關鍵詞： 模塊化 , 視頻 , 儀器 , 音頻

當今技術的飛速發(fā)展使工程師們要不斷面對新的、日益增加的挑戰(zhàn)。音頻、視頻產(chǎn)業(yè)就是在技術上飛速變革的一個領域。目前在這個領域有兩個主要的趨勢值得關注。

首先，越來越多的數(shù)字化標準不斷涌現(xiàn)并取代傳統(tǒng)的模擬標準。以迅猛發(fā)展的電視標準為例，傳統(tǒng)的模擬標準，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)字化標準所取代。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，它卻給負責設計和測試的工程師們帶來了更多的復雜性。其中一個因素就是各種音頻、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。這種技術上的復雜性正引導著，或者說要求工程師選擇一種最優(yōu)化的解決方案去應對。  

其次，隨著無線通訊技術的飛速發(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)、無線耳機甚至是PS游戲機，都是音頻、視頻和無線通信密切結(jié)合的代表。在市場同時存在的眾多不同的無線標準中，誰是最終的贏家還不明了，因此，許多設備都被設計成是兼容許多不同標準的。其中的一個例子是由Motion開發(fā)的黑莓手機(Blackberry)，如圖1，它同時支持GPS, GPRS, 藍牙和 HSCDS。  

作為技術飛速發(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間內(nèi)應用新技術完成新產(chǎn)品的測試任務。總的來說，測試工程師們面臨著如下挑戰(zhàn)：  

1．產(chǎn)品設計更加復雜以適應產(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者的需求。  

3．測試的預算更少。  

圖1：由 Motion研發(fā)的黑莓手機

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商來界定的，而且只能由供應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。這些設備同時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。  

為了應對新的趨勢，符合行業(yè)標準、由軟件定義的模塊化測試架構正在成為業(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：  

1． 更強的測試系統(tǒng)靈活性。可以使用多種應用軟件應用于產(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。可減少初始資本投入和維護成本，同時支持多種測試需求復用儀器。  

4． 更長的測試系統(tǒng)壽命。由于采用行業(yè)標準，這樣可以使技術升級，從而改善性能以適應未來測試的要求。  

圖2顯示的就是NI的模塊化儀器的典型架構。  

圖2：模塊化儀器的系統(tǒng)架構

它可以分成兩個部分：模塊化的硬件和靈活強大的軟件。用戶可以從提供的直流到RF精確測量的模塊化硬件中進行選擇，軟件則包括應用發(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現(xiàn)了成本節(jié)約，因為它充分利用了半導體業(yè)增長的成果，與消費電子、電信、汽車電子等其他大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)共享芯片成本。隨著半導體業(yè)技術的迅猛發(fā)展，NI利用現(xiàn)有的商用ADC/DAC芯片，可實現(xiàn)從7 ?精度的DC測量到高達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，因此也需要一個新的更強大的硬件平臺。開發(fā)于1997年的PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)作為一種開放的行業(yè)標準被引入，以應對不斷增長的儀器系統(tǒng)復雜度需求。PXI結(jié)合了堅固的、模塊化的、緊湊的cPCI特點，同時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、開關模塊、數(shù)據(jù)采集、圖像采集以及運動控制等，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，信號發(fā)生器以及RF 矢量信號發(fā)生器/分析儀。配合相關的設備驅(qū)動器和軟件工具包，模塊化儀器與獨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、信號音質(zhì)資料、RMS、Gain、信號串擾、總諧波失真、SINAD、總諧波失真加噪音、動態(tài)范圍、聲級測量等。

應用發(fā)展環(huán)境(ADE)，如NI LabVIEW 和LabWindows/CVI軟件在測試系統(tǒng)架構中起關鍵的作用。被用于開發(fā)測試測量應用的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、整合測試項目、顯示信息、與其他應用軟件互連入數(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定，因而可以設計輸出非理想信號來測試產(chǎn)品的魯棒性能，如改變定時和電平，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)置的視頻信號觸發(fā)功能，可以方便地從不同的消費電子產(chǎn)品如機頂盒、DVD和數(shù)字攝像機中獲得視頻信號，包括不同的視頻格式：NTSC, PAL, SECAM以及標準高清電視，并可以根據(jù)需求添加新的測試項目。  

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大且專業(yè)的測試軟件，如總部位于丹麥的MicroLEX ()公司，是一家NI的系統(tǒng)聯(lián)盟成員，其視頻測試軟件產(chǎn)品VideoMASTER提供了完整的解決方案，具有功能強大的視頻分析功能，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，并配備包含復合和S端子控制的兩個通道的數(shù)字轉(zhuǎn)換器。對于HDTV應用，MicroLEX還可以提供可選擇的接線端子盒。圖4是MicroLEX一個強大的視頻分析工具。  

圖4： 由microLEX提供的一個強大的視頻分析工具VideoMASTER  

應用實例  

以下有兩個應用案例來說明模塊化儀器這種方案如何應對實際的挑戰(zhàn)。  

A，電視調(diào)諧器測試  

挑戰(zhàn)：為電視調(diào)諧器設計一種自動化的、節(jié)約成本的、省時的、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)生多種標準的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

這是一個典型的音頻視頻以及射頻測試應用。測試任務是執(zhí)行一個模擬調(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準中產(chǎn)生。高速的數(shù)字化儀對音頻、視頻質(zhì)量實現(xiàn)高性能的測試。在測試程序中，10個非線形的視頻測量和5個音頻測量確保了每個產(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擴展到數(shù)字電視標準。在音頻視頻信號產(chǎn)生部分，PXI-5671 矢量信號發(fā)生器有很強的軟件定義無線電能力，還有高達2.7GHz的輸出頻率范圍和20MHz實時寬帶。通過軟件設定，測試工程師能設置不同類型的數(shù)字編碼和調(diào)制類型，同時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，能夠為視頻測試提供14位的分辨率和超過75分貝的無失真范圍，其范圍能夠勝過當今絕大部分標準的視頻分析器。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現(xiàn)測試目標。設備成本很高，測試時間也較長，此外對于傳統(tǒng)儀器架構來說，支持新的電視標準非常困難。

B，藍牙耳機測試  

挑戰(zhàn)：為藍牙耳機產(chǎn)品終端測試設計一個綜合的音頻射頻自動化測試平臺，同時降低預算并節(jié)約測試時間。  

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牙射頻測試，用數(shù)字萬用表NI 4070實現(xiàn)基本電路的電流電壓測試， 整個測試系統(tǒng)由一個PXI機箱的系統(tǒng)完成。如圖6和圖7所示。  

圖6：藍牙耳機生產(chǎn)線終端測試的模塊化儀器測試框圖

圖7：藍牙耳機生產(chǎn)線終端測試的軟件操作界面

隨著通信和計算機技術的發(fā)展，低成本、低功耗的無線技術飛速發(fā)展并逐步替代連接用戶的電纜，藍牙已經(jīng)慢慢成長起來并被廣泛應用。藍牙耳機是音頻和無線技術結(jié)合的很好實例。對很多耳機制造商來說，給耳機增加藍牙功能意味著他們需要在生產(chǎn)線上增加單獨的藍牙測試站，而其昂貴的價格會顯著地增加測試成本。在模塊化儀器解決方案中，所有的音頻和藍牙終端功能測試能被統(tǒng)一到一個PXI測試站之中，這能顯著削減時間和成本。  

對耳機的音頻測試包括Tx/Rx幅頻響應、失真、噪音、隔離度和靈敏度。典型的RF測試包括藍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)一個知名的耳機公司提供此解決方案，使他們減少了40%的測試時間并節(jié)約了30%的成本。  

本文小結(jié)  

面對當今的音視頻測試，產(chǎn)品功能復雜性的增加、開發(fā)周期的減少、預算的縮減，使工程師們需要評估他們當前的策略，并尋找更優(yōu)方案以增加效率減少成本。設計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)標準平臺基礎之上建立起來的，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前的設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，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是一個理想的解決方案。