（信号与信息处理专业论文）油井参数遥测系统接收分系统设计.pdf

哈尔滨i ：稃人产颂十学f 论文 摘要 油井参数遥测系统这一课题的研究内容是将r 余米油井下的温度、压力 等参数通过卢波传输到井口的过程中的信号的传输与处理。我们尝试也：油井 下安装换能器，换能器驱动石油管串作纵向振动，以声波做信息传播拔体， 以氏石油管串作为卢波传播的信道，将井f 的参数向地面实时f 七送到地面l 术。 论文的研究t 作包括：长油管串中声波的传播规律的验汁；1 实验系统f 三 号处理方案( 2 f s k 调制) 的论证：实验系统接收部分的硬什利软件的实现：低 功耗现场实时数据接收系统的硬件设计。 验i t e * , u 摸索h 大庆油hf 在使用的k 油管串对声波的通频舰律是本课题 的基础和父键，为此我们存室内做了若十次石油管声波传输测试，住大庆做 了次测量声波存地l 面上长油管中晌衰减情7 儿的外场1 史验。而且，我们还准 备做次人庆油r r | 的井下长油管串扫频实验，以分析卢波在浸泡丁油爿| 中油 水气的混合物中工作的氏油管串中传播时的衰减大小和频牢传输特点。 沦文中还比较洋细的阐述了以t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 为t 处理器的井下数掘典h 1 接收系统的丌发过程，重点描述了系统的硬件结构和对d s pt 、a s 3 2 0 c 6 4 6 的软什编稃。儿外，论文还对现场实时数据接收系统中的低功耗元件做了重 点介绍。 关键词：长行油管串，声传播，2 f s k ，d s p ，低功耗 哈尔滨i 程人学硕十学何沦文 a b s t r a c t t h em a i nj o b so ft h ep a r a m e ie ft e l e m e t r ys y s t e mf o ro i lw e l l si st h es i g n a l s t r a n s m i t t i n ga n dp r o c e s s i n gd u d n gt h ec o u r s e t h ep a r a m e t e r so ft h et e m p e r a t u r e a n dt h ep r e s s u r eu n d e rt h eb o u o mo ft h eo i lw e l l sb e i n gt a k e nt ot h em o u t ho ft h e w e l lb yt h ea c o u s t i cw a v e ，w et r yt os e tat r a n s d u c e ra tt h eb o t t o mo ft h ew e l l ， w h i c hw i l ld r i v et h ed r i l lp i p et ov i b r a t ev e r t i c a l l y ，t h u s ，w i t ht h ea c o u s t i cw a v ea s i n f o r m a t i o nc a r r i e ra n dw i t ht h ed r i l lp i p es t r i n ga st r a n s m i t t i n gc h a n n e l ，t h e p a r a m e t e ra tt h eb o t t o mo ft h eo i lw e l lc o u l db et r a n s m i tt ot h eg r o u n di nr e a l t i m e t h e r ea r es o m ec o n t e n t st ob es h o w e di nt h i sp a p e r ，i n c l u d i n gt h ev a l i d a t i o n f o rt h et r a n s m i t t i n gr u l eo ft h ea c o u s t i cw a v ei nt h ed r i l l p i p es t r i n g t h e a r g u m e n t a t i o no ft h es i g n a lp r o c e s s i n gs c h e m e ( 2 f s km o d u l a t i o n ) i nt h e e x p e r i e n c es y s t e m ，t h er e a l i z a t i o ni nh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h er e c e i v i n gp a r t o ft h ee x p e r i e n c es y s t e ma n dt h e d e s i g no ft h el o wp o w e rl o c a ld a t ar e c e i v i n g s y s t e mi nr e a lt i m e t h eb a s ea n dk e yp o i n to ft h i sp r o j e c ti st ov a l i d a t ea n df i s ho u tt h e t r a n s m i t t i n gr u l eo ft h ea c o u s t i cw a v ei nt h ed r i l lp i p es t r i n go fd a q i n go i lf i e l d f o rt h i sr e a s o n ，w eh a v ed o n es e v e r a la c o u s t i cw a v et r a n s m i t t i n ge x p e r i e n c e si n o u rl a b o r a t o r ya n do n eo u t f i e l de x p e r i e n c ei nd a q i n g0 nt e s t i n gt h ea t t e n u a t i o no f t h ea c o u s t i cw a v ea l o n gt h ed r i l l p i p es t r i n g w h a t m o r e ，w ea r ep r e p a r i n g a n o t h e r e x p e r i e n c e i nd a q i n go i l f i e l dt oa n a l y z et h ea t t e n u a t i o n a n dt h e t r a n s m i t t i n gc h a r a c l e ro f d i f f e r e n tf r e q u e n c yw h e nt h ed r i l lp i p es t r i n gi sd i p p e d i nt h ea d m i x t u r eo f t h eo i l w a t e ra n dg a si nt h eo i lw e l l a n o t h e ri m p o r t a n tp a r to ft h i st h e s i si st oi n t r o d u c et h ed e v e l o p i n g p r o c e s s e l t h er e c e i v i n gs y s t e mw i t ht h em a i np r o c e s s o ro ft m s 3 2 0 c 6 4 1 6f o rt h ed a t ao f t h eb o t t o mo ft h ew e l li nd e t a i la n dd e s c r i b et h ep r o g r a mo f t h ed s p t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 i na d d il i o l 2 t h et h e s ish a si n t r e d u c es o m e o wp o w e r ele m e n tw e ig h t ilvi nt h el o c a ld a t ar e c e i v i n gs y s t e mi nr e a lt i m e k e y w o r d s ：t h ed r i l lp i p es t r i n g ；a c o u s t i cw a v et r a n s m i t t i n g ；2 f s k ；d s p ；l o wp o w e r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重卢明：本论文的所有工作，是存导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据种文献的引用已存文中指出，并与参考文献栩对 应。除文中己注明d i 用的内容外，奉论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作。口i 成果。对本文n 9 研究做出重要贡献的个人和集体，均已存文中以刃确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果巾奉人 承扣。 作者( 签字) ： 同期：年月广1 哈尔滨l ：群人学颂+ 学位论文 1 1 课题背景。 第1 章绪论 在行油_ r 采这生j 。活动中，及时而准确的知晓油井下的井温利j 二j 丘等 参数是 e 常重要的。人们将根据这两个重要的参数了解储汕层的分巾情况， 确定u 新油井的采油深度、判断油井谨自身i 力喷油的能力和叮持续l i 、j l 口j 。 根据一i - 述几个依据井温和井压推算出来的指标，人们再选定采集位胃进行爆 破，确定们时需要对该油井进行注水加压操作，在后续工作中，人们还要依 锕井温和井压的实时变化情况随时凋整注水加压的操作和其他采集操作。爆 破、注水加压等这些操作足需要耗费巨大的人力、物力的，这些操作如果不 能够准确的进行就是刈这些人力、物力的浪费，而且也是刘l 】油井的供油 潜力的巨大浪费。可见，作为一系列复杂的后续操作的执行依据，井温和j 压等参数足必须被及时准确的提供给右油丌采工作者的。 长期以来，这个技术问题一直困扰着石油丌采工作者。过去井温、井压 等参数的观测方法共多，但那些方法均采用专门敷设电缆的有线传输方式。 这种办式就必须要求将电缆及所需参数的年日应传感器穿过油锊与套管之间的 问隙送入井下，井下渚传感器获得的信号再通过该敷设电缆输送到地山j 的接 收装置。人多数油井套管与油管之i 、丑j 问隙较小，且油井深达千余米以j 二，实 际操作中i 往需停产将电缆放到井底，年内又要进行多次测试，赀时赀力 耗资巨大。而：述这些测井参数设备多数还需进口，价格昂贵，耗费大量外 汇。很多时候，寸二油井套管与油管之间间隙过小，在实际操作中根本就没 仃办法将电缆敷设到上千米的深度。目前，大庆油用的大多数油井在试采过 程巾采用的方法都是将一块由电池供电的存储器安放在油井底部，传感器溃 到的数掘直接存入存储器。为了得到井f 的数掘和及时更换存储器r 巳池，人 们何隔很短的一段叫问( 一周或更短) ，就需要把存储器从油井底提出来。1 i 载完数掂，史换好电池后再把存储器放剑油井底郎。就这样，仅仅是为了j 温和井压这阿个参数，人庆的右油试采工作者每几天就要将上千米的油管提 出油爿- ，再放入油井。因为没有更好的办法，如此麻烦的操作不得不被反反 哈尔滨i 科人。7 帧十学位论文 复复地畦复着。而且，这样得到的数据当然无法实时反映出井底油层的温度 币j k 力情况。实际上，围外的石油企业目前解决这一问题的方法与我们也是 大同小异。多年来，国内外许多公司、许多科研j i ：作者都致力r 找到一种操 作起来省时省力的油井参数无线实时传输的方法。我们的课题就是基于这样 个石油工业生产的实际需要提出柬的。 油井参数声遥测系统这一课题的研究内容是将千余米油井下的温度、j i ! 力等参数通过声信号传输到井口的过程中的信号的传输与处理。我们尝试在 油井下安装换能器，换能器驱动石油管串作纵向振动，以声波做信息传播载 体，以长石油管串作为声波传播的信道，将井下的数掘实时传到地面卜求。 豳内虽然有人研究过无缆传输问题，但是都没有出什么实际成果。例如， i i 甬海洋大学申请了弩利名为 的0 利。该发明是这样实施的：通过井卜没胃的传感器将压力、温度参数编 码成声信号，经专门设计的卢发射换能器及相应的发射电路构成的井i c 发射 装置，山卢接收换能器等组成的井上接收装置，经泽码后实时捩得井i 、自关 参数。具体有压力、温度传感器和专f 设计的卢发射换能器及相应的发别 h 蹄组成片下发射装置，目除压力传感器的敏感头外皆密封在企属外壳内；升 上接收装置有声接收换能器接收声发射换能器发射的单一频率信号，其后以 选劫| | j h 胃放人器，锁相放火器及记录器，显示器进行记录。该专利阐述较简 单，其可行性不可判断。目自0 ，在国内外市场上也未见依此号利乍产的设备 投入使用。 早在阳卜年代，网外的许多公司就意识到油井参数遥测系统的经济价值， 都陆续的 展了相关的研究工作。这些研究工作都足各公司独立进行的，但 这砦公司在试用过许多方法后，都毫无例外地得山结论：沿金属长油管串进 行声波f 簟递是最有可能成功的方法。1 9 4 8 年，s u n0 i l 设计了套简单的发 射接收系统对油管声遥测的可行性做了了分析，他们当时得出的结论是：以 现有的技术条件，指望声波将油井下的信号传递j 二柬足不可能的。于是，这 l 贞研究就直被搁冒下来，直到1 9 6 9 年能够克服油管中声波高衰减的中继转 发技术的出现。 可以说，可实现的油井参数声遥测系统小仅在我罔罔内是急需填补的 哈尔滨i + 剧人学硕七学化论文 项技术空门，在欧美等发达国家也是困扰人们多年的一项技术难题。 1 2 长油管串中声波的传播规律”1 此项技术任国内研究还没有成功的先例，所以，就此项技术可 j 性的理 论基础问题我们重点查阅了国外的一些资料，特别是荚国和欧洲的有关专利。 这些专利零星地介绍了油管中声波传播的一些理论问题和其他的一l i = j 技术细 节，现将其中重要的理论问题整理如下，而其他的一些技术细节有很多并不 适心我们自己油f f 的实际情况，见参考文献。 1 2 1 油管中声波传播的声学模型 关刚人k i r k w o o d 和b a r n e s 提出的此卢学模型。他们认为油f n 巾采用的 油管串对声波束说是1 个机械梳状滤波器，就是声波的通带和i l 带十f 间分竹丁， 而_ l 匝带窄i | ，带宽。而且，他们还提出了计算声波在油管串中通带和i l 带分句 的经验公式：f o = 声速2 管节长度。而每个通带丌始的的左边缘都足此m 整数倍。 1 2 2 实际油管声信道的特点 为了验证上述卢学模型的正确性，s u no i l 公司的c h a n e y 和c o x 做过以 下的。史验，总结出了实际油管声信道的特点。 实验过程简介如下： 用铃锤存油爿：敲击油管一端，以短促脉冲激发出宽带信号。油管长度逐 渐加长，依次为3 1 3 英尺，5 2 7 蜒尺，9 1 9 英尺，1 2 5 3 英尺，1 5 6 6 英尺。下 皿求青接收，再进行数据分析。( 参罔i 1f i g l ，f 1 g 2 ) 哈尔滨i 样人学硕十学俯论文 、nn 弧u 如，t ， 。l ， w几“h k 廿h n 一、，h “凡j k 、vk 一、4 一 、以。j 、 一一 k 巧h 一、 。 一一 o唧4 0 0 08 0 01 0 0 01 0 。1 4 。1 6 0 0 图1 1 实际油管声信道实验示意图 法实验最后得出以下重要结论： 1 、管子连得越长通带越尖锐，止带越接近于零。也就是晓k i r k w o o d 和 b a r n e s 提出的此卢学模型中，油管串对声波的梳状滤波效应只有管于连到一 定长度j 能体现出束。 2 、在图1 2 巾我们看到4 8 0 h z 1 7 4 0 h z ，特别是6 0 0 h z m5 0 0 h z 这段 频率l ，c h a n e y 和c o x 的实验观察值与k i r k w o o d 和b a r n e s 的理论值有一 定5 入。合理的解释是，低频段通带之问有可能发生混迭。 哈尔滨i 稃人学倾十学何论文 r 疆s s 嚣e a e c r 三n 门l n o 5 0 0喀。1 5 0 0 2 南。 图1 2 声波通频带的实验观察值与理论值的山入 3 、艾验值的通带衰减有过渡带，而口实验找到的通带和理论计算出的通 借相比有一个平移，一般为右移2 0h z 。 4 、实际中，可操作的通带宽度一般为1 5 0h z 左右，低频通带要宽些， 高频通带要窄一些。低频段最佳的操作频率有时距通带中心频率1 0 0h z 左 右。 5 、管接头是对通频带有直接影响的： ( 1 ) 多余的金属在管接头q t 会阻碍固定频率声波的传播。只彳f 除上它们 ，j 能使油管串的声传播更接近于有舰律可寻的梳状滤波状态。 ( 2 ) 油管串的形变主要来自于管接 x - 。形变率= 罗纹形变管形变 ( 3 ) 油管串的疲劳程度( 即管接头的形变程度) 绝对是会影响通频带的。 通频带受影响的情况表示在图1 ：j 【 j 。管接头的形变将使通带的 边缘向庄 移，而通带序边缘并不改变。f | 3 中实线y , o 形变率7 门的油管 r ，虚线为 彤变率2 0 1 的油管串。陔图说明了随形变牢的增大，通带足如何变窄的。 兰硪睫l ，丁幔刚l 5 0 01 0 0 。1 5 0 3 f r 稚厮埘剖 啦r z 图1 3 形变率7 门的油管串声波通频带变窄 甜椭万峥h 毓一 s卜、 哈尔滨i ：程大学硕l 学何论文 ( 4 ) 形变萼蔓2 l 的油管串的通频带基本上与c h a n e y 和c o x 的实验观察值 一致。形变率1 0 1 的油管串的通频带过窄，无法利朋。f k t 实际上，形变率达 1 0 1 的油管串已经彳；可能完成对它们本身的机械支撑。( 参图1 4 ) 譬强磬鬈陬s i ns 嚯腋嘲警f f 眦阱 图1 4 形变率1 0 1 的油管串的通频带过窄 尺3 00 英尺和3 1 3 英尺种类型的管子的通频带的区别。 三弧嘲腿雕弧皿 兰。阿 们月e 卫卫田 一1 i 0 引j 丌d f 棒l 上翻p e 一一一f 镧嘲2 0 f 薅慵n c y 水h e r t z ；s 。协0v e l o c f r yn 4 5 0f t ，s 图1 i ：4 50 英尺，3 0 0 英尺和3 1 3 英尺三种类型的管孚的通频带的 匿别 | 耋 一 一 嘲 一 哈尔滨l 徉人学硕十学似论文 总之，以上声波在油管中的传播规律是我们这个项目可行性的理论基础。 旷是毯f 以上规律，再加上我们对自己油用。丈际情况的实验和调查，j 使得我 们n 一以声波为信息传播载体的基础上刊信号进 j 处理的技术设想自i 实施的可 能。 1 3 论文主要研究内容 1 初步摸索长油管串中卢波的传播规律。做两次外场实验： 第次实验( 井上2 0 0 米油管声波衰减实验) 对声波在油管中的衰减情 况进行测量，分析平地上2 0 0 米长油管对声波的通频规律，但对实际工作环 境一十油管的通频带的情况只能作为一项参考。第一次实验( 井卜扫频实验) 坩j _ 长油管在实际 作环境中对声波的通频带进行验汪。 2 完成井f 凋频信号的接收和解调： 对多通道数据采集设备从井下采上来的数据进行了处理，利用m a t l a b 程序进行非灾时解调解码。调试以d s p 6 4 1 6 为核心的数字信号处理板并完成 升f 涧频f 高号的实时接收和解调。 3 低功耗现场实时数振接收系统方案的确定和硬件设计。 哈尔滨i ：烈人学颁- i ：。学位论文 第2 章井下扫频实验方案的确定 2 1 引言 匦1 为地面上石油管的声环境与井下石油管的卢环境肯较人区别，文际，l 产活动中长f i 油管串是要浸泡于油井中油水气的混合物中工作的，我们归根 到底要把设备放在油井下丽。刈我们柬说，最终有价值的通频带姚律是当汕 管处在这样复杂的1 二作环境巾时对声波的通频舰律。所以，我们希掣以现在 的技术设备仿照s u n 0 订公一j 的c h a n e y 和c o x 做过的井下长油管串扫频实验 的思路做一次大庆油日1 的井卜长油管串扫频实验。扫频实验的同的酋先足完 成这次井、数据的采受和分析，期望摸索m 实际工作环境中的长油管串存中 低频段划卢波的通频规律，同时，我们也白行玎发了一套通信系统，希望在 j e 成这次仆下数据的采集之后，也进行一次井下数据实叫发射和接收的尝试。 为了准备这次实验，我们先后在摩内做了若干次石油管声波传输测试， 而曰电存人庚做了一次测量声波在长油管中的衰减情况的外场实验。根据这 螋。丈验得到的数据，我们讨论确定了井下数据实时发射和接收实验的信弓处 理7 i 案。 2 2 对长油管串中声波的传播规律的验证 为了验证长油管串中声波的传播舰律和摸索出大庆油用 f 庄使用的油管 列声波的通频规律，我们在室内做了若干次石油管声波传输测试，而日电花 大庆做了次测量声波在长油管中的衰减情况的外场实验，以分析声波芷大 j 犬油i h 的油管巾传播时的衰减大小和频率传输特点。 22 1 室内实验 扯去大庆做外场实验之日u ，我们苗先住实验室对两根1 5 米氏的自油管 做了。下频响测试。我仃j 自己设计了一个厚端盖加存管的三嵩，用铁锤敲击； 同时存管的另端贴上加速度讣，连接数据采集卡进行数据采集。 哈尔滨i 槲人1 7 ：硕十7 ：忙论文 l 列为锤子激励在油管一端产生的是宽频信号，所以我们用m a7 f l a b 编写 程序，对不同频率声波在短石油管中传播的情况进行分析。1 5 米长的石油 管受到激励后各频率声波的传播情况如图2 1 所示，显然直流频响非常大， 原因足管氏很短，锤子敲击是低频操作，能量主要集中在低频。 图2 1 锤子敲击后1 5 米长打油管的中低频段响应 ( 横坐标为频率，纵坐标为不i 刊频率的幅值响应) 为了更好的观察我们关注的低频段声波的通频情况我们滤除了直流频响 如罔2 2 和圈2 3 所示( 横坐标为频率，纵坐标为f ：同频率的幅值响应) ： 图2 2 锤了敲击后1 5 米长石油管的中低频段响应( 滤掉最大的直流频响) 哈尔滨i ：科人学硕十学位论文 罔2 3 锤子敲击后3 米长石油管的中低频段响应( 滤掉最大的直流频响) 管子很短，我们没有办法测量声波衰减。虽然在有的频率出现了通频的 高峰，但我们并不能找到止带，也就是说几米k 的管子根本就体现_ i 出来梳 状滤波效应前述结论的第一条得到了验证。而通频的高峰也未必就是某通 频带的中心频率，它们良好的通频特性极n j 能是因为通带之川混迭而j 。，卜的 假琢。 总之，对于油管串声传播舰律的摸索的实验必须以油管串连接到一定长 度为前提。 2 2 2 测量声波在长油管中的衰减情况的外场实验 2 0 0 4 年3 月2 3 同，我们在大庆进行了一次测景卢波在长油管中的衰减 情况的外场实验。这一次实验是在地面卜进行的，这一次实验的数据对声波 在油管中的衰减情况仃一定的说明。 传输频二誊应选传输衰减最小的频率，同时避丌背景噪声最大频二年。输油 管的传播衰减最小的频率应为输油管的三个共振频率，根据钢的声速及输油 管的尺、l 卜，输油管的理论纵向共振频率应在3 0 0 h z 左右，此频率较低，也存 背景噪声的频率范围内，所以我们重点考查它的高次谐波频率。 哈尔滨i 释人。7 ：颂十学化论丈 。受验j j 法： 将被测油管在地面连接2 0 0 米。在油管的一端安装激振器，在钎壁另一 端贴一个加速度计，发送单频信号，测接收电压；在2 0 0 l i z 一2 1 k h z 范i hs j , j 连续改变频率，再次测接收电压。改变加速度计和采集系统的位冒，测不同 频率下的接收电压：将加速度计和采集系统换到发送端，再次测不i 刊频率f 的接收电压。分列得到不同距离不同频率的测量结果。实验的i 殳备连接方法 如下图2 4 ： 期a g 蛳般h “d 蚪0 i t 1 0 0 米 圈2 4 实验示意图( 未画出所有结又) 根据实验数据，计算不同距离处的频响曲线( 归化) 如f 图所示。 2 ( x 】米 图2 5 一- 个位置的对数频响曲线对比：实线为发送端幅频特性； 点化线为1 0 0 米处幅频特性：虚线为2 0 0 米处幅频特性。 山于测量误差，1 0 0 水处的1 4 _ r h z 点与实际情况有较人差异。 根掘观察，7 0 0 h z 、1 2 0 0 h z 及1 4 0 0 t l z 频率点有较高的响应，汁算结果表 明，确：7 0 0 f i z 处每甬米衰减12 4 d b ，15 0 0 米共衰减1 8 6 d b 。1 2 0 0 h z 处1 0 4 d b ， 哈尔滨1 料人彳硕十学 奇论文 1 4 0 0 l l z 处1 0 4 d b ，1 5 0 0 米共衰减1 5 6 d b 。 山于文验条件的限制，我们这次实验得到的数据也是很有限的。凭这些 数据唯一能够确定的结论就是卢波以，i 二述几个频率传输时，其衰减最小。仉 对比我们仵室内实验中得到的频谱图，我们发现卢波已经很明显的呈现梳状 通止规律。而目，再对比图1 1 f i ( j 2 中囡外实测出的通频带，我们发现闫外 实测出的两个中低频段通频带的跨越范围大约为4 0 0 h z 左右，这和我俐在 1 2 0 0 h z 和1 4 0 0 f l z 两个频段测出的结果是基本吻合的。据此，我们推测l 2 0 0 h z 和1 4 0 0 i i z 为两个l 巾低频段通频带的中心频率。 1 划无法归纳汕管在地面和在油井中的差别，我们暂考虑下次实验的油井 传输系统选用1 2 0 0 h z 和14 0 0 1 t z 作为亿输频率，而对井下卢发射换能器的要 求足能充分覆盖这两个频率。 2 3 井下扫频实验中信号处理方案的确定 码率：发射机的要求占空比为1 ：9 。因为本系统的数据量很小，而剧发 送时m 充裕，所以主要考虑提高解调以后的频率分辨率，我们决定一秒内j 发一个码码元长度为】0 0 m s ，剩余的9 0 0 m s 为空闲时间。容易知道，解调 时的频率分辨率为l o l z 。 调制方式的选择：采用_ 进制频移键控( 2 f s k ) 调制方式。 解调方式的选择：解渊方式采用非相干解凋。 编码方式的选择：虽然同体声传输媒介较为简单，但井下情况非常复杂， 住实验系统中暂假设不存在码问干扰，不采用均衡。又因为数捌量很小、码 率缏低，所以编码方式采用较简单的正反码。 同步力式的选择：为了在同步的同时能够进一步分析油管声信道的通频 特性，选择线性调频信弓作为同步。 2 3 1 调制方式采用二进制数字频率调制系统h ” 比较几种数字调制系统的性能，由于信号数据率不人，不必采用多进制 哈尔滨i 群人。学顺十学化论文 数字涧制系统。正弦载波数字调制系统即_ h j 基带信号对载波波形的某些参骷 进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。二进制正弦载波数 字涮制系统包括振幅键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和相移键控( f s k ) i 种 基本信号调制形式，基本结构如下罔所示： 图2 6 限弦载波数字调制系统的基本结构 对于2 a s k 、2 f s k ，相十和非相十解渊在火信噪比的条件下r l 能接近，而 非相丁解调简单，更为实用。抗加性高斯白噪声方i 百2 1 s k 最f ，2 17 s k 次之， 2 a s k 最差：相同信噪比下，相干2 p s k 误码率最低。由于2 a s k 需设胃判决门 限，战从对信道特性变化的敏感性而占性能最差。 频带传输中的误码性能列比如表2 1 所示： 表2 1 频带传输中的误码性能对比 相干2 a s k相t2 p s k e r r c 6 相t2 f s k 三。，尼生! ，居，仁 2 “ 2 2 “ v2 1 f相 1 二 1 - - e ，4 1 r 相1m 相丁 ! c 叫? 2 a s k 2 2 p s k2 f s k2 2 除了以上对各种信号调制与式性能综合考虑之外，我们也考虑了绪论叶一 提到的长油管梳状滤波的声学特性和在地面上2 0 0 米油管声波衰减实验后分 析得到的大庆油罔长油管的频响曲线，最后我们决定尝试选取两个在长油管 中寝减最小的频率1 2 k 和1 4 k 作为发射频率进行二进制频移键拎渊制。 我们发现r 卜低频段的两个通频带般部分析j 在4 0 0 h z 的带宽范隔以内， 哈尔滨j 样人。学硕十学位 仑文 这样的带宽存现在换能器技术所能提供给我们的发射频带宽度的覆盖范刚以 内。利用2 f s k 的基本思路就是在换能器所能覆盖的带宽范围内分别选择两 个不同通频带的中心频率作为发射出去的正弦波的频率。在现有技术条什所 能达到的范围内选择信号的调制方式是我们最后确定2 f s k 信号调制方式的 是_ i 要原因。 数字频率调制又称频移键控( f s k ) ，用基带数据信号控制载波频率。当 传送“1 ”t i - 5 , 寸送出一个频率f 1 ，传送“0 ”码时送出另一个频率f 0 。它的基 书原理是利用载波振荡的频率变化束传递数字信息。 数字频率调制是在数字通信中使用比较早的一种调制方式。由r 它。实现 比较容易，解凋时也不需要同频同相的十月干载波，剧而设各也不算太复杂。 同时，数字凋频系统抗 ：扰性能优于幅度凋伟0 系统。频率凋制的不足之处是 占用信道频带较宽，故信道频带利用率较低。因此，数字调频主耍用于衰落 信道和频带较览的信道、低速或中低速的数据传输中( 是因为住相同传信率 下，需要比数字凋幅和数字调相更宽的传输频带) 。虽然，我们得至j 的一个通 频带4 0 0 l l z 的带宽并不宽，但是油管的梳状通频特性使得我们可以利用两个 不l 亓j 通频带的中心频率柬进行2 f s k 调制，从这个意义上讲梳状通频的长油管 串的声信道是一种频带较宽的信道。 数字颁率调制的分为相位连续的频移键控和相位不连续的频移键控。 实现数字频率凋制的方法一般有二种：直接调频法和频率转换法。直接 调频，就是用数字基带信号去控制一个振荡器的某些参数而达到改变振荡频 牢的目的，所得2 f s k 信号是相位连续的波形。频率转换法是键控法是用数字 基带信号控制二个独立的振荡器，所得2 f s k 信号是相位不连续的波形。 2 3 2 二进制移频键控( 2 f s k ) 信号的功率谱h 1 【5 i ( 惦g ( t 一胛r ) ，( ，) _ 孤( ，一n l ) 式中g ( t ) 为单个矩形脉冲宽度为t 、。 f0 ，概率为p 出 2 1 l 概率为l p ( 2 1 ) ( 2 2 ) 哈尔滨1 样人学硕十学f 市论文 i 是巩的反码，即i = 。，1 懈概率y o 为i - p p 。 则e w ( f ) = s l ( t ) c o s ( 6 0 l f + 氟) + s 2 ( f ) c o s ( ( 0 2 ，+ 办) ( 23 ) ? ：采用幅度和宽度都相同的两个荦极性随机脉冲序列s 。( t ) 和s ：( t ) 其；功 率谱密度的表达式是相同的。当p ( 0 ) = p ( 1 ) 时，有 p s ( ) = 去一【皇瓣 2 + 去i f 皇瓣1 2 + 熹万( 厂+ 石) + 去占( 厂一_ ) + 去z 专糌r + i r f 兰! 糌】2 + 去j ( ，+ j ) + 丧占( 厂厶) ( 24 ) 所以，2 f s k 的功率谱对称于= ( + c 0 2 ) 2 的两个2 a s k j 力牢谱的总 和。 日位不连续的2 f s k 信号的功率潜与2 a s k 信号的功率潜相似，同样由连 续谱和离散谱组成。其中连续i 普由两个舣边带谱叠加而成，离散谱m 现在r 1 和f 1 0 的两个救频位置e 。 若二个载频之差较大，则连续谱将出现双峰，峰值对心于这二个载频位 置。如逐渐减小频率差，则叔峰随之靠近，最后并为单峰。 如果仪计及2 f s k 信号频谱第一个零点之问的频率间隔，桐让不连续的 2 f s k 信号的频带宽度n 可按下式计算：b = l 一 + 2 l ，式中f = l 肛为码 元速? 缸。 实际中为了节约频带和提高系统抗噪声的能力，要求所选取的两个载频 和满足卜交特性。所谓f 交特性就是要求所选取的两个载频和在一个码元周 划内满足1 、式： 【、c o s 【_ o ) l ，+ 办) c o s ( o ) 2 f + 识) d r = 0 ( 2 5 ) 这实质j ：是要求所选取的两个载频之问的问隔应为0 j 、的整数倍。即 i 一f 1 = m y , ，m 为讵整数 哈尔滨i “人学硕十学何论文 郧么b = m f 、+ 2 r 、。当m = l 时，2 f s k 信号具有最小频带宽度b - 3 f 、。这时系 统频带利用二瞽为r b = 1 3 b i t i ( s h z l 。 2 3 3 二进制移频键控( 2 f s k ) 系统非相干和相干两种解调方法 的性能比较“m 1 图2 7 常用的接收系统非相干方式和相干方式 在图2 7 中，每一系统用两个带通滤波器柬区分中心角频率t o i 和u 。的 信弓妈元。假设带通滤波器恰好使相应的信号无失真通过，则其输出端的波 形y ( l ) 可表示威 y c 。= 篡：葛：夏跫萎惹! 答 。：一。， 其中 i d c o s ( ) ! ，0 ， l ”，w “j 2 0 武中n ( l ) 窄带高斯过程。 1 ) 采用非相干方式，即包络检波法时的性能 ( 27 ) l f 翔吼 ，甜 s 0cd ，。l = )u 哈尔滨i ：科人学硕i j 学位论文 假设在( 0 ，t 、) 时间内所发送的码元为1 ( 对应t u ) ，则这时送入抽 样判陕器进 j ：比较的两路数据包络分别为 k ( r ) = 石i 而而 ( 胪履丽万丽 式中v ，( t ) 一相应于m 通道的包络函数； 式中v 。( t ) 相应于t o ? 通道的包络函数： v 。( t ) 的一维概率分稚为广义瑞利分靠， 化) = 之o - e x p 【专f “。( 鲁) z o 己6 6 三称莱斯( r i c e ) 密度函数。如果a = 0 ，则卜式变为 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 21 0 ) ， 2 m ) 2 砉。x p l 一抄z - z o ( 1 ) 即为瑞剧分前i 。v 二( t ) 的一维概率分布为瑞利分布。显然，肖v ，( l ) 的取 样值v 。小于v ? ( t ) 的取样值v ：时，则发生判决错误，其错误概率为 p “2p ( _ k ) 2 j ，：( u ) 【j 一，l ( v ：) a v a d v , = 睁r 等) e x p ( - 2 v 2 - a 2 ) 2 咖虬 1 2 经计算得p 。；为 p “= 去p “ ( 2 1 ： ) 式中，r = 2 2 仃：为信噪比。 同理可求得当发“0 ”码时的错误概率p 。预上式完全一样，即 p ，2 = = 1 “ ( 2 1 4 ) 于足可得包络硷波法的2 f s kj f 相干接收系统的总误码率p p 。= e ”“ ( 2 一l5 ) 2 ) 采用相干方式，即同步检测法时的系统性能 假定在( 0 ，t ，) 时问内所发送的码元为“1 ”，则这是送入抽卡t 刈决器进 行比较的两路输入波形分别为 哈尔滨1 - h i1 人学硕士学佗论文 l x i ( f ) = d + n l c ( ，) ix 2 ( f ) = 。( f ) ( 2 一1 6 ) 式巾x ( c ) 一相应于。，通道的输入； 式中x ：( t ) 一相应于u ：通道的输入； 因为n ，。( t ) 及n ：。( l ) 郁是高斯随机过程，故抽样值x i 是均值为a 、力差为 的一念随机变量；而抽样值x j 也是均值为0 、, 5 - ：差2 j 蠢的一念随机变量。 由1 i 此时_ x ：将造成把“l ”码错误判决为“0 ”码，故这时错误概；# l ， 为 只j = j p ( t i z 2 ) = | p f ( 口+ 】，) 吾 z c ，：s c ，+ j ；c ，： i 8 “! a ，+ e “：1 i 至 根抓h i l b e n 变换性质，月( t ) = 亍1r e 足，( t ) ，求解最( 疗无疑要容易得多 这给讨论问题带来不少方便。 r x ( t ) = ) ( f ) x + ( ) d f _ 亭r x ( ，) x + ( ) d ， = 噩m 。) 柏1 旧“。小卜“r k ，神一p 1 硝7 ) ( 2 - 2 3 ) 令口= 2 a r r 一掣一，= 和通过三角函数关系式，上式可化简为 盖 哈尔滨l ：氍人学硕十学 节论文 嘶) = 等c o s c l 一- j s i n 口) 月心) ：等尝- c o s d ( 2 - 2 4 ) ：了a2 萼掣c 0 2 砜，耻z ) ，o 。r ( 2 删 2 了百啪文2 可。1 一冗町j o 主1 s 。眇趵 b 此得线性调频信号的白相关函数为 c o 2 丐j t ) 一丌h 下2 ) ，j t ! s7 1 l t r ( 2 2 6 ) 假定l f m 信号参数为：矗= 】3k h z ，l , = j o k h z ， r = 4k b l z ，t21 0 0m n ， 瑚绘出接收帆在婵想情况下( 信号未经噪卢污染和畸变) 的归+ 化自柑笑蛹 数曲线。 图2 1 4l f m 信号归化1 拧( 疗l 曲线 2 3 7 2 通过梳状滤波器的线性调频信号 线性调频信号是我们经常用束做蚓步的信号之一，在对它的使用上面我们 还是积累了一些经验。但是，如果把以线性调频信号作为长油管串声信道巾的 同步信号，那么我们就必须保证这个同步信号在经过梳状滤波群以后要保持 掣 尘：q 哈尔滨i 群人学硕：1 ：学何论文 较女r 的町检测性。为此，我们先给普通的线性调频信号加上窗，然后用此加 了寓的线。陆调频信号再与原始的线性调频信号做相关，得到的d 斗目关函数曲 线如下： 图2 1 5 通过梳状滤波器l f m 信号归一化：片( 力i 曲线 山围2 15 可知，互相关曲线的形状和6 i 面的白相关曲线的形状足很相似 的，虽然旁瓣升高，最大互相关峰幅值有所降低，但最大互相关峰依然 p l - i 晰 明显，其检测性能是可以保汪的。实际卜，经过梳状滤波器的线性渊频同步 就好比是通过百叶窗去看一个人，如果通光的缝隙有足够的宽度，是可以辨 认出这个人是谁的。 我们在同步过程中寻找最大相关峰的方法是利用逐点比较，若某峰连续 比较5 0 0 点以后部没有能找到比它更大的峰值，即可判断出该峰就是要寻找 的最大相关峰。