基于单芯测井电缆的高速遥传系统设计.docx

年 月 文章编号：（）基于单芯测井电缆的高速遥传系统设计顾庆水，陈伟，伍瑞卿，陶爱华，李谦（电子科技大学电子工程学院，四川 成都 ；中海油田服务有限公司油田事业部，河北 三河 ）摘要： 生产测井现有基于单芯测井电缆的传输系统的传输速率较低制约了成像测井仪器的使用。 在 分 析 单 芯 测井电缆传输特性及生 产测井特点的基础上，设计了一套高速传输系统。 采用正交频分复用技术完成上行信道 调制方式的高速数据传输，下行信道的命令采用 的方案信号交替反转码实现。 介绍了高速传输系统 设计思路及主要系统参数，给出了软硬件系统 设 计 方 案。 通 过 在 的 公 司 的 型 单 芯 测 井电缆上实测，系统上行信道误码率在 以 下，传 输 速 率 达 到 以 上。 通 过 测 试，下 发 命 令 未 影 响上行信道的传输，直流电的工作电压在一定范围内调节，不影响整个遥传系统的正常数据传输。关键词： 生产测井；单芯电缆；传输系统；正交频分复用；高速数据传输中图分类号：文献标识码： ， ， ， ，（，；，）： ， ， ， （ ） ， （） ， （） ：，单芯测 井 电缆其信号频率 高 于 时 信 号 衰减严重，无法检测；井下仪器的工作状态的变化将导 致测井电缆的负载阻抗的变化以及电缆在工作过程 中温度、拉伸度、卷绕等因素的影响会造成电缆信道 的传输特性呈现时变特性；井下设备空间严格受限， 其电路板尺寸一般不能超过；数据传输一般要 求全双工操作，其中下行信道主要用于地面系统下 发命令控制井下测井仪器，在测井过程中出现频率引言生产测井一般采用单芯测井电缆完成井下测井仪器与地面系统之间的数据传 输。 单 芯 测 井 电 缆是一种典型的双线传输线，不仅作为上行信道（井 下至地面）和下行信道（地面至井下）的传输介质，还 将为井下的测井仪器提供直流电；长距离的单芯测 井电缆传输特性差、有效传输带宽窄。对于 基金项目：国家“十二五”科技重大专项：油气测井重大技术与装备（项目编号）及 电法测井联合实验室资助项目作者简介：顾庆水，男， 年生，讲师，硕士，研究方向为数据通讯、嵌入式系统设计、 设计。测 井技 术 年 较少，因此下行信道的传输速率一般要求不高；上行信道主要上传井下测井仪器采集的数据。随着成像 测井仪器大量使用，上行通道的传输速率越大越好。基于单芯测井电缆的遥传系统国内外大多采用 曼彻斯特码、信号交替反转码（码）。虽然 这些方案抗干扰能力强，实现简单，但在 的单 芯测井电缆上其上行数据传输速率小于，无 法满足 成 像 测 井 的 需 要。 近 年 来，正 交 频 分 复 用（）调制技术因其具有频谱利用率高、抗多径 干扰能力强等突出优势，在测井传输领域被大量采 用，但在单芯测井电缆上，实现的传输速率均未 超过。本文在深入研究单芯电缆测井传输特性以及生 产测井的实际工程需要的基础上，充分发挥 技术优势，提出并设计了一种高速遥传系统，大幅度 提高了生产测井中遥传仪器传输速率，其上行传输 速率达到以上，解决了新 一 代 成 像 测 井 仪器在生产测井中应用所面临的传输瓶颈。接口与地面主机进行数据交互，井下则通过控制器局域网络（）总线完成与井下测井仪器连接。系统主要参数设置信道频谱分配根据单芯测井电缆传输特性，传 输 信 道 的 频谱分配如图 所示，上行信号占用频带，采用自适应的 调制技术；下 行 信 号 占 用频带，采用 码进行基带传输，其波特 率设置为。作为保护带，通 过相应的滤波器消除上、下行信号之间的干扰。 单芯测井电缆有效带宽在以 上，但考虑在实际测井工作中，存在大量 左 右测井电缆，因此系统设计的有效带宽为。单芯电缆遥传系统总体结构单芯电缆遥传系统总体设计框图见图。图信道频谱分配图参数设置上行信道所采用的 调制主要参数：子载 波 间 隔；时 间 保 护 间 隔 （）长 度；有效子载波数 个（），其中用户 子载波数为 个， 个用于导频（），导频频率为； 点数 个；符号周期； （）码长；码校验位。下 行信道波特率设置为。图单芯电缆遥传系统总体框图考虑到生产测井中井下测井仪器要求低功耗、耐高温、高稳定性等多方面的要求，系统设计基本原 则是尽量简化井下单元的软硬件设计复杂度。系统 设计中其上行和下行信道的数据传输采用不同传输 方式完成。其中，上行信道为了实现高速数据传输， 采用频带利用率高的自适应 调制技术，井下 单元为调制端，地面为解调端。 通常调制端的运算 复杂度较低，可采用功能相对简单的耐高温的数字 信号处理器（）进行处理。下行信道的传输速率 要求远低于上行信道，下行信道采用 码进行基 带传输，其井下端的 解码器通过模拟前端的处 理后为简单的异步串行接口时序，可通过 的串 行通讯接口（）直接解码。该系统在地面通过 自适应的以太网系统硬件实现单芯电缆遥传系统的硬件框图见图。 系统包 括地面部分和井下部分，均以片和片现场可 编程门阵列（）作为处理核心芯片，地面部分的 采用德州仪器（）公司的 ，井下 部分采 用 公 司 的 ， 均 选 用 公 司 的 。 主 要 完 成 上 电 后芯片级的初始化、接口逻辑转换以及一些辅助功 能；地面 主要完成 解调、编码、以太 网控制 等 功 能，井 下 则 完 成 调 制、 解码及下 行 数 据 解 析、 总线 协议控制等功能。 可编程增益放大器（）根据单芯测井电缆的传输 特性，其增益范围设置为，以适应不同第 卷 第 期顾庆水，等：基于单芯测井电缆的高速遥传系统设计 长度、不同传输特性的电缆。压控振荡器（）在 解调器的控制下实现地面和井下精确的时间 同步。下行信道滤波器均采用 低通滤波器，用 于实现对 信号的滤波，该滤波器具有通带内的 最佳等群时延特性，可减小信号经耦合电路后畸变， 也可减小 信号对上行 信号干扰。 耦合 电路主要是将上行和下行信号馈入到单芯测井电缆 上，隔离单芯测井电缆上的直流电及直流电源本身噪 声对遥传系统的干扰。得到的，以保证在给定的误码性能条件下实现传输速率的最大化。插入的同步帧用于同步及信道估计 和跟 踪。 快 速 傅 里 叶 反 变 换 （）即 调 制，将频域各个子信道的数据变换到时域，形成时域 调 制 信 号，最 后 插 入 保 护 间 隔 后 送 入 转换器进行发送。 解调器的实现 解调器接收从测井电缆上传的 调 制信号，并对其进行同步、均衡、解调和解码。在训练 阶段解调软件还需要根据调制器发出的训练序列分 析信道条件，根据信道条件决定每个子信道的传输速 率。解调器软件结构见图。图中时域均衡包括时 域均衡器（）训练模块和时域均衡模块，它在时域 通过截短信道冲激响应，将信道时延扩展约束到时域 保护间隔范围之内，从而减小子信道间干扰（）；同 步校正用于实现 调制器与解调器之间 符号及采样时钟之间的同步；快速傅里叶变换（） 实现 解调； 估计比特分配包括 估 计模块及比特分配模块，它通过估计各个子信道的 评价该子信道的传输质量，从而为该子信道分 配相应的传输速率，以保证获得所需的误码性能；频 域均衡用于频域估计电缆信道的频率响应，从而对子 信道的幅度和相位失真进行校正；系统信息解码用于 获得同端调制器所需的比特分配信息；解映射实现对 的解调；译码对收到的 包进行纠错译 码，提高传输的误码性能；解随机化通过解随机化恢 复出调制端所发送的数据包；自动频率控制（）用 于实现采样时钟的同步，减少子信道间干扰；自动增 益控制（）自动将接收信号幅度控制在 转换 器的动态范围之内。图系统硬件实现框图系统的软件实现 井下 调制器的实现图中， 调制器接收的用户数据经物理 层打包和 编 码 后 进 行 随 机 化 处 理，随 机 化 对 输 入的物理层数据包进行能量扩散，映射器根据比特 分配表对 每个子载波进行 映 射，采 用 映射可以 大 大 提 高 频 谱 的 利 用 率，而 比 特 分 配表是通过训练过程中对信道的信噪比（）分析测试结果整个系统在实际电缆上进行了性能测试。测试 条件：电缆型号为 公司的 型；电 缆长度 （约）；直流电压；井 下等效负载；下发命令周期 。 上 行信道传输性能的测试结果见图。图（）为数据图 调制器实现流程图 解调器实现流程 非法定计算单位， 测井技 术 年 试，系统在下发命令时未影响上行信道的接收。在上行信道的通讯建立后，以平均以下 的速率改变地面直流电源的工作电压时，未影响上 行通讯，当超过该速率时上行信道 译 码 前 的 误 码率明显变大，有误码出现，但通讯未中断；当停止 调节直流电源的工作电压后，译码前的误码率恢 复正常工作状态，未再见误码，通讯恢复正常；当调 节电压速率达到 以上时，出现大量误码，导 致上行信道通讯中断，系统的上行信道将重新训练。结论（） 单芯测井电缆传输有效传输带宽窄。根据实际生产测井特点提出了上行信道采 用 调 制方式、下行信道采用 的方案，并依此设计了 基于单芯测井电缆的遥传系统。（） 通过在 的 型 电缆上实 测，上 行 信 道 传 输 速 率 达 到 以 上，误码率控制在以下。（） 对所开发的遥传系统进行了下发命令以及 改变地面直流电的工作电压等实际工程应用中存在 的情况进行了测试。 通过测试，下发命令未影响上 行信道的传输，直流电的工作电压在一定范围内调 节不影响整个遥传系统的正常数据传输。参考文献：刘国权，田 洪 亮，王 易 安，等一 种 单 芯 电 缆 高 速 数据传输方 案 西安石油大学学报，（）：董惠娟，李 瑞 敏，张 广 玉，等单 芯 测 井 电 缆 频 率 特 性分析 光纤与电缆及其应用技术，（）：，周志彬，王 忠 义，马 文 中，等曼 彻 斯 特 码 测井电缆通信系统研制 测井技术，（）：陈国瑞，赖学军码及其在有线遥测数传系统中 的应用 石油仪器，（）：谢飞测井电缆 数 据 传输方式的分析说明 石 油 仪器，（）：董惠娟，李瑞敏，张广玉基于 的单芯电缆调 制解调系统设计与仿真 测井技术，（）：图 的 电缆上行信道相关特性传输阶段上行信道的信号经过 后的输出波形及其对应的频谱，在送入 转换器之前上行信号 被放大 到 峰 值 约 ，频 谱 图 的 垂 直 方 向 每 格 设置为；图（）为上行