CN105306077B - 信号解码方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信号解码方法及装置，属于测井技术领域。该方法包括：对接收到的信号进行自相关运算，去除噪声信号，得到第一信号；对第一信号进行零点跟踪，去除零点漂移，得到第二信号；对第二信号的信号幅度进行调整，得到第三信号；调整本地信号帧码的相位和频率，使得与第三信号帧同步，将帧起始点作为第三信号的帧起始点；调整本地信号码元，使得与第三信号位同步，将位起始点作为第三信号的位起始点；从第三信号的起始点开始，获取一个周期内的信号，将一个周期内的信号与已有信号波形集进行相关运算，从已有信号波形集中确定第三信号的波形，实现解码。即使接收机接收到信号强度微弱，甚至信噪比低的信号时，也能对信号进行准确解码。

Description

信号解码方法及装置

技术领域

本发明涉及测井技术领域，特别涉及一种信号解码方法及装置。

背景技术

随钻测量工具是在钻井过程中，利用钻井液或电磁信道作为传输介质，连续传输测量信号的测量工具，该工具能够实时测量近钻头处的地质参数和工程参数。

随着气体钻井和欠平衡钻井等技术的推广使用，以钻柱、地层组成的大地电磁信道为传输介质的EMMWD(Electromagnetic Measurement While Drilling，电磁随钻测量)工具逐渐引起人们的重视，该工具具有信号传输速度高、不需要循环钻井液便可传送数据、测量时间短、成本低等特点。

由于以地层和钻柱组成的大地电磁信道是一个特殊的信道，其对传输信号中的高频信号的衰减十分剧烈，使得地面接收到的信号频率非常低，其中包含的有用信号也十分微弱，因此EMMWD的信号传输深度较短，对EMMWD的地下使用深度造成了限制。

目前，如何对EMMWD的微弱信号进行解码，使得EMMWD的信号传输深度增长，成为摆在人们面前的一项艰巨任务。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种信号解码方法及装置。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种信号解码方法，所述方法包括：

对所接收到的信号进行自相关运算，去除所述信号中的噪声信号，得到第一信号；

对所述第一信号进行零点跟踪，去除所述第一信号的零点漂移，得到第二信号；

对所述第二信号的信号幅度进行调整，得到第三信号，所述第三信号的信号幅度在预设范围内；

调整本地信号帧码的相位和频率，使得所述本地信号与所述第三信号帧同步，将所述本地信号的帧起始点作为所述第三信号的帧起始点；

调整本地信号码元，使得所述本地信号与所述第三信号位同步，将所述本地信号的位起始点作为所述第三信号的位起始点；

从所述第三信号的起始点开始，获取一个周期内的信号，将所述一个周期内的信号与已有信号波形集进行相关运算，从所述已有信号波形集中确定所述第三信号的波形，基于所确定的波形对所述第三信号进行解码。

另一方面，提供了一种信号解码装置，所述装置包括：

信号辨识模块，用于对所接收到的信号进行自相关运算，去除所述信号中的噪声信号，得到第一信号；

零点跟踪模块，用于对所述第一信号进行零点跟踪，去除所述第一信号的零点漂移，得到第二信号；

信号幅度控制模块，用于对所述第二信号的信号幅度进行调整，得到第三信号，所述第三信号的信号幅度在预设范围内；

同步模块，用于调整本地信号帧码的相位和频率，使得所述本地信号与所述第三信号帧同步，将所述本地信号的帧起始点作为所述第三信号的帧起始点；调整本地信号码元，使得所述本地信号与所述第三信号位同步，将所述本地信号的位起始点作为所述第三信号的位起始点；

解调模块，用于从所述第三信号的起始点开始，获取一个周期内的信号，将所述一个周期内的信号与已有信号波形集进行相关运算，从所述已有信号波形集中确定所述第三信号的波形，基于所确定的波形对所述第三信号进行解码。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过对接收信号进行自相关运算，剔除噪声信号，得到有用信号，然后依次对有用信号去除零点漂移、调整信号幅度、识别起始点、确定信号波形、基于所确定的波形进行解码，使得即使接收机接收到信号强度微弱，甚至信噪比低的信号时，也能对这类信号进行准确解码。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的信号解码方法流程图；

图2是本发明实施例提供的接收机结构示意图；

图3是本发明实施例提供的信号解码方法流程图；

图4是本发明实施例提供的帧同步示意图；

图5是本发明实施例提供的位同步示意图；

图6是本发明实施例提供的相关解调器的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的信号解码装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例提供的信号解码方法流程图。参见图1，该实施例包括：

101、对所接收到的信号进行自相关运算，去除该信号中的噪声信号，得到第一信号。

102、对该第一信号进行零点跟踪，去除该第一信号的零点漂移，得到第二信号。

103、对该第二信号的信号幅度进行调整，得到第三信号，该第三信号的信号幅度在预设范围内。

104、调整本地信号帧码的相位和频率，使得所述本地信号与所述第三信号帧同步，将所述本地信号的帧起始点作为所述第三信号的帧起始点。

105、调整本地信号码元，使得所述本地信号与所述第三信号位同步，将所述本地信号的位起始点作为所述第三信号的位起始点。

106、从该第三信号的起始点开始，获取一个周期内的信号，将该一个周期内的信号与已有信号波形集进行相关运算，从该已有信号波形集中确定该第三信号的波形，基于所确定的波形对该第三信号进行解码。

本发明实施例提供的方法，通过对接收信号进行自相关运算，剔除噪声信号，得到有用信号，然后依次对有用信号去除零点漂移、调整信号幅度、识别起始点、确定信号波形、基于所确定的波形进行解码，使得即使接收机接收到信号强度微弱，甚至信噪比低的信号时，也能对这类信号进行准确解码。

可选地，对该第二信号的信号幅度进行调整，得到第三信号包括：

当该第二信号的信号幅度大于第一阈值时，将该第二信号的信号幅度乘以第一系数，使得第三信号的信号幅度在预设范围内；

当该第二信号的信号幅度小于第二阈值时，将该第二信号的信号幅度乘以第二系数，使得该第三信号的信号幅度在预设范围内，该第一系数小于该第二系数。

可选地，从该第三信号的起始点开始，获取一个周期内的信号，将该一个周期内的信号与已有信号波形集进行相关运算，从该已有信号波形集中确定该第三信号的波形，基于所确定的波形对该第三信号进行解码包括：

从该第三信号的起始点开始，获取一个周期内的信号；

将该一个周期内的信号分解为N维向量；

将N维向量中的每一个向量，分别与该已有信号波形集进行相关运算，得到向量r＝[r₁,r₂,…,r_N]，其中，r_i为N维向量r中第i个向量与该已有信号波形集进行相关运算的值，N、i为自然数；

通过对该向量r进行判决，从该已有信号波形集中确定该第三信号的波形，基于所确定的波形对该第三信号进行解码。

本发明实施例的执行主体为接收机，该接收机包括信号辨识模块、零点跟踪模块、信号幅度控制模块、同步模块和解调模块。其中，该信号辨识模块用于去除接收信号中的噪声信号，该零点跟踪模块用于去除零点漂移，该信号幅度控制模块用于控制信号幅度的范围，该同步模块用于识别接收信号的起始点，该解调模块用于确定接收信号的波形，基于所确定的波形对该第三信号进行解码。如图2所示接收机的结构示意图。在图2中，该信号辨识模块接收到信号时，去除该信号中的噪声信号，得到第一信号，并将该第一信号向该零点跟踪模块发送，使得该零点跟踪模块去除该第一信号的零点漂移，得到第二信号。当该信号幅度控制模块接收到该零点跟踪模块发送的该第二信号时，对该第二信号的信号幅度进行调整，得到第三信号，并将该第三信号向同步模块控制，使得同步模块识别该第三信号的起始点。当解调模块接收到该同步模块发送的第三信号时，确定接收信号的波形，基于所确定的波形对该第三信号进行解码。

图3是本发明实施例提供的信号解码方法流程图。参见图3，该实施例包括：

301、接收机对所接收到的信号进行自相关运算，去除该信号中的噪声信号，得到第一信号。

其中，该自相关是指信号在不同时刻的状态之间存在的关联性。也即是，信号在1个时刻的瞬时值与另1个时刻的瞬时值之间的依赖关系。

在本发明实施例中，该接收机接收的信号可以由井下发射机发送的信号和信号传输过程中产生的噪声信号组成。接收机对接收的信号进行自相关运算，识别出两种信号，计算两种信号频率之间的自相关值，从两种信号频率的自相关值中选取自相关值大的信号作为第一信号，实现了对井下发射信号的识别，避免后续对噪声信号误解码。

302、接收机对该第一信号进行零点跟踪，去除该第一信号的零点漂移，得到第二信号。

在直接耦合放大电路中，把输入信号为零时的输出电压(电流)，也即是静态输出工作点的电压(或电流)作为参考电压(或参考电流)，成为零点。由于受环境温度、电源波动等多种因素的影响，发射机发射信号的零点往往是波动的，本发明实施例可以采用窗口求平均方法，不断计算信号零点来实现零点跟踪，并去除零点漂移，便于信号能量的计算。

303、接收机对该第二信号的信号幅度进行调整，得到第三信号，该第三信号的信号幅度在预设范围内。

在本发明实施例中，接收机可以计算该第二信号在预设时间段内信号幅度的平均值，将该平均值作为该第二信号的信号幅度。当该第二信号的信号幅度大于第一阈值时，接收机将该第二信号的信号幅度乘以第一系数，使得第三信号的信号幅度在预设范围内；当该第二信号的信号幅度小于第二阈值时，接收机将该第二信号的信号幅度乘以第二系数，使得该第三信号的信号幅度在预设范围内，该第一系数小于该第二系数，使得接收机随接收的第二信号的强弱而自动调整接收信号的信号幅度，输出信号的信号幅度保持在预设范围内，避免剧烈波动，保证接收机具有高灵敏度和高稳定度。

304、接收机调整本地信号帧码的相位和频率，使得该本地信号与该第三信号帧同步，将该本地信号的帧起始点作为该第三信号的帧起始点。

即使信号发射机和接收机均采用高精确度和高稳定度的时钟频率源来保证频率和相位的稳定性。但在实际应用中，仍然存在很多无法估计的不确定因素，如收发时钟不稳定、发射时刻不确定、信道传输时延及干扰等，尤其在随钻测量应用中，井下系统所处的温度环境变化非常大，直接导致井下发射系统频率的不稳定。这些不确定因素都具有随机性，不能预先补偿，需要通过同步消除。

以表1所示的帧格式的信号帧同步为例，该信号帧同步的目的是识别帧头的编码FF00。

表1

在本发明实施例中，帧同步的过程包括帧码捕获(粗同步)和帧码跟踪(细同步)。其中，帧码捕获是调整本地信号帧码的频率和相位，使本地产生的帧码与接收到的第三信号帧码间定时误差小于预设个码片间隔，优选地，定时误差小于1个码片间隔。帧码跟踪是调整本地信号帧码相位，进一步缩小定时误差，使之小于码片间隔的几分之一，达到本地信号帧码与接收到的第三信号帧码频率和相位精确同步。如图4所示，第三信号经宽带滤波器后，在乘法器中与本地信号帧码进行相关运算。捕获器件调整压控时钟源，用以调整帧码发生器产生的本地帧码序列的频率和相位，捕获有用信号。一旦捕获到有用信号，启动跟踪器件，用以调整时钟源，使本地信号帧码发生器与第三信号保持精确同步。如果由于某种原因引起失步，则重新开始新一轮捕获和跟踪。当同步系统完成捕获过程后，同步系统转入跟踪状态。所谓跟踪，是使本地信号帧码的相位一直随接收到的伪随机码相位改变，与接收到的伪随机码保持较精确的同步。跟踪环路不断校正本地序列的时钟相位，使本地序列的相位变化与接收信号相位变化保持一致，实现对接收信号的相位锁定，使同步误差尽可能小。跟踪是闭环运行的，当两端相位出现差别后，环路能根据误差大小自动调整，减小误差。

本发明实施例采用帧码捕获使用过的滑动相关法来实现跟踪或细同步，也即是，接收机在搜索同步时，它的码序列发生器以与发射机码序列发生器不同的速率工作，致使这两个码序列在相位上互相滑动，只有在达到一致点时，才停下来，使用的并行帧码的数量较少，使得同步更精确。

本发明实施例将第三信号帧码与本地帧码相乘后积分，求出它们的互相关值，然后与门限检测器的某一门限值比较，判断是否已捕获到有用信号。利用帧码序列的相关性，当两个相同的码序列相位一致时，其相关值输出最大。一旦确认捕获完成，捕获指示信号的同步脉冲控制搜索控制钟，调整帧码发生器产生的帧码重复频率和相位，使之与收到的信号保持同步。

305、接收机调整本地信号码元，使得该本地信号与该第三信号位同步，将该本地信号的位起始点作为该第三信号的位起始点。

位同步的目的是使每个码元得到最佳的解调。本发明实施例可以采用自同步法，从信号码元中提取其包含的位同步信息。通过比较本地时钟和输入信号，将本地时钟锁定在输入信号上。本发明实施例可以利用数字锁相环，借助于位同步电路从所接收到的数字基带信号中直接读取位同步信号。如图5所示，首先是在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者相位不一致(超前或滞后)，鉴相器就产生误差信号去调整同步位信号的相位，直到获得精确的同步为止。

306、接收机从该第三信号的起始点开始，接收机获取一个周期内的信号。

在本发明实施例中，接收机从该第三信号的起始点开始，获取一个周期内的信号，使得接收机获取所有信号的全部信息，在后续对信号进行解调时，可以准确识别信号的波形。

307、接收机将该一个周期内的信号与已有信号波形集进行相关运算，从该已有信号波形集中确定该第三信号的波形，基于所确定的波形对该第三信号进行解码。

本发明实施例采用如图6所示的相关解调器的结构，接收机利用正交基函数{f_n(t),n＝1,2,...,N}架构信号空间，已有信号波形集{s_m(t),1≤m≤M}中的每一个信号可表示成f_n(t)的加权线性组合。将接收的第三信号分解成N维向量，即展开成一系列线性加权正交基函数f_n(t),1≤n≤N。通过一组并行的N个相关解调器，计算r(t)在N个基函数f_n(t)上的投影r＝[r₁,r₂,...r_m]。通过计算欧式距离选择在距离上最接近于接收信号向量r的信号s_m，从该已有信号波形集中确定该第三信号的波形，基于所确定的波形对该第三信号进行解码。

本发明实施例提供的方法，通过对接收信号进行自相关运算，剔除噪声信号，得到有用信号，然后依次对有用信号去除零点漂移、调整信号幅度、识别起始点、确定信号波形、基于所确定的波形进行解码，使得即使接收机接收到信号强度微弱，甚至信噪比低的信号时，也能对这类信号进行准确解码。

图7是本发明实施例提供的信号解码装置结构示意图。参见图3，该装置包括：信号辨识模块701、零点跟踪模块702、信号幅度控制模块703、同步模块704和解调模块705。其中：

信号辨识模块701用于对所接收到的信号进行自相关运算，去除该信号中的噪声信号，得到第一信号；信号辨识模块701与零点跟踪模块702连接，零点跟踪模块702用于对该第一信号进行零点跟踪，去除该第一信号的零点漂移，得到第二信号；零点跟踪模块702与信号幅度控制模块703连接，信号幅度控制模块703用于对该第二信号的信号幅度进行调整，得到第三信号，该第三信号的信号幅度在预设范围内；信号幅度控制模块703与同步模块704连接，同步模块704用于调整本地信号帧码的相位和频率，使得所述本地信号与所述第三信号帧同步，将所述本地信号的帧起始点作为所述第三信号的帧起始点；调整本地信号码元，使得所述本地信号与所述第三信号位同步，将所述本地信号的位起始点作为所述第三信号的位起始点；同步模块704与解调模块705连接，解调模块705用于从该第三信号的起始点开始，获取一个周期内的信号，将该一个周期内的信号与已有信号波形集进行相关运算，从该已有信号波形集中确定该第三信号的波形，基于所确定的波形对该第三信号进行解码。

可选地，该信号幅度控制模块703还用于当该第二信号的信号幅度大于第一阈值时，将该第二信号的信号幅度乘以第一系数，使得第三信号的信号幅度在预设范围内；当该第二信号的信号幅度小于第二阈值时，将该第二信号的信号幅度乘以第二系数，使得该第三信号的信号幅度在预设范围内，该第一系数小于该第二系数。

可选地，该解调模块705还用于从该第三信号的起始点开始，获取一个周期内的信号；将该一个周期内的信号分解为N维向量；将N维向量中的每一个向量，分别与该已有信号波形集进行相关运算，得到向量r＝[r₁,r₂,…,r_N]，其中，r_i为N维向量r中第i个向量与该已有信号波形集进行相关运算的值，N、i为自然数；通过对该向量r进行判决，从该已有信号波形集中确定该第三信号的波形，基于所确定的波形对该第三信号进行解码。

本发明实施例提供的装置，通过对接收信号进行自相关运算，剔除噪声信号，得到有用信号，然后依次对有用信号去除零点漂移、调整信号幅度、识别起始点、确定信号波形、基于所确定的波形进行解码，使得即使接收机接收到信号强度微弱，甚至信噪比低的信号时，也能对这类信号进行准确解码。

需要说明的是：上述实施例提供的信号解码装置在信号解码时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的信号解码装置与信号解码方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种信号解码方法，其特征在于，所述方法包括：

对所接收到的信号进行自相关运算，去除所述信号中的噪声信号，得到第一信号；

对所述第一信号进行零点跟踪，去除所述第一信号的零点漂移，得到第二信号；

对所述第二信号的信号幅度进行调整，得到第三信号，所述第三信号的信号幅度在预设范围内；

调整本地信号帧码的相位和频率，使得所述本地信号与所述第三信号帧同步，将所述本地信号的帧起始点作为所述第三信号的帧起始点；

调整本地信号码元，使得所述本地信号与所述第三信号位同步，将所述本地信号的位起始点作为所述第三信号的位起始点；

从所述第三信号的起始点开始，获取一个周期内的信号，将所述一个周期内的信号与已有信号波形集进行相关运算，从所述已有信号波形集中确定所述第三信号的波形，基于所确定的波形对所述第三信号进行解码。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述第三信号的起始点开始，获取一个周期内的信号，将所述一个周期内的信号与已有信号波形集进行相关运算，从所述已有信号波形集中确定所述第三信号的波形，基于所确定的波形对所述第三信号进行解码包括：

从所述第三信号的起始点开始，获取一个周期内的信号；

将所述一个周期内的信号分解为N维向量；

将N维向量中的每一个向量，分别与所述已有信号波形集进行相关运算，得到向量r＝[r₁,r₂,…,r_N]，其中，r_i为N维向量r中第i个向量与所述已有信号波形集进行相关运算的值，N、i为自然数；

通过对所述向量r进行判决，从所述已有信号波形集中确定所述第三信号的波形，基于所确定的波形对所述第三信号进行解码。

3.一种信号解码装置，其特征在于，所述装置包括：

信号辨识模块，用于对所接收到的信号进行自相关运算，去除所述信号中的噪声信号，得到第一信号；

零点跟踪模块，用于对所述第一信号进行零点跟踪，去除所述第一信号的零点漂移，得到第二信号；

信号幅度控制模块，用于对所述第二信号的信号幅度进行调整，得到第三信号，所述第三信号的信号幅度在预设范围内；

同步模块，用于调整本地信号帧码的相位和频率，使得所述本地信号与所述第三信号帧同步，将所述本地信号的帧起始点作为所述第三信号的帧起始点；调整本地信号码元，使得所述本地信号与所述第三信号位同步，将所述本地信号的位起始点作为所述第三信号的位起始点；

解调模块，用于从所述第三信号的起始点开始，获取一个周期内的信号，将所述一个周期内的信号与已有信号波形集进行相关运算，从所述已有信号波形集中确定所述第三信号的波形，基于所确定的波形对所述第三信号进行解码。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述解调模块还用于从所述第三信号的起始点开始，获取一个周期内的信号；将所述一个周期内的信号分解为N维向量；将N维向量中的每一个向量，分别与所述已有信号波形集进行相关运算，得到向量r＝[r₁,r₂,…,r_N]，其中，r_i为N维向量r中第i个向量与所述已有信号波形集进行相关运算的值，N、i为自然数；通过对所述向量r进行判决，从所述已有信号波形集中确定所述第三信号的波形，基于所确定的波形对所述第三信号进行解码。