（通信与信息系统专业论文）电力数字载波设备检测与工程验收规范的研究.pdf

华北电力大学t 程硕七专业学位论文摘要 摘要 近年来，由于电力线载波通信采用了一系列新技术，如语音压缩编码、正交幅 度调制q a m 、网格编码t c m 、数字信号处理d s p 、可编程逻辑阵列f p g a 技术、 高阶数字滤波和回波抵消技术等，使得原有的设备检测和工程验收方法相对于技术 更新明显滞后，不能满足当今现代电力通信技术发展的需要。本文针对数字电力线 载波机的试验方法进行了系统深入地研究，通过有针对性地对国内数字电力线载波 通信产品进行的大量实验，归纳总结出了一套完整的试验方法。并在该试验方法中 第一次在国内引入了如语音质量、允许信噪比等新概念。此外，针对我国目前还缺 少载波系统验收规范的现状，本文还提出了一套行之有效的数字电力线载波系统工 程验收方案。 关键词：数字，电力线载波，标准，测试，验收 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，s i n c eas e r i e so fn e wt e c h n o l o g ys u c ha ss p e e c hc o m p r e s s e dc o d i n g ， q a m ，t c m ，d s p , f p g at e c h n o l o g y , h i g l l - o r d e rd i g i t a lf i l t e r i n ga n de c h oc a n c e l l a t i o n t e c h n o l o g ya r ea d o p t e di nt h ef i e l do fp o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n ，t r a d i t i o n a lt e s t m e t h o d sa n de n g i n e e r i n ga c c e p t a n c el a g g e db e h i n dt h e s en e wt e c h n o l o g i e so b v i o u s l y , w h i c hc a nn o ts a t i s f yt h en e e d so fp r e s e n tm o d e mp o w e rt e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n i c a l d e v e l o p m e n t b a s e du p o ns y s t e m i cs t u d i e so nt h et e s t i n gm e t h o d so fd i g i t a lp o w e rl i n e c a r r i e ra n du p o nn u m e r o u st e s t so nd o m e s t i c a l l ym a d ep r o d u c t sf r o mm o s to ft h ep o w e r l i n ec a r r i e rm a n u f a c t u r e r si nc h i n a ，as e to fn e wc o m p l e t et e s t i n gm e t h o da r es u g g e s t e d i nt h i sa r t i c l e a n ds o m en e wc o n c e p t sa r el e a di n t ot h et e s tm e t h o df o rt h ef i r s tt i m e d o m e s t i c a l l yw h i c ha let h eq u a l i t yo fs p e e c hs o u n d ，s nr a t i oa l l o w e da n de t c b e s i d e s ， a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a tt h e r ei sn op o w e rl i n ec a r r i e re n g i n e e r i n ga c c e p t a n c et e s t c r i t e r i o nn o wi nc h i n a , t h i sp a p e rs t i l lm a k e sas e to fe f f e c t i v es y s t e m a t i cs c h e m eo f a c c e p t a n c ef o rd i g i t a lp o w e rl i n ec a r r i e re n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：d i g i t a l ，p o w e r l i n ec a r r i e r , s t a n d a r d ，t e s t i n g ，a c c e p t a n c e h u a n gx i n ( e l e c t r o n i sa n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y p r o f g a oq i a n g 第1 页 华北电力大学t 程硕七专业学位论文摘要 摘要 近年来，由于电力线载波通信采用了一系列新技术，如语音压缩编码、正交幅 度调制q a m 、网格编码t c m 、数字信号处理d s p 、可编程逻辑阵列f p g a 技术、 高阶数字滤波和回波抵消技术等，使得原有的设备检测和工程验收方法相对于技术 更新明显滞后，不能满足当今现代电力通信技术发展的需要。本文针对数字电力线 载波机的试验方法进行了系统深入地研究，通过有针对性地对国内数字电力线载波 通信产品进行的大量实验，归纳总结出了一套完整的试验方法。并在该试验方法中 第一次在国内引入了如语音质量、允许信噪比等新概念。此外，针对我国目前还缺 少载波系统验收规范的现状，本文还提出了一套行之有效的数字电力线载波系统工 程验收方案。 关键词：数字，电力线载波，标准，测试，验收 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，s i n c eas e r i e so fn e wt e c h n o l o g ys u c ha ss p e e c hc o m p r e s s e dc o d i n g ， q a m ，t c m ，d s p , f p g at e c h n o l o g y , h i g h - o r d e rd i g i t a lf i l t e r i n ga n de c h oc a n c e l l a t i o n t e c h n o l o g ya r ea d o p t e di nt h ef i e l do fp o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n ，t r a d i t i o n a lt e s t m e t h o d sa n de n g i n e e r i n ga c c e p t a n c el a g g e db e h i n dt h e s en e wt e c h n o l o g i e so b v i o u s l y , w h i c hc a nn o ts a t i s f yt h en e e d so fp r e s e n tm o d e mp o w e rt e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n i c a l d e v e l o p m e n t b a s e du p o ns y s t e m i cs t u d i e so nt h et e s t i n gm e t h o d so fd i g i t a lp o w e rl i n e c a r r i e ra n du p o nn b m e r o u st e s t so nd o m e s t i c a l l ym a d ep r o d u c t sf r o mm o s to ft h ep o w e r l i n ec a r r i e rm a n u f a c t u r e r si nc h i n a ，as e to fn e wc o m p l e t et e s t i n gm e t h o da r es u g g e s t e d i nt h i sa r t i c l e a n ds o m en e wc o n c e p t sa r el e a di n t ot h et e s tm e t h o df o rt h ef i r s tt i m e d o m e s t i c a l l yw h i c ha let h eq u a l i t yo fs p e e c hs o u n d ，s nr a t i oa l l o w e da n de t c b e s i d e s ， a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a tt h e r ei sn op o w e rl i n ec a r r i e re n g i n e e r i n ga c c e p t a n c et e s t c r i t e r i o nn o wi nc h i n a , t h i sp a p e rs t i l lm a k e sas e to fe f f e c t i v es y s t e m a t i cs c h e m eo f a c c e p t a n c ef o rd i g i t a lp o w e rl i n ec a r r i e re n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：d i g i t a l ，p o w e r l i n ec a r r i e r , s t a n d a r d ，t e s t i n g ，a c c e p t a n c e h u a n gx i n ( e l e c t r o n i sa n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f g a oq i a n g 第1 页 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文电力数字载波设备检测与工 程验收规范的研究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师指导 下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期：竺塑：z ；! ， 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：戤导师签名：塑 e l期：竺竺垡笸：岁 华北电力大学工程硕上专业学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 电力线载波p l c ( p o w e rl i n ec a r d e r ) 是传输电力系统语音和数据信号的一种 重要通信方式，在我国，从上世纪4 0 年代在东北电网应用以来，至今已有6 0 年的 历史，其间主要历经了模拟电力线载波机、数字化电力线载波机、全数字电力线载 波机三个阶段。 第一代模拟电力线载波机普遍采用f d m 技术在信道中提供语音和低速数据的 传输，信道部分采用单边带调幅模拟调制( s s b ) 方式，载供系统采用稳定度高的 锁相环频率合成技术，可以很容易地得到收发信所需的各种载频，无需更换器件即 可切换高频收发滤波器及线路滤波器，切换频段也很简单，具有多功能、通用、系 列化的特点，外加专用的上音频调制解调器实现远动数据通信。 第二代电力线载波机仍然采用模拟体制实现通信，和第一代模拟电力线载波机 相比，关键技术的实现方式不同。数字化电力线载波机采用了数字信号处理技术， 模拟调制、滤波、自动增益控制( a g c ) 等采用d s p 实现。由于数字技术和中央处 理机的应用，数字化电力载波机提高了整机的性能，同时增加了许多控制功能，如： 技术人员可以使用微机通过串口对d s p 和中央处理机进行编程，对系统参数进行设 置和更改。 数字电力线载波机完全采用数字体制，在信源编码、复接、基带调制等各个环 节采用数字技术对信号进行处理，可以获得更好的整机性能。可以采用多电平调制 技术提高频带利用率：采用回波抵消技术。数字载波通信设备通信容量大、接口灵 活、组网方便、网管监控齐全，提高了系统的可用性和可靠性，是模拟载波通信设 备更新换代理想的产品。 数字电力线载波机类型： 由于各载波机生产厂家技术实力不同和用户的使用习惯不同，目前在我国生产 销售的数字电力线载波机种类繁多，归纳起来主要有以下两大类： ( 1 ) 外接复接器载波机 传统的模拟电力线载波机外接复接器 全数字载波机外接复接器 ( 2 ) 一体化载波机 不同频数字一体机 同频数字一体机( 收发占用同一频带) 数字模拟混合型( 标称载波频带的带宽等于n b ，其中有一个或几个b 满 第l 页 华北电力大学丁程硕上专业学位论文 足不同频数字一体机，发送和接收频带可以是紧邻或有间隔的) 载波机的数字调制方式主要有：q p s k ( q u a t e r n a r yp h a s es h i f tk e y i n g 四相 移相键控) 、q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 一一正交幅度调制) 、t c m ( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n - - 一网格编码调制) ，我国目前的载波机多采用 q a m + t c m 。 目 i 在我国生产和销售的数字电力线载波机年产值大概在2 亿元人民币，配套 产品也有几千万的销售收入，尤其在0 6 年台湾地震将海底光缆震断后，引起了不 少电力系统相关人士的重视，0 7 年广东、福建、云南、四川等省进行了电力线载波 机较大规模更新换代。可以说我国的电力线载波设备已经走入了相当成熟的阶段， 但是我国目前拥有的针对高压电力线载波设备相关标准还很有限，主要有g b t 7 2 5 5 1 9 9 8 单边带电力线载波机等同采用i e c 4 9 5 、( g b t1 4 4 3 0 - - - 1 9 9 3 单边带电 力线载波系统设计导则等同采用，均是针对单边带电力线载波设备，目前国内对 于数字载波通信设备主要采用这两个标准作为评价依据，还没有相关高压数字电力 线载波设备的标准，也没有相应的国际标准可以参考，在对数字载波机进行检测的 过程中发现，g b t7 2 5 5 1 9 9 8 部分指标对于数字电力线通信设备已经没有意思或 无法进行测量，如：选择性、频率准确度、限幅特性等；部分指标应当在今后制定 新标准时加以考虑，如：数字信号在高频通道中的传输门限、在不同信噪比下的误 码率、收信防卫度和数字接口特性、数字复接特性等；有些指标由于要求过低对电 力系统安全生产可能带来隐患的，应当加以修改，如电磁兼容性。在载波技术发展 的今天，技术与标准的差距已经明显显现了，这种标准与技术发展相脱节的现象已 经给厂家生产、产品测试、用户使用和行业管理都带来不少的困难。因此，开展针 对高压数字电力线载波机的技术规范和测试方法已经刻不容缓。 另外，电力系统一直以来就对载波通信的管理非常重视，早在1 9 6 0 年就颁布 了高频通讯设备运行规程和1 9 6 3 年制定的电力系统通讯运行统计与评价规 程( 试行本) ，其中对载波设备的验收、运行、维护、大修和设备评价都做了概括 性的阐述。但由于我国尚未规定载波通信系统验收规范，造成现场验收和工程评估 环节缺失，给电力的安全生产埋下了隐患。 1 2 课题的目的和意义 课题来源于国家电网公司科学技术项目电力数字通信特种业务检测和评估技 术的研究，合同编号：s g k j 2 0 0 7 1 1 3 号。本论文课题为国家电网公司科学技术项 目的子课题，主要针对高压电力线数字载波通信，内容分为两部分： 1 、高压数字电力线载波通信的检测技术的研究； 2 、高压数字电力线载波设备工程验收规范的研究： 第2 页 华北电力大学t 程硕士专业学位论文 随着通信技术的发展，高压电力线载波通信采用了一些新技术，如语音压缩编 码、正交幅度调制q a m 、网格编码t c m 、d s p 信号处理、f p g a 技术、多级数字 滤波和回波抵消技术等，原有的技术标准和验收规范已经不再适用于新的产品，针 对高压数字载波的检测技术的研究必将对载波设备的研制、生产、检测和管理等各 个方面带来积极的影响。 另外，国家电网公司对设备验收的规范化和科学性越来越重视。2 0 0 7 年国家电 网公司全面落实公司标准化，修订制定各列标准2 0 0 余项。本课题的研究将推动数 字电力线载波机行业标准的制定和国家电网公司载波通信系统验收规范的实施，为 上述标准的制定提供大量的实验数据和实施方案。 1 3 存在的主要问题和技术关键 存在问题：目前国内数字电力线载波机的型号很多，各有各的特点，测试的研 究需要覆盖所有高压数字通信设备；实验过程中可能遇到很多不可预知的问题，实 验室仪器设备可能无法满足试验需要；课题需要完成产品验收规范与工程评估，须 进行2 到3 次现场设备安装调试； 技术关键：需要对数字载波设备非常熟悉，选择合适测试项目和研究适当的测 试方法对数字电力线载波设备各个部分( 语音压缩、数字复接、调制解调、数字滤 波、功放、线路滤波) 进行有效的考核；编制验收作业指导书要有可操作性，工程 评估方法要有实用性。 1 4 可能的创新点 数字电力线载波设备的测试方法和验收规范目前在国际上还没有成型的标准， 在国内更是首次系统性研究。 语音质量测试( m o s 、p e s q ) 和允许信噪比( s n ) 在电力系统通信设备测试 和工程评价中是第一次被引入，对设备和工程质量的考核有着非常重要的价值，提 出部分试验参数( 如占用带宽、乱真输出、峰值包络功率等) 和试验方法。 工程验收和评估方法有非常重要的实用性，对系统内今后制定相应标准规范有 很强的指导性作用。 第3 页 华北电力大学t 程硕七专业学位论文 第二章高压电力线特性分析【l 】【2 】 影响高压电力线载波通信的因素有三个： 一一高压电力线载波频率范围； 在数字电力线载波频率范围内的噪声电平； 电力线传输衰减； 2 1 电力线载波频率范围 载波机发送和接收频率在已知的电力线载波规范中已经被定义，如我国的 g b t 1 4 4 3 0 和g b t7 2 5 5 中，这一点在i e c6 0 6 6 3 中也有详细的描述。 在高压电网中，一般考虑到工频谐波及无线电发射干扰，电力线载波的通信频 带限制于4 0 k h z - 5 0 0 k h z 之内，按照单方向占用4 k h z 带宽计算，理想情况下一条 线路可安排1 1 5 条高频载波通道。但由于电力线路各相之间及变电站之间的跨越衰 减有限( 1 3 4 3 d b ) ，不可能理想地按照频谱紧邻的方式安排载波通道，因此，真 正组成电力线载波通信网所实现的载波通道是有限的，在当今通信业务已大大开拓 的情况下，载波通道的信道容量已经成为其进一步发展的瓶颈。 2 2 电力线电晕噪声 在数字电力线载波通信中，首先需要确认数字电力线载波通信能够承受的电力 线电晕噪声；电力线电晕噪声电平值会随着天气的不同而变化。 电力线路通信媒介带来的噪声干扰远比电信线路大的多，在高压电力线路上， 游离放电电晕、绝缘子污闪放电、开关操作等产生的噪声比较大，尤其是突发噪声 具有较高的电平。根据国外资料描述，电力线的噪声特性可分为四种类型： l 、具有平滑功率谱的背景噪声，这种类型噪声的功率谱密度是频率的减函数， 如电晕噪声。这种噪声特性可以用带干扰的时变线形滤波模型来描述。 2 、脉冲噪声，由开关操作引起，这种噪声与电站操作活动的关系较大。 3 、电网频率同步噪声，主要由整流设备产生。 4 、与电网频率无关的窄带干扰，主要由其他电力设备的电磁辐射引起。 般电晕噪声电平大致分为：2 2 0 k v 2 5 d b 】，1 1 0 k v 3 5 d b 】，带宽5 k h z ，在工 业区、沿海地区、高海拔地区、新线路、升压线路和绝缘设备存在的微小放电的线 路上噪声电平还将增高1 5 d b 左右。 2 3 电力线传输衰减 高压电力线载波通道衰减与频率的平方根成正比，且具有时变性。工频运行方 第4 页 华北电力大学工程硕士专业学位论文 式的改变、线路换位、其它载波机带外乱真发射、载波通道问的串扰、吸纳路分支 线的长短以及绝缘子污秽、刮强风、下小雨、线路冰凌及阻波器调谐线圈性能等多 种因素会对载波通道的衰减产生影响。一般来说，从5 0 0 k v 到2 2 0 k v ( 电压等级从 高到低) ，电压越低线路衰减越大，时变性越强，建立通道越困难。 表l 在几个不同的频率下，d h = 3 5 时的每1 0 0 k i n 的衰减d 实际设计参考值 每i 0 0 k m 的衰减d ( d b )频率f ( k h z )每1 0 0 k m 的衰减d ( d b )频率f ( k h z ) 6 1 22 0 01 2 3 94 0 0 9 2 53 0 0|l d ：导线距离； h ：导线距地面的高度； d ：线路衰减。 第5 页 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第三章数字电力线载波机技术特点 3 1 数字电力线载波机关键技术【3 】 ( 1 ) 采用新型高频调制解调技术，充分提高频谱利用率，在给定标准频带内( 如 4 k h z 、8 k h z 或更宽) ，实现数字信号高速可靠传输。 ( 2 ) 采用先进的纠错编码技术，在电力系统载波通道各种干扰信号( 如脉冲型噪 声、电晕放电噪声等) 严重存在的情况，各种信号能以较低的误码率可靠传送。 ( 3 ) 采用有效的语言编码压缩技术，数字复接技术，在一定信噪比及标准频带内 实现多路话音，多路数据和图像信号的传输。 ( 4 ) 采用自适应均衡技术，以手动、定时、预置或自动方式，补偿由于电力 线载波高频通道受天气、电网结构、断路器、隔离开关位置、相邻通道载波设备等 变化引起传输信号产生的失真和畸变，尽可能地减少码间串扰。 ( 5 ) 采用先进的网管技术，实现对本地、远端以及载波通信网内同类设备的 各种重要参数的测量、调整和存贮。 ( 6 ) 以软件无线电技术为基础，采用高速d s p 、f p g a 、c p l d 、a d 、d a 、 r o m 、s d r a m 等各种新型超大规模集成电路器件为核心的硬件平台，最大限度地 提高设备运行的可靠性和稳定性。 3 2 调制解调技术 ( 1 ) 多电平正交幅度调制q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 是一种常用的多电平单载波数字调制方式，特点是两个正交调制信号i 和q 其信号矢量的端点呈正方形均匀地分布在以a 为半径的圆内；4 电平正交调幅有1 6 个矢量点简称1 6 q a m ，8 电平正交调幅有6 4 个矢量点简称6 4 q a m ，1 6 电平正交 调幅则称为2 5 6 q a m 。信号调制的数学表达式为： s q a m ( t ) = m i ( t ) e o s c o c t + m q ( t ) s i n o ) c t ( 2 ) 多相位相移键控( m p s k ) m p s k 也是应用较广的数字调制方式，其特点是两个正交调制信号i 和q 互相 依赖，它们的取值必须保证信号矢量和端点落在以a 为半径的圆上。常用的有四相 位相移键控调制，简称4 p s k ( 又称q p s k ) ，八相位相移键控调制简称8 p s k 。偏置 键控一四相位相移键控( o q p s k ) 是q p s k 的改进型，其优点是可以限制信号在 码元转换时刻的相位突变量不超过耐2 ，减小了信号经过带限系统所引起的包络起 伏。 ( 3 ) 正交频分复用( o f d m ) 第6 页 华北电力大学工程硕士专业学位论文 o f d m 是一种多频调制频分复用技术，其基本思想是将经过预编码的串行数据 流经过串并变换，变成n 组低速并行的数据流，并分别对频率上等问隔的n 个正 交子载波进行调制，把调制后的n 个子载波信号叠加在一起后发送进入通道，完成 o f d m 调制，在接收到用同样数量的载波对发送信号进行相干接收解调。 在o f d m 数字调制中，由于各个子载波在整个符号周期上保持频谱的正交性， 使得相加于符号周期上的任何两个子载波乘积为零，即使各子载波上的信号频谱间 存在重叠，在接收端也能无失真解调。因而o f d m 调制不但提高了传输速率，也提 高了频带利用率，最大的优点就是可以根据每个子载波信道传输能力( 如信噪比大 小) ，自适应地分配各子信道的比特率，达到最佳的传输利用率。 ( 4 ) 格栅编码调制( t c m ) t c m 格栅编码调制是一种编码与调制技术相结合的新型高效调制技术。通常情 况下，在差错控制编码中，发送端的编码和调制是分开进行的，接收端的解码和解 调也是分开进行的。在码流中增加纠错码后，必须增加多余度( 校验位) ，也就增 加了传输带宽。也就是说，单独纠错编码、提高信号传输可靠性是以扩展带宽降低 频带利用率为代价的。 在t c m 调制技术中，把纠错编码与调制作为一个整体进行设计，将纠错编码 需要增加的多余度通过扩展与调制相关的信号星座获得，而不是以扩展带宽为代 价。从而提高了带限通信系统的频率利用率，达到高速传输数据的目的。 严格说来，t c m 调制技术不是某一确定的调制方式，它是把调制与纠错编码相 结合，作为一个整体考虑进行系统设计提高传输效率的。因而，调制方式与不同的 纠错编码技术相结合，便构成不同方式的t c m 调制方式。在实际中应用得较多的 是卷积与q a m 相结合的t c m 技术。 ( 5 ) 数字调制方式选择考虑 m q a m 多电平正交振幅调制和m p s k 多相位相移键控调制是现代数字通信系 统中使用较为广泛的调制技术。特别是频带受限的窄带系统( 4 k h z 带宽) 。相比较 而言，m q a m 调制更具有充分利用带宽、抗噪能力强等优点，特别是当m 大于8 时，m q a m 调制的误码性能明显优于m p s k 。但其电路设计复杂性高，接收端用于 解调的载波信号的频谱和相位要求很严格。 o f d m 正交频分复用比较适用于频带相对较宽( 如8 k h z 、1 6 k h z 、3 2 k h z ) ，传 输速率高( 1 0 0 k b i t s ) 的载波系统，随着新的电力线载波通信标准的制定，当载 波标准频带不再局限于4 k h z 时，o f d m 调制方式定会得到广泛的应用。 综上所述，对于高压全数字电力线载波机，高频调制方式选择时，在目前带限 为4 k h z 或8 k h z 频带情况下，选用卷积码与q a m 调制相结的t c m 调制技术较为 合适，占用4 k h z 带宽时，传输速率可达2 8 8 k b i t s 或3 3 6 k b i t s 。 第7 页 华北电力大学丁程硕上专业学位论文 3 3 关键技术应用 由于数字电力线载波机和其它类型的电力线载波机相比较，无论是原理构成、 硬件电路组成或技术性能、功能等方面都有很大的不同。并且采用了许多当今数字 通信领域新技术，由于电力载波通道存在干扰严重、频带窄、且拥挤、信号传输可 靠要求高等特点，在采用这些新技术进行设计时，应严格、认真的计算和优化。 ( 1 ) 语音编码压缩技术 模拟语音信号数字化后，可以作为数字信号进行传输、存储，为了减小存储空 间、降低传输比特率、节省信道带宽，还必须对数字化后的语音信号进行压缩编码， 即采用语音编码技术进行处理。 对于数字电力线载波机，占用4 k h z 传输带宽时，一般情况下传输速率可达 2 8 8 k b i t s ，如果不采用高效语言编码技术，要实现多路话音、多路数据的传送是不 可能的。因而，语音编码压缩技术是数字电力线载波机实现多路话音及数据传送的 必备技术。 语音的编码压缩技术可分为三大类：波形编码、参数编码和混合编码。 1 ) 波形编码：将时间域信号直接变换为数字代码，尽量使重建语音波形保持原 语音信号的波形形状。如p c m 脉冲编码调制、d p c m 差值脉冲编码调制及d m 增 量调制等。其特点是失真小、话音质量高、失真小、方法简单，但编码速率高。 2 ) 参数编码：又称源编码，是将信号源在频率域或者其它正交变换域提取特征 参数，并将其变换成数字信号，如l p c 线性预测编码及其它各种改进型都属于参数 编码，其特点是编码速率可以很低，但音质差、计算量大、复杂程度高。 3 ) 混合编码：将波形编码和参数编码组合起来，克服了原有波形编码和参数编 码的弱点，以较低的比特率获得较高的语音质量。如m p l p c 多脉激励线性预测编 码，c e l p 码本激励线性预测编码、a m b e 先进多带激励编码、m p m l q 多脉冲 最大相似性量化编码等。 在数字电力线载波机中，一般选用混合编码方式，同时兼顾传输比特率和话音 质量，还要考虑对背景噪声的抑制。对于两话三数多选用比特率为5 6 k b i t s ，对于 五话四数则选用比特率为2 4k b i t s 进行压缩编码。 ( 2 ) 自适应均衡技术 由于电力线载波通道是一个变参数信道，天气( 如大雪、线路结冰) ，线路运 行结构的改变、开关位置、相邻频段设备的运行状态，都会影响高频载波通道的传 输特性，不可避免地产生码间串扰，产生误码，在接收系统中增加一个可调参数滤 波器，补偿由于幅度、相位失真引起的波形畸变，避免产生码问串扰，这就是“均 衡技术”。 均衡技术有频域均衡和时域均衡，频域均衡主要矫正幅频特性和群延时特性； 第8 页 华北电力大学t 程硕士专业学位论文 时域均衡则是直接从时问响应考虑，使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应，满 足无码间串扰的条件。 数字电力线载波机多采用自适均衡技术，根据载波通道特性的变化进行计算调 整，从而获得最佳的均衡补偿效果，由于电力线载波通道易受放电干扰、雷电、和 开关操作的脉冲干扰，且持续时间较长，会造成自适应均衡电路的频繁启动，使话 音、数据中断，因而自适应均衡电路的启动数据应进行严格的计算和抗干扰设计， 最好辅助定时启动均衡电路。 ( 3 ) 差错控制编码技术 电力线载波高频通道中存在两种类型的干扰：一是由电晕放电引起的类似于频 谱平均分布的白色噪声干扰，另一类则是突发脉冲型干扰噪声，通常是由开关操作、 高压放电、雷电等引起。对于第一类白色噪声干扰可以通过提高发信功率，改善信 噪比( s 小) ，降低误码率。第二类脉冲型干扰，由于幅度大，有一定持续时间，对 于传输高速数据流的高频载波通道会产生严重的后果，比如误码率突然增加，同步 信号失步中断，自适应均衡电路启动频繁，经常造成话音数据中断等，在设计中必 须采取纠错编码技术进行处理。 差错控制的基本设计思想是：在发送端对于传送的数据序列，按一定的编码规 律加入多余码元，使原来不关的数据序列变成相关的数组，完成编码。多余码元和 信息码元同时传送到接收端，并根据它们之间的编码规则进行检测译码，当发现错 误时，由接收译码器自动进行错误纠正，或者通过反馈信道要求发送端重发有错的 数据。可分为4 种编码方式：前向纠错f e c 、检错重传a r q 、混合纠错h e c 、信 息重发请求i r q 。 由于f e c 前向纠错编码不需要反馈信道，译码延时固定，比较适合传输带宽窄， 要求实时传输的电力线载波通信设备。这也是目前数字电力线载波机设计中使用最 多的一种纠错编码技术，在实际设计中，纠错编码是和高频数字调制相结合的，统 称t c m 格栅编码调制技术。 ( 4 ) 回波抵消技术 回波抵消技术，采用了自适应噪声对消技术，对于采用了d s p 数字信号处理的 数字电力线载波机也是容易实现的，在音频部分采用回波抵消技术，可以有效地消 除本侧发端对收端以及通过远端返送回的回声干扰。在高频端，通过采用回波低消 技术可以很好消除本端发送大功率信号对本端接收小信号的干扰，以便收发频带紧 邻，或实现收发同频工作，更好地节省频带，提高频带利用率。 第9 页 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第四章数字电力线载波机试验方法研究h 】 目前国内外还没有针对数字电力线载波机的标准和试验规范，本部分通过对数 字电力线载波机技术特点和高压电力线环境的研究，总结归纳出了数字电力线载波 机试验方法，并给出了部分参数的定义，对试验方法进行了详细的描述。 4 1 语音质量【4 卜【9 】 评价通信系统性能优劣的根本标志之一是系统所输出语音质量的好坏，所以语 音评估技术将成为分析各种电话网络通话质量，不断提高通信系统性能的关键技 术。 4 1 1 语音质量基本定义和分类 语音质量定义 一般说来，语音质量包含个方面内容：清晰度、可懂度和自然度。清晰度是指语 音中音节以下的语音单元( 因素、声母、韵母等) 的清晰度；可懂度是指语音中音节以 上的语言单位( 如字、单词和句等) 的可懂程度；自然度则是指对讲话人的辨别水平。 语音质量评价不但与语音学、语言学、信号处理等学科相关，而且还与心理学、生 理学等学科有着密切的联系，因此语音质量评估是一个极其复杂的问题。 语音质量评估的分类：主观评估和客观评估。 目前国际和国内对语音质量主观评价方法有：平均评价分m o s 、d r t 法、d a m 法，另外，现在又有许多客观的测量方法已经出现并被应用，诸如，p s q m p s q m + 感知语音质量测量、p e s q 感知评估通话质量、p a m s ( 英国电信) 感知分析测量等。 p s q m 和p a m s 测量方法都需要发送一个语音参考信号通过电话网络，在网络的另 一端采用数字信号处理的方式比较样本信号和接收到的信号，进而估算出网络的语 音质量。p e s q 结合了p s q m 和p a m s 的优势，并针对m o s 和m o s l q 计算方法 作了修改。此外，有必要指出，平均评价分m o s 是广泛认同的语音质量标准，因 此，无论采用何种方法所有测量方法都必须对应到最终的平均评价分m o s ，以上方 法都可用最终以m o s 值表示。 主观评估：主观评估是以人为主体根据某种预先约定的尺寸来对失真语音( 或参 考原始语音) 来划分质量等级的，它反映了评听者对语音质量好坏程度的一种主观印 象。从理论上讲，语音质量的客观评估测试可分为两类：一类是音节以下( 如音素、 声母、韵母) 的语音单元的测试，这常称为“清晰度”测试；另一类是音节以上( 如 词、句) 的语言单位的测试，这一类的测试通常称为“可懂度”测试。这些测试的基 本原理是相同的，只是测试的单元有所不同；而且可以按条件用公式从小单元的清 晰度算出大单元的可懂度来。这些测试方法都属于主观听觉的测试方法。目前，国 第1 0 页 华北电力人学1 = 程硕士专业学位论文 内外使用较多的主观评价方法有：平均意见分m o s ( m e a no p i n i o ns c o r e s ) 方法、韵母 可懂度测量d r t ( d i a g n o s t i cr h y m et e s t s ) 方法、失真平均意见分d m o s ( d e g r a d a t i o n m e a no p i n i o ns c o r e d m o s ) 和满意读测量d a m ( d i a g n s t i ea c c e p t a b l i l i t ym e a s u r e ) 、 汉语清晰度测试等。 平均评价分m o s m o s 法采用5 分制的五级的评价标准，对语音质量进行综合评定。从发明电话 开始，语音质量的测量方法是主观的，人们摘起一个电话，然后有人耳来感知语音 的好坏，这个主观的语音质量测量方法逐步被完善成为平均评价分m o s 方法，定 义在i t u tp 8 0 0 起主要的反映作用。这个语音质量和平均主观值的对应关系为网 络的配置、基准和监视提供了标准依据。 在实际语音系统应用中，m o s 评分法使用最为普遍。它不仅用于语音编码，通 信设备性能测试上，也是语音客观评估方法研究中，作为衡量评价方法好坏的重要 依据之一。 m o s 法用于对语音整体满意度或语音通信质量的评价。其分值如表2 所示。参 加测试的评听人在听完测试语音后，从5 个等级中选择其中某一级作为他对所测语 音质量的评价。全体实验者的平均分就是所测语音质量的m o s 值。由于主观上和 客观上的种种原因，每次测试得到的m o s 大都会有波动，为了减少波动的方差， 除了参加测试的评听人要足够多之外( 一般至少4 0 人) ，所测语音材料也应足够丰富， 测试环境也要尽量保持相同。在数字语音通信中，通常认为m o s 在4 0 5 0 分为高 质量数字化语音，达到长途电话网的质量要求，接近于透明信道编码，也常称为网 络质量或长途质量。m o s 在3 5 左右称为通信质量，这是感到重建话音质量下降， 但不妨碍正常通话，可以满足话音系统使用要求，m o s 在3 0 以下常称为合成语音 质量，系指一些声码器合成的语音所能达到的质量。它一般具有足够的可懂度，但 自然度及讲话人的确认等方面不够好。 表2m o s 法采用5 分制的五级评分标准 计分语音质量 失真级别 5优e x c e l l e n t不察觉 4良g o o d刚有察觉 3 可f a i r 有察觉且刚觉可恶 2 差p o o r 明显察觉且可厌，但可忍受 l 不可接受b a d 不可忍受 常用客观语音评估算法介绍 语音质量是一种主观的测量结果，依赖于听说双方对语音的主观评价。因此， 语音质量其实是一种意见，因为它取决于大量的个体感知判断什么是可以接受的或 第1 1 页 华北电力大学工程硕上专业学位论文 不能被接受。传统的语音质量测试方法是通过在实验室让很多人试听语音并按照 i t u 规范的“综合意见评分法”( m o s ) 让他们对语音质量给出主观评价。很显然这 样的测试手段不仅是主观依赖的，而且费时费力。因而国际电信联盟i t u 在9 0 年 代中开始对端到端的语音质量自动客观测试技术进行标准化的工作，并从此发展出 三个主要的测试算法可供进行自动和可重复性的测试：p s q m p s q m + 感知通话质量 测量、p e s q 感知评估通话质量测量、p a m s ( 英国电信) 感知分析测量。p s q m 和 p a m s 测量方法都需要发送一个语音参考信号通过电话网络，在网络的另一端采用 数字信号处理的方式比较样本信号和接收到的信号，进而估算出网络的语音质量。 p e s q 结合了p s q m 和p a m s 的优势，针对v o l p 和混合的端到端应用作了改进，并 针对m o s 和m o s l q 计算方法做了修改。 p e s q 是由英国电信和k p n 共同开发出来，并在2 0 0 1 年被1 1 r u 采纳为p 8 6 2 规范。它比较声源信号和退化信号并给出一个类似人工听力评估测试的m o s 分值。 但它的功能要强大得多，不仅能测试像解码器这样的网络单元的效果，也能测量端 到端的声音质量。它着重针对不同的信号退化原因，如编解码失真、错误、丢包、 延时、抖动和过滤，给出0 5 到4 5 的分值范围内的值。大多数情况下正常的分值 范围在2 到4 5 之间，2 代表最低值。 此外，有必要指出，平均主观值m o s 是广泛认同的语音质量标准，因此，无 论采用何种方法所有测量方法都必须对应它们的结果对应到最终的平均主观值 m o s ，以上各种方法均可以最终以m o s 值表示。 p e s q 方法是目前最好的测试语音质量的方法，也是目前国内和国际公认的语音 质量最好的核m o s 法最为接近的客观评价方法。下图是p e s q 与其他客观语音质 量方法和m o s 法相关性的比较。 图1p e s q 法与m o s 法的相关性 从上图我们可以看出p e s q 法与m o s 法的相关性基本是一致的。 那么，语音质量的感性评定p e s q 与我们平常认为的m o s 具体有什么关系那， 它们之间又怎么的联系那? 在对i t u 标准仔细翻阅的同时，我们与中国泰尔实验室专家和安捷仑上海公司 第1 2 页 华北电力大学t 程硕：t 专业学位论文 的技术工程师进行了多次联系，并且也证实了语音质量的感性评定p e s q 对数字电 力线载波机语音质量评定的可行性。 首先，在i t u 8 0 0 1 中这样写到“i t u te 1 0 g 1 0 0 建议书对m o s ( 平均评价得 分) 这一术语做出了下述定义：评价得分的平均值，即在一个预定的取值范围内， 主观评价者对用于对话或收听讲话素材的电话传输系