采用模塊化儀器應(yīng)對新興音頻和視頻測試
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，美國和日本將不再播放模擬電視信號。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。
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。在市場同時(shí)存在的眾多不同的無線標(biāo)準(zhǔn)中，誰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)展和市場不斷驅(qū)動的結(jié)果，今天的測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)品的測試任務(wù)?？偟膩碚f，測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爭力和滿足消費(fèi)者的需求。
3．測試的預(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，這使得添加新的功能或是完成自定義的測試變得很困難。這些設(shè)備同時(shí)還缺少必備的集成能力，比如數(shù)據(jù)流存儲回放或多儀器同步功能。
為了應(yīng)對新的趨勢，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、由軟件定義的模塊化測試架構(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)的測試系統(tǒng)靈活性。可以使用多種應(yīng)用軟件應(yīng)用于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。
2． 更高的測試系統(tǒng)性能。顯著增加測試系統(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)字以及射頻信號的產(chǎn)生和分析。
3． 更低的測試系統(tǒng)投資?？蓽p少初始資本投入和維護(hù)成本，同時(shí)支持多種測試需求復(fù)用儀器。
4． 更長的測試系統(tǒng)壽命。由于采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以使技術(shù)升級，從而改善性能以適應(yīng)未來測試的要求。
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LabVIEW和Visual C++, 另外還可以使用測試管理軟件來管理測試流程，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測量到高達(dá)2.7GHz的RF信號采集。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，因此也需要一個(gè)新的更強(qiáng)大的硬件平臺。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)對不斷增長的儀器系統(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平臺目前支持超過1000種模塊化儀器，其中包括信號發(fā)生器、高速數(shù)字化儀、高速數(shù)字I/O、DMMs、RF測量和產(chǎn)生、開關(guān)模塊、數(shù)據(jù)采集、圖像采集以及運(yùn)動控制等，如圖3所示。
圖3：基于P
XI的模塊化儀器硬件
NI提供音頻、視頻分析儀，信號發(fā)生器以及RF 矢量信號發(fā)生器/分析儀。配合相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動器和軟件工具包，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測試。NI的音頻分析儀(動態(tài)信號分析儀)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)高保真音頻測量，而高速數(shù)字化儀和信號發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量要求的視頻測試。以音頻測試為例，音頻分析儀的測試內(nèi)容包括：幅頻響應(yīng)、信號音質(zhì)資料、RMS、Gain、信號串?dāng)_、總諧波失真、SINAD、總諧波失真加噪音、動態(tài)范圍、聲級測量等。
應(yīng)用發(fā)展環(huán)境(ADE)，如NI LabVIEW 和LabWindows/CVI軟件在測試系統(tǒng)架構(gòu)中起關(guān)鍵的作用。被用于開發(fā)測試測量應(yīng)用的ADE具有非常豐富的功能，通過這些工具，測試系統(tǒng)開發(fā)者可以與多種儀器通信、整合測試項(xiàng)目、顯示信息、與其他應(yīng)用軟件互連入數(shù)據(jù)庫或圖表生成等等。NI LabVIEW音頻、視頻工具包提供了一套靈活的音頻視頻測量和分析功能。以視頻測試為例，采用模塊化儀器的視頻信號發(fā)生器，視頻樣式圖示由軟件設(shè)定，因而可以設(shè)計(jì)輸出非理想信號來測試產(chǎn)品的魯棒性能，如改
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)的測試軟件，如總部位于丹麥的MicroLEX (www.microlex.dk)公司，是一家NI的系統(tǒng)聯(lián)盟成員，其視頻測試軟件產(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，合成視頻信號，S-video以及數(shù)字高清電視信號的測量分析。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)對實(shí)際的挑戰(zhàn)。
A，電視調(diào)諧器測試
挑戰(zhàn)：為電視調(diào)諧器設(shè)計(jì)一種自動化的、節(jié)約成本的、省時(shí)的、可升級的完整功能的測試系統(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電視測試信號，采用NI-PXI 5122高速數(shù)字化儀用于音頻和視頻參量測試，NI M-Series 數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)在測試中控制調(diào)諧器的工作狀態(tài)，以及TestStand軟件實(shí)現(xiàn)上層的測試管理，并完成數(shù)據(jù)庫交互和數(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)線測試
這是一個(gè)典型的音頻視頻以及射頻測試應(yīng)用。測試任務(wù)是執(zhí)行一個(gè)模擬調(diào)諧器的生產(chǎn)線測試。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)制深度和電視信號標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)生。高速的數(shù)字化儀對音頻、視頻質(zhì)量實(shí)現(xiàn)高性能的測試。在測試程序中，10個(gè)非線形的視頻測量和5個(gè)音頻測量確保了每個(gè)產(chǎn)品符合客戶的高測量質(zhì)量需求。典型的視頻測試包括同步和脈沖幅度、chroma/luma增益、差分增益和差分相位。典型的音頻測試包括增益、噪聲電平、信噪比和總諧波失真。
該測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)。在音頻視頻信號產(chǎn)生部分，PXI-5671 矢量信號發(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)也可以增加測試信號的失真度。在音頻視頻信號質(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)的臺式儀器的測試方法需要一個(gè)音頻/視頻信號發(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)測試目標(biāo)。設(shè)備成本很高，測試時(shí)間也較長，此外對于傳統(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)測試挑戰(zhàn)：為藍(lán)牙耳機(jī)產(chǎn)品終端測試設(shè)計(jì)一個(gè)綜合的音頻射頻自動化測試平臺，同時(shí)降低預(yù)算并節(jié)約測試時(shí)間。
解決方案：使用NI PXI-4461音頻信號分析儀模擬產(chǎn)生音頻測試信號，采集接收分析音頻信號完成視頻測試，用NI-5660矢量信號分析儀完成藍(lán)牙射頻測試，用數(shù)字萬用表NI 4070實(shí)現(xiàn)基本電路的電流電壓測試， 整個(gè)測試系統(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)線終端測試的模塊化儀器測試框圖
圖7：藍(lán)牙耳機(jī)生產(chǎn)線終端測試的軟件操作界面
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)牙測試站，而其昂貴的價(jià)格會顯著地增加測試成本。在模塊化儀器解決方案中，所有的音頻和藍(lán)牙終端功能
測試能被統(tǒng)一到一個(gè)PXI測試站之中，這
對耳機(jī)的音頻測試包括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通過對國內(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%的測試時(shí)間并節(jié)約了30%的成本。
本文小結(jié)
面對當(dāng)今的音視頻測試，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)新一代音視頻測試系統(tǒng)，需要考慮增加系統(tǒng)靈活性、提高測量性能、實(shí)現(xiàn)高吞吐量、降低測試系統(tǒng)成本、延長系統(tǒng)壽命等多方面的因素。
模塊化硬件平臺是在廣泛采用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)平臺基礎(chǔ)之上建立起來的，例如PXI允許工程師開發(fā)可升級的測試系統(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)品升級換代的需求。因此由軟件定義的模塊化測試架構(gòu)是一個(gè)理想的解決方案。
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