一种单芯电缆高速数据传输方案
收稿日期:2008203211
作者简介:刘国权(19692),男,工程师,硕士,主要从事石油测井方面的研究.
文章编号:16732064X (2008)0520094203
一种单芯电缆高速数据传输方案
A high 2speed data transmission scheme using single 2core cable
刘国权1,田洪亮2,王易安3,杜军梅3
(1.西安石油大学研究生部,陕西西安710065;2.华北煤层气勘探开发总公司测井分公司,河南新乡453700;
3.中国石油集团测井有限公司华北事业部,河北任丘062552)
摘要:生产测井一般利用单芯测井电缆实现地面系统和井下仪器的数据传输.为满足日益增长的大
容量数据传输需求,在分析单芯测井电缆传输特性的基础上,提出基于正交频分复用调制解调技术的高速数据传输方案,克服了单芯测井电缆固有缺陷,提高了频带利用率,是生产测井实现高速数据传输较为理想的调制解调方案,对实际测井传输系统的研制具有重要的指导意义.关键词:测井;单芯电缆;数据传输;正交频分复用中图分类号:P631.84 文献标识码:A 生产测井在石油开发中发挥着重要作用.在生产测井系统中,地面设备一般利用单芯测井电缆作为传输通道对井下仪器进行远程供电、信息采集和控制,从而获得多种复杂的井眼信息作为合理开发的依据[123].随着测井技术向数字化、组合化和成像化方向发展,井下仪器采集的信息更加丰富,需要上传的数据量也越来越大,因而对测井传输系统提出了更高的要求,迫切需要大容量高速率的传输系统以满足当今生产测井的实际需求.然而单芯测井电缆频带有限,基带传输已经不能满足实际测井需求.采用先进的调制解调技术成为突破传输瓶颈的有效解决方案,是当今测井传输领域的研究热点.正交频分复用(OFDM )是一种高效的多载波调制技术,具有频谱利用率高、抗多径干扰能力强、易于实现等优点,非常适合测井电缆传输系统应用.文献[428]探讨了OFDM 在常规测井电缆传输系统中的应用,然而将OFDM 技术应用于生产测井的单芯电缆传输尚不多见,是一项值得研究的课题.论文首先对单芯测井电缆的传输特性进行了理论分析,而后简要论述了OFDM 的基本原理,在此基础上提出了单芯测井电缆传输系统的总体方案,阐述了发送器和接收
器的基本实现方法,分析了系统抗干扰性能,为设计单芯电缆高速数据传输系统奠定了理论基础.
1 单芯电缆传输特性分析
当前在生产测井领域主要依靠常规的单芯测井电缆实现地面系统和井下仪器间的数据传输,只用一根电缆同时传输多种信号或同时完成多种功能.然而由于受传输介质、设计思想、制造工艺和井下高温、高压等恶劣环境的影响,单芯测井电缆传输系统存在传输速度慢、信息量少、信号衰减、失真大等问题,且电缆传输信道的衰减和相移随信号频率的增加而急剧增加.7000m 长的普通单芯电缆能够传送的最高信号频率为100kHz ,如果信号频率高于100kHz ,则信号衰减严重,无法检测;在低频段,由
于测井电缆的两端分别通过变压器与地面和井下遥测单元耦合,所以频率小于100Hz 的低频信号在耦合时衰减严重,因此,可把测井电缆看作是从100Hz ～100kHz 的带通信道.
由此可以看出,单芯测井电缆传输信道较为恶劣,基带传输已经不能满足生产测井高速数据传输
2008年9月第23卷第5期西安石油大学学报(自然科学版)
Journal of Xi ′an Shiyou University (Natural Science Edition )Sep.2008
Vol.23No.5
的需求,需要采用先进的调制解调技术,以提高频带利用率,实现数据的高速传输.
2 OFDM 基本原理
OFDM 全称为正交频分复用,是一种多载波调
制,又称为离散多音调制(DM T ),它是一种高效的调制技术.OFDM 是一种并行处理数据传输系统,采用频率上等间隔的N 个子载波构成,它们分别调制一路独立的数据信息,调制之后,N 个子载波的信号相加,同时发送,因此,每个符号的频谱只占用信道全部可用带宽的一部分.其优点是能够把1个频率选择性衰落的影响分散到许多个符号上,有效地使衰落或脉冲引起的突发错误随机化,这样就不会使几个相邻符号遭到完全破坏,而是许多符号有轻微失真,从而可以用前向纠错技术使其恢复.由于把整个可利用带宽划分成许多个子载波,而每个子载波的频率响应相对平坦了许多,所需的均衡要简单的多.在OFDM 系统中,通过选择波间隔,使这些子载波在整个符号周期上保持频谱的正交特性,各个子载波上的信号在频谱上相互重叠,而接收端利用载波之间的正交特性,可以无失真地恢复发送信号,从而提高系统的频谱利用率.
OFDM 不同于传统的并行调制技术,它以数字
信号正交处理为基础,结合信道编码、自适应同步、自适应频域均衡技术,充分利用了信号时频正交性而允许各子信道信号频谱1/2重叠,从而获得最佳的频率利用率,无需奈奎斯特滤波就可实现奈奎斯特速率传输.如果把正交变换基信号看作子载波,则调制解调实际上就是正交基础上的反/正变换,信息埋藏于编码的变换系数中.快速傅立叶变换(FF T )是最直观、最便于实现的一种正交变换.
OFDM 技术具有频谱利用率高、抗多径干扰能
力强、易于实现等优点,尤其适于多径效应严重的宽带传输系统,是一门具有发展前景、非常适合电缆传输系统的高速数字通信技术.
3 系统设计与性能分析
基于OFDM 原理的单芯高速电缆遥测系统,从功能上分为发送器和接收器以及测井电缆三部分,其中,发送器和接收器的设计是系统实现的核心和关键.
3.1 发送器设计
发送器的功能模型如图1所示.其中编码模块用于使数据更可靠传输而作的扰码、交织和纠错编码;而调制模块则是利用正交频分复用OFDM 技术完成并行信道的多载波调制,包括插入导频信号、星座映射、对称扩展
、IFF T 变换、插入循环前缀.
图1 发送器原理框图
串行的输入数据经过扰码、交织、纠错,然后进行星座映射,按系统要求的大小划分数据帧,这时就得到了频域数据.在频域组织帧结构,这样可以很好地兼顾信道特性与传输数据率、采样频率之间的关系.经过IFF T 后得到时域数据,相当于进行了正交频分复用,即将一帧中不同的数据搬到了不同的子信道位置上.然后为了消除码间干扰、信道干扰而引入循环前缀.为补偿接收端D/A 变换引起的高频失真,对数据作八倍插值,然后用数字滤波器滤除带外噪声.为了便于信道传送,输出的时域数据经过D/A 后送入信道.3.2 接收器设计
接收器原理模型见图2.高速电缆遥测系统接收器的目的是将井上的命令信号发送到井下,然后将井下发送器通过电缆传送到井上的信号进行快速准确地接收并解调,
之后通过接口送给井上数据处理计算机,与井下发送器一起完成井上、井下数据的通讯.
图2 接收器原理框图
接收器的设计包括高速传输单元和接口单元两
个部分.传输部分主要解决如何接收解调从井下测井设备通过测井电缆发送来的高速数据问题.整体技术方案为:采用频分复用的全双工通讯方式,低频段1～4kHz 以简单的频移键控模式承担下行控制信号和上下端握手信号的传输,6～100kHz 的高频段采用OFDM 调制和多进制的正交幅度调制相结合的调制方式,承担高速上行测井数据的传输,接收
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59—刘国权等:一种单芯电缆高速数据传输方案
器通过快速傅立叶变换(FF T)、采样时钟同步、符号
同步、均衡等技术实现实时准确接收和解调数据.接口单元解决遥测系统与井上数据处理计算机的接口兼容性问题,要求与地面设备的接口相兼容.
接收器工作时,首先将信号耦合至系统后经低通滤波滤除高频噪声,A/D转换器将信号采样保持并转换成数字信号,时域均衡和符号同步后除去循环前缀,对时域数据的解调由FF T完成,利用OFDM的正交性将发送端调制到各子信道的数据解调出来,然后由信道估计和频域均衡处理,最后到反星座映射.解CRC校验、解交织、解扰码后将数据送至井上数据处理机.
3.3 抗干扰性能分析
(1)抗噪声性能.OFDM的抗噪声性能与各子信道的调制方式有关.为了提高系统的抗噪声性能, OFDM系统一般采用信道编码技术.通过适当引入交织编码、卷积码、RS码或BCH码等纠错编码,可以消除脉冲干扰引起的突发误码,提高传输的可靠性.
(2)抗多径干扰性能.多径效应对传输的数字信号产生时延扩展,造成接收码元的前后重叠,即码间干扰,严重影响传输质量.码间干扰与发射信号的延迟长短有关,当延迟时间相对于一个码元宽度很短时,通常不会对信号的接收产生影响.但随着传输速率的下降而随之减弱.通过OFDM原理将信号分成多个子载波,可以一定程度上增大每个子信号的码元宽度,使得多径干扰的延迟远小于码元宽度,从而有效克服多径效应引起的码间干扰问题.
(3)抗衰落性能.测井电缆上阻抗变化幅度大,信号传输时会出现严重衰落.自适应均衡是解决信道衰落的有效手段,但当系统传输速率高时,实现快速均衡的复杂性和成本都是难以接受的.采用OFDM调制,每个子信道的速率降低,实现均衡相对较为简单.4 总 结
随着生产测井技术的不断进步,井下仪器采集的数据量越来越大,迫切需要高速的单芯电缆遥测系统,实现井下仪器和地面系统间的高速数据传输.为满足大容量测井传输的需要,结合OFDM技术具有频谱利用率高、抗多径干扰能力强、易于实现等优点,提出一种基于OFDM的单芯电缆高速遥测方案,在分析单芯电缆传输特性和OFDM基本原理基础上,设计了单芯电缆高速数据传输系统的原理方案,阐述了接收器和发送器的设计与实现方法.为今后实际高速电缆遥测系统的研制提供理论和方法上的指导,具有较高的实用价值.
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编辑:贺元旦
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—西安石油大学学报(自然科学版)
K ey w ords:coiled tubing;bursting pressure;collapsing pressure;mathematical model;computer simulation
W A N G L ong2ting1,XU Xing2ping2,L IA N G Hui2gao1,W A N G L ei2,L I Yan2xin2(1.Research and Development Center, Sichuan Honghua Petroleum Equipment Co.Ltd.,Guanghan618300,Sichuan,China;2.Faculty of Electro2mechanical Engineering, China University of Petroleum(East China),Dongying257061,Shandong,China)J XSYU2008V.23N.5p.90293
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K ey w ords:single2core cable;data transmission;OFDM
L IU Guo2quan1,TIA N Hong2liang2,W A N G Yi2an3,DU J un2mei3(1.Graduates Department,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,Shaanxi,China;2.Logging Branch Company,North China Coal2bed G as Exploration and Development Corporation,Xinxiang 453700,Henan,China;3.North China Business Department,PetroChina Logging Co.Ltd.,Renqiu062552,Hebei,China)J XSYU 2008V.23N.5p.94296
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K ey w ords:network teaching system;modularization;B/S structure;ASP
TA N G J un(College of Electronic Engineering,Xi’an Shiyou University Xi’an710065,Shaanxi,China)J XSYU2008V.23N. 5p.972100
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M EN G Kai2yuan,CHE Fei2f eng,CA O Qing2nian(College of Computer Science,Xi’an Shiyou University,Xi’an710065, Shaanxi,China)J XSYU2008V.23N.5p.1012103
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W A N G Wei1,GUO Ying2min2(1.College of Sciences,Xi’an Shiyou University,Xi’an710065,Shaanxi,China;2.Department of Foreign Languages,Xi’an Shiyou University,Xi’an710065,Shaanxi,China)J XSYU2008V.23N.5p.1062108Ⅹ