基于BPSK解调算法的随钻测量无线通信系统的搭建

宋雷震

(淮南联合大学 智能制造学院,淮南 232038)

现代化工业技术的快速发展,人们对不可再生能源的需求与日俱增,随着陆地石油、煤炭等资源逐渐枯竭,新的能源开发必然朝着更为广阔、神秘的大海进发,实时随钻测量技术正是要使用到的关键技术。随钻测量技术的通信传输基于钻机液脉冲无线传输技术,在当前能源开采中被大量应用,能够有效为地下钻井提供精准的信号定位[1-2]。但是钻井液脉冲通信技术在应用中存在使用场景局限性问题,且对钻井液的使用也有要求,因为钻井液对通信传输有质量影响,容易造成信号衰减以及数据质量下降。随着通信技术的发展,可以通过对钻井通信信号进行BPSK算法调制优化处理,解决通信上的缺陷,在目前的地质勘探领域中具有重要研究价值与应用价值[3]。

1.1 发射端系统BPSK调制信号实现

电磁随钻测量无线通信系统主要有两部分构成,分别是信号发射器与信号接收器。信号接收器系统利用低频电磁波做为信号传输介质,经过系统调制处理后再由信号发射器发出,地面接收天线接收信号并处理解码为原始信号,获得信号控制数据[4]。电磁波信号在地层传播受到电导率、磁导率、介电常数等参数影响,如式(1)所示:

(1)

式中:μ为磁导率;σ为电导率;ε为介电常数;ω为角频率;j为磁感应强度;α为角度;β为磁通系统数。

电磁随钻测量在目前地质钻井勘探中比较前沿,优势是信号稳定、精度高,对通信信号介质要求不高[5-6]。在随钻无线通信系统中,发射器输出差分信号被地面天线两端接收,通信系统信号接收原理如图1所示。

图1 随钻测量无线电磁传输系统测量原理示意

随钻测量无线通信系统主要由井下发射系统与地面天线接收系统2个部分组成,其中发射装置包含BPSK解调模块功放电路组件[7-8]。

发射系统工作原理:由发射端传感器接收采集信号,经由微控制器MCU(Mirco Controller Unit)处理信号,再由BPSK对信号调制处理发送给放大器,放大信号由天线发出。二进制键控信号(Binary Phase Shift Keying,BPSK)调制的工作原理是以不同相位正弦波表示0与1的二进制调制形式。信号处理中初始相位0的正弦波表示信号0,初始相位为180正弦波表示为1[9]。调制后载波公式如下:

(2)

式中:ωc为载波信号的频率;φn为第n个字符的绝对相位。

以不同初始相位来表示基带信号调制形式,二进制键控信号时间波形图如图2所示。

利用MCU(Micro Controller Unit)数模转换器调制系统所需要的正弦波频率,其数字信号与模拟信号输出公式为

Vout=Vref×(DAC12_xDAT)/4096

(3)

式中:Vout为数模转换器输出模拟信号;Vref为参考电压;DAC12_xDAT为输入寄存器。

基于MCU完成对BPSK信号的调制处理,需要实现数字基带信号的接收,并对接收信号的数据桢头做处理,控制数模转换器生成正弦波,同时优化系统整体功耗等。考虑到钻井环境的复杂性,特别是不同钻井下的电阻率存在差异,电阻率过低,电流会过大而损坏功放,为确保功放发射信号的稳定,对其增益倍数做有效调整。依据采样获得功放发射电流值对其倍数调节,保持功放电流在1～2 A之间,从而稳定发射机功率[10-11]。

1.2 接收端系统BPSK解调信号实现

BPSK解调过程有多种解调算法,最经典的算法是相干解调,相干解调算法的工作原理如图3所示。

图3 工作原理

带通滤波器对信号完成降噪处理,锁相环实现信号相位差与本地载波的调整,保障相位同步,本地载波与同步相位处理信号相乘,通过低通滤波器再次处理获得基带通信信号,最后抽样判定器对基带信号做原始信号处理得到最终信号。

相干解调算法在应用中存在缺陷,例如对本地载波与相位同步要求较高,即使是微小的误差也会影响解调效果;当信号相位与本地载波相位相差180°时,可能存在相位误同步问题,基带信号与实际信号恰巧相反。考虑到此解调算法的问题,分别对比了2FSK(Frequency Shift Keying)与BPSK两种解调优化形式。选择性能更优异的后者,优化设计了一种前后码元的BPSK解调优化算法,也被称作信号差分相干算法,对原算法缺陷加以优化,在原有算法中增加对延时信号的处理,利用延时单元将滤波信号推迟1个码元周期获得延时信号,再由乘法器处理,按照原有思路处理得到更为准确的基带信号[12]。带通滤波处理BPSK调节信号为

en(t)=cos(ωct+φn)

(4)

延迟1个码元周期信号为

en-1(t)=cos(ωct+φn-1)

(5)

2个信号经乘法器运算为

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

(6)

通过低通滤波信号处理,得到:

elef(t)=0.5×cos (φn-φn-1)

(7)

式中:en为调节载波;elef为低通滤波后的载波。

当结论显示两码元相同时,得到elef(t)=0.5;不同时,得到elef(t)=-0.5。

对数字低通滤波器进行数据采集分析,分析工具为FDATOOL(Filter Design &Analysis Tool),将滤波技术指标数据输入信号工具进行FIR(Finite Impulse Response) 滤波器的设计,测试性能参数有零极点分布、幅度相应滤波器系等,图4为低通FIR滤波器性能仿真图。

由图4可知,在800 Hz以内,对滤波信号进行监测,其变化为线性特征,当在800 Hz处时得到幅度增益小于-80 dB,满足滤波器设计指标,生成的低频滤波器为31阶偶对称系数,符合系统设计要求。

采取BPSK信号差分算法实现解调设计,并基于数字电路板FPGA(Field Programmable Gate Array)实现设计功能。ADC( Analog Digital Converter )控制器负责模拟信号的采集,并将信号送到数据处理电路,在设计中采用AD7980型号的ADC控制器,具有高性能、低功耗的特点。为了让ADC正确采样信号,将信号输出参考电平提升一半,信号采样中不再是原始eBPSK(t)=cos (ωct+φn)信号,增加电平信号公式为:eBPSK(t)=0.5×Vref+cos (ωct+φn)。由于信号改变会对解调产生影响,需要将信号还原为原始信号,所以ADC模块需要具备将抬升的信号还原为原始信号的能力,同时具备原始信号转换为其他补码的功能。

在整个BPSK信号差分调节算法中,延迟单元是系统设计的重要部分,为了能够在 FPGA中实现信号解调,需要解决寄存器与延迟单元数据缓存的矛盾。因此,在设计中将码元周期采样次数设置为80次,并且每个数据为16 bit,该种设计会占用大量的FPGA寄存器性能以及逻辑电路,使整个开发板电路效率降低,无法满足设计要求。因此,设计中在FPGA中设计集成的RAM(Random Access Memory)解决此问题。乘法器的选择满足符号数运算即可,并在FPGA板中集成一个计算单元,降低资源的占用。FIR数字滤波器的选择考虑到应用环境是对通信信号的处理,系统对信号延迟要求较高,同时ADC信号对数据处理要求高,选择并行结构FIR滤波器实现设计;最后抽样判定器主要对基带信号阈值判定与信号抽样,解码得出原始数据,设计中数据结构为<1111110+24 bit基带信号形式。

基于BPSK解调算法的随钻测量无线通信系统性能测试主要包括两部分,首先是硬件电路的调试,其次是软件部分的调试。PCB(Printed Circuit Board)板电路走线测试中,检查电路板是否连通[13-14],是否存在虚焊,确认完整后测量PCB板尺寸参数及电压系统供电参数(表1、表2)。

表1 PCB板尺寸参数 mm

表2 电压系统供电参数

由表1可知,原始板与新板在尺寸参数中有所不同,新板的尺寸明显缩小,满足通信系统设计要求,提升系统空间布置效率。由表2可知,电源提供的电压满足系统供电要求,实际值基本接近理论值,电源纹波处于合理范围,对系统影响可控。根据官方芯片使用手册,可计算得出新旧发射板电路功耗数据。

为了更好地反应BPSK信号差分相干调节算法在FPGA板的应用效果,软件部分的数据测试基于仿真modelsim平台,搭建测试平台需要大量的ADC采样数据,利用 MATLAB平台的数字基带信号产生离散正弦信号,并对它做量化处理,作为模拟ADC输出信号。为确保数据测试精准,会在信号中加入不同强度的高斯白噪声来测试信号降噪比以及误码率。考虑到信号峰值的波动,会对相同降噪比下的不同信号幅度解码能力与误码率进行模拟。图5为不同信噪比与不同峰值对比图。

图5 不同信噪比与不同峰值对比

从图5(a)可知输入信噪比均为10 dB,但信号峰峰值存在差异,图5(a)中的信号峰峰值为0.5倍的参考电压,可以发现相同信噪比不同信号峰值状态下信号峰值小时基带滤波器输出上升沿与下降沿均出现变缓,但对解调过程没有影响,能够得到正确调节信号;图5(b)为不同信噪比相同峰值对比,当噪声增大时,基带滤波器输出信号上升沿与下升沿不明显,高低电平状态具有明显的波动,信号质量不佳,但输出结果仍旧可以获得正确调节信号。因此可得到输出的信噪比对信号有直接影响的结论,信噪比在0.5 dB以上可以解调正确信号,反之信号误码率增大,因此系统设计中对ADC模拟信号降噪比应设置为大于某确切值。

利用示波器对发射电路输出信号进行测试,观察示波器主要参数的变化,图6为天线端接收端信号波形图。

从图6可以看出信号衰减程度不高,信噪比保持在较高水准。之后对接收到的BPSK 信号参数进行测试,在发射板中重复发出1组数据“3DF6Ad4e”进行1800组数据测试,观察得知经过接收板调解出来的基带信号依旧能解调出原始数据,且信号误码率也满足设计要求。同时为了更好显示BPSK信号传输方式的优势,与传统2FSK 信号传输方式进行对比,如图7所示。

从图7可以看出,经过改进BPSK信号调制下的无线电磁随钻通信系统带宽能力得到了明显提升,传统2FSK调制信号传输最高只能到8.2 bit/s,改进的BPSK信号调制系统信号传输达到了100.1 bit/s,通信传输性能提升了11倍以上。

图8是BPSK与2FSK 2种调试方式误码率对照图。由图8可知,BPSK解调的误码率明显低于2FSK调制,能够获得更准确的信号数据,2FSK误码率<2%,BPSK误码率<0.1%。

通过对传统的随钻测量无线电磁传输技术的研究发现,实际钻井工况中容易受到地层复杂情况的影响,电阻率容易产生变化,导致信号传输效率降低、带宽要求增大,同时低频信号传输率较低、系统误码率较高,原始信号数据解调效果不佳,于是提出基于BPSK解调优化信号,对特定的信号帧头以及前后码元之间的关联进行BPSK解调,搭建基于BPSK解调算法的随钻测量无线通信系统,并引入modelsim平台对设计的 FPGA 板进行性能仿真测试。最终测试结果表明,基于BPSK信号通信系统在信号传输效率、信号稳定性均有显著提升,优于传统2FSK信号方式,误码率<0.1%,信号传输性能相比2FSK方式提升11倍,带宽要求明显下降,能够满足随钻测量无线通信系统设计要求。但是研究也存在不足,例如发射端硬件性能一般,若升级性能测试会更好;且性能测试是在设定工况条件下完成,需要后期实地测试,提升系统设计的可靠性。

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