本發(fā)明涉及的四兆高速測(cè)井通信技術(shù)是高速通信技術(shù)在石油勘探電纜測(cè)井領(lǐng)域的應(yīng)用，應(yīng)用OFDM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)最高傳輸速率為4Mbit/s的高速測(cè)井通信。

背景技術(shù)：

測(cè)井電纜的幅頻特性變現(xiàn)為低通特性，通過使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試測(cè)井電纜的幅頻特性發(fā)現(xiàn)頻率大于100KHz信號(hào)，在經(jīng)過7600米長(zhǎng)的測(cè)井電纜后，信號(hào)嚴(yán)重衰減了將近80分貝，已經(jīng)無法調(diào)制。如果只是使用簡(jiǎn)單的基帶傳輸來傳輸測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，無法滿足現(xiàn)代測(cè)井儀器數(shù)據(jù)量越來越大的要求。

OFDM技術(shù)將數(shù)據(jù)調(diào)制到頻率相互正交的子載波上，每個(gè)子載波的頻帶大約在4KHz，這樣使的信息在相對(duì)低通的環(huán)境中傳播，減少了信號(hào)幅度的衰減和相位延遲，從而很好的克服測(cè)井電纜的頻帶窄的缺陷。提高了頻帶利用率，增加了循環(huán)前綴，又很好地消除了符號(hào)間干擾的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及一種基于石油電纜測(cè)井的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，其最高傳輸bit率為4Mbit/s。該技術(shù)是一種針對(duì)石油測(cè)井行業(yè)運(yùn)用現(xiàn)代通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，以適應(yīng)測(cè)井行業(yè)越來越大的數(shù)據(jù)傳輸要求。

該技術(shù)采用正交頻分復(fù)用OFDM技術(shù)，它通過將串行數(shù)據(jù)流變換為若干子路數(shù)據(jù)流，用這些低速子數(shù)據(jù)流去調(diào)制相應(yīng)的子載波，形成多個(gè)低速符號(hào)并行發(fā)送。因?yàn)橥ㄟ^串并轉(zhuǎn)換后每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)長(zhǎng)度相對(duì)增加，再加上循環(huán)前綴，從而很好地消除了符號(hào)間干擾的影響。另外OFDM系統(tǒng)中各子載波間相互正交，子信道頻譜相互重疊，頻譜資源利用非常高。

1、四兆高速測(cè)井通信技術(shù)，其特征在于，在井下儀器串中地震數(shù)據(jù)通過OFDM調(diào)制板，偽隨機(jī)編碼1后，使用RS編碼2、塊交織3、星座映射4、快速逆傅里葉變換5，再經(jīng)過循環(huán)前綴6插入算法，通過D/A轉(zhuǎn)換器7轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)發(fā)送到測(cè)井電纜。信息通過測(cè)井電纜上傳給地面解調(diào)板進(jìn)行解調(diào)。數(shù)據(jù)通過離散化8之后，經(jīng)過同步算法9，快速傅里葉算法10，CP去除11、信道均衡12、解映射13、解交織14、RS譯碼15、解偽隨機(jī)編碼16后變成用戶數(shù)據(jù)上傳到地面系統(tǒng)軟件。

2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的四兆高速測(cè)井通信技術(shù)，其特征在于，所選用的頻帶范圍為12k～512k，分成128個(gè)子信道。

3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的四兆高速測(cè)井通信技術(shù)，其特征在于，所采用的符號(hào)時(shí)間為256*1us，保護(hù)間隔0us。

4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的四兆高速測(cè)井通信技術(shù)，其特征在于，循環(huán)前綴采用32個(gè)，導(dǎo)頻為2個(gè)第9和第122個(gè)子通道，EFC編碼為RS編碼，交織為塊交織。

5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的四兆高速測(cè)井通信技術(shù)，其特征在于，超級(jí)幀有128個(gè)OFDM符號(hào)，包括一個(gè)訓(xùn)練序列。

6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的四兆高速測(cè)井通信技術(shù)，其特征在于，每一個(gè)子信道的bit數(shù)為8bit，帶寬為500kHz，所以最大傳輸速率就是8bit*500kHz＝4Mbit/s。

7、同步技術(shù)：由于OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，相對(duì)單載波調(diào)制技術(shù)來說要求更嚴(yán)格的同步。OFDM系統(tǒng)的同步包括三個(gè)方面：(1)載波同步(2)樣值同步(3)符號(hào)定時(shí)同步。

載波同步17：通過兩個(gè)過程實(shí)現(xiàn)，即捕獲模式和追蹤模式。接收機(jī)中第一階段的任務(wù)就是要盡快地進(jìn)行粗略頻率估計(jì)，解決載波的捕獲問題；第二階段的任務(wù)就是能夠鎖定并且執(zhí)行跟蹤任務(wù)。

樣值同步18：通過導(dǎo)頻信號(hào)來實(shí)現(xiàn)樣值同步。

符號(hào)定時(shí)同步19：增加循環(huán)前綴。

本發(fā)明的有益效果：

1.四兆高速測(cè)井通信技術(shù)提高了測(cè)井電纜的數(shù)據(jù)傳輸能力。滿足了現(xiàn)代測(cè)井儀器大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)囊蟆?/p>

附圖說明

圖1 OFDM技術(shù)的設(shè)計(jì)框圖。

圖2 OFDM系統(tǒng)中同步的幾個(gè)方面。

圖3 OFDM系統(tǒng)中四兆高速測(cè)井通信示意圖。

具體實(shí)施方式

1.FEC編碼設(shè)計(jì)

如圖1所示，使用RS編碼，RS(114,98)，一個(gè)同步序列(訓(xùn)練序列)，每128個(gè)OFDM符號(hào)組成一個(gè)超幀，使用一個(gè)訓(xùn)練序列。

2.交織設(shè)計(jì)

如圖1所示，RS編碼可以使用卷積交織或者塊交織，此發(fā)明選用塊交織。

3.星座映射設(shè)計(jì)

采用128個(gè)子信道，星座圖選用格雷瑪映射。

4.接收端同步設(shè)計(jì)

同步在通信系統(tǒng)中占據(jù)非常重要的地位。例如，當(dāng)采用同步解調(diào)或相關(guān)檢測(cè)時(shí)，接收機(jī)需要提取一個(gè)與發(fā)射載波同頻同相的載波；同時(shí)還要確定符號(hào)的起始位置等，如圖2所示。

一般的通信系統(tǒng)中存在如下的同步問題：

發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的載波頻率不同；

發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的采樣頻率不同；

接收機(jī)不知道符號(hào)的定時(shí)起始位置。

OFDM符號(hào)由多個(gè)子載波信號(hào)疊加構(gòu)成，各個(gè)子載波之間利用正交性來區(qū)分，因此確保這種正交性對(duì)于OFDM系統(tǒng)來說是至關(guān)重要的，因此它對(duì)載波同步的要求也就相對(duì)較嚴(yán)格。

在OFDM系統(tǒng)中存在如下幾個(gè)方面的同步要求：

載波同步17：接收端的振蕩頻率要與發(fā)送載波同頻同相，如圖2所示。

樣值同步18：接收端和發(fā)射端的抽樣頻率一致，如圖2所示。

符號(hào)定時(shí)同步19：傅立葉反變換(IFFT)和傅立葉變換(FFT)起止時(shí)刻一致，如圖2所示。

與單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)對(duì)同步精度的要求更高，同步偏差會(huì)在OFDM系統(tǒng)中引起載波間干擾(ICI)及符號(hào)間干擾(ISI)。下圖顯示了OFDM系統(tǒng)中的同步要求，并且大概給出各種同步在系統(tǒng)中所處的位置。

載波同步:

發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的頻率偏差導(dǎo)致接收信號(hào)在頻域內(nèi)發(fā)生偏移。如果頻率偏差是子載波間隔的n(n為整數(shù))倍，雖然子載波之間仍然能夠保持正交，但是頻率采用值已經(jīng)偏移了n個(gè)子載波的位置，造成映射在OFDM頻譜內(nèi)的數(shù)據(jù)符號(hào)的誤碼率高達(dá)0.5。

如果載波頻率偏差不是子載波間隔的整數(shù)倍，則在子載波之間就會(huì)存在能量的“泄漏”，導(dǎo)致子載波之間的正交性遭到破壞，從而在子載波之間引入干擾，使得系統(tǒng)的誤碼率性能惡化。

通常我們通過兩個(gè)過程實(shí)現(xiàn)載波同步，即捕獲模式和跟蹤模式。在跟蹤模式中，只需要處理很小的頻率波動(dòng)；但是當(dāng)接收機(jī)處于捕獲模式時(shí)，頻率偏差可以較大，可能是子載波間隔的若干倍。

接收機(jī)中第一階段的任務(wù)就是要盡快地進(jìn)行粗略頻率估計(jì)，解決載波的捕獲問題；第二階段的任務(wù)就是能夠鎖定并且執(zhí)行跟蹤任務(wù)。把上述同步任務(wù)分為兩個(gè)階段的好處是：由于每一階段內(nèi)的算法只需要考慮其特定階段內(nèi)所要求執(zhí)行的任務(wù)，因此可以在設(shè)計(jì)同步結(jié)構(gòu)中引入較大的自由度。這也就意味著，在第一階段(捕獲階段)內(nèi)只需要考慮如何在較大的捕獲范圍內(nèi)粗略估計(jì)載波頻率，不需要考慮跟蹤性能如何；而在第二階段(跟蹤階段)內(nèi)，只需要考慮如何獲得較高的跟蹤性能。

樣值同步：

通過加入導(dǎo)頻信息，來實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)兩端的信息在相同的頻率上采樣。

符號(hào)定時(shí)同步：

由于在OFDM符號(hào)之間插入了循環(huán)前綴保護(hù)間隔，因此OFDM符號(hào)定時(shí)同步的起始時(shí)刻可以在保護(hù)間隔內(nèi)變化，而不會(huì)造成載波間干擾(ICI)和符號(hào)間干擾(ISI)。

只有當(dāng)FFT運(yùn)算窗口超出了符號(hào)邊界，或者落入符號(hào)的幅度滾降區(qū)間，才會(huì)造成ICI和ISI。因此，OFDM系統(tǒng)對(duì)符號(hào)定時(shí)同步的要求會(huì)相對(duì)較寬松，但是在多徑環(huán)境中，為了獲得最佳的系統(tǒng)性能，需要確定最佳的符號(hào)定時(shí)。盡管符號(hào)定時(shí)的起點(diǎn)可以在保護(hù)間隔內(nèi)任意選擇，但是容易得知，任何符號(hào)定時(shí)的變化，都會(huì)增加OFDM系統(tǒng)對(duì)時(shí)延擴(kuò)展的敏感程度，因此系統(tǒng)所能容忍的時(shí)延擴(kuò)展就會(huì)低于其設(shè)計(jì)值。為了盡量減小這種負(fù)面的影響，需要盡量減小符號(hào)定時(shí)同步的誤差。

當(dāng)前提出的關(guān)于多載波系統(tǒng)的符號(hào)定時(shí)同步和載波同步大都采用插入導(dǎo)頻符號(hào)的方法，這會(huì)導(dǎo)致帶寬和功率資源的浪費(fèi)，降低系統(tǒng)的有效性。實(shí)際上，幾乎所有的多載波系統(tǒng)都采用插入保護(hù)間隔的方法來消除符號(hào)間串?dāng)_。為了克服導(dǎo)頻符號(hào)浪費(fèi)資源的缺點(diǎn)，我們通常利用保護(hù)間隔所攜帶的信息完成符號(hào)定時(shí)同步和載波頻率同步的最大似然估計(jì)算法。

同步是OFDM系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的問題，同步性能的優(yōu)劣直接影響到OFDM技術(shù)能否正確的調(diào)制解調(diào)數(shù)據(jù)。在OFDM系統(tǒng)中，存在多種級(jí)別的同步：載波同步、符號(hào)定時(shí)同步以及樣值同步，其中每一級(jí)別的同步都會(huì)對(duì)OFDM系統(tǒng)性能造成影響。

5.如圖3所示，為實(shí)現(xiàn)四兆高速測(cè)井通信，需要在井下遙測(cè)單元22中，專門設(shè)計(jì)一種OFDM調(diào)制板23，這樣可以將井下傳感器組25發(fā)送的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)調(diào)制成4Mbit/s的數(shù)據(jù)流，在測(cè)井電纜21中上傳數(shù)據(jù)。在地面采集系統(tǒng)20中設(shè)計(jì)一種OFDM解調(diào)板21，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的解碼。

以上所述是本發(fā)明的較佳實(shí)施例及其所運(yùn)用的技術(shù)原理，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，任何基于本發(fā)明技術(shù)方案基礎(chǔ)上的等效變換、簡(jiǎn)單替換等顯而易見的改變，均屬于本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。