專利名稱：時間從動設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有有限漂移的時間從動(temporal slaving)設備。
更具體地，本發明涉及在因特網類型(IP)的網絡中在發送方終端和接收方終端之間實時地傳輸數據。
背景技術：
在傳輸網絡中，數據經常會受到噪聲的影響，使得在接收層難以重構數字流。
本發明尤其關注數據序列所遭受的時間噪聲以及按照滿足接收設備要求的精確度、根據每個分組所發送的時間信息對分組進行時間重新定位。
本領域技術人員公知的解決方案包括直接對接收到的時間信息應用鎖相環。因為傳輸延遲引起的變化妨礙了鎖相環的閉鎖，這種解決方案不適用于特別嘈雜的環境。
時鐘恢復的另一種解決方案包括在接收設備的輸入處作為緩沖存儲器的滿載程度的函數來驅動頻率分析器。當網絡上的數據吞吐量變化時，該解決方案不適用，因此尤其在IP協議的情況下不適用。
發明內容
本發明通過提出一種分組數據傳輸網絡中的時間從動設備，解決了這些缺點的至少一部分，其中，每個數據分組包括時間標簽，所述設備包括暫存器裝置。根據本發明-暫存器裝置具有能夠記錄在取決于網絡特性的預定時間內接收的數據的存儲容量，
-所述設備還包括-用于再生本地接收時鐘、作為輸入分組的時間標簽的函數的裝置，-用于在取決于所述預定時間(IPDV)和再生的本地時鐘的時刻讀取時間暫存器裝置中的數據的裝置。
根據優選實施例，讀取暫存器裝置中的數據的裝置適用于在所述預定時間和再生的本地時鐘之間的差值為正時，讀取暫存器裝置中的數據。
根據優選實施例，再生本地時鐘的裝置能夠對在取決于本地時鐘和數據分組的發送時鐘的頻率的兩個時刻接收的數據分組的本地接收時鐘和數據分組的時間標簽之間的差異進行求和。
根據優選實施例，該設備包括減少啟動時的收斂時間(convergence time)的裝置。
根據優選實施例，該設備包括減少相位噪聲的裝置。
有利地，減少相位噪聲的裝置包括數字低通濾波器。
根據優選實施例，該設備包括產生偽噪聲的裝置。
本發明還涉及一種分組數據傳輸網絡中的時間從動方法，每個數據分組包括時間標簽，所述方法包括暫存(6)從所述網絡接收到的分組的步驟，并且特征在于-在存儲步驟期間，在取決于網絡特性的預定時間(IPDV)內存儲數據，-所述方法還包括步驟-步驟，再生本地接收時鐘，作為輸入分組的時間標簽的函數，-步驟，在取決于所述預定時間(IPDV)和再生的本地接收時鐘的時刻讀取暫存器裝置中的數據。
參考附圖，利用決不作為限制的有利示范實施例和實施方式，可以更好地理解和示出本發明，其中圖1表示具有接收和發送模塊的示例網絡，圖2表示根據本發明的設備的優選實施例，
圖3表示用于再生本地接收時鐘的優選實施例，圖4表示用于再生時鐘以改進閉鎖時間的模塊的改進，圖5表示用于估計網絡中分組的傳播延遲的模塊，圖6表示用于再生時鐘使得可以使相位噪聲最小化的模塊的改進，圖7表示用于再生時鐘使得可以使相位噪聲最小化的模塊的第二示例，圖8表示用于相位噪聲的改進的示范低通濾波器，圖9表示偽噪聲生成器的實施方式。
具體實施例方式
所表示的模塊是功能單元，可以與物理上可區分的單元相對應，也可以不與之相對應。例如，可以將這些模塊或其中-些分組為單個組件，或者組成同一個軟件功能塊。相反地，一些模塊可以由分離的物理實體組成。
本發明以通用方式應用于以分組發送數據的網絡，其數據幀具有時戳。根據優選實施例，幀與RTP協議(“real time prorocol”的首字母縮寫)兼容。
圖1示出了網絡設備的示例，該網絡設備包括裝置1，用于發送數據流；以及裝置2，用于適配該流使之與IP協議兼容。裝置2通過IP類型的網絡上向IP適配裝置3發送IP數據，IP適配裝置3使IP流解封裝，以便產生作為流的目的地的裝置4可理解的數據流。
在優選實施例中，裝置1和4是用于編碼和解碼MPEG類型的流以及尤其是MPEG-2類型的流的設備。
IP網絡5是在其上數據分組的延遲也許會遭受非常明顯變化的網絡。這在裝置4接收數據分組時產生了問題裝置4不再能夠正確地解碼數據分組。產生的時間噪聲阻礙了接收設備4中數據流的重構。
圖2部分地表示在IP數據流的接收處用于適配數據的模塊3。
從網絡5接收到IP分組，并將其加載到緩沖存儲器6中，緩沖存儲器6也被稱為暫存器裝置。例如，緩沖存儲器6是FIFO類型(“First-in First out”的首字母縮寫)的存儲器，意欲當在接收裝置3中接收到分組時記錄從IP網絡5接收到的分組。
緩沖存儲器6具有取決于網絡特性的容量。具體地，其取決于IP網絡5的參數，該參數是IP網絡5上傳輸延遲的變化的最大幅度。
該參數(IPDV，“IP Delay Variation”的首字母縮寫)是常數，并且例如可以由用戶輸入，或者對于網絡設備的各個項而言是公知的。
還將接收到的分組發送到模塊7，在圖3中詳細示出了模塊7，其使得可以修改本地接收時鐘，作為在發送和接收端的振蕩器的相對漂移的函數(振蕩器8)。
用于再生接收時鐘的模塊7必須補償本地振蕩器Tx和本地振蕩器Rx8之間的實際頻率差異，本地振蕩器Tx是時基振蕩器Tx，負責用于傳遞插入到發送的RTP分組中的時間標簽的值。
因此，模塊7在輸出13產生再生本地時間Rx。該再生本地時間被發送到減法器9。減法器9計算參考本地時鐘Rx的IPDV延遲和再生本地時間13的值之間的差值。
作為該減法結果的函數(信號11)，將數據讀入緩沖存儲器6。模塊10將讀信號12發送到緩沖存儲器6。
如果“再生本地時間Rx減去IPDV”的差值大于要從緩沖器6輸出的下一個分組的時間標簽的值，則讀取數據并且激活讀信號12。
否則，只要該差值不大于要從緩沖器6輸出的下一個分組的時間標簽的值，就不讀取數據，并且不激活讀信號12。
圖3示出了用于再生本地時間Rx的模塊7的實施例。
模塊7包括差分器15，一方面接收輸入分組的時間標簽作為輸入，另一方面接收再生本地時間Rx13作為反饋。
差分器15在輸出19傳遞時間標簽和再生的本地時間Rx13之間的差值。
由累加器16接收該差值。累加器16從差分器15接收瞬時差異19，并且對這些差異求和。
瞬時差異的和被發送到判決獲取自動機17。
判決獲取自動機17命令定期更新本地時間計數器18。該更新的周期Tupdate取決于本地時鐘Rx和發送時鐘Tx的頻率之間的最大可能差異，從為兩個時鐘選擇的振蕩器組件的技術特性推導出該差異。如果發送振蕩器Rx具有+/-10ppm的精確度，而接收振蕩器具有+/-5ppm的精確度，則兩個振蕩器之間的最大差異可以是30ppm(即對應于+/-15ppm)。
為了獲得最可能再生的本地時間Rx13，每次更新的校正幅度被局限于本地振蕩器Rx8的周期T。
因此，獲得Tupdate＜1/abs([Frx-Ftx]max)其中，abs表示“絕對值”函數，Frx和Ftx分別表示本地時間Rx(由振蕩器8產生的)頻率和發送時鐘Tx的頻率。通過在RTP分組中傳輸的90KHz時間標簽來發送時鐘Tx的采樣。
模塊17估計本地時鐘Rx相對于發送時鐘Tx的提前或延遲。
根據累加器16所執行的在接收到的分組中包含的時間標簽的值和內地時鐘Rx8之間測量到的瞬時差異的和的符號，推導出提前或延遲的估計。對在兩個判決時刻Tupdate之間接收到的分組來計算和。在每個Tupdate處，(由信號RTZ)將模塊16復位為零。
模塊17產生信號21JUMP、22FREEZE和由模塊18用于將本地時間計數器設置為時間的23INIT。
本地時間計數器Rx表示從動時間Rx的相位。將該相位與RTP分組的時間標簽所傳輸的相位采樣相比較(15)。
當本地時間基準Rx相對于發送時鐘Tx落后時，激活信號JUMP 21。因此使時鐘Rx提前。
當本地時鐘基準Rx相對于發送時鐘Tx領先時，激活信號FREEZE22。因此使時鐘Rx延遲。
模塊17激活信號21JUMP、22FREEZE、23INIT和具有Tupdate周期的20RTZ。
當網絡傳輸延遲中的變化超過緩沖存儲器6的補償容量IPDV時，通過激活信號INIT來重新初始化本地時間計數器18。重新初始化值是接收到的分組的時間標簽的值。
模塊18接收信號21JUMP、22FREEZE和23INIT作為輸入。
模塊18將本地時間計數器18設置為時間。
信號JUMP使本地時間計數器增加2，即1個時鐘片刻(clocktick)Rx+1 jump＝2。
信號FREEZE使本地時間計數器的增加失效，即1個時鐘片刻Rx-1freeze＝0。
在兩個判決時刻Tupdate之間，以定期方式在本地時鐘Rx8的頻率的定時處增加本地時鐘計數器18。
計數器18對時鐘Rx(8)和jump 21和freeze 22信號所發出的校正進行積分(數學意義)。因此向差分器9提供了新的本地時間13。
圖4和5表示在圖3中描述的設備的改進。
該改進通過添加估計器24形式的快速收斂模塊，使得可以改進啟動時的收斂時間。
快速收斂大大地減少了定時恢復系統的鎖定時間。
估計器24如圖5所示地執行學習階段。一旦結束了學習階段，則前進到如圖4所示地校正平均延遲的階段。
學習階段調用估計理論。按照該術語的數學意義，任何平均數估計器都適用于執行模塊24的估計功能。例如，實驗平均數計算是本領域技術人員公知的完全適當的無偏估計器。
從輸入減法器15的結果中減去估計器24所計算的平均延遲估計值。由于到達它的采樣具有兩個相位，所以模塊15還被稱為相位比較器。
RTP分組承載有90KHz時間標簽，該標簽是27mHz處的時鐘Tx的采樣。
當接收到RTP分組時，對信號13(從動時鐘Rx的相位)進行采樣。
減法器的輸出19確定相位變化或延遲。由于從動信號的相位并不精確地跟隨FTP分組中包含的相位，所以該延遲也被稱為相位誤差。
估計器24目的在于計算從動電路啟動處的平均延遲。模塊30驅動該估計器。對通過從動電路接收的前n個分組進行計數。一旦接收到了n個分組，模塊30傳遞使算術平均計算有效的估計結束信號。為了簡化硬件實現，可以從2的冪中選擇n。
根據最大容忍估計誤差來確定采樣的數目n。該數目n取決于使用設備的環境，尤其取決于從動電路和希望的性能。估計理論以及尤其是Studdent定律的應用使得可以快速確定要考慮的采樣數目m。在優選實施例中，n固定在8192。
在前n個分組期間，系統累積相位誤差，以便獲得其平均數并且將平均數存儲在模塊24中。
模塊32修改RTP分組的時間標簽值(90KHz處的采樣)，以便在接收處獲得與本地時間計數器Rx一致的值。
模塊26產生通過分頻本地時鐘Rx8使用的27MHx時鐘而獲得的100Hz的采樣時鐘。模塊26所產生的該時鐘使得可以基于邊緣地觸發獲取模塊17所做出的判決，并且在有效時使得可以對圖6中描述的數字濾波器31進行采樣。
相位校正與從信號Jump(21)中減去信號FREEZE(22)相對應。然后，通過加法器28將該校正提供給由本地時鐘驅動的計數器18。如果在時鐘片刻期間，決定要進行相位校正，即jump或freeze，則使計數器增加值1+x，其中x嚴格地為正(+1)或負(-1)。X也可以是1的倍數，以便增加從動電路的增益。
圖6表示用于再生圖2的時鐘使得可以使相位噪聲最小化的模塊7的改進。
具體地，本發明基于非線性核函數。非線性系統的屬性之一使輸出噪聲與輸入噪聲不相關。噪聲的概念應該被認為是隨機的。它賦予輸入和輸出信號不可預測的變化，僅知道這些信號的期望和方差。輸入噪聲是施加到RTP分組的網絡抖動。輸出噪聲與該非線性從動電路的判決誤差(jump或freeze)相關。這引起判決誤差，判決誤差是相位噪聲。該相位噪聲也許大于例如MPEG標準的特定標準的穩定性需求。
因此，本實施例提出了要執行時鐘恢復設備的信號上游和/或下游的數字處理，以便將相位噪聲的傳播僅限制于希望的組件。
因此，圖6的設備包括數字低通濾波器31。
數字低通濾波器31可以是IIR或FIR類型。
作為應用所希望的函數，來確定濾波器31的斜率。
例如，在MPEG的情況下，要實現的目的是頻率漂移。在這種情況下，必需40dB/dec的衰減或-2的斜率。
定位濾波器31的極點，使得一方面低頻部分(LF)中的相位調制模板能夠容忍不希望的相位調制(即相位噪聲)的幅度LF，另一方面截止頻率處于低頻相位調制幅度和濾波器的特定斜率(例如對于在MPEG框架中接受的漂移為2)相交部分處。
圖7表示圖6所示的改進設備的第二實施例，其中不同地設置計數器。
圖8表示可以用于圖6和7中的、應用于符合MPEG-2標準設備的低通濾波器的示例模板。確定截止頻率，使得相位誤差的幅度LF(以秒表示)與MPEG-2標準的相位圖兼容。
經常使用兩個需要注意的值·HF相位誤差(抖動)和LF相位誤差(漂移)之間的界限在10mHz(相位調制頻率)處·HF部分(抖動＞10mHz)中的相位誤差的幅度小于或等于500ns。
可以包括第二上游處理，以便可以進行濾波器的最佳操作，而與系統的輸入噪聲無關。因此，圖9提出了包括偽噪聲生成模塊32的本發明的另一個改進。
模塊32被放置于設備的輸入處，并且可以與系統的輸入噪聲無關地進行濾波器的最佳操作。根據最大噪聲標準值，偽噪聲的添加可以使從動電路的操作穩定。由于從動電路是非線性的，所以并不直接將輸入噪聲轉送到輸出。偽噪聲的添加并不修改整體性能，而限制噪聲的整體漂移。如果偽噪聲具有與輸入噪聲相同的功率，則變化局限于因子2，而不是對數尺度上幾十量級的變化。如果偽噪聲的方差等于輸入噪聲的方差，則在輸入處的噪聲的漂移以2的比率發生變化。噪聲的漂移從偽噪聲的方差(沒有網絡抖動)變化到偽噪聲和網絡噪聲的方差和。
偽噪聲生成器的極點用于向系統的輸入噪聲疊加隨機噪聲，以便使從動電路的原生極點(native pole)穩定，并且使其遠離低通濾波器的極點。偽噪聲的另一個目的是使從動電路的性能穩定，而與配置條件無關。
可以使用由其期望和其方差限定的任意偽噪聲發生器。在優選實施例中，使用表現出均勻規律的噪聲的發生器。
根據控制理論，當偽噪聲的方差等于輸入噪聲的方差時，實現了極點的最大穩定性。
添加偽噪聲還使得可以控制這種系統的瞬間啟動相位，并使它們可預測，而與輸入噪聲無關。
應該注意到，可以將本發明所述的各個改進組合到一起，或者單獨使用這些改進。
權利要求
1.一種分組數據傳輸網絡中的時間從動設備，每個數據分組包括時間標簽，所述設備包括暫存器裝置(6)，用于接收從所述網絡接收到的分組，其特征在于暫存器裝置(6)具有能夠記錄在取決于網絡(5)特性的預定時間(IPDV)內接收的數據的存儲容量，所述設備還包括用于再生本地接收時鐘、作為輸入分組的時間標簽的函數的裝置(7)，用于在取決于所述預定時間(IPDV)和再生的本地時鐘的時刻讀取時間暫存器裝置中的數據的裝置。
2.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，當所述預定時間(IPDV)和再生的本地時鐘之間的差值大于要從暫存器裝置(6)輸出的下一個分組的時間標簽的值時，讀取暫存器裝置(6)中的數據的裝置適用于讀取暫存器裝置(6)中的數據。
3.根據權利要求1或2所述的設備，其特征在于，再生本地時鐘的裝置能夠對在取決于本地時鐘(Rx)和數據分組的發送時鐘(Tx)的頻率的兩個時刻之間接收到的數據分組的本地接收時鐘(Rx)和數據分組的時間標簽之間的差異進行求和。
4.根據前述權利要求之一所述的設備，其特征在于，所述設備包括減少啟動時的收斂時間的裝置。
5.根據前述權利要求之一所述的設備，其特征在于，所述設備包括減少相位噪聲的裝置(31)。
6.根據權利要求4所述的設備，其特征在于，減少相位噪聲的裝置(31)包括數字低通濾波器。
7.根據前述權利要求之一所述的設備，其特征在于，所述設備包括產生偽噪聲的裝置(32)。
8.一種分組數據傳輸網絡中的時間從動方法，每個數據分組包括時間標簽，所述方法包括暫存(6)從所述網絡接收到的分組的步驟，并且特征在于在存儲步驟期間，在取決于網絡(5)特性的預定時間(IPDV)內存儲數據，所述方法還包括步驟再生本地接收時鐘，作為輸入分組的時間標簽的函數，在取決于所述預定時間(IPDV)和再生的本地接收時鐘的時刻讀取暫存器裝置中的數據。
全文摘要
本發明涉及一種分組數據傳輸網絡中的時間從動設備，每個數據分組包括時間標簽，所述設備包括暫存器裝置。根據本發明，所述設備的特征在于暫存器裝置具有能夠記錄在取決于網絡特性的預定時間(IPDV)內接收的數據的存儲容量，所述設備還包括再生裝置，用于再生本地接收時鐘，作為輸入分組的時間標簽的函數，讀取裝置，用于在取決于所述預定時間(IPDV)和再生的本地時鐘的時刻讀取時間暫存器裝置中的數據。
文檔編號H04J3/06GK1934810SQ200580009106
公開日2007年3月21日 申請日期2005年3月3日 優先權日2004年3月22日
發明者讓-呂克·蘇拉爾, 勞倫特·瑪麗, 休伯特·普里爾, 曹曉峰 申請人:湯姆森許可貿易公司