普源DG70000圖形信號仿真應(yīng)用
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）是一種模仿動物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征，進(jìn)行分布式并行信息處理的算法數(shù)學(xué)模型。這種網(wǎng)絡(luò)依靠系統(tǒng)的復(fù)雜程度，通過調(diào)整內(nèi)部大量節(jié)點(diǎn)之間的相互連接關(guān)系，從而達(dá)到處理信息的目的。通過適當(dāng)?shù)姆答佌{(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以“學(xué)習(xí)”并執(zhí)行面部識別、語音翻譯、策略游戲和醫(yī)療診斷等復(fù)雜操作，而且通常這個“學(xué)習(xí)”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(luò)測試過程中的應(yīng)用。
光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ONN）
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN），以人工神經(jīng)元（Neurous）為節(jié)點(diǎn)，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(quán)重大小。
▲人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量的數(shù)據(jù)集輸入，其中的光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ONN）通過在光學(xué)器件中以光速完成大量的密集矩陣乘法運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)比人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(jìn)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(zhuǎn)化為光學(xué)數(shù)據(jù)，并進(jìn)入光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行卷積運(yùn)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(zhuǎn)化為一維bit數(shù)據(jù)，再對這些bit數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。此實(shí)驗(yàn)中，研究者將經(jīng)過處理的圖形數(shù)據(jù)作為調(diào)制源調(diào)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(jìn)入下級網(wǎng)絡(luò)，或者最終會由光電傳感器（PD）轉(zhuǎn)化為電信號，最終的輸出結(jié)果可以使用高速示波器進(jìn)行捕獲，最終電腦對波形數(shù)據(jù)做觀察分析。
▲光學(xué)感知器的試驗(yàn)裝置
以上是對一個圖像進(jìn)行識別判斷的最后過程，因?yàn)樾盘栕罱K光轉(zhuǎn)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(jié)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(diào)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?yàn)槊}沖激光器輸入幅度的原因，在實(shí)驗(yàn)初期時是使用可編程線性電源作調(diào)制源。電源根據(jù)輸入bit信號（藍(lán)色線）得到相應(yīng)調(diào)制電壓（橙色線），使用這個電壓調(diào)制脈沖激光器進(jìn)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(gòu)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(shí)驗(yàn)后期，需要更高速率的調(diào)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(yīng)調(diào)制電壓示例
解決方案
為了解決調(diào)制速率低以及波表導(dǎo)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(dāng)調(diào)制源。AWG進(jìn)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(xì)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(jìn)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(dǎo)入方式通常多種多樣，無論是通過上位機(jī)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(yīng)幅值的電壓信號做調(diào)制源，保證信號傳輸質(zhì)量的同時，極大提高了時間效率。當(dāng)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(diào)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(shí)驗(yàn)中，研究者最終采用的AWG型號為DG70004任意波形發(fā)生器，充當(dāng)信號仿真的激勵源。同時，DG70004在實(shí)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(diǎn)，很好的彌補(bǔ)了線性電源的不足，滿足了試驗(yàn)預(yù)期。將bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為不超過1.5Gpts的波表，用戶可通過編程或直接文件導(dǎo)入的方式將波表加載到儀器，并根據(jù)用戶設(shè)定的采樣率進(jìn)行輸出。由于DG70000的最大垂直分辨率為16bit，數(shù)據(jù)編碼也應(yīng)按照bit值進(jìn)行編碼，不管是預(yù)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(gòu)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(zhuǎn)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(diào)制源，完成電信號到光信號的轉(zhuǎn)化，再經(jīng)過一系列光學(xué)器件，光學(xué)器件以光速完成主要的矩陣乘法運(yùn)算等處理，輸出的數(shù)據(jù)由光電探測器轉(zhuǎn)化成電信號，再由示波器進(jìn)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(jìn)行。.
▲示波器實(shí)際數(shù)據(jù)還原效果
該方案的優(yōu)點(diǎn)如下：·AWG擁有高速率，高分辨率特點(diǎn)，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(jìn)行使用時也能保證有較高的幅值精度?！WG的波表數(shù)據(jù)可通過編程方式/波表文件導(dǎo)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(fù)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(dǎo)入信號源進(jìn)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(diào)DG70000實(shí)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(shí)時調(diào)整，適配不同的測試實(shí)驗(yàn)。
高精度調(diào)制源
DG70000系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器
通過DG70000充當(dāng)高精度調(diào)制源來輸出調(diào)制脈沖，圖形信號的仿真結(jié)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(nèi)，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(dǎo)入波表數(shù)據(jù)等都為測試者進(jìn)行大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(diǎn)：■最高輸出頻率5GHz■高達(dá)5GSa/s采樣率■16bit垂直分辨率■采樣率精確可調(diào)，可變范圍100Sa/s~12GSa/s■支持創(chuàng)建高級序列，定義多種復(fù)雜波形輸出
■逐點(diǎn)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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