邵長東，蘇中起，柴曉剛，趙 亮，梁 敏，梁 芳,王春朝

(1.中煤地質(zhì)集團有限公司，北京 100041； 2.中國煤炭地質(zhì)總局第一勘探局，河北邯鄲 056004；3.河北力時力拓地質(zhì)儀器有限公司；河北邯鄲 056004)

0 引言

在煤層氣勘探開發(fā)中，地球物理測井是識別煤層、分析煤巖特性，評價煤層氣儲層的重要手段。由于測井電纜自身結(jié)構(gòu)以及長度的原因，使其傳輸帶寬較窄。同時，目前測井電纜的數(shù)據(jù)傳輸中，工況復(fù)雜且多采用單載波調(diào)制技術(shù)及模擬傳輸技術(shù)，因此傳輸速率慢且誤碼率高，難以滿足煤層氣測井的傳輸要求。因此研究大容量、高效率、高準(zhǔn)確度的電纜通信技術(shù)成為亟待解決的問題。

1 OFDM簡介

OFDM即正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，是多載波調(diào)制的一種。正交頻分復(fù)用的基本思想是將串行數(shù)據(jù)并行地調(diào)制在多個正交的子載波上，這樣可以增大碼元的符號周期，提高系統(tǒng)的抗衰落和抗干擾能力。同時由于每個子載波的正交性，即在一個符號周期內(nèi)，任何兩個子載波的乘積等于零，這樣即使子載波之間相互重疊，也能無失真的復(fù)原，提高了帶寬的利用率。雖然每個子載波的傳輸速率并不高，但是所有子信道加起來將會獲得很高的數(shù)據(jù)傳輸速率[1-4]。圖1為OFDM系統(tǒng)原理圖。

圖1 OFDM系統(tǒng)原理圖Figure 1 OFDM system principle

2 OFDM方案設(shè)計

測井電纜可用頻帶窄， 在頻帶有限的情況下要提高數(shù)據(jù)傳輸速率，采用OFDM調(diào)制方法是非常好的選擇。在基于OFDM技術(shù)的測井電纜高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，地面調(diào)制解調(diào)器和井下調(diào)制解調(diào)器是其核心模塊，用來完成地面部分和井下儀器之間大量數(shù)據(jù)的高速、實時和準(zhǔn)確傳輸。通過對信道及測井環(huán)境的分析和對多款通信芯片的對比，本文采用基于MAX2992的調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)地面調(diào)制解調(diào)器和井下調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制解調(diào)。

MAX2992電力線通信(PLC)基帶調(diào)制解調(diào)器提供半雙工異步數(shù)據(jù)通信功能，傳輸速率高達300kbps。MAX2992是一款片上系統(tǒng)(SoC)，利用Maxim的32位MAXQ30微控制器核構(gòu)建物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)。集成了模擬前端收發(fā)器的MAX2991能夠與MAX2992無縫連接，共同與MAX2992 G3-PLC固件構(gòu)成完整的G3-PLC調(diào)制解調(diào)方案。

MAX2992采用帶有DBPSK、DQPSK、D8PSK調(diào)制和前向糾錯(FEC)的OFDM技術(shù)，支持電力線上的可靠數(shù)據(jù)通信。方案固有的自適應(yīng)載頻選擇能夠確保在群延時、脈沖干擾環(huán)境下可靠通信。為保證兼容性，MAX2992集成了可編程陷波機制，允許對調(diào)制解調(diào)器發(fā)送頻譜的某個頻段進行陷波處理。這一特性同時提供了與其它窄帶發(fā)送器(例如基于FSK的傳統(tǒng)PLC系統(tǒng))協(xié)同工作的途徑。

2.1 OFDM參數(shù)設(shè)計

在對實際5km四芯電纜進行PSpice建模的基礎(chǔ)上，分析了電纜信道傳輸特性和噪聲特性，當(dāng)信號頻率大于100 kHz時，5k m長的測井電纜信道衰減嚴重。在低頻端，由于測井電纜的兩端分別通過變壓器與地面和井下數(shù)據(jù)傳輸單元耦合，在變壓器耦合時，頻率小于3 kHz的低頻信號衰減嚴重。因此，在基于OFDM技術(shù)的測井電纜高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，把5k m測井電纜信道看成3～100 kHz的帶通信道。根據(jù)5k m測井電纜的信道傳輸特性和時延特性，選擇可用帶寬為3～100kHz，并對發(fā)送數(shù)據(jù)進行卷積編碼與Viterbi譯碼的差錯控制編碼方式，增加傳輸數(shù)據(jù)的糾錯能力。鑒于傳輸電纜高頻段的信號衰減嚴重，在實際測試時、比較了BPSK、QPSK、16QAM三種不同的數(shù)字調(diào)制方式，決定采用BPSK的子載波調(diào)制方案。將數(shù)據(jù)分配到多個子頻帶上，提高頻帶利用率，同時提高傳輸速率。由于電纜信道帶寬較窄，容易發(fā)生符號串?dāng)_，嚴重時子載波的正交性可能被破壞，系統(tǒng)研究了信道估計和符號定時估計，最終采用基于循環(huán)前綴的最大似然估計算法完成OFDM系統(tǒng)中的同步環(huán)節(jié)，其具有一定的準(zhǔn)確度，同時避免插入導(dǎo)頻占用可用帶寬，最終實現(xiàn)了在5km四芯電纜上100Kbit的用戶速率，誤碼率小于10-8。

2.2 調(diào)制解調(diào)器設(shè)計

傳輸模塊由MAX2992(基帶調(diào)制解調(diào)器)、MAX2991(通信模擬前端)、線路驅(qū)動、線路耦合等部分組成，模塊集成了一個32位ARM處理器，提供UART、CAN接口與外部通訊，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)透傳功能。模塊集成度高、操作簡便。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

固井質(zhì)量測井主要是水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量的檢查，是評價煤層氣鉆孔質(zhì)量的一個重要方法。原固井質(zhì)量測井系統(tǒng)由于當(dāng)時通訊技術(shù)條件的限制，全波列(變密度)信號傳輸是采用模擬傳輸系統(tǒng)，由測井電纜傳輸?shù)降孛嬖龠M行數(shù)字化采集，由于電纜頻帶特性的影響，全波列信號存在信號衰減大、易受干擾等問題，影響測量效果。特別是在長距離測井電纜(>3km)上應(yīng)用時，信號衰減嚴重，幾乎無法識別。

通過基于OFDM的高速雙向數(shù)字通訊模塊的應(yīng)用，在新型固井質(zhì)量測井儀中拋棄了原測井系統(tǒng)常用的全波列模擬傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)了全數(shù)字化的全波列信號采集傳輸，徹底解決了原模擬系統(tǒng)中存在的全波列信號衰減大、易受干擾等問題，保證了全波列信號的無失真采集和傳輸，優(yōu)化了測量效果，提高了對水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量評價的準(zhǔn)確性(圖2)。

圖2 全波列信號普通模擬傳輸與全數(shù)字化傳輸?shù)男Ч麑Ρ菷igure 2 Effects contrast between full wave train signal common analog transmission and full digital transmission

此外，基于OFDM的高速雙向數(shù)字通訊系統(tǒng)，不僅滿足了數(shù)字全波列信號對傳輸速率的要求，還提供了雙向測控的功能，實現(xiàn)了在測井過程中的在線數(shù)字化調(diào)節(jié)功能，擴展了測井儀對不同地層的適用范圍，提高了測量效果(圖3)。

圖3 探管參數(shù)在線調(diào)節(jié)功能Figure 3 On-line regulating function of probe parameters

4 結(jié)語

普通測井電纜由于纜線長度較長，信道帶寬較窄，使得傳統(tǒng)基帶調(diào)制通信速率受到限制，且易受干擾。難以滿足了新的測井方法對通訊速率和可靠性的要求。隨著OFDM技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，由于其頻譜利用率高，抗干擾性能好，通訊數(shù)據(jù)量大，可以很好地解決上述問題。本文通過對測井電纜的分析，設(shè)計了一種基于OFDM的測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸電路。經(jīng)調(diào)試與測試，該方案可以用在測井供電的電纜上進行通信。電路簡單、實用，在電力線載波高速通信設(shè)計中具有參考價值。