单芯电缆高速传输井下视频数据技术

开发设计
单芯电缆高速传输井下视频数据技术
张家田 邓程华
(西安石油大学电子工程学院 陕西西安)
摘 要:文章介绍了单芯电缆高速传输井下视频数据技术的电路实现。

压缩处理后的图像信号经过调制、放大、隔离,由3000m 单芯铠装电缆传输到地面,在地面进行阻抗匹配和解调提取信号。

系统采用2ASK(二进制振幅键控)调制方式,传输速率达到1Mb/s 。

地面利用复杂可编程逻辑器件CPLD 实现数据的解调。

关键词:单芯电缆;传输;调制;解调
中图法分类号:TN 911.73 文献标识码:B 文章编号:1004 9134(2006)04 0008 03
0 引 言
在石油开采中,准确地了解井下油气状况,以最合理的方式,从而达到最大限度地开采石油是非常重要的。

因此,现代测井技术迫切要求获取井下更真实、更大量的岩性、物性、含油性及渗透性等方面的数据。

由于受传输介质、设计思想、制造工艺和井下高温、高压等恶劣环境的影响,长期以来,测井电缆传输系统存在着传输速率低、传输信息量小、易造成信号衰减、失真等问题,同时随着测井技术向成像化和组合化发展,井下仪上传的数据量越来越大。

因而,开发高容量、高效率的通信系统以解决通信瓶颈成为数控测井技术研究的热点。

本文研究的单芯电缆传输系统是把石油井下电视测井中的视频信号通过单芯铠装电缆传输到地面进行处理,系统所运用的单芯电缆传输技术可同时完成下传供电和上传信号。

1 系统构成
单芯电缆井下视频数据高速传输系统研究的目标是通过3000m 测井电缆,以1Mb/s 传输速率将下井仪器实时采集的大量数据高速、准确地传送到测井地面仪器。

它是测井数据采集、传输与控制的 咽喉!。

系统分为地面解调模块和井下调制模块两部分,地面及井下部分通过电缆连起来。

测井信号传输系统框图如图1
所示。

(a )
井下调制电路原理图
(b) 地面解调电路原理图图1 测井信号传输系统框图
2 调制解调电路的设计
调制解调电路的设计包括井下调制电路和地面解调电路的设计。

井下调制电路主要完成2ASK 调制波的产生,并能够产生足够大的幅度和驱动能力。

产生
的调制波要足够光滑,高次谐波尽可能少,同时能够保证调制波频率尽量无变化。

地面解调电路要完成对通过3000m 电缆后的调制波进行解调并且要产生地面DSP 串口所需要的3路信号(数据信号、同步信号、基准时钟信号)。

首先要
第一作者简介:张家田,男,1962年生,教授,1990年6月毕业于西安交通大学电磁测量技术及仪器专业,获工学硕士学位,现任西安石油大学电子
工程学院院长。

邮编:710065
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PE T ROLEUM INSTRUMENTS
2006年08月
保证阻抗匹配,使地面接收到的信号能量尽量大,使载波的失真尽可能小;其次通过匹配滤波从噪声中提取出载波,再根据载波特性解调出基波。

在设计过程中,根据系统的特性和应用范围尽可能选择性能优良的工业级器件,或者军品级器件。

由于调制速度比较高,对器件的带宽有相当高的要求。

完成电路要求的同时,尽量使电路简单。

这样既节省了硬件成本,也相应地提高了电路的可靠性。

2.1 井下调制电路的设计
在设计调制电路时,功能的实现不是考虑的主要目标。

因为要产生2ASK 的调制波方法很多,也很容易实现,所以性能的要求对系统来说才是第一位的。

当产生的调制波不是很光滑时,说明产生的调制波的相位连续程度不好,从而调制波中包含其它频率成分的高频谐波,而在信道传输过后,由于不同频率的信号波在线路中传输时,线路的波阻抗和传播常数是不一样的,这就导致信号失真严重,从而增加了解调的工作难度,相反,如果产生的调制波很光滑,调制信号中包含的频率成分少,经过电缆传输过后,调制信号的失真不是很严重。

因此波形发生器的性能对整个系统的影响是非常大的。

井下调制电路的原理图如图1(a)所示。

井下调制电路分为波形发生器、高速切换开关、放大电路、隔离电路。

2.1.1 二进制振幅键控(2ASK)原理[1]
设信息源发出的是由二进制符号0、1组成的序列,一个二进制的振幅键控信号可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个征询型载波的相乘,即:
e 0(t)=
∀n
a n g(t -nT S
)cos C t
式中,g (t)是持续时间为T S
的矩形脉冲;
a n =
0,概率为P
1,概率为(1-P );
C 图2 二进制振幅键控信号的产生方法
二进制振幅键控信号的产生方法(调制方法)有两种。

图2所示是
一种键控方法,这里的开关电路受s (t )控制;图3
所示为s (t)及e 0(t )的波
形示例。

系统采用的是键控方法。

2.1.2 波形发生器[2]
波形发生器选用MAX038产生载频为9MHz 的正弦波。

MAX038是一个高频波形发生器,它可以产生准确的、高频率的三角波、锯齿波、
正弦波、方波和脉冲波。

它的输出波形的频率和占空比都可以单独调
整,输出频率可以从0.1Hz 到20MH z,占空比从10%
到90%。

图3 s(t )及e 0(t )的波形
本系统的载频为9MHz 正弦波,硬件连接图如图4所示,选择CF 为33pF 的陶瓷电容,同时把MAX038的FADJ 和DADJ 脚接地,第4脚(A1)置高电平,II N 由参考电压和一个阻值为20K 的电位器构成,调解电位器的值使输出为9MHz 正弦波。

图4 MAX038硬件连接图
2.1.3 高速切换开关
开关电路的作用是产生调制波,其开关切换由DSP 控制。

DSP 根据1Mb/s 的码元控制9MHz 载波的有无来产生2ASK 信号,如图3所示。

由于DSP 发出的数据为1Mb/s,所以要求开关器件的速度很快,同时开关电路的压摆率要大。

最终选择了AD8180,它是一片高速的切换开关元件,带宽为750MHz,仅有10ns 的开关延时,750V/ s 的压摆率。

同时功耗很低,完全满足电路的需要。

2.1.4 放大电路
放大部分是井下调制电路的一个重要考虑因素。

通过对电缆的实验和分析计算得出9MHz 正弦波信号通过测井电缆要衰减60dB 左右。

因此放大部分决定了接收端的幅度。

对于10V 的正弦信号至少要求放大器驱动电流达到100mA 以上。

MAX038出来的信号,幅度只有1V 左右,因此要把1V 左右的9MHz 信号,放大到10V,对放大器的要求很高。

因此选择
9 2006年 第20卷 第4期 张家田等:单芯电缆高速传输井下视频数据技术
放大器时,首先要考虑它的增益带宽积,其次放大倍数、压摆率和驱动电流。

放大器选用AD 公司的AD811、AD818。

AD818为电压放大器件,AD811为功率放大器件。

都具有高速、高频、宽频带、低噪声等优异特性。

2.1.5 隔离电路[3]
隔离电路的电路实现如图5所示。

钽电容将信号处理电路和供电电路分开,起到隔离直流电压、耦合脉冲信号的作用。

其中电容C 的耐压值依据供电电压
确定。

图5 隔离电路
2.2 地面解调电路的设计
地面解调电路分为隔离电路、阻抗匹配、滤波电路、放大电路和CPLD 解码电路。

地面解调电路主要目标是能够恢复出井下调制信号,再从调制信号中解调出基带信号。

根据电缆传上来的信号,设计了地面解调电路,具体原理图如图1(b)所示。

2.2.1 阻抗匹配和滤波电路
调制信号经过3000m 传输以后,失真很严重,信号中还叠加了噪声。

首先要保证阻抗匹配,使地面接收到的信号能量尽量大,使载波的失真尽可能小。

阻抗匹配后的信号还是非常复杂的,设计了匹配滤波器使得输出信噪比最大,从而能最佳地判断信号的出现,提高系统的检测性能。

滤波后的信号幅度仍然需要放大。

放大电路和井下调制电路有一定的区别。

虽然也采用了三级放大,但都是电压放大,没有采用功率放大,而且放大倍数选择的比较大。

第一、二两级都是十倍的放大,第三级是两倍的放大。

放大器选择的都是AD818。

使得峰-峰值20mV 左右的信号放大到了峰-峰值8V 左右,从而能够满足下面电路的需要。

2.2.2 比较器
为了把经过放大器后的信号的正半周信号取出来,同时尽量滤除掉干扰信号,满足后面CPLD 的需要。

需要设计一个高速的比较电路。

最终采用了AD8561,它仅有7ns 的传播延时,可以有效地抑制噪
声引起的输出波动,兼容TTL 和ECL 电平,具有锁存功能。

最后一级放大器出来的信号幅度为4V 左右,把AD8561的比较电压设到2.8V,这样既可以比较出
9MHz 正弦信号的正半周脉冲,又一定程度上起到抗干扰的作用。

2.2.3 基于CPLD 的数据解码[4]
复杂可编程逻辑器件CPLD 是一种由用户编程以实现某种逻辑功能的逻辑器件。

本系统选用Xilinx 公司生产的XC9500系列的芯片XC9572,利用硬件描述语言使其实现定时计数、比较器等功能,从而解调出数字基带信号。

根据AD8561出来的信号,首先要根据结束码和同步头精确地检测出同步信号,知道一场数据的开始,同时产生码元宽度的定时器###1 s 定时器,在1 s 时间里计脉冲的个数。

把脉冲个数与设定门限相比较,得出调制的码元。

比较出码元后,同时在1 s 的
间隔下输出码元。

3 结束语
本文阐述了全数字化的井下视频数据高速传输系统的设计。

在满足系统要求的前提下,比较了多种传输方案,确立了本系统的传输方案2ASK(二进制振幅键控),使得用常规的铠装测井电缆能实现数字电视信号的远距离传输。

根据确定的系统传输方案设计出调制和解调电路,电路实现简单、可靠性高。

利用复杂可编程逻辑器件CPLD 实现了数据的解码,使得上传速率能够达到1Mb/s,满足井下数字视频图像信号的传输要求。

参考文献
[1] 任晓荣,姚红凯.脉冲信号单芯电缆传输技术和性能分
析[J].电子工程师,2003,29(7)
[2] MAXIM ,High -Frequency Waveform Generator MAX038
[DB/OL ],http://www.max ,19-0266;Rev 2a;9/96,
[3] 付鑫生.石油测井信息数字传输原理与系统[M ].北京:
石油工业出版社,1995
[4] X ilinx F amily ,Understanding XC9500XL CPLD Power [DB/
OL ],XAPP114January 22,1999(Version 1.1)
(收稿日期:2006-03-14 编辑:姜 婷)
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2006年08月
ABSTRACTS
Vol.20No.4Aug.2006
Shi Peihua.The general geological background and distribution character of low resistivity oil bed in the west of Tuha basin taibei area.PI,2006,20(4):1~4
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∃
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