防护媒体内容被未经授权地复制的方法和设备.pdf

公开了用于媒体播放系统的方法和设备，包括信号源，用来提供表示媒体内容的电信号；处理单元，用来处理来自该信号源的信号；失真单元，用来将失真引入来自该处理单元的信号；换能器，用来将来自该失真单元的电信号转换成表示该媒体内容的能量；以及连接链路，用来从该失真单元向该换能器传输信号。该排布防护媒体内容通过盗窃传输信号而被未经授权地复制。

1.  一种媒体播放设备包括：
信号源，用来提供表示媒体内容的电信号；
处理单元，用来处理来自所述信号源的信号；
失真单元，用来将失真引入来自所述处理单元的信号；
换能器，用来将来自所述失真单元的电信号转换成表示所述媒体内容的能量；以及
连接链路，用来从所述失真单元向所述换能器传输信号。

2.  根据权利要求1的媒体播放设备，其中所述失真单元是在通过所述连接链路传输信号之前将补偿引入该信号的补偿单元；所述补偿实质上是所述换能器导致的失真的反函数。

3.  根据权利要求1的媒体播放设备，其中所述失真单元是调制器，所述媒体播放设备还包括解调来自所述调制器的信号的解调器，所述解调器实质上去掉了由所述调制器引入的失真。

4.  根据权利要求1的媒体播放设备，还包括：
耦合在所述失真单元和所述连接链路之间的数字编码器；以及
耦合在所述连接链路和所述换能器之间的数字解码器；
其中所述数字编码器通过改变从脉冲宽度、频率、以及幅度组成的组中选出的特性将来自所述失真单元的信号编码成表示信息的数字信号；
所述数字解码器将所述数字信号解码成与所述失真单元输出的所述信号等价的信号。

5.  根据权利要求1的媒体播放设备，还包括数模转换器，用来将来自所述失真单元的数字信号转换成模拟信号。

6.  根据权利要求1的媒体播放设备，其中所述失真单元引入从相位、幅度和频率组成的组中选出的失真。

7.  根据权利要求1的媒体播放设备，其中所述失真单元引入多波段模式的失真。

8.  根据权利要求1的媒体播放设备，其中所述失真单元引入多声道模式的失真。

9.  根据权利要求4的媒体播放设备，其中所述编码器还将成形噪声引入所述数字信号中来增加所述数字信号的数据率。

10.  根据权利要求1的媒体播放设备，其中所述媒体内容是音频信号。

11.  根据权利要求1的媒体播放设备，其中所述信号源是用于数据存储、广播或形成数据流的装置。

12.  一种媒体播放方法，包括步骤：
提供表示媒体内容的电信号源；
处理来自所述信号源的信号；
使来自所述处理单元的信号失真；
传输所述失真后的信号；
将所述被传输的信号转换成表示所述媒体内容的能量。

13.  根据权利要求12的媒体播放方法，其中所述失真步骤在传输步骤之前将补偿引入该信号；所述补偿实质上是所述换能器导致的失真的反函数。

14.  根据权利要求12的媒体播放方法，其中所述失真步骤是调制步骤；所述媒体播放方法还包括所述传输步骤之后的解调步骤；所述解调步骤实质上去掉了所述调制步骤引入的失真。

15.  根据权利要求12的媒体播放方法，还包括步骤：
在所述传输步骤之前将所述失真信号编码成数字信号；以及
在所述转换步骤之前解码所述传输信号；
其中所述编码步骤通过改变从脉冲宽度、频率、以及幅度组成的组中选出的特性将所述失真信号编码成表示信息的数字信号；
所述解码步骤将所述数字信号解码成与所述信号失真后的信号等价的信号。

16.  根据权利要求12的媒体播放方法，还包括步骤：执行数模转换将所述数字形式的失真后的信号转换成模拟形式。

17.  根据权利要求12的媒体播放方法，其中所述失真步骤引入从相位、幅度和频率组成的组中选出的失真。

18.  根据权利要求12的媒体播放方法，其中所述失真步骤引入多波段模式的失真。

19.  根据权利要求12的媒体播放方法，其中所述失真步骤引入多声道模式的失真。

20.  根据权利要求15的媒体播放方法，其中所述编码步骤还将成形噪声引入所述数字信号来增加所述数字信号的数据率。

21.  根据权利要求12的媒体播放方法，其中所述媒体内容是音频信号。

22.  根据权利要求12的媒体播放方法，其中所述信号源是用于数据存储、广播或形成数据流的装置。

防护媒体内容被未经授权地复制的方法和设备
技术领域
本发明大体上涉及媒体内容保护，尤其涉及对信号在媒体播放设备中被复制进行的防护。
背景技术
内容权利管理涉及管理拥有或使用书本、磁带、电视或无线电广播形式和其他信息表达形式的内容的权利。尤其是，该管理方法在查看、拷贝、借出、编辑、打印、交换和传送的发生次数和时长方面控制使用权利。
在这个计算机时代，内容权利管理在数字媒体领域比在模拟媒体领域的版权保护上更受重视。有静态和动态两方面的原因。首先，数字内容可以作为档案存在(静态)，其容易被拷贝或复制以提供原始质量的媒体内容。其次，数字内容易于在快速方便的互联网连接中分发(动态)。
对于模拟格式的媒体内容，情况完全不同。其不得不承载在模拟的物理媒介比如用于音频/视频的磁带、用于文本/照片的纸张等等之上。当要拷贝并分发内容时，这种模拟内容需要耗时和高成本的方法来保留原始质量的媒体内容并因此防碍了盗版发行。
因此，存在现有技术防护并防止数字音频媒体在个人计算机中偷盗以阻止音乐盗版。该方法包括将防护包含在CD、DVD中，并在其中加密压缩的音频内容。
在线音乐订购越来越受欢迎，越来越成功，例如，苹果的iPod的情况，每个月有一百万以上的歌曲从它的iTune网站下载。与零售商店中常规的光盘相比，这意味着在线音乐订购行业模式会创建新的音乐分发通道，并且消费者也愿意接受这种模式。
目前，有五个基本参与者构成在线音乐订购行业，即内容供应商、分发商、零售商、播放设备制造商、以及音乐消费者。内容供应商是音乐发行者(BMG、索尼、华纳、环球等等)，主要依靠分发商(苹果、微软、Napster、索尼、英特尔、雅虎、google等等)提供内容保护、安全保障、权利管理和分发底层架构的业务。
零售商是互联网入口(雅虎、google、MSN等等)和购物网站(Amazon、沃尔玛、iTune、Napster、微软等等)。播放设备制造商(飞利浦、三星、Creative、JNC等等)根据分发商的要求生产适应性设备以实现权利管理、安全保障和保护方案。最后，音乐消费者订购音乐下载业务，并且他们还可以加入订购计划以得到免费或打折的媒体播放器、mp3播放器或移动电话等等来播放媒体内容。
分发商提供极强的安全保障和防护以阻止直接数字拷贝。尽管计划了这些措施，有些目前的模拟偷盗和录音设备可以通过在播放设备模拟输出端上(比如耳机和话筒的连接器的输出端上)再抽样来复制很高质量的媒体内容。复制的数据可以转换成与原始内容质量相当的数字信号。而后，它易于转换成不同的数字格式，比如mp3、WMA等等并在互联网上分发，导致盗版问题。目前没有可行的解决方案阻止或防碍这种从音频输出端连接器中模拟盗窃。
因而，这个模拟漏洞成了数字权利管理(Digital Rights Management，DRM)技术致命的弱点。因此，还需要有改进的方法和设备防护媒体内容在媒体播放级上复制。
发明内容
根据本发明第一优选方面，提供有一种媒体播放设备。该设备包括：信号源，用来提供表示媒体内容的电信号；处理单元，用来处理来自所述信号源的信号；失真单元，用来将失真引入来自所述处理单元的信号；换能器，用来将来自所述失真单元的电信号转换成表示所述媒体内容的能量；以及连接链路，用来从所述补偿单元向所述换能器传输信号。
该失真单元可以是补偿单元，用来通过所述连接链路传输信号之前将补偿引入其中；所述补偿实质上是由所述换能器导致的失真的反函数。
失真单元还可以是调制器；所述媒体播放设备还包括用来解调来自所述调制器的信号的解调器，所述解调器，提供该失真的反函数，实质上去掉了由所述调制器引入的失真。
该媒体播放设备还可以包括耦合在所述失真单元和所述连接链路之间的数字编码器；以及耦合在所述连接链路和所述换能器之间的数字解码器，其中所述数字编码器通过改变从脉冲宽度、频率、以及幅度组成的组中选出的特性将来自所述失真单元的信号编码成表示信息的数字信号；所述数字解码器将所述数字信号解码成与所述失真单元输出的所述信号等价的信号。
该媒体播放设备还可以包括数模转换器，用来将来自所述失真单元的数字信号转换成模拟信号。
该失真单元可以引入比如相位、幅度和频率失真。
该失真单元可以引入多波段模式的失真。
该失真单元可以引入多声道模式的失真。
该编码器还可以将成形(或整形)噪声引入数字信号来增加所述数字信号的数据率
该媒体内容可以是音频信号。
该信号源可以是用来数据保存、广播、或形成数据流的装置。
附图说明
一个或多个实施例仅以示范方式参照附图在下文中描述，其中：
图1是用于媒体播放的传统系统的框图；
图2a是根据本发明一个优选实施例带有安装在声音再生系统中的补偿单元的用于媒体播放的系统的框图；
图2b是根据本发明一个优选实施例带有调制器和解调器的用于媒体播放的系统的框图；
图3示出根据本发明另一个优选实施例在左和右声道上有相位失真的用于媒体播放的系统的框图；
图4示出由本发明一个优选实施例所提供的相位失真之后聚焦虚中心的位置；
图5示出根据本发明一个优选实施例一个信道中相位失真了180度所导致的虚中心方向的改变；
图6是根据本发明另一个优选实施例用于媒体播放的系统的框图；
图7是根据图6图示说明的系统带有解码器和解调器的换能器的等效电路示意图。
具体实施方式
防护媒体内容在播放级复制的方法、设备和系统的实施例在下文中描述。下文所描述的实施例是指用于音频媒体播放的传统系统。然而，意图不是以这种模式限定本发明，其他媒体播放系统也适合，可以包括例如压缩音频(mp3、WMA等等)播放器，mp4播放器、PSP、移动电话、以及高清晰数字广播无线电。从此公开内容中，对本领域技术人员来说显而易见的是可以进行修改和/或替换而不脱离该发明的范围和精神。在其他情况下，不至于使该发明不清楚的特定细节可以忽略。
在任何一个或多个附图中对步骤和/或特征进行参照，具有相同标号的步骤和/或特征为此描述起见具有相同的功能或操作，除非出现反意。
本发明各方面涉及防护媒体内容在播放级复制的方法、设备和系统。本发明提出方法以填补播放设备中的模拟漏洞并为在线音乐订购行业提供制止盗窃的完全解决方案。
对于理想的电声换能器，输入的电音频信号和输出的声压之间的关系应该是线性的。在实践中，该关系不是线性的并且由不对称的非线性磁或电场引起幅度失真。另外，振动膜的悬浮结构由于非线性粘滞摩擦和弹性而导致运动阻尼，并因此导致延迟响应问题。这个延迟还与相位失真有关，相位失真在高声频下更加严重。
期望传统的声音再生系统在电声传输的每一级给出平坦的频率响应。这些级包括信号存储介质(例如光盘、磁带、压缩文件等等)、信号源重现单元(例如光碟头、磁头、文件重现、广播接收机、数据流收集器等等)、功率放大器(例如模拟和数字类型)和电声换能器(例如话筒和耳机)。因此，电声换能器本身所导致的失真必须被补偿。普通的方法是使用声学器件，比如腔结构中的音量顺应性、共振管、活塞薄膜结构、甚至电路。这种办法的优势在于放大器输出端的规格化/标准化接口，以至于该接口与不同的放大器系统的输出端兼容。
图1示出常规的声音再生系统101和电声换能器102的框图。音乐信号源主要来自数字域比如CD、压缩的音频、高清晰数字广播无线电、数据流等等。处理单元111执行音乐播放和内容解压。数模转换器112将数字信号变成模拟信号。模拟信号进一步被模拟功率放大器113放大并经外部连接线驱动被补偿的换能器102。
(电声)换能器122的频率响应可以表达为如下公式
G(Ω)≠1                (1)
这里Ω是从音乐源输入的频率。G是取决于Ω的频率响应函数，并且它不等于1，意味着它不提供幅度和相位上恒定的频率响应。
因此，理想的补偿单元121是从G中去除非恒定频率响应以产生非失真声压输出，以至于
H(Ω)·G(Ω)＝1        (2)
这里H(Ω)是补偿单元121的频率响应函数而且是G(Ω)的反函数(以至于H(Ω)≠1)；
这里G(Ω)≠1是电声换能器122的失真而且Ω是从音乐源输入的频率。
图1还描绘了这些频率响应函数和输入、输出信号的关系。为了易于图示说明假设DA(Ω)和AP(Ω)是理想的平坦响应(不取决于信号频率)。此外，模拟功率放大器提供信号路径中的增益A。
对于输入频率Ω，源输入表示为
x(t)＝e^jΩt    (3)
那么输出y(t)可以表示为
y(t)＝DA(Ω)·AP(Ω)·e^jΩt    (4)
＝A·e^jΩt
＝A·x(t)
并且声压输出z(t)成为
z(t)＝A·e^jΩt·H(Ω)·G(Ω)    (5)
既然H(Ω)是失真G(Ω)的理想补偿，
z(t)＝A·e^jΩt
＝A·x(t)
因此，理想的声压输出z(t)是源输入x(t)的增益再生。鉴于以上内容，声音再生系统101的输出y(t)，未受保护，并且容易从至电声换能器102的连接中盗窃。音频信号x(t)容易在其他电声换能器中由盗窃信号y(t)再生。
本发明提供击败声音再生系统101输出端上的偷盗的方法和设备。在本发明的一个优选实施例中，音频播放设备利用电声换能器的非线性失真特性将失真引入电缆上传输的信号中。图2示出具有安装在声音再生系统201上的补偿单元212的音频播放设备。补偿单元212具有与图1的传统系统中的补偿单元121相同的功能，并且用于补偿换能器222所导致的失真以便在换能器的输出端恢复等价的原始信号。这样的排布目的在于将电缆上原始的电音频信号变成本质上与原始内容不同的补偿电信号。像这样，能从电缆连接器输出端中盗窃的信号是补偿电音频信号而不是原始信号。
为使补偿电音频信号具有不受欢迎的质量，声学器件比如腔结构中的音量顺应性、共振管、活塞薄膜结构、甚至电路被用来提供进一步失真。来自声学器件的附加失真被声音再生系统201的补偿单元212全部补偿以重建原始的声压信号。同时，从补偿电音频信号中盗窃受到这种令人不快的音频信号的防碍。
图2b是根据本发明另一个实施例用于媒体播放的系统的框图。进一步失真被调制器213引入从声音再生系统203通过连接线传输到电声换能器系统204的信号。电声换能器系统204的非线性失真来自电声换能器设备222本身和所增加的解调器221作用的声学器件。补偿单元212和调制器213被设计成以如下方式与这样的解调器221和换能器222相匹配：调制器213和补偿单元212的传递函数分别是解调器221和换能器222的反函数。补偿单元212和调制器213在连接声音再生系统203和电声换能器系统204的外部线路中联合产生不受欢迎的电音频信号。
例如，如果调制器213可以将相位插入立体声电声换能器的一个声道中，那么由电缆上失真后的信号表示的声音变换到一侧并失去该立体声信号的聚焦中心。这个引入的相位失真容易通过解调器221向这个声道的输出信号中插入相位来去掉。
调制器213可以引入各种失真。因此，音频信号令人不快的等级可以基于应用的要求不同程度地调整。
调制器213可以与补偿单元212集成在一起，例如，通过用既执行调制器213又执行补偿单元212的功能的单信号处理单元来替换。
因而本发明区别于常规设计，常规设计选择最大线性响应电声换能器来使声学器件的补偿更容易或者甚至无须补偿。对于本发明，给出设计规则从而允许选择更低成本的和/或更低功率消耗的电声换能器。
为了解释在收听上的失真影响，提出一个示范系统来图示说明补偿如何起作用并且如何提供不可接受的失真后的输出信号取代原始信号。
一般来说，如果两个声道传递同一信号比如演唱者或演播者的语音，这对电声换能器上的非线性失真是相同的，以便这个对称失真不改变信号的聚焦中心。
根据该发明一个优选实施例，相位差失真是通过对左侧电磁线圈的绕向相对于右侧进行反向而有意构建的。立体声输出中左声道的补偿电信号相对于右声道有180度相位差。
图3示出左和右声道的系统框图，图示说明元件的频率响应和输入-输出信号。假设右声道频率响应函数接近理想并近似表示如下：
G_R1(Ω)＝1，G_R2(Ω)＝1，以便H_R1(Ω)＝1，H_R2(Ω)＝1
那么它失真后的输出信号y_R(t)表示为
y_R(t)＝H_R2(Ω)·H_R1(Ω)·DA(Ω)·AP(Ω)·e^jΩt    (6)
＝A·e^jΩt
而且它的声压输出信号z_R(t)表示为
z_R(t)＝A·e^jΩt·G_R1(Ω)·G_R2(Ω)    (7)
＝A·x_R(t)
当左声道的频率响应相对于右声道有180度相位差时，
G_L2(Ω)＝e^jΩt
＝-1
因此，补偿调制器的频率响应应当为
H_L2(Ω)＝-1
另外，
G_L1(Ω)＝1而且
H_L1(Ω)＝1
那么失真后的输出信号y_L(t)表示为
y_L(t)＝H_L2(Ω)·H_L1(Ω)·DA(Ω)·AP(Ω)·e^jΩt    (8)
＝A·H_L(Ω)·e^jΩt
＝-A·e^jΩt
最后，声压输出信号z_L(t)是x_L(t)的增益再生
z_L(t)＝-A·e^jΩt·G_L1(Ω)·G_L2(Ω)    (9)
＝-A·e^jΩt·-1
＝A·x_L(t)
如果音乐从模拟输出线中偷盗，那么在另一播放器中y_L(t)和y_R(t)构成失真后的立体声再生输出，收听者感觉声音的中心不在两个耳朵的中间并且它的聚焦变得不持续并且变换。这是由于180度相位差失真，将左声道信号延迟图4中所示的输入频率Ω的波长的一半并且该半波长计算如下
λ2=V2.Ω---(10)]]>
这里V＝345m/s-声音在空气中传播的速度(在海平面上，近似22℃并且50％相对湿度)
假设收听者两耳之间的距离0.25m左右，那么图4中所示的角度θ被定义为虚中心的方向。它由下式来计算
θ=cos-1(λ/20.25)---(11)]]>
示出输入频率对角度θ的曲线图被绘制在图5的曲线图中。垂直轴是以度为单位的角度θ，并且水平轴是以赫兹(Hertz，Hz)为单位的输入频率。参照该曲线图，180度相位差失真在输入频率低于大约700Hz时难以识别。对于高频率的信号，同理，延迟变得更小而且还难以识别为失真后的版本。实际上，音乐不是单音调频率，也不是只集中在高频段或低频段上。演唱者的语音和中音调音乐总是位于700Hz和3000Hz之间。根据这个曲线图中所示的频率范围，虚中心方向在10度和76度之间。因此，这个效果导致音频源的聚焦变得不持续并变换。尤其是，这个失真效果在人类语音频段上更加显著，并且使盗版的副本不可接受。
为防补偿后的电音频信号被盗窃，有三种情形要考虑。首先，如果被盗窃的信号是在图1的常规声音再生系统101和电声换能器102中播放，则听到令人不快的音频信号。
其次，如果被盗窃的信号是在图2b的被提出的声音再生系统203和电声换能器204中播放，则它被再一次调制并产生比第一种情况糟得多并令人不快的音频信号。
最后一种情况是前两种系统的结合，使用常规声音再生系统101并连接电声换能器204而不连接它的补偿的电声换能器102。像这样，调制后的电音频信号是在常规声音再生系统101中播放并在电声换能器204上解调。因此，获得原始音频信号，而且在这种情况下前述补偿调制方法好像无法保护媒体内容。
可以采用下面四种方法中的任何一种或多种来解决上面的问题。
首先，有特别物理属性的连接器可以用在电声换能器系统204中使它难以(要不是不可能的话)耦合到常规声音再生系统101上。另外，音频内容的每一个声道都可以使用多于一个声音换能器；而且它们被所提出的声音再生系统203直接驱动，以便每一个声道使用多于一对线路来使它与常规声音再生系统101不兼容。
其次，电声换能器的非线性失真主要取决于驱动器中使用的材料、振动膜的尺寸、悬浮结构、以及外观装饰。在这些情况下，解调器特性根据不同工业设计要求而改变。结果，被盗窃的档案变得不太有用，因为它只与专用的电声换能器系统204在一起才起作用。这可以减小在互联网上分发档案的興趣。
第三，电缆是不可由用户拆卸的并且媒体播放器稳固地连接到电声换能器上。该媒体播放器中内置电缆管理系统对这种使用来说更加可行。这种电缆管理系统可以通过缠绕该电缆在设备比如可伸缩的电缆盘或上下移动的卷绳机上实现。
图6示出最后一种解决方案，其中数字链路被用来连接声音再生系统601和电声换能器系统602。这是对上面所提出的方法的一种修改，其中数字编码器614对来自调制器613的信号进行编码。数字编码器614起到数模转换器的作用而且数字功率放大器615被用来放大数字编码后的信号并通过数字连接线驱动电声换能器系统602。这种连接器输出信号载有通过在脉冲宽度、脉冲幅度、脉冲频率等等上进行调制而失真的电音频信号。另外，一些成形噪声，被提供作为失真后的电音频信号的载波，可以被调制成数字信号以便被盗窃的文件尺寸变得巨大并难以压缩。巨大的文件尺寸可以至少在几百兆字节以上以防碍互联网上未受权的分发。在接收机侧，电声换能器系统602有解码器621对数字信号进行解码，还有解调器622，将解码后的信号进一步解调成控制和声学信号来操作电声换能器623。控制信号可以被用来管理电源电流或电源电压，并被用来使用某些不同内容性质的操作模式，监控电声换能器系统602的操作安全性等等
在该发明另一个优选实施例中，脉冲幅度可以被用来控制电声换能器系统602中音频再生的音量。例如，更大幅度的脉冲信号被用来驱动电声换能器系统602中更高音量的输出。
在该发明又一个优选实施例中，通过在正脉冲间隙监控输送电流，电声换能器系统602中功率输送可以估算，并因此可用安全方案(例如过度功率停止方案)来设计以保护听众的听觉。
在该发明再一个优选实施例中，不同的数字信号特性曲线比如脉冲-频率被用来接通或加强一套专用电磁换能器来取代其他各套电磁换能器以适应不同音乐内容比如爵士、古典等等。
为防数字信号被盗窃，在第三种情形下数字信号仍然不能播放，这涉及声音再生系统101、所提出的声音再生系统202和602。必须有像系统601一样的用于这种特制的数字信号播放的专有系统，即，它必须与作为解码器和解调器的电声换能器602一起才起作用。
根据该发明一个优选实施例的数字编码器614使用脉冲宽度调制(PWM)而且数字功率放大器615是开关型晶体管以提供有足够电流驱动电声换能器系统602的PWM信号输出。
图7示出对于图6中(电声)换能器602的详细排布的等效电路示意图。y(t)是失真后的输出并且z(t)是声压输出。
对于与上述编码器614相匹配的数字解码器621，第二阶LC低通滤波器等效电路被实现以将PWM信号转换成电流的模拟信号y’(t)，驱动图7所示的电声换能器623。
最后，本发明可以实现在音频内容的多波段频率和多声道中。换句话说，这个发明可以实现在一个声道内的多频段频率中而通过重复实现在每一波段频率中。对于多声道情况，它可以通过重复实现在每一声道比如立体声、5.1声道、6.1声道等等中而实现。
所提出的方法容易集成到现有的底层架构中因为它独立于常规的数字权利管理方案、拷贝防护方案、交易安全保障方案、分发底层架构和媒体内容格式。该方法可以方便地实现在播放设备的输出级和电声换能器中。
工业适用性
下文所描述的实施例和排布方案适用于电子、数据传输系统、计算机系统、和媒体播放系统产业。
前面只描述了本发明的几个优选实施例，而且可以对其进行修改和/或替换而不脱离该发明的范围和精神，这些实施例是说明性的并非限定性的。