一種適合電纜測井數據傳輸的編碼方法

王 泉，武洪濤

(長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)

一種適合電纜測井數據傳輸的編碼方法

王 泉，武洪濤

(長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)

由于電纜測井系統中需要傳輸的數據信息量越來越大，因而對測井信息的傳輸速度提出了更高的要求。測井中使用的電纜通常是七芯電纜，而七芯電纜在實際應用中的通頻帶為100Hz到100kHz。要在通頻帶固定的傳輸信道中增大數據的傳輸速率，提高測井電纜的頻帶利用率是唯一的解決辦法。針對該問題提出了一種新的數據編碼方法，并把該編碼方法與應用在電纜測井系統中的其他幾種編碼方法進行了分析比較，發現該編碼方法能夠有效地提高測井電纜的頻帶利用率，因而具有一定的實用價值。

電纜測井；數據傳輸；編碼方法

測井電纜是井下與地面之間的信息傳輸媒介，測井作業中常用的電纜是七芯電纜，其長度一般為7000m。由于測井電纜的傳輸衰減隨傳送信號頻率的增大而增大，7000m長的普通七芯電纜能夠傳送的最高信號頻率為100kHz，如果高于該頻率，則信號衰減嚴重，無法檢測；在低頻段，由于測井電纜的兩端分別通過變壓器與地面和井下遙測單元耦合，所以頻率小于100Hz的低頻信號在耦合時衰減嚴重[1]。因此，在實際應用中七芯電纜的通頻帶為100Hz～100kHz。為了充分利用測井電纜有限的帶寬資源,提高信息的數據傳輸速率,必須有適當的數據編碼方式。針對上述情況，筆者提出了一種適合電纜測井數據傳輸的編碼方法。

1 幾種應用在測井電纜系統中的編碼方法

1.1 曼徹斯特碼

圖1 曼徹斯特編碼圖

曼徹斯特編碼是測井數據傳輸中最常用的編碼方式之一，對數據進行編碼的規則如下[2-3]：當數據位為1時，在該數據位中間產生電平的負跳變，以“10”表示；當數據位為0時，在該數據位中間產生電平的正跳變，以“01”表示。曼徹斯特編碼如圖1所示。

從圖1可以看出，波形在每一位碼元中間都有跳變，因此具有豐富的定時信息，便于接收端提取定時信號，并且曼徹斯特碼在每一位碼元中都有電平的轉變，因而在數據傳輸時無直流分量，可降低系統的功耗。但是每一個碼元都被調成2個電平，所以數據傳輸速率只有調制速率的1/2。

1.2 HDB3碼

HDB3碼全稱三階高密度雙極性碼，由AMI碼改進而來，其編碼規則如下[4]：①將消息代碼變換成AMI碼，若AMI碼中連0個數小于或者等于3,此時的AMI碼即HDB3碼；②若AMI碼中連0的個數大于3,則將每4個連0小段的第4個0變換成與前一個非0符號(+1 或-1)同極性的符號,用V表示；③為了不破壞極性交替反轉，當相鄰2個V之間有偶數個非0符號時，再將該小段的第1個0進行變換,用B表示,符號的極性與前一非零符號的相反，并讓后面的非零符號從該符號開始再交替變化。HDB3碼的編碼過程如圖2所示。

HDB3碼編碼方法的特點有如下幾點：由HDB3碼確定的基帶信號無直流分量，且只有很小的低頻分量；HDB3中連0串的數目至多為3個，易于提取定時信號；編碼規則復雜，但譯碼較簡單。

1.3 正交振幅調制

正交振幅調制(QAM)是高速傳輸系統中使用的一種編碼技術[5]，如Schlumberger公司MAXIS-500測井系統中的DTS數字遙測系統，上傳數據可以實現高達500Kbit/s的傳輸速率。此外，國產的EILog系統采用正交頻分復用調制(COFDM),上傳數據時其子信道內采用16/32QAM方式，傳輸速率可以達到300Kbit/s。該編碼技術雖然傳輸速率高，但其編譯碼過程相當復雜。

2 新的編碼技術——寬窄電平交替傳輸方法

圖3 寬窄電平交替傳輸編碼圖

常用的傳輸碼中，通常選用“0”和“1”來表示電平的高低，如曼徹斯特碼、HDB3碼等。除了用“0”和“1”來表示電平的高低變化外，還可以用“0”和“1”來表示電平的寬窄變化。為此，筆者利用電平的寬窄變化提出一種新的編碼方法——寬窄電平交替傳輸方法，其編碼規則如下：在周期為T的時鐘脈沖內，在T/2時間段內連續輸出一段電平，用“0”表示；在T時間段內連續輸出另一段電平，用“1”表示。每輸出一次電平，電平就會翻一次，也就是說“0”碼元電平的持續時間只有“1”碼元電平持續時間的1/2，其編碼過程如圖3所示。

該編碼方法有以下幾個特點：①每傳輸一位碼元，電平會發生一次改變，因此相鄰2個碼元之間包含了豐富的時鐘信息，便于在接收端提取定時信號。②在傳輸的過程中，電平是不斷交替變化的。但由于“0”和“1”碼元電平的長度不同，所以在傳輸的過程中具有較少的直流分量。與其他幾種編碼方法相比，在同樣的頻帶寬度下，利用該編碼方法傳輸數據，其傳輸速率能達到曼徹斯特碼的1.5倍，這對于頻帶資源十分寶貴的測井電纜來說，可以有效地提高頻帶的利用率，并且在整個過程中不需要很大的驅動功率。采用該編碼方法是通過控制輸出電平的寬窄變化來實現數據傳輸，編碼的實現由單片機通過軟件編程來完成，在接收端采用單片機的捕獲功能捕獲碼元與碼元之間的上升沿與下降沿時間，從而得到相鄰2個觸發邊沿的時間差，再將該時間差與時鐘周期進行比較就可完成解碼。

3 實施效果

為驗證寬窄電平交替傳輸技術的可靠性，在油田測井作業中使用了該方法。經測試，在通頻帶為100kHz的測井電纜系統中利用上述編碼技術傳輸數據，抗干擾能力強，性能可靠，傳輸速率可以達到125Kbit/s，完全可以滿足目前數控測井儀的100Kbit/s的基本數據傳輸速率。此外，如果減少碼元“0”和“1”電平的寬度，在通頻帶固定的信道中可以傳輸更多的數據，因而應繼續研究該編碼方法，使其進一步完善。

[1]李微微，陳國棟，李謙.應用在測井電纜傳輸的幾種編碼技術[J].科技資訊，2010(25)：12-13.

[2]張淑玲，沈田.曼徹斯特編碼技術在測井數據傳輸中的應用研究[J].計算機與數字工程，2009,37(9)：187-189.

[3]周志彬，王忠義，馬文中，等.50Kbit/s曼徹斯特碼測井電纜通信系統研制[J].測井技術，2006,30(6)：576-579.

[4]熊能.HDB3碼和AMI碼及它們的編碼實現[J].信息技術，2009(24)：15-18.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.10.039

TN913.8

A

1673-1409(2012)10-N125-02