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家用視聽家電影音傳輸無線化之無線傳輸技術

  • DIGITIMES企劃

在WHDI應用環境下,視聽家電可以透過無線傳輸技術來進行資料傳送並呈現於大螢幕電視。WHDI協會

針對家庭應用環境設計的電子產品,最讓消費者頭疼的就是設備組裝、調校等的繁複工作,尤其是視聽家電需有視訊、音訊甚至是乙太網路連接,對用戶來說必須儘可能簡化減少設定難度,而新的家電設計趨勢已漸漸導入無線傳輸設計,利用無線影音傳輸同時滿足視訊、音訊、資料傳輸需求...

家用視聽電子產品開發,新設計趨勢已經開始朝全面無線化開發方向,因為在眾多電子產品中,視聽家電所使用的線材最繁複,若是還有銜接網際網路應用,則設備還須考量網路連接需求;加上視聽家電設置在客廳、臥室等顯眼位置,繁雜線材也會破壞裝潢視覺觀感。

UWB採用3.1~10.6GHz頻段,傳輸範圍內可達到53.3~480Mbit/sec高數據傳輸效能,圖為採UWB技術的USB集線器。Belkin

UWB技術運用OFDM與多天線架構,實踐無線化的巨量無線傳輸應用需求。MathWorks

採WHDI架構設計的HDMI無線傳輸與接收設備,可用來升級家中的視聽設備,提前享用無線化高清影音無線傳輸環境。SEAMON

WHDI目前已有相關周邊推出,圖為採WHDI技術的HDMI無線傳輸器。SEAMON

新的設計方案已經逐步朝向整合無線傳輸技術,將高解析度視訊、音訊透過無線技術整合,近端設備才會採用實線型態串接,而在串連影音來源、高清電視之間,就必須尋找具足夠頻寬、又能滿足近端巨量影音數據傳輸無線技術方案。

如果要發展滿足視聽設備無線連結的傳輸技術,對於傳輸效能即一大考驗,因為若是無壓縮HDTV傳輸應用,則必須在傳輸頻寬上儘可能提高,才能滿足高清畫面無Lag播放效果。在實際應用上,壓縮過的視訊約須具100~200Mbit/sec傳輸效能;但若是面對1,080i無壓縮視訊傳輸,則需要1.5Gbit/sec;如果傳輸無損、無壓縮1,080p影音視訊,則需要至少3Gbit/sec傳輸效能奧援,才能完成完美無線影音傳輸的應用基礎。

Wi-Fi為目前最普遍之無線技術 影音傳輸應用具較大優勢

檢視現有可用無線方案,Wi-Fi無線傳輸技術(IEEE802.11x)可以說是最有機會的技術方案,因為在PC產業中,Wi-Fi相關解決方案已有完整的參考設計與方案可選,若是採行產業標準,還可讓用戶周邊設備投資成本壓到最低,讓家電可與家中連網環境無縫銜接。

Wi-Fi也稱為IEEE 802.11 WLAN標準,此無線傳輸解決方案,是目前全球使用範圍最廣的無線傳輸技術!最初IEEE釋出的802.11標準誕生在1997年,其規格當初定義在最高速率為2Mbit/sec;1999年IEEE802.11b標準釋出,則將最高傳輸效能一舉提升超過5倍,提供11Mbit/sec傳輸效能。在IEEE802.11b標準釋出後,也讓Wi-Fi技術快速搶佔PC/NB端的無線網路應用主流。

自IEEE802.11b標準導入無線傳輸方案,也使得無線傳輸技術自直接序列展頻(Direct Sequence Spread Spectrum;DSSS),轉換至正交多頻分工調變技術(Orthogonal frequency-division multiplexing;OFDM)技術範疇,藉以擴展傳輸頻寬。

DSSS傳輸技術是一種藉由連續展頻調變形態的無線傳輸方案,原本是二次世界大戰軍用無線傳輸技術,應用目的是想在惡劣環境下維持通訊訊號穩定性與保密特性,在Wireless Lan應用範疇為依據FCC(Federal Communications Committee)規定之工業、科學及醫學電子器材執照ISM(Industrial Scientific, and Medical)規範,無線頻率範圍開放頻段在902~928MHz與2.4~2.484GHz兩個頻段,基本上IEEE802.11/b在指定頻段內沒有使用限制,相關產品開發自然可以有較大使用空間。

DSSS技術為早期無線傳輸應用基礎

簡單說,DSSS為運用高頻率訊號傳輸,再透過調變技術展頻把發送端之頻譜訊號展開,相對在接收端再採行一致的展頻技術進行解碼,把原先展頻後訊息還原成原始訊息,為一種將訊號源與一定之PN碼(Pseudo Noise)進行訊號混合的數位調變方法。

由於DSSS之原始訊號必須透過二次展頻碼解調處理,才可還原傳遞訊息,所以在首次展開的無線訊號於空中傳遞時,即便環境干擾,只要訊號一同被接收端所接收,由於接收之訊號還必須經過展頻碼處理,原有傳遞之原始訊號即可被順利還原,至於雜訊可以利用一個濾波器,把雜訊與原始訊息進行分離,藉此滿足抗環境雜訊、干擾源的無線傳輸設計目的。

DSSS技術可提供簡單、穩定無線傳輸解決方案,DSSS採全頻帶傳送資料,因此在傳輸速度表現較快,技術也能朝高傳輸率方向發展,且適用於固定環境、對傳輸訊號品質要求較高的無線傳輸介面應用需求,有抗干擾、防竊聽等優點。DSSS可以運用在IEEE 802.11X、無線電話、GPRS...等應用產品或技術。

擴展傳輸效能 OFDM與MIMO為重要技術手段

基本上,OFDM正交多頻分工調變技術,是多載波調制(Multi-CarrierModulation;MCM)的一種技術,核心概念在將訊號頻道分成幾個正交子訊號頻道,將高速傳輸訊號轉換成平行的低速子數據串流,同時以調制到每個子訊號頻道進行傳輸。正交多頻分工調變技術可在接收端採行相關技術來分離原始訊號與載波,可減少子訊號頻間的相互干擾(Inter-Carrier Interference;ICI)。

OFDM是HPA聯盟(HomePlug Powerline Alliance)工業標準基礎,由於OFDM這技術具備在雜訊干擾下仍可傳送數據能力,常會被運用在易受外界干擾、使用環境惡劣的場所,尤其是在抗干擾能力較差的介質中傳送時,OFDM可確保傳輸內容正確性與完整性。其實OFDM並不是新技術,相關技術已應用有40年歷史,早期多為軍事用途的無線高頻通信系統所採用。目前OFDM技術已被廣泛用於ADSL、DAB、DVB、HDTV、WLAN等應用,延伸應用於家電影音訊號傳輸極具發展潛力。

不只是前述應用情境,OFDM技術在面向3G/4G演進過程,也是其發展關鍵技術之一。OFDM可以結合無線分集、時空編碼、頻道訊號間的干擾抑制與MIMO技術,最大程度地提高系統傳輸效能表現,由於載波之間採部分重疊處理,因此OFDM比傳統的FDMA提高頻帶利用效率。

IEEE802.11x朝高效傳輸應用發展

IEEE802.11a是第一個於5GHz頻段下應用OFDM技術的無線傳輸通訊標準,在2.4GHz頻段下傳輸速率為提升至54Mbit/sec,隨後在IEEE802.11g於2.4GHz頻段之下具備54Mbit/sec傳輸效能。至於IEEE802.11n無線通訊技術,則是應用多達4組Input/Output MIMO多天線技術,與頻寬(40MHz)更大的頻道設計,在2.4GHz、5GHz頻帶下達到150Mbit/s極致速度。

IEEE802.11n無線技術標準延伸是為IEEE802.11ac,另還有IEEE802.11ad,而IEEE802.11ac在5GHz頻段下可實現最大1Gbit/sec巨量資料傳輸效能!IEEE802.11ac之MAC與PHY(物理層)亦可利用技術調效來實現更高傳輸效能。IEEE802.11ac含採行80、160MHz頻道,支援最多8組MIMO空間流,IEEE802.11ac同時使用256位元正交振幅調制(Quadrature Amplitude Modulation;QAM)。

應用單天線環境下、使用80MHz頻寬,256QAM理論傳輸峰值速率可達433Mbit/sec。若使用2x2 MIMO天線技術,傳輸效能可一舉提升至867Mbit/sec,若採行MU-MIMO排布之MIMO配置,IEEE802.11ac甚至可以實現更高的峰值速率。至於IEEE802.11ad標準則是採60GHz頻段高速無線傳輸應用變化,傳輸數據速率預估可達7Gbit/sec之譜。

UWB/WHDI無線傳輸介面

針對家用視聽影音傳輸無線化設計,另一個受到青睞的則是超寬頻(Ultrawideband;UWB)無線網路傳輸技術標準,此一無線應用技術方案最初也是應用於軍事、研究領域,在1940年代就已有提出。UWB具備低耗電、高速傳輸特性,也吸引不少無線技術業者積極投入,為此形成WiMedia-MBOA與UWB Forum兩大陣營競爭狀態,而由於USB、IEEE1394之無線化版本宣佈採用UWB技術作為實體層技術標準,Bluetooth SIG則選擇WiMedia-MBOA陣營之MB-OFDM UWB技術來作為Bluetooth高速傳輸技術底層。

UWB採用3.1~10.6GHz頻段,在傳輸範圍10m以內可以達成53.3~480Mbit/sec高數據傳輸效能,UWB在WiMedia聯盟最新1.5版標準提供更高1.024Gbit/sec無線傳輸速率。UWB技術方面,若以WiMedia個人區域網路標準聯盟要求,設計可實現高達480Mbit/sec之短距離無線連接傳輸架構,比較適合用來發展無線USB介面相關應用,而在短距離應用則可發展無壓縮視訊串流傳輸應用。

此外,還有無線家庭數字接口(Wireless Home Digital Interface;WHDI),這是一種針對高解析度平面電視用途需求設計的無線化影音傳輸技術,為將影音視訊串流訊號由電腦或播放端傳送到電視應用架構,WHDI採用40MHz頻道搭配免執照申請的5GHz頻段下進行無線傳輸,WHDI技術實踐為透過IEEE802.11a之OFDM、視訊壓縮技術、5x4 MIMO多天線架構所建構3Gbit/sec巨量數據無線傳輸架構。

有別於多數沿用IEEE802.11n或純數據傳輸技術基礎的無線方案,WHDI技術即使用專門為影音無線傳輸架構之無線調變/解調技術方案,針對影音特性的調變/解調方案、與針對數位資料傳輸應用調變/解調技術方案,兩者最大區別在於,數位資料無線傳輸為每個輸入資料提供同等權重的處理資源,至於針對影音傳輸無線方案,則會較重視視覺要求影音的連續性,傳輸過程會依據內容的可視性加以區分、調整。

WHDI可針對每一個傳輸位元資料,提供恰到好處的保護權重,維持最佳視訊品質與最佳頻道傳輸利用率。若以WHDI在20MHz訊息通道傳輸,搭配4x5 MIMO天線架構,即可獲得無線條件下無壓縮之720p視訊與1,080i(1.5Gbit/sec)之影音視訊穩定播放效果,傳輸距離可達100英呎;若採5GHz之免授權頻段進行40MHz資料通道之傳輸應用,則可在100英呎距離內傳送無壓縮之1,080p(傳輸資料量約3Gbit/sec)高解析度影音訊號。

WHDI由於傳輸過程未進行任何即時壓縮,只進行排列視訊資料之優先等級,因此開發應用矽晶片方案的系統複雜度相對較低,亦可實現無線之無壓縮處理高解析度TV低成本無線應用方案。