测井电缆高速数据传输系统的设计

杨旭辉

(长江大学 湖北荆州)

测井电缆高速数据传输系统的设计

杨旭辉

(长江大学 湖北荆州)

OFDM(正交频分复用)是一种多载波数字调制技术,可以有效地克服信道时延扩展和频率选择性衰落对数据传输带来的影响,现已被广泛应用于各种高速数据传输系统中。本方案设计了一种基于DSP(数字信号处理器)和FPGA(现场可编程门阵列)的通用高速数据传输系统,运用OFDM原理,以TMS320C6713DSP为核心处理器对数据实现各种编解码并进行正交调制和解调,从而提高数据的抗噪声性能和传输速率。本系统可应用于各种恶劣环境下的高速数据传输,如石油测井电缆,电力通信,应用前景广阔,实用性较强。

正交频分复用;信道;编码;解码;调制;解调;噪声

0 引 言

测井数据传输作为测井系统的一个重要组成部分,其传输速率直接影响测井仪器和装备的发展。随着测井新理论和新方法的不断出现,要求实时上传的数据量越来越大。如何提高测井数据传输系统的速率已成为测井仪器装备研制开发的关键问题之一。因此,为了满足社会生产实践的需求,开发高效率的测井电缆数据传输系统已成为测井技术的一个研究方向。本文主要从系统的原理与设计,硬件电路和软件流程图三个方面作了阐述,其中软件设计着重介绍了定时同步算法。

1 系统原理

本系统主要分为两部分,分别为调制和解调部分,其中调制部分负责数据的调制和发送,解调部分负责数据的接收和解调。

1.1 调制部分

调制发送端的结构图及其各模块的功能介绍如图1所示。

图1 发送端结构图

1)调制,主要作用是将输入的二进制数据位转变成对应的符号,主要使用的调制方式有8QAM,16QAM,64QAM,可采用比特加载技术实现不同的信道采用不同的调制方式。

2)共轭变换,由于本系统的传输方案是针对测井电缆设计的,因此传输的数据必须是实数,这样就要求系统在作IFFT运算前,先将所传输数据进行共轭对称变换,根据离散傅立叶变换的性质,可知在利用IFFT进行基带调制后可以将复数生成实数数据。

3)IFFT,星座映射将二进制流映射成复数向量并分配到N路子信道上,这样一路快速率的信号变成了N路并行传输的慢速率信号,这N路子信道上的复数数据组成了一个OFDM符号。N路子信道数据经IFFT调制后的信号为:

4)添加循环前缀,由于信道有多径效应容易引起符号间干扰,加入循环前缀可以有效地抵抗多经效应带来的影响。

1.2 解调部分

解调接收端的结构图及其相关模块的功能介绍如图2所示。

图2 接收端结构图

1)时间同步采用经典SC算法[1]。即在发送数据时通过数据辅助方式在数据包前面形成已知的数据帧。

在接受端用时间滑动窗不断对相隔N/2点的数据进行N/2点的相关运算,得到最大相关系数后即可提取时间同步点,为下一步的FFT运算找到起始点。

2)FFT实现解调,接收端找到时间同步点以后,去掉循环前缀将数据送给FFT模块进行解调,公式为:

2 硬件电路设计

2.1 调制部分

图3所示为发送部分即调制器的硬件框图,调制器放在井底,将采集到的实时井底数据调制好后送给信道进行传输。其中DSP对采集来的数据进行编码,做共轭变换,然后对数据进行IFFT调制,添加循环前缀;FPGA控制两片SRAM实现乒乓缓存,然后将调制好的数据送给DA转换,最后将数据传至信道。

图3 调制部分系统框图

2.2 解调部分

图4所示为接收部分即解调器的硬件框图,解调器放在井面,其解调过程完全为调制过程的逆过程。当信道数据传至井面,FPGA控制AD采样,并通过两片SRAM对数据进行缓存,DSP对数据进行FFT解调,星座反映射等最后将数据还原并输出。

图4 解调部分系统框图

3 软件设计

3.1 定时同步算法

软件设计中最重要的是定时同步算法。OFDM系统同步技术分为两大类:数据辅助方式和非数据辅助方式。基于非数据辅助方式同步范围有限,现在大都采用数据辅助方式进行同步,本文所采用的基于训练符号的同步算法属于数据辅助方式。同时训练符号的结构与同步的性能有很大的关系,因此确定数据辅助类同步算法很大程度即是确定训练符号帧结构,除此以外测度函数也很重要。

在本文中OFDM技术运用在测井电缆数据传输时,已将复信号进行共轭对称扩展,使IFFT输出的数据是实信号与ADSL类似,因此针对该算法的帧结构和实信号的特点,采用以下对称的帧结构:

其中C与D成对称结构,对称结构在定时点的提取上有较明显的峰值[2],当相关窗的起点不在正确定时点的时候所有的对应关系全部被打乱,这样避免了文献[1]中的结构所导致的不确定性。

针对该帧结构也对文献[2]中Park算法的测度函数做了改动以降低实现复杂度,即:

3.2 软件流程图

1)发送端流程图如图5所示。

首先对DSP板和相关外设进行初始化;

初始化Buffer将数据符号加载数据到内存空间;

为了提取同步信息,发送一个信号帧来对信号进行检测,接着发送一个时间同步帧用来对定时信息进行估计[3];

在一个长帧中发送10个OFDM帧数据,一个长帧接收完后需重新进行同步。

图5 发送端流程图

图6 接收端流程图

2)接收端流程图如图6所示。

与发送端相同,开始也要对DSP板进行初始化操作;

为了检测到数据传输过程的开始,不断的用Buffer中预存的数据与接收到的信号帧进行相关,以找到起始点;

在找到信号传输的起点以后,用时间同步帧估计精确的定时点以找到FFT的窗位置;

找到定时点以后执行FFT变换[4],星座反映射以恢复出最初发送的二进制码流。

4 结束语

该设计充分利用了DSP快速处理数据的能力和FPGA良好的时序控制功能,联合高精度、高分辨率ADC、DAC实现了井底数据不失真的高速采集和传输,同时也将OFDM的原理充分利用到了生产实践当中,为我国石油勘探测井仪器的研制和发展起到了推动作用。

[1] T.M.Schmidl and D.C.Cox.Robust frequency and timing synchronization for OFDM[J].IEEE Trans.Commun,1997,Vol 45 No.12

[2] B.Park,H.Cheon,C.Kang and D.Hong.A Novel Timing Estimation Method for OFDM System[J].IEEE Commun,2003,Vol.7 No.5

[3] 樊昌信.通信原理(第五版)[M].北京:国防工业出版社,2001

[4] 刘益成,孙祥娥.数字信号处理[M].北京:电子工业出版社,2004

PI,2011,25(1):24～26

OFDM(Orthogonal Frequeney Division MultiPlexing)is a Multi-Carrier digital modulation technique,which can effectively avoid the adverse effects which come about by the delay spread of signal path and the frequency attenuation selectively of the data transmission.This technique is used widely in all kinds of high speed data transmission system.The scheme designs a universal high speed data transmission system which is based on DSP(Digital Signal Processor)and FPGA(Field Programmable Gata Array),and code and modulate by using the TMS320C6713DSP,so as to improve the ability of anti-noise and the transmission speed.This system can be used in all kinds of bad environment to come true the high speed transmission of datas,for example,geological exploration oil well logging,and transmit electricity line.The application prospect is wide and practicability is strong.

Key words:OFDM,signal path,code,decode,modulate,demodulate,noise

High speed data transmission system of well logging cable.

Yang Xuhui.

P631.8+3

B

1004-9134(2011)01-0024-03

杨旭辉,男,1980年生,讲师,现在长江大学电信学院从事与DSP相关的教学与科研工作。邮编:434023

2010-09-10编辑:刘雅铭)