基于自适应算法的电缆传输编码系统设计与实现

陈 鹏，张英争



基于自适应算法的电缆传输编码系统设计与实现

陈 鹏，张英争

（河南工学院，河南 新乡 453003）

石油测井是石油勘探过程中的必要环节。测井过程中，由于测井数据的多样性，峰值数据量极大，容易造成码间干扰及载波间干扰，对数据接收造成了极大影响。基于以上背景，文中提出了一种基于OFDM技术的自适应比特和功率分配的实际编码方法，在降低算法复杂度的同时又能够很好地减小发射功率。通过系统仿真及实际的硬件实践测试，该实现方案在实际测井过程中可以合理分配每道子载波的传输比特数，有效提高传输速率。

电缆传输编码系统；OFDM；自适应算法；比特和功率分配

0 引言

现有研究中的自适应信道分配算法，都是通过迭代和穷举搜索的方式来进行传输带宽的优化，在一次迭代过程中只能确定一个可用子信道，或者排除一个不可用子信道。采用穷举迭代的方法能够找到最优的可用子信道集合。但是由于一次只能确定一个不可用子信道或者可用子信道，当不可用子信道数目或可用子信道数目比较多时，算法所需要的迭代次数将会很多，导致算法复杂度较高[1]。

Hughers-Hartogs算法[2]是一种适用于OFDM或者多载波系统的自适应比特功率分配的算法，是一种典型的基于迭代的连续比特和功率分配算法。它的优化原理是在保证目标固比特率和数据速率的前提条件下，使用给定的发射功率去优化系统的频谱利用率。它最早被用在XDSL有线系统的下行高速数据传输中。在该算法的每一次迭代过程中，它只分配一个比特，该分配过程只需要最少的发射功率就能维持目标误比特率的子载波。按照此过程反复循环迭代，直至所有的比特分配结束。由此可以看出Hughers-Hartogs算法的复杂度比较高，实时性也很差。

Chow 算法摒弃了大量的搜索和排序，简化了算法复杂度。但该算法对信号功率的分配和支持的传输速率是直接相关的，没有进一步优化的余地；另外，算法采用的标准是使信道容量最大化，但实际的通信链路往往更注重是否能以有限的功率达到某种速率的传输。采用Chow 算法提高了系统的性能，但性能低于Hughers-Hartogs算法。

针对以上算法的不足，本文从固定比特速率出发，在保证传输可靠性的前提下，对降低OFDM系统发射功率的最优化问题进行了分析。在此基础上，提出了一种自适应信道分配算法。通过该算法的预比特分配和迭代分配过程，系统所需的发射功率大大小于传统的等比特分配算法。

1 改进自适应信道分配算法

在石油测井系统中，信号通过7000米长的测井电缆进行传输。测井电缆在使用过程中，会直接承受几千米深井下的高温高压，并且电缆在输送和回收过程中，由于仪器和自身的重量会造成电缆的延展，导致电缆的信道特性出现变化。尽管与无线信道相比，测井电缆的信号相对稳定，不会出现多径效应，但是仍然需要对电缆信道的特性进行实时跟踪。

对测井系统而言，信号的可靠性和有效性具有等同的重要性。但是随着新技术的应用，大量的井下采集数据都要经过压缩再进行传输，所以信号传输速率对于信道的最大容量来说都会有一定的冗余，并且由于OFDM信号自身的特点，过大的信号发射功率容易造成峰均比问题，会使功率放大器工作在非线性区域，导致接收信号出现非线性失真[3]，造成系统性能下降。针对以上问题，本文提出电缆通信系统是一个具有N个子载波的OFDM系统，由动态的自适应比特和功率算法对并行的二进制并行信息比特流进行比特和功率的分配，在每OFDM周期内，由调制器得到N个频域符号，经过IFFT和插入循环前缀后，得到时域信号。这些时域信号经频率选择性衰落的无线信道送到接收端。在接收端去除循环前缀后经过FFT得到频域信号，最后由解调器和比特分配信息得到二进制比特流。

2 自适应信道分配算法仿真结果

本文对测井电缆信道的环境下自适应载波分配方法进行了仿真，系统子载波数为64，子载波间隔3.125KHz，每个子载波上都采用MQAM调制方式，总带宽200KHz，子载波上在每OFDM符号内可传输的比特数为（0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10)，即子载波在每OFDM符号内最大可传输比特数为10比特。每OFDM符号给定的总比特速率为256比特，即每OFDM符号平均每个子载波传输4个比特。设噪声功率=1。对以上参数进行了2000次仿真平均计算。

图1 信道仿真中比特和功率分配的情况

图2给出了在不同BER情况下，不同算法所需的平均比特信噪比。仿真中的算法包括本文算法和Chow算法的比较，从图中可以看出，尽管本文的算法性能略逊于Chow算法，但性能相差并不是很大。

图2 OFDM系统中不同算法所需的平均比特信噪比

图3是本文算法和Chow算法发射功率比较图。为了方便比较，仿真时将所有的Chow算法发射功率均作了归一化处理。从图中可以看出，本文算法所需要的功率小于传统Chow的功率。可以证明通过将Chow和信噪比门限相结合所进行预分配的方式是可以行得通的，并且利用Hughers-Hartogs方法进行进一步调整，选择要求递增功率最小的子载波，放弃了功率要求大的子载波，每次只在该子载波上进行1个比特变化的方式能够取得较好的效果。而本文方法根据每个子信道情况，先进行了比特的预分配，减少了达到性能稳定状态所需要的迭代次数，提高了运算速度。

图3 发射功率比较图

3 基于自适应算法的电缆传输编码系统的硬件实现

3.1 系统总体方案

电缆传输系统是测井系统的核心组成部分，分为地面系统和井下系统。地面系统具有给井下系统发送指令、计算各种系统参数以及解码的功能。井下系统主要根据地面系统的命令，上传各种训练符号和测井信号。系统框图如图4所示：

图4 电缆传输编解码系统框图

井下系统包括DSP模块、FPGA模块、DA、低通滤波和差分放大模块。通讯模块将测井数据通过SPI接口从网络路由器模块读取到FPGA中，然后以数据符号为单位，将数据进行RS编码和交织，并将编码后的数据根据信道参数进行QAM调制。然后通过并口传送到DSP模块中，将调制后的数据做IFFT变换并插入循环前缀。根据上位机发送的参数在规定位置插入导频符号，并在数据的开始和结尾插入固定的帧同步头，再将数据发送到FIFO中缓存；当接到发送数据标志时，将数据从FIFO中发送到DA输出，然后经过低通滤波、程控增益、驱动到模式5[4]变压器。

地面系统由DSP模块、FPGA模块、AD、低通滤波和差分放大组成，通过FPGA的控制，将AD所采到的信号进行FFT变换等处理。根据电缆的信道特性，电缆传输系统采用了半双工定时的传输方式。

3.2 井下系统设计

井下系统由电源模块，供电采集模块，通信模块和网络总线管理模块四大模块组成。

井下系统首先要接到地面系统的下发命令。下发命令使用50kbps的曼彻斯特码，负责对下发的命令进行解码并检验接收数据的正确性，然后将正确的数据通过SPI口传给FPGA。FPGA将网络路由器和其他仪器的参数和命令数据通过SPI口传给网络路由器，将DSP模块的参数通过SPI口，传送到DSP模块，然后根据命令进行信号发射。

OFDM信号发送模块包括FIFO、DA、低通滤波和差分放大。当有取数令时，发送数据到AD9754，发送时钟由温补晶振Y1经过CPLD分频后提供。DA输出经过一个1.4MHz的低通滤波器和一个500KHz的低通滤波器用来滤除DA转换过程的开关噪声。R4～R7和C35组成截止频率为1.4MHz的RC低通滤波器；R1、C40～C42、L1～L2组成截止频率为500KHz的5阶贝塞尔低通滤波器。发送部分电路图如图5所示。

经过滤波的DA信号进入程控增益放大器，由HI508-9以及外围的电阻电容组成。总共有7挡，板上将EN上拉为高电平，即ON通，将IN1空，利用TX_GA2～0选择1～7来实现增益调节。每阶有3dB共21dB；分别为1.6、2.5、4、6、8.5、13.5、26倍。调整井下发送增益以适应不同的电缆和通讯环境。程控放大器输出后信号进入8阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率为270KHz。上传OFDM信号经过270KHz低通滤波器后滤掉有效带宽外的信号，输出到功率差分驱动，由2片大功率功放将需上传的OFDM信号驱动到模式变压器上。

3.3 地面系统设计

地面系统具有下发命令、计算信道系数和译码的作用，图6是地面系统的电路板图：

图6 地面系统电路板图

当地面系统接收到信号后，信号经过信号预处理电路，AD采集后将数据存入大容量FIFO中进行缓存，等待DSP模块的读取，当FIFO中有数时即产生读允许信号，DSP接收到读允许信号之后才会从FIFO中取数。DSP首先对接收的数据进行帧同步和样值同步，并利用同步帧之间的采样点数进行精确的频率修正；将符号同步后的数据去掉循环前缀，将数据帧中的导频符号提前出来，计算均衡系数传送给FPGA进行均衡滤波器的配置。同时将数据帧中的数据符号进行FFT运算。

地面系统AD芯片工作时钟为12.8MHz，AD芯片是否启动其采集功能由外部逻辑提供的AD启动信号控制，AD启动信号为高后，AD工作时钟才有效。当AD采集够一定数据后，FPGA模块会产生一个AD停止采样信号，该信号送给CPLD，结束AD采集功能。

AD芯片工作输出的位宽为16位，并行数据速率为400K。滤波器工作时钟为50MHz，因此滤波器输入端信号速率需同为50MHz。为了保证输入数据速率的匹配，将AD采集后的数据送入FIFO进行缓存，FIFO的时钟频率为50MHz。

AD采集后的数据根据实际情况进行时域均衡滤波或者不滤波直接传给DSP进行后续处理，EQ_YN为滤波与否的标志信号。EQ_YN为高时表示需要进行时域均衡，为低时表示不需要进行时域均衡，EQ_YN由外部逻辑器件产生。在不需要均衡时由于FPGA向DSP传输的数据线是28位的，所以要对16位数据进行扩展，扩展成28位。图7为AD采集控制数据接收模块的实测逻辑分析仪波形图。

图7 AD采集控制数据接收实测图

图8 改进自适应信道分配算法的操作界面

3.4 上位机软件工作流程

电缆传输编码系统在上电之后有自动初始化的一个过程：

1）发送增益调整命令，上传单频正弦波，调整井下发送增益和地面接收增益；

2）发送时域均衡命令，上传负脉冲信号（类似冲激响应），地面接收后计算时域均衡系数，对AD采集的数据进行时域均衡；

3）发送调制信噪比命令，上传由伪随机系列调制的信噪比波形，地面计算后将每个子信道的信噪比传送到上位机，根据需要的速率自动分配各个子信道的调制点数；

4）发送信道训练命令，上传已知的随机的调制数据，地面对解调数据进行误码统计和分析；

5）训练完成后，发送测井数据传输命令，井下MODEM通知网络路由器开始数据传输。

图8所示为应用改进自适应信道分配算法的操作界面，图中曲线1为当前各个子信道的信噪比，曲线2为依据改进算法所计算出的各个子载波的调制点数，可见改进后信噪比得到了良好的提升。

4 结语

本文在自适应功率和比特分配算法研究方面，对比了目前常用的几种自适应算法，进行了分析比较，列举了各种算法的优点和不足。在现有算法的基础上，本文设计了一种应用于测井电缆信道的自适应算法方法，该算法由初始分配和迭代分配两个过程组成，并通过实际的硬件实现该算法，该算法结合了当前算法的优势，降低了硬件实现的复杂度，提高了传输速率，改善了信噪比性能。

（责任编辑吕春红）

[1]汪裕民.OFDM关键技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2007.

[2][美]维纳·K·英格尔，约翰·G·普罗克斯.数字信号处理（MATLAB版）（第二版）[M].刘树棠,译.西安：西安交通大学出版社,2008.

[3]陈文轩，孙云涛.基于正交频分复用（OFDM）技术的高速测井遥传系统[J].测井技术,2011(05).

[4]潘健波.OFDM 系统中的自适应调制技术研究[D].北京:北京邮电大学,2006.

Design and Implementation of Cable Transmission Coding System Based on Adaptive Algorithm

CHEN Peng，et al

(Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China)

Petroleum logging is the necessarily step in petroleum exploitation.Serious signal distortion and attenuation are generated in the logging process due to the long logging cable, and the long duration of the channel impulse response makes the inter-symbol interference and inter-carrier interference salient, which cause a great impact on the data receiving. This paper presents a practical algorithm based on OFDM technology which can be adaptive bit and power allocation, and combines the advantages of the classic Hughers-Hartogs algorithm and Chow algorithm. Moreover,this algorithm reduces the complexity of the algorithm and transmission power. During System Simulation and hardware realization, the actual implementation in the logging process can reasonably allocate transmission bits of sub-carriers channel and increase the transmission rate.

Cable Transmission coding System; OFDM; Adaptive Algorithm; Bit And Power Allocation

TN919.3

A

1008–2093(2016)05–0007–05

2016-06-12

陈鹏（1987―），男，河南新乡人，硕士，主要从事图像视频压缩、信号处理研究。