利用真正视频调制解调器方案实现非压缩HDTV无线连接

从传统到高清内容的转换，催生了用户对高质量的数字视频互联的需求，比如像高清电视和高清投影仪这类的高清显示与其他产生高清节目源的消费电子设备之间的互联，这些源设备包括HD-DVD，蓝光，HD机顶盒，游戏机等。对于有线连接，最近几年出现了用于高清和消费电子的HDMI数字接口，该接口可以传输非压缩的高清音视频，速率超过了1080p所需要的3Gbps。其结果，HDMI已经几乎成为无处不在的音视频标准。问题是，无线连接能够提供类似的解决方案吗？

通过Wi-Fi和其他无线标准的成功可以发现用户喜欢无线技术。为了实现壁挂式平板电视的平滑设计，消费者希望能够摆脱讨厌的连线，而是使用灵活的，容易安装和使用方便的无线连接。但是，已有的甚至是新兴的无线标准，例如802.11和UWB，都无法提供高质量视频连接所需的如此高的速率。为了能够与HDMI相匹敌，还需要考虑其他一些问题。

无线高质量视频发送是一个棘手的问题。一方面是高视频速率需要足够的带宽和SNR(信噪比)，即具备足够能力的通信信道。另一方面却是，无线信道不稳定和不可预测。其特性改变很快，起因是衰落和对SNR的干扰，通信容量变化很大。在数据发送的过程中，这些问题还可以通过采用缓冲器和重发来弥补。但对于视频(或音频)连接来说这是不可能的，因为在整个发送过程中必须是实时的且没有延迟，还必须维持高保真。

本文将阐释用于无线视频传送的一种新颖的视频调制解调器方案，该方案建立在联合信源信道编码(JSCC)的信息论原理之上。该方案克服了用于视频分发的无线信道方面的各种挑战。该方案用在Amimon公司的WHDI方案中，实现了非常健壮的无压缩无线A/V连接。WHDI方案利用5GHz频段上的一个多输入多输出(MIMO)20MHz/40MHz带宽的信道，这里，MIMO提供一个超宽带宽和分集。该视频调制解调器JSCC方案可以被用到其他频段上，相对于传统的无线数据调制解调方案，健壮性得到10倍的改善，从而可以实现很高速率的无压缩视频的无线分发。

如何将一个信息从源端发送到目的地呢？特别地，要考虑到一个HDTV音/视频码流的发送是在有噪的、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 = W log (1+SNR) b/s

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 = 10 log₁₀ (255) ²/D dB

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。这是最常见的方案。虽然该方案能够实现(理论上的)最佳性能，但由于过于复杂且延迟较大，实际上却无法实现，具体原因将在下面讨论。

一个替代方案是联合信道编码，其中信源编码和信道编码不相互分离。该方案导致了“视频调制解调器”架构。如下面所述，该方案比较适合无线信道的多变和不可预测的特性，通过一个健壮的，具有成本效益并自适应信道容量变化的解决方案，可以实现(逼近)最佳性能。

Amimon JSCC方案评估

在讨论视频调制解调器之前，先利用上述的理论来检查JSCC方案的可行性：在JSCC方案中，信道容量确实大于信源码率失真函数并具有所期望的低失真吗？容量究竟如何？

JSCC方案采用一个工作在5GHz频段上的无线MIMO通道，发射天线为4根，带宽为20-40MHz。当信道矩阵为H(接收机已知)且具有高斯噪声时，无线MIMO信道容量为：

C = log₂ det(I+ρHH^H) b/s/Hz

式中，ρ 是每根发射天线的CSNR，H是信道矩阵，而上标H代表复共轭。如果接收天线数量nR大于或等于发射天线的数量nT，则信道矩阵不是唯一的，信道容量公式近似为：

C ≈ n_T log₂ (1+ρ(H)) b/s/Hz

式中，ρ(H)是一个有效平均CSNR，与依赖于特定的衰落信道矩阵H的发射天线有关。很明显，该容量不是常数，而是一个取决于变化的有效CSNR的随机量。对于 n_T=4和20MHz的带宽，信道容量可以从800Mbps(30dB CSNR)变化到大约500Mbps(18dB CSNR)，甚至可以下降到250Mbps(大约10dB的CSNR)。

现在考虑信源。如上所述，评估HDTV速率失真是困难的，因为视频是许多不同图像的合成，其中有些图像之需要很低的速率(例如同一颜色的图像)，而另一些则需要很高的速率。诚然，正如上述的一个事实是8比特HDTV样本可以无损压缩2倍，可以假定对于8比特失真的等级，HD(1080i或720p)速率失真低于700Mbps左右。如果允许更高的失真，则更低的速率即足以重现信源。在下列有关压缩算法性能的报告中，HDTV信源要求大约100-200Mbps来重现信源，而PSNR低于40dB。注意对于1080p信源的速率失真值的评估值是1080i信源评估值的两倍。

对上面的讨论总结一下，对于720p/1080i，Amimon所用的20MHz信道具有250-800Mbps的容量，该容量高于视频质量为40dB PSNR时HDTV速率失真所对应的容量。然而，它强调了逼近香农限制的重要性并采用最佳性能。JSCC方案可以动态实现，而在上述的分离方案中，要使信源质量(PSNR)改善6dB，就需要每秒数百兆的比特率来进行可靠传输。

分离式解决方案

信源编码和信道编码的分离是传统视频通信系统的主要原理。用于无线视频分发的这类系统设计方案如图1所示。

图1：基于信源-信道分离的传统系统设计。

信源-信道分离使得系统设计允许信源和信道编码器的优化独立，通过提供一个通用的数字接口实现互操作性。那么利用这样的传统模组方案究竟有什么错？

当分离原理用于无线视频传输时，几个问题就显现出来了。首先，分离原理假定了信道容量已知。但这在无线通信中这是绝无的情况，实际情况是信道在不断变化，容量事先完全无知。于是，香农定理的最优性不再成立，分离导致了性能损失。其次，图1中以分离为基础的系统缺乏健壮性。信源代码(压缩)是敏感的，要求其输出受到一个强壮的、具有保证性能(保证BER非常低)的信道代码的保护。最后，如图1所示的方案非常复杂，并且延迟很大。总起来，建立在分离原理上的实际系统的工作性能距离可能的最佳性能相去甚远。