无线未压缩高清晰电视解决方案分析
2010-12-20 15:29:52
来源：半导体器件应用网
1.引言
无线未压缩HDTV通常被称为“无线高分辨率数字多媒体接口(Wireless HDMI)”，它将改变视频显示器连接到视频源的方式。
在过去的10年当中，许多公司一直都在试图解决无线视频连接性的问题，但只取得了有限的成功，这主要是因为这种解决方案只能支持压缩视频的传输，而在大部分视频源的输出上通常都不支持这一功能。
消费电子行业也开始认识到需要无线未压缩视频链路来提供一种通用的无线HDTV接口。
利用多种有着很大差异的方法，几家新兴公司已经开始应对大量视频数据的无线传输(在1080p分辨率可实现高达3Gbps的速率)所带来的挑战。
这些方法包括: 5GHz免授权频段的WHDI技术；以超宽带(UWB)的扩展版本为基础的各种方法；压缩技术与UWB的结合；60GHz频谱方案。本文将对这些方案进行讨论。
2.无线HDTV
无线HDTV将继续成为消费电子领域的热点课题。平板电视为消费者提供了老式硕大的CRT电视不可能拥有的重新安放电视机的机会。
电视可以挂在墙上，放在厨房的厨柜下，以及其它具有紧凑空间的地方。
然而实际上，麻烦的视频/音频电视布线会限制电视可能被摆放的位置。在一项调查中，消费者表明他们愿意把他们新的平板电视挂在墙上，而他们当中大部分人并没有这样做，这是因为存在安装的困难：也就是对显示器的视频/音频进行布线的困难。
造成更大安装困难的是消费者的多媒体投影仪。尽管投影仪的质量正日益改进，价格也在不断降低，但是，市场仍未起飞。主要原因是从视频源到投影仪进行布线存在着困难。
无线视频将使所有这一切得到改变。它将有利于壁挂式电视显示器和投影仪的安装，这也会使消费者感到高兴，反过来又会令无线电视和投影仪的制造商们感到高兴。
3.压缩与未压缩技术的比较
难怪电视和投影仪制造商几年来一直在寻找一种连接到显示器的无线视频方案。802.11的成功唤起了用它来解决无线视频传输问题的种种期待。
对正在兴起的UWB标准的广泛支持也引起了这样的期望，通过这种新型高速率的无线调制解调器技术，长期以来存在的无线视频传输问题可能不久就会得到解决。
然而，这些期望还没有被实现，这是因为它们都基于一种错误的假定，即需要由无线传输的视频要采取经压缩的格式——尽管通常以压缩格式HDTV被分配的内容在大部分视频源的输出端极少以压缩格式提供。
在这一市场中的消费电子制造商和半导体供应商已经开始认识到，提供到显示器的通用无线链路的唯一途径，是提供一种在视频源和显示器之间的无线未压缩HDTV链路。
4.利用无线技术传输未压缩HDTV的多种方法
问题是采用无线技术传输未压缩的HDTV内容非常困难。对于1080p的分辨率，速率可能高达3Gbps；对于720p和1080i的分辨率则速率达到1.3-1.5Gbps。因此，802.11n和UWB 都远远不能提供这种极高的速率。
一些新兴公司已经着手应对传输未压缩HDTV这一宏伟目标所带来的挑战，首批产品有望在2007年上市。这些方案包括：5GHz免授权频段的WHDI视频调制解调器方案、专有/扩展UWB方法、UWB和压缩的结合，以及基于60GHz的解决方案。
各种方案的优缺点在下面进行讨论。
4.1 5GHz免授权频段的WHDI视频调制方案
WHDI技术以一种连接到无线视频的非常新颖的方法为基础。然而，所有其它的无线视频技术，包括将在本文中要讨论到的技术，均以采用针对数据传输而设计的无线调制解调器为基础，WHDI采用专门为视频传输而设计的无线调制解调器方案。
视频调制解调器和数据调制解调器之间的区别是，后者在它的输入把所有比特相等地处理，而视频调制解调器以它们视觉的重要性为基础，对各比特进行不同的处理。
举例说明，在由8位数字组成的未压缩视频流中，每一个数字表示各像素的每个三原色的数值。很显然，从视觉重要性方面看，每个8比特数字的最高有效位(MSB)比最低有效位(LSB)更重要。
LSB中的错误不会有太显著的影响，但是在MSB中的错误会完全改变这一像素的值。以数据调制解调器为基础的大部分无线视频系统的错误在于这个重要信息被忽视了。所有的比特被平均地处理，结果它们都达到了相同水平的信道噪声保护。
这就意味着，要么可能是部分比特受到较少保护，导致较差的视频质量；要么可能是一些比特受到过多保护，导致低效的信道效率。在实际情况中，以数据调制解调器为基础的大部分无线视频系统会遭遇这两种情况相结合所带来的问题。相反，WHDI只在它需要保护时的范围内对每个比特进行保护，从而维持了良好的视频质量和信道的有效使用。
WHDI接受视频流并按照视觉重要性把它分拆成多个级别。这些不同的要素然后能被映射到无线信道上，所采取的方法使更重要的视觉信息可获得更多信道资源(如更多噪声保护)、而重要性稍差的视觉信息获得更小信道资源(如更少噪声保护)。
从而产生的结果是，在通常的无线信道中，噪声极有可能破坏重要性稍差的视频信息。因此，重要性稍差的视频信息的误码率比重要信息的误码率要高很多。
然而，由于这些位误码率出现在对于视频质量不是太重要的视频信息中，这些错误是不易觉察的。眼睛和大脑是WHDI系统的一个组成部分：它们使出现在LSB上的细小错误被平滑了。
WHDI把这种新颖的视频调制解调器与一种先进的以5GHz免授权频段操作的多输入多输出(MIMO) OFDM调制解调器结合起来。
这种方法已经得到证实，在100英尺范围内并通过多个墙体时，利用20MHz信道和4x5 MIMO能传输未压缩的720p和1080i (1.5 Gbps的视频)的视频流。在5GHz免授权频段内用40MHz信道，未压缩的1080p(3Gbps的视频)能被传输类似的距离。
由于WHDI不能进行任何实时压缩(只能视频优先)，结果的系统在硅尺寸方面具有非常低的复杂性，从而使无线未压缩HDTV的传输可以用非常低成本的解决方案来实现。
此外，由于不需要压缩，导致整体传输延迟还不到1毫秒。因此，视频和音频流之间不需要复杂的同步，并且使需要像游戏这样快速响应的应用成为可能。
4.2 专用/扩展 UWB方案
通过采用一种在3.1-10.6GHz频段内的特高带宽调制，UWB具有非常高的比特率链路。为了确保UWB不会干扰正在相同频段进行操作并经过授权的窄带发射器，UWB发射功率受到调整器的严格限制。
尽管UWB是用来定义采用特高带宽(高于500Mhz)的发射器的通用术语，然而它经常被定义为：WiMedia个人局域网标准。
由WiMedia联盟推动的这一标准，使短程无线链路的速率高达 480Mbps。这使得像无线USB(用于无线连接到计算机外围设备)这样的应用，以及短距离的多个压缩视频流的传输(房间内少于30英尺)成为可能。
然而，这种标准不是设计用来传输需要更高速率的未压缩HDTV的。尽管UWB的峰值标称速率被指定为480Mbps，实际上通常可用的速度(就应用级而言)不会高于100-200Mbps，这比用来传输未压缩1080i所需的1.5Gbps要低得多，就更不用说来传输未压缩1080p所需的3Gbps速率了。
有几家新兴公司正试图采用基本(baseline) UWB标准并通过连接多个频率信道或采用多个空间信道和/或其它方法来扩展UWB链路的性能，从而来支持未压缩HDTV。
由于信道性能受到由美国通信委员会(FCC)(和全球其它管理机构)所设定的功率极限的严格限制，这些“扩展的UWB”方案以非常接近信道性能极限的方式工作。
它们能在10英尺视线的短距离内可能提供高质量未压缩视频链路，但是如果房间内有其它的UWB发射器(如无线USB装置)，或者如果邻居的房间内有功率强大的经授权的发射器(如手机基站)，视频质量可能会严重地退化，传输范围也显著的缩短。采用这种方法，更大范围及非视线内的操作均会受到极大的挑战。
全球规则环境对基于UWB的无线视频方法提出了额外的挑战。UWB没有与5GHz免授权频段一样相同的全球应用状况；与美国相比，在欧洲就可用的频谱和功率限定而言，UWB规则有更多的限制，这使得要支持即使在短距离内的基于UWB的未压缩视频链路几乎是不可能的。
4.3 UWB与压缩技术的结合
即使采用UWB传输未压缩HDTV上面临挑战，甚至采用专有的增强技术，仍有大量公司通过把标准UWB方案(以WiMedia为基础)与压缩/未压缩引擎相结合来满足未压缩视频链路的需要。
这些方案接受未压缩HDTV视频，实时压缩视频，然后通过UWB链路对它进行传输，在被压缩的视频流被实时的解码后，以未压缩的形式在输出端予以提供。
过去，在无线视频链路中采用实时MPEG解码或H.264解码的尝试都失败了，这是因为视频质量的显著降低和这些编码器引起的高延迟。此外，这些视频压缩格式对信道错误也非常敏感。
可能一直被建议用于无线HDMI链路的唯一可行压缩方案是采用图像压缩方法，或者采用动态JPEG方案，或者甚至采用更好的动态JPEG2000来压缩视频。动态JPEG 2000对每个帧分别进行压缩，而不需要采用像在MPEG中所需的运动估值(MC)。
这会产生更好质量的视频(虽然以压缩比率为代价)和更低的延迟。JPEG 2000也许是市场中最好的图像压缩方法。但是，这种高的质量导致非常高的定价，由于它以一种非常复杂的算法为基础，结果导致系统成本非常昂贵。
尽管JPEG 2000最初被设计用于数码相机，并且比更常见的JPEG有好得多的压缩比率，但是，因为成本高，它却很少用在数码相机中。在无线HDMI中，如果你要采用WiMedia UWB链路，JPEG 2000可能是唯一的选择。但是，该系统的成本可能会因为高度复杂的压缩引擎而非常高。
虽然与其它压缩方法相比，JPEG 2000确实能提供相对高质量的视频，在传输未压缩视频时却不能有同样好的表现。尽管受到限制，压缩这一传统的方法仍非常值得注意。此外，JPEG 2000尽管比MPEG要更鲁棒，但它对信道错误仍是敏感的，这可能导致额外的错误传播结果。
这些错误传播结果与有限范围的UWB一起，有可能会限制把它与无线HDMI后装配件及零部件(软件狗)的结合，后者对于视频质量有较少的灵敏度。对于高端HDTV和投影仪，质量的退化会导致压缩视频流可能无法接受。
4.4 60GHz无线技术
一些公司已经开始联手促进把60GHz用于无线压缩HDTV的传输。60GHz是使像无线未压缩HDTV这样的高带宽应用成为可能的一种广泛开放的免授权频段。
虽然在这个新的未使用的频谱中有大量可能的应用，采用这种频段的产品要在商业上变得可用还远远不够。在60GHz能够商用之前，还有许多问题有待解决。与更成熟的5GHz RF相比， 60GHz RF的成本仍然非常的高。此外，60GHz的射频发射应当是有方向性的，这就需要对天线进行校准。
无线未压缩HDTV通常被称为“无线高分辨率数字多媒体接口(Wireless HDMI)”，它将改变视频显示器连接到视频源的方式。
在过去的10年当中，许多公司一直都在试图解决无线视频连接性的问题，但只取得了有限的成功，这主要是因为这种解决方案只能支持压缩视频的传输，而在大部分视频源的输出上通常都不支持这一功能。
消费电子行业也开始认识到需要无线未压缩视频链路来提供一种通用的无线HDTV接口。
利用多种有着很大差异的方法，几家新兴公司已经开始应对大量视频数据的无线传输(在1080p分辨率可实现高达3Gbps的速率)所带来的挑战。
这些方法包括: 5GHz免授权频段的WHDI技术；以超宽带(UWB)的扩展版本为基础的各种方法；压缩技术与UWB的结合；60GHz频谱方案。本文将对这些方案进行讨论。
2.无线HDTV
无线HDTV将继续成为消费电子领域的热点课题。平板电视为消费者提供了老式硕大的CRT电视不可能拥有的重新安放电视机的机会。
电视可以挂在墙上，放在厨房的厨柜下，以及其它具有紧凑空间的地方。
然而实际上，麻烦的视频/音频电视布线会限制电视可能被摆放的位置。在一项调查中，消费者表明他们愿意把他们新的平板电视挂在墙上，而他们当中大部分人并没有这样做，这是因为存在安装的困难：也就是对显示器的视频/音频进行布线的困难。
造成更大安装困难的是消费者的多媒体投影仪。尽管投影仪的质量正日益改进，价格也在不断降低，但是，市场仍未起飞。主要原因是从视频源到投影仪进行布线存在着困难。
无线视频将使所有这一切得到改变。它将有利于壁挂式电视显示器和投影仪的安装，这也会使消费者感到高兴，反过来又会令无线电视和投影仪的制造商们感到高兴。
3.压缩与未压缩技术的比较
难怪电视和投影仪制造商几年来一直在寻找一种连接到显示器的无线视频方案。802.11的成功唤起了用它来解决无线视频传输问题的种种期待。
对正在兴起的UWB标准的广泛支持也引起了这样的期望，通过这种新型高速率的无线调制解调器技术，长期以来存在的无线视频传输问题可能不久就会得到解决。
然而，这些期望还没有被实现，这是因为它们都基于一种错误的假定，即需要由无线传输的视频要采取经压缩的格式——尽管通常以压缩格式HDTV被分配的内容在大部分视频源的输出端极少以压缩格式提供。
在这一市场中的消费电子制造商和半导体供应商已经开始认识到，提供到显示器的通用无线链路的唯一途径，是提供一种在视频源和显示器之间的无线未压缩HDTV链路。
4.利用无线技术传输未压缩HDTV的多种方法
问题是采用无线技术传输未压缩的HDTV内容非常困难。对于1080p的分辨率，速率可能高达3Gbps；对于720p和1080i的分辨率则速率达到1.3-1.5Gbps。因此，802.11n和UWB 都远远不能提供这种极高的速率。
一些新兴公司已经着手应对传输未压缩HDTV这一宏伟目标所带来的挑战，首批产品有望在2007年上市。这些方案包括：5GHz免授权频段的WHDI视频调制解调器方案、专有/扩展UWB方法、UWB和压缩的结合，以及基于60GHz的解决方案。
各种方案的优缺点在下面进行讨论。
4.1 5GHz免授权频段的WHDI视频调制方案
WHDI技术以一种连接到无线视频的非常新颖的方法为基础。然而，所有其它的无线视频技术，包括将在本文中要讨论到的技术，均以采用针对数据传输而设计的无线调制解调器为基础，WHDI采用专门为视频传输而设计的无线调制解调器方案。
视频调制解调器和数据调制解调器之间的区别是，后者在它的输入把所有比特相等地处理，而视频调制解调器以它们视觉的重要性为基础，对各比特进行不同的处理。
举例说明，在由8位数字组成的未压缩视频流中，每一个数字表示各像素的每个三原色的数值。很显然，从视觉重要性方面看，每个8比特数字的最高有效位(MSB)比最低有效位(LSB)更重要。
LSB中的错误不会有太显著的影响，但是在MSB中的错误会完全改变这一像素的值。以数据调制解调器为基础的大部分无线视频系统的错误在于这个重要信息被忽视了。所有的比特被平均地处理，结果它们都达到了相同水平的信道噪声保护。
这就意味着，要么可能是部分比特受到较少保护，导致较差的视频质量；要么可能是一些比特受到过多保护，导致低效的信道效率。在实际情况中，以数据调制解调器为基础的大部分无线视频系统会遭遇这两种情况相结合所带来的问题。相反，WHDI只在它需要保护时的范围内对每个比特进行保护，从而维持了良好的视频质量和信道的有效使用。
WHDI接受视频流并按照视觉重要性把它分拆成多个级别。这些不同的要素然后能被映射到无线信道上，所采取的方法使更重要的视觉信息可获得更多信道资源(如更多噪声保护)、而重要性稍差的视觉信息获得更小信道资源(如更少噪声保护)。
从而产生的结果是，在通常的无线信道中，噪声极有可能破坏重要性稍差的视频信息。因此，重要性稍差的视频信息的误码率比重要信息的误码率要高很多。
然而，由于这些位误码率出现在对于视频质量不是太重要的视频信息中，这些错误是不易觉察的。眼睛和大脑是WHDI系统的一个组成部分：它们使出现在LSB上的细小错误被平滑了。
WHDI把这种新颖的视频调制解调器与一种先进的以5GHz免授权频段操作的多输入多输出(MIMO) OFDM调制解调器结合起来。
这种方法已经得到证实，在100英尺范围内并通过多个墙体时，利用20MHz信道和4x5 MIMO能传输未压缩的720p和1080i (1.5 Gbps的视频)的视频流。在5GHz免授权频段内用40MHz信道，未压缩的1080p(3Gbps的视频)能被传输类似的距离。
由于WHDI不能进行任何实时压缩(只能视频优先)，结果的系统在硅尺寸方面具有非常低的复杂性，从而使无线未压缩HDTV的传输可以用非常低成本的解决方案来实现。
此外，由于不需要压缩，导致整体传输延迟还不到1毫秒。因此，视频和音频流之间不需要复杂的同步，并且使需要像游戏这样快速响应的应用成为可能。
4.2 专用/扩展 UWB方案
通过采用一种在3.1-10.6GHz频段内的特高带宽调制，UWB具有非常高的比特率链路。为了确保UWB不会干扰正在相同频段进行操作并经过授权的窄带发射器，UWB发射功率受到调整器的严格限制。
尽管UWB是用来定义采用特高带宽(高于500Mhz)的发射器的通用术语，然而它经常被定义为：WiMedia个人局域网标准。
由WiMedia联盟推动的这一标准，使短程无线链路的速率高达 480Mbps。这使得像无线USB(用于无线连接到计算机外围设备)这样的应用，以及短距离的多个压缩视频流的传输(房间内少于30英尺)成为可能。
然而，这种标准不是设计用来传输需要更高速率的未压缩HDTV的。尽管UWB的峰值标称速率被指定为480Mbps，实际上通常可用的速度(就应用级而言)不会高于100-200Mbps，这比用来传输未压缩1080i所需的1.5Gbps要低得多，就更不用说来传输未压缩1080p所需的3Gbps速率了。
有几家新兴公司正试图采用基本(baseline) UWB标准并通过连接多个频率信道或采用多个空间信道和/或其它方法来扩展UWB链路的性能，从而来支持未压缩HDTV。
由于信道性能受到由美国通信委员会(FCC)(和全球其它管理机构)所设定的功率极限的严格限制，这些“扩展的UWB”方案以非常接近信道性能极限的方式工作。
它们能在10英尺视线的短距离内可能提供高质量未压缩视频链路，但是如果房间内有其它的UWB发射器(如无线USB装置)，或者如果邻居的房间内有功率强大的经授权的发射器(如手机基站)，视频质量可能会严重地退化，传输范围也显著的缩短。采用这种方法，更大范围及非视线内的操作均会受到极大的挑战。
全球规则环境对基于UWB的无线视频方法提出了额外的挑战。UWB没有与5GHz免授权频段一样相同的全球应用状况；与美国相比，在欧洲就可用的频谱和功率限定而言，UWB规则有更多的限制，这使得要支持即使在短距离内的基于UWB的未压缩视频链路几乎是不可能的。
4.3 UWB与压缩技术的结合
即使采用UWB传输未压缩HDTV上面临挑战，甚至采用专有的增强技术，仍有大量公司通过把标准UWB方案(以WiMedia为基础)与压缩/未压缩引擎相结合来满足未压缩视频链路的需要。
这些方案接受未压缩HDTV视频，实时压缩视频，然后通过UWB链路对它进行传输，在被压缩的视频流被实时的解码后，以未压缩的形式在输出端予以提供。
过去，在无线视频链路中采用实时MPEG解码或H.264解码的尝试都失败了，这是因为视频质量的显著降低和这些编码器引起的高延迟。此外，这些视频压缩格式对信道错误也非常敏感。
可能一直被建议用于无线HDMI链路的唯一可行压缩方案是采用图像压缩方法，或者采用动态JPEG方案，或者甚至采用更好的动态JPEG2000来压缩视频。动态JPEG 2000对每个帧分别进行压缩，而不需要采用像在MPEG中所需的运动估值(MC)。
这会产生更好质量的视频(虽然以压缩比率为代价)和更低的延迟。JPEG 2000也许是市场中最好的图像压缩方法。但是，这种高的质量导致非常高的定价，由于它以一种非常复杂的算法为基础，结果导致系统成本非常昂贵。
尽管JPEG 2000最初被设计用于数码相机，并且比更常见的JPEG有好得多的压缩比率，但是，因为成本高，它却很少用在数码相机中。在无线HDMI中，如果你要采用WiMedia UWB链路，JPEG 2000可能是唯一的选择。但是，该系统的成本可能会因为高度复杂的压缩引擎而非常高。
虽然与其它压缩方法相比，JPEG 2000确实能提供相对高质量的视频，在传输未压缩视频时却不能有同样好的表现。尽管受到限制，压缩这一传统的方法仍非常值得注意。此外，JPEG 2000尽管比MPEG要更鲁棒，但它对信道错误仍是敏感的，这可能导致额外的错误传播结果。
这些错误传播结果与有限范围的UWB一起，有可能会限制把它与无线HDMI后装配件及零部件(软件狗)的结合，后者对于视频质量有较少的灵敏度。对于高端HDTV和投影仪，质量的退化会导致压缩视频流可能无法接受。
4.4 60GHz无线技术
一些公司已经开始联手促进把60GHz用于无线压缩HDTV的传输。60GHz是使像无线未压缩HDTV这样的高带宽应用成为可能的一种广泛开放的免授权频段。
虽然在这个新的未使用的频谱中有大量可能的应用，采用这种频段的产品要在商业上变得可用还远远不够。在60GHz能够商用之前，还有许多问题有待解决。与更成熟的5GHz RF相比， 60GHz RF的成本仍然非常的高。此外，60GHz的射频发射应当是有方向性的，这就需要对天线进行校准。
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