寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)測(cè)試方法研究

0引言

近年來，開發(fā)新一代高速信息網(wǎng)絡(luò)得到了世界各國(guó)的普遍重視，各國(guó)都提出了相應(yīng)的高速網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃，如美國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)設(shè)立了“下一代Internet研究計(jì)劃：NGI”,建立了高速網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)床vBNS（Very High Speed Backbone Network Service）,進(jìn)行高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用的研究。其他國(guó)家也紛紛提出并進(jìn)行了類似的計(jì)劃。

我國(guó)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(diǎn)攻克T比特級(jí)智能光網(wǎng)絡(luò)、T比特級(jí)WDM光網(wǎng)絡(luò)、T比特級(jí)路由器等系統(tǒng)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)目標(biāo)也正是要跟上高性能網(wǎng)絡(luò)的研究，2005年使我國(guó)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(wù)應(yīng)用等方面躋身于世界先進(jìn)行列。

3TNet作為高性能寬帶網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和支撐環(huán)境，可以提供充分的信息資源共享和服務(wù)共享，利用寬帶的優(yōu)勢(shì)，在音視頻方面提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，因此除了帶寬增加帶來上網(wǎng)速度大大提高、實(shí)現(xiàn)高速的常規(guī)網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)，如Web瀏覽、文件下載、Email等服務(wù)外，還可提供豐富的增值業(yè)務(wù)內(nèi)容。包括：視頻流傳輸及網(wǎng)絡(luò)電視功能、VOD點(diǎn)播服務(wù)、遠(yuǎn)程教育、網(wǎng)絡(luò)游戲、視頻會(huì)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(luò)等服務(wù)。為保證3TNet高性能寬帶網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和支撐環(huán)境各項(xiàng)業(yè)務(wù)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(wù)及其他方面豐富的增值業(yè)務(wù)。因此，研究寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)（BMG : Broadband Multimedia Gateway）或視頻終端的測(cè)試手段和測(cè)量方法，搭建相應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)，制定測(cè)試規(guī)范和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)就顯得尤為重要了。只有制定出科學(xué)、合理、切實(shí)可行的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，才能為寬帶多媒體智能網(wǎng)關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)定型、檢驗(yàn)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1測(cè)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(cè)試內(nèi)容的研究主要包括以下兩個(gè)方面：網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試、音視頻性能測(cè)試。本文重點(diǎn)介紹音視頻性能測(cè)試。

《寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)測(cè)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(cè)試信號(hào)(neq ITUR BT.8011)》；《DVD視盤機(jī)行業(yè)自律通0用規(guī)范》中國(guó)電子音響工業(yè)協(xié)會(huì)（20000701發(fā)布）等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)規(guī)范作為音視頻性能測(cè)試的測(cè)試依據(jù)。

1.1網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試

1.1.1接入認(rèn)證功能測(cè)試

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

1.1.2路由功能測(cè)試

包括動(dòng)態(tài)路由功能測(cè)試和靜態(tài)路由功能測(cè)試兩個(gè)部分。具體細(xì)節(jié)在此不作贅述。

1.2音視頻性能測(cè)試

1.2.1視頻性能測(cè)試

寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)的視頻性能測(cè)試將分成標(biāo)準(zhǔn)清晰度視頻和高清晰度視頻兩部分進(jìn)行。這兩部分的測(cè)試項(xiàng)目分別從不同的方面反映標(biāo)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(biāo)清測(cè)試項(xiàng)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(shí)延差、色度信噪比等。

圖1標(biāo)清視頻性能測(cè)試框圖

寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)和視頻終端作為家用消費(fèi)類電子產(chǎn)品，與DVD視盤機(jī)、數(shù)字電視接收機(jī)的視頻通道有很多相似之處，對(duì)DVD視盤機(jī)和機(jī)頂盒的視頻測(cè)量無外乎也用這些測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行考核。上面提到的標(biāo)清視頻測(cè)試項(xiàng)目與觀看的圖像質(zhì)量是息息相關(guān)的。通過對(duì)這些項(xiàng)目的測(cè)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(shí)對(duì)亮度和色度之間相互干擾進(jìn)行了考核。

亮度信噪比是在亮度信號(hào)的平坦部分輸出電平對(duì)有效噪聲電平之比。該項(xiàng)目直接反映圖像信號(hào)的優(yōu)劣程度，視頻信號(hào)由于傳輸及處理電路的影響，使得噪聲信號(hào)疊加在有用信號(hào)之上，圖像質(zhì)量變差，畫質(zhì)降低。亮度信噪比越高，信號(hào)中的噪聲越小，圖像越透亮。亮度通道帶寬是亮度信號(hào)的幅度與視頻頻率的函數(shù)關(guān)系，該項(xiàng)目表示信號(hào)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(xì)節(jié)的能力變差。因此帶寬越寬，圖像質(zhì)量越好。所以對(duì)亮度通道的信噪比和通道帶寬是兩個(gè)比較重要的考核項(xiàng)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(huì)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(shí)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(cè)試項(xiàng)目。當(dāng)亮度電平發(fā)生變化的時(shí)候，疊加在亮度信號(hào)上的色度電平或相位也會(huì)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(duì)色度電平或相位影響過大，會(huì)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(cè)試，選取典型測(cè)試項(xiàng)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(shí)延、同步特性六個(gè)項(xiàng)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(jí)設(shè)備配接，首先考慮到，接口的信號(hào)輸出要符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，視頻幅度和同步特性兩個(gè)項(xiàng)目考核輸出信號(hào)的規(guī)范性，測(cè)試輸出信號(hào)的幅度、同步結(jié)構(gòu)是否合乎標(biāo)準(zhǔn)。模擬PAL制彩電受限于信號(hào)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(hào)，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(biāo)準(zhǔn)清晰度的信息。帶寬考核信號(hào)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(xì)節(jié)的能力就越高。針對(duì)高清部分的測(cè)試更是如此，選取亮度通道帶寬考核輸出信號(hào)的能力。亮度非線性失真和亮度信噪比是考核信號(hào)圖像質(zhì)量的。寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)或視頻終端輸出信號(hào)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(shí)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(cè)試框圖

1.2.2音頻輸出特性測(cè)試

音頻輸出特性的測(cè)試主要包括7個(gè)比較典型的測(cè)試項(xiàng)目：音頻輸出電平、失真加噪聲、信噪比、幅頻響應(yīng)、串音、電平差、相位差。它們的測(cè)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(cè)試框圖

1.3圖像質(zhì)量系數(shù)的測(cè)試

圖像質(zhì)量系數(shù)表明被測(cè)設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試狀態(tài)下的圖像質(zhì)量比，能夠比較客觀地通過測(cè)得的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)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(gè)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(duì)此我們通過客觀測(cè)量的方法來對(duì)該系統(tǒng)的視頻質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

客觀法主要是應(yīng)用圖像質(zhì)量分析儀來對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，它主要反映了解碼以及系統(tǒng)視頻處理過程對(duì)圖像質(zhì)量所產(chǎn)生的影響，并可以直接進(jìn)行一些參數(shù)的測(cè)量并給出圖像質(zhì)量的等級(jí)值。

圖4圖像質(zhì)量系數(shù)測(cè)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(cè)試是一種客觀測(cè)試方法，是將各種測(cè)試序列送入被測(cè)設(shè)備，從復(fù)合視頻通道和S端子通道進(jìn)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(jì)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(dāng)PQR值為0時(shí)，表示和原始圖像完全相同。

測(cè)試序列包含一個(gè)相對(duì)靜止圖像和4個(gè)含較快運(yùn)動(dòng)物體的圖像序列，每個(gè)序列持續(xù)大約5秒鐘。測(cè)試素材包含對(duì)各種評(píng)價(jià)因素，如圖像空間分辨率、亮度、彩色和運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)等具有比較敏感特點(diǎn)，并能代表電視節(jié)目的典型內(nèi)容。

1.4自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用

對(duì)于寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)BMG測(cè)試來說，傳統(tǒng)的方法是對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行手動(dòng)切換和調(diào)節(jié)旋鈕達(dá)到測(cè)試的目的。這種方法比較繁瑣、效率不高而且測(cè)試結(jié)果不穩(wěn)定。如果測(cè)試過程、測(cè)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(yù)，無疑會(huì)使測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確，測(cè)試過程也變得更加自動(dòng)化和簡(jiǎn)便[2]。圖5所示為音視頻自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)框圖。

圖5音視頻自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)運(yùn)行原理：在計(jì)算機(jī)運(yùn)行相應(yīng)的軟件將MPEG2測(cè)試碼流通過網(wǎng)絡(luò)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(hào)送給監(jiān)視器和音視頻分析儀進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目的測(cè)試。

在測(cè)試之前，音視頻分析儀VM700T必須進(jìn)行初始化。儀器初始化和測(cè)試工作均由PC機(jī)完成。下面給出一個(gè)測(cè)試項(xiàng)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(duì)不同波形的失真有不同的敏感度，這兩個(gè)Ｋ系數(shù)能把波形失真和觀眾對(duì)圖像損傷的反映聯(lián)系起來，Ｋ系數(shù)評(píng)價(jià)法就是在各種波形失真按人眼視覺特性給出不同評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，度量圖像損傷的一套系統(tǒng)方法。)

圖6測(cè)量項(xiàng)目 K系數(shù)的前面板圖

圖7測(cè)量項(xiàng)目 K系數(shù)的程序框圖

從圖7中可以看到有一個(gè)名為GET DATA 12345的子VI，它的程序框圖如圖8所示，是PC機(jī)與儀器進(jìn)行GPIB通信的子VI。

圖8子VIGETDATA 12345

將各個(gè)測(cè)試項(xiàng)目分別存為相應(yīng)的子程序即子VI后，根據(jù)整個(gè)測(cè)試流程的需要，經(jīng)過一定的時(shí)延，把這些子VI串起來（即按時(shí)間順序分別調(diào)用這些子程序），即可搭起整個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

將最終測(cè)試結(jié)果存放在一個(gè)數(shù)組里，使用LabVIEW Generation ToolKit軟件，即可生成規(guī)范的Word或Excel測(cè)試報(bào)告。

整個(gè)設(shè)計(jì)、調(diào)試工作完成后，就可以運(yùn)行自動(dòng)測(cè)試軟件測(cè)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(cè)試人員測(cè)量完一臺(tái)寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)BMG的標(biāo)清音視頻項(xiàng)目需要一至兩個(gè)小時(shí)，現(xiàn)在用自動(dòng)測(cè)試軟件測(cè)試一臺(tái)同樣的BMG只需要5分鐘，當(dāng)遇到大批量的測(cè)試任務(wù)時(shí)，無疑能大大縮短測(cè)試時(shí)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(cè)試提供了有力的保證。

自動(dòng)測(cè)試軟件的測(cè)試精確度與音視頻分析儀器VM700T的精確度相同。

2結(jié)束語(yǔ)

寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)BMG測(cè)試方法研究是在國(guó)家863課題“寬帶信息網(wǎng)運(yùn)營(yíng)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(cè)試規(guī)范及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試方法》和《寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)通用規(guī)范》等測(cè)試規(guī)范。

有市場(chǎng)調(diào)研公司報(bào)告顯示，2004年全球IPTV用戶只有200萬個(gè)，到2008年，這個(gè)數(shù)字將達(dá)到2600萬。報(bào)告得出結(jié)論2005年將是IPTV和交互式網(wǎng)絡(luò)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(guó)也會(huì)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)的制定，對(duì)我國(guó)IPTV市場(chǎng)和交互式網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒市場(chǎng)的健康發(fā)展具有積極的規(guī)范和指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊樂平等. LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 電子工業(yè)出版社

[2] 張毅剛等. 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng). 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社