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利用真正視訊數據機方案實現非壓縮HDTV無線連接

上網時間: 2008年09月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:無線  HDMI  WHDI 

從傳統到高解析內容的轉換,催生了用戶對高品質的數位視訊互連的需求,如像高解析電視和高解析投影儀這類的高解析顯示與其他產生高解析節目源的消費電子設備之間的互連,這些源設備包括HD-DVD,藍光,HD視訊轉換盒,遊戲機等。對於有線連接,最近幾年出現了用於高解析和消費電子的HDMI數位介面,該介面可以傳輸非壓縮的高解析音視訊,速率超過了1080p所需要的3Gbps。其結果,HDMI已經幾乎成為無處不在的音視訊標準。問題是,無線連接能夠提供類似的解決方案嗎?

透過Wi-Fi和其他無線標準的成功可以發現用戶喜歡無線技術。為了實現壁掛式平面電視的平滑設計,消費者希望能夠擺脫討厭的連線,而是使用靈活的,容易安裝和使用方便的無線連接。但是,已有的甚至是新興的無線標準,例如802.11和UWB,都無法提供高品質視訊連接所需的如此高的速率。為了能夠與HDMI相匹敵,還需要考慮其他一些問題。

無線高品質視訊發送是一個棘手的問題。一方面是高視訊速率需要足夠的頻寬和SNR(訊息雜訊比),即具備足夠能力的通訊訊息通道。另一方面,無線訊息通道卻不穩定和不可預測。其特性改變很快,起因是衰落和對SNR的干擾,通訊容量變化很大。在數據發送的過程中,這些問題還可以透過採用緩衝器和重發來彌補。但對於視訊(或音訊)連接來說這是不可能的,因為在整個發送過程中必須即時且沒有延遲,還必須維持高傳真。

本文將闡釋用於無線視訊傳送的一種視訊數據機方案,該方案是以在聯合訊號源訊息通道編碼(JSCC)資訊論原理為基礎,克服了用於視訊分發的無線訊息通道方面的各種挑戰。該方案用在Amimon公司的WHDI方案中,實現了非常強韌的無壓縮無線A/V連接。WHDI方案利用5GHz頻段上的一個多輸入多輸出(MIMO)20MHz/40MHz頻寬的訊息通道,這裡,MIMO提供一個超寬頻寬和分集。該視訊數據機JSCC方案可以被用到其他頻段上,相對於傳統的無線數據調變解調方案,強韌性得到10倍的改善,可實現高速率無壓縮視訊的無線分發。

如何將一個資訊從源端發送到目的地呢?特別地,要考慮到一個HDTV音/視訊串流的發送是在有雜訊的、衰落的無線訊息通道上進行的。從資訊論的觀點出發,一個通訊訊息通道有一定的容量,表示為C,它指定了訊息通道上能夠可靠傳送資訊的最大速率(每秒位元)。至今,一個好的表達方式是一個簡單公式,即香農定理,該公式表示了有加性白高斯雜訊(AWGN)的訊息通道的容量。

C = W log (1+SNR) b/s

式中,W為訊息通道頻寬(Hz),對數的底為2,SNR是訊息雜訊比。

一個資訊論量綱R(D),為資訊源的速率失真函數,定義了在規定的失真度D的條件下,重現訊號源所需的最小位元率。通常利用源和重現之間的均方誤差來度量D,作為與源動態範圍的比較。這個被稱作為峰值訊息雜訊比的測量就是視訊的8位元表徵,即:

PSNR = 10 log10 (255) 2/D dB

視訊源的R(D)不易確定,因為它取決於視訊品質和畫素與訊框之間的相關,對於低D(高PSNR),可以假設高品質視訊樣本是獨立的。在該工作點上,要求每位元採樣數減少一倍(或者PSNR改善6dB)。由於720p的視訊每秒的畫素為55.3M,或者說每秒的採樣數為55.3x3=~166M。1080i的畫素數為62.2M,或者說採樣數為186.6M。而對於1080p,其畫素數為124.4M,而採樣數為373.2M。換句話說,對於高品質的視訊,在高PSNR區域,要使視訊品質改善6dB,對於上述三種模式,分別需要166、186.6和373.2Mbps的採樣數。

當在資訊通道上利用任何通訊方案來傳輸訊號源時,著名的香農‘源訊息通道編碼理論’提出了可獲得的最佳性能(最小失真)的公式:

R(D) = C

即引起源失真的D不會優於R-1(C)。

由於訊息通道容量取決於訊息通道的訊息雜訊比(CSNR),為了評估訊息通道性能,需要繪製PSNR與訊息通道容量或CSNR的關係。香農定理從直覺上很容易瞭解。C度量訊息通道上可以可靠傳輸的最大位元率,而R(D)則是在達到失真D的條件下重現資訊源所需的最小位元率。進一步,香農定理提出一個實現最佳性能的方案:即首先將訊號源壓縮的R(b/s),造成訊號源的失真為D,然後(假定R小於訊息通道容量C)將這些位元的資訊在訊息通道上無錯誤地發送。這是最常見的方案。雖然該方案能夠實現(理論上的)最佳性能,但由於過於複雜且延遲較大,實際上卻無法實現,具體原因將在下面討論。

一個替代方案是聯合訊息通道編碼,其中訊號源編碼和訊息通道編碼不相互分離。該方案導致了‘視訊數據機’架構。如下面所述,該方案比較適合無線訊息通道的多變和不可預測的特性,透過一個強韌的,具有成本效益並自適應訊息通道容量變化的解決方案,可以實現(逼近)最佳性能。

Amimon JSCC方案評估

在討論視訊數據機之前,先利用上述的理論來檢查JSCC方案的可行性:在JSCC方案中,訊息通道容量確實大於訊號原始碼率失真函數並具有所期望的低失真嗎?容量究竟如何?

JSCC方案採用一個工作在5GHz頻段上的無線MIMO通道,發射天線為4根,頻寬為20-40MHz。當訊息通道矩陣為H(接收機已知)且具有高斯雜訊時,無線MIMO訊息通道容量為:

C = log2 det(I+ρHHH) b/s/Hz

式中,ρ是每根發射天線的CSNR,H是訊息通道矩陣,而上標H代表复共軛。如果接收天線數量nR大於或等於發射天線的數量nT,則訊息通道矩陣不是唯一的,訊息通道容量公式近似為:

C   nT log2 (1+ρ(H)) b/s/Hz

上式中,ρ(H)是一個有效平均CSNR,與依賴於特定的衰落訊息通道矩陣H的發射天線有關。很明顯,該容量不是常數,而是一個取決於變化的有效CSNR隨機量。對於nT=4和20MHz頻寬,訊息通道容量可以從800Mbps(30dB CSNR)變化到約500Mbps(18dB CSNR),甚至可以下降到250Mbps(大約10dB的CSNR)。

現在考慮訊號源。如上所述,評估HDTV速率失真是困難的,因為視訊是許多不同影像的合成,其中有些影像之需要很低的速率(例如同一顏色的影像),而另一些則需要很高的速率。誠然,正如上述,8位元HDTV樣本可以無損壓縮2倍,可以假定對於8位元失真的等級,HD(1080i或720p)速率失真低於700Mbps左右。如果允許更高的失真,則更低的速率即足以重現訊號源。在下列有關壓縮演算法性能的報告中,HDTV訊號源要求大約100-200Mbps來重現訊號源,而PSNR低於40dB。注意對於1080p訊號源的速率失真值的評估值是1080i訊號源評估值的兩倍。

總結上述討論,對於720p/1080i,Amimon所用的20MHz訊息通道具有250-800Mbps容量,該容量高於視訊品質為40dB PSNR時HDTV速率失真所對應的容量。然而,它強調了逼近香農限制的重要性並採用最佳性能。JSCC方案可以動態實現,而在上述的分離方案中,要使訊號源品質(PSNR)改善6dB,就需要每秒數百萬位元率來進行可靠傳輸。

分離式解決方案

訊號源編碼和訊息通道編碼的分離是傳統視訊通訊系統的主要原理。用於無線視訊分發的這類系統設計方案如圖1所示。

圖1:基於訊號源-訊息通道分離的傳統系統設計。
圖1:基於訊號源-訊息通道分離的傳統系統設計。

訊號源-訊息通道分離使得系統設計允許訊號源和訊息通道編碼器的最佳化獨立,透過提供一個通用的數位介面實現互通作業性。那麼利用這樣的傳統模組方案究竟有什麼錯?

當分離原理用於無線視訊傳輸時,幾個問題就顯現出來了。首先,分離原理假定了訊息通道容量已知。但這在無線通訊中這是絕無的情況,實際情況是訊息通道在不斷變化,容量事先完全無知。於是,香農定理的最優性不再成立,分離導致了性能損失。其次,圖1中以分離為基礎的系統缺乏強韌性。訊息原始程式碼(壓縮)是敏感的,要求其輸出受到一個具有保證性能(保證BER非常低)的訊息通道程式碼。最後,如圖1所示的方案非常複雜,且延遲很大。設立在分離原理上的實際系統工作性能,與可能的最佳性能也許相去甚遠。

聯合訊號源-訊息通道編碼方案

為了克服這些問題,採用了聯合訊號源訊息通道編碼。圖2為該系統設計方案。其中,JSCC由以下三個部份組成:

圖2:基於聯合訊號源-訊息通道編碼的系統設計。
圖2:基於聯合訊號源-訊息通道編碼的系統設計。

1.根據視訊分量的重要性來最佳化視訊。具體為:

a.畫素的最高位元(MSB)遠比最低位元(LSB)重要。

b.低空間頻率要比高頻更重要。

c.亮度分量要比色度分量更重要。

2.不同等的錯誤保護(UEP)──對重要分量的最高位元編碼保護等級高於不重要分量的最低位元編碼保護。

3.結合調變和UEP,產生訊息通道訊號空間的合適星座圖。例如,

a.重要分量採用粗星座(coarse constellation),而細星座(finer constellation)則用於不重要的分量;

b.將雜訊較大的頻段分給不重要的分量。

該方法將視訊畫素轉換成正交頻分調變符號(OFDM),幾個影像行的延遲非常小。圖3為聯合訊號源-訊息通道編碼架構圖。

圖3:聯合訊號源訊息通道編碼。
圖3:聯合訊號源訊息通道編碼。

JSCC方案的優點

相對於傳統的解決方案,聯合訊號源-訊息通道編碼具有幾個顯著的優點。首先,因為視訊分量和他們的位元表徵的重要性不均等,JSCC採用不均等的錯誤保護等級(UEP),而在傳統方案中對所有位元的保護是均等的。於是,在傳統的方案中,重要分量的最高位元受不到足夠的保護,而對於最低位元的保護卻顯過度(因而浪費了訊息通道資源)。圖4種描述了這種情況。

圖4:不均等的錯誤保護與均等保護的對比。
圖4:不均等的錯誤保護與均等保護的對比。

JSCC方案較好地利用了可用訊息通道容量,即使是容量在變化。傳統系統應該工作在低於最壞情況下訊息通道容量的速率上,否則視訊通訊將不可靠。透過將不好的訊息通道容量分配給不敏感的資訊,JSCC總是將容量利用到極致。應指出的是,某些傳統系統可以在容量突然下降的地方做‘短期平均’,但這需要很大的緩衝器,因而導致過高的複雜度和較大的延遲。其他傳統的系統透過採用反饋來適應變化的訊息通道特性。進一步,由於無線訊息通道變化很快,等到發射機得到這些反饋資訊時,訊息通道又已經變化了。圖5中描述了訊息通道利用的情況比較。

圖5:訊息通道容量的利用狀況圖示。
圖5:訊息通道容量的利用狀況圖示。

相對於傳統系統,JSCC的主要優點體現在它對不斷變化著的訊息通道容量和訊息通道的訊息雜訊比的適應能力上。傳統系統中有一個閾值效應-它必須保證最小的DNR,否則整個通訊將失敗。為了降低閾值,傳統系統中降低了碼率,例如透過深度壓縮的方式。但這樣做會降低品質。任何情況下,傳統系統是中有一個‘品質天花板’,在這裡影像品質無法改善,即使是訊息通道變好,其品質也無法優於與最壞設計情況相對應的預定品質。Amimon的JSCC方案沒有這樣的SNR閾值,故在訊息通道條件改善時影像品質將得到改善。圖6中描述了在變化的訊息通道條件下傳統方案和JSCC方案的視訊品質比較。

圖6:良好的訊息通道適應與閾值/天窗效應的關係。
圖6:良好的訊息通道適應與閾值/天窗效應的關係。

Smimon的視訊數據機的CSNR通常位於20-30dB之間,允許PSNR超過45dB。即使是有偶然的下降,PSNR仍保持良好,而在傳統方案中則將完全崩潰。

強韌性和複雜度

對於無線視訊連接解決方案來說,強韌性是一個極其重要的指標。根據上述分析,對於無線訊息通道不斷變化的特性來說,JSCC的強韌性比傳統的解決方案要好得多。圖7(a)顯示的是在特定情況下訊息通道支援大於B的位元率時的概率。為了確保系統的正常工作,傳統解決方案必須工作在可獲得的位元率達到99.99..%這一點上(否則將會不斷地重傳)。從圖中可以發現,該速率可能低於平均速率的5倍,而比最大容量高10倍,見圖7(b)。即使是在這個工作點上,訊息通道仍然還有不能支援所要求位元率的概率(0.01%),因此基於分離解決方案的傳統系統將會崩潰,因而導致大量錯誤,特別是當為了滿足工作點上可用的傳輸速率,數據不得不預先壓縮的時候。另一方面,JSCC方案允許利用瞬時容量,故可以享用高得多的容量,這相當於可以獲得較好的視訊品質(如圖7c所示),況且還無需擔心訊息通道容量和可用的位元率低於某個特定值時的概率。

圖7(a):無線衰落訊息通道概率特徵。
圖7(a):無線衰落訊息通道概率特徵。

圖7(b):傳統系統的工作點。
圖7(b):傳統系統的工作點。

圖7(c):在同一訊息通道上JSCC的PSNR比傳統系統高8-13dB。
圖7(c):在同一訊息通道上JSCC的PSNR比傳統系統高8-13dB。

JSCC性能和強韌性是在比傳統系統的運算量小得多,記憶體也簡單得多,且系統架構也簡單得多的條件下獲得的。JSCC不需要複雜的HDTV壓縮。也不需要大量的緩衝器用於進行壓縮和數據機重傳。其延遲也非常小(小於1ms)。它可以工作在單工方式,無需反饋,沒有通訊鏈路和視訊品質方面的折衷。這是一個重要的特性,因為這可以實現一個自然的點到多點的系統架構。其內在的強韌性和自適應能力使基於JSCC的數據機能夠實現比傳統系統高10倍的性能改善。

表1:工作在同一訊息通道上的JSCC方案與基於分離架構的傳統系統的比較。
表1:工作在同一訊息通道上的JSCC方案與基於分離架構的傳統系統的比較。

作者:Meir Feder

CTO

AMIMON公司





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