短距無線傳輸高畫質技術之必要

短距無線傳輸高解析畫面的技術之所以備受市場矚目，因為其可以減少數位家庭環境過多纜線佈線的難題，並提升傳輸的便利性，對於高解析視訊畫質的影響也不會像封包傳輸那麼大。工研院系統晶片科技中心副主任暨資深正研究員馬金溝博士便表示，利用高頻段高速傳輸高解析視訊就不需要太多封包技術，就像大水管一般，未經過壓縮所傳的視訊內容，其所能掉的畫素也有限，不會影響整體高畫質內容。

不過頻寬利用和傳輸量就會是短距無線高速傳輸技術念茲在茲的部分，工研院系統晶片科技中心射頻與類比技術組組長楊子毅便指出，若換算一下，傳輸Full HD（1080p）高畫質視訊內容最起碼需要3Gbit/s的傳輸量，而1080i也需要至少1.5Gbit/s的傳輸量。先前就有不少的相關規格如雨後春筍般冒出，不過目前來看，WirelessHD和WHDI（Wireless Home Digital Interface）相關技術較為成熟，業者支持度也較高，頻寬也較能夠支援，應該是未來有機會發展成主流的短距無線高速傳輸高解析視訊的技術選項。

《圖一　圖左為工研院系統晶片科技中心副主任暨資深正研究員馬金溝、右為工研院系統晶片科技中心射頻與類比技術組組長楊子毅、中間為工研院行銷傳播處許嘉惠小姐》

短距無線高速傳輸高畫質視訊規格大要

安捷倫電子量測事業群行銷處資深市場專案經理徐正平表示，短距無線傳輸標準主要是以IEEE 802.15規格為基礎，而高速短距傳輸技術又以802.15.3規格為核心，包括802.15.3a的UWB和802.15.3c的毫米波（Millimeter Wave），前者以跳頻方式在3.1～4.6GHz運作，後者則便以60GHz為主要運作頻段，目前以WirelessHD和WiGig兩大標準相抗衡。

安捷倫電子量測事業群應用工程部協理陳俊宇並表示，目前運用802.11n傳輸1080p FullHD視訊內容應該還有困難，而UWB在設計上也主要以取代USB進行資料傳輸的功能為主，而UWB也逐漸退出市場。真正能夠滿足用短距無線高速規格、不經過壓縮格式、可傳輸高解析度視訊影像的技術，應該仍是以採用60GHz的WirelessHD和WiGig、以及採用5GHz的WHDI為主。

安立知（Anritsu）台北區暨電信市場業務經理林光韋則表示，低頻傳得遠，穿透率高；高頻傳輸距離短，穿透率低。目前超高頻應用例如倒車雷達部分，頻譜約在70～80GHz。當然頻率越高，傳輸容量也會跟著提高。高頻的指向性高，傳輸距離也會很短。

超高頻60GHz地段難求 WirelessHD和WiGig合縱連橫劃地盤

高頻段較能夠切出頻寬滿足傳輸通道應用需求，之前主要以軍事用途為主短距傳輸機密資料的60GHz頻段，目前便已開放出來給高速短距傳輸規格IEEE 802.15.3c進一步運用。60GHz有些頻段沒有切出來的部分，亦屬於免申請使用執照的無線電頻段（ISM-band），這就像珍貴稀有的豪宅精華地段一般，馬上成為標準集團兵家必爭之地。目前採用60GHz頻譜的標準主要以WirelessHD集團（WirelessHD Consortium）和WiGig聯盟（Wireless Gigabit Alliance）相互分庭抗禮。一般來看，WirelessHD技術應用比較偏向消費電子領域，而WiGig應用主要朝向IT領域發展。

《圖二　無線短距傳輸規格標準樹狀示意圖 》 資料來源：安捷倫（Agilent）

60GHz已規劃為免授權商業用途

今年9月3日歐盟執行委員會（European Commission）已通過將60GHz頻段劃為免授權商業用途，使用60GHz頻段（57GHz~ 66GHz）的產品已獲准在歐盟市場銷售；而60GHz頻段在北美、亞太區、巴西、俄羅斯、印度與中國等地的類似應用也都已獲通過，日本也已針對59～66GHz的毫米波頻譜應用，先行提出相關定義規格。安捷倫應用工程部協理陳俊宇表示，目前台灣電信技術中心（TTC）也正在規劃評估60GHz的應用可行性。

工研院系統晶片中心副主任馬金溝指出，政府應對於頻譜管制的政策保持一定的彈性，可考慮開放60GHz或是更低的頻譜給民間商業使用，但頻譜也是共有財，如何有效運用既有頻譜資源，在滿足永無止盡的高傳輸量需求和既有頻譜資源之間取得平衡，一直都是無線通訊業界不斷關注的議題。安立知業務經理林光韋則認為，需不需要這麼大的頻寬傳輸高畫質影像，其實也有討論空間，因為目前壓縮格式技術越來越成熟，電信營運商也希望多媒體傳輸內容所佔用頻寬越低越好，這些其實都是需要考量的因素。陳俊宇則認為，短距無線傳輸標準其實不太需要經由國家通訊機構來規範法規，頻段資源或許要規範，但測試認證部分似乎可以加以開放，也無須到工業級的認證程度，因為短距無線傳輸的干擾程度沒那麼複雜。

60GHz高頻短距無線傳輸特性

指向性高

由於60GHz屬於高頻段，所以短距無線技術利用此頻段傳輸無線電波時，容易受到空氣中氧分子的共振效應而被吸收，並且受到LoS（Line of Sight）影響較大，人的移動會導致訊號傳送接收易受干擾。且由於60GHz指向性高的特性，電波不易穿透散射折射，距離必須縮短夠近，才能讓傳輸訊號不受干擾地在數位家庭裝置間傳輸。有些業者也會借用Beamforming技術來延伸傳輸距離，或是利用MIMO技術將選定的特定訊號各取所需傳輸出去。

隱密性高

但也因此，這些看似屬於缺點的特性，也是其優勢所在。陳俊宇便指出，60GHz指向性高、干擾性也低，傳輸隱密性相對也較高，若要攔截訊號就非得要進入室內環境才有辦法接收得到，這也是為何60GHz先前主要是作為軍事傳輸重要機密影像應用的緣故。而一般我們使用的Wi-Fi常為人所詬病的就是資料傳輸安全性不足，於是這也就成為60GHz短距無線高速傳輸技術所強調的優勢，但高頻傳輸也有其先天需克服的問題。

射頻設計較為複雜

馬金溝便進一步指出，60GHz主要的技術門檻在於射頻部分，大水管的電路訊號處理設計也會比較複雜，若廠商同時設計射頻和基頻負擔會因此太大，於是通常廠商會直接先將前端射頻元件處理好，而省略掉基頻處理部分。

《圖三　WirelessHD按照各國規劃大致分佈範圍的傳輸通道示意圖 》 資料來源：安捷倫（Agilent）

WirelessHD蓄勢待發

由Matsushita、Samsung、SONY、NEC、LG、SiBEAM與Toshiba所合組發起的WirelessHD集團，在去年1月已經完成WirelessHD 1.0版標準，今年1月Intel和Broadcom加入發起成員後，包括Philips、Yamaha、Funai、ST Micro和NXP等大廠也陸續加入集團，目前其集團全球會員數已經超過40個，包括台灣的聯發科（MediaTek）、以及全球量測廠商太克（Tektronix）、羅德史瓦茲（R&S）和安立知（Anritsu）。值得注意的是，WirelessHD相容性測試計劃（Compliance Test Program）已經在歐盟市場推展，目前WirelessHD測試版本已進入1.0a階段。首個WirelessHD授權測試中心美國CCS實驗室從今年初便完成多樣產品驗證，在9月份德國柏林的IFA大展上，包括Panasonic的Z1系列、LG的LH85/LH95 LCD液晶電視、以及Funai和Toshiba的WirelessHD轉接器產品也陸續亮相。

其實WirelessHD相關頻譜測試方案上今年1月便已經有具體的設計工具成型，安捷倫在此領域可說是箇中翹楚，不僅已測試SiBEAM的晶片樣品，相關測試軟硬體方案CTS-1000也已經獲得美國CCS實驗室採用。

WirelessHD技術要點

利用60GHz傳輸的WirelessHD是以正交分頻多工（OFDM）技術和QPSK/16QAM解調變技術為基礎，PHY層是以IEEE 802.15.3c毫米波為核心，並可搭配指向性的Beamforming天線技術來延伸傳輸距離，並強化接收器的接收訊號。在10公尺範圍內，WirelessHD可點對點傳遞無壓縮、無損失傳送1080p的高解析視訊畫面，傳輸速率可達4Gbps。

以SiBEAM馬首是瞻

CMOS製程降低高頻收發器成本

Wireless HD的射頻IC收發技術是以SiBEAM為核心，SiBEAM透過採用CMOS技術製造的射頻IC，降低了收發器電路成本。以往GaAs技術通常用於毫米波收發器電路，成本較高，CMOS技術則可將成本降低到WLAN的水準，有助於WirelessHD技術應用的普及。除了高頻CMOS電路技術以外，SiBEAM並擁有天線控制技術。

可以這麼說，WirelessHD技術就是以SiBEAM的半導體技術為核心，除了SiBEAM之外，儘管有包括IBM、Intel、NewLANS、Toshiba等，都有在開發相關射頻收發IC，不過能夠以符合較低成本的CMOS製程技術，設計出可靠符合60GHz的WirelessHD射頻收發器，並掌握關鍵的波束控制（beam steering）天線技術，還是只有SiBEAM。

波束控制天線技術

頻率越高、電波指向性越高，Wireless HD發送和接收器之間必須能有效抓到最佳傳輸方向，並排除傳輸干擾，因此結合收發器和天線控制技術，才能提高收發高解析訊號的品質。SiBEAM設計的微陣列天線（Multi-element Micro Array Antenna Technology），採用一個具有數十個天線元件的陣列，可對每個元件動態調整電壓輸入，如訊號傳輸干擾時，天線將會搜尋一個新的傳輸路徑並繼續傳送，以適應控制訊號的輻射角度，這種技術也稱為波束控制（beam steering）。

WiGig整戈待旦

今年5月7日新成立的WiGig聯盟，發起成員包括Atheros、Broadcom、Dell、Intel、LG、Marvell、聯發科（MediaTek）、Microsoft、NEC、Nokia、Panasonic、Samsung以及Wilocity，主要是運用60GHz頻段推廣多媒體資料傳輸、IP網路資料接取和多重系統服務。測試儀器廠商安捷倫也在9月17日加入WiGig陣營，台灣的雷凌（Ralink）和德州儀器（TI）也成為WiGig新成員。值得注意的是，聯發科則一方面鴨子划水地加入WiGig聯盟，另一方面並與某國際品牌大廠合作研發支援專屬規格性質的晶片設計，欲提出專屬的無線短距高速傳輸規格。

此外有趣的是，很多消費電子品牌大廠和晶片廠商都同時參與WirelessHD和WiGig兩大集團，包括LG、Panasonic、Samsung、NEC、聯發科、Intel、Broadcom和Toshiba。但儘管Wireless HD和WiGig都採用60GHz，雙方在發展標準規格上的專屬特性非常明顯，Wireless HD內部規定加入集團的成員才能夠分享相關研發成果和測試方案，而WiGig內部也嚴格規定不可對外公開其規格資料。雙方都還在打地基，因此門禁相對森嚴。

《圖四　圖左為安捷倫電子量測事業群行銷處資深市場專案經理徐正平、圖右為安捷倫電子量測事業群應用工程部協理陳俊宇》

高頻60GHz頻譜量測要點

避免高頻訊號衰減

測試支援高頻60GHz的接收器和發射器產品，並不是件容易的事。頻段高、高頻寬，射頻設計上相對複雜許多，安捷倫資深市場專案經理徐正平便指出，由於60GHz高頻頻譜測試容易受到電路和有線接線的干擾，為避免高頻訊號在測試過程中因而衰減的問題，因此高頻訊號要採用避免介質轉換、諸如天線等方式傳遞發射，號角天線（Horn Antenna）、導波管（wave guide）和降頻器（down converter）的傳遞設計也非常關鍵，然後再把降頻的訊號送到示波器來進一步分析測試。安捷倫示波器的測試頻寬最高可以到13GHz。

安捷倫應用工程部協理陳俊宇表示，高頻訊號必須進一步降頻才能有效進行測試。與一般頻譜量測儀器的原則大致相同，但需要進一步搭配升頻或降頻器，數位視訊分析儀也是不可或缺的。

接收器測試升頻過程較為複雜

另一方面，接收器部分的測試相對就比較複雜，陳俊宇表示，怎樣產生一個寬頻訊號、升頻、降低失真，對測試儀器來說比較複雜，特別是每一種介質到高頻階段其非線性現象會更嚴重，頻譜的校正困難度也會提高許多，而頻寬訊號越寬。其不平坦現象也會跟著明顯。

射頻測試經驗非常重要

因此無論是降頻或升頻，除了要整合強化示波器和頻譜分析儀等基本硬體資源功能外，如何有效傳遞高頻、降頻不失真並達到取樣測試效果，還原升頻時要設計韌體自我調校、權衡高頻寬的平坦度，都是需要相當有經驗的射頻測試人才團隊作為基礎，這也是高頻收發測試方案品質與know-how的關鍵所在。因此能夠測試高頻訊號的儀器廠商並不多。徐正平便以頻譜遮罩（Spectrum Mask）測數為例指出，需要注意的項目包括最高輸出功率和調變性質等。陳俊宇進一步指出，WirelessHD 1.0版的發射器遮罩測試，原本頻譜噪音水平（Noise Floor of Spectrum）設定在40dB，但考量到業界實際狀況，因此在1.0a版本中便放寬調整至30dB。

《圖五　WirelessHD發射器測試系統示意圖 》 資料來源：安捷倫（Agilent）

WHDI技術準備就緒

另一方面，以802.11n的PHY為基礎的WHDI，運作於5GHz頻段，整合4×5 MIMO、OFDM和Beamforming技術。若使用40MHz的頻寬通道，傳輸速率可達3Gbps，可傳輸距離比WirelessHD還遠，能夠達到30～150公尺；若使用18MHz的頻寬通道，則可達到1.5Gbps傳輸速度。工研院系統晶片科技中心組長楊子毅表示，5GHz的傳輸距離較長，指向性不強，因此其他房間也可以接收得到。而5GHz的晶片設計就是以提高電路設計的複雜度，來平衡傳輸高畫視訊時會產生丟掉一點點畫素的風險。但較低頻5GHz要如何切出3Gbit/s的頻寬，比較困難。

值得注意的是，WHDI採用HDMI中消費電子控制（CEC）技術的更先進版本，不僅可支援點對點傳輸，同時也可支援多點對多點傳輸，且沒有電波指向性所會造成的問題。並且由於WHDI採用5GHz頻段，因此可適用支援動態頻率選擇（Dynamic Frequency Selection；DFS）的雷達偵測功能，能有效倍增收發器可用頻寬。

採用MIMO技術轉化多重路徑優勢

安捷倫資深市場專案經理徐正平指出，WHDI採用多重天線設計，干擾問題會比較明顯，採用5GHz傳輸，電波指向性不強，因此散射折射特性明顯。而MIMO技術的輔助恰恰是強化了WHDI在多重路徑（Multi-Path）的傳輸特性，亦即把多重干擾和散射的問題化作優勢，利用類似解方程式的方式將訊號清晰處理出來。因此如果將使用WHDI標準的數位家庭裝置放得過近，反而多重路徑的效果出不來，也影響了WHDI高解析視訊的傳輸品質。

工研院系統晶片科技中心副主任馬金溝則表示，在應用上5GHz和60GHz都有各自的優缺點，數位家庭影音設備的擺放位置也會影響哪種規格標準的適合度，5GHz就可以利用己身的散射特性並搭配MIMO或是Beamforming技術，來有效規範不同多重的無線電波傳輸方向。

AMIMON是WHDI的靈魂

WHDI的晶片技術則由以色列公司AMIMON所主導。包括Hitachi、Sony、Sharp、Samsung與出資支持AMIMON的Motorola，在去年7月建立WHDI SIG。目前AMIMON已在今年5月推出第二代能傳輸1080p/60Hz高畫質影像的WHDI晶片組。WHDI技術專屬性強，量測廠商也難以取得實體層以上的技術規範專利內容。

高速介面與多媒體視訊處理

楊子毅表示，這些短距無線高速傳輸晶片設計主要是以射頻和混合訊號架構，而無論是WirelessHD還是WHDI，都是設計傳輸Gigabit級以上的資料量，因此ADC/DAC和其他高速介面都是必要的元件。工研院晶片中心會著重在具共通性的高速介面設計層面；在設計上輸出輸入介面越少越好，降低視訊傳輸畫素的損耗。整合度越高，也就會減少介面處理的問題，相對測試或是封裝的成本也會減少，未來還是有取代有線高畫質傳輸技術的可能性。

另一方面，晶片中心所推出的PAC DSP處理器也能支援處理短距無線傳輸高畫質視訊運算，馬金溝並不否認未來類似技術也會支援3D影像內容無線傳輸，但一開始並不會以支援3D影像作為主打訴求，而是先把無線環境的應用功能凸顯出來，再來強調結合行動裝置的無線快速下載功能，比較能滿足當前消費者的使用經驗。

《圖六　圖為安立知（Anritsu）台北區暨電信市場業務經理林光韋》

結語：發展應用前景審慎樂觀

短距無線傳輸高畫質技術取代有線？

安捷倫資深市場專案經理徐正平表示，長期來看，無線短距高畫質傳輸技術還是會取代有線傳輸，不過哪種規格能夠勝出，數位家庭消費電子大廠的態度相當關鍵。儘管無線化都是Wireless HD和WiGig的宣傳重點，不過短期內產業規模還有許多成長空間，因此也尚未能夠取代既有的HDMI或是DisplayPort應用。

如何形成商業化市場規模？

安立知台北區暨電信市場業務經理林光韋認為，短距無線傳輸高畫質技術遲早可行，但高頻晶片設計仍有一定門檻，60GHz的天線、頻譜、收發器等整體都要完備，商業化應用基礎方可穩固。工研院系統晶片中心組長楊子毅則表示，短距無線高速傳輸高畫質技術一定會成熟，從IC設計、射頻整合、封裝、天線、模組、系統設計等，相關製程方面都已經就緒，SiBEAM也證明CMOS製程沒有問題。

林光韋認為，短距傳輸不經壓縮的高畫質視訊自然有其話題性，但真要能形成商業化的應用規模，晶片廠商是很重要的關鍵。因此量測儀器廠商必須直接和支援相關無線傳輸規格的晶片廠商密切合作，除了觀察晶片廠商的出貨量外，還有技術標準組織的專利數、廠商參與程度等等，來周詳地推估相關市場規模是否已經開始成型。

應用機會在哪裡？

數位家庭視聽設備目前還是短距無線傳輸高畫質技術初期可行的應用領域。數位電視、DVD播放器、機上盒、PC周邊連結等會是主要的應用終端。工研院系統晶片科技中心副主任馬金溝認為，運用5GHz的無線高畫質傳輸技術比較成熟，但也需要3～5年才會進入商業化階段。60GHz要進入量產階段則還需要一段長的時間。安捷倫應用工程部協理陳俊宇陳俊宇則長期看好短距無線傳輸高畫質技術結合微型投影的應用趨勢，不過短距無線傳輸高畫質技術若要普及，還要分階段來看，初期應該還是應用在高階金字塔的數位家庭視訊設備，最快2010年相關產品會在市場上出現。

至於哪種應用最後會勝出？其實WirelessHD、WiGig和WHDI都各有優勢可盤算，Wireless HD應用在數位家庭領域，產品利潤高，單價不便宜，開始應屬小眾市場，消費者對於價差的接受度較高；若是WiGig應用在IT系統領域，應用數量大，但消費者對於價差接受度可能較為保守；WHDI挾頻譜應用和相關晶片設計較為成熟的優勢。數位家庭廠商其實不會太在乎短距無線傳輸規格的相容性，反而希望自己的專屬規格能夠成為各家遵循的標準。這些最後都還是要看消費電子品牌大廠的態度，願不願意採用相關規格標準，並作為未來產品功能的主要考量。