CN1116390A - 压缩音频/视频信号接收机的静噪装置 - Google Patents

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Abstract

一个压缩音频/视频(A/V)接收机提供与重放相关的解压分量信号一致的A/V分量时间基准信号(PTS)(208、212、214、220、222)。同步装置产生一个出现音频和视频分量PTS的差的函数(217-291)。表示相关音频和视频同步状态的该函数与预定的阈值(225)进行比较，当超过阈值时产生一个静噪控制信号。静噪电路(229)对控制信号作出响应，当重放的音频和视频分量信号不同步时，静噪电路禁止音频重放。

Description

压缩音频/视频信号接收机的静噪装置
本发明涉及压缩音频/视频(A/V)信号接收机中的音频和/或视频分量的静噪控制的装置。
MPEG是由国际标准组织的电影专家组建立的压缩视频信号协议。该协议确定了一种通用信号格式，它包括帧内编码和运动补偿预测编码。由于帧与帧编码格式的变化以及图象内容的变化，所以不同的帧具有非常分散的压缩数据量。压缩具有不同数据量等的不同的帧的结果是数据帧趋向于异步传输。
也可以根据MPEG协议压缩音频信号。压缩的音频信号可以与视频信号相关联，但是独立传输。为了传输，压缩的音频信号被分成包，然后这些包以与压缩的视频信号非同步的方式被进行分时多路复用。
相关的压缩音频和视频分量不仅是独立异步的，而且在传输过程中不存在相互的暂时关系或同步性。
MPEG压缩音频和视频分量信号可以包括出现时间标记(PTS)以便在特定的压缩信号段和系统基准时钟信号之间建立一个基准。接收机装置用音频和视频PTS使各个减压分量再次同步，并恢复它们暂时的相互关系。
重放的A/V材料的一个特别烦人的特点是嘴唇同步的损失，这是指嘴唇或嘴的动作与相关的说话或话音之间的同步的损失。本发明的一个目的是消除嘴唇同步的损失所带来的烦恼。
根据本发明的A/V接收机提供与相关的解压分量信号的重放吻合的A/V分量时序基准信号(PTS)。同步装置产生出现分量音频和视频PTS的差的函数。表示相关的音频和视频同步的这一函数与一个预定的阈值进行比较，当超过阈值时，产生一个静噪控制信号。当重放的音频和视频分量信号时序偏离相互同步时，静噪电路对控制信号作出响应，禁止音频重放。
图1是音频/视频压缩装置的框图。
图2是体现本发明的音频/视频解压装置的框图。
图3是提供接收机系统时钟信号的装置的框图，该时钟信号具有与压缩装置的系统时钟基本相同的频率。
图4是图2装置的操作流程图。
图5是可以在图2中实施的另一个静噪电路的框图。
图1表示一个可以实现本发明的典型的系统，该系统是一个压缩数字视频信号传输装置。在该系统中，来自源10的视频信号施加到视频信号压缩部件11，它可以包括一个利用离散的余弦变换的运动补偿预测编码器。来自部件11的压缩视频信号送入格式器12。格式器根据某些信号协议如MPEG(由国际标准化组织(Organization Inter-nationale De Normalisation)开发的标准)安排压缩的视频信号和其它辅助数据。标准化的信号被施加到传输处理器13，为了传输的目的，该处理器将信号分成数据包，并增加某些辅助以抗噪声。一般以非均匀的速率出现的传输包被送入速率缓冲器14，该缓冲器以相对恒定的速率提供输出数据，以便有效地利用带宽较窄的传输信道。经缓冲的数据被送至调制解调器15，该调制解调器进行信号传输。
系统时钟22提供时钟信号，使至少包括传输处理器的大部分装置运行。该时钟将工作在一个固定的频率下，例如27MHz。然而如此处所示，它用来产生时序信息。系统时钟与计数器23的时钟输入端相连，计数器23例如可以是以模230计数。计数器输出的计数值送至两个锁存器24和25。锁存器24由视频源使之满足条件，在各帧的间隔锁存计数值。这些计数值表示出现时间标记PTS，并通过格式器12包含在压缩视频信号流中，接收器利用这些计数值提供相关的音频和视频信息的嘴唇同步。锁存器25由传输处理器13(或系统控制器21)使之满足条件，根据预定的方案锁存计数值。这些计数值表示系统时钟基准SCR，并作为辅助数据嵌入各个辅助传输包着中。
来自源10的与视频信号相关的音频信号被施加到音频信号压缩器18。压缩器18提供帧取样脉冲(独立于视频帧)，以便控制锁存器19。锁存器19对取样脉冲作出相应，接收由计数器23提供的计数值。这些被锁存的值对应于音频出现时间标记PTSaud。PTSaud被包含进由压缩器18提供的压缩音频信号中。压缩的音频信号被施加到传输处理器17，为了传输的目的，该处理器将信号分成数据包，并增加某些辅助操作以抗噪声。由处理器17提供的音频传输数据包送至多路开关选择器16，它对音频和视频传输包进行分时多路复用。在图中，分开的传输处理器示于音频和视频信号处理通道中。对数据速率中等的系统而言，两个传输处理器和多路开关选择器16的功能可以包含进单个传输处理器中。
系统控制器21是一个被编程以便与各种处理部件协调的可变状态的装置。注意只要在处理部件之间提供适当的信号交换，就可以通过共同的时钟装置，使控制器21、压缩器11和18、传输处理器13和17、以及速率缓冲器14可以或可以不同步操作。然而，两个压缩器都驱动来自同一基准计数器23的PTS值，于是在压缩输出信号中形成了两个压缩信号之间的精确的时序关系。
图2表示体现本发明的一个示范性接收机装置，其中调制解调器200执行调制解调器15的相反功能，速率缓冲器206实际上执行速率缓冲器14的相反功能。反向传输处理器202通过服务将各个传输包分开，并在速率缓冲器206的不同存储器块中分配各个包有效部分。这样做以后各个传输包信号的有效部分与辅助数据分开，辅助数据送至控制器210。在另一结构中，分开的传输处理器可以包括在每个处理通道中，并安排来识别和处理只与各个通道相关的数据。
来自速率缓冲器206的压缩视频数据进入视频解压器214。速率缓中器206接收速率不一致的压缩视频数据，并根据请求向解压器214提供数据。解压器对压缩视频信号作出响应，产生用于在适合的显示器或存储设备(未示出)中显示或存储等的非压缩视频信号。
来自反向传输处理器202的压缩音频数据送至速率缓冲器206，该缓冲器根据系统协议向音频解压器212提供压缩音频信号。解压器212对压缩音频信号作出响应，产生用于在适合的扬声器或存储设备(未示出)中重放或存储等的非压缩音频信号。
反向处理器202也向系统时钟发生器208提供来自辅助传输数据的SCR和控制信号。时钟发生器对这些信号作出响应，产生与至少传输处理器操作同步的系统时钟信号。系统时钟信号送至接收机系统控制器210，以控制适当处理部件的时序。
图3表示一个示范性时钟发生器208的细节。来自接收机调制解调器200的数据送至包括辅助包检测器31的反向传输处理器202’。反向传输处理器202’将传输首标数据从各个传输包有效部分中分离出来。处理器202’对传输首标数据作出响应，多路分配所要求的相关音频和视频节目分量的有效部分和相关辅助数据的有效部分。音频视频和辅助有效部分被写入速率缓冲器208的分开的存储器块中。各个存储器块中的每一个都作为先入先出存储器或FIFO运行，当从调制解调器中得到数据时便写数据，而当相应的分量信号处理器(未示出)请求数据时便读数据。存在于特定辅助包中的SCR被选择路径存入存储器部件34中。
辅助包检测器31可以是一个匹配滤波器，它用来识别表示包括SCR的辅助传输包的代码字，在包括这种数据的传输包出现时产生一个控制脉冲。该控制脉冲用来获取在准确地与检测时间有关的时间由局部计数器36当前显示的计数值，并将其存储在锁存器35中。局部计数器36用来对电压控制振荡器37提供的脉冲进行计数。计数器36是以模M计数的，它可以(但不是必需)和译码器中的相应的计数器(计数器23)的模数相等。如果M不同于N，那么其差值可以包含在误差等式中。
电压控制振荡器37受由时钟控制器39提供的经低通滤波器38滤波的误差信号的控制。误差信号以下述方式产生。将在时间n到达的SCR表示为SCRn，将在锁存器35中同时获取的局部计数值表示为LCRn。时钟控制器读SCR和LCR的连续值，并形成正比于差值的误差信号E
        E|SCRn-SCRn-1|-|LCRn-LCRn-1|用误差信号E使电压控制振荡器37的频率趋向于等于该差值。如前所述，由于包含模计数器引起的负误差可以忽略。由时钟控制器39产生的误差信号可以是脉宽调制信号，它可以利用模拟部件中的低通滤波器38变成一个模拟误差信号。
本系统的限制是系统两端的计数器对相同的频率或者甚至它们的倍数计数。这就需要电压控制振荡器的标称频率非常接近编码器的系统时钟的频率。
上述方法提供了相当快的同步，但是可能引起长时间的误差。长时间误差LTE正比于差值
                  LTE|LCRn-LCRO|-|SCRn-SCRO|此处SCRo和KCRo例如是第一次出现的SCR和相应的接收机计数器中的锁存值。名义上误差信号E和LTE在分散的步骤中将发生变化。这样，一旦系统“被同步”，误差信号将在零点附近变动一个单位。较好的同步方法是用误差信号E启动对电压控制振荡器的控制，直到误差信号E中出现一个单位的变动，然后转换到用长时间误差信号LTE来控制电压控制振荡器。
可以用VCXO37提供的系统时钟信号操作至少传输处理器和速率缓冲器。由于它在频率上至少与译码器系统时钟同步，所以由于时钟时序误差引起的速率缓冲器的上溢或下溢基本不存在。
再次参照图2描述音频/视频同步。回忆一下出现时间标记PTSvid是包括在与预定视频数据相关的压缩视频信号中的。PTSvid表示将要显示的相关视频的有关时间。类似地，压缩音频信号包括出现时间标记PTSaud，它与将在与各个PTSaud有关的时间重放的音频相关。由于各个取样是在不同的时刻确定的，所以在接收机PTSaud和PTSvid可以不直接进行比较，以提供A/V同步。各个PTS值与连续的时基进行比较，该时基是由VCXO37提供的接收机的时钟。这是通过对系统时钟208产生的局部计数值LCR取样实现的，以便获取局部时间标记。
当与相关的PTS相关的数据出现时，对LCR进行取样。例如，当输出各个音频帧以便重放时，音频解压器212发出一个PTSaud。在这些时间，控制信号使锁存器220对LCR进行取样，其值将表示为LAS作为局部音频标记。类似地，当视频解压器提供一个视频帧以便显示时，它提供一个PTSvid和一个控制脉冲，使锁存器222存储LCR的当前值。这些LCR值表示为LVS作为局部视频标记。
LAS和相应的PTSaud被送至减法器218的各个输入端，减法器218根据以下关系式产生信号ΔA-PTS：
               ΔA-PTS＝PTSaud-LASLVS和相应的PTSvid被送至减法器217的各个输入端，减法器217根据以下关系式产生信号ΔV-PTS：
               ΔV-PTS＝PTSvid-LVS信号ΔV-PTS和ΔA-PTS被送入下一个减法器219的各个输入端，减法器219根据以下关系式产生A/V同步误差信号ERRPTS：
                ERRPTS＝ΔV-PTS-ΔA-PTS音频和视频的同步需要A/V同步误差变为零。于是，当相应的音频和视频PTS的值之差等于相应的PTS出现之间的以局部基准为单位的时间，音频和视频信号将同步。
可以采用两种机制来基于误差信号ERRPTS调整A/V同步：跳跃和重复数据部分以及转变时钟偏差。跳跃音频的固定的间隔或“帧”使音频数据流相对于视频信号提前了一个固定的间隔。重复(或不用数据情况下的静噪)使音频数据流相对于视频信号延迟了固定的间隔。跳跃和重复音频帧在许多情况下是听得见的，因此只能用于同步的粗调。即使如此，对可觉察的音频/视频同步误差来说，简短的跳跃或重复可以是较好的。如果音频帧小于40毫秒，那么通过跳跃/重复的粗调导致同步误差在±20毫秒内，这是在A/V同步的工业标准以内。然而，如果音频转变时基与源的时基不匹配，那么这种同步将变差。一旦粗略地调整了同步，安排音频转变时钟频率的变化来进一步改善A/V同步。
误差信号ERRPTS施加至滤波器和处理部件216。此处滤波器的功能是使信号ERRPTS变得平滑，最大限度地减小另外也可由信号噪声产生的异常影响。然后运用部件216中的处理功能检验变得平滑的误差信号，确定是否应采用音频的跳跃/重复来进行音频和视频信号的同步粗调，和/或是否应对音频处理的频率进行调整，从而实现同步细调。如果确定必须进行同步粗调，那么处理器216向音频解压器212提供一个控制信号(S/R)，使解压器跳跃或重复当前的解压音频帧。另外，或除了粗调，如果确定必须进行同步细调，那么处理器216向音频时基215提供一个控制信号，调整音频处理时钟信号的频率。
图4的流程图详细地示出了处理规则。系统在标以开始的400启动后，系统在401监测音频解压器是否出现PTSaud，如果检测到PTSaud，那么在403被读出，并且获取和存储局部时钟基准LAS。如果没有出现PTSaud，那么系统在402监测视频解压器是否出现PTSvid。如果出现PTSvid，那么读PTSvid，并且获取和存储局部时钟基准LVS。如果PTSaud和PTSvid都已经读出，那么根据下式在405计算ERRPTS：
            ERRPTS＝ΔV-PTS-ΔA-PTS在406检验误差信号的幅度是否大于音频帧周期的一半。如果它大于音频帧周期的一半，那么在407检验误差信号的极性。如果极性为正，那么在409重复当前的音频帧。如果极性为负，那么在408跳跃当前的音频帧。跳跃或重复帧以后，系统返回到开始位置，等待下一次出现PTS。
在步骤406，如果误差信号的幅度小于音频帧周期的一半，那么在410检验误差确定它是否大于零。如果误差大于零，那么在412检验误差，确定它是否小于前一个误差信号。如果小于前一个误差信号，则表示系统正趋于同步，并且不改变同步控制参数。系统返回到开始位置，等待下一次出现PTS。相反，如果误差超过前一个误差信号，那么在414调整音频系统处理时钟减小其频率。
在步骤410，如果误差小于零(负)，那么在411确定它是否大于前一个误差信号。如果大于前一个误差信号，则同样表示系统正趋于同步，并且不改变同步控制参数。另外，如果当前误差信号小于前一个误差信号，那么系统进一步脱离频率，并在413增大音频处理时钟频率。处理步骤411和413之后，系统返回，等待下一次出现PTS。在本例中应注意的是，系统通过跳跃或重复音频帧只进行粗调，直到A/V同步误差减小到小于音频帧周期的一半。
在另一实施例中，经滤波的误差信号与和各个音频帧的大小有关的预定的阈值进行比较。如果误差信号小于阈值，则表示音频—视频时间误差小于一音频帧，误差信号送至音频时基电路215，其中用它来调整音频信号处理(解压)时钟的频率。另外，如果误差信号大于阈值，那么可以通过音频帧周期来除误差信号，确定音频和视频信号未对准的音频帧的数目。商的整数部分送入音频解压器，使音频解压器跳跃或重复那个数的音频帧。误差信号的极性将确定是否音频帧将跳过或重复。名义上压缩数据在被解码之前就放在一个缓冲器存储器中，因此通过控制允许存储器读/写的命令，就能简单地跳跃或重复音频帧。
商的小数部分送入音频时基电路215，用它调整音频处理时钟，对A/V同步进行精细调整。
音频PTS的产生率与音频解压器的处理速度成正比。音频解压器的处理速度直接与用来操作音频解压器的时钟信号频率成正比。如果音频解压器的时钟频率与用来操作视频解压器的时钟无关，并且可细调，那么音频和视频PTS出现的相关速率便可调，并且A/V是准确同步的。
解压音频信号送至数/模转换器(DAC)227。来自DAC227的模拟输出信号再通过电阻器228送至模拟处理电路(未示出)。静噪晶体管229的导电通路连接在电阻器228和地电位之间。晶体管的控制电极与阈值检测器225的输出端相连。大于Vbe的正控制电压使得晶体管229将来自DAC227的音频输出信号箝位在地电位，从而对音频信号静噪。
一般压缩的音频信号将包括多个分量，如左声道信号、右声道信号，等。为了简化起见，图2只示出了一个音频输出，然而每个音频通道将包括一个由公共静噪控制信号控制的静噪电路。
对音频信号静噪出于各种原因，不单是嘴唇同步的丧失。本装置的独特性在于它是基于嘴唇误差进行静噪的。
观众可以注意到-20ms或+40ms的嘴唇同步误差。在所示的示范性系统中，如果嘴唇同步误差超过大约13ms时就对音频静噪。选择13ms的阈值，它小于20ms但大于MPEG1，层II音频帧(它是24ms)的一半。选择阈值略大于音频帧的一半是因为用A/V同步帧跳跃和重复，在半帧(12ms)初始的同步状态是可能的，而大约12ms或小于12ms的阈值将导致同步，但对音频静噪。此外，等于帧一半的阈值由于计算的嘴唇同步误差中的较小的波动将产生间歇静噪，而嘴唇同步误差中较小的波动是由于时钟和PTS的选通脉冲取样不确定的缘故。
静噪控制信号是由阈值检测器225产生的，该检测器监测从减法器219得到的A/V同步误差信号。当误差信号超过对应于13ms的值时，产生静噪控制值。为了使噪声或其它脉动条件不能引起产生错误的静噪信号，在来自减法器219的误差信号进入阈值检测器225之前可以对其进行低通滤波。
从检测器225发出并在DAC227和音频解压器212终止的虚线箭头表示另外的静噪可能性。例如，可以设计静噪控制信号来禁止DAC227的输出或解压器212的输出。在任一种情况下，禁止功能将使得各个处理部件输出一个信号，其幅度值为输出信号动态范围的一半。图2的电路也表示通过视频DAC224的控制可以进行视频静噪(或消隐)。
图5表示另一个静噪电路。在本实施例中，由滤波器216产生的跳跃/重复(S/R)信号用作主静噪控制。该信号通过或门230送至静噪电路。如果在特定的系统中，用来调整音频时基的精细控制跨越包括至少一个音频帧的一半的范围，那么可以将阈值检测器231包括进来监测音频时基精细控制信号，并产生辅助静噪控制信号。该辅助控制信号也通过或门230送至静噪电路。
图5的装置表示另一个可能的静噪电路，包括与门226，用于有选择地将来自解压器212的解压音频信号送至DAC227。名义上音频信号是双极性(AC)的，并在零值上下波动。当处于非耦合状态时，与门按要求输出零值，它是信号动态范围的中点。
最近研制出了压缩A/V直接广播卫星系统，其中多个分成包的节目是分时多路复用的，并通过一个转发器传输。特定的节目包括仅一个音频信号，避免了嘴唇同步问题。然而，如果系统时钟未同步，不希望的音频可能被重放。因此，可以包括另一个阈值检测器232来监测由图3所示的时钟控制器39产生的误差信号。当由控制器产生的误差信号表示频率偏离锁定状态例如0.2时，阈值检测器232产生一个静噪控制信号。该静噪控制信号送至或门230进行音频静噪，直到系统时钟基本与相应的编码系统时钟同步。类似地，可以连接检测装置来测量音频时基215的频率偏移，以便产生在门电路230中经过或逻辑运算的另一个静噪信号。

Claims (10)

1.在处理压缩音频/视频信号的一种接收机中，装置的特征在于：
提供所述压缩音频/视频信号的检测器(200，202，206)；
对所述压缩音频/视频信号作出响应，提供解压音频信号的音频解压器(212)；
对所述压缩音频/视频信号作出响应，提供解压视频信号的视频解压器(214)；
产生误差信号的检测装置(217—219)，该误差信号表示相关的解压音频信号和解压的视频信号的非同步的程度；以及
当所述误差信号超过一个预定的阈值(225)时对所述解压音频信号静噪的静噪装置(229)。
2.权利要求1所述的装置，其特征在于所述静噪装置包括：
对所述误差信号作出响应的阈值检测器，当所述误差信号分别大于和小于所述预定的阈值时，所述阈值检测器产生一个具有第一和第二状态的控制信号；以及
对所述控制信号作出响应的信号箝位装置，当所述控制信号呈现所述第二状态时，所述箝位装置使所述解压音频信号通过，当所述控制信号呈现所述第一状态时，所述箝位装置为所述解压音频信号提供一个替换值。
3.权利要求2所述的装置，其特征在于所述箝位装置包括相连的数/模转换器，用于接收所述解压音频信号。
4.权利要求2所述的装置，其特征在于所述箝位装置包括相连的与门，用于接收所述解压音频信号，并具有一个与所述阈值检测器相连的允许输入端。
5.权利要求2所述的装置，进一步的特征在于：
对所述压缩音频/视频信号作出响应的同步电路，用于产生系统时钟信号，该系统时钟信号与用于产生所述压缩音频/视频信号的编码器系统时钟信号有预定的关系，并包括提供另一个误差信号的检测器，该误差信号表示所述系统时钟信号的非同步的程度；
对所述另一个误差信号作出响应的另一个阈值检测器，当所述另一个误差信号分别大于和小于所述另一个预定的阈值时，所述另一个阈值检测器产生一个具有第一和第二状态的控制信号；以及
将来自所述阈值检测器和另一个阈值检测器的所述控制信号进行组合的或门电路。
6.权利要求1所述的装置，其特征在于产生误差信号的所述检测装置是一个嘴唇同步检测器。
7.权利要求1所述的装置，其特征在于所述音频/视频信号的音频和视频分量包括在预定的时间确定并与一个编码器系统时钟有关的各个时间标记PTSaud和PTSvid，并且所述音频和视频解压器提供与解压音频和视频信号关联的所述时间标记PTSaud和PTSvid，并且产生所述误差信号的所属检测装置包括：
一个局部时钟信号源；
在所述局部时钟信号的周期确定相应的时间标记PTSaud和PTSvid出现之间的时间T的装置；
计算相应的时间标记PTSaud和PTSvid的值之间的差，并将该差值与所述时间T进行比较，以便产生一个A/V同步控制信号的装置；以及
当所述A/V同步控制信号超过一个预定值时产生所述误差信号的阈值检测器。
8.权利要求7所述的装置，其中所述各个解压装置在预定的间隔对音频信号解压，并且所述装置的进一步的特征在于：
对所述A/V同步控制信号作出响应、使解压的音频和视频信号同步的装置，并包括产生使所述音频解压器跳跃或重复预定次数的所述音频信号的另一个控制信号的装置；以及
对所述另一个控制信号与所述误差信号进行或逻辑运算，以便产生控制所述静噪装置的复合误差信号的电路。
9.权利要求7所述的装置，进一步的特征在于：
对所述压缩音频/视频信号作出响应的同步电路，用于将所述局部时钟信号与用于产生所述压缩音频/视频信号的编码器系统时钟信号同步，并包括提供另一个控制信号的检测器，该控制信号表示所述系统时钟信号的非同步的程度；
对所述另一个控制信号作出响应的另一个阈值检测器，当所述另一个控制信号分别大于和小于所述另一个预定的阈值时，所述另一个阈值检测器产生具有第一和第二状态的另一个误差信号；以及
将来自所述阈值检测器和另一个阈值检测器的所述控制信号进行组合的或门电路。
10.权利要求1所述的装置，其特征在于所述音频/视频信号的音频和视频分量包括在预定的时间确定并与一个编码器系统时钟有关的各个时间标记PTSaud和PTSvid，并且所述音频和视频解压器提供与解压音频和视频信号关联的所述时间标记PTSaud和PTSvid，并且所述检测装置产生作为相关的解压音频和视频的所述PTSaud和PTSvid的值之间的差的函数的所述误差信号。
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