密勒碼在隨鉆測井高速泥漿脈沖遙測系統(tǒng)中的應(yīng)用

李安宗，李傳偉，梁耀，楊亮，陳國興

（中國石油集團(tuán)測井有限公司隨鉆測井中心，陜西 西安710054）

0 引 言

隨著測井技術(shù)的快速進(jìn)步，隨鉆測井測量參數(shù)已發(fā)展為多種地質(zhì)參數(shù)，需傳輸數(shù)據(jù)量的增加使得舊的泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)不再適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展要求。中國石油集團(tuán)測井有限公司研制了中國首支方位側(cè)向電阻率成像隨鉆測井儀，可以在隨鉆條件下測量地層電阻率，能夠探測不同深度、不同方位的平均電阻率和衰減電阻率，具有邊界探測功能；通過旋轉(zhuǎn)掃描采集地層電阻率數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)不同級別的地層成像，滿足地質(zhì)導(dǎo)向、地層評價(jià)和井眼成像的需求。該儀器的應(yīng)用對數(shù)據(jù)傳輸速率提出了更高的要求。因此，實(shí)現(xiàn)高速泥漿脈沖遙測是隨鉆測井技術(shù)推廣應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。

中國通常采用1s脈寬進(jìn)行工程服務(wù)，傳輸速率為0．8bit／s［1］。根據(jù)現(xiàn)有編碼協(xié)議和方式，通過降低脈寬提高傳輸速率達(dá)不到高速泥漿脈沖遙測的速率指標(biāo)要求［2］。尋求一種適用于泥漿傳輸信道特點(diǎn)的編碼方式，研究滿足泥漿信道特征的解碼算法是實(shí)現(xiàn)高傳輸速率的重要內(nèi)容。密勒碼是一種典型的延時(shí)調(diào)相碼，具有無直流分量、最大寬度為2T、可以進(jìn)行誤碼檢測等特點(diǎn)，采用密勒碼編碼的信號直流分量少，占用頻帶窄，抗干擾能力強(qiáng)，非常適用于隨鉆測井高速泥漿信道傳輸?shù)囊?。本文分析高速泥漿脈沖遙測系統(tǒng)數(shù)據(jù)序列傳輸格式，介紹基于密勒碼編解碼算法的實(shí)現(xiàn)，并采用MATLAB進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了算法的正確性和可行性。

1 傳輸序列與編碼

1．1 遙測數(shù)據(jù)序列

在泥漿脈沖遙測系統(tǒng)中，傳輸序列主要由2部分組成。①靜態(tài)序列：靜態(tài)同步頭＋序列1（靜態(tài)數(shù)據(jù)）；②動態(tài)序列：動態(tài)同步頭＋序列2（動態(tài)數(shù)據(jù)）。每幀傳輸數(shù)據(jù)包含1組靜態(tài)序列和多組動態(tài)序列。

系統(tǒng)可通過對控制參數(shù)LoopBack的設(shè)置實(shí)現(xiàn)序列循環(huán)，例如配置有3個(gè)序列1、2、3（其中1為靜態(tài)序列，2、3為動態(tài)序列），而選擇的LoopBack值為2，即按照123232323…如此的序列傳送（見圖1）。

該方法能實(shí)現(xiàn)多種序列的傳輸，比如可以給某個(gè)序列全配成某種參數(shù)，而在鉆進(jìn)中需要這個(gè)參數(shù)時(shí)可以快速呈現(xiàn)這個(gè)參數(shù)，相比現(xiàn)有的序列傳輸方式有一定的優(yōu)點(diǎn)。

1．2 同步字定義

序列傳輸系統(tǒng)中包含2個(gè)同步字，同步字1（靜態(tài)同步頭）和同步字2（動態(tài)數(shù)據(jù)同步頭）。

圖1 傳輸序列格式

（1）靜態(tài)同步頭。同步字1又稱靜態(tài)同步頭，用來在一幀數(shù)據(jù)傳輸、處理過程中對齊數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否有效，設(shè)脈寬為T，那么同步頭1持續(xù)時(shí)間為12T，波形如圖2（a）所示。

（2）動態(tài)同步頭。同步字2即動態(tài)數(shù)據(jù)同步頭，它的主要功能是對齊動態(tài)數(shù)據(jù)，共占據(jù)6T時(shí)間，其波形如圖2（b）所示。

圖2 同步頭

1．3 密勒編碼規(guī)則

密勒碼的特點(diǎn)是無直流分量，最大寬度2T（T為脈寬），這一性質(zhì)可用于誤碼檢測。其編碼規(guī)則：①消息代碼中的1用10或01表示；②消息代碼中的0分為2種情況，單個(gè)“0”，在碼元時(shí)間內(nèi)不出現(xiàn)電平跳變，且與鄰碼元的邊界處也不跳變；連“0”串，在2個(gè)“0”碼元的邊界處出現(xiàn)電平跳變，即“00”與“11”跳變。其編碼示意圖見圖3。無論任何信息源，采用密勒編碼后其脈寬只能是1T、1．5T、2T等3種狀態(tài)，直流分量少，占用頻帶窄，其抗干擾能力強(qiáng)［3］。傳輸序列中，除靜態(tài)同步頭外，其他所有數(shù)據(jù)都需進(jìn)行密勒編碼傳輸。

圖3 密勒編碼示意圖

2 密勒解碼算法設(shè)計(jì)

接收序列正確解碼的前提就是完成序列同步和每個(gè)數(shù)據(jù)位的位同步，由于同步字是已知的確定序列，故可采用相關(guān)檢測的方法檢測信號的存在并確定序列起始位置；而針對具體的數(shù)據(jù)脈沖，則可采用延遲鎖定位同步技術(shù)和密勒解碼方法得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息［4－5］。

2．1 序列同步

采用計(jì)算互相關(guān)的方法實(shí)現(xiàn)信號檢測和序列同步，具體算法：假設(shè)接收的數(shù)字信號r1（n）＝s（n）＋v（n），其中s（n）為需檢測的有用信號，v（n）為加性噪聲，而r2（n）＝sf（n）則作為本地參考信號（同步字序列），它們的相關(guān)函數(shù)可表示為

式中，N為本地參考序列長度，k＝0，1，2，…，N－1。

由于信號與噪聲不相關(guān)，故可認(rèn)為Rvf（k）≈0，因此R（k）＝Rsf（k），當(dāng)本地參考信號與接收信號中的同步字對齊時(shí)，將得到最大值，據(jù)此即可實(shí)現(xiàn)同步字的檢測和序列的同步。

2．2 位同步

接收信號的信息碼元為密勒編碼，碼元為“1”時(shí)信息位內(nèi)存在相位跳變，為“0”時(shí)信息位內(nèi)無相位跳變，所以設(shè)計(jì)位時(shí)鐘的1個(gè)時(shí)鐘周期對應(yīng)1個(gè)信息數(shù)據(jù)位寬。位同步環(huán)由數(shù)字延遲鎖定環(huán)實(shí)現(xiàn)，用再生位時(shí)鐘的上升沿鎖定數(shù)據(jù)位的起始位置，位同步環(huán)的作用就是根據(jù)位同步環(huán)鑒別器輸出的結(jié)果，對本地估算的再生時(shí)鐘的上升沿進(jìn)行連續(xù)不斷的反饋調(diào)節(jié)，達(dá)到使本地估算的位同步時(shí)鐘與接收信號相位跳變點(diǎn)同步的目的。

位同步環(huán)由積分清除器、鑒別器和環(huán)路濾波器組成（見圖4）。其中，I（k）為輸入的數(shù)據(jù)流，環(huán)路濾波器采用二階環(huán)［6］。

圖4 位同步環(huán)結(jié)構(gòu)圖

2．2．1 積分清除器

早門積分清除器累加再生位同步時(shí)鐘高電平對應(yīng)的數(shù)據(jù)段，遲門清除積分器累加再生位同步時(shí)鐘低電平對應(yīng)的數(shù)據(jù)段。

如果再生的位同步時(shí)鐘沒有誤差，則早門積分清除結(jié)果和遲門積分清除結(jié)果絕對值完全相等；如果再生的位同步時(shí)鐘存在誤差，則早門積分清除結(jié)果和遲門積分清除結(jié)果絕對值不相等，兩者的差值和位時(shí)鐘與相位跳變真實(shí)位置偏差的大小成比例。早門、遲門積分清除器時(shí)序如圖5所示。

圖5 早門、遲門積分清除時(shí)序

2．2．2 誤差鑒別與濾波器

根據(jù)｜E｜和｜L｜的大小判斷位同步時(shí)鐘的調(diào)整方向，同時(shí)把｜E｜－｜L｜作為鑒別結(jié)果輸出。位同步時(shí)鐘的調(diào)整過程可描述如下。

（1）如果｜E｜＝｜L｜，位同步時(shí)鐘沒有偏差，不調(diào)整位同步時(shí)鐘。

（2）如果｜E｜＞｜L｜，遲門跨越數(shù)據(jù)位，輸出的鑒別結(jié)果｜E｜－｜L｜為正，表明位同步時(shí)鐘滯后，需要提前調(diào)節(jié)位同步時(shí)鐘。

（3）如果｜E｜＜｜L｜，早門跨越數(shù)據(jù)位，輸出的鑒別結(jié)果｜E｜－｜L｜為負(fù)，表明位同步時(shí)鐘超前，需要滯后調(diào)節(jié)位同步時(shí)鐘。

環(huán)路濾波器對鑒別器的輸出進(jìn)行平滑濾波，用于濾除因隨機(jī)噪聲引起的抖動。

2．3 密勒解碼

密勒編碼中，碼元“1”的中心部分存在相位跳變，且方波周期內(nèi)正、負(fù)電平各占一半，碼元“0”中心則不存在跳變，對每個(gè)數(shù)據(jù)位中前后半個(gè)數(shù)據(jù)位的積分清除結(jié)果進(jìn)行符號位比較，若不同則判斷數(shù)據(jù)位為“1”，若相同則判斷數(shù)據(jù)位為“0”。

3 MATLAB仿真

密勒編解碼方法仿真主要包含2個(gè)部分，接收信號的生成和同步解碼［7］。分別給出這2個(gè)部分的仿真流程和仿真波形。仿真過程中使用的基本參數(shù)有：數(shù)據(jù)速率為10bit／s；采樣速率為2kHz。

3．1 信號編碼仿真

產(chǎn)生接收到的傳輸序列信號過程主要包含3個(gè)部分：①生成數(shù)據(jù)序列和同步頭，完成信號組幀；②密勒編碼后進(jìn)行數(shù)據(jù)重采樣；③根據(jù)設(shè)定信噪比疊加噪聲信號。

（1）密勒編碼波形。對于任意給定的數(shù)據(jù)序列，依據(jù)密勒編碼規(guī)則，可得到編碼和采樣后數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 密勒編碼序列

（2）設(shè)定信噪比下接收信號波形。設(shè)定噪聲平均功率與信號平均功率相等（即信噪比為0）時(shí)，疊加噪聲前后的信號如圖7所示。

圖7 疊加噪聲前后的接收信號

3．2 同步解碼仿真

由密勒解碼算法設(shè)計(jì)可知，解碼過程主要包括3部分：①根據(jù)靜態(tài)同步頭相關(guān)計(jì)算實(shí)現(xiàn)序列同步即幀同步；②采用延遲鎖定位同步技術(shù)完成數(shù)據(jù)位同步；③密勒解碼得到數(shù)據(jù)序列。

3．3 仿真波形

（1）序列同步相關(guān)結(jié)果。接收信號從21bit開始是靜態(tài)同步頭，其余部分是0、1隨機(jī)序列。針對4種不同的同步序列：定義的靜態(tài)同步頭、11bit巴克碼、13bit巴克碼、15bit的m序列。根據(jù)同步頭是否參與密勒編碼得到了不同的相關(guān)結(jié)果，分別如圖8和圖9所示。

圖8 同步頭參與密勒編碼的相關(guān)結(jié)果

圖9 同步頭不參與密勒編碼的相關(guān)結(jié)果

通過圖8和圖9對比可知，4種同步序列在參與密勒碼編碼后，整個(gè)數(shù)據(jù)帶能量較為平均分布，不利于同步字信息提??；而4種同步序列未參與密勒編碼時(shí)，其同步字在相關(guān)處理后能量較為集中（在40bit左右），有利于同步字信息的提取，13bit巴克碼同步字相關(guān)結(jié)果能量更為集中。因此應(yīng)用中采用了13bit巴克碼作為同步字信號，并且不進(jìn)行密勒碼編碼。

（2）解碼誤碼率。對數(shù)據(jù)進(jìn)行密勒碼編碼，在信號和噪聲具有同樣平均功率（即信噪比為0dB）時(shí)，信號編解碼過程中的信號波形如圖10所示。由仿真波形可知，在設(shè)定接收信號信噪比為0dB時(shí)，假設(shè)幀同步已完成，經(jīng)位同步和密勒解碼后得到的數(shù)據(jù)序列誤碼率為0。

圖10 編解碼過程信號波形

4 結(jié) 論

（1）通過分析高速泥漿脈沖遙測系統(tǒng)數(shù)據(jù)序列傳輸格式及其編解碼方法，并采用MATLAB進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，證明了算法的正確性和可行性。

（2）該仿真僅針對信號編解碼部分，說明了所設(shè)計(jì)解碼算法的正確性和可行性。算法所能達(dá)到的精度（主要指誤碼率）需對各部分參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并分別逐步仿真來確定，只有如此才能體現(xiàn)出所設(shè)計(jì)算法的優(yōu)勢。

（3）對于信號檢測和處理，解碼前的數(shù)據(jù)預(yù)處理部分（濾波、采樣等）非常關(guān)鍵，需要根據(jù)鉆井現(xiàn)場各種噪聲的特征設(shè)計(jì)處理算法，是提高信號解碼率的關(guān)鍵。

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