CN1669290B - 用于具有挂钟的系统的抖动补偿方法 - Google Patents

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Abstract

描述一种在数据分组传输时通过时钟时间导出的时间戳补偿数据分组上的抖动的方法。这导致发送时间戳。根据数据分组的发送时间戳和产生的接收时间戳之间的比较来补偿抖动，借此接收时间戳从与导出发送时间戳的时钟时间相同的时钟时间被导出。该比较提供时间延迟信息，该信息用于计算需要的最小和最大缓冲器尺寸，用于吸收传输介质的接收机端处实际上经历的抖动。该方法同样适合于诸如MPEG、DVB和DSS的实时应用。

Description

用于具有挂钟的系统的抖动补偿方法
技术领域
本发明涉及一种在数据分组传输时通过时钟时间导出的时间戳补偿数据分组抖动的方法，其中数据分组的传输产生发送时间戳。
本发明还涉及一种包括通过传输介质互相耦合的发射机和接收机的传输系统，该发射机包括发射机挂钟和发送时间标记装置，发送时间标记装置耦合到发射机挂钟以在数据分组传输到接收机时对其打上时间标记，以及本发明还涉及在上述传输系统使用的发射机、接收机和信号，该传输系统适合应用上述的方法。
背景技术
这样一种方法和传输系统从US 6,259,694B1中已知。在巳知的方法中使用源分组，在例如数字视频广播(DVB)系统中，源分组包括4字节的源分组报头和188字节的传输流数据。在源分组报头中，当例如运动图像专家组-传输流(MPEG-TS)数据利用同步分组(IP)通信通过传输介质发送到接收机时，25比特表示用于抑制抖动的时间戳。接收机包括存储设备、例如用于存储接收到的数据分组的先进先出(FIFO)缓冲存储器。该缓冲存储器必须具有能够吸收已接收的数据分组上的抖动的尺寸，该抖动是传输介质引入的。
存在的缺点是如果抖动很高，为了保证可靠数据传输，接收机中的缓冲器尺寸基本上增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种补偿抖动的改良方法和传输系统，即使已接收的数据经历大量的、变化的抖动时该传输系统也能工作良好，而不需要大的缓冲器尺寸。
此外依照该发明的方法的特征在于根据数据分组的发送时间戳和产生的接收时间戳之间的比较来补偿抖动，以及从与导出发送时间戳的时钟时间相同的时钟时间导出接收时间戳。
类似地，依照本发明的传输系统的特征在于接收机包括一个类似于发射机挂钟的接收机挂钟、耦合到接收机挂钟的用于在收到数据分组时产生时间戳的接收时间标记装置、以及耦合到接收时间标记装置的用于补偿数据分组抖动的抖动补偿装置。
由于在所谓挂钟中相同的时钟时间或者相同的互相有关的时钟时间值被用于导出发送时间戳和接收时间戳的事实，所以可以进行一个有意义的比较以提供关于数据分组在传输到接收机之后实际上经历抖动的可靠信息。为了吸收传输介质的接收机端处实际上经历的抖动，因此提供的时间延迟信息提供计算需要的最小和最大缓冲器尺寸的基础。
即使在数据分组的网际协议通信情况下，其作为在通信介质(例如因特网，其抖动且特别是变化的抖动非常多)上同步协议(IP)通信的一种可能形式，缓冲器尺寸可最佳定制到要被补偿的期待抖动。目前实际可行的是为实时应用进行有效和可靠的抖动补偿的IP数据通信，虽然给定抖动限制，但是接收机的缓冲器尺寸可以被有利地最小化。
依照本发明的方法和传输系统的另一个优点是不管个人应用协议是否完整地被开发，可以应用实时应用的几种可用类型。这种实时应用的实例是：通过IP的MPEG 1-2TS分组、或者数字视频(DV)分组、通过IP的IEC 958数字音频分组或者数字卫星系统(DSS)分组。
依照本发明方法的实施例的特征在于数据分组是包含一个或多个传输流分组的同步分组。
因为对于一个IP分组只有一个发送或者接收时间戳，该IP分组例如可以包括7个传输流(TS)分组，所以该实施例有利地提供高时间戳效率。
依照本发明方法的另一个实施例的特征在于在IP分组中存在的传输流分组上应用额外的抖动补偿机制。
因为TS分组上的抖动对于一些诸如例如MPEG的应用可能仍然太高，所以通过额外的抖动补偿机制补偿在IP分组内的个别TS分组的剩余抖动。早期的抖动补偿和额外的抖动补偿有利地工作在不同的且互相独立的ISO通信层上。
依照本发明方法的另一个实施例的特征在于至少一些传输流分组包括一个相关的时间戳，该时间戳在额外的抖动补偿机制中驱动一个锁相环。
有利的是因为TS分组被嵌入数据或者IP分组中，在每个IP分组内他们的抖动通常被限制，这意味着现在开始这种借助这些相关的时间戳驱动PLL以产生稳定的振荡器频率的可能，以减少IP分组内包括的传输流数据分组上的抖动。
依照本发明方法的另一个实施例的特征在于一个PCR分组中包括相关的时间戳，该分组优选地是同步协议分组中的第一分组。
如果PCR分组是IP分组中的第一分组，则有利地是PCR分组上的抖动很小。因此PLL频率将是非常精确的。
依照本发明方法的另一个实施例的特征在于相关的时间戳取决于数据分组的发送时间戳和产生的接收时间戳之间的比较。
如果同步协议分组内的个别传输分组的抖动没有被限制，则作为时间戳比较结果的精确时间延迟可用于提供有效的IP分组内部抖动补偿。
传输流分组可具有可变比特率，这仍然意味着在IP分组内部比特率是固定的，但是IP分组之间的时间可以不同。同时传输流分组可以包括所谓的部分TS分组，这意味着一些TS分组不被IP分组考虑。可是在所有这些情况下，仍然可以应用依照本发明的方法，而不需要过多的缓冲器尺寸。
附图说明
现在，参考附图，进一步阐明依照本发明的抖动补偿方法和传输系统连同其附加的优点，其中相同的参考编号表示类似的元件。
在附图中：
图1显示包括依照本发明的传输系统的几个可能实施例的框图；
图2显示表示被传送到缓冲存储器的字节数量的图表，该缓冲存储器在图1的传输系统中应用的接收机中被使用；以及
图3显示通过图1的传输系统通信的具有可变比特率的MPEG传输流分组。
具体实施方式
图1显示传输系统1，该系统包括发射机2和通过例如像因特网这样的所谓分组交换网络4互连的接收机3。在这种网络4中，数据分组通过网络4彼此独立地从发射机2发送到接收机3。通过网络4发送的每个数据分组在一些接收机缓冲器中结束之前经历不同的延迟，藉此甚至收到的分组顺序可能已经被改变了。因为在接收机的输出端分组的顺序是正确的且他们相互的时间延迟应该在精密公差内；对于MPEG，最大的时间容差是500nsec，这对实时应用提出了问题。目前实时应用的其它实例是：MPEG1或者2传输流(TS)分组通信、数字视频广播(DVB)、IEC 958数字音频分组或者因特网上的数字卫星系统(DSS)分组等等，因此最后提到的应用形式还不具有协议。在通常的实时应用中，这些与视频点播有关的应用同样变得越来越重要。为了解决经历的传输延迟，用于完成可靠实时传输的接收机缓冲器尺寸是相当大的。通过在发射机2和接收机3两者中使用时间标记，该时间标记基于公共时钟5或者在全世界提供相同时间的发射机/接收机挂钟，在接收机3中每个已接收的数据块的传输延迟是已知的。这样所需的接收机缓冲器尺寸是已知的并且可以被最小化。
发射机2包括例如MPEG-2传输流的数据源6，该MPEG-2传输流包括在一个时基上的MPEG-2TS分组，该时基通常从27MHz时钟或者计数器基准中导出，这里称作系统时间时钟(STC)。MPEG传输流可以包括几种节目，每种节目中包含音频、视频和系统传输流分组。来自音频、视频或者基本系统流的传输流分组在传输流中以这种不发生缓冲器下溢或者溢出的方法被多路复用。重要的是保持单个分组的定时关系，则保证不会发生缓冲器下溢或者溢出。
当通过接口发送MPEG传输流时，在IP分组中可以包括TS分组，由此一个或者多个、例如7个TS分组被封装在一个IP分组中以形成所谓的实时协议(RTP)类型IP分组。如果IP分组的最大尺寸被限制到1500字节，那么最大为7的TS分组可以是一个IP分组中的分组。
实际上来源于27MHz计数器的4字节应用时间戳同样经常被增加到TS分组以产生具有所谓源分组的TS分组。这个时间戳用于补偿在单个分组上的抖动。
这里IP分组可配备来自耦合到发射机挂钟5的发送时间标记装置7提供的发送时间戳。例如实际发送时间戳可以表示IP分组中第一个字节被传达到发射机的瞬间。现在，IP分组通过网络4发送，当接收机3接收到该IP分组时，耦合到接收机挂钟9的接收时间标记装置8向例如计算装置10提供接收时间数据。计算装置10根据接收机挂钟9计算在IP分组的发送和接收之间的时间延迟，该接收机挂钟9指示具有与发射机挂钟5的基本时间基准相同的时间。计算出来的时间延迟被用在抖动补偿装置11中以补偿IP分组的传输抖动和一般积累的延迟-例如缓冲器延迟。在装置11中示意指出的所需缓冲器尺寸等于最大比特率乘以IP分组的最大延迟。
在图2中用图形表示接收机3需要的缓冲存储器字节数量之间随着时间的关系。从左到右图2示出：输入到发射机2，指示为′A′；输入到接收机3，指示为′B′；以及从接收机3输出，指示为′C′。A水平地减C提供即时的延迟，同时可以垂直地找到即时的缓冲器内容，为了解决(coop with)延迟，该缓冲器内容必须被存储在缓冲器中。如果需要，可以从那里导出最小和最大的缓冲器尺寸。
图3显示具有可变比特率的MPEG传输流分组的实例，该分组适用通过系统1的传输。这里每个第一TS分组包含一个节目时钟基准(PCR)，该节目时钟基准充满对应于STC且特别是上述发送时间戳数据的时间戳数据。在这种情况下，以两个接连的PCR分组之间的比特率是恒定的方式进行传输流分组的多路复用。这是所谓的“完整”传输流的性质。在选择一个传输流的节目之后，可以通过从未使用的节目中消除未使用的传输流分组来减少比特率。这样产生了部分传输流。接口上的比特率减少，并当存储所选定的节目时存储容量同样会减少。为了避免解码器(下溢/溢出)中的缓冲器问题，需要在STC时基上保持与选择的传输流分组相同的定时。现在两个接连的PCR分组之间的比特率不再是常数。
应该注意，不是所有的IP分组都必须配备PCR分组。如果例如接连的Par之间的距离小于100msec(经常小于40msec)，并且为2Mbyte/sec的比特率，在前一种情况下在两个Par之间有200K字节，这是大约1000个传输流分组，很明显不是所有的IP分组都包含PCR分组。图2中显示在周期ta期间的比特率比周期tb期间的比特率高。
系统1还包括传输流抖动补偿装置12，该装置被耦合到抖动补偿装置11以便补偿IP分组内存在的TS分组的抖动。传输流抖动补偿装置12除需要的系统缓冲器之外包括锁相环(PLL)。PLL可被锁定在输入PCR上作为相关的时间戳，用于在包含在IP分组中的TS数据分组之间的抖动减少的帮助下产生稳定和精确的振荡器频率。如果PCR分组是IP分组中的第一个分组，PCR分组上的抖动会很小，于是PLL频率将非常精确。
为了在接收机3恢复完整传输流，两个PCR之间的所有数据分组被存储在系统缓冲器中。然后，分组被平均地分布在两个PCR之间的间隔中。对于该方法，缓冲器必须是相当大的、即几百K字节。
要恢复承载PCR的TS分组上的部分传输流抖动是可能的，但是不可能补偿在其它分组上的抖动。因此导出新的部分传输流，该传输流没有缓冲器下溢或者溢出。假设相关的缓冲器没有发生溢出或者下溢，通过模拟音频与视频缓冲器的内容可以产生新的适应的部分传输流。
利用PCR分组上的大的抖动，接收机3中的PLL或者计数器将遇到过多的抖动并不会接收到可靠的同步数据。对于这种情况和避免产生新的部分传输流的情况，如在现有技术中已知的，4字节的应用时间戳被增加到每个TS分组中，以便指定与应用相关的时间。
在这个替换的实施例中，PLL可以被计数器替代，该计数器被设为MPEG传输流中的PCR。每个传输流分组前面的时间戳被用来补偿单个传输流分组上的抖动。这个方法用于“完整”以及“部分”传输流。
在传输系统1的另一个替换实施例中，通过IP分组的发送时间戳和接收时间戳定义的计算的时间延迟时间可用于设置PCR。在一个IP分组中，来自两个挂钟以及MPEG应用的时间戳被发送。通过将发送的挂钟时间戳与接收机3上的挂钟值作比较，就知道该分组发生什么延迟。那么同样知道27MHz的计数器的值应该是什么。这种分组每隔一定间隔被重复以避免漂移27MHz时钟和挂钟。其它IP分组同时包括27MHz时间戳和例如7个传输流分组的有效负荷。倘若发送的传输流分组在该分组之前不包含MPEG时间戳，首先PCR分组首先处于STC时基的正确位置。为了在接收机3恢复完整传输流，两个PCR之间的所有数据分组被存储在系统缓冲器中。然后该分组被平均地分布在两个PCR之间的间隔中。对于该方法，缓冲器必须是相当大的、即几百K字节。
为了恢复部分传输流，不能补偿TS分组上的抖动。现在通过模拟音频与视频缓冲器的内容导出新的部分传输流。生成一个新的适应的部分传输流，该传输流不提供缓冲器的溢出或者下溢。倘若发送的传输流分组在该分组之前包括MPEG时间戳，那么可以通过使用这个时间戳补偿每个分组上的抖动。

Claims (15)

1.一种在接收机(3)通过网络(4)接收来自发射机(2)的数据分组的方法，数据分组包括发送时间戳，该方法包括步骤：
在接收到数据分组时，通过时间标记装置(8)产生接收时间戳，
该方法还包括步骤：
通过耦合到时间标记装置(8)的抖动补偿装置(11)，补偿数据分组抖动，
该抖动补偿装置(11)包括用于吸收所述抖动的缓冲器，特征在于，发送时间戳和接收时间戳是基于公共时钟，
该方法还包括步骤：
通过计算装置(10)计算发送时间戳与接收时间戳之间的时间延迟，所述计算的时间延迟提供计算缓冲器需要的缓冲器尺寸的基础，其中该发送时间戳被包含在节目时钟基准PCR分组中作为同步协议类型数据分组的第一分组。
2.依照权利要求1的方法，其特征在于所述数据分组是包含一个或多个传输流分组的同步协议分组。
3.依照权利要求2的方法，其特征在于传输流分组包括应用时间戳，接收机(3)还包括具有计数器的传输流抖动补偿装置(12)，该方法包括步骤：
通过计数器，利用应用时间戳补偿传输流分组的抖动。
4.依照权利要求1的方法，其特征在于接收机(3)还包括具有锁相环PLL或计数器的传输流抖动补偿装置(12)，该方法包括步骤：
将锁相环PLL锁定在节目时钟基准PCR分组上，或者将计数器设到节目时钟基准PCR分组。
5.依照权利要求1的方法，其特征在于所要求的缓冲器尺寸等于最大比特率乘以计算出的最大时间延迟。
6.依照权利要求2的方法，其特征在于所述传输流分组具有可变比特率。
7.依照权利要求2的方法，其特征在于所述传输流是一个部分传输流。
8.一种传输系统，包括发射机(2)和用于通过网络(4)接收来自发射机(2)的数据分组的接收机(3)，该发射机(2)包括发射机挂钟(5)和发送时间标记装置(7)，该发送时间标记装置(7)耦合到发射机挂钟(5)以在向接收机发送数据分组时对数据分组提供发送时间戳，接收机(3)包括接收机挂钟(9)和接收时间标记装置(8)，该接收时间标记装置(8)耦合到接收机挂钟(9)以在接收到数据分组时产生接收时间戳，并且接收机(3)还包括耦合到接收时间标记装置(8)的抖动补偿装置(11)，用于补偿数据分组抖动，该抖动补偿装置(11)包括用于吸收所述抖动的缓冲器，特征在于，发射机挂钟(5)和接收机挂钟(9)构成公共时钟的一部分，并且发送时间戳和接收时间戳是基于该公共时钟，接收机(3)还包括计算装置(10)，用于计算发送时间戳与接收时间戳之间的时间延迟，所述计算的时间延迟提供计算缓冲器需要的缓冲器尺寸的基础，其中发送时间戳被包含在节目时钟基准PCR分组中作为同步协议类型数据分组中的第一分组。
9.依照权利要求8的传输系统，其特征在于所述数据分组是包含一个或多个传输流分组的同步协议分组。
10.依照权利要求9的传输系统，其特征在于传输流分组包括应用时间戳，接收机(3)还包括具有计数器的传输流抖动补偿装置(12)，利用应用时间戳补偿传输流分组的抖动。
11.依照权利要求8的传输系统，其特征在于接收机(3)还包括传输流抖动补偿装置(12)，该传输流抖动补偿装置(12)包括锁定在节目时钟基准PCR分组上的锁相环PLL或者包括设到节目时钟基准PCR分组的计数器。
12.依照权利要求9的传输系统，其特征在于所述传输流分组具有可变比特率。
13.依照权利要求9的传输系统，其特征在于所述传输流分组构成部分传输流的一部分。
14.一种适合在依照权利要求8-13中的任一个传输系统中应用的发射机(2)，特征在于，发射机(2)包括系统时间时钟STC，用于将应用时间戳添加到传输流分组以被包括在数据分组中，从而通过在接收机(3)比较数据分组的发送时间戳和接收时间戳，知道数据分组发生什么延迟，以及知道系统时间时钟STC的值应该是什么，数据分组在接收机(3)每隔一定间隔被重复，以避免漂移系统时间时钟。
15.一种通过网络(4)接收来自发射机(2)的数据分组的接收机(3)，数据分组包括发送时间戳，该接收机(3)包括用于在收到数据分组时生成接收时间戳的接收时间标记装置(8)，并且接收机(3)还包括耦合到接收时间标记装置(8)的用于补偿数据分组上的抖动的抖动补偿装置(11)，该抖动补偿装置(11)包括用于吸收所述抖动的缓冲器，特征在于，发送时间戳和接收时间戳是基于公共时钟，接收机(3)还包括计算装置(10)，用于计算发送时间戳与接收时间戳之间的时间延迟，所述计算的时间延迟提供计算缓冲器需要的缓冲器尺寸的基础，其中发送时间戳被包含在节目时钟参考PCR分组中作为同步协议类型数据分组中的第一分组。
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