（油气井工程专业论文）基于井下压力连续波信号传输的编解码技术研究.pdf

t h es t u d yo fe n c o d ea n dd e c o d et e c h n o l o g yb a s e do n d o w nh o l ep r e s s u r ec o n t i n u o u ss i g n a l c h e n p e i p e i ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d k e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gr u i - h e a b s t r a c t m w di st h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u ef o rd o w nh o l ed a t aa c q u i s i t i o n ， a n du s i n gm u d p r e s s u r ec o n t i n u o u sw a v e t ot r a n s m i td a t ai san e wm e t h o d t h r o u g h t h e a n a l y s i s a n ds t u d i e so ns o m em o d e so fw i r e l e s s t r a n s m i s s i o na sa c o u s t i cw a v e ，e l e c t r o m a g n e t i cw a v ea n dm u dp u l s e ，t h em u d p u l s eh a sb r i g h tf u t u r ef o ra p p l i c a t i o n c o n t i n u o u sw a v et r a n s m i s s i o nh a s s t r o n ga n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , h i g ht r a n s m i t t i n gr a t ea n d i sf i tf o rd e e pw e l l d r i l l i n ga n dt h el o w r o ps i t u a t i o nc o m p a r e dt op o s i t i v ea n dn e g a t i v ei m p u l s e o fm u dp r e s s u r e t h ep a p e rp r e s e n t st h es t u d yo ne n c o d ea n dd e c o d em e t h o d a n dm o d u l a t et e c h n i q u e sb a s e do nc o n t i n u o u sw a v et r a n s m i s s i o n a c c o r d i n g t os o m ek e yp a r a m e t e r sf o rs i g n a lt r a n s m i s s i o nq u a l i t ym e a s u r e m e n ta s t r a n s m i s s i o nr a t e ，e r r o rr a t e ，d e p e n d a b i l i t y , s i g n a l t o - n o i s e r a t i oa n d e m p h a s i z e d o nt h ea s p e c to fd a t at r a n s m i s s i o nd e p e n d a b i l i t y , w i t ht h e c o n s i d e r a t i o no fd r i l l i n gc o n d i t i o n ，t h eg o l a yc o d ed o w nh o l ee n c o d em e t h o d w h i c hh a se r r o rc o n t r o la b i l i t yh a sb e e nd e s i g n e d t h eg o l a yc o d ew a s d e c o d e db yt h em e t h o df o ra m e n d i n ge r r o rc o d ew h i c hh a sb e e np r o p o s e d w i t ht h ee n c o d e d e c o d er u l e sm a dt h ee n c o d e d e c o d ee l e c t r i c a lc i r c u i ti s s h o w e di nt h i sp a p e r s e c o n d ，i tw a sf u n dt h a tt h ep h a s ea m b i g u i t yp r o b l e m c o u l db ee x i s tw h e nt h ec o d ei sd e c o d e do n l yb yu s i n ga b s o l u t ep h a s e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e st h r o u g hd e r i v a t i o n ，a n a l y s i so ns p a c em a t h e m a t i c a l m o d e lo fm o d u l a t i o ns i g n a l ，s ot h ep a p e ri n d i c a t e st h a tm o d u l a t i o ns i g n a l s c a l lb ed e m o d u l a t e di nw e l ls u r f a c ew i t hd i f f e r e n t i a lc o h e r e n td e t e c t i o n m e t h o d i na d d i t i o n ，a c c o r d i n gt ot h es t u d yo ns e r i a ld a t at r a n s m i s s i o ns t y l e ， t h ep a p e ra l s op r e s e n t st h ea n a l y s i so ns t r u c t u r ea n df u n c t i o no fd o w nh o l e c o m m u n i c a t i o n a p p a r a t u s ，t h e c o n s t i t u t i o no fb u ss t a n d a r d a n d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt h e m k e yw o r d s ：m u dp r e s s u r ec o n t i n u o u sw a v e ，( 2 3 ，1 2 ) t h eg o l a yc o d e ，b i n a r y d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 硼年岁月为日 刁年岁月勿日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 随钻测量技术概述 随钻测量( m w d ) 系统能在钻进过程中自动连续测量井底附近的有 关参数并传输至地面，进行计算机实时显示、存储、处理和打印，为下 一步施工设计提供依据。在地质钻探、石油钻井中，特别是受控定向斜 井和大位移水平井中，随钻测量系统是连续监测钻井轨迹、及时纠偏必 不可少的工具l ”。 m w d 的信号传输方式分为有线( 电缆) 和无线两种。有线方式的优点 是可直接向井内传感器供电，实现井内和地表设备之间的双向通讯，实 时性好，数据传输率高，但它影响正常钻进过程。无线方式不使用电缆， 是定向钻井技术发展历程中的一个里程碑。导向钻进和自动定向钻进等 现代钻探技术都以无线方式为基础【2 】。 随着随钻测量技术的广泛应用，作为此项技术中重要组成部分之一 的井下信号传输技术研究己深入开展。当今，国内外研究及应用比较成 熟的是正脉冲传输方式。然而，连续波传输有着抗干扰能力强、传输速 率高等优点，更加适合于深井钻进和机械钻速较低的场合。国外已经研 制出了基于连续波传输的随钻系统，而国内有关研究却相对滞后，还没 有具有自主知识产权的产品。 目前，从井下向地面的数据传输问题可利用m w d 来实现。尽管随 钻测量技术已实现了对井眼几何参数( 井斜角、方位角) 、定向参数( 工具 面角) 、井下工况参数( 井底钻压、钻头扭矩、马达转速、井底温度等) 、 地层测试及评价( 自然伽马、地层电阻率、地层倾角、孔隙度、密度、中 子测井等) 进行测试及数据传输，但是测量参数的增加主要取决于传感器 的研制，并涉及如何提高传输速度问题，而对其它方面的影响不大。所 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 以，数据的最佳传输方式以及传输速度等问题始终是随钻测量技术的研 究核心【3 研。 1 2 研究目的和意义 井下与地面的信息传输是钻井工程领域的重要研究课题，它在钻井 测量与控制中占有十分重要的地位【6 l 。通过这样的信息传输系统可以实 时监测井眼轨迹( 如井斜角和方位角) 、井下工况( 如钻压、钻头扭矩) 、工 具姿态( 如工具面角) 、地质参数( 如自然伽马、电阻率) 等，也可以对井下 的执行机构进行实时调控。信号传输的可靠性、经济性、工艺上的易操 作性以及传输速度等问题一直是随钻测量技术发展的关键。 而具有上述功能的无线传输系统是地质导向钻井技术和自动闭环钻 井技术的重要组成部分四。由于石油钻探的特殊性，井下的测量信号很 难应用有线或无线电射频方式传送，故采用泥浆脉冲随钻测量方式有较 高的实用价值。现在研究较多的是正脉冲传输方式，然而通过分析对比 可知，连续波传输方式有着抗干扰能力强、传输速率高等优点，更加适 合于深井钻进和机械钻速较低的场合。所以，基于连续波传输方式的相 关技术研究是当今m w d 技术研究的热点。然而，无论是以何种形式的 波作为载波，都需要对并下数据，如并斜角、工具面角等参数进行编码 后，才能在泥浆信道中传输。在充分分析信道编码理论的基础上，本课 题拟提出一种编、解码方法，作为连续波传输方式技术研究的一项基本 内容，并为形成一整套m w d 系统奠定一定理论基础。 1 3 国内外研究现状分析 1 3 1 随钻测量方面 早在2 0 世纪3 0 年代，人们就开始了随钻测量技术的理论和实验研 究。1 9 3 9 年一种使用电缆的电测井系统试验成功，但未能进行商业性的 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 应用。直到1 9 6 3 年，j j a r p s 发明了泥浆脉冲的传输方法，才使随钻测 量技术取得了突破性的进展。1 9 6 4 年，由t e l e d r i f t 设计制造的第一个机 械式泥浆脉冲系统试验成功，当时主要用于传输定向信息。1 9 7 0 年发明 了用于井下马达、导向钻具定向测量的电缆系统。1 9 7 7 年，用泥浆压力 脉冲传输信息的随钻测量系统日趋成熟，已基本具备了商业价值。1 9 7 8 年，t e l e e o 公司首次将批量生产的泥浆脉冲随钻测量系统投人现场试用。 1 9 8 0 年初，s c h l u m b e r g e r 生产了一套比较实用的随钻测量系统，并在现 场使用获得成功。与此同时，各种井下传感器的研制也先后有所突破。 本世纪8 0 年代初期，泥浆脉冲传输方式的无线随钻测量技术终于在世界 范围内开始了推广应用p j 。可见，从井下到地面的信息传输问题自开始 研究到能够初步应用历时了半个多世纪。 2 0 世纪7 0 年代初期，我国也曾独立研究过无线随钻测量技术。当 时采用的是通过大地传输电磁波方式，使用了在国内刚问世不久的集成 电路技术，并在江汉油田进行过多次现场试验，信号的传输深度达到了 1 2 0 0 m 。但是，后来研究工作因故停止。 目前，国外从事m w d 系统研制的公司有：a n a d r i l ls c h l u m b e r g e r 、 h a l l i b y r t o n 、s p e r r y s u n 、g e o s e r v i c e 、b a k e th u g h e s 、e a s t m a nc r i s t e n s e n 。 无线m w d 按传输通道分为泥浆脉冲、电磁波和声波三种方式，最 新的组合式目前还处在研究阶段。电磁波传输方式传输数据的速度较快， 而且不需要特殊的钻杆。但是由于高频信号在地层中散失较快，所以只 能传输低频信号，因而背景噪声将导致对信号的探测和恢复都很困难。 声波传输方式的优点是结构简单、成本较低，其缺点是在钻井时声波受 环境噪声的干扰、信号弱、中继装置的可靠性差、成本较高。这三种传 输方式中泥浆脉冲和电磁波方式已经应用到生产实践中，以泥浆脉冲式 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 使用最为广泛。 泥浆脉冲系统借助钻井液的压力波来传送信号。在泥浆脉冲系统 中，压力波在泥浆中的传播速度约为1 2 0 0 r r d s l 9 1 。由于脉冲的扩散、调速 的限制和泥浆系统其它特性的局限性，使得数据的传输速度比较慢。泥 浆脉冲系统的优点是不需要绝缘电缆和特殊钻杆，而是用泥浆流作为动 力；其缺点是数据传输较慢，传输信号受噪声的影响。 使用泥浆脉冲的概念至少可追溯到1 9 2 9 年，并于5 0 年代和6 0 年代 初期用于测井中。在钻井领域中，t e l e c o 和g e a r h a r t o w e n 公司率先研制 出了标准的泥浆脉冲系统。m o b i l 研制出了使用旋转阀连续产生 1 0 3 0 0 h z 的脉冲信号，并采用移相键控法进行数据传输。 目前，国外研究泥浆脉冲m w d 系统的公司有b gh u d h e s 、t e l e c o 、 g e a r h a _ r to w e ni n d u s t r i e si n c 、e a s t m a nw h i p s t o c k 、g e n t r i xe n g i n e e r i n g 、 a i l o c oc a n a d ap e t r o l e u m 、m o b i l er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t 、a n a l y s t s c h l u m b e r g e r t l o l 。 泥浆脉冲系统的信息传输方式有压力正脉冲、负脉冲和连续波三种。 现在正脉冲传输方式应用较为广泛，但是连续波对比正脉冲有以下优点： 更适合于深井钻进和机械钻速较低的场合、存在干扰信号的载波上的有 用信号更容易检测、可减少解调时出错的机率等。因此，连续波传输方 式有很广泛的应用前景。 i 3 2 编解码技术方面 编码理论起源于现代通信技术与电子计算机技术中差错控制研究的 实际需要。编码理论是用概率论、随机过程和数理统计等方法来研究信 息的存储传输和处理中一般规律的学科，所以使人们越来越重视学习和 掌握信息系统的编码技术。目前，编码方法繁多，发展也相当迅速，随 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 着针对不同应用目的而制定的各种编码的国际标准的相继推出，再加上 数学、工程技术以及计算机软、硬件性能的深入发展和提高，使得编码 的理论和技术得到了前所未有的发展和应用【1 1 l 。编码的主要目的是提高 系统对某一方面的要求以及优化系统某一方面的性能指标。 编码技术已经广泛应用于工程实践，尤其是多学科交叉的新技术领 域，例如其在随钻测量技术中的应用。可通过采用差错控制技术将井下 测量数据尽可能准确的传输至地面设备，然后通过相应的译码方法恢复 出井下数据。 1 4 研究内容和技术路线 在对二进制相移调制技术和正脉冲传输的编解码方法进行理论分析 的基础上，提出一种基于连续波相位调制的编解码方法；设计编解码器 电路；研究、设计微处理器间的通信协议。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井下数据无线传输方式的研究 第2 章井下数据无线传输方式的研究 m w d 主要由井下的探管、m w d 控制器、脉冲发生器和地面的压力 传感器、控制箱等部分组成。仪器工作时，由探管测得三个相互垂直方 向的重力分量和地球磁场强度，经a d 转换和格式编码后，信号传至 m w d 控制器。控制器根据信号的大小，有规律地控制脉冲发生器动作， 使钻柱内的泥浆压力发生相应的变化。立管处的压力传感器探知这些压 力变化，从而获取原始信号的值，再由控制箱负责信号的接收和解码传 至计算机进行随钻参数的计算，并实时显剥1 2 l 。 m w d 系统的传输方式分为有线传输和无线传输两种。有线传输方 式即使用电缆，光纤等实现井下信息的传输，其优点是可实现井内和地 表设备之间的双向通讯，实时性好，数据传输率高。其缺点是成本高、 可靠性差( 特别是插件) 、由于泥浆的腐蚀和钻柱的旋转易使电缆严重受 损、不利于打捞作业，而且需要特殊的设备和电缆盘等【1 3 】。 无线方式不使用电缆，是定向钻井技术发展历程中的一个里程碑。 导向钻进和自动定向钻进等现代钻探技术都以无线传输方式为基础。从 经济性和可靠性方面分析，无线传输方式有更广阔的应用空间，当今最 先进的遥测系统多数采用无线方式传输信息，本论文的研究也是在无线 传输方式的基础上展开的。下面具体研究几种无线传输方式，目前无线 信息传输方式主要有3 种：泥浆脉冲、电磁波和声波。 2 1 声波传输方式 2 1 1 传输原理 声波传输系统是利用声波或地震波经过钻杆或地层来传输信号。当 钻柱、钻头与井底相互作用时，钻柱中会出现纵向弹性波。能监测的主 要参数是岩石破碎工具的回转频率，其中主要是牙轮的振动谐波。由于 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井下数据无线传输方式的研究 振动的幅值和频率与牙轮的磨损程度具有相关性，所以可据此来判断工 具的状态。当钻进规程保持不变时，信号的幅值变化情况还可以反映岩 石的力学性质。由于信号在钻杆柱中传播衰减很快，所以在钻杆柱内每 隔4 0 0 5 0 0 m 要装一个中继站。而且由于钻柱接头处直径的变化和丝 扣装配的影响，信号会因反射和折射而衰减。s p e r r y s u n 公司研制了一 种声波遥测装置，用以补充采用导线进行定向测量的服务；s p e r r y r e s e a r c h 使用了一种带地热泵的声波装置；b a s i cs c i e n c e s 研究出一种声 波遥测法，把生产井中的压力参数传送到地面；m o t o r o l a 研制了操作井 下设备的声波遥控装置，它使编码后的声信号沿生产套管进行传输1 1 。 2 1 2 传输性能评价 通过以上分析可知，声波传输方式的优点是：结构简单、成本较低。 其缺点是：传送的信息量少、在钻井时声波受环境噪声的干扰、信 号弱、信号随深度衰减很快、中继装置的可靠性差、成本较高。 2 2 电磁波传输方式 电磁波法可追溯到本世纪4 0 年代初期，但其最早是应用于煤矿安全 和军事方面。例如，t e v e l c o 公司研制了一种电磁波系统，用于地下核试 验的数据传输。在钻井系统中，e n s c o 公司、r a y t h e o n 公司、s a n d i a 实 验室和s p e r r y 公司等都曾研究过用电磁波方式传输井下数据【l ”。 2 2 1 传输原理 以电磁波方式传输井下数据的方法有两种：以地层为传输介质和以 钻柱为传输导体。在数据传输系统中，主要考虑的是在接收端有效信号 的数量。在电磁波传输系统中，接收到的信号电平主要取决于两个因素： 频率和电导率，其传输深度可以用趋肤深度来衡量【1 6 1 。 电磁波通信系统把一个类似低频天线的电磁波发射器装在井内仪器 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井下数据无线传输方式的研究 中，通过远离钻机的电极来接收由井底发至地面的信号。由于钻井空间 狭小，电磁波发射实际只有垂直天线( 沿钻杆的轴向电流) 和垂直磁天线 ( 绕钻杆的水平电流环激励沿钻杆方向的磁场) 两种激励方式。激励轴向电 流最简单而有效的方法就是使特制的钻杆成为用绝缘接头连接的两段结 构，由激励器输出的电压通过密封接头馈于两段，形成一种类似双极天 线的地下非对称双极激励装置。最合适的井下激励方式为激励沿钻杆引 导的轴向电流。 俄罗斯的电磁波式井底遥测系统( z t s ) 包括井内仪器和地表装置。井 内仪器组成如图2 1 所示【8 1 。 图2 - 1电磁波系统井内仪器结构示图 卜钻铤；2 - 井内仪器；3 一下接头；4 一隔离器；5 一分流装置；6 一安全接头；7 一 工作接头；8 - 扶正器；9 一过滤器外套；1 0 、1 1 - 接头；1 2 一过滤器；1 3 一测斜仪；1 4 一 电缆仓 在井内仪器组合中加了过滤器外套9 以后，使整个钻具的长度达到 标准长度1 2 m 。隔离器4 使钻具分成互相绝缘的上下两部分，从而形成 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井下数据无线传输方式的研究 天线的两极。 2 2 2 传输性能评价 由于高频信号在地层中散失较快，所以只能传输低频信号。然而， 这些低频信号的频率接近于大地的频率，因此背景噪声将导致对信号的 探测和恢复都是很困难的。这是电磁波传输方式的弊端之一。其弊端之 二是：电磁信号沿钻柱的衰减严重。安装中继装置会增加成本，而且其 可靠性也较差。 通过以上分析和研究，可知电磁波传输方式的优点是：信息传输速 度较快；对钻井液的质量要求和钻探泵的不均匀性要求更低：对正常钻 进没有干扰；与其它方法相比，准备工作简单，起下钻时也能传输井下 资料。其缺点是：信号衰减大，只能传播低频电磁波，易受井场电气设 备的干扰和岩石电阻率的影响等。 2 3 泥浆脉冲传输方式研究 泥浆脉冲的概念至少可追溯到1 9 2 9 年，并于5 0 年代和6 0 年代初期 用于测井中。在钻井领域中，t e l e c o 和g e a r h a r t - o w e n 公司率先研制出了 标准的泥浆脉冲系统。m o b i l 研制出了使用旋转阀连续产生1 0 3 0 0 h z 的脉冲信号，并采用移相键控法进行数据传输。在泥浆脉冲系统中，压 力波在泥浆中的传播速度约为1 2 0 0 m s ! 。 泥浆脉冲系统的优点是不需要绝缘电缆和特殊钻杆，而是用泥浆流 作为动力；其缺点是数据传输较慢，传输信号易受噪声的影响。 泥浆脉冲系统借助钻井液的压力波来传送信号，对钻井液有严格的 要求：含砂量 6 0 0 0 m 很高良好高良好 电磁波 6 0 0 - 6 0 0 0 m 高一般高一般 声波约1 0 0 0 m高 一般低一般 由上述研究与分析可知：电磁波和声波的传输速度较快，但信号衰减 严重，而且受噪声的干扰较大，因此给信号的接收和检测带来困难。另 外，为了提高数据的传输距离，需要安装中继装置，但其成本较高、可 靠性差。绝缘导线的数据传输速度很高，但应用范围受限( 将钻杆作为导 线或同轴导体系统的技术尚未成熟，而目前普遍应用的电缆传输方式不 适合于转盘钻井方式，无法适应转盘钻进和定向钻进交替进行的连续控 制导向钻井方式的需要) ，而且电缆易损、现场施工不便。泥浆脉冲法虽 然传输速度较慢，但对钻井工艺无特殊限制和要求，信号的接收和检测 相对比较容易，而且便于与目前广泛使用的泥浆脉冲方式的m w d 相结 合，从而形成地面与井下双向通信的闭环控制系统。 2 5 本章小结 本章系统地研究了以声波、电磁波及泥浆脉冲等为载波的井下信号 传输技术。分别阐述了三类技术的传输原理，并就其传输性能进行了评 价。通过分析对比，指出了采用泥浆压力连续波传输井下信号的优越性： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井下数据无线传输方式的研究 可靠性强、易检测，适于深井钻进。 本章中所提及的连续波发生器是国外公司生产研制的，国内尚无具 有自主知识产权的连续波m w d 系统，其理论研究成果也几乎是一片空 白。在这样的背景下，论文展开连续波m w d 系统相关的理论研究与探 讨，这是本论文的创新。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章编、解码技术研究 第3 章编、解码技术研究 所谓编码，广义地说就是信号的变换，是信息处理的主要手段。编 码的主要目的是提高系统对某一方面的要求以及优化系统某一方面的性 能指标。通信系统的性能指标主要为有效性、可靠性、安全性和经济性， 优化就是使这些指标达到最佳。除了经济性外，这些指标都是编码理论 的研究对象。 3 1 编码技术的研究 根据信息论的各种编码定理和通信系统的性能指标，编码问题可分 解为信源编码、信道编码和密码编码三类。信源编码的主要目的是提高 通信系统的有效性，信道编码的主要目的是研究如何提高信息传送的可 靠性。信道中的干扰使通信质量下降，也就是使信息传送不可靠。对于 模拟信号，表现在收到的信号的信噪比下降；对于数字信号，表现在误 码率增大。密码编码是通信系统中的另一类编码问题，发送端的明文信 息经编码后成为密文，当授权者收到后，可用己具有的密钥正确地译成 明文；对于非授权者，因没有密钥而无法取得该信息，这样就保证了通 信的安全性田1 。 在通信系统中，为了提高有效性，将信源输出的消息经过信源编码 器变换成能够表达这些消息的符号。为了使变换后的符号具有抗击信道 中噪声干扰的能力，信道编码器要对信源编码器的输出符号进行变换。 信道编码是本章主要的研究内容，也是研究m w d 系统重要的组成部分 之一，它关系到井下测量数据传输的质量。 信道编码的目的是为了改善通信系统的传输质量。由于实际信道存 在噪声和干扰，使发送的码字与信道传输后所接收的码字之间存在差异， 称这种差异为差错。一般情况下，信道噪声、干扰越大，码字产生差错 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章编、解码技术研究 的概率也就越大。在无记忆信道中，噪声独立随机地影响着每个传输码 元，因此接收的码元序列中的错误是独立随机出现的 2 4 1 。在有记忆信道 中，噪声、干扰的影响往往是前后相关的，错误是成串出现的。通常称 这类信道为突发差错信道。实际的衰落信道、码间干扰信道均属于这类 信道。对不同类型的信道，要对症下药，设计不同类型的信道编码，才 能收到良好效果。所以按照信道特性和设计的码字类型进行划分，信道 编码可分为纠独立随机差错码、纠突发差错码和纠混合差错码。从信道 编码的构造方法看，其基本思路是根据一定的规律在待发送的信息码中 加入一些多余的码元，以保证传输过程的可靠性。信道编码的任务就是 构造出以最小冗余度代价换取最大抗干扰性能的“好码”。自1 9 4 8 年香 农的两篇有关“通信的数字理论”的文章发表后，很长一段时间内人们 都在探寻其编、译均简单有效的好码，由此形成了一整套纠错码理论。 纠错编码的目的是引入冗余度，即在传输的信息码元后增加一些多 余的码元( 称为校验元，也叫监督元) 以使受损或出错的信息仍能在接 收端恢复。从不同的角度出发，纠错编码可有不同的分类方法。按码组 的功能分，有检错码和纠错码。按监督码与信息码元之间的关系分，有 线性码和非线性码。线性码是指监督码元与信息码元之间的关系是线性 关系，即它们的关系可用一组线性代数方程联系起来；非线性码是指二 者具有非线性关系【2 5 1 。 由以上分析可知，研究编、解码技术，最重要的目的是提高信息的 传输质量。 3 2 井下信息传输质量的研究 从工程实践中提出的衡量数字信号传输质量的主要技术指标有传输 速率、差错率、可靠性与信噪比等。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章编、解码技术研究 3 2 1 传输速率 ( 1 ) 码元传输速率 由前面可知，码元是指携带数据信息的信号单元。每秒钟通过信道 传输的码元数称为码元传输速率，单位是波特。码元传输速率又称调制 速率。 ( 2 ) 比特传输速率 每秒钟通过信道传输的信息量称为比特传输率，单位是比特秒，简 称比特率。这两种传输速率的定义不同，但都是衡量系统传输能力的主 要指标。对二进制来说，每个码元的信息含量为1 比特，因此，二进制 的码元传输速率与比特传输速率在数值上是相等的。对于m 进制来说， 每一码元的信息含量为l o g , m 比特，因此，如果码元传输速率为波特， 则相应的比特传输速率 = l o g m( 3 - 1 ) 因此，在本论文研究的连续波传输方式中码元传输速率和比特传输 速率的数值是相等的。 3 2 2 差错率 差错率也是衡量传输质量的重要指标之一。他有以下几种不同的定 义： ( 1 ) 码元差错率 指在传输的码元总数中发生差错的码元数所占的比例( 平均值) ，简 称误码率，用符号p 。表示。 ( 2 ) 比特差错率 指在传输的比特总数中发生差错的比特数所占的比例( 平均值) 。用 符号p 。表示。在二进制传输系统中，码元差错率就是比特差错率。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章编、解码技术研究 ( 3 ) 码组差错率 指在传输的码组总数中发生差错的码组数所占的比例( 平均值) 。系 统的设计者和用户根据不同的应用场合对差错率有不同的要求。如：在 电报传送时，允许的比特差错率约为1 0 。1 0 。而对计算机数据传送， 一般要求比特差错率小于1 0 4 1 0 一。 3 2 3 可靠性 可靠性是衡量传输系统质量的又一重要指标。 在数字通信系统中信息传输技术所遇到的主要问题就是在传输过程 中出现差错问题，也就是传输可靠性的问题。在传输过程中产生不同差 错的主要原因，是不同的传输系统有不同的性能以及在传输过程中干扰 不同。降低误码率以满足系统的要求，通常有两种途径：一是降低信道 ( 包括调制解调器、传输媒介) 本身所引起的误码率；二是采用信道编 码，在数字通信系统中增加差错控制设备。降低信道所引起的误码率的 主要方法有： ( 1 ) 选择合适的传输线路，如有线线路中，电缆线路优于明线线路、 光缆优于电缆。 ( 2 ) 改进传输线路的传输特性或增加发送信号的能量。如在无线信 道中，可以通过增加发射机功率、利用高增益天线以及低噪声器件等方 法改善信道。 ( 3 ) 用潜在抗干扰性较强的调制解调方案。在某些情况下，信道的 改善可能较困难或不经济，这就要采用信道的编码，以便满足系统差错 率的技术指标要求。另外，在采用信道编码时，要考虑信道差错率应满 足一定的要求，否则有时不仅没有降低系统的差错率，而且会使差错率 增高。所以，在设计差错控制设备时应与调制解调器统一考虑。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章编、解码技术研究 对于泥浆m w d 而言，本论文把研究重点放在研究适合相移键控调 制技术的编码方法上。 3 2 4 信噪比 衡量信号传输质量的一个重要指标就是信噪比。简而言之，信噪比 就是有用的传输信号与外界干扰噪声的比例。 信噪比= 糕1 。 ( 3 2 ) 众所周知，有线随钻仪和常规测井仪器信号传输介质是单芯和多芯 电缆，而泥浆无线随钻仪m w d 信号的传输是借助于钻柱内的泥浆。相 对而言，m w d 的信号传输介质不稳定，而且易受外界噪声干扰。对于 泥浆m w d 而言，因为其信号传输的介质是钻柱内流动的泥浆，介质本 身极不稳定，它的比重、粘度、含气性均会对信号的传输产生影响，而 且现场还存在各种噪声干扰，所以尽可能地提高脉冲信号传输信噪比是 准确获得随钻参数的关键，它在无线随钻现场施工中具有重要意义。 提高m w d 信号接收的信噪比有两种方法，一是增大接收的脉冲信 号强度，二是尽量减小噪声强度口6 1 。因此，可以增大脉冲发生器产生的 初始脉冲幅度，也可以减小信号的衰减程度。但是一般的m w d 泥浆脉 冲发生器产生的初始脉冲幅度基本上是个定值，所以只有尽可能减小脉 冲传输过程的衰减程度，提高信噪比，使立管处测得的信号脉冲的强度 满足解码的要求。但这不是本论文的研究内容，在此不做赘述。 3 3 数据的编码方法 为了把井底的钻井液压力脉冲信息发送到遥测系统的地表部分，其 中必须的一步是对数据进行编码，以保证其传输的可靠性。编码方法有 很多，本论文研究的内容之一就是设计出一种适合连续波相位调制技术 2 l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章编、解码技术研究 的编码方法。 3 3 1 差错控制技术 在通信中，差错控制主要是指信道编码，可以把它看成是为提高通 信系统的性能而设计的信号变换。在m w d 系统的井下数据传输过程中， 由于泥浆信道上难免会有各种各样的干扰，使得被传输的信号波形变坏， 导致了误码的产生【2 7 1 。为了减少这种情况的发生，我们可以采用差错控 制技术。 实现差错控制的方式有：自动要求重发( a r q ) 、前向纠错( f e c ) 和反馈校验等口引。不同的控制方式，对编码的要求也不同，系统结构及 设备的复杂程度也有很大差别，如图3 - 1 所示。 筮- 广卜j 堕堕翌! 型坚l ，嘲收- i i ；f 1i k 一。于一 广1 1 型塑型塑塑型霉巾_ 0 1 面_ 1 k 1 翮阿l ，一 反t 技- 匕誓盆_ h 焉i 焉写_ | - j 。 图3 - 1 差错控制的基本方法 ( 1 ) 自动要求重发( a r q ) 方式 自动要求重发方式也称检错重发方式，发送的码字是具有一定检错 能力的冗余码，接收端通过检错译码发现有错码时，由指令发生器阻止 其输出，同时经反向信道启动发送端的重发控制，将存储的原码字重新 发送。如此接收端重复检测，直到正确为止。灿方式由于需要大量重 发，大大降低了实际的信息传输速率。同时，a r q 方式必须要有反向通 道，且只适用于单个用户之间的通信。h r q 系统中冗佘码本身只有检错 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章编、解码技术研究 能力，而无纠错能力，但其优点是译码设备简单。a r q 方式的通信系统 方框图如图3 2 所示。 图3 - 2a r q 方式通信系统方框图 ( 2 ) 前向纠错( f e c ) 方式 f e c 方式不需要反复重发，因此不必设置反向信道和发送存储器。 在接收端不仅能发现错误，而且还能纠正错误。它不存在因反复重发而 延误时间的缺点，而且适合一个用户对多个用户的通信( 称为“同播”) ， 其缺点是译码设备比较复杂。 ( 3 ) 反馈校验法 反馈校验法也称狭义的信息反馈系统。其方法是接收端将收到的码 字原封不动地转发回发送端，并与原发送的码字进行比较，如果发现错 误，则发送端再进行重发。这种方式从系统上看具有纠错能力，但原理 上发送端不进行纠检错编码，接收端也不进行纠检错译码，因而原理和 设备都比较简单，但需要双向信道，而且每一码子至少要传送两次，因 而传输效率较低。 综合分析以上三种实现差错控制的方式，我们提出采用一种将a r q 方式和f e c 方式结合起来的混合纠错方式。这样发送端发送的码字不仅 具有检错能力，而且还具有一定的纠错能力。m w d 系统的地面接收端 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章编、解码技术研究 首先检测错误情况，若错误在其纠错能力范围内，则自动进行纠错；若 错误较多，超出其纠错能力，则接收端通过反馈信道，要求发送端重发 有错的码字。 可见，这种混合纠错方式在一定程度上避免了f e c 系统要求复杂的 译码设备和a r q 系统信息连续性差的缺点。 3 3 2 信道编码方法研究 信道编码是通信系统中广泛采用的一种差错控制措施。在信道编码 过程中，发送端通过某种方式对信息序列进行计算，得到相应的检错纠 错码，然后把这个检错纠错码附加到信息序列中，经过载波调制之后发 送出去。接收端对接收到的信号进行解调，从中恢复出包含原始信息序 列和检错纠错编码的二进制序列。然后对这个序列进行信道编码的逆过 程，就可得到所需的信息序列，同时也知道了该序列是否存在传输错误。 常用的信道编码方法有：奇偶校验码、恒比码、正反码等。这些编 码方法，大多只能检错不能纠错，或者只能纠正很少的错误。对于井下 数据的传输系统，这些编码方法不能满足传输的可靠性要求，因此进一 步研究纠错能力更强的编码方法。这样的信道编码方法有：分组码、循 环码、卷积码等。 分组编码是把若干个输入信号变换成一个更长的输出序列的编码方 式，它通过提供编码的冗余度来实现对信号的检错和纠错。输入信号是 一个长度为k 的向量x ，经过分组编码之后的输出信号是一个长度为n 的向量y ，即这个分组码表示为( n ，k ) 。其中，信息位的长度为k ，码 长为n ，剩下的 r = n - k ( 3 - 3 ) 其中，r 为监督位的长度。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章编、解码技术研究 则编码效率为 一k ：1 - 。r( 3 4 ) 嚣七 监督位就是上面提到的冗余。对于分组码，输出序列y 一般可以表 示成输入向量x 与生成矩阵g 的乘积，即 y = x g ( 3 5 ) 其中，g 是一个k 行n 列的矩阵。 线性码是分组码的一种，在线性码中，信息位和监督位是由一些线 性代数方程联系着的。换句话说，线性码是按一组线性方程构成的。 循环码是线性码的一种，它除了具有线性码的一般性质外还具有 循环性。即循环码中任意码组循环移动一位( 将最右端的码元移至左端， 或把最左端的码元移至右端) 之后，仍然是这个循环码中的一个码组。 形象的说明就是，如果( a _ l a 。a ) 是一个循环码组，则 ( a n _ 2 a 。丑i a “) ，( a , _ 3 a “一a a 。一2 ) 等等都是该循环码的码组。在 代数编码理论中，为了便于计算，通常用码多项式t ( x ) 来表示循环码 中的码组： t ( x ) = a a _ l x “一1 + a n 。2 x 4 2 + + a l x + a o ( 3 6 ) 其中，x 只是码元位置的标记。 b c h 码是一种特别重要的循环码，它具有良好的通用性和较高的编 码效率，译码算法也简单实用，因此本论文采用b c h 码对井下测量数据 编码。b c h 码的重要性还在于它锯决了生成多项式与纠错能力的关系问 题，可以方便地纠正多个随机错误。但是对于特定的码字长度n ，b c h 码只能对特定的长度为k 的信息序列进行编码。 b c h 码分为本原b c h 码和非本原b c h 码。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章编、解码技术研究 令口为二元域g f ( 2 ) 的扩域g f ( 2 “) 中的本原元，若多项式g ( x ) 是以d ，o r , 2 ，a 2 1 为根的g f ( 2 ) 上的最低次多项式，则 由它生成的码长为2 4 1 、纠正t 个错误的码为二元本原b c h 码。 于本原b c h 码相对应，还存在非本原b c h 码。非本原b c h 码的码 长1 1 2 m l ，但n 是2 4 1 的因子；b 是g f ( 2 ) 域中的一个n 阶元 素，但不是g f ( 2 。) 的本原元；令g ( x ) 是以b ，1 3 2 ，1 3 2 为根的 最低次多项式，则用g ( x ) 生成的循环码就是非本原b c h 码。 在非本原b c h 码中，可以构造一种码，使它满足并下信息传输系统 的可靠性要求。( 2 3 ，1 2 ) 戈莱码就是这种码，它是一种完备码，可以纠 正3 个错误。 3 4 用( 2 3 ，12 ) 戈莱码实现井下数据的编码 3 4 1 井下数据的特性研究 通过调研，界定出井下各测量参数的精度及范围( 如表3 - 1 所示) 。 根据m w d 系统对各测量参数的精度要求，可以算出测量参数的二进制数 码位数，最后根据二进制数码位数计算出准确的测量精度。 表3 - 1 井下测量参数的精度及范围 参数位数精度范围 正电池电压 80 1 1 7 v 0 2 8 v 负电池电压 80 1 1 7 v 2 8 0 v 井斜角 1 20 0 5 。 o 1 8 0 。 方位角 1 20 1 。 o 3 5 9 9 。 工具面角 81 6 。 0 3 5 9 9 伽马计数 1 2o ，0 6 c p s 0 2 5 5 c p s 温度 81 o 。 5 0 2 0 5 。c 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章编、解码技术研究 表3 - 2 所示为井下测量参数的位数。 表3 - 2 井下测量参数位数表 参数意义单位位数 b a t p正电池电压 v8 b a t n 负电池电压 v 8 a 加速度计a g1 2 b 加速度计b g1 2 c 加速度计c g1 2 d t g f 总重力场 g1 2 x 磁通门x高斯 1 2 y 磁通门y 高斯 1 2 z 磁通门z 高斯 1 2 t n f 总磁场高斯 1 2 l n c 井斜角度 1 2 a m 方位角度 1 2 a u t o 自动工具面角 度 8 x y t f 磁工具面角度 8 a b t f 重力工具面角度 8 g r 伽马计数 c p s1 2 t e m