Moku 3.3版本 带来了新的 神经网络 仪器 Moku:Pro 使用户能够实现人工神经网络，以实现快速、灵活的信号分析、去噪、传感器调节、闭环反馈等。如果您不熟悉神经网络的基础知识，或者想知道神经网络如何有益于您的研究和开发目标，请继续阅读以探索实际应用和教程。
首先，需要注意的是，“人工神经网络”（ANN）是这些系统的更准确术语，因为它们是基于软件的，而不是生物神经元。考虑到这一点，我们将使用术语“神经网络”来指代 ANN。在本介绍中，我们将仅考虑完全连接的神经网络，而不是复杂的设置，例如卷积、循环和变压器架构。
神经网络是由相互连接的节点（或称神经元）组成的系统，这些节点按层排列。第一层接收外部数据作为输入。每个后续神经元计算其来自前一层的输入的加权和，然后加上一个称为偏置的值。该值随后通过激活函数传递，激活函数引入非线性，使网络能够学习复杂的模式。最后一层产生网络的输出，而中间的所有层都称为隐藏层。通过训练，网络会调整其权重和偏置，以随着时间的推移提高其准确性。
用数学术语来说，把输入层想象成 否 1 矩阵，其中 N 是输入层的节点数，矩阵中每个元素对应激活值，如图1所示。
图 1：神经网络架构，显示输入层、隐藏层和输出层。
接下来是隐藏层。隐藏层及其中的节点数取决于模型的复杂性和可用的计算能力。隐藏层中的激活是使用前一层的激活组合来计算的，每个节点对输入层值应用不同的权重和偏差。这在图 2 中以线性代数术语显示。
图 2：隐藏层中的激活是使用前一层的激活组合来计算的。
如果输入层是 否 1 矩阵（\(n_1\), \(n_2\)），接下来的激活值是通过将其与一个乘以一个 中✕ 矩阵，其中 M 是隐藏层中的节点数。矩阵中的每个元素都是一个权重，用 \(w_{mn}\) 表示。， 意思是 MN 每一层都需要参数。结果是 中号 1 然后，将矩阵偏移一个偏置值（\(b_1\), \(b_2\)…）。计算出新的激活后，它们将通过“激活函数”。激活函数可以提供诸如裁剪和归一化之类的非线性行为，使网络比仅仅是一系列矩阵乘法时更强大。
每种激活函数都有其独特的特性，“正确”的选择很大程度上取决于应用场景。常见的激活函数包括 ReLU（修正线性单元），它计算效率高，但在某些训练场景下会遇到困难，因为它会截断负值。其他激活函数，例如 Tanh 和 Sigmoid 函数，可以产生平滑且有界的输出，适用于分类任务，但在深度网络中，由于曲线在大输入值处趋于平缓，可能会削弱学习能力。最后，线性函数在回归任务中表现良好，但会限制网络对复杂非线性模式进行建模的能力。不同的网络层可以使用不同的激活函数，具体选择取决于应用需求和网络架构。
经过几个隐藏层后，数据最终到达输出层。在输出节点中，激活值对应于一些感兴趣的参数。例如，假设从示波器收集的时间序列数据被输入到输入中，网络的目标是将信号分类为正弦波、方波、锯齿波或直流信号。在输出层，每个节点将对应这些选项之一，最高值激活代表网络对信号形式的最佳猜测。如果一个激活接近 1，而其他激活接近 0，则网络猜测的置信度很高。如果激活值相似，则表示对答案的置信度较低。
神经网络如何工作？
如果不调整隐藏层的权重和偏差，神经网络最终只不过是一个复杂的随机数生成器。为了提高模型的准确性，用户必须提供训练数据，其中输入数据集和预期答案都是已知的。然后，模型可以计算出自己对训练集的答案，并将其与真实值进行比较。计算出的差异称为成本函数，可以定量评估模型的性能。
该模型旨在通过训练降低成本函数。例如，均方误差 (MSE) 计算预测值与实际值之间平方差的平均值。优化器是用于有效最小化此成本函数的方法。Python 的机器学习包（例如 Keras）可以帮助选择合适的成本函数和优化器。
在计算给定数据集的成本函数后，可以通过各种微积分运算调整隐藏层的权重和偏差，以最小化成本函数为目标。这类似于向量微积分中的梯度下降概念，可以在文献 [1] 中进一步探讨。这个过程称为反向传播, 允许通过成本函数获得的信息通过各层向后传递，从而实现模型学习或自我调整，无需人工输入。
训练数据通常会在神经网络中运行多次。提供给模型的这些数据的每个实例称为一个时期。通常，一些训练数据将被保留用于验证。在验证过程中，训练好的网络用于从这个保留的数据集推断输出，并将其预测与已知的正确输出进行比较。这比单独的成本函数值更能准确地反映模型的性能，因为它表明模型能够将结果推广到新的和新颖的输入的能力。
神经网络有哪些不同类型？
神经网络虽然按照类似的原理运行，但可以根据应用采取各种形式。一些常见的神经网络示例包括：
- 前馈神经网络 (FNN)：这是标准格式，例如上述示例中讨论的格式。在 FNN 中，数据通过网络向前传递，没有任何反馈或先前输入的记忆。一个典型的例子是图像，其中每个像素都是神经网络的输入，输出是该图像的分类。
- 卷积神经网络 (CNN)：这是 FNN 的一个子类型，通常用于通过使用过滤器来检测图像中的特征。鉴于图像通常很大，这些过滤器的作用是将输入图像的尺寸减少到更少的权重。然后，隐藏层中的每个神经元都可以在整个输入中扫描相同的特征，从而使 CNN 对图像转换具有鲁棒性。
- 循环神经网络 (RNN)：与前馈网络相反，RNN 涉及在隐藏层中使用反馈。反馈机制为系统提供了记忆，因此给定层的输出可以取决于先前的输入。这使得 RNN 成为顺序数据集（例如时间序列、语音和音频数据）的绝佳选择。
- 自动编码器：自动编码器是一种特殊的神经网络配置，通常是 FNN 或 CNN，它将给定数据编码到降维空间中，然后根据编码数据重建或解码数据。从概念上讲，这与统计学和生物信息学中有用的主成分分析 (PCA) 非常相似。
神经网络如何用于信号处理？
虽然神经网络在驱动大型语言模型、解读图像和翻译等方面很受欢迎，但它们在信号处理方面也非常有用。机器学习可以改善测量设置的一些示例包括：
- 控制系统：在某些系统中，很难提前知道实现特定控制状态所需的输入，或者换句话说，很难反转设备模型。在这种情况下，波形发生器或函数发生器探测设备，而示波器监视结果状态。然后，神经网络从当前状态和所需控制之间的差异中学习反向映射。当与 PID 控制器结合使用时，这可以实现 PID 参数的自调节 [2]。
- 传感器调节：神经网络可以获取传感器数据并补偿系统误差，例如电缆中的相位失真或延迟，或光电探测器中的光束错位。这种方法允许在数据传递到实验的下一阶段之前对其进行校正。
- 信号去噪：该技术使用神经网络作为自动编码器来提取信号的关键特征，然后根据这些特征重建信号。随机噪声不是关键特征，因此重建的信号应该是无噪声的，本质上是使用神经网络作为噪声过滤器，如图 3 所示。
- 信号分类：神经网络可以将输入信号（例如时间序列）与已知模板或一系列模板进行比较。这使用户能够快速对信号类别进行分类，识别数据集中的异常值或错误，检测随机事件，或根据 IQ 正交幅度识别量子态 [3]。
图 3：经过神经网络输入后重建的去噪信号。
基于FPGA的神经网络有哪些好处？
神经网络通常由 CPU 和/或 GPU 组合构建和运行。这种方法提供了惊人的计算能力，但也占用大量资源。大型 AI 模型耗能大，而且对于前面提到的信号处理应用类型来说，通常过于耗能。
相比之下，FPGA 本身的性能不如高端计算机强大。然而，它们的灵活性使其成为实现小型神经网络的理想选择。它们的并行处理能力有利于处理线性代数和其他复杂的数学运算，这些运算与信息在网络中的前向和反向传播有关。由于 FPGA 的空间容量和内存限制，单周期处理能力有限，因此在 FPGA 上进行大型神经网络的前馈传递通常需要更多的周期数。
基于 FPGA 的神经网络非常适合实验情况，因为它们处理实时数据的速度可以实现快速控制和决策，而无需与主机 PC 通信。FPGA 还具有可重构性，因此用户可以根据自己的需求快速配置神经网络。最后，由于尺寸紧凑，在 FPGA 上实现的神经网络可以帮助减少资源和能源消耗 [4][5]。
什么是Moku神经网络？
除了一套可重构的快速、灵活、基于 FPGA 的测试和测量仪器外， Moku:Pro 现在提供 Moku 神经网络得益于 FPGA 的多功能性和快速处理速度，神经网络可以与其他 Moku 仪器一起使用，例如 波形发生器, PID 控制器和 示波器 在信号分析、去噪、传感器调节和闭环反馈等应用中。
您可以使用 Python 开发和训练自己的神经网络，并使用 Moku 神经网络将其上传到 Moku:Pro 多仪器并行模式。这允许分析最多四个输入通道或一个时间序列数据通道，以及最多四个输出以实时处理实验数据——所有这些都在 Moku:Pro 上完成。Moku 神经网络具有最多五个密集层，每个密集层最多 100 个神经元，并根据您的应用提供五种不同的激活函数。
如果你有兴趣了解基于 FPGA 的 Moku 神经网络如何为你的研究带来好处，请查看此 分步教程。本指南介绍了所有基础知识，包括 Python 安装、Moku 神经网络构建和训练以及实现。如果您已经熟悉神经网络的基本概念，您可以找到高级的、现成的示例 开始.
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参考文献
[1] K. Clark，课堂讲座，主题：“计算神经网络梯度”，CS224n，美国斯坦福大学，2019 年。 https://web.stanford.edu/class/cs224n/readings/gradient-notes.pdf
[2] J. Wang, M. Li, W. Jiang, Y. Huang, R. Lin，“基于FPGA的运动控制系统神经网络PID控制器设计”。 传感器， 卷。 22、没有。 3，第 889 页。 2022，XNUMX 年 XNUMX 月。 https://doi.org/10.3390/s22030889
[3] NR沃拉 et al., “基于 ML 驱动的 FPGA 实时量子态鉴别，实现中电路测量”，arXiv:2406.18807 [quant-ph]，2024 年 XNUMX 月。
https://arxiv.org/abs/2406.18807
[4] A. El Bouazzaoui、A. Hadjoudja、O. Mouhib，“FPGA 上的实时自适应神经网络：通过动态分类器选择增强适应性”，arXiv:2311.09516v2 [cs.AR]，2023 年 XNUMX 月。
https://arxiv.org/html/2311.09516v2
[5] C. Wang 和 Z. Luo，“基于 FPGA 的神经网络优化设计综述”， 应用科学， 第 12 卷，第 3 期，第 10771 页，2022 年 XNUMX 月。 https://doi.org/10.3390/app122110771
