电力载波通信是电力系统特有的通信方式，它以输电线作为通信线路，具有投资小、设备简单等优点。近年来，随着我国电力通信及调度自动化的不断发展，特别是城市电网和农村电网的改造，对高质量、高可靠性的电力载波机的需求不断增长。随着计算机技术、数字信号处理技术、语音编码技术、数字复接技术以及集成电路技术的不断发展，电力载波机已经开始由原来的模拟载波机向数字载波机发展。数字技术在电力载波机中的应用，不仅可以使电力载波机的性能大幅度提高，而且还可以使载波机的容量以及载波信道的利用率大幅度提高。本文在综述数字电力载波机的发展现状基础上，就语音、数据复接技术进行了详细分析，以期对我国载波机生产厂家实现电力数字载波机的国产化提供参考。
1 数字电力载波机发展现状
目前进口数字电力载波机大致有2种，一种基于模拟体制，在局部采用了一些先进的数字技术，如数字信号处理技术(DSP)和网络编码调制(TCM)技术，但体制还是模拟的，仍采用传统的单边带(SSB)方式，收发频带仍各为4kHz，但由于数字技术的采用，设备性能得以提高，接口灵活，便于计算机直接监测和控制，如德国西门子的ESB-2000、瑞士ABB的ETL等设备；另一种则基于全数字化体制，它采用语音压缩编码技术、数字复用技术、QAM数字调制技术以及数字信号处理技术等，在相同的频带下，数据速率达到32 kbit／s，容量得到较大提高，如挪威Nera公司的A．C．E．32等。目前我国数字化载波机主要依赖进口，但由于价格较高，因此数字化载波机还没有得到大规模推广和应用。国内主要电力载波机生产厂家如扬州电讯仪器厂、南京电力自动化研究院、许昌继电器厂等也逐步开始以各种形式进行数字化电力载波机的研制与生产。根据目前我国电力载波机的应用状况，发展我国数字化电力载波机，建议应遵循如下原则：(1)兼容性。即引进或新研制的数字化电力载波机应具备在信道分配、话音接口以及远动接口等方面和目前广泛采用的模拟载波机相兼容；(2)先进性。数字化电力载波设备应包含目前较先进的、已经成熟的并且符合国际电信联盟 ITU-T建议的数字技术，如在语音压缩编码方式，可采用LD-CELP语音编码，在数字调制技术方面，采用目前在公用电话网上广泛采用的调制解调技术。基于上述思想，因此在农电载波机和35 kV以下变电站系统可优先采用基于模拟体制的数字化电力载波机设备，以便投资较小效益最大。在110kV以上主干线路上，应大力发展全数字化电力载波机。最终过渡到在整个系统全部采用全数字化电力载波机。
2 话音、数据复接技术
无论是基于模拟体制的数字化电力载波机，还是基于全数字化的电力载波机，话音数据复接技术都是其中的关键技术之—。模拟载波机采用模拟调制方法，在0．3-3．4 kHz话路频带的下边带传输话音信号，在上边带传输远动信号，因此在0．3-3．4 kHz的频带下只能传输1路话音和1路600bit／s的远动信号。随着语音编码技术的发展，目前可以将 1路64kbit／s的PCM话音数据压缩到4．8 kbit／s甚至更低。调制解调技术的发展，可以在0．3-3．4 kHz话路频带下轻松传输11．4 kbit／s的数据。因此，如果将几路PCM话音首先通过语音编码技术进行压缩，然后在通过数据复接技术和几路远动数据复用，最后通过调制解调器将复用数据调制到 0．3-3．4kHz的话路频带下，这就是基于语音压缩编码的话音、数据复接技术。
2．1 LD-CELP语音编码
LD-CELP(Low Delay-CELP)语音编码算法[1] ，是一种基于低延时的码激励线性预测编码算法，首先由美国AT&T公司贝尔实验室提出。该算法属于—类基于线性预测技术的分析-合成编码(LPAS)的范畴，该算法基于ABS原理并考虑了听觉特性，特点是：(1)以块为单位的后向自适应高阶预测；(2)后向自适应增益量化；(3)以矢量为单位的激励信号量化。在编码时，编码器首先对每一个输入语音矢量 (一般由A律或μ律PCM信号转换成的线性码流得到)采用传统的CELP算法的分析-合成的码本搜索技术，得到一个与输入矢量感知加权均方误差最小的量化语音矢量信号。然后，采用预测器和增益后馈更新技术，获得只有不足1 ms的算法延迟。在发送时只需要将码激励码本的地址发送到信道上，因此可以获得较低的数码速率。合成滤波器系数是通过对量化的语音信号作LPC分析得到。激励增益用已经量化的激励信号的增益信息更新。而感知加重滤波器系数是从输入语音信号的LPC分析中获得的，这样得到的重建语音的效果更好。在LD-CELP解码端，根据信道上发送来的10bit地址，获得一个激励码矢量，通过增益定标单元和合成滤波器，产生量化语音信号。合成滤波器和增益的更新方式与编码端的完全相同。量化语音信号再经后置滤波器滤波，来增强语音的感觉质量。国际电信联盟(ITU-T)依据该算法制定了G．728建议。
按照G．728建议，美国QUALCOMM公司于 1992年率先推出了VLSI超大规模集成声码器 Q4401。该声码器具有90年代国际先进水平，采用 QCELP语音编码技术；其编码速率可根据语音信号能量的大小，每秒动态调整50次，可调速率范围为 800-9 600bit／s；全双工方式的编码和解码，编码延迟小(整个系统环测小于50ms)；具有16：1的高效数据压缩功能；语音质量较高，其语音质量接近采用 64 kbit／s PCM语音编码的公用电话网电话音质 (Tool Quality)，被称为准电话音质(Near-Tool Quality)。该声码器还具有8位微处理器接口，便于和单片机相连。鉴于Q4401的优良性能，已在移动通信网中得到了广泛应用。本设计的浯音压缩编码基于 Q4401声码器。
2．2 话音、数据复接帧结构
鉴于调制解调器的速率采用11．4kbit／s，因此；复分接的集合速率为11．4 kbit／s，声码器选择4kbit／s，远动信号波特率为0．6kbit／s，为了提高远动数据传输可靠性，为每8bit远动数据配上8 bit的监督校验位。因此可将2路话音与2路远动信号进行复接。按照3种数据速率的比值，集合速率：话路数据：远动数据=11 400：4 000：(600+600)：57：20：6，确定复分接帧结构如图1所示，其特点如下：(1)帧结构基于字符复分接，便于硬件实现复分接；(2)帧长度57字节，其中包括2字节同步码，话路1数据 20字节，话路2数据20字节，远动1数据6字节，远动2数据6字节，信令码2字节，填充码1字节。(3)信令码1表示话路1状态，信令码2表示话路2的状态。在复接时，当话路1乎叫远方话路时，置信令码1为00H；同理当话路2呼叫远方话路时，置信令码2为00H。在分接时，如果接收到信令码1为00H，则向话路1发送振铃信号，并代表复接数据帧中传输的是话音数据；同理，当接收到信令码2为00H时，则向话路2发送振铃信号，并代表复接数据帧中传输的是话音数据。否则，当信令码不为00H时则表示相应话路处于空闲状态。
2．3 动态数据复接方法
根据统计，话路信息在90％以上的时间内处于空闲状态，也就是说，经过复接以后的帧结构中 40个话路数据时隙90％以上传输的是无用数据。因此，如果能采用动态调整帧结构的方法，在某个话路处于空闲时，作为备用通道用来传输远动数据，将可以提高通道利用率。为此在安排帧结构时，采用了如下的动态调整帧结构的动态数据复接技术。
(1)给每一个话路、远动通道以及远动备用通道开辟一块缓冲存储区，用来存储话音数据、远动数据和备用远动数据，以保证在动态调整帧结构时不会产生数据的丢失。缓冲区的大小以通话期间，远动数据产生数据滑动的概率小于0．01％为基本要求。若远动数据的传输速率为0．6kbit／s，给每一个远动通道开辟2K字节的缓冲存储器，对于循环远动可保证在连续5 min以上的通话期间，远动数据不会产生滑动，对于突发式远动(将来发展方向)滑动时间将会更长。
(2)复接时，首先根据话路忙闲情况，填写信令码，并根据忙闲状态由软件调整帧结构。当话路处于通话期间，按照图1示的帧结构填写数据，否则按照图2所示的帧结构调整复接时隙，并给每一个远动数据配上CRC校验码，以便提高远动数据的纠错能力。复接备用远动数据从缓冲区填写。为了保证每—路远动数据的进出流量相同，备用远动时隙采取长度自动调整方案。
(3)分接时，首先检查信令码，根据信令码状态，决定分接帧结构。
3 提高远动数据传输可靠性的方法
为了提高远动数据传输的可靠性，在进行复接时，首先对远动数据进行了纠错编码，纠错编码采用了CRC循环编码[2]方式。CRC循环码是一组重要的分组码，它除了具有一般的线性码的特性外，还具有循环特性，即每一个码组都可以由生成多项式通过移位或线性组合得到。CRC循环校验码具有良好的数学结构，易于实现。编码器和接收端检测译码器较为简单，纠错能力强，特别适合于纠错突发性错误，得到了广泛应用。本设计采用16位CRC循环编码，其中信息位8位，监督位8位，生成多项式采用CCITT推荐的HDLC规程中的CRC生成多项式：
g(x)=x16+x12+x5+1
为了便于软件和单片机快速实时编解码，本设计采用查表的方法实现编解码。首先将按照上面生成多项式生成的256个校验码字存入程序存储器中，该编码表作为编解码的依据。在编码时．以信息位为地址偏移量，通过查表得到CRC编码；在解码时，首先将接收到的码组与标准编码表中的码子逐个进行异或运算，如果接收码组与标准码子相同，则通过查表，查出信息码，若二者不同，则按照最小误码个数准则，首先纠正误码比特，然后在查表确定信息码。实验证明该方法具有计算工作量小，编解码速度快等优点。
4 电力载波机用话音、数据复接器的实现
图3示电力载波机用话音、数据复接器的组成。图中仪示出了1路话音、1路远动和1路备用远动复接的情况。
用户接口电路采用美国METEL公司生产的 MH88612集成芯片组，主要完成和电话机的接口功 能，主要包括检测电话机的摘机挂机状态、同时产生振铃信号、完成2／4线转换等功能。
语音编解码电路包括PCM编码器和Q440l声码器。PCM编码器主要完成对语音信号的量化与 PCM编码，将模拟话音转换成64kbit／s的PCM数据，同时完成解码功能，将64 kbit／s PCM数据还原为模拟话音。Q440l声码器主要完成对64kbit／s的 PCM数据的压缩编码，转化为4．0kbit／s的压缩数据，同时完成对4．0kbit／s的语音数据的解压缩，恢复成64kbit／s的PCM语音数据。
话音缓冲存储器被设置成环形缓冲存储器形式[5]，包括收发各2K字节存储器，主要对4．0kbit／s的话音数据起缓冲作用，即为了解决动态复分接过程中，话音数据和备用远动数据的动态分配问题。特别是当通话期间较长时，如果此时远动数据不参与复分接，则远动缓冲存储器势必会存满远动数据，为了防止远动数据产生滑动，必须首先将远动数据迅速复分接，待远动缓冲存储器清空时，再次切换到通话状态。在远动数据参与复分接时，话音缓冲存储器将缓冲话音数据。
远动接口电路主要由8251芯片和422接口芯片组成，完成与远动通道的接口功能，负责接收远动通道发送的数据，同时向远动通道发送分接下来的远方远动数据。
集合信道接口主要完成与调制解调器的接口功能。一方面，将通过复接形成的帧结构发送给调制解调器；另一方面接收调制解调器的数据，并存储下来，以便将远方的数据分接到不同的信道。
时钟与定时电路用于提供整个系统所需要的各种时钟和定时信号。
单片机最小系统采用33 MHz高速8031单片机为核心，由软件完成整个系统的复分接过程以及纠错编解码算法等。
5 结束浯
1998年7月，本复接器经河北省电力局模拟测试，在信道衰减15 dB，误码率为10-3时，帧同步不丢失，话音清晰略有轻微的间断。采用纠错编码后，远动数据连续测试数小时误码率小于10-4，达到较高的设计水平，提高了远动数据的传输可靠性。特别是本设计的复分接帧结构采用动态分配话音数据和备用远动数据，大幅度提高了信道利用率。
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