采用模塊化儀器應(yīng)對(duì)新興音頻和視頻測(cè)試

關(guān)鍵詞： 模塊化 , 視頻 , 儀器 , 音頻

當(dāng)今技術(shù)的飛速發(fā)展使工程師們要不斷面對(duì)新的、日益增加的挑戰(zhàn)。音頻、視頻產(chǎn)業(yè)就是在技術(shù)上飛速變革的一個(gè)領(lǐng)域。目前在這個(gè)領(lǐng)域有兩個(gè)主要的趨勢(shì)值得關(guān)注。

首先，越來越多的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn)并取代傳統(tǒng)的模擬標(biāo)準(zhǔn)。以迅猛發(fā)展的電視標(biāo)準(zhǔn)為例，傳統(tǒng)的模擬標(biāo)準(zhǔn)，比如NTSC、PAL和SECAM，如今正在被美國(guó)的ATSC、歐洲的 DVB-T和日本的ISDB-T等數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)所取代。從2007年3月1日開始，美國(guó)和日本將不再播放模擬電視信號(hào)。盡管數(shù)字電視為觀眾提供了更高的質(zhì)量和更好的保真度，它卻給負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和測(cè)試的工程師們帶來了更多的復(fù)雜性。其中一個(gè)因素就是各種音頻、視頻編碼和數(shù)字調(diào)制方式的類型非常多，例如：MPEG-2, MPEG-4, H.264/AVC, VC-1, MPEG-2 AAC, AAC-Plus, PCM, AC3, COFDM, QPSK和QAM。這種技術(shù)上的復(fù)雜性正引導(dǎo)著，或者說要求工程師選擇一種最優(yōu)化的解決方案去應(yīng)對(duì)。  

其次，隨著無線通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，音頻、視頻產(chǎn)品往往綜合了無線功能。人們不僅需要聽到和看到，還需要以無線的方式傳遞信息。流行的商業(yè)產(chǎn)品譬如移動(dòng)電話、掌上電腦(PDA)、無線耳機(jī)甚至是PS游戲機(jī)，都是音頻、視頻和無線通信密切結(jié)合的代表。在市場(chǎng)同時(shí)存在的眾多不同的無線標(biāo)準(zhǔn)中，誰(shuí)是最終的贏家還不明了，因此，許多設(shè)備都被設(shè)計(jì)成是兼容許多不同標(biāo)準(zhǔn)的。其中的一個(gè)例子是由Motion開發(fā)的黑莓手機(jī)(Blackberry)，如圖1，它同時(shí)支持GPS, GPRS, 藍(lán)牙和 HSCDS。  

作為技術(shù)飛速發(fā)展和市場(chǎng)不斷驅(qū)動(dòng)的結(jié)果，今天的測(cè)試工程師們需要在最短的時(shí)間內(nèi)應(yīng)用新技術(shù)完成新產(chǎn)品的測(cè)試任務(wù)?？偟膩碚f，測(cè)試工程師們面臨著如下挑戰(zhàn)：  

1．產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加復(fù)雜以適應(yīng)產(chǎn)品多功能的需求。  

2．開發(fā)周期越來越短以便保持競(jìng)爭(zhēng)力和滿足消費(fèi)者的需求。  

3．測(cè)試的預(yù)算更少。  

圖1：由 Motion研發(fā)的黑莓手機(jī)

模塊化儀器  

傳統(tǒng)臺(tái)式儀器通常在靈活性上受限較多，比如軟件處理和用戶界面都是由儀器供應(yīng)商來界定的，而且只能由供應(yīng)商通過更改固件來升級(jí)，這使得添加新的功能或是完成自定義的測(cè)試變得很困難。這些設(shè)備同時(shí)還缺少必備的集成能力，比如數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)回放或多儀器同步功能。  

為了應(yīng)對(duì)新的趨勢(shì)，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、由軟件定義的模塊化測(cè)試架構(gòu)正在成為業(yè)界的主流，它并逐步被廣泛采用。模塊化儀器具有以下優(yōu)點(diǎn)：  

1． 更強(qiáng)的測(cè)試系統(tǒng)靈活性?？梢允褂枚喾N應(yīng)用軟件應(yīng)用于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。  

2． 更高的測(cè)試系統(tǒng)性能。顯著增加測(cè)試系統(tǒng)吞吐量，使得不同的儀器供應(yīng)商提供的儀器可以緊密地協(xié)同和集成，如精密的直流電壓表、高速模擬和數(shù)字以及射頻信號(hào)的產(chǎn)生和分析。  

3． 更低的測(cè)試系統(tǒng)投資?？蓽p少初始資本投入和維護(hù)成本，同時(shí)支持多種測(cè)試需求復(fù)用儀器。  

4． 更長(zhǎng)的測(cè)試系統(tǒng)壽命。由于采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以使技術(shù)升級(jí)，從而改善性能以適應(yīng)未來測(cè)試的要求。  

圖2顯示的就是NI的模塊化儀器的典型架構(gòu)。  

圖2：模塊化儀器的系統(tǒng)架構(gòu)

它可以分成兩個(gè)部分：模塊化的硬件和靈活強(qiáng)大的軟件。用戶可以從提供的直流到RF精確測(cè)量的模塊化硬件中進(jìn)行選擇，軟件則包括應(yīng)用發(fā)展環(huán)境，例如圖形化開發(fā)平臺(tái)LabVIEW和Visual C++, 另外還可以使用測(cè)試管理軟件來管理測(cè)試流程，例如TestStand。  

模塊化儀器很好地實(shí)現(xiàn)了成本節(jié)約，因?yàn)樗浞掷昧税雽?dǎo)體業(yè)增長(zhǎng)的成果，與消費(fèi)電子、電信、汽車電子等其他大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)共享芯片成本。隨著半導(dǎo)體業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，NI利用現(xiàn)有的商用ADC/DAC芯片，可實(shí)現(xiàn)從7 ?精度的DC測(cè)量到高達(dá)2.7GHz的RF信號(hào)采集。除了模塊化硬件外，前面提到的數(shù)據(jù)流和儀器間同步的要求日益增長(zhǎng)，因此也需要一個(gè)新的更強(qiáng)大的硬件平臺(tái)。開發(fā)于1997年的PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)作為一種開放的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)被引入，以應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的儀器系統(tǒng)復(fù)雜度需求。PXI結(jié)合了堅(jiān)固的、模塊化的、緊湊的cPCI特點(diǎn)，同時(shí)增加了特殊的同步觸發(fā)和軟件兼容功能。PXI平臺(tái)目前支持超過1000種模塊化儀器，其中包括信號(hào)發(fā)生器、高速數(shù)字化儀、高速數(shù)字I/O、DMMs、RF測(cè)量和產(chǎn)生、開關(guān)模塊、數(shù)據(jù)采集、圖像采集以及運(yùn)動(dòng)控制等，如圖3所示。  

圖3：基于PXI的模塊化儀器硬件

NI提供音頻、視頻分析儀，信號(hào)發(fā)生器以及RF 矢量信號(hào)發(fā)生器/分析儀。配合相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)器和軟件工具包，模塊化儀器與獨(dú)立儀器有同樣多的功能來完成音頻、視頻、RF測(cè)試。NI的音頻分析儀(動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀)具有24位的采樣分辨率、差分輸入和內(nèi)置的反鏡像濾波器，可實(shí)現(xiàn)高保真音頻測(cè)量，而高速數(shù)字化儀和信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量要求的視頻測(cè)試。以音頻測(cè)試為例，音頻分析儀的測(cè)試內(nèi)容包括：幅頻響應(yīng)、信號(hào)音質(zhì)資料、RMS、Gain、信號(hào)串?dāng)_、總諧波失真、SINAD、總諧波失真加噪音、動(dòng)態(tài)范圍、聲級(jí)測(cè)量等。

應(yīng)用發(fā)展環(huán)境(ADE)，如NI LabVIEW 和LabWindows/CVI軟件在測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)中起關(guān)鍵的作用。被用于開發(fā)測(cè)試測(cè)量應(yīng)用的ADE具有非常豐富的功能，通過這些工具，測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)者可以與多種儀器通信、整合測(cè)試項(xiàng)目、顯示信息、與其他應(yīng)用軟件互連入數(shù)據(jù)庫(kù)或圖表生成等等。NI LabVIEW音頻、視頻工具包提供了一套靈活的音頻視頻測(cè)量和分析功能。以視頻測(cè)試為例，采用模塊化儀器的視頻信號(hào)發(fā)生器，視頻樣式圖示由軟件設(shè)定，因而可以設(shè)計(jì)輸出非理想信號(hào)來測(cè)試產(chǎn)品的魯棒性能，如改變定時(shí)和電平，或是添加濾波器， 或是引入噪聲。另外，通過高速數(shù)字化儀內(nèi)置的視頻信號(hào)觸發(fā)功能，可以方便地從不同的消費(fèi)電子產(chǎn)品如機(jī)頂盒、DVD和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)中獲得視頻信號(hào)，包括不同的視頻格式：NTSC, PAL, SECAM以及標(biāo)準(zhǔn)高清電視，并可以根據(jù)需求添加新的測(cè)試項(xiàng)目。  

不僅如此，基于LabVIEW發(fā)展環(huán)境，一些第三方廠商還提供更強(qiáng)大且專業(yè)的測(cè)試軟件，如總部位于丹麥的MicroLEX ()公司，是一家NI的系統(tǒng)聯(lián)盟成員，其視頻測(cè)試軟件產(chǎn)品VideoMASTER提供了完整的解決方案，具有功能強(qiáng)大的視頻分析功能，適用于模擬視頻信號(hào)，合成視頻信號(hào)，S-video以及數(shù)字高清電視信號(hào)的測(cè)量分析。VideoMASTER 使用 NI 5122數(shù)字化儀、14比特、100 M采樣率，并配備包含復(fù)合和S端子控制的兩個(gè)通道的數(shù)字轉(zhuǎn)換器。對(duì)于HDTV應(yīng)用，MicroLEX還可以提供可選擇的接線端子盒。圖4是MicroLEX一個(gè)強(qiáng)大的視頻分析工具。  

圖4： 由microLEX提供的一個(gè)強(qiáng)大的視頻分析工具VideoMASTER  

應(yīng)用實(shí)例  

以下有兩個(gè)應(yīng)用案例來說明模塊化儀器這種方案如何應(yīng)對(duì)實(shí)際的挑戰(zhàn)。  

A，電視調(diào)諧器測(cè)試  

挑戰(zhàn)：為電視調(diào)諧器設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化的、節(jié)約成本的、省時(shí)的、可升級(jí)的完整功能的測(cè)試系統(tǒng)。  

解決方案：通過NI LabVIEW軟件和NI PXI-5671 VSG產(chǎn)生多種標(biāo)準(zhǔn)的RF電視測(cè)試信號(hào)，采用NI-PXI 5122高速數(shù)字化儀用于音頻和視頻參量測(cè)試，NI M-Series 數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)在測(cè)試中控制調(diào)諧器的工作狀態(tài)，以及TestStand軟件實(shí)現(xiàn)上層的測(cè)試管理，并完成數(shù)據(jù)庫(kù)交互和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能。如圖5所示。  

圖5 電視調(diào)諧器的生產(chǎn)線測(cè)試

這是一個(gè)典型的音頻視頻以及射頻測(cè)試應(yīng)用。測(cè)試任務(wù)是執(zhí)行一個(gè)模擬調(diào)諧器的生產(chǎn)線測(cè)試。通過使用高性能的模塊化儀器和靈活開發(fā)的軟件，電視測(cè)試樣式能在任意的射頻頻道、功率水平、調(diào)制深度和電視信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)生。高速的數(shù)字化儀對(duì)音頻、視頻質(zhì)量實(shí)現(xiàn)高性能的測(cè)試。在測(cè)試程序中，10個(gè)非線形的視頻測(cè)量和5個(gè)音頻測(cè)量確保了每個(gè)產(chǎn)品符合客戶的高測(cè)量質(zhì)量需求。典型的視頻測(cè)試包括同步和脈沖幅度、chroma/luma增益、差分增益和差分相位。典型的音頻測(cè)試包括增益、噪聲電平、信噪比和總諧波失真。  

該測(cè)試方案通過軟件修改能夠輕松地?cái)U(kuò)展到數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)。在音頻視頻信號(hào)產(chǎn)生部分，PXI-5671 矢量信號(hào)發(fā)生器有很強(qiáng)的軟件定義無線電能力，還有高達(dá)2.7GHz的輸出頻率范圍和20MHz實(shí)時(shí)寬帶。通過軟件設(shè)定，測(cè)試工程師能設(shè)置不同類型的數(shù)字編碼和調(diào)制類型，同時(shí)也可以增加測(cè)試信號(hào)的失真度。在音頻視頻信號(hào)質(zhì)量分析部分，14bit、100 MHz的PXI-5122擁有內(nèi)置視頻觸發(fā)的數(shù)字化儀，能夠?yàn)橐曨l測(cè)試提供14位的分辨率和超過75分貝的無失真范圍，其范圍能夠勝過當(dāng)今絕大部分標(biāo)準(zhǔn)的視頻分析器。本解決方案已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外很多主要的電視公司采用。  

與模塊化儀器的方案相比，傳統(tǒng)的臺(tái)式儀器的測(cè)試方法需要一個(gè)音頻/視頻信號(hào)發(fā)生器、RF頻率合成器、音頻/視頻分析儀、示波器和頻譜儀等眾多儀器才能實(shí)現(xiàn)測(cè)試目標(biāo)。設(shè)備成本很高，測(cè)試時(shí)間也較長(zhǎng)，此外對(duì)于傳統(tǒng)儀器架構(gòu)來說，支持新的電視標(biāo)準(zhǔn)非常困難。

B，藍(lán)牙耳機(jī)測(cè)試  

挑戰(zhàn)：為藍(lán)牙耳機(jī)產(chǎn)品終端測(cè)試設(shè)計(jì)一個(gè)綜合的音頻射頻自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)，同時(shí)降低預(yù)算并節(jié)約測(cè)試時(shí)間。  

解決方案：使用NI PXI-4461音頻信號(hào)分析儀模擬產(chǎn)生音頻測(cè)試信號(hào)，采集接收分析音頻信號(hào)完成視頻測(cè)試，用NI-5660矢量信號(hào)分析儀完成藍(lán)牙射頻測(cè)試，用數(shù)字萬(wàn)用表NI 4070實(shí)現(xiàn)基本電路的電流電壓測(cè)試， 整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由一個(gè)PXI機(jī)箱的系統(tǒng)完成。如圖6和圖7所示。  

圖6：藍(lán)牙耳機(jī)生產(chǎn)線終端測(cè)試的模塊化儀器測(cè)試框圖

圖7：藍(lán)牙耳機(jī)生產(chǎn)線終端測(cè)試的軟件操作界面

隨著通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，低成本、低功耗的無線技術(shù)飛速發(fā)展并逐步替代連接用戶的電纜，藍(lán)牙已經(jīng)慢慢成長(zhǎng)起來并被廣泛應(yīng)用。藍(lán)牙耳機(jī)是音頻和無線技術(shù)結(jié)合的很好實(shí)例。對(duì)很多耳機(jī)制造商來說，給耳機(jī)增加藍(lán)牙功能意味著他們需要在生產(chǎn)線上增加單獨(dú)的藍(lán)牙測(cè)試站，而其昂貴的價(jià)格會(huì)顯著地增加測(cè)試成本。在模塊化儀器解決方案中，所有的音頻和藍(lán)牙終端功能測(cè)試能被統(tǒng)一到一個(gè)PXI測(cè)試站之中，這能顯著削減時(shí)間和成本。  

對(duì)耳機(jī)的音頻測(cè)試包括Tx/Rx幅頻響應(yīng)、失真、噪音、隔離度和靈敏度。典型的RF測(cè)試包括藍(lán)牙最初載波頻率公差、RF輸出功率以及靈敏度。NI通過對(duì)國(guó)內(nèi)一個(gè)知名的耳機(jī)公司提供此解決方案，使他們減少了40%的測(cè)試時(shí)間并節(jié)約了30%的成本。  

本文小結(jié)  

面對(duì)當(dāng)今的音視頻測(cè)試，產(chǎn)品功能復(fù)雜性的增加、開發(fā)周期的減少、預(yù)算的縮減，使工程師們需要評(píng)估他們當(dāng)前的策略，并尋找更優(yōu)方案以增加效率減少成本。設(shè)計(jì)新一代音視頻測(cè)試系統(tǒng)，需要考慮增加系統(tǒng)靈活性、提高測(cè)量性能、實(shí)現(xiàn)高吞吐量、降低測(cè)試系統(tǒng)成本、延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命等多方面的因素。  

模塊化硬件平臺(tái)是在廣泛采用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)基礎(chǔ)之上建立起來的，例如PXI允許工程師開發(fā)可升級(jí)的測(cè)試系統(tǒng)，并可把不同儀器供應(yīng)商的儀器緊密地結(jié)合在一起，另外，它還允許工程師整合當(dāng)前的設(shè)備投資以減少最初投資的成本。軟件定義的測(cè)量方法則利用了最新的PC技術(shù)，例如多種核心處理器和PCI Express，下一代的測(cè)試系統(tǒng)可以顯著改善數(shù)據(jù)吞吐量，并可以擴(kuò)展以滿足不同產(chǎn)品升級(jí)換代的需求。因此由軟件定義的模塊化測(cè)試架構(gòu)是一個(gè)理想的解決方案。