利用无线无压缩HDTV解决压缩方案无法解决的问题

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无线无压缩HDTV，也就是通常所说的“无线HDMI”，将改变视频显示器与视频源的连接方式。在过去十年中，许多公司曾试图解决无线视频连通性问题，但都收效不大，主要原因是所提供的方案都只能支持压缩视频的传送，而绝大多数的视频源输出都无法提供压缩视频。消费电子行业开始认识到，提供通用的无线HDTV接口首先需要建立无线无压缩视频链路。
一些新创企业已经接受以无线方式传输海量视频数据的挑战(高达3Gbps，1080p)，所采用的技术与目前技术则有很大的差别。这些技术包括：工作在5GHz免许可频段的WHDI技术；基于扩展版超宽带(UWB)技术的解决方案；还有压缩与UWB相结合的方案以及60GHz频段解决方案。本文将对这些方案逐一进行介绍。
无线HDTV
无线HDTV将继续成为消费电子领域的热点。平板电视为消费者提供了旧式笨重的CRT电视无法提供的摆放方式。平板电视可以被挂在墙上，可以放在厨房里的柜橱下面，以及被放在狭小的空间里。实际上，在那些麻烦的音视频连线受限的地方也可以摆放这类电视。通过对消费者的调查， 许多人喜欢将电视挂在墙上，但绝大多数人却没有这样做，这是因为安装上有难度，即很难将音视频连线连接到显示器。
安装难度更大的是消费类多媒体投影机。尽管质量已经很好而且价格也下降了，但市场仍有待起飞。其中的主要原因就是无法顺利实施从视频源到投影机的连线。不过无线连接可以改变这一点。无线方式将简化电视显示器和投影机的墙体安装，并使用户感到满意，无线电视和投影机制造商也乐于接受。
压缩和无压缩的比较
对于电视和投影机生产商已经用了好几年时间来解决显示器的无线视频连接问题大家并不感到奇怪。802.11的成功提升了人们对用它解决无线视频连接问题的期望值。对新兴的UWB标准的广泛支持也提升了人们对它的预期，这项新的高数据率无线技术有望解决长期困绕人们的无线视频传输问题。
但是，这些预期至今还没有实现，因为它们都建立在一个错误的假设上：即需要用无线方式传送的视频采用的是压缩格式。不过，绝大多数的视频源输出端极少用压缩的方法提供压缩格式的HDTV内容。该领域的消费设备制造商和半导体商开始意识到，向显示器提供通用无线链路的唯一方式是在视频源和显示器之间构建一个无线无压缩的HDTV链路。
无线无压缩HDTV方案
问题在于用无线方式提供无压缩的HDTV是非常困难的。因为无压缩的数据率在1080p分辨率时高达3Gbps，而对于720p和1080i格式也高达1.5Gbps。因此，无论是802.11或UWB都远远达不到这么高的数据率。
已有几种方案可以接受传送无压缩HDTV这一宏伟目标所提出的挑战，首批产品将在2007年上市。这些方案包括：工作在5GHz免许可频段的WHDI视频调制方案； UWB技术的扩展解决方案；还有压缩与UWB相结合方案及60GHz频段解决方案。下面将讨论这几种方案各自的优缺点。
WHDI-5GHz免许可频段的视频调制方案
WHDI技术基于一种非常神奇的无线视频方案。尽管包括本文将要讨论的其他所有的无线技术 都采用专门为数据而设计的无线调制解调方案，但WHDI却采用了专门为视频设计的无线调制解调方案。
视频调制解调与数据调制解调之间的区别在于，数据调制解调均等地处理所有的输入位，而视频调制解调则根据可视的重要性来区别对待。例如，让我们看一个由8位数字构成的无压缩数据流，这个8位数代表了每个像素的三基色中每种颜色的值。很明显，根据可视的重要性，每个8位数的最高位(MSB)要比最低位(LSB)重要得多。
LSB上的一个误码不会有太大的影响，但如果是MSB发生误码将会彻底改变所代表像素的值。基于数据调制解调的大多数无线视频系统的一个荒谬之处是忽略掉了如此重要的信息。所有的位都均等处理，因此所有位的信道噪声保护等级相同。
这意味着某些位的保护太少，结果是视频质量差，要么是某些位保护太多，结果则是信道利用效率过低。实际上，绝大多数基于数字调制解调的无线视频系统都存在上述两种情况。然而，WHDI对每一位的保护都是刚好需要的程度，从而维持了最佳的视频质量和信道利用效率。
WHDI接受视频流并根据可视重要性将其分成许多等级。然后按如下方式将不同的单元映射到不同的无线信道，重要性高的内容得到较多的资源(即得到更好的噪声防护)，而重要性低的内容得到较少的资源(即得到较少的噪声防护)。
结果是，对于一般的无线信道，噪声对重要性不高的视频信息侵蚀较多，因此，重要性不高的视频信息的比特误差相对于重要性高的信息要高。
但是，这些误码并不重要，因为仅仅出现在那些对视频质量影响不大的信息上。眼睛和大脑也是WHDI的一部分，他们平衡了出现在LSB上的小误码。
WHDI充分融合了这种创新的视频调制解调方案和工作在5GHz免许可频段上的优秀的多输入多输出(MIMO) OFDM调制方案的优点。
实验证明，利用20MHz信道和4x5 MIMO可以顺利传送无压缩的720p和1080i (1.5 Gbps )的视频信号，距离可以超过100英尺，并可穿越多道墙体。而采用5GHz的免许可频段上的40MHz信道可以在相同距离内传送无压缩的1080p (3Gbps)视频信号。
因为WHDI不进行任何的实时压缩(仅仅是对视频的优先级进行了排队)，故在硅片实现时系统的复杂度很低，从而实现了无线无压缩HDTV的低成本解决方案。图1给出了视频调制解调器与数据调制解调器的区别。
 

图1：视频调制解调与数据调制解调的对比

此外，由于没有压缩，总的传输延迟小于1毫秒，从而无需视频流和音频流之间的复杂同步，并可以实现像游戏这类要求快速响应的应用。
私有/扩展UWB方案
UWB利用工作在3.1-10.6GHz频段的超宽带宽调制解调器实现了非常高的比特率链路。为了确保UWB传输不干扰工作在同一频段的有许可的窄带传输，UWB的发射功率严格受限。
UWB是一个通用的术语，用来定义使用超高带宽(高于500MHz)的发射机，它也经常被用来定义其最常见的应用实现，即 WiMedia个人局域网标准。
该标准由WiMedia联盟推出，可以实现高达480Mbps的短距离无线链路，从而可以实现像无线USB(到计算机外设的无线连接)这样的应用，也可以实现短距离(不超过30英尺，室内)的多路无压缩视频流的传输。
不过，该标准并非为无压缩HDTV的传输而设计，因为该传输需要更高的带宽。尽管 UWB的峰值额定带宽为480MHz，实际上典型的可用速率(应用层上)不高于100-200Mbps，这远低于无压缩1080i所需的1.5Gbps，更不用说1080p所需的3Gbps了。
目前已经启动了几项新技术的研究，这些技术利用UWB的基本技术，并通过采用多频率信道、多空间信道以及其他等方法来扩展UWB的传输能力，使之能够支持无压缩的HDTV应用。
由于FCC(以及世界上的其他机构)严格限定了发射功率，从而信道容量严格受限，这些“扩展UWB”方案的工作非常接近于信道容量的门限。
在无遮蔽的10英尺距离内，这些技术有潜力提供高质量的无压缩视频链路，但是如果在室内有另外一个UWB发射机(如无线USB器件)，或者附近有一个许可的强功率发射机(如蜂窝基站)，质量就会严重下降，覆盖距离也会大大缩短。对于远距离和有遮挡的应用，这些方法将面临艰巨的挑战。
世界范围内应用环境方面的规定为基于UWB的无线视频技术提出了另外的挑战。UWB并非能够在全世界都自由工作在5GHz的免许可频段，在欧洲，UWB在频谱和功率方面所受到的限制比美国苛刻得多，这实际上使得利用UWB来支持无压缩的视频链路变得几乎不可能，即便是在短距离范围内。
UWB与压缩相结合
即便是利用扩展的UWB来传送无压缩的HDTV面临许多挑战，仍然有许多公司在研究如何解决无压缩视频链路的需求，他们利用标准的UWB方案(基于WiMedia)与压缩/解压缩引擎相结合方案。
该方案接受无压缩的HDTV视频，进行实时压缩后用UWB链路传输，然后对压缩的视频进行实时解压缩，在输出端提供无压缩视频格式。
曾经试图在无线链路中采用实时的MPEG编码或H.264编码，但都失败了，原因是视频质量大大下降，并且编码器产生了很大的延迟。而且，这些压缩格式对信道误码也比较敏感。
可能能够满足无线HDMI链路的唯一可行方案是采用图像压缩方案，用运动图像JPEG(M-JPEG)方式压缩视频，如果要更好的话，用M-JPEG 2000。M-JPEG 2000单独地压缩每一帧，并且不像MPEG那样需要运动估计。
这种方案具有较好的视频质量(虽然压缩比会损害一点)和较小的延迟。JPEG 2000可能是目前最好的图像压缩方案。但是，高质量来自于高成本，因为该技术基于非常复杂的算法，从而导致系统成本增高。
尽管JPEG 2000一开始是专为数字照像机设计的，并具有比一般的JPEG高得多的压缩比，但由于成本太高却很少用于数字照像机。在无线HDMI中，如果打算采用WiMedia UWB，JPEG 2000可能是唯一的选择，不过系统成本将会非常高，因为要采用非常复杂的压缩引擎。
尽管M-JPEG 2000能够提供比其他压缩方法更高的视频质量，但要想传送无压缩的视频仍然不够理想。压缩损失尽管有限，但也不可忽视。还有，M-JPEG 2000虽然比MPEG更加健壮，但仍对信道误码敏感，这将导致额外的传输损失。图2所示为UWB与压缩技术相结合的方案框图。
 

图2：UWB与压缩技术相结合的方案框图

对于对视频质量不敏感的无线HDMI配件(软件狗)来说，这些缺点再加上UWB的距离较短使得这种方法的应用受到极大的限制；而对于高端的HDTV以及投影仪，由于压缩引起的质量降低也是不可接受的。
60GHz频段
一批公司正在联合推进利用60GHz来传输无线无压缩的HDTV。60GHz是一个广泛开放的免许可频段，能够满足像无线无压缩HDTV这样的高带宽应用。
尽管这个未用的新频段具有许多潜在优势，工作在该频段的产品距离商用还比较远。在商用之前还有许多问题需要解决。与非常成熟的5GHz 射频相比，60GHz 射频的成本仍然非常高。另外，60GHz波束方向性强，因此需要对天线进行校准。
为了解决这一问题，通过开发舵盘波束(steered-beam)天线进行了很多尝试。但是该方案距离经济实用尚待时日。对于60GHz频段产品还有其他一些挑战，例如，相位噪声太高，这将限制了单位带宽的比特率。实际上，基于60GHz的产品可能到2009-2010年才能商用化，即便到那时，一开始所能提供的覆盖距离可能还是非常有限，这是因为该频段的传播特性太差。
根据上述分析，尽管60GHz频段对于未来的无线无压缩HDTV应用具有许多潜在的优势，但至少它只能适用于超短距离应用。
尽管5GHz免许可频段可以提供丰富的频谱，可满足不远的将来绝大多数家庭应用(30个非重叠信道应该足以满足各类家庭应用，像WHDI和802.11n)，但在具有许多监视器(例如企业应用环境)或者在超高分辨率监视器(4-8Mpixels/帧)普及时，60GHz将有更好的机会。
无论如何，目前的60GHz方案无法支持上述具有挑战性的应用场合，原因在于方案中用的是数据调制解调方案。但是，如果将WFDI与60GHz RF相结合，将能满足绝大多数的应用，包括超高分辨率的监视器(例如8MPixel, 120Hz)。
本文小结
无线无压缩HDTV是一个新兴的和令人激动的领域，该领域将重新定义从视频源到显示器之间的连接方式。上述这些方案不仅能够替换掉令人讨厌且不美观的连接线，由此简化平板电视和监视器的安装，而且还给使用连线困难的场合提供了另外一种选择。例如，目前将PC连接到电视就限于采用802.11的压缩文件格式的数据流。利用远距离基于WHDI的无线无压缩HDMI，人们可以把位于卧室或家庭办公室中的台式PC连接到客厅中的电视，从而可以在电视上实现PC应用，包括游戏和其它多媒体应用。图3绘出了不同标准的视频质量和覆盖距离。
 

图3：视频质量和覆盖距离总结

上面我们讨论了无线无压缩HDTV的几种选择。UWB可以提供一些近期方案，不过受限于距离和质量。压缩方案是无线HDMI的较好选择，不过也受限于质量和距离，另外，由于使用了复杂的压缩引擎，成本也高。
60GHz具有许多潜在优势，但却只能用于室内，并且距离商用还需很多年时间。目前，5GHz免许可频段上的WHDI可以提供较远的覆盖距离，成本低，视频质量也较高，而且将来具有扩展到60GHz的可能性。

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