一種利用ofdm技術實現高速傳輸的遙傳系統的製作方法
2023-05-10 04:57:21 2
專利名稱：一種利用ofdm技術實現高速傳輸的遙傳系統的製作方法
技術領域：
本發明屬測井技術領域，涉及石油測井電纜傳輸遙傳系統，具體指一種利用OFDM 技術實現高速傳輸的遙傳系統。
背景技術：
隨著多年來不斷地對石油勘探和開發，越來越要求人們對低電阻率、低孔隙度、低 滲透率以及較小的油氣藏能夠識別，就需要研製出高精度的石油勘探設備用於現場生產， 其關鍵問題是需要提高電纜的傳輸速率。目前國外，阿特拉斯的ECLIPS-5700測井系統電纜傳速速率為300K，斯倫貝謝的 MAXIS-500達到500k。國內當前已研製或正在使用的國產石油測井儀器的電纜傳輸系統的 速率大多數為100K或300K，儘管也有研製出高達430k、500k的高速傳速率電纜遙傳測井系 統，但是由於其傳輸速率、穩定性等因素的限制，目前仍沒能得到廣泛的應用，怎樣實現高 速長距離傳輸，是國內外企業不斷研究的重點。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種利用OFDM技術實現高速傳輸的遙傳系統， 採用先進的OFDM傳輸技術和高速DSP數位訊號處理系統、大規模集成電路FPGA，具有高達 560k的7000m電纜傳輸速率，並且穩定性好、抗幹擾能力強、適應性強。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為一種利用OFDM技術實現高速傳輸的遙傳系統，該系統包括至少一個地面收發器 和至少一個井下收發器，地面收發器包括地面方式變壓器、驅動器、差分放大器、數位訊號 處理器(DSP)，驅動器和差分放大器並行接入方式變壓器地面收發器，井下收發器包括井下 方式變壓器、驅動器、差分放大器、數位訊號處理器，驅動器和差分放大器並行接入井下方 式變壓器；地面收發器和井下收發器採用7芯鎧裝測井電纜進行信號傳輸，地面收發器和 井下收發器發送、接收採用正交頻分復用(OFDM)方式調製後的信號。上述地面收發器包括可編程門陣列(FPGA)，可編程門陣列(FPGA)與數位訊號處 理器(DSP)連接，驅動器連接一模擬開關來自PC機的命令經過數位訊號處理器和可編程門陣列處理後變成調製信號，該 數位訊號經過與數位訊號處理器連接的D/A轉換器變為模擬信號，模擬信號通過與D/A轉 換器依次連接的線性放大器和增益放大器放大後，由模擬開關將選擇的信號傳送給驅動 器，由驅動器將信號驅動到地面方式變壓器；來自井下的信號經地面的方式變壓器傳輸到差分放大器，差分放大器將差分信號 變為單極性信號後，由與其依次連接的增益放大器、模擬開關和低通濾波器處理後，由連接 在低通濾波器和可編程門陣列之間的A/D轉換器轉換為數位訊號，該數位訊號再通過可編 程門陣列和數位訊號處理器處理解出後送回PC機。上述地面收發器還包括一個壓控振蕩器(VCO)，壓控振蕩器(VCO)與可編程門陣列(FPGA)連接。上述井下收發器還包括可編程門陣列(FPGA)，可編程門陣列(FPGA)與數位訊號 處理器(DSP)連接，驅動器連接一模擬開關來自井下儀器的數據經數位訊號處理器和可編程門陣列處理後變為數位訊號，該 數位訊號經過與數位訊號處理器連接的D/A轉換器轉變為模擬信號，模擬信號再由與D/A 轉換器連接的線性放大器放大後，由模擬開關將選擇的信號傳送給驅動器，由驅動器將信 號驅動到井下方式變壓器；來自地面的信號經井下方式變壓器傳輸到差分放大器，差分放大器將差分信號變 為單極性信號後，由與其依次連接的增益放大器、模擬開關和低通濾波器處理後，經過連接 在低通濾波器和可編程門陣列之間的A/D轉換器轉換為數位訊號，該數位訊號再通過可編 程門陣列和數位訊號處理器處理解出真實命令字後送到相應的井下儀器。上述測井電纜的傳輸頻段為^_120k。本發明相對於現有技術，具有以下優點和效果(1)利用OFDM技術，可以消除符號間幹擾，提高了系統傳輸的可靠性，同時可實現 560k高速測井電纜傳輸，穩定性好、抗幹擾能力強、適應性強。(2)自適應電纜匹配，根據測井電纜的傳輸特性和延遲特性，可以匹配電纜的長度 範圍在3000-7000米內，保證長距離情況下的高速精確傳輸。(3)設置的壓控振蕩器(VCO)，可以進行自適應時鐘調節，即由地面VCO自動調地 面與井下的時鐘同步，以便地面、井下數據機採樣時鐘保持同步，保證了可靠的傳送精度。(4)地面和井下的上下行信號傳輸處理時經過選通門，接收到的信號和發送的信 號通過模擬開關選擇使其僅在有效的時間內通過，有效減少信號幹擾。四
圖1 本發明遙傳系統原理框圖。圖2 本發明遙傳系統硬體圖。圖3 發送數據調製程序流程框圖。圖4 接收數據解調程序流程框圖。五具體實施例方式本發明主要為了實現測井遙傳電纜系統560k的高速傳輸，採用先進的OFDM傳輸 技術和高速DSP數位訊號處理系統、大規模集成電路FPGA、使其傳輸能力達到560k/s。該系統依據OFDM(正交頻分復用)技術，其基本原理為把給定的頻帶分成若干子 信道，各個子信道用相互正交的載波將高速的串行數據信號轉換成並行的低速數據流分配 到每個子信道上進行傳輸，調製後的信號為各個子信道的疊加。其時域抽樣滿足IFFT關係 式，就保證了各個子信道間的正交性。正交信號在接收端可以應用相關技術分開，這樣減少 了子信道間的相互串擾。由於子信道上的的信號帶寬小於信道的相關帶寬，因此每個子信 道可以看作成平坦性衰減，從而可以消除符號間幹擾，提高了系統傳輸的可靠性。並且根據7000米7芯鎧裝測井電纜的傳輸特性和延遲特性，利用其傳輸特性最佳的^-120k頻段，根據OFDM原理來設計560k的高速測井遙傳系統。OFDM的基本參數為 子信道數為110，子信道間隔lk，使用64QAM調製方式，FFT長度512。參見圖1，通過DSP讀取需要發送的數據，並對其逐步進行擾碼、TCM編碼、OFDM調 制後，數據送到的「D/A」進行數模轉換、放大、模擬開關、驅動後送到方式變壓器，通過電纜 進行數據傳輸，經過電纜傳送過來的信號由方式變器提取出來，經放大、模擬開關、濾波、A/ D後送進DSP，DSP對接收到的數位訊號進行OFDM解調、TCM解碼、解擾等處理得到送過來的 原始數據。參見圖2，本發明提供的遙傳系統，利用OFDM技術實現高速傳輸，該系統包括至 少一個地面收發器和至少一個井下收發器，地面收發器和井下收發器採用7芯鎧裝測井電 纜進行信號傳輸，地面收發器和井下收發器發送、接收採用正交頻分復用(OFDM)方式調製 後的信號。地面收發器包括地面方式變壓器、驅動器PHA12、差分放大器AMP03、數位訊號處 理器(DSP)和可編程門陣列(FPGA)，數位訊號處理器(DSP)主要由設置在地面箱體內遙 傳板的ADSP21060數位訊號處理晶片構成，可編程門陣列(FPGA)採用大規模集成晶片 EP2C35，驅動器PHA12和差分放大器AMP03並行接入方式變壓器，驅動器PHA12連接一模擬 開關HI5051，數位訊號處理器(DSP)和可編程門陣列(FPGA)相連接來自PC機的命令經過數位訊號處理器和可編程門陣列處理後變成數位訊號，該 數位訊號經過與數位訊號處理器(DSP)連接的D/A轉換器LTC1668I變為模擬信號，模擬信 號通過與D/A轉換器LTC1668I依次連接的線性放大器0PA227和可控增益放大器放 大後，由模擬開關HI5051將選擇的信號傳送給驅動器PHA12，由驅動器PHA12將信號驅動到 地面方式變壓器；來自井下的信號由地面的方式變壓器通過傳輸電纜傳輸到差分放大器AMP03，差 分放大器AMP03將差分信號變為單極性信號後，由與其依次連接的增益放大器0PA227放 大、模擬開關HI5051選通和低通濾波器MAX275濾波處理後，由連接在低通濾波器和可編程 門陣列(FPGA)之間的A/D轉換器LTCI414轉換為數位訊號，該數位訊號再通過可編程門陣 列(FPGA)和數位訊號處理器(DSP)進行行OFDM解調、TCM解碼解擾等處理，解出真實的數 據送到PC機。上述井下收發器包括井下方式變壓器、驅動器PHA12、差分放大器AMP03、數字信 號處理器(DSP)和可編程門陣列(FPGA)，數位訊號處理器(DSP)主要由設置在井下遙傳短 節遙傳板上的ADSP21060數位訊號處理晶片構成，可編程門陣列(FPGA)採用大規模集成芯 片EP2C35，驅動器PHA12和差分放大器AMP03並行接入方式變壓器，驅動器PHA12連接一模 擬開關HI5051，數位訊號處理器(DSP)和可編程門陣列(FPGA)相連接來自井下各儀器的數據經數位訊號處理器(DSP)和可編程門陣列(FPGA)處理後 變為數位訊號，該數位訊號經過與數位訊號處理器(DSP)連接的D/A轉換器LTC1668I轉變 為模擬信號，模擬信號再由與D/A轉換器LTC1668I連接的線性放大器0PA227放大後，由模 擬開關HI5051將選擇的信號傳送給驅動器PHA12，由驅動器PHA12將信號驅動到井下方式 變壓器；來自地面的信號經井下的方式變壓器後傳輸到差分放大器AMP03，差分放大器 AMP03將差分信號變為單極性信號後，該信號由與其依次連接的增益放大器放大、模擬開關關HI5051選通和低通濾波器MAX275濾波後，由連接在低通濾波器MAX275和可編程 門陣列(FPGA)之間的A/D轉換器LTCI414轉換為數位訊號，該數位訊號再通過可編程門陣 列(FPGA)和數位訊號處理器進行OFDM解調、TCM解碼、解擾等處理，解出真實命令字送到 相應的井下儀器。為了保證可靠的傳送精度，地面收發器還包括一個壓控振蕩器(VCO)，壓控振蕩器 (VCO)與可編程門陣列連接，壓控振蕩器(VCO)可進行自適應時鐘調整，使地面的數位訊號 處理器與可編程門陣列通過8. 192M的壓控晶振器(VCO)進行時鐘同步調整，以便地面、井 下數據機採樣時鐘保持同步，保證了可靠的傳送精度。地面方式變壓器和井下方式變壓器通過7芯鎧裝測井電纜連結進行地面與井下 的信號傳輸，傳輸頻段為最佳。本發明提供的遙傳系統，採用DSP調製解調軟體，其軟體通訊的建立採用握手、訓 練、數據的正式通訊，握手信號由井下數據機主動發出並與地面數據機進行通訊 來確認建立連接。訓練是為了找到信道均衡係數、找準幀同步和採樣鍾同步，以保證數據正 確正常的傳輸，其中OFDM調製解調程序是整個DSP調製解調軟體的核心，DSP調製解調軟 件它主要包括串/並轉換、擾碼、TCM編碼、編碼映射、IFFT、FFT、並/串轉換、反映射和TCM 解碼、解擾、插入循環前綴去掉循環前綴等程序，為了消除多經衰落，在OFDM碼元前端附加 循環前綴作為保護隔離，能有效地避免ISI (符號間幹擾)，循環前綴是OFDM碼元後尾部分 的複製長度等於或大於信道的最大延遲。軟體主要包括發送數據時對數據的調製過程和接收數據時對對數據的解調過程。1)發送數據調製過程步驟，如圖3示在OFDM系統中，調製過程是DSP處理軟體將來自PC機的串行數據進行串並轉換， 轉換成若干並行的低速數據流、由信號映射表進行QAM映射、經IFFT轉換成時域數據、經過 並/串轉換再加上循環前綴、送給外圍電路(經D/A轉換成模擬信號放大、驅動後通過方式 變壓器耦合到測井電纜上)。2)接收數據解調過程步驟，如圖4所示DSP處理軟體獲取外圍A/D轉換後的數據，去循環前綴、串/並轉換、FFT、並/串 轉換、QAM反映射、TCM解碼後得到解調後的真實數據，送給外圍數據總線。
權利要求
1.一種利用OFDM技術實現高速傳輸的遙傳系統，該系統包括至少一個地面收發器 (1)和至少一個井下收發器O)，地面收發器(1)包括地面方式變壓器、驅動器、差分放大 器、數位訊號處理器(DSP)，驅動器和差分放大器並行接入方式變壓器地面收發器，井下收 發器( 包括井下方式變壓器、驅動器、差分放大器、數位訊號處理器，驅動器和差分放大 器並行接入井下方式變壓器；地面收發器(1)和井下收發器( 採用7芯鎧裝測井電纜(3) 進行信號傳輸，其特徵在於地面收發器(1)和井下收發器( 發送、接收採用正交頻分復 用(OFDM)方式調製後的信號。
2.根據權利要求1所述的一種利用OFDM技術實現高速傳輸的遙傳系統，其特徵在於 所述地面收發器(1)包括可編程門陣列(FPGA)，可編程門陣列(FPGA)與數位訊號處理器 (DSP)連接，驅動器連接一模擬開關來自PC機的命令經過數位訊號處理器和可編程門陣列處理後變成調製信號，該數字 信號經過與數位訊號處理器連接的D/A轉換器變為模擬信號，模擬信號通過與D/A轉換器 依次連接的線性放大器和增益放大器放大後，由模擬開關將選擇的信號傳送給驅動器，由 驅動器將信號驅動到地面方式變壓器；來自井下的信號經地面的方式變壓器傳輸到差分放大器，差分放大器將差分信號變為 單極性信號後，由與其依次連接的增益放大器、模擬開關和低通濾波器處理後，由連接在低 通濾波器和可編程門陣列之間的A/D轉換器轉換為數位訊號，該數位訊號再通過可編程門 陣列和數位訊號處理器處理解出後送回PC機。
3.根據權利要求1所述的一種利用OFDM技術實現高速傳輸的遙傳系統，其特徵在於 所述井下收發器( 包括可編程門陣列(FPGA)，可編程門陣列(FPGA)與數位訊號處理器 (DSP)連接，驅動器連接一模擬開關來自井下儀器的數據經數位訊號處理器和可編程門陣列處理後變為數位訊號，該數字 信號經過與數位訊號處理器連接的D/A轉換器轉變為模擬信號，模擬信號再由與D/A轉換 器連接的線性放大器放大後，由模擬開關將選擇的信號傳送給驅動器，由驅動器將信號驅 動到井下方式變壓器；來自地面的信號經井下方式變壓器傳輸到差分放大器，差分放大器將差分信號變為單 極性信號後，由與其依次連接的增益放大器、模擬開關和低通濾波器處理後，經過連接在低 通濾波器和可編程門陣列之間的A/D轉換器轉換為數位訊號，該數位訊號再通過可編程門 陣列和數位訊號處理器處理解出真實命令字後送到相應的井下儀器。
4.根據權利要求2所述的一種利用OFDM技術實現高速傳輸的遙傳系統，其特徵在於 所述的可編程門陣列(FPGA)還連接有壓控振蕩器(VCO)。
5.根據權利要求1所述的一種利用OFDM技術實現高速傳輸的遙傳系統，其特徵在於 所述的測井電纜(3)的傳輸頻段為^_120k。
全文摘要
本發明涉及一種利用OFDM技術實現高速傳輸的遙傳系統。隨著多年來不斷地對石油勘探和開發，越來越要求人們對低電阻率、低孔隙度、低滲透率以及較小的油氣藏能夠識別，就需要研製出高精度的石油勘探設備用於現場生產，其關鍵問題是需要提高電纜的傳輸速率。本發明的一種利用OFDM技術實現高速傳輸的遙傳系統，該系統包括至少一個地面收發器和至少一個井下收發器，地面收發器和井下收發器發送、接收採用正交頻分復用(OFDM)方式調製後的信號。本發明採用先進的OFDM傳輸技術和高速DSP數位訊號處理系統、大規模集成電路FPGA，具有有高達560k的7000m電纜傳輸速率，並且穩定性好、抗幹擾能力強、適應性強。
文檔編號H04L27/26GK102045289SQ20091021840
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月21日 優先權日2009年10月21日
發明者左三林, 張旻, 李智明, 熊志華, 王娟, 王芳, 肖江濤, 許 鵬, 趙宏斌, 高怡 申請人:西安威爾羅根能源科技有限公司