數(shù)字自適應均衡技術(shù)在曼徹斯特碼單芯電纜通訊中的應用

劉杰,劉立蒙,李愛玲,李冰,李國瑋,屈凡

(1.中國石油集團測井有限公司測井技術(shù)研究院,陜西西安710021;2.中國石油集團測井有限公司物資裝備處,陜西西安710021;3.中國石油集團測井有限公司長慶分公司,陜西西安710021;4.中國石油集團測井有限公司科技處,陜西西安710021)

0 引 言

曼徹斯特碼(Manchester Code)在石油測井遙傳通訊中最早由哈里波頓公司使用,中國注產(chǎn)剖面測井儀器也大量采用這種編碼方式。這種編碼具有豐富的時鐘信息且不含直流分量,編碼簡單,實現(xiàn)復雜度低,有利于在電路接收端恢復數(shù)據(jù)位時鐘,適合電路空間相對緊湊的小直徑生產(chǎn)測井儀器使用。曼徹斯特碼又稱裂向碼或雙向碼,由同步位、數(shù)據(jù)位和校驗位3部分組成[1]。其編碼規(guī)則:同步位由2個1.5倍位時間的不同電平組成,命令幀的同步位與數(shù)據(jù)幀的同步位波形相反;數(shù)據(jù)共16位,由高電平跳到低電平時表示“1”,由低電平跳到高電平時表示“0”;校驗位采用奇校驗,電平映射方法同數(shù)據(jù)位。

生產(chǎn)測井作業(yè)多使用單芯電纜進行數(shù)據(jù)傳輸,單芯電纜的結(jié)構(gòu)和材料決定其傳輸特性隨信號頻率的增加而變差。電纜直徑越小、長度越長則信號幅度衰減越快[2]。在通過電纜后,曼徹斯特碼包含的不同頻率分量信號會產(chǎn)生不同程度的幅度衰減和相移,表現(xiàn)在接收端為模擬信號的波形畸變。當畸變超過解碼電路的容錯范圍時就會產(chǎn)生錯誤解碼,導致測試數(shù)據(jù)的丟失。

1 傳統(tǒng)曼徹斯特碼解碼方法

傳統(tǒng)曼徹斯特碼解碼方法多采用模擬電路進行畸變信號的均衡與矯正。接收信號首先進入低通濾波器濾除接收信號的帶外噪聲,經(jīng)過可控增益放大器將輸入信號幅度調(diào)整到合適范圍,然后通過固定或可調(diào)閾值比較器后將模擬信號整形為數(shù)字脈沖信號,最后通過邏輯判決和解碼器識別脈沖信號邊沿,將其按照編碼規(guī)則轉(zhuǎn)換為代表“0”或“1”的比特數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)曼徹斯特碼解碼方法結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn),在傳輸速率低于10 kbps、電纜長度5 000 m以內(nèi)、傳輸特性較好的條件下具有較好的解碼性能,可以滿足常規(guī)測井的需求。但在面對傳輸特性較差的電纜(長電纜、防硫化氫電纜等)或更高編碼速率時,接收信號可能產(chǎn)生較為嚴重的畸變,導致該信號通過解碼器中的幅度比較器時,部分脈沖的最佳判決閾值超過電路設計范圍,使解碼器產(chǎn)生誤碼。

克服這種畸變影響的一個方法是使用均衡器,設計良好的均衡器可以較好地補償傳輸信號通過測井電纜時帶來的波形畸變,使比較器、邏輯判決和解碼器單元恢復正常工作。均衡器一般可以分為參數(shù)固定式和參數(shù)可調(diào)式2類?？紤]到測井數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需要適應經(jīng)常變化的電纜信道問題,測井電纜通訊系統(tǒng)應具備根據(jù)不同配接電纜調(diào)整均衡參數(shù)的能力。

2 基于數(shù)字自適應均衡技術(shù)的曼徹斯特碼解碼器設計

數(shù)字自適應均衡器采用自適應數(shù)字信號處理算法,準確計算并自動調(diào)整、跟蹤、適應信道特性的均衡參數(shù),無需人工干預,是一種較為理想的測井電纜均衡器。

基于數(shù)字自適應均衡技術(shù)的曼徹斯特碼解碼器的結(jié)構(gòu)見圖1。這種解碼器與傳統(tǒng)解碼器的主要差異是在可控增益放大器后面使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,在數(shù)字域先實現(xiàn)自適應均衡,再經(jīng)過數(shù)字幅度比較器,送入邏輯判決和解碼器。

圖1 基于數(shù)字自適應均衡技術(shù)的曼徹斯特碼解碼器結(jié)構(gòu)

該解碼器的核心是數(shù)字自適應均衡器。在均衡器中,首先根據(jù)接收數(shù)據(jù)的功率找出數(shù)據(jù)波形的起止位置,在數(shù)據(jù)發(fā)送期間根據(jù)曼徹斯特碼的編碼規(guī)則定位能量最大的2個1.5倍位時間的同步頭,根據(jù)數(shù)據(jù)同步接頭的位置和已知的位時間得到曼徹斯特碼的數(shù)據(jù)位位置。考慮到曼徹斯特碼的編碼特征,算法中每個數(shù)據(jù)位和校驗位應取至少2個采樣點。然后根據(jù)曼徹斯特碼發(fā)送信號的幅度近似恒定的特點,采用CMA(Const Modulus Algorithm)算法,通過對多個接收信號的迭代計算得出均衡參數(shù)[5-6]。

采用CMA算法的均衡濾波器基本結(jié)構(gòu)見圖2,CMA算法更新均衡濾波的抽頭系數(shù)w(n),均衡濾波器采用有限沖擊響應結(jié)構(gòu)。

圖2 采用CMA算法的均衡濾波器結(jié)構(gòu)框圖

首先建立經(jīng)過電纜畸變的均衡器輸入信號x(n)的表達式

n=0,1,2,…,N-1

(1)

式中,x(n)為經(jīng)過電纜畸變后的曼徹斯特碼信號;h(nTs-kTs)為電纜信道的脈沖響應函數(shù);s(k)為發(fā)送端的曼徹斯特碼信號;k為符號編號;Ts為符號周期,s;noise(n)為同x(n)相互獨立的加性白噪聲;n為數(shù)據(jù)序號。

輸入信號x(n)通過以CMA算法為核心的均衡濾波器后,與輸出y(n)之間的關(guān)系

(2)

式中,W為均衡器的抽頭系數(shù)向量;N為階數(shù)位;*為共軛運算;H為共軛轉(zhuǎn)置。

CMA均衡器的代價函數(shù)

(3)

R2=E{|s(n)|4}/E{|s(n)|2}

(4)

式中,R為相關(guān)系數(shù)。

CMA均衡器是按照隨機梯度算法調(diào)整均衡器抽頭系數(shù),從而使代價函數(shù)J(n)最小,抽頭系數(shù)的迭代方法為

w(n+1)=w(n)-μ*(n)x(n)

(5)

式中,μ為迭代步長,根據(jù)工程經(jīng)驗一般取值0.01～0.10,有較好的收斂速度的穩(wěn)態(tài)誤差。誤差函數(shù)(n)定義為

(n)=y(n)(|y(n)|2-R2)

(6)

與傳統(tǒng)曼徹斯特解碼器相比,圖2中的解碼器由于采用數(shù)字自適應均衡技術(shù),使得幅度比較器輸入端信號受電纜傳輸特性影響顯著降低,閾值有效性提高,從而誤碼率降低。

圖3為數(shù)字自適應均衡技術(shù)處理前后電纜信號時域波形對比。由接收端模擬波形可以看出,發(fā)送端的編碼波形經(jīng)過電纜造成了嚴重的畸變,若直接輸入比較器,將難以找到合適的比較閾值,導致大量誤碼甚至解碼失敗?；儾ㄐ瓮ㄟ^數(shù)字自適應均衡器后,畸變嚴重的信號波形得到了較好的補償與還原,有利于后續(xù)比較器判決、解碼工作。

圖3 采用數(shù)字自適應均衡技術(shù)的曼徹斯特碼解碼器的時域波形對比

3 應用情況

為檢驗自適應均衡器的實際工作性能,開展實際測井電纜測試工作,選擇多類不同品牌、長度、型號的電纜進行實際通訊解碼測試,現(xiàn)場總測試時間為160 h,測試結(jié)果見表1。測試結(jié)果表明,采用數(shù)字自適應均衡技術(shù)的電纜通訊系統(tǒng)平均誤碼率(加權(quán))為6.65×10-8,低于10-7,能夠滿足電纜測井對通訊可靠性的要求。

為了驗證數(shù)字自適應均衡技術(shù)在電纜測井過程中的實際應用效果,2020年9月采用該技術(shù)的生產(chǎn)測井地面系統(tǒng)完成一口井的吸水剖面測井作業(yè)?，F(xiàn)場作業(yè)過程中使用的是Camesa公司的T1K22SAOS7型防H2S電纜,長度為7 000 m;該井層間跨度較大,連續(xù)作業(yè)時間超過9 h,對通訊解碼的可靠性要求較高。經(jīng)過測試,在整口井的作業(yè)過程中通訊誤碼率為0,驗證了該技術(shù)的有效性。

4 結(jié) 論

(1)采用數(shù)字自適應均衡技術(shù),可以較好地解決生產(chǎn)測井單芯電纜通訊中遇到的曼徹斯特碼數(shù)據(jù)傳輸性能低、電纜配接參數(shù)調(diào)整復雜、電纜適配能力弱等問題。

(2)以數(shù)字自適應均衡技術(shù)設計的曼徹斯特碼解碼器,具有解碼誤碼率低、自動適配測井電纜的優(yōu)點,適用于電纜信道復雜多變的場合,是傳統(tǒng)測井電纜曼徹斯特碼解碼技術(shù)較好的替代方案。