이 요약 및 Q+A는 22년 2024월 XNUMX일 Optics.org와 공동 주최한 "FPGA 기반 계측을 통한 시간 간격 측정 기술 발전"이라는 제목의 웹 세미나를 보완합니다. 실시간으로 참석하지 못하셨다면 ~할 수 있다 주문형 액세스를 위해 지금 등록하세요.
웨비나 요약 외에도 아래에서 일부 청중의 질문에 대한 심층적인 답변을 제공하고 있습니다.
웨비나 요약
프레젠테이션은 세 부분으로 구성되었습니다. 먼저 시간 간격 분석의 개념을 소개하고 이벤트 감지, 계산, 타임 스탬핑, 통계 분석 등 시간 간격 측정 장치의 일반적인 특징과 기능에 대해 논의했습니다.
우리는 발진기 특성화, 광자 계산 및 자유 공간 광 통신이라는 세 가지 특히 세 가지에 중점을 두고 시간 간격 분석기가 사용되는 다양한 애플리케이션을 탐색했습니다. 또한 최신 시간 간격 계측 및 소프트웨어와 관련된 몇 가지 문제에 대해서도 논의했습니다.
다음으로 우리는 Moku 시간 및 주파수 분석기 정밀한 디지털 해상도, 높은 데이터 처리량 및 실시간 히스토그램 생성을 통해 이전에 제기된 많은 문제를 해결하는 도구입니다.
마지막으로, 제시된 각 사용 사례에 맞게 기기를 구성하는 Moku 시간 및 주파수 분석기의 실시간 시연으로 강연을 마무리했습니다.
청중의 질문
780fs 수치가 이론적인 해상도인가요? 실제 측정 분해능은 무엇입니까?
Moku 시간 및 주파수 분석기에는 디지털 해상도 배포 시 780fs Moku:Pro. 이 숫자는 두 이벤트 간의 감지 가능한 최소 시간 차이 또는 히스토그램 기능을 사용할 때 최소 빈 너비를 나타냅니다.
시간 및 주파수 분석기의 RMS 지터는 <20ps이며 이 숫자는 때때로 단발 해상도. 지터는 샷마다 측정할 때 시간 변동으로 이어지며 그림 1에서 볼 수 있듯이 히스토그램이 넓어지는 반면, 빈 자체의 너비는 디지털 해상도에 해당합니다. 반복 측정을 평균화하면 랜덤 지터를 보상하는 데 도움이 될 수 있습니다.
그림 1 : 지터가 있는 히스토그램. 모쿠 사용하기 파형 발생기 장비 내부 연결을 통해 10MHz RF 신호가 Moku 시간 및 주파수 분석기에 입력됩니다. 히스토그램의 빈 폭은 장비의 디지털 분해능에 따라 결정됩니다. 지터는 시간 영역에서 분포를 넓히는 효과가 있으며, RMS 지터의 정확한 값은 히스토그램의 반치전폭(FHL)으로부터 계산할 수 있습니다.
최소 시간 간격이 샘플링 속도보다 어떻게 짧아질 수 있습니까?
Moku:Pro의 최대 입력 샘플링 속도는 5GS/s이며, 이는 200ps 주기에 해당합니다. 이러한 클럭 사이클을 계산하는 것은 긴 시간 간격을 측정하는 데 유용한 방법이지만, 이는 대략적인 시간 측정만 제공하며 이벤트를 항상 다음 사이클로 반올림합니다. 정밀한 분해능을 얻고 클럭 사이클 사이에 발생하는 이벤트를 측정하려면 하이브리드 방식을 사용해야 합니다. 이 측정 기술에 대한 자세한 내용은 계속 읽어보세요.
시간 측정의 원리는 무엇입니까? 딜레이체인/딜레이라인 칩인가요? 내부 최소 지연 라인은 어떻게 교정됩니까?
다른 TDC(시간-디지털 변환기)에서는 클록 주기보다 작은 시간 주기를 측정할 수 있는 보간기를 사용하여 정밀한 시간 측정이 수행됩니다. 이는 다음을 통해 수행됩니다. 탭된 지연선, 이는 일련의 고정 지연 및 래치를 사용하여 시작 신호와 중지 신호 간의 시간 차이를 계산합니다. 그러나 탭 지연 라인은 장기간 측정에 적합하지 않으며 전체 시간 간격 정보를 반환하기 위해 대략적인 측정 데이터와 결합(혼성화)됩니다.
Moku 하드웨어는 전적으로 재구성 가능한 FPGA를 기반으로 하며 물리적 지연 라인이나 특수 칩이 없습니다. 따라서 지연선 교정이 필요하지 않습니다. TDC(Time-to-Digital Converter)는 완전히 FPGA를 통해 구현되며 디지털 신호 처리 알고리즘에 의해 보간 및 하이브리드화가 수행됩니다. FPGA 하드웨어의 효율성과 속도 덕분에 Moku 시간 및 주파수 분석기는 최저 780fs의 시간 분해능으로 이벤트를 구별할 수 있습니다.
시간 및 주파수 분석기는 실시간 처리를 수행할 수 있습니까? 내부 지연이란 무엇입니까?
예. FPGA 플랫폼의 또 다른 장점은 높은 데이터 처리량이며, Moku 시간 및 주파수 분석기는 끊김 없는 제로 데드 타임 이벤트 감지와 통계 및 히스토그램의 실시간 생성을 통해 이 기능을 활용합니다. 간격 카운트 또는 길이의 즉각적인 측정을 사용하여 장비의 아날로그 출력 기능을 통해 피드백을 제공할 수 있습니다. 시간 및 주파수 분석기의 입력-출력 지연은 500ns 미만입니다.
소프트웨어가 광자 일치 계산을 지원합니까?
예. 광자 계수는 사용자가 일반적으로 요청하는 기능이므로 시간 및 주파수 분석기는 처음부터 이 기능을 염두에 두고 설계되었습니다. 제로 데드 타임 이벤트 감지, 실시간 히스토그램 및 통계 정보를 갖춘 Moku는 광자 계수 실험을 위한 효율적인 플랫폼을 제공합니다.
일반적인 광자 계수 방법 중 하나는 Hanbury Brown-Twiss 실험으로, 아래 그림 2에서 볼 수 있듯이 Moku:Pro를 사용하여 쉽게 설정할 수 있습니다. 한 쌍의 포토다이오드가 Moku의 입력 1과 2에 연결되어 광원에서 생성된 광자를 수신합니다. Moku 시간 및 주파수 분석기는 감지기 A의 광자 이벤트와 감지기 A의 광자 이벤트 사이의 시간 간격에 대한 정보를 수집합니다. 광원의 특성을 알려주는 결과의 히스토그램을 생성하는 검출기 B. 이 애플리케이션 노트를 참조하세요. Hanbury Brown-Twiss 실험
특히, 이러한 측정의 주요 장점은 다음과 같습니다. 우연의 일치, 또는 포토다이오드가 이벤트를 동시에 기록하는 횟수입니다. 히스토그램에서 이는 시간 저장소에 해당합니다. t = τ어디로 τ 포토다이오드의 신호 경로 사이의 상대적인 지연입니다.
시간 및 주파수 분석기에 의해 생성된 히스토그램에서 정확한 값을 복구하려면 먼저 실시간으로 데이터를 수집하거나 내장된 데이터 로거 장비를 사용하십시오. 히스토그램 시간과 개수는 클라우드 버튼(자세한 내용은 아래 참조)을 통해 PC로 전송할 수 있습니다. 파이썬 API.
그림 2: Hanbury Brown-Twiss 구성의 Moku:Pro는 광원, 편광 빔 분할기, 장치 입력에 연결된 XNUMX개의 광 다이오드(PD)로 구성됩니다. PD에 의해 감지된 이벤트는 시간 및 주파수 분석기를 트리거하여 시간 간격 측정을 시작 및 중지하며 결과는 시간 상관 정보를 나타냅니다.
거리 측정 및 기타 LiDAR 애플리케이션에 사용할 수 있습니까?
네. 레이더나 LiDAR와 같은 애플리케이션에서 물체까지의 거리는 일반적으로 비행 시간 측정(Time-of-Flight Measurement)으로 결정됩니다. 비행 시간 측정은 신호가 물체에 도달한 후 반사되어 감지기로 돌아오는 데 걸리는 시간입니다. 이러한 측정에서는 시간 분해능이 낮은 것이 중요합니다. 시간 분해능은 측정 가능한 거리의 정밀도를 제한하기 때문입니다. Moku 시간 및 주파수 분석기는 780fs의 낮은 디지털 분해능과 20ps 미만의 단일 샷 분해능을 제공하여 광통신 요구 사항에 효율적인 선택입니다.
데이터를 수집하려면 SD 카드를 사용해야 합니까, 아니면 소프트웨어 인터페이스의 버튼을 직접 사용하여 데이터를 기록할 수 있습니까?
SD 카드는 확실히 Moku:Pro의 옵션이지만 데이터 수집에는 필요하지 않습니다. 모든 Moku 장치에는 Wi-Fi, USB 또는 이더넷을 통해 측정 PC로 전송할 수 있는 내부 메모리에 데이터를 직접 기록할 수 있는 기능이 있습니다. 다음을 사용하여 장치에서 사용 가능한 메모리 양을 확인할 수 있습니다. 모쿠 데이터 로거 계측기(또는 내장된 버전). 클라우드 아이콘을 클릭하여 파일을 관리하거나 전송하세요. 자세한 내용은 그림 3을 참조하세요.
그림 3: Moku:Go 데이터 로거 장비. 사용 가능한 메모리는 오른쪽 하단(녹색 타원형)에 표시됩니다. 파일 관리 버튼은 기기 UI 상단 중앙(파란색 원)에 있습니다.
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