将一个第一数字信息信号嵌入第二数字信息信号中以通过一个传输介质传输

摘要

一种用来传输第一和第二数字信息信号的发射机。该第一数字信息信号包括第一帧,至少包括第一同步信号和存于其间的数据部分。发射机将该第二数字信息信号处理成接着而来的第二帧,它包括一些第二数字信息信号的信息块。利用隐埋数据技术将第二同步信号和至少第一帧的数据部分插入到第二帧来形成组合帧。在将至少第一帧的数据部分插入到第二帧前,第一同步信号从第一帧中除去。组合帧序列通过传输介质发送出去。

说明书

本发明有关通过一个传输介质发射一个第一和第二数字信息信号的发射机，所述第一数字信息信号包括第一帧，第一帧具有至少一个第一同步信号和存于其中的一个数据部分，而发射机则包括：

输入：接收第一和第二数字信息信号；

处理：将第二数字信息信号处理为随后的第二帧，所述第二帧由第二数字信息信号的信息块组成；

信号综合装置：将第二同步信号和至少第一帧的数据部分插入第二数字信息信号的第二帧中，以获得一个组合帧；

输出装置：将组合帧送入一个输出终端，以获得一个要被发射的组合信号。

本发明还有关从一个传输介质接收一个组合信号并生成一个第一和第二数字信息信号的接收机，有关当采用在一个记录载体上记录信息的形式时由发射机获得的记录载体，及有关一种传输方法。

以上定义的发射机和接收机的公知的形式为发射一个MPEG编码信号的发射机。传输系统一般采用多层。只有在这些层中使用同步模式，才有可能获得同步。不过，具有多重同步模式的一个系统中的这些同步模式会降低传输效率。例如，在DVD-Video中，同步模式用于系统流层和基本流层。只有最高系统层中的同步模式用于系统流上的同步。基本流中的同步模式用于所述基本流译码期间的同步。另外，DAB在系统流层和基本流层中都使用同步模式。不过，一个译码器只使用其中之一。

本发明的目的是提供发射机和接收机，它们有更有效的方法用来发射和接收一个第一和第二数字信息信号，所述第一数字信息信号包含第一帧，该第一帧至少具有一个第二同步部分。

按本发明的发射机的特点在于，使用了信号综合装置，在将第一帧的至少数据部分插入第二帧之前，从所述第一帧中除去第一同步信号。

按本发明的接收机的特点在于，接收机还包括：

同步信号发生器，用于生成第一同步信号；

信号组合装置，用于组合第一同步信号和第一数字信息信号中的至少数据部分，以得到第一数字信息信号的一个第一帧；

第二输出装置，用于将该第一数字信息信号的第一帧提供给第一输出终端，以获得第一数字信息信号。

本发明基于以下共识。例如，在一个PCM信号隐埋式数据信道中可以存储任何其它信息信号。为了能够从所述隐埋式数据信道中检索信息信号，该隐埋式数据信道包含一些帧，每个帧都有一个同步信号。在检测到一个同步信号之后，可以从PCM信号中检索一个来自该隐埋式数据信道的帧。如果存储在该隐埋式数据信道中的信息信号是一个编码信号，它由一系列帧组成，每个帧都有一个同步信号，例如一个MPEG编码信号，则在一个接收机中必须提取该同步信号，以便对所述帧系列译码。不过，如果该隐埋式数据信道中的每个帧只包含一个译码信号帧，则译码信号帧中的所述同步信号不必被发送，而在每次提取到该隐埋式数据信道中的一个帧时，接收机中就生成所述同步信号。这样，在发射机中，在将一个译码信号帧插入该隐埋式数据信道中之前，从所述帧中去掉该同步信号。在一个接收机中，生成同步信号，并将其与从该隐埋式数据信道的一个帧中提取的数据组合以获得一个编码信号帧。这样做，发射一个包含一个帧序列的附加信号所需的数据容量减小了。该减小可被用于使隐埋式数据信道中PCM信号所用容量较小，从而得到更高质量的PCM信号。另一方面，通过消去同步信号而获得的隐埋式数据信道中的额外的数据容量，可被用于发射较少压缩的通常是一个更好代表数据信号的数据信号。

参照以下附图中描述的实例，可以更清楚地了解本发明的这些和其它优点。

图1描述了一个按本发明的发射机的实例；

图2描述了一个按本发明的接收机的实例；

图3描述了一个带标题的隐埋式数据帧结构；

图4示出了一个去随机电路；

图5示出了需要以一个指定次序插入到去随机电路中的隐埋式数据帧中的位；

图6示出了一个CRC校验算法；

图7示出了与192 F3帧相对应的一个有1152个立体PCM采样值的帧；

图8描述了一个无标题的隐埋式数据帧结构；

图9示出了加密MPEG2音频数据在隐埋式数据信道和物理信道中的分配。

图1描述了一个按本发明的发射机的实例，发射机具有一个第一输入终端4，用于接收第一数字信息信号。所述第一数字信息信号包含第一帧。该第一帧至少包含一个第一同步信号和一个数据部分。该第一数字信息信号可以是一个MPEG编码信号。发射机有一个第二输入终端2，用于接收一个第二数字信息信号。该第二数字信息信号是一个普通的CDDA信号(Compact Disc Digital Audio-光盘数字音频)。第二数字信息信号被送给一个处理单元6。处理单元6将第二数字信息信号划分为连续的信息块。处理单元6由这些连续的信息块生成第二帧。在一个推荐实例中，第二数字信息信号是一个具有PCM采样的常规的CDDA信号。一个第二帧最好包含1152个PCM采样值。每个帧由3个PCM子帧组成，每个子帧有384个PCM采样值。应该指出，每个帧由9个PCM子帧组成，每个子帧有128个PCM采样值也是比较合适的。

发射机还包含一个sync(同步)生成器单元8，用于生成一个第二同步信号。第二同步信号被送给一个信号综合单元10。该综合单元最好利用隐埋式数据技术来确定一个第二帧的PCM采样中的隐埋式数据信道。通过使用隐埋式数据技术，所发射PCM信号的S/N比与始发PCM信号的S/N比几近相同，在该发射PCM信号中，PCM采样的最低有效位中包含一个隐埋式数据信道。该综合单元10将第二同步信号插入该隐埋式数据信道中。该同步信号最好插入第二帧中，从而，该帧以其第一个6L+R PCM采样的两个最低有效位中的一个同步模式开始。要存入隐埋式数据信道中的数据最好以一个采样一个采样交错地插入到PCM L和R信道中。图3示出了一个第二帧的实例。每个第二帧都以标题信息开始。每个帧的标题信息都包含同步信号，定义了属于该隐埋式数据信道的PCM位的3个子帧的比特分配。隐埋式数据帧有效负载是L+R个PCM采样的最低有效位LSB的一个例子，它是由携带隐埋式数据信道的数据位所用的隐埋式数据技术决定的。图5举例说明了怎样向隐埋式数据帧中插入比特位。首先，交替地将标题存入第一子帧的前四个左和右PCM采样的LSB中。随后，数据位被交替地插入分配的隐埋式数据有效负载中。在图5中，左信道的PCM采样的3个LSB和右信道的2个LSB被分配用来存储数据。方块中的数据表明比特被存入隐埋式数据有效负载中的次序。

信号综合单元10至少将第一帧中的数据插入隐埋式数据帧有效负载中。首先，单元12将第一同步信号从第一帧中去掉。此外，在将第一帧的数据部分写入隐埋式数据帧有效负载中之前，第一帧的数据被随机化。通过随机化处理，隐埋式数据有效负载中的误差脉冲不会立即引起隐埋式数据信道的数据中的不可校正的误差。最后，信号综合单元10将一个CRC-16字存入隐埋式数据帧有效负载中的最后16位中，用于误差检测。从而，插入隐埋式数据信道中的数据位是通过一个LFSR(Linear Feedback Shift Register-线性反馈移位寄存器)送入的，该LFSR可以是一个例如0x8005的多项式。LFSR的最终状态被存入隐埋式数据CRC-16字中。所得到的组合帧被送入一个输出终端。如果PCM采样中没有供一个隐埋式数据信道使用的容量，则只有标题信息被插入在第二帧中。

发射机的功能如下。PCM帧由三个子帧组成，每个子帧都有384个PCM采样。一个PCM帧中的1152个PCM采样代表一个时长，该时长正好与MPEG-2音频层II帧长相匹配。在IEC-61937格式中，一个MPEG音频帧的头16位对于CD外围应用程序来说是唯一的(0xFFFC，12位sync+ID＝mpeg-1+Layer＝II+保护＝所用位)。由于一个PCM帧的时长与一个MPEG帧的时长相等，故一个MPEG帧的头16位不必发射。在一个接收机中，所述16个比特必须被放置在所提取并译码的隐埋式数据之前。此外，一个前置码必须被放置在MPEG音频帧之前，该前置码由两个同步字，一个识别字和一个有效负载长度字组成，并且，最终，IEC帧必须以零填充。发射机接收CDDA PCM采样并生成后续帧，每个后续帧都有1152个PCM采样。由此，确定了一个隐埋式数据信道的可用容量。另外，发射机接收MPEG音频帧并从所述帧中去掉第一位。所述帧中的其余位被随机化，并且，为所述其余位确定一个CRC字。为得到组合信号，首先，标题信息被插入到一个帧的第一个PCM采样的LSB中。随后，经随机化处理的位被插入到隐埋式数据信道有效负载。最后，该CRC字被插入该隐埋式数据信道有效负载的最后16位中。所得到的组合数据经一个传输介质发射。

隐埋式数据信道最好用于发射一个常规音频CD上的16位音频PCM数据中的附加音频内容。该附加音频内容最好按MPEG音频标准压缩。由于对于CD外围应用程序来说，MPEG音频帧的头16位是唯一的，所以它们不必被发射。在一个包含有以下将介绍的接收机的CD外围译码设备中，这16位被放置在从存储在PCM数据中的隐埋式数据信道中提取出来的位的前面。

图2示出了一个接收机的实例，该接收机用于接收一个组合信号并由该信号生成一个第一和第二数字信息信号。该组合信号包含组合帧。一个组合帧具有一个第二同步信号。接收机有一个输入终端20，用于接收该组合信号。该组合信号被送给一个检测单元22和单元24。检测单元22用于检测一个第二同步信号并根据所检测到的第二同步信号生成一个检测信号。该检测信号被送给单元24的一个控制输入端。单元24根据该检测信号，从该组合信号恢复一个组合帧。该组合帧被送给一个第一提取单元26和一个第二提取单元28。第一提取单元26从一个组合帧中提取第一数字信息信号的第一帧中的至少数据部分。第一帧的该数据部分被送给信号综合单元32。第二提取单元28从一个组合帧中提取第二数字信息信号的至少一部分，以获得第二数字信息信号的第二帧。所得的第二帧形成第二数字信息信号，被送给输出终端30。

接收机还包括一个同步信号发生器单元34。该同步信号发生器单元34用于生成一个第一同步信号。该第一同步信号被送给信号综合单元32。信号综合单元32将第一同步信号与第一帧的至少数据部分组合以获得第一数字信息信号的第一帧。该后续第一帧被送给输出终端36。所得的第一帧形成第一数字信息信号。

以上所述接收机的功能如下。在输入终端20接收组合信号。一个如上面所述的发射机生成该组合信号。该组合信号是一个具有左和右PCM采样的CDDA信号。该CDDA信号包含图3所示的帧。该CDDA信号包含一个隐埋式数据信道。为了能够从该CDDA信号中恢复隐埋数据，每个帧都包含标题信息。该标题信息包含有一个第二同步信号。在该实例中，该第二同步信号在每个帧的头6L+R PCM采样的两个最低有效位中。不过，也可以利用其它方法插入第二同步信号，例如插入到头12个L+R PCM采样的最低有效位中。同步信号检测单元22检测该第二同步信号并由此生成一个检测信号。在该检测信号的控制下，单元24从CDDA数据中恢复组合帧。图3中描述了一个帧的实例。第二提取单元28恢复第二帧并生成第二数字信息信号。由于在该实例中使用了隐埋式数据信道，所以不必从第二帧的PCM采样中提取始发信号的未修改位。如果每个PCM采样的N个LSB被用来携带第一数字信息信号，则这些位将引入可闻噪声。为降低可闻噪声，必须从第二帧中提取PCM采样的MSB。

同步信号发生器单元34生成一个第一同步信号。若第一数字信息信号是一个MPEG-2音频层II信号，则每个帧的头16位对于CD外围应用程序来说是唯一的(0xFFFC，12位sync+ID＝mpeg-1+Layer＝II+保护＝所用位)。此外，两个同步字和一个识别字组成一个前置码。第一同步信号中至少包含有这一信息。第一提取单元26从第二帧中提取标题信息。在标题信息中，同步信号信息之后是子帧的比特分配信息。比特分配定义了属于隐埋数据信道的PCM采样的位，例如隐埋式数据信道有效负载。随后，单元26从第二帧中提取隐埋数据。隐埋数据位最好随机地写入隐埋式数据信道。图4示出了将隐埋式数据位去随机的一个实例。该电路包含一个延迟和异或的阵列。延迟执行一个一位延迟功能。参考符号tn代表所输入的隐埋数据位n，sn代表输出的去随机位。图4中的电路执行以下功能：out＝z[16]^z[15]^z[3]^z[1]^z[0]，其中，“^”是逻辑异或操作，z[n]是由n位提取出的位。在一个新的帧的开始，状态z必须被初始化为全1。一个帧的去随机数据被送给综合单元32。第一提取单元最好包含一个CRC检测电路。图6中示出了所述电路的图形。该隐埋数据的最后16位包含一个CRC-16字，用于误差检测。除了最后16位，每个去随机隐埋数据位都通过一个(线性移位寄存器)送入，该LFSR具有多项式0X8005。如图6所示。LFSR的最终状态必须与隐埋数据CRC-16字比较。若两个字不同，则出现传输误差。

综合单元32接收去随机数据并由第一数字信号的一个MPEG音频帧计算去随机数据的有效负载。综合单元32将单元34生成的第一同步信号与所计算的有效负载综合，以获得一个MPEG音频帧的前置码。去随机数据被放置在前置码之后。若前置码及去随机数据的位长与一个MPEG音频帧的长度不符，则该帧必须以零填充，以获得正确的帧长。所获得的帧被送给输出终端36，以便在接收机的输出端提供第一数字信息信号。

如以上所述，一个PCM帧的头6个PCM采样包含一个隐埋数据帧的头24位，是一个同步模式。这24位最好包含代码：0XF87E1F(11111000 0111 1110 0001 1111)。

可以指出，隐埋数据帧中的位数总是8的倍数，可以很有效地对每8位进行去随机。还有，也可利用这一事实进行CRC-16计算。此外，在所描述的格式中，隐埋标题中保留两位。这些位可被用于物理信道和/或写保护模式的可能的扩充。

按照本发明，只发射一个同步模式，其它同步模式和MPEG音频帧的单值模式在接收机中重新生成。

以下将详细介绍接收机怎样提取包含在1152个立体声PCM采样的单值可译码隐埋数据帧中的隐埋数据有效负载。一个隐埋数据帧被细分为3个隐埋数据子帧，每个子帧包含384个采样。每个信道的每个子帧都有一个单独的配置，记为alloc[ch][sub-frame]。对于相应的信道“ch”和子帧“sub-frame”，该配置表明用来携带隐埋数据帧的PCM采样的LSB数。标题信息总是包含在PCM采样的LSB中。所用的帧结构见图1。表1给出了这一实例中的隐埋数据子帧配置。

          表1子帧配置

alloc[ch][sub-frame]      ch    subframe  0    1        0  0    2        1  1    2        2  2    3

为了提取用来保存隐埋数据有效负载的LSB的正确的数量，需要先读出并翻译标题。根据标题中的配置信息，包含标题的PCM采样的其余的LSB可保存隐埋数据有效负载。

对于标题信息和隐埋数据有效负载来说，包含在buried-data-frame中的所有LSB，除了同步字，都必须在译码之前逐位通过一个去随机电路。图4中示出了去随机电路。提供了以下多项式：

          s_n＝t_nt_n-1t_n-3t_n-14t_n-16

在每个帧的开始，所有的状态Ti都初始化为二进制值1。

图4示出了去随机电路。方块T代表移位寄存器。加代表“异或门”。在每帧的开始，移位寄存器都被初始化为二进制值1。为每个新插入的输入位tn生成一个新的输出位sn。

各个位必须按照一个指定次序插入去随机电路，见图5。

图5示出了需要以指定次序插入去随机电路中的buried-data-frame(隐埋-数据-帧)中的位。在图中，借助于一个简化的标题和隐埋数据有效负载进行解释。假设同步字只有两位，剩余的标题为6位。如图所示，第一子帧的配置如下：左信道3个LSB，右信道2个LSB。首先读出的是标记为“1”和“2”的同步位，它们不通过随机化电路。其余的位按指定次序读出。该次序是“首先读标题”，此时，交替的读左和右信道。随后，先读MSB位。所有标记为“3…”的位都必须在译码前通过随机化电路。

接收机中执行的第一项动作是使译码器与CD-DA PCM采样同步。同步字包含在代表左和右信道的PCM采样的LSB中。两个连续同步字间的距离是2*1152个单声道PCM采样或1152个立体声PCM采样。为了恢复同步字，通过连续地将与左信道相对应的PCM采样的LSB和与右信道相对应的PCM采样的LSB连接来生成一个比特流。该比特流的最后16位连续与同步字相比较。只有在所有的16位都匹配的情况下，才获得同步。

在一个接收机的另一个实例中，执行两个CRC校验。所用的误差检测方法是“CRC-4”和“CRC-16”，其生成器多项式是：

        G(X)＝X⁴+X¹+1    (CRC-4)

        G(X)＝X¹⁶+X¹⁵+X²+1    (CRC-16)

包含在CRC-4校验中的位是标题信息中同步字之后的位。包含在CRC-16校验中的位是标题信息中同步字之后的第一位到crc16-check位置处的位。图6中给出的CRC-check图描述了CRC方法。对于CRC-4，移位寄存器的初始状态为$F。对于CRC-16，移位寄存器的初始状态为$FFFF。包含在CRC校验中的所有位都被输入到图6中所示的电路中。每输入一位以后，移位寄存器就偏移一位。最终的移位操作之后，输出bn…b0构成一个字，与该流中的CRC-check〔一校验〕字比较。若不同，则说明在使用了CRC-4校验的域中出现了传输错误。为了避免出现令人厌烦的失真，推荐使用隐藏技术，如令实际帧消音，或重复上一个帧。图6示出了一个CRC-校验图。加法块代表“异或”门。

可以利用以下选项将有效负载嵌入CD格式中。第一，只使用隐埋式数据信道。不是用一个物理信道。所有用来提取隐埋数据有效负载的标题信息，例如同步和配置信息，都与隐埋数据合并。该有效负载代表一个MPEG基本和扩展帧。

第二，使用一个隐埋式数据信道和一个物理信道。标题信息最好包含在物理信道中。该信息与物理信道中的有效负载合并。物理信道中的有效负载代表一个MPEG-2基帧。隐埋式数据有效负载代表一个MPEG扩展帧。

第三，只使用物理信道。控制信息包含在物理信道中。该信息与物理信道中的有效负载合并。该有效负载代表一个MPEG基本和扩展帧。

在出现物理有限多层LML信道的情况下，总是包含标题。根据是否使用了一个第二信道(由content-descriptor(-内容-描述)标记)，LML将只包含MPEG-2基帧或还包含MPEG-2扩展帧。若使用了一个隐埋数据信道，则该帧的开头将与从LML信道中提取出的有效负载同步。

同样，在使用一个物理信道的情况下，不管是与隐埋式数据信道组合使用还是单独使用，MPEG-2有效负载的帧结构总是基于1152个PCM立体声采样的帧。1152个PCM立体声采样的一个帧与192-F3帧对应。一个F3帧由24个(用户)字节组成。在磁盘格式化期间，1152个PCM立体声采样的帧的开头已经与F3帧对齐，这样，作为误差校正的结果，在组合了LML数据的译码延迟之后，来自两个信道的数据是同一个帧的。在图7中举例说明了这一点。

图7示出了与192 F3帧相对应的一个1152个PCM立体声采样的帧。在“同步点”检测到同步脉冲的时刻，可以从物理信道获得“帧起始点”处的数据。对于该指定帧，在“同步点”开始读PCM数据。

在任何同步点处，缓冲区中需要有至少111个F3-帧可用，以便从该点向前有合适数量的物理数据可用。如果不是这种情况，则只能从下一个同步点开始译码。

物理有效负载的实际提取独立于与隐埋数据信道相关的处理。对于每个有1152个CD-DA PCM采样的帧来说，一个固定数量的290K字节的物理有效负载成为可用的。该物理数据逐个字节地成为可用的，并被首先翻译为MSB。在读出标题信息之后，读出代表MPEG加密MPEG-2基(+扩展)帧的数据。

如果控制信息不包含在隐埋数据信道中，可以在左信道的第一个PCM采样处开始有效负载的提取。同步和标题信息是包含在物理信道中的。“alloc”信息描述了每个隐埋数据子帧中嵌入位的数量。图8中给出了一个例子。除有效负载数据之外，为一个CRC-16保留有空间，CRC-16作用于隐埋数据信道中包含的整个负载。在隐埋数据有效负载是零的情况下，不写入CRC-16。

一个有1152个CD-DA PCM采样的帧中的隐埋数据有效负载和物理有效负载(如果出现的话)代表一个加密MPEG-2语音比特流，该比特流包含1152个多通道音频PCM采样。在没有使用物理信道的情况下，隐埋数据有效负载代表一个完整的加密MPEG-2语音比特流(基流加扩展)。在使用一个物理信道的情况下，隐埋数据有效负载代表一个MPEG-2扩展流，物理有效负载代表加密MPEG-2基帧流。一个加密MPEG-2基帧中包含的比特数不会超过LML信道中可用的容量。加密MPEG-2扩展帧中包含的比特数是可变的，并且是8的倍数。图9中描述了上述分割方法。

在使用一个物理信道的情况下，相应帧的加密MPEG-2基帧比特被提取出来并放在buried_data_bits前面。应指出，一个物理信道的记录载体见于USP 5,210,738和USP 5,724,327(PHN 13，992)。

完整的比特流(基流+扩展)被解密，随后经MPEG2译码，得出1152个多信道PCM音频样本。

有关MPEG2音频数据的译码，请参阅ISO/IEC 138183。

尽管以上已结合推荐实例描述了本发明，但应该理解，该实例并非限定性的实例。本技术专业人士可以理解，在不脱离权利要求所定义的本发明的范围的前提下，可以进行不同的改动。

“包含”一词并不排除出现权利要求所列出的元件和步骤之外的其它元件和步骤。任何参考标记都不限定权利要求的范围。本发明可以通过软件和硬件实现。所出现的若干“装置”可由同样项目的硬件代表。进一步，本发明的特点就在于它的每一个新颖的特点和这些特点的组合中。