Newsletters

  • Vertrieb kontaktieren

Entwicklung von Wireless HD Video-Modems für die Unterhaltungselektronik

Von Guy Dorman, AMIMON

Die Zahl und die Vielfalt von Unterhaltungsgeräten, die High-Definition (HD) Videosignale liefern können, nimmt stetig zu. Zu DVD-Playern und Set-Top-Boxen für Kabel- oder Satellitenempfang kommen Blu-Ray-Player und Spielekonsolen hinzu, dicht gefolgt von PCs, Videokameras und Mobiltelefonen. Mit jeder neuen Innovationswelle hat sich zwar die Videoqualität verbessert, dafür ist aber an hochauflösenden Fernsehgeräten (HDTV) ein zunehmendes Gewirr an Kabeln angeschlossen und man benötigt immer mehr Videoeingänge.

AMIMON hat die Wireless Home Digital Interface-Technologie (WHDI) entwickelt, die HDTVs drahtlos und mit Kabel-äquivalenter Qualität mit jeder HD-Videoquelle verbinden kann. Die in MATLAB® entwickelte WHDI-Technologie ist bis zu 3 Gb/s schnell und sendet 1080p-Frames mit einer Frequenz von 60 Hz durch Wände an Geräte in bis zu über 30 Metern Entfernung. Da die Frames unkomprimiert sind, beträgt die Latenz nur eine Millisekunde, was WHDI zur idealen Übertragungsmethode für Spielekonsolen macht, die auf extrem kurze Reaktionszeiten besonders angewiesen sind. WHDI-Geräte machen nicht nur Videokabel überflüssig, sondern können auch als Wireless-Switch genutzt werden, der mehrere Videoquellen mit mehreren HDTVs und Monitoren verbindet.

AMIMON hat sich für MATLAB als Umgebung entschieden, um Systementwürfe bereits zu Beginn der Entwicklung durch Simulation der WHDI-Algorithmen verifizieren zu können. Eine Verifikation der Hardware-Implementierungen lässt sich so später durch einen Vergleich mit den unter MATLAB erhaltenen Simulationsergebnissen durchführen.

amimon_whdi_w.jpg

 

WHDI ist der erste Standard, der eine universelle, Codec-unabhängige und raumübergreifende Videoübertragung mit unkomprimierten HD-Videosignalen ermöglicht. Mit WHDI lässt sich jede beliebige Videoquelle im Haus an jedes Anzeigegerät anschließen – sogar an 30 Meter entfernte Geräte in anderen Räumen. Da WHDI ein Multicast-Protokoll ist, kann eine Audio/Videoquelle mit mehreren Anzeigegeräten gleichzeitig verbunden werden.

Herausforderungen bei der drahtlosen Übertragung unkomprimierter HD-Videos

Aus technischer Sicht ist die Übertragungskette für Videos anspruchsvoller als die für Datenpakete. Datenpakete können wiederholt übertragen werden, ohne dass der Anwender dies bemerkt. Bei Videos ist eine erneute Übertragung ausgeschlossen. Jedes Einzelbild muss genau dann über den Sendekanal gehen, wenn es von der Quelle geliefert wird. Weil der Betrachter jeden Bildfehler sofort bemerkt, muss der Qualitätsmaßstab also die Leistung unter den ungünstigsten Bedingungen sein, nicht die Durchschnittsleistung.

Drahtlose Videogeräte, die mit anderen Technologien arbeiten, haben entscheidende Nachteile. Bei einigen wird das Bild komprimiert, was nicht nur die Latenz bedeutend erhöht, sondern auch leistungsfähigere und damit teurere Prozessoren erfordert. Andere senden im Hochfrequenzband von 60 GHz, wozu Sender und Empfänger freien Sichtkontakt haben müssen, und sind deshalb nicht für Raum-zu-Raum-Übertragungen geeignet. Die 60-GHz-Technologie unterstützt außerdem keine Multicast-Systeme, die eine Quelle gleichzeitig an mehrere Empfänger übertragen.

Die Herausforderung für die AMIMON-Ingenieure bestand in der Entwicklung von Videoverarbeitungs- und Modulationsalgorithmen, die unkomprimierte 1080p-Frames mit 60 Hz im lizenzfreien 5 GHz-Band bei einer Bandbreite von nur 40 MHz übertragen können.

Entwicklung der Algorithmen

Weil die Technologie so neu ist, mussten innovative Entwicklungsmethoden erprobt werden. Für solche Anforderungen ist die MATLAB-Umgebung ideal geeignet, weil sich darin neue Ideen schnell ausprobieren und sofort mittels Simulationen bewerten lassen. Die Entwickler konnten auf diese Weise gleich mit mehreren Verfahren experimentieren, deren Auswertung mit anderen Mitteln viel zu zeitaufwändig gewesen wäre. Beispielsweise wurde ein Motion Classifier entwickelt, der erkennt, ob ein Block aus 8x8 Pixeln statisch oder dynamisch ist. Für die einfachste Implementierungsvariante muss das letzte Frame gespeichert und mit dem Folgeframe verglichen werden. Der hierfür erforderliche Framespeicher enthält eine große Zahl von Pixeln und würde die Produktionskosten aufgrund der notwendigen Größe erheblich verteuern. Mit MATLAB wurden darum mehrere Verfahren getestet, die lediglich eine Signatur jedes 8x8 Pixelblocks speichern und zur Bewegungsermittlung die Signatur des letzten Frames mit der des aktuellen verglichen. Dies wurde für verschiedene Signaturen untersucht und durch Simulationen mit echten Filmen die Rate der Fehlalarme sowie der nicht erkannten Bewegungen quantifiziert.

Die Übertragungs- und Empfangskomponenten des Systems sind in Module für die Videoverarbeitung und die Modulation unterteilt (Abbildungen 1a und 1b). Der Modulator muss eine große Datenmenge auf einem relativ schmalbandigen Kanal unterbringen. (Die Bandbreitenanforderung von 40 MHz beruht auf FCC-Vorschriften sowie auf eigenen Zielsetzungen, erstens handelsübliche RFIC verwenden zu können, die mit 5 GHz bei einer Bandbreite von 40 MHz arbeiten, und zweitens den gleichzeitigen Betrieb mehrerer WHDI- und WiFi-Systeme im gleichen Raum zu ermöglichen.)

amimon_fig1a_w.jpg

 

Abb. 1a: Blockdiagramm des DLPHY-Senders für den 20-MHz-Modus und den 40-MHz-Modus.

amimon_fig1b_w.jpg

 

Abb. 1b: Blockdiagramm des Video-Encoders.

In MATLAB wurden die Modulator-Algorithmen als MIMO-Systeme (Multi-Input/Multi-Output) entwickelt. Mit diesem Verfahren lassen sich vier Streams gleichzeitig über vier Einzelantennen übertragen. Auf der Empfängerseite befinden sich fünf Antennen; die zusätzliche Antenne dient zur Kompensation von Signalauslöschungen. Das Videoverarbeitungs-Modul wurde speziell auf diesen Modulator zugeschnitten.

Der Videoprozessor und der Modulator bestehen aus etwa 25 Funktionsblöcken, die jeweils für sich in MATLAB modelliert und simuliert wurden. Das Videobearbeitungsmodul enthält beispielsweise Algorithmen für die diskrete Cosinus-Transformation (DCT), die Frames in Blöcken zu je 8x8 Pixeln verarbeiten; und der Modulator enthält Blöcke für die Inverse Fast Fourier Transform (IFFT), die das orthogonale Frequenzmultiplexing (Orthogonal Frequency Division Multiplex, OFDM) implementieren.

Für einen weiteren Block wurden mit der Signal Processing Toolbox Finite Impulse Response-Filter (FIR) entwickelt und mithilfe der Optimization Toolbox die optimalen Filterparameter ermittelt, um die FCC-Vorschriften zu erfüllen.

Simulation und Verifikation

Die Verifikation der Entwürfe begann schon früh in der Entwicklung. Die Algorithmen wurden zunächst im Fließkommaformat entworfen, weil dies der schnellstmögliche Weg war, und anschließend in das Festkommaformat umgewandelt, das die höchste Simulationstreue garantiert. Jeden fertiggestellten Funktionsblock simulierten die Ingenieure mit Test-Stimuli und verglichen die Ausgaben mit den erwarteten Ergebnissen.

Sechs Ingenieure entwickelten parallel jeweils einen Block, bis das komplette System aufgebaut und als Ganzes simuliert werden konnte. Als Eingabe für diese Simulation des Gesamtsystems in MATLAB diente ein als Bitmap gespeichertes Einzelbild. Die Simulation führt auf der Senderseite alle Videobearbeitungs- und Modulationsalgorithmen aus und stellt anschließend das Bild auf der Empfängerseite durch die jeweils inversen Algorithmen wieder her. Am Ende der Simulation lässt sich prüfen, ob das erhaltene Bild exakt dem Eingangsbild entspricht. Während der Simulation werden die Ein- und Ausgaben der einzelnen Subsysteme aufgezeichnet und später zur Verifikation der RTL-Implementierung wiederverwendet.

Sobald ein Block in der MATLAB-Simulation erfolgreich getestet war, wurde dessen MATLAB-Algorithmus von den VLSI-Ingenieuren als Referenz für die Entwicklung des RTL-Codes eingesetzt. Mithilfe automatisch erzeugter Testbenches verifizierte der jeweilige Ingenieur die Implementierung durch Vergleich der von der RTL-Darstellung erzeugten Ergebnisse mit den von MATLAB generierten Testvektoren. Dazu simulierte er den RTL-Block mit denselben Test-Stimuli wie zuvor den MATLAB-Code und analysierte die Ergebnisse hinsichtlich einer bitgenauen Übereinstimmung.

Im folgenden Schritt wurde die RTL-Implementierung auf ein FPGA-Board heruntergeladen und die Algorithmen mit physikalischen HF-Geräten und -Antennen auf realen Kanälen ausgeführt. Auf der Empfängerseite befand sich ein großes Speichermodul, das sämtliche Eingangssignale der Empfängerantennen aufzeichnete. Traten hierbei Anomalien im empfangenen Signal auf, dann ließen sich die aufgezeichneten Daten durch Einspeisung des empfangenen Signals in die MATLAB-Simulation des Empfängers analysieren und so die Quelle des Problems identifizieren. Durch diese Vorgehensweise konnte der Systementwurf so optimiert werden, dass er Signalauslöschungs- und Rauscheffekte unter Realbedingungen möglichst gut kompensiert. Die so verifizierte RTL-Implementierung ging schließlich zur Produktion des ASIC-Chips an die Fertigung.

WHDI-Technologie der zweiten und dritten Generation

Die zweite Generation von WHDI-Geräten (Abbildung 2) geht derzeit in die Produktion und mehrere führende Hersteller von Unterhaltungselektronik integrieren die Technologie bereits in ihre Produkte. Geräte der dritten Generation sollen 4K x 2K Videoauflösung (4096p) sowie 3D-Technologien unterstützen und dabei eine größere Reichweite haben und weniger kosten. MATLAB wird auch in Zukunft zur Optimierung der Videobearbeitungs- und Modulationsalgorithmen sowie zur Verifikation der ASIC-Implementierung zum Einsatz kommen. AMIMON untersucht außerdem Möglichkeiten, RTL direkt aus MATLAB-Algorithmen zu generieren.

amimon_fig2_w.jpg

 

Abb. 2: WHDI-Audio/Videomodule der zweiten Generation. Oben: Mit dem WHDI-Stick lassen sich Inhalte von Tabletcomputern und Notebooks drahtlos auf Fernsehgeräten anzeigen. Unten: Sender- und Empfängermodule eines Wireless WHDI Video-Modems.

Veröffentlicht 2011 - 91879v01

Receive the latest MATLAB and Simulink technical articles.

Related Resources

Latest Blogs