器輸入幅度的原因，在實驗初期時是使用可編程線性電源作調制源。電源根據(jù)輸入bit信號（藍色線）得到相應調制電壓（橙色線），使用這個電壓調制脈沖激光器進行輸出。線性電源輸出電壓范圍較大，通常在伏（V）級別，但信號頻率較低，時間尺度一般在秒（s）量級，信號帶寬無法提高，只能傳輸簡單灰度的圖像，或者花極長時間才能傳輸一張高清圖片，其次大部分電源由于波表長度限制，大量的數(shù)據(jù)需要構建海量的波表，這也給后期的數(shù)據(jù)分析帶來了一定的困擾。在實驗后期，需要更高速率的調制方式，并且要適配原來的波表輸入方式。
▲輸入bit信號及其相應調制電壓示例
解決方案
為了解決調制速率低以及波表導入的問題，我們想到了使用速率更高，更適合做數(shù)據(jù)模擬的信號源，例如AWG來代替線性電源充當調制源。AWG進行數(shù)據(jù)模擬輸出時，數(shù)據(jù)主體是由80個手寫數(shù)字圖像識別而成的數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)流，放大后的細節(jié)還展示了波表數(shù)據(jù)最前端的觸發(fā)信號（Trigger）和一個參考電平信號（Reference），最后還有一個偏置符號（Pre-trained bias）。
▲使用AWG進行信號仿真示例
從數(shù)據(jù)速率上，可以直觀看到AWG的傳輸時間尺度來到了ns級別，AWG的波表導入方式通常多種多樣，無論是通過上位機程控寫入還是直接加載波表文件的方式，AWG按照輸入波表的bit量化級別輸出對應幅值的電壓信號做調制源，保證信號傳輸質量的同時，極大提高了時間效率。當然由于AWG的輸出幅值范圍相比線性電源普遍較低，通常在毫伏（mV）級別，使用AWG的輸出做調制源通常會接一個放大器使用，將電壓放大到脈沖激光器的合適輸入范圍，以獲得更大的消光比。
▲AWG數(shù)據(jù)編輯界面
在本次實驗中，研究者最終采用的AWG型號為DG70004任意波形發(fā)生器，充當信號仿真的激勵源。同時，DG70004在實數(shù)模式下具有最高5GSa/s采樣率、2GHz模擬帶寬、16bit垂直分辨率和最長1.5Gpts的波表長度等特點，很好的彌補了線性電源的不足，滿足了試驗預期。將bit數(shù)據(jù)轉化為不超過1.5Gpts的波表，用戶可通過編程或直接文件導入的方式將波表加載到儀器，并根據(jù)用戶設定的采樣率進行輸出。由于DG70000的最大垂直分辨率為16bit，數(shù)據(jù)編碼也應按照bit值進行編碼，不管是預留觸發(fā)電平，還是為了提高分辨率以多個bit編碼一個符號數(shù)據(jù)，都在構建波表時完成。這樣我們完成了圖像的像素值到電壓值的轉換，且獲得了較高的分辨率，相比最開始試用的線性電源，現(xiàn)在信號傳輸?shù)臅r間尺度來到了百納秒級別，提高了接近107倍。最后，將信號輸出加載到脈沖激光器做調制源，完成電信號到光信號的轉化，再經(jīng)過一系列光學器件，光學器件以光速完成主要的矩陣乘法運算等處理，輸出的數(shù)據(jù)由光電探測器轉化成電信號，再由示波器進行觀察和信號采集工作，如圖七所示，對數(shù)據(jù)的分析則是使用示波器RIGOL DS70000傳回的波形數(shù)據(jù)在電腦端進行。.
▲示波器實際數(shù)據(jù)還原效果
該方案的優(yōu)點如下：·AWG擁有高速率，高分辨率特點，適合做信號模擬仿真DG70000擁有5GHz帶寬，16bit垂直精度，高速率意味著信號傳輸速率的提高，整個系統(tǒng)帶寬也隨之提高，而高分辨率有更高的信號識別性，配合放大器進行使用時也能保證有較高的幅值精度。·AWG的波表數(shù)據(jù)可通過編程方式/波表文件導入，便于數(shù)據(jù)管理DG70000的單個波表長度最高位1.5Gpts，配合16bit的垂直分辨率，單次傳輸中完成大量數(shù)據(jù)的傳輸工作，減輕了數(shù)據(jù)管理復雜度。用戶只需將16bit動態(tài)范圍的規(guī)范數(shù)據(jù)生成txt波表就可以直接導入信號源進行輸出。（或是通過模擬的方式，信號源也能直接識別電壓數(shù)據(jù)格式的波表文件）。·AWG采樣率任意可調DG70000實數(shù)模式下的可變采樣率范圍為100Sa/s-5GSa/s，可根據(jù)波表或系統(tǒng)要求實時調整，適配不同的測試實驗。
高精度調制源
DG70000系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器
通過DG70000充當高精度調制源來輸出調制脈沖，圖形信號的仿真結果獲得了更高的輸出精度以及更快的信號傳輸速率，高精度意味著輸出有效bit位數(shù)的提高，在有限的傳輸時間內，將比較簡單的灰度圖像傳輸提升為色級更高的彩色圖像傳輸，或是在同樣的傳輸時間下，使用DG70000能傳輸一幅精度更高的黑白圖像。并且其便利的可編程特性，能直接導入波表數(shù)據(jù)等都為測試者進行大量數(shù)據(jù)轉化，采集工作帶來便利。
產(chǎn)品支持：RIGOL DG70000函數(shù)/任意波形發(fā)生器
產(chǎn)品特點：■最高輸出頻率5GHz■高達5GSa/s采樣率■16bit垂直分辨率■采樣率精確可調，可變范圍100Sa/s~12GSa/s■支持創(chuàng)建高級序列，定義多種復雜波形輸出
■逐點生成任意波形，不失真還原信號■豐富的外部接口：LAN、USB3.0、HDMI
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