專利名稱：用于對壓縮的視頻信號接受系統進行同步的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及用于在一信號去壓縮裝置上提供一個時鐘信號的方法及裝置，該時鐘信號實際上頻率鎖定到一個進行編碼的裝置的時鐘信號上。
壓縮的視頻信號的產生及傳輸系統可工作于幾種同步等級，或更恰當地說是工作于若干種導步狀態。例如，實際的壓縮裝置將被同步，至少在部分上同步于源視頻信號的垂直幀速率，并且也可以同步于彩色副載波。一旦視頻信號被壓縮且形成特定信號規程(例如MPEG1)，它可進一步被處理成用于傳輸的傳輸數據包。該傳輸數據包可與來自其它視頻或數據信號源的數據包進行時分多路復用。打包及多路復用可以與壓縮操作相互同步的方式地進行，也可以異步地進行。這些傳輸數據包(無論是否多路復用)可隨之送到用于數據傳輸的一個調制解調器。該調制解調器可以與前述的系統同步操作，也可以不同步。
在全多路復路傳輸的壓縮信號的接收機處，通常需要各個子系統以它們的系統的編碼端相對應部分的相反功能同步地操作。這種情形中的同步操作一般可以是指各子系統的操作極為接近于其對應部分子系統的相同頻率。去壓縮器應當以用于在壓縮器處所提供的視頻信號源幀速率來提供視頻信號，并與相關的音頻信號同步。系統的視頻/音頻去壓縮部分的同步可以通過在編碼器處于壓縮的視頻/音頻信號中插入表現時間取樣來實現，這種取樣指示各信號基段的產生/再生的相關倍數。這種表現時間基準(RTR′s)可被用于比較相關音頻與視頻信號的時序，以實現同步的目的并用于正確的成序及連續性。
接收機調制解調器當然必須以精確地同于發射調制解碼器的頻率工作。接收機調制解調器通常有響應于發射載波頻率的鎖相環，以產生同步時鐘信號。
由于兩種原因，多路復用和或傳輸數據打包裝置的同步趨于更復雜。首先，多路復用的數據可以是分散地到達；其次，為了將制作成本減至最小，在調制解調器及去壓縮器之間一般要采用速率緩沖，且必須采取措施確保其速率緩沖既不上溢也不下溢面具有使緩沖器保持為盡可能小的實際上最小制造成本的約束。
本發明涉及用于在被壓縮的視頻信號中插入不同時間編碼或計數值的用于對諸如多層壓縮的視頻信號的傳輸或多路復用信號的中間層建立同步的系統和裝置。在系統的編碼端的一個實施例中，一個模K計數器響應系統時鐘而被鐘控，并根據一預定的規程將從計數器所提供的計數值中選出的各計數值嵌入在傳輸層的信號中。另一種措施是當預壓縮的視頻信號被引入信號中時，使其包括代表預壓縮的計數值的值。在另一實施例中，在其中可使壓縮的視頻信號排隊的信號傳輸存儲單元中，提供的措施是通過對系統時鐘頻率的時鐘脈沖加以計數來測定信號被延長的時間，并以延時后的測量值對所述傳輸數據包中的差值計數值進行存取及刷新。在計數器系統接收端的一個實施例中，類似于在系統編碼端的計數器響應于一個受控的接收機時鐘信號提供計數值，并在與嵌入傳輸層中的計數值到達的時刻相關的時刻，對計數值進行取樣。從接收的傳輸層中存取傳輸計數及差值計數值并與接收機計數值共同使用以產生一個信號，來控制接收機時鐘信號。
圖1是采用本發明的一個時鐘恢復裝置的壓縮的視頻編碼/解碼系統的方框圖。
圖2是對表示來自不同信號源的多路復用數據的形成有用的信號多路復用裝置的方框圖。
圖3和圖5是用于發送的壓縮的視頻信號數據的時鐘恢復裝置另兩個實施例的方框圖。
圖4是包括有一個用于增強含在多路復用信號之內的定時基準的一個系統的信號多路復用裝置的方框圖。
圖6和圖7是傳輸數據塊以及一個輔助信號傳輸數據塊的圖示表示。
圖8是在圖2中的傳輸處理器的操作流程圖。
圖1示出了一個可應用本發明的典型系統，該系統屬于一個壓縮數字視頻信號傳輸裝置。在本系統中，來自信號源10的視頻信號送到壓縮單元11，該單元包含一個采用離散余弦變換的運動補償的預測編碼器。被壓縮的視頻信號從單元11送到格式器12。根據某一信號規程，例如由國際標準化組織建議的一個標準MPEG，該格式器12對壓縮視頻信號和其它輔助數據作安排。已標準化的信號送到傳輸處理器13，它將信號分成數據的數據包并添加某些其它數據，以提供為傳輸目的的抗噪聲功能。通常以非均勻速率出現的傳輸數據包被加到一個速率緩沖器14，該緩沖器以相對恒定的速率傳導來提供輸出數據，以便高效使用相對窄的帶寬傳輸通道。該緩存的數據加到一個執行信號傳輸的調制解調器15上。
系統時鐘22提供鐘控信號，以操作至少包括傳輸處理器在內的大部分裝置。該時鐘將以固定的頻率工作，例如27MHz。然而，如其中所示，它被用于產生定時信息。該系統的時鐘被送到一個計數器23的時鐘輸入端，該計數器可被設置成例如模為230的計數。由計數器輸出的計數值送到兩個鎖存器24和25。鎖存器24受視頻信號源的設定以便在各個幀間隔出現之際將計數值進行鎖存。這些計數值被用來代表表現時間取樣(PTR′s)，并由格式器12包括在壓縮的視頻信號數據流中，而且由接收機所用，以提供相關的音頻和視頻信息的對口同步(lip-synchronization)。鎖存器25由傳輸處理器13(或系統控制器21)所設定，以根據預定規程鎖存計數值。這些計數值被用作程序時鐘基準(PCR′s)的代表，并作為輔助數據而被嵌入各輔助傳輸數據包中。
系統控制器21是一個可變狀態機，它被編程來協調各個處理單元。應當注意，只要在各處理單元之間提供正確的交互通信，控制器21、壓縮器11和傳輸處理器13可以是，也可以不是經一公共鐘控裝置而同步的。
圖1中的單元16-26包括了傳輸系統的接收端，其中的調制解調器16執行的是調制解調器15的相反功能。來自調制解調器16的數據送到一個相反的傳輸處理器18，它根據系統的規程將壓縮的視頻信號格式化后給速率緩沖器17，隨后，速率緩沖器17根據需要將壓縮的視頻信號提供給去壓縮器19，該去壓縮器響應于壓縮的視頻信號而產生無壓縮的視頻信號，以顯示于裝置20上或存儲于一個合適的裝置中。
反向處理器18還將來自輔助傳輸數據的PCR′s以及控制信號送到系統時鐘發生器27。響應于這些信號的時鐘發生器產生一個至少與傳輸處理器操作同步的系統時鐘信號。該系統時鐘信號被送到接收機系統控制器26，以控制適當的處理單元的時序。
參考圖2，它示出了可被包括在諸如傳輸調制解調器15中的裝置。該調制解調器可從多個信號源接收數據，這些數據是在一公共傳輸通道上待傳輸的全部數據。這一點可以通過對來自各種信號源的各種信號進行時分多路復用來實現。此外，多路復用可分層進行。例如，視頻節目Pi可以在不同的演播室內產生，并被耦合到第一多路復用器55。這些節目被按照公知技術而被時分多路復用并作為一個源信號S1來提供。
信號S1以及來自其它信號源的源信號Si被送到第二層多路復用器56，其中，信號Si依照公知的技術和預定的規程進行時分多路復用。最終，在各節目自身之內，可以有其它的進行多路復用的形式。這樣進行的多路復用可以采用插入到節目內容中的商業節目的形式，或是插入在現場制作節目基段之間的存儲節目的形式。在這后兩種情況中，假設該商業節目或被存儲的節目已經分別以PTR′s和PCR′s預先編碼。在這種情況中，被存儲節目的PTR′s和PCR′s則將與實況節目的實時PTR′s和PCR′s無關。至于PTR′s，由于視頻信號將包括使去壓縮器重新啟動新信號的指令的參數，故其PTR′s尤其不會引起什么問題。相反，由于缺少被存儲的及實時的PCR′s之間的相關性，而使PCR′s可被完全中斷，從而使接收機系統的速率緩沖反向傳輸處理器單元失去同步性。
在圖2中假定傳輸處理器53包括在操作上類似于分別的多路復用器55和56的多路復用裝置。
在多路復用系統中還存在另外的問題。為了使各多路復用裝置不丟失數據，如果數據從多個信號源同時地到達時，則有必要在多路復用器中提供一定程度的信號緩沖。這些緩沖器將置以T±δt的延時，其中的δt表示一個不穩定分量。假設節目經過了100次(一個對于實際問題的夸張數字)多路復用器，且每次多路復用添加1秒±1微秒的延時。則最終延時結果時是100秒±100微秒的延時。由于被壓縮的視頻信號且進而PTR′s已經歷相同的延時，故這100秒的適時對于去壓縮器而言就不是什么問題。而這±100微秒的不穩定分量必須加以對付，否則該解碼器的緩沖器可能會上溢或下溢。
圖3示出了接收機時鐘發生器的第一實施例。在該實施例中，在信號通路中，傳輸處理器可置于速率緩沖器17以前，以便消除可能招致接收機速率緩沖器中的可變延時。來自接收機調制解調器的數據送到反向傳輸處理器32和一個輔助數據包檢測器31 。該反向傳輸處理器32從各傳輸數據包分組的有效負載中分離出傳輸標題數據。響應該傳輸標題數據，處理器32將視頻信號有效負載(此處示為業務數據1)送到諸如去壓縮裝置(未示出)，并將輔助數據(示為業務數據2)送到適合的輔助數據處理單元中(未示出)。置放在輔助數據中的PCR′s進行路由選定且被存儲在存儲器單元34中。
輔助數據包檢測器31(可以是一個匹配濾波器，用于識別指示含有PCR的輔助傳輸數據包的碼字)在包含這種數據的傳輸數據包出現之際產生一個控制脈沖。這個控制脈沖被用來在鎖存器35中存儲由本機計數器36當前的計數值。該本機計數器36用于計數由諸如壓控振蕩器37所產生的脈沖。該計數器36被設計成與其在編碼器中的對應計數器(計數器23)具有相同模數的計數模。
壓縮振蕩器37由時鐘控制器39所提供的一個低通濾波的誤差信號所控制。該誤差信號以如下方式生成。使在時間n到達的PCR被指定為PCRn，且將當前鎖存在鎖存器35中的計數值被指定為Ln。時鐘控制器讀取PCR′s和L′s的連續值并形成正比于下面差值的誤差信號EE→|PCRn-PCRn-1|-|Ln-Ln-1|該誤差信號E被用于將壓控振蕩器37調整到趨于均衡該差值的一個頻率上。由時鐘控制器39產生的該誤差信號可以為脈寬調制信號的形式，它可以由在低通濾波器38實施的模擬分量中提供為一個模擬誤差信號。
本系統的約束是系統兩端的計數器要計數相同的頻率甚至多倍的頻率。這就要求該壓控振蕩器的定義頻率是相當地接近編碼器系統時鐘頻率的頻率。
前述的方案提供了相當快的同步，但會引入長項誤差。該長項誤差LTE正比于下面的差值；
LTE→|Ln-Lo|-|PCRn-PCRo|其中的PCRo和Lo例如可以是首次出現的PCR和接收機計數器的對應鎖存值。從定義上說，誤差信號E和LTE將以離散的步長而改變。這樣，一旦系統被“同步”，該誤差信號將圍繞零點高頻抖動一個單位。最好的同步方法是使用誤差信號E來初始控制壓控振蕩器，直到在誤差信號E中出現一個單位的高頻抖動，并隨即切換成使用長項誤差信號LTE來控制壓控振蕩器。
為了調整在進行多路復用過程中引入的延時T±δt，在編碼器處的傳輸處理器產生在輔助傳輸數據包中的一個輔助場，它包含關于可變延時的信息。在不同的多路復用位置制定修正這種可變延時信息的規程。參考圖6和圖7，其中圖6示出了一種類型的類似子使用在由高級電視研究聯合會所研制的高清晰度電視系統中的傳輸數據包。該傳輸數據包含有一個前綴，除其它內容外，該前綴有一個總的識別符，以指示包含在該數據包中的有效負載是關于哪一種業務。場CC是被包含用于誤差檢測目的一個連續檢測值。HD場是一個說明性地定義該有效負載的業務說明標題。例如，如果特定的業務被指示來提供電視節目，該種業務類型的傳輸數據包的各有效負載可能包含音頻數據、視頻數據或相關的輔助數據。該HD場因而指示了用于特定數據包的特定有效負載的類型。
圖7示出了一個包含輔助數據的傳輸數據包。數據包含在各數據組中的數據量及現行系統的需求，一個輔助傳輸數據包的有效負載可包括一個或多個輔助數據組。在圖7所示的傳輸數據包中有兩個輔助數據組，包含有關于節目時鐘基準AUX1和AUX2的數據。輔助數據組AUX1包括關于可變延時的數據，而數據組AUX2包括PCR本身。各數據組包括一個輔助數據組前綴和一個輔助數據的數據塊。該前綴包括場MF、CFF、AFID和AFS。場MF是一個1比特場，它指示在該數據包中的數據是否為可修正的(1為可修正而0為不可)。CFF是一個1比特場，它指示輔助數據是否為該數據組而定義的。AFID是一個6比特場，它指示包含在該數據組中的例如時間碼、加擾鍵、版權等輔助數據的類型。AFS是一個8比特場，定義包含在該數據組中輔助數據的字節數。
AUX1數據組被示出為可修正的而AUX2數據組被示出為不可修正。AUX2數據被示出為PCR數據，即節目時鐘基準。AUX1數據被指示為DPCR數據，在此，它是用于不同節目時鐘基準的縮寫。PCR數據是由控制在編碼器中的傳輸處理器的一個程序機的控制之下所獲得的。DPCR數據的獲得將參考圖4的描述來說明。
圖4的裝置是一個典型的裝置，它是圖2所示的一個多路復用器電路的一部分。與各輸入總線相關的是一個緩沖存儲器67，它可以是FIFO型的。當節目數據到達且其多路復用器目前正訪問一個不同的輸入總線時，該數據被存儲于其中。隨后，依照該多路復用器的程序，節目數據從緩沖存儲器67中讀出。
節目數據的各傳輸數據包包括含有PCR和DPCR數據的輔助數據組。應注意到，該PCR數據的值是相對于含輔助定時信息的傳輸數據包的定時來確定的。當PCR數據由多路復用器輸出時，可能由于在進行多路復用過程中信號的爭用招致的任何延時的原因而是錯誤的。通過該緩沖存儲器所占用的延時時間T±δt被用來修正該DPCR數據，以便隨后校正這種誤差。安排來檢測包含DPCR數據的傳輸數據包的出現的一個輔助數據包檢測器61被接到節目數據輸入總線。這個檢測器功能復位并啟動一個計數器62以便計數本機時鐘60的計數脈沖。本機時鐘60可以是具有非常接近編碼器系統時鐘頻率的一個晶體振蕩器，或者可以是每當圖3或圖5之裝置操作時鎖定于編碼器時鐘頻率的頻率。另一個輔助數據包檢測器63被耦合到緩沖存儲器67的輸出總線，當包含DPCR數據的輔助數據包從該緩沖器出現時，用來存儲鎖存器68中的計數器62輸出的當前計數值。計數器在此時的輸出將呈現為時鐘頻率周期的幾個單位的計數值，即經過特定數據包的緩沖器的渡越時間。應當注意，如果有可能是多個輔助數據包彼此鄰近而出現，而使得多于一個的數據包可能同時地通過到緩沖器67的話，該輔助數據包檢測器則必須被用來檢測并響應每次出現的數據包。
輔助數據包檢測器61還提供一個控制信號，該信號被用來設定鎖存器64以便存儲包含在輔助數據包中的DPCR值。該值被送到一個加法器65的一個輸入端口，而存儲在鎖存器68中的本機計數值被加到該加法器65的第二輸入端。加法器65將來自當前輔助數據包的DPCR數據和本機計數值相加，以便提供刷新后的DPCR值DPCR′。來自緩沖器67的節目數據和加法器65的輸出被耦合到一個2至1多路復用器66的各輸入端口上。該多路復用器66由輔助數據包檢測器63所設定，以便正常地傳送節目數據。然而，當包含在節目數據中的DPCR數據從緩沖器出現時，多路復用器66被設定以便傳送來自加法器的刷新后的DPCR′數據，并隨之轉回到傳送來自緩沖器67的數據。
當多路復用器66被設定以便傳送來自加法器的數據時，當DPCR數據從緩沖器出現時，來自加法器的輸出信號對應于包括在輔助數據包中的DPCR數據與在計數器62中的計數值之和。因此，由多路復用器66進行的對于DPCR數據的數據取代先于在緩沖器67中對于其傳送時間的DPCR數據校正。應當注意，所提供的是該輔助數據包檢測器被編程以便只根據與輔助數據組的適當的修正標志MF來改變節目數據。
再回到附圖2，傳輸處理器53將建立DPCR輔助數據組，且通常對應于新的節目插入一個零值作為DPCR數據。然而，考慮到來自數據存儲介質51的存儲數據可被插入到實況數據基段之間，并且該存儲的數據可利用PCR和DPCR碼事先編碼。當傳輸處理器53將存儲的數據插入到實況數據的基段之間時，該處理器訪問該存儲數據的PCR碼并且從計數器23和/或鎖存器25所呈示的現行計數值減掉該PCR值。然后傳輸處理器將這一差值與在存儲數據的輔助數據包中的DPCR值相加。插在實況數據之間的存儲數據中的新DPCR值則現在包含一個對于當前時間的基準。這一過程在圖8的流程中作了說明，該流程圖自身已經進行了說明。
在接收機中使用DPCR數據的情況在圖5中加以說明。在圖5中，除去單元32的功能已被改進之外與圖3中的部件有相同標號的部件為相似部件，并執行相似的功能。其改進涉及的是包括了一個加法器45，用于將在相關輔助數據組中達到的對應的PCR和DPCR的值求和。由加法器提供的對應于原始PCR值的和值被諸如在進行多路復用過程中引入的任何延時所加大。這些和值被置與存儲器46中，時鐘控制器39可從其中獲得該和值作為校正后的PCR的值，以用于系統時鐘的同步。
權利要求
1.用于提供壓縮視頻信號的裝置，包括一個壓縮視頻信號源(50)；計數器電路(52)，用于產生一個時間標志；一個處理器(53)，用于形成包括分別暫時包含所述時間標志和另一個時間標志的第一和第二數據場的輔助信息；提供指示在所述第一和第二數據場中所述時間標志和所述另一個時間標志分別存在或不存在的第一和第二標志位；和形成分別包括標題和有效負載的數據包，其中所述標題識別所述數據包的至少部分內容，并且所述有效負載的其中多個包括壓縮視頻信號的一個基段，并且所述有效負載的其中多個包括所述輔助信號。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特正在于，所述用于產生所述時間標志的計數器電路包括一個系統時鐘，用于提供時鐘脈沖；一個計數器，用于對所述時鐘計數；和用于周期性地存儲由所述計數器提供的計數值的裝置。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述處理器將所述壓縮視頻信號分成預定大小的基段；并且所述數據包是傳輸數據包并且所述處理器是一個傳輸處理器。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，它還包括另一個壓縮視頻信號源，并且，其中所述處理器存取與所述另一個壓縮視頻信號相關的時間標志，并且，將與所述另一個壓縮視頻信號相關的所述時間標志作為所述另一個時間標志包括在所述第二數據場中；并且設置所述第二標志位以指示所述另一個時間標志的存在。
5.一種傳輸壓縮視頻信號的方法，包括提供(50)壓縮視頻信號；產生與一個系統時鐘相關的時間標志(52)；提供(62，63)另一個時間標志；相稱包括分別暫時包含所述時間標志和另一個時間標志的所述第一和第二數據場的輔助信息(53)；提供指示在所述第一和第二數據場(53)中所述時間標志和所述另一個時間標志分別存在或不存在的第一和第二標志位(53)；和形成分別包括標題和有效負載的數據包(53)，其中所述標志識別所述數據包的至少部分內容，并且所述有效負載的其中多個包括壓縮視頻信號的一個基段，并且所述有效負載的其中多個包括所述輔助信號。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，它還包括以下步驟提供時鐘脈沖；對所述系統時鐘脈沖計數以提供計數值；在預定時間獲得計數值；和將一個獲得的計數值用作所述時間標志。
7.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，它還包括將所述壓縮視頻信號分成預定大小的基段；并且，其中，所述數據包是傳輸數據包。
8.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，它還包括提供另一個壓縮視頻信號；提供與所述另一個壓縮視頻信號相關的時間標志；將與所述另一個壓縮視頻信號相關的所述時間標志作為所述另一個時間標志包括在所述第二數據場中；和設置所述第二標志位以指示所述另一個時間標志的存在。
全文摘要
一用于生成多層壓縮視頻信號的傳輸或多路復用層的信號的中間層同步的裝置,在系統的編碼端包括含時間標志基準的裝置,由各電路的渡越時間刷新差值時間標志。在系統的接收端,一計數器響應受控接收機時鐘信號對計數器的計數值進行取樣。從信號中恢復出時間標志和差值時間標志,并相結合形成校正的時間標志。接收機計數器連續取樣計數值的差與對應于連續校正后的時間標志的差相比較,以提供一信號來控制該接收機時鐘信號。
文檔編號H04N7/24GK1334674SQ0111719
公開日2002年2月6日 申請日期2000年5月10日 優先權日1993年5月13日
發明者J·W·茲德普斯基 申請人:Rca·湯姆森許可公司