鉆井液壓力相移鍵控信號(hào)的相干解調(diào)研究及誤碼率的分析

摘要：隨著地質(zhì)導(dǎo)向鉆井及閉環(huán)鉆井技術(shù)的發(fā)展，大量井下參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量與傳輸對(duì)井下信息的傳輸速率提出更高的要求。傳統(tǒng)的隨鉆測(cè)量（MWD）泥漿遙測(cè)系統(tǒng)通過(guò)提升閥產(chǎn)生壓力脈沖并采用基帶方式傳輸，信息傳輸速率低，最大傳輸速率約為3b/s，目前國(guó)外已用頻帶傳輸方式取代基帶傳輸。壓力信號(hào)的頻帶傳輸通常采用差分相移鍵控法（DPSK）及正交差分相移鍵控法（QPSK）進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制，頻帶傳輸相對(duì)基帶傳輸具有傳輸信息量大和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。由于基帶和頻帶的信號(hào)特征和頻譜不同，泥漿管路對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懹兴顒e。本文就針對(duì)差分相移鍵控法（DPSK）及正交差分相移鍵控法（QPSK）的相干解調(diào)研究及誤碼率進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：誤碼率;鉆井液壓力;相移鍵控信號(hào);相干解調(diào)

引言：隨鉆測(cè)量技術(shù)（MWD）是一種在不影響正常鉆進(jìn)狀態(tài)下，對(duì)鉆頭附近的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量，并通過(guò)鉆井液信道傳輸?shù)降孛鎯x器，加以分析研究的測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)為鉆井過(guò)程提供必要的工程參數(shù)與地層參數(shù)，是現(xiàn)代鉆井技術(shù)的重要輔助手段。本文主要涉及鉆井液連續(xù)壓力波的信號(hào)分析，包括鉆井液壓力PSK（相移鍵控）信號(hào)的相干解調(diào)方法研究及誤碼率分析。

一、鉆井液壓力相移鍵控信號(hào)相干解調(diào)分析

1、鉆井液壓力差分（DPSK）相移鍵控信號(hào)相干解調(diào)分析

鉆井液連續(xù)壓力DPSK信號(hào)的調(diào)制信號(hào)與一般通信中的電調(diào)制是很不相同的，主要區(qū)別在于DPSK信號(hào)的調(diào)制信號(hào)將鉆頭附近采集到信息轉(zhuǎn)換成控制脈沖，以此來(lái)用脈沖調(diào)制載波，從而形成載波調(diào)制信號(hào)。信號(hào)調(diào)制過(guò)程是一個(gè)正向的過(guò)程，而鉆井液壓力差分（DPSK）相移鍵控信號(hào)相干解調(diào)是屬于一個(gè)反向過(guò)程，信號(hào)調(diào)制過(guò)程中的碼元信息就是通過(guò)解調(diào)來(lái)復(fù)原?；鶐Ь幋a信號(hào)形成的控制脈沖來(lái)控制旋轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)速是鉆井液壓力DPSK（差分相移鍵控）調(diào)制過(guò)程中最重要的一點(diǎn)，使得信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)迅速下降，從而就會(huì)延遲壓力載波的相位來(lái)展示編碼信息，屬于是一種機(jī)械調(diào)制。這種信號(hào)解調(diào)都是用數(shù)字來(lái)制定規(guī)律，并且調(diào)制后的信號(hào)具有頻帶傳輸?shù)奶卣鳌毫d波的頻率一般小于或等于一百赫茲，目的是為了減小壓力信號(hào)在鉆井液中的傳輸損失，信號(hào)頻帶與載波的比值一般都在“1”左右，是寬帶信號(hào)中的典型。通過(guò)鉆井液壓力差分（DPSK）相移鍵控信號(hào)相干解調(diào)分析，可以得出以下三點(diǎn)結(jié)論，一，通過(guò)在相位相干解調(diào)的基礎(chǔ)上增加反余弦和求導(dǎo)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)閥控制脈沖的重構(gòu)，鉆井液壓力DPSK信號(hào)可以采用相干方式進(jìn)行解調(diào)，且無(wú)噪聲影響條件下解調(diào)效果較好;二，噪聲會(huì)對(duì)鉆井液壓力DPSK信號(hào)的幅度和相位產(chǎn)生干擾，即使在較大信噪比條件下，噪聲也會(huì)在一定程度上引起信號(hào)的相位誤差，對(duì)旋轉(zhuǎn)閥控制脈沖的重構(gòu)造成較大影響;三，旋轉(zhuǎn)閥控制脈沖的重構(gòu)受到信號(hào)頻帶內(nèi)噪聲垂直分量導(dǎo)數(shù)的嚴(yán)重影響，特別是在較高數(shù)據(jù)傳輸速率下，進(jìn)入信號(hào)頻帶的噪聲對(duì)控制脈沖重構(gòu)的影響更大;大幅提高輸入信號(hào)信噪比是鉆井液壓力DPSK信號(hào)相干解調(diào)系統(tǒng)獲得相對(duì)較小誤碼率的關(guān)鍵。

2、鉆井液壓力正交（QPSK）相移鍵控信號(hào)相干解調(diào)分析

鉆井液壓力正交（QPSK）相移鍵控信號(hào)相干解調(diào)是從已調(diào)信號(hào)中提取信號(hào)的過(guò)程。我們可以將兩個(gè)正交2PSK信號(hào)的相互疊加可以認(rèn)為是促進(jìn)QPSK的因素，要想分離出這兩路正交的2PSK信號(hào)，以兩路正交的相干載波為基礎(chǔ)來(lái)調(diào)解顯得容易了許多。在經(jīng)過(guò)鉆井液壓力正交（QPSK）相移鍵控信號(hào)相干解調(diào)出來(lái)兩路并行碼元a和b，讓它們通過(guò)串、并等轉(zhuǎn)換方式的轉(zhuǎn)換后成為串行數(shù)據(jù)輸出。鉆井液壓力正交（QPSK）相移鍵控信號(hào)相干解調(diào)在進(jìn)行解調(diào)時(shí)，已調(diào)載波信號(hào)的相位顯得非常重要，這關(guān)乎著載波相位分量在其位置上能否讓接收機(jī)從接收到的相關(guān)信號(hào)當(dāng)中估計(jì)出通過(guò)信息傳輸通道時(shí)所產(chǎn)生的載波相位，然后根據(jù)一定的情況給予一定的補(bǔ)償。鉆井液壓力正交相移鍵控（QPSK）信號(hào)的解調(diào)與解碼能否讓所攜帶信息得以良好的恢復(fù)，其高密度攜帶以及傳輸井下信息的特點(diǎn)發(fā)揮著很重要的作用。影響重構(gòu)脈沖的誤碼率因素的主要有兩個(gè)：一是鉆井液壓力QPSK信號(hào)相干解調(diào)系統(tǒng)固有干擾;二是隨機(jī)噪聲。相同輸入信號(hào)信噪比條件下，其影響程度遠(yuǎn)高于鉆井液壓力DPSK信號(hào)的相干解調(diào)。

二、鉆井液壓力相移鍵控信號(hào)的誤碼率分析

1、鉆井液壓力差分相移鍵控信號(hào)誤碼率分析

在信息傳輸過(guò)程中，接收端收到的信號(hào)并不是只有地層發(fā)送的信號(hào)，還包括信道中的噪聲。噪聲的影響使得接收端的電壓表現(xiàn)隨機(jī)性，所以接收碼元就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤的概率，可以用接收端的電壓統(tǒng)計(jì)特性來(lái)描述。DPSK信號(hào)傳輸過(guò)程中信號(hào)道中的噪聲是阻礙DPSK信號(hào)傳輸?shù)淖钪匾蛩刂?，噪音的干擾會(huì)促使接收端出現(xiàn)不正確的判斷，從而在接收端就會(huì)收到錯(cuò)誤的概率，這就是誤碼率。接收端收到的信號(hào)一般有兩種，第一種為當(dāng)輸出脈沖幅度為A的時(shí)候，信號(hào)就會(huì)表示為“1”，第二種為當(dāng)輸出無(wú)脈沖的時(shí)候，信號(hào)就會(huì)表示為“0”。所以在噪聲干擾的情況下，接收端就會(huì)出現(xiàn)2種可能類型的錯(cuò)誤：一，發(fā)送端發(fā)送“1”時(shí)，如果噪聲出現(xiàn)一個(gè)很大的負(fù)脈沖，這樣將會(huì)與信號(hào)抵消-部分，使接收端判錯(cuò)為“0”;二，發(fā)送端發(fā)送“0”時(shí)，如果噪聲出現(xiàn)一個(gè)很大的正脈沖，這樣會(huì)使接收端判錯(cuò)為“1”。

2、鉆井液壓力正交相移鍵控信號(hào)誤碼率分析

正交相移鍵控（QPSK）是一個(gè)通過(guò)轉(zhuǎn)換或調(diào)制來(lái)傳達(dá)數(shù)據(jù)的調(diào)制方法，基準(zhǔn)信號(hào)（載波）的定相。有時(shí)候也叫做第四期或者四相PSK或4-PSK，QPSK在星狀圖中使用四個(gè)點(diǎn)，平均分布在一個(gè)圓周上。在這四個(gè)相位上，QPSK每個(gè)符號(hào)能夠進(jìn)行兩位編碼，以格雷編碼的方式顯示在圖形上以最小化誤碼率（BER）。對(duì)于QPSK信號(hào)可以看成是將相位平面分成4等分，每一等分的相位間隔代表一個(gè)信號(hào)。由于噪聲的影響，接收機(jī)收到的信號(hào)相位會(huì)隨機(jī)變化。如果發(fā)送信號(hào)以0為基準(zhǔn)，則接收機(jī)的信號(hào)的相位θ在-π/4～π/4范圍內(nèi)變化時(shí)不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤判決。如果不在這個(gè)范圍內(nèi)概率就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以就會(huì)控制這個(gè)范圍下很大的功夫。

三、結(jié)論

通過(guò)在鉆井液壓力QPSK信號(hào)相干解調(diào)過(guò)程中，我們應(yīng)當(dāng)以相位輸出信號(hào)變化量的絕對(duì)值為計(jì)算基礎(chǔ)，進(jìn)行數(shù)值積分，得到重構(gòu)的QPSK信號(hào)的相移函數(shù)，對(duì)相移函數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚梢詫?shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速控制脈沖的重構(gòu)。數(shù)值仿真表明，通過(guò)理論計(jì)算得到的重構(gòu)脈沖誤碼率和仿真結(jié)果基本一致，說(shuō)明了所構(gòu)建的重構(gòu)脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算的準(zhǔn)確性。

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作者簡(jiǎn)介：

胡明1983年出生，2008年畢業(yè)于中國(guó)民航大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，工程師，就職于渤海鉆探定向井公司