DE69920987T2

DE69920987T2 - Transportstrommultiplexer für komprimierte Video- und Audiodaten

Info

Publication number: DE69920987T2
Application number: DE69920987T
Authority: DE
Inventors: Mayer D. Portland Schwartz
Original assignee: Tut Systems Inc
Current assignee: Arris Technology Inc
Priority date: 1998-01-27
Filing date: 1999-01-26
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2019-01-27
Also published as: EP0932307B1; EP0932307A3; US6310898B1; DE69920987D1; EP0932307A2

Description

STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft die Video- und Audio-Komprimierungstechnologie und im Besonderen einen MPEG-2-Transportstrom-Multiplexer zur Verknüpfung von Programmelementarvideo- und Audioströmen, die aus einem oder mehreren Programmen bestehen, so dass kein Prozessor-basiertes Kopieren erforderlich ist, und wobei sämtliche Datenbewegungen durch Direktspeicherzugriff (DMA) ausgeführt werden.
Zulässige MPEG-2 Transportströme sind vollständig definiert in International Standard ISO/IEC 13818-1, Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio: Sytems (11/94). Ein MPEG-2 Transportstrom weist 188-Byte Transportstrompakete (TS als englische Abkürzung von Transport Stream) auf. Jedes TS-Paket wird durch einen bestimmten 13-Bit-Paketidentifikator (PID) identifiziert. Jeder Audio- und Videoelementarstrom ist durch denn PID eindeutig identifiziert, der in den TS-Paketen verwendet wird, die diese aufweisen. Zusätzliche PIDs weisen programmspezifische Informationen (PSI) auf, die eine Programmzuweisungstabelle (PAT) und eine Programmabbildungstabelle (PMT) aufweisen, welche das vollständige Transportstrommultiplexmuster beschreiben. Ein derartiges Multiplexmuster weist ein Programm oder mehrere Programme auf, die jeweils einen oder mehrere Elementarströme aufweisen. Jedes TS-Paket weist einen Header und Daten auf. Der Header weist ein Synchronisationsbyte, den Paket-PID, einen Vier-Bit-Durchgangszähler sowie andere Informationen auf. Die Elementarströme werden als paketisierte Elementarströme (PES) gekapselt, bevor sie in die TS-Pakete aufgeteilt werden.
Benötigt wird ein komprimierter Video- und Audiotransportstrom-Multiplexer zur Verknüpfung von Elementarströmen und programmspezifischen Informationen ohne einen Mikroprozessor mit übermäßigem Kopieren zu belasten.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vorgesehen ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Multiplexer gemäß dem gegenständlichen Anspruch 1.
Vorgesehen ist gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren gemäß dem gegenständlichen Anspruch 8.
Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein komprimierter Video- und Audiotransportstrom-Multiplexer, der die Belastung eines Mikroprozessors reduziert, indem vorab ein Multiplexmuster in dem lokalen Speicher des Mikroprozessors erzeugt wird. Der Mikroprozessor weist einen DMA-Controller auf, und ein Montagepuffer wird in dem lokalen Speicher für DMA-Steuerblöcke zugewiesen. Es werden Transportstrom-Header ebenso erzeugt wie spezielle Header für den Takt und das Stopfen. Ein Nullpaket wird vorgesehen und programmspezifische Tabellen werden für das Multiplexmuster erzeugt. Paketisierte Elementarströme von verschiedenen Quellen werden in paketisierte Elementarstrompuffer geladen. Die DMA-Steuerblöcke werden in dem Montagepuffer gefüllt und die Daten werden von dem lokalen Speicher gemäß dem Multiplexmuster übertragen, um Ausgangstransportstrompakete vorzusehen.
Die Aufgaben, Vorteile und weitere neuartigen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung deutlich, wenn diese in Verbindung mit den anhängigen Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine Blockdiagrammansicht eines Systems zum Erzeugen eines MPEG-2 Transportstroms aus paketisierten Elementarströmen unter Verwendung eines komprimierten Video- und Audiotransportstrom-Multiplexers gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Ansicht des lokalen Speichers, wobei der Montagepuffer gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht wird; und
3 ein Flussdiagramm des Prozesses zur Voraberzeugung eines Multiplexermusters gemäß der vorliegenden Erfindung.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In folgendem Bezug auf die Abbildung aus 1 sehen eine oder mehrere Quellen 10 paketisierte Elementarströme (PES) für ein oder mehrere Programme vor. Jedes Programm kann Video- oder Audio-PES-Ströme oder beide aufweisen. Die PES-Ströme werden in speziellen Bereichen des lokalen Speichers 12 des Mikroprozessors gespeichert, auf den durch einen Mikroprozessor 14 zugegriffen wird, der einen DMA-Controller aufweist (DMA als englische Abkürzung von Direct Memory Access). Das Speichern der PES-Ströme in dem lokalen Speicher 12 kann im Verhältnis zueinander und zu dem Multiplexingprozess asynchron erfolgen: Die Kombination des lokalen Speichers 12 und dem Mikroprozessor/DMA-Controller 14 dient als komprimierter Video- und Audiotransportstrom-Multiplexer 16. Der Mikroprozessor/DMA-Controller 14 verschachtelt die PES-Ströme mit entsprechenden Tabellen, die das Multiplexmuster in den Transportstrom definieren, der daraufhin an einen globalen Bus 18 geschrieben wird, wie etwa einen PCI-Bus (PCI als englische Abkürzung von Peripheral Component Interconnect), in einen globalen Speicher 20 oder über jede andere physikalische Schnittstelle übertragen, die mit einem DMA-Controller gekoppelt werden kann. Aus dem globalen Speicher 20 kann der Transportstrom als Teil eines ATM-Nachrichtenstroms über einen entsprechenden Netzwerkschnittstellen-Controller (NIC) 22 übermittelt werden, der mit dem PCI-Bus 18 gekoppelt ist.
Die folgenden Multiplexing-Funktionen werden durch den Transportstrom-Multiplexer 16 während der Erzeugung eines gültigen MPEG-2 Transportstroms ausgeführt: (1) das Einfügen von TS-Paketen, die PSI aufweisen; (2) das Aufteilen der PES-Pakete in einzelne TS-Pakete mit entsprechenden TS-Paket-Headern; (3) Sicherstellen, das Durchgangszähler ordnungsgemäß verwaltet werden; (4) das Einfügen von NULL-Paketen nach Bedarf; und (5) das Einfügen von Programmtaktreferenzen (PCR). Der Mikroprozessor/DMA-Controller 14 übernimmt diese Funktionen und überträgt Daten von dem lokalen Speicher 12, der für den Mikroprozessor zugänglich ist, und zwar als Transportstrom an einen Ausgangskanal oder eine physikalische Schnittstelle, wobei es sich dabei zum Beispiel um einen globalen PCI-Speicher 20 handeln kann.
Die durch den Transportstrom-Multiplexer 16 ausgeführte Multiplexfunktion erfordert keinerlei Kopieren von Daten oder des Headers durch den Mikroprozessorabschnitt des Mikroprozessor/DMA-Controllers 14. Wie dies in der Abbildung aus 2 dargestellt ist weist ein zirkulärer Montagepuffer 24 eine Mehrzahl (n) von Elementen 26 auf, wobei jedes Element ein Paar von DMA-Steuerblöcken aufweist, so dass die DMA-Steuerblöcke zusammengekettet werden. Jeder DMA-Steuerblock weist mindestens einen lokalen Adresszeiger in den lokalen Speicher 12 (Quelle) auf, einen globalen Adresszähler in den globalen Speicher 20 (Ziel) und ein Längenfeld, wobei alle Werte eine Byte-Ausrichtung aufweisen. Jedes TS-Paket ist durch das Paar von DMA-Steuerblöcken dargestellt oder ein Element 26 des zirkulären Montagepuffers 24, einen Block für den TS-Header und andere für alle Daten. Die beiden Feldlängen entsprechen insgesamt 188 Byte. Der Durchgangszähler in dem TS-Paket-Header entspricht Modulo 16, so dass eine Anordnung mit 16 Elementen aus 4-Byte-TS-Paket-Headern 30 für jeden Elementarstrom, die Programmabbildungstabelle (PMT) und die Programmzuweisungstabelle (PAT) gestaltet wird, die in den Transportstrom eingefügt wird. Die PMT- und PAT-Tabellen definieren die PSI-Informationen, die das Multiplexmuster des Transportstroms anzeigen. Ferner existiert ein TS-Paket-Header-Vorrat 34, der TS-Paket-Header mit Programmtaktreferenzen (PCRs) und mit Stopfbytes aufweist. Bei einer bestimmten Gesamtbitrate des Transportstroms stellt der zirkuläre Montagepuffer 24 der DMA-Steuerblöcke x Sekunden der TS-Pakete dar. Es wird genug Header-Speicher zugewiesen, um im schlimmsten Fall mindestens x Sekunden der Header zu speichern. Zur einfacheren Erläuterung stellt der abgebildete Puffer 24 einen einzigen Elementarstrom dar, und es sind keine PSI-Tabellen abgebildet.
Die untere Reihe des zirkulären Montagepuffers 24 stellt die Längen dar, und jedes Element 26 weist zwei Werte auf, einen Header-Wert und einen Datenwert. Zum Beispiel weist ein Element die Werte 27/61 auf, wobei die Summe 188 Byte entspricht. Andere Elemente weisen 4/184 und 39/149 auf. Für jede Länge gibt es einen zugeordneten Zähler, der auf andere Tabellen oder Speicherbereiche in dem lokalen Speicher 12 zeigt. Diese Tabellen werden vorab erstellt. Die PES-Ströme der Quellen 10 werden in einen PES-Puffer 28 eingegeben, der mehrere Datenframs (Video oder Audio) aufweist. Ein Nullpaket 32 wird vorgesehen, und der Vorrat 34 an Speicher für die TS-Header wird erzeugt. Der Header-DMA-Steuerblock für das TS-Paket 27/161 weist einen Zeiger auf, der aus dem Header-Vorrat 34 eine Referenz zu einem, ersten TS-Paket-Header vorsieht, der den TS-Header plus PCR aufweist. Der Daten-DMA-Steuerblock zeigt auf den Beginn der Daten aus dem PES-Puffer 28, wobei er 161 Datenbyte aus dem PES-Strom extrahiert. Somit werden die Header- und die begleitenden PES-Daten aus dem lokalen Speicher 12 ausgelesen und als ein TS-Paket mit der ordnungsgemäßen Syntax als Teil des Transportstroms zu einem globalen Speicher 20 übertragen. Bei einem Nullpaket zeigen die Header- und Daten-DMA-Steuerblöcke entsprechend auf den Header und die Daten des Nullpakets 32. Für eine Fortsetzung der PES TS-Pakete wird über die Header-Tabelle 30 auf die PIDs zugegriffen, und es wird auf die Daten in der Sequenz aus dem PES-Puffer 28 zugegriffen. Für den letzten Abschnittdes PES-Stroms, der den Frame vollendet, jedoch kein TS-Paket füllt, wird über den Header-Vorrat 34 auf den TS-Stopf-Header zugegriffen, und Stopfbytes werden gemeinsam mit den verbleibenden PES-Bytes in das TS-Paket aufgenommen, um den Frame zu vollenden.
Der zirkuläre Montagepuffer 24 kann gestaltet werden, während Daten in den MTS-Transportstrom multiplexiert werden. Neue Paket-DMA-Steuerblöcke werden in den Montagepuffer 24 eingefügt, während alte entfernt werden. Es gibt vier Zeiger, die den Montagepuffer 24 darstellen: sp -- ein Zeiger auf das erste Element 26 in dem Puffer; ep -- ein Zeiger auf das letzte +1 Element in dem Montagepuffer; outp -- ein Zeiger auf das nächste aus dem Puffer zu entfernende Element; und inp -ein Zeiger auf das nächste verfügbare Element in dem Puffer. Zum Beispiel weist der Puffer 24 bei einer Implementierung eine Größe von 64 Element auf, und die Anzahl der Elemente wird für eine Puffergröße von 1,504 Sekunden bei einer maximalen Transportstrom-Bitrate von 65.536 Mbs oder einer Puffergröße von 65.536 TS-Paketen ausgewählt. Dies führt zu der Zuweisung von 5 Mbytes lokalem Speicher 12 für den Montagepuffer 24.
Zur Berechnung eines Platzierungsmusters von TS-Paketen mit Audio-, Video- und PSI-Informationen wurde von den folgenden Annahmen ausgegangen:

(1) Video- und Audioströme mit konstanter Bitrate, wobei Stopfen etwaige Unterschiede ausgleicht;
(2) Bei Video gibt die Quelle PES-Pakete aus, wobei jedes Paket ein separates Bild oder einen separaten Video-Frame darstellt;
(3) Unbenutzte TS-Pakete, mit freien Plätzen bei Video, werden mit Nullpaketen gefüllt;
(4) Jeder Audio-Frame befindet sich in einem separaten PES-Paket, wobei der Elementarstrompuffer 28 basierend auf dme Audio bemessen ist;
(5) PCRs werden vorab in den Video-TS-Paketen platziert; und
(6) Die Anzahl der TS-Pakete in dem PSI-Strom ist durch 16 teilbar, so dass Sequenznummern vorab bestimmt werden können.

Der Mikroprozessor/DMA-Controller 14 gemäß der Abbildung aus 3 weist den zirkulären Montagepuffer 24 für die DMA-Steuerblöcke zu. Danach wird die Anzahl der für einen Audio-PES-Frame erforderlichen Audio-Slots berechnet. Eine Gruppe von PAT- und PMT-Tabellen wird codiert, um die Anzahl der für die PSI erforderlichen Pakete zu bestimmen und danach wird die Anzahl der Gruppen von Tabellen berechnet, teilbar durch 16 und im Einklang mit der PSI-Periode und dem MPEG-Standard. Zuletzt werden die Anzahl der verfügbaren Video-Slots. und eine unterstützbare Bitrate bestimmt, wobei der PMT Videodeskriptoren hinzugefügt werden. Aus dem durch die PSI bestimmten Multiplexmuster werden die Audio-TS-Paketpunkte in dem Montagepuffer 24 platziert, wobei die PSI-TS-Paketzeiger in dem Montagepuffer platziert werden, wobei die Video-TS-Paketzeiger in dem Montagepuffer platziert werden, und wobei die PCR-TS-Paketpunkte in dem Montagepuffer platziert und initialisiert werden. Die unterstützbare Videobitrate wird dem Quellenkomprimierungscodierer zugeführt, um die Codierung der Videodaten zu steuern.
Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung somit ein komprimierter Video- und Audiotransportstrom-Multiplexer, der DMA-Zeiger vorab in Form von Steuerungen von DMA-Steuerblöcken für Header und Tabellen berechnet, welche das Multiplexmuster definieren, und wobei danach der Transportstrom aus den vorab erzeugten Headern und Tabellen sowie Elementarströmen mit paketisierten Daten gemäß dem definierten Multiplexmuster gebildet wird.

Claims

Komprimierter Video- und Audiotransportstrom-Multiplexer, der folgendes umfasst: einen lokalen Speicher (12); und eine Einrichtung zur Zuweisung eines Montagepuffers (24) in dem lokalen Speicher (12) für eine Mehrzahl von Direktspeicherzugriffssteuerblöcken (26), die Transportstrompakete darstellen; eine Einrichtung zur Erzeugung von Headern (30) und Tabellen, die ein Multiplexmuster definieren; eine Einrichtung zur Platzierung der Direktspeicherzugriffssteuerblöcke (26) in dem Montagepuffer (24) gemäß dem Multiplexmuster; eine Einrichtung zur Bestimmung der erforderlichen Anzahl von Transportstrompaketen für die paketisierten Elementarströme gemäß dem Multiplexmuster; und eine Einrichtung zur Erzeugung eines Ausgangstransportstroms in Form von Transportstrompaketen aus der Mehrzahl paketesierter Elementarströme (PES) und der erzeugten Header (30) sowie Tabellen gemäß dem Multiplexmuster.
Multiplexer nach Anspruch 1, der ferner eine Einrichtung zum Laden einer Mehrzahl paketisierter Elementarströme in eine Mehrzahl paketisierter Elementarstrompuffer in dem lokalen Speicher umfasst.
Multiplexer nach Anspruch 2, der ferner eine Einrichtung zum Aufteilen der paketisierten Elementarströme in Transportstrompakete umfasst.
Multiplexer nach Anspruch 3, wobei die Einrichtung zur Zuweisung eines Montagepuffers (24) in dem lokalen Speicher (12) für eine Mehrzahl von Direktspeicherzugriffssteuerblöcken (26) eine Einrichtung zum Zuweisen eines Montagepuffers (24) in einem lokalen Speicher (12) für eine Mehrzahl von Direktspeicherzugriffssteuerblöcke (26) umfasst, wobei jedes Paar von Direktspeicherzugriffsblöcken (26) ein Transportstrompaket darstellt.
Multiplexer nach Anspruch 4, wobei jedes Paar von Direktspeicherzugriffssteuerblöcken einen Direktspeicherzugriffssteuerblock für einen Transportstrompaket-Header und einen Direktspeicherzugriffssteuerblock für Transportstrompaketdaten umfasst.
Multiplexer nach Anspruch 4, wobei jeder Direktspeicherzugriffssteuerblock (26) einen lokalen Adresszeiger aufweist, der dem lokalen Speicher zugeordnet ist, der eine Quelle des Transportstrompakets darstellt, und mit einem globalen Adresszeiger, der einem globalen Speicher zugeordnet ist, der ein Ziel für das Transportstrompaket darstellt.
Multiplexer nach Anspruch 3, der ferner eine Einrichtung zur Verwaltung einer Mehrzahl von Durchgangszählern umfasst, die den Transportstrompaketen zugeordnet sind.
Verfahren des Multiplexens eines komprimierten Videotransportstroms, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Zuweisen eines Montagepuffers (24) in einem lokalen Speicher (12) für eine Mehrzahl von Direktspeicherzugriffssteuerblöcken (26); Erzeugen von Headern (30) und Tabellen, die ein Multiplexmuster definieren; Platzieren der Direktspeicherzugriffssteuerblöcke (26) in dem Montagepuffer (24) gemäß dem Multiplexmuster; Bestimmen der Anzahl der erforderlichen Transportstrompakete für paketisierte Elementarströme gemäß dem Multiplexmuster; und Erzeugen eines Ausgangstransportstroms in Form von Transportstrompaketen aus einer Mehrzahl paketisierter Elementarströme (EPS) und der erzeugten Header (30) sowie Tabellen gemäß dem Multiplexmuster.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verfahren ferner das Laden einer Mehrzahl paketisierter Elementarströme in eine Mehrzahl paketisierter Elementarstrompuffer in dem lokalen Speicher umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verfahren ferner das Aufteilen der paketisierten Elementarströme in Transportstrompakete umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Zuweisen eines Montagepuffers (24) in einem lokalen Speicher (12) für eine Mehrzahl von Direktspeicherzugriffssteuerblöcken (26) das Zuweisen eines Montagepuffers (24) in einem lokalen Speicher (12) für eine Mehrzahl von Direktspeicherzugriffssteuerblöcken (26) umfasst, wobei jedes Paar von Direktspeicherzugriffssteuerblöcken (26) ein Transportstrompaket darstellt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verfahren ferner das Verwalten eines lokalen Adresszählers für jeden Direktspeicherzugriffsspeicherblock umfasst, wobei der Zeiger dem lokalen Speicher zugeordnet ist, der eine Quelle des Transportstrompakets darstellt, und mit einem globalen Adresszähler, der einem globalen Speicher zugeordnet, ist, der ein Ziel für das Transportstrompaket darstellt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Verfahren ferner das Verwalten von Durchgangszählern umfasst, die den Transportstrompaketen zugeordnet sind.