JP5239405B2 - Ts受信装置及びそれに用いるタイミング再生方法 - Google Patents

Ts受信装置及びそれに用いるタイミング再生方法 Download PDF

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本発明はTS受信装置及びそれに用いるタイミング再生方法に関し、特にIP(Internet Protocol)ネットワーク上の映像・音声のリアルタイム伝送において、TS(Transport Stream:トランスポートストリーム)をRTP(Real−time Transport Protocol)及びFEC(Forward Error Correction:前方誤り訂正)を含めて伝送する際の受信側でのTSのタイミング再生方式に関する。
IPネットワーク上のリアルタイム伝送方式としては、RTPプロトコルを用いた伝送が一般的であり、TSのIPネットワーク上の伝送方式としても、TSをRTPパケットにカプセリングする方法が規格化されている(例えば、非特許文献1参照)。
しかしながら、非特許文献1にて規定されているタイムスタンプ精度は、90kHzであるのに対して、TSは27MHzをベースに動作している。また、MPEG(Moving Pictures Experts Group)規格におけるPCR(Program Clock Reference)ジッタ精度も±500ns以内と高い精度が要求されている。
そのため、受信側で90kHzで付与されたタイムスタンプをそのまま用いてTSのタイミングを再生したのでは、規定されたPCRジッタ精度を満足させることは不可能である。さらに、非特許文献1においては、PCRジッタ精度を満足させる方法については言及していない。
一方、IPネットワーク上のリアルタイム伝送にて発生するパケットロスへの対策としては、Pro−MPEGに代表されるFEC処理にてロスしたパケットを復元する方式が一般的である。非特許文献1に記載の規格をベースとした誤り訂正方式は、「Pro−MPEG Code of Practice #3 release 2」にて規格化されている。しかしながら、FECブロック周期の再生方法やTSのタイミング再生方法については、非特許文献1において言及されていない。
"RTP Payload Format for MPEG1/MPEG2 Video"[RFC(Request For Comments)2250,January 1998]
本発明に関連するリアルタイム伝送方式では、受信側にてTSのタイミング再生を行う際に、非特許文献1にて規定されているタイムスタンプ情報を用いたのでは、MPEG規格にて規定しているPCRジッタ精度を満足できないという課題がある。
これは、RTPに付与するタイムスタンプが90kHzをベースにしているのに対し、MPEG規格では27MHzをベースに規定しているためにPCRジッタが±500nsという高い精度を要求されるためである。90kHzベースでタイミング再生をした場合には、最小でも11μs程度の精度しか実現することができない。
そこで、本発明の目的は上記の問題点を解消し、PCRジッタ精度を満足できる程度にまでTSの再生タイミング精度を向上させることができるTS受信装置及びそれに用いるタイミング再生方法を提供することにある。
本発明によるTS受信装置は、受信したRTP(Real−time Transport Protocol)パケットからタイムスタンプを抽出する抽出手段と、
前記RTPパケット間のタイムスタンプの差分値を計算し、さらに直近の一定数の前記差分値の総和を当該一定数で割ったものの商を求めて平均値とする平均化手段と
前記平均化手段で算出された前記平均値を足し合わせることでTS(Transport Stream)の出力タイミングの生成を行い、さらに前記平均化手段における余りの値を足し合わせていき、その累積値が一定量を超えた場合に前記出力タイミングを補正するタイミング生成手段とを備え、
さらにパケットロス時には、前記平均値と、失われたパケットの前後のパケットから抽出するタイムスタンプとから補正演算を行うことを特徴とする
本発明によるタイミング再生方法は、受信したRTP(Real−time Transport Protocol)パケットからタイムスタンプを抽出する抽出処理と、
前記RTPパケット間のタイムスタンプの差分値を計算し、さらに直近の一定数の前記差分値の総和を当該一定数で割ったものの商を求めて平均値とする平均化処理と
前記平均化処理で算出された前記平均値を足し合わせることでTS(Transport Stream)の出力タイミングの生成を行い、さらに前記平均化処理における余りの値を足し合わせていき、その累積値が一定量を超えた場合に前記出力タイミングを補正するタイミング生成処理とを備え、
さらにパケットロス時には、前記平均値と、失われたパケットの前後のパケットから抽出するタイムスタンプとから補正演算を行うことを特徴とする
本発明は、上記のような構成及び動作とすることで、PCRジッタ精度を満足できる程度にまでTSの再生タイミング精度を向上させることができるという効果が得られる。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。まず、本発明によるタイミング再生方法の概要について図1を参照して説明する。図1は本発明によるTS(Transport Stream)受信装置の構成例を示すブロック図である。図1において、TS受信装置1は、RTP(Real−time Transport Protocol)タイムスタンプ抽出部12と、RTPタイムスタンプ平均化部14とを備えている。
本発明は、RTPタイムスタンプ抽出部12にて複数のRTPパケットからタイムスタンプ情報を抽出し、RTPタイムスタンプ平均化部14にてパケットロスを考慮した平均値を求め(パケットロス時にRTPパケット間のタイムスタンプの差分値の計算を行って平均値を求め)、かつFEC(Forward Error Correction:前方誤り訂正)ブロック周期の先頭タイミングを考慮した上でTSの出力タイミングの生成を行っている(FECブロックの先頭パケットからTSの出力処理を行っている)。
これによって、本発明では、RFC2250(非特許文献1)にて規定している90kHzのタイムスタンプを用いてTSのタイミング再生を行う際に、PCR(Program Clock Reference)ジッタ精度を満足できる程度にまでTSの再生タイミング精度を向上させることができる。
また同時に、本発明では、パケットロス時のTSのタイミング再生方式及び誤り訂正使用時のFECブロック周期との同期方式を導入することで、より実用的で安定した動作が可能な方式を実現することができる。
図2は本発明の実施の形態によるTS受信装置の構成例を示すブロック図である。図2において、TS受信装置1は、誤り訂正部11と、RTPタイムスタンプ抽出部12と、RTPタイムスタンプ平均化部13と、TS出力用FIFO(First In First Out)14と、TS出力タイミング生成部15と、TS出力用カウンタ16とから構成されている。
RTPタイムスタンプ抽出部12は、誤り訂正部11より受け取ったRTPパケットからRTPタイムスタンプ及びシーケンス番号を抽出し、それらをRTPタイムスタンプ平均化部13へ渡す。また、RTPタイムスタンプ抽出部12は、RTPパケットからTSパケットを抽出し、TS出力用FIFO14へ書込む。
RTPタイムスタンプ平均化部13は、RTPタイムスタンプ及びシーケンス番号からタイムスタンプ値の平均値を計算し、TS出力タイミング生成部15へ渡す。TS出力タイミング生成部15は、タイムスタンプ平均値とTS出力用カウンタ16のカウント値とが一致したタイミングでTS出力用FIFO14へFIFOからの読出しを指示し、それによってTS出力用FIFO14からTSが読出される。
図3は本発明の実施の形態によるTS受信装置の動作を示すフローチャートである。これら図2及び図3を参照して本発明の実施の形態によるTS受信装置の動作について説明する。
誤り訂正部11から供給されるRTPパケットをPK 、RTPパケットPK 内のタイムスタンプ値をTK 、シーケンス番号をSK と定義する。ここで、Kは0から始まる整数とする。また、平均を取る個数をNとし、受信したTSストリームは、固定ビットレート(CBR:Constant Bit Rate)とする。
RTPタイムスタンプ抽出部12は、タイムスタンプ値TK 、シーケンス番号SK を抽出し、RTPタイムスタンプ平均化部13へ供給する(図3ステップS1)。また、RTPタイムスタンプ抽出部12は、RTPパケットからTSパケットを抽出し、TS出力用FIFO14に書込む(図3ステップS2)(詳細については後述する)。
RTPタイムスタンプ平均化部13においては、以下に示す演算を実施する(図3ステップS3〜S5)。
(1)RTPパケット間のタイムスタンプ差分値(ΔT)の計算(図3ステップS3)。
RTPパケット間のタイムスタンプ差分値(ΔT)として、
・1≦K<Nの時
ΔTK =300*(TK −TK-1 ) ・・・(1)
・K≧Nの時
ΔTK =300*(TK −TK-1 )−(SK −SK-1 −1)*MK-1
・・・(2)
を得る。
但し、(1)式において、SK −SK-1 =1の時のみ、差分値として採用する。(2)式におけるMK-1 については後述するが、MK-1 を(2)式に含めることによって、後述の(6)式と併せてパケットロス時にもRTPパケット間のタイムスタンプの差分値(ΔT)の計算を可能としている。
また、(1)式及び(2)式内に現れる300倍の乗算は、90kHz精度のRTPタイムスタンプを27MHz精度に変換するために実施している。さらに、90kHzと27MHzとの間は300倍の差があることから、Nは300以上の値を採用する必要がある。
(2)RTPパケット間のタイムスタンプ差分平均値(M)、余り補正値(R)の計算(図3ステップS4)。
RTPパケット間のタイムスタンプ差分平均値(M)及び余り補正値(R)として、
K =(1/N)*ΣΔTi ・・・(3)
・RK-1 +mod(MK )<Nの時
K =RK-1 +mod(MK ) ・・・(4)
・RK-1 +mod(MK )≧Nの時
K =RK-1 +mod(MK )−N ・・・(5)
を得る。
ここで、(3)式は、K≧Nの時のみ計算値を採用し、小数点以下切捨てとする。また、(3)式のΣの計算範囲は、i=K−N+1からKまでである。(4)式及び(5)式は、K≧Nの時のみ計算値を採用し、mod(MK )は(3)式の右辺の除算の余りを示す。また、RN-1 =0とする。
(3)RTPパケットPK 内のTSパケットの出力タイミング(X)の計算(図3ステップS5)。
RTPパケットPK 内のTSパケットの出力タイミング(X)の計算値として、
K =XK-1 +(SK −SK-1 )*MK +I(RK ) ・・・(6)
・RK-1 +mod(MK )<Nの時
I(RK )=0 ・・・(7)
・RK-1 +mod(MK )≧Nの時
I(RK )=1 ・・・(8)
を得る。ここで、(6)式、(7)式、(8)式は、K≧Nの時のみ計算値を採用し、XN-1 =0とする。
以上の演算によって得られた出力タイミングXK は、RTPタイムスタンプ平均化部13からTS出力タイミング生成部15へ供給される(図3ステップS6)。この出力タイミングXK をベースとして、RTPパケットPK 内のTSパケットの出力タイミングが決定される。但し、RTPパケット内には複数のTSパケットが含まれている場合がある。
RFC2250(非特許文献1)では、最大7個のTSパケットが含まれると定義している。そのため、出力タイミングXK をRTPパケットPK 内に含まれているTSパケット数分の値に拡張してTS出力タイミング生成部15へ供給する。例えば、7個のTSパケットが含まれている場合には、
K ,XK +(1/7)*MK ,XK +(2/7)*MK
K +(3/7)*MK ,XK +(4/7)*MK
K +(5/7)*MK ,XK +(6/7)*MK ・・・(9)
というように、7個の値に拡張する。
TS出力タイミング生成部15では、RTPタイムスタンプ平均化部13より供給された(9)に示される出力タイミングXK をベースとした値を保持し、TS出力用カウンタ16のカウンタ値と比較する(図3ステップS7)。
そして、TS出力タイミング生成部15は、保持している値とカウンタ値とが一致したタイミングでTS出力用FIFO14へTSパケットの読出し指示を出力する(図3ステップS8)。TS出力用FIFO14は、そのTSパケットの読出し指示を受けて、FIFO内のTSパケットを1個出力する(図3ステップS9)。
TS出力用カウンタ16は、27MHzで動作するカウンタを備えており、この27MHzは送信側でTSのタイムスタンプを付与する際に使用したクロックを再生したものとする。
また、TS出力用カウンタ16の上記のカウンタは、TS出力タイミング生成部15に最初の出力タイミングXK が供給された際に、その出力タイミングXK をベースにした値をロードする。例えば、XK −Lをロードした場合、一番最初にTS出力用FIFO14から出力されるTSパケットは、出力タイミングXK が供給されてからLカウント後に出力されることになる。
Lの値が大きい場合には、Lカウント分の時間を蓄積できるだけのメモリサイズが必要となり、Lの値が小さい場合には、誤り訂正部11から供給されるRTPパケットが供給される時間間隔にゆらぎがあった場合のFIFOの破綻が起こりやすくなる。したがって、Lの値は、実装しているメモリサイズや起こり得る時間間隔のゆらぎ量等に応じて決定すべきである。
次に、RTPパケットの受信を開始してから(RTPパケットP0 を受信してから)、RTPタイムスタンプ抽出部12からTS出力用FIFO14へのRTPパケットの書込みを開始する契機としては、RTPタイムスタンプ平均化部13において、平均化完了後(RTPパケット間のタイムスタンプ差分平均値MK の計算値を採用できるようになった後)で、かつ誤り訂正部11から供給されるFECブロックの先頭を示す情報を持つRTPパケットからとする。
但し、平均値の計算自体は、TS出力用FIFO14への書込みの有無に関係なく、常に実施されるものとする。この目的は、誤り訂正部11にて生成しているFECブロック周期とTS出力用FIFO14から出力されるTSパケットのタイミングの位相とを固定する(上述したFECブロック周期とTSの再生タイミングとの同期を取ることに相当する)ことにある。
誤り訂正部11にて生成されるFECブロック周期は、RTPパケットのビットレートやFECブロックサイズ等の各種FECパラメータに依存して変化する。一方で、FECブロック周期は、RTPタイムスタンプ平均化部13において平均化完了までに要する時間とは関連性がないため、平均化完了後の次のRTPパケットからTS出力用FIFO14へ書込んだ場合、FECブロックの先頭のパケットがTS出力用FIFO14へ書込まれるタイミングとFECブロック周期との位相関係はFECパラメータに依存し、固定されない。
これが原因で、TS出力用FIFO14からは、TSパケットを送出し切ったが、誤り訂正部11において次のブロック周期のタイミングになっていないために、次のRTPパケットが供給できないといったアンダフローや、誤り訂正部11からRTPパケットを供給しきれないまま次のブロック周期に移行してしまうといったオーバフローが起こり得る。
ここで、FECブロック周期とTS出力用FIFO14から出力されるTSパケットのタイミングとの位相を固定することによって、その位相差と上述したLカウントの値から必要とされるメモリサイズが固定され、アンダフロー/オーバフローを回避することができ、安定した動作が可能となる。
本実施の形態では、90kH精度のタイムスタンプ情報を27MHz精度程度まで向上させているが、これに固定することはなく、別の周波数の組み合わせでも、上記と同様の演算方法で精度を向上させることが可能である。
また、本実施の形態では、TSストリームをRTP/UDP(User Datagram Protocol)/IPパケット化し、さらに誤り訂正符号化した上で、IPネットワーク上をリアルタイムに伝送し、受信側では受信したRTPパケットから誤り訂正を行った上でTSタイミングを再生するといった、リアルタイムで高品質な映像伝送サービスの実施が可能となる。
このように、本実施の形態では、複数のRTPパケットのタイムスタンプ平均値を求めるとともに、RTPパケットのタイムスタンプの差分値の平均値を求め、パケットロス時にその差分値の平均値による補正演算を行うことによって、90kHz精度のタイムスタンプ情報の精度を高めることができるので、90kHz精度のタイムスタンプを持ったRTPパケットから、MPEG規格のPCRジッタ精度を満足できる精度のTSの出力タイミングを再生することができる。
また、本実施の形態では、上記の補正演算を行うことによって、平均値自体に大きなずれが発生しない。そのため、本実施の形態では、補正演算自体も以前に求めている平均値を基に演算を行うことで、ずれを最小限にすることができるので、パケットロスが発生した際も平均値計算に異常をきたすことなく、平均値の補正演算を行うことによって動作を継続することができる。
さらに、本実施の形態では、パケットロスによって発生したTSのタイミング再生精度のずれを最小限にすることができる。
さらにまた、本実施の形態では、誤り訂正部11が誤り訂正符号化において定義された、一定のRTPパケット数で構成されるFECブロック単位で誤り訂正処理を行うが、リアルタイム伝送においては、FECブロックを構成する周期を再生し、FECブロック周期の単位で誤り訂正処理を行う。
したがって、本実施の形態では、FECブロックの先頭パケットからTSの出力処理を行うことによって、誤り訂正部11の処理と同期が取れたTSの出力を行うことが可能となり、誤り訂正部11におけるバッファのオーバフローやアンダフローを回避することができる。
よって、本実施の形態では、誤り訂正使用時にFECブロック周期とTSの再生タイミングとの同期を取ることで、誤り訂正部11におけるバッファのオーバフローやアンダフローを回避することができる。
本発明によるTS受信装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態によるTS受信装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態によるTS受信装置の動作を示すフローチャートである。
符号の説明
1 TS受信装置
11 誤り訂正部
12 RTPタイムスタンプ抽出部
13 RTPタイムスタンプ平均化部
14 TS出力用FIFO
15 TS出力タイミング生成部
16 TS出力用カウンタ

Claims (6)

  1. 受信したRTP(Real−time Transport Protocol)パケットからタイムスタンプを抽出する抽出手段と、
    前記RTPパケット間のタイムスタンプの差分値を計算し、さらに直近の一定数の前記差分値の総和を当該一定数で割ったものの商を求めて平均値とする平均化手段と
    前記平均化手段で算出された前記平均値を足し合わせることでTS(Transport Stream)の出力タイミングの生成を行い、さらに前記平均化手段における余りの値を足し合わせていき、その累積値が一定量を超えた場合に前記出力タイミングを補正するタイミング生成手段とを有し、
    さらにパケットロス時には、前記平均値と、失われたパケットの前後のパケットから抽出するタイムスタンプとから補正演算を行うことを特徴とするTS受信装置。
  2. 前記RTPパケット受信時の誤り訂正処理において再生されるFEC(Forward Error Correction:前方誤り訂正)ブロック周期と前記TSの再生タイミングの位相とを固定することを特徴とする請求項1記載のTS受信装置。
  3. 前記FECブロックの先頭パケットから前記TSの出力処理を行うことを特徴とする請求項2記載のTS受信装置。
  4. 受信したRTP(Real−time Transport Protocol)パケットからタイムスタンプを抽出する抽出処理と、
    前記RTPパケット間のタイムスタンプの差分値を計算し、さらに直近の一定数の前記差分値の総和を当該一定数で割ったものの商を求めて平均値とする平均化処理と、
    前記平均化処理で算出された前記平均値を足し合わせることでTS(Transport Stream)の出力タイミングの生成を行い、さらに前記平均化処理における余りの値を足し合わせていき、その累積値が一定量を超えた場合に前記出力タイミングを補正するタイミング生成処理とを有し、
    さらにパケットロス時には、前記平均値と、失われたパケットの前後のパケットから抽出するタイムスタンプとから補正演算を行うことを特徴とするタイミング再生方法。
  5. 前記RTPパケット受信時の誤り訂正処理において再生されるFEC(Forward Error Correction:前方誤り訂正)ブロック周期と前記TSの再生タイミングの位相とを固定することを特徴とする請求項4記載のタイミング再生方法。
  6. 前記FECブロックの先頭パケットから前記TSの出力処理を行うことを特徴とする請求項5記載のタイミング再生方法。
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