一些新創(chuàng)企業(yè)已經(jīng)接受以無線方式傳輸海量視頻數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)(高達(dá)3Gbps,1080p),所采用的技術(shù)與目前技術(shù)則有很大的差別。這些技術(shù)包括:工作在5GHz免許可頻段的WHDI技術(shù)；基于擴(kuò)展版超寬帶(UWB)技術(shù)的解決方案；還有壓縮與UWB相結(jié)合的方案以及60GHz頻段解決方案。本文將對這些方案逐一進(jìn)行介紹。

無線HDTV

無線HDTV將繼續(xù)成為消費(fèi)電子領(lǐng)域的熱點(diǎn)。平板電視為消費(fèi)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(shí)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(fèi)者的調(diào)查, 許多人喜歡將電視掛在墻上,但絕大多數(shù)人卻沒有這樣做,這是因?yàn)榘惭b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(fèi)類多媒體投影機(jī)。盡管質(zhì)量已經(jīng)很好而且價(jià)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(shí)施從視頻源到投影機(jī)的連線。不過無線連接可以改變這一點(diǎn)。無線方式將簡化電視顯示器和投影機(jī)的墻體安裝,并使用戶感到滿意,無線電視和投影機(jī)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(jī)生產(chǎn)商已經(jīng)用了好幾年時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的廣泛支持也提升了人們對它的預(yù)期,這項(xiàng)新的高數(shù)據(jù)率無線技術(shù)有望解決長期困繞人們的無線視頻傳輸問題。

但是,這些預(yù)期至今還沒有實(shí)現(xiàn),因?yàn)樗鼈兌冀⒃谝粋€(gè)錯(cuò)誤的假設(shè)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(shù)的視頻源輸出端極少用壓縮的方法提供壓縮格式的HDTV內(nèi)容。該領(lǐng)域的消費(fèi)設(shè)備制造商和半導(dǎo)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(gòu)建一個(gè)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?yàn)闊o壓縮的數(shù)據(jù)率在1080p分辨率時(shí)高達(dá)3Gbps,而對于720p和1080i格式也高達(dá)。因此,無論是或UWB都遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這么高的數(shù)據(jù)率。

已有幾種方案可以接受傳送無壓縮HDTV這一宏偉目標(biāo)所提出的挑戰(zhàn),首批產(chǎn)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(diào)制方案； UWB技術(shù)的擴(kuò)展解決方案；還有壓縮與UWB相結(jié)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(yōu)缺點(diǎn)。

WHDI-5GHz免許可頻段的視頻調(diào)制方案

WHDI技術(shù)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(shù) 都采用專門為數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的無線調(diào)制解調(diào)方案,但WHDI卻采用了專門為視頻設(shè)計(jì)的無線調(diào)制解調(diào)方案。

視頻調(diào)制解調(diào)與數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)之間的區(qū)別在于,數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)均等地處理所有的輸入位,而視頻調(diào)制解調(diào)則根據(jù)可視的重要性來區(qū)別對待。例如,讓我們看一個(gè)由8位數(shù)字構(gòu)成的無壓縮數(shù)據(jù)流,這個(gè)8位數(shù)代表了每個(gè)像素的三基色中每種顏色的值。很明顯,根據(jù)可視的重要性,每個(gè)8位數(shù)的最高位(MSB)要比最低位(LSB)重要得多。

LSB上的一個(gè)誤碼不會(huì)有太大的影響,但如果是MSB發(fā)生誤碼將會(huì)徹底改變所代表像素的值。基于數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)的大多數(shù)無線視頻系統(tǒng)的一個(gè)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(hù)等級相同。

這意味著某些位的保護(hù)太少,結(jié)果是視頻質(zhì)量差,要么是某些位保護(hù)太多,結(jié)果則是信道利用效率過低。實(shí)際上,絕大多數(shù)基于數(shù)字調(diào)制解調(diào)的無線視頻系統(tǒng)都存在上述兩種情況。然而,WHDI對每一位的保護(hù)都是剛好需要的程度,從而維持了最佳的視頻質(zhì)量和信道利用效率。

WHDI接受視頻流并根據(jù)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(nèi)容得到較多的資源(即得到更好的噪聲防護(hù)),而重要性低的內(nèi)容得到較少的資源(即得到較少的噪聲防護(hù))。

結(jié)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?yàn)閮H僅出現(xiàn)在那些對視頻質(zhì)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(xiàn)在LSB上的小誤碼。

WHDI充分融合了這種創(chuàng)新的視頻調(diào)制解調(diào)方案和工作在5GHz免許可頻段上的優(yōu)秀的多輸入多輸出(MIMO) OFDM調(diào)制方案的優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)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(nèi)傳送無壓縮的1080p (3Gbps)視頻信號。

因?yàn)閃HDI不進(jìn)行任何的實(shí)時(shí)壓縮(僅僅是對視頻的優(yōu)先級進(jìn)行了排隊(duì)),故在硅片實(shí)現(xiàn)時(shí)系統(tǒng)的復(fù)雜度很低,從而實(shí)現(xiàn)了無線無壓縮HDTV的低成本解決方案。圖1給出了視頻調(diào)制解調(diào)器與數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器的區(qū)別。

圖1:視頻調(diào)制解調(diào)與數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)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(fù)雜同步,并可以實(shí)現(xiàn)像游戲這類要求快速響應(yīng)的應(yīng)用。

私有/擴(kuò)展UWB方案

UWB利用工作在頻段的超寬帶寬調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)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(fā)射功率嚴(yán)格受限。

UWB是一個(gè)通用的術(shù)語,用來定義使用超高帶寬(高于500MHz)的發(fā)射機(jī),它也經(jīng)常被用來定義其最常見的應(yīng)用實(shí)現(xiàn),即 WiMedia個(gè)人局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

該標(biāo)準(zhǔn)由WiMedia聯(lián)盟推出,可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)480Mbps的短距離無線鏈路,從而可以實(shí)現(xiàn)像無線USB(到計(jì)算機(jī)外設(shè)的無線連接)這樣的應(yīng)用,也可以實(shí)現(xiàn)短距離(不超過30英尺,室內(nèi))的多路無壓縮視頻流的傳輸。

不過,該標(biāo)準(zhǔn)并非為無壓縮HDTV的傳輸而設(shè)計(jì),因?yàn)樵搨鬏斝枰叩膸挕１M管 UWB的峰值額定帶寬為480MHz,實(shí)際上典型的可用速率(應(yīng)用層上)不高于100-200Mbps,這遠(yuǎn)低于無壓縮1080i所需的,更不用說1080p所需的3Gbps了。

目前已經(jīng)啟動(dòng)了幾項(xiàng)新技術(shù)的研究,這些技術(shù)利用UWB的基本技術(shù),并通過采用多頻率信道、多空間信道以及其他等方法來擴(kuò)展UWB的傳輸能力,使之能夠支持無壓縮的HDTV應(yīng)用。

由于FCC(以及世界上的其他機(jī)構(gòu))嚴(yán)格限定了發(fā)射功率,從而信道容量嚴(yán)格受限,這些“擴(kuò)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(nèi),這些技術(shù)有潛力提供高質(zhì)量的無壓縮視頻鏈路,但是如果在室內(nèi)有另外一個(gè)UWB發(fā)射機(jī)(如無線USB器件),或者附近有一個(gè)許可的強(qiáng)功率發(fā)射機(jī)(如蜂窩基站),質(zhì)量就會(huì)嚴(yán)重下降,覆蓋距離也會(huì)大大縮短。對于遠(yuǎn)距離和有遮擋的應(yīng)用,這些方法將面臨艱巨的挑戰(zhàn)。

世界范圍內(nèi)應(yīng)用環(huán)境方面的規(guī)定為基于UWB的無線視頻技術(shù)提出了另外的挑戰(zhàn)。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(shí)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(nèi)。

UWB與壓縮相結(jié)合

即便是利用擴(kuò)展的UWB來傳送無壓縮的HDTV面臨許多挑戰(zhàn),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(biāo)準(zhǔn)的UWB方案(基于WiMedia)與壓縮/解壓縮引擎相結(jié)合方案。

該方案接受無壓縮的HDTV視頻,進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮后用UWB鏈路傳輸,然后對壓縮的視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)解壓縮,在輸出端提供無壓縮視頻格式。

曾經(jīng)試圖在無線鏈路中采用實(shí)時(shí)的MPEG編碼或編碼,但都失敗了,原因是視頻質(zhì)量大大下降,并且編碼器產(chǎn)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(yùn)動(dòng)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(dú)地壓縮每一幀,并且不像MPEG那樣需要運(yùn)動(dòng)估計(jì)。

這種方案具有較好的視頻質(zhì)量(雖然壓縮比會(huì)損害一點(diǎn))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(zhì)量來自于高成本,因?yàn)樵摷夹g(shù)基于非常復(fù)雜的算法,從而導(dǎo)致系統(tǒng)成本增高。

盡管JPEG 2000一開始是專為數(shù)字照像機(jī)設(shè)計(jì)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(shù)字照像機(jī)。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(tǒng)成本將會(huì)非常高,因?yàn)橐捎梅浅?fù)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(zhì)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(dǎo)致額外的傳輸損失。圖2所示為UWB與壓縮技術(shù)相結(jié)合的方案框圖。

圖2:UWB與壓縮技術(shù)相結(jié)合的方案框圖      

對于對視頻質(zhì)量不敏感的無線HDMI配件(軟件狗)來說,這些缺點(diǎn)再加上UWB的距離較短使得這種方法的應(yīng)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(zhì)量降低也是不可接受的。

60GHz頻段

一批公司正在聯(lián)合推進(jìn)利用60GHz來傳輸無線無壓縮的HDTV。60GHz是一個(gè)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(yīng)用。

盡管這個(gè)未用的新頻段具有許多潛在優(yōu)勢,工作在該頻段的產(chǎn)品距離商用還比較遠(yuǎn)。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(qiáng),因此需要對天線進(jìn)行校準(zhǔn)。

為了解決這一問題,通過開發(fā)舵盤波束(steered-beam)天線進(jìn)行了很多嘗試。但是該方案距離經(jīng)濟(jì)實(shí)用尚待時(shí)日。對于60GHz頻段產(chǎn)品還有其他一些挑戰(zhàn),例如,相位噪聲太高,這將限制了單位帶寬的比特率。實(shí)際上,基于60GHz的產(chǎn)品可能到2009-2010年才能商用化,即便到那時(shí),一開始所能提供的覆蓋距離可能還是非常有限,這是因?yàn)樵擃l段的傳播特性太差。

根據(jù)上述分析,盡管60GHz頻段對于未來的無線無壓縮HDTV應(yīng)用具有許多潛在的優(yōu)勢,但至少它只能適用于超短距離應(yīng)用。

盡管5GHz免許可頻段可以提供豐富的頻譜,可滿足不遠(yuǎn)的將來絕大多數(shù)家庭應(yīng)用(30個(gè)非重疊信道應(yīng)該足以滿足各類家庭應(yīng)用,像WHDI和n),但在具有許多監(jiān)視器(例如企業(yè)應(yīng)用環(huán)境)或者在超高分辨率監(jiān)視器(4-8Mpixels/幀)普及時(shí),60GHz將有更好的機(jī)會(huì)。

無論如何,目前的60GHz方案無法支持上述具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用場合,原因在于方案中用的是數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)方案。但是,如果將WFDI與60GHz RF相結(jié)合,將能滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用,包括超高分辨率的監(jiān)視器(例如8MPixel, 120Hz)。

本文小結(jié)

無線無壓縮HDTV是一個(gè)新興的和令人激動(dòng)的領(lǐng)域,該領(lǐng)域?qū)⒅匦露x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(jiān)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(shù)據(jù)流。利用遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)PC應(yīng)用,包括游戲和其它多媒體應(yīng)用。圖3繪出了不同標(biāo)準(zhǔn)的視頻質(zhì)量和覆蓋距離。

圖3:視頻質(zhì)量和覆蓋距離總結(jié)  

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(zhì)量。壓縮方案是無線HDMI的較好選擇,不過也受限于質(zhì)量和距離,另外,由于使用了復(fù)雜的壓縮引擎,成本也高。

60GHz具有許多潛在優(yōu)勢,但卻只能用于室內(nèi),并且距離商用還需很多年時(shí)間。目前,5GHz免許可頻段上的WHDI可以提供較遠(yuǎn)的覆蓋距離,成本低,視頻質(zhì)量也較高,而且將來具有擴(kuò)展到60GHz的可能性。

作者:Noam Geri

無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)部經(jīng)理

AMIMON公司