测井电缆

测井电缆传输系统关键技术

摘要：阐述了正交频分复用技术和正交幅度调制技术在测井电缆传输系统中的应用。同时，对测井系统中的CAN总线和DTB总线作了简要介绍。

关键词：测井系统；电缆通信；数据传输；总线

引言

随着科学技术的发展，石油地球物理测井中电缆通信技术有了长足的进步，从传输数据的速度、传输数据的容量以及传输效率方面都有质的飞跃。本文对测井电缆传输系统中采用的正交频分复用技术和正交幅度调制技术进行了较详细介绍。同时，对CAN总线和DTB总线在测井系统中的应用作了简要介绍。

测井传输作为测井系统的一个重要组成部分，其传输速率直接影响测井仪器和装备的发展。随着测井新理论和新方法的不断出现，要求实时上传的数据量越来越大。如何提高测井数据传输系统的速率已成为测井仪器装备研制开发的关键问题之一。因此，为了满足社会生产实践的需求，开发高效率的测井电缆数据传输系统已成为测井技术的一个研究方向。

1．OFDM技术

OFDM 技术是将速率很高的信息码流分成许多低速码流, 在一组正交的子信道上进行并行传输。采用 OFDM 技术可以扩展子信道传输符号的宽度, 从而大大简化接收机中均衡器的设计。相对于传统的单载波技术, OFDM 技术利用子载波之间的正交性, 有效提高了频谱利用率。随子载波数目增加, 理论上 OFDM 系统可能实现近 100% 的频谱效率, 并且可以根据每个子信道的传输条件进行自适应的比特和能量( 功率) 分配, 以充分利用信道容量, 提高传输效率。OFDM 技术频谱利用率高和抗窄带干扰能力强, 能够充分利用系统的带宽资源, 可以在带宽受限的测井电缆信道上实现数据的高速传输。因此, 采用 OFDM 技术作为测井电缆高速数据传输系统的调制技术。

1.1 高速数据传输系统

测井电缆可用频带窄, 在频带有限的情况下要提高数据传输速率, 采用 OFDM 调制方法是非常好的选择。在基于 OFDM 技术的测井电缆高速数据传输系统中, 地面调制解调器和井下调制解调器是其核心模块, 用来完成地面部分和井下仪器之间大量数据的高速、实时和准确传输。地面调制解调器和井下调制解调器的调制解调过程相同。数据流程工控机发出的采集指令首先经随机化处理, 处理后的数据依次进行RS 编码和交织处理。对 QAM 映射的频域星座点进行IFFT 变换后即为时域信号, 加入循环前缀后即生成为待传输的时域OFDM 信号, 经数模变换后生成为基带模拟信号, 再经功率放大和带通滤波滤除倍频分量后便发送到测井电缆。井下仪器采集的地层信息

经井下调制器调制后生成的基带模拟信号, 经测井电缆送往地面部分后,首先进行功率放大和低通带外噪声滤除, 然后进行模数转换生成数字信号。经同步校正和去除循环前缀后, 进行 FFT 变换, 再经信道均衡和 QAM 解映射处理, 即可依次进行解交织、 RS 译码、解随机化处理, 从而得到井下仪器上传的用户数据信息。调制过程中采用 RS 编码和交织来纠正信号传输过程中的突发错误、改善系统的误码性能, 实现数据可靠传输。在解调过程中, 信道均衡分别在时域和频域进行, 时域采用固定系数的均衡器, 用于消除电缆信道的时延扩展, 而频域则采用判决反馈的盲均衡技术, 来跟踪信道参数的缓慢变化。

1.2 OFDM参数设计

由文献可知, 当信号频率大于 270 kHz 时,7 600 m长的测井电缆信道衰减严重, 无法检测。在低频端, 由于测井电缆的两端分别通过变压器与地面和井下数据传输单元耦合, 在变压器耦合时, 频率小于1 kHz的低频信号衰减严重。因此, 在基于OFDM 技术的测井电缆高速数据传输系统中, 把7 000 m测井电缆信道看成 1~ 270 kHz 的带通信道。根据7 000 m测井电缆的信道传输特性和时延特性, 设计出了测井电缆高速数据传输系统的OFDM 基本参数: 有效符号长度为 819.2 us, 循环前缀长度为 409.6 us, 子信道数目为 222, 子信道间隔为 1.22 kHz, FFT 长度为 256, 导频频率为43. 956 kHz。

在电缆信道的通频带内, 为了在低频端抑制来自仪器供电和开关腿的电源干扰, 上传数据和下发命令之间需要预留一定的信道带

宽作为隔离带。因此, 在基于 OFDM 技术的测井电缆高速数据传输系统中, 电缆信道通频带内划分的 222 个子信道只有部分用于数据传输。

1.3 系统实现方案

由于测井数据传输的可用带宽有限、测井电缆和双绞线缆物理特性的差异, 利用 ADSL 芯片意味着将有限的电缆信道带宽留出一部分为本不需要的语音传输, 可用的子信道数目也将受到影响。因此, 在基于 OFDM 技术的测井电缆高速数据传输系统中, 选用 DSP 实现两端的调制解调器功能, 设计选用的DSP 为TI 公司的T MS320C64XX 系列。

地面调制 DSP接收地面终端接口传来的工控机采集命令, 对其进行 OFDM 调制, 然后送至数据转换器中, 按照 D/ A转换器的采样频率连续地将数据送至 D/ A 转换器进行数模变换, 输出的模拟信号在调制 DSP 和调制PGA 控制电路的控制下通过 PGA 进行放大, 再经BPF 滤波和功率放大后送至测井电缆。调制FLASH用于存储地面调制器的程序。地面调制器 D/ A 转换器的采样频率与地面解调器

A/ D 转换器的采样频率相同, 并且都由 OFDM 调制端数据转换器产生。调制和解调 PGA 控制和数据转换器均选用Altera 公司的Cyclone FPGA 实现, 调制和解调PGA 可选用Analog 公司的AD883B。地面 OFDM 解调器的工作过程: 来自电缆的信号送至抑制地面调制信号的电路模块后, 对 OFDM调制器输出至电缆的信号进行抑制, 以降低该信号对 OFDM 解调器的影响。经 LPF 滤波后的信号送

到解调PGA 中, 在解调 DSP 和解调 PGA 控制电路的控制下对接收到的滤波信号进行放大, 放大后的信号送至 A/ D 转换器中按照 D/ A 转换器的采样频率进行模数转换, 最后在解调数据转换器的控制下将 A/ D 转换器变换后的数字信号送至解调 DSP 进行 OFDM 解调, 并将解调后的信号送至地面终端接口进行进一步的处理。解调 FLASH 用于存储解调DSP 的程序。