CN102204229A - 具有数字校准发生器的测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于通过数据通信接口来测试数字音频设备（30）的计算机化测试系统（20）的校准。该计算机化测试系统包括声卡和用于至少校准计算机化测试系统（20）的信号接收通道（25）的数字校准发生器（31）。

Description

具有数字校准发生器的测试系统

技术领域

本发明涉及用于通过数据通信接口来测试数字音频设备的计算机化测试系统的校准。计算机化测试系统包括用于至少校准计算机化测试系统的信号接收通道的数字校准发生器。

背景技术

用于基于具有内部或外部声卡的个人计算机的数字音频设备的计算机化测试系统能够提供用于测试数字音频设备的电声特性的大范围的期望功能。使用被耦合到标准声卡的个人计算机将硬件组件的成本保持在非常适度的水平，尽管有构建具有用户友好图形界面的高尖端且灵活的测试系统的能力。

然而，在将基于此类个人计算机的测试系统的性能潜力解锁以用于数字音频设备的电声特性的准确且快速的测量方面继续存在实质性的挑战。标准声卡通常未被设计为供在关键测试和测量系统中使用，并因此缺乏对测试信号发生通道和响应信号接收通道的频率响应的严格控制。许多不同的因素可能对准确度的该缺乏有贡献，诸如模拟输入和输出缓冲器或放大器、混叠滤波器、A/D和D/A转换器等的频率响应变化。这意味着被呈现给数字音频设备和由数字音频设备产生的测试信号和响应信号的绝对水平是不准确的，并因此导致正在检验的设备的电声特性的不准确确定。

WO2002/082790公开了一种用于测试电话线的电阻抗的计算机控制的测试系统。该测试系统使用安装在便携式个人计算机中的标准声卡。声卡出口被用于通过串联的测试电阻器以多个频率向电话线施加测试信号。通过检测声卡的两个输入通道L/R上的测试电阻器电压来测量测试电阻器两端的电压降，并根据所测量的电压降来计算电话线阻抗。测试系统包括校准模式或设置，其中，电话线被断开连接，并且来自声卡出口的输出信号被施加于测试电阻器。测试电阻器两端的电压被耦合到声卡的两个输入通道以检测测试电阻器上的电压降。

US2006/062407公开了一种用于扬声器的声学测试的计算机控制的测试系统。该测试系统使用安装在个人计算机中的标准声卡。在扬声器测试期间，通过数据接口向安装在正在测试的扬声器内部的扬声器控制单元发送命令。该测试命令可以命令扬声器将存储在扬声器控制单元中的特定测试信号重放。标准声卡的输入通道被适配为捕捉由正在测试的扬声器产生的响应信号。该测试系统包括校准功能，其中向标准声卡的输入通道施加矩形模拟脉冲以确定其传递函数。

WO2007/110476公开了一种通过声卡的输入与输出之间的反馈环路的连接来寻找声卡的最大输入和输出信号电平的方法。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于数字音频设备的计算机化测试系统，包括：在工作时被连接到声卡的个人计算机。所述声卡包括用于接收模拟测试信号的声卡输入端、被适配为将模拟测试信号转换成数字测试信号的A/D转换器、在工作时耦合到信号接收通道以用于接收数字响应信号并用于转换为在声卡输出端上提供的模拟输出信号的D/A转换器。数字校准发生器被适配为根据由可在个人计算机上执行的校准程序供应的校准信号数据来生成预定电平和谱含量的数字校准信号。数据通信接口被适配为依照预定通信协议来发送和/或接收数据。该数据通信接口包括被适配为将数字测试信号或数字校准信号接收、编码和发送至外部数字音频设备的编码器，和被适配为将来自外部数字音频设备的已编码数字响应信号接收并解码以向信号接收通道提供数字响应信号的解码器。依照由校准程序提供的模式控制信号操作的切换装置被配置为选择性地在以下模式下操作计算机化测试系统：

— 第一模式，其中，通过级联编码器和解码器来路由数字校准信号以将数字校准信号耦合到信号接收通道；或者

— 第二模式，其中，通过数据通信接口将数字测试信号路由到外部数字音频设备。数字校准信号优选地包括具有在20 Hz和20 kHz之间、诸如在100 Hz和10 kHz之间或在300 Hz和3 kHz之间的频率的数字音频信号，以允许在可听频率范围的较小或较大部分中评估正在测试的数字音频设备的声学性能或特性。

计算机化测试系统的第一模式允许进行测试信号接收通道和/或测试信号发生通道的某些部分的频率响应确定，所述测试信号接收通道和/或测试信号发生通道在数字音频设备的测试期间通过计算机化测试系统来回传送测试信号和数字响应信号。优选地确定至少表征数据通信接口的级联编码器和解码器的已测量频率响应的校准数据，并将该校准数据存储在个人计算机的适当存储单元（memory location）中，诸如计算机数据存储器中或光盘或硬盘上的文件。在本发明的优选实施例中，校准数据表征信号接收通道的已测量频率响应和信号发送通道的已测量频率响应两者。这保证诸如A/D和D/A转换器之类的所有声卡电路以及数据通信接口的级联编码器和解码器的相应频率响应被包括在校准数据中。可替换地，如果已知其余声卡电路的相应频率响应是准确的，则校准数据可以仅表征一个或多个特定声卡电路的频率响应，所述一个或多个特定声卡电路诸如A/D转换器和/或D/A转换器。

在本发明的某些实施例中，在编码器的输入端处布置向下采样器，和/或在解码器和D/A转换器之间的信号接收通道中布置向上采样器。可以将向下采样器配置为将数字测试信号和/或数字校准信号从第一采样速率转换成第二且较低的采样速率。第一采样速率或频率可以是诸如32、44.1或48 kHz的标准化数字音频采样频率，而第二采样速率可以是诸如22.05 kHz、16 kHz或8 kHz中的任何一个或任何其它较低采样速率的较低采样速率。可以将较低采样速率设置为与数据通信接口的编码器的特定要求兼容或与由数字音频设备采用的采样速率要求兼容。所述向上采样器可以被适配为将数字响应信号从诸如16 kHz或8 kHz的上述第二采样速率转换成与声卡D/A转换器的特定要求兼容可能需要的较高采样速率。声卡D/A转换器可以是仅能够在诸如32 kHz、44.1 kHz或48 kHz的有限数目的标准数字音频采样速率上操作，或不能以适当的信号质量对数字响应信号进行向上采样。

可以通过硬件的软件或两者的组合以许多不同的方式来实现数字校准发生器。在一个实施例中，将数字校准发生器提供为可编程逻辑块，其中使用内部设置寄存器来设置校准信号频率和电平。在本发明的另一实施例中，数字校准发生器被适配为通过从数据文件中读取数字校准信号的预先存储的数字音频样本组来生成数字校准信号。可以将预先存储的数字音频样本组写入声卡存储器并从声卡存储器反复地播放该预先存储的数字音频样本组。可以通过Direct-X API或其它适当的Windows驱动器将数字音频样本写入声卡存储器。可能已经由诸如MATLAB之类的市售技术计算程序或由为该目的专门设计的所有权计算程序计算多个数字音频样本中的单独音频样本的值并将其写入数据文件。

根据本计算机化测试系统的优选实施例，数字校准发生器被适配为通过根据预定数学算法来计算数字音频样本并将所计算的数字音频样本流式传输到声卡存储器以供后续回放或重放来生成数字校准信号。由于本实施例直接将数字音频样本流式传输到声卡存储器，所以不需要任何预存储数据文件（用于反复重放）。因此，防止了由错误预存储数据文件的意外选择而引起的计算机化测试系统的错误校准。此外，在不占用大量的声卡存储器的情况下，由预定数学算法容易地生成具有例如非重复波形或具有长重复时间的波形的复杂波形的数字校准信号。

数据通信接口可以包括选自组{无线或有线局域网、蓝牙、通用串行总线（USB）、RS232、I²C、SPI}的数据接口。在本发明的一个实施例中，有线或无线LAN接口被适配为依照实时传输协议（RTP）来将已编码数字测试信号的一组数字音频样本组织成数据包，以便发送到正在测试的数字音频设备。在本发明的某些有利实施例中，计算机化测试系统包括若干不同类型的数据通信接口，从而使得可由同一计算机化测试系统来测试不同类型的外部数字音频设备，例如蓝牙移动电话、蓝牙使能收听工具、头戴收话器或头戴耳机以及LAN使能网际协议（IP）电话。每种类型的数据通信接口的编码器和解码器部分的信号增益或损耗或其它重要音频特性在许多情况下将是未知因素。因此，本计算机化测试系统和校准程序在确定数据通信接口的这些重要音频特性时是非常有用的，从而使得能够执行外部数字音频设备的准确测试。

校准程序优选地包括具有允许操作员选择计算机化测试系统的以下模式或参数中的一个或多个模式或参数的控制按钮和/或输入框的图形用户界面：

a）设置控制信号以选择计算机化测试系统的第一或第二操作模式，

b）设置数字校准信号的频率和电平，

c）改变数字响应信号的采样速率或改变数字校准信号的采样速率，

d）通过模式控制信号来启用或禁用数字校准发生器，

e）在第一模式下控制环回信号路径的特性，

f）例如通过利用常常用于基于网际协议的语音传输的会话发起协议（SIP）通过数据通信接口来建立到数字音频设备的音频通信路径。

本发明的第二方面涉及确定基于声卡的计算机化测试系统的频率响应校准数据的方法；该方法包括步骤：

a）根据由校准程序供应的校准信号数据来生成预定电平和谱含量的数字音频校准信号，

b）由数据通信接口的编码器对数字音频校准信号编码，以提供已编码数字音频校准信号，

c）将已编码数字音频校准信号路由到数据通信接口的解码器，以生成解码数字音频校准信号，

d）通过声卡的信号接收通道来路由解码数字音频校准信号，

e）在声卡的D/A转换器中将解码数字音频校准信号转换成模拟输出信号，并将模拟输出信号路由到声卡输出端，

f）确定数字音频校准信号与模拟输出信号之间的第一频率响应，

g）向声卡的声卡输入端施加模拟测试信号，

h）由声卡的A/D转换器将模拟测试信号转换成数字测试信号，

i）确定模拟测试信号与数字测试信号之间的第二频率响应，

j）确定并存储表征第一和第二频率响应的一组校准数据。

第一和第二频率响应中的每一个可以基于在步骤f）和步骤i）中的20 Hz和20 kHz之间的可听范围内的几个预定频率下的增益和可选相位的相应测量结果。然而，如果要求更精细的第一和第二频率响应特性，则可以在诸如10和100附加频率之间的一组附加频率下对其进行确定。

该组校准数据优选地被存储在与校准程序相关联的适当存储单元或文件结构中。在本发明的一个实施例中，经由到外部音频分析器和耦合到声卡输入端和输出端的发生器的通信接口来自动地检索并发送该组校准数据。该外部音频分析器和发生器被适配为基于所述组校准数据来计算或设置施加于声卡输入端的模拟测试信号的经适当校准的电平。在另一实施例中，由测试操作员从本计算机化测试系统手动地检索该组校准数据，并手动地输入到组合的音频分析器和发生器中的适当位置中。在本发明的又一实施例中，可以使用所确定的校准数据组来在诸如可编程前置放大器、D/A或A/D转换器等声卡的声音处理电路中、在特定音频下直接自动地或手动地调节一个或多个增益值，以补偿与标称的或校准的频率响应的测量频率响应偏差。

附图说明

将结合附图来更详细地描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1是依照本发明的实施例的、用于由在测试模式下操作的计算机化测试系统来测试数字音频设备的测量装置的示意图，

图2是在测试模式下操作的计算机化测试系统的示意图；以及

图3是在校准模式下操作的计算机化测试系统的示意图。

具体实施方式

图1示出依照本发明的用于由计算机化测试系统20来测试外部数字音频设备30的测量装置1。组合的音频分析器和发生器10被电连接到计算机化测试系统20的声卡输入端2，该输入端2被适配为接收由组合的音频分析器和发生器10的发生器部分供应的模拟输入或测试信号。该测试信号可以是被适配为根据用于正在测试的特定设备的相关测量标准来测量数字音频设备30或正在测试的音频设备30的各种性能参数的信号，所述性能参数诸如其频率响应、最大输出声压、非线性失真、摩擦蜂鸣噪声、输入/输出特性等。音频设备30可以例如包括被根据ITU推荐ITU-T P58、P64和P79中的一个或多个来测试的IP电话。

计算机化测试系统20能够根据内部切换装置的设置来在两个不同的测试模式下操作。在所描绘的第二模式或测试模式下，由组合的音频分析器和发生器10生成的输入或测试信号被通过信号发生器通道21路由，并被通过被表示为LAN接口的数据通信接口发送至音频设备30，音频设备30本身包括被适配为接收测试信号的LAN兼容数据接口。在第一模式或校准模式下，由组合的音频分析器和发生器10生成的输入或测试信号被通过信号发生器通道路由，而不是被通过LAN接口发送到正在测试的音频设备30，该测试信号环绕数据通信接口的编码器和解码器的级联循环，并经由计算机化测试系统20的信号接收通道25返回到声卡输出端3。下面将结合图2&3来详细地解释测试和校准模式下的计算机化测试系统20的操作。

音频设备30可以包括各种固定或便携的通信或移动终端，其具有诸如IP电话、移动电话、蓝牙耳机等集成数据通信接口，通过该集成数据通信接口来传送单向或双工数字音频数据。数据通信接口可以包括有线或无线局域网接口。根据本发明的优选实施例，计算机化测试系统20包括LAN接口，但是本发明的其它实施例可以替代地或另外地包括以下数据通信接口中的一个或多个：蓝牙、通用串行总线（USB）、RS232、I²C、SPI。

图2是如图1的测量装置1中所描绘的在第二或测试模式或状态下配置的计算机化测试系统20的示意图。在所表示的点框内部的被设置在标准声卡上并被适配为接收模拟测试信号的声卡输入端INP上接收测试发生器信号。前置放大器将模拟测试信号放大或缓冲，并将经缓冲/放大的测试信号转送到A/D转换器，A/D转换器将经缓冲/放大的模拟测试信号以预定的分辨率和采样速率（例如在16、44.1或48 kHz采样速率下16位）转换成相应的数字测试信号。由符号VU所表示的输入通道电平表22允许如稍后将解释的那样出于校准的目的确定或计算数字测试信号的绝对信号电平。可选的向下采样器被适配为接收数字测试信号，并将其采样速率转换成与基于LAN的数据通信接口的编码器的特定要求或与由数字音频设备30采用的对采样速率的要求兼容的较低采样速率。

在编码之后，通过LAN接口将编码数字测试信号发送到音频设备30（参考图1），音频设备30包括用于将编码数字测试信号转换成适当的数字音频测试信号以便施加于音频设备30的电声换能器的适当解码器。在一个情况下，可以在仿真耳或被以声学方式耦合到音频设备30的电声换能器的另一类型的声负载或耦合器中测量音频设备30的响应信号，并由组合的音频分析器和发生器10的分析器输入端来记录该音频设备30的响应信号。在本申请中，数据通信接口可以仅仅支持数据的单向传输，即从计算机化测试系统20到音频设备30的传输。然而，数据通信接口将优选地支持双工数据传输，从而使得例如沿着相反的方向、与数字测试信号的传输同时地跨越数据通信接口来传送音频设备30的所指示的扩音器生成的响应信号，并通过信号接收通道25将所述响应信号传送到被连接到组合的音频分析器和发生器10的分析器输入端的声卡输出端3。数据接收通道可以包括所指示的但可选的向上采样器，其被适配为将响应信号的采样速率转换成另一更高的采样速率。可能需要该更高的采样速率以便使响应信号与D/A转换器的特定要求兼容，所述D/A转换器可能仅能支持有限数目的标准数字音频采样速率，诸如32 kHz、44.1 kHz或48 kHz。

包括被耦合到信号接收通道25和输入信号通道21的各信号节点中的开关SW1 a,b；SW2a,b和SW4a,b的切换装置允许计算机化测试系统20的操作状态或模式依照由在便携式计算机上运行的校准程序提供的模式控制信号在两个不同模式之间切换。如上所述，图2中所描绘的模式是第二或测试模式。

技术人员将理解的是，可以将计算机化测试系统实现为在个人计算机的适当微处理器或声卡处理器上运行或可执行的软件/应用程序或程序例程。这意味着可以将示意性地描绘的信号处理功能或诸如向下采样器、向上采样器、编码器、解码器或开关SW1 a,b；SW2a,b和SW4a,b之类的信号路由功能中的每一个部分地或完全地实现为例如在适当软件开发工具中以C++所写的计算机程序代码或例程。这同样适用于在图3中描绘的数字校准发生器31。这些功能中的某些可以替换地由诸如可以依照市售逻辑函数库来配置或编程的可编程门阵列之类的专用逻辑电路块来实现。

图3是借助于所指示的包括SW1 a,b；SW2a,b和SW4a,b的切换装置的设置在第一或校准模式或状态下配置的计算机化测试系统20的示意图。所指示的切换装置的设置通过编码器的级联输出和解码器的输入来路由数字校准信号，从而将数字校准信号耦合到信号接收通道25。在此校准模式下，计算机化测试系统20优选地确定数字校准信号与声卡输出OUT之间、即环绕级联编码器-解码器（“环回耦合”）、向上采样器和信号接收通道25的剩余部分朝着声卡输出OUT的第一频率响应。优选地同样地测量施加于声卡输入端2的模拟输入信号与输入通道电平表22（VU表）处的测量节点之间的第二频率响应，从而使得按照诸如400 Hz、1 kHz、3kHz等的一个或多个相关音频频率或在20 Hz与20 kHz之间的可听范围内的任何其它频率组下的频率响应或最小增益值来表征计算机化测试系统20的音频处理元件或电路的各系列。

数字校准发生器31根据由在个人计算机上运行的校准程序供应的校准信号数据来生成预定电平和谱含量的数字校准信号。该数字校准信号可以包括以诸如1 kHz的单个预定频率或以跨越目标频率范围的预定的频率组为中心以确定每个频率下的信号损耗和增益的窄带正弦信号。优选地遍及如在20 Hz和20 kHz之间或在200 Hz和4 kHz之间的某个目标频率范围来确定完整的频率响应。因此，可以根据例如特定测量标准的测量带宽要求、跨越窄或宽的音频频率波段或范围来测量特定的一组频率下的包括信号增益/损耗的频率响应和可选的相位。

根据所确定的第一和第二频率响应计算的校准数据随后被存储在与校准程序相关联的适当存储单元或文件结构中以供检索并自动传输至或手动输入到组合的音频分析器和发生器10中。组合的音频分析器和发生器10被适配为随后读取校准数据，以在数字音频设备的测试期间适当地计算（comute）或设置模拟测试信号的校准电平。在本发明的其它实施例中，可以使用所确定的校准数据来在声卡的可编程前置放大器或A/D转换器中直接调节一个或多个增益值，以达到标称或校准的增益值。同样地，可以直接在信号接收通道25中应用一个或多个增益值以在其中获得标称或校准的增益值。

在本计算机化测试系统20的某些实施例中，可以先验地已知级联编码器-解码器的频率响应，这使得在校准循环期间测量信号路径中的此特定频率响应是多余的。因此，可以将开关SW2a,b设置到与在图3上指示的位置相对的位置，从而使得编码器和解码器被绕过，并且针对信号接收通道25的其余部分来测量或确定频率响应。在某些情况下，测量开关SW2a,b的两个状态下的频率响应、从而使得能够针对每个信号路径来单独地确定每个频率响应甚至可能是有利的。

Claims (9)

1. 一种用于数字音频设备的计算机化测试系统，包括：

— 在工作时连接到声卡的个人计算机，

— 所述声卡包括用于接收模拟测试信号的声卡输入端、被适配为将模拟测试信号转换成数字测试信号的A/D转换器、在工作时耦合到信号接收通道以用于接收数字响应信号并用于转换为在声卡输出端上提供的模拟输出信号的D/A转换器，

— 数字校准发生器，其被适配为根据由能在个人计算机上执行的校准程序供应的校准信号数据来生成预定电平和谱含量的数字校准信号，

— 数据通信接口，其被适配为依照预定通信协议来发送和/或接收数据，

— 所述数据通信接口包括编码器和解码器，所述编码器被适配为将数字测试信号或数字校准信号接收、编码和发送至外部数字音频设备，所述解码器被适配为将来自外部数字音频设备的已编码数字响应信号接收并解码，以向信号接收通道提供数字响应信号，

— 切换装置，其依照由校准程序提供的模式控制信号进行操作，该切换装置被配置为在以下任一模式下选择性地操作计算机化测试系统：

— 第一模式，其中，通过编码器和解码器的级联来路由数字校准信号，以将数字校准信号耦合到信号接收通道；或者

— 第二模式，其中，通过数据通信接口将数字测试信号路由到外部数字音频设备。

2. 根据权利要求1所述的计算机化测试系统，包括布置在编码器的输入端处的向下采样器和/或布置在解码器与D/A转换器之间的信号接收通道中的向上采样器。

3. 根据权利要求1或2所述的计算机化测试系统，其中，所述数字校准发生器还被适配为：

— 通过从数据文件中读取定义数字校准信号的预存储的数字音频样本组来形成数字校准信号，

— 将数字校准信号写入声卡存储器，

— 反复地从声卡存储器播放数字校准信号。

4. 根据权利要求1或2所述的计算机化测试系统，其中，所述数字校准发生器被适配为：

— 通过根据预定数学算法来计算数字音频样本而生成数字校准信号，

— 将所计算的数字音频样本流式传输到声卡存储器以供后续回放。

5. 根据前述权利要求中的任一项所述的计算机化测试系统，其中，所述数据通信接口包括选自{有线或无线通信网络，诸如LAN、蓝牙、通用串行总线（USB）、RS232、I²C、SPI}的组的数据接口。

6. 根据前述权利要求中的任一项所述的计算机化测试系统，其中，所述校准程序包括图形用户界面，该图形用户界面具有提供计算机化测试系统的以下模式或参数中的一个或多个模式或参数的用户控制的控制按钮和/或输入框：

a）将模式控制信号设置为选择计算机化测试系统的第一模式或第二模式，

b）设置数字校准信号的频率和电平，

c）改变数字响应信号的采样速率或改变数字校准信号的采样速率，

d）通过模式控制信号来启用或禁用数字校准发生器，

e）在第一模式下控制环回信号路径的特性

f）例如通过利用会话发起协议通过数据通信接口来建立到数字音频设备的音频通信路径。

7. 根据前述权利要求中的任一项所述的计算机化测试系统，其中，所述个人计算机包括存储至少表征数据通信接口的级联编码器和解码器的测量频率响应的校准数据的存储单元。

8. 根据权利要求7所述的计算机化测试系统，其中，所述校准数据另外表征声卡的A/D转换器和D/A转换器中的至少一个的频率响应。

9. 一种确定基于声卡的计算机化测试系统的频率响应校准数据的方法，所述方法包括步骤：

a）根据由校准程序供应的校准信号数据来生成预定电平和谱含量的数字音频校准信号，

b）由数据通信接口的编码器将数字音频校准信号编码，以提供已编码数字音频校准信号，

c）将已编码数字音频校准信号路由到数据通信接口的解码器以生成解码数字音频校准信号，

d）通过声卡的信号接收通道来路由解码数字音频校准信号，

e）在声卡的D/A转换器中将解码数字音频校准信号转换成模拟输出信号，并将模拟输出信号路由到声卡输出端，

f）确定数字音频校准信号与模拟输出信号之间的第一频率响应，

g）向声卡的声卡输入端施加模拟测试信号，

h）由声卡的A/D转换器将模拟测试信号转换成数字测试信号，

i）确定模拟测试信号与数字测试信号之间的第二频率响应，

j）确定并存储表征第一和第二频率响应的一组校准数据。

Images