基于BPSK解調(diào)算法的隨鉆測量無線通信系統(tǒng)的搭建

宋雷震

(淮南聯(lián)合大學(xué) 智能制造學(xué)院,淮南 232038)

現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展,人們對不可再生能源的需求與日俱增,隨著陸地石油、煤炭等資源逐漸枯竭,新的能源開發(fā)必然朝著更為廣闊、神秘的大海進(jìn)發(fā),實(shí)時(shí)隨鉆測量技術(shù)正是要使用到的關(guān)鍵技術(shù)。隨鉆測量技術(shù)的通信傳輸基于鉆機(jī)液脈沖無線傳輸技術(shù),在當(dāng)前能源開采中被大量應(yīng)用,能夠有效為地下鉆井提供精準(zhǔn)的信號(hào)定位[1-2]。但是鉆井液脈沖通信技術(shù)在應(yīng)用中存在使用場景局限性問題,且對鉆井液的使用也有要求,因?yàn)殂@井液對通信傳輸有質(zhì)量影響,容易造成信號(hào)衰減以及數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。隨著通信技術(shù)的發(fā)展,可以通過對鉆井通信信號(hào)進(jìn)行BPSK算法調(diào)制優(yōu)化處理,解決通信上的缺陷,在目前的地質(zhì)勘探領(lǐng)域中具有重要研究價(jià)值與應(yīng)用價(jià)值[3]。

1 基于BPSK解調(diào)算法的隨鉆測量通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 發(fā)射端系統(tǒng)BPSK調(diào)制信號(hào)實(shí)現(xiàn)

電磁隨鉆測量無線通信系統(tǒng)主要有兩部分構(gòu)成,分別是信號(hào)發(fā)射器與信號(hào)接收器。信號(hào)接收器系統(tǒng)利用低頻電磁波做為信號(hào)傳輸介質(zhì),經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)制處理后再由信號(hào)發(fā)射器發(fā)出,地面接收天線接收信號(hào)并處理解碼為原始信號(hào),獲得信號(hào)控制數(shù)據(jù)[4]。電磁波信號(hào)在地層傳播受到電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、介電常數(shù)等參數(shù)影響,如式(1)所示:

(1)

式中:μ為磁導(dǎo)率;σ為電導(dǎo)率;ε為介電常數(shù);ω為角頻率;j為磁感應(yīng)強(qiáng)度;α為角度;β為磁通系統(tǒng)數(shù)。

電磁隨鉆測量在目前地質(zhì)鉆井勘探中比較前沿,優(yōu)勢是信號(hào)穩(wěn)定、精度高,對通信信號(hào)介質(zhì)要求不高[5-6]。在隨鉆無線通信系統(tǒng)中,發(fā)射器輸出差分信號(hào)被地面天線兩端接收,通信系統(tǒng)信號(hào)接收原理如圖1所示。

圖1 隨鉆測量無線電磁傳輸系統(tǒng)測量原理示意

隨鉆測量無線通信系統(tǒng)主要由井下發(fā)射系統(tǒng)與地面天線接收系統(tǒng)2個(gè)部分組成,其中發(fā)射裝置包含BPSK解調(diào)模塊功放電路組件[7-8]。

發(fā)射系統(tǒng)工作原理:由發(fā)射端傳感器接收采集信號(hào),經(jīng)由微控制器MCU(Mirco Controller Unit)處理信號(hào),再由BPSK對信號(hào)調(diào)制處理發(fā)送給放大器,放大信號(hào)由天線發(fā)出。二進(jìn)制鍵控信號(hào)(Binary Phase Shift Keying,BPSK)調(diào)制的工作原理是以不同相位正弦波表示0與1的二進(jìn)制調(diào)制形式。信號(hào)處理中初始相位0的正弦波表示信號(hào)0,初始相位為180正弦波表示為1[9]。調(diào)制后載波公式如下:

(2)

式中:ωc為載波信號(hào)的頻率;φn為第n個(gè)字符的絕對相位。

以不同初始相位來表示基帶信號(hào)調(diào)制形式,二進(jìn)制鍵控信號(hào)時(shí)間波形圖如圖2所示。

利用MCU(Micro Controller Unit)數(shù)模轉(zhuǎn)換器調(diào)制系統(tǒng)所需要的正弦波頻率,其數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)輸出公式為

Vout=Vref×(DAC12_xDAT)/4096

(3)

式中:Vout為數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出模擬信號(hào);Vref為參考電壓;DAC12_xDAT為輸入寄存器。

基于MCU完成對BPSK信號(hào)的調(diào)制處理,需要實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶信號(hào)的接收,并對接收信號(hào)的數(shù)據(jù)楨頭做處理,控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成正弦波,同時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)整體功耗等。考慮到鉆井環(huán)境的復(fù)雜性,特別是不同鉆井下的電阻率存在差異,電阻率過低,電流會(huì)過大而損壞功放,為確保功放發(fā)射信號(hào)的穩(wěn)定,對其增益倍數(shù)做有效調(diào)整。依據(jù)采樣獲得功放發(fā)射電流值對其倍數(shù)調(diào)節(jié),保持功放電流在1～2 A之間,從而穩(wěn)定發(fā)射機(jī)功率[10-11]。

1.2 接收端系統(tǒng)BPSK解調(diào)信號(hào)實(shí)現(xiàn)

BPSK解調(diào)過程有多種解調(diào)算法,最經(jīng)典的算法是相干解調(diào),相干解調(diào)算法的工作原理如圖3所示。

圖3 工作原理

帶通濾波器對信號(hào)完成降噪處理,鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)信號(hào)相位差與本地載波的調(diào)整,保障相位同步,本地載波與同步相位處理信號(hào)相乘,通過低通濾波器再次處理獲得基帶通信信號(hào),最后抽樣判定器對基帶信號(hào)做原始信號(hào)處理得到最終信號(hào)。

相干解調(diào)算法在應(yīng)用中存在缺陷,例如對本地載波與相位同步要求較高,即使是微小的誤差也會(huì)影響解調(diào)效果;當(dāng)信號(hào)相位與本地載波相位相差180°時(shí),可能存在相位誤同步問題,基帶信號(hào)與實(shí)際信號(hào)恰巧相反。考慮到此解調(diào)算法的問題,分別對比了2FSK(Frequency Shift Keying)與BPSK兩種解調(diào)優(yōu)化形式。選擇性能更優(yōu)異的后者,優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種前后碼元的BPSK解調(diào)優(yōu)化算法,也被稱作信號(hào)差分相干算法,對原算法缺陷加以優(yōu)化,在原有算法中增加對延時(shí)信號(hào)的處理,利用延時(shí)單元將濾波信號(hào)推遲1個(gè)碼元周期獲得延時(shí)信號(hào),再由乘法器處理,按照原有思路處理得到更為準(zhǔn)確的基帶信號(hào)[12]。帶通濾波處理BPSK調(diào)節(jié)信號(hào)為

en(t)=cos(ωct+φn)

(4)

延遲1個(gè)碼元周期信號(hào)為

en-1(t)=cos(ωct+φn-1)

(5)

2個(gè)信號(hào)經(jīng)乘法器運(yùn)算為

emul(t)=0.5×[cos(2ωct+φn+φn-1)+cos(φn-φn-1)]

(6)

通過低通濾波信號(hào)處理,得到:

elef(t)=0.5×cos (φn-φn-1)

(7)

式中:en為調(diào)節(jié)載波;elef為低通濾波后的載波。

當(dāng)結(jié)論顯示兩碼元相同時(shí),得到elef(t)=0.5;不同時(shí),得到elef(t)=-0.5。

對數(shù)字低通濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析,分析工具為FDATOOL(Filter Design &Analysis Tool),將濾波技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)輸入信號(hào)工具進(jìn)行FIR(Finite Impulse Response) 濾波器的設(shè)計(jì),測試性能參數(shù)有零極點(diǎn)分布、幅度相應(yīng)濾波器系等,圖4為低通FIR濾波器性能仿真圖。

由圖4可知,在800 Hz以內(nèi),對濾波信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測,其變化為線性特征,當(dāng)在800 Hz處時(shí)得到幅度增益小于-80 dB,滿足濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo),生成的低頻濾波器為31階偶對稱系數(shù),符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

采取BPSK信號(hào)差分算法實(shí)現(xiàn)解調(diào)設(shè)計(jì),并基于數(shù)字電路板FPGA(Field Programmable Gate Array)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。ADC( Analog Digital Converter )控制器負(fù)責(zé)模擬信號(hào)的采集,并將信號(hào)送到數(shù)據(jù)處理電路,在設(shè)計(jì)中采用AD7980型號(hào)的ADC控制器,具有高性能、低功耗的特點(diǎn)。為了讓ADC正確采樣信號(hào),將信號(hào)輸出參考電平提升一半,信號(hào)采樣中不再是原始eBPSK(t)=cos (ωct+φn)信號(hào),增加電平信號(hào)公式為:eBPSK(t)=0.5×Vref+cos (ωct+φn)。由于信號(hào)改變會(huì)對解調(diào)產(chǎn)生影響,需要將信號(hào)還原為原始信號(hào),所以ADC模塊需要具備將抬升的信號(hào)還原為原始信號(hào)的能力,同時(shí)具備原始信號(hào)轉(zhuǎn)換為其他補(bǔ)碼的功能。

在整個(gè)BPSK信號(hào)差分調(diào)節(jié)算法中,延遲單元是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分,為了能夠在 FPGA中實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào),需要解決寄存器與延遲單元數(shù)據(jù)緩存的矛盾。因此,在設(shè)計(jì)中將碼元周期采樣次數(shù)設(shè)置為80次,并且每個(gè)數(shù)據(jù)為16 bit,該種設(shè)計(jì)會(huì)占用大量的FPGA寄存器性能以及邏輯電路,使整個(gè)開發(fā)板電路效率降低,無法滿足設(shè)計(jì)要求。因此,設(shè)計(jì)中在FPGA中設(shè)計(jì)集成的RAM(Random Access Memory)解決此問題。乘法器的選擇滿足符號(hào)數(shù)運(yùn)算即可,并在FPGA板中集成一個(gè)計(jì)算單元,降低資源的占用。FIR數(shù)字濾波器的選擇考慮到應(yīng)用環(huán)境是對通信信號(hào)的處理,系統(tǒng)對信號(hào)延遲要求較高,同時(shí)ADC信號(hào)對數(shù)據(jù)處理要求高,選擇并行結(jié)構(gòu)FIR濾波器實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì);最后抽樣判定器主要對基帶信號(hào)閾值判定與信號(hào)抽樣,解碼得出原始數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為<1111110+24 bit基帶信號(hào)形式。

2 通信系統(tǒng)性能測試

基于BPSK解調(diào)算法的隨鉆測量無線通信系統(tǒng)性能測試主要包括兩部分,首先是硬件電路的調(diào)試,其次是軟件部分的調(diào)試。PCB(Printed Circuit Board)板電路走線測試中,檢查電路板是否連通[13-14],是否存在虛焊,確認(rèn)完整后測量PCB板尺寸參數(shù)及電壓系統(tǒng)供電參數(shù)(表1、表2)。

表1 PCB板尺寸參數(shù) mm

表2 電壓系統(tǒng)供電參數(shù)

由表1可知,原始板與新板在尺寸參數(shù)中有所不同,新板的尺寸明顯縮小,滿足通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,提升系統(tǒng)空間布置效率。由表2可知,電源提供的電壓滿足系統(tǒng)供電要求,實(shí)際值基本接近理論值,電源紋波處于合理范圍,對系統(tǒng)影響可控。根據(jù)官方芯片使用手冊,可計(jì)算得出新舊發(fā)射板電路功耗數(shù)據(jù)。

為了更好地反應(yīng)BPSK信號(hào)差分相干調(diào)節(jié)算法在FPGA板的應(yīng)用效果,軟件部分的數(shù)據(jù)測試基于仿真modelsim平臺(tái),搭建測試平臺(tái)需要大量的ADC采樣數(shù)據(jù),利用 MATLAB平臺(tái)的數(shù)字基帶信號(hào)產(chǎn)生離散正弦信號(hào),并對它做量化處理,作為模擬ADC輸出信號(hào)。為確保數(shù)據(jù)測試精準(zhǔn),會(huì)在信號(hào)中加入不同強(qiáng)度的高斯白噪聲來測試信號(hào)降噪比以及誤碼率。考慮到信號(hào)峰值的波動(dòng),會(huì)對相同降噪比下的不同信號(hào)幅度解碼能力與誤碼率進(jìn)行模擬。圖5為不同信噪比與不同峰值對比圖。

圖5 不同信噪比與不同峰值對比

從圖5(a)可知輸入信噪比均為10 dB,但信號(hào)峰峰值存在差異,圖5(a)中的信號(hào)峰峰值為0.5倍的參考電壓,可以發(fā)現(xiàn)相同信噪比不同信號(hào)峰值狀態(tài)下信號(hào)峰值小時(shí)基帶濾波器輸出上升沿與下降沿均出現(xiàn)變緩,但對解調(diào)過程沒有影響,能夠得到正確調(diào)節(jié)信號(hào);圖5(b)為不同信噪比相同峰值對比,當(dāng)噪聲增大時(shí),基帶濾波器輸出信號(hào)上升沿與下升沿不明顯,高低電平狀態(tài)具有明顯的波動(dòng),信號(hào)質(zhì)量不佳,但輸出結(jié)果仍舊可以獲得正確調(diào)節(jié)信號(hào)。因此可得到輸出的信噪比對信號(hào)有直接影響的結(jié)論,信噪比在0.5 dB以上可以解調(diào)正確信號(hào),反之信號(hào)誤碼率增大,因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對ADC模擬信號(hào)降噪比應(yīng)設(shè)置為大于某確切值。

利用示波器對發(fā)射電路輸出信號(hào)進(jìn)行測試,觀察示波器主要參數(shù)的變化,圖6為天線端接收端信號(hào)波形圖。

從圖6可以看出信號(hào)衰減程度不高,信噪比保持在較高水準(zhǔn)。之后對接收到的BPSK 信號(hào)參數(shù)進(jìn)行測試,在發(fā)射板中重復(fù)發(fā)出1組數(shù)據(jù)“3DF6Ad4e”進(jìn)行1800組數(shù)據(jù)測試,觀察得知經(jīng)過接收板調(diào)解出來的基帶信號(hào)依舊能解調(diào)出原始數(shù)據(jù),且信號(hào)誤碼率也滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)為了更好顯示BPSK信號(hào)傳輸方式的優(yōu)勢,與傳統(tǒng)2FSK 信號(hào)傳輸方式進(jìn)行對比,如圖7所示。

從圖7可以看出,經(jīng)過改進(jìn)BPSK信號(hào)調(diào)制下的無線電磁隨鉆通信系統(tǒng)帶寬能力得到了明顯提升,傳統(tǒng)2FSK調(diào)制信號(hào)傳輸最高只能到8.2 bit/s,改進(jìn)的BPSK信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)信號(hào)傳輸達(dá)到了100.1 bit/s,通信傳輸性能提升了11倍以上。

圖8是BPSK與2FSK 2種調(diào)試方式誤碼率對照圖。由圖8可知,BPSK解調(diào)的誤碼率明顯低于2FSK調(diào)制,能夠獲得更準(zhǔn)確的信號(hào)數(shù)據(jù),2FSK誤碼率<2%,BPSK誤碼率<0.1%。

3 結(jié)束語

通過對傳統(tǒng)的隨鉆測量無線電磁傳輸技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn),實(shí)際鉆井工況中容易受到地層復(fù)雜情況的影響,電阻率容易產(chǎn)生變化,導(dǎo)致信號(hào)傳輸效率降低、帶寬要求增大,同時(shí)低頻信號(hào)傳輸率較低、系統(tǒng)誤碼率較高,原始信號(hào)數(shù)據(jù)解調(diào)效果不佳,于是提出基于BPSK解調(diào)優(yōu)化信號(hào),對特定的信號(hào)幀頭以及前后碼元之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行BPSK解調(diào),搭建基于BPSK解調(diào)算法的隨鉆測量無線通信系統(tǒng),并引入modelsim平臺(tái)對設(shè)計(jì)的 FPGA 板進(jìn)行性能仿真測試。最終測試結(jié)果表明,基于BPSK信號(hào)通信系統(tǒng)在信號(hào)傳輸效率、信號(hào)穩(wěn)定性均有顯著提升,優(yōu)于傳統(tǒng)2FSK信號(hào)方式,誤碼率<0.1%,信號(hào)傳輸性能相比2FSK方式提升11倍,帶寬要求明顯下降,能夠滿足隨鉆測量無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。但是研究也存在不足,例如發(fā)射端硬件性能一般,若升級(jí)性能測試會(huì)更好;且性能測試是在設(shè)定工況條件下完成,需要后期實(shí)地測試,提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。