楊旭輝

(長江大學(xué) 湖北荊州)

測井電纜高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

楊旭輝

(長江大學(xué) 湖北荊州)

OFDM(正交頻分復(fù)用)是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù),可以有效地克服信道時延擴展和頻率選擇性衰落對數(shù)據(jù)傳輸帶來的影響,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各種高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。本方案設(shè)計了一種基于DSP(數(shù)字信號處理器)和FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)的通用高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),運用OFDM原理,以TMS320C6713DSP為核心處理器對數(shù)據(jù)實現(xiàn)各種編解碼并進行正交調(diào)制和解調(diào),從而提高數(shù)據(jù)的抗噪聲性能和傳輸速率。本系統(tǒng)可應(yīng)用于各種惡劣環(huán)境下的高速數(shù)據(jù)傳輸,如石油測井電纜,電力通信,應(yīng)用前景廣闊,實用性較強。

正交頻分復(fù)用;信道;編碼;解碼;調(diào)制;解調(diào);噪聲

0 引 言

測井數(shù)據(jù)傳輸作為測井系統(tǒng)的一個重要組成部分,其傳輸速率直接影響測井儀器和裝備的發(fā)展。隨著測井新理論和新方法的不斷出現(xiàn),要求實時上傳的數(shù)據(jù)量越來越大。如何提高測井數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的速率已成為測井儀器裝備研制開發(fā)的關(guān)鍵問題之一。因此,為了滿足社會生產(chǎn)實踐的需求,開發(fā)高效率的測井電纜數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)已成為測井技術(shù)的一個研究方向。本文主要從系統(tǒng)的原理與設(shè)計,硬件電路和軟件流程圖三個方面作了闡述,其中軟件設(shè)計著重介紹了定時同步算法。

1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)主要分為兩部分,分別為調(diào)制和解調(diào)部分,其中調(diào)制部分負責數(shù)據(jù)的調(diào)制和發(fā)送,解調(diào)部分負責數(shù)據(jù)的接收和解調(diào)。

1.1 調(diào)制部分

調(diào)制發(fā)送端的結(jié)構(gòu)圖及其各模塊的功能介紹如圖1所示。

圖1 發(fā)送端結(jié)構(gòu)圖

1)調(diào)制,主要作用是將輸入的二進制數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的符號,主要使用的調(diào)制方式有8QAM,16QAM,64QAM,可采用比特加載技術(shù)實現(xiàn)不同的信道采用不同的調(diào)制方式。

2)共軛變換,由于本系統(tǒng)的傳輸方案是針對測井電纜設(shè)計的,因此傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須是實數(shù),這樣就要求系統(tǒng)在作IFFT運算前,先將所傳輸數(shù)據(jù)進行共軛對稱變換,根據(jù)離散傅立葉變換的性質(zhì),可知在利用IFFT進行基帶調(diào)制后可以將復(fù)數(shù)生成實數(shù)數(shù)據(jù)。

3)IFFT,星座映射將二進制流映射成復(fù)數(shù)向量并分配到N路子信道上,這樣一路快速率的信號變成了N路并行傳輸?shù)穆俾市盘?這N路子信道上的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)組成了一個OFDM符號。N路子信道數(shù)據(jù)經(jīng)IFFT調(diào)制后的信號為:

4)添加循環(huán)前綴,由于信道有多徑效應(yīng)容易引起符號間干擾,加入循環(huán)前綴可以有效地抵抗多經(jīng)效應(yīng)帶來的影響。

1.2 解調(diào)部分

解調(diào)接收端的結(jié)構(gòu)圖及其相關(guān)模塊的功能介紹如圖2所示。

圖2 接收端結(jié)構(gòu)圖

1)時間同步采用經(jīng)典SC算法[1]。即在發(fā)送數(shù)據(jù)時通過數(shù)據(jù)輔助方式在數(shù)據(jù)包前面形成已知的數(shù)據(jù)幀。

在接受端用時間滑動窗不斷對相隔N/2點的數(shù)據(jù)進行N/2點的相關(guān)運算,得到最大相關(guān)系數(shù)后即可提取時間同步點,為下一步的FFT運算找到起始點。

2)FFT實現(xiàn)解調(diào),接收端找到時間同步點以后,去掉循環(huán)前綴將數(shù)據(jù)送給FFT模塊進行解調(diào),公式為:

2 硬件電路設(shè)計

2.1 調(diào)制部分

圖3所示為發(fā)送部分即調(diào)制器的硬件框圖,調(diào)制器放在井底,將采集到的實時井底數(shù)據(jù)調(diào)制好后送給信道進行傳輸。其中DSP對采集來的數(shù)據(jù)進行編碼,做共軛變換,然后對數(shù)據(jù)進行IFFT調(diào)制,添加循環(huán)前綴;FPGA控制兩片SRAM實現(xiàn)乒乓緩存,然后將調(diào)制好的數(shù)據(jù)送給DA轉(zhuǎn)換,最后將數(shù)據(jù)傳至信道。

圖3 調(diào)制部分系統(tǒng)框圖

2.2 解調(diào)部分

圖4所示為接收部分即解調(diào)器的硬件框圖,解調(diào)器放在井面,其解調(diào)過程完全為調(diào)制過程的逆過程。當信道數(shù)據(jù)傳至井面,FPGA控制AD采樣,并通過兩片SRAM對數(shù)據(jù)進行緩存,DSP對數(shù)據(jù)進行FFT解調(diào),星座反映射等最后將數(shù)據(jù)還原并輸出。

圖4 解調(diào)部分系統(tǒng)框圖

3 軟件設(shè)計

3.1 定時同步算法

軟件設(shè)計中最重要的是定時同步算法。OFDM系統(tǒng)同步技術(shù)分為兩大類:數(shù)據(jù)輔助方式和非數(shù)據(jù)輔助方式?；诜菙?shù)據(jù)輔助方式同步范圍有限,現(xiàn)在大都采用數(shù)據(jù)輔助方式進行同步,本文所采用的基于訓(xùn)練符號的同步算法屬于數(shù)據(jù)輔助方式。同時訓(xùn)練符號的結(jié)構(gòu)與同步的性能有很大的關(guān)系,因此確定數(shù)據(jù)輔助類同步算法很大程度即是確定訓(xùn)練符號幀結(jié)構(gòu),除此以外測度函數(shù)也很重要。

在本文中OFDM技術(shù)運用在測井電纜數(shù)據(jù)傳輸時,已將復(fù)信號進行共軛對稱擴展,使IFFT輸出的數(shù)據(jù)是實信號與ADSL類似,因此針對該算法的幀結(jié)構(gòu)和實信號的特點,采用以下對稱的幀結(jié)構(gòu):

其中C與D成對稱結(jié)構(gòu),對稱結(jié)構(gòu)在定時點的提取上有較明顯的峰值[2],當相關(guān)窗的起點不在正確定時點的時候所有的對應(yīng)關(guān)系全部被打亂,這樣避免了文獻[1]中的結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的不確定性。

針對該幀結(jié)構(gòu)也對文獻[2]中Park算法的測度函數(shù)做了改動以降低實現(xiàn)復(fù)雜度,即:

3.2 軟件流程圖

1)發(fā)送端流程圖如圖5所示。

首先對DSP板和相關(guān)外設(shè)進行初始化;

初始化Buffer將數(shù)據(jù)符號加載數(shù)據(jù)到內(nèi)存空間;

為了提取同步信息,發(fā)送一個信號幀來對信號進行檢測,接著發(fā)送一個時間同步幀用來對定時信息進行估計[3];

在一個長幀中發(fā)送10個OFDM幀數(shù)據(jù),一個長幀接收完后需重新進行同步。

圖5 發(fā)送端流程圖

圖6 接收端流程圖

2)接收端流程圖如圖6所示。

與發(fā)送端相同,開始也要對DSP板進行初始化操作;

為了檢測到數(shù)據(jù)傳輸過程的開始,不斷的用Buffer中預(yù)存的數(shù)據(jù)與接收到的信號幀進行相關(guān),以找到起始點;

在找到信號傳輸?shù)钠瘘c以后,用時間同步幀估計精確的定時點以找到FFT的窗位置;

找到定時點以后執(zhí)行FFT變換[4],星座反映射以恢復(fù)出最初發(fā)送的二進制碼流。

4 結(jié)束語

該設(shè)計充分利用了DSP快速處理數(shù)據(jù)的能力和FPGA良好的時序控制功能,聯(lián)合高精度、高分辨率ADC、DAC實現(xiàn)了井底數(shù)據(jù)不失真的高速采集和傳輸,同時也將OFDM的原理充分利用到了生產(chǎn)實踐當中,為我國石油勘探測井儀器的研制和發(fā)展起到了推動作用。

[1] T.M.Schmidl and D.C.Cox.Robust frequency and timing synchronization for OFDM[J].IEEE Trans.Commun,1997,Vol 45 No.12

[2] B.Park,H.Cheon,C.Kang and D.Hong.A Novel Timing Estimation Method for OFDM System[J].IEEE Commun,2003,Vol.7 No.5

[3] 樊昌信.通信原理(第五版)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001

[4] 劉益成,孫祥娥.數(shù)字信號處理[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004

PI,2011,25(1):24～26

OFDM(Orthogonal Frequeney Division MultiPlexing)is a Multi-Carrier digital modulation technique,which can effectively avoid the adverse effects which come about by the delay spread of signal path and the frequency attenuation selectively of the data transmission.This technique is used widely in all kinds of high speed data transmission system.The scheme designs a universal high speed data transmission system which is based on DSP(Digital Signal Processor)and FPGA(Field Programmable Gata Array),and code and modulate by using the TMS320C6713DSP,so as to improve the ability of anti-noise and the transmission speed.This system can be used in all kinds of bad environment to come true the high speed transmission of datas,for example,geological exploration oil well logging,and transmit electricity line.The application prospect is wide and practicability is strong.

Key words:OFDM,signal path,code,decode,modulate,demodulate,noise

High speed data transmission system of well logging cable.

Yang Xuhui.

P631.8+3

B

1004-9134(2011)01-0024-03

楊旭輝,男,1980年生,講師,現(xiàn)在長江大學(xué)電信學(xué)院從事與DSP相關(guān)的教學(xué)與科研工作。郵編:434023

2010-09-10編輯:劉雅銘)