Аналого-цифровой преобразователь с растяжением времени

( Аналого-цифровой преобразователь с растяжением времени TS -ADC ), ^[1]^[2]^[3] также известный как устройство записи с расширенным временным расширением ( TiSER ), представляет собой систему аналого-цифрового преобразователя (АЦП), которая способна оцифровывать с очень широкой полосой пропускания сигналы , которые не могут быть захвачены обычными электронными АЦП. ^[4] Альтернативно, он также известен как фотонный дигитайзер с растяжением времени (PTS). ^[5] поскольку он использует оптический интерфейс . Он основан на процессе растяжения во времени, который эффективно замедляет аналоговый сигнал во времени (или сжимает его полосу пропускания), прежде чем его можно будет оцифровать с помощью стандартного электронного АЦП.

Фон

Существует огромный спрос на сверхбыстродействующие аналого-цифровые преобразователи (АЦП), поскольку они необходимы для испытательного и измерительного оборудования высокоскоростной передачи данных в лабораториях и в системах . ^{[ нужна ссылка ]} Большинство АЦП основаны исключительно на электронных схемах, которые имеют ограниченную скорость и добавляют множество ухудшений, ограничивая полосу пропускания сигналов, которые можно оцифровать, и достижимое соотношение сигнал/шум . В TS-ADC это ограничение преодолевается за счет растяжения аналогового сигнала по времени, что эффективно замедляет сигнал во времени перед оцифровкой. При этом полоса пропускания (и несущая частота ) сигнала сжимается. Электронные АЦП, которые были бы слишком медленными для оцифровки исходного сигнала, теперь могут использоваться для захвата и обработки этого замедленного сигнала.

Принцип работы

Процессор растяжения времени, который обычно представляет собой оптический интерфейс , растягивает сигнал во времени. Он также делит сигнал на несколько сегментов с помощью фильтра , например, мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) фильтра , чтобы гарантировать, что растянутая копия исходных сегментов аналогового сигнала не перекрывает друг друга во времени после растяжения. Растянутые по времени и замедленные сегменты сигнала затем преобразуются в цифровые выборки с помощью медленных электронных АЦП. Наконец, эти выборки собираются процессором цифровых сигналов (DSP) и переупорядочиваются таким образом, чтобы выходные данные представляли собой цифровое представление исходного аналогового сигнала. Любые искажения, растяжения во времени, добавляемые к сигналу препроцессором также удаляются DSP.

Для выполнения этого процесса растяжения времени обычно используется оптический интерфейс. Ультракороткий оптический импульс (обычно длительностью от 100 до 200 фемтосекунд ), также называемый импульсом суперконтинуума , который имеет широкую оптическую полосу пропускания, растягивается во времени за счет его рассеивания в среде с высокой дисперсией (например, в волокне с компенсацией дисперсии). Этот процесс приводит к (почти) линейному отображению времени и длины волны в растянутом импульсе, поскольку разные длины волн распространяются в дисперсионной среде с разными скоростями. Полученный импульс называется чирпированным импульсом, поскольку его частота меняется со временем и обычно длится несколько наносекунд. Аналоговый сигнал модулируется на этот чирпированный импульс с помощью электрооптического модулятора интенсивности . Впоследствии модулированный импульс растягивается дальше во второй дисперсионной среде, которая имеет гораздо более высокое значение дисперсии. Наконец, полученный оптический импульс преобразуется фотодетектором в электрический домен , давая растянутую копию исходного аналогового сигнала.

последовательность импульсов суперконтинуума Для непрерывной работы используется . 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 несколько длин волн на выходе второй дисперсионной среды. отдельный фотоприемник и электронный АЦП Для каждого канала используется . Наконец, выходные данные этих АЦП передаются на DSP , который генерирует желаемый цифровой выходной сигнал.

Импульсный отклик системы фотонного растяжения времени (PTS)

Процессор PTS основан на специализированных аналоговых оптических (или микроволновых фотонных) оптоволоконных линиях связи. ^[5] например, те, которые используются при распространении кабельного телевидения . Хотя дисперсия волокна является помехой для традиционных аналоговых оптических линий связи , метод растяжения во времени использует ее для замедления формы электрического сигнала в оптической области. В линии кабельного телевидения источником света является непрерывного действия (CW) лазер . В ПТС источником является чирпируемый импульсный лазер.

В обычной аналоговой оптической линии дисперсия приводит верхней и нижней боковых полос модуляции f _{оптическая} ± f _{электрическая} к сдвигу относительной фазы . На определенных частотах их биения о оптической несущей деструктивно мешают , создавая нули в частотной характеристике системы. Для практических систем первый нулевой уровень составляет десятки ГГц , что достаточно для обработки большинства представляющих интерес электрических сигналов. Хотя может показаться, что штраф за дисперсию накладывает фундаментальное ограничение на импульсную характеристику (или полосу пропускания) системы растяжения времени, его можно устранить. Штраф за дисперсию исчезает при однополосной модуляции . ^[5] В качестве альтернативы можно использовать вторичный (инверсный) выходной порт модулятора, чтобы устранить штраф за дисперсию. ^[5] во многом так же, как две антенны могут устранить пространственные нули в беспроводной связи (отсюда и две антенны поверх Wi-Fi точки доступа ). Эта конфигурация называется фазовым разнесением. ^[6] Объединение дополнительных выходных данных с использованием алгоритма объединения максимального соотношения (MRC) приводит к получению передаточной функции с плоским откликом в частотной области. Таким образом, импульсная характеристика (пропускная способность) системы растяжения во времени ограничена только полосой пропускания электрооптического модулятора , которая составляет около 120 ГГц — значение, достаточное для захвата большинства представляющих интерес электрических сигналов.

Чрезвычайно большие коэффициенты растяжения можно получить, используя длинные волокна, но ценой больших потерь — проблема, которая была преодолена за счет использования рамановского усиления внутри самого дисперсионного волокна, что привело к созданию самого быстрого в мире дигитайзера реального времени. ^[7] Также с помощью PTS был достигнут захват очень высокочастотных сигналов с мировым рекордным разрешением в диапазоне полосы пропускания 10 ГГц. ^[8]

Сравнение с визуализацией временной линзы

Другой метод, временная визуализация с использованием временной линзы , также может использоваться для замедления (в основном оптических) сигналов во времени. Концепция временной линзы опирается на математическую эквивалентность пространственной дифракции и временной дисперсии, так называемую пространственно-временную двойственность . ^[9] Линза, удерживаемая на расстоянии от объекта, создает увеличенное изображение объекта. Линза придает квадратичный фазовый сдвиг пространственно-частотным компонентам оптических волн; в сочетании с в свободном пространстве распространением (объект к линзе, линза к глазу) это создает увеличенное изображение. Благодаря математической эквивалентности параксиальной дифракции и временной дисперсии оптический сигнал может быть отображен во времени с помощью трехэтапного процесса его диспергирования во времени, подвергая его квадратичному по времени фазовому сдвигу (сама временная линза) и разгоняя его снова. Теоретически сфокусированное изображение без аберраций получается при определенных условиях , когда два дисперсионных элемента и фазовый сдвиг удовлетворяют временному эквиваленту классического уравнения линзы. В качестве альтернативы, временная линза может использоваться без второго дисперсионного элемента для переноса временного профиля сигнала в спектральную область, аналогично тому свойству, которое обычная линза создает пространственную картину. Преобразование Фурье объекта в его фокусных точках . ^[10]

В отличие от подхода временной линзы, PTS не основан на пространственно-временной двойственности – не существует уравнения линзы, которому необходимо удовлетворять, чтобы получить безошибочную замедленную версию входного сигнала. Метод растяжения по времени также обеспечивает возможность сбора данных в непрерывном режиме, что необходимо для основных приложений осциллографов .

Еще одно важное различие между этими двумя методами заключается в том, что временная линза требует, чтобы входной сигнал подвергался большой дисперсии перед дальнейшей обработкой. Для электрических сигналов не существует электронных устройств, которые обладают необходимыми характеристиками: (1) высоким отношением дисперсии к потерям, (2) равномерной дисперсией и (3) широкой полосой пропускания. Это делает временную линзу непригодной для замедления широкополосных электрических сигналов. Напротив, в ПТС нет такого требования. Он был разработан специально для замедления электрических сигналов и обеспечения высокоскоростных цифровых преобразователей.

Связь с преобразованием фазового растяжения

Преобразование фазового растяжения или PST — это вычислительный подход к обработке сигналов и изображений. Одна из его утилит предназначена для обнаружения и классификации функций. Преобразование фазового растяжения является побочным продуктом исследований дисперсионного преобразования Фурье с растяжением во времени . Он преобразует изображение, имитируя распространение через дифракционную среду с специально разработанным свойством трехмерной дисперсии (показателем преломления).

Применение к визуализации и спектроскопии

В дополнение к широкополосному аналогово-цифровому преобразованию фотонное растяжение во времени (PTS) также является технологией, позволяющей создавать высокопроизводительные приборы реального времени, такие как системы визуализации. ^[11] и спектроскопия . ^[12]^[13] Показано, что первая высокоскоростная фазовая микроскопия с использованием искусственного интеллекта повышает точность диагностики раковых клеток из клеток крови за счет одновременного измерения пространственных профилей фазы и интенсивности. ^[14] Самый быстрый в мире метод оптической визуализации, называемый последовательной усиленной микроскопией с временным кодированием (STEAM), использует технологию PTS для получения изображения с помощью однопиксельного фотодетектора и коммерческого АЦП. Спектроскопия по длине волны, которая также основана на методе фотонного растяжения во времени, позволяет в режиме реального времени однократно измерять быстро развивающиеся или флуктуирующие спектры.

Количественная фазовая визуализация с растяжением по времени ( TS-QPI ) — это метод визуализации, основанный на технологии растяжения во времени для одновременного измерения пространственных профилей фазы и интенсивности. При визуализации, растянутой во времени, пространственная информация об объекте кодируется в спектре лазерных импульсов с длительностью импульса субнаносекунд. Каждый импульс, представляющий один кадр камеры, затем растягивается во времени, чтобы его можно было оцифровать в реальном времени с помощью электронного аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Сверхбыстрое импульсное освещение останавливает движение высокоскоростных клеток или частиц в потоке, обеспечивая получение изображений без размытия. ^[15]^[16]

Ссылки

^ А.С. Бхушан, Ф. Коппингер и Б. Джалали, «Аналогово-цифровое преобразование с растянутым во времени», Electronics Letters vol. 34, нет. 9, стр. 839–841, апрель 1998 г. [1]
^ А. Фард, С. Гупта и Б. Джалали, «Фотонный дигитайзер с растяжением во времени и его расширение для спектроскопии и визуализации в реальном времени», Laser & Photonics Reviews vol. 7, нет. 2, стр. 207–263, март 2013 г. [2]
^ Ю. Хан и Б. Джалали, «Фотонный аналого-цифровой преобразователь с растянутым во времени: фундаментальные концепции и практические соображения», Journal of Lightwave Technology , Vol. 21, выпуск 12, стр. 3085–3103, декабрь 2003 г. [3]
^ Махджубфар, Ата; Чуркин Дмитрий В.; Барланд, Стефан; Бродерик, Нил; Турицын Сергей К.; Джалали, Бахрам (июнь 2017 г.). «Растяжение времени и его применение». Природная фотоника . 11 (6): 341–351. Бибкод : 2017NaPho..11..341M . дои : 10.1038/nphoton.2017.76 . ISSN 1749-4885 . S2CID 53511029 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Дж. Кэпмани и Д. Новак , «Микроволновая фотоника объединяет два мира», Nature Photonics 1 , 319-330 (2007). [4]
^ Ян Хан, Оздал Бойраз, Бахрам Джалали, «Сверхширокополосный фотонный аналого-цифровой преобразователь с растяжением времени, использующий фазовое разнесение», «IEEE ТРАНЗАКЦИИ ПО СВЧ-ТЕОРИИ И МЕТОДАМ» VOL. 53, НЕТ. 4 АПРЕЛЯ 2005 ГОДА [5]
^ Дж. Чоу, О. Бойраз, Д. Солли и Б. Джалали, «Фемтосекундный одноразовый дигитайзер в реальном времени», Applied Physics Letters 91 , 161105 (2007). [6]
^ С. Гупта и Б. Джалали, «Коррекция деформации времени и калибровка в фотонном аналого-цифровом преобразователе с растяжением времени», Optics Letters 33 , 2674–2676 (2008). [7]
^ Б. Х. Колнер и М. Назарати, «Временное изображение с помощью временной линзы», Optics Letters 14 , 630-632 (1989) [8]
^ Дж. В. Гудман, «Введение в оптику Фурье», McGraw-Hill (1968).
^ К. Года, К.К. Циа и Б. Джалали, «Последовательные усиленные изображения с временным кодированием для наблюдения в реальном времени быстрых динамических явлений», Nature 458, 1145–1149, 2009. [9]
^ Д. Р. Солли, Дж. Чоу и Б. Джалали, «Усиленное преобразование длины волны во время для спектроскопии в реальном времени», Nature Photonics 2, 48-51, 2008. [10]
^ 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]
^ К. Чен, А. Махджубфар и Б. Джалали, «Глубокое обучение в классификации клеток без меток», Scientific Reports 6, 21471 (2016). два : 10.1038/srep21471 . [12]
^ Чен, Клэр Лифан; Махджубфар, Ата; Тай, Ли-Чиа; Блаби, Ян К.; Хуанг, Аллен; Ниязи, Кайван Реза; Джалали, Бахрам (2016). «Глубокое обучение в классификации ячеек без меток» . Научные отчеты . 6 : 21471. Бибкод : 2016NatSR...621471C . дои : 10.1038/srep21471 . ПМЦ 4791545 . ПМИД 26975219 . опубликовано под лицензией CC BY 4.0
^ Мишо, Сара (5 апреля 2016 г.). «Использование больших данных для визуализации клеток» . Новости оптики и фотоники . Полный текст доступен для скачивания: Оптическое общество . Проверено 8 июля 2016 г.

Дальнейшее чтение

GC Valley, «Фотонные аналого-цифровые преобразователи», Opt. Экспресс , вып. 15, нет. 5, стр. 1955–1982, март 2007 г. [13]
Фотонное сжатие ширины и полосы пропускания для проекта мгновенного широкополосного аналогово -постоянного преобразования ( PHOBIAC ). [14]
Кратковременное преобразование Фурье для частотно-временного анализа сверхширокополосных сигналов

[1] А.С. Бхушан, Ф. Коппингер и Б. Джалали, «Аналогово-цифровое преобразование с растянутым во времени», Electronics Letters vol. 34, нет. 9, стр. 839–841, апрель 1998 г. [1]

[2] А. Фард, С. Гупта и Б. Джалали, «Фотонный дигитайзер с растяжением во времени и его расширение для спектроскопии и визуализации в реальном времени», Laser & Photonics Reviews vol. 7, нет. 2, стр. 207–263, март 2013 г. [2]

[3] Ю. Хан и Б. Джалали, «Фотонный аналого-цифровой преобразователь с растянутым во времени: фундаментальные концепции и практические соображения», Journal of Lightwave Technology , Vol. 21, выпуск 12, стр. 3085–3103, декабрь 2003 г. [3]

[4] Махджубфар, Ата; Чуркин Дмитрий В.; Барланд, Стефан; Бродерик, Нил; Турицын Сергей К.; Джалали, Бахрам (июнь 2017 г.). «Растяжение времени и его применение». Природная фотоника . 11 (6): 341–351. Бибкод : 2017NaPho..11..341M . дои : 10.1038/nphoton.2017.76 . ISSN 1749-4885 . S2CID 53511029 .

[CapmanyNP2007-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Дж. Кэпмани и Д. Новак , «Микроволновая фотоника объединяет два мира», Nature Photonics 1 , 319-330 (2007). [4]

[6] Ян Хан, Оздал Бойраз, Бахрам Джалали, «Сверхширокополосный фотонный аналого-цифровой преобразователь с растяжением времени, использующий фазовое разнесение», «IEEE ТРАНЗАКЦИИ ПО СВЧ-ТЕОРИИ И МЕТОДАМ» VOL. 53, НЕТ. 4 АПРЕЛЯ 2005 ГОДА [5]

[7] Дж. Чоу, О. Бойраз, Д. Солли и Б. Джалали, «Фемтосекундный одноразовый дигитайзер в реальном времени», Applied Physics Letters 91 , 161105 (2007). [6]

[8] С. Гупта и Б. Джалали, «Коррекция деформации времени и калибровка в фотонном аналого-цифровом преобразователе с растяжением времени», Optics Letters 33 , 2674–2676 (2008). [7]

[9] Б. Х. Колнер и М. Назарати, «Временное изображение с помощью временной линзы», Optics Letters 14 , 630-632 (1989) [8]

[10] Дж. В. Гудман, «Введение в оптику Фурье», McGraw-Hill (1968).

[11] К. Года, К.К. Циа и Б. Джалали, «Последовательные усиленные изображения с временным кодированием для наблюдения в реальном времени быстрых динамических явлений», Nature 458, 1145–1149, 2009. [9]

[12] Д. Р. 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. Махджубфар и Б. Джалали, «Глубокое обучение в классификации клеток без меток», Scientific Reports 6, 21471 (2016). два : 10.1038/srep21471 . [12]

[15] Чен, Клэр Лифан; Махджубфар, Ата; Тай, Ли-Чиа; Блаби, Ян К.; Хуанг, Аллен; Ниязи, Кайван Реза; Джалали, Бахрам (2016). «Глубокое обучение в классификации ячеек без меток» . Научные отчеты . 6 : 21471. Бибкод : 2016NatSR...621471C . дои : 10.1038/srep21471 . ПМЦ 4791545 . ПМИД 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 . Полный текст доступен для скачивания: Оптическое общество . Проверено 8 июля 2016 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]