井下声波通信系统中的同步解调方法

余浩 余厚全

（长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023）

井下声波通信系统中的同步解调方法

余浩 余厚全

（长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023）

为满足油田智能化开采应用中数据长期监测的需求，对井下数据的声波耦合提取进行研究；分析声波传输过程中可能出现的信号畸变问题，针对信号幅度的不规则起伏采取三值包络分层解调方法，设计基于采样点分组与相关检测的位同步提取算法，开发相应的同步解调软件。结果表明，该算法复杂度低，易于实现，适用于传输速率不高于2kbit/s的数传系统。

声波通信；包络分层；位同步

近十年来，智能完井技术发展迅猛，是未来油田智能化开采的发展方向［1］。目前，国外成熟的智能完井系统广泛采用有线方式进行井下仪器控制与数据传输［2］。然而，传统的有线传输存在影响正常采油过程，长期磨损导致电缆断裂需不定时更换等缺点，因此提出了井下测井仪器的无线控制与数据传输的需求。在泥浆脉冲、电磁波、声波3种无线传输方式中，声波因其衰减相对较小，且对传输介质无特殊要求等优点，受到广泛关注。已有学者［3，4］分别就测井仪器的数据上传以及地面系统对井下仪器的控制进行了分析研究，并取得了一定的成果。然而，目前尚处在实验阶段，还未在实际生产中投入使用。通过声波耦合实现测井数据的提取，其难点在于：井下液体处于高温、高压的状态，通信的介质是狭窄管道中的井液介质，声波信号在传播过程中幅度和相位会发生畸变，给同步解调带来很大的困难。针对上述问题，本文在分析常用解调方式的基础上提出了一种针对2FSK调制的同步解调方法，并设计了相应的解调程序对算法进行了实现，最后进行了收发数据的试验，验证了该同步解调方法的可靠性。

1 井下声波通信系统结构

井下井液中声波通信系统的框图如图1所示。待发送的数据通过信源编码与调制得到适合在信道对应频段上传输的信号，经过滤波放大后激发声波换能器，将电信号转换成声波信号在油管内传输。接收端换能器将声波信号转换成电信号，经过低噪声放大、解调、信源解码，最后还原出原始的信息。

图1 井下井液声波通信系统结构

在数字通带通信中，2FSK调制具有抗干扰性强的特点。相对于2ASK和2PSK而言，受信道幅度畸变与相位畸变的影响要小，因此在井下声波通信系统中采用2FSK调制方式。同时，由于井下空间狭小、环境恶劣［5］，为了减小硬件电路体积，提高系统可靠性，采用了全数字接收方案，以软件方式实现同步解调功能。

2 三值包络分层解调

常用的2FSK解调方法有相干与非相干两种。由于接收信号存在较大干扰，相干解调难以提取载波，非相干解调又难以从边沿提取出准确的位同步时钟。因此，针对井下声波通信系统采用了三值包络分层解调方法。

一般的包络分层解调是由2FSK过零检测法推广出的一种通用解调方法［6］。将接收到的调制信号进行包络分层变换，得到重新量化后的数字序列，通过分析该序列中数值的变化情况就可以实现解调。图2是采用二值包络分层变换进行2FSK解调的原理图。

将已调信号均值C附近的信号值定义为“0”，其余信号值定义为“1”，得到仅包含“0”和“1”的数字序列。通过一个码元时间Ts内，数字序列中“0”和“1”的变化次数的多少，可以判断该区间载波频率的高低，从而实现解调。

图2 2FSK信号包络分层变换

然而在实际应用时，二值包络分层存在以下问题。一是采用数字解调时，首先要对接收到的已调信号采样，理论上采样率应尽可能高以反映原始信号的信息，但由于硬件限制，采样率不可能无限增加。在有限的采样率下，采样点相位选取的不同，使得相邻采样点可能分布在“0”值门限的两侧，由于前后两次的量化值相同，导致实际检测到的边沿个数偏少，使得两种频率之间的差异变小，不利于区分不同的频率。二是已调信号从一个频率变换到另一个频率时（如图3中通道1所示的波形），接收端信号（如图3中通道3所示的波形）不会立即改变成相应频率，信号的幅度经历起伏的过程逐渐过渡到另一个频率，信号的幅值发生漂移，固定包络门限的方法不再可行。为了解决以上问题，采用了三值包络分层解调，并提出了采样点分组检测均值的方法。

三值包络分层变换如图4所示。在信号频率与采样率已知的条件下，信号一个周期内的采样点数是一定的，故按照信号的周期分组，先计算一个周期内采样点的即时均值：

式（1）中，N为2FSK中频率较低的信号一个周期内的采样点数；S（k）为原始信号的采样序列。将整段信号的均值改为一个周期内的即时均值能够克服信号幅值漂移对包络门限的影响。

图3 换能器激发与接收波形

图4 2FSK信号三值包络分层变换

将采样点中落在［C-ΔC，C+ΔC］范围内的信号值定义为“0”，大于C+ΔC的信号值定义为“1”，小于C-ΔC的信号值定义为“-1”，得到一个只包含“0”和“±1”的数字序列X（k）：

式（3）中，A为一个周期内载波信号的幅值，CNR为调制信号的载噪比。

采用三值包络分层解调，可以在有限采样率的情况下，根据数字序列X（k）中“0”与“±1”之间变化次数的多少，将两种不同的频率区分开来。当相邻两次采样值分别大于C+ΔC、小于C-ΔC时，经过三值包络分层变换，前后两次的量化值为“1”与“-1”，检测到数字序列X（k）的变化次数没有产生偏差，能够准确地判定信号的频率。

3 位同步检测

假设码元速率f码与载波频率f1、f2之间满足如下关系：采样率fs与码元速率f码满足：

在一个码元周期内，频率为f1的载波信号持续n个周期，每个载波周期采样点数为m；频率为f2的载波信号持续2n个周期，每2个载波周期采样点数为m。按照每m个采样点分为一组，每个码元由n组采样点组成。包络分层后每组对应频率f1或f2，用“A”表示f1，“B”表示f2，如图5所示。位同步定时为连续n个A码组（或B码组）与连续n个B码组（或A码组）的分界点，即将分界点后连续n个码组划为一个码元。

图5 三值包络分层变换后得到码组序列

图6是码组检测的流程图。假设一长度为m的码组检测窗。先统计当前窗内m个采样点的均值，根据ΔC三值包络分层得到数字序列。①若当前窗内数字序列的边沿个数为P，则输出码组A，检测窗后移m位，进行下一次检测；②若当前窗内数字序列的边沿个数为2P，则输出码组B，检测窗后移m位，进行下一次检测；③若不满足以上两种情况，则检测窗后移一位，进行下一次检测。如此循环，直到满足①或②，识别出A码组或B码组。

图6 码组检测流程图

码组变换完成后，需要从码组序列中提取位同步时钟。理想情况下，一个码元应包含n个码组。然而在实际通信系统中，收发双方的频率存在一定偏差，导致一个码元周期内的码组个数不为n，因此实际位同步标志相对于理想情况会出现超前或滞后的现象。由于收发换能器的位置固定，相对运动的速度较慢，由多普勒效应产生的频偏可以忽略不计。频率的偏差主要来源于两方面：①本通信系统是一个典型的异步通信系统，当采用晶振作为系统时钟时，收发两端各自独立的晶振误差必将导致频率的偏差；②码元速率由晶振分频产生，若实际分频系数不是整数，则对其取整时会使码元速率产生误差。为了消除频偏对同步解调带来的影响，提出了如下位同步提取算法。

由前文可知，连续n个A码组（或B码组）与连续n个B码组（或A码组）的分界点即为位同步定时。位同步检测的流程图如图7所示，其中AB序列表示连续n个A码组与连续n个B码组组成的序列，BA序列表示连续n个B码组与连续n个A码组组成的序列。在长度为2n的位同步检测窗内，当2n个被检测码组和AB序列或BA序列相关值达到峰值时，即检测到位同步定时。由于频移误差的存在，当位同步标志滞后检测窗时，可通过检测窗不断向后移位提取出位同步；当位同步标志超前检测窗时，会导致位同步漏检，造成失步，因此，在上一次位同步完成后，检测窗后移2n-k位，保证下一个位同步标志刚好位于检测窗内或滞后检测窗，不会造成漏检。

图7 位同步检测流程图

4 试验结果

为了验证包络解调与同步提取算法的性能，进行了数据收发试验。设计了5批不同的码元样本，码元速率为580bit/s，对接收信号进行数据采集，平均时间为3min，解调出码元的结果如表1所示。从表1可以看出，在580bit/s的码元速率下，接收机能很好地实现码元同步与数据解调，基本没有出现误码的情况。

表1 5批不同样本解调结果

当为了进一步测试码元速率高于580bit/s时系统同步解调的效果，在码元样本与采样时间不变的前提下，提高码元速率，重复多次进行数据的收发测试，得到误码率与码元速率的关系曲线，如图8所示。

图8 误码率与码元速率关系曲线

从图8得知，码元速率小于2 000bit/s时，误码率低于10%，同步解调保持良好的性能；当码元速率超过2 000bit/s，误码率迅速上升，解调性能急剧下降。前半段解调结果良好的原因是码元速率较慢，码元周期内大部分时间信号的频率较为稳定；而后半段解调性能低下的原因在于码元周期缩短，当载波频率发生变化时，信号幅度的起伏过程占据码元周期的大部分时间，导致单个码元内信号的频率产生波动，严重影响解调性能。

5 结语

本文针对声波在油管传播过程中信号的畸变，对井下声波通信系统中同步解调带来的影响进行了分析与研究。采用了2FSK调制方式与全数字接收机，提出了三值包络分层解调方案，设计了采样点分组机制获取码组信息，并通过相关检测的方法提取码组序列中的位同步定时。结果表明：①三值包络分层解调方法简单易实现，无需恢复本地载波；②计算分组采样点均值能够解决固定包络门限无法应对接收信号幅值漂移的问题；③采用相关检测的方法提取位同步定时，减小了虚检与漏检的概率，当通信速率低于2 000bit/s时，解调系统能稳定正常地工作；④该算法的不足之处在于通信速率进一步提高时，需解决载波信号叠加带来的码间干扰问题。

［1］王兆会，曲从锋，袁进平.智能完井系统的关键技术分析［J］.石油钻采工艺，2009（5）：1-4.

［2］Abdullatif A，AL Omair.Economic evaluation of smart well technology［D］.Texas：Texas A&M University，2007.

［3］王燕嵩，吴世仝，王凤清，等.油井声波无线通讯技术研究［J］.采油工程，2013（2）：1-4.

［4］张建军，张宝辉.油井无电缆传输测试工艺技术［J］.油气井测试，2007（3）：73-74.

［5］贾德利，陆平平，孙福超，等.油管声波传输特性机理及应用分析［J］.哈尔滨理工大学学报，2015（6）：93-97.

［6］马子骥.基于软件无线电的数字调制识别与通用数字解调［D］.长沙：湖南大学，2007.

Synchronization and Demodulation Scheme in Downhole Acoustic Communication System

Yu HaoYu Houquan
（Electronics&Information School，Yangtze University，Jingzhou Hubei 434023）

To meet the demand of long-time data monitoring in intelligent exploitation of oil field,the downhole acoustic communication was studied.The research was mainly about the signal distortion during acoustic transmission.For the irregular fluctuation of signal amplitude,the solution included three-envelope-layering and bit synchronization extraction algorithm based on sample points grouping and correlation detection.Lastly,the corresponding demodulation software was developed.The result of experiment showed that the algorithm had advantage of low complexity,easy implementation and was suitable for data transmission system whose rate was not higher than 2 kbit/s.

acoustic communication；envelope-layering；bit synchronization

TN915.05；TN914

A

1003-5168（2017）05-0026-04

2017-04-17

余浩（1992-），男，硕士，研究方向：水声通信。