CN102045289A

CN102045289A - 一种利用ofdm技术实现高速传输的遥传系统

Info

Publication number: CN102045289A
Application number: CN2009102184032A
Authority: CN
Inventors: 李智明; 肖江涛; 熊志华; 许�鹏; 赵宏斌; 左三林; 张旻; 高怡; 王芳; 王娟
Original assignee: XI'AN WEIERLUOGEN ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: XI'AN WEIERLUOGEN ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2011-05-04

Abstract

本发明涉及一种利用OFDM技术实现高速传输的遥传系统。随着多年来不断地对石油勘探和开发，越来越要求人们对低电阻率、低孔隙度、低渗透率以及较小的油气藏能够识别，就需要研制出高精度的石油勘探设备用于现场生产，其关键问题是需要提高电缆的传输速率。本发明的一种利用OFDM技术实现高速传输的遥传系统，该系统包括：至少一个地面收发器和至少一个井下收发器，地面收发器和井下收发器发送、接收采用正交频分复用(OFDM)方式调制后的信号。本发明采用先进的OFDM传输技术和高速DSP数字信号处理系统、大规模集成电路FPGA，具有有高达560k的7000m电缆传输速率，并且稳定性好、抗干扰能力强、适应性强。

Description

一种利用OFDM技术实现高速传输的遥传系统

技术领域：

本发明属测井技术领域，涉及石油测井电缆传输遥传系统，具体指一种利用OFDM技术实现高速传输的遥传系统。

背景技术：

随着多年来不断地对石油勘探和开发，越来越要求人们对低电阻率、低孔隙度、低渗透率以及较小的油气藏能够识别，就需要研制出高精度的石油勘探设备用于现场生产，其关键问题是需要提高电缆的传输速率。

目前国外，阿特拉斯的ECLIPS-5700测井系统电缆传速速率为300K，斯伦贝谢的MAXIS-500达到500k。国内当前已研制或正在使用的国产石油测井仪器的电缆传输系统的速率大多数为100K或300K，尽管也有研制出高达430k、500k的高速传速率电缆遥传测井系统，但是由于其传输速率、稳定性等因素的限制，目前仍没能得到广泛的应用，怎样实现高速长距离传输，是国内外企业不断研究的重点。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种利用OFDM技术实现高速传输的遥传系统，采用先进的OFDM传输技术和高速DSP数字信号处理系统、大规模集成电路FPGA，具有高达560k的7000m电缆传输速率，并且稳定性好、抗干扰能力强、适应性强。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种利用OFDM技术实现高速传输的遥传系统，该系统包括：至少一个地面收发器和至少一个井下收发器，地面收发器包括地面方式变压器、驱动器、差分放大器、数字信号处理器(DSP)，驱动器和差分放大器并行接入方式变压器地面收发器，井下收发器包括井下方式变压器、驱动器、差分放大器、数字信号处理器，驱动器和差分放大器并行接入井下方式变压器；地面收发器和井下收发器采用7芯铠装测井电缆进行信号传输，地面收发器和井下收发器发送、接收采用正交频分复用(OFDM)方式调制后的信号。

上述地面收发器包括可编程门阵列(FPGA)，可编程门阵列(FPGA)与数字信号处理器(DSP)连接，驱动器连接一模拟开关：

来自PC机的命令经过数字信号处理器和可编程门阵列处理后变成调制信号，该数字信号经过与数字信号处理器连接的D/A转换器变为模拟信号，模拟信号通过与D/A转换器依次连接的线性放大器和增益放大器放大后，由模拟开关将选择的信号传送给驱动器，由驱动器将信号驱动到地面方式变压器；

来自井下的信号经地面的方式变压器传输到差分放大器，差分放大器将差分信号变为单极性信号后，由与其依次连接的增益放大器、模拟开关和低通滤波器处理后，由连接在低通滤波器和可编程门阵列之间的A/D转换器转换为数字信号，该数字信号再通过可编程门阵列和数字信号处理器处理解出后送回PC机。

上述地面收发器还包括一个压控振荡器(VCO)，压控振荡器(VCO)与可编程门阵列(FPGA)连接。

上述井下收发器还包括可编程门阵列(FPGA)，可编程门阵列(FPGA)与数字信号处理器(DSP)连接，驱动器连接一模拟开关：

来自井下仪器的数据经数字信号处理器和可编程门阵列处理后变为数字信号，该数字信号经过与数字信号处理器连接的D/A转换器转变为模拟信号，模拟信号再由与D/A转换器连接的线性放大器放大后，由模拟开关将选择的信号传送给驱动器，由驱动器将信号驱动到井下方式变压器；

来自地面的信号经井下方式变压器传输到差分放大器，差分放大器将差分信号变为单极性信号后，由与其依次连接的增益放大器、模拟开关和低通滤波器处理后，经过连接在低通滤波器和可编程门阵列之间的A/D转换器转换为数字信号，该数字信号再通过可编程门阵列和数字信号处理器处理解出真实命令字后送到相应的井下仪器。

上述测井电缆的传输频段为5k-120k。

本发明相对于现有技术，具有以下优点和效果：

(1)利用OFDM技术，可以消除符号间干扰，提高了系统传输的可靠性，同时可实现560k高速测井电缆传输，稳定性好、抗干扰能力强、适应性强。

(2)自适应电缆匹配，根据测井电缆的传输特性和延迟特性，可以匹配电缆的长度范围在3000-7000米内，保证长距离情况下的高速精确传输。

(3)设置的压控振荡器(VCO)，可以进行自适应时钟调节，即由地面VCO自动调地面与井下的时钟同步，以便地面、井下调制解调器采样时钟保持同步，保证了可靠的传送精度。

(4)地面和井下的上下行信号传输处理时经过选通门，接收到的信号和发送的信号通过模拟开关选择使其仅在有效的时间内通过，有效减少信号干扰。

四、附图说明：

图1：本发明遥传系统原理框图。

图2：本发明遥传系统硬件图。

图3：发送数据调制程序流程框图。

图4：接收数据解调程序流程框图。

五、具体实施方式

本发明主要为了实现测井遥传电缆系统560k的高速传输，采用先进的OFDM传输技术和高速DSP数字信号处理系统、大规模集成电路FPGA、使其传输能力达到560k/s。

该系统依据OFDM(正交频分复用)技术，其基本原理为：把给定的频带分成若干子信道，各个子信道用相互正交的载波将高速的串行数据信号转换成并行的低速数据流分配到每个子信道上进行传输，调制后的信号为各个子信道的叠加。其时域抽样满足IFFT关系式，就保证了各个子信道间的正交性。正交信号在接收端可以应用相关技术分开，这样减少了子信道间的相互串扰。由于子信道上的的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道可以看作成平坦性衰减，从而可以消除符号间干扰，提高了系统传输的可靠性。

并且根据7000米7芯铠装测井电缆的传输特性和延迟特性，利用其传输特性最佳的5k-120k频段，根据OFDM原理来设计560k的高速测井遥传系统。OFDM的基本参数为：子信道数为110，子信道间隔1k，使用64QAM调制方式，FFT长度512。

参见图1，通过DSP读取需要发送的数据，并对其逐步进行扰码、TCM编码、OFDM调制后，数据送到的“D/A”进行数模转换、放大、模拟开关、驱动后送到方式变压器，通过电缆进行数据传输，经过电缆传送过来的信号由方式变器提取出来，经放大、模拟开关、滤波、A/D后送进DSP，DSP对接收到的数字信号进行OFDM解调、TCM解码、解扰等处理得到送过来的原始数据。

参见图2，本发明提供的遥传系统，利用OFDM技术实现高速传输，该系统包括：至少一个地面收发器和至少一个井下收发器，地面收发器和井下收发器采用7芯铠装测井电缆进行信号传输，地面收发器和井下收发器发送、接收采用正交频分复用(OFDM)方式调制后的信号。

地面收发器包括地面方式变压器、驱动器PHA12、差分放大器AMP03、数字信号处理器(DSP)和可编程门阵列(FPGA)，数字信号处理器(DSP)主要由设置在地面箱体内遥传板的ADSP21060数字信号处理芯片构成，可编程门阵列(FPGA)采用大规模集成芯片EP2C35，驱动器PHA12和差分放大器AMP03并行接入方式变压器，驱动器PHA12连接一模拟开关HI5051，数字信号处理器(DSP)和可编程门阵列(FPGA)相连接：

来自PC机的命令经过数字信号处理器和可编程门阵列处理后变成数字信号，该数字信号经过与数字信号处理器(DSP)连接的D/A转换器LTC1668I变为模拟信号，模拟信号通过与D/A转换器LTC1668I依次连接的线性放大器OPA227和可控增益放大器AD526放大后，由模拟开关HI5051将选择的信号传送给驱动器PHA12，由驱动器PHA12将信号驱动到地面方式变压器；

来自井下的信号由地面的方式变压器通过传输电缆传输到差分放大器AMP03，差分放大器AMP03将差分信号变为单极性信号后，由与其依次连接的增益放大器OPA227放大、模拟开关HI5051选通和低通滤波器MAX275滤波处理后，由连接在低通滤波器和可编程门阵列(FPGA)之间的A/D转换器LTCI414转换为数字信号，该数字信号再通过可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)进行行OFDM解调、TCM解码解扰等处理，解出真实的数据送到PC机。

上述井下收发器包括井下方式变压器、驱动器PHA12、差分放大器AMP03、数字信号处理器(DSP)和可编程门阵列(FPGA)，数字信号处理器(DSP)主要由设置在井下遥传短节遥传板上的ADSP21060数字信号处理芯片构成，可编程门阵列(FPGA)采用大规模集成芯片EP2C35，驱动器PHA12和差分放大器AMP03并行接入方式变压器，驱动器PHA12连接一模拟开关HI5051，数字信号处理器(DSP)和可编程门阵列(FPGA)相连接：

来自井下各仪器的数据经数字信号处理器(DSP)和可编程门阵列(FPGA)处理后变为数字信号，该数字信号经过与数字信号处理器(DSP)连接的D/A转换器LTC1668I转变为模拟信号，模拟信号再由与D/A转换器LTC1668I连接的线性放大器OPA227放大后，由模拟开关HI5051将选择的信号传送给驱动器PHA12，由驱动器PHA12将信号驱动到井下方式变压器；

来自地面的信号经井下的方式变压器后传输到差分放大器AMP03，差分放大器AMP03将差分信号变为单极性信号后，该信号由与其依次连接的增益放大器AD526放大、模拟开关关HI5051选通和低通滤波器MAX275滤波后，由连接在低通滤波器MAX275和可编程门阵列(FPGA)之间的A/D转换器LTCI414转换为数字信号，该数字信号再通过可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器进行OFDM解调、TCM解码、解扰等处理，解出真实命令字送到相应的井下仪器。

为了保证可靠的传送精度，地面收发器还包括一个压控振荡器(VCO)，压控振荡器(VCO)与可编程门阵列连接，压控振荡器(VCO)可进行自适应时钟调整，使地面的数字信号处理器与可编程门阵列通过8.192M的压控晶振器(VCO)进行时钟同步调整，以便地面、井下调制解调器采样时钟保持同步，保证了可靠的传送精度。

地面方式变压器和井下方式变压器通过7芯铠装测井电缆链接进行地面与井下的信号传输，传输频段5k-120k为最佳。

本发明提供的遥传系统，采用DSP调制解调软件，其软件通讯的建立采用握手、训练、数据的正式通讯，握手信号由井下调制解调器主动发出并与地面调制解调器进行通讯来确认建立连接。训练是为了找到信道均衡系数、找准帧同步和采样钟同步，以保证数据正确正常的传输，其中OFDM调制解调程序是整个DSP调制解调软件的核心，DSP调制解调软件它主要包括串/并转换、扰码、TCM编码、编码映射、IFFT、FFT、并/串转换、反映射和TCM解码、解扰、插入循环前缀去掉循环前缀等程序，为了消除多经衰落，在OFDM码元前端附加循环前缀作为保护隔离，能有效地避免ISI(符号间干扰)，循环前缀是OFDM码元后尾部分的复制长度等于或大于信道的最大延迟。

软件主要包括发送数据时对数据的调制过程和接收数据时对对数据的解调过程。

1)发送数据调制过程步骤，如图3示：

在OFDM系统中，调制过程是DSP处理软件将来自PC机的串行数据进行串并转换，转换成若干并行的低速数据流、由信号映射表进行QAM映射、经IFFT转换成时域数据、经过并/串转换再加上循环前缀、送给外围电路(经D/A转换成模拟信号放大、驱动后通过方式变压器耦合到测井电缆上)。

2)接收数据解调过程步骤，如图4所示：

DSP处理软件获取外围A/D转换后的数据，去循环前缀、串/并转换、FFT、并/串转换、QAM反映射、TCM解码后得到解调后的真实数据，送给外围数据总线。

Claims

1.一种利用OFDM技术实现高速传输的遥传系统，该系统包括：至少一个地面收发器(1)和至少一个井下收发器(2)，地面收发器(1)包括地面方式变压器、驱动器、差分放大器、数字信号处理器(DSP)，驱动器和差分放大器并行接入方式变压器地面收发器，井下收发器(2)包括井下方式变压器、驱动器、差分放大器、数字信号处理器，驱动器和差分放大器并行接入井下方式变压器；地面收发器(1)和井下收发器(2)采用7芯铠装测井电缆(3)进行信号传输，其特征在于：地面收发器(1)和井下收发器(2)发送、接收采用正交频分复用(OFDM)方式调制后的信号。

2.根据权利要求1所述的一种利用OFDM技术实现高速传输的遥传系统，其特征在于：所述地面收发器(1)包括可编程门阵列(FPGA)，可编程门阵列(FPGA)与数字信号处理器(DSP)连接，驱动器连接一模拟开关：

3.根据权利要求1所述的一种利用OFDM技术实现高速传输的遥传系统，其特征在于：所述井下收发器(2)包括可编程门阵列(FPGA)，可编程门阵列(FPGA)与数字信号处理器(DSP)连接，驱动器连接一模拟开关：

4.根据权利要求2所述的一种利用OFDM技术实现高速传输的遥传系统，其特征在于：所述的可编程门阵列(FPGA)还连接有压控振荡器(VCO)。

5.根据权利要求1所述的一种利用OFDM技术实现高速传输的遥传系统，其特征在于：所述的测井电缆(3)的传输频段为5k-120k。