OFDM載波通訊系統(tǒng)在煤層氣測(cè)井中的應(yīng)用

邵長(zhǎng)東，蘇中起，柴曉剛，趙 亮，梁 敏，梁 芳,王春朝

(1.中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，北京 100041； 2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一勘探局，河北邯鄲 056004；3.河北力時(shí)力拓地質(zhì)儀器有限公司；河北邯鄲 056004)

0 引言

在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)中，地球物理測(cè)井是識(shí)別煤層、分析煤巖特性，評(píng)價(jià)煤層氣儲(chǔ)層的重要手段。由于測(cè)井電纜自身結(jié)構(gòu)以及長(zhǎng)度的原因，使其傳輸帶寬較窄。同時(shí)，目前測(cè)井電纜的數(shù)據(jù)傳輸中，工況復(fù)雜且多采用單載波調(diào)制技術(shù)及模擬傳輸技術(shù)，因此傳輸速率慢且誤碼率高，難以滿足煤層氣測(cè)井的傳輸要求。因此研究大容量、高效率、高準(zhǔn)確度的電纜通信技術(shù)成為亟待解決的問(wèn)題。

1 OFDM簡(jiǎn)介

OFDM即正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，是多載波調(diào)制的一種。正交頻分復(fù)用的基本思想是將串行數(shù)據(jù)并行地調(diào)制在多個(gè)正交的子載波上，這樣可以增大碼元的符號(hào)周期，提高系統(tǒng)的抗衰落和抗干擾能力。同時(shí)由于每個(gè)子載波的正交性，即在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)，任何兩個(gè)子載波的乘積等于零，這樣即使子載波之間相互重疊，也能無(wú)失真的復(fù)原，提高了帶寬的利用率。雖然每個(gè)子載波的傳輸速率并不高，但是所有子信道加起來(lái)將會(huì)獲得很高的數(shù)據(jù)傳輸速率[1-4]。圖1為OFDM系統(tǒng)原理圖。

圖1 OFDM系統(tǒng)原理圖Figure 1 OFDM system principle

2 OFDM方案設(shè)計(jì)

測(cè)井電纜可用頻帶窄， 在頻帶有限的情況下要提高數(shù)據(jù)傳輸速率，采用OFDM調(diào)制方法是非常好的選擇。在基于OFDM技術(shù)的測(cè)井電纜高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，地面調(diào)制解調(diào)器和井下調(diào)制解調(diào)器是其核心模塊，用來(lái)完成地面部分和井下儀器之間大量數(shù)據(jù)的高速、實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確傳輸。通過(guò)對(duì)信道及測(cè)井環(huán)境的分析和對(duì)多款通信芯片的對(duì)比，本文采用基于MAX2992的調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)地面調(diào)制解調(diào)器和井下調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制解調(diào)。

MAX2992電力線通信(PLC)基帶調(diào)制解調(diào)器提供半雙工異步數(shù)據(jù)通信功能，傳輸速率高達(dá)300kbps。MAX2992是一款片上系統(tǒng)(SoC)，利用Maxim的32位MAXQ30微控制器核構(gòu)建物理層(PHY)和媒體訪問(wèn)控制層(MAC)。集成了模擬前端收發(fā)器的MAX2991能夠與MAX2992無(wú)縫連接，共同與MAX2992 G3-PLC固件構(gòu)成完整的G3-PLC調(diào)制解調(diào)方案。

MAX2992采用帶有DBPSK、DQPSK、D8PSK調(diào)制和前向糾錯(cuò)(FEC)的OFDM技術(shù)，支持電力線上的可靠數(shù)據(jù)通信。方案固有的自適應(yīng)載頻選擇能夠確保在群延時(shí)、脈沖干擾環(huán)境下可靠通信。為保證兼容性，MAX2992集成了可編程陷波機(jī)制，允許對(duì)調(diào)制解調(diào)器發(fā)送頻譜的某個(gè)頻段進(jìn)行陷波處理。這一特性同時(shí)提供了與其它窄帶發(fā)送器(例如基于FSK的傳統(tǒng)PLC系統(tǒng))協(xié)同工作的途徑。

2.1 OFDM參數(shù)設(shè)計(jì)

在對(duì)實(shí)際5km四芯電纜進(jìn)行PSpice建模的基礎(chǔ)上，分析了電纜信道傳輸特性和噪聲特性，當(dāng)信號(hào)頻率大于100 kHz時(shí)，5k m長(zhǎng)的測(cè)井電纜信道衰減嚴(yán)重。在低頻端，由于測(cè)井電纜的兩端分別通過(guò)變壓器與地面和井下數(shù)據(jù)傳輸單元耦合，在變壓器耦合時(shí)，頻率小于3 kHz的低頻信號(hào)衰減嚴(yán)重。因此，在基于OFDM技術(shù)的測(cè)井電纜高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，把5k m測(cè)井電纜信道看成3～100 kHz的帶通信道。根據(jù)5k m測(cè)井電纜的信道傳輸特性和時(shí)延特性，選擇可用帶寬為3～100kHz，并對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積編碼與Viterbi譯碼的差錯(cuò)控制編碼方式，增加傳輸數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)能力。鑒于傳輸電纜高頻段的信號(hào)衰減嚴(yán)重，在實(shí)際測(cè)試時(shí)、比較了BPSK、QPSK、16QAM三種不同的數(shù)字調(diào)制方式，決定采用BPSK的子載波調(diào)制方案。將數(shù)據(jù)分配到多個(gè)子頻帶上，提高頻帶利用率，同時(shí)提高傳輸速率。由于電纜信道帶寬較窄，容易發(fā)生符號(hào)串?dāng)_，嚴(yán)重時(shí)子載波的正交性可能被破壞，系統(tǒng)研究了信道估計(jì)和符號(hào)定時(shí)估計(jì)，最終采用基于循環(huán)前綴的最大似然估計(jì)算法完成OFDM系統(tǒng)中的同步環(huán)節(jié)，其具有一定的準(zhǔn)確度，同時(shí)避免插入導(dǎo)頻占用可用帶寬，最終實(shí)現(xiàn)了在5km四芯電纜上100Kbit的用戶速率，誤碼率小于10-8。

2.2 調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)

傳輸模塊由MAX2992(基帶調(diào)制解調(diào)器)、MAX2991(通信模擬前端)、線路驅(qū)動(dòng)、線路耦合等部分組成，模塊集成了一個(gè)32位ARM處理器，提供UART、CAN接口與外部通訊，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)透?jìng)鞴δ?。模塊集成度高、操作簡(jiǎn)便。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

固井質(zhì)量測(cè)井主要是水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量的檢查，是評(píng)價(jià)煤層氣鉆孔質(zhì)量的一個(gè)重要方法。原固井質(zhì)量測(cè)井系統(tǒng)由于當(dāng)時(shí)通訊技術(shù)條件的限制，全波列(變密度)信號(hào)傳輸是采用模擬傳輸系統(tǒng)，由測(cè)井電纜傳輸?shù)降孛嬖龠M(jìn)行數(shù)字化采集，由于電纜頻帶特性的影響，全波列信號(hào)存在信號(hào)衰減大、易受干擾等問(wèn)題，影響測(cè)量效果。特別是在長(zhǎng)距離測(cè)井電纜(>3km)上應(yīng)用時(shí)，信號(hào)衰減嚴(yán)重，幾乎無(wú)法識(shí)別。

通過(guò)基于OFDM的高速雙向數(shù)字通訊模塊的應(yīng)用，在新型固井質(zhì)量測(cè)井儀中拋棄了原測(cè)井系統(tǒng)常用的全波列模擬傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化的全波列信號(hào)采集傳輸，徹底解決了原模擬系統(tǒng)中存在的全波列信號(hào)衰減大、易受干擾等問(wèn)題，保證了全波列信號(hào)的無(wú)失真采集和傳輸，優(yōu)化了測(cè)量效果，提高了對(duì)水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性(圖2)。

圖2 全波列信號(hào)普通模擬傳輸與全數(shù)字化傳輸?shù)男Ч麑?duì)比Figure 2 Effects contrast between full wave train signal common analog transmission and full digital transmission

此外，基于OFDM的高速雙向數(shù)字通訊系統(tǒng)，不僅滿足了數(shù)字全波列信號(hào)對(duì)傳輸速率的要求，還提供了雙向測(cè)控的功能，實(shí)現(xiàn)了在測(cè)井過(guò)程中的在線數(shù)字化調(diào)節(jié)功能，擴(kuò)展了測(cè)井儀對(duì)不同地層的適用范圍，提高了測(cè)量效果(圖3)。

圖3 探管參數(shù)在線調(diào)節(jié)功能Figure 3 On-line regulating function of probe parameters

4 結(jié)語(yǔ)

普通測(cè)井電纜由于纜線長(zhǎng)度較長(zhǎng)，信道帶寬較窄，使得傳統(tǒng)基帶調(diào)制通信速率受到限制，且易受干擾。難以滿足了新的測(cè)井方法對(duì)通訊速率和可靠性的要求。隨著OFDM技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，由于其頻譜利用率高，抗干擾性能好，通訊數(shù)據(jù)量大，可以很好地解決上述問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)測(cè)井電纜的分析，設(shè)計(jì)了一種基于OFDM的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸電路。經(jīng)調(diào)試與測(cè)試，該方案可以用在測(cè)井供電的電纜上進(jìn)行通信。電路簡(jiǎn)單、實(shí)用，在電力線載波高速通信設(shè)計(jì)中具有參考價(jià)值。