無(wú)線HDMI – 高清家庭娛樂的新前沿

　　近年來低成本寬帶無(wú)線技術(shù)(如802.11n、UWB和60GHz)的發(fā)展使得30至100英尺或者更廣范圍內(nèi)100Mbps速率的無(wú)線傳輸成為可能。

　　與高清電視、電腦顯示器以及投影儀進(jìn)行高速率無(wú)線連接的障礙業(yè)已清除，競(jìng)爭(zhēng)已轉(zhuǎn)向?yàn)楹蛨D形的無(wú)線傳輸提供解決方案。這個(gè)趨勢(shì)給消費(fèi)者和企業(yè)帶來的益處是巨大的。很明顯，對(duì)于最終用戶來說，以無(wú)線傳輸來替代繁瑣的視頻線連接意味著全新的體驗(yàn)。

　　隨著帶有高清多媒體播放功能的筆記本電腦和便攜/手持設(shè)備的迅速普及，這些設(shè)備與高清顯示器的連接已經(jīng)成為非常流行的功能。無(wú)線連接ad hoc的特性給消費(fèi)者帶來了極大的便利。

　　現(xiàn)在PS3游戲控制臺(tái)已可以支持藍(lán)牙手柄，這使得消費(fèi)者希望能夠擁有可以隨時(shí)隨地顯示游戲畫面的設(shè)備。同樣的，如果能夠使消費(fèi)者在家中的任何顯示設(shè)備上以無(wú)線的方式同時(shí)控制和查看不同的視頻內(nèi)容，媒體中心設(shè)備制造商們將受益可觀。

　　對(duì)于企業(yè)應(yīng)用來說，無(wú)視頻線連接意味著連接桌面擴(kuò)展塢和會(huì)議室投影設(shè)備的繁瑣的操作將不復(fù)存在。

　　寬帶無(wú)線技術(shù)

　　目前，有如表-1中所列幾種針對(duì)高清顯示器和投影儀的寬帶無(wú)線技術(shù)。

　　表-1僅列出了四項(xiàng)最受關(guān)注的無(wú)線寬帶技術(shù)，并無(wú)意于詳盡羅列所有技術(shù)。另外，表-1種所列最大傳輸速率為物理層數(shù)據(jù)，實(shí)際數(shù)據(jù)率由于MAC層的開銷通常會(huì)小于該值。

　　無(wú)線關(guān)鍵指標(biāo)

　　無(wú)線HDMI必須提供如下無(wú)電纜HDMI轉(zhuǎn)發(fā)器功能：

　　1. 傳輸視頻數(shù)據(jù)；

　　2. 傳輸音頻數(shù)據(jù)；

　　3. 傳輸EDID(擴(kuò)展顯示標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù))信息；

　　4. 傳輸CEC 數(shù)據(jù)；

　　5. 傳輸時(shí)鐘信息。

　　無(wú)線HDMI的目標(biāo)是提供與有線HDMI相同的用戶體驗(yàn)。由此我們?cè)诒?2中列出無(wú)線HDMI的幾項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)：

　　操作范圍可覆蓋單個(gè)房間僅為最低要求。從消費(fèi)者收益最大化的角度考慮，他們更希望能夠?qū)o(wú)線HDMI的覆蓋范圍擴(kuò)展到整個(gè)家庭。

　　低成本并不意味著無(wú)線HDMI將擁有與有線HDMI同樣的價(jià)格。在消費(fèi)者看來，為無(wú)線HDMI所帶來的便捷多付出些代價(jià)是值得的。盡管這樣，在市場(chǎng)初期，無(wú)線HDMI的零售價(jià)格不應(yīng)超過每傳輸/接收對(duì)200美元。而當(dāng)市場(chǎng)成熟后，其價(jià)格應(yīng)低于80美元。

　　無(wú)線 HDMI 面臨的挑戰(zhàn)

　　表-3列出了通過有線HDMI傳輸各種高清和標(biāo)清視頻格式所需要的帶寬。

　　在如此之高的比特率下，即使是表-1中帶寬最高的寬帶無(wú)線技術(shù)仍然無(wú)法傳輸未經(jīng)壓縮的24比特/像素1080p60視頻信號(hào)。從表-4中可見，盡管壓縮后的多通道高清音頻信號(hào)仍然需要相當(dāng)高的帶寬，但是和未經(jīng)壓縮的高清或標(biāo)清視頻信號(hào)相比，音頻信號(hào)所需帶寬還是非常低的。

　　1) HRA = High Resolution Audio

　　2) MA = Master Audio

　　無(wú)線傳輸面臨的另一挑戰(zhàn)是帶寬的大幅波動(dòng)。盡管陣列信號(hào)處理和波束構(gòu)成領(lǐng)域已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，相同頻帶內(nèi)其他無(wú)線信號(hào)的干擾和傳輸路徑上的障礙物仍然可能造成傳輸帶寬的波動(dòng)。

　　壓縮亦或不壓縮？

　　從寬帶無(wú)線的最高帶寬亦無(wú)法支持高清視頻傳輸看來，答案顯而易見。但更重要的是，在某種程度上多媒體應(yīng)用所需帶寬總是超過實(shí)際可用值。因此任何面向未來的無(wú)線HDMI解決方案必須對(duì)視頻和音頻信號(hào)進(jìn)行壓縮。一個(gè)顯而易見的例子是可以將高清音視頻流播送到若干個(gè)顯示設(shè)備上的家庭媒體中心。另一個(gè)例子是即將到來的2K (24 和48 幀/秒，2048x1080分辨率) 和 4K (24幀/秒，4096x2160 分辨率)的數(shù)字影院顯示器和投影儀。48比特/像素的4Kp24未壓縮視頻流所需要的帶寬高達(dá)12.8Gbps。

　　有人也許會(huì)說播送已壓縮好的音視頻源，比如DVD電影或者有線電視節(jié)目，就已經(jīng)足夠了。但是，比用于藍(lán)光DVD的節(jié)目導(dǎo)航或者其他互動(dòng)總是會(huì)需要圖形疊加部分。在游戲控制臺(tái)中，這點(diǎn)更加明顯：所有數(shù)據(jù)要么是純圖形，要么是圖形和視頻的組合。因此，將壓縮過的音視頻源和未壓縮的圖形信息分別傳輸，然后在顯示端重新組合是不現(xiàn)實(shí)的。而且，未壓縮的圖形信息所需帶寬依然很高(見表-3)。

　　H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)

　　盡管現(xiàn)在已有若干視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)可以將視頻信號(hào)的比特率降到合理范圍之內(nèi)，但是最新的H.264標(biāo)準(zhǔn)明顯是最佳選擇。為了涵蓋廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，H.264定義了多種檔次、級(jí)別和編碼工具的組合。例如說，通過調(diào)整量化參數(shù)可以生成與原始輸入相差無(wú)幾的重建視頻。編碼過程中，可以僅使用I幀，也可以使用P幀或B幀通過減少時(shí)間域的冗余來提高編碼效率。H.264可以壓縮4:2:2或者4:4:4格式的YUV輸入，以及24比特/像素及以上的格式，它甚至還包含一個(gè)無(wú)損的檔次。高效的H.264編碼器可以將1080p60高清視頻的比特率降到50Mbps左右，相對(duì)于壓縮前3.6Gbps的碼率，壓縮率高達(dá)75:1。更重要的是，H.264已在業(yè)界被廣泛應(yīng)用。數(shù)字照像機(jī)以及數(shù)字?jǐn)z像機(jī)也已開始采用H.264高清編碼器，而且其價(jià)格相當(dāng)?shù)土?/p>

時(shí)延 – 視頻壓縮的巨大挑戰(zhàn)

　　無(wú)線HDMI應(yīng)用中視頻壓縮所面臨的關(guān)鍵性難題是如何減少計(jì)算帶來的時(shí)延。當(dāng)提高視頻的分辨率、幀率和色深時(shí)，時(shí)延會(huì)進(jìn)一步增加。這是所有視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)面臨的問題，H.264也不可避免。另外，碼率控制也會(huì)帶來時(shí)延的增加。這是因?yàn)闉榱似交敵霰忍芈识褂玫木彌_會(huì)導(dǎo)致更大的時(shí)延。通常要求碼率波動(dòng)越小越好以避免帶寬起伏而影響解碼端視頻的質(zhì)量。I幀總是帶來碼率的大幅波動(dòng)。即使在兩個(gè)I幀之間，隨著圖象復(fù)雜程度的變化，碼率也可能會(huì)有比較大的變化。諸如前處理等的其他因素也會(huì)使時(shí)延進(jìn)一步增加。

　　超低時(shí)延技術(shù)(SLL 技術(shù))

　　WW Communications 在WW602和WW108超低時(shí)延H.264高清視頻編解碼器中，通過架構(gòu)和算法上的創(chuàng)新，解決了視頻壓縮中低時(shí)延的難題。其正在專利申請(qǐng)中的超低時(shí)延技術(shù)(SLL 技術(shù))緩解了視頻處理和碼率控制中的瓶頸。通過使用SLL 技術(shù)，視頻處理的時(shí)延僅取決于視頻像素時(shí)鐘。這意味著處理1080p60視頻信號(hào)的時(shí)延遠(yuǎn)小于處理480p60視頻信號(hào)的時(shí)延，因?yàn)?080p60視頻信號(hào)的像素時(shí)鐘頻率遠(yuǎn)高于480p60視頻信號(hào)。事實(shí)上，SLL 技術(shù)可以使編碼和解碼一路1080p60視頻信號(hào)的時(shí)延可以低于1毫秒。

　　SLL 技術(shù)使用了諸如宏塊幀內(nèi)刷新的方法來解決緩沖I幀所帶來的時(shí)延。不同于編一個(gè)完整的I幀，I-宏塊分布于若干幀之間。這使得在規(guī)定的碼率和時(shí)延內(nèi)，I幀的編碼碼流可以被平滑地輸出。宏塊幀內(nèi)刷新的所帶來的另一個(gè)好處是提高了編碼碼流的錯(cuò)誤彈性。

　　對(duì)于無(wú)線HDMI應(yīng)用來說，SLL 技術(shù)還有另一顯著優(yōu)勢(shì)――唇同步。在使用WW108和WW602時(shí)，即使沒有諸如時(shí)間戳或其他音視頻同步技術(shù)，只要音頻信號(hào)沒有顯著的延遲，音頻和視頻信號(hào)不同步的問題將不復(fù)存在。

　　基于802.11n的無(wú)線HDMI應(yīng)用

　　802.11n的5GHz頻段通常應(yīng)用于低延遲，交互性強(qiáng)的WiFi產(chǎn)品。實(shí)際上，表一中的其他無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)和市場(chǎng)成熟以后也會(huì)應(yīng)用于無(wú)線通信。其中，UWB以其低功耗的特性，逐漸作為可視距離的無(wú)線通信方案的首選，例如實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸?shù)?ldquo;dongle”。

　　相對(duì)于可視距離的無(wú)線通信的應(yīng)用，802.11n可實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的(非可視距離)的多媒體通信，比如在家里的不同房間之間的音視頻通過無(wú)線播放。我們用標(biāo)準(zhǔn)的802.11的產(chǎn)品用來測(cè)試，證明魯棒性很好，可以穿越墻壁和混凝土樓板，圖-1是測(cè)試環(huán)境圖示，用SONY的PS3游戲機(jī)作為高清的視頻源，源和顯示設(shè)備之間距離100英尺并穿越6面墻，視頻的內(nèi)容包括游戲和電影視頻。表5是測(cè)試結(jié)果，一組是編碼端和解碼端都是2x3MIMO(2個(gè)發(fā)送天線和3個(gè)接收天線)的無(wú)線設(shè)備，另一組采用編碼端2x3MIMO,接收端2x2MIMO 的無(wú)線設(shè)備。WW602編碼用20Mbps碼流的圖像質(zhì)量可超越高清電纜傳輸?shù)?-15Mbps的圖像質(zhì)量。

　　圖-1：WW602基于802.11n的無(wú)線HDMI測(cè)試環(huán)境

　　注意：最大編解碼速率設(shè)置在65Mbps

　　采用WW602和 WW108設(shè)計(jì)無(wú)線HDMI的解決方案

　　最新的超低時(shí)延H.264高清視頻編解碼芯片WW602和 WW108支持信道自適應(yīng)傳輸速率,可變速率和可變分辨率.這些先進(jìn)的特性使得無(wú)線HDMI可以實(shí)時(shí)調(diào)整碼率以匹配各種不同工況下的信道帶寬,也可以將高清內(nèi)容變換以適應(yīng)那些僅能處理較低分辯率和較低碼率的設(shè)備.見表-5.

　　WW602 和 WW108芯片中強(qiáng)大的編碼端容錯(cuò)機(jī)制和解碼端的錯(cuò)誤掩蔽機(jī)制可以給用戶穩(wěn)定可靠的視頻無(wú)線HDMI體驗(yàn). 編碼端容錯(cuò)機(jī)制包括可變的GoP, 可變的slice 和 intra-refresh sizes,強(qiáng)制I幀以及隨機(jī)I塊刷新(intra-refresh). 解碼端的錯(cuò)誤掩蔽機(jī)制則用宏塊或禎級(jí)的SKIP模式實(shí)現(xiàn).

　　WW602的目標(biāo)市場(chǎng)是低價(jià),單碼流的無(wú)線HDMI應(yīng)用,如筆記本,游戲機(jī), DVD播放器,機(jī)頂盒, DVRs,便攜式媒體播放器等. WW108以它的多碼流處理能力瞄準(zhǔn)媒體集線器(media hubs), 媒體集線器借助WW108可以提供同時(shí)將不同的內(nèi)容傳輸?shù)讲煌?nobr id="nobr83" style="cursor: pointer; color: #cb4bfc; border-bottom: rgb(102,0,255) 1px dotted; background-color: transparent; text-decoration: underline" onmouseout="GlobalHide('83',null)" onclick="CompanyInsert('83','false','http://focus.ti.com.cn/cn/analog/docs/powerhome.tsp?familyId=64'contentType=4'DCMP=cn_ednc_kw'HQS=7');" onmousemove="GetAsync('83','0','http://focus.ti.com.cn/cn/analog/docs/powerhome.tsp?familyId=64'contentType=4'DCMP=cn_ednc_kw'HQS=7');">顯示器上的無(wú)線通道.

　　圖-2展示了基于WW602的單碼流無(wú)線HDMI方案的框圖。圖-3展示了基于WW108的多碼流無(wú)線媒體集線器方案的框圖.在這些方案中,只有視頻經(jīng)過壓縮和解壓,而音頻和控制信號(hào),如HDMI CEC 和 EDID，都是通過無(wú)線信道直傳的。

　　圖-2：基于WW602的單碼流無(wú)線HDMI方案的框圖

　　圖-3: 基于WW108的多碼流無(wú)線媒體集線器方案的框圖

　　結(jié)論

　　在高清視頻引入到內(nèi)容的發(fā)行的各個(gè)方面后，“剪斷視頻線”成了高清娛樂的技術(shù)前沿。盡管有各種寬帶的無(wú)線技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)到顯示器的無(wú)線通道，但我們不難發(fā)現(xiàn)帶寬還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。唯一可行的是采用壓縮技術(shù)，而現(xiàn)在最好的就是采用H.264標(biāo)準(zhǔn)。最大的挑戰(zhàn)就是降低編解碼通道所帶來的時(shí)延。W&W Communications, Inc.通過采用自己的超低時(shí)延技術(shù)(Super Low Latency Technology)證明經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的編解碼芯片可以克服時(shí)延的困擾。