声波沿钻柱通信BPSK调制系统时钟恢复

2014-06-05倪文龙尚海燕

石油矿场机械 2014年11期

关键词：钻柱锁相环声波

周静，邱彬，倪文龙，尚海燕

（西安石油大学井下测控研究所，西安710065）①

声波沿钻柱通信BPSK调制系统时钟恢复

周静，邱彬，倪文龙，尚海燕

（西安石油大学井下测控研究所，西安710065）①

BPSK（Binary Phase Shift Keying）调制相位的载波信号为双相标记编码信号。由于声波换能器的非线性特性，以及钻柱信道带来相位偏移，可能会导致在每个位周期之间和不同码元的过渡期之间产生不依赖于数据的过度过程；以及由于换能器起振不能立刻达到很好的状态，致使相位未能达到理想的偏移，从而引发解码过程的错误。为了保证正确的解码操作，锁定过渡期，逐步恢复时钟尤为重要。针对BPSK载波信号的特点，设计时钟恢复系统，克服传统锁相技术的确定，可以很好地根据输入信号保证传输的独立性，使相位不受换能器和信道中间过渡的相位偏移的影响，锁定正确相位从而恢复系统时钟，保证后续解码工作正确稳定地进行。

时钟恢复；声波遥传；信道特性；锁相环

声波遥传技术是井下换能器将电信号转化为声信号，该信号由弹性波沿着钻铤、井下工具、钻杆传输到地面。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［1］。声波传输技术是以钻柱管壁作为传播介质、以声波为信号载体，利用声波在钻柱中的传播进行井下随钻数据的无线传输。该技术不受钻井介质、地层、钻井液等外界条件的限制，可以实现高速传输数据，是一种极具潜力的无线传输技术，是井下信息传输技术领域研究的热点之一［2-4］。由于声信号传输受钻杆结构的影响，信号衰减严重，而且传递信号的信道通频带几乎是无法预测和把握的，这些因素严重制约着声波谣传技术的发展［5］。为克服这些制约因素，国外的研究人员已经在这个领域展开了大量的理论研究［6-8］以及声波传输试验［9-11］，以了解声波信道的传输特性，为声波信号能从井底传输到地面打了基础。载波信号的选取好坏也决定声信号能否高效稳定传输至地面。Baker Hughes［12］提出了FSK、PSK和MSK的调制方法，2004年公布了部分现场试验结果［13］；Masha Mcmarzadeh提出并设计利用声波正交频分多路（OFDM）调制方法。在分析信号的传输流程上，信道是研究的出发点和设计信号的关键环节，所以首先研究信道特性。笔者首先建立声波沿钻柱传输模型，并分析其信道特性，然后针对声波传输通信BPSK信号调制出现的相位偏移问题，提出时钟恢复的方法，为正确解码提供保障。

1 声信号钻柱通道模型建立

目前，以波动方程的数值解作为声信号的信道模型。纵波振动方程为式中：U（t，z）为波纵向位移；z为轴向位置；t为时间；c2＝E／ρ；ρ（z）为传播信道的质量密度；E（z）为弹性模量。

钻杆和接头组成对称结构，如图1所示。

图1 钻杆和接头组成对称钻具结构

设钻杆和接头的材料相同，都为均匀介质。钻具中的声波传输简化为双端口设备，把S11和S12作为声波钻具中传播反射值，S12和S21作为声波钻具中传播透射值，在钻杆和接头的连接处满足位移和应力连续的边界条件［14］。声波在钻具中传输元素的表达式为

利用以上信道模型，起始输入端发射单位脉冲信号；假设最后1根钻杆末端无反射，钻杆和接头参数如表1。

表1 信道模型参数

用接头将4根、15根、50根钻杆相连，总长度分别为40、150、500 m，具有理想的信道特性。信道模型频谱图如图2。由图2可见：对于同一规格的钻具，也就是连接处的截面积相同，那么通阻带对应的频带与连接钻具数目无关，只是连接钻具越多其衰减越严重。

图2 声信号钻柱通道模型特性

2 声信号BPSK相位调制在钻柱中传输存在的问题

目前，通信中应用最多的是频率调制（FSK）和相位调制（PSK），因为无论从抗噪性能、频带利用率还是功率利用率，相位调制都被认为是很好的调制方法。此外，相位调制在高速数据传输特别是在衰落信道传输中被广泛应用［15-16］，但BPSK调制相位调制的载波信号为双相标记编码信号，相位由发射器和信道引起的偏移是未知且复杂，所以，为了稳定高效的恢复原始信息，信号的时钟恢复显得尤为重要［17］。

传统的锁相环技术和理论如下：

式中：Δφn为鉴相器输出；u1（n）为系统输入；u2（n）为可编程计数器输出；z（n）为锁相滤波器输出；k为调节因子；f为信号频率；fs为采样频率；ω为权系数；u3（n）为系统输出，并设所有的信号幅度为无纲量的规一化数值。

锁相环过程如图3所示。

图3 锁相环结构

对于BPSK调制，相位差180°，采用传统的锁相环跟踪相位变化，改变调节因子k的大小，当k＝0.2时，如图4a所示，相位跟踪误差如图4b。如果k＝0.02，如图4c，相位跟踪误差如图4d。由图4a可见，跟踪相位出现了混乱。由图4c可见，跟踪相位跟不上相位的变换。同时，由图4b和图4d可见，相位跟随的误差并不收敛，传统的锁相环不能有效地达到锁相效果。原因是对于不同的0，1码经过了180°的换相，传统的锁相环技术和理论无法达到那么快的灵敏度，无法跟踪相位快速反向变化。

图4 锁相环跟踪相位

3 改进BPSK锁相环方法

3.1 BPSK锁相环整体流程

在传统锁相环基础上，为了达到更快的灵敏度，提出锁相系统的设计方案（如图5），输入信号进入数据集成调制器和数据积分（di），产生误差积分ei和误差集成调制器相位偏移量em，由误差集成调制器产生调节信号，控制锁相环电路，根据锁相滤波器输出，控制压控振荡器（VCD）产生2个输出，其输出包括1个完整的位周期，并用于采样输入信号和与其正交的半位周期的采样方式。电压控制振荡器生成的第1输出信号，用于控制采集数据积分装置，使数据积分装置基本完成1个完整的周期采样；生成的第2输出信号，用于采集误差积分装置，使误差积分装置基本上完成半个周期采样。数据积分与误差积分输出信号控制误差调制器输出，再调节电压控制振荡器（VCD）输出，从而构成BPSK时钟恢复闭环系统。

图5 BPSK时钟恢复闭环系统流程

3.2 BPSK锁相环实现

令BPSK编码后的原载波信号为signal（t），如图6。周期为T，信号的长度为Lth。

图6 BPSK调制载波信号

令全相位1个周期T标准信号为，如图7a。周期为T，数据积分集di输出为

得到di（x）波形，如图7b。

令半相位半个周期标准信号s2（t），s2（t）如图7c。误差积分集ei输出为得到ei（x）波形，如图7d。误差解调器输出相位偏移量em（t）为

图7 标准信号及积分输出

em（t）＝di（t）×ei（t）

误差解调器em（t）输出如图8。由图8可见，当输出图形下降时，并且与x轴相交，即过零点em（t）＝0时，表示输出信号的相位分别代表偏差0、180、360°。相位偏差360°的整数倍点为m，取n＝km为系统时钟相位偏差360°的整数倍的点。将所得的系统时钟与原信号表示在一起，如图9。由图9可见，正确的跟踪锁定信号时钟。

图8 相位偏移量

图9 信号与时钟

4 基于BPSK调制时钟恢复方法应用

在实验室搭建声波传输系统，声信号发送端采用BPSK调制通信，调制的参数如表2。由换能器发射端BPSK载波信号，其频谱特性如图10。将调制的信号通过换能器将电信号转换为声信号发射，沿钻柱传输，在接收端再由传感器将声信号转化为电信号，并将接受的数据解调。接收端接收到的信号归一化如图11。为了更清楚地分析接收信号的相位偏移，将码元转化的载波信号与接收端接收到的载波信号对比，放大前部分如图12a，后部分如图12b。由图12a可见，前部接收到的载波信号相位与原始载波相位基本相同；由图12b可见，前部接收到的载波信号相位与原始载波信号相位偏差很大。由于相位的偏差，无疑会使解码错误，必须使用锁相环准确的确定采样点。运用上述锁相环方法追踪时钟同步，时钟和接收信号对比放大前部分如图13a，后部分如图13b。由13图可见：此方法全部数据都跟追相位，正确的恢复出系统时钟，为稳定高效地恢复原始信息打下了基础。

表2 BPSK载波信号参数

图10 载波信号特性

图11 归一化的接收信号

图12 发送载波信号及接受信号

图13 发送载波信号及时钟

5 结论

1）理想周期性钻柱作为声传输通道表现为窄频带、多波段的通信通道，钻具的参数显著影响信道传输性能。随着传输距离增大，接收信号衰减越严重，传输性能也随之下降。

2） BPSK调制载波信号通过换能器发射声信号，由钻柱信道传输，再由接收器接收到的信号会发生相位偏移，如果直接解码会导致误码率很高。为了正确解调数据，必须追踪时钟同步，恢复系统时钟。

3）传统的锁相环跟踪技术无法实现对于相位差为180°BPSK调制的相位跟踪，而采用BPSK时钟恢复闭环系统，可以跟踪相位，正确恢复信号的时钟，为信号解调提供保障。

4）相位调制BPSK是正交频分复用（OFDM）调制方法的基础，正确恢复系统时钟为充分利用信道频宽和更高速数据传输做了保障。

5） BPSK相位调制运用在高速数据传输，根据信道的不同，在特定的钻柱信道下可实现高速信息通信。在钻柱中实现声波高速通信具有重要意义。

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Code Clock of Acoustic Communications Using BPSK

BPSK are similar in that they have one regular transition every bit period and an intermediate-transition which may or may not be present dependent on the data；the magnetostriction is known to have non-linear characteristics and transmitter may not achieve a good start-up state，immediately.Those factors which may lead to phase error，for correct operation，the recovered clock must be phased locked to the regular transitions.A problem with phase lock loop designs can be that incorrect phase lock can be established on an input which contains a large proportion of data dependent transition.In this paper，the closed-loop system ensures the input signal transmit independently.The recovery clock system recovers the clock from the transmission signal to ensure data recovery correctly.

clock recovery；acoustic telemetry；channel properties；PLL

TE927

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.001