EP0800747A1 - Dispositif de multiplexage numerique de programmes video - Google Patents

Dispositif de multiplexage numerique de programmes video

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EP0800747A1
EP0800747A1 EP95942247A EP95942247A EP0800747A1 EP 0800747 A1 EP0800747 A1 EP 0800747A1 EP 95942247 A EP95942247 A EP 95942247A EP 95942247 A EP95942247 A EP 95942247A EP 0800747 A1 EP0800747 A1 EP 0800747A1
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EP
European Patent Office
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channel
auxiliary
encoder
frame
bit rate
Prior art date
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Ceased
Application number
EP95942247A
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German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Michel Masson
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Nortel Networks France SAS
Original Assignee
Matra Communication SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Matra Communication SA filed Critical Matra Communication SA
Publication of EP0800747A1 publication Critical patent/EP0800747A1/fr
Ceased legal-status Critical Current

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    • H04N21/23—Processing of content or additional data; Elementary server operations; Server middleware
    • H04N21/236—Assembling of a multiplex stream, e.g. transport stream, by combining a video stream with other content or additional data, e.g. inserting a URL [Uniform Resource Locator] into a video stream, multiplexing software data into a video stream; Remultiplexing of multiplex streams; Insertion of stuffing bits into the multiplex stream, e.g. to obtain a constant bit-rate; Assembling of a packetised elementary stream
    • H04N21/2365—Multiplexing of several video streams
    • H04N21/23655—Statistical multiplexing, e.g. by controlling the encoder to alter its bitrate to optimize the bandwidth utilization
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    • H04N19/146—Data rate or code amount at the encoder output
    • H04N19/15—Data rate or code amount at the encoder output by monitoring actual compressed data size at the memory before deciding storage at the transmission buffer
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    • H04N19/134—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using adaptive coding characterised by the element, parameter or criterion affecting or controlling the adaptive coding
    • H04N19/146—Data rate or code amount at the encoder output

Definitions

  • the present invention relates to devices for the real-time transmission of several video programs, each in the form of a binary data stream representing successive frames, on a transmission channel having a determined bit rate capacity, the device comprising, for each program channel supplying a multiplexer attacking the channel, a video coder having a programmable coding rate.
  • the document EP-A-0 526 201 describes such a video coder, making it possible to adjust, for each group of blocks of pixels of an image, the quantization step so as to maintain the quality of the image at an approximately value constant.
  • weft should be interpreted in a broad sense. It can designate all of the video data necessary to reconstruct a complete image in progressive scanning, all of the data necessary to reconstruct an even or odd frame in interlaced scanning, or even assistance data making it possible to reconstruct an image with from a previous image.
  • the invention finds a particularly important, although not exclusive, application in transmission devices according to the MPEG2 video standard, which was the subject of recommendation ITU-TH262 (ISO / IEC) 13818-2 published in June. 1994 by the International Telecommunication Union).
  • the MPEG2 standard provides for the implementation of compression algorithms making it possible to generate modifiable bit rate flows for standard resolution images (appendix D.4 to the recommendation above). This possibility is used in particular when coding a delayed-time film for recording on a storage medium.
  • Transmission channels have limited capacity.
  • the solution used at present when several programs are multiplexed on the same channel consists in defining a priori, for each program, the maximum bit rate which it must apply to the multiplexer. This solution is not very satisfactory because it misuses the resources of the channel.
  • the richness of the video information transmitted in each of the programs is very variable. At a given instant, it is statistically probable that at least one coder then has at his disposal a bit rate higher than that which is necessary for him, while another coder will have to apply a compression rate reducing the iconographic quality of the 'image, because it has an insufficient flow.
  • the present invention aims in particular to provide a transmission device of the type defined above, responding better than those previously used to the requirements of practice, in particular in that it allows the best use of the capacity of the transmission channel.
  • the invention uses the existence of coders making it possible to code each frame at a bit rate different from the previous one. It also uses the fact that we know analyze the information from the coding to determine the iconographic quality of the image obtained.
  • the invention therefore proposes a device which comprises: - on each program channel, an image memory having a capacity of at least one frame, placed upstream of the encoder, and an auxiliary encoder receiving the successive input frames at the same time as memory;
  • Such a device performs optimal statistical multiplexing, the nature of which is completely different from that of video coding with a quantization step adjusted for each group of blocks to take account of the sensitivity to distortion.
  • the MPEG2 standard which provides compressed streams with a bit rate between 2 and 15 Mbits / s in main-main profile, and transmission over a satellite channel
  • the most frequent case is that of the transmission of five programs on the same channel.
  • the invention will allow, instead of arbitrarily allocating 8 Mbits / s to each program channel, to adapt the bit rate assigned to it at any time to the richness of the image.
  • the coded video stream has a suitable bit rate and is then split into packets divided into sequences.
  • the description refers to the figure which accompanies it and which is a simplified block diagram, showing a particular mode of implementation of the invention, in the case of a device with two coders supplying the same channel.
  • the device the basic structure of which is shown in FIG. 1, comprises two video program channels 10, and 10 2 supplying a multiplexer 12 which attacks modulation and transmission circuits not shown, since they are not concerned by the invention.
  • Each program channel comprises, in addition to the video stream, a binary stream representing the sound and a stream of service information. They can be added to the video stream upstream of the multiplexer 12.
  • the functions of packetization, multiplexing of the video, sound and service data and of constitution of the queue will be performed in circuits.
  • Each program video channel comprises a programmable encoder 16 with variable bit rate, having a compression rate control input 18.
  • the video stream to be coded is applied to the variable bit rate encoder 16 by means of a memory of image 20 having a capacity at least equal to one frame.
  • Synchronization means not shown, allow writing into memory 20 as the video stream corresponding to a complete frame arrives, and reading from memory with a delay such that the variable bit rate coder 16 receives the stream video with a frame delay.
  • Each channel also includes an auxiliary coder 22 which receives the video stream at the same time as the memory 20.
  • the auxiliary coder 22 is provided for coding each frame with a fixed bit rate, which will generally be such that the resources allocated to each of the channels are the same. In the case of a satellite channel which can accept a bit rate of 40 Mbits / s, the auxiliary encoder 22 will then be provided for coding each image at the video bit rate compatible with a bit rate on the satellite channel of 8 Mbits / s.
  • the auxiliary coder 22 is of a type making it possible to analyze the information resulting from coding and to provide an iconographic quality index. Encoders capable of providing such output information are already known. In particular, an encoder of this type is available from the company C-Cube Microsystems, Milpitas, California. It can also be used as a programmable encoder.
  • a first possibility consists in analyzing the average, over the whole of a frame, of the quantization step implemented in the algorithm for passing from the time domain to the frequency domain (algorithm for transformation into discrete cosine in general).
  • a given quantization step corresponds to a flow.
  • the video coder increases the quantization step during the frame for the groups of pixel blocks concerned, so as not to excessively increase the number of bytes representing the image.
  • Analysis of the mean of the final quantization step over a frame makes it possible to know whether the coder would have required a higher bit rate to represent the image satisfactorily and therefore what quality he obtained with the programmed bit rate.
  • MPEG2 coding which uses intra-frame coded images (I images) coded without reference to other images, predictively coded images (P images) and images coded by bidirectional prediction (B images).
  • I images intra-frame coded images
  • P images predictively coded images
  • B images images coded by bidirectional prediction
  • Another possibility consists in measuring the signal-to-noise ratio between the image before coding and the image after coding. / 01648
  • the coding device also includes a processor 26 which receives the iconographic quality indications provided by the two auxiliary coders 22, which play the role of quality estimators.
  • the auxiliary coders 22 are provided so that they provide an indication of quality to the processor 26 after a period of time less than the frame repetition period.
  • the processor 26 is programmed so as to compare the quality indices it receives either between them or with a reference index. If for example the iconographic qualities of the coded images are comparable, the processor 26 controls the programmable coders 16 so that they use the same compression ratio.
  • the processor programs the video coder of the channel having a richness of image requiring a high bit rate for coding by the corresponding coder 16 to be carried out at a bit rate higher than the nominal bit rate.
  • the distribution algorithm can be of the same kind as that described in the article by Guha et al already cited. It can be implemented by cable or software.
  • the processor 26 and the programmable video coders 16 can in particular be provided to cause coding at a nominal bit rate and at one or two bit rates above and one or two bit rates below the nominal rate, this simple solution being sufficient in most cases.
  • the processor 26 must simultaneously have the evaluations provided, each over a complete frame, by the coder estimators 22 of all the program channels. To facilitate this comparison, it is desirable that the video streams are synchronized, by means not shown, so that the frames are in temporal coincidence. However, it is possible to give up synchronization tion, provided there is an image memory of increased capacity upstream of each estimator coder.
  • the invention is susceptible of numerous variant embodiments.
  • the number of channels can be greater than or less than five.
  • the auxiliary coders 22 which serve as estimators can have multiple coding rates rather than just one.
  • the different channels can be allocated different resources, which leads to giving the auxiliary encoders 22 different bit rates.
  • bit rates can be distributed on the basis of an estimate over a determined number of frames, greater than 1.
  • a drawback of this solution is that image memories must be provided upstream of the encoders. It is also possible to ensure such distribution over several frames by storing surpluses or residues of rates at the end of each comparison by the processor 26, and taking them into account on one frame or following frames.

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Abstract

Le dispositif d'émission de plusieurs programmes vidéo sur un canal de transmission ayant une capacité de débit déterminée, comprend, pour chaque voie de programme alimentant un multiplexeur, un codeur vidéo ayant un débit de codage programmable trame par trame. Il comporte sur chaque voie de programme, une mémoire d'image (20) ayant une capacité d'au moins une trame, placée en amont du codeur programmable (16), et un codeur auxilaire (22) recevant les trames d'entrée successives, avec une trame d'avance sur le premier codeur. Des moyens (26) de comparaison de la qualité des trames codées par les codeurs auxilaires, entre elles ou avec une référence, commandent le débit de codage pour équilibrer les qualités des sorties des différents codeurs.

Description

DISPOSITIF DE MULTIPLEXAGE NUMERIQUE DE PROGRAMMES
VIDEO
La présente invention concerne les dispositifs d'émis- sion en temps réel de plusieurs programmes vidéo, chacun sous forme d'un flux binaire de données représentant des trames successives, sur un canal de transmission ayant une capacité de débit déterminée, le dispositif comprenant, pour chaque voie de programme alimentant un multiplexeur atta- quant le canal, un codeur vidéo ayant un débit de codage programmable.
Le document EP-A-0 526 201 décrit un tel codeur vidéo, permettant d'ajuster, pour chaque groupe de blocs de pixels d'une image, le pas de quantification de façon à maintenir la qualité de 1 ' image à une valeur approximativement constante.
Dans la suite du texte, le terme "trame" doit être interprété dans un sens large. Il peut désigner l'ensemble des -données vidéo nécessaires pour reconstituer une image complète en balayage progressif, l'ensemble des données nécessaires pour reconstituer une trame paire ou impaire en balayage entrelacé, voire même des données d'assistance permettant de reconstituer une image à partir d'une image précédente. L'invention trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les dispositifs d'émission suivant la norme vidéo MPEG2 , qui a fait l'objet de la recommanda ion UIT-TH262 (ISO/CEI) 13818-2 publiée en juin 1994 par l'Union Internationale des Télécommunica- tions) .
La norme MPEG2 prévoit la mise en oeuvre d'algorithmes de compression permettant de générer des flux de débit modifiables pour des images de résolution standard (annexe D.4 à la recommandation ci-dessus) . Cette possibilité est notamment utilisée lors du codage d'un film en temps différé pour enregistrement sur un support de stockage.
Les canaux de transmission ont une capacité limitée. La solution utilisée à l'heure actuelle lorsque plusieurs programmes sont multiplexes sur un même canal (canal satellite par exemple) consiste à définir a priori, pour chaque programme, le débit maximum qu'il doit appliquer au multiplexeur. Cette solution est peu satisfaisante car elle utilise mal les ressources du canal. En effet, la richesse des informations vidéo transmises dans chacun des programmes est très variable. A un instant donné, il est statistique¬ ment probable qu'un codeur au moins a alors à sa disposition un débit supérieur à celui qui lui est nécessaire, alors qu'un autre codeur devra appliquer un taux de compression réduisant la qualité iconographique de l'image, du fait qu'il dispose d'un débit insuffisant.
L'article de Guha et al "multichannel joint rate control of VBR MPEG encoded video for DBS applications" dans IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 40, No. 3, Août 1994 propose un algorithme destiné à allouer, à différents codeurs alimentant un même multiplexeur, des débits qui sont fonction de la complexité des groupes d'images successives à coder et tels que le débit cumulé ne risque pas de provoquer un débordement d'un registre tampon en amont du multiplexeur. Cet algorithme ne permet pas, tel quel, de réaliser des affectations en temps réel, puisqu'on ne connaît pas les images qui vont être ultérieurement reçues et leur richesse en information.
La présente invention vise notamment à fournir un dispositif d'émission du type ci-dessus défini, répondant mieux que ceux antérieurement utilisés aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet d'utiliser au mieux la capacité du canal de transmission.
L'invention utilise dans ce but l'existence de codeurs permettant de coder chaque trame à un débit différent de la précédente. Elle utilise également le fait que l'on sait analyser les informations provenant du codage pour détermi¬ ner la qualité iconographique de l'image obtenue.
L'invention propose en conséquence un dispositif qui comporte : - sur chaque voie de programme, une mémoire d'image ayant une capacité d'au moins une trame, placée en amont du codeur, et un codeur auxiliaire recevant les trames d'entrée successives en même temps que la mémoire ;
- des moyens de comparaison de la qualité des trames codées par les codeurs auxiliaires de chaque voie, entre elles ou avec une référence, et de commande du débit de codage sur les différentes voies pour équilibrer les qualités des sorties des différents codeurs.
Un tel dispositif effectue un multiplexage statistique optimal dont la nature est totalement différente de celle d'un codage vidéo avec un pas de quantification ajusté pour chaque groupe de blocs pour tenir compte de la sensibilité à la distorsion.
Dans le cas particulier de la norme MPEG2 , qui prévoit des flux compressés dont le débit est compris entre 2 et 15 Mbits/s en profil principal-niveau principal, et de la transmission sur un canal satellite, le cas le plus fréquent est celui de la transmission de cinq programmes sur le même canal. Dans ce cas, l'invention permettra, au lieu d'affec- ter de façon arbitraire 8 Mbits/s à chaque voie de program¬ me, d'adapter à tout moment le débit qui lui est affecté à la richesse de l'image. Le flux vidéo codé a un débit adapté et est ensuite fractionné en paquets répartis en séquences. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation donné à titre d'exem¬ ple. La description se réfère à la figure qui l'accompagne et qui est un synoptique simplifié, montrant un mode particulier de mise en oeuvre de l'invention, dans le cas d'un dispositif à deux codeurs alimentant un même canal. Le dispositif dont la constitution de principe est montrée en figure 1 comporte deux voies vidéo de programme 10, et 102 alimentant un multiplexeur 12 qui attaque des circuits de modulation et de transmission non représentés, car ils ne sont pas concernés par l'invention. Chaque voie de programme comporte, en plus du flux vidéo, un flux binaire représentant le son et un flux d'informations de service. Ils peuvent être ajoutés au flux vidéo en amont du multiplexeur 12. Dans la pratique, les fonctions de mise en paquet, de multiplexage des données vidéo, de son et de service et de constitution de file d'attente seront effec¬ tuées dans des circuits 14a et 14b qu'il n'est pas néces¬ saire de décrire ici, car ils peuvent être de type connu. Chaque voie vidéo de programme comprend un codeur programmable 16 à débit variable, ayant une entrée de commande du taux de compression 18. Le flux vidéo à coder est appliqué au codeur à débit variable 16 par l'intermé¬ diaire d'une mémoire d'image 20 ayant une capacité au moins égale à une trame. Des moyens de synchronisation non représentés permettent l'écriture en mémoire 20 au fur et à mesure de l'arrivée du flux vidéo correspondant à une trame complète, et la lecture en mémoire avec un retard tel que le codeur à débit variable 16 reçoive le flux vidéo avec un retard d'une trame. Chaque voie comporte également un codeur auxiliaire 22 qui reçoit le flux vidéo en même temps que la mémoire 20. Le codeur auxiliaire 22 est prévu pour coder chaque trame avec un débit fixe, qui sera en général tel que les ressources affectées à chacun des canaux soient les mêmes. Dans le cas d'un canal satellite pouvant admettre un débit de 40 Mbits/s, le codeur auxiliaire 22 sera alors prévu pour coder chaque image au débit vidéo compatible avec un débit sur le canal satellite de 8 Mbits/s.
Le codeur auxiliaire 22 est d'un type permettant d'analyser les informations résultant du codage et de fournir un indice de qualité iconographique. On connaît déjà des codeurs capables de fournir une telle information de sortie. En particulier, un codeur de ce type est disponible auprès de la société C-Cube Microsystems, Milpitas, Califor- nia. Il peut être utilisé également en tant que codeur programmable.
Divers critères d'évaluation de la qualité iconographi¬ que existent et sont utilisables. On peut notamment citer les suivants. Une première possibilité consiste à analyser la moyenne, sur l'ensemble d'une trame, du pas de quantification mis en oeuvre dans l'algorithme de passage du domaine temporel au domaine fréquentiel (algorithme de transformation en cosinus discrète en général) . Un pas de quantification donné correspond à un débit. Lorsque l'image est complexe, le codeur vidéo augmente le pas de quantification au cours de la trame pour les groupes de blocs de pixels concernés, afin de ne pas augmenter de façon excessive le nombre d'octets représentant l'image. L'analyse de la moyenne du pas de quantification final sur une trame permet de savoir si le codeur aurait eu besoin d'un débit plus important pour représenter l'image de façon satisfaisante et donc quelle qualité il a obtenu avec le débit programmé. Dans le cas particulier du codage MPEG2 , qui utilise des images à codage intra-trame (images I) codées sans référence à d'autres images, des images à codage prédictif (images P) et des images codées par prédiction bidirectionnelle (images B) , une statistique sur le nombre respectif de macroblocs utilisés permet d'évaluer le niveau d'activité d'une image et en déduire un indice de qualité pour un taux de compression donné.
Une autre possibilité consiste à mesurer le rapport signal à bruit entre 1 ' image avant codage et 1 ' image après codage. /01648
6
Le dispositif de codage comprend encore un processeur 26 qui reçoit les indications de qualité iconographique fournies par les deux codeurs auxiliaires 22, qui jouent un rôle d'estimateurs de qualité. Les codeurs auxiliaires 22 sont prévus de façon qu'ils fournissent une indication de qualité au processeur 26 au bout d'une durée inférieure à la période de répétition de trame. Le processeur 26 est programmé de façon à comparer les indices de qualité qu'il reçoit soit entre eux, soit avec un indice de référence. Si par exemple les qualités iconographiques des images codées sont comparables, le processeur 26 commande les codeurs programmables 16 de façon qu'ils utilisent le même taux de compression.
Si en revanche, les indices de qualité montrent que la qualité iconographique d'une des images codées au débit nominal est notablement inférieure à celle de l'autre image codée au même débit nominal, le processeur programme alors le codeur vidéo de la voie ayant une richesse d'image requé¬ rant un débit élevé pour que le codage par le codeur 16 correspondant s'effectue à un débit supérieur au débit nominal. L'algorithme de répartition peut être du même genre que celui décrit dans l'article de Guha et al déjà cité. Il peut être implémenté par voie câblée ou logicielle.
Le processeur 26 et les codeurs vidéo programmables 16 peuvent notamment être prévus pour provoquer le codage à un débit nominal et à un ou deux débits au-dessus et un ou deux débits au-dessous du taux nominal, cette solution simple étant suffisante dans la plupart des cas.
Le processeur 26 doit disposer simultanément des évaluations fournies, chacune sur une trame complète, par les codeurs estimateurs 22 de toutes les voies de programme. Pour faciliter cette comparaison, il est souhaitable que les flux vidéo soient synchronisés, par des moyens non représen¬ tés, de façon que les trames soient en coïncidence temporel- les. Toutefois il est possible de renoncer à la synchronisa- tion, à condition de disposer une mémoire d'image de capacité accrue en amont de chaque codeur estimateur.
Diverses normes de codage vidéo imposent des codages de natures différentes à des trames successives. C'est en particulier le cas de la norme MPEG 2, déjà mentionnée, dont les images I exigent un volume d'information à peu près trois fois supérieur aux images P et environ neuf fois supérieur aux images B.
On pourrait penser que le problème ainsi posé peut être résolu en synchronisant les codeurs 16 (et les codeurs 22) de façon que la comparaison soit toujours effectuée entre trames de même nature. Avec cette solution, le volume d'information varie de trame à trame dans des limites très considérables. Cela conduirait à provoquer un taux de compression très élevé pour les trames I. Il est plus avantageux d'accepter que le processeur 26 reçoive de façon aléatoire des trames de nature différente à un instant donné, et de prévoir les codeurs estimateurs de façon qu'ils tiennent compte du volume d'information requis par les différents types de trame pour un même pas de quantifica¬ tion.
L'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. Le nombre de voies peut être supérieur ou inférieur à cinq. Les codeurs auxiliaires 22 qui servent d'estimateurs peuvent avoir plusieurs débits de codage plutôt qu'un seul. Les différentes voies peuvent se voir affecter des ressources différentes, ce qui conduit à donner aux codeurs auxiliaires 22 des débits différents.
Si on accepte des files d'attente suffisamment longues, la répartition des débits peut s'effectuer à partir d'une estimation sur un nombre déterminé de trames, supérieur à 1. Un inconvénient de cette solution est que des mémoires d'images doivent être prévues en amont des codeurs. Il est également possible d'assurer une telle répartition sur plusieurs trames en mémorisant des excédents ou des résidus de débits à l'issue de chaque comparaison par le processeur 26, et en en tenant compte sur une trame ou des trames suivantes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'émission de plusieurs programmes vidéo chacun sous forme d'un flux binaire de données, constitués chacun d'une séquence vidéo représentant des trames succes¬ sives, sur un canal de transmission ayant une capacité de débit déterminée, comprenant, pour chaque voie de programme alimentant un multiplexeur (12), un codeur vidéo (16) ayant un débit de codage contrôlable programmable, caractérisé en ce qu'il comporte :
- sur chaque voie de programme, une mémoire d'image (20) ayant une capacité d'au moins une trame, placée en amont du codeur programmable (16), et un codeur auxiliaire (22) rece¬ vant les trames d'entrée successives, avec une trame d'avance sur le codeur programmable, et
- des moyens (26) de comparaison de la qualité des trames codées par les codeurs auxiliaires, entre elles ou avec une référence, et de commande du débit de codage pour équilibrer les qualités des sorties des différents codeurs et utiliser la totalité de la capacité du canal.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits codeurs auxiliaires (22) sont prévus pour fournir un indice de qualité auxdits moyens de comparaison.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de comparaison comprennent un proces¬ seur (26) fournissant un signal de sélection entre plusieurs débits de codage auxdits codeurs programmables (16) .
4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3 , caracté¬ risé en ce que les codeurs auxiliaires sont prévus pour coder les flux vidéo qu'ils reçoivent à un débit qui est la même fraction du débit moyen disponible sur le canal.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, destiné à émettre suivant la norme MPEG2, sur un canal satellite, caractérisé en ce qu'il comporte cinq voies de programme ayant chacune un codeur auxiliaire prévu pour un débit de 8 Mbi s/s.
EP95942247A 1994-12-13 1995-12-12 Dispositif de multiplexage numerique de programmes video Ceased EP0800747A1 (fr)

Applications Claiming Priority (3)

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