Разработка беспроводных модемов для видео высокой четкости

Число и разнообразие устройств бытовой электроники, работающих с видео высокой четкости, постоянно растут. К DVD-плеерам, приставкам кабельного и спутникового телевидения присоединились Blue-Ray плееры, игровые консоли, ПК, видеокамеры и даже мобильные телефоны, и каждая новая волна инноваций улучшает качество самого видео. При этом добавилось количество кабелей, подключенных к телевизорам высокой четкости, и создалась потребность в большем числе видеовходов.
Amimon разработала беспроводной цифровой интерфейс для домашнего использования (WHDI), который позволяет передавать видеосигнал телевизорам высокой четкости со всех источников, обеспечивая то же качество, что и проводное соединение. Разработанный с использованием MATLAB WHDI-интерфейс работает со скоростью 3 Гб/с, что позволяет передавать каждую секунду 60 кадров с разрешением 1080 точек через стены к устройству, удаленному на 100 м. Поскольку кадры передаются без сжатия, задержка составляет всего 1 мс, что делает WHDI идеальным для игровых консолей, которые требуют очень краткого времени отклика. WHDI-устройства не только устраняют необходимость в видеокабелях, они могут выступать в качестве беспроводных коммутаторов, соединяющих несколько источников видео с несколькими телевизорами и дисплеями.
Мы использовали MATLAB для проверки наших идей на ранних стадиях разработки, моделируя WHDI-алгоритм, а потом — для сравнения результатов, полученных с аппаратных средств, с результатами моделирования в MATLAB.
WHDI является первым стандартом, обеспечивающим универсальное, независимое от кодеков соединение для передачи видео высокой четкости. С WHDI пользователи могут соединить любой видеоисточник в комнате с любым воспроизводящим устройством, даже с устройством, удаленным на 100 м или находящимся в другой комнате. Поскольку WHDI является широковещательным протоколом, один видеоисточник может быть связан с несколькими дисплеями.

С инженерной точки зрения, передача видео — более сложная задача, чем передача пакетов данных. Пакеты данных в случае необходимости могут быть повторно переданы незаметно для пользователя. С видео нет возможности повторной передачи: каждый кадр должен быть передан через канал, как только он появится в источнике. Поскольку зритель замечает любые ошибки в видео, то должно гарантироваться качество передачи при наихудших условиях канала связи.
Беспроводные видеомодемы, использующие альтернативные технологии, имеют существенные недостатки. Некоторые из них используют компрессию, которая не только добавляет значительную задержку, но и требует использования более мощных и дорогостоящих процессоров. Другие осуществляют передачу в очень высоких частотных диапазонах — 60 ГГц, которые требуют прямой видимости между передатчиком и приемником, и поэтому не могут быть использованы для передачи из комнаты в комнату. Кроме того, технология 60 ГГц не поддерживает широковещательной передачи, при которой один источник передает информацию нескольким приемникам.
Для инженеров Amimon задача заключалась в разработке алгоритмов обработки видео и модуляции, которые позволили бы передавать несжатые кадры размера 1080 точек со скоростью 60 кадров в секунду, используя при этом нелицензированный диапазон 5ГГц и полосу 40 МГц.

 Поскольку разрабатываемая технология была инновационной, потребовалось использовать множество новых алгоритмов. Среда MATLAB идеально подходит для инновационных разработок, поскольку позволяет быстро опробовать новые идеи и запускать симуляцию для оценки их работоспособности. В результате посредством  моделирования мы смогли опробовать несколько различных схем, оценка которых с помощью реализации заняла бы слишком много времени. Например, нам требовалось разработать детектор движения, который определял бы, является ли блок размером 8×8 пикселов статическим или динамическим. Прямая реализация требует сохранения последнего кадра в памяти для сравнения с новым кадром. Такой буфер содержит большое число пикселов, а использование больших буферов приведет к значительному увеличению себестоимости продукта. С помощью MATLAB мы опробовали несколько алгоритмов, которые хранят сигнатуры каждого блока 8×8 пикселов вместо самих блоков. Для определения движения сигнатуры из последнего кадра сравниваются с сигнатурами из текущего кадра. Чтобы оценить количество ложных срабатываний и пропущенных обнаружений, для каждого вида сигнатур проводилось тестирование на реальных видеоданных.
Компоненты передатчика и приемника были разбиты на модуль обработки видео и модуль модулятора (см. рис. 1а и 1б). Модулятор должен сжать большое количество данных в относительно узком диапазоне спектра. (Требование 40 МГц обусловлено нормами FCC и необходимостью использовать общедоступные RFIC, которые работают на частоте 5 ГГц с 40-МГц полосой пропускания и позволяют одновременно связывать в одной комнате множество WHDI-систем, подобно Wi-Fi системам).

Рис. 1а. Блок-схема DLPHY-передатчика с режимами работы в полосах 20 и 40 МГц

Рис. 1 б. Блок-схема видеокодера

В MATLAB мы разработали алгоритмы модулятора на основе многоантенной технологии (MIMO). Благодаря такой конструкции мы обеспечили одновременную передачу четырех потоков, используя четыре отдельные антенны. На принимающей стороне стоит пять антенн (одна — дополнительная — используется для компенсации замираний). Мы приспособили компоненты обработки видео для работы с этой особенности модулятора.
Компоненты видеообработки и модулятора были разбиты на 25 функциональных блоков, каждый из которых был смоделирован отдельно в MATLAB. Например, модуль обработки видео включает алгоритм дискретного косинусного преобразования (DCT), который обрабатывает блоки размером 8×8 пикселов, в то время как модулятор включает блок обратного преобразования Фурье (IFFT) для реализации OFDM-модуляции. Для другого блока мы разработали КИХ-фильтры, используя сначала SignalProcessingToolbox, а затем — OptimizationToolbox для определения оптимального набора параметров фильтра, которые обеспечили бы соответствие нормам FCC.

Мы начали верификацию проекта на ранних стадиях. Вначале алгоритмы были разработаны с арифметикой с плавающей точкой, что обеспечило высокую скорость разработки, далее мы перевели их в формат с фиксированной точкой, что позволило проводить моделирование максимально приближенно к аппаратным характеристикам. Как только функциональный блок был смоделирован в MATLAB, инженер проводил симуляцию блока, подавая тестовые векторы на вход, считая выходы и сравнивая полученные результаты с ожидаемыми.
Группа из шести инженеров разрабатывала блоки параллельно, а затем они были интегрированы и верифицированы вместе. Входными данными для этой собранной системы является один кадр изображения, который хранится в виде растрового файла. В процессе симуляции выполняются все алгоритмы обработки видео и модуляции на передающей стороне, а затем выполняются обратные алгоритмы на приемной стороне для восстановления изображения. В конце моделирования мы убедились, что результирующее изображение совпадало с входным изображением с высокой точностью. Во время симуляции мы сохранили входы и выходы отдельных подсистем и использовали их для проверки реализации в HDL-коде.
После того как блок был протестирован с помощью моделирования в MATLAB, программисты использовали этот алгоритм в качестве эталона при разработке HDL-кода. Используя автоматизированную технологию, инженер проверяет HDL-код путем сравнения результатов, полученных с HDL, с результатами модели MATLAB. При этом на HDL-блок подаются те же тестовые векторы, что и на модель MATLAB, а результаты сравниваются до битовой точности.
На следующем этапе верификации мы закачали прошивку в ПЛИС и запустили алгоритмы в режиме реального времени на реальных каналах с использованием рабочих РЧ-устройств и антенн. На стороне приема предусмотрен большой банк памяти, в котором мы записываем данные с приемных антенн. Когда мы выявляли аномалии в принимаемом сигнале, анализ данных выполнялся с помощью введения принятого сигнала в модель MATLAB. Этот шаг позволил улучшить нашу разработку путем компенсации замираний канала и шумов, с которыми устройство будет сталкиваться в реальных условиях. В итоге отлаженное HDL-описание мы использовали для изготовления ASIC-чипа.

В настоящее время начинается производство второго поколения WHDI-устройств (см. рис. 2), а несколько ведущих производителей электроники внедряют эту технологию в свои продукты. Для устройств третьего поколения мы планируем сделать поддержку разрешения 2k–4k и 3D-технологии, снизив при этом стоимость устройства и расширив зону его действия. Мы продолжаем использовать MATLAB для оптимизации алгоритмов обработки видео и модуляции и для верификации ASIC-реализаций. Кроме того, мы изучаем возможность для генерации HDL-кода непосредственно из алгоритмов MATLAB.

Рис. 2. Представители второго поколения WHDI-модулей (вверху: WHDI-стик, который обеспечивает просмотр содержимого планшета и ноутбука на телевизор; внизу: модули передатчика и приемника беспроводного видеомодема WHDI)

Комментарий эксперта Александр Кондратьев, руководитель центра беспроводных разработок, Promwad Задача беспроводной передачи видеоинформации является одной из наиболее востребованных в потребительской электронике. Это обусловлено как количеством мультимедийной техники в каждом доме, ее распределенностью в пространстве, растущей потребностью в интеграции всех устройств в единую систему, так и постоянно растущими требованиями к качеству контента, который должен на ней воспроизводиться. Технология WHDI, которой посвящена данная статья, является одним из решений этой задачи, а компания Amimon — один из разработчиков данного стандарта. Ключевой особенностью решения Amimon является ориентированность технологии на передачу несжатого контента, что позволяет добиться высокого качества передаваемой видеоинформации на мультимедийные устройства различного типа с минимальными задержками, а также обеспечивает независимость конечного оборудования от применяемых в устройстве кодеков видеосжатия. В статье подробно описываются этапы проектирования устройства: разработка алгоритмов обработки видео и модуляции, позволяющих передавать несжатые кадры размера 1080р со скоростью 60 кадров в секунду; моделирование алгоритмов в среде MATLAB; верификация и отладка алгоритмов на реальных каналах с использованием РЧ-устройств. Приведены блок-схемы видеокодера и DLPHY-передатчика с режимами работы в полосах 20 МГц и 40 МГц, что позволяет частично оценить архитектуру устройства и применяемых алгоритмов.  С инженерной точки зрения определенный интерес вызывает архитектура системы MIMO, предложенная инженерами Amimon, которая объединяет пять передатчиков прямого преобразования и приемников типа Zero-IF, работающих на частоте 5 ГГц с полосой 40 МГц. И хотя применение радиоприемного тракта такого типа не позволяет добиться высоких требований по чувствительности, это существенно снижает стоимость элементной базы, что в конечном итоге серьезно влияет на себестоимость готовой продукции при сохранении требуемых потребительских характеристик. Несомненно, у технологии WHDI есть будущее даже при наличии конкурентных решений. Статья ориентирована, в первую очередь, на разработчиков и серийных производителей мультимедийной потребительской электроники, которые заинтересованы в дополнительном функционале для своих устройств, а этапы проектирования, описанные в статье, убеждают насколько трудоемким и ресурсоемким является процесс проектирования инновационных продуктов.