この要約と Q+A は、22 年 2024 月 XNUMX 日に Optics.org と共催した「FPGA ベースの計測器による時間間隔測定技術の進歩」というタイトルのウェビナーを補完するものです。ライブに参加できなかった場合は、できる オンデマンド アクセスのために今すぐ登録してください.
ウェビナーの概要に加えて、以下で一部の視聴者の質問に対する詳細な回答を提供します。
ウェビナーの概要
プレゼンテーションは 3 つのセグメントで構成されていました。まず、時間間隔分析の概念を紹介し、イベントの検出、カウント、タイムスタンプ、統計分析など、時間間隔測定デバイスの一般的な特徴と機能について説明しました。
私たちは、特に発振器の特性評価、光子計数、自由空間光通信の 3 つに焦点を当てて、タイム インターバル アナライザが使用されるさまざまなアプリケーションを調査しました。また、最新の時間間隔計測器とソフトウェアに関するいくつかの問題についても議論しました。
次にご紹介したのは、 Moku 時間 & 周波数アナライザー 優れたデジタル解像度、高いデータ スループット、ライブ ヒストグラム生成により、以前に提起された問題の多くに対処する手段として機能します。
最後に、提示された各ユースケースに合わせて機器を構成する Moku Time & Frequency Analyzer のライブ デモンストレーションで講演を締めくくりました。
聴衆からの質問
780 fs という数字は理論上の解像度ですか?実際の測定分解能はどれくらいですか?
Moku 時間 & 周波数アナライザーには、 デジタル解像度 デプロイ時は 780 fs Moku:Pro。この数値は、2 つのイベント間の検出可能な最小時間差、またはヒストグラム関数を使用する場合の最小ビン幅を表します。
タイム＆周波数アナライザのRMSジッタは<20psであり、この数値は ワンショットの解像度。 ジッターはショットごとに測定すると時間の変動を引き起こし、図 1 に示すようにヒストグラムの幅が広がりますが、ビン自体の幅はデジタル解像度に対応します。繰り返し測定を平均すると、ランダムなジッターを補正するのに役立ちます。
図1： ジッターを含むヒストグラム。モクの使い方 波形発生器 10MHzのRF信号が、機器の内部接続を介してMokuタイム＆周波数アナライザに入力されます。ヒストグラムのビンの幅は、機器のデジタル分解能によって決まります。ジッタの影響により、時間領域における分布が広がります。RMSジッタの正確な値は、ヒストグラムの半値全幅から計算できます。
最小時間間隔をサンプリング レートより短くするにはどうすればよいでしょうか?
Moku:Pro の最大入力サンプリングレートは 5GS/s で、これは 200ps の周期に相当します。これらのクロックサイクルをカウントすることは、確かに長い時間間隔を測定するのに便利な方法ですが、粗い時間測定しか提供できず、イベントは常に次のサイクルに切り上げられてしまいます。高い分解能を実現し、クロックサイクル間で発生するイベントを測定するには、ハイブリッド方式を使用する必要があります。この測定技術の詳細については、以下をお読みください。
時間測定の原理は何ですか?ディレイチェーン/ディレイラインチップですか?内部最小遅延ラインはどのように校正されますか?
他の時間デジタル変換器 (TDC) では、クロック周期よりも短い期間を測定できる補間器を使用して、細かい時間測定が実行されます。これは次のようにして実現されます。 タップされた遅延線、一連の固定遅延とラッチを使用して、開始信号と停止信号の間の時間差を計算します。ただし、タップ付き遅延線は長時間の測定には適しておらず、完全な時間間隔の情報を返すために粗い測定データと結合 (ハイブリッド化) されることに注意してください。
Moku ハードウェアは完全に再構成可能な FPGA に基づいており、物理的な遅延線や特殊なチップはありません。したがって、遅延線の校正は必要ありません。時間-デジタル コンバーター (TDC) は完全に FPGA を介して実装され、補間とハイブリッド化はデジタル信号処理アルゴリズムによって実行されます。 FPGA ハードウェアの効率と速度により、Moku Time & Frequency Analyzer は最小 780 fs の時間分解能でイベントを区別できます。
Time & Frequency Analyzer はリアルタイム処理を実行できますか?内部遅延とは何ですか?
はい。 FPGA プラットフォームのもう 500 つの利点は、データ スループットが高いことです。Moku Time & Frequency Analyzer は、この機能を利用して、ギャップレスでデッドタイムのないイベント検出と統計とヒストグラムのリアルタイム生成を行います。インターバルのカウントまたは長さの瞬間的な測定を使用して、機器のアナログ出力機能を介してフィードバックを提供できます。時間および周波数アナライザの入力から出力までの遅延は XNUMX ns 未満です。
ソフトウェアはフォトン同時計数をサポートしていますか?
はい。フォトンカウンティングはユーザーからの要望が多かった機能であり、Time & Frequency Analyzer は最初からこの機能を念頭に置いて設計されました。 Moku は、デッドタイムゼロのイベント検出とライブ ヒストグラムおよび統計情報を備え、フォトン カウンティング実験に効率的なプラットフォームを提供します。
一般的なフォトン カウンティング方法の 2 つは、ハンベリー ブラウン-ツイス実験です。これは、以下の図 1 に示すように、Moku:Pro を使用して簡単に設定できます。一対のフォトダイオードが Moku の入力 2 と XNUMX に接続されており、光源によって生成された光子を受け取ります。 Moku Time & Frequency Analyzer は、検出器 A での光子イベントと検出器 A での光子イベントの間の時間間隔に関する情報を収集します。 検出器 B。光源の性質を知らせる結果のヒストグラムを生成します。このアプリケーションノートを参照してください。 ハンベリー・ブラウン・ツイスの実験 をご覧ください。
具体的には、これらの測定における重要な性能指数は、 偶然の一致, またはフォトダイオードがイベントを同時に記録する回数。ヒストグラムでは、これは時間ビンに対応します。 t = τここで、 τ は、フォトダイオードの信号パス間の相対遅延です。
時間および周波数アナライザーによって生成されたヒストグラムから正確な値を回復するには、まずリアルタイムでデータを収集するか、組み込みのデータ ロガー機器を使用します。ヒストグラムの時間とカウントは、クラウド ボタン (詳細については以下をお読みください) または Python API.
図 2: Hanbury Brown-Twiss 構成の Moku:Pro は、光源、偏光ビーム スプリッター、デバイスの入力に接続された XNUMX つのフォトダイオード (PD) で構成されます。 PD によって検出されたイベントは、Time & Frequency Analyzer をトリガーして時間間隔の測定を開始および停止し、その結果から時間相関情報が明らかになります。
距離測定や他のLiDARアプリケーションに使用できますか?
はい。レーダーやLiDARなどのアプリケーションでは、物体までの距離は通常、飛行時間測定によって測定されます。これは、信号が物体に到達し、反射して検出器に戻ってくるまでの時間です。これらの測定では、測定可能な距離の精度を制限するため、時間分解能が小さいことが重要です。Mokuタイム＆周波数アナライザは、780 fsという低いデジタル分解能と20 ps未満のシングルショット分解能を備えており、光通信のニーズに効果的な選択肢となります。
データを収集するには SD カードを使用する必要がありますか? それともソフトウェア インターフェイスのボタンを直接使用してデータをログに記録できますか?
確かに SD カードは Moku:Pro のオプションですが、データ収集には必須ではありません。すべての Moku デバイスには、データを内部メモリに直接記録する機能があり、Wi-Fi、USB、またはイーサネット経由で測定 PC に転送できます。デバイスで利用可能なメモリの量を確認するには、 もくデータロガー 機器（または埋め込みバージョン）。クラウドアイコンをクリックしてファイルを管理または転送します。詳細については、図 3 を参照してください。
図 3: Moku:Go データロガー機器。利用可能なメモリは右下 (緑色の楕円) に表示されます。ファイル管理ボタンは、機器 UI の上部中央 (青い円) にあります。
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