無線非壓縮高清晰電視解決方案分析
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在過去的10年當(dāng)中，許多公司一直都在試圖解決無線視頻連接性的問題，但只取得了有限的成功，這主要是因?yàn)檫@種解決方案只能支持壓縮視頻的傳輸，而在大部分視頻源的輸出上通常都不支持這一功能。
消費(fèi)電子行業(yè)也開始認(rèn)識到需要無線未壓縮視頻鏈路來提供一種通用的無線 HDTV接口。
利用多種有著很大差異的方法，幾家新興公司已經(jīng)開始應(yīng)對大量視頻數(shù)據(jù)的無線傳輸(在1080p分辨率可實(shí)現(xiàn)高達(dá)3Gbps的速率)所帶來的挑戰(zhàn)。
這些方法包括:5GHz免授權(quán)頻段的WHDI技術(shù)；以超寬帶( UWB)的擴(kuò)展版本為基礎(chǔ)的各種方法；壓縮技術(shù)與UWB的結(jié)合；60GHz頻譜方案。本文將對這些方案進(jìn)行討論。
無線HDTV
無線HDTV將繼續(xù)成為消費(fèi)電子領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。平板電視為消費(fèi)者提供了老式碩大的CRT電視不可能擁有的重新安放電視機(jī)的機(jī)會。
電視可以掛在墻上，放在廚房的廚柜下，以及其它具有緊湊空間的地方。
然而實(shí)際上，麻煩的視頻/音頻電視布線會限制電視可能被擺放的位置。在一項(xiàng)調(diào)查中，消費(fèi)者表明他們愿意把他們新的平板電視掛在墻上，而他們當(dāng)中大部分人并沒有這樣做，這是因?yàn)榇嬖诎惭b的困難：也就是對顯示器的視頻/音頻進(jìn)行布線的困難。
造成更大安裝困難的是消費(fèi)者的多媒體投影儀。盡管投影儀的質(zhì)量正日益改進(jìn)，價格也在不斷降低，但是，市場仍未起飛。主要原因是從視頻源到投影儀進(jìn)行布線存在著困難。
無線視頻將使所有這一切得到改變。它將有利于壁掛式電視顯示器和投影儀的安裝，這也會使消費(fèi)者感到高興，反過來又會令無線電視和投影儀的制造商們感到高興。
壓縮與未壓縮技術(shù)的比較
難怪電視和投影儀制造商幾年來一直在尋找一種連接到顯示器的無線視頻方案。802.11的成功喚起了用它來解決無線視頻傳輸問題的種種期待。
對正在興起的UWB標(biāo)準(zhǔn)的廣泛支持也引起了這樣的期望，通過這種新型高速率的無線調(diào)制解調(diào)器技術(shù)，長期以來存在的無線視頻傳輸問題可能不久就會得到解決。
然而，這些期望還沒有被實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)樗鼈兌蓟谝环N錯誤的假定，即需要由無線傳輸?shù)囊曨l要采取經(jīng)壓縮的格式——盡管通常以壓縮格式HDTV被分配的內(nèi)容在大部分視頻源的輸出端極少以壓縮格式提供。
在這一市場中的消費(fèi)電子制造商和半導(dǎo)體供應(yīng)商已經(jīng)開始認(rèn)識到，提供到顯示器的通用無線鏈路的唯一途徑，是提供一種在視頻源和顯示器之間的無線未壓縮HDTV鏈路。
利用無線技術(shù)傳輸未壓縮HDTV的多種方法
問題是采用無線技術(shù)傳輸未壓縮的HDTV內(nèi)容非常困難。對于1080p的分辨率，速率可能高達(dá)3Gbps；對于720p和1080i的分辨率則速率達(dá)到1.3-1.5Gbps，因此，802.11n和UWB 都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能提供這種極高的速率。
一些新興公司已經(jīng)著手應(yīng)對傳輸未壓縮HDTV這一宏偉目標(biāo)所帶來的挑戰(zhàn)，首批產(chǎn)品有望在2007年上市。這些方案包括：5GHz免授權(quán)頻段的WHDI視頻調(diào)制解調(diào)器方案、專有/擴(kuò)展UWB方法、UWB和壓縮的結(jié)合，以及基于60GHz的解決方案。
各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)將在以下進(jìn)行討論。
5GHz免授權(quán)頻段的WHDI視頻調(diào)制方案
WHDI技術(shù)以一種連接到無線視頻的非常新穎的方法為基礎(chǔ)。然而，所有其它的無線視頻技術(shù)，包括將在本文中要討論到的技術(shù)，均以采用針對數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計的無線調(diào)制解調(diào)器為基礎(chǔ)，WHDI采用專門為視頻傳輸而設(shè)計的無線調(diào)制解調(diào)器方案。
視頻調(diào)制解調(diào)器和數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器之間的區(qū)別是，后者在它的輸入把所有比特相等地處理，而視頻調(diào)制解調(diào)器以它們視覺的重要性為基礎(chǔ)，對各比特進(jìn)行不同的處理。
舉例說明，在由8位數(shù)字組成的未壓縮視頻流中，每一個數(shù)字表示各像素的每個三原色的數(shù)值。很顯然，從視覺重要性方面看，每個8比特數(shù)字的最高有效位(MSB)比最低有效位(LSB)更重要。
LSB中的錯誤不會有太顯著的影響，但是在MSB中的錯誤會完全改變這一像素的值。以數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器為基礎(chǔ)的大部分無線視頻系統(tǒng)的錯誤在于這個重要信息被忽視了。所有的比特被平均地處理，結(jié)果它們都達(dá)到了相同水平的信道噪聲保護(hù)。
這就意味著，要么可能是部分比特受到較少保護(hù)，導(dǎo)致較差的視頻質(zhì)量；要么可能是一些比特受到過多保護(hù)，導(dǎo)致低效的信道效率。在實(shí)際情況中，以數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器為基礎(chǔ)的大部分無線視頻系統(tǒng)會遭遇這兩種情況相結(jié)合所帶來的問題。相反，WHDI只在它需要保護(hù)時的范圍內(nèi)對每個比特進(jìn)行保護(hù)，從而維持了良好的視頻質(zhì)量和信道的有效使用。
WHDI接受視頻流并按照視覺重要性把它分拆成多個級別。這些不同的要素然后能被映射到無線信道上，所采取的方法使更重要的視覺信息可獲得更多信道資源(如更多噪聲保護(hù))、而重要性稍差的視覺信息獲得更小信道資源(如更少噪聲保護(hù))。
從而產(chǎn)生的結(jié)果是，在通常的無線信道中，噪聲極有可能破壞重要性稍差的視頻信息，因此，重要性稍差的視頻信息的誤碼率比重要信息的誤碼率要高很多。
然而，由于這些位誤碼率出現(xiàn)在對于視頻質(zhì)量不是太重要的視頻信息中，這些錯誤是不易覺察的。眼睛和大腦是WHDI系統(tǒng)的一個組成部分：它們使出現(xiàn)在LSB上的細(xì)小錯誤被平滑了。
WHDI把這種新穎的視頻調(diào)制解調(diào)器與一種先進(jìn)的以5GHz免授權(quán)頻段操作的多輸入多輸出( MIMO) OFDM調(diào)制解調(diào)器結(jié)合起來。
這種方法已經(jīng)得到證實(shí)，在100英尺范圍內(nèi)并通過多個墻體時，利用20MHz信道和4x5 MIMO能傳輸未壓縮的720p和1080i (1.5 Gbps的視頻)的視頻流。在5GHz免授權(quán)頻段內(nèi)用40MHz信道，未壓縮的1080p(3Gbps的視頻)能被傳輸類似的距離。
由于WHDI不能進(jìn)行任何實(shí)時壓縮(只能視頻優(yōu)先)，結(jié)果的系統(tǒng)在硅尺寸方面具有非常低的復(fù)雜性，從而使無線未壓縮HDTV的傳輸可以用非常低成本的解決方案來實(shí)現(xiàn)。
此外，由于不需要壓縮，導(dǎo)致整體傳輸延遲還不到1毫秒，因此，視頻和音頻流之間不需要復(fù)雜的同步，并且使需要像游戲這樣快速響應(yīng)的應(yīng)用成為可能。
專用/擴(kuò)展 UWB方案
通過采用一種在3.1-10.6GHz頻段內(nèi)的特高帶寬調(diào)制，UWB具有非常高的比特率鏈路。為了確保UWB不會干擾正在相同頻段進(jìn)行操作并經(jīng)過授權(quán)的窄帶發(fā)射器，UWB發(fā)射功率受到調(diào)整器的嚴(yán)格限制。
盡管UWB是用來定義采用特高帶寬(高于500Mhz)的發(fā)射器的通用術(shù)語，然而它經(jīng)常被定義為：WiMedia個人局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。
由WiMedia聯(lián)盟推動的這一標(biāo)準(zhǔn)，使短程無線鏈路的速率高達(dá)480Mbps。這使得像無線USB(用于無線連接到計算機(jī)外圍設(shè)備)這樣的應(yīng)用，以及短距離的多個壓縮視頻流的傳輸(房間內(nèi)少于30英尺)成為可能。
然而，這種標(biāo)準(zhǔn)不是設(shè)計用來傳輸需要更高速率的未壓縮HDTV的。盡管UWB的峰值標(biāo)稱速率被指定為480Mbps，實(shí)際上通?？捎玫乃俣?就應(yīng)用級而言)不會高于100-200Mbps，這比用來傳輸未壓縮1080i所需的1.5Gbps要低得多，就不更用說來傳輸未壓縮1080p所需的3Gbps速率了。
有幾家新興公司正試圖采用基本(baseline) UWB標(biāo)準(zhǔn)并通過連接多個頻率信道或采用多個空間信道和/或其它方法來擴(kuò)展UWB鏈路的性能，從而來支持未壓縮HDTV。
由于信道性能受到由美國通信委員會(FCC)(和全球其它管理機(jī)構(gòu))所設(shè)定的功率極限的嚴(yán)格限制，這些“擴(kuò)展的UWB”方案以非常接近信道性能極限的方式工作。
它們能在10英尺視線的短距離內(nèi)可能提供高質(zhì)量未壓縮視頻鏈路，但是如果房間內(nèi)有其它的UWB發(fā)射器(如無線USB裝置)，或者如果鄰居的房間內(nèi)有功率強(qiáng)大的經(jīng)授權(quán)的發(fā)射器(如手機(jī)基站)，視頻質(zhì)量可能會嚴(yán)重地退化，傳輸范圍也顯著的縮短。采用這種方法，更大范圍及非視線內(nèi)的操作均會受到極大的挑戰(zhàn)。
全球規(guī)則環(huán)境對基于UWB的無線視頻方法提出了額外的挑戰(zhàn)。UWB沒有與5GHz免授權(quán)頻段一樣相同的全球應(yīng)用狀況；與美國相比，在歐洲就可用的頻譜和功率限定而言，UWB規(guī)則有更多的限制，這使得要支持即使在短距離內(nèi)的基于UWB的未壓縮視頻鏈路幾乎是不可能的。
UWB與壓縮技術(shù)的結(jié)合
即使采用UWB傳輸未壓縮HDTV上面臨挑戰(zhàn)，甚至采用專有的增強(qiáng)技術(shù)，仍有大量公司通過把標(biāo)準(zhǔn)UWB方案(以WiMedia為基礎(chǔ))與壓縮/未壓縮引擎相結(jié)合來滿足未壓縮視頻鏈路的需要。
這些方案接受未壓縮HDTV視頻，實(shí)時壓縮視頻，然后通過UWB鏈路對它進(jìn)行傳輸，在被壓縮的視頻流被實(shí)時的解碼后，以未壓縮的形式在輸出端予以提供。
過去，在無線視頻鏈路中采用實(shí)時 MPEG解碼或 H.264解碼的嘗試都失敗了，這是因?yàn)橐曨l質(zhì)量的顯著降低和這些編碼器引起的高延遲。此外，這些視頻壓縮格式對信道錯誤也非常敏感。
可能一直被建議用于無線 HDMI鏈路的唯一可行壓縮方案是采用圖像壓縮方法，或者采用動態(tài)JPEG方案，或者甚至采用更好的動態(tài)JPEG2000來壓縮視頻。動態(tài)JPEG 2000對每個幀分別進(jìn)行壓縮，而不需要采用像在MPEG中所需的運(yùn)動估值(MC)。
這會產(chǎn)生更好質(zhì)量的視頻(雖然以壓縮比率為代價)和更低的延遲。JPEG 2000也許是市場中最好的圖像壓縮方法。但是，這種高的質(zhì)量導(dǎo)致非常高的定價，由于它以一種非常復(fù)雜的算法為基礎(chǔ)，結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)成本非常昂貴。
盡管JPEG 2000最初被設(shè)計用于數(shù)碼相機(jī)，并且比更常見的JPEG有好得多的壓縮比率，但是，因?yàn)槌杀靖?，它卻很少用在數(shù)碼相機(jī)中。在無線HDMI中，如果你要采用WiMedia UWB鏈路，JPEG 2000可能是唯一的選擇，但是，該系統(tǒng)的成本可能會因?yàn)楦叨葟?fù)雜的壓縮引擎而非常高。
雖然與其它壓縮方法相比，JPEG 2000確實(shí)能提供相對高質(zhì)量的視頻，在傳輸未壓縮視頻時卻不能有同樣好的表現(xiàn)。盡管受到限制，壓縮這一傳統(tǒng)的方法仍非常值得注意。此外，JPEG 2000盡管比MPEG要更魯棒，但它對信道錯誤仍是敏感的，這可能導(dǎo)致額外的錯誤傳播結(jié)果。
這些錯誤傳播結(jié)果與有限范圍的UWB一起，有可能會限制把它與無線HDMI后裝配件及零部件(軟件狗)的結(jié)合，后者對于視頻質(zhì)量有較少的靈敏度。對于高端HDTV和投影儀，質(zhì)量的退化會導(dǎo)致壓縮視頻流可能無法接受。
60GHz無線技術(shù)
一些公司已經(jīng)開始聯(lián)手促進(jìn)把60GHz用于無線壓縮HDTV的傳輸。60GHz是使像無線未壓縮HDTV這樣的高帶寬應(yīng)用成為可能的一種廣泛開放的免授權(quán)頻段。
雖然在這個新的未使用的頻譜中有大量可能的應(yīng)用，采用這種頻段的產(chǎn)品要在商業(yè)上變得可用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在60GHz能夠商用之前，還有許多問題有待解決。與更成熟的5GHz RF相比， 60GHz RF的成本仍然非常的高。此外，60GHz的射頻發(fā)射應(yīng)當(dāng)是有方向性的，這就需要對天線進(jìn)行校準(zhǔn)。
人們一直嘗試通過開發(fā)可操縱波束天線來解決這一問題。但在這樣的方案變得可用和經(jīng)濟(jì)之前，還需要有一段時間。在60GHz調(diào)制解調(diào)器中還有一些其它的困難，比如，特高的相位噪聲會進(jìn)一步限制“比特/赫茲”的大小。實(shí)際上，基于60GHz的產(chǎn)品可能要到2009-2010年才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，即使到了那個時候，因?yàn)?0GHz傳輸有較差的傳播特性，最初也只能提供非常有限的傳輸范圍。
盡管存在以上問題存在，60GHz頻譜為未來無線未壓縮HDTV的發(fā)展，致少對于極短范圍的應(yīng)用提供了巨大的潛力。
在可預(yù)見的未來，5GHz免授權(quán)頻段可能為大多數(shù)家庭環(huán)境提供大量的頻譜(30個不相重疊的信道對于家庭中像WHDI和802.11n這樣的各種各樣無線應(yīng)用應(yīng)當(dāng)是足夠的)，在一個存在大量監(jiān)控器的環(huán)境中(如在一個公司環(huán)境中)，或者當(dāng)極高分辨率的監(jiān)視器(具有4-8M Pixels/幀)廣泛分布時，60GHz將會提供新的機(jī)會。
在任何情況下，目前針對60GHz標(biāo)準(zhǔn)的提議將不會支持在本文所提到的更多具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用情況，這是因?yàn)樗鼈兪且詳?shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器方法為基礎(chǔ)。然而，把WHDI視頻調(diào)制解調(diào)器概念與60GHz RF相結(jié)合，將使大部分有著苛刻要求的應(yīng)用—包括超高分辨率監(jiān)視器(如8M Pixel, 120Hz)—成為可能。
結(jié)論
無線未壓縮HDTV是一種新穎而令人激動的領(lǐng)域，它將重新定義我們把信號源連接到顯示器的方式。這些方案不僅使令人討厭又缺乏美感的視頻電線的替換變成為可能，也因此便利了平板電視和投影儀的安裝，而且提供了新型的連接方案，這些如果利用有線方案就會因?yàn)殡y度太大而無法實(shí)現(xiàn)。
例如，現(xiàn)在采用802.11把PC連接到TV，會受到壓縮文件流的限制。利用遠(yuǎn)程基于WHDI的無線壓縮HDTV，人們能把臥室或家庭辦公室內(nèi)的電腦連接到客廳的電視，從而能在電視屏幕上觀看所的PC應(yīng)用，包括游戲內(nèi)容和其它的媒體內(nèi)容。
我們已經(jīng)對無線未壓縮HDTV的一些方案進(jìn)行了回顧。盡管受到范圍和質(zhì)量的局限，UWB提供了一些近期的解決方案。
基于壓縮的方案為無線HDMI提供了適合的方案，但是也受到質(zhì)量和范圍的限制，并且由于壓縮引擎的復(fù)雜性，而具有很高的成本。
60GHz有很大的潛力，但是也受到室內(nèi)應(yīng)用的限制，并且還要幾年的時間才能商業(yè)化。目前具有5GHz免授權(quán)頻段的WHDI能提供遠(yuǎn)程低成本和高質(zhì)量的視頻鏈路，在未來擴(kuò)展到60GHz頻段的可能性將使之具有更大的性能。
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