無線HDMI技術分析、應用

中心議題：

• 寬頻無線技術
• 無線HDMI關鍵計量
• 無線HDMI面臨的挑戰

解決方案：

• 超低時延技術
• 基於802.11n的無線HDMI應用

近年來低成本寬頻無線技術(如802.11n、UWB和60GHz)的發展使得30至100英尺或者更廣範圍內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串連的障礙業已清除，競爭已轉向為高清視頻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，對於終端使用者來說，以無線傳輸來替代繁瑣的視頻線串連意味著全新的體驗。
隨著帶有高清多媒體播放功能的膝上型電腦和便攜/手持功能的迅速普及，這些裝置與高清顯示器的串連已經成為非常流行的功能。無線串連adhoc的特性給消費者帶來了極大的便利。
現在PS3遊戲控制台已可以支援藍芽手柄，這使得消費者希望能夠擁有可以隨時隨地顯示遊戲畫面的裝置。同樣的，如果能夠使消費者在家中的任何顯示裝置上以無線方式同時控制和查看不同的視頻內容，媒體中心裝置製造商們將受益可觀。
對於公司專屬應用程式來說，無視頻線串連意味著串連案頭擴充塢和會議室投影裝置的繁瑣的操作將不複存在。

寬頻無線技術
目前，有如表-1中所列幾種針對高清顯示器和投影儀的寬頻無線技術。

表-1僅列出了四項最受關注的無線寬頻技術，並無意於詳盡羅列所有技術。另外，表-1種所列最大傳輸速率為物理層資料，實際資料率由於MAC層的開銷通常會小於該值。
無線HDMI關鍵計量
無線HDMI必須提供如下無電纜HDMI轉寄站功能：
1.傳輸視頻資料；
2.傳輸音頻資料；
3.傳輸EDID(擴充顯示標識資料)資訊；
4.傳輸CEC資料；
5.傳輸時鐘資訊。
無線HDMI的目標是提供與有線HDMI相同的使用者體驗。由此我們在表-2中列出無線HDMI的幾項關鍵計量：

操作範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的覆蓋範圍擴充到整個家庭。
低成本並不意味著無線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。儘管這樣，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。而當市場成熟後，其價格應低於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頻寬。

在如此之高的位元速率下，即使是表-1中頻寬最高的寬頻無線技術仍然無法傳輸未經壓縮的24位元/像素1080p60視頻訊號。從表-4中可見，儘管壓縮後的多通道高清音頻訊號仍然需要相當高的頻寬，但是和未經壓縮的高清或標清視頻訊號相比，音頻訊號所需頻寬還是非常低的。

1)HRA=HighResolutionAudio
2)MA=MasterAudio
無線傳輸面臨的另一挑戰是頻寬的大幅波動。儘管陣列訊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訊號的幹擾和傳輸路徑上的障礙物仍然可能造成傳輸頻寬的波動。

壓縮亦或不壓縮？
從寬頻無線最高頻寬亦無法支援高清視頻傳輸看來，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頻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訊號進行壓縮。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裝置上的家庭媒體中心。另一個例子是即將到來的2K(24和48幀/秒，2048x1080解析度)和4K(24幀/秒，4096x2160解析度)的數字影院顯示器和投影儀。48位元/像素的 4Kp24未壓縮視頻流所需要的頻寬高達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，比用於藍光DVD的節目導航或者其他互動總是會需要圖形疊加部分。在遊戲控制台中，這點更加明顯：所有資料要麼是純圖形，要麼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資訊分別傳輸，然後在顯示端重新組合是不現實的。而且，未壓縮的圖形資訊所需頻寬依然很高(見表-3)。
H.264視頻壓縮標準
儘管現在已有若干視頻壓縮標準可以將視頻訊號的位元速率降到合理範圍之內，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情境，H.264定義了多種檔次、層級和編碼工具的組合。例如說，通過調整量化參數可以產生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餘來提高編碼效率。
H.264可以壓縮4:2:2或者4:4:4格式的YUV輸入，以及24位元/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高清視頻的位元速率降到50Mbps左右，相對於壓縮前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採用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。當提高視頻的解析度、幀率和色深時，時延會進一步增加。這是所有視頻編碼通訊協定都會面臨的問題，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位元速率而使用的緩衝會導致更大的時延。通常要求碼率波動越小越好以避免頻寬起伏而影響解碼端視頻的品質。I幀總是帶來碼率的大幅波動。即使在兩個I幀之間，隨著圖象複雜程度的變化，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)
WWCommunications在WW602和WW108超低時延H.264高清視頻轉碼器中，通過架構和演算法上的創新，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於視頻像素時鐘。這意味著處理1080p60視頻訊號的時延遠小於處理480p60視頻訊號的時延，因為1080p60視頻訊號的像素時鐘頻率遠高於480p60視頻訊號。事實上，SLL技術可以使編碼和解碼一路1080p60視頻訊號的時延可以低於1毫秒。
SLL技術使用了諸如宏塊幀內重新整理的方法來解決緩衝I幀所帶來的時延。不同於編一個完整的I幀，I-宏塊分佈於若干幀之間。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。宏塊幀內重新整理的所帶來的另一個好處是提高了編碼碼流的錯誤彈性。
對於無線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記或其他音視頻同步技術，只要音頻訊號沒有顯著的延遲，音頻和視頻訊號不同步的問題將不複存在。
基於802.11n的無線HDMI應用
802.11n的5GHz頻段通常應用於低延遲，互動性強的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後也會應用於無線通訊。其中，UWB以其低功耗的特性，逐漸作為可視距離的無線通訊方案的首選，例如實現無線傳輸的“dongle”。
相對於可視距離的無線通訊的應用，802.11n可實現更遠距離的(非可視距離)的多媒體通訊，比如在家裡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，可以穿越牆壁和混凝土樓板，圖-1是測試環境圖示，用SONY的PS3遊戲機作為高清的視頻源，源和顯示裝置之間距離100英尺並穿越6面牆，視頻的內容包括遊戲和電影視頻。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)的無線裝置，另一組採用編碼端2x3MIMO,接收端2x2MIMO的無線裝置。WW602編碼用20Mbps碼流的映像品質可超越高清電纜傳輸的6-15Mbps的映像品質。

                                             圖-1：WW602基於802.11n的無線HDMI測試環境
注意：最大編解碼速率設定在65Mbps

採用WW602和WW108設計無線HDMI的解決方案
最新的超低時延H.264高清視頻編解碼晶片WW602和WW108支援通道自適應傳輸速率,可變速率和可變解析度.這些先進的特性使得無線HDMI可以即時調整碼率以匹配各種不同工況下的通道頻寬,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裝置.見表-5.
WW602和WW108晶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使用者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-refreshsizes,強制I幀以及隨機I塊重新整理(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.
W602的目標市場是低價,單碼流的無線HDMI應用,如筆記本,遊戲機,DVD播放器,機頂盒,DVRs,攜帶型媒體播放器等.WW108以它的多碼流處理能力瞄準媒體集線器(mediahubs),媒體集線器藉助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展示了基於WW602的單碼流無線HDMI方案的框圖。圖-3展示了基於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,而音頻和控制訊號,如HDMICEC和EDID，都是通過無線通道直傳的。

                                           圖-2：基於WW602的單碼流無線HDMI方案的框圖

                                                圖-3:基於WW108的多碼流無線媒體集線器方案的框圖
在高清視頻引入到內容的發行的各個方面後，“剪斷視頻線”成了高清娛樂的技術前沿。儘管有各種寬頻無線技術競爭到顯示器的無線通道，但我們不難發現頻寬還是遠遠不夠的。唯一可行的是採用壓縮技術，而現在最好的就是採用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&WCommunications,Inc.通過採用自己的超低時延技術(SuperLowLatencyTechnology)證明經過精心設計的編解碼晶片可以克服時延的困擾。