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射頻/無線  

建立無線、無壓縮的HDTV視訊鏈路

上網時間: 2007年10月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:無線視訊連接  視訊調變解調  WHDI 

無線無壓縮HDTV,也就是通常所說的‘無線HDMI’,將改變視訊顯示器與視訊源的連接方式。過去十年中,許多公司曾試圖解決無線視訊連接性問題,但成效不彰,主要原因是所提供的方案都只能支援壓縮視訊的傳送,而絕大多數的視訊源輸出都無法提供壓縮視訊。消費電子產業已體認到,要提供通用的無線HDTV介面,首先必須設立無線無壓縮視訊鏈路。

一些新創企業已經接受以無線方式傳輸大量視訊數據的挑戰(高達3Gbps、1,080p),所採用的技術與目前技術有很大差別。這些技術包括:工作在5GHz免授權頻段的WHDI技術;基於擴展版超寬頻(UWB)技術的解決方案;還有壓縮與UWB相結合的方案以及60GHz頻段解決方案。本文將對這些方案逐一進行介紹。

無線HDTV

無線HDTV將繼續成為消費電子領域的焦點。平面電視為消費者提供了舊式笨重的CRT電視無法提供的擺放方式。平面電視可以掛在牆上、放在廚櫃下,或是放置在其他狹小的空間裡。實際上,在那些麻煩的音視訊連線受限的地方也可以擺放這類電視。消費者調查顯示,許多人喜歡將電視掛在牆上,但絕大多數人卻沒有這樣做,這是因為安裝上有難度,即很難將音視訊連線與顯示器連接。

安裝難度更大的是消費性多媒體投影機。儘管品質良好且價格也在下降,但市場仍有待起飛。其中最主要原因,就是無法順利實施從視訊源到投影機的連線。不過無線連接可以改變這一點。無線方式將簡化電視顯示器和投影機的牆體安裝,並使用戶感到滿意,無線電視和投影機製造商也樂於接受。

壓縮和無壓縮的比較

對於電視和投影機生產商花費了數年時間來解決顯示器的無線視訊連接問題,大家並不覺得奇怪。802.11的成功提升了人們對用它解決無線視訊連接問題的期望值。對新興UWB標準的廣泛支援,也提升了人們對它的預期,這項新的高數據率無線技術可望解決長期困擾人們的無線視訊傳輸問題。

但是,這些預期至今仍未實現,因為它們都設立在一個錯誤的假設上:即必須用無線方式傳送的視訊採用的是壓縮格式。不過,絕大多數的視訊源輸出端,都極少用壓縮方法提供壓縮格式的HDTV內容。該領域的消費設備製造商和半導體商開始意識到,向顯示器提供通用無線鏈路的唯一方式,是在視訊源和顯示器之間建構一個無線無壓縮的HDTV鏈路。

無線無壓縮HDTV方案

問題在於用無線方式提供無壓縮的HDTV是非常困難的。因為無壓縮的數據率在1,080p解析度時高達3Gbps,而720p和1,080i格式也高達1.3~1.5Gbps。因此,無論是802.11或UWB,都無法達到這麼高的數據率。目前已有幾種方案可接受傳送無壓縮HDTV這一目標所提出的挑戰,首批產品將在2007年上市。這些方案包括:工作在5GHz免授權頻段的WHDI視訊調變方案;UWB技術的擴展解決方案;還有壓縮與UWB相結合方案及60GHz頻段解決方案。以下將討論這幾種方案的優缺點。

圖1:視訊調變/解調與數據調變/解調的對比。
圖1:視訊調變/解調與數據調變/解調的對比。

免授權WHDI-5GHz調變方案

WHDI技術基於一種非常創新的無線視訊方案。儘管包括本文將要討論的其他所有無線技術,都採用專門為數據而設計無線調變解調方案,但WHDI卻採用了專門為視訊設計無線調變解調方案。

視訊調變解調與數據調變解調之間的區別在於,數據調變解調均等地處理所有的輸入位元,而視訊調變解調則根據可視性來加以區分。例如,讓我們看一個由8位元構成的無壓縮數據串流,這個8位元數值代表了每畫素三色中每種顏色的值。很明顯,根據可視性,每個8位數值的最高位元(MSB)要比最低位元(LSB)重要得多。

LSB上的一個誤碼不會有太大的影響,但如果是MSB產生誤碼將會徹底改變所代表畫素的值。在基於數據調變解調的大多數無線視訊系統中,一個荒謬之處是忽略掉了如此重要的資訊。所有的位元都均等處理,因此所有位元的訊息通道噪音保護等級相同。

這意味著某些位元的保護太少,結果是視訊品質差,而若是某些位元保護太多,結果則是訊息通道利用效率過低。事實上,多數基於數位調變解調的無線視訊系統都存在上述兩種情況。然而,WHDI對每一位元的保護都是剛好需要的程度,因此維持了最佳的視訊品質和訊息通道利用效率。

WHDI接受視訊串流並根據可視性將其分成許多等級。然後依如下方式將不同的單元映射到不同的無線訊息通道,重要性高的內容得到較多的資源(即得到更好的噪音防護),而重要性低的內容得到較少的資源(即得到較少的噪音防護)。

結果是,對於一般的無線訊息通道,噪音對重要性不高的視訊資訊侵蝕較多,因此,重要性不高的視訊資訊位元誤差會高於重要性高的資訊。但是,這些誤碼並不重要,因為它們僅出現在那些對視訊品質影響不大的資訊上。

WHDI充分融合了這種創新的視訊調變解調方案,以及工作在5GHz免授權頻段上之多輸入多輸出(MIMO)OFDM調變方案的優點。

實驗證明,利用20MHz訊息通道和4x5 MIMO可以順利傳送無壓縮的720p和1,080i(1.5Gbps)視訊訊號,距離可超過100英呎,並可穿越多道牆體。而採用5GHz免授權頻段上的40MHz訊息通道,則可在相同距離內傳送無壓縮的1,080p(3Gbps)視訊訊號。

由於WHDI不進行任何即時壓縮(僅排列視訊優先級),因此在開發矽晶片時,系統複雜度很低,可實現無線無壓縮HDTV的低成本解決方案。

此外,由於沒有壓縮,總傳輸延遲小於1毫秒,因此無需視訊串流和音訊串流之間的複雜同步,並可實現像遊戲這類要求快速響應的應用。

私有/擴展UWB方案

UWB利用工作在3.1~10.6GHz頻段的超寬頻寬數據機實現了非常高的位元率鏈路。為了確保UWB傳輸不干擾工作在同一頻段的授權窄頻傳輸,UWB的發射功率受到嚴格限制。

UWB是一個通用術語,用來定義使用超高頻寬(高於500MHz)的發射機,它也經常被用來定義其最常見的應用,即WiMedia個人區域網路標準。

該標準由WiMedia聯盟推出,可實現高達480Mbps的短距離無線鏈路,適合無線USB這類應用,也能實現短距離(不超過30英呎、室內)的多工無壓縮視訊串流傳輸。

不過,該標準並非為無壓縮HDTV傳輸而設計,因為該傳輸需要更高頻寬。儘管UWB的峰值額定頻寬為480MHz,但實際上可用速率(應用層上)不高於100~200Mbps,遠低於無壓縮1,080i所需的1.5Gbps,遑論1,080p所需的3Gbps了。

目前已經啟動了幾項新技術的研究,這些技術利用UWB的基本技術,並透過採用多頻率訊息通道、多空間訊息通道以及其他等方法來擴展UWB的傳輸能力,使其能支援無壓縮的HDTV應用。

由於FCC及全球各大標準機構嚴格限定了發射功率,因此訊息通道容量嚴格受限,這些‘擴展UWB’方案的工作非常接近訊息通道容量的極限。

在無遮蔽的10英呎距離內,這些技術有潛力提供高品質的無壓縮視訊鏈路,但若室內另有一個UWB發射機(如無線USB元件),或附近有一個授權的強功率發射機(如蜂巢式基地台),品質就會嚴重下降,覆蓋距離也會大幅縮短。對於遠距離和有遮蔽的應用,這些方法將面臨艱鉅的挑戰。

全球各地的不同應用環境及規定,也為基於UWB的無線視訊技術提出了另外的挑戰。UWB並非在全球各地都能自由工作在5GHz的免授權頻段,在歐洲,UWB在頻譜和功率方面所受到的限制比美國苛刻得多,這使得實際上利用UWB來支援無壓縮的視訊鏈路變得幾乎不可能,即使是在短距離範圍內。

圖2:結合UWB與壓縮技術的方案結構圖。
圖2:結合UWB與壓縮技術的方案結構圖。

結合UWB與壓縮的方案

即使是利用擴展的UWB來傳送無壓縮的HDTV,也面臨許多挑戰,許多公司正在研究如何解決無壓縮視訊鏈路的需求,他們主要採用標準UWB方案(基於WiMedia)與壓縮/解壓縮引擎結合的方案。

該方案接受無壓縮的HDTV視訊,可即時壓縮視訊後用UWB鏈路傳輸,然後對壓縮的視訊進行即時解壓縮,在輸出端提供無壓縮視訊格式。

過去,許多業者曾經試圖在無線鏈路中採用即時的MPEG編碼或H.264編碼,但都失敗了,原因是視訊品質大幅下降,且編碼器產生的延遲很大。同時,這些壓縮格式對訊息通道誤碼也比較敏感。

也許,唯一能滿足無線HDMI鏈路的可行方案,是採用影像壓縮方案,用運動影像JPEG(M-JPEG)方式壓縮視訊,如果要更好的效果,可採用M-JPEG 2000。M-JPEG 2000單獨壓縮每一訊框,且不像MPEG那樣需要運動估計。

這種方案具有較好的視訊品質(雖然壓縮比會損害一點)和較小的延遲。JPEG 2000可能是目前最好的影像壓縮方案。但是,高品質來自於高成本,因為該技術採用非常複雜的演算法,導致系統成本增高。

儘管JPEG 2000一開始是專為數位相機設計,並具有比一般JPEG高的壓縮比,但由於成本太高,很少用於數位相機。在無線HDMI中,如果打算採用WiMedia UWB,JPEG 2000可能是唯一的選擇,不過系統成本將會非常高,因為要採用非常複雜的壓縮引擎。

儘管M-JPEG 2000能夠提供比其他壓縮方法更高的視訊品質,但要想傳送無壓縮的視訊仍然不夠理想。壓縮損失儘管有限,但也不可忽視。還有,M-JPEG 2000雖然比MPEG更加強韌,但仍對通道誤碼相當敏感,這將導致額外的傳輸損失。

對於對視訊品質不敏感的無線HDMI配件來說,這些缺點再加上UWB的距離較短,將使這種方法的應用受到極大限制;而對於高階HDTV及投影機,由於壓縮引起的品質降低也是不可接受的。

60GHz頻段

目前,數家公司正聯合推動利用60GHz傳輸無線無壓縮的HDTV。60GHz是一個廣泛開放的免授權頻段,能夠滿足像無線無壓縮HDTV這類高頻寬應用。

儘管這個未用的新頻段具有許多潛在優勢,工作在該頻段的產品距離商用化仍然遙遠,仍有許多問題有待解決。與非常成熟的5GHz射頻相較,60GHz射頻成本仍然非常高。另外,60GHz波束方向性強,因此必須對天線進行校準。

為了解決這一問題,業界透過開發操縱束射(steered-beam)天線進行了很多嘗試。但是該方案要達到經濟規模尚需一段時日。此外,60GHz頻段產品還有其他挑戰,如相位噪音太高,這將限制頻寬的位元率。實際上,基於60GHz的產品可能到2009~2010年才能商用化,屆時所能提供的覆蓋距離可能還是非常有限,這是因為該頻段的傳播特性太差。

根據上述分析,儘管60GHz頻段對於未來的無線無壓縮HDTV應用具有許多潛在優勢,但至少它只能適用於超短距離應用。

儘管5GHz免授權頻段可提供豐富的頻譜,能滿足不遠的將來絕大多數家庭應用,其30個非重疊訊息通道應該足以滿足各類家庭應用,如WHDI和802.11n。不過,在具有許多監視器(如企業應用環境)或在超高解析度監視器(4-8Mpixels/訊框)普及時,60GHz將有更好的機會。

無論如何,目前的60GHz方案無法支援上述具有挑戰性的應用,原因在於方案中採用數據調變解調方案。但是,如果結合WFDI與60GHz RF,將能滿足絕大多數的應用,包括超高解析度的監視器(如8MPixel,120Hz)。

圖3:視訊品質和覆蓋距離之間的對應關係。
圖3:視訊品質和覆蓋距離之間的對應關係。

本文小結

無線無壓縮HDTV是一個嶄新領域,該領域將重新定義從視訊源到顯示器之間的連接方式。上述這些方案不僅能夠替換掉令人討厭且不美觀的連線,由此簡化平面電視和監視器的安裝,還為連線困難的場合提供了另一種選擇。例如,目前將PC連接到電視就限於採用802.11壓縮文件格式的數據串流。利用基於WHDI的無線無壓縮HDMI,人們可以把位於臥室或家庭辦公室中的PC連接到客廳中的電視,在電視上實現PC應用,包括遊戲和其它多媒體應用。

上面我們討論了無線無壓縮HDTV的幾種選擇。UWB可以提供一些近期方案,不過受限於距離和品質。壓縮方案是無線HDMI的較好選擇,不過也受限於品質和距離,另外,由於使用了複雜的壓縮引擎,成本也較高。

60GHz具有許多潛在優勢,但卻只能用於室內,且距離商用還需要很多年時間。目前,5GHz免授權頻段上的WHDI可提供較遠的覆蓋距離,成本低,視訊品質也較高,同時具有將來能擴展到60GHz的可能性。

作者:Noam Geri

共同創辦人

AMIMON公司




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