EXCELL2000测井系统上传信号失真及恢复原理解析

葛承河 郭红旗 李彩红

(胜利石油管理局测井四公司 山东东营)

EXCELL2000测井系统
上传信号失真及恢复原理解析

葛承河 郭红旗 李彩红

(胜利石油管理局测井四公司 山东东营)

EXCELL2000测井系统在实际使用过程中,由于测井电缆的长度、类型、温度以及上传速率等因素的影响,导致在不同条件下上传信号的失真和干扰程度也不一样,这就使得上传数据的解调和恢复工作变得非常复杂。文章主要讲述和分析电缆传输过程中信号失真情况及其恢复原理。

失真;滤波;均衡器;带宽

0 引 言

EXCELL2000数字成像测井系统中,通过模式7实现了最高217.6 kb/s上传速率,与其它传输速率较低的系统相比,上传信号的失真要严重得多。然而,在该系统中,通过合理的电路设计对上传测井信号的失真实现了很好的恢复和校正,使地面数据采集系统能够得到优质可靠的数据。更可贵的是通过良好的电路设计使得该系统具有非常强大的系统自适应能力,在系统信道参数和传输信号频率变化较大的情况下,也能够获得可靠的数据。下面我们先分析一下系统中各种失真的产生和类型。

1 信号失真分析

我们知道,测井系统在使用过程中,测井电缆的长度、电缆类型、阻抗以及传输信号的速率等并不是固定不变的,这些方面的变化都会导致测井信号的失真、衰减程度具有很大的差异,这给地面系统的信号恢复工作带来更大的困难。地面调制解调器要对具有不同失真、衰减、位间串扰程度的测井信号进行恢复和校正。尤其是在较高的传输速率时,如果不能较好地减轻信号的失真程度,地面系统就很难对其进行可靠的恢复并得到优质的测井数据。一般来讲,决定一个通信系统传输速率的因素是噪声和电缆的带宽。既然这两个因素不能改变,又是怎样在108.8 kHz带宽上以双倍的传输速率217.6 kb/s进行传输的呢?该系统通过利用未调制的变形双二进制编码和调制的双二进制编码实 现了 217.6 kb/s、108.8 kb/s、54.4 kb/s、27.2 kb/s、13.6 kb/s的速率,三电平编码需要更高的信噪比,这是以增加了信号的恢复难度为代价的。我们要想在信号输出端得到可靠的数据必须处理好三种失真:噪声、衰减和位间串扰。

第一是噪声对上传信号的干扰。在EXCELL2000测井系统中,主要的噪声源是60 Hz和400 Hz的仪器电源。尽管在电缆上进行多元信号的传输是非常有效的,但是各缆芯之间轻微的不均衡或者模式变压器本身特性差异都会降低电源与上传信号之间的隔离。由于电源信号的频率相对上传信号而言是非常低的,可以利用简单的高通滤波器来有效滤除。

第二是测井电缆本身引起的信号衰减。现场使用的电缆长度、型号、电缆本身的阻抗、电容的大小以及传输信号频率的不同使得信号在传输过程中的衰减程度具有较大的差异。传输的信号频率越高,信道对信号的衰减幅度越大,调制解调器必须能在很宽的信号输入范围内正常工作。

第三是相邻数据的位间串扰。这种干扰是受测井电缆的带宽限制产生的,尤其是高频信号比低频信号时的位间串扰失真更严重;例如,在217.6 kb/s传输速率时,上传信号占用从0到108.8 kHz的带宽,对于31 000 ft(1 ft=304.8 mm)长的电缆来说,信号在108.8 kHz时的失真要比直流信号大30倍[1]。

在EXCELL2000测井系统中,并不需要人为地根据信号传输信道和信号的变化去调整地面系统信号恢复电路的参数来校正上述的三种失真。该系统具备强大的系统自适应能力。

2 信号恢复原理分析

图1 整体电路功能框图

图1所示为地面系统信号恢复电路的功能框图。主要的功能模块包括上传数据接收器、下传发射器和电缆模拟器。在接收器模块,上传数据首先进入输入滤波器,然后通过可编程增益放大器,400 Hz的陷波滤波器和自动增益控制放大器。接着信号进入均衡器电路,该均衡器包括三个均衡器电路,实际工作时均衡器的具体组合依靠信号对均衡器的需要进行选择。信号经过均衡以后同时被送到模数转换电路和时钟恢复电路。模数转换器的输出信号将到数字信号处理器(DSP)中作进一步数字均衡,然后进行限幅处理。限幅器的控制主要是根据数字均衡器的输出进行的。从限幅器输出的信号被解调(只在传输速率为0、1、2、3时)、解码和检错。这些解码后的数据继续被送到地面系统。

图2展示了电路恢复效果。比较双二进制原始输出信号、失真后以及正确恢复后的波形图,我们会发现

图2 信号恢复前后波形对比图

信号恢复电路的强大功能。图2a中的信号是上传模拟器的双二进制输出信号。图2b展示了图2a中信号经过失真、衰减和反相以后的信号波形。我们注意到这些脉冲被展宽了,这就使得我们很难从临位时钟恢复出数据。图2c是均衡器正确设置为2时在均衡器测试点得到的信号。这时,我们注意到这个信号不再是那个展宽了的信号,并且与上传模拟器的输出信号非常相似。图2d是图2c中信号的眼图。从图中我们可以看出,该眼图信号开度比较大,说明信号失真较轻,系统容易进行准确的判决,不易产生错码。

2.1 输入滤波器

来自电缆上的上传遥测信号首先经过一个双拐点高通滤波器,能够滤除绝大部分60 Hz的干扰和部分400 Hz的干扰信号。滤波器在1 200 Hz和5 400 Hz设计了两个拐点。尽管滤波器能一定程度地抵消和削弱上传信号的幅度,但绝大部分的上传信号主要在高频部分,所以滤波器本身对上传信号几乎没有影响,不会导致任何失真。滤除电源噪声后,信号就被送到可编程增益放大器。

2.2 可编程增益放大器

可编程放大器电路允许选择1、10、100、1 000四种固定增益,用差分输入抑制共模噪声。在正常情况下,一般系统不会使用1 000倍的增益设置。主要是在系统状况比较糟糕,输入信号衰减非常严重的情况下才会使用1 000倍的增益。输入信号在可编程增益放大器中获得合适的增益后,输出的1到10伏特的峰值信号由400 Hz的陷波滤波器进一步滤波。

2.3 陷波滤波器

尽管前面的输入滤波器对400 Hz的干扰进行了滤波,但是仍然需要更进一步消除电源信号的干扰。因为如果我们试图在输入滤波器电路部分通过提高输入滤波器的拐点频率更好地消除400 Hz的干扰且同时又要避免引起上传信号的严重失真是几乎不可能的。而400 Hz陷波滤波器的优点是它仅仅对400 Hz周围很小频率范围附近的信号进行滤波,所以电源信号的干扰可以被很好地消除而不会使输入信号引起严重失真。

2.4 自动增益控制

系统正常运行所需要的增益自动控制功能是在自动增益控制放大器中实现的。自动增益控制电路包括一个12位的数模转换器和一个10倍增益的运放电路。系统运行时,处理器通过数模转换电路控制运放电路的增益。数模转换电路的输入数字量是处理器根据信号恢复需要给出的。数模转换的控制输入输出之间有下面的公式所表达的关系:

经过10倍增益放大器放大后有如下关系:

对整个增益控制电路来讲,总的增益从0到10被分为4096个档位。数模转换的控制输入端由处理器根据数模转换的输入信号来确定,除非地面调制解调器被置为人工增益控制模式。自动增益控制放大器输出端的信号幅度也不是固定的,而是还要取决于均衡器的设置,因为均衡器也能提供一定的信号增益功能。

2.5 均衡器

所谓均衡就是对系统中的线性失真进行校正的过程[2]。为了更好地理解均衡器的功能,图 3展示了31 000 ft长15/32 in(1 in=25.4 mm)粗的七芯电缆在0～120 Hz范围内的频响特性曲线。在小于10 kHz的频段,频响曲线是快速下降,而大于10 kHz的频段,电缆的响应基本上随频率的变化成比例下降。为了消除接收信号的失真,均衡器必须在高频段提供较大的增益以至于电缆和均衡器组合起来在整个带宽上具有平衡的频响特性。输入滤波器降低了小于10 kHz频率的信号的幅度,而均衡器对高频段的频响特性进行校正。均衡器电路设计成3个具有不同均衡能力的均衡电路,通过组合可以得到8种具有不同均衡特性的均衡器组合。

图3 七芯电缆的频响特性

图4展示了均衡器中三个部分及不同组合的频响曲线。在实际运行时,会选择合适的均衡组合来提供最合理的频响特性,尽量使系统在整个带宽上的频响特性平衡。在图5中显示的示波器波形叫“眼图”,说明了均衡器的作用。这些眼图是利用来自调制解调器的同步信号触发示波器并在均衡器的测试点观察到的信号。

图4 均衡器的频响特性

图5a展示了一个被正确均衡后的信号眼图波形。而图五5b和五5c分别是欠均衡和过均衡信号眼图波形。当信号得到正确均衡的时候,眼图中“眼”的开度最大。当信号不能正确均衡的时候,电平就不容易区分,眼图的开度也较小甚至闭合,难以进行恢复,容易产生错码[2]。尽管经过以上处理以后信号已经得到了较好的回复,为了使得系统更可靠,还需要在数字信号处理器里作更进一步的均衡。

图5 不同均衡程度处理后的信号眼图

2.6 数字适配均衡器

在数字信号处理器中,从模数转换器来的信号要在适配均衡器里做进一步的处理。实际上这个数字均衡器就是一个自动均衡器,能够在信道特性的变化条件下获得最佳的均衡效果。能消除所有的由模拟均衡器遗漏的残余失真。该均衡器取一定数量的最新数据,每一个都乘以一个系数,并且将这些乘积累加。这些数据和系数的乘积的总和就是滤波器的输出。这个系数决定了滤波器的频响特性,并且根据均衡器输出端存在的误差不断地进行反馈控制。例如,如果一个接收到的信号比实际期望得到的大,这个系数就会稍微减小。随着这个系数的调整过程的连续重复进行,滤波器实际输出与期望值之间的误差将会减到最小。在测井施工过程中随着传输信道等特性的变化,均衡器会不断地进行调整来补偿这变化带来的影响。

2.7 解调、解码和检错

电缆上传送的数据有三种电平:+10 V、-10 V和0 V,分别代表+1、-1、0。因为在传输速率13.6 kb/s到108.8 kb/s时,数据是由54.4 kHz的载波信号调制后在电缆上传输的,每个数据位是由一个或更多的接收到的信息样本来代表的。

如表1所示。展示了接收到的信息样本与实际的数据位之间的对应关系。数据被解调时,调制解调器必须取一个或更多的样本来确定实际的数据位。在传输速率为217.6kb/s的时候,传输的数据根本没被调制,所以从限幅器的输出信号可以直接被解码。而其他传输速率时就必须解调。例如,在传输速率3时,一个数据位被传为:0、0、0、0、0、0、0、0或-1、+1、-1、+1、-1、+1、-1、+1、或+1、-1、+1、-1、+1、-1、+1、-1。解调后,是8个连续的0或8个连续的+1或-1代表这个数据位。而不是取8个中的一个来代表这个数据位,硬件会执行一个表决机制来确定这个数据。这样允许调制解调器在低传输速率时对传送的冗余样本进行优化。数据被解调后,继续解码并从三电平转换成两电平的NRZ数据,并送到译码器。对+1和-1、0解码时,硬件会检查数据序列是否包含违法的组合。译码器与遥测短节发射编码器的作用相反。数据在发射器中编码防止长串的重复数据尤其是0,用来避免接收器运行失败。长串的连续的“0”引起的最严重的问题是没有供时钟恢复电路用的转化电平,并且接收时钟与发射时钟失去同步。

表1 实际传输数据位与接收到的信息样本对照表

3 结束语

EXCELL2000测井系统中,使用双二进制编码技术,在模式7上能够传输最高217.6 kb/s的上传速率。工作过程中随着传输速率的增高,传输过程中造成的信号衰减、噪声、位间串扰也就越大。但是通过地面系统中信号恢复电路十分强大的信号恢复功能,使得该系统具有较高的系统自适应能力。系统能够根据外部设备、传输介质及传输速率等因素的变化,自动选择合适的均衡、增益、滤波,确保地面系统能够得到符合系统需要的可靠测井数据。

[1] 哈里伯顿能源服务公司.EXCELL-2000系统现场操作指南.1997(资料)

[2] 郭梯云,刘增基,王新梅,等.数据传输(修订本)[M].北京:人民邮电出版社出版,1986

[3] 曹志刚,钱亚生.现代通信原理[M].北京:清华大学出版社出版,2008

Analysis of the distortion and recovery of uplink signals in EX- CELL2000 system.

Ge Chenghe,Guo Hongqi and Li Caihong.

EXCELL2000 logging system must correct distortions introduced by the logging cable.This function is complicated because of the tremendous variation in operating conditions,such as variations in line length,cable type,and downhole temperature.In this paper,the theory of the distortions and corrections for uplink data are analyzed mainly.

distortion;filter;equalizer;band-width

P631.8+1

B

1004-9134(2010)01-0033-04

葛承河,男,工程师,1994年毕业于承德石油高等专科学校应用电子技术专业,2000年毕业于石油大学计算机及应用专业。曾从事EXCELL-2000野外操作5年,仪器维修11年,现主要从事该系列仪器以及地面系统的维修和维护工作。邮编:257096

2009-12-01编辑姜 婷)

PI,2010,24(1):33～36

·方法研究·