王 泉，武洪濤

(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

一種適合電纜測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a方法

王 泉，武洪濤

(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

由于電纜測井系統(tǒng)中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息量越來越大，因而對(duì)測井信息的傳輸速度提出了更高的要求。測井中使用的電纜通常是七芯電纜，而七芯電纜在實(shí)際應(yīng)用中的通頻帶為100Hz到100kHz。要在通頻帶固定的傳輸信道中增大數(shù)據(jù)的傳輸速率，提高測井電纜的頻帶利用率是唯一的解決辦法。針對(duì)該問題提出了一種新的數(shù)據(jù)編碼方法，并把該編碼方法與應(yīng)用在電纜測井系統(tǒng)中的其他幾種編碼方法進(jìn)行了分析比較，發(fā)現(xiàn)該編碼方法能夠有效地提高測井電纜的頻帶利用率，因而具有一定的實(shí)用價(jià)值。

電纜測井；數(shù)據(jù)傳輸；編碼方法

測井電纜是井下與地面之間的信息傳輸媒介，測井作業(yè)中常用的電纜是七芯電纜，其長度一般為7000m。由于測井電纜的傳輸衰減隨傳送信號(hào)頻率的增大而增大，7000m長的普通七芯電纜能夠傳送的最高信號(hào)頻率為100kHz，如果高于該頻率，則信號(hào)衰減嚴(yán)重，無法檢測；在低頻段，由于測井電纜的兩端分別通過變壓器與地面和井下遙測單元耦合，所以頻率小于100Hz的低頻信號(hào)在耦合時(shí)衰減嚴(yán)重[1]。因此，在實(shí)際應(yīng)用中七芯電纜的通頻帶為100Hz～100kHz。為了充分利用測井電纜有限的帶寬資源,提高信息的數(shù)據(jù)傳輸速率,必須有適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)編碼方式。針對(duì)上述情況，筆者提出了一種適合電纜測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a方法。

1 幾種應(yīng)用在測井電纜系統(tǒng)中的編碼方法

1.1 曼徹斯特碼

圖1 曼徹斯特編碼圖

曼徹斯特編碼是測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸中最常用的編碼方式之一，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的規(guī)則如下[2-3]：當(dāng)數(shù)據(jù)位為1時(shí)，在該數(shù)據(jù)位中間產(chǎn)生電平的負(fù)跳變，以“10”表示；當(dāng)數(shù)據(jù)位為0時(shí)，在該數(shù)據(jù)位中間產(chǎn)生電平的正跳變，以“01”表示。曼徹斯特編碼如圖1所示。

從圖1可以看出，波形在每一位碼元中間都有跳變，因此具有豐富的定時(shí)信息，便于接收端提取定時(shí)信號(hào)，并且曼徹斯特碼在每一位碼元中都有電平的轉(zhuǎn)變，因而在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)無直流分量，可降低系統(tǒng)的功耗。但是每一個(gè)碼元都被調(diào)成2個(gè)電平，所以數(shù)據(jù)傳輸速率只有調(diào)制速率的1/2。

1.2 HDB3碼

HDB3碼全稱三階高密度雙極性碼，由AMI碼改進(jìn)而來，其編碼規(guī)則如下[4]：①將消息代碼變換成AMI碼，若AMI碼中連0個(gè)數(shù)小于或者等于3,此時(shí)的AMI碼即HDB3碼；②若AMI碼中連0的個(gè)數(shù)大于3,則將每4個(gè)連0小段的第4個(gè)0變換成與前一個(gè)非0符號(hào)(+1 或-1)同極性的符號(hào),用V表示；③為了不破壞極性交替反轉(zhuǎn)，當(dāng)相鄰2個(gè)V之間有偶數(shù)個(gè)非0符號(hào)時(shí)，再將該小段的第1個(gè)0進(jìn)行變換,用B表示,符號(hào)的極性與前一非零符號(hào)的相反，并讓后面的非零符號(hào)從該符號(hào)開始再交替變化。HDB3碼的編碼過程如圖2所示。

HDB3碼編碼方法的特點(diǎn)有如下幾點(diǎn)：由HDB3碼確定的基帶信號(hào)無直流分量，且只有很小的低頻分量；HDB3中連0串的數(shù)目至多為3個(gè)，易于提取定時(shí)信號(hào)；編碼規(guī)則復(fù)雜，但譯碼較簡單。

1.3 正交振幅調(diào)制

正交振幅調(diào)制(QAM)是高速傳輸系統(tǒng)中使用的一種編碼技術(shù)[5]，如Schlumberger公司MAXIS-500測井系統(tǒng)中的DTS數(shù)字遙測系統(tǒng)，上傳數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)500Kbit/s的傳輸速率。此外，國產(chǎn)的EILog系統(tǒng)采用正交頻分復(fù)用調(diào)制(COFDM),上傳數(shù)據(jù)時(shí)其子信道內(nèi)采用16/32QAM方式，傳輸速率可以達(dá)到300Kbit/s。該編碼技術(shù)雖然傳輸速率高，但其編譯碼過程相當(dāng)復(fù)雜。

2 新的編碼技術(shù)——寬窄電平交替?zhèn)鬏敺椒?/h2>

圖3 寬窄電平交替?zhèn)鬏斁幋a圖

常用的傳輸碼中，通常選用“0”和“1”來表示電平的高低，如曼徹斯特碼、HDB3碼等。除了用“0”和“1”來表示電平的高低變化外，還可以用“0”和“1”來表示電平的寬窄變化。為此，筆者利用電平的寬窄變化提出一種新的編碼方法——寬窄電平交替?zhèn)鬏敺椒?，其編碼規(guī)則如下：在周期為T的時(shí)鐘脈沖內(nèi)，在T/2時(shí)間段內(nèi)連續(xù)輸出一段電平，用“0”表示；在T時(shí)間段內(nèi)連續(xù)輸出另一段電平，用“1”表示。每輸出一次電平，電平就會(huì)翻一次，也就是說“0”碼元電平的持續(xù)時(shí)間只有“1”碼元電平持續(xù)時(shí)間的1/2，其編碼過程如圖3所示。

該編碼方法有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①每傳輸一位碼元，電平會(huì)發(fā)生一次改變，因此相鄰2個(gè)碼元之間包含了豐富的時(shí)鐘信息，便于在接收端提取定時(shí)信號(hào)。②在傳輸?shù)倪^程中，電平是不斷交替變化的。但由于“0”和“1”碼元電平的長度不同，所以在傳輸?shù)倪^程中具有較少的直流分量。與其他幾種編碼方法相比，在同樣的頻帶寬度下，利用該編碼方法傳輸數(shù)據(jù)，其傳輸速率能達(dá)到曼徹斯特碼的1.5倍，這對(duì)于頻帶資源十分寶貴的測井電纜來說，可以有效地提高頻帶的利用率，并且在整個(gè)過程中不需要很大的驅(qū)動(dòng)功率。采用該編碼方法是通過控制輸出電平的寬窄變化來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，編碼的實(shí)現(xiàn)由單片機(jī)通過軟件編程來完成，在接收端采用單片機(jī)的捕獲功能捕獲碼元與碼元之間的上升沿與下降沿時(shí)間，從而得到相鄰2個(gè)觸發(fā)邊沿的時(shí)間差，再將該時(shí)間差與時(shí)鐘周期進(jìn)行比較就可完成解碼。

3 實(shí)施效果

為驗(yàn)證寬窄電平交替?zhèn)鬏敿夹g(shù)的可靠性，在油田測井作業(yè)中使用了該方法。經(jīng)測試，在通頻帶為100kHz的測井電纜系統(tǒng)中利用上述編碼技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，抗干擾能力強(qiáng)，性能可靠，傳輸速率可以達(dá)到125Kbit/s，完全可以滿足目前數(shù)控測井儀的100Kbit/s的基本數(shù)據(jù)傳輸速率。此外，如果減少碼元“0”和“1”電平的寬度，在通頻帶固定的信道中可以傳輸更多的數(shù)據(jù)，因而應(yīng)繼續(xù)研究該編碼方法，使其進(jìn)一步完善。

[1]李微微，陳國棟，李謙.應(yīng)用在測井電纜傳輸?shù)膸追N編碼技術(shù)[J].科技資訊，2010(25)：12-13.

[2]張淑玲，沈田.曼徹斯特編碼技術(shù)在測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2009,37(9)：187-189.

[3]周志彬，王忠義，馬文中，等.50Kbit/s曼徹斯特碼測井電纜通信系統(tǒng)研制[J].測井技術(shù)，2006,30(6)：576-579.

[4]熊能.HDB3碼和AMI碼及它們的編碼實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù)，2009(24)：15-18.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.10.039

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1673-1409(2012)10-N125-02