無線HDMI – 高清家庭娛樂的新前沿

　　近年來低成本寬帶無線技術(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)行高速率無線連接的障礙業(yè)已清除，競爭已轉(zhuǎn)向為和圖形的無線傳輸提供解決方案。這個趨勢給消費(fèi)者和企業(yè)帶來的益處是巨大的。很明顯，對于最終用戶來說，以無線傳輸來替代繁瑣的視頻線連接意味著全新的體驗。

　　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)備上以無線的方式同時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。

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

　　寬帶無線技術(shù)

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

　　表-1僅列出了四項最受關(guān)注的無線寬帶技術(shù)，并無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)，實際數(shù)據(jù)率由于MAC層的開銷通常會小于該值。

　　無線關(guān)鍵指標(biāo)

　　無線HDMI必須提供如下無電纜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)識數(shù)據(jù))信息；

　　4. 傳輸CEC 數(shù)據(jù)；

　　5. 傳輸時鐘信息。

　　無線HDMI的目標(biāo)是提供與有線HDMI相同的用戶體驗。由此我們在表-2中列出無線HDMI的幾項關(guān)鍵指標(biāo)：

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

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

　　無線 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線技術(shù)仍然無法傳輸未經(jīng)壓縮的24比特/像素1080p60視頻信號。從表-4中可見，盡管壓縮后的多通道高清音頻信號仍然需要相當(dāng)高的帶寬，但是和未經(jīng)壓縮的高清或標(biāo)清視頻信號相比，音頻信號所需帶寬還是非常低的。

　　1) HRA = High Resolution Audio

　　2) MA = Master Audio

　　無線傳輸面臨的另一挑戰(zhàn)是帶寬的大幅波動。盡管陣列信號處理和波束構(gòu)成領(lǐng)域已取得長足進(jìn)步，相同頻帶內(nèi)其他無線信號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。

　　壓縮亦或不壓縮？

　　從寬帶無線的最高帶寬亦無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際可用值。因此任何面向未來的無線HDMI解決方案必須對視頻和音頻信號進(jìn)行壓縮。一個顯而易見的例子是可以將高清音視頻流播送到若干個顯示設(shè)備上的家庭媒體中心。另一個例子是即將到來的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)航或者其他互動總是會需要圖形疊加部分。在游戲控制臺中，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)用場景，H.264定義了多種檔次、級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，它甚至還包含一個無損的檔次。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，而且其價格相當(dāng)?shù)土?/p>

時延 – 視頻壓縮的巨大挑戰(zhàn)

　　無線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算帶來的時延。當(dāng)提高視頻的分辨率、幀率和色深時，時延會進(jìn)一步增加。這是所有視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)都會面臨的問題，H.264也不可避免。另外，碼率控制也會帶來時延的增加。這是因為為了平滑輸出比特率而使用的緩沖會導(dǎo)致更大的時延。通常要求碼率波動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。即使在兩個I幀之間，隨著圖象復(fù)雜程度的變化，碼率也可能會有比較大的變化。諸如前處理等的其他因素也會使時延進(jìn)一步增加。

　　超低時延技術(shù)(SLL 技術(shù))

　　WW Communications 在WW602和WW108超低時延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延的難題。其正在專利申請中的超低時延技術(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)，視頻處理的時延僅取決于視頻像素時鐘。這意味著處理1080p60視頻信號的時延遠(yuǎn)小于處理480p60視頻信號的時延，因為1080p60視頻信號的像素時鐘頻率遠(yuǎn)高于480p60視頻信號。事實上，SLL 技術(shù)可以使編碼和解碼一路1080p60視頻信號的時延可以低于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幀所帶來的時延。不同于編一個完整的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好處是提高了編碼碼流的錯誤彈性。

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

　　基于802.11n的無線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。實際上，表一中的其他無線標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)和市場成熟以后也會應(yīng)用于無線通信。其中，UWB以其低功耗的特性，逐漸作為可視距離的無線通信方案的首選，例如實現(xiàn)無線傳輸?shù)?ldquo;dongle”。

　　相對于可視距離的無線通信的應(yīng)用，802.11n可實現(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線播放。我們用標(biāo)準(zhǔn)的802.11的產(chǎn)品用來測試，證明魯棒性很好，可以穿越墻壁和混凝土樓板，圖-1是測試環(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是測試結(jié)果，一組是編碼端和解碼端都是2x3MIMO(2個發(fā)送天線和3個接收天線)的無線設(shè)備，另一組采用編碼端2x3MIMO,接收端2x2MIMO 的無線設(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的無線HDMI測試環(huán)境

　　注意：最大編解碼速率設(shè)置在65Mbps

　　采用WW602和 WW108設(shè)計無線HDMI的解決方案

　　最新的超低時延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)的特性使得無線HDMI可以實時調(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)大的編碼端容錯機(jī)制和解碼端的錯誤掩蔽機(jī)制可以給用戶穩(wěn)定可靠的視頻無線HDMI體驗. 編碼端容錯機(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). 解碼端的錯誤掩蔽機(jī)制則用宏塊或禎級的SKIP模式實現(xiàn).

　　WW602的目標(biāo)市場是低價,單碼流的無線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');">顯示器上的無線通道.

　　圖-2展示了基于WW602的單碼流無線HDMI方案的框圖。圖-3展示了基于WW108的多碼流無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,如HDMI CEC 和 EDID，都是通過無線信道直傳的。

　　圖-2：基于WW602的單碼流無線HDMI方案的框圖

　　圖-3: 基于WW108的多碼流無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線技術(shù)競爭到顯示器的無線通道，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延。W&W Communications, Inc.通過采用自己的超低時延技術(shù)(Super Low Latency Technology)證明經(jīng)過精心設(shè)計的編解碼芯片可以克服時延的困擾。