鉆井液壓力相移鍵控信號的相干解調研究及誤碼率的分析

摘要：隨著地質導向鉆井及閉環鉆井技術的發展，大量井下參數的實時測量與傳輸對井下信息的傳輸速率提出更高的要求。傳統的隨鉆測量（MWD）泥漿遙測系統通過提升閥產生壓力脈沖并采用基帶方式傳輸，信息傳輸速率低，最大傳輸速率約為3b/s，目前國外已用頻帶傳輸方式取代基帶傳輸。壓力信號的頻帶傳輸通常采用差分相移鍵控法（DPSK）及正交差分相移鍵控法（QPSK）進行數據調制，頻帶傳輸相對基帶傳輸具有傳輸信息量大和抗干擾能力強等特點。由于基帶和頻帶的信號特征和頻譜不同，泥漿管路對信號傳輸的影響有所差別。本文就針對差分相移鍵控法（DPSK）及正交差分相移鍵控法（QPSK）的相干解調研究及誤碼率進行分析。

關鍵詞：誤碼率;鉆井液壓力;相移鍵控信號;相干解調

引言：隨鉆測量技術（MWD）是一種在不影響正常鉆進狀態下，對鉆頭附近的信息進行實時的測量，并通過鉆井液信道傳輸到地面儀器，加以分析研究的測量技術，該技術為鉆井過程提供必要的工程參數與地層參數，是現代鉆井技術的重要輔助手段。本文主要涉及鉆井液連續壓力波的信號分析，包括鉆井液壓力PSK（相移鍵控）信號的相干解調方法研究及誤碼率分析。

一、鉆井液壓力相移鍵控信號相干解調分析

1、鉆井液壓力差分（DPSK）相移鍵控信號相干解調分析

鉆井液連續壓力DPSK信號的調制信號與一般通信中的電調制是很不相同的，主要區別在于DPSK信號的調制信號將鉆頭附近采集到信息轉換成控制脈沖，以此來用脈沖調制載波，從而形成載波調制信號。信號調制過程是一個正向的過程，而鉆井液壓力差分（DPSK）相移鍵控信號相干解調是屬于一個反向過程，信號調制過程中的碼元信息就是通過解調來復原。基帶編碼信號形成的控制脈沖來控制旋轉閥的轉速是鉆井液壓力DPSK（差分相移鍵控）調制過程中最重要的一點，使得信號在一個周期內迅速下降，從而就會延遲壓力載波的相位來展示編碼信息，屬于是一種機械調制。這種信號解調都是用數字來制定規律，并且調制后的信號具有頻帶傳輸的特征。壓力載波的頻率一般小于或等于一百赫茲，目的是為了減小壓力信號在鉆井液中的傳輸損失，信號頻帶與載波的比值一般都在“1”左右，是寬帶信號中的典型。通過鉆井液壓力差分（DPSK）相移鍵控信號相干解調分析，可以得出以下三點結論，一，通過在相位相干解調的基礎上增加反余弦和求導環節實現旋轉閥控制脈沖的重構，鉆井液壓力DPSK信號可以采用相干方式進行解調，且無噪聲影響條件下解調效果較好;二，噪聲會對鉆井液壓力DPSK信號的幅度和相位產生干擾，即使在較大信噪比條件下，噪聲也會在一定程度上引起信號的相位誤差，對旋轉閥控制脈沖的重構造成較大影響;三，旋轉閥控制脈沖的重構受到信號頻帶內噪聲垂直分量導數的嚴重影響，特別是在較高數據傳輸速率下，進入信號頻帶的噪聲對控制脈沖重構的影響更大;大幅提高輸入信號信噪比是鉆井液壓力DPSK信號相干解調系統獲得相對較小誤碼率的關鍵。

2、鉆井液壓力正交（QPSK）相移鍵控信號相干解調分析

鉆井液壓力正交（QPSK）相移鍵控信號相干解調是從已調信號中提取信號的過程。我們可以將兩個正交2PSK信號的相互疊加可以認為是促進QPSK的因素，要想分離出這兩路正交的2PSK信號，以兩路正交的相干載波為基礎來調解顯得容易了許多。在經過鉆井液壓力正交（QPSK）相移鍵控信號相干解調出來兩路并行碼元a和b，讓它們通過串、并等轉換方式的轉換后成為串行數據輸出。鉆井液壓力正交（QPSK）相移鍵控信號相干解調在進行解調時，已調載波信號的相位顯得非常重要，這關乎著載波相位分量在其位置上能否讓接收機從接收到的相關信號當中估計出通過信息傳輸通道時所產生的載波相位，然后根據一定的情況給予一定的補償。鉆井液壓力正交相移鍵控（QPSK）信號的解調與解碼能否讓所攜帶信息得以良好的恢復，其高密度攜帶以及傳輸井下信息的特點發揮著很重要的作用。影響重構脈沖的誤碼率因素的主要有兩個：一是鉆井液壓力QPSK信號相干解調系統固有干擾;二是隨機噪聲。相同輸入信號信噪比條件下，其影響程度遠高于鉆井液壓力DPSK信號的相干解調。

二、鉆井液壓力相移鍵控信號的誤碼率分析

1、鉆井液壓力差分相移鍵控信號誤碼率分析

在信息傳輸過程中，接收端收到的信號并不是只有地層發送的信號，還包括信道中的噪聲。噪聲的影響使得接收端的電壓表現隨機性，所以接收碼元就會發生錯誤的概率，可以用接收端的電壓統計特性來描述。DPSK信號傳輸過程中信號道中的噪聲是阻礙DPSK信號傳輸的最重要因素之一，噪音的干擾會促使接收端出現不正確的判斷，從而在接收端就會收到錯誤的概率，這就是誤碼率。接收端收到的信號一般有兩種，第一種為當輸出脈沖幅度為A的時候，信號就會表示為“1”，第二種為當輸出無脈沖的時候，信號就會表示為“0”。所以在噪聲干擾的情況下，接收端就會出現2種可能類型的錯誤：一，發送端發送“1”時，如果噪聲出現一個很大的負脈沖，這樣將會與信號抵消-部分，使接收端判錯為“0”;二，發送端發送“0”時，如果噪聲出現一個很大的正脈沖，這樣會使接收端判錯為“1”。

2、鉆井液壓力正交相移鍵控信號誤碼率分析

正交相移鍵控（QPSK）是一個通過轉換或調制來傳達數據的調制方法，基準信號（載波）的定相。有時候也叫做第四期或者四相PSK或4-PSK，QPSK在星狀圖中使用四個點，平均分布在一個圓周上。在這四個相位上，QPSK每個符號能夠進行兩位編碼，以格雷編碼的方式顯示在圖形上以最小化誤碼率（BER）。對于QPSK信號可以看成是將相位平面分成4等分，每一等分的相位間隔代表一個信號。由于噪聲的影響，接收機收到的信號相位會隨機變化。如果發送信號以0為基準，則接收機的信號的相位θ在-π/4～π/4范圍內變化時不會發生錯誤判決。如果不在這個范圍內概率就會出現錯誤，所以就會控制這個范圍下很大的功夫。

三、結論

通過在鉆井液壓力QPSK信號相干解調過程中，我們應當以相位輸出信號變化量的絕對值為計算基礎，進行數值積分，得到重構的QPSK信號的相移函數，對相移函數進行適當的處理，可以實現旋轉閥轉速控制脈沖的重構。數值仿真表明，通過理論計算得到的重構脈沖誤碼率和仿真結果基本一致，說明了所構建的重構脈沖信號經過數學模型計算的準確性。

參考文獻：

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作者簡介：

胡明1983年出生，2008年畢業于中國民航大學計算機科學與技術專業，工程師，就職于渤海鉆探定向井公司