CN1052366C - 形成数据传输帧的方法及进行该方法的系统 - Google Patents

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Abstract

一种电视信号传输系统包括：多路传输器(34)，用来组合压缩的视频数据信号和一个或几个辅助数据信号从而形成被多路传输的信号在固定带宽的通道上传输。多路传输器(34)被控制以便改变构成多路传的信号的成分的比例，从而确保响应收到的压缩视频数据信号而产生的满意的再现图象质量。压缩视频数据信号在和辅助数据组合之前可以被缓冲(26)，在这种情况下，多路传输器(34)也被控制以便改变构成多路传输信号的成份为比例，从而维持缓冲器(26)的充满度为一可接受的水平。

Description

形成数据传输帧的方法及进行该方法的系统
本发明一般地说涉及一种形成数据传输帧的方法及进行该方法的系统，具体地说涉及一种多路传输压缩的电视信号以及一个或多个辅助数据信号的系统。
近来提出了几种用数字地传输压缩的电视信号的系统。例如，高清晰度电视(HDTV)以及压缩的NTSC都采用这一技术。图1是现有技术中这种系统的典型结构。在这系统中，数字视频信号被送到离散余弦变换DCT电路10和视频压缩器12。由DCT10产生的变换系数被送到感觉模型(PM)电路14，它产生反映输入信号的感觉性质的输出信号。美国专利No.5,113,256中披露了这种电路的一个例子。视频压缩器12最好包括现有技术中熟知的运动预测编码器(例如MPEG种类中的)，它提供压缩的可变速率的视频输出信号。压缩视频信号被送到缓冲器16，它作为调节器以固定的速率向打包器18提供压缩的视频信号，具体地说，代表缓冲器的充满度的控制信号反馈回压缩器12，和PM14的输出一道，控制压缩器的操作，以便把缓冲器的充满度维持在用以支持提供固定速率的输出信号所需的正常水平上。这就是说，当缓冲器的充满度减小时，压缩器12被操作实现减小的压缩程度，使得产生更多的视频数据来增加缓冲器的充满度。在另一方面，当缓冲器的充满度增加时，则使压缩程度增加，使得较少的视频数据供给缓冲器。最后，被形成包的压缩的固定速率的视频信号被送到发送器20通过合适的通道进行发送。
虽然这种HDTV系统并不一定限于上述，但可以预料在这种系统中，陆地的HDTV广播将在各个6MHz的电视通道上实现，并除去压缩的视频信息之外，希望广播者能进一步把传输系统用于辅助数据服务，例如用于分页系统，提供物资报价等类似的服务。借助于出租电视通道内的频谱提供这些辅助的服务的所得收入，广播者至少可以部分地抵消一些安装和操作HDTV广播设备的费用。为了得到最多的收入，希望把尽量多的通道频谱用于辅助数据服务，同时又不给再现的HDTV信号的质量带来不利影响。图1所示的这种现有技术中的系统尤其不适用于这一目的，这是因为由视频信息的固定速率传输带来不灵活性的缘故。
因此，本发明的目的在于提供一种形成数据传输帧的方法，所述数据传输帧包括多个包的辅助数据和可变速率压缩视频数据，所述压缩视频数据代表源视频信号，所述方法包括以下步骤：确定由所述源视频信号和所述压缩视频信号代表的可再现图象质量之差；根据所述差的正向函数，调整构成所述数据帧的压缩视频数据包的数量。
本发明的另一目的是，提供一种上述形成数据传输帧的方法的系统。
本发明用于进行形成数据传输帧的方法的系统包括：用来产生代表源视频信号的可变速率的压缩数字视频数据信号的装置(22)；用来产生代表所述源视频信号和所述压缩视频信号之间的可再现图象质量之差的控制信号的装置(28)；用来产生代表用于一个或多个辅助数据服务的至少一个辅助数据信号的装置(40)；用来多路传输所述辅助数据信号和所述压缩视频数据信号从而产生被多路传输的输出信号的装置(34)；以及控制装置(32)，响应所述控制信号当所述差分别增加和减少时，用来增加和减少在所述被多路传输的信号中的所述压缩视频数据信号的相关量。
所述进行形成数据传输帧的方法的系统，还包括：用来产生多个有效性信号的装置(22，40)，每个代表所述压缩视频数据信号和所述辅助数据信号的可利用性；所述多路传输装置(34)包括多个缓冲器(60a-60n)，每个可被启动用以存储各个所述的数据信号中的一个，每个所述缓冲器(60a-60n)被指定优先相对等级并被操作，使具有最高优先相对等级的缓冲器(60a-60n)响应其相关的有效性信号的存在被启动，存储所述压缩视频数据信号，并且每个其余的缓冲器(60a-60n)响应与其相关的有效性信号的存在并且响应与较高的优先相对等级的缓冲器(60a-60n)有关的有效性信号的不存在而被启动，存储所述各个辅助数据信号；以及用来读出所述缓冲器(60a-60n)中存储的数据信号形成所述数据帧的装置(68，78)。
本发明的这些和其它的特点和优点在结合附图阅读以下的说明之后会更加清楚，其中：
图1是用来压缩和传输视频信号的现有技术系统的方块图；
图2是按照本发明在所选的通道上传输压缩视频信号和一个或几个辅助数据信号的系统的方块图；
图3说明在图2的感觉质量电路2中包含的变换(mapping)函数的一系列例子；
图4说明在图2的多路传输控制电路中包括的查表存储器的例子；
图5是图2的包形器36和38以及多路传输器34的实施例；
图6说明本发明的数据帧的例子；以及
图7A和7B说明图6的数据帧的标题结构。
参见图2，如同图1中现有技术系统一样，数字视频信号被送到DCT电路20和视频压缩器22，这两个电路可以和图1的相应电路10和12基本相同。此外，如图1的系统一样，由DCT20产生的变换系数被送到PM24(它可以和图1的PM14基本相同)，其输出控制压缩器22。压缩器22的可变速率的输出送给缓冲器26。
输入的数字视频信号也被送给减法电路28，它的另一输入端接收来自压缩器22的压缩视频信号。减法器28包括用来产生一个输出信号的所需电路，所述输出信号代表输入的视频信号和由压缩器22提供的输入的视频信号的相应的压缩型式之间的差。这输出信号例如可以包括输入的视频信号和在减法器28中响应压缩器22的压缩输出产生的相应的解压信号之间的RMS误差。应当理解，这解压号代表响应接收的压缩的视频信号在电视接收机中应当被再现的视频信号。
由减法器28产生的误差信号被送到感觉质量电路30的一个输入端。其另一个输入端接收PM24的输出信号。如美国专利NO.5,113,256所述由PM24产生的输出信号识别输入视频信号的感觉特征以帮助压缩器22的操作。按照本发明，在PM24的输出中所反映的视频信号的感觉特征也被感觉质量电路30所利用，以便适当地加权由减法器28产生的RMS误差信号。具体地说，参见图3，感觉质量电路30包括一组变换函数(mapping function)PC，每个相应于PM24的一种不同的输出。例如，可以以查表存储器的形式执行每个变换函数PC0在图3中示出了三个这样的函数PC0-PC2，其中每一个相应于视频信号的一种不同的感觉特征(例如边缘，纹理等)。应当理解，虽然PC0-PC2所示不为同的线性函数，但可以相同的方式使用各种其它形状的函数。
再参见图3，由减法器28产生的误差信号被变换函数PC0-PC2中的一个进行变换，成为加权的感觉误差信号WPE，所述变换函数由PM24的输出进行选择。因此，由减法器28产生的误差信号的加权是视频信号的相应部分的感觉特征的函数，电路30的输出信号WPE被送到多路传输控制电路32的一个输入端，信号WPE代表响应由压缩器22产生的压缩视频信号再现的视频图象的可感觉的质量。代表缓冲器26的充满度的信号送到多路传输控制电路32的第二个输入端。
参见图4，多路传输控制电路32可以包括查表存储器，用来把缓冲器充满度和WPE输入信号转换成为一个输出值，利用该输出值产生多路传输，控制信号VDA。多路传输控制，信号被送到多路传输器34的选择输入端S，多路传输器34在其A、B输入端接收一对包形成器36和38的各自的输出。包形成器36的输入端和缓冲器26的输出端相连，而包形成器38的输入端被输入来自源40的辅助数据信号。辅助数据源40响应多路传输控制信号VDA的补码被启动。虽然所示为一个数据源，但应当理解，数据源40可以包括几个不同的可间断的辅助数据源。此外，或与上述的相结合，数据源40可以包括一个或几个这种类型的辅助数据源，即它只要求在给定的时间间隔内维持某一平均数据速率，例如伴随着压缩视频信号的音频信号。多路传输器34的输出包括输入给其输入端A或B的被形成包的信号，由加于选择输入端S的多路传输控制信号VDA确定，该输出和发送器42相连，从而在选择的通道上发送。多路传输控制电路32的另一输出作为控制输入供给视频压缩器32。
实际上，辅助数据源40例如可以包括适合于在电视通道上和压缩的视频信号分时地多路传输的任意数量的数据服务。在这方面，包形成器36和38最好把辅助数据和压缩视频信息以类似的帧但具有不同的子标题形成包，使得不同的接收机可以响应两个或几个不同的数据流。在任何时间间隔内传输的每个类型数据的量由多路传输控制电路32确定，最好在子标题内被编码，多路传输控制电路32选择地操作多路传输器34，以便把来自包形成器36或38的数据送给发送器42。
再参见图4，在表中的每个值代表一个给定时间间隔例如数据帧的百分数，在此期间多路传输器34被操作，以便把来自输入端A的形成包的压缩视频信息送到发送器42。在此给定时间间隔的其余时间内，辅助数据源40被启动，并把形成包的辅助数据从多路传输器输入端B送到发送器42。
按照本发明的一个重要方面，视频信息的传输具有高于任何辅助数据传输的优先级。这样，对图4的查寻表进行编程，从而提供足够的视频信息的传输，以便确保电视接收机响应可接受的感觉质量再现视频图象。当然，为达此目的所需的数据量和视频信号的性质有很大关系。同时，查寻表也被编程。以防止缓冲器26溢出。在这些约束下，传输系统所有多余的容量都可用来传输辅助数据。
可再现的视频图象的可感觉的质量用由电路30产生的信号WPE表示，缓冲器26的充满度用控制信号BF表示。如图4的表中所示，被编程的值。随控制信号WPE和BF的增加而增加。这样，当信号WPE增加时，就会使通道的大部分用于传输视频数据而通道的较小的部分用来传输辅助数据。在这些条件下，来自多路传输控制器32的控制信号加于压缩器32，以便减少被压缩的程度并借以增加供给缓冲器26的压缩视频数据的量。假定WPE现在开始减少，则发生相反的情况。即通道的较小部分用于传输视频数据而较大部分用于传输辅助数据。此外，对任何给定的WPE值，当缓冲器的充满度增加时，则通道的较多部分用于传输视频数据。此外，可由多路传输控制器32对压缩器22施加一控制信号来增加正被进行的压缩的程度。
作为例子，假定由发送器42以每帧有N包的连续的帧发送数据，每包或者包括压缩的视频数据(由子标题CV识别)或者包括辅助数据(由子标题AUX识别)。假定缓冲器26的充满度为50％，并且WPE＝WPE1，每帧将包括0.7N压缩视频包和0.3N辅助数据包。如果WPE增加到WPE2，则比率变为0.9N压缩视频包和0.1N辅助数据包，以试图快速增加可再现视频图象的可感觉的质量。在另一方面，如果WPE减少为WPE0，则较少的视频数据(0.5N包)和较多的辅助数据(0.5N包)被传输。可以看出，响应缓冲器充满度的变化也可实现系统操作中的类似的变化。在极端情况下(或者WPE或者BF为过大的值)，整个通道可用于传输视频数据。
图5所示为图2的多路传输器34和包形成器36、38的例子。正如下文所要详细说明的。图5的电路是可操作的，用来多路传输在缓冲器26的输出端提供的可变速率的压缩视频数据信号和一个或几个辅助数据流，以优先级为原则形成图6所示的数据帧。该电路还可以操作用来在每个数据帧的预定位置插入标题44，标题44包括若干子标题46和一个或几个字节的数据48，用来识别在各个标题44中子标题46的数(见图7A)。每个子标题46(见图7B)用来识别构成数据帧的各个多路传输数据流，子标题46包括第一部分50，用来识别相应数据流的类型(例如视频、音频辅助数据等)，第二部分52，用来识别构成数据帧的数据流的字节数。
再参见图5，压缩视频数据信号从缓冲器26送到两个帧延迟缓冲器60a的数据输入端。缓冲器60a在其写(WR)入端也接收时钟信号(CLK)，在其写启动(WREN)输入端也接收多路传输控制电路32的输出信号VDA(视频数据有效)。CLK和VDA信号也分别被送到计数器62a的时钟和启动输入端。计数器62a的输出和锁存器64a的输入相连，在每一数据帧开始时产生的帧同步信号使锁存器同步，然后使计数器重置。正如下文要详细说明的，从缓冲器60a输出的视频数据被送到多路传输结点，同时，代表当前数据帧的被缓冲过的视频数据流中字节数的锁存器64a的输出通过总线70送到微处理器68，用来帮助构成视频子标题(见图7A，7B)。
对于每个辅助数据流，提供了一种类似的结构，辅助数据流当中可能具有几个包括伴随视频数据的音频数据流。这样，由辅助数据源40提供的每个辅助数据流AUX1-AUXN，被连接于各个缓冲器60b-60n的数据输入端，其输出被分别送到多路传输结点66。每个缓冲器60b-60n被各自的“与”门72b-72n的输出启动，并在其WR输入端接收CLK信号。每个“与”门72b-72n的反相输入端被输入反映每个各自的前一数据流的状态有效性的信号，而其非反相输入端被输入相关数据流的有效性信号(ADIA…ADNA)。每个“与”门72b-72n的输出也被送到各自的第二“与”门74b-74n的一个输入端，在其第二输入端也接收CLK信号。“与”门74b-74n的输出AUX1RCLK-AUXNRCLK被反馈到辅助数据信号AUX1-AUXN的各自的源，从而使每个这种信号从其源中与CLK信号同步地被读出。
每个缓冲器60b-60n也包括一个相关计数器62b-62n，其输出供给各自的锁存器64b-64n。每个锁存器的输出通过总线70送到微处理器68，用来帮助构成相关的子标题。每个计数器62b-62n用时钟信号CLK同步，并响应其相关“与”门72b-72n的输出被启动。此外，象视频数据通道中一样，帧同步信号使锁存器64b-64n同步，然后重置计数器62b-62n。正如下文要详细说明的，上述结构提供了一种等级结构，使得不同的数据流按从顶到底的顺序被给予优先级，最高的优先级被给予视频数据，下一最高优先级被给予AUXI数据，依此类推。这样，所有可利用的视频据在形成数据帧时首先被使用，然后使用所有可利用的AUXI数据，并依此类推，直到帧被完全构成为止。
再参见图5，帧同步信号也被送到微处理器68的中断输入、I/O逻辑单元76的一个输入以及两级多字节FIFO78的输入。FIFO78被连在总线70和I/O逻辑76的第二输入之间。I/O逻辑76包括可操作的输出，用来启动存储在每个数据缓冲器60a-60n的输出级的数据字节使其被读到多路传输结点66，还有另一输出，用来操作连在多路传输结点66和一对数据缓冲器80和82之间的开关SW1。缓冲器80和82的输出由第二开关SW2连接到输出多路传输器84的第一输入端，开关SW2的状态由微处理器68的输出控制，多路传输器84具有连于总线70上的第二输入端和由微处理器60的输出控制的选择输入端(SEL)。
作为图5所示电路的操作的一个例子，假定第一帧同步信号已经清除计数器62a-62n，并假定一些压缩视频数据(即最高优先级的数据)可用来构成下一个数据帧。因此，视频有效性信号VDA为有效，从而启动缓冲器60a和计数器62a并禁止其余的缓冲器60b-60n和计数器62b-62n。用于这一帧视频数据的可利用的字节因而响应时钟信号CLK被加载进入缓冲器60a，这一帧以后被称为帧A。与此同时，计数器62a被时钟信号CLK同步，从而维持存储在缓冲器60a中的视频数据的字节数的连续计数。
在帧A结束之前的某点，假定不再有可用于传输的视频数据，并因此信号VDA而成为无效。如果在此时有效性信号AD1A为有效，这意味着来自第一辅助数据源的数据(即第二个最高优先级数据)是可利用的，“与”门72b将启动缓冲器60b，以便加载第一辅助数据，并启动计数器62b对在缓冲器中装载的数据字节数进行计数。一旦所有可利用的第一辅助数据，只要有的话)被装载进缓冲器60b中，有效性信号AD1A就成为无效，并对每一相继的辅助数据源依次重复同一处理。可以理解，如果任何一个或几个源中没有可利用的数据，即相应的有效性信号为无效，则这一源就被跳过因而没有数据被装进相应的缓冲器中。
在用于帧A的所有数据被存储在缓冲器60a-60n中之后，下一帧同步信号把由计数器62a-62n积累的字节计数锁存在各自的锁存器64a-64n中，并重量计数器62a-62n。然后，缓冲器60a-60n根据相同的优先权由用于下一帧即B帧的数据进行装载，同时由各个计数器62a-62n累加每个缓冲器的字节计数。与此同时，存储在锁存器64a-64n中的相应于帧A的数据的字节计数通过总线70传送给微处理器68，它使用所述计数构成并存储用于帧A的标题，如图7A，7B所示。此外，帧A的计数被写入两级多字节FIFO78的输入级。
下一个帧同步信号把帧B的由计器62a-62n累加的字节计数锁存进锁存器64a-64a中，并再次重置计数器62a-62n。微处理器68使用这些计数构成并存储帧B的标题，帧B的计数也被写入FIFO的输入级，借以使帧A计数被传送到FIFO78的输出级。伴随着这一帧同步信号，缓冲器60a-60n开始装载用于下一帧即帧C的数据。与此同时，I/O逻辑76操作开关SW1，把多路传输结点66连接于缓冲器80，并顺序地启动缓冲器60a-60n，把帧A的数据读入缓冲器80。可以理解，每个缓冲器60a-60n被I/O逻辑76响应存储在FIFO78的输出级中的相应的帧A字节计数而启动。
对下一帧重复上述过程，但把开关SW1连接于缓冲器82上。使得用于帧B的数据将被存储在这一缓冲器中。与此同时，帧A数据被从缓冲器80中读出，并被送到开关SW2，开关SW2被微处理器68操作，把缓冲器80的输出连接到多路传输器84的输入端。在数据帧的第一段期间内，微处理器68向输出多路传输器84的SEL输入端提供一个信号，使得存储的帧A标题通过总线70送到多路传输器的输出端。在这一帧的其余时间内，多路传输器84被操作，使得把来自缓冲器80和开关SW2的帧A数据连接于其输出端。在随后的帧的期间内，即当帧B被存储在缓冲器60a-60n的输入级的同时，开关SW1被操作，以便把来自缓冲器60a-60n的输出级的帧C数据存储在缓冲器80中，同时存储在缓冲器82中的帧B数据带着合适的帧B标题出现在多路传输器84的输出端。对全部随后的数据帧重复上述处理，从而在多路传输器84的输出端提供几个连续的数据帧，其中每个都包括一个合适的标题和不同数量的压缩视频数据以及来自各个辅助数据源的辅助数据。
至此已说明的是一种改进的系统，用来通过所选择的电视通道自适应地多路传输压缩视频数据和用于广播的辅助数据，该系统被控制使得在任何给定的时间传输，为确保可再现的视频图象的满意的感觉质量而刚好必需的视频数据。

Claims (14)

1.一种形成数据传输帧的方法，所述数据传输帧包括多个辅助数据和可变速率压缩视频数据的包，所述压缩视频数据代表源视频信号，其特征在于包括下列步骤：
确定由所述源视频信号和压缩视频信号表示的可再现图象质量之差；以及
作为所述差的函数调整在所述数据帧中的压缩视频数据和辅助数据的包数。
2.如权利要求1所述形成数据传输帧的方法，其特征在于还包括下列步骤：
把所述压缩视频信号送到缓冲器上；以及
响应所述缓冲器的充满度控制在所述数据帧中的辅助数据和压缩视频数据的包数。
3.如权利要求1所述形成数据传输帧的方法，其特征在于所述确定步骤包括确定响应所述源视频信号和所述压缩视频信号的可再现图象的可感觉质量之差的步骤。
4.如权利要求1所述形成数据传输帧的方法，其特征在于所述确定步骤包括：
产生代表所述源视频信号和所述压缩视频信号的解压表示之间的差的误差信号并按照源视频信号的感觉特征加权所述误差信号以便确定所述的差。
5.一种进行权利要求1所述形成数据传输帧的方法的系统，其特征在于包括：用来产生代表源视频信号的可变速率的压缩数字视频数据信号的装置(22)；用来产生代表所述源视频信号和所述压缩视频信号之间的可再现图象质量之差的控制信号的装置(28)；用来产生代表用于一个或多个辅助数据服务的至少一个辅助数据信号的装置(40)；用来多路传输所述辅助数据信号和所述压缩视频数据信号从而产生被多路传输的输出信号的装置(34)；以及控制装置(32)，响应所述控制信号当所述差分别增加和减少时，用来增加和减少在所述被多路传输的信号中的所述压缩视频数据信号的相关量。
6.如权利要求5所述进行形成数据传输帧的方法的系统，其特征在于还包括用来缓冲所述压缩视频数据信号并产生代表其充满度的第二控制信号的装置(26)，所述控制装置(32)还响应所述第二控制信号，按所述第二控制信号的反逆函数控制所述被多路传输的信号中的所述压缩视频数据信号的相对量。
7.如权利要求5所述进行形成数据传输帧的方法的系统，其特征在于所述控制信号产生装置(28)包括用来产生相应于响应所述源视频信号和所述压缩视频信号而可再现的图象可感觉的质量之差的控制信号的装置(30)。
8.如权利要求5所述进行形成数据传输帧的方法的系统，其特征在于所述控制信号产生装置(28)包括用来产生误差信号的装置，所述误差信号代表所述源视频信号和所述压缩视频数据信号的解压表示之间的差；以及按照源视频信号的感觉特征加权所述误差信号从而产生所述控制信号的装置(30)。
9.如权利要求5所述进行形成数据传输帧的方法的系统，其特征在于，所述多路传输装置(34)提供输出的多路传输信号，它包括一系列连续的数据帧，每个所述数据帧包括总数为固定的数据包，其中的可变的量包括压缩数字视频信号，其余的包括所述一个或多个辅助数据信号。
10.如权利要求9所述进行形成数据传输帧的方法的系统，其特征在于还包括用于在每个所述的数据帧内插入标题(44)的装置(34，36，38)，所述标题(44)包括多个子标题(46)，用来识别或者所述压缩数字视频信号或者所述一个或多个辅助数据信号之一以及在各个信号的在相关数据帧中的数据量。
11.如权利要求5所述进行形成数据传输帧的方法的系统，其特征在于还包括用来产生多个有效性信号的装置(22，40)，每个代表所述压缩视频数据信号和所述辅助数据信号的可利用性；所述多路传输装置(34)包括多个缓冲器(60a-60n)，每个可被启动用以存储各个所述的数据信号中的一个，每个所述缓冲器(60a-60n)被指定优先相对等级并被操作，使具有最高优先相对等级的缓冲器(60a-60n)响应其相关的有效性信号的存在被启动，存储所述压缩视频数据信号，并且每个其余的缓冲器(60a-60n)响应与其相关的有效性信号的存在并且响应与较高的优先相对等级的缓冲器(60a-60n)有关的有效性信号的不存在而被启动，存储所述各个辅助数据信号；以及用来读出所述缓冲器(60a-60n)中存储的数据信号形成所述数据帧的装置(68，78)。
12.如权利要求11所述进行形成数据传输帧的方法的系统，其特征在于，所述每个数据信号包括一个或多个数据字节，并包括用来对存储在各个所述缓冲器(60a-60n)中的所述数据信号的数据字节数进行计数的装置(62a-62n)，还包括用来在所述数据帧的预定位置插入所述数的读出装置(68，76)。
13.如权利要求12所述进行形成数据传输帧的方法的系统，其特征在于所述读出装置(68，78)包括响应所述的数用来依次启动每个所述缓冲器(60a-60n)从而输出其中存储的各个数据信号的装置。
14.如权利要求11所述进行形成数据传输帧的方法的系统，其特征在于，还包括用来同步地提供要在所述缓冲器(60a-60n)中存储的所述数据信号的装置(CLK，64a-64n)
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