CN1259267A - 分组数据网上的交互视频通信 - Google Patents

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Abstract

一种在基于分组的计算机网络中传送音频/视频数据的系统和方法,其中把数据包通过需要可变传送时间周期的计算机网络而传送。该系统包含:(1)数据包装配电路,用于从对应于音频/视频信号的数字音频/视频数据的数据流的部分构成数据包,数据包拆卸部分,具有与其关联的缓冲器,用于从主干线上接收数据包。数据包装配电路产生指示该部分相对于数据的时间位置的位置标识符,把位置标识符插入到数据包中,并对数据包进行排队,以通过计算机网络的主干线传送。数据包拆卸电路把该部分插入到缓冲器的绝对位置上,位置标识符确定该位置,从而使该部分与缓冲器中的数字音频/视频数据的数据流的相邻部分同步,以补偿可变的传送时间周期。

Description

分组数据网上的交互视频通信
发明的技术领域
本发明一般涉及计算机网络，尤其涉及在基于分组的计算机网络上传送和接收数字化音频/视频数据的系统和方法，以补偿可变分组传送时间(跳动(jitter))。
发明背景
历史上，所有的独立通信系统都被用来传送音频/视频数据和计算机数据(虽然，应理理解，计算机“数据”将落入广义的“数据”定义，但是有时为相似的目的，被缩写成“数据”)。
一个多世纪以前，开发了模拟电话网来载送模拟音频信号。这些电话网络利用中央交换设备，在用户之间建立专用通信电路，或者“信道”，可以在两个或多个的用户之间传送音频数据，或者更广义地可以传送音频信号。因为信道一旦建立之后，它就专门用来传送这些用户之间的通话，该通话不需要与其它通话抢占信道带宽。每个通话具有专用信道的优点是从讲话者到收听者的任何传送延时都是音频信号通过电话网的自由速度的纯函数。由于这种速度在时间上无明显的变化，所以这种专用信道能提供“同步”传送。不幸的是，专用信道的一个显著的缺点是它们需要相当大的带宽；即，信道的整个带宽都被留下专门用来载送该会话，即使当时没有音频/视频信息在被传送。
近年来，人们正在努力建立电话网上数字传送音频信号的接口标准。现有标准中最值得注意的是由AT&T提出的综合服务数字网(“ISDN”)。ISDN使连接接口、传输协议和服务标准化，创建了统一的数字电路交换网。更近时间，已采用了宽带ISDN(“BISDN”)的建议。与ISDN不同，它是数字网络标准，BISDN使用了分组中继，或者异步传送模式(″ATM″)作为传送标准，这对在宽带“主干”线上，尤其是光纤线上的传输特别重要。ATM主要是面向连接的技术，它能以恒比特率或可变比特率传输面向连接和面向非连接定向的服务。ATM根据需要提供带宽，并通过快速分组交换技术处理所有话务类型，减少协议处理，使用统计多路技术。
在ATM中，音频数据被分割成较小的块或包，一般称为“信元”。这些信元利用发送器和接收器通过ATM网络独立地传送，发送器和接收器是不同步的。限于同步传送的网络一般需要专用信道和时钟来控制通过网络的音频/视频数据的同步传送。因此，ATM可以使电话网与在专用同步信道上的上述音频/视频数据的同步传送分开，从而事先组合专用信道，通过消除同步降低成本，显著地提高网络效率。因此，ISDN和BISDN对将来都保留了这许多承诺。然而，由于安装的基础是模拟设备(包括电话机)，所以这些标准的广泛应用非常缓慢，表现出改变上的极大阻力。
分组传送或ATM不应与TDM混淆。TDM要求把同一主干的所有带宽同步分割成多个低速信道，并为每个信道分配特定的时隙。换句话说，如果有四条信道，每条信道被分配带宽的四分之一。带宽是系统地交换的，这样，信道1得到其四分之一带宽，接着是信道2、3、4、1、2等。在TDM中，在各种集中多路器中，处理能力必须分享同一个带宽。如果信道业务是不变的或可预计，这种集中化是可以接受的。然而，当业务在短时间(如在实时世界中)内发生的，则处理变得不寻常了，导致带宽的有效损失。
相反，分组传送或ATM是异步的，根据要求分配整个主干带宽。例如，如果信道1是高活动性的，它接收带宽可以高于其按比例分享的整个带宽。当信道1的活动性下降，同样，其分配的带宽也下降。因此，分组传送或ATM最适于处理数据的“突发”传送，其中每个独立信道的活动性在较大的范围内变化。因此，由于计算机以分组方式通过网络传送数据，所以计算机数据被称为“短脉冲串”。与TDM不同，需要创建、传送和接收数据包的处理能力在所有通信设备之间是分布式的，而不是集中化的。因此，带宽不会由于集中处理的固有限制而受损失。
虽然，电话网已存在了一个多世纪，但计算机网络在过去的四分之一的世纪已确定了它的地位。与传统电话网的专用信道相比，计算机网络允许各计算机共享接入共用的具有较宽带宽的通信主干线(方式与ATM十分相似)。
至于在ATM中，计算机数据被分成数据包，每个数据包包括出错保护。因此，各网络化计算机(“节点”)被授权接入主干线的全部带宽，这样，它们可以在其上传送它们自已的计算机数据包。当正在传送的计算机完成数据包的传送时，主干线立即可用于其它计算机。
计算机网络的特殊情况是个人计算机(“PC”)网。然而，以前PC仅被用作独立的设备，现在它们被用在很宽的应用领域，需要PC能在计算机网上彼此通信。
今天，在大办公室中有几百台PC连网，在小办公室也有一些计算机连网，这都是非常流行的，而且十分简单，这是共享数据以及在PC之间进行通信的最佳方法。局域网(“LAN”)是专用类型的网络，它连接相对较接近的PC。广域网(“WAN”)是各LAN的网络。这种LAN的主干线一般包含同轴或双绞对电缆。
所有的网络在通过其进行端至端的数据传送时都存在延时。这种延时(专业术语为“滞后时间”)影响了网络的整体效率和有效带宽。ATM和计算机网络由于它们是异步的，所以还会有“跳动”，它被定义成以时间为函数的网络滞后时间的变化。然而跳动在很大程度上是不可预测的，网络业务的整体数量趋向于同时增加滞后时间和跳动。
任何计算机网络的的心脏都是通信协议。协议管理计算机设备之间传送数据的约定或规则的集合。最简单的协议仅定义了硬件结构，而更复杂的协议定义了定时、数据格式、错误检测和纠正技术以及软件结构。
计算机网络也几乎普遍使用了多层协议。低层物理层协议确保了两个设备之间传送和接收数据流。数据包在数据连路层中构成。在物理层上，网络和传输层协议管理通过网络的数据传送，从而确保端到端的可靠的数据传递。
小型网络的最常用的物理建网协议或拓扑结构是Xerox开发的以太网。当一个节点具有数据包要通过网络传送时，该节点监视主干线，并且当主干线变得空间时传送。没有中心主干线主设备来授权要求获得接入主干线。虽然当主干线使用负荷较轻时，这种类型的多点拓扑便于快速传送数据，但是当主干线使用负荷较重时，可能发生数据包碰撞。在这种情况下，多个节点有很多机会检测到主干线空间，并同时发送它们拉数据包。如果数据包在碰撞中受损，则数据包被重发，直到发送成功。
另一种传统的物理协议或拓扑结构是令牌环(Token Ring)，由IBM公司开发。这种拓扑结构使用“令牌”，它单向地绕环形主干线从一个节点通过另一个节点。控制令牌的节点被唯一地授权接入主干线，进行单个数据包传送。虽然这种拓扑结构减少了数据冲突，但是由于每个节点要滞后令牌，当网络使用较轻时，其数据传输速率比以太网低，因要产生时间滞后。
在本技术领域中已知几种网络和传输协议，处理突发数据传送。一种能在PC之间进行通信的协议是Microcom网路协议(“MNP”)，由Microcom系统公司开发。MNP适用于交互通信和文件传送，可以在较宽的计算机范围内实现。MNP分组数据具有标头和标尾，包含了数据包类型、CRC及其它与数据包有关的信息。虽然MNP协议提供了无错数据传送，但是大量的标头和标尾开销减小了数据带宽。
已有技术包括很多技术，包含处理数据，以提高数据传输率或网络的“通过量”。美国专利4,691,314揭示了一种以较大的且大小可调整的数据包传送数据的系统，该专利转让给了Microcom公司。由于系统可以有较大的数据包，所以需要的标头和标尾较小。
然而，当传送媒介不可靠(例如当数据在有噪声的电话网线上传送)时，在数据中可以经常发生错误。当数据包长度增加时，数据包中数据错误的机会亦增加。而且，必须重新传送更大的数据包，从而增加网络通过量。
另一种网络和传送协议是传输控制协议/互联网协议(“TCP/IP”)。这种协议使用了出错的“返回N方法”和在数据报网络上的流程控制。在出错控制的“返回N方法”中，如果有传送错误、数据包丢失、传送数据包时过多的滞后时间、数据包不按顺序传递或者接收缓冲器溢出，则由于过度的数据包重发，通过量将明显地损失。
随着数字计算机范围的继续延伸，网络将受到新的和更困难的可靠性的挑战。这些挑战之一是多媒体。近年来，已大量尝试产生数字数据网，它们能附加载送表示数字化音频/视频信号的数据，从而附加地起到了电话网功能，总之，产生所谓的“多媒体网络”。
然而，如上所述，音频/视频信号是对时间是极其灵敏的，因为用户对微小的音调、变调和暂停都极其敏感。因此，必须传送音频/视频数据的计算机数据网被强制与在主干线上的突发计算机和时间敏感的音频/视频数据的通信竞争。
这种反映是上述传送数据的数据网和传输协议足以传输数据，但是不足以传送时间敏感的音频/视频数据。在通信网络中出现滞后时间，例如，那些与编码、数据包组合、媒体接入、传播、接收器缓冲以及解码等有关的滞后时间，这些时间必须被精确地补偿，以保持音频/视频信号的保真度。
在这一点上，应当进行有趣的观察。上面已把数据描述成脉冲串。这意味着有时没有音频/视频数据。这些假设都证明了是不精确的。首先，数据仅是脉冲串，因为计算机网已经以这种方式进行处理了很多年。事实上，一旦一批数据开始传送，数据传输率是恒定的。第二，由于说出的话是由较小的离散了语音(音节或字)组成，所以音频/视频本来就是脉冲串。因此，虽然音频/视频数据对时间极其敏感确实是真实的，但是音频/视频同样是脉冲串。如果可以找到一种方法补偿网络跳动，则音频/视频数据应当高度地服从基于分组的传送。
因此，在该技术领域需要的是一种系统和方法，它能在基于分组的网络中传送和接收数字化的音频/视频数据，调整可变数据包传送时间。这种系统和方法必须传递端至端的可靠的数据传送，考虑传输网络中的所有延时，在接收端表现出高保真度的音频/视频信号。
发明内容
为了消除已有技术的上述缺点，本发明的主要目的在于补偿计算机网络中的跳动，通过该网络提供高保真度的音频/视频数据的传输。
为了达到上述主要目的，本发明提供一种在基于分组的计算机网络中传送音频/视频数据的系统和方法，其中通过计算机网络传送数据包需要可变的传送时间周期。该系统包含数据包装配电路，从对应于音频/视频信号的数字音频/视频数据的部分数据流中构成数据包。数据包装配电路产生位置标识符，指示相对于该数据流的部分的时间位置，把该位置标识符插入到数据包中，对数据包进行排队，以便通过计算机网络的主干线进行传送。
该系统还包含数据包拆卸电路，它具有与其相连的缓冲器，从主干线接收数据包。数据包拆卸电路把该部分插入到缓冲器的绝对位置上，位置标识符确定该位置，从而与缓冲器中的数字音频/视频数据的数据流的相邻部分同步，以补偿可变的传送时间周期。
在计算机网络上传送音频/视频数据比传送对时间不敏感的计算机数据更苛刻。如前所述，音频/视频数据是对时间极基敏感的；因此，系统硬件、软件和传输协议都必须在接收端精确地协调音频/视频数据的重新排列。本发明提供了这样一种系统和方法，它确保了通过计算机网络高保真地和清楚地传送音频/视频数据。
本发明的位置标识符不应与数据包序列号相混淆。如将要更详细描述的，位置标识符指示了缓冲器的特定的具体地址，而不是相对于其它数据包的数据包位置。利用序列号，可以辨别数据包3跟在数据包2后，而在数据包4之前。利用位置标识符，可以进一步辨别重要的数据包同步信息：数据包3跟在数据2后面例如5毫秒(″ms″)，在数据包4之前例如15ms。与序列号明显不同，位置标识符可以使数据包位置遮盖其它数据包部分(因此重写)，可以在数据包之间产生时间间隔(产生静寂的间隔周期)，并且可以数据包以任意次序传送，而不用综合考虑数据包的相对同步。
在本发明的较佳实施例中，该系统还包含内插电路，把同步的音频/视频数据插入到缓冲器中指定的位置上，从而加长缓冲器中音频/视频数据的数据流部分。内插电路针对这些情况，即在从主干线接收音频/视频数据期间缓冲器的长度变短。这发生在从缓冲器读取数据比向缓冲器写入数据更快的时候。
例如，如果从缓冲器读取的编码/解码器(“编码解码器”)的时钟太快，则编码解码器读取得也太快，使缓冲器变短。内插电路用于检测缓冲器变得太短的时间，并通过增加同步的音频/视频数据，把缓冲器向预定长度调整。内插电路确保了缓冲器接近其预定长度，以高效地重新对准缓冲器的音频/视频数据。
本发明的系统还包含抽取电路，从缓冲器的指定位置删除音频/视频数据，从而缩短缓冲器的音频//视频数据的数据流部分。抽取电路针对这样的情况，即在从主干线接收音频/视频，缓冲器的长度增加。这发生在从缓冲器读取数据比向缓冲器写入数据慢的时候。
例如，如果编码解码器时钟触发得太慢，或者如果音频/视频数据通过LAN以过快的传送，则缓冲器窗口变长。用抽取电路检测缓冲器太长的时间，再通过删除所选的音频/视频数据把缓冲器向其预定长度方向调整。与内插电路相似，抽取电路确保了缓冲器接近其预定长度，以高效地重新对准缓冲器的音频/视频数据。
在本发明的较佳实施例中，本发明的数据包包含源和目标字段，用于确定数据包通过计算机网络的路由。这个实施例主要针对以太网环境，其中，计算机网络的每个节点都由具体的地址来指定。在为音频/视频数据在计算机网络的主干线上确定路由之前，向数据包分配源和目标地址，指定适当的节点。另一种方法是，可以在WAN应用中使用信道标识符(通过ATM)，确保正确地传送。
如上所述，基于分组的传送的优点是分布式呼叫处理和传信。因此，每个数据包装配电路都独立地响应，以确定音频/视频数据通过网络的路由。
在本发明的较佳实施例中，位置标识符的值是前次传送的数据包中的数字音频/视频数据的数据流部分的长度的函数。因此，位置标识符较佳地指出了每个部分的第一个数据位于缓冲器中的位置。该位置较好地跟在前一次传送的数据包的最后数据的位置之后。
在本发明的较佳实施例中，音频/视频数据的每个部分(“样本”)都位于长度预定的数据包中。除了样本之外，数据包包含位置标识符。位置标识符把样本指定到缓冲器中的绝对位置中，它可以是累积的，也可以是不累积的。位置标识符明显的优点是在缓冲器中使样本时间上同步。
也应理解，其它的音频/视频数据也可以占用数据包。指定一个特定的标头标识、信号和呼叫处理(控制)数据可以装载到一个数据包中。再者，这可以进行分布式、分散处理。一旦装载到数据包中，对控制数据在通过网络行进的处理与音频/视频数据没有什么不同。
在本发明的较佳实施例中，本发明的缓冲器的传播窗口的长度约为20ms。该窗口被定义成缓冲器中写入数据的位置与读取数据的位置之间的差值。该窗口以最佳的长度建立(在以太网应用中)，是数据包长度和网络特征的函数(例如数据包装配时的滞后时间、媒体接入、传送和拆卸)。在ATM网络中，窗口长度也应当约为20ms。对于互联网，窗口长度应当约为50-100ms，以考虑在非常大的网络中的明显的滞后时间。在每种情况下，如果窗口较短，则可能没有充分的时间允许有滞后。当往返行程的音频/视频延时超过60ms时，一般需要有回波消除。
在本发明较佳实施例中，音频数据包能包含长度约为5.5ms的部分。约为5.5ms的音频长度对应于44字节的脉冲编码调制(“PCM”)音频缓冲器的音频/视频数据样本。再者，5.5ms长度是可调整的，它与网络特性有关。而且，该部分的长度是被压缩的。由于可用许多种压缩算法，所以未压缩长度是可以变化的。
在本发明的较佳实施例中，系统还包含数字转换/压缩电路，耦接到数据包组合电路，把音频/视频信号数字化，并压缩到数字音频/，视频数据的数据流中。再者，许多压缩算法都是可变的，所以，未压缩和压缩数据的长度之间没有线性对应关系。
数字转换/压缩电路把模拟音频/视频信号转换成数字音频/视频数据流，供数据包组合电路使用。数据包装配电路把音频/视频数据按排成数据包，在主干线上传送。数字化和压缩数据的优点在于较大的有效带宽可用来通过计算机网络来传送音频/视频数据。
在本发明的较佳实施例中，系统还包含去压缩/模拟转换电路，耦接到数据包拆卸电路中，用于把数字音频/视频数据去压缩，并转换回到音频/视频信号。因此，接收到的音频/视频数据被转到接收端上的听众可以理解和响应的媒体上。
在本发明的较佳实施例中，本发明的计算机网络包含多台连接到主干线上的计算机，数据包组合电路和数据包拆卸电路位于各计算机中。因此，本发明被设计成在具有多个节点的计算机网络中工作，能支持许多正在进行的电话通话。计算机网络可以是客户机—服务器或对等拓扑结构。因此，本发明的系统可以使计算机网络取代专用小交换机(“PBX”)系统。PBX是高度专用的，昂贵，且较不灵活。
在本发明的较佳实施例中，数据包装配电路和数据包拆卸电路都以预编程的通用数据处理和存储电路来实现。本技术领域的熟练人员都将认识到，虽然，本发明的系统能以离散电路来实现，但是基于微处理器的集成电路也可以为本系统的实施例提供吸引人的灵活的环境。
前面较宽地概述了本发明的和技术优点，以使本技术领域的熟练人员更好地理解下面的本发明的详细描述。本发明的附加特征和优点将后面形成本发明的权利要求的主题的说明中进行描述。本技术领域的熟练人员应当理解，他们可以容易地使用这里揭示的原理和特定的实施例，修改或设计其它结构，以实现本发明相同的目的。本技术领域的熟练人员也应认识到这些等效的组件并不脱离本发明最宽形式的精神和范围。
附图简要描述
为了更全面地理解本发明及其优点，现在参照附图进行描述，其中：
图1示出了形成本发明可以工作的环境的计算机网络；
图2示出了根据本发明构成的基于微处理器的系统的框图；
图3示出了根据本发明装配的音频/视频数据的以太网数据包；
图4示出了根据本发明装配的音频/视频数据的ATM数据信元；
图5示出了本发明的缓冲器的工作情况；
图6示出了根据本发明的装配数据包的方法的流程图；
图7示出了根据本发明的拆卸数据包的方法的流程图。
详细描述
先参照图1，图1示出了计算机网络，一般标为100，它形成了本发明可以工作的环境。网络100被图示成包括电话设备100，通过具有显示屏124的PC 120耦接到以太网类型的计算机网络主干线130上。其它的电话设备112、113也可以这多个站卡122耦接到主干线130上。本发明能在电话器110、112、114之间通过以太网主干线130传送音频信号。
本发明与各种物理层协议兼容。以太网主干线130通过以太网交换机140和ATM集线器150链接到令牌环局域网170的令牌环主干线172。令牌环主干线172通过具有显示屏178的PC 176耦接到电话设备174上。ATM集线器150通过具有显示器156的PC 154连接到电话设备154上。分组化的计算机数据在以太网主干线130上传送，通过以太网交换机140交换到ATM集线器150上。在令牌环主干线172上传送的分组分计算机数据直接通过ATM集线器150传送。再者，本发明是ATM全兼容的，因而，可以通过ATM集线器150全部接入ATM资源。
电话服务器160连接到多台电话设备162、164，并通过以太网交换机140连接到以太网主干线130。电话服务器160也通过ATM集线器150连接。以太网主干线130的音频数据通过以太网交换机140被指向通过电话服务器160，到达ATM集线器150。电话服务器160向中央局(“CO”)干线166提供全部的ISDN通信，从而通过ATM可以实现WAN。
再者，本发明提供了一种在基于分组的计算机网络100中传送音频/视频数据的系统和方法，其中通过计算机网络100传送数据包需要可变的传送时间周期。本发明被设计成部件在这里描述的分布式层次结构网络100中工作。
电话设备110、112、114、162、154、164、174可以是传统的模拟设备，但是，在本发明的范围内它们也可以是ISDN兼容的或其它数字设备。PC120、154、174被图示成传统的、具有扩充或输入/输出(“I/O”)总线的PC，这些总线较佳地连接到工业标准结构(“ISA”)或扩展工业标准结构(“EISA”)。本技术领域的熟练人员应当理解，本发明并不限于特定的硬件结构。如将参照图2所描述的，I/O总线提供了本发明的系统可以在主干线130、170和集线器150以及对应的PC 120、154、174之间通信的接口。
PC 120包括显示屏124、它能在软件控制下显示关于系统操作的数据。这可以使用户使用显示屏124通过处理和接口能力目视接入电话特征，例如由Intel和Microsoft开发的电话应用程序接口(“TAPI”)中提供的，或者由Novell和AT&T开发的电话服务应用程序接口(“TSAPI”)。主干线130是传统的以太网主干线，它包含多条平行的导线，作为通路，数据沿此通路在计算机网络100的节点之间传送。
ATM集线器150是一种接口卡，它把以太网或令牌环数据包格式转换成ATM信元格式。下面参照图4讨论以太网数据包到ATM信元的转换。ATM集线器150提供了前面描述的以太网或令牌环网络与ATM交换网之间的接口。
在所示的实施例中，电话服务器160多路复用专用电话机162、164的信号以及以太网物理协议层的主干线130的音频/视频数据，从而提供音频/视频数据的数字服务。
现在转到图2，图2所示的根据本发明构成的基于微处理器的系统的框图。基于微处理器的控制器包含微处理器210、数字信号处理器(“DSP”)220、编码解码器230、电话组接口(“TSI”)240、TSI连接器242、随机访问存储器(“RAM”)250、以太网控制器260、以太网控制器接口连接器262、双端口存储器270以及双端口存储器接口连接器272。
所示的实施例提供了标准的电话设备110，通过TSI 240和TSI连接器242连接到PC 120上。TSI 240接收电话设备110的模拟信号。TSI连接器242较佳的是标准RJ-11连接器。
图示的实施也提供了通过以太网控制器260和以太网控制器接口连接器262连接到主干线130上。以太网控制器260向主干线130传送数据以及从主干线130接收数据。以太网控制器接口连接器262较佳的为标准RJ-45连接器。以太网控制器260与处理器210和RAM 250通过内部本地总线内部互连。
TSI 240耦连到编码解码器230上。编码解码器230提供了对音频/视频数据的模数和数模转换。编码解码器230包含数字转换/压缩电路，用于把音频/视频信号数字化并压缩成数字音频/视频数据流。本技术领域的熟练人员应当理解，本发明与特定的压缩/解压缩算法无关，甚至与数据是否压缩根据本无关。这里描述的取样和压缩方案仅用于说明。
当电话设备110向编码解码器230传送模拟音频信号时，编码解码器230以预定的传统的8kHz速率对信号进行取样。然后，编码解码器230较佳地使用已知的标准对数压缩方法(例如A律和μ律)，把13或14比特宽的数据样本压缩成8比特的压缩样本。编码解码器230还包含去压缩/模拟转换电路，用于对数字音频数据流去压缩，并转换回音频信号。去压缩电路把8比特的压缩样本恢复成去压缩的13或14比特样本，并把该样本转换成模拟电压，以便在电话设备110中再现。最后，编码解码器230具有关联时钟(未图示)，它管理编码解码器的工作步调。
DSP 220分析、滤波和增强编码解码器230的音频/视频数据。DSP 220也可以在编码解码器230中提供回波消除或者压缩/解压缩。回波消除一般在往返行程音频/视频延时超过60ms时需要。
处理器210承担编译DSP 220和以太网控制器260的信息的工作，并进行传输数据所需要的操作。因此，处理器210实现的数据包装配电路和数据包拆卸电路。如上所述，数据包装配电路产生位置标识符370，它指示出该部分相对于数据流的时间位置，把该位置标识符370插入到数据包中，并将数据包在以太网控制器中进行排队，以便通过以太网主干线130而发送。
根据本发明，RAM 250较佳地包含接收缓冲器510。回忆一下，接收缓冲器510是与数据包拆卸电路相关联的，它提供了重新装配音频/视频数据的环境。
处理器210也实现了内插电路，把同步的音频/视频数据插入到接收缓冲器510的指定位置上，从而延长接收缓冲器510中的音频/视频数据的数据流部分，处理器210还实现了抽取电路，以从接收缓冲器510的指定位置上删除音频/视频数据，从而缩短接收缓冲器510内的音频/视频数据的数据流部分。
PC 120的双端口存储器270和I/O总线280之间的访问是通过双端口存储器连接器272来提供的。双端口存储器270提供了存储能力和溢出支持，以便于内部本地总线265与I/O总线280之间的通信。以太网控制器260和处理器210的数字数据可以存储在双端口存储器270中。
在这一点上，应当说明，本发明在根本上是针对在ATM环境中的应用。在前面已经说明，ATM目前不能被广泛接受。然而，这正在改变。因此，对于这里揭示的实施例，两部分描述将是被接受的。在图3中，本发明将被描述成应用于当前流行的以太网环境。在图4中，本发明将被描述成应用于ATM，这是最终的较佳环境。
现在转到图3，图3示出的是根据本发明进行音频数据装配的以太网数据包。较佳实施例证明了本发明与具有总长度为74个字节的以太网II帧的兼容性。72字节的总帧大小是以太网允许的最小尺寸。图示的是以太网II标头310、报文330和以太网II标尾390。
以太网II标头310包含以太网先导序列313、以太网开始帧分隔符(“SFD”)316、目标地址319、源地址322和类型字段325。以太网先导序列313是7字节串，为接收机提供了时间同步。以太网SFD316是1字节的地址，它在计算机的输入端分离数据。类型字段325指示了正在使用该数据包的上层协议。
以太网II标头310还包含目标地址319和源地址321，以确定数据包通过计算机网络的传送路由。在把音频数据在图1的计算机网络100的主干线130上传送之前，对数据包赋予目标地址319和源地址322。计算机网络中每个独立的节点都用特定的地址指定。为了确保每个独立的数据包被经路由传送到适当的目标，每个数据包的以太II标头310都被赋予了各自的目标地址319和源地址322。因而，数据在各位置之间传播。
尤其是，目标地址319标记了数据包将在计算机网络中被发送的目标字段。源地址是计算机发送数据包的站地址。目标地址319和源地址322都是6字节长。
以太网II标尾390包含帧检查序列(“FCS”)字段395。FCS字段395是建立到每个数据包内的差错校检装置，以确保接收站只处理有效的帧。FCS字段395包含了4字节的CRC值。在发送数据包前，传送站进行CRC校验。接收站进行相同的CRC校验，把得到的值与FCS字段的内容进行匹配。如果数字匹配，则认为数据包有效，如果不匹配，则忽略该数据包。
数据包的报文330的最大长度为48字节。报文330由保留/长度字段340(可选，与长度可变音频数据包一起使用)、保留/CRC字段350、信道标识符360、位置标识符370和音频数据样本380组成。
保留/长度字段340是1字节长，规定了保留/长度字段340与音频数据样本380的最后一个字节之间包含的字节数。保留/CRC字段350是1字节字段，保留用于在ATM单元中进行出错校验。信道标识符360是1字节字段，如果信道标识符360等于255，则把报文330看作是控制数据包(或许包含信令命令)，否则它表示特定站的音频数据。信道标识符允许在单个实时信道上进行多路语音连接，以减轻数据网络中转换的复杂性。也可以在共用的媒体上进行语音会议，而不需要附加专用的带宽。信道标识符也用于呼叫建立序列，以便在两个语音服务设备之间进行多方对话，从而适于ATM传送。
位置标识符370是一个指针，表示最新的音频样本380。位置标识符370是1字节长的指针，指示4字节字长的音频样本380，在溢出和回转之前，可以表示256×4个字节(1千字节)。由于数字化的音频/视频一般使用标准的8kHz的取样速率(样本之间有125微秒)，则在回转之前，位置标识符370可以表示的总时间为256×4×125微秒。位置标识符370在信道标识符360表示音频数据和信道标识符360表示控制数据(例如信令或呼叫处理)时都使用。例如，当信道标识符360等于255时，位置标识符370用于表示信令数据报文类型。
最后，数据包的报文330包含多达44字节的数字音频数据样本380。信道标识符360的值不为“225”，则音频/视频数据样本380包含数字化音频数据。如果信道标识符等于“255”，则音频数据样本380包含系统命令。这些命令可以是例如设置、向下、向上以及会议电话呼叫的信息块。
本发明被设计成处理大小可变的数据，以管理数据的可变时间传送，增加数据在计算机网络的主干线130上的通过效率。这种属性对于传送对时间敏感的音频/视频数据来说是极其重要的，以实现高的音频/视频保真度。
现在转到图4，图4示出了根据本发明装配的音频数据的ATM信元。本较佳实施例证明了本发明可以与具有总计53个字节的固定长度的ATM信元兼容。该信元的特征由在报文(图3的报文330)之前的ATM标头410描述。
ATM组合了电路交换和信元交换的优点，通过对网络的单个接入为用户提供了多路交换虚拟电路。ATM标头410包含了规定信元的虚拟路径(虚拟路径标识符(“VPI”)430)和虚拟信道(虚拟信道标识符(“VCI”)440)的信息。VPI 430和VCI 440一起建立了节点至节点的通信信道。交换路由是根据VPI 430和VCI 440的。ATM交换机需要在信息可以通过交换机传送之前在呼入和呼出虚拟信道之间建立连接。然后ATM交换机根据ATM标头410中识别的虚拟信道，把呼入多路复用信元数据流的每个独立信元交换和传送到呼出多路复用信元数据流上。在本文中，ATM实际上被看作面向连接的技术。ATM交换机保存了信元序列；每个信元都以信元速率而不是信道速率进行交换，以适应各种比特率的传送。
在ATM标头410内的信元丢失优先权字段(“CLP”)460建立了网络的优先权。有两层语义上的优先权可以使用户或网络在网络拥塞期间，提供选择放弃哪个信元。这些类型由ATM标头410中的CLP 460的“1”或“0”来定义。在拥塞期间，CLP460确定哪个信息将被放弃，或者交换通过网络。
ATM标头410中的有效负载类型指示符(“PTI”)450在载送用户信息(例如音频/视频数据)的单元或报文字段330中的服务信息(例如控制数据)之间进行区别。标头出错控制字段(“HEC”)470提供了ATM标头410的出错校验。
ATM标头410的普通流程控制字段(“GFC”)420被设计成提供与都市区域网络(“MAN”)的功能相似的共享公共接入。当有为多个终端接口服务的单个用户接入点时，如在LAN环境中发现的，使用GFC 420。每个终端必须接收对网络设备的相等的接入，GFC 420确保每个终端将得到对共享网络带宽相等的接入。GFC 420管理各种LAN拓扑结构和构造。
在5字节的ATM标头410中，在地址位置上定位有六个字段，如所示的实施例所示。与以太网数据包不同，ATM单元将信息传送通过网络，而不对报文字段330进行出错校验和纠正。保留/CRC字段350被保留用于对信道标识符360、位置标识符370和音频/视频数据样本380在接收端的ATM信元上进行出错校验。该报文字段330和其内描述的内容以与结合图3所描述的以太网数据包的对应部分的相关地作了描述。以太网数据包与ATM信元之间的转译通过取得报文字段330的目标地址319和源地址321，并把源和目标地址319、321转换成VPI 430、VCI 440以及与ATM信元相关联的信道标识符360来完成。
现在转到图5，图5示出了本发明的接收缓冲器510的工作情况。如前所述，本系统由数据包拆卸电路组成，它具有位于与其相关的RAM 250内的接收缓冲器，以从主干线130接收音频/视频数据样本380。数据包拆卸电路把该部分插入到接收缓冲器510的绝对位置上，位置标识符370确定该位置。因而，音频/视频数据样本380与接收缓冲器510内的相邻音频/视频样本380同步，以补偿传送时间的可变周期。编码解码器从接收缓冲器中读取，当插入音频/视频数据样本时将它们延迟一段时间(所示的实施例为20ms)，从而在接收缓冲器510中创建20ms延时的传播窗口。由于接收缓冲器的物理长度是有限的(本实施例中约为1千字节)，所以窗口将绕接收缓冲器510的地址回转。因此，在接收缓冲器510的任何指定可编址位置上，把数据先写入该位置，然后再读取，再写入等等。因此接收缓冲器510起到了固定延时回放缓冲器的作用。
再者，在所示的实施例中，接收缓冲器510的窗口的长度约为20ms。该窗口是一个软件，可设置在考虑了传送网络中的跳动以及分组化和去分组化延时的值上。网络中的跳动主要是由于数据话务拥塞造成的。预置长度的窗口足以适应在接收端重建音频/视频数据时的数据包和任何固有的系统延时。
如前所述，编码解码器230从接收缓冲顺510上，理想地以与增加音频/视频数据相同的速率读取，从而维持窗口长度。在读取数据时，用白噪声数据代替数据，表示寂静。如果白噪声数据没有被以后接收到的随后通过接收缓冲器510的音频/视频数据重写，则编码解码器230改为读取和解压缩白噪声，产生全成的近似的寂静，以有利于音频数据的听众。
图5具体地示出了各种大小的和放置到接收缓冲器510中的可变传送延时的6个音频数据样本380，作为包含在每个数据包中的位置标识符370的函数。位置标识符370的可以是前面传送的数据包的音频/视频数据样本380的长度的函数，但这并不是限制。位置标识符370把每个音频/视频数据样本380指定到接收端上的接收缓冲器510的指定绝对位置上。因此，位置标识符370与数据包顺序号是完全不同的。
结合下面的表I，图5示出了根据本发明的把音频/视频数据插入到接收缓冲器510中的情况。
表I
音频
每个数据样本的音频数据延时
缓冲器
样本大小 数据包位置 编码解码器读取长度
号(字节)  (ms) 标识符偏移(ms)
1   44    0    29  0     20
2   44    1    40  13    19
3   44    10   51  42    10
4   44    4.5  62  42    15.5
5   24    1.5  73  42    18.5
6   44    0    79  50    20
7   44    0    90  60    20.5
再者，在8kHz的样本速度时，各个字节或样本都占用0.125ms的时间间隔。“位置标识符”(“PI”)把每个时间上连续的音频数据样本380放置在接收缓冲器510的绝对位置上。PI被除以4，所以PI为6实际上指向了接收缓冲器510中的字节24。
“编码解码读取偏移”(“CRO”)反映了相对于接收缓冲器510中的编码解码器的读取位置。与PI相似，CRO是除以4的实际的编码解码器位置，这样，CRO为1实际指向接收缓冲器510中的字节4。在所示的实施例中，样本1包含44个字节的数据，而在系统中没有延时。因此CRO 1为0，PI 1为29，得到20ms的缓冲器长度(14.5ms加上5.5ms的样本1)。44个字节的音频数据样本380被放置在接收缓冲器510的最后5.5ms内。
在样本2中，系统实际有1ms的延时。44个字节的音频数据样本380放置成与具有PI 2的样本1相邻，等于40。由于音频数据样本380延时了1ms，总计等于6.5ms。因此，PI 2与CRO 2之间的差值限制到27位置差值上。把PI 2与CRO 2之间的27位置差值加到音频数据样本380的44个字节上，以等于样本2的19ms的窗口。样本3遇到10ms的系统延时，使窗口缩短到10ms。在样本4和5中，系统已补偿了一些延时，因此，窗口的长度如图所示增加了。如前面所讨论的，位置标识符370表示接收缓冲器510的绝对位置，与系统延时无关。因此，一旦在与样本3相关的延伸的延时之后传送媒体自由了，则样本3-5都立即依次定位于接收缓冲器510中。
样本5还示出了当传送被缩短的音频数据样本380时的情况。样本5仅有24字节，被插入到PI5＝73处的接收缓冲器。地样本5缩短了20个字节，余下的20个字节被白噪声填充，表示寂静。图中没有示出这一寂静，将作一解释。
接着样本6到达。样本6是44字节的全长度数据包。因此，PI 6等于79。样本6重写加到样本5结尾处的20个寂静字节。由于图5已示出了样本6所处位置，寂静已被重写，因此，没有示出。
最后，样本7显示了编码解码器时钟工作得很慢时的情况。为了便于讨论，假设编码解码器时钟超出其频率很多。因此，产生的效果放大了。在这种情况下，PI超前5.5ms或者从前一个PI到接收缓冲器510的位置90超前了11个位置。然而，慢的编码解码器时钟使CRO被迫滞后。在这种例子中，CRO仅超前5.0ms或者从前一CRO到接收缓冲器510的位置60超前了10个位置。其结果是窗口的长度为20.5ms。
因此需要抽取来把接收缓冲器510缩短至预置的大小。抽取按如下调整间隔进行：离理想的窗口长度(在所示的实施例中为160字节)每2个字节取一个字节，离理想的窗口长度每3或4个字节，取2个字节；离理想的窗口长度每5或6个字节，取3个字节。在本例中，缓冲器长了0.5ms，等于4个字节。因此，抽取电路必须从接收缓冲器510中除去2个字节，以把接收缓冲器510的窗口向理想的长度调整。内插和抽取电路是本发明的系统中正在进行的处理。
在离开图5之前，应当注意，如果窗口长度减少到0(利用寂静周期的无传送或者利用接收多个无效包)，则编码解码器230简单地读取接收缓冲器510中的白噪声，从而模拟寂静，以便有利于听众。
现在转到图6，图6示出了根据本发明的装配数据包的方法的流程图。数据包装配电路把对对应于音频/视频信号的数字音频/视频数据的数据流部分构成数据包。如较佳实施例中所示的，在步骤610中，把音频/视频数据的样本接收到数据包装配电路中。在判定步骤620中，数据包装配电路比较其内的数据和预定的阀值，以确定样本是否表示寂静或有声音。如果数据的值小于阈值，则不产生数据包，传送寂静占用极小的网络带宽值。如果数据的值等于或大于阈值，则执行步骤630，数据包装配电路把保留/长度字段340、保留/CRC字段350、信道标识符360和位置标识符370指派给音频/视频数据样本380。前面描述的字段加到音频/视频数据样本380中，构成报文330。
在步骤640中(仅可应用于以太网环境)，以太网II标头310和以太网II标尾390都附加到报文310中。以太网II标头310和以太网II标尾390包含了为数据包确定通过计算机网络的路由以及校验传送的数据的错误所必需的信息。在ATM环境中，ATM标头被附加了数据包中。
在步骤650(也仅可应用于以太网环境)，评估数据包的出错。如果在数据包中有错，则处理重新开始，否则处理进入到步骤660。在步骤660，对数据包进行排队，以通过网络的主干线发送。
现在转到图7，图7示出了根据本发明的数据包拆卸方法的流程图。在步骤710中，如果接收器接收到无效的数据包，则在步骤720中忽略该数据包，并中断对该数据包的拆卸处理。在步骤730，假设该数据包有效，则数据包拆卸电路从音频/视频数据样本380中取出保留/长度字段340、保留/CRC字段350、信道标识符360和位置标识符370。在以太网环境中，数据包拆卸电路也取出以太网II标头310和以太网II标尾390。
在步骤740中，数据包拆卸电路根据位置标识符370的值把音频/视频数据样本380插入到接收缓冲器510(图5)的绝对位置中。从而使音频/视频数据样本380与接收缓冲器510中的数字音频/视频数据的数据流的相邻音频/视频数据样本380同步，以补偿可变的传送时间周期。
从上可以明显地看出，本发明提供了一种在基于分组的计算机网络中传送音频/视频数据的系统和方法，其中通过计算机网络传送数据包需要可变的传送时间周期。该系统包括数据包组合电路，用于根据对应于音频/视频信号的数字音频/视频数据的数据流部分构成数据包，还具有数据包拆卸电路，其内具有相关联的缓冲器，用于接收主干线的数据包。数据包装配电路产生位置标识符，指示相对于数据流的部分的时间位置，把该位置标识符插入到数据包中，并对数据包进行排队，以便通过计算机网络的主干线。数据包拆卸电路把该部分插入到缓冲器的绝对位置上，位置标识符确定该位置，从而使该部分与缓冲器中的数字音频/视频数据的数据流的相邻部分同步，以补偿可变的传送时间周期。
虽然，本发明及其优点已作了详细描述，但是本技术领域的熟练人员应当理解，他们可以作出各种变化、替代和变更而不脱离本发明最宽形式的精神和范围。

Claims (20)

1、一种在基于分组的计算机网络中进行音频/视频数据通信的系统，把数据包通过所述计算机网络传送需要可变的传送时间周期，该系统包含：
数据包装配电路，用于从对应于音频/视频信号的数字音频/视频数据的数据流的部分构成数据包，所述数据包装配电路产生指示相对于所述数据流的所述部分的时间位置的位置标识符，把所述位置标识符插入到所述数据包中，并对所述数据包进行排队，以便使所述数据包通过所述计算机网络的主干线传送；以及
数据包拆卸电路，具有与其相关连的缓冲器，用于接收所述主干线的所述数据包，所述数据包拆卸电路把所述部分插入到所述缓冲器的绝对位置上，所述位置标识符确定所述位置，所述部分与所述缓冲器的数字音频/视频数据的所述数据流的相邻部分同步，以补偿所述可变的传送时间周期。
2、如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含内插电路，用于把同步的音频/视数据插入到所述缓冲器的指定位置上，以加长所述缓冲器内的音频/视频数据的所述数据流的所述部分。
3、如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含抽取电路，用于删除所述缓冲器的指定位置上的音频/视频数据，以缩短所述缓冲器中的音频/视频数据的所述数据流的所述部分。
4、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据包包含源和目标字段，用于确定所述数据通过所述计算机网络传送的路由。
5、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述位置标识符的值是前次传送的数据包中的数字音频/视频数据的所述数据流的部分的长度的函数。
6、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述缓冲器的窗口长度约为15至25毫秒。
7、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据包能包含长度约为3至10毫秒的部分。
8、如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含数字转换/压缩电路，耦接到所述数据包组合电路上，用于把所述音频/视频信号数字化，并压缩成数字音频/视频数据的所述数据流。
9、如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含去压缩/模拟转换电路，耦接到所述数据包拆卸电路上，用于把数字音频/视频数据的所述数据流去压缩，并转换成所述音频/视频信号。
10、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述计算机网络包含多台耦接到所述主干线上的计算机，所述数据包装配电路和所述数据包拆卸电路位于所述计算机的每一个上。
11、一种在基于分组的计算机网络中传送音频/视频数据的方法，把数据包通过所述计算机网络传送需要可变的传送时间周期，该方法包含下列步骤：
由数据包装配电路，从对应于音频/视频信号的数字音频/视频数据的数据流的部分构成数据包，所述数据包装配电路产生指示相对于所述数据流的所述部分的时间位置的位置标识符，把所述位置标识符插入到所述数据包中，并对所述数据包进行排队，以便使所述数据包通过所述计算机网络的主干线传送；以及
把所述主干线的所述数据包接收到具有与其相关的缓冲器的数据包拆卸电路，所述数据包拆卸电路把所述部分插入到所述缓冲器的绝对位置上，所述位置标识符确定所述位置，所述部分与所述缓冲器的数字音频/视频数据的所述数据流的相邻部分同步，以补偿所述可变的传送时间周期。
12、如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包含把同步的音频/视数据插入到所述缓冲器的指定位置上，以加长所述缓冲器内的音频/视频数据的所述数据流的所述部分的步骤。
13、如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包含删除所述缓冲器的指定位置上的音频/视频数据，以缩短所述缓冲器中的音频/视频数据的所述数据流的所述部分的步骤。
14、如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包含用所述数据包中的源和目标字段确定所述数据通过所述计算机网络的路由传送的步骤。
15、如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包含对所述位置标识符分配一个是前次传送的数据包中的数字音频/视频数据的所述数据流的部分的长度的函数的值的步骤。
16、如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包含对所述缓冲器建立一个长度约为15至25毫秒的窗口的步骤。
17、如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包含使所述数据包包含长度约为3至10毫秒的部分的步骤。
18、如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包含用耦接到所述数据包装配电路上的数字转换/压缩电路把所述音频/视频信号数字化，并压缩成数字音频/视频数据的所述数据流的步骤。
19、如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包含用耦接到所述数据包拆卸电路上的去压缩/模拟转换电路把数字音频/视频数据的所述数据流去压缩，并转换成所述音频/视频信号的步骤。
20、一种基于分组的计算机网络，包含：
主干线，耦接第一第二计算机节点，用于在它们之间进行分组数据的通信，把数据包顺序通过需要可变传送时间周期的所述计算机网络而传送；
耦接到所述第一节点上用于接收原始的音频/视频信号并从其产生相应的数字音频/视频数据的数据流的装置；一数据包装配电路，与所述第一计算机节点相关联，用于从数字音频/视频数据的所述数据流的部分构成数据包，所述每个数据包括所述部分之一；以及
位置标识符，指示所述部分的所述之一相对于所述数据流的时间位置，所述数据包装配电路对所述数据包进行排队，以便顺序通过所述主干线传送到所述第二节点；
数据包拆卸电路，与所述第二计算机节点和一缓冲器相关联，以及缓冲器，用于顺序接收所述主干线的所述数据包，所述数据包拆卸电路通过下列步骤拆卸所述数据包的每一个：
把所述部分插入到所述缓冲器的绝对位置上，所述位置标识符确定所述位置，所述部分与所述缓冲器中的数字音频/视频数据的所述数据流的相邻部分同步，以补偿所述可变的传送时间周期；以及
耦接到所述第二节点上的用于根据所述缓冲器内的数字音频/视频数据的所述数据流产生重构的音频/视频信号的装置。
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