基于電力線載波技術的油井通信

曾德貴 瀘州職業(yè)技術學院

基于電力線載波技術的油井通信

曾德貴 瀘州職業(yè)技術學院

電力線整體是一種網(wǎng)狀拓撲的結構，使每個通信終端都有到達目的地的回路。電力線纜主要適用于大規(guī)模集成電路組成的油井通信系統(tǒng)中，電容耦合和電感耦合主要是對電路起保護作用。油井作為一種大功率用電設備，其電路元件很容易被擊穿，而電力線載波通信技術可有效防止擊穿現(xiàn)象。油井電力線載波通信效果與傳輸信號功率和傳輸信道中堆積的噪音有關，其中高斯白噪音容易使信號失真，傳輸信號的質(zhì)量變差，嚴重影響終端設備的接收，因此在后期研究中要將其作為重要難題來攻關。

電力線載波；油井通信系統(tǒng)；傳輸質(zhì)量

1 電力線結構

油田電力線是在分組交換技術、數(shù)據(jù)移動通信技術、通信設備與維護技術日益成熟前提下發(fā)展起來的，利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音信號的全新通信模式。隨著油田網(wǎng)絡通信線纜技術的更新，傳輸通信線路質(zhì)量的提高，終端智能設備可對復雜程序進行簡單處理，使通信設備與線纜之間遵循部分通信協(xié)議，其中包括TCP/IP、X.25、MPCP等，這些協(xié)議可保證數(shù)據(jù)服務的可靠性與數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量。通信設備在物理層面的應用介質(zhì)可分為電力線、雙絞線、單模光纖、同軸電力線纜、多模光纖、雙絞線。電力線整體是一種網(wǎng)狀拓撲的結構，使每個通信終端都有到達目的地的回路，其中電力線為傳輸線路中不可缺少的介質(zhì)。

2 電力線載波的設計原理

2.1 850μm電力線纜

850μm電力線纜載波利用的是二進制絕對移相鍵控原理，簡稱為2DPSK。2DPSK并不是利用傳統(tǒng)相位載波位移的絕對有限數(shù)字信息實現(xiàn)信息傳遞的，而是采用前后碼元相對變換得到數(shù)字信息。相對電力線碼元相對載波技術，利用前后碼元在信息傳遞過程中本碼元的初相值與后一個碼元的初相值的差值實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。常用的載波調(diào)相是將要傳送數(shù)字信號在電力線載波信道上進行差分編碼，然后在串/并電路上進行2PSK調(diào)制。在對數(shù)字信號調(diào)制時有兩種調(diào)制方法，根據(jù)自身不同的設定標準來選定調(diào)制方法，具體調(diào)制方法如圖1所示。

圖1 數(shù)字信號調(diào)制流程

2.2 1 310μm電力線纜

1 310μm電力線纜依靠四進制絕對移相鍵控原理，其簡稱為4PSK，對多相制信號的產(chǎn)生有兩種調(diào)制方法：直接調(diào)相法和相位選擇法。該技術可對四進制調(diào)相載波表示出4種不同的相位來表征所傳輸?shù)臄?shù)字信號，由于每種載波相位表示傳輸信息中的兩個比特流，因此每4個碼元比特流又稱為雙向傳輸比特流。

相位選擇法選定的標準范圍是在一個碼元有效周期T內(nèi)，4PSK作為4種不同相位傳輸信號中的一種，因此可以用4PSK鍵控方法來表示，信號調(diào)制流程見圖2。

圖2 4PSK信號調(diào)制流程

對所輸入的數(shù)字信息經(jīng)過二進制轉換為雙比特碼元，根據(jù)雙比特碼元所標記的載波類型來選定不同載波的相位，且根據(jù)雙比特碼元不同的變換形式，輸出相位的位移方向也有所變動。例如，在雙比特碼元二進制所帶碼字ab為11時，輸出相位載波的圖形在坐標軸呈現(xiàn)0°；在雙比特碼元二進制所帶碼字ab為10時，輸出相位載波的圖形在坐標軸呈現(xiàn)90°；在雙比特碼元二進制所帶碼字ab為01時，輸出相位載波的圖形在坐標軸呈現(xiàn)180°；在雙比特碼元二進制所帶碼字ab為00時，輸出相位載波的圖形在坐標軸呈現(xiàn)270°。

3 電力線載波通信的應用

3.1 油井通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性

電力線纜主要適用于大規(guī)模集成電路組成的油井通信系統(tǒng)，電容耦合和電感耦合主要是對電路起保護作用。油井作為一種大功率用電設備，其電路元件很容易被擊穿，而電力線載波通信技術可有效防止擊穿現(xiàn)象。

電力線載波通信技術中廣泛應用了電感線圈，即油井配電系統(tǒng)設置不同的兩端線圈匝數(shù)，可對通過的電流大小進行調(diào)整，確保電路的安全性，對電力線也有一定的保護作用。在油井配電終端輸出的電流首先要進行濾波，而濾波要根據(jù)波形的頻率、相位以及周期進行篩選。由于電容器件具有阻抗性，因此要在通信終端上設定好參數(shù)標準，依據(jù)所要查找的范圍進行濾波。要注意的是，濾過的波形要進行絕對移相鍵控，在三極管工作原理的范圍內(nèi)對傳送的數(shù)字信號進行放大，以減小噪音對數(shù)字信號的影響。

3.2 在油井傳輸線路中的應用

受到技術局限性影響，在過去油井電力供給工作中，電力線只負責提供油井傳輸系統(tǒng)中電流部分的供給工作，并且使用銅包線纜。這種材料的傳輸電流能力好，傳輸?shù)接途秒娫O備的有效電流能達到94%以上，其在線路上的損耗也只有5%左右。隨著技術不斷更新，電力線不斷擴寬服務范圍，逐步應用到傳輸線路中，增大信道傳輸?shù)娜萘俊Ｐ诺廊萘恐傅氖窃谟邢薜膫鬏斀缍▋?nèi)，能夠傳達有效的信息量，表達式為：C=max·R。其中R為信源傳輸有效速率，max為所有輸入信息源分布概率的最大值。

根據(jù)傳輸信道類型的不同，可分為兩種不同的傳輸信道，即連續(xù)信道和離散信道。根據(jù)有限介質(zhì)（電力線）所選范圍的標準，將其通常用在油井連續(xù)傳輸信道中。油井電力線載波通信效果與傳輸信號功率和傳輸信道中堆積的噪音有關，其中高斯白噪音容易使信號失真，傳輸信號的質(zhì)量變差，嚴重影響終端設備的接收，因此在后期研究中要將其作為重要難題來攻關。

（欄目主持關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.6.047