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无线HDMI解决方案——超低时延技术

Kishan Jainandunsing| 无线HDMI,超低时延技术,高清视频| 2011-10-25
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中心论题:
    * 无线HDMI关键指标
    * 无线HDMI面临的挑战
解决方案:
    * 采用H.264标准的压缩技术,降低编解码通道带来的时延
    * 采用超低时延技术
 

近年来低成本宽带无线技术(如802.11n、UWB和60GHz)的发展使得30至100英尺或者更广范围内100Mbps速率的无线传输成为可 能。与高清电视、电脑显示器以及投影仪进行高速率无线连接的障碍业已清除,竞争已转向为高清视频和图形的无线传输提供解决方案。这个趋势给消费者和企业带 来的益处是巨大的。很明显,对于最终用户来说,以无线传输来替代繁琐的视频线连接意味着全新的体验。

随着带有高清多媒体播放功能的笔记本电脑和便携/手持设备的迅速普及,这些设备与高清显示器的连接已经成为非常流行的功能。无线连接ad hoc的特性给消费者带来了极大的便利。

现在PS3游戏控制台已可以支持蓝牙手柄,这使得消费者希望能够拥有可以随时随地显示游戏画面的设备。同样的,如果能够使消费者在家中的任何显示设备上以 无线的方式同时控制和查看不同的视频内容,媒体中心设备制造商们将受益可观。

对于企业应用来说,无视频线连接意味着连接桌面扩展坞和会议室投影设备的繁琐的操作将不复存在。

宽带无线技术
目前,有如表-1中所列几种针对高清显示器和投影仪的宽带无线技术。
 
表-1仅列出了四项最受关注的无线宽带技术,并无意于详尽罗列所有技术。另外,表-1种所列最大传输速率为物理层数据,实际数据率由于MAC层的开销通常 会小于该值。
 

无线HDMI关键指标
无线HDMI必须提供如下无电缆HDMI转发器功能:

1. 传输视频数据;

2. 传输音频数据;

3. 传输EDID(扩展显示标识数据)信息;

4. 传输CEC 数据;

5. 传输时钟信息。

无线HDMI的目标是提供与有线HDMI相同的用户体验。由此我们在表-2中列出无线HDMI的几项关键指标:

 
操作范围可覆盖单个房间仅为最低要求。从消费者收益最大化的角度考虑,他们更希望能够将无线HDMI的覆盖范围扩展到整个家庭。

低成本并不意味着无线HDMI将拥有与有线HDMI同样的价格。在消费者看来,为无线HDMI所带来的便捷多付出些代价是值得的。尽管这样,在市场初期, 无线HDMI的零售价格不应超过每传输/接收对200美元。而当市场成熟后,其价格应低于80美元。

 

 

 

无线 HDMI 面临的挑战
表-3列出了通过有线HDMI传输各种高清和标清视频格式所需要的带宽。

 
在如此之高的比特率下,即使是表-1中带宽最高的宽带无线技术仍然无法传输未经压缩的24比特/像素1080p60视频信号。从表-4中可见,尽管压缩后 的多通道高清音频信号仍然需要相当高的带宽,但是和未经压缩的高清或标清视频信号相比,音频信号所需带宽还是非常低的。

  
1) HRA = High Resolution Audio

2) MA = Master Audio

无线传输面临的另一挑战是带宽的大幅波动。尽管阵列信号处理和波束构成领域已取得长足进步,相同频带内其他无线信号的干扰和传输路径上的障碍物仍然可能造 成传输带宽的波动。

压缩亦或不压缩?
从宽带无线的最高带宽亦无法支持高清视频传输看来,答案显而易见。但更重要的是,在某种程度上多媒体应用所需带宽总是超过实际可用值。 因此任何面向未来的无线HDMI解决方案必须对视频和音频信号进行压缩。一个显而易见的例子是可以将高清音视频流播送到若干个显示设备上的家庭媒体中心。 另一个例子是即将到来的2K (24 和48 帧/秒,2048x1080分辨率) 和 4K (24帧/秒,4096x2160 分辨率)的数字影院显示器和投影仪。48比特/像素的4Kp24未压缩视频流所需要的带宽高达12.8Gbps。

有人也许会说播送已压缩好的音视频源,比如DVD电影或者有线电视节目,就已经足够了。但是,比用于蓝光DVD的节目导航或者其他互动总是会需要图形叠加 部分。在游戏控制台中,这点更加明显:所有数据要么是纯图形,要么是图形和视频的组合。因此,将压缩过的音视频源和未压缩的图形信息分别传输,然后在显示 端重新组合是不现实的。而且,未压缩的图形信息所需带宽依然很高(见表-3)。
  
H.264视频压缩标准
尽管现在已有若干视频压缩标准可以将视频信号的比特率降到合理范围之内,但是最新的H.264标准明显是最佳选择。为了涵盖广泛的应用 场景,H.264定义了多种档次、级别和编码工具的组合。例如说,通过调整量化参数可以生成与原始输入相差无几的重建视频。编码过程中,可以仅使用I帧, 也可以使用P帧或B帧通过减少时间域的冗余来提高编码效率。H.264可以压缩4:2:2或者4:4:4格式的YUV输入,以及24比

特/像素及以上的格式,它甚至还包含一个无损的档次。高效的H.264编码器可以将1080p60高清视频的比特率降到50Mbps左右,相对于压 缩前3.6Gbps的码率,压缩率高达75:1。更重要的是,H.264已在业界被广泛应用。数字照像机以及数字摄像机也已开始采用H.264高清编码 器,而且其价格相当低廉。

在如此之高的比特率下,即使是表-1中带宽最高的宽带无线技术仍然无法传输未经压缩的24比特/像素1080p60视频信号。从表-4中可见,尽管压缩后 的多通道高清音频信号仍然需要相当高的带宽,但是和未经压缩的高清或标清视频信号相比,音频信号所需带宽还是非常低的。

 

 

时延 – 视频压缩的巨大挑战
无线HDMI应用中视频压缩所面临的关键性难题是如何减少计算带来的时延。当提高视频的分辨率、帧率和色深时,时延会进一步增加。这是 所有视频编码标准都会面临的问题,H.264也不可避免。另外,码率控制也会带来时延的增加。这是因为为了平滑输出比特率而使用的缓冲会导致更大的时延。 通常要求码率波动越小越好以避免带宽起伏而影响解码端视频的质量。I帧总是带来码率的大幅波动。即使在两个I帧之间,随着图象复杂程度的变化,码率也可能 会有比较大的变化。诸如前处理等的其他因素也会使时延进一步增加。
  
超低时延技术(SLL 技术)

WW Communications 在WW602和WW108超低时延H.264高清视频编解码器中,通过架构和算法上的创新,解决了视频压缩中低时延的难题。其正在专利申请中的超低时延技 术(SLL 技术)缓解了视频处理和码率控制中的瓶颈。通过使用SLL 技术,视频处理的时延仅取决于视频像素时钟。这意味着处理1080p60视频信号的时延远小于处理480p60视频信号的时延,因为1080p60视频信 号的像素时钟频率远高于480p60视频信号。事实上,SLL 技术可以使编码和解码一路1080p60视频信号的时延可以低于1毫秒。

SLL 技术使用了诸如宏块帧内刷新的方法来解决缓冲I帧所带来的时延。不同于编一个完整的I帧,I-宏块分布于若干帧之间。这使得在规定的码率和时延内,I帧的 编码码流可以被平滑地输出。宏块帧内刷新的所带来的另一个好处是提高了编码码流的错误弹性。

对于无线HDMI应用来说,SLL 技术还有另一显著优势――唇同步。在使用WW108和WW602时,即使没有诸如时间戳或其他音视频同步技术,只要音频信号没有显著的延迟,音频和视频信 号不同步的问题将不复存在。

基于802.11n的无线HDMI应用
802.11n的5GHz频段通常应用于低延迟,交互性强的WiFi产品。实际上,表一中的其他无线标准在技术和市场成熟以后也会应用于无线通信。其 中,UWB以其低功耗的特性,逐渐作为可视距离的无线通信方案的首选,例如实现无线传输的“dongle”。

相对于可视距离的无线通信的应用,802.11n可实现更远距离的(非可视距离)的多媒体通信,比如在家里的不同房间之间的音视频通过无线播放。我们用标 准的802.11的产品用来测试,证明鲁棒性很好,可以穿越墙壁和混凝土楼板,图-1是测试环境图示,用SONY的PS3游戏机作为高清的视频源,源和显 示设备之间距离100英尺并穿越6面墙,视频的内容包括游戏和电影视频。表5是测试结果,一组是编码端和解码端都是2x3MIMO(2个发送天线和3个接 收天线)的无线设备,另一组采用编码端2x3MIMO,接收端2x2MIMO 的无线设备。WW602编码用20Mbps码流的图像质量可超越高清电缆传输的6-15Mbps的图像质量。

 
图-1:WW602基于802.11n的无线HDMI测试环境



注意:最大编解码速率设置在65Mbps

采用WW602和 WW108设计无线HDMI的解决方案
最新的超低时延H.264高清视频编解码芯片WW602和 WW108支持信道自适应传输速率,可变速率和可变分辨率.这些先进的特性使得无线HDMI可以实时调整码率以匹配各种不同工况下的信道带宽,也可以将高 清内容变换以适应那些仅能处理较低分辩率和较低码率的设备.见表-5.

  
WW602 和 WW108芯片中强大的编码端容错机制和解码端的错误掩蔽机制可以给用户稳定可靠的视频无线HDMI体验. 编码端容错机制包括可变的GoP, 可变的slice 和 intra-refresh sizes,强制I帧以及随机I块刷新(intra-refresh). 解码端的错误掩蔽机制则用宏块或祯级的SKIP模式实现.

WW602的目标市场是低价,单码流的无线HDMI应用,如笔记本,游戏机, DVD播放器,机顶盒, DVRs,便携式媒体播放器等. WW108以它的多码流处理能力瞄准媒体集线器(media hubs), 媒体集线器借助W108可以提供同时将不同的内容传输到不同的显示器上的无线通道.

图-2展示了基于WW602的单码流无线HDMI方案的框图。图-3展示了基于WW108的多码流无线媒体集线器方案的框图.在这些方案中,只有视 频经过压缩和解压,而音频和控制信号,如HDMI CEC 和 EDID,都是通过无线信道直传的。

 
图-2:基于WW602的单码流无线HDMI方案的框图 

图-3: 基于WW108的多码流无线媒体集线器方案的框图

  
结论
在高清视频引入到内容的发行的各个方面后,“剪断视频线”成了高清娱乐的技术前沿。尽管有各种宽带的无线技术竞争到显示器的无线通道,但我们不难发现带宽 还是远远不够的。唯一可行的是采用压缩技术,而现在最好的就是采用H.264标准。最大的挑战就是降低编解码通道所带来的时延。W&W Communications, Inc.通过采用自己的超低时延技术(Super Low Latency Technology)证明经过精心设计的编解码芯片可以克服时延的困扰。

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