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(如802.11n、UWB和60GHz)的發展使得30至100英尺或者更廣范圍內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行高速率無線連接的障礙業已清除，競爭已轉向為和圖形的無線傳輸提供解決方案。這個趨勢給消費者和企業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/手持設備的迅速普及，這些設備與高清顯示器的連接已經成為非常流行的功能。無線連接ad hoc的特性給消費者帶來了極大的便利。

　　現在PS3游戲控制臺已可以支持藍牙手柄，這使得消費者希望能夠擁有可以隨時隨地顯示游戲畫面的設備。同樣的，如果能夠使消費者在家中的任何顯示設備上以無線的方式同時控制和查看不同的視頻內容，媒體中心設備制造商們將受益可觀。

　　對于企業應用來說，無視頻線連接意味著連接桌面擴展塢和會議室投影設備的繁瑣的操作將不復存在。

　　寬帶無線技術

　　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。

　　表-1僅列出了四項最受關注的無線寬帶技術，并無意于詳盡羅列所有技術。另外，表-1種所列最大傳輸速率為物理層數據，實際數據率由于MAC層的開銷通常會小于該值。

　　無線關鍵指標

　　無線HDMI必須提供如下無電纜HDMI轉發器功能：

　　1. 傳輸視頻數據；

　　2. 傳輸音頻數據；

　　3. 傳輸EDID(擴展顯示標識數據)信息；

　　4. 傳輸CEC 數據；

　　5. 傳輸時鐘信息。

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

　　操作范圍可覆蓋單個房間僅為最低要求。從消費者收益最大化的角度考慮，他們更希望能夠將無線HDMI的覆蓋范圍擴展到整個家庭。

　　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的零售價格不應超過每傳輸/接收對200美元。而當市場成熟后，其價格應低于80美元。

　　無線 HDMI 面臨的挑戰

　　表-3列出了通過有線HDMI傳輸各種高清和標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仍然無法傳輸未經壓縮的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高的帶寬，但是和未經壓縮的高清或標清視頻信號相比，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是帶寬的大幅波動。盡管陣列信號處理和波束構成領域已取得長足進步，相同頻帶內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目，就已經足夠了。但是，比用于藍光DVD的節目導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，這點更加明顯：所有數據要么是純圖形，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視頻壓縮標準

　　盡管現在已有若干視頻壓縮標準可以將視頻信號的比特率降到合理范圍之內，但是最新的H.264標準明顯是最佳選擇。為了涵蓋廣泛的應用場景，H.264定義了多種檔次、級別和編碼工具的組合。例如說，通過調整量化參數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75:1。更重要的是，H.264已在業界被廣泛應用。數字照像機以及數字攝像機也已開始采用H.264高清編碼器，而且其價格相當低廉。

時延 – 視頻壓縮的巨大挑戰

　　無線HDMI應用中視頻壓縮所面臨的關鍵性難題是如何減少計算帶來的時延。當提高視頻的分辨率、幀率和色深時，時延會進一步增加。這是所有視頻編碼標準都會面臨的問題，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一步增加。

　　超低時延技術(SLL 技術)

　　WW Communications 在WW602和WW108超低時延H.264高清視頻編解碼器中，通過架構和算法上的創新，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(SLL 技術)緩解了視頻處理和碼率控制中的瓶頸。通過使用SLL 技術，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高于480p60視頻信號。事實上，SLL 技術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 技術使用了諸如宏塊幀內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。這使得在規定的碼率和時延內，I幀的編碼碼流可以被平滑地輸出。宏塊幀內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應用來說，SLL 技術還有另一顯著優勢――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，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存在。

　　基于802.11n的無線HDMI應用

　　802.11n的5GHz頻段通常應用于低延遲，交互性強的WiFi產品。實際上，表一中的其他無線標準在技術和市場成熟以后也會應用于無線通信。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，例如實現無線傳輸的“dongle”。

　　相對于可視距離的無線通信的應用，802.11n可實現更遠距離的(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。我們用標準的802.11的產品用來測試，證明魯棒性很好，可以穿越墻壁和混凝土樓板，圖-1是測試環境圖示，用SONY的PS3游戲機作為高清的視頻源，源和顯示設備之間距離100英尺并穿越6面墻，視頻的內容包括游戲和電影視頻。表5是測試結果，一組是編碼端和解碼端都是2x3MIMO(2個發送天線和3個接收天線)的無線設備，另一組采用編碼端2x3MIMO,接收端2x2MIMO 的無線設備。WW602編碼用20Mbps碼流的圖像質量可超越高清電纜傳輸的6-15Mbps的圖像質量。

　　圖-1：WW602基于802.11n的無線HDMI測試環境

　　注意：最大編解碼速率設置在65Mbps

　　采用WW602和 WW108設計無線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支持信道自適應傳輸速率,可變速率和可變分辨率.這些先進的特性使得無線HDMI可以實時調整碼率以匹配各種不同工況下的信道帶寬,也可以將高清內容變換以適應那些僅能處理較低分辯率和較低碼率的設備.見表-5.

　　WW602 和 WW108芯片中強大的編碼端容錯機制和解碼端的錯誤掩蔽機制可以給用戶穩定可靠的視頻無線HDMI體驗. 編碼端容錯機制包括可變的GoP, 可變的slice 和 intra-refresh sizes,強制I幀以及隨機I塊刷新(intra-refresh). 解碼端的錯誤掩蔽機制則用宏塊或禎級的SKIP模式實現.

　　WW602的目標市場是低價,單碼流的無線HDMI應用,如筆記本,游戲機, DVD播放器,機頂盒, 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容傳輸到不同的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

　　結論

　　在高清視頻引入到內容的發行的各個方面后，“剪斷視頻線”成了高清娛樂的技術前沿。盡管有各種寬帶的無線技術競爭到顯示器的無線通道，但我們不難發現帶寬還是遠遠不夠的。唯一可行的是采用壓縮技術，而現在最好的就是采用H.264標準。最大的挑戰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(Super Low Latency Technology)證明經過精心設計的編解碼芯片可以克服時延的困擾。