擺動閥泥漿脈沖器調制解調方案設計與試驗

張 爽，王智明，張 崢

(中海油田服務股份有限公司，北京 101149)

鉆井液脈沖傳輸方式包括正脈沖、負脈沖、連續波三種方式，連續波脈沖器作為一種新興的泥漿脈沖發生器，具有數據發送效率更高的絕對優勢[1-2]。其實現方式是將井下傳感器測量到的信號編碼，由驅動控制電路驅動脈沖器轉子轉動，轉子相對于定子產生截流效應，使鉆桿內泥漿產生壓力脈沖形成連續的正弦壓力波，在地面通過壓力傳感器檢測壓力變化，經過解碼得到測量數據，通過終端顯示。由于其結構復雜，頻響效果受管路影響較大，該種方式獲得的信號信噪比更低，譯碼難度更大，對信號處理系統要求較高。高速率泥漿脈沖隨鉆數據傳輸系統正是應對這種新型擺動閥脈沖器而研制的信號傳輸系統。包含從信號的調制、發送、傳輸、接收及解碼的全過程。該系統模塊框圖如圖1所示。

1 調制過程

井下數據信息經過調制后方可通過脈沖器驅動泥漿傳送到地面接收系統，數字信號三種最基本的調制方式為調幅、調相、調頻。對于泥漿脈沖信號遙傳系統，在保證數據傳輸效率的前提下需要具有較高的抗噪性，同時需要考慮電機的性能，如調制波形是否平滑，電機功耗是否滿足等問題[3-4]。從振幅鍵控、相移鍵控、連續相位頻移鍵控進行了調制方式設計。

1.1 振幅鍵控

OOK調制方式的優點為波形簡單，對電機頻率要求適中；在同等轉子擺動頻率下，數據傳輸效率較高；波形區分度大，有利于解碼。其缺點為在連續發送數據“0”時需要在低位停留，影響底壓變化，且由于采用幅度調制，受噪聲和長距離傳輸的衰減影響較為明顯。另外，OOK調制方式所發生信號的頻帶分布較廣，給頻率域消噪帶來了較大限制。在泵噪周期性較為穩定的情況下，此種調制方式可以實現較高比特率低誤碼率的實時解調。

1.2 相移鍵控

相移鍵控PSK(Phase Shift Keying)有三種方案：零點調相PSK，等待調相PSK及多周期調相PSK。

零點調相PSK調制方式的相位總是在波形的零點發生改變。設發送數據流序列為an(n=1,2,3,…,n)，則零點調相PSK調制方式對應的調制信號可表示為：

(1)

因此，發送“1”時，波形相位為0°，發送“0”時，波形相位為180°，調制波形如圖3所示。

該種調制方法優點在于，可降低底壓變化對數據解調的影響，且波形在相位上的區分度非常大，具有較強的抗噪性。其缺點在于，因泥漿脈沖壓力波形與電機擺動角度并不呈現線性關系，該波形正確發生存在較大難度，容易造成前后兩半波形對稱性不佳的效果。

等待調相PSK調制方式可定義壓力先上升再下降為“1”，壓力先下降再上升為“0”。調制波形如圖4所示。

圖4中陰影部分為調制部分，采用一個擺動周期加載一個數據，在12 bps的數據傳輸速率下，擺動頻率為18 Hz。陰影間的部分為調相部分，采用半個擺動周期實現調相，如果調相部分前后數據不同，則轉子需在半個擺動周期內實現從開到閉或從閉到開的運動，如調相部分前后數據相同，則轉子靜止不動，等待半個擺動周期。該種調制方式優點在于不易引起底壓變化而影響數據解調，缺點在于因需要實現在正弦及直流波形間的切換，電機控制難度增大，且該種調制方式對疊加在調相周期上的反射波信號敏感。

零點調相方式存在相位突變狀態，等待調相方式存在電機停擺狀態，這都將引導致壓力波形畸變，不利于信號解調。因此考慮使用多周期正弦波調制信號，如采用三個全周期高頻正弦波調制信號，一個周期高頻正弦波或半個周期低頻正弦波進行調相，以犧牲碼率的方式獲得信噪比更高的壓力信號。其調制波形如圖5所示。

實驗證明，多周期調相方式具有更優良的信號質量，更便于信號處理，適合泥漿脈沖調制解調系統。

1.3 連續相位頻移鍵控

設計并測試了三種CPFSK(Continuous-Phase Frequency Shift Keying,)調制方式，即二進制半周期CPFSK調制方式，二進制全周期CPFSK調制方式和四進制CPFSK調制方式。

二進制半周期CPFSK方案采用二進制四星座點調制，傳送數據“1”使用一個周期的12 Hz正弦波，傳送數據“0”使用半個周期的6 Hz正弦波。由于相位需要保持連續，因此，每一位特定的二進制數具體映射為哪種波形由其本身及上一位二進制數的波形末相位所共同決定。具體映射方式如圖6所示。

該方案的優點在于：其調制波形都是連續的正弦波，且僅有兩種頻率，能夠減輕電機控制方面的壓力。且不需要騰出額外的調相周期進行調相，可以以12 Hz的最高轉速實現12 bps的數據傳輸。其缺點在于，需要對半周期波形進行檢測，難度較大，且該種調制方式下電機功耗略有提升。

二進制半周期CPFSK調制方式由于包含有半周期的正弦波，會給波形檢測帶來一定的困難。因此引入二進制全周期CPFSK調制方案。除了將半周期波形替換為完整的正弦波形外，其余均與二進制半周期CPFSK保持一致。其對應的波形映射表如圖7所示。

二進制全周期CPFSK繼承了二進制半周期CPFSK的全部優點，同時彌補了其在半周期波形檢測方面的劣勢，在解調方案中具有一定的優勢。但由于采用了完整的正弦波形進行調制，因此對電機運行頻率提出了較高的要求。在12 bps的數據傳輸速率下，要求電機擺動頻率至少達到24 Hz，從而產生12 Hz 與24 Hz頻率的正弦波用于數據調制。

四進制CPFSK調制方式采用四種不同頻率的正弦波分別映射00，01，10，11四個數據。在本方案中，四種頻率分別取為6 Hz，9 Hz，12 Hz，15 Hz。因此該方案共有8個星座點，每兩個星座點映射一個數據。具體對應的波形如圖8所示。

同二進制半周期CPFSK一樣，每個數據映射為哪種波形由其本身以及上一個發送數據的波形共同決定，原則是保持相位的連續。

方案的優點在于：其調制波形都是連續的正弦波，電機控制精度相對容易得到保證。且其波形特點能夠降低基底壓力的變化對數據解調的影響。缺點在于：該種調制方式調制波形復雜，種類多，匹配濾波時需要多個匹配濾波器，增加了解調的難度和復雜性。且需要電機在四種不同頻率下平滑切換，對電機的性能要求較高。

經過綜合測試，選擇了倍頻和非倍頻的二進制全周期CPFSK調制方式進行波形調制。

2 解調過程

從接收到的泥漿壓力信號中獲得目標數據需要經過采樣、數據去噪、消除泵噪、匹配濾波、同步、均衡解碼等過程，其流程如圖9所示。

2.1 數據采集

系統中數據采集部分通過數據采集箱實現，配合上位機程序，能夠實現對壓力脈沖信號的實時采集、觀測、儲存和處理。其核心部件為兩塊DT9816DAQ數據采集板，單塊采集板可以實現六通道并行采集，信號彼此無相位滯后與延時，多塊采集板可以公用時鐘和觸發。根據需求，可采集多路壓力脈沖信號及泵沖信號，其中壓力脈沖信號為模擬信號，1 000 Hz采樣率，泵沖信號為開關信號。

2.2 信號預處理

泥漿壓力脈沖信號以一定的速度在鉆柱中沿軸向向地面傳播，泥漿壓力脈沖信號傳到地面后，會受到一定的衰減，與很多干擾信號混合在一起。在泥漿介質中有很多噪聲源以及由于現場條件變化而產生的噪聲，如頻率與MWD數據脈沖類似但幅度更大的泵噪聲、井下鉆頭或井下動力工具產生的頻譜很寬的鉆井噪聲、低頻高幅度的脈動噪聲、脈沖遇到鉆頭或泵反射形成的反射信號等。這些噪聲在同一時間可能混合在一起，使得信號識別困難，需要應用特定算法進行濾除。通過對這些噪聲的頻譜分布特性分析，可發現大部分均與泥漿壓力脈沖頻率不同。泥漿壓力脈沖信號頻譜范圍在0～30 Hz之間，而上述各噪聲信號頻譜范圍較寬，超出該范圍，因此在檢測泥漿脈沖信號時，需設計低通濾波器讓頻率較低的有用信號通過，消除其他頻率范圍的信號。

采用巴特沃茲低通濾波器進行該步驟處理，巴特沃茲低通濾波器具有在通帶內最大平坦的振幅特性，且其通帶隨頻率單調遞減。其幅度平方函數具有如下形式：

(2)

另一部分可分析噪聲為泵噪，泵噪頻率與信號頻率相近，但幅度更大。泵噪通常有一個規則的噪聲剖面。可以進行時域消噪，其基本原理是利用發送信號的隨機性，獲取較為純凈的泵噪波形，與接收信號對齊后，用接收信號減去周期噪聲從而達到去除泵噪的效果。其具體步驟如下：

1)在一段單純的噪聲數據段中，以泵噪周期為單位長度連續截取多個數據段，并將所得的數據段疊加，以削弱接收信號中的高斯噪聲；2)將疊加所得的信號除以所截的周期數，得出周期噪聲的平均值；3)將周期噪聲進行周期性延拓，與接收信號對齊后，用接收信號減去周期噪聲。

2.3 匹配濾波

為保證信號的穩定性和可靠性，必須對信號進行濾波處理，這里選擇輸出信噪比在某一特定時刻達到最大的最佳線性濾波器—匹配濾波器。匹配濾波器能夠依據信號的幅頻特性對輸入波形進行加權，以便最有效地接收信號能量而抑制干擾的輸出功率。

2.4 均衡解碼

系統中，信道時延比較大，而且具有時變性，使得接收數據碼間串擾嚴重，因此需要對信道進行均衡。均衡器可采用濾波器的形式來實現。通過調整濾波器的參數，可以對系統的特性進行校正和補償，減少碼間串擾的影響。均衡器可以分為線性均衡器與非線性均衡器。采用非線性均衡器中的判決反饋均衡器(DFE)。判決反饋均衡的基本方法就是一旦信息符號經檢測和判決以后，它對隨后信號的干擾可以在其檢測之前被估計并消減，因此對信道的時延畸變有良好的補償作用。一般情況下，其性能要優于線性均衡器，而相對MLSE而言又擁有較低的運算復雜度。判決反饋均衡器結構如圖10所示。

同時，還需要使用一種自適應算法，用于自動調整均衡器的系數，使指定的性能指數最佳化，并能自適應地補償信道特性的時變。經過分析及實驗，RLS(遞歸最小二乘算法)自適應均衡算法可以有效地解決碼間串擾和信道時變特性帶來的問題。

3 實驗驗證

將所述方法軟件實現，進行數據實時接收解調，如下表為2016年10月在新疆基地進行實鉆實驗過程中調制解調結果的統計，試驗井深2 700～3 016 m，排量1.8～2.1 m3/min,采用文中所述三種調制方式進行傳輸數據。

表1 OOK調制解調結果統計

表3 PSK調制解調結果統計

表2 FSK調制解調結果統計

從統計表1、2、3可知，目前可以在實井鉆進過程中實現OOK、FSK、PSK調制方式的實時解調，傳輸速率可達13 bps。以上數據均選自信號質量較良好的情況，當信號質量受到干擾形成陡峭壓力波動時，解調效果將受到極大影響，因此仍需研究其他方法應對此類問題。

4 結束語

1)設計并實現了針對擺動閥泥漿脈沖傳輸系統的調制解調方案，設計了三類信號調制方案及信號解調流程，并實現了高速率隨鉆信號傳輸系統信號調制解調功能的搭建；2)目前可以實現3 000 m井深，OOK、PSK、CPFSK的實時解調，解調效果可以滿足應用需求；3)目前該系統所采用的機械結構及主要零部件可達到150 ℃耐溫，及20 000psi耐壓；4)當前消噪及解碼流程仍存在可改進空間，未來可通過增加頻域消噪，改進解調方案，增加校驗等方法進一步降低誤碼率，實現更高標準的高速率數據傳輸。