数字自适应均衡技术在曼彻斯特码单芯电缆通讯中的应用

2022-01-04刘杰刘立蒙李爱玲李冰李国玮屈凡

测井技术 2021年5期

刘杰,刘立蒙,李爱玲,李冰,李国玮,屈凡

(1.中国石油集团测井有限公司测井技术研究院,陕西西安710021;2.中国石油集团测井有限公司物资装备处,陕西西安710021;3.中国石油集团测井有限公司长庆分公司,陕西西安710021;4.中国石油集团测井有限公司科技处,陕西西安710021)

0 引言

曼彻斯特码(Manchester Code)在石油测井遥传通讯中最早由哈里波顿公司使用,中国注产剖面测井仪器也大量采用这种编码方式。这种编码具有丰富的时钟信息且不含直流分量,编码简单,实现复杂度低,有利于在电路接收端恢复数据位时钟,适合电路空间相对紧凑的小直径生产测井仪器使用。曼彻斯特码又称裂向码或双向码,由同步位、数据位和校验位3部分组成[1]。其编码规则:同步位由2个1.5倍位时间的不同电平组成,命令帧的同步位与数据帧的同步位波形相反;数据共16位,由高电平跳到低电平时表示“1”,由低电平跳到高电平时表示“0”;校验位采用奇校验,电平映射方法同数据位。

生产测井作业多使用单芯电缆进行数据传输,单芯电缆的结构和材料决定其传输特性随信号频率的增加而变差。电缆直径越小、长度越长则信号幅度衰减越快[2]。在通过电缆后,曼彻斯特码包含的不同频率分量信号会产生不同程度的幅度衰减和相移,表现在接收端为模拟信号的波形畸变。当畸变超过解码电路的容错范围时就会产生错误解码,导致测试数据的丢失。

1 传统曼彻斯特码解码方法

传统曼彻斯特码解码方法多采用模拟电路进行畸变信号的均衡与矫正。接收信号首先进入低通滤波器滤除接收信号的带外噪声,经过可控增益放大器将输入信号幅度调整到合适范围,然后通过固定或可调阈值比较器后将模拟信号整形为数字脉冲信号,最后通过逻辑判决和解码器识别脉冲信号边沿,将其按照编码规则转换为代表“0”或“1”的比特数据。

传统曼彻斯特码解码方法结构简单、易于实现,在传输速率低于10 kbps、电缆长度5 000 m以内、传输特性较好的条件下具有较好的解码性能,可以满足常规测井的需求。但在面对传输特性较差的电缆(长电缆、防硫化氢电缆等)或更高编码速率时,接收信号可能产生较为严重的畸变,导致该信号通过解码器中的幅度比较器时,部分脉冲的最佳判决阈值超过电路设计范围,使解码器产生误码。

克服这种畸变影响的一个方法是使用均衡器,设计良好的均衡器可以较好地补偿传输信号通过测井电缆时带来的波形畸变,使比较器、逻辑判决和解码器单元恢复正常工作。均衡器一般可以分为参数固定式和参数可调式2类。考虑到测井数据传输系统需要适应经常变化的电缆信道问题,测井电缆通讯系统应具备根据不同配接电缆调整均衡参数的能力。

2 基于数字自适应均衡技术的曼彻斯特码解码器设计

数字自适应均衡器采用自适应数字信号处理算法,准确计算并自动调整、跟踪、适应信道特性的均衡参数,无需人工干预,是一种较为理想的测井电缆均衡器。

基于数字自适应均衡技术的曼彻斯特码解码器的结构见图1。这种解码器与传统解码器的主要差异是在可控增益放大器后面使用模数转换器将模拟信号转换为数字信号,在数字域先实现自适应均衡,再经过数字幅度比较器,送入逻辑判决和解码器。

图1 基于数字自适应均衡技术的曼彻斯特码解码器结构

该解码器的核心是数字自适应均衡器。在均衡器中,首先根据接收数据的功率找出数据波形的起止位置,在数据发送期间根据曼彻斯特码的编码规则定位能量最大的2个1.5倍位时间的同步头,根据数据同步接头的位置和已知的位时间得到曼彻斯特码的数据位位置。考虑到曼彻斯特码的编码特征,算法中每个数据位和校验位应取至少2个采样点。然后根据曼彻斯特码发送信号的幅度近似恒定的特点,采用CMA(Const Modulus Algorithm)算法,通过对多个接收信号的迭代计算得出均衡参数[5-6]。

采用CMA算法的均衡滤波器基本结构见图2,CMA算法更新均衡滤波的抽头系数w(n),均衡滤波器采用有限冲击响应结构。

图2 采用CMA算法的均衡滤波器结构框图

首先建立经过电缆畸变的均衡器输入信号x(n)的表达式

n=0,1,2,…,N-1

(1)

式中,x(n)为经过电缆畸变后的曼彻斯特码信号;h(nTs-kTs)为电缆信道的脉冲响应函数;s(k)为发送端的曼彻斯特码信号;k为符号编号;Ts为符号周期,s;noise(n)为同x(n)相互独立的加性白噪声;n为数据序号。

输入信号x(n)通过以CMA算法为核心的均衡滤波器后,与输出y(n)之间的关系

(2)

式中,W为均衡器的抽头系数向量;N为阶数位;*为共轭运算;H为共轭转置。

CMA均衡器的代价函数

(3)

R2=E{|s(n)|4}/E{|s(n)|2}

(4)

式中,R为相关系数。

CMA均衡器是按照随机梯度算法调整均衡器抽头系数,从而使代价函数J(n)最小,抽头系数的迭代方法为

w(n+1)=w(n)-μ*(n)x(n)

(5)

式中,μ为迭代步长,根据工程经验一般取值0.01～0.10,有较好的收敛速度的稳态误差。误差函数(n)定义为

(n)=y(n)(|y(n)|2-R2)

(6)

与传统曼彻斯特解码器相比,图2中的解码器由于采用数字自适应均衡技术,使得幅度比较器输入端信号受电缆传输特性影响显著降低,阈值有效性提高,从而误码率降低。

图3为数字自适应均衡技术处理前后电缆信号时域波形对比。由接收端模拟波形可以看出,发送端的编码波形经过电缆造成了严重的畸变,若直接输入比较器,将难以找到合适的比较阈值,导致大量误码甚至解码失败。畸变波形通过数字自适应均衡器后,畸变严重的信号波形得到了较好的补偿与还原,有利于后续比较器判决、解码工作。

图3 采用数字自适应均衡技术的曼彻斯特码解码器的时域波形对比

3 应用情况

为检验自适应均衡器的实际工作性能,开展实际测井电缆测试工作,选择多类不同品牌、长度、型号的电缆进行实际通讯解码测试,现场总测试时间为160 h,测试结果见表1。测试结果表明,采用数字自适应均衡技术的电缆通讯系统平均误码率(加权)为6.65×10-8,低于10-7,能够满足电缆测井对通讯可靠性的要求。

为了验证数字自适应均衡技术在电缆测井过程中的实际应用效果,2020年9月采用该技术的生产测井地面系统完成一口井的吸水剖面测井作业。现场作业过程中使用的是Camesa公司的T1K22SAOS7型防H2S电缆,长度为7 000 m;该井层间跨度较大,连续作业时间超过9 h,对通讯解码的可靠性要求较高。经过测试,在整口井的作业过程中通讯误码率为0,验证了该技术的有效性。