基于PCM 编码的数字高清设备音频信号测试研究

黎燕霞，刘宇容

(广东农工商职业技术学院机电系，广东 广州 510507)

0 引言

近年来，数字音频技术取得了很大的发展，使非线性音频信号得到广泛的应用。在传统的模拟音频时代，有不少技术指标可以衡量一个系统的质量好坏，比如信噪比、频响、失真等［1-2］。这些指标在数字时代似乎只能表示数模转换器或模数转换器的性能。数字设备的音频信号传输大多采用非线性信号传输［3］，这对于非线性音频信号是否有失真，失真从何而来，对音质的影响有多大，如何评价一个数字音频系统传输质量的好坏，在测试领域是一个十分重要的研究课题。

目前，现有的数字高清音频传输接口的传输品质测试主要采用物理层的测试手段进行，通过观察被测传输信号的电气特性来评估高清数据的传输品质［4-5］。但是，这种测评方式具有一定的局限性，因为数字高清传输接口是一种嵌入式系统，在高清接口芯片上运行传输协议、内容保护协议、控制协议等软件，所以软件数据处理也关系到数字高清接口的数据传输品质。

此外，狭义范围定义的数字高清音频传输接口只包含接口本身。然而，广义范围定义的数字高清音频传输接口是指实现数字高清产品的高清数据传输系统，该系统中既包括高清接口本身，还应包括处理器控制、高清数据编解码、数据传输线缆等。这些功能组件都将影响数字高清产品的高清接口数据传输的质量［6-7］，因此，数字高清接口传输品质测试应从系统的角度考虑。

针对目前行业内数字高清传输接口只对物理层信号进行测试，未能从用户角度直接评估音频传输质量的不足，本文创新性地从系统级角度对数字高清传输接口的音频传输品质进行研究，提出基于Directshow 技术的数字高清传输中的非线性音频信号测试原理和测试架构，并对创能达HD6M48 与深圳创维29D08HT 的非线性音频信号进行测试对比，最后使测试结果更加符合真实使用情况，能够做到定量测试，自动生成测试报告和自动记录历史数据，提高测试的效率和便捷性。

1 非线性音频信号测试原理

数字高清接口音频信号传输信噪比和功率衰减测试部分包括接口传输音频解码单元、原始音频流解码单元、音频流采样单元、采样触发单元、WAV 音频文件生成单元、音频信号时域和频率分析单元;接口传输音频解码单元对被测高清源端接口传输的音频信号进行解码，原始音频流解码单元对原始音频信号进行解码，音频流采样单元对解码后的被测高清源端接口传输的音频流和原始音频流进行同步采样并生产相对应的音频采样序列，采样触发单元控制音频信号采样的时间节点，WAV 音频文件生成单元将解码后的2 路PCM 音频流分别生成无压缩的WAV 格式音频文件供后续处理，音频信号时域和频率分析单元负责信号从时域到频率的转换［8-10］。

优选的数字高清接口音频信号传输信噪比［11］为:

式(1)中，Xi表示原始信号采样获得的时间序列，Yi表示经过高清接口传输后的信号的时间序列，N 表示音频信号采样点的数目。

优选的数字高清接口音频信号平均功率差值［4］为:

式(2)中，Pavg为平均功率差值，Xi为被测音频信号经过FFT 运算后所获得的数值序列，Yi为原始视频信号经过FFT 运算后所获得的数值序列，2 个序列等长，N 为序列的长度。

2 测试模块结构

数字高清接口音频信号传输信噪比和功率衰减测试部分对数字高清接口传输的音频信号从时域和频率的角度展开分析，其是由接口传输音频解码单元、原始音频流解码单元、音频流采样组件、采样触发单元、WAV 音频文件生成单元、音频频率分析单元等组成［12-13］，如图1 所示。

图1 音频信号的传输信噪比和功率衰减测试部分组成示意图

其各组件实现功能为:

1)接口传输音频解码单元(组件)，负责对被测高清接口传输的音频信号进行解码［14-15］。

2)原始音频流解码单元(组件)，负责对原始的音频信号进行解码。

3)音频流采样组件，负责对高清接口传输的音频流和原始音频流进行同步采样，并生产相对应的音频采样序列，该采样序列的图形化显示如图2 所示，图中X 轴表示各个不同的时间点，单位为秒;Y 轴表示信号的幅度特性，该幅度统一归一化到［-1，1］的区间内。

4)采样触发单元，负责控制音频信号采样的时间节点。

5)WAV 音频文件生成单元，该单元负责将解码后的2 路PCM 音频流分别生成无压缩的WAV 格式音频文件，供后续处理［16-17］。

6)音频频率分析单元，音频信号最主要的特性为频率和强度特性，在对被测音频信号进行处理前，使用FFT 算法将信号从时域转移到频域进行分析，该单元主要负责信号从时域到频率的转换［18］。

图2 音频采样序列

3 测试结果与分析

本音频特性测试是采用双通道16 位48 kHz 采样率PCM 编码音频传输误差分析，验证音频传输平均时域和频域。在数据正常采集环境下，通过集成分析环境，打开音频分析选项，并将采集的filetest.wmv文件加载到音频分析操作界面的测试音频文件项，同时把标准的音频文件stdaudio.wmv 加载到参考音频文件项。2 个文件选择同样声道，对齐放大后进行FFT 运算，之后再进行音频频率和时域分析。其标准测试音频的时域和频域图，如图3 所示。

图3 标准测试音频的时域和频域图

图3 中X 轴表示音频信号的频率，单位为Hz，Y轴表示音频信号在某个频率点上的强度，单位为dB。创能达HD6M48 与深圳创维29D08HT 双通道16 位48 kHz 采集率下平均时域误差参数结果比对。如图4 和图5 所示。

图4 创能达HD6M48 音频分析图

图5 创维LED46MS92DC 音频分析图

若在数字高清接口传输的过程中，音频信号发生信号衰减、频率偏移、数据异变等现象或者受到噪音，则被测信号与原始信号将在以下几个方面出现差异:时域上，音频信号的波形出现一定的差异;频率上，音频信号各个频点的强度改变。由图3～图5 对比中可看出，深圳创维29D08HT 在频域范围的毛刺明显多于创能达HD6M48，故在音频输出误差测试中，创能达HD6M48 电视板图像优于深圳创维29D08HT 电视板。

4 结束语

在数字高清设备逐渐流行过程中，用户对数字高清设备输出的音质要求越来越高，同时还要保证语音不能对用户造成伤害，因此对数字高清设备音频质量的检测工作显得越来越重要。本文对传统的测试方法进行改善，充分考虑数字高清设备各方面的影响，从系统级的角度对数字高清设备输出的非线性音频信号进行分析，设计并实现了高清接口音频质量测试模块和传输品质分析算法，提高了数字高清设备的检测效果和效率，对音频测试工作做出了一定的贡献。

［1］高琨琦.浅谈数字音频处理中的关键问题［J］.电声技术，2011，35(7):65-70.

［2］严芳，林东.机顶盒数字音频的无线转发系统设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2012，12(3):59-61.

［3］尤毅.也谈采用定理——PCM 编解码过程［J］.音响技术，2012(1):7-10.

［4］陈奎.语音PCM 编码通信系统的SIMULINK 仿真［J］.福建电脑，2012，28(10):115-117.

［5］林峰.数字音频总线硬件设计与仿真［J］.压电与声光，2013，35(3):452-454.

［6］尤毅.浅析数字音频系统失真［J］.现代电视技术，2013(1):142-146.

［7］孙乐民，薛永林.超高清数字电视关键技术研究［J］.电视技术，2012，36(6):17-20.

［8］狄德海.WCDMA 手机音频测试［J］.中国测试，2009，35(1):125-127.

［9］吕瑞宁.谈音频测试的几点心得［J］.才智，2011，(11):320-321.

［10］向罗勇，朱旻.TD-SCDMA、WCDMA、GSM 终端音频—致性测试介绍及分析［J］.现代电信科技，2011，41(8):35-37.

［11］曾舒雅.基于FPGA 的数字语言通信系统设计［J］.江苏技术师范学院学报，2014(2):44-47.

［12］宋志章，马丽，刘晓华.基于ARM 的数字音频解码系统的设计与实现［J］.科技通报，2012，28(6):161-162，165.

［13］纪晓宇.移动电话音频测试技术的研究［D］.天津:天津大学，2012.

［14］徐菁.AC-3 数字音频压缩系统的研究及DSP 实现［D］.南京:南京航空航天大学，2006.

［15］蒋正萍，巫丛平，李寿强.一种高效率数字音频功放芯片的设计与实现［J］.微电子学，2011，41(4):536-539.

［16］袁永金，樊养余，于泽琦，等.数字音频D 类功放电源误差校正方法研究［J］.电子设计工程，2014(14):135-138.

［17］邵松年，黄征，徐彻，等.数字音频与录制设备的相关性研究［J］.计算机工程，2009，35(19):224-226，250.

［18］胡瑞敏，艾浩军，张勇.数字音频压缩技术和AVS 音频标准的研究［J］.电视技术，2005(7):21-23.