專利名稱：一種利用ofdm技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速傳輸?shù)倪b傳系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬測井技術(shù)領(lǐng)域，涉及石油測井電纜傳輸遙傳系統(tǒng)，具體指一種利用 OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速傳輸?shù)倪b傳系統(tǒng)。
技術(shù)背景隨著多年來不斷地對石油勘探和開發(fā)，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，就需要研制出高精度的石油勘探設(shè)備用于現(xiàn)場生產(chǎn)， 其關(guān)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(tǒng)電纜傳速速率為300K，斯倫貝謝的 MAXIS-5 00達(dá)到500k。國內(nèi)當(dāng)前已研制或正在使用的國產(chǎn)石油測井儀器的電纜傳輸系統(tǒng)的 速率大多數(shù)為100K或300K，盡管也有研制出高達(dá)430k、500k的高速傳速率電纜遙傳測井系 統(tǒng)，但是由于其傳輸速率、穩(wěn)定性等因素的限制，目前仍沒能得到廣泛的應(yīng)用，怎樣實(shí)現(xiàn)高 速長距離傳輸，是國內(nèi)外企業(yè)不斷研究的重點(diǎn)
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種利用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速傳輸?shù)倪b傳系 統(tǒng)，采用先進(jìn)的OFDM傳輸技術(shù)和高速DSP數(shù)字信號處理系統(tǒng)、大規(guī)模集成電路FPGA，具有高 達(dá)560k的7000m電纜傳輸速率，并且穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為一種利用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速傳輸?shù)倪b傳系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一個地面收發(fā)器 和至少一個井下收發(fā)器，地面收發(fā)器包括地面方式變壓器、驅(qū)動器、差分放大器、數(shù)字信號 處理器(DSP)，驅(qū)動器和差分放大器并行接入方式變壓器地面收發(fā)器，井下收發(fā)器包括井下 方式變壓器、驅(qū)動器、差分放大器、數(shù)字信號處理器，驅(qū)動器和差分放大器并行接入井下方 式變壓器；地面收發(fā)器和井下收發(fā)器采用7芯鎧裝測井電纜進(jìn)行信號傳輸，地面收發(fā)器和 井下收發(fā)器發(fā)送、接收采用正交頻分復(fù)用(OFDM)方式調(diào)制后的信號。上述地面收發(fā)器還包括可編程門陣列(FPGA)，可編程門陣列(FPGA)與數(shù)字信號 處理器(DSP)連接，驅(qū)動器連接一模擬開關(guān)來自PC機(jī)的命令經(jīng)過數(shù)字信號處理器和可編程門陣列處理后變成調(diào)制信號，該 數(shù)字信號經(jīng)過與數(shù)字信號處理器連接的D/A轉(zhuǎn)換器變?yōu)槟M信號，模擬信號通過與D/A轉(zhuǎn) 換器依次連接的線性放大器和增益放大器放大后，由模擬開關(guān)將選擇的信號傳送給驅(qū)動 器，由驅(qū)動器將信號驅(qū)動到地面方式變壓器；來自井下的信號經(jīng)地面的方式變壓器傳輸?shù)讲罘址糯笃鳎罘址糯笃鲗⒉罘中盘?變?yōu)閱螛O性信號后，由與其依次連接的增益放大器、模擬開關(guān)和低通濾波器處理后，由連接 在低通濾波器和可編程門陣列之間的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號再通過可編 程門陣列和數(shù)字信號處理器處理解出后送回PC機(jī)。上述地面收發(fā)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(fā)器還包括可編程門陣列(FPGA)，可編程門陣列(FPGA)與數(shù)字信號 處理器(DSP)連接，驅(qū)動器連接一模擬開關(guān)來自井下儀器的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字信號處理器和可編程門陣列處理后變?yōu)閿?shù)字信號，該 數(shù)字信號經(jīng)過與數(shù)字信號處理器連接的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，模擬信號再由與D/A 轉(zhuǎn)換器連接的線性放大器放大后，由模擬開關(guān)將選擇的信號傳送給驅(qū)動器，由驅(qū)動器將信 號驅(qū)動到井下方式變壓器；來自地面的信號經(jīng)井下方式變壓器傳輸?shù)讲罘址糯笃?，差分放大器將差分信號?為單極性信號后，由與其依次連接的增益放大器、模擬開關(guān)和低通濾波器處理后，經(jīng)過連接 在低通濾波器和可編程門陣列之間的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號再通過可編 程門陣列和數(shù)字信號處理器處理解出真實(shí)命令字后送到相應(yīng)的井下儀器。上述測井電纜的傳輸頻段為5k_120k。本實(shí)用新型相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果(1)利用OFDM技術(shù)，可以消除符號間干擾，提高了系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃裕瑫r可實(shí)現(xiàn) 560k高速測井電纜傳輸，穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)。(2)自適應(yīng)電纜匹配，根據(jù)測井電纜的傳輸特性和延遲特性，可以匹配電纜的長度 范圍在3000-7000米內(nèi)，保證長距離情況下的高速精確傳輸。(3)設(shè)置的壓控振蕩器(VCO)，可以進(jìn)行自適應(yīng)時鐘調(diào)節(jié)，即由地面VCO自動調(diào)地 面與井下的時鐘同步，以便地面、井下調(diào)制解調(diào)器采樣時鐘保持同步，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(jīng)過選通門，接收到的信號和發(fā)送的信 號通過模擬開關(guān)選擇使其僅在有效的時間內(nèi)通過，有效減少信號干擾。

圖1 本實(shí)用新型遙傳系統(tǒng)原理框圖。圖2 本實(shí)用新型遙傳系統(tǒng)硬件圖。圖3 發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)制程序流程框圖。圖4 接收數(shù)據(jù)解調(diào)程序流程框圖。
五具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型主要為了實(shí)現(xiàn)測井遙傳電纜系統(tǒng)560k的高速傳輸，采用先進(jìn)的OFDM 傳輸技術(shù)和高速DSP數(shù)字信號處理系統(tǒng)、大規(guī)模集成電路FPGA、使其傳輸能力達(dá)到560k/s。該系統(tǒng)依據(jù)OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)，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(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速數(shù)據(jù)流分配 到每個子信道上進(jìn)行傳輸，調(diào)制后的信號為各個子信道的疊加。其時域抽樣滿足IFFT關(guān)系 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(yīng)用相關(guān)技術(shù)分開，這樣減少 了子信道間的相互串?dāng)_。由于子信道上的的信號帶寬小于信道的相關(guān)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干擾，提高了系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃浴２⑶腋鶕?jù)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5k-120k頻段，根據(jù)OFDM原理來設(shè)計(jì)560k的高速測井遙傳系統(tǒng)。OFDM的基本參數(shù)為 子信道數(shù)為110，子信道間隔lk，使用64QAM調(diào)制方式，F(xiàn)FT長度512。
參見圖1，通過DSP讀取需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對其逐步進(jìn)行擾碼、TCM編碼、OFDM調(diào) 制后，數(shù)據(jù)送到的“D/A”進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換、放大、模擬開關(guān)、驅(qū)動后送到方式變壓器，通過電纜 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過電纜傳送過來的信號由方式變器提取出來，經(jīng)放大、模擬開關(guān)、濾波、A/ D后送進(jìn)DSP，DSP對接收到的數(shù)字信號進(jìn)行OFDM解調(diào)、TCM解碼、解擾等處理得到送過來的 原始數(shù)據(jù)。參見圖2，本實(shí)用新型提供的遙傳系統(tǒng)，利用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速傳輸，該系統(tǒng)包 括至少一個地面收發(fā)器和至少一個井下收發(fā)器，地面收發(fā)器和井下收發(fā)器采用7芯鎧裝 測井電纜進(jìn)行信號傳輸，地面收發(fā)器和井下收發(fā)器發(fā)送、接收采用正交頻分復(fù)用(OFDM)方 式調(diào)制后的信號。地面收發(fā)器包括地面方式變壓器、驅(qū)動器PHA12、差分放大器AMP03、數(shù)字信號處 理器(DSP)和可編程門陣列(FPGA)，數(shù)字信號處理器(DSP)主要由設(shè)置在地面箱體內(nèi)遙 傳板的ADSP21060數(shù)字信號處理芯片構(gòu)成，可編程門陣列(FPGA)采用大規(guī)模集成芯片 EP2C35，驅(qū)動器PHA12和差分放大器AMP03并行接入方式變壓器，驅(qū)動器PHA12連接一模擬 開關(guān)HI 5051，數(shù)字信號處理器(DSP)和可編程門陣列(FPGA)相連接來自PC機(jī)的命令經(jīng)過數(shù)字信號處理器和可編程門陣列處理后變成數(shù)字信號，該 數(shù)字信號經(jīng)過與數(shù)字信號處理器(DSP)連接的D/A轉(zhuǎn)換器LTC1668I變?yōu)槟M信號，模擬信 號通過與D/A轉(zhuǎn)換器LTC1668I依次連接的線性放大器0PA227和可控增益放大器AD526放 大后，由模擬開關(guān)HI5051將選擇的信號傳送給驅(qū)動器PHA12，由驅(qū)動器PHA12將信號驅(qū)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?shù)讲罘址糯笃鰽MP03，差 分放大器AMP03將差分信號變?yōu)閱螛O性信號后，由與其依次連接的增益放大器0PA227放 大、模擬開關(guān)HI5051選通和低通濾波器MAX275濾波處理后，由連接在低通濾波器和可編程 門陣列(FPGA)之間的A/D轉(zhuǎn)換器LTCI414轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號再通過可編程門陣 列(FPGA)和數(shù)字信號處理器(DSP)進(jìn)行行OFDM解調(diào)、TCM解碼解擾等處理，解出真實(shí)的數(shù) 據(jù)送到PC機(jī)。上述井下收發(fā)器包括井下方式變壓器、驅(qū)動器PHA12、差分放大器AMP03、數(shù)字信 號處理器(DSP)和可編程門陣列(FPGA)，數(shù)字信號處理器(DSP)主要由設(shè)置在井下遙傳短 節(jié)遙傳板上的ADSP21060數(shù)字信號處理芯片構(gòu)成，可編程門陣列(FPGA)采用大規(guī)模集成芯 片EP2C35，驅(qū)動器PHA12和差分放大器AMP03并行接入方式變壓器，驅(qū)動器PHA12連接一模 擬開關(guān)HI5051，數(shù)字信號處理器(DSP)和可編程門陣列(FPGA)相連接來自井下各儀器的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字信號處理器(DSP)和可編程門陣列(FPGA)處理后 變?yōu)閿?shù)字信號，該數(shù)字信號經(jīng)過與數(shù)字信號處理器(DSP)連接的D/A轉(zhuǎn)換器LTC1668I轉(zhuǎn)變 為模擬信號，模擬信號再由與D/A轉(zhuǎn)換器LTC1668I連接的線性放大器0PA227放大后，由模 擬開關(guān)HI5051將選擇的信號傳送給驅(qū)動器PHA12，由驅(qū)動器PHA12將信號驅(qū)動到井下方式 變壓器；來自地面的信號經(jīng)井下的方式變壓器后傳輸?shù)讲罘址糯笃鰽MP03，差分放大器 AMP03將差分信號變?yōu)閱螛O性信號后，該信號由與其依次連接的增益放大器AD526放大、模擬開關(guān)關(guān)HI5051選通和低通濾波器MAX275濾波后，由連接在低通濾波器MAX275和可編程 門陣列(FPGA)之間的A/D轉(zhuǎn)換器LTCI414轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號再通過可編程門陣 列(FPGA)和數(shù)字信號處理器進(jìn)行OFDM解調(diào)、TCM解碼、解擾等處理，解出真實(shí)命令字送到 相應(yīng)的井下儀器。為了保證可靠的傳送精度，地面收發(fā)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(jìn)行自適應(yīng)時鐘調(diào)整，使地面的數(shù)字信號 處理器與可編程門陣列通過8. 192M的壓控晶振器(VCO)進(jìn)行時鐘同步調(diào)整，以便地面、井 下調(diào)制解調(diào)器采樣時鐘保持同步，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芯鎧裝測井電纜鏈接進(jìn)行地面與井下 的信號傳輸，傳輸頻段5k-120k為最佳。本實(shí)用新型提供的遙傳系統(tǒng)，采用DSP調(diào)制解調(diào)軟件，其軟件通訊的建立采用握 手、訓(xùn)練、數(shù)據(jù)的正式通訊，握手信號由井下調(diào)制解調(diào)器主動發(fā)出并與地面調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行 通訊來確認(rèn)建立連接。訓(xùn)練是為了找到信道均衡系數(shù)、找準(zhǔn)幀同步和采樣鐘同步，以保證數(shù) 據(jù)正確正常的傳輸，其中OFDM調(diào)制解調(diào)程序是整個DSP調(diào)制解調(diào)軟件的核心，DSP調(diào)制解 調(diào)軟件它主要包括串/并轉(zhuǎn)換、擾碼、TCM編碼、 編碼映射、IFFT、FFT、并/串轉(zhuǎn)換、反映射和 TCM解碼、解擾、插入循環(huán)前綴去掉循環(huán)前綴等程序，為了消除多經(jīng)衰落，在OFDM碼元前端 附加循環(huán)前綴作為保護(hù)隔離，能有效地避免ISI (符號間干擾)，循環(huán)前綴是OFDM碼元后尾 部分的復(fù)制長度等于或大于信道的最大延遲。軟件主要包括發(fā)送數(shù)據(jù)時對數(shù)據(jù)的調(diào)制過程和接收數(shù)據(jù)時對對數(shù)據(jù)的解調(diào)過程。1)發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)制過程步驟，如圖3示在OFDM系統(tǒng)中，調(diào)制過程是DSP處理軟件將來自PC機(jī)的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換， 轉(zhuǎn)換成若干并行的低速數(shù)據(jù)流、由信號映射表進(jìn)行QAM映射、經(jīng)IFFT轉(zhuǎn)換成時域數(shù)據(jù)、經(jīng)過 并/串轉(zhuǎn)換再加上循環(huán)前綴、送給外圍電路(經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號放大、驅(qū)動后通過方式 變壓器耦合到測井電纜上)。2)接收數(shù)據(jù)解調(diào)過程步驟，如圖4所示DSP處理軟件獲取外圍A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，去循環(huán)前綴、串/并轉(zhuǎn)換、FFT、并/串 轉(zhuǎn)換、QAM反映射、TCM解碼后得到解調(diào)后的真實(shí)數(shù)據(jù)，送給外圍數(shù)據(jù)總線。
權(quán)利要求一種利用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速傳輸?shù)倪b傳系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一個地面收發(fā)器(1)和至少一個井下收發(fā)器(2)，地面收發(fā)器(1)包括地面方式變壓器、驅(qū)動器、差分放大器、數(shù)字信號處理器DSP，驅(qū)動器和差分放大器并行接入方式變壓器地面收發(fā)器，井下收發(fā)器(2)包括井下方式變壓器、驅(qū)動器、差分放大器、數(shù)字信號處理器，驅(qū)動器和差分放大器并行接入井下方式變壓器；地面收發(fā)器(1)和井下收發(fā)器(2)采用7芯鎧裝測井電纜(3)進(jìn)行信號傳輸，其特征在于所述地面收發(fā)器(1)還包括可編程門陣列FPGA，可編程門陣列FPGA與數(shù)字信號處理器DSP連接，驅(qū)動器連接一模擬開關(guān)來自PC機(jī)的命令經(jīng)過數(shù)字信號處理器和可編程門陣列處理后變成調(diào)制信號，該數(shù)字信號經(jīng)過與數(shù)字信號處理器連接的D/A轉(zhuǎn)換器變?yōu)槟M信號，模擬信號通過與D/A轉(zhuǎn)換器依次連接的線性放大器和增益放大器放大后，由模擬開關(guān)將選擇的信號傳送給驅(qū)動器，由驅(qū)動器將信號驅(qū)動到地面方式變壓器；來自井下的信號經(jīng)地面的方式變壓器傳輸?shù)讲罘址糯笃?，差分放大器將差分信號變?yōu)閱螛O性信號后，由與其依次連接的增益放大器、模擬開關(guān)和低通濾波器處理后，由連接在低通濾波器和可編程門陣列之間的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號再通過可編程門陣列和數(shù)字信號處理器處理解出后送回PC機(jī)；所述井下收發(fā)器(2)還包括可編程門陣列FPGA，可編程門陣列FPGA與數(shù)字信號處理器DSP連接，驅(qū)動器連接一模擬開關(guān)來自井下儀器的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字信號處理器和可編程門陣列處理后變?yōu)閿?shù)字信 號，該數(shù)字信號經(jīng)過與數(shù)字信號處理器連接的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，模擬信號再由與D/A轉(zhuǎn)換器連接的線性放大器放大后，由模擬開關(guān)將選擇的信號傳送給驅(qū)動器，由驅(qū)動器將信號驅(qū)動到井下方式變壓器；來自地面的信號經(jīng)井下方式變壓器傳輸?shù)讲罘址糯笃鳎罘址糯笃鲗⒉罘中盘栕優(yōu)閱螛O性信號后，由與其依次連接的增益放大器、模擬開關(guān)和低通濾波器處理后，經(jīng)過連接在低通濾波器和可編程門陣列之間的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號再通過可編程門陣列和數(shù)字信號處理器處理解出真實(shí)命令字后送到相應(yīng)的井下儀器。
2.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種利用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速傳輸?shù)倪b傳系統(tǒng)，其特征在于 所述的可編程門陣列FPGA還連接有壓控振蕩器VC0。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速傳輸?shù)倪b傳系統(tǒng)，其特征在于 所述的測井電纜(3)的傳輸頻段為5k-120k。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種利用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速傳輸?shù)倪b傳系統(tǒng)。隨著多年來不斷地對石油勘探和開發(fā)，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，就需要研制出高精度的石油勘探設(shè)備用于現(xiàn)場生產(chǎn)，其關(guān)鍵問題是需要提高電纜的傳輸速率。本實(shí)用新型的一種利用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速傳輸?shù)倪b傳系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一個地面收發(fā)器和至少一個井下收發(fā)器，地面收發(fā)器和井下收發(fā)器發(fā)送、接收采用正交頻分復(fù)用(OFDM)方式調(diào)制后的信號。本實(shí)用新型采用先進(jìn)的OFDM傳輸技術(shù)和高速DSP數(shù)字信號處理系統(tǒng)、大規(guī)模集成電路FPGA，具有有高達(dá)560k的7000m電纜傳輸速率，并且穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)。
文檔編號G08C19/00GK201610752SQ20092003515
公開日2010年10月20日 申請日期2009年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月21日
發(fā)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