利用太赫兹通信实现未压缩的高清和4K视频传输 - 知乎
2023-3-19|2023-3-19
骏龙
本文作者：
原载：公众号“临菲信息技术港”
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1. 背景
无压缩高清视频的无线传输在教育、娱乐、远程医疗、安防和视频会议等应用中具有重要意义，太赫兹通信的应用将会极大推动无压缩高清视频的发展。据报道，到2020年高清视频技术的市场价值将达到1021亿美元。高清视频的无线流媒体技术已经应用于生物力学分析、无人机、无人地面车辆和远程医疗。在生物力学应用场景中，通过将未压缩的视频内容无线传输到远程工作站，可以实时执行运动分析，例如对运动员的实况运动分析。在远程医疗应用场景中，从远程位置（例如救护车）向医院传输高清视频，可以提前的对病人进行病理症断。在无人机/无人车应用场景中，无人机/无人车可以实时将周围的环境信息传给远程驾驶员，使得驾驶能够更加的安全平稳。此外，高清视频的无线传输在安防、视频广播和监控方面也有巨大的作用。日本广播公司将在2020年举办的奥运会中采用太赫兹设备对8K视频进行传输。
2.太赫兹超高清视频传输系统原理
Kathirvel Nallappan等人在2017年基于光学器件搭建了太赫兹无线通信系统用于无压缩视频的传输实验，通信系统的原理图如图1所示，实物图如图2所示，其产生原理是将注入的两个激光束中的一个利用强度调制器进行加强，将加强的激光束用掺铒光纤放大器（EDFA）进行放大；然后使用一个3dB耦合器（Coupler）将两个激光进行耦合，耦合完成后注入光混合器以产生太赫兹波。接收器采用零偏置肖特基二极管（ZBD）用于检测并直接解调输入的太赫兹信号。使用偏置器（Bias-Tee）对解调的基带信号中存在的直流信号（DC）进行滤波，并使用低噪声放大器（LNA）进行放大，以进行进一步的信号处理。
图1太赫兹通信系统原理图
图2太赫兹通信系统实物图
模块包括：
（1）激光源
（2）数据调制器
（3）太赫兹波发射器
（4）太赫兹波检测和解调
（5）通信系统特性表征
3. 太赫兹通信系统性能评估
实验中使用误码率（BER）测试仪（Anritsu-MP2100B）表征太赫兹通信系统的系统性能。首先将误码率设置为光混频器偏置电压的函数，该混频器偏置电压是定义发射的THz功率的关键参数，单次测试的时长计算公式为：measurement duration=1/(target BER ∗ bit rate)≈182sec.通过将链路距离固定为100cm，照明光功率调为26mW，判定阈值为0mV，通过改变光混频器的直流偏置电压，在低噪声放大器输出后测量BER。
4. 使用太赫兹通信传输未压缩的高清和4K视频
前文详细介绍了太赫兹通信系统的搭建，接下来详细介绍专业4K摄像机与搭建的太赫兹通信系统的集成，然后分别以每秒60帧（fps）和30 fps的速度传输未压缩的高清4K视频。在实验中使用具有广角镜头（Olympus M. Zuiko Digital ED 12-40mm f / 2.8 PRO镜头）的4K相机（Blackmagic studio相机）。4K摄像机的标准输出是一个未压缩的视频，具有10位色深和4：2：2的色度子采样。SDI（串行数字接口）电缆的峰峰值输出电压为800 mVpp。在图11（a）展示了当使用来自摄像头的电输出时4K相机与太赫兹发射器的集成架构，图11（b）为摄像机为光学输出时与太赫兹发射器的集成架构，图12为接收端视频成像系统架构图。为了匹配接收端的处理速度，使用了PCIE3.0接口作为桥接固态硬盘的传输通道。
图11太赫兹视频发射机架构图
图12太赫兹视频接收机架构图
5. 结论与展望
在本实验中，实验者设计并评估基于光子学的太赫兹无线通信系统的性能，并且该系统的组成均由市面上可购买的器件组成，为太赫兹通信系统的商业应用提供了可能性。通过以5.5Gbps的比特率测量PRBS数据的BER来评估构建系统的性能。通过优化判决阈值，实现了1米的链路距离的无差错数据传输。太赫兹发射机上安装摄像机，太赫兹接收机上安装视频接收机电子设备，成功传输未压缩高清和4K视频。分析视频传输的链路质量并测量黑帧的百分比。对数据分析表明，由于增加的链路距离带来的传输错误，所传输的未压缩4K视频的黑帧的百分比更高，而未压缩高清视频的图像帧99%被成功接收。实验表明现在可以使用太赫兹无线通信系统用于商业的短程高质量视频传输服务。
基于电子器件的太赫兹通信主要实现方式是利用倍频器作为太赫兹波源，Cheng Wang[5]等人搭建了如图16所示的太赫兹通信系统，该系统的载波频率为0.14THz（属于亚太赫兹频段），实现了2Gbis/s的传输速率，传输的距离为1.5Km。搭建的太赫兹通信系统的实物图如17图所示。该系统正确的传输了高清无压缩视频，并且该实验为太赫兹无线通信首次远距离通信实验。
图16基于电子器件的太赫兹通信系统
图17太赫兹通信系统实物图
随着网络通信的迅速发展，处于低频段的频谱资源已逐渐不能满足人们对于更高速率应用的需求，太赫兹通信逐渐引起人们的关注。太赫兹（0.1THz-10THz）是一种频率范围位于毫米波和红外光波之间的电磁波。太赫兹频段能够提供超高带宽，为支持高速数据传输提供了可能。太赫兹通信能为超高清视频的传输提供可能性，具有广泛的应用前景。
参考文献
（略）
作者简介：邱钟维，重庆邮电大学硕士研究生，研究方向：太赫兹通信。
原载：公众号“临菲信息技术港”
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