寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)測試方法研究

0引言

近年來(lái)，開(kāi)發(fā)新一代高速信息網(wǎng)絡(luò )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(luò )研究計劃，如美國自然科學(xué)基金會(huì )設立了“下一代Internet研究計劃：NGI”,建立了高速網(wǎng)絡(luò )試驗床vBNS（Very High Speed Backbone Network Service）,進(jìn)行高速計算機網(wǎng)絡(luò )及其應用的研究。其他國家也紛紛提出并進(jìn)行了類(lèi)似的計劃。

我國十五規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比特級智能光網(wǎng)絡(luò )、T比特級WDM光網(wǎng)絡(luò )、T比特級路由器等系統設備的關(guān)鍵技術(shù)目標也正是要跟上高性能網(wǎng)絡(luò )的研究，2005年使我國在高性能寬帶信息網(wǎng)技術(shù)研究、設備開(kāi)發(fā)及業(yè)務(wù)應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，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(lái)上網(wǎng)速度大大提高、實(shí)現高速的常規網(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)、遠程教育、網(wǎng)絡(luò )游戲、視頻會(huì )議、利用智能網(wǎng)關(guān)系統技術(shù)構建智能家庭網(wǎng)絡(luò )等服務(wù)。為保證3TNet高性能寬帶網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )平臺和支撐環(huán)境各項業(yè)務(wù)的順利開(kāi)展，使終端用戶(hù)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）或視頻終端的測試手段和測量方法，搭建相應的測試平臺，制定測試規范和測試標準就顯得尤為重要了。只有制定出科學(xué)、合理、切實(shí)可行的規范和標準，才能為寬帶多媒體智能網(wǎng)關(guān)的產(chǎn)品設計、生產(chǎn)定型、檢驗提供依據。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發(fā)展奠定堅實(shí)的基礎。

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，因此測試內容的研究主要包括以下兩個(gè)方面：網(wǎng)絡(luò )性能測試、音視頻性能測試。本文重點(diǎn)介紹音視頻性能測試。

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

1.1網(wǎng)絡(luò )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(dòng)態(tài)路由功能測試和靜態(tài)路由功能測試兩個(gè)部分。具體細節在此不作贅述。

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(jìn)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(guò)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(xiàn)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(lèi)電子產(chǎn)品，與DVD視盤(pán)機、數字電視接收機的視頻通道有很多相似之處，對DVD視盤(pán)機和機頂盒的視頻測量無(wú)外乎也用這些測試項目進(jìn)行考核。上面提到的標清視頻測試項目與觀(guān)看的圖像質(zhì)量是息息相關(guān)的。通過(guò)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(shí)對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(huà)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關(guān)系，該項目表示信號所攜帶的有效信息量，隨著(zhù)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(gè)比較重要的考核項目。亮度非線(xiàn)性失真是反映重現不同灰度的能力，如果視頻通道亮度非線(xiàn)性失真較大，那么圖像的層次感就會(huì )很差，也就是說(shuō)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試項目。當亮度電平發(fā)生變化的時(shí)候，疊加在亮度信號上的色度電平或相位也會(huì )不同程度的發(fā)生變化，體現在圖像中就是彩色圖像的色調和色飽和度，如果亮度電平對色度電平或相位影響過(guò)大，會(huì )使畫(huà)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(lái)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(xiàn)性、通道間的時(shí)延、同步特性六個(gè)項目。由于系統互聯(lián)的需要，規范的接口是至關(guān)重要的，為了更好地與下級設備配接，首先考慮到，接口的信號輸出要符合標準規范，視頻幅度和同步特性?xún)蓚€(gè)項目考核輸出信號的規范性，測試輸出信號的幅度、同步結構是否合乎標準。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，表現圖像細節的能力就越高。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(xiàn)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(xiàn)性失真表征其亮度的線(xiàn)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(gè)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)量系數的測試

圖像質(zhì)量系數表明被測設備在標準測試狀態(tài)下的圖像質(zhì)量比，能夠比較客觀(guān)地通過(guò)測得的數據評價(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是一個(gè)非線(xiàn)性的系統，影響該系統視頻質(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，解碼器的特性等。對此我們通過(guò)客觀(guān)測量的方法來(lái)對該系統的視頻質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。

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

圖4圖像質(zhì)量系數測試框圖

寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)的圖像質(zhì)量系數（PQR：Picture Quality Radio）測試是一種客觀(guān)測試方法，是將各種測試序列送入被測設備，從復合視頻通道和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(guò)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(shí)，表示和原始圖像完全相同。

測試序列包含一個(gè)相對靜止圖像和4個(gè)含較快運動(dòng)物體的圖像序列，每個(gè)序列持續大約5秒鐘。測試素材包含對各種評價(jià)因素，如圖像空間分辨率、亮度、彩色和運動(dòng)再現等具有比較敏感特點(diǎn)，并能代表電視節目的典型內容。

1.4自動(dòng)測試系統的應用

對于寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)BMG測試來(lái)說(shuō)，傳統的方法是對測試儀器進(jìn)行手動(dòng)切換和調節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果不穩定。如果測試過(guò)程、測試結果的分析和處理均由軟件來(lái)執行，減少人為的干預，無(wú)疑會(huì )使測試結果更準確，測試過(guò)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)測試系統框圖。

圖5音視頻自動(dòng)測試系統框圖

系統運行原理：在計算機運行相應的軟件將MPEG2測試碼流通過(guò)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(guò)解碼產(chǎn)生音頻和視頻信號送給監視器和音視頻分析儀進(jìn)行相關(guān)項目的測試。

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

圖6測量項目 K系數的前面板圖

圖7測量項目 K系數的程序框圖

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機與儀器進(jìn)行GPIB通信的子VI。

圖8子VIGETDATA 12345

將各個(gè)測試項目分別存為相應的子程序即子VI后，根據整個(gè)測試流程的需要，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)延，把這些子VI串起來(lái)（即按時(shí)間順序分別調用這些子程序），即可搭起整個(gè)自動(dòng)測試系統。

將最終測試結果存放在一個(gè)數組里，使用LabVIEW Generation ToolKit軟件，即可生成規范的Word或Excel測試報告。

整個(gè)設計、調試工作完成后，就可以運行自動(dòng)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(gè)小時(shí)，現在用自動(dòng)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(wù)時(shí)，無(wú)疑能大大縮短測試時(shí)間，提高工作效率。這無(wú)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(dòng)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結束語(yǔ)

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(yíng)支撐環(huán)境及接入系統的研制之智能網(wǎng)關(guān)及終端設備測試規范及測試標準研究”的支持下開(kāi)展起來(lái)的，并且在研究工作的基礎上制定了《寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)測試方法》和《寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)通用規范》等測試規范。

有市場(chǎng)調研公司報告顯示，2004年全球IPTV用戶(hù)只有200萬(wàn)個(gè)，到2008年，這個(gè)數字將達到2600萬(wàn)。報告得出結論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)和視頻終端測試方法》和《寬帶多媒體網(wǎng)關(guān)和視頻終端通用規范》等標準的制定，對我國IPTV市場(chǎng)和交互式網(wǎng)絡(luò )機頂盒市場(chǎng)的健康發(fā)展具有積極的規范和指導意義。

參考文獻

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

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