一种适合电缆测井数据传输的编码方法

王 泉，武洪涛

(长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)

一种适合电缆测井数据传输的编码方法

王 泉，武洪涛

(长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)

由于电缆测井系统中需要传输的数据信息量越来越大，因而对测井信息的传输速度提出了更高的要求。测井中使用的电缆通常是七芯电缆，而七芯电缆在实际应用中的通频带为100Hz到100kHz。要在通频带固定的传输信道中增大数据的传输速率，提高测井电缆的频带利用率是唯一的解决办法。针对该问题提出了一种新的数据编码方法，并把该编码方法与应用在电缆测井系统中的其他几种编码方法进行了分析比较，发现该编码方法能够有效地提高测井电缆的频带利用率，因而具有一定的实用价值。

电缆测井；数据传输；编码方法

测井电缆是井下与地面之间的信息传输媒介，测井作业中常用的电缆是七芯电缆，其长度一般为7000m。由于测井电缆的传输衰减随传送信号频率的增大而增大，7000m长的普通七芯电缆能够传送的最高信号频率为100kHz，如果高于该频率，则信号衰减严重，无法检测；在低频段，由于测井电缆的两端分别通过变压器与地面和井下遥测单元耦合，所以频率小于100Hz的低频信号在耦合时衰减严重[1]。因此，在实际应用中七芯电缆的通频带为100Hz～100kHz。为了充分利用测井电缆有限的带宽资源,提高信息的数据传输速率,必须有适当的数据编码方式。针对上述情况，笔者提出了一种适合电缆测井数据传输的编码方法。

1 几种应用在测井电缆系统中的编码方法

1.1 曼彻斯特码

图1 曼彻斯特编码图

曼彻斯特编码是测井数据传输中最常用的编码方式之一，对数据进行编码的规则如下[2-3]：当数据位为1时，在该数据位中间产生电平的负跳变，以“10”表示；当数据位为0时，在该数据位中间产生电平的正跳变，以“01”表示。曼彻斯特编码如图1所示。

从图1可以看出，波形在每一位码元中间都有跳变，因此具有丰富的定时信息，便于接收端提取定时信号，并且曼彻斯特码在每一位码元中都有电平的转变，因而在数据传输时无直流分量，可降低系统的功耗。但是每一个码元都被调成2个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。

1.2 HDB3码

HDB3码全称三阶高密度双极性码，由AMI码改进而来，其编码规则如下[4]：①将消息代码变换成AMI码，若AMI码中连0个数小于或者等于3,此时的AMI码即HDB3码；②若AMI码中连0的个数大于3,则将每4个连0小段的第4个0变换成与前一个非0符号(+1 或-1)同极性的符号,用V表示；③为了不破坏极性交替反转，当相邻2个V之间有偶数个非0符号时，再将该小段的第1个0进行变换,用B表示,符号的极性与前一非零符号的相反，并让后面的非零符号从该符号开始再交替变化。HDB3码的编码过程如图2所示。

HDB3码编码方法的特点有如下几点：由HDB3码确定的基带信号无直流分量，且只有很小的低频分量；HDB3中连0串的数目至多为3个，易于提取定时信号；编码规则复杂，但译码较简单。

1.3 正交振幅调制

正交振幅调制(QAM)是高速传输系统中使用的一种编码技术[5]，如Schlumberger公司MAXIS-500测井系统中的DTS数字遥测系统，上传数据可以实现高达500Kbit/s的传输速率。此外，国产的EILog系统采用正交频分复用调制(COFDM),上传数据时其子信道内采用16/32QAM方式，传输速率可以达到300Kbit/s。该编码技术虽然传输速率高，但其编译码过程相当复杂。

2 新的编码技术——宽窄电平交替传输方法

图3 宽窄电平交替传输编码图

常用的传输码中，通常选用“0”和“1”来表示电平的高低，如曼彻斯特码、HDB3码等。除了用“0”和“1”来表示电平的高低变化外，还可以用“0”和“1”来表示电平的宽窄变化。为此，笔者利用电平的宽窄变化提出一种新的编码方法——宽窄电平交替传输方法，其编码规则如下：在周期为T的时钟脉冲内，在T/2时间段内连续输出一段电平，用“0”表示；在T时间段内连续输出另一段电平，用“1”表示。每输出一次电平，电平就会翻一次，也就是说“0”码元电平的持续时间只有“1”码元电平持续时间的1/2，其编码过程如图3所示。

该编码方法有以下几个特点：①每传输一位码元，电平会发生一次改变，因此相邻2个码元之间包含了丰富的时钟信息，便于在接收端提取定时信号。②在传输的过程中，电平是不断交替变化的。但由于“0”和“1”码元电平的长度不同，所以在传输的过程中具有较少的直流分量。与其他几种编码方法相比，在同样的频带宽度下，利用该编码方法传输数据，其传输速率能达到曼彻斯特码的1.5倍，这对于频带资源十分宝贵的测井电缆来说，可以有效地提高频带的利用率，并且在整个过程中不需要很大的驱动功率。采用该编码方法是通过控制输出电平的宽窄变化来实现数据传输，编码的实现由单片机通过软件编程来完成，在接收端采用单片机的捕获功能捕获码元与码元之间的上升沿与下降沿时间，从而得到相邻2个触发边沿的时间差，再将该时间差与时钟周期进行比较就可完成解码。

3 实施效果

为验证宽窄电平交替传输技术的可靠性，在油田测井作业中使用了该方法。经测试，在通频带为100kHz的测井电缆系统中利用上述编码技术传输数据，抗干扰能力强，性能可靠，传输速率可以达到125Kbit/s，完全可以满足目前数控测井仪的100Kbit/s的基本数据传输速率。此外，如果减少码元“0”和“1”电平的宽度，在通频带固定的信道中可以传输更多的数据，因而应继续研究该编码方法，使其进一步完善。

[1]李微微，陈国栋，李谦.应用在测井电缆传输的几种编码技术[J].科技资讯，2010(25)：12-13.

[2]张淑玲，沈田.曼彻斯特编码技术在测井数据传输中的应用研究[J].计算机与数字工程，2009,37(9)：187-189.

[3]周志彬，王忠义，马文中，等.50Kbit/s曼彻斯特码测井电缆通信系统研制[J].测井技术，2006,30(6)：576-579.

[4]熊能.HDB3码和AMI码及它们的编码实现[J].信息技术，2009(24)：15-18.

[编辑] 李启栋

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.10.039

TN913.8

A

1673-1409(2012)10-N125-02