钻井液压力相移键控信号的相干解调研究及误码率的分析

摘要：随着地质导向钻井及闭环钻井技术的发展，大量井下参数的实时测量与传输对井下信息的传输速率提出更高的要求。传统的随钻测量（MWD）泥浆遥测系统通过提升阀产生压力脉冲并采用基带方式传输，信息传输速率低，最大传输速率约为3b/s，目前国外已用频带传输方式取代基带传输。压力信号的频带传输通常采用差分相移键控法（DPSK）及正交差分相移键控法（QPSK）进行数据调制，频带传输相对基带传输具有传输信息量大和抗干扰能力强等特点。由于基带和频带的信号特征和频谱不同，泥浆管路对信号传输的影响有所差别。本文就针对差分相移键控法（DPSK）及正交差分相移键控法（QPSK）的相干解调研究及误码率进行分析。

關键词：误码率;钻井液压力;相移键控信号;相干解调

引言：随钻测量技术（MWD）是一种在不影响正常钻进状态下，对钻头附近的信息进行实时的测量，并通过钻井液信道传输到地面仪器，加以分析研究的测量技术，该技术为钻井过程提供必要的工程参数与地层参数，是现代钻井技术的重要辅助手段。本文主要涉及钻井液连续压力波的信号分析，包括钻井液压力PSK（相移键控）信号的相干解调方法研究及误码率分析。

一、钻井液压力相移键控信号相干解调分析

1、钻井液压力差分（DPSK）相移键控信号相干解调分析

钻井液连续压力DPSK信号的调制信号与一般通信中的电调制是很不相同的，主要区别在于DPSK信号的调制信号将钻头附近采集到信息转换成控制脉冲，以此来用脉冲调制载波，从而形成载波调制信号。信号调制过程是一个正向的过程，而钻井液压力差分（DPSK）相移键控信号相干解调是属于一个反向过程，信号调制过程中的码元信息就是通过解调来复原。基带编码信号形成的控制脉冲来控制旋转阀的转速是钻井液压力DPSK（差分相移键控）调制过程中最重要的一点，使得信号在一个周期内迅速下降，从而就会延迟压力载波的相位来展示编码信息，属于是一种机械调制。这种信号解调都是用数字来制定规律，并且调制后的信号具有频带传输的特征。压力载波的频率一般小于或等于一百赫兹，目的是为了减小压力信号在钻井液中的传输损失，信号频带与载波的比值一般都在“1”左右，是宽带信号中的典型。通过钻井液压力差分（DPSK）相移键控信号相干解调分析，可以得出以下三点结论，一，通过在相位相干解调的基础上增加反余弦和求导环节实现旋转阀控制脉冲的重构，钻井液压力DPSK信号可以采用相干方式进行解调，且无噪声影响条件下解调效果较好;二，噪声会对钻井液压力DPSK信号的幅度和相位产生干扰，即使在较大信噪比条件下，噪声也会在一定程度上引起信号的相位误差，对旋转阀控制脉冲的重构造成较大影响;三，旋转阀控制脉冲的重构受到信号频带内噪声垂直分量导数的严重影响，特别是在较高数据传输速率下，进入信号频带的噪声对控制脉冲重构的影响更大;大幅提高输入信号信噪比是钻井液压力DPSK信号相干解调系统获得相对较小误码率的关键。

2、钻井液压力正交（QPSK）相移键控信号相干解调分析

钻井液压力正交（QPSK）相移键控信号相干解调是从已调信号中提取信号的过程。我们可以将两个正交2PSK信号的相互叠加可以认为是促进QPSK的因素，要想分离出这两路正交的2PSK信号，以两路正交的相干载波为基础来调解显得容易了许多。在经过钻井液压力正交（QPSK）相移键控信号相干解调出来两路并行码元a和b，让它们通过串、并等转换方式的转换后成为串行数据输出。钻井液压力正交（QPSK）相移键控信号相干解调在进行解调时，已调载波信号的相位显得非常重要，这关乎着载波相位分量在其位置上能否让接收机从接收到的相关信号当中估计出通过信息传输通道时所产生的载波相位，然后根据一定的情况给予一定的补偿。钻井液压力正交相移键控（QPSK）信号的解调与解码能否让所携带信息得以良好的恢复，其高密度携带以及传输井下信息的特点发挥着很重要的作用。影响重构脉冲的误码率因素的主要有两个：一是钻井液压力QPSK信号相干解调系统固有干扰;二是随机噪声。相同输入信号信噪比条件下，其影响程度远高于钻井液压力DPSK信号的相干解调。

二、钻井液压力相移键控信号的误码率分析

1、钻井液压力差分相移键控信号误码率分析

在信息传输过程中，接收端收到的信号并不是只有地层发送的信号，还包括信道中的噪声。噪声的影响使得接收端的电压表现随机性，所以接收码元就会发生错误的概率，可以用接收端的电压统计特性来描述。DPSK信号传输过程中信号道中的噪声是阻碍DPSK信号传输的最重要因素之一，噪音的干扰会促使接收端出现不正确的判断，从而在接收端就会收到错误的概率，这就是误码率。接收端收到的信号一般有两种，第一种为当输出脉冲幅度为A的时候，信号就会表示为“1”，第二种为当输出无脉冲的时候，信号就会表示为“0”。所以在噪声干扰的情况下，接收端就会出现2种可能类型的错误：一，发送端发送“1”时，如果噪声出现一个很大的负脉冲，这样将会与信号抵消-部分，使接收端判错为“0”;二，发送端发送“0”时，如果噪声出现一个很大的正脉冲，这样会使接收端判错为“1”。

2、钻井液压力正交相移键控信号误码率分析

正交相移键控（QPSK）是一个通过转换或调制来传达数据的调制方法，基准信号（载波）的定相。有时候也叫做第四期或者四相PSK或4-PSK，QPSK在星状图中使用四个点，平均分布在一个圆周上。在这四个相位上，QPSK每个符号能够进行两位编码，以格雷编码的方式显示在图形上以最小化误码率（BER）。对于QPSK信号可以看成是将相位平面分成4等分，每一等分的相位间隔代表一个信号。由于噪声的影响，接收机收到的信号相位会随机变化。如果发送信号以0为基准，则接收机的信号的相位θ在-π/4～π/4范围内变化时不会发生错误判决。如果不在这个范围内概率就会出现错误，所以就会控制这个范围下很大的功夫。

三、结论

通过在钻井液压力QPSK信号相干解调过程中，我们应当以相位输出信号变化量的绝对值为计算基础，进行数值积分，得到重构的QPSK信号的相移函数，对相移函数进行适当的处理，可以实现旋转阀转速控制脉冲的重构。数值仿真表明，通过理论计算得到的重构脉冲误码率和仿真结果基本一致，说明了所构建的重构脉冲信号经过数学模型计算的准确性。

参考文献：

[1]安铎，钻井液压力相移键控信号波形失真对误码率的影响分析研究[D].中国石油大学（华东），2017.

[2]曹璐，钻井液压力相移键控信号的相干解调研究及误码率的分析[D].中国石油大学（华东），2015.

[3]许维伟，叶江峰，胡茂海，苏建中，多进制相移键控信号信噪比估计方法[J].太赫兹科学与电子信息学报，2016，14（01）：81-87.

作者简介：

胡明1983年出生，2008年毕业于中国民航大学计算机科学与技术专业，工程师，就职于渤海钻探定向井公司