基于光电振荡器的宽带射频下转换及在高清视频传输的应用

基于光电振荡器的宽带射频下转换及在 高清视频传输的应用
唐震宙 ， 潘时龙 ， 周沛 ， 朱丹 ， 郭荣辉 ， 贲德
（ 南京航空航天大学 电子信息工程学院 微波光子学实验室 ， 南京 ２ ） １ ０ ０ １ ６ 毫米波国家重点实验室 ， 南京 ２ ） （ １ ０ ０ ９ ６
摘 要： 以无压缩全高清视频的光载无线传输为背景 ， 通 过研 究 宽 带 射 频 光 子 下 转 换 技 术 ， 从而构 其中下转换系统主要基于光电振荡器实现 ． 由于光电振荡器的注入 建全高清视频的实时传输系统 ， 锁定 ， 光微波信号中的载波信号被提取出来 ， 并反馈至调制器 ， 与宽带光微波信号混频 ， 在光域实现 实验论证了载频为 １ ， 码率大于 ２Ｇ ／ 利用天 信号下转换 ． ０ＧＨ ｚ ｂ ｓ的信号 下转换 和有 线无 线 传 输 ． 线和光 纤 实 现 了 距 离 为 ０． 本文还成功实现了 ５ｍ 的无线分发和距离为１ ０ｋ ｍ 的 有 线 传 输． ／ 无压缩高清视频信号的实时传输 ． 实验结果表明 ， 该系统具有大带宽 、 抗电磁干扰等优点 ， １． ５Ｇ ｂ ｓ 同时利用光电振荡器的自动相位跟踪技术 ， 无须外加锁 相等 操 作 ． 整 个 下 转 换 系 统 简 单 稳 定， 为高 清视频的有线无线传输提供了论证和演示平台 ． 关键词 ： 下转换 ； 光电振荡器 ； 高清视频传输 ； 光载无线 中图分类号 ： Ｔ Ｎ ２ ９ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： （ ） １ ０ ０ ４ ４ ２ １ ３ ２ ０ １ ２ １ ０ １ １ ６ １ ６ 转换能够减少高速电子器件的使用并大幅降低电磁
光 子 学 报 第４ １ 卷第 １ ０期 ２ ０ １ ２年１ ０月 Ａ Ｃ Ｔ ＡＰ ＨＯ Ｔ ＯＮ Ｉ Ｃ ＡＳ Ｉ Ｎ Ｉ Ｃ Ａ ： ／ 犱 狅 犻 １ ０． ３ ７ ８ ８ ｚ ｘ ｂ ２ ０ １ ２ ４ １ １ ０． １ １ ６ １ ｇ
Ｖ ｏ ｌ ． ４ １Ｎ ｏ ． １ ０ Ｏ ｃ ｔ ｏ ｂ ｅ ｒ２ ０ １ ２
５ ７］ 是实现宽带泛在接入网络的有效方案 ［ ．
方式将成为未来发展的重要趋势
［ ］ ２ ４
换对象仅为单个点频 ， 没有涉及宽带信号 ． 本文论证了基于光电振荡器的宽带射频信号下 实现了 １． ／ 转换技术 ， ５Ｇ ｂ ｓ无压缩高清视频信号无 线传输的 实 时 业 务 演 示 ． 实验结果表明基于 Ｏ Ｅ Ｏ 的宽带射 频 信 号 下 转 换 可 与 宽 带 射 频 信 号 实 时 同 步， 获得高质量的 下 转 换 信 号 ． 由 于 器 件 限 制， 实验 该频段尚未成为宽带无 中使 用 的 是 １ ０ ＧＨ ｚ载 波 ，
在光 载 无 线 系 统 中 ， 在光域对射频信号进行下
新世纪优秀人才支持计划（ 、 国家自然科学基金（ 、 国家重点基础研究发展计划（ Ｎ ｏ ． Ｎ Ｃ Ｅ Ｔ １ ０ ０ ０ ７ ２） Ｎ ｏ ． ６ １ １ ０ ７ ０ ６ ３） Ｎ ｏ ． 基 金 项 目 ： ） 、 博士点基金 （ ） 和霍英东基金 （ ） 资助 ２ ０ １ ２ Ｃ Ｂ ３ １ ５ ７ ０ ５ Ｎ ｏ ． ２ ０ １ １ ３ ２ １ ８ １ ２ ０ ０ １ ８ Ｎ ｏ ． １ ３ １ ０ ６ ３ 第一作者 ： 唐震宙 （ ， 男， 本科在读 ， 主要研究方向为光电振荡器和光电测量 ． ： １ ９ ９ ０－ ） Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｔ ａ ｎ ． ｚ ｈ ｚ ｈ ｍ ａ ｉ ｌ ． ｃ ｏ ｍ ＠ｇ ｇ 责任作者／导师 （ 通讯作者 ） ： 潘时龙 （ ， 男， 教授 ， 主要研究方向为微波光子学 ． ： １ ９ ８ ２－ ） Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ａ ｎ ｓ ｉ ｅ ｅ ｅ ． ｏ ｒ ＠ ｐ ｇ 收稿日期 ： 修回日期 ： ２ ０ １ ２０ ５１ ７； ２ ０ １ ２０ ６０ ８
１ 实验原理分析
本实验的原理如图 １ 所示 ， 其核心是 基于 Ｏ Ｅ Ｏ
图 １ 基于光电振荡器的射频下转换及高清视频传输系统 Ｆ ｉ ． １ Ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｎ ｉ ｃｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｗ ａ ｖ ｅｄ ｏ ｗ ｎ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄｕ ｎ ｃ ｏ ｍ ｒ ｅ ｓ ｓ ｅ ｄ ＨＤｖ ｉ ｄ ｅ ｏｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎｓ ｓ ｔ ｅ ｍｂ ａ ｓ ｅ ｄｏ ｎ ｇ ｐ ｙ （ ； ： ） ａ ｎｏ ｔ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃｏ ｓ ｃ ｉ ｌ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ ｈ ａ ｓ ｅｓ ｈ ｉ ｆ ｔ ｅ ｒ Ｌ ＮＡ： ｌ ｏ ｗｎ ｏ ｉ ｓ ｅａ ｍ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ Ｐ Ｓ ｐ ｐ ｐ
］ １ 年还将 增 长 １ 平 均 接 入 速 率 提 高 ９ 倍［ 通信 ８ 倍， ．
实现多路信号的同 时 下 转 换 ， 降低器件的使用数量
９］ 和系统的复杂 度 ， 提 高 系 统 的 可 靠 性［ 但 是， 当前 ．
报道的光子射频下转换系统都没有经过实时业务服 因而难以考证其实际应用的可行性 ． 另一 务的测试 ， 方面 ， 高质量微波源是高性能微波系统的核心 ． 光电 ，Ｏ 是一种 振荡 器 （ Ｏ ｔ ｏＥ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃＯ ｓ ｃ ｉ ｌ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ Ｅ Ｏ） ｐ 基于光子学储能单 元 的 微 波 振 荡 器 ， 可产生从数百 其相位噪音 ＭＨ ｚ到上百 ＧＨ ｚ的 高 纯 度 微 波 信 号 ， ［０］ 在频偏 １ ／ 由于 ０ｋ Ｈ ｚ处最低可达 －１ ６ ３ｄ Ｂ ｃ Ｈ ｚ１ ． 光电振荡器可直接 输 出 光 微 波 信 号 ， 因而非常适合 先 前， 用于光载无 线 系 统 ． Ｗ． Ｓ ｈ ｉ ｅ ｈ等人利用光电
滤波器 （ ， 等器件组成 ． Ｌ ｏ ｗＰ ａ ｓ ｓＦ ｉ ｌ ｔ ｅ ｒ Ｌ Ｐ Ｆ） 由 接 收 天 线 收 集 的 射 频 信 号 经 ＭＺＭ１ 加 载 到 角频率为 ω 为 简 化 分 析， 假设该射频 ｃ 的 光 载 波 上． 信号由一载频 ωＲＦ 和一边带 ωＲＦ ＋ 由强度调 ω １ 组成 ． 调制器所输出的光微波信号中包 制器的特性可知 ， （ 含有频率为 ω 犿＝１， ２， ωＲＦ 及 ω ωＲＦ ＋ ω ｃ±犿 ｃ±犿（ １） 的边 带 分 量 ． 在 小 信 号 调 制 情 况 下， 高阶边带 ３…） （ ） 的幅 度 很 小， 可 以 忽 略 不 计， 故只考虑存在 犿≥２ 的情 光载波 ω ωＲＦ 、 ω ωＲＦ ＋ω ｃ 和上下边带 ω ｃ± ｃ± （ １） 况． 该光微波信号通过单模光纤（ Ｓ ｉ ｎ ｌ ｅＭ ｏ ｄ ｅ ｇ ， 耦 合 到 ＭＺＭ２ ． 实 验 中 ＭＺＭ２ 有 两 个 Ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ Ｓ ＭＦ） 作 用： 实 现 射 频 光 子 下 转 换； 与光电探测器 １） ２） （ ， ） 、 带通滤 波 器 、 微 波 耦 合 器、 微 Ｐ ｈ ｏ ｔ ｏＤ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒＰ Ｄ 波放 大 器 等 组 成 Ｏ 当一束连续波激光输入 Ｅ Ｏ． 若整个环路的增益大于损耗 ， 那么 ， Ｏ Ｅ Ｏ 环路 ， Ｏ Ｅ Ｏ 将会以某个单纵模 所 对 应 的 频 率 振 荡 ． 该振荡频率 为Ｏ 由高 犙 带通滤波器的中 Ｅ Ｏ 的自由 振 荡 频 率 ， 心频率所决定 ． 另 一 方 面， 若输入 Ｏ Ｅ Ｏ 环路的光信 号中含有 载 波信 号 与 Ｏ Ｅ Ｏ 自由 振荡 频 率接近 的 光 微波信号 ， 那么 Ｏ 载频 Ｅ Ｏ 将 工 作 于 注 入 锁 定 模 式，
］ １ １ 振荡器实现了多波长微波 频率 上 下 转 换 ［ ， 但其转
容量的快速增长给 无 线 通 信 带 来 了 巨 大 的 挑 战 ， 现 有的无线接入技术和有限的无线带宽资源无法满足 有线与无线混合的接入 未来无线视频业务 的 需 求 ， 光纤具有大 带 ． 宽、 低损耗 、 重量轻 和 抗 电 磁 干 扰 等 突 出 优 势 ， 是宽 在光纤有线接入的基 带信息传输的最佳 媒 质 之 一 ． 础上 ， 光载无线技术开始蓬勃发展 ． 光载无线技术充 具有大带宽 、 低 分发挥光纤技术和无线技术的优势 ， 损耗 、 对协议透明 、 抗 电 磁 干 扰 等 众 多 优 点， 被认为
载频反馈 至 ＭＺＭ２ ， 与 入 射 的 光 微 波 信 号 混 频， 产 生ω 在Ｐ 这些 Ｄ 中， ω ｃ± １ 分 量 以 及 多 个 高 阶 分 量． 光分量与光载波 ω 输出基带信号ω ｃ 拍 频， １ 和若干 高频分量 ． 其中 高 频 分 量 将 被 Ｌ 仅留下基 Ｐ Ｆ 抑 制， 带信号 ， 从而实现 频 率 下 转 换 ． 值 得 说 明 的 是， 在光 域里实现信号的下 转 换 一 方 面 具 有 较 大 的 带 宽 ， 另 一 方 面 因 为 光 器件 对 电磁干 扰的不 敏感 性 ， 可以直
１ ０期
唐震宙 ， 等： 基于ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电振荡器的宽带射频下转换及在高清视频传输的应用
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图 ２ Ｐ Ｒ Ｂ Ｓ 信号的眼图和频谱 Ｆ ｉ ． ２ Ｔ ｈ ｅｅ ｅｄ ｉ ａ ｒ ａ ｍａ ｎ ｄｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕ ｍｏ ｆ ｔ ｈ ｅＰ Ｒ Ｂ Ｓｓ ｉ ｎ ａ ｌ ｇ ｙ ｇ ｐ ｇ
２ 实验测试及分析
为测试系 统 性 能 ， 首先用伪随机信号（ Ｐ ｓ ｅ ｕ ｄ ｏ ， 代替高清视频信 Ｒ ａ ｎ ｄ ｏ ｍＢ ｉ ｎ ａ ｒ ｅ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｐ Ｒ Ｂ Ｓ） ｙＳ ｑ 号输入系统 ． ） Ｐ Ｒ Ｂ Ｓ 信号由误码仪（ Ａ ｎ ｒ ｉ ｔ ｓ ｕＭ Ｐ １ ７ ６ ３ Ｃ 产生 ， 速率为 ２Ｇ ／ ， 其眼图和频谱如图 ２ ｂ ｓ ．
］ ８ 干扰的影响 ［ 如果同时使用光波分复用技术 ， 还可 ．
０ 引言
高清 视 频 的 日 益 普 及 和 广 泛 应 用 ， 对高速无线 接入产生了迫切需求 ． 一方面 ， 视频会议 、 视频监控 、 高速多媒体接入等新业务需要高数据量的无线通信 另一方 面 ， 新 的 终 端 设 备 如 智 能 手 机、 平 作为支撑 ， 板电脑 、 上网本等的大量涌现 ， 为大带宽移动视频传 输提供了良好的 市 场 基 础 ． 据 统 计， 过 去 三 年 中， 全 球移 动 数 据 量 每 年 以 超 过 两 倍 的 速 率 增 长 ， 未来５