无线高清视频传输WHDI原理与应用.docx

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无线高清视频传输WHDI原理与应用

无线高清视频传输WHDI的实现基础与应用

沈志伟骆轶

1．认识WHDI

WHDI（WirelessHomeDigitalInterface即无线家庭数字接口）是由以色列AMIMION公司提出，包括日立、摩托罗拉、三星、夏普和索尼在内的多家企业共同开发和推广的的一个无线高清晰度视频传输标准。

该标准提供了一种高品质、无压缩的无线传输方式。

它是基于JSCC信源信道联合编码、UEP不等差错保护、MIMO天线系统和OFDM调制的融合技术；在数据传输速率方面，以40MHz带宽传输1080p视频信号时传输速率达到3Gbps，20MHz带宽传输720p和1080i视频信号时传输速率为1.5Gbps；符合ISM5GHz频谱规定，室内覆盖范围30米，可穿透墙壁，并且延迟时间小于1毫秒。

WHDI能够支持各种新老设备，无线连接A/V设备和显示设备，工作范围可以覆盖整套房屋，WHDI理论上允许用户在家里连接任何源到任何位置。

使用WHDI能在客厅的电视上显示卧室里蓝光播放机、高清机顶盒播放的节目，在厨房电视上能显示笔记本的播放内容，游戏机可以与投影机相连在大屏上娱乐，而不需搬动游戏机到客厅（如图一）。

图一

　　WHDI结合了高清音视频传输和控制信号回传（如图二）。

WHDI的控制协议使用户能够集中控制家中的所有音视频设备，因为传输几乎没有延迟，没有声画不同步的问题，所以可利用WHDI连接电视电脑游戏。

对于家庭用户来说WHDI标准实际上可以说是HDMI的无线版。

图二

2.WHDI相对其他技术的优势

WHDI标准目前最高可以支持到1080p的全高清3D信号传输。

该标准传输速率高达3Gbps（400MBS）（如表一），在现有的免许可无线电频谱资源中仅60G频段有足够的带宽可以支撑此速率。

但60G频段因频率太高带来的技术问题使得采用60G频段标准的WirelessHD技术传输距离仅有10米，且成本过高。

而其它同样采取5G频段的widi等标准，因为信道容量限制的问题最高仅能传输因压缩后产生较长延迟的720P信号。

因此WHDI成为目前应用最广泛的无线高清传输标准。

ColorSpace

VideoFormat

BusWidth

InputPixelClock（MHz）

480i

480p

XGA

720p

1080i

1080p

UGA

RGB/YCbCr

4:

4:

4

24

27

27

65

74.25

74.25

148.5

162

RGB/YCbCr

4:

4:

4

30

27

27

65

74.25

74.25

148.5

162

RGB/YCbCr

4:

4:

4

36

27

27

65

74.25

74.25

148.5

162

YCbCr

4:

2:

2

24

27

27

--

74.25

74.25

148.5

--

表一

3.WHDI如何实现信号的传输

说起WHDI，就不能不说AMN2120/2220这套AMIMION公司出品的WHDI发射/接收芯片组及配套射频芯片。

图三

AMN2120/2220（如图三）是目前广泛用于WHDI标准的产品芯片组，其输入输出接口标准兼容ITU-RBT.601/ITU-RBT.656等规范要求，最高支持36-bitRGB或YCrCb（4：

4：

4）以及24-bitYCrCb（4：

2：

2）。

因此不管是高清的3G-SDI、HDSDI、HDMI或者标清的SDI、YPbPr、CVBS以及VGA、XGA、UGA等数字模拟信号皆可通过相应的转换芯片（TVP5150\CAT9883\CAT6023等）以ITU-RBT.601/ITU-RBT.656及在此基础上发展的SMPTE292M、SMPTE259M等标准下通过WHDI实现无线传输。

能够支持未压缩的视频分辨率以及时钟速率高达162MHz的像素，具体包括：

视频：

480i、480p、576i、576p、720p、1080i、1080p；PC：

VGA（640*480）、SVGA（800*600）、XGA（1024*768）、UGA（1600*1200）；像素：

854*800、1280*768、1366*768、1920*1080。

在WHDI无线传输的发送端，先将转换好的ITU-RBT.601/ITU-RBT.656标准信号经基带发送到芯片AMN2120处理，然后输出4路IQ信号传送到射频传输芯片AMN3110（MAX2580）调制成5.8G频段OFDM射频信号，这每路-4dbm的射频信号经过功率放大芯片RTC6670提升至最高17dbm（50mw）再利用4根极化方向间隔至少45°的微带天线发送到自由空间，并通过多次反射传输到接收天线（如图四）。

图四

基于MIMO系统接收天线数量应大于等于发射天线数量的原则，在接收端至少要有5根互相间隔1/2波长距离的接收天线。

5.8G信号经由这些天线接入AMN3210（MAX2581）OFDM解调芯片，芯片输出5路IQ信号传送到AMN2220进行筛选、比较、解码后输出ITU-RBT.656标准格式信号，通过信号转换芯片可以并行输出各种接口格式视频信号。

另外设置由AL7230（MAX2582）构建的DFS（DynamicFrequencySelection动态选频电路）负责侦测空间频谱，根据实际干扰情况自动选择最干净可靠的频道，同时将控制信号回传给发射端（如图五）。

图五

由于使用的4.9GHz-5.875GHz频段中同时存在802.11a/n的WIFI网络信号，因此WHDI为兼容考虑选择了同样的频道带宽，可用频道数为23个（20MHz带宽）或11个（40MHz带宽），但即便如此，传输的信道容量仍然难以满足3Gbps带宽需求。

相同频段中的802.11a54Mbps（OFDM）/802.11n300Mbps（2T2RMIMO+OFDM）标准达到的带宽已经是极限了。

因此WHDI采取了多种先进的无线技术来融合解决带宽不足的问题，其中首先采用了OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）即正交频分复用技术作为调制制式。

4.OFDM调制技术的优点

在过去的频分复用（FDM）系统中，因为整个无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，全部带宽分成N个频道，频道之间不重叠。

为了避免频道间相互干扰，频道间通常预留保护带宽，但这会使频谱利用率下降。

为提高效率，OFDM正交频分复用技术在频域内将给定信道划分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。

这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。

由于在OFDM正交频分复用系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又相对FDM提高了频谱利用率。

（如图六、七）

图六

。

图七

在此OFDM正交频分复用技术抗多径效应、抗频率选择性衰落及抗窄带干扰上的明显优势，转化为WHDI拥有穿墙及房间任意位置使用的便利，并且无需作任何调整设置。

然而OFDM仅仅部分提高了频道内频谱的利用效率，单一的数据流仍然无法满足1080p的流量要求，在物理层上采取的第二个重要技术就是无线通信领域智能天线技术的重大突破MIMO技术，它能在不增加频道带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率

5.MIMO天线系统原理

MIMO多进多出（MIMO:

MultipleInputMultipleOutput）技术，是由贝尔实验室最早实现的多天线通信系统。

这个系统在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道，因此应用MIMO系统的标志就是不只一根天线。

MIMO技术的概念是发射端和接收端均采用了多个天线或者天线阵列，来构成了一个无线MIMO系统（如图八）。

MIMO采用空间复用技术进行信号处理，利用多径环境在同一信道同时传输多个数据流。

MIMO技术的运用可以极大地提高频谱利用率，增加系统的数据传输速率。

采用MIMO技术的无线系统频谱效率可轻易达到20～40bps/Hz;而使用传统无线通信技术的频谱效率仅为1～5bps/Hz。

图八

MIMO信道容量随着天线数量的增大而线性增大，因此利用MIMO天线系统可以大幅提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以大为提高，这也是多进多出的基本原理。

但构建MIMO存在两个最严峻的挑战：

多径衰落信道和带宽效率。

因此MIMO多数与OFDM技术结合应用，利用OFDM技术将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，从而减小多径衰落的影响；而MIMO的多个天线能够在空间中提供多个独立的并行信道，同时传输多路数据流，有效地增加了系统的传输速率，所以MIMO提供的空间复用技术在不增加系统带宽的情况下增加了频谱效率。

这样就能达到两种效果：

一种是系统具备很高的传输速率，另一种是利用空间分集进一步提高信道的可靠性，降低误码率。

另外在MIMO-OFDM系统中引入合适的数字信号处理算法能在提高信道容量的同时更好地增强系统的稳定性。

至此物理层面通过MIMO-OFDM系统提升带宽极限的手段已经达到40bps/HzX40MHz=1.6Gbps传输1080i或720p已经没有问题，可应付108060P的3Gbps仍然力不从心。

为此WHDI在软件层面通过JSCC信源信道联合编码、UEP不等差错保护技术解决这一问题。

6.JSCC信源信道联合编码及UEP不等差错保护

JSCC信源信道联合编码的核心技术在于使用优先级概念对不同数据分类编码，并且发送超过物理信道容量的数据，从而获得接近信道理想带宽的速率，此时带宽往往大于物理信道容量数倍。

由于数据流发送是在有噪的、衰落的无线信道上进行的。

从信息论的观点出发，一个通信信道有一定的容量，表示为C，它指定了信道上能够可靠传送信息的最大速率（每秒比特）。

至今，一个好的表达方式是一个简单公式，即香农定理，该公式表示了有加性白高斯噪声（AWGN）的信道的容量。

C=Wlog（1+SNR）b/s

公式中，W为信道带宽（Hz），对数的底为2，SNR是信噪比。

一个信息论量纲R（D），为信息源的速率失真函数，定义了在规定的失真度D的条件下，重现信源所需的最小比特率。

通常利用源和重现之间的均方误差来度量D，用作与源动态范围的比较。

这个被称作为峰值信噪比的测量就是视频的8比特表征，即：

PSNR=10log10（255）2/DdB

视频源的R（D）不易确定，因为它取决于视频质量和像素与帧之间的相关，对于低D（高PSNR），可以假定高质量的视频样本是独立的。

在该工作点上，要求每比特采样数减小一倍（或者PSNR改善6dB）。

由于720p的视频每秒的像素为55.3M，或者说每秒的采样数为55.3x3=166M。

1080i的像素数为62.2M，或者说采样数为186.6M。

而对于1080p，其像素数为124.4M，而采样数为373.2M。

换句话说，对于高质量的视频，在高PSNR区域，要使视频质量改善6dB，对于上述三种模式，分别需要166，186.6和373.2Mbps的采样数。

当在信息通道上利用任何通信方案来传输信源时，著名的香农“源信道编码理论”给出了可获得的最佳性能（最小失真），为：

R（D）=C

即引起源失真的D不会优于R-1（C）。

由于信道容量取决于信道的信噪比（CSNR），为了评估信道性能，需要绘制PSNR与信道容量或CSNR的关系。

香农定理从直觉上是容易理解的。

C度量信道上可以可靠传输的最大比特率，而R（D）则是在达到失真D的条件下重现信息源所需的最小比特率。

进一步，香农定理提出一个实现最佳性能的方案：

即首先将信源压缩的R（b/s），造成信源的失真为D，然后（假定R小于信道容量C）将这些比特的信息在信道上无错误地发送。

因此若信源的信息速率

小于或等于信道容量

，则理论上可实现无差错传输。

若信息速率

大于信道容量

，则不可能实现无差错传输（见图九）。

JSCC信源信道联合编码及UEP不等差错保护技术据此理论反其道而行。

在采用大于信道容量的信息速率传输1080P时将数据根据内容采取不同优先级进行编码，借鉴数字视频信号压缩中色度信号可忽略部分数据的原理，将这部分允许损失的数据放在容易出现差错的信道顶端来传输。

一箭双雕解决了视频压缩带来的长时延和信息速率大于信道容量造成的传输差错对信号完整的影响。

相对于传统做法，联合信源-信道编码具有显著的优点。

因为视频分量和他们的比特表征的重要性不均等，JSCC采用不均等的错误保护等级（UEP），而在传统信道带宽计算时为了追求无差错传输，对所有位的保护是均等的。

造成在传统的方案中，重要分量的最高位受不到足够的保护，而对于最低位的保护却显过度（因而浪费了信道资源大幅减小了信道带宽）

图九

图十

通过图十可以看到JSCC将重要的系统控制信号和音频数据信号划分于无线信道底层，将人眼敏感的亮度信号划分于无线信道的中部，将视频数据色度信号划分于无线信道的上层，并且将色度信号中对观看影响较小的部分置顶，依靠如此不均等的安排JCSS-UEP最大限度的利用了无线信道的所有潜在带宽。

从WHDI系统整体性能来看，JSCC的主要优点体现在它对给定信道不断变化着的信道容量和信噪比的适应能力上。

传统数字系统中存在门限值，一个必须保证最小的DNR，否则整个通信将失败。

为了降低门限，传统系统中通过深度压缩的方式降低了码率，但这样做会降低图像传输质量。

因此，任何情况下传统系统有一个“质量天花板”，其取决于门限值下的信道带宽，在这里图像质量无法持续改善，即便是信道条件变好，其质量不可能优于与最坏设计情况相对应的预定质量。

应用JCSS-UEP的WHDI技术没有这样的SNR门限，所以JSCC较好地利用了可用信道容量，即便是容量在变化。

而传统系统工作在低于最坏情况下信道容量的速率上，否则视频传输将不可靠，但JSCC通过将不好的信道容量分配给不敏感的信息，总是将容量利用到极致，在信道条件改善时图像质量也将得到改善。

在图十一中描述了在变化的信道条件下其他传统方案和WHDI方案的视频质量比较，相对于传统的无线传输方案，WHDI系统的鲁棒特性得到10倍的改善，从而可以实现3G速率的无压缩视频的无线分发。

对比后可以看到，应用JCSS-UEP的WHDI技术性噪比更类似模拟传输时代的感觉，那就是信号质量与信道质量成正比。

图十一

7.WHDI在广电行业中的应用

虽然WHDI是为高清信号短距离传输设计的，但同样也向下兼容标清，按照WHDI标准生产的器材已经进入广电行业多年，比较知名的有IDX公司的CW-5HDUncompressedWirelessHD-VideoTransmissionSystem和Transvideo公司的泰坦高清无线传输系统（见图十二），基本可以支持现行的所有高标清格式：

HD-SDI（SMPTE292M）andSD-SDI（SMPTE259M-C）

HD-1080i/59.94,1080i/50,1080/23.98PsF,1080p/23.98,1080p/29.97,720p/59.94,720p/50SD-525i/59.94,625i/50

TwochannelsSDIembeddedchannel1and2

部分附带tally等回传功能。

泰坦高清无线传输系统IDX公司的CW-5HD

图十二

随着高清摄像机的普及，要想拍摄高质量的高清电视节目，首先要了解高清电视的技术标准和高清摄像机的特点，其次要具备高超的高清电视摄像的技术和解决在高清电视摄像中凸显的一些技术问题的能力。

例如：

曝光问题、焦点问题、照明问题、构图问题等。

这些技术问题在标清电视摄像中要求不是很高，往往通过寻像器就能够解决，但在高清电视摄像中就必须精心对待、认真解决，否则会严重影响高清电视画面的质量，因此对拍摄人员的要求远超过了标清时代。

尤其是焦点位置，经常须要通过20吋以上的大屏幕监视器来仔细甄别，而当高清摄像机架设于摇臂、轨道、斯坦尼康或直接肩扛游动的时候75Ω电缆的牵绊将极大的束缚摄像师的操作，此时基于WHDI的高清无线传输系统可以轻易的帮助工作人员在数十米范围的任意位置使用大屏幕监视器。

另外应用这些器材为演播室及转播车近距离提供无线讯道也是WHDI重要的运用方式，即使是日常拍摄也可大幅降低技术人员布线的工作量，帮助导演更好的掌控拍摄现场提高工作效率。