【视频监控产品网络、噪声及温升测试分析概述8100字】

视频监控产品网络、噪声及温升测试分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u2865视频监控产品网络、噪声及温升测试分析概述 1147811.1网络测试 1114341.1.1网络传输基础 1202571.1.2网络摄像机的工作原理 7207891.2噪声测试 8156141.1.1吸声材料 8225941.1.2消声室 932081.1.3混响室 11142611.3温升测试 1340031.3.1测试方法 13100201.3.2标准要求 141.1网络测试1.1.1网络传输基础以太网传输媒体一般是无屏蔽双绞线REF_Ref9458\r\h[4]。拆开普通的网线可以看到，里面有8根，分别用不同的颜色区分线对。如绿和绿白是1对，橙和橙白是1对，蓝和蓝白是1对，棕跟棕白是1对。568B标准中规定了具体哪一对用于发送数据，哪一对用于接收数据。如图1.1和图1.2所示：图1.1T568A接线图1.2T568B接线网络体系结构是计算机网络的分层、协议和层间接口的集合。在网络实现中，，每一层都会根据上下层之间的传递关系，设定自身的数据传输要求，但是要求的具体细节不会呈现出来，以确保数据的保密性REF_Ref9781\r\h[5]。数据的传输通过接口进行，，每个接口都规定了自身接收数据包的要求，以及接收正确时反馈的响应码。当前市面存在的计算机网络体系结构有很多，为确保不同的结构之间对接使用时相互兼容及互联过程中的数据传输和使用对接问题，ISO在1984年发布了OSI/RM，也就是我们常说的七层结构模型，将网络传输协议分为物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层REF_Ref9882\r\h[6]。物理层就是硬件设备、网线、BNC接口线等可以具体连接起来的介质。物理层不管数据接收和发送是否正常，只确保在硬件设备上完成了连接。比如摄像机通过BNC接口线连接到终端，然后终端通过网线连接到平台。链路层是确保各设备之间在物理线路上的通信是否正常，它是通过将数据切割成不同大小的帧进行传输，比如64字节或128字节等。在链路层的传输中，重点关注的是传输的数据是否超出线路最大的限制、传输过程中是否丢包、传输时数据是否延迟很久的等。网络层相对比较智能，可以在算法的协助下，对发送数据的路径进行选择，从而避开数据拥堵，提高服务质量。这一层通常由交换机完成，比如常见的华为四层交换机，就可以通过配置的网关实现跨网络传输。传输层是在数据通信中进行调优，如常见的TCP，就可以在不可靠的网络上传输可靠的数据包，通过三次握手协议，确保端到端传输的数据不会出现差错和流量超出的问题。会话层是在对节点建立通信后，维持数据链路的同步，根据当前链路的情况确定数据的发送和接收。表示层负责对传输的数据进行加解密，比如视频、图片、文本、账户及密码等。一则可以压缩文件的大小，可以使文件在不丢失信息的情况下以最小的大小发送出去，二则确保了文件传输的安全性，避免无关人士通过抓包等手段获取到传输信息。应用层就是用户直接操作的界面，比如客户端界面、web界面等，用户可以直接输入信息或查看信息，实现人机交互，同时服务器会通过应用将信息向用户展示出来。物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层这七层各自分工，负责各自具体的工作，以此确保网络传输正确无误的传输和运行，同时每一层都是独立的，其自身的更新迭代不会影响整体的功能，提升了产品的网络性能。与这种层次规划清晰的OSI模型相比，TCP/IP模型则是一种实际上真正使用的internet模型REF_Ref9967\r\h[7]。OSI模型定义了服务、协议和接口的概念，而TCP/IP模型更贴合实际，是internet事实上的标准。两者的差异有：TCP/IP将物理层和数据链路层统一为网络接口，它通过软件接口的形式接收数据包，然后在通过协议规定的形式转发出去，所以它不同于ISO模型，不依赖具体的物理媒介。TCP/IP的网络层是基于一种不可靠的无连接的服务。协议将数据进行封装，按指定的时间将报文发送出去，同时为了确保数据的准确性，也会将差错随报文一并发出。TCP/IP的传输层同时具备有连接和无连接的两种服务，分别就是我们所知的TCP协议和UDP协议。TCP/IP模型的高层协议有应用层，在实现数据传输的同时将接收到的数据进行解析，呈现给用户。目前普遍使用的互联网模型是TCP/IP模型，而OSI模型更多的是用于术语的解释。OSI模型是为了解在《计算机网络》中有句教训总结—糟糕的时机、糟糕的技术、糟糕的实现、糟糕的政策。除了少数军方邮件系统外，很少有人使用OSI模型。在互联网的设计之初，很多目标和动机都是模糊，经过互联网的不段发展才逐渐总结出来的。目前主流的网络测试和性能评价主要集中在物理层、链路层和网络层。（1）物理层：主要考虑布线的联通性；（2）链路层：主要考虑吞吐量、丢包率和时延；（3）网络层：考虑误码率，界面渲染时间等。网络测试和性能评价可以分为三个层面：网络平台、测试平台、数据和性能分析平台。数据和性能分析因不同网络间的差异较大，因此评价指标也不相同。主要的网络类别有：数据传输网络、交互式网络、多媒体网络。可以通过对三类网络的评估，确定具体的指标参数REF_Ref10091\r\h[8]。系统测试主要是对端到端的节点进行性能指标测试，如误码率、延迟、抖动、丢包率、吞吐量、带宽等REF_Ref10170\r\h[9]。网络综合布线系统REF_Ref10232\r\h[10]主要由铜缆和光纤两类，铜缆又分同轴电缆和双绞线电缆，前者因传输速率慢已退出市场，当前主要使用的是双绞线和光纤。当前国际上综合布线技术标准有ANSI/TIA/EIA568B、ISO/IEC11801、IEEE801.3和CELENECEN50173。国内的标准有GB50311-2007和GB50312-2007。ISO/IEC11801规定了线缆的类和等级，如cat5、cat6等。IEEE801.3规定了以载波侦听多路复用／冲突检测技术为基础的以太网标准，严格上说不属于布线标准，但其涉及到传输介质、传输距离等。801.3a定义了早期的以太网，速度只有10Mbit/s，传输介质为双绞线和同轴电缆；801.3u规定了100BASE-T；801.3z定义了1000BASE-T；801.3ae规定了万兆以太光纤网。综合布线的测试主要是针对传输线缆进行测试，分为验证测试和认证测试。验证测试相对比较简单，主要是测试物理连接性、安装工艺等，一般在施工现场进行，以减少完工后批量线路不通问题。认证测试是按照认证标准要求进行全项测试，测试通过后会取得相应的认证证书。元件测试就是对单个的器件或者插座进行测试。链路测试是针对已安装的链路进行测试，即将多个元件连接起来后的测试。目前各大厂商关注的测试项有：插入损耗、特性阻抗和回报损耗。（1）插入损耗：源发送端和接收端信号强度的比值。信号在线缆中传输时会损失一部分能量，同时布线器件上也会有一定的损耗，这两部合成即为插入损耗。（2）特性阻抗：当传输介质发生改变时，会产生回波将能量反射回去（如图1.3），通过特性阻抗就可以测试回波，它是一个等效掉混合参数来代表电磁场分布和感应之间的关系。（3）回波损耗：除去被反射的能量外，还有一部分能量被损耗掉，回波损耗是衡量信号的反射程度，也可以看作是发送信号值和反射信号值的比值，因此回波损耗越大越好。图1.3尺寸改变处产生信号能量的反射（回波）网络设备是网络的重要组成部分，当前网络设备的端口速率已从10Mbit/s提高到1GMbit/s，甚至到10GMbit/s。如1.4所示，可以看出万兆交换机已开始进入市场[10]。图1.4不同类型交换机占比网络设备测试是基于OSI模型中的第二层和第三层进行的，一般包含功能测试和性能测试。性能测试一般包括负载测试、压力测试、稳定性测试、容错测试等。（1）负载测试：通过按设计的比例增加负载，明确产品能承受的最大负载，找到处理能力的极限，评测不同复杂下产品的性能表现，以发现存在的设计缺陷。（2）压力测试：在最大负载情况下，测试产品性能，如果产品可以稳定运行，则继续增加负载，直到产品性能出现明显下降时停止测试，记录产品可以正常运行时的最大负载。（3）稳定性测试：在产品的典型应用场景下，设计产品的典型负载，持续运行一段时间后，测试产品的关键性能指标是否符合要求。（4）容错测试：给产品注入一定的故障条件，强迫系统出现错误，测试当前产品能否在指定时间内修复或人工干预修复。通过故障注入测试能有效验证系统的容错能力，保证产品的稳定性。国内设备主要参考的测试标准有RFC2544和YD/T1287-2003。测试项目包含吞吐量、丢包率、时延等参数。网络测试的特征参数主要有吞吐量、时延、抖动、响应时间REF_Ref10291\r\h[11]。RFC2544是一种网络互联设备通用的测试方法，测试的过程和结果得到国际用户的认可。RFC2544规定了帧长分别为64字节、128字节、256字节、512字节、768字节、1024字节、1280字节、1518字节时，按一定的负载要求和时间限定进行测试。测试的4个性能指标为吞吐量（throughput）、丢包率（loss）、时延（latency）、背靠背（back-to-back）。吞吐量简单来说，就是从发送方到接收方可传输到最大数据量，是反映网络设备在不丢包情况下所能达到的最大发送量，测试是针对不同帧长，进行设备的发送数据测试，可以准确的了解设备的最大发送和接收数据量；丢包率是在一定负载要求下，没有发出去的包占所有应该发送包数的百分比；时延是针对不同帧长测试设备在吞吐量范围内从收到包到转发包的时间间隔，反映设备处理帧的速度快慢，时延的增加将会减小网络的有效直径范围；背靠背是反映设备数据缓存范围的大小，测试设备的缓存能力。这些指标是评价网络设计的基础。近年来国内对网络测试的研究力度不断加强，目前研究主要依靠的标准是RFC1242、RFC2285、RFC2544、RFC2889等REF_Ref10359\r\h[12]。（1）吞吐量计算方法为：（终点1发送字节＋终点1接收字节）／计算单位数值／测试时间（2）事务率计算方法为：事务数量／测试时间（3）响应时间计算方法为：1/事务率（4）丢失率：计算方法为：［（发送包数量－接收包数量）／发送包数量］x100%（5）延时一个数据包从用户发送到服务器，再从服务器返回用户的时间。（6）抖动网络堵塞会导致传输出现延迟，这种延迟的变化程度就叫抖动。1.1.2网络摄像机的工作原理网络摄像机是一种集合视频编码技术和网络技术于一体的新型摄像机。通过网络进行数据传输远比之前的BNC结构的线缆进行传输要更高效。部分网络摄像机为了更方面现场环境的搭设，取消了电源线，使用RJ45剩余的1对线对进行供电，即POE摄像机，大大提升了现场环境的搭建效率。网络摄像机的数据通过网线或WIFI将数据包传递到终端服务器，用户可以通过网络在终端服务器上控制系统的云台、镜头方向、焦距、光圈等。内置I/O端口和通讯端口可以扩充外部设备，如门禁、红外感应装置等。网络摄像机的主要组成部分REF_Ref28893\r\hREF_Ref10411\r\h[13]：1）视频采集摄像机的视频采集是镜头和成像器件。常用的图像传感器有CCD和CMOS。两者的主要差别是材料的不同，CCD是半导体单品材料制成的，而CMOS是一种金属氧化物制成的半导体材料。也因此导致前者的成像色彩更贴近原物，曝光数据准确，通透性和明锐度较高。除此之外，CCD是以行为单位的电流信号，速度快，更省电。2）视频编码：视频编码分为硬件编码压缩和软件编码压缩，前者依赖芯片进行压缩，后者依赖DSP软件进行压缩。压缩是通过去除冗余信息而达成的，就视频而言，可以分为4类：时间冗余、空间冗余、统计冗余、感知冗余。近几年出现的压缩标准有MPEG4和H264、H265。MPEG4较稳定，可以手动设置视频的清晰度和压缩帧数。H264定义了I帧、P帧和B帧，通过这三种帧实现帧内压缩和帧间压缩。H265是在h264的基础上做的改进，将视频压缩率提高至前者的两倍。3）主控模块：负责调度各个系统之间的运行，一般是一个独立的硬件设备或者DSP算法。包含GPU、FLASH等。主控模块对摄像机来说非常重要，类似人类的大脑，控制数据采集模块和图像处理模块以及最后的传输。4）网络模块：接收主控模块的指令，将采集压缩好的数据传输到需要的平台或服务器中，或接收来自平台、服务器的指令，传递给主控模块。一般传输介质为RJ45网线或WIFI，传输协议支持TCP、HTTP等，同时上传协议支持私有协议、FTP、HTTP以及视频监控行业专有的ehome协议等。同时也使得网络摄像机的传输方式更加多样化和灵活化：1）网线传输，最长传输距离为100米；2）WIFI无线传输；3）4G等数据传输；4）光纤传输，最远距离可达60km。通过网络传输，视频监控画面可以在局域网或广域网上的任何一台电脑上进行查看。1.2噪声测试噪声测试需要在三类房间中进行，分别为消声室、混响室和隔音室REF_Ref10666\r\h[16]。全消声室是一个自由声场的室内空间，通过室内六个面铺设吸声材料，将入射声吸收掉，从而形成自由声场；半消声室是除了地面，其他五面都铺设吸声材料，达到半自由声场的要求，即除了地面时反射面外，其他都将入射声吸收掉；消声室内铺设的吸声材料的形状和类别，对内部的自由声场起着决定性的作用。目前高质量的消声室均使用的吸声材料为尖劈，通过吸声层的逐渐过渡，将尖端入射的声音全部吸收掉，尖劈的尺寸和材料是设计消声室时需要重点考虑的。全消声室和半消声室广泛应用于各种电声产品声学性能的测量，一般为了更贴近产品的实际使用场景，常用的电子产品使用半消声室进行噪声测试；而全消声室一般用于学术研究或汽车噪声领域。混响室是通过在室内六面铺设质地均匀、反射系数一定的反射面，实现六个面都能反射声音的室内空间。隔音室是通过在各个面铺设隔音棉在一定程度上隔绝外面噪声实现内部安静的室内空间，造价较消声室便宜很多，但是准确性也较低很多。1.1.1吸声材料吸声材料的种类很多，可以根据消声室的要求和用途合理的进行选择。详细分类如表1.1。表1.1吸声材料分类表吸声材料举例多孔材料各类隔音棉、板材共振器吸声砖：通过共振结构实现吸声效果。穿孔板穿孔的各类板材。柔软材料塑料泡沫常用吸声材料用于吸声而特定制造的尖劈、吸声体目前市场上使用最多的是吸声尖劈，如图1.5所示。尖劈的吸声是由于其特定的三角结构，使得内部阻抗也由小增大，当声音从顶部进入时，可以依靠与空气阻抗匹配的材料的阻抗将声音被高效的吸收REF_Ref10735\r\h[17]。室内空间都是发射声，没有入射声，实现自由声场。图1.5尖头尖劈结构示意图1.1.2消声室在自然界中完全没有反射声的理想自由声场是不存在的。因为自然界的任何物体都会对声音产生反射。我们只能将某些对声音影响较小的空间近似的认为是自由场，认为声波辐射出去后，不会被周围物体反射回来，也没有来自其他声源的声波的影响。由于普通房间没有任何特殊的声学特点，很难对被测对象进行准确评估。为此，在对产品噪声研究的需求不断增加的情况下，通过科学的辅助工具，逐渐设计出了消声室等具有可测量噪声特点的室内空间为测试环境背景，极大的推动了声学技术的发展。1930年代，研究人员通过多层吸声材料，建造了最早的消声室。，此时的吸声材料有平行的也有垂直的。十年之后，在不断的发展进步中，研究人员发明了尖劈REF_Ref9135\r\h[14]，这一创新极大的提升了吸声材料的吸声性能。从此之后，大量的高质量的消声室被建造了出来，使用的吸声材料都是尖劈。如图1.6和图1.7所示。图1.6消声室内图图1.7尖劈图目前国内也有不少用于噪声研究或产品测试的消声室。比如浙大机械学院的汽车噪声实验室，以及位于杭州的东芝噪声测试实验室。室内的本底噪声都非常的低，基本可以达到10dB以内。在国外，比较著名的是美国和瑞士的几所消声室。微软在建造时专门用能够吸声的材料作为房间的墙壁，同时将消声室建在距离办公区很远的地方，以减少办公环境人员走动对室内噪声的影响，使得内部的本地噪声非常的低，安静到可以听到空气中粒子运动的声音。瑞士苏黎士有一个无声实验室，安静到让人感觉眩晕、呕吐的程度。美国明尼苏达州有个环境噪音为－9dB的声学实验室，主要用来测试洗碗机、吸尘器等。1.1.3混响室与消声室不同的是，混响室是利用各个面的声音反射进而进行噪声研究的。众所周知，封闭空间中的声波，会被四周进行多次反射，如果需要使最终的结果能够进行研究和分析，那么反射波就必须具有一定的规律。因此就要求反射面是质地均匀且按一定密度的特定的反射材料。可以使声音在反射过程中形成驻波，利用驻波，使反射的极大值和极小值的差异消失，形成自由声场REF_Ref10774\r\h[18]。所谓混响，就是声音在经过各个界面的反射时，会因延迟和形成残留，如图1.8所示。导致声音残留的迟到时间就是混响时间。声源停止发生之后，不断反射的声音也会逐渐减小。室内总吸声量越大，衰减越快，室容积越大，衰减越慢。图1.8声源反射示意图反射界面的平均吸声系数Ey与吸声系数（材料或结构的吸声能力）α之间的关系为α=E0−EyE0。当Ey=E0时，α=0，即入射声能全部被反射；当Ey=0时，α=1，即入射声能全部被吸收。理论上讲，α表1.2α取值范围表α=1消声室声音没有任何反射。0普通房间声音存在反射和吸收。α=0混响室声音在所有界面反射。吸声量：指某个具体结构件的实际吸声效果，与结构件的大小尺寸有关。用A表示，则：A=α∗s（m2）（1.1）式中：s-结构件的面积α-结构件的吸声系数房间的平均吸声系数（房间的总吸声量和房间界面面积的比值）：（1.2）（1.3）混响时间与房间体积成正比，与房间总吸声量成反比，混响时间经验公式：适用于α<0.2（1.4）式中：V-室内容积，m3；A-室内所有物体总的吸声量。当室内的吸声系数小于0.2且混响时间较长时，公式（1.1）计算求出的结果与实际测量值相符，而在室内总吸声量较大、混响时间较短的情况下，计算值与测试值不符合。因此有了另外一个公式，伊林公式，计算室内的混响时间：（1.5）式中：V-室内容积，m3;s-室内总表面积，m2；α-室内表面平均吸声系数。对于不低于2KHz的声音，在较大的空间中传输时，空气也会对声音有吸收作用。这种吸收取决于空气的湿度、室内的温度。因此有了伊林努特生公式：Q＝4MV（1.6）式中：Q为空气吸收；4M-空气吸收系数，可在表1.3中查询到相应的取值；V-房间容积表1.3空气吸声系数4M值表温度20摄氏度频率（Hz）湿度（%）3040506020000.0120.0100.0100.00940000.0380.0290.0240.02263000.0840.0620.0500.0431.3温升测试1.3.1测试方法温升的测试方法主要有热电偶法和电阻法REF_Ref10940\r\h[22]。热电偶法通常用于测量表面温度，热容量小，响应快。测试时将热电偶的一端通过胶水粘到测试点上，另一端连接到测温装置上，经过一段时间稳定后，记录下测温装置上显示的测试温度值。根据T=Ti-t计算出温升值，其中Ti是测试值，t是环境温度。使用热电偶法进行测试时，需要关注：（1）热电偶元件相互之间与地、所安装的导体之间必须绝缘，防止电流对读数造成影响；（2）高频部件测试时，应将两根热电偶线绞合在一起，以消除磁场交连作用造成的影响。电阻法线圈绕组的温度一般用电阻法测试。当线圈较小且并联的电阻较大时，测试中不需要断开电路，但是有电容等器件时，需要断开外接电路。因此在测试前需要明确知道电路中有哪些器件，才能确保测试结果的准确性。(1)不断开绕组：在绕组的一端各引出两根引线到测试仪器上，在开机前，测试出初始阻值，然后工作四小时后再测下结束阻值。则温升值计算如下：(1.7)式中：R1——初始电阻（ΩR2——结束电阻（Ωt1——测试前的环境温度（℃t2——测试后的环境温度（℃K——线圈导体材料的电阻温度系数，即温度变化1摄氏度是，电阻值的相对变化。断开绕组：先断开绕组，测试下初始电阻值；然后接上绕组，开机运行四小后，再断开绕组，测试下结束阻值。根据上述公式计算出温升值。对比