發布日期：2022-07-14 點擊率：50
一些新創企業已經接受以無線方式傳輸海量視頻數據的挑戰(高達3Gbps,1080p),所采用的技術與目前技術則有很大的差別。這些技術包括:工作在5GHz免許可頻段的WHDI技術；基于擴展版超寬帶(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熱點。平板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。平板電視可以被掛在墻上,可以放在廚房里的柜櫥下面,以及被放在狹小的空間里。實際上,在那些麻煩的音視頻連線受限的地方也可以擺放這類電視。通過對消費者的調查, 許多人喜歡將電視掛在墻上,但絕大多數人卻沒有這樣做,這是因為安裝上有難度,即很難將音視頻連線連接到顯示器。
安裝難度更大的是消費類多媒體投影機。盡管質量已經很好而且價格也下降了,但市場仍有待起飛。其中的主要原因就是無法順利實施從視頻源到投影機的連線。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墻體安裝,并使用戶感到滿意,無線電視和投影機制造商也樂于接受。
壓縮和無壓縮的比較
對于電視和投影機生產商已經用了好幾年時間來解決顯示器的無線視頻連接問題大家并不感到奇怪。的成功提升了人們對用它解決無線視頻連接問題的期望值。對新興的UWB標準的廣泛支持也提升了人們對它的預期,這項新的高數據率無線技術有望解決長期困繞人們的無線視頻傳輸問題。
但是,這些預期至今還沒有實現,因為它們都建立在一個錯誤的假設上:即需要用無線方式傳送的視頻采用的是壓縮格式。不過,絕大多數的視頻源輸出端極少用壓縮的方法提供壓縮格式的HDTV內容。該領域的消費設備制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頻源和顯示器之間構建一個無線無壓縮的HDTV鏈路。
無線無壓縮HDTV方案
問題在于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1080p分辨率時高達3Gbps,而對于720p和1080i格式也高達。因此,無論是或UWB都遠遠達不到這么高的數據率。
已有幾種方案可以接受傳送無壓縮HDTV這一宏偉目標所提出的挑戰,首批產品將在2007年上市。這些方案包括:工作在5GHz免許可頻段的WHDI視頻調制方案； 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。下面將討論這幾種方案各自的優缺點。
WHDI-5GHz免許可頻段的視頻調制方案
WHDI技術基于一種非常神奇的無線視頻方案。盡管包括本文將要討論的其他所有的無線技術 都采用專門為數據而設計的無線調制解調方案,但WHDI卻采用了專門為視頻設計的無線調制解調方案。
視頻調制解調與數據調制解調之間的區別在于,數據調制解調均等地處理所有的輸入位,而視頻調制解調則根據可視的重要性來區別對待。例如,讓我們看一個由8位數字構成的無壓縮數據流,這個8位數代表了每個像素的三基色中每種顏色的值。很明顯,根據可視的重要性,每個8位數的最高位(MSB)要比最低位(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發生誤碼將會徹底改變所代表像素的值。基于數據調制解調的大多數無線視頻系統的一個荒謬之處是忽略掉了如此重要的信息。所有的位都均等處理,因此所有位的信道噪聲保護等級相同。
這意味著某些位的保護太少,結果是視頻質量差,要么是某些位保護太多,結果則是信道利用效率過低。實際上,絕大多數基于數字調制解調的無線視頻系統都存在上述兩種情況。然而,WHDI對每一位的保護都是剛好需要的程度,從而維持了最佳的視頻質量和信道利用效率。
WHDI接受視頻流并根據可視重要性將其分成許多等級。然后按如下方式將不同的單元映射到不同的無線信道,重要性高的內容得到較多的資源(即得到更好的噪聲防護),而重要性低的內容得到較少的資源(即得到較少的噪聲防護)。
結果是,對于一般的無線信道,噪聲對重要性不高的視頻信息侵蝕較多,因此,重要性不高的視頻信息的比特誤差相對于重要性高的信息要高。
但是,這些誤碼并不重要,因為僅僅出現在那些對視頻質量影響不大的信息上。眼睛和大腦也是WHDI的一部分,他們平衡了出現在LSB上的小誤碼。
WHDI充分融合了這種創新的視頻調制解調方案和工作在5GHz免許可頻段上的優秀的多輸入多輸出(MIMO) OFDM調制方案的優點。
實驗證明,利用20MHz信道和4x5 MIMO可以順利傳送無壓縮的720p和1080i (1.5 Gbps )的視頻信號,距離可以超過100英尺,并可穿越多道墻體。而采用5GHz的免許可頻段上的40MHz信道可以在相同距離內傳送無壓縮的1080p (3Gbps)視頻信號。
因為WHDI不進行任何的實時壓縮(僅僅是對視頻的優先級進行了排隊),故在硅片實現時系統的復雜度很低,從而實現了無線無壓縮HDTV的低成本解決方案。圖1給出了視頻調制解調器與數據調制解調器的區別。
圖1:視頻調制解調與數據調制解調的對比
此外,由于沒有壓縮,總的傳輸延遲小于1毫秒,從而無需視頻流和音頻流之間的復雜同步,并可以實現像游戲這類要求快速響應的應用。
私有/擴展UWB方案
UWB利用工作在頻段的超寬帶寬調制解調器實現了非常高的比特率鏈路。為了確保UWB傳輸不干擾工作在同一頻段的有許可的窄帶傳輸,UWB的發射功率嚴格受限。
UWB是一個通用的術語,用來定義使用超高帶寬(高于500MHz)的發射機,它也經常被用來定義其最常見的應用實現,即 WiMedia個人局域網標準。
該標準由WiMedia聯盟推出,可以實現高達480Mbps的短距離無線鏈路,從而可以實現像無線USB(到計算機外設的無線連接)這樣的應用,也可以實現短距離(不超過30英尺,室內)的多路無壓縮視頻流的傳輸。
不過,該標準并非為無壓縮HDTV的傳輸而設計,因為該傳輸需要更高的帶寬。盡管 UWB的峰值額定帶寬為480MHz,實際上典型的可用速率(應用層上)不高于100-200Mbps,這遠低于無壓縮1080i所需的,更不用說1080p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,并通過采用多頻率信道、多空間信道以及其他等方法來擴展UWB的傳輸能力,使之能夠支持無壓縮的HDTV應用。
由于FCC(以及世界上的其他機構)嚴格限定了發射功率,從而信道容量嚴格受限,這些“擴展UWB”方案的工作非常接近于信道容量的門限。
在無遮蔽的10英尺距離內,這些技術有潛力提供高質量的無壓縮視頻鏈路,但是如果在室內有另外一個UWB發射機(如無線USB器件),或者附近有一個許可的強功率發射機(如蜂窩基站),質量就會嚴重下降,覆蓋距離也會大大縮短。對于遠距離和有遮擋的應用,這些方法將面臨艱巨的挑戰。
世界范圍內應用環境方面的規定為基于UWB的無線視頻技術提出了另外的挑戰。UWB并非能夠在全世界都自由工作在5GHz的免許可頻段,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,這實際上使得利用UWB來支持無壓縮的視頻鏈路變得幾乎不可能,即便是在短距離范圍內。
UWB與壓縮相結合
即便是利用擴展的UWB來傳送無壓縮的HDTV面臨許多挑戰,仍然有許多公司在研究如何解決無壓縮視頻鏈路的需求,他們利用標準的UWB方案(基于WiMedia)與壓縮/解壓縮引擎相結合方案。
該方案接受無壓縮的HDTV視頻,進行實時壓縮后用UWB鏈路傳輸,然后對壓縮的視頻進行實時解壓縮,在輸出端提供無壓縮視頻格式。
曾經試圖在無線鏈路中采用實時的MPEG編碼或編碼,但都失敗了,原因是視頻質量大大下降,并且編碼器產生了很大的延遲。而且,這些壓縮格式對信道誤碼也比較敏感。
可能能夠滿足無線HDMI鏈路的唯一可行方案是采用圖像壓縮方案,用運動圖像JPEG(M-JPEG)方式壓縮視頻,如果要更好的話,用M-JPEG 2000。M-JPEG 2000單獨地壓縮每一幀,并且不像MPEG那樣需要運動估計。
這種方案具有較好的視頻質量(雖然壓縮比會損害一點)和較小的延遲。JPEG 2000可能是目前最好的圖像壓縮方案。但是,高質量來自于高成本,因為該技術基于非常復雜的算法,從而導致系統成本增高。
盡管JPEG 2000一開始是專為數字照像機設計的,并具有比一般的JPEG高得多的壓縮比,但由于成本太高卻很少用于數字照像機。在無線HDMI中,如果打算采用WiMedia UWB,JPEG 2000可能是唯一的選擇,不過系統成本將會非常高,因為要采用非常復雜的壓縮引擎。
盡管M-JPEG 2000能夠提供比其他壓縮方法更高的視頻質量,但要想傳送無壓縮的視頻仍然不夠理想。壓縮損失盡管有限,但也不可忽視。還有,M-JPEG 2000雖然比MPEG更加健壯,但仍對信道誤碼敏感,這將導致額外的傳輸損失。圖2所示為UWB與壓縮技術相結合的方案框圖。
圖2:UWB與壓縮技術相結合的方案框圖
對于對視頻質量不敏感的無線HDMI配件(軟件狗)來說,這些缺點再加上UWB的距離較短使得這種方法的應用受到極大的限制；而對于高端的HDTV以及投影儀,由于壓縮引起的質量降低也是不可接受的。
60GHz頻段
一批公司正在聯合推進利用60GHz來傳輸無線無壓縮的HDTV。60GHz是一個廣泛開放的免許可頻段,能夠滿足像無線無壓縮HDTV這樣的高帶寬應用。
盡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還比較遠。在商用之前還有許多問題需要解決。與非常成熟的5GHz 射頻相比,60GHz 射頻的成本仍然非常高。另外,60GHz波束方向性強,因此需要對天線進行校準。
為了解決這一問題,通過開發舵盤波束(steered-beam)天線進行了很多嘗試。但是該方案距離經濟實用尚待時日。對于60GHz頻段產品還有其他一些挑戰,例如,相位噪聲太高,這將限制了單位帶寬的比特率。實際上,基于60GHz的產品可能到2009-2010年才能商用化,即便到那時,一開始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,盡管60GHz頻段對于未來的無線無壓縮HDTV應用具有許多潛在的優勢,但至少它只能適用于超短距離應用。
盡管5GHz免許可頻段可以提供豐富的頻譜,可滿足不遠的將來絕大多數家庭應用(30個非重疊信道應該足以滿足各類家庭應用,像WHDI和n),但在具有許多監視器(例如企業應用環境)或者在超高分辨率監視器(4-8Mpixels/幀)普及時,60GHz將有更好的機會。
無論如何,目前的60GHz方案無法支持上述具有挑戰性的應用場合,原因在于方案中用的是數據調制解調方案。但是,如果將WFDI與60GHz RF相結合,將能滿足絕大多數的應用,包括超高分辨率的監視器(例如8MPixel, 120Hz)。
本文小結
無線無壓縮HDTV是一個新興的和令人激動的領域,該領域將重新定義從視頻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接線,由此簡化平板電視和監視器的安裝,而且還給使用連線困難的場合提供了另外一種選擇。例如,目前將PC連接到電視就限于采用的壓縮文件格式的數據流。利用遠距離基于WHDI的無線無壓縮HDMI,人們可以把位于臥室或家庭辦公室中的臺式PC連接到客廳中的電視,從而可以在電視上實現PC應用,包括游戲和其它多媒體應用。圖3繪出了不同標準的視頻質量和覆蓋距離。
圖3:視頻質量和覆蓋距離總結
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,不過受限于距離和質量。壓縮方案是無線HDMI的較好選擇,不過也受限于質量和距離,另外,由于使用了復雜的壓縮引擎,成本也高。
60GHz具有許多潛在優勢,但卻只能用于室內,并且距離商用還需很多年時間。目前,5GHz免許可頻段上的WHDI可以提供較遠的覆蓋距離,成本低,視頻質量也較高,而且將來具有擴展到60GHz的可能性。
作者:Noam Geri
無線網絡設計部經理
AMIMON公司
