Аналого -цифровой преобразователь с растяжением по времени ( TS-ADC ), [1] [2] [3], также известный как улучшенный регистратор с растяжением по времени ( TiSER ), представляет собой систему аналого-цифрового преобразователя (АЦП). который способен оцифровывать сигналы с очень широкой полосой пропускания , которые не могут быть уловлены обычными электронными АЦП. [4] Альтернативно, он также известен как дигитайзер фотонного растяжения во 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.
Существует огромный спрос на сверхбыстродействующие аналого-цифровые преобразователи (АЦП), поскольку они необходимы для испытательного и измерительного оборудования в лабораториях и в системах высокоскоростной передачи данных . [ нужна цитация ] Большинство АЦП основаны исключительно на электронных схемах, которые имеют ограниченную скорость и добавляют множество ухудшений, ограничивая полосу пропускания сигналов, которые могут быть оцифрованы, и достижимое соотношение сигнал/шум . В TS-АЦП 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.
Процессор растяжения времени, который обычно представляет собой оптический интерфейс , растягивает сигнал во времени. Он также делит сигнал на несколько сегментов с помощью фильтра , например, фильтра мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) , 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, добавляемые к сигналу препроцессором растяжения во времени, 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 с разными скоростями в дисперсионной среде. Полученный импульс называется чирпированным , 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.
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 несколько длин волн на выходе второй дисперсионной среды. Для каждого канала используется отдельный фотоприемник и встроенный электронный АЦП. Наконец, выходные данные этих АЦП передаются на DSP , который генерирует желаемый цифровой выходной сигнал.
Процессор PTS основан на специализированных аналоговых оптических (или микроволново- фотонных) оптоволоконных линиях связи [5], таких как те, которые используются в распределении кабельного телевидения . В то время как 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 лазер непрерывного действия (CW) . В ПТС источником является чирпируемый импульсный лазер.
В обычной аналоговой оптической линии дисперсия приводит к смещению относительной фазы верхней и нижней боковых полос модуляции f оптическая ± f электрическая . 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] Альтернативно, можно использовать вторичный (инверсный) выходной порт модулятора, чтобы устранить штраф за дисперсию, [5] почти так же, как две антенны могут устранить пространственные нули в беспроводной связи (следовательно, две антенны поверх Wi-Fi точка 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] Кроме того, с помощью PTS был достигнут захват очень высокочастотных сигналов с мировым рекордным разрешением в диапазоне полосы пропускания 10 ГГц. [8]
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 распространением в свободном пространстве (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. Альтернативно, временная линза может использоваться без второго дисперсионного элемента для передачи временного профиля формы волны в спектральную область, аналогично тому, как обычная линза производит пространственное 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.
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).
Помимо широкополосного аналого-цифрового преобразования, фотонное растяжение во времени (PTS) также является технологией, позволяющей использовать высокопроизводительные приборы реального времени, такие как визуализация [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 с растяжением по времени пространственная информация об объекте кодируется в спектре лазерных импульсов длительностью в субнаносекунды. 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]