賈建濤,劉杰,劉國(guó)權(quán),程峰,劉旭輝,樊晶晶

(1.中國(guó)石油技術(shù)開發(fā)有限公司,北京 100028;2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司生產(chǎn)測(cè)井中心,陜西 西安 710021)

0 引 言

由于生產(chǎn)井測(cè)井作業(yè)過程中常使用單芯電纜測(cè)井,井下儀器供電、儀器上行數(shù)據(jù)、下行控制命令需要耦合在一根纜芯中傳輸,因此,地面和井下部分必須具備信號(hào)耦合與驅(qū)動(dòng)部分。單芯電纜內(nèi)層為多股銅線構(gòu)成的導(dǎo)線,外層為多股金屬線繞制的外鎧,中間是絕緣層。其傳輸特征隨頻率增加,具有明顯的幅度快速衰減特征。因此實(shí)際能夠使用的帶寬較窄,通常只有幾十kHz,考慮到生產(chǎn)測(cè)井過程中實(shí)際使用的電纜長(zhǎng)度往往較長(zhǎng)(5～7 km),電纜長(zhǎng)度越長(zhǎng),信號(hào)通過電纜的衰減和低通效應(yīng)越明顯。這也是通過單芯電纜傳輸測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)時(shí)速率難以提高的主要因素。

本文所述的正交幅度調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)技術(shù)與其他同類技術(shù)相比,具有帶寬利用率高、抗噪聲能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它的井下硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度低,同步和時(shí)域均衡性能強(qiáng),適合在體積小、功耗低、溫度梯度高的生產(chǎn)測(cè)井環(huán)境下應(yīng)用。

1 QAM技術(shù)簡(jiǎn)介

正交幅度調(diào)制(QAM)是用2個(gè)獨(dú)立的基帶數(shù)字信號(hào)對(duì)2個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制。采用多進(jìn)制正交幅度調(diào)制可以提高頻譜利用率,即MQAM(M>2)。它的信號(hào)表達(dá)式為

SMQAM(t)=sqrt(1/Tb)(Ajcosωct+Bjsinωct)

(1)

Aj=±(2i-1);Bj=±(2j-1)

(2)

式中,Aj和Bj為振幅;i,j=1,2,…,M。

QAM是一種幅度、相位聯(lián)合調(diào)制技術(shù),它同時(shí)利用了載波的幅度和相位傳遞信息,因此在最小歐氏距離相同的條件下可實(shí)現(xiàn)更高的頻帶利用率。QAM信號(hào)的進(jìn)制數(shù)越多傳輸效率越高,但對(duì)正確接收的信噪比(SNR)要求也越高。目前,在衛(wèi)星通信等高信噪比條件下已經(jīng)有1024-QAM(1 024個(gè)星座點(diǎn))的QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)出現(xiàn)。

2 基于QAM的遙傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

基于QAM調(diào)制編碼技術(shù)遙傳系統(tǒng)井下和地面結(jié)構(gòu)見圖1所示。其中地面部分包括計(jì)算機(jī)接口、控制與深度系統(tǒng)、地面遙傳部分、信號(hào)耦合與驅(qū)動(dòng)4個(gè)部分。地面遙傳部分負(fù)責(zé)QAM調(diào)制遙傳系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)、信道編碼、數(shù)據(jù)包處理等功能,是地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

井下遙傳短節(jié)中包括井下遙傳部分和井下儀器管理及數(shù)據(jù)編解碼2個(gè)部分,井下遙傳部分負(fù)責(zé)井下數(shù)據(jù)包處理和信道編碼、QAM信號(hào)調(diào)制等功能。井下儀器管理和數(shù)據(jù)編碼解碼模塊負(fù)責(zé)管理井下儀器總線、接收和發(fā)送儀器總線上的數(shù)據(jù)等功能。

圖1 單芯電纜遙傳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所述的基于QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)的遙傳系統(tǒng)上行和下行信號(hào)采用頻分方式構(gòu)成完整的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。由于生產(chǎn)井測(cè)井系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸通常表現(xiàn)出非對(duì)稱的特點(diǎn)——電纜上傳輸?shù)慕^大部分?jǐn)?shù)據(jù)是上行儀器數(shù)據(jù),而下行命令和配置信息數(shù)據(jù)量較小,設(shè)計(jì)中將下行信號(hào)設(shè)置于低頻段,上行信號(hào)位于高頻段,地面和井下采用濾波器分離上下行信號(hào),避免上下行信號(hào)之間相互干擾。其中,下行信號(hào)采用的是1.2 kHz載波,300 bit/s的BPSK調(diào)制方式;上行數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)為可變調(diào)制階數(shù)的QAM調(diào)制方式(QPSK、8PSK、16-QAM、64-QAM),以便適應(yīng)不同傳輸信道與傳輸性能需求的場(chǎng)合。

本文設(shè)計(jì)的基于QAM調(diào)制技術(shù)的遙傳部分的數(shù)據(jù)流向和處理見圖2。上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)均采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)的正交調(diào)制和解調(diào)的QAM調(diào)制技術(shù),其中井下部分包括數(shù)據(jù)打包、信道編碼、星座映射、正交調(diào)制4個(gè)部分,地面部分包括正交解調(diào)、信道解碼、星座映射、數(shù)據(jù)解包4個(gè)部分。

圖2 QAM遙傳系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向和處理結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)打包部分負(fù)責(zé)將收集的儀器數(shù)據(jù),根據(jù)QAM遙傳的傳輸協(xié)議,按照數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)添加數(shù)據(jù)同步、長(zhǎng)度與校驗(yàn)信息等內(nèi)容,便于地面正確識(shí)別與校驗(yàn)數(shù)據(jù)完整性。信道編碼部分是為了解決QAM調(diào)制信號(hào)在電纜傳輸過程中可能出現(xiàn)的隨機(jī)和突發(fā)錯(cuò)誤設(shè)置的糾錯(cuò)編碼,它是保證低誤碼率、高可靠性測(cè)井遙傳系統(tǒng)的重要技術(shù)。調(diào)制模塊把信源信息變換成適合信道傳輸?shù)哪M信號(hào)(向量),解調(diào)模塊則是從接收信號(hào)(向量)中恢復(fù)出發(fā)送信息。

基于QAM調(diào)制技術(shù)的遙傳系統(tǒng)采用具有高度靈活性的軟件可編程的實(shí)現(xiàn)方案,將大部分功能,如工作頻率、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議等用可編程的軟件實(shí)現(xiàn);使用ADC和DAC轉(zhuǎn)換器件盡可能多地將模擬電路數(shù)字化。系統(tǒng)同時(shí)采用大容量FPGA芯片與高速DSP器件集成傳統(tǒng)的專用小規(guī)模數(shù)字電路、MCU等分立器件,提高了信號(hào)處理能力和集成度。

QAM遙傳系統(tǒng)的信號(hào)處理部分結(jié)構(gòu)見圖3。FPGA中實(shí)現(xiàn)數(shù)字上下變頻器(DUC與DDC)、QAM信號(hào)調(diào)制解調(diào)、功率估計(jì)和信號(hào)捕獲等功能,高速DSP芯片完成信道估計(jì)、自適應(yīng)均衡、信道編譯碼等功能,ARM處理器中完成數(shù)據(jù)接口交互功能。

圖3 QAM遙傳系統(tǒng)信號(hào)處理部分結(jié)構(gòu)

在FPGA中實(shí)現(xiàn)的QAM信號(hào)數(shù)字上變頻器(DUC)與數(shù)字下變頻器(DDC)結(jié)構(gòu)圖見圖4。所有信號(hào)處理全部在數(shù)字域進(jìn)行,避免了傳統(tǒng)的模擬電路帶來的一致性問題,通過ADC與DAC器件實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

圖4 QAM信號(hào)數(shù)字上變頻器(DUC)和數(shù)字下變頻器(DDC)結(jié)構(gòu)

以數(shù)字上變頻器為例說明QAM信號(hào)的數(shù)字變頻過程。DUC將符號(hào)映射后的基帶I、Q信號(hào)經(jīng)過波形匹配濾波器、多級(jí)半帶濾波器(HBF)以及插值器提高采樣率,與本地?cái)?shù)字振蕩器乘加運(yùn)算后輸出到DAC。其中波形成型濾波器是限制調(diào)制信號(hào)帶寬的數(shù)字濾波器,半帶濾波器和插值器完成采樣率提升以匹配本地振蕩器的采樣率,相互正交的2個(gè)本地振蕩器是數(shù)字控制振蕩器(NCO),產(chǎn)生相位精確正交的載波。經(jīng)過數(shù)字濾波器后的QAM基帶IQ信號(hào)的帶寬被限制在一定范圍,代表信號(hào)高頻分量的波形突變點(diǎn)被低通濾波器過濾后變得更平滑。

圖5是經(jīng)過單芯電纜的QAM信號(hào)在地面接收端通過序列相關(guān)器后產(chǎn)生的相關(guān)峰值圖和信號(hào)功率估計(jì)模塊計(jì)算的功率估計(jì)值。相關(guān)器模塊產(chǎn)生相關(guān)峰足夠尖銳,結(jié)合計(jì)算出的功率估計(jì)值容易判斷出發(fā)送的QAM信號(hào)序列是否存在。在經(jīng)過傳輸特性較差的單芯電纜后,功率估計(jì)模塊和相關(guān)器模塊都能夠良好工作,得到正確的QAM信號(hào)特征。

圖5 QAM信號(hào)解調(diào)器信號(hào)相關(guān)值、比較結(jié)果和信號(hào)功率估計(jì)波形

圖6 QAM信號(hào)信道均衡效果星座圖對(duì)比

圖6是經(jīng)過單芯電纜的QAM信號(hào)(以8-PSK為例)的原始星座圖和經(jīng)過均衡后的星座圖對(duì)比。從圖6(a)可以看出,信道傳輸特性與噪聲引起嚴(yán)重的星座點(diǎn)擴(kuò)散現(xiàn)象(碼間干擾),使得星座點(diǎn)難以分辨;圖6(b)是原始星座點(diǎn)通過自適應(yīng)均衡處理后的結(jié)果,可以看出星座點(diǎn)之間邊界明顯,易于區(qū)分,QAM信號(hào)經(jīng)過信道帶來的造成碼間干擾的因素已經(jīng)被自適應(yīng)均衡器去除。

3 應(yīng)用情況

應(yīng)用QAM技術(shù)研制的單芯電纜遙傳已經(jīng)在生產(chǎn)測(cè)井綜合集成地面系統(tǒng)中應(yīng)用,成功配接脈沖中子全譜測(cè)井儀,中子氧活化測(cè)井儀,多臂井徑測(cè)井儀等多類生產(chǎn)測(cè)井儀器,并完成合格測(cè)井作業(yè)。表1為部分電纜配接速率。

表1 QAM遙傳配接電纜實(shí)測(cè)速率表

(1)配接脈沖中子全譜測(cè)井儀。該儀器在測(cè)井時(shí),使用7 000 m防硫電纜,同溫度、壓力、磁定位以及自然伽馬四參數(shù)儀器組合測(cè)井,電纜總線上的數(shù)據(jù)凈上行量約為81.2 kbit/s,占總帶寬113 kbit/s的71.85%,下行速率為300 bit/s。在該井作業(yè)過程中,累計(jì)4 h15 min內(nèi)收到數(shù)據(jù)186.75 kf,統(tǒng)計(jì)誤碼率為0,符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

(2)配接GE公司的MIT(40臂井徑測(cè)井儀)與MTT電磁測(cè)厚成像測(cè)井儀。該儀器串組合時(shí),電纜總線上的數(shù)據(jù)凈上行量約為48 kbit/s,占總帶寬113 kbit/s的42.47%,下行速率為300 bit/s。在該井作業(yè)中,累計(jì)3 h30 min內(nèi)收到數(shù)據(jù)315 kf,統(tǒng)計(jì)誤碼率為0,符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。圖7為地面采集軟件的測(cè)井曲線圖。

從圖7能夠看出,40臂井徑與磁測(cè)厚的12個(gè)探頭數(shù)據(jù)顯示清晰直觀,在套管節(jié)箍與破損處一致性較好,準(zhǔn)確反映了井下套管的損傷情況。這2種儀器在生產(chǎn)測(cè)井中數(shù)據(jù)量雖然有限,由于儀器分辨率高,每米實(shí)際上傳采樣點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)大與常規(guī)儀器,基于QAM的單芯高速遙傳能夠快速響應(yīng)數(shù)據(jù)包發(fā)送請(qǐng)求,準(zhǔn)確完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收過程。

4 結(jié)論

(1)QAM調(diào)制技術(shù)通過簡(jiǎn)化信號(hào)在模擬端的硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度,在DSP和FPGA中利用軟件實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波、均衡、調(diào)制解調(diào)等數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。

(2)QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)的同步和時(shí)域均衡性能優(yōu)良,有利于在溫度梯度高、溫度變化范圍大的高測(cè)速測(cè)井條件下實(shí)現(xiàn)高性能、低誤碼率的單芯電纜遙傳系統(tǒng)。