劉杰,劉立蒙,李愛玲,李冰,李國瑋,屈凡

(1.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井技術(shù)研究院,陜西西安710021;2.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司物資裝備處,陜西西安710021;3.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長慶分公司,陜西西安710021;4.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司科技處,陜西西安710021)

0 引 言

曼徹斯特碼(Manchester Code)在石油測(cè)井遙傳通訊中最早由哈里波頓公司使用,中國注產(chǎn)剖面測(cè)井儀器也大量采用這種編碼方式。這種編碼具有豐富的時(shí)鐘信息且不含直流分量,編碼簡單,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低,有利于在電路接收端恢復(fù)數(shù)據(jù)位時(shí)鐘,適合電路空間相對(duì)緊湊的小直徑生產(chǎn)測(cè)井儀器使用。曼徹斯特碼又稱裂向碼或雙向碼,由同步位、數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位3部分組成[1]。其編碼規(guī)則:同步位由2個(gè)1.5倍位時(shí)間的不同電平組成,命令幀的同步位與數(shù)據(jù)幀的同步位波形相反;數(shù)據(jù)共16位,由高電平跳到低電平時(shí)表示“1”,由低電平跳到高電平時(shí)表示“0”;校驗(yàn)位采用奇校驗(yàn),電平映射方法同數(shù)據(jù)位。

生產(chǎn)測(cè)井作業(yè)多使用單芯電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,單芯電纜的結(jié)構(gòu)和材料決定其傳輸特性隨信號(hào)頻率的增加而變差。電纜直徑越小、長度越長則信號(hào)幅度衰減越快[2]。在通過電纜后,曼徹斯特碼包含的不同頻率分量信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不同程度的幅度衰減和相移,表現(xiàn)在接收端為模擬信號(hào)的波形畸變。當(dāng)畸變超過解碼電路的容錯(cuò)范圍時(shí)就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤解碼,導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)的丟失。

1 傳統(tǒng)曼徹斯特碼解碼方法

傳統(tǒng)曼徹斯特碼解碼方法多采用模擬電路進(jìn)行畸變信號(hào)的均衡與矯正。接收信號(hào)首先進(jìn)入低通濾波器濾除接收信號(hào)的帶外噪聲,經(jīng)過可控增益放大器將輸入信號(hào)幅度調(diào)整到合適范圍,然后通過固定或可調(diào)閾值比較器后將模擬信號(hào)整形為數(shù)字脈沖信號(hào),最后通過邏輯判決和解碼器識(shí)別脈沖信號(hào)邊沿,將其按照編碼規(guī)則轉(zhuǎn)換為代表“0”或“1”的比特?cái)?shù)據(jù)。

傳統(tǒng)曼徹斯特碼解碼方法結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn),在傳輸速率低于10 kbps、電纜長度5 000 m以內(nèi)、傳輸特性較好的條件下具有較好的解碼性能,可以滿足常規(guī)測(cè)井的需求。但在面對(duì)傳輸特性較差的電纜(長電纜、防硫化氫電纜等)或更高編碼速率時(shí),接收信號(hào)可能產(chǎn)生較為嚴(yán)重的畸變,導(dǎo)致該信號(hào)通過解碼器中的幅度比較器時(shí),部分脈沖的最佳判決閾值超過電路設(shè)計(jì)范圍,使解碼器產(chǎn)生誤碼。

克服這種畸變影響的一個(gè)方法是使用均衡器,設(shè)計(jì)良好的均衡器可以較好地補(bǔ)償傳輸信號(hào)通過測(cè)井電纜時(shí)帶來的波形畸變,使比較器、邏輯判決和解碼器單元恢復(fù)正常工作。均衡器一般可以分為參數(shù)固定式和參數(shù)可調(diào)式2類?？紤]到測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需要適應(yīng)經(jīng)常變化的電纜信道問題,測(cè)井電纜通訊系統(tǒng)應(yīng)具備根據(jù)不同配接電纜調(diào)整均衡參數(shù)的能力。

2 基于數(shù)字自適應(yīng)均衡技術(shù)的曼徹斯特碼解碼器設(shè)計(jì)

數(shù)字自適應(yīng)均衡器采用自適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理算法,準(zhǔn)確計(jì)算并自動(dòng)調(diào)整、跟蹤、適應(yīng)信道特性的均衡參數(shù),無需人工干預(yù),是一種較為理想的測(cè)井電纜均衡器。

基于數(shù)字自適應(yīng)均衡技術(shù)的曼徹斯特碼解碼器的結(jié)構(gòu)見圖1。這種解碼器與傳統(tǒng)解碼器的主要差異是在可控增益放大器后面使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),在數(shù)字域先實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)均衡,再經(jīng)過數(shù)字幅度比較器,送入邏輯判決和解碼器。

圖1 基于數(shù)字自適應(yīng)均衡技術(shù)的曼徹斯特碼解碼器結(jié)構(gòu)

該解碼器的核心是數(shù)字自適應(yīng)均衡器。在均衡器中,首先根據(jù)接收數(shù)據(jù)的功率找出數(shù)據(jù)波形的起止位置,在數(shù)據(jù)發(fā)送期間根據(jù)曼徹斯特碼的編碼規(guī)則定位能量最大的2個(gè)1.5倍位時(shí)間的同步頭,根據(jù)數(shù)據(jù)同步接頭的位置和已知的位時(shí)間得到曼徹斯特碼的數(shù)據(jù)位位置?？紤]到曼徹斯特碼的編碼特征,算法中每個(gè)數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位應(yīng)取至少2個(gè)采樣點(diǎn)。然后根據(jù)曼徹斯特碼發(fā)送信號(hào)的幅度近似恒定的特點(diǎn),采用CMA(Const Modulus Algorithm)算法,通過對(duì)多個(gè)接收信號(hào)的迭代計(jì)算得出均衡參數(shù)[5-6]。

采用CMA算法的均衡濾波器基本結(jié)構(gòu)見圖2,CMA算法更新均衡濾波的抽頭系數(shù)w(n),均衡濾波器采用有限沖擊響應(yīng)結(jié)構(gòu)。

圖2 采用CMA算法的均衡濾波器結(jié)構(gòu)框圖

首先建立經(jīng)過電纜畸變的均衡器輸入信號(hào)x(n)的表達(dá)式

n=0,1,2,…,N-1

(1)

式中,x(n)為經(jīng)過電纜畸變后的曼徹斯特碼信號(hào);h(nTs-kTs)為電纜信道的脈沖響應(yīng)函數(shù);s(k)為發(fā)送端的曼徹斯特碼信號(hào);k為符號(hào)編號(hào);Ts為符號(hào)周期,s;noise(n)為同x(n)相互獨(dú)立的加性白噪聲;n為數(shù)據(jù)序號(hào)。

輸入信號(hào)x(n)通過以CMA算法為核心的均衡濾波器后,與輸出y(n)之間的關(guān)系

(2)

式中,W為均衡器的抽頭系數(shù)向量;N為階數(shù)位;*為共軛運(yùn)算;H為共軛轉(zhuǎn)置。

CMA均衡器的代價(jià)函數(shù)

(3)

R2=E{|s(n)|4}/E{|s(n)|2}

(4)

式中,R為相關(guān)系數(shù)。

CMA均衡器是按照隨機(jī)梯度算法調(diào)整均衡器抽頭系數(shù),從而使代價(jià)函數(shù)J(n)最小,抽頭系數(shù)的迭代方法為

w(n+1)=w(n)-μ*(n)x(n)

(5)

式中,μ為迭代步長,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)一般取值0.01～0.10,有較好的收斂速度的穩(wěn)態(tài)誤差。誤差函數(shù)(n)定義為

(n)=y(n)(|y(n)|2-R2)

(6)

與傳統(tǒng)曼徹斯特解碼器相比,圖2中的解碼器由于采用數(shù)字自適應(yīng)均衡技術(shù),使得幅度比較器輸入端信號(hào)受電纜傳輸特性影響顯著降低,閾值有效性提高,從而誤碼率降低。

圖3為數(shù)字自適應(yīng)均衡技術(shù)處理前后電纜信號(hào)時(shí)域波形對(duì)比。由接收端模擬波形可以看出,發(fā)送端的編碼波形經(jīng)過電纜造成了嚴(yán)重的畸變,若直接輸入比較器,將難以找到合適的比較閾值,導(dǎo)致大量誤碼甚至解碼失敗?；儾ㄐ瓮ㄟ^數(shù)字自適應(yīng)均衡器后,畸變嚴(yán)重的信號(hào)波形得到了較好的補(bǔ)償與還原,有利于后續(xù)比較器判決、解碼工作。

圖3 采用數(shù)字自適應(yīng)均衡技術(shù)的曼徹斯特碼解碼器的時(shí)域波形對(duì)比

3 應(yīng)用情況

為檢驗(yàn)自適應(yīng)均衡器的實(shí)際工作性能,開展實(shí)際測(cè)井電纜測(cè)試工作,選擇多類不同品牌、長度、型號(hào)的電纜進(jìn)行實(shí)際通訊解碼測(cè)試,現(xiàn)場(chǎng)總測(cè)試時(shí)間為160 h,測(cè)試結(jié)果見表1。測(cè)試結(jié)果表明,采用數(shù)字自適應(yīng)均衡技術(shù)的電纜通訊系統(tǒng)平均誤碼率(加權(quán))為6.65×10-8,低于10-7,能夠滿足電纜測(cè)井對(duì)通訊可靠性的要求。

為了驗(yàn)證數(shù)字自適應(yīng)均衡技術(shù)在電纜測(cè)井過程中的實(shí)際應(yīng)用效果,2020年9月采用該技術(shù)的生產(chǎn)測(cè)井地面系統(tǒng)完成一口井的吸水剖面測(cè)井作業(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程中使用的是Camesa公司的T1K22SAOS7型防H2S電纜,長度為7 000 m;該井層間跨度較大,連續(xù)作業(yè)時(shí)間超過9 h,對(duì)通訊解碼的可靠性要求較高。經(jīng)過測(cè)試,在整口井的作業(yè)過程中通訊誤碼率為0,驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性。

4 結(jié) 論

(1)采用數(shù)字自適應(yīng)均衡技術(shù),可以較好地解決生產(chǎn)測(cè)井單芯電纜通訊中遇到的曼徹斯特碼數(shù)據(jù)傳輸性能低、電纜配接參數(shù)調(diào)整復(fù)雜、電纜適配能力弱等問題。

(2)以數(shù)字自適應(yīng)均衡技術(shù)設(shè)計(jì)的曼徹斯特碼解碼器,具有解碼誤碼率低、自動(dòng)適配測(cè)井電纜的優(yōu)點(diǎn),適用于電纜信道復(fù)雜多變的場(chǎng)合,是傳統(tǒng)測(cè)井電纜曼徹斯特碼解碼技術(shù)較好的替代方案。