寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)測試方法研究

0引言

近年來，開發(fā)新一代高速信息網(wǎng)絡得到了世界各國的普遍重視，各國都提出了相應的高速網(wǎng)絡研究計劃，如美國自然科學基金會設(shè)立了“下一代Internet研究計劃：NGI”,建立了高速網(wǎng)絡試驗床vBNS（Very High Speed Backbone Network Service）,進行高速計算機網(wǎng)絡及其應用的研究。其他國家也紛紛提出并進行了類似的計劃。

我國十五規(guī)劃提出的以高性能寬帶信息示范網(wǎng)3TNet的創(chuàng)建為手段，重點攻克T比特級智能光網(wǎng)絡、T比特級WDM光網(wǎng)絡、T比特級路由器等系統(tǒng)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)目標也正是要跟上高性能網(wǎng)絡的研究，2005年使我國在高性能寬帶信息網(wǎng)技術(shù)研究、設(shè)備開發(fā)及業(yè)務應用等方面躋身于世界先進行列。

3TNet作為高性能寬帶網(wǎng)網(wǎng)絡平臺和支撐環(huán)境，可以提供充分的信息資源共享和服務共享，利用寬帶的優(yōu)勢，在音視頻方面提供優(yōu)質(zhì)的服務，因此除了帶寬增加帶來上網(wǎng)速度大大提高、實現(xiàn)高速的常規(guī)網(wǎng)絡信息服務，如Web瀏覽、文件下載、Email等服務外，還可提供豐富的增值業(yè)務內(nèi)容。包括：視頻流傳輸及網(wǎng)絡電視功能、VOD點播服務、遠程教育、網(wǎng)絡游戲、視頻會議、利用智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建智能家庭網(wǎng)絡等服務。為保證3TNet高性能寬帶網(wǎng)網(wǎng)絡平臺和支撐環(huán)境各項業(yè)務的順利開展，使終端用戶能享受到音視頻方面的優(yōu)質(zhì)服務及其他方面豐富的增值業(yè)務。因此，研究寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)（BMG : Broadband Multimedia Gateway）或視頻終端的測試手段和測量方法，搭建相應的測試平臺，制定測試規(guī)范和測試標準就顯得尤為重要了。只有制定出科學、合理、切實可行的規(guī)范和標準，才能為寬帶多媒體智能網(wǎng)關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)定型、檢驗提供依據(jù)。為高性能寬帶信息示范網(wǎng)3TNet和寬帶多媒體智能網(wǎng)關(guān)或視頻終端的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

1測試方法研究

由于寬帶多媒體智能網(wǎng)關(guān)主要作為家庭的聯(lián)網(wǎng)中心和媒體中心，因此測試內(nèi)容的研究主要包括以下兩個方面：網(wǎng)絡性能測試、音視頻性能測試。本文重點介紹音視頻性能測試。

《寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)測試規(guī)范》主要引用了GB 31741995《PALD制式電視廣播技術(shù)規(guī)范》；GB/T 18472《數(shù)字編碼彩色電視系統(tǒng)用測試信號(neq ITUR BT.8011)》；《DVD視盤機行業(yè)自律通0用規(guī)范》中國電子音響工業(yè)協(xié)會（20000701發(fā)布）等國家標準或行業(yè)規(guī)范作為音視頻性能測試的測試依據(jù)。

1.1網(wǎng)絡性能測試

1.1.1接入認證功能測試

驗證寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)BMG是否具有基于DHCP+Web認證的功能；

1.1.2路由功能測試

包括動態(tài)路由功能測試和靜態(tài)路由功能測試兩個部分。具體細節(jié)在此不作贅述。

1.2音視頻性能測試

1.2.1視頻性能測試

寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)的視頻性能測試將分成標準清晰度視頻和高清晰度視頻兩部分進行。這兩部分的測試項目分別從不同的方面反映標清和高清碼流經(jīng)過寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)解碼后的音視頻性能，標清測試項目主要包括：亮度非線性失真、微分增益、微分相位、視頻輸出電平、亮度通道帶寬、亮度信噪比、亮色增益差、亮色時延差、色度信噪比等。

圖1標清視頻性能測試框圖

寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)和視頻終端作為家用消費類電子產(chǎn)品，與DVD視盤機、數(shù)字電視接收機的視頻通道有很多相似之處，對DVD視盤機和機頂盒的視頻測量無外乎也用這些測試項目進行考核。上面提到的標清視頻測試項目與觀看的圖像質(zhì)量是息息相關(guān)的。通過對這些項目的測試，不但考查到亮度通道的特性，還考查了色度通道的特性，同時對亮度和色度之間相互干擾進行了考核。

亮度信噪比是在亮度信號的平坦部分輸出電平對有效噪聲電平之比。該項目直接反映圖像信號的優(yōu)劣程度，視頻信號由于傳輸及處理電路的影響，使得噪聲信號疊加在有用信號之上，圖像質(zhì)量變差，畫質(zhì)降低。亮度信噪比越高，信號中的噪聲越小，圖像越透亮。亮度通道帶寬是亮度信號的幅度與視頻頻率的函數(shù)關(guān)系，該項目表示信號所攜帶的有效信息量，隨著帶寬的衰減圖像所能承載信息的能力減弱，圖像的高頻部分受到影響，顯示圖像細節(jié)的能力變差。因此帶寬越寬，圖像質(zhì)量越好。所以對亮度通道的信噪比和通道帶寬是兩個比較重要的考核項目。亮度非線性失真是反映重現(xiàn)不同灰度的能力，如果視頻通道亮度非線性失真較大，那么圖像的層次感就會很差，也就是說該白的不白，該黑的不黑。

微分增益、微分相位、亮色時延差和亮色增益差都是考核亮度通道和色度通道的相互干擾的測試項目。當亮度電平發(fā)生變化的時候，疊加在亮度信號上的色度電平或相位也會不同程度的發(fā)生變化，體現(xiàn)在圖像中就是彩色圖像的色調(diào)和色飽和度，如果亮度電平對色度電平或相位影響過大，會使畫面產(chǎn)生一定程度的失真。

高清晰度視頻通道部分的測試，選取典型測試項目來考核終端，包括視頻幅度、亮度通道帶寬、亮度信噪比、亮度非線性、通道間的時延、同步特性六個項目。由于系統(tǒng)互聯(lián)的需要，規(guī)范的接口是至關(guān)重要的，為了更好地與下級設(shè)備配接，首先考慮到，接口的信號輸出要符合標準規(guī)范，視頻幅度和同步特性兩個項目考核輸出信號的規(guī)范性，測試輸出信號的幅度、同步結(jié)構(gòu)是否合乎標準。模擬PAL制彩電受限于信號帶寬，視頻帶寬在6M帶寬內(nèi)要傳送1路亮度和兩路色差信號，雖然利用人眼的特性，壓縮了信息利于傳輸，但有限的帶寬也只能攜帶標準清晰度的信息。帶寬考核信號所攜帶信息的能力，帶寬越寬所能攜帶的信息量就越大，表現(xiàn)圖像細節(jié)的能力就越高。針對高清部分的測試更是如此，選取亮度通道帶寬考核輸出信號的能力。亮度非線性失真和亮度信噪比是考核信號圖像質(zhì)量的。寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)或視頻終端輸出信號的噪聲影響圖像的效果。非線性失真表征其亮度的線性程度。通道間的延時考核Y、PB、PR各端口之間的同步關(guān)系。

圖2高清 Y、PB、PR端口輸出特性測試框圖

1.2.2音頻輸出特性測試

音頻輸出特性的測試主要包括7個比較典型的測試項目：音頻輸出電平、失真加噪聲、信噪比、幅頻響應、串音、電平差、相位差。它們的測試結(jié)果能比較全面地反映出寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)和視頻終端的音頻輸出性能。

圖3音頻輸出特性測試框圖

1.3圖像質(zhì)量系數(shù)的測試

圖像質(zhì)量系數(shù)表明被測設(shè)備在標準測試狀態(tài)下的圖像質(zhì)量比，能夠比較客觀地通過測得的數(shù)據(jù)評價視頻質(zhì)量的好壞。

由于寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)所采用的壓縮視頻系統(tǒng)是一個非線性的系統(tǒng)，影響該系統(tǒng)視頻質(zhì)量的因素有很多，例如：輸入視頻的質(zhì)量，輸入視頻的特性，使用的編碼參數(shù)，解碼器的特性等。對此我們通過客觀測量的方法來對該系統(tǒng)的視頻質(zhì)量進行評價。

客觀法主要是應用圖像質(zhì)量分析儀來對整個系統(tǒng)進行測試，它主要反映了解碼以及系統(tǒng)視頻處理過程對圖像質(zhì)量所產(chǎn)生的影響，并可以直接進行一些參數(shù)的測量并給出圖像質(zhì)量的等級值。

圖4圖像質(zhì)量系數(shù)測試框圖

寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)的圖像質(zhì)量系數(shù)（PQR：Picture Quality Radio）測試是一種客觀測試方法，是將各種測試序列送入被測設(shè)備，從復合視頻通道和S端子通道進行捕捉，然后與存放在PQA（Picture Quality Analyzer圖像質(zhì)量分析儀）中的相同序列做比較，通過分析計算得到PQR值。其PQR值越小，表示經(jīng)寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)和視頻終端解碼輸出的圖像和原始圖像越接近，失真也就越小，圖像質(zhì)量也就越高。當PQR值為0時，表示和原始圖像完全相同。

測試序列包含一個相對靜止圖像和4個含較快運動物體的圖像序列，每個序列持續(xù)大約5秒鐘。測試素材包含對各種評價因素，如圖像空間分辨率、亮度、彩色和運動再現(xiàn)等具有比較敏感特點，并能代表電視節(jié)目的典型內(nèi)容。

1.4自動測試系統(tǒng)的應用

對于寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)BMG測試來說，傳統(tǒng)的方法是對測試儀器進行手動切換和調(diào)節(jié)旋鈕達到測試的目的。這種方法比較繁瑣、效率不高而且測試結(jié)果不穩(wěn)定。如果測試過程、測試結(jié)果的分析和處理均由軟件來執(zhí)行，減少人為的干預，無疑會使測試結(jié)果更準確，測試過程也變得更加自動化和簡便[2]。圖5所示為音視頻自動測試系統(tǒng)框圖。

圖5音視頻自動測試系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)運行原理：在計算機運行相應的軟件將MPEG2測試碼流通過網(wǎng)絡端口傳送給寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)BMG，寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)BMG經(jīng)過解碼產(chǎn)生音頻和視頻信號送給監(jiān)視器和音視頻分析儀進行相關(guān)項目的測試。

在測試之前，音視頻分析儀VM700T必須進行初始化。儀器初始化和測試工作均由PC機完成。下面給出一個測試項目K系數(shù)的前面板圖（圖6）和程序框圖（圖7）。(Ｋ系數(shù)Ｋｂ和Ｋｐｂ：人的視覺對不同波形的失真有不同的敏感度，這兩個Ｋ系數(shù)能把波形失真和觀眾對圖像損傷的反映聯(lián)系起來，Ｋ系數(shù)評價法就是在各種波形失真按人眼視覺特性給出不同評價的基礎(chǔ)上，度量圖像損傷的一套系統(tǒng)方法。)

圖6測量項目 K系數(shù)的前面板圖

圖7測量項目 K系數(shù)的程序框圖

從圖7中可以看到有一個名為GET DATA 12345的子VI，它的程序框圖如圖8所示，是PC機與儀器進行GPIB通信的子VI。

圖8子VIGETDATA 12345

將各個測試項目分別存為相應的子程序即子VI后，根據(jù)整個測試流程的需要，經(jīng)過一定的時延，把這些子VI串起來（即按時間順序分別調(diào)用這些子程序），即可搭起整個自動測試系統(tǒng)。

將最終測試結(jié)果存放在一個數(shù)組里，使用LabVIEW Generation ToolKit軟件，即可生成規(guī)范的Word或Excel測試報告。

整個設(shè)計、調(diào)試工作完成后，就可以運行自動測試軟件測量寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)BMG的音視頻性能。

如果用常規(guī)方法，測試人員測量完一臺寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)BMG的標清音視頻項目需要一至兩個小時，現(xiàn)在用自動測試軟件測試一臺同樣的BMG只需要5分鐘，當遇到大批量的測試任務時，無疑能大大縮短測試時間，提高工作效率。這無疑為今后寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)BMG的高效率大批量測試提供了有力的保證。

自動測試軟件的測試精確度與音視頻分析儀器VM700T的精確度相同。

2結(jié)束語

寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)BMG測試方法研究是在國家863課題“寬帶信息網(wǎng)運營支撐環(huán)境及接入系統(tǒng)的研制之智能網(wǎng)關(guān)及終端設(shè)備測試規(guī)范及測試標準研究”的支持下開展起來的，并且在研究工作的基礎(chǔ)上制定了《寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)測試方法》和《寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)通用規(guī)范》等測試規(guī)范。

有市場調(diào)研公司報告顯示，2004年全球IPTV用戶只有200萬個，到2008年，這個數(shù)字將達到2600萬。報告得出結(jié)論2005年將是IPTV和交互式網(wǎng)絡電視年。因此，寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)和視頻終端在今后幾年在我國也會有比較大的跨越式發(fā)展?！秾拵Ф嗝襟w網(wǎng)關(guān)和視頻終端測試方法》和《寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)和視頻終端通用規(guī)范》等標準的制定，對我國IPTV市場和交互式網(wǎng)絡機頂盒市場的健康發(fā)展具有積極的規(guī)范和指導意義。

參考文獻

[1] 楊樂平等. LabVIEW程序設(shè)計與應用. 電子工業(yè)出版社

[2] 張毅剛等. 自動測試系統(tǒng). 哈爾濱工業(yè)大學出版社