Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Время растяжения аналого-цифровой преобразователь ( TS-АЦП ), [1] [2] [3] также известный как растягивать время усиленного записывающего устройства ( TiSER ), представляет собой аналого-цифровой преобразователь (АЦП) Система который имеет возможность оцифровывать сигналы с очень широкой полосой пропускания, которые не могут быть захвачены обычными электронными АЦП. [4] Кроме того, он также известен как дигитайзер с фотонным растяжением во времени (PTS), [5] поскольку он использует оптический интерфейс. . Он основан на процессе растяжения по времени, который эффективно замедляет аналоговый сигнал во времени (или сжимает его полосу пропускания) до того, как он может быть оцифрован стандартным электронным АЦП.

Фон [ править ]

Существует огромный спрос на высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), поскольку они необходимы для испытательного и измерительного оборудования в лабораториях и в системах высокоскоростной передачи данных . [ необходима цитата ] Большинство АЦП основаны исключительно на электронных схемах, которые имеют ограниченные скорости и добавляют много искажений, ограничивая полосу пропускания сигналов, которые могут быть оцифрованы, и достижимое отношение сигнал / шум . В TS-ADC это ограничение преодолевается за счет растягивания аналогового сигнала во времени, что эффективно замедляет сигнал во времени до оцифровки. Таким образом, полоса пропускания (и несущая частота) сигнала сжимается. Электронные АЦП, которые были бы слишком медленными для оцифровки исходного сигнала, теперь можно использовать для захвата этого замедленного сигнала.

Принцип работы [ править ]

Показан растянутый по времени аналого-цифровой преобразователь (с коэффициентом растяжения 4). Исходный аналоговый сигнал растягивается во времени и сегментируется с помощью препроцессора растяжения во времени (обычно на оптическом интерфейсе ). Замедленные сегменты фиксируются обычными электронными АЦП. Оцифрованные выборки переупорядочиваются, чтобы получить цифровое представление исходного сигнала.
Показан оптический интерфейс для растянутого во времени аналого-цифрового преобразователя. Первоначальный аналоговый сигнал модулируется по ЛОМУ оптическому импульсу (полученного путем диспергирования в ультра-короткий суперконтинуум импульса от синхронизации мод лазера, MLL). Вторая диспергирующая среда еще больше растягивает оптический импульс. На выходе фотоприемника (ФД) получается растянутая копия исходного сигнала.

Процессор растяжения во времени, который обычно представляет собой оптический интерфейс , растягивает сигнал во времени. Он также делит сигнал на несколько сегментов , используя фильтр , например, Wavelength Division Multiplexing (WDM) фильтр , чтобы гарантировать , что растянутая копия исходных сегментов аналоговых сигналов не перекрывают друг друга во времени после растяжения. Растянутые во времени и замедленные сегменты сигнала затем преобразуются в цифровые выборки медленными электронными АЦП. Наконец, эти выборки собираются процессором цифровых сигналов (DSP) и переупорядочиваются таким образом, что выходные данные являются цифровым представлением исходного аналогового сигнала. Любойискажения, добавленные к сигналу препроцессором растяжения во времени, также удаляются DSP.

Оптический интерфейс обычно используется для выполнения этого процесса растяжения во времени. Сверхкороткие оптические импульсы ( как правило , от 100 до 200 фемтосекунд длиной), также называемого суперконтинуум импульсом, который имеет широкую оптическую полосу пропускания, является временем растягивается путем диспергирования его в сильно диспергирующей среде (например, волокно с компенсацией дисперсии). Этот процесс приводит к (почти) линейному отображению времени на длину волны в растянутом импульсе, потому что разные длины волн распространяются с разными скоростями в диспергирующей среде. Полученный импульс называется чирпированным, так как его частотаизменяется со временем и обычно составляет несколько наносекунд. Аналоговый сигнал модулируется на этот чирпированный импульс с помощью электрооптического модулятора интенсивности . Впоследствии модулированный импульс дополнительно растягивается во второй диспергирующей среде, которая имеет гораздо более высокое значение дисперсии. Наконец, полученный оптический импульс преобразуется в электрическую область фотодетектором , давая растянутую копию исходного аналогового сигнала.

Для непрерывной работы используется последовательность импульсов суперконтинуума . Чирпированные импульсы, поступающие на электрооптический модулятор, должны быть достаточно широкими (по времени), чтобы задний фронт одного импульса перекрывал передний фронт следующего импульса. Для сегментации оптические фильтры разделяют сигнал на каналы с множеством длин волн на выходе второй диспергирующей среды. Для каждого канала используется отдельный фотоприемник и внутренний электронный АЦП. Наконец, выходной сигнал этих АЦП передается на DSP, который генерирует желаемый цифровой выход.

Импульсный отклик системы фотонного растяжения во времени (PTS) [ править ]

Процессор PTS основан на специализированных аналоговых оптических (или микроволновых фотонных) волоконно-оптических линиях [5], таких как те, которые используются в распределении кабельного телевидения . В то время как дисперсия волокна является помехой для обычных аналоговых оптических линий связи , метод растяжения во времени использует его для замедления формы электрического сигнала в оптической области. В линии кабельного телевидения источником света является лазер непрерывного действия (CW) . В PTS источником является импульсный лазер с чирпированным излучением.

Захват радиочастотного тона 95 ГГц с помощью фотонного дигитайзера с растяжением во времени. Сигнал фиксируется с эффективной частотой дискретизации 10 тераэмплов в секунду.

В обычном аналоговом оптическом канале из-за дисперсии верхняя и нижняя боковые полосы модуляции , f оптическая ± f электрическая , сдвигаются по фазе . На определенных частотах их биения с оптической несущей деструктивно мешают , создавая нули в частотной характеристике системы. Для практических систем первый ноль находится на десятках ГГц , что достаточно для обработки большинства представляющих интерес электрических сигналов. Хотя может показаться, что штраф за дисперсию накладывает фундаментальный предел на импульсную характеристику (или полосу пропускания) системы растяжения во времени, его можно устранить. Штраф за дисперсию исчезает соднополосная модуляция . [5] В качестве альтернативы можно использовать вторичный (обратный) выходной порт модулятора для устранения штрафа за дисперсию [5] во многом таким же образом, как две антенны могут устранить пространственные нули в беспроводной связи (следовательно, две антенны на вершине WiFi точка доступа ). Эта конфигурация называется фазовым разнесением. [6] Объединение дополнительных выходных сигналов с использованием алгоритма комбинирования максимального отношения (MRC) приводит к передаточной функции с ровной характеристикой в ​​частотной области. Таким образом, импульсная характеристика(полоса пропускания) системы с растягиванием во времени ограничена только полосой пропускания электрооптического модулятора, которая составляет около 120 ГГц - значение, достаточное для захвата большинства интересующих электрических сигналов.

Чрезвычайно большие коэффициенты растяжения могут быть получены с использованием длинных волоконно-оптических линий, но за счет больших потерь - проблема, которая была решена путем использования рамановского усиления в самом дисперсионном волокне, что привело к созданию самого быстрого в мире оцифровщика в реальном времени. [7] Кроме того, с помощью PTS был достигнут захват очень высокочастотных сигналов с мировым рекордом разрешения в диапазоне 10 ГГц. [8]

Сравнение с временной линзой [ править ]

Другой метод, временное отображение с использованием временной линзы , также может использоваться для замедления (в основном оптических) сигналов во времени. Концепция временной линзы основана на математической эквивалентности пространственной дифракции и временной дисперсии, так называемой пространственно-временной двойственности . [9] Линза, удерживаемая на фиксированном расстоянии от объекта, дает увеличенное видимое изображение . Линза придает квадратичный фазовый сдвиг компонентам пространственной частоты оптических волн; в сочетании с свободным пространством распространения(объект к линзе, линза к глазу), это создает увеличенное изображение. Благодаря математической эквивалентности параксиальной дифракции и временной дисперсии, оптическая волна может быть отображена во времени с помощью трехэтапного процесса ее дисперсии во времени, подвергая ее квадратичному по времени фазовому сдвигу (сама временная линза), и снова разгоняя его. Теоретически сфокусированное изображение без аберраций получается при определенных условиях.когда два диспергирующих элемента и фазовый сдвиг удовлетворяют временному эквиваленту классического уравнения линзы. В качестве альтернативы, временная линза может использоваться без второго диспергирующего элемента для переноса временного профиля формы волны в спектральную область, аналогично тому свойству, когда обычная линза производит пространственное преобразование Фурье объекта в его фокусных точках . [10]

В отличие от подхода временной линзы, PTS не основан на двойственности пространства-времени - нет уравнения линзы, которое необходимо удовлетворить, чтобы получить безошибочную замедленную версию входной формы волны. Метод растяжения во времени также обеспечивает возможность сбора данных в непрерывном времени, что необходимо для основных приложений осциллографов .

Еще одно важное различие между этими двумя методами заключается в том, что для временной линзы требуется, чтобы входной сигнал подвергался большой дисперсии перед дальнейшей обработкой. Для электрических сигналов не существует электронных устройств, которые имеют требуемые характеристики: (1) высокое отношение дисперсии к потерям, (2) равномерная дисперсия и (3) широкая полоса пропускания. Это делает временную линзу непригодной для замедления широкополосных электрических сигналов. Напротив, у PTS нет такого требования. Он был разработан специально для замедления электрических сигналов и включения высокоскоростных дигитайзеров.

Связь с преобразованием фазового растяжения [ править ]

Преобразование растяжения фазы или PST - это вычислительный подход к обработке сигналов и изображений. Одна из его утилит предназначена для обнаружения и классификации признаков. фазовое растягивающее преобразование является побочным продуктом исследований дисперсионного преобразования Фурье во времени . Он преобразует изображение, имитируя распространение через дифракционную среду со спроектированным трехмерным дисперсионным свойством (показателем преломления).

Приложение к визуализации и спектроскопии [ править ]

В дополнение к широкополосному аналого-цифровому преобразованию, фотонное растяжение во времени (PTS) также является технологией, позволяющей использовать высокопроизводительные приборы реального времени, такие как визуализация [11] и спектроскопия . [12] [13] Показано, что первый искусственный интеллект с использованием высокоскоростной фазовой микроскопии повышает точность диагностики раковых клеток вне клеток крови путем одновременного измерения пространственных профилей фазы и интенсивности. [14] Самый быстрый в мире метод оптической визуализации - последовательная усиленная микроскопия с кодированием по времени (STEAM).использует технологию PTS для получения изображения с помощью однопиксельного фотоприемника и коммерческого АЦП. Спектроскопия длины волны-времени, которая также опирается на метод фотонного растяжения во времени, позволяет в режиме реального времени однократно измерять быстро меняющиеся или флуктуирующие спектры.

Количественная фазовая визуализация с растяжением во времени ( TS-QPI ) - это метод визуализации, основанный на технологии растяжения во времени для одновременного измерения пространственных профилей фазы и интенсивности. При растянутом во времени изображении пространственная информация объекта кодируется в спектре лазерных импульсов с длительностью импульса субнаносекунд. Каждый импульс, представляющий один кадр камеры, затем растягивается во времени, так что он может быть оцифрован в реальном времени с помощью электронного аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Сверхбыстрое импульсное освещение останавливает движение высокоскоростных ячеек или частиц в потоке, чтобы получить изображение без размытия. [15] [16]

Ссылки [ править ]

  1. ^ А.С. Бушан, Ф. Коппингер и Б. Джалали, "Растянутое во времени аналого-цифровое преобразование", Electronics Letters vol. 34, нет. 9, pp. 839–841, апрель 1998 г. [1]
  2. ^ А. Фард, С. Гупта и Б. Джалали, "Фотонный дигитайзер с растягиванием во времени и его расширение для спектроскопии и визуализации в реальном времени", Laser & Photonics Reviews vol. 7, вып. 2, pp. 207-263, март 2013 г. [2]
  3. ^ Y. Хан и Б. Джалали, "Фотонный растянутый во времени аналого-цифровой преобразователь: фундаментальные концепции и практические соображения", Journal of Lightwave Technology , Vol. 21, Issue 12, pp. 3085–3103, декабрь 2003 г. [3]
  4. ^ Mahjoubfar Ата; Чуркин, Дмитрий В .; Барланд, Стефан; Бродерик, Нил; Турицын, Сергей К .; Джалали, Бахрам (июнь 2017 г.). «Растяжка времени и ее приложения». Природа Фотоника . 11 (6): 341–351. Bibcode : 2017NaPho..11..341M . DOI : 10.1038 / nphoton.2017.76 . ISSN  1749-4885 .
  5. ^ a b c d Дж. Кэпмани и Д. Новак, «Микроволновая фотоника объединяет два мира», Nature Photonics 1 , 319-330 (2007). [4]
  6. ^ Ян Хань, Ozdal Boyraz, Бахры Джалали, «ультраширокий-диапазон Фотонного времени Натяжное А / Ц преобразовательприменением фазовое разнесение», «IEEE Transactions на микроволновых теории и технику» VOL. 53, НЕТ. 4, АПРЕЛЬ 2005 г. [5]
  7. ^ Дж. Чоу, О. Бойраз, Д. Солли и Б. Джалали, «Фемтосекундный однократный дигитайзер реального времени», Applied Physics Letters 91 , 161105 (2007). [6]
  8. ^ С. Гупта и Б. Джалали, "Коррекция деформации времени и калибровка в аналого-цифровом преобразователе фотонного растяжения во времени", Optics Letters 33 , 2674–2676 (2008). [7]
  9. ^ BH Kolner и М. Nazarathy, "Temporal изображений с временным объективом," Оптика Письмо 14 , 630-632 (1989) [8]
  10. ^ JW Goodman, "Введение в оптику Фурье", McGraw-Hill (1968).
  11. ^ К. Года, К.К. Циа и Б. Джалали, «Последовательная кодированная во времени усиленная визуализация для наблюдения в реальном времени быстрых динамических явлений», Nature 458, 1145–1149, 2009. [9]
  12. ^ DR Солли, Дж. Чоу и Б. Джалали, «Усиленное преобразование длины волны во время для спектроскопии в реальном времени», Nature Photonics 2, 48-51, 2008. [10]
  13. ^ Дж. Чоу, Д. Солли и Б. Джалали, «Спектроскопия в реальном времени с субгигагерцовым разрешением с использованием усиленного дисперсионного преобразования Фурье», Applied Physics Letters 92, 111102, 2008. [11]
  14. ^ К. Чен, А. Маджубфар и Б. Джалали, «Глубокое обучение в безмаркированной классификации клеток», Scientific Reports 6, 21471 (2016) doi : 10.1038 / srep21471 . [12]
  15. ^ Чен, Клэр Лифан; Махджубфар, Ата; Тай, Ли-Чиа; Blaby, Ян К .; Хуанг, Аллен; Ниязи, Кайван Реза; Джалали, Бахрам (2016). «Глубокое обучение в классификации клеток без меток» . Научные отчеты . 6 : 21471. Bibcode : 2016NatSR ... 621471C . DOI : 10.1038 / srep21471 . PMC 4791545 . PMID 26975219 .  опубликовано под лицензией CC BY 4.0
  16. ↑ Мишо, Сара (5 апреля 2016 г.). «Использование больших данных для визуализации клеток» . Новости оптики и фотоники . Доступен для загрузки полный текст: The Optical Society . Проверено 8 июля +2016 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • GC Valley, «Фотонные аналого-цифровые преобразователи», Опт. Экспресс , т. 15, вып. 5, pp. 1955–1982, март 2007 г. [13]
  • Pho тоник Б andwidth Сжатия я nstantaneous Wideband А Д / С Конверсией ( PHOBIAC ) проект. [14]
  • Кратковременное преобразование Фурье для частотно-временного анализа сверхширокополосных сигналов