Zeitabstretchanalog-Digital-Konverter

Das Zeitabstretchanalog-Digital-Konverter (TS-ADC),[1][2][3] auch bekannt als die Zeitstrainer erweiterter Rekorder (Tiser), ist ein Analog-Digital-Wandler (ADC) -System, das die Fähigkeit hat Digitalisierung sehr hoch Bandbreite Signale das kann nicht von konventionellem erfasst werden elektronisch ADCs.[4] Alternativ ist es auch als das bekannt photonisch Digitalisierer der Zeitspur (PTS),[5] Da verwendet es eine optisch Frontend. Es stützt sich auf den Prozess der Zeitspiegel, was die effektiv verlangsamt Analogsignal Mit der Zeit (oder komprimiert seine Bandbreite), bevor sie durch einen Standard -Elektronik -ADC digitalisiert werden kann.

Hintergrund

Es gibt eine enorme Nachfrage nach sehr Hochgeschwindigkeitsanalog-Digital-Konvertern (ADCs), wie sie benötigt werden Test- und Messgeräte in Labors und in hoher Geschwindigkeit Daten Kommunikationssysteme. Die meisten ADCs basieren nur auf elektronischen Schaltungen, die nur begrenzte Geschwindigkeiten haben und viele Beeinträchtigungen hinzufügen, was die Bandbreite der Signale einschränkt, die digitalisiert werden können, und die erreichbaren Signale Signal-Rausch-Verhältnis. In der TS-ADC wird diese Einschränkung durch zeitliche Streckung des analogen Signals überwunden, das das Signal vor der Digitalisierung effektiv verlangsamt. Auf diese Weise die Bandbreite (und Trägerfrequenz) des Signals wird komprimiert. Elektronische ADCs, die zu langsam gewesen wären, um das ursprüngliche Signal zu digitalisieren, können jetzt verwendet werden, um dieses Signal zu erfassen und zu verarbeiten.

Operationsprinzip

Eine Zeitspur Analog-Digital-Wandler (mit einem Dehnungsfaktor von 4) wird gezeigt. Das ursprüngliche analoge Signal ist mit Hilfe einer Zeitspiegel Präprozessor (im Allgemeinen optisch Frontend). Verlangsamte Segmente werden von herkömmlichen elektronischen ADCs erfasst. Die digitalisierten Proben werden neu angeordnet, um die digitale Darstellung des ursprünglichen Signals zu erhalten.
Optisch Frontend Für einen Zeitabstretch-Analog-Digital-Konverter wird gezeigt. Das ursprüngliche analoge Signal ist moduliert über ein zwitschern optischer Impuls (erhalten durch zerstreuen ein Ultra-Short Superkontinuum Impuls von einem modusklammernden Laser, MLL). Das zweite dispersive Medium streckt den optischen Impuls weiter. Bei der Fotodetektor (PD) Ausgang, gestreckte Replik des ursprünglichen Signals wird erhalten.

Der Zeitsträgerprozessor, der im Allgemeinen ein ist optisch Frontendstreckt das Signal rechtzeitig. Es unterteilt das Signal auch mit a in mehrere Segmente Filterzum Beispiel a Wellenlängenabteilung Multiplexing (WDM) Filter, um sicherzustellen, dass sich die gestreckte Replik der ursprünglichen analogen Signalsegmente nicht rechtzeitig nach dem Dehnen überlappen. Die zeitgestreiften und verlangsamten Signalsegmente werden dann in konvertiert Digital Proben durch langsame elektronische ADCs. Schließlich werden diese Proben von a gesammelt digitaler Signalprozessor (DSP) und in einer Weise neu angeordnet, so dass Ausgabedaten die digitale Darstellung des ursprünglichen Analogsignals sind. Irgendein Verzerrung durch die Zeitstrecke zum Signal hinzugefügt Präprozessor wird auch vom DSP entfernt.

Ein optisches Front-End wird üblicherweise verwendet, um diesen Zeitprozess der Zeitspurung zu erreichen. Ein UltraShort optischer Puls (Typischerweise 100 bis 200 Femtosekunden lang), auch a genannt Superkontinuum Pulse, der eine breite optische Bandbreite hat, ist zeitlich gestreckt durch zerstreuen Es in einem hochdispersiven Medium (z. B. eine Dispersion, die Faser entschädigt). Dieser Prozess führt zu einer (fast) linearen Zeit zuWellenlänge Kartierung im gestreckten Impuls, da verschiedene Wellenlängen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten im dispersiven Medium fließen. Der erhaltene Puls wird a genannt zwitschern Puls wie seine Frequenz Verändert sich mit der Zeit und es ist normalerweise einige Nanosekunden lang. Das analoge Signal ist moduliert auf diesen zwitschernden Puls mit einem Elektrooptischer Intensitätsmodulator. Anschließend wird der modulierte Impuls im zweiten dispersiven Medium mit einem viel höheren Dispersionswert weiter gestreckt. Schließlich wird dieser erhaltene optische Impuls durch a in die elektrische Domäne umgewandelt Fotodetektor, geben die gestreckte Replik des ursprünglichen analogen Signals.

Für den kontinuierlichen Betrieb ein Zug von Superkontinuum Impulse werden verwendet. Die Chirped-Impulse, die am elektrooptischen Modulator ankommen, sollten (rechtzeitig) breit genug sein, so dass die hintere Kante eines Impulses die Vorderkante des nächsten Impulses überlappt. Für die Segmentierung trennen optische Filter das Signal in mehrere Wellenlänge Kanäle am Ausgang des zweiten dispersiven Mediums. Für jeden Kanal, ein separater Fotodetektor und Backend Elektronische ADC wird verwendet. Schließlich wird die Ausgabe dieser ADCs an die weitergegeben DSP Dies erzeugt die gewünschte digitale Ausgabe.

Impulsantwort des PTS-Systems (Photonic Time-Stretch)

Der PTS -Prozessor basiert auf speziellen analogen optischen (oder Mikrowelle photonisch) Faser Links[5] wie die in verwendeten in Kabelfernsehen Verteilung. Während die Dispersion von Ballaststoffen ein Ärgernis im konventionellen Analogon ist Optische Links, Zeitabstretch-Technik nutzt sie aus, um die Elektrik zu verlangsamen Wellenform im optischen Bereich. In der Kabel -TV -Verbindung ist die Lichtquelle a kontinuierliche Welle (CW) Laser-. In PTS ist die Quelle ein zwitscherner Pulslaser.

Erfassung eines 95-GHz-HF-Tons mit dem photonischen Zeitsträger-Digitalisierer. Das Signal wird mit einer effektiven Stichprobenrate von 10 Terasamen pro Sekunde erfasst.

In einer herkömmlichen analogen optischen Verbindung verursacht Dispersion die obere und untere Modulation Seitenbänder, foptisch ± felektrisch, relativ ausrutschen Phase. Bei bestimmten Frequenzen sind ihre Schläge mit der optischen Träger stören zerstörerisch und Nulls in der Frequenzgang vom System. Für praktische Systeme ist der erste Null bei zehn Zehnten von GHz, was ausreicht, um die meisten elektrischen Signale von Interesse zu bewältigen. Obwohl es scheint, dass die Straftatstrafe eine grundlegende Grenze für die Impulsantwort (oder die Bandbreite) des Zeitstreifensystems legt, kann sie beseitigt werden. Die Dispersionsstrafe verschwindet mit Ein-Seitenband-Modulation.[5] Alternativ kann man den sekundären (inversen) Ausgangsanschluss des Modulators verwenden, um die Dispersionsstrafe zu beseitigen.[5] in ähnlicher Weise wie zwei Antennen kann eliminieren räumliche Nulls in kabellos Kommunikation (daher die beiden Antennen über a W-lan Zugangspunkt). Diese Konfiguration wird als Phasendiversität bezeichnet.[6] Kombination der komplementären Ausgänge mit a Maximales Verhältnis kombiniert (MRC) Algorithmus führt zu einer Übertragungsfunktion mit einer flachen Reaktion in der Frequenzdomäne. Und so kam es dass der impulsive Reaktion (Bandbreite) eines Zeitstreifensystems ist nur durch die Bandbreite der elektrooptisch Der Modulator mit etwa 120 GHz - ein Wert, der für die Erfassung der meisten elektrischen Wellenformen von Interesse angemessen ist.

Extrem große Dehnungsfaktoren können unter Verwendung langer Faserlängen erhalten werden, aber auf Kosten eines größeren Verlusts - ein Problem, das durch die Verwendung überwunden wurde Raman -Verstärkung Innerhalb der dispersiven Faser selbst, was zum schnellsten Echtzeit-Digitalisierer der Welt führt.[7] Außerdem wurde die Erfassung sehr hochfrequenter Signale mit einer Weltrekordauflösung in der 10-GHz-Bandbreitenbereich erreicht.[8]

Vergleich mit der Zeitlinse -Bildgebung

Eine andere Technik, zeitliche Bildgebung mit einer Zeit Linse, kann auch verwendet werden, um (meistens optische) Signale rechtzeitig zu verlangsamen. Das Zeitlinsenkonzept beruht auf der mathematischen Äquivalenz zwischen räumlich Beugung und zeitlich Dispersion, die sogenannte Raumzeit Dualität.[9] Ein in einem Abstand von einem Objekt gehaltenes Objektiv erzeugt eine vergrößerte Bild des Objekts. Die Linse vermittelt a quadratisch Phasenverschiebung auf die Raumfrequenz Komponenten der optischen Wellen; In Verbindung mit Freiraum Vermehrung (Objekt zu Objektiv, Linse zu Auge) Dies erzeugt ein vergrößeres Bild. Aufgrund der mathematischen Äquivalenz zwischen paraxial Beugung und zeitliche Dispersion kann eine optische Wellenform zeitlich sein abgebildet Durch einen dreistufigen Prozess, der es rechtzeitig zerstreut, es einer Phasenverschiebung ausgesetzt wird, die zeitlich quadratisch ist (die Zeitlinse selbst) und es erneut verteilt. Theoretisch a fokussiert Abweichung-freies Bild wird unter a erhalten Spezifische Bedingung Wenn die beiden dispersiven Elemente und die Phasenverschiebung das zeitliche Äquivalent der klassischen Linsengleichung erfüllen. Alternativ kann die Zeitlinse ohne das zweite dispersive Element verwendet werden, um das zeitliche Profil der Wellenform in die spektrale Domäne zu übertragen, analog zu der Eigenschaft, die eine gewöhnliche Linse erzeugt Fourier-Transformation eines Objekts bei seinem Schwerpunkte.[10]

Im Gegensatz zum Zeitlinienansatz basiert PTS nicht auf der Raumzeit-Dualität-es gibt keine Linsengleichung, die zufrieden sein muss, um eine fehlerfreie verlangsamte Version der Eingangswellenform zu erhalten. Die Zeit-Stretch-Technik bietet auch die Erwerbsleistung kontinuierlicher Zeit, eine Funktion, die für Mainstream-Anwendungen von erforderlich ist Oszilloskope.

Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen den beiden Techniken besteht darin, dass die Zeitlinse vor der weiteren Verarbeitung einer hohen Dispersionsmenge ausgesetzt werden muss. Für elektrische Wellenformen existieren die elektronischen Geräte mit den erforderlichen Eigenschaften: (1) Hochdispersions -Verlustverhältnis, (2) einheitliche Dispersion und (3) breite Bandbreiten nicht. Dies macht das Zeitlinsen nicht geeignet, um die Wellenformen der Breitbande zu verlangsamen. Im Gegensatz dazu hat PTS keine solche Anforderung. Es wurde speziell zur Verlangsamung der elektrischen Wellenformen entwickelt und Hochgeschwindigkeitsdigitalisierer ermöglicht.

Beziehung zur Phase -Stretch -Transformation

Das Phasenstrecktransformation oder PST ist ein rechnerischer Ansatz zur Signal- und Bildverarbeitung. Eines seiner Dienstprogramme ist die Erkennung und Klassifizierung von Merkmalen. Phasenstrecktransformation ist eine Ausgründung aus der Forschung an der Zeitstrecke dispergsive Fourier -Transformation. Es transformiert das Bild, indem sie die Ausbreitung durch ein diffraktives Medium mit einer technischen 3D -dispergierenden Eigenschaft (Brechungsindex) emuliert.

Anwendung auf Bildgebung und Spektroskopie

Zusätzlich zur Breitband-A/D-Konvertierung ist Photonic Time-Stretch (PTS) auch eine Aktivierungstechnologie für Echtzeitinstrumente mit hohem Durchsatz wie z. Bildgebung[11] und Spektroskopie.[12][13] Der Erste Künstliche Intelligenz erleichterte Hochgeschwindigkeitsphasenmikroskopie Es wird nachgewiesen, dass die Diagnosegenauigkeit von Krebszellen aus Blutzellen durch gleichzeitige Messung von Phasen- und Intensitäts -räumlichen Profilen verbessert wird.[14] Die schnellste optische Bildgebungsmethode der Welt genannt Serielle zeitkodierte amplifizierte Mikroskopie (Dampf) Verwendet die PTS-Technologie, um das Bild mit einem Einzelpixel-Fotodetektor und einem kommerziellen ADC zu erwerben. Die Wellenlängen-Zeit-Spektroskopie, die auch auf der photonischen Zeitspiegeltechnik beruht, ermöglicht Echtzeit-Single-Shot-Messungen von sich schnell entwickelnden oder schwankenden Spektren.

Zeitstrecke quantitative Phasenbildgebung (TS-qpi) ist eine Bildgebungstechnik, die auf der Zeitstrecktechnologie zur gleichzeitigen Messung von Phasen- und Intensitäts-räumlichen Profilen basiert. In der Zeit gestreckte Bildgebung werden die räumlichen Informationen des Objekts im Spektrum von Laserimpulsen innerhalb einer Impulsdauer von Subnanosekunden codiert. Jeder Impuls, der einen Rahmen der Kamera darstellt, wird dann rechtzeitig gestreckt, so dass er in Echtzeit durch einen elektronischen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert werden kann. Die ultraschnelle Impulsbeleuchtung friert die Bewegung von Hochgeschwindigkeitszellen oder Partikeln im Durchfluss ein, um eine verschwommene Bildgebung zu erreichen.[15][16]

Verweise

  1. ^ A. S. Bhushan, F. Coppinger und B. Jalali, "zeitgestreifte Analog-zu-Digital-Umwandlung", Elektronikbuchstaben vol. 34, nein. 9, S. 839–841, April 1998. [1]
  2. ^ A. Fard, S. Gupta und B. Jalali, "Photonischer Zeit-Stretch-Digitalisierer und seine Erweiterung der Echtzeitspektroskopie und -bildgebung", " Laser- und Photonikbewertungen vol. 7, nein. 2, S. 207-263, März 2013. [2]
  3. ^ Y. Han und B. Jalali, "Photonischer zeitlich gestreckter Analog-Digital-Konverter: Grundlegende Konzepte und praktische Überlegungen," Journal of Lightwave Technology, Vol. 21, Ausgabe 12, S. 3085–3103, Dezember 2003. [3]
  4. ^ Mahjoubfar, ATA; Churkin, Dmitry V.; Barland, Stéphane; Broderick, Neil; Turityn, Sergei K.; Jalali, Bahram (Juni 2017). "Zeitstrecke und seine Anwendungen". Naturphotonik. 11 (6): 341–351. Bibcode:2017napho..11..341m. doi:10.1038/nphoton.2017.76. ISSN 1749-4885.
  5. ^ a b c d J. Capmany und D. Novak, "Mikrowellenphotonik kombiniert zwei Welten", " Naturphotonik 1, 319-330 (2007). [4]
  6. ^ Yan Han, Ozdal Boyraz, Bahram Jalali, "Ultrawide-Band Photonic Time-Stretch A/D-Wandler mit Phasenvielfalt", "IEEE-Transaktionen zur Mikrowellentheorie und -techniken" Vol. 53, Nr. 4, April 2005 [5]
  7. ^ J. Chou, O. Boyraz, D. Solli und B. Jalali, "Femtosekunden in Echtzeit-Single-Shot-Digitalisierer", " Angewandte Physikbuchstaben 91, 161105 (2007). [6]
  8. ^ S. Gupta und B. Jalali, "Zeitkriegskorrektur und Kalibrierung beim photonischen Zeitstrainungsanalog-Digital-Wandler", " Optikbriefe 33, 2674–2676 (2008). [7]
  9. ^ B. H. Kolner und M. Nazarathy, "Temporale Bildgebung mit einer Zeitlinse", Optikbriefe 14, 630-632 (1989) [8]
  10. ^ J. W. Goodman, "Einführung in Fourier Optics", McGraw-Hill (1968).
  11. ^ K. Goda, K.K. Tsia und B. Jalali, "serielle zeitkodierte Verstärkungsbilder zur Echtzeitbeobachtung schnell dynamischer Phänomene", Nature 458, 1145–1149, 2009. [9]
  12. ^ D. R. Solli, J. Chou und B. Jalali, "Verstärkte Wellenlänge-Zeit-Transformation für Echtzeitspektroskopie", Naturphotonik 2, 48-51, 2008. [10]
  13. ^ J. Chou, D. Solli und B. Jalali, "Echtzeitspektroskopie mit Subgigahertz-Auflösung unter Verwendung einer amplifizierten dispergativen Fourier-Transformation", " Angewandte Physikbuchstaben 92, 111102, 2008. [11]
  14. ^ C. Chen, A. Mahjoubfar und B. Jalali, "Deep Learning in labg-freier Zellklassifizierung", Wissenschaftliche Berichte 6, 21471 (2016) doi:10.1038/srep21471. [12]
  15. ^ Chen, Claire Lifan; Mahjoubfar, ATA; Tai, Li-chia; Blaby, Ian K.; Huang, Allen; Niazi, Kayvan Reza; Jalali, Bahram (2016). "Deep Learning in labbeerfreier Zellklassifizierung". Wissenschaftliche Berichte. 6: 21471. Bibcode:2016natsr ... 621471c. doi:10.1038/srep21471. PMC 4791545. PMID 26975219.Veröffentlicht unter CC von 4.0 Lizenzierung
  16. ^ Michaud, Sarah (5. April 2016). "Big Data für die Zellbildgebung nutzen". Optik & Photonics News. Volltext Download verfügbar: Die optische Gesellschaft. Abgerufen 8. Juli 2016.

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