有保護(hù)時隙的高效PPM鉆井液脈沖信號編碼

胡永建

(中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206)

正脈沖發(fā)生器是目前應(yīng)用最成熟的隨鉆通訊設(shè)備[1]，通過控制脈沖發(fā)生器內(nèi)部節(jié)流閥的開關(guān)，能夠產(chǎn)生地面可識別的鉆井液壓力脈沖，對脈沖序列編碼就能傳輸特定信息，不同編碼方法的編碼效率和節(jié)電效率各不相同：編碼效率高，可以提高數(shù)據(jù)傳輸率；節(jié)電效率高，不僅可以降低電能消耗，也可以降低節(jié)流閥的動作頻次，有助于延長脈沖發(fā)生器的使用壽命。

常見鉆井液脈沖信號編碼方式有脈沖位置調(diào)制(PPM)編碼和曼徹斯特編碼等[2]，PPM調(diào)制解調(diào)技術(shù)具有較好的糾錯性能和抗干擾能力，能以較低的能耗實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，廣泛用于空間光通訊等領(lǐng)域。PPM包括差分脈沖位置調(diào)制(DPPM)、單脈沖及多脈沖位置調(diào)制(MPPM)等多種編碼方式，其編碼效率和節(jié)電效率已經(jīng)得到深入研究[3-5]。鉆井液脈沖信號編碼時，由于正脈沖發(fā)生器需要充電保護(hù)時間，普通的PPM編碼并不能直接用于鉆井液脈沖信號編碼。為了提高PPM編碼性能，筆者研究了帶保護(hù)時隙的PPM信號編碼，分析比較了兼顧編碼效率與節(jié)電效率的PPM編碼方法，新的編碼方法在保持PPM信號糾錯與抗干擾能力的同時，能夠滿足鉆井液脈沖發(fā)生器驅(qū)動電路充放電的需求。

1 PPM編碼效率與節(jié)電效率

將要編碼的N位二進(jìn)制數(shù)據(jù)(信息位數(shù))映射到M個時隙(其中有K個時隙包含脈沖)完成PPM編碼。為了反映不同編碼方式下碼長M所能映射的信息位數(shù)N，采用編碼效率ηc表征其為信息的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位數(shù)N占全部時隙數(shù)M的比例,表達(dá)式為：

(1)

為了定量描述不同編碼方式的節(jié)電效果，采用節(jié)電效率ηe表征，其為不含脈沖的時隙數(shù)占全部時隙數(shù)M的比例，表達(dá)式為：

(2)

鉆井液脈沖發(fā)生器僅在時隙包含脈沖時耗電。

定向井鉆井作業(yè)過程中[6]，由于脈沖發(fā)生器的動作頻率低，提高數(shù)據(jù)傳輸率更有利于鉆井施工，需要優(yōu)先考慮編碼效率。

2 鉆井液脈沖信號保護(hù)時隙

正脈沖發(fā)生器由電磁閥控制節(jié)流閥限制鉆井液流動產(chǎn)生回壓即鉆井液脈沖。電磁閥驅(qū)動電路包含充放電電容，用于滿足線圈動作對電壓、電流的需求。放電后的電容需要充電一段時間以備下次使用，該充電時間被稱為保護(hù)時間。節(jié)流閥釋放后，也需要一定時間使鉆井液壓力回落，保護(hù)時間越長，相鄰2個鉆井液脈沖間隔就越遠(yuǎn)，越容易被解碼識別。

采用PPM編碼的典型鉆井液正脈沖信號如圖1所示。為了區(qū)分信令的幀結(jié)構(gòu)，使用寬度為指令脈沖3倍的同步脈沖實(shí)現(xiàn)幀同步，可以看出由于噪聲存在和信號高頻成分在鉆井液中的衰減[7-9]，較寬的同步脈沖更難準(zhǔn)確定位[10]。

為了防止PPM編碼連續(xù)發(fā)送2個相連的指令脈沖，需要在每個脈沖后設(shè)定保護(hù)時隙。為保證正確的PPM編碼，保護(hù)時隙長度必須是時隙長度的整倍數(shù)(圖1中為2個時隙)。為了方便描述及計算，設(shè)定每個指令脈沖占據(jù)1個時隙，可通過調(diào)節(jié)保護(hù)時隙個數(shù)來調(diào)節(jié)指令脈沖相對寬度。

動作頻次是指單位時間內(nèi)脈沖發(fā)生器節(jié)流閥的動作次數(shù)，對于每個指令脈沖占據(jù)一個時隙的情況，脈沖器動作頻次F定義為：

(3)

鉆井液脈沖發(fā)生器包含機(jī)械活動部件，其壽命與動作頻次有關(guān)。動作頻次與節(jié)電效率相關(guān)，節(jié)電效率越高，動作頻次越低，越有利于延長脈沖發(fā)生器的使用壽命。

3 MPPM編碼分析

3.1 無保護(hù)時隙的MPPM

(4)

其中，int(x)表示不超過實(shí)數(shù)x的最大整數(shù)，顯然有一部分組合數(shù)可能被“浪費(fèi)”了。編碼效率可以反映“浪費(fèi)”的程度，由式(1)、(4)可得：

(5)

不同的K和M組合有不同的編碼效率，在選擇最佳組合的情況下，能夠獲得最高的編碼效率；ηe用式(2)計算，式(2)也是K和M的函數(shù)。計算無保護(hù)時隙時不同脈沖數(shù)量的最高編碼效率與當(dāng)前最佳K和M組合下的節(jié)電效率，結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，隨著脈沖數(shù)量K增加，編碼效率逐步提高，節(jié)電效率趨近50%。

圖2 不同脈沖數(shù)量下無保護(hù)時隙MPPM的編碼效率與節(jié)電效率Fig.2 Coding efficiency and power saving efficiency of MPPM without protection time slots at different number of pulses

3.2 有保護(hù)時隙的MPPM

(6)

該情況下的ηe也用式(2)計算。

對于待編碼的信息，同樣的位數(shù)可以有不同的脈沖數(shù)量、碼長配置，保護(hù)時隙P=1、脈沖數(shù)量K=4時，不同碼長的編碼效率與節(jié)電效率如圖3所示。

圖3 P=1和K=4時不同碼長的編碼效率及節(jié)電效率Fig.3 Coding efficiency and energy saving efficiency at various mark bits(P=1,K=4)

如前所述，優(yōu)先考慮編碼效率，其次考慮節(jié)電效率，在保護(hù)時隙P=1的情況下，對各種脈沖數(shù)量K和碼長M的配置加以篩選，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著信息位數(shù)增加編碼效率呈升高趨勢，當(dāng)N=12時節(jié)電效率約為75%。

圖4 P=1時有保護(hù)時隙的MPPM編碼效率及節(jié)電效率Fig.4 Coding efficiency and energy saving efficiency of MPPM with protection time slots(P=1)

P=2時，計算不同信息位數(shù)的編碼效率及節(jié)電效率，結(jié)果見表1。

表1 P=2時不同信息位數(shù)的編碼效率及節(jié)電效率

其中K=1表示單脈沖PPM，作為MPPM的特例，這里不單獨(dú)區(qū)分，可以看出單脈沖PPM的編碼效率較低。

4 DPPM編碼分析

DPPM是一種特殊的單脈沖PPM，對于單脈沖PPM，脈沖之前空時隙的數(shù)量已經(jīng)包含了信號映射關(guān)系，其后的空時隙可以省略，直接發(fā)送下一組編碼信息，即不同編碼信息通過“差分”方式依次發(fā)送出去。當(dāng)N=4時，DPPM的編碼效率為47.1%，接近曼徹斯特編碼的編碼效率，理論節(jié)電效率可達(dá)88.2%，是曼徹斯特編碼的1.76倍[12]。

由于鉆井液脈沖發(fā)生器需要恢復(fù)時間來保證連續(xù)正常操作，普通DPPM編碼并不適用。需要在每個脈沖之后增加保護(hù)時隙，有1個保護(hù)時隙的3位二進(jìn)制數(shù)據(jù)的DPPM編碼如圖5所示。

圖5 有1個保護(hù)時隙的3位DPPM編碼Fig.5 3-Bits DPPM coding with 1-Bit protection time slot

在每個脈沖后有P個保護(hù)時隙的情況下，對于N位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，該編碼方式平均需要M=(2N+1)/2+P個時隙，僅有1個時隙有脈沖，由式(1)可得ηc為：

(7)

由式(2)可得ηe為：

(8)

P=1時，不同信息位數(shù)的DPPM編碼效率及節(jié)電效率如圖6所示。

圖6 P=1時DPPM編碼效率及節(jié)電效率Fig.6 Coding efficiency and energy saving efficiency of DPPM with protection time slots(P=1)

從圖6可以看出，在N=2時編碼效率有極大值，節(jié)電效率則單調(diào)遞增。不同保護(hù)時隙數(shù)量下最高編碼效率對應(yīng)的信息位數(shù)、編碼效率和節(jié)電效率計算結(jié)果見表2。

表2 DPPM編碼效率Table 2 Coding efficiency of DPPM

從表2可以看出，在保護(hù)時隙數(shù)量確定的情況下，編碼效率的信息位數(shù)是確定的。對于多位信息，以P=2為例，N=3時編碼效率為46.2%。

5 PPM算法比較

在無保護(hù)時隙的情況下，隨著脈沖數(shù)量及碼長增加，MPPM的編碼效率在脈沖數(shù)量達(dá)到6之后高于DPPM 80%的編碼效率，節(jié)電效率與DPPM相近(約為60%)。

對于適合脈沖發(fā)生器的有保護(hù)時隙的PPM編碼，圖7給出了P=2時的比較結(jié)果。圖中DPPM編碼及節(jié)電效率選擇了N=3時的最大值，多于3個的信息可以拆分為3個一組進(jìn)行編碼，其編碼效率及節(jié)電效率基本保持不變。可以看到，當(dāng)N=12之后，MPPM的編碼效率高于DPPM。

圖7 DPPM與MPPM編碼效率及節(jié)電效率比較Fig.7 Comparison of coding efficiency and energy saving efficiency between DPPM and MPPM

當(dāng)信息位數(shù)較多時，MPPM的編碼映射變得復(fù)雜起來。常用的PPM編碼映射方法有列表法、星座圖法，對于二脈沖的MPPM還可以用三角矩陣來映射[13]。當(dāng)P=2、N=12時，MPPM的脈沖數(shù)量K=5，此時編碼映射關(guān)系復(fù)雜、組合數(shù)量多，不利于編程實(shí)現(xiàn)；與此同時，DPPM編碼映射簡單，方便編碼及譯碼操作。

N=3、P=2時的DPPM編碼見表3。

該編碼方式無需列表，每個脈沖前有與值同樣數(shù)量的時隙，只需簡單編程即可實(shí)現(xiàn)。在同步譯碼時，只需檢出脈沖，按照脈沖分段，去掉脈沖及脈沖后的2個保護(hù)時隙，統(tǒng)計剩余時隙的數(shù)量就是譯碼后的值。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用正脈沖發(fā)生器作為北京石油機(jī)械有限公司研制的信息鉆桿的備份信道，同時具備DPPM與MPPM兩種信號編碼方式，保留MPPM編碼的原因在于需要兼容之前的MWD儀器編碼。地面系統(tǒng)的解碼算法包含了小波分析的去噪算法，該算法與常規(guī)濾波算法相比具有更高的解碼成功率。

進(jìn)行地面試驗(yàn)時，利用螺桿鉆具試驗(yàn)臺對正脈沖發(fā)生器進(jìn)行加壓試驗(yàn)，DPPM與MPPM編碼的解碼正確率均為100%；設(shè)定保護(hù)時隙數(shù)量分別為1～3，解碼正確率均為100%，沒有表現(xiàn)出差異?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果也未發(fā)現(xiàn)明顯的差異，即在上述解碼條件下，DPPM與MPPM 2種信號編碼方式的解碼正確率基本相同。

信息位數(shù)較少時，DPPM的編碼效率高于MPPM，即傳輸速率更高，此時節(jié)電效率也更高，意味著可以延長脈沖器發(fā)生的使用壽命；且DPPM編碼方式簡便易行，因此將其作為信息鉆桿備用信道的優(yōu)先編碼方式。

7 結(jié) 論

1) 為了滿足正脈沖發(fā)生器節(jié)流閥充放電的需求，鉆井液脈沖信號的PPM編碼中需要加入保護(hù)時隙。帶保護(hù)時隙的PPM編碼有助于提高生產(chǎn)效率、節(jié)省電能、延長脈沖發(fā)生器的使用壽命。

2) MPPM編碼的信息位數(shù)越大，其編碼效率越高。保護(hù)時隙的數(shù)量相同時，DPPM編碼效率有極大值，多位信息可以通過簡單組合編碼來實(shí)現(xiàn)最高的編碼效率。

3) DPPM的編碼映射簡單，有利于編程實(shí)現(xiàn)編碼及譯碼，是較好的高效PPM編碼方式，建議作為信息鉆桿備用信道的優(yōu)先編碼方式。