JP2005534219A - ウォールクロックを持つシステムに対するジッタ補正方法 - Google Patents

ウォールクロックを持つシステムに対するジッタ補正方法 Download PDF

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Abstract

データパケットの送信時にクロックタイムから得られるタイムスタンプを付与することによりデータパケット上のジッタを補正する方法が記載される。これは結果として送信タイムスタンプを生じる。前記ジッタは、前記送信タイムスタンプと前記データパケットの生成された受信タイムスタンプとの間の比較に基づいて補正され、前記受信タイムスタンプは、前記送信タイムスタンプが得られたのと同じクロックタイムから得られる。前記比較は時間遅延情報を提供し、この時間遅延情報は、伝送媒体のレシーバ側で実際に受けたジッタを吸収するための所要の最小及び最大バッファサイズを計算するために使用される。この方法は、MPEG、DVB及びDSSのようなリアルタイム・アプリケーションにも適している。

Description

本発明は、データパケット上のジッタを、前記データパケットの送信時にクロックタイムから得られるタイムスタンプを付与(clock time derived time stamping)し、送信タイムスタンプを生じることにより補正する方法に関する。
本発明は、伝送媒体を介して相互に結合されたトランスミッタ及びレシーバを有する伝送システムであって、当該トランスミッタが、トランスミッタ・ウォールクロックと、前記トランスミッタ・ウォールクロックに結合されて、前記レシーバに対するデータパケットの送信時に前記データパケットにタイムスタンプを付与する送信タイムスタンピング手段とを有する当該伝送システムにも関し、上記方法を適用するのに適している上述の伝送システムで使用されるトランスミッタ、レシーバ及び信号にも関する。
このような方法及び伝送システムは米国特許出願公開公報US6259694B1から既知である。前記既知の方法において、例えばデジタルビデオ放送(DVB)においてソースパケットが使用され、このソースパケットは4バイトのソースパケットヘッダと188バイトのトランスポート・ストリーム・データを含む。前記ソースパケットヘッダにおいて、25ビットが、例えばムービング・ピクチャ・エキスパーツ・グループ−トランスポート・ストリーム(MPEG−TS)データがアイソクロナス・パケット(isochronous packet、IP)通信を用いて伝送媒体を介してレシーバに送信される場合に、ジッタを抑制するために使用されるタイムスタンプを表す。前記レシーバは、受信されたデータパケットを記憶する先入れ先出し(FIFO)バッファメモリのような記憶装置を有する。前記バッファメモリは、前記伝送媒体により取り込まれた前記受信されたデータパケット上のジッタを吸収することができるようなサイズを持たなければならない。
ジッタが高い場合に、信頼できるデータ伝送を確保するためにレシーバのバッファサイズが大幅に増加することは不利点である。
本発明の目的は、たとえ受信されたデータが大量の且つ変化するジッタを受けているとしてもうまく機能し、しかしながら大きなバッファサイズを必要としない、改良されたジッタを補正する方法及び伝送システムを提供することである。
これに対し、本発明による方法は、データパケットの送信タイムスタンプと生成された受信タイムスタンプとの間の比較に基づいてジッタが補正され、前記受信タイムスタンプが、前記送信タイムスタンプが得られる(derived)のと同じクロックタイムから得られることを特徴とする。
同様に本発明による伝送システムは、レシーバが、トランスミッタ・ウォールクロックと同様なレシーバ・ウォールクロックと、前記レシーバ・ウォールクロックに結合されて前記データパケットの受信時にタイムスタンプを生成する受信タイムスタンピング手段と、前記受信タイムスタンピング手段に結合されて前記データパケット上のジッタを補正するジッタ補正手段とを有することを特徴とする。
いわゆるウォールクロックの同じクロックタイム又は同じ相対的に関連するクロックタイム値が、前記送信タイムスタンプ及び前記受信タイムスタンプを得るために使用されるという事実のため、前記レシーバに対する前記データパケットの送信後に実際に受けたジッタに関する信頼できる情報を提供する意義のある比較が行われることができる。このように提供された時間遅延情報は、前記伝送媒体において前記レシーバ側において前記実際に受けたジッタを吸収するために必要とされる最小及び最大バッファサイズを計算する基礎を提供する。
ジッタが非常に豊富であり且つ特にジッタが変化するインターネットのような通信媒体上のアイソクロナス・プロトコル(IP)の1つの可能な形式として、データパケットのインターネットプロトコル通信の場合でさえも、バッファサイズは予測される補償されるべきジッタに対して最適に調整されることができる。リアルタイム・アプリケーションに対する効果的且つ信頼できるジッタ補正IPデータ通信はここで実際に実現可能であり、ジッタ制限が与えられると、前記レシーバのバッファサイズは有利に最小化されることができる。
本発明による前記方法及び伝送システムの更に他の利点は、個別のアプリケーションプロトコルが完全に開発されているか否かに関係なく、複数の利用可能なタイプのリアルタイム・アプリケーションが適用されることができることである。このようなリアルタイム・アプリケーションの例は、IP上のMPEG1−2TSパケット、又はIP上のデジタルビデオ(DV)パケット、IEC958デジタルオーディオパケット若しくはデジタル衛星システム(DSS)パケットである。
本発明による前記方法の実施例は、前記データパケットが1つ又は複数のトランスポート・ストリーム・パケットを含むアイソクロナス・パケットであることを特徴とする。
例えば7つのトランスポート・ストリーム(TS)パケットを有することができる1つのIPパケットに対して1つの送信又は受信タイムスタンプのみが存在するので、この実施例は有利に高いタイムスタンプ効率を提供する。
本発明による前記方法の更に他の実施例は、追加のジッタ補正機構が、前記IPパケット内に存在する前記トランスポート・ストリーム・パケットに適用される(applied)ことを特徴とする。
前記TSパケット上の前記ジッタは依然として例えばMPEGのような幾つかのアプリケーションに対して高すぎる可能性があるので、前記IPパケット内の個別の前記TSパケットの残りのジッタは、前記追加のジッタ補正機構を用いて更に補正される。有利に前記以前のジッタ補正及び前記追加のジッタ補正は、異なる及び相互に独立なISO通信層に作用する。
本発明による前記方法の更に他の実施例は、前記トランスポート・ストリーム・パケットの少なくとも幾つかが、前記追加のジッタ補正機構において位相同期ループ(phase locked loop)を駆動する関連するタイムスタンプを有することを特徴とする。
前記TSパケットが前記データ又は前記IPパケットに埋め込まれるので、各IPパケット内のジッタが一般的に制限されることは利点であり、ここでこれは、前記IPパケットに含まれる前記トランスポート・ストリームデータパケット上のジッタを減少するために安定なオシレータ周波数を作り出すようにこれらの関連するタイムスタンプを用いてPLLを駆動する可能性を残すことを意味する。
本発明による前記方法の更に他の実施例は、前記関連するタイムスタンプが、好ましくはアイソクロナス・プロトコル・パケット内の初めのパケットであるPCRパケットに含まれることを特徴とする。
もし前記PCRパケットが前記IPパケットの初めのパケットであれば、前記PCRパケット上のジッタは有利に小さい。結果として前記PLL周波数は非常に正確になる。
本発明による前記方法の他の実施例は、前記関連するタイムスタンプが、前記送信タイムスタンプと前記データパケットの生成された受信タイムスタンプとの間の前記比較に依存することを特徴とする。
もし前記アイソクロナス・プロトコル・パケット内の個別のトランスポート・パケットのジッタが制限されないならば、タイムスタンプ比較の結果である正確な時間遅延は、効果的な相互IPパケット・ジッタ補正を提供するために使用されることができる。
前記トランスポート・ストリーム・パケットは可変ビットレートを持つことができ、これは依然として、IPパケット内で前記ビットレートが固定されるが、IPパケット間の時間が異なる可能性があることを意味する。前記トランスポート・ストリーム・パケットは、幾つかのTSパケットが前記IPパケットから除外されることを意味する、いわゆるパーシャルTSパケットをも有することができる。しかしながら、これら全ての場合において本発明による前記方法は、依然として過度のバッファサイズを必要とすることなく適用されることができる。
現在、本発明による前記ジッタ補正方法及び伝送システムは、同様な要素が同じ参照番号を用いて参照される添付の図面を参照しながら、追加の利点と一緒に更に説明される。
図1は、例えばインターネットのようないわゆるパケット交換網4を介して相互接続されたトランスミッタ2及びレシーバ3を有する伝送システム1を示す。このようなネットワーク4において、データパケットは、互いに独立にトランスミッタ2からネットワーク4を介してレシーバ3まで送信される。ネットワーク4上で送信された全てのデータパケットは、あるレシーババッファで終わる前に異なる遅延を受け、これにより前記受信されたパケットの順序さえも変更される可能性がある。前記レシーバの出力部において前記パケットの順序は正しくなければならず、且つ相互の時間遅延は狭い許容範囲内にあるべきであり、例えばMPEGに対して最大時間許容範囲は500ナノ秒であるので、リアルタイム・アプリケーションに対して、これは問題を与える。このリアルタイム・アプリケーションの他の例は、インターネット上のMPEG1又は2トランスポート・ストリーム(TS)パケット通信、デジタルビデオ放送(DVB)、IEC958デジタルオーディオパケット又はデジタル衛星システム(DSS)パケット等であり、これにより最後に述べたアプリケーションの形式は依然としてプロトコルを持たない。ビデオ・オン・デマンド(Video-On-Demand)に関するような一般的なリアルタイム・アプリケーションは、ますます重要になっていく。受けた伝送遅延に対処するために、信頼できるリアルタイム伝送を達成するレシーバ・バッファサイズは大きくなる可能性がある。トランスミッタ2及びレシーバ3の両方で、共通クロック5又は世界中で同じ時間を提供するトランスミッタ/レシーバ・ウォールクロックに基づくタイムスタンピングを使用することにより、受信されたデータブロック毎の前記伝送遅延は、レシーバ3内で既知である。このように所要のレシーバ・バッファサイズは既知であり、最小化されることができる。
トランスミッタ2は、例えば一般的に27MHzクロック又はここではシステムタイムクロック(STC)と称されるカウンタ・リファレンス(counter reference)から得られた時間基準(time base)のMPEG−2TSパケットからなるMPEG−2トランスポート・ストリームのデータソース6を有する。MPEGトランスポート・ストリームは、それぞれオーディオ、ビデオ及びシステム・トランスポート・ストリーム・パケットを含む幾つかのプログラムからなることができる。前記オーディオ、ビデオ又はエレメンタリ・システム・ストリームからの前記トランスポート・ストリーム・パケットは、バッファ・アンダーフロー又はオーバーフローが生じないような様式で前記トランスポート・ストリーム内で多重化される。個別の前記パケットの時間関係が保たれることは重要であり、この場合、バッファ・アンダーフロー又はオーバーフローが生じないことが保証される。
前記MPEGトランスポート・ストリームがインターフェース上で送信される場合、前記TSパケットはIPパケットに含まれることができ、これにより1つ又は複数の、例えば7つのTSパケットが1つのIPパケットにカプセル化されて、いわゆるリアルタイムプロトコル(RTP)タイプのIPパケットを形成する。もし前記IPパケットの最大サイズが1500バイトに制限されるならば、最大7つのTSパケットは、1つのIPパケットにパケット化されることができる。
実際に非常に頻繁に27MHzカウンタから得られた4バイトのアプリケーション・タイムスタンプも、いわゆるソースパケットの形式を持つTSパケットを作り出すためにTSパケットに追加される。このタイムスタンプは、個別のパケット上のジッタを補正するために使用される。
ここで前記IPパケットには、トランスミッタ・ウォールクロック5に結合された送信タイムスタンピング手段7から送信タイムスタンプが与えられることができる。実際の送信タイムスタンプは、例えば前記IPパケットの初めのバイトが前記トランスミッタに送られる瞬間を表すことができる。前記IPパケットは、ここでネットワーク4上に送信され、レシーバ3における受信時にレシーバ・ウォールクロック9に結合された受信タイムスタンピング手段8は、例えば計算手段10に受信タイムデータを与える。計算手段10は、トランスミッタ・ウォールクロック5と同じ基本時間基準(basic time reference)を持つ時間を示すレシーバ・ウォールクロック9に基づいて、前記IPパケットの送信と受信との間の時間遅延を計算する。前記計算された時間遅延は、前記IPパケット上の送信ジッタと、−バッファ遅延のような−一般的に蓄積された遅延とを補正するためにジッタ補正手段11において使用される。手段11に概略的に示される前記バッファの所要のサイズは、この場合、前記IPパケットの最大遅延により乗算された最大ビットレートに等しい。
レシーバ3における所要のバッファ記憶バイト数の量と時間との間の関係は、図2にグラフで表される。左から右に図2は、‘A’で示されるトランスミッタ2に対する入力と、‘B’で示されるレシーバ3に対する入力と、‘C’で示されるレシーバ3からの出力とを示す。水平にAマイナスCは瞬間的な遅延を与え、縦には前記遅延に対処するために前記バッファに記憶されなければならない瞬間的なバッファ容量が得られることができる。必要であれば、最小及び最大バッファサイズはここから得られることができる。
図3は、可変ビットレートを持つMPEGトランスポート・ストリーム・パケットの例を示し、このパケットはシステム1による伝送に適している。ここで各第1TSパケットは、前記STCに対応するタイムスタンプデータ、特に前述の送信タイムスタンプデータで満たされることができる1つのプログラムクロックリファレンス(Program Clock Reference、PCR)を含む。この場合、前記トランスポート・ストリーム・パケットの多重化は、2つの連続するPCRパケット間のビットレートが一定であるような様式である。これは、いわゆる“完全な(full)”トランスポート・ストリームの性質である。前記トランスポート・ストリームの1つのプログラムを選択した後に、前記ビットレートは、未使用プログラムから未使用トランスポート・ストリーム・パケットを除去することにより減少されることができる。このようにパーシャル・トランスポート・ストリームが作成される。インターフェース上の前記ビットレートは減少され、選択されたプログラムを記憶する場合に、記憶容量も減少される。デコーダにおけるバッファ問題(アンダーフロー/オーバーフロー)を避けるためには、前記STC時間基準において前記選択されたトランスポート・ストリーム・パケットの同じタイミングを保つことが必要である。ここで、2つの連続するPCRパケット間のビットレートは、もはや一定ではない。
全てのIPパケットにPCRパケットが与えられなければならないというわけではないことに注意すべきである。もし例えば連続するパルス(Pars)間の距離が、2メガバイト/秒において100ミリ秒、多くの場合40ミリ秒より短ければ、前者の場合、2つのパルス間には200キロバイトがあり、これは約1000のトランスポート・ストリーム・パケットであり、この場合、全てのIPパケットがPCRパケットを含むわけではないことは明らかである。期間taの間に前記ビットレートが期間tbの間より高いことが、図2に示される。
システム1は、前記IPパケット内に存在するTSパケット上のジッタを補正するためにジッタ補正手段11に結合されたトランスポート・ストリーム・ジッタ補正手段12を更に有してもよい。トランスポート・ストリーム・ジッタ補正手段12は、所要のシステムバッファとは別に位相同期ループ(PLL)を含んでもよい。前記PLLは、安定且つ正確なオシレータ周波数を作り出すために関連するタイムスタンプとして入力PCRに固定されることができ、これを利用して前記IPパケットに含まれるTSパケット間の前記ジッタが減少されることができる。前記PCRパケットが前記IPパケット内の初めのパケットであれば、前記PCRパケット上のジッタは小さく、前記PLL周波数は非常に正確になる。
レシーバ3において完全なトランスポート・ストリームを復元(restoring)するために、2つのPCR間の全てのデータパケットがシステムバッファに記憶される。この場合、前記パケットは前記2つのPCR間の間隔に等しく分布する。この方法に対して、前記バッファは非常に大きい、即ち数百キロバイトである必要がある。
パーシャル・トランスポート・ストリームを復元するために、前記PCRを運ぶ前記TSパケット上のジッタは可能であるが、他のパケット上のジッタの補正は可能ではない。従って、バッファ・アンダーフロー又はオーバーフローを持たない新しいパーシャル・トランスポート・ストリームが得られる。オーディオ及びビデオバッファの容量をシミュレートすることにより、関与している前記バッファのオーバーフロー又はアンダーフローが生じないという条件で新しい規格準拠のパーシャル・トランスポート・ストリームが作られることができる。
前記PCRパケット上に大きなジッタを持つ場合、前記PLL又はレシーバ3内のカウンタは多すぎるジッタに直面し、信頼できる同期データを受信しないであろう。この場合、及び新しいパーシャル・トランスポート・ストリームを作り出すことが避けられる場合、アプリケーション依存時間を指定するために、当技術分野で既知であるように、4バイトのアプリケーション・タイムスタンプがTSパケット毎に追加される。
この代替実施例において、前記PLLは前記MPEGトランスポート・ストリーム内の前記PCRに対して設定されたカウンタにより置き換えられることができる。全てのトランスポート・ストリーム・パケットの前のタイムスタンプは、個別のトランスポート・ストリーム・パケット上のジッタを補正するために使用される。この方法は‘完全な’トランスポート・ストリーム及び‘パーシャル’トランスポート・ストリームに対して使用される。
伝送システム1の他の代替実施例において、前記IPパケットの前記送信タイムスタンプ及び前記受信タイムスタンプにより定められる計算された時間遅延時間は、前記PCRを設定するのに使用されることができる。1つのIPパケットにおいて、前記ウォールクロック及び前記MPEGアプリケーションの両方からタイムスタンプが送信される。レシーバ3において送信されたウォールクロック・タイムスタンプをウォールクロック値と比較することにより、このパケットに対してどのような遅延が生じるかがわかる。この場合、27MHzカウンタの値がどんな値であるべきかもわかる。この種のパケットは、27MHzクロック及びウォールクロックから離れることを避けるために規則的な間隔で繰り返される。他のIPパケットは、例えば7つのトランスポート・ストリーム・パケットのようなペイロードと一緒の27MHzタイムスタンプを含む。送信されたトランスポート・ストリーム・パケットが前記パケットの前にMPEGタイムスタンプを含まない場合、まず前記PCRパケットは前記STC時間基準の正しい位置に配置される。レシーバ3において完全なトランスポート・ストリームを復元するために、2つのPCR間の全てのデータパケットはシステムバッファに記憶される。この場合、前記パケットは前記2つのPCR間の間隔に等しく分布する。この方法に対して、前記バッファは非常に大きい、即ち数百キロバイトである必要がある。
パーシャル・トランスポート・ストリームを復元するために、前記TSパケット上のジッタは補正されることができない。ここで新しいパーシャル・トランスポート・ストリームは、前記オーディオ及びビデオバッファの容量をシミュレートすることにより得られる。前記バッファのオーバーフロー又はアンダーフローを与えない新しい規格準拠トランスポート・ストリームが作られる。前記送信されたトランスポート・ストリーム・パケットが前記パケットの前にMPEGタイムスタンプを有する場合、パケット毎のジッタは、このタイムスタンプを使用して補正されることができる。
本発明による伝送システムの幾つかの可能な実施例を含むブロック図を示す。 図1の伝送システムでの利用に対するレシーバ内で使用されるバッファメモリに通信されたバイト量を表すグラフである。 図1の伝送システムによる通信に対する可変ビットレートを持つMPEGトランスポート・ストリーム・パケットを示す。

Claims (17)

  1. データパケットの送信時にクロックタイムから得られるタイムスタンプを付与し、送信タイムスタンプを生じることによりデータパケット上のジッタを補正する方法において、前記ジッタが、前記送信タイムスタンプと前記データパケットの生成された受信タイムスタンプとの間の比較に基づいて補正され、前記受信タイムスタンプが、前記送信タイムスタンプが得られたのと同じクロックタイムから得られることを特徴とする方法。
  2. 前記データパケットが、1つ又は複数のトランスポート・ストリーム・パケットを含むアイソクロナス・プロトコル・パケットであることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 追加のジッタ補正機構が、前記アイソクロナス・プロトコル・パケットに存在する前記トランスポート・ストリーム・パケットに適用されることを特徴とする、請求項2に記載の方法。
  4. 前記トランスポート・ストリーム・パケットのうち少なくとも幾つかが、前記追加のジッタ補正機構内の位相同期ループを駆動する関連するタイムスタンプを有することを特徴とする、請求項3に記載の方法。
  5. 前記関連するタイムスタンプが、好ましくはアイソクロナス・プロトコル・パケットにおける初めのパケットであるPCRパケットに含まれることを特徴とする、請求項4に記載の方法。
  6. 前記関連するタイムスタンプが、前記データパケットの前記送信タイムスタンプと前記生成された受信タイムスタンプとの間の前記比較に依存することを特徴とする、請求項5に記載の方法。
  7. 前記トランスポート・ストリームが可変ビットレートを持つことを特徴とする、請求項2乃至6の何れか一項に記載の方法。
  8. 前記トランスポート・ストリームがパーシャル・トランスポート・ストリームであることを特徴とする、請求項2乃至7の何れか一項に記載の方法。
  9. 伝送媒体を介して相互に結合されたトランスミッタ及びレシーバを有する伝送システムであって、前記トランスミッタが、トランスミッタ・ウォールクロックと、前記トランスミッタ・ウォールクロックに結合され、前記レシーバに対する送信時に前記データパケットにタイムスタンプを付与する送信タイムスタンピング手段とを有する当該伝送システムにおいて、前記レシーバが、前記トランスミッタ・ウォールクロックと同様なレシーバ・ウォールクロックと、前記レシーバ・ウォールクロックに結合され、前記データパケットの受信時にタイムスタンプを生成する受信タイムスタンピング手段と、前記受信タイムスタンピング手段に結合され、前記データパケット上のジッタを補正するジッタ補正手段とを有することを特徴とする伝送システム。
  10. 前記データパケットが、1つ又は複数のトランスポート・ストリーム・パケットを含むアイソクロナス・プロトコル・パケットであることを特徴とする、請求項9に記載の伝送システム。
  11. 前記伝送システムが、前記ジッタ補正手段に結合されたトランスポート・ストリーム・ジッタ補正手段を有することを特徴とする、請求項10に記載の伝送システム。
  12. 前記トランスポート・ストリーム・ジッタ補正手段が位相同期ループを含むことを特徴とする、請求項11に記載の伝送システム。
  13. 前記トランスポート・ストリームが可変ビットレートを持つことを特徴とする、請求項10乃至12の何れか一項に記載の伝送システム。
  14. 前記トランスポート・ストリームがパーシャル・トランスポート・ストリームであることを特徴とする、請求項10乃至13の何れか一項に記載の伝送システム。
  15. 伝送媒体を介して相互に結合されたトランスミッタ及びレシーバを有する請求項9乃至14の何れか一項に記載の伝送システムであって、前記トランスミッタが、トランスミッタ・ウォールクロックと、前記トランスミッタ・ウォールクロックに結合され、前記レシーバに対する送信時にデータパケットにタイムスタンプを付与する送信タイムスタンピング手段とを有する当該伝送システムにおいて、前記レシーバが、前記トランスミッタ・ウォールクロックと同様なレシーバ・ウォールクロックと、前記レシーバ・ウォールクロックと結合され、前記データパケットの受信時にタイムスタンプを生成する受信タイムスタンピング手段と、前記受信タイムスタンピング手段に結合され、前記データパケット上のジッタを補正するジッタ補正手段を有することを特徴とする当該伝送システム内での応用に適したトランスミッタ。
  16. 伝送媒体を介して相互に結合されたトランスミッタ及びレシーバを有する請求項9乃至14の何れか一項に記載の伝送システムであって、前記トランスミッタが、トランスミッタ・ウォールクロックと、前記トランスミッタ・ウォールクロックに結合され、前記レシーバに対する送信時にデータパケットにタイムスタンプを付与する送信タイムスタンピング手段とを有する当該伝送システムにおいて、前記レシーバが、前記トランスミッタ・ウォールクロックと同様なレシーバ・ウォールクロックと、前記レシーバ・ウォールクロックと結合され、前記データパケットの受信時にタイムスタンプを生成する受信タイムスタンピング手段と、前記受信タイムスタンピング手段に結合され、前記データパケット上のジッタを補正するジッタ補正手段を有することを特徴とする当該伝送システム内での応用に適したレシーバ。
  17. 請求項9乃至14の何れか一項に記載の伝送システムで使用され、請求項1乃至8の何れか一項に記載の方法を適用するのに適した信号。
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