Time Stretch Analog-Digital-Wandler
Englisch: time stretch analog-to-digital converter
Gerät zur Digitalisierung von Analogsignalen sehr hoher Bandbreite, das das ursprüngliche Signal zeitlich verlangsamt oder seine Bandbreite komprimiert, bevor es von einem langsamen elektronischen Wandler digitalisiert werden kann.
Time-Stretch-ADC: Signale schneller als Ihr Digitalisiergerät abtasten
Ein Time-Stretch-Analog-Digital-Konverter ist eine Signalverarbeitungstechnik, die eine schnelle analoge Wellenform optisch oder elektronisch über ein längeres Zeitfenster gedehnt, bevor sie digitalisiert wird. Das Eingangssignal mit typischerweise Bandbreiten im Gigahertz-Bereich wird durch ein dispersives Medium oder ein Time-Lens-System verarbeitet, das seinen Frequenzinhalt auf die Zeit abbildet. Ein konventioneller ADC tastet dann diese gedehnte Version mit Raten ab, die er tatsächlich verarbeiten kann, üblicherweise im Megahertz-Bereich. Nach der Digitalisierung wird das Signal mathematisch komprimiert, um die ursprüngliche Hochgeschwindigkeitswellenform freizulegen. Dies ermöglicht die Messung von Transienten und schnellen Signalen mit Standard-Digitalisiergeräten, die diese sonst nicht erfassen könnten.
Die optische Implementierung nutzt Faserdispersion oder eine wellenlängendispersive Komponente zur Signaldehnung. Ein kurzer, breitbandiger Impuls tritt ins System ein und verlässt es als längerer Impuls, wobei seine Frequenzinformation als Position auf der Zeitachse kodiert ist. Eine Fotodiode und ein konventioneller Sampler digitalisieren dann diesen gedehnten optischen Impuls. Elektronische Time-Stretch-Konverter nutzen ähnliche Prinzipien mit elektrischen Komponenten, oft mit einem Phasenmodulator und Tiefpassfilterung zur Bandbreitenkompression. Beide Ansätze erfordern präzise Kalibrierung, da der Dehnungsfaktor und die Abbildung zwischen Original- und gedehnten Frequenzen für die Signalrekonstruktion exakt bekannt sein müssen.
Wo Time-Stretch sinnvoll ist
Time-Stretch-ADCs glänzen beim Erfassen einzelner, nicht wiederholter Ereignisse, die zu schnell für Echtzeit-Digitalisierung sind. Telekommunikationstests, Radarimpulsanalyse, Ultrakurzzeit-Photonik-Forschung und Hochenergiephysik-Detektoren setzen auf diese Konverter. Ein 100-Gigahertz-Signal kann um einen Faktor von 1000 gedehnt werden, wodurch seine effektive Bandbreite auf 100 Megahertz sinkt, was ein Standard-ADC mit 200 Megasamples pro Sekunde erfassen kann. Der Nachteil ist, dass nur ein begrenztes Fenster des Originalsignals in den gedehnten Bereich passt; man erfasst Millisekunden gedehnter Zeit aus Nanosekunden echter Zeit.
Praktische Beschränkungen umfassen die Notwendigkeit präziser Synchronisation und das Wissen, wann das Ereignis auftritt. Die Time-Stretch-Tiefe ist durch die verfügbare Dispersion, das Rauschpegel des Fotodetektors oder Verstärkers und die Linearität des dispersiven Elements begrenzt. Rekonstruktionsalgorithmen müssen die spezifische Übertragungsfunktion des dispersiven Elements berücksichtigen. Temperaturabweichungen und Komponentenalterung beeinträchtigen die Dehnungslinearität und erfordern regelmäßige Neukalibrierung. Das Verfahren führt zu Latenzzeit und kann nicht für Echtzeitregelungs- oder Rückkopplungssysteme genutzt werden, die sofortige Antwort verlangen.
Der Name spiegelt den Kernmechanismus wider: Der Konverter digitalisiert nicht direkt mit hoher Geschwindigkeit. Stattdessen dehnt er die Zeit, um schnelle Ereignisse langsam genug für konventionelle Abtastung erscheinen zu lassen. Dies unterscheidet sich von traditionellen Unterabtastungs- oder Äquivalentzeit-Abtasttechniken, die auf wiederholte Wellenformen und Phasenverschiebung zur Rekonstruktion periodischer Signale setzen. Time-Stretch ist das Werkzeug für einmalige Transienten, die zu schnell und zu unvorhersehbar für konventionelle Verfahren auftreten.