EXCELL2000測井系統(tǒng)上傳信號失真及恢復原理解析

葛承河 郭紅旗 李彩紅

(勝利石油管理局測井四公司 山東東營)

EXCELL2000測井系統(tǒng)
上傳信號失真及恢復原理解析

葛承河 郭紅旗 李彩紅

(勝利石油管理局測井四公司 山東東營)

EXCELL2000測井系統(tǒng)在實際使用過程中,由于測井電纜的長度、類型、溫度以及上傳速率等因素的影響,導致在不同條件下上傳信號的失真和干擾程度也不一樣,這就使得上傳數(shù)據(jù)的解調(diào)和恢復工作變得非常復雜。文章主要講述和分析電纜傳輸過程中信號失真情況及其恢復原理。

失真;濾波;均衡器;帶寬

0 引 言

EXCELL2000數(shù)字成像測井系統(tǒng)中,通過模式7實現(xiàn)了最高217.6 kb/s上傳速率,與其它傳輸速率較低的系統(tǒng)相比,上傳信號的失真要嚴重得多。然而,在該系統(tǒng)中,通過合理的電路設(shè)計對上傳測井信號的失真實現(xiàn)了很好的恢復和校正,使地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠得到優(yōu)質(zhì)可靠的數(shù)據(jù)。更可貴的是通過良好的電路設(shè)計使得該系統(tǒng)具有非常強大的系統(tǒng)自適應(yīng)能力,在系統(tǒng)信道參數(shù)和傳輸信號頻率變化較大的情況下,也能夠獲得可靠的數(shù)據(jù)。下面我們先分析一下系統(tǒng)中各種失真的產(chǎn)生和類型。

1 信號失真分析

我們知道,測井系統(tǒng)在使用過程中,測井電纜的長度、電纜類型、阻抗以及傳輸信號的速率等并不是固定不變的,這些方面的變化都會導致測井信號的失真、衰減程度具有很大的差異,這給地面系統(tǒng)的信號恢復工作帶來更大的困難。地面調(diào)制解調(diào)器要對具有不同失真、衰減、位間串擾程度的測井信號進行恢復和校正。尤其是在較高的傳輸速率時,如果不能較好地減輕信號的失真程度,地面系統(tǒng)就很難對其進行可靠的恢復并得到優(yōu)質(zhì)的測井數(shù)據(jù)。一般來講,決定一個通信系統(tǒng)傳輸速率的因素是噪聲和電纜的帶寬。既然這兩個因素不能改變,又是怎樣在108.8 kHz帶寬上以雙倍的傳輸速率217.6 kb/s進行傳輸?shù)哪?該系統(tǒng)通過利用未調(diào)制的變形雙二進制編碼和調(diào)制的雙二進制編碼實 現(xiàn)了 217.6 kb/s、108.8 kb/s、54.4 kb/s、27.2 kb/s、13.6 kb/s的速率,三電平編碼需要更高的信噪比,這是以增加了信號的恢復難度為代價的。我們要想在信號輸出端得到可靠的數(shù)據(jù)必須處理好三種失真:噪聲、衰減和位間串擾。

第一是噪聲對上傳信號的干擾。在EXCELL2000測井系統(tǒng)中,主要的噪聲源是60 Hz和400 Hz的儀器電源。盡管在電纜上進行多元信號的傳輸是非常有效的,但是各纜芯之間輕微的不均衡或者模式變壓器本身特性差異都會降低電源與上傳信號之間的隔離。由于電源信號的頻率相對上傳信號而言是非常低的,可以利用簡單的高通濾波器來有效濾除。

第二是測井電纜本身引起的信號衰減?，F(xiàn)場使用的電纜長度、型號、電纜本身的阻抗、電容的大小以及傳輸信號頻率的不同使得信號在傳輸過程中的衰減程度具有較大的差異。傳輸?shù)男盘栴l率越高,信道對信號的衰減幅度越大,調(diào)制解調(diào)器必須能在很寬的信號輸入范圍內(nèi)正常工作。

第三是相鄰數(shù)據(jù)的位間串擾。這種干擾是受測井電纜的帶寬限制產(chǎn)生的,尤其是高頻信號比低頻信號時的位間串擾失真更嚴重;例如,在217.6 kb/s傳輸速率時,上傳信號占用從0到108.8 kHz的帶寬,對于31 000 ft(1 ft=304.8 mm)長的電纜來說,信號在108.8 kHz時的失真要比直流信號大30倍[1]。

在EXCELL2000測井系統(tǒng)中,并不需要人為地根據(jù)信號傳輸信道和信號的變化去調(diào)整地面系統(tǒng)信號恢復電路的參數(shù)來校正上述的三種失真。該系統(tǒng)具備強大的系統(tǒng)自適應(yīng)能力。

2 信號恢復原理分析

圖1 整體電路功能框圖

圖1所示為地面系統(tǒng)信號恢復電路的功能框圖。主要的功能模塊包括上傳數(shù)據(jù)接收器、下傳發(fā)射器和電纜模擬器。在接收器模塊,上傳數(shù)據(jù)首先進入輸入濾波器,然后通過可編程增益放大器,400 Hz的陷波濾波器和自動增益控制放大器。接著信號進入均衡器電路,該均衡器包括三個均衡器電路,實際工作時均衡器的具體組合依靠信號對均衡器的需要進行選擇。信號經(jīng)過均衡以后同時被送到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和時鐘恢復電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出信號將到數(shù)字信號處理器(DSP)中作進一步數(shù)字均衡,然后進行限幅處理。限幅器的控制主要是根據(jù)數(shù)字均衡器的輸出進行的。從限幅器輸出的信號被解調(diào)(只在傳輸速率為0、1、2、3時)、解碼和檢錯。這些解碼后的數(shù)據(jù)繼續(xù)被送到地面系統(tǒng)。

圖2展示了電路恢復效果。比較雙二進制原始輸出信號、失真后以及正確恢復后的波形圖,我們會發(fā)現(xiàn)

圖2 信號恢復前后波形對比圖

信號恢復電路的強大功能。圖2a中的信號是上傳模擬器的雙二進制輸出信號。圖2b展示了圖2a中信號經(jīng)過失真、衰減和反相以后的信號波形。我們注意到這些脈沖被展寬了,這就使得我們很難從臨位時鐘恢復出數(shù)據(jù)。圖2c是均衡器正確設(shè)置為2時在均衡器測試點得到的信號。這時,我們注意到這個信號不再是那個展寬了的信號,并且與上傳模擬器的輸出信號非常相似。圖2d是圖2c中信號的眼圖。從圖中我們可以看出,該眼圖信號開度比較大,說明信號失真較輕,系統(tǒng)容易進行準確的判決,不易產(chǎn)生錯碼。

2.1 輸入濾波器

來自電纜上的上傳遙測信號首先經(jīng)過一個雙拐點高通濾波器,能夠濾除絕大部分60 Hz的干擾和部分400 Hz的干擾信號。濾波器在1 200 Hz和5 400 Hz設(shè)計了兩個拐點。盡管濾波器能一定程度地抵消和削弱上傳信號的幅度,但絕大部分的上傳信號主要在高頻部分,所以濾波器本身對上傳信號幾乎沒有影響,不會導致任何失真。濾除電源噪聲后,信號就被送到可編程增益放大器。

2.2 可編程增益放大器

可編程放大器電路允許選擇1、10、100、1 000四種固定增益,用差分輸入抑制共模噪聲。在正常情況下,一般系統(tǒng)不會使用1 000倍的增益設(shè)置。主要是在系統(tǒng)狀況比較糟糕,輸入信號衰減非常嚴重的情況下才會使用1 000倍的增益。輸入信號在可編程增益放大器中獲得合適的增益后,輸出的1到10伏特的峰值信號由400 Hz的陷波濾波器進一步濾波。

2.3 陷波濾波器

盡管前面的輸入濾波器對400 Hz的干擾進行了濾波,但是仍然需要更進一步消除電源信號的干擾。因為如果我們試圖在輸入濾波器電路部分通過提高輸入濾波器的拐點頻率更好地消除400 Hz的干擾且同時又要避免引起上傳信號的嚴重失真是幾乎不可能的。而400 Hz陷波濾波器的優(yōu)點是它僅僅對400 Hz周圍很小頻率范圍附近的信號進行濾波,所以電源信號的干擾可以被很好地消除而不會使輸入信號引起嚴重失真。

2.4 自動增益控制

系統(tǒng)正常運行所需要的增益自動控制功能是在自動增益控制放大器中實現(xiàn)的。自動增益控制電路包括一個12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器和一個10倍增益的運放電路。系統(tǒng)運行時,處理器通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路控制運放電路的增益。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸入數(shù)字量是處理器根據(jù)信號恢復需要給出的。數(shù)模轉(zhuǎn)換的控制輸入輸出之間有下面的公式所表達的關(guān)系:

經(jīng)過10倍增益放大器放大后有如下關(guān)系:

對整個增益控制電路來講,總的增益從0到10被分為4096個檔位。數(shù)模轉(zhuǎn)換的控制輸入端由處理器根據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換的輸入信號來確定,除非地面調(diào)制解調(diào)器被置為人工增益控制模式。自動增益控制放大器輸出端的信號幅度也不是固定的,而是還要取決于均衡器的設(shè)置,因為均衡器也能提供一定的信號增益功能。

2.5 均衡器

所謂均衡就是對系統(tǒng)中的線性失真進行校正的過程[2]。為了更好地理解均衡器的功能,圖 3展示了31 000 ft長15/32 in(1 in=25.4 mm)粗的七芯電纜在0～120 Hz范圍內(nèi)的頻響特性曲線。在小于10 kHz的頻段,頻響曲線是快速下降,而大于10 kHz的頻段,電纜的響應(yīng)基本上隨頻率的變化成比例下降。為了消除接收信號的失真,均衡器必須在高頻段提供較大的增益以至于電纜和均衡器組合起來在整個帶寬上具有平衡的頻響特性。輸入濾波器降低了小于10 kHz頻率的信號的幅度,而均衡器對高頻段的頻響特性進行校正。均衡器電路設(shè)計成3個具有不同均衡能力的均衡電路,通過組合可以得到8種具有不同均衡特性的均衡器組合。

圖3 七芯電纜的頻響特性

圖4展示了均衡器中三個部分及不同組合的頻響曲線。在實際運行時,會選擇合適的均衡組合來提供最合理的頻響特性,盡量使系統(tǒng)在整個帶寬上的頻響特性平衡。在圖5中顯示的示波器波形叫“眼圖”,說明了均衡器的作用。這些眼圖是利用來自調(diào)制解調(diào)器的同步信號觸發(fā)示波器并在均衡器的測試點觀察到的信號。

圖4 均衡器的頻響特性

圖5a展示了一個被正確均衡后的信號眼圖波形。而圖五5b和五5c分別是欠均衡和過均衡信號眼圖波形。當信號得到正確均衡的時候,眼圖中“眼”的開度最大。當信號不能正確均衡的時候,電平就不容易區(qū)分,眼圖的開度也較小甚至閉合,難以進行恢復,容易產(chǎn)生錯碼[2]。盡管經(jīng)過以上處理以后信號已經(jīng)得到了較好的回復,為了使得系統(tǒng)更可靠,還需要在數(shù)字信號處理器里作更進一步的均衡。

圖5 不同均衡程度處理后的信號眼圖

2.6 數(shù)字適配均衡器

在數(shù)字信號處理器中,從模數(shù)轉(zhuǎn)換器來的信號要在適配均衡器里做進一步的處理。實際上這個數(shù)字均衡器就是一個自動均衡器,能夠在信道特性的變化條件下獲得最佳的均衡效果。能消除所有的由模擬均衡器遺漏的殘余失真。該均衡器取一定數(shù)量的最新數(shù)據(jù),每一個都乘以一個系數(shù),并且將這些乘積累加。這些數(shù)據(jù)和系數(shù)的乘積的總和就是濾波器的輸出。這個系數(shù)決定了濾波器的頻響特性,并且根據(jù)均衡器輸出端存在的誤差不斷地進行反饋控制。例如,如果一個接收到的信號比實際期望得到的大,這個系數(shù)就會稍微減小。隨著這個系數(shù)的調(diào)整過程的連續(xù)重復進行,濾波器實際輸出與期望值之間的誤差將會減到最小。在測井施工過程中隨著傳輸信道等特性的變化,均衡器會不斷地進行調(diào)整來補償這變化帶來的影響。

2.7 解調(diào)、解碼和檢錯

電纜上傳送的數(shù)據(jù)有三種電平:+10 V、-10 V和0 V,分別代表+1、-1、0。因為在傳輸速率13.6 kb/s到108.8 kb/s時,數(shù)據(jù)是由54.4 kHz的載波信號調(diào)制后在電纜上傳輸?shù)?每個數(shù)據(jù)位是由一個或更多的接收到的信息樣本來代表的。

如表1所示。展示了接收到的信息樣本與實際的數(shù)據(jù)位之間的對應(yīng)關(guān)系。數(shù)據(jù)被解調(diào)時,調(diào)制解調(diào)器必須取一個或更多的樣本來確定實際的數(shù)據(jù)位。在傳輸速率為217.6kb/s的時候,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)根本沒被調(diào)制,所以從限幅器的輸出信號可以直接被解碼。而其他傳輸速率時就必須解調(diào)。例如,在傳輸速率3時,一個數(shù)據(jù)位被傳為:0、0、0、0、0、0、0、0或-1、+1、-1、+1、-1、+1、-1、+1、或+1、-1、+1、-1、+1、-1、+1、-1。解調(diào)后,是8個連續(xù)的0或8個連續(xù)的+1或-1代表這個數(shù)據(jù)位。而不是取8個中的一個來代表這個數(shù)據(jù)位,硬件會執(zhí)行一個表決機制來確定這個數(shù)據(jù)。這樣允許調(diào)制解調(diào)器在低傳輸速率時對傳送的冗余樣本進行優(yōu)化。數(shù)據(jù)被解調(diào)后,繼續(xù)解碼并從三電平轉(zhuǎn)換成兩電平的NRZ數(shù)據(jù),并送到譯碼器。對+1和-1、0解碼時,硬件會檢查數(shù)據(jù)序列是否包含違法的組合。譯碼器與遙測短節(jié)發(fā)射編碼器的作用相反。數(shù)據(jù)在發(fā)射器中編碼防止長串的重復數(shù)據(jù)尤其是0,用來避免接收器運行失敗。長串的連續(xù)的“0”引起的最嚴重的問題是沒有供時鐘恢復電路用的轉(zhuǎn)化電平,并且接收時鐘與發(fā)射時鐘失去同步。

表1 實際傳輸數(shù)據(jù)位與接收到的信息樣本對照表

3 結(jié)束語

EXCELL2000測井系統(tǒng)中,使用雙二進制編碼技術(shù),在模式7上能夠傳輸最高217.6 kb/s的上傳速率。工作過程中隨著傳輸速率的增高,傳輸過程中造成的信號衰減、噪聲、位間串擾也就越大。但是通過地面系統(tǒng)中信號恢復電路十分強大的信號恢復功能,使得該系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)自適應(yīng)能力。系統(tǒng)能夠根據(jù)外部設(shè)備、傳輸介質(zhì)及傳輸速率等因素的變化,自動選擇合適的均衡、增益、濾波,確保地面系統(tǒng)能夠得到符合系統(tǒng)需要的可靠測井數(shù)據(jù)。

[1] 哈里伯頓能源服務(wù)公司.EXCELL-2000系統(tǒng)現(xiàn)場操作指南.1997(資料)

[2] 郭梯云,劉增基,王新梅,等.數(shù)據(jù)傳輸(修訂本)[M].北京:人民郵電出版社出版,1986

[3] 曹志剛,錢亞生.現(xiàn)代通信原理[M].北京:清華大學出版社出版,2008

Analysis of the distortion and recovery of uplink signals in EX- CELL2000 system.

Ge Chenghe,Guo Hongqi and Li Caihong.

EXCELL2000 logging system must correct distortions introduced by the logging cable.This function is complicated because of the tremendous variation in operating conditions,such as variations in line length,cable type,and downhole temperature.In this paper,the theory of the distortions and corrections for uplink data are analyzed mainly.

distortion;filter;equalizer;band-width

P631.8+1

B

1004-9134(2010)01-0033-04

葛承河,男,工程師,1994年畢業(yè)于承德石油高等?？茖W校應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè),2000年畢業(yè)于石油大學計算機及應(yīng)用專業(yè)。曾從事EXCELL-2000野外操作5年,儀器維修11年,現(xiàn)主要從事該系列儀器以及地面系統(tǒng)的維修和維護工作。郵編:257096

2009-12-01編輯姜 婷)

PI,2010,24(1):33～36

·方法研究·