聲波沿鉆柱通信BPSK調制系統時鐘恢復

周 靜，邱 彬，倪文龍，尚海燕

（西安石油大學井下測控研究所，西安710065）①

聲波沿鉆柱通信BPSK調制系統時鐘恢復

周 靜，邱 彬，倪文龍，尚海燕

（西安石油大學井下測控研究所，西安710065）①

BPSK（Binary Phase Shift Keying）調制相位的載波信號為雙相標記編碼信號。由于聲波換能器的非線性特性，以及鉆柱信道帶來相位偏移，可能會導致在每個位周期之間和不同碼元的過渡期之間產生不依賴于數據的過度過程；以及由于換能器起振不能立刻達到很好的狀態，致使相位未能達到理想的偏移，從而引發解碼過程的錯誤。為了保證正確的解碼操作，鎖定過渡期，逐步恢復時鐘尤為重要。針對BPSK載波信號的特點，設計時鐘恢復系統，克服傳統鎖相技術的確定，可以很好地根據輸入信號保證傳輸的獨立性，使相位不受換能器和信道中間過渡的相位偏移的影響，鎖定正確相位從而恢復系統時鐘，保證后續解碼工作正確穩定地進行。

時鐘恢復；聲波遙傳；信道特性；鎖相環

聲波遙傳技術是井下換能器將電信號轉化為聲信號，該信號由彈性波沿著鉆鋌、井下工具、鉆桿傳輸到地面。其缺點是：在鉆井時聲波受環境噪聲的干擾，信號弱，中繼裝置的可靠性差，成本較高［1］。聲波傳輸技術是以鉆柱管壁作為傳播介質、以聲波為信號載體，利用聲波在鉆柱中的傳播進行井下隨鉆數據的無線傳輸。該技術不受鉆井介質、地層、鉆井液等外界條件的限制，可以實現高速傳輸數據，是一種極具潛力的無線傳輸技術，是井下信息傳輸技術領域研究的熱點之一［2-4］。由于聲信號傳輸受鉆桿結構的影響，信號衰減嚴重，而且傳遞信號的信道通頻帶幾乎是無法預測和把握的，這些因素嚴重制約著聲波謠傳技術的發展［5］。為克服這些制約因素，國外的研究人員已經在這個領域展開了大量的理論研究［6-8］以及聲波傳輸試驗［9-11］，以了解聲波信道的傳輸特性，為聲波信號能從井底傳輸到地面打了基礎。載波信號的選取好壞也決定聲信號能否高效穩定傳輸至地面。Baker Hughes［12］提出了FSK、PSK和MSK的調制方法，2004年公布了部分現場試驗結果［13］；Masha Mcmarzadeh提出并設計利用聲波正交頻分多路（OFDM）調制方法。在分析信號的傳輸流程上，信道是研究的出發點和設計信號的關鍵環節，所以首先研究信道特性。筆者首先建立聲波沿鉆柱傳輸模型，并分析其信道特性，然后針對聲波傳輸通信BPSK信號調制出現的相位偏移問題，提出時鐘恢復的方法，為正確解碼提供保障。

1 聲信號鉆柱通道模型建立

目前，以波動方程的數值解作為聲信號的信道模型?？v波振動方程為式中：U（t，z）為波縱向位移；z為軸向位置；t為時間；c2＝E／ρ；ρ（z）為傳播信道的質量密度；E（z）為彈性模量。

鉆桿和接頭組成對稱結構，如圖1所示。

圖1 鉆桿和接頭組成對稱鉆具結構

設鉆桿和接頭的材料相同，都為均勻介質。鉆具中的聲波傳輸簡化為雙端口設備，把S11和S12作為聲波鉆具中傳播反射值，S12和S21作為聲波鉆具中傳播透射值，在鉆桿和接頭的連接處滿足位移和應力連續的邊界條件［14］。聲波在鉆具中傳輸元素的表達式為

利用以上信道模型，起始輸入端發射單位脈沖信號；假設最后1根鉆桿末端無反射，鉆桿和接頭參數如表1。

表1 信道模型參數

用接頭將4根、15根、50根鉆桿相連，總長度分別為40、150、500 m，具有理想的信道特性。信道模型頻譜圖如圖2。由圖2可見：對于同一規格的鉆具，也就是連接處的截面積相同，那么通阻帶對應的頻帶與連接鉆具數目無關，只是連接鉆具越多其衰減越嚴重。

圖2 聲信號鉆柱通道模型特性

2 聲信號BPSK相位調制在鉆柱中傳輸存在的問題

目前，通信中應用最多的是頻率調制（FSK）和相位調制（PSK），因為無論從抗噪性能、頻帶利用率還是功率利用率，相位調制都被認為是很好的調制方法。此外，相位調制在高速數據傳輸特別是在衰落信道傳輸中被廣泛應用［15-16］，但BPSK調制相位調制的載波信號為雙相標記編碼信號，相位由發射器和信道引起的偏移是未知且復雜，所以，為了穩定高效的恢復原始信息，信號的時鐘恢復顯得尤為重要［17］。

傳統的鎖相環技術和理論如下：

式中：Δφn為鑒相器輸出；u1（n）為系統輸入；u2（n）為可編程計數器輸出；z（n）為鎖相濾波器輸出；k為調節因子；f為信號頻率；fs為采樣頻率；ω為權系數；u3（n）為系統輸出，并設所有的信號幅度為無綱量的規一化數值。

鎖相環過程如圖3所示。

圖3 鎖相環結構

對于BPSK調制，相位差180°，采用傳統的鎖相環跟蹤相位變化，改變調節因子k的大小，當k＝0.2時，如圖4a所示，相位跟蹤誤差如圖4b。如果k＝0.02，如圖4c，相位跟蹤誤差如圖4d。由圖4a可見，跟蹤相位出現了混亂。由圖4c可見，跟蹤相位跟不上相位的變換。同時，由圖4b和圖4d可見，相位跟隨的誤差并不收斂，傳統的鎖相環不能有效地達到鎖相效果。原因是對于不同的0，1碼經過了180°的換相，傳統的鎖相環技術和理論無法達到那么快的靈敏度，無法跟蹤相位快速反向變化。

圖4 鎖相環跟蹤相位

3 改進BPSK鎖相環方法

3.1 BPSK鎖相環整體流程

在傳統鎖相環基礎上，為了達到更快的靈敏度，提出鎖相系統的設計方案（如圖5），輸入信號進入數據集成調制器和數據積分（di），產生誤差積分ei和誤差集成調制器相位偏移量em，由誤差集成調制器產生調節信號，控制鎖相環電路，根據鎖相濾波器輸出，控制壓控振蕩器（VCD）產生2個輸出，其輸出包括1個完整的位周期，并用于采樣輸入信號和與其正交的半位周期的采樣方式。電壓控制振蕩器生成的第1輸出信號，用于控制采集數據積分裝置，使數據積分裝置基本完成1個完整的周期采樣；生成的第2輸出信號，用于采集誤差積分裝置，使誤差積分裝置基本上完成半個周期采樣。數據積分與誤差積分輸出信號控制誤差調制器輸出，再調節電壓控制振蕩器（VCD）輸出，從而構成BPSK時鐘恢復閉環系統。

圖5 BPSK時鐘恢復閉環系統流程

3.2 BPSK鎖相環實現

令BPSK編碼后的原載波信號為signal（t），如圖6。周期為T，信號的長度為Lth。

圖6 BPSK調制載波信號

令全相位1個周期T標準信號為，如圖7a。周期為T，數據積分集di輸出為

得到di（x）波形，如圖7b。

令半相位半個周期標準信號s2（t），s2（t）如圖7c。誤差積分集ei輸出為得到ei（x）波形，如圖7d。誤差解調器輸出相位偏移量em（t）為

圖7 標準信號及積分輸出

em（t）＝di（t）×ei（t）

誤差解調器em（t）輸出如圖8。由圖8可見，當輸出圖形下降時，并且與x軸相交，即過零點em（t）＝0時，表示輸出信號的相位分別代表偏差0、180、360°。相位偏差360°的整數倍點為m，取n＝km為系統時鐘相位偏差360°的整數倍的點。將所得的系統時鐘與原信號表示在一起，如圖9。由圖9可見，正確的跟蹤鎖定信號時鐘。

圖8 相位偏移量

圖9 信號與時鐘

4 基于BPSK調制時鐘恢復方法應用

在實驗室搭建聲波傳輸系統，聲信號發送端采用BPSK調制通信，調制的參數如表2。由換能器發射端BPSK載波信號，其頻譜特性如圖10。將調制的信號通過換能器將電信號轉換為聲信號發射，沿鉆柱傳輸，在接收端再由傳感器將聲信號轉化為電信號，并將接受的數據解調。接收端接收到的信號歸一化如圖11。為了更清楚地分析接收信號的相位偏移，將碼元轉化的載波信號與接收端接收到的載波信號對比，放大前部分如圖12a，后部分如圖12b。由圖12a可見，前部接收到的載波信號相位與原始載波相位基本相同；由圖12b可見，前部接收到的載波信號相位與原始載波信號相位偏差很大。由于相位的偏差，無疑會使解碼錯誤，必須使用鎖相環準確的確定采樣點。運用上述鎖相環方法追蹤時鐘同步，時鐘和接收信號對比放大前部分如圖13a，后部分如圖13b。由13圖可見：此方法全部數據都跟追相位，正確的恢復出系統時鐘，為穩定高效地恢復原始信息打下了基礎。

表2 BPSK載波信號參數

圖10 載波信號特性

圖11 歸一化的接收信號

圖12 發送載波信號及接受信號

圖13 發送載波信號及時鐘

5 結論

1） 理想周期性鉆柱作為聲傳輸通道表現為窄頻帶、多波段的通信通道，鉆具的參數顯著影響信道傳輸性能。隨著傳輸距離增大，接收信號衰減越嚴重，傳輸性能也隨之下降。

2） BPSK調制載波信號通過換能器發射聲信號，由鉆柱信道傳輸，再由接收器接收到的信號會發生相位偏移，如果直接解碼會導致誤碼率很高。為了正確解調數據，必須追蹤時鐘同步，恢復系統時鐘。

3） 傳統的鎖相環跟蹤技術無法實現對于相位差為180°BPSK調制的相位跟蹤，而采用BPSK時鐘恢復閉環系統，可以跟蹤相位，正確恢復信號的時鐘，為信號解調提供保障。

4） 相位調制BPSK是正交頻分復用（OFDM）調制方法的基礎，正確恢復系統時鐘為充分利用信道頻寬和更高速數據傳輸做了保障。

5） BPSK相位調制運用在高速數據傳輸，根據信道的不同，在特定的鉆柱信道下可實現高速信息通信。在鉆柱中實現聲波高速通信具有重要意義。

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Code Clock of Acoustic Communications Using BPSK

BPSK are similar in that they have one regular transition every bit period and an intermediate-transition which may or may not be present dependent on the data；the magnetostriction is known to have non-linear characteristics and transmitter may not achieve a good start-up state，immediately.Those factors which may lead to phase error，for correct operation，the recovered clock must be phased locked to the regular transitions.A problem with phase lock loop designs can be that incorrect phase lock can be established on an input which contains a large proportion of data dependent transition.In this paper，the closed-loop system ensures the input signal transmit independently.The recovery clock system recovers the clock from the transmission signal to ensure data recovery correctly.

clock recovery；acoustic telemetry；channel properties；PLL

TE927

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.001

1001-3482（2014）11-0001-07①

2014-05-06

國家科技重大專項“大型油田及煤層氣開發”子項目“旋轉導向及隨鉆測錄、酸性氣層測試技術與裝備”（2011ZX05021-005）；中石油集團公司重大專項“鉆井新裝備新工具研制”（2014B-4313）

周 靜（1964-），女，廣東龍川人，教授，碩士，主要從事旋轉導向智能鉆井系統研究。