基于BPSK解調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 智能制造學院,淮南 232038)

現(xiàn)代化工業(yè)技術的快速發(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、神秘的大海進發(fā),實時隨鉆測量技術正是要使用到的關鍵技術。隨鉆測量技術的通信傳輸基于鉆機液脈沖無線傳輸技術,在當前能源開采中被大量應用,能夠有效為地下鉆井提供精準的信號定位[1-2]。但是鉆井液脈沖通信技術在應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,因為鉆井液對通信傳輸有質量影響,容易造成信號衰減以及數(shù)據(jù)質量下降。隨著通信技術的發(fā)展,可以通過對鉆井通信信號進行BPSK算法調制優(yōu)化處理,解決通信上的缺陷,在目前的地質勘探領域中具有重要研究價值與應用價值[3]。

1 基于BPSK解調算法的隨鉆測量通信系統(tǒng)設計

1.1 發(fā)射端系統(tǒng)BPSK調制信號實現(xiàn)

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

(1)

式中:μ為磁導率;σ為電導率;ε為介電常數(shù);ω為角頻率;j為磁感應強度;α為角度;β為磁通系統(tǒng)數(shù)。

電磁隨鉆測量在目前地質鉆井勘探中比較前沿,優(yōu)勢是信號穩(wěn)定、精度高,對通信信號介質要求不高[5-6]。在隨鉆無線通信系統(tǒng)中,發(fā)射器輸出差分信號被地面天線兩端接收,通信系統(tǒng)信號接收原理如圖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個部分組成,其中發(fā)射裝置包含BPSK解調模塊功放電路組件[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,經由微控制器MCU(Mirco Controller Unit)處理信號,再由BPSK對信號調制處理發(fā)送給放大器,放大信號由天線發(fā)出。二進制鍵控信號(Binary Phase Shift Keying,BPSK)調制的工作原理是以不同相位正弦波表示0與1的二進制調制形式。信號處理中初始相位0的正弦波表示信號0,初始相位為180正弦波表示為1[9]。調制后載波公式如下:

(2)

式中:ωc為載波信號的頻率;φn為第n個字符的絕對相位。

以不同初始相位來表示基帶信號調制形式,二進制鍵控信號時間波形圖如圖2所示。

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

Vout=Vref×(DAC12_xDAT)/4096

(3)

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

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

1.2 接收端系統(tǒng)BPSK解調信號實現(xiàn)

BPSK解調過程有多種解調算法,最經典的算法是相干解調,相干解調算法的工作原理如圖3所示。

圖3 工作原理

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

相干解調算法在應用中存在缺陷,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影響解調效果;當信號相位與本地載波相位相差180°時,可能存在相位誤同步問題,基帶信號與實際信號恰巧相反。考慮到此解調算法的問題,分別對比了2FSK(Frequency Shift Keying)與BPSK兩種解調優(yōu)化形式。選擇性能更優(yōu)異的后者,優(yōu)化設計了一種前后碼元的BPSK解調優(yōu)化算法,也被稱作信號差分相干算法,對原算法缺陷加以優(yōu)化,在原有算法中增加對延時信號的處理,利用延時單元將濾波信號推遲1個碼元周期獲得延時信號,再由乘法器處理,按照原有思路處理得到更為準確的基帶信號[12]。帶通濾波處理BPSK調節(jié)信號為

en(t)=cos(ωct+φn)

(4)

延遲1個碼元周期信號為

en-1(t)=cos(ωct+φn-1)

(5)

2個信號經乘法器運算為

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

(6)

通過低通濾波信號處理,得到:

elef(t)=0.5×cos (φn-φn-1)

(7)

式中:en為調節(jié)載波;elef為低通濾波后的載波。

當結論顯示兩碼元相同時,得到elef(t)=0.5;不同時,得到elef(t)=-0.5。

對數(shù)字低通濾波器進行數(shù)據(jù)采集分析,分析工具為FDATOOL(Filter Design &Analysis Tool),將濾波技術指標數(shù)據(jù)輸入信號工具進行FIR(Finite Impulse Response) 濾波器的設計,測試性能參數(shù)有零極點分布、幅度相應濾波器系等,圖4為低通FIR濾波器性能仿真圖。

由圖4可知,在800 Hz以內,對濾波信號進行監(jiān)測,其變化為線性特征,當在800 Hz處時得到幅度增益小于-80 dB,滿足濾波器設計指標,生成的低頻濾波器為31階偶對稱系數(shù),符合系統(tǒng)設計要求。

采取BPSK信號差分算法實現(xiàn)解調設計,并基于數(shù)字電路板FPGA(Field Programmable Gate Array)實現(xiàn)設計功能。ADC( Analog Digital Converter )控制器負責模擬信號的采集,并將信號送到數(shù)據(jù)處理電路,在設計中采用AD7980型號的ADC控制器,具有高性能、低功耗的特點。為了讓ADC正確采樣信號,將信號輸出參考電平提升一半,信號采樣中不再是原始eBPSK(t)=cos (ωct+φn)信號,增加電平信號公式為:eBPSK(t)=0.5×Vref+cos (ωct+φn)。由于信號改變會對解調產生影響,需要將信號還原為原始信號,所以ADC模塊需要具備將抬升的信號還原為原始信號的能力,同時具備原始信號轉換為其他補碼的功能。

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

2 通信系統(tǒng)性能測試

基于BPSK解調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試,其次是軟件部分的調試。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)設計要求,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,可計算得出新舊發(fā)射板電路功耗數(shù)據(jù)。

為了更好地反應BPSK信號差分相干調節(jié)算法在FPGA板的應用效果,軟件部分的數(shù)據(jù)測試基于仿真modelsim平臺,搭建測試平臺需要大量的ADC采樣數(shù)據(jù),利用 MATLAB平臺的數(shù)字基帶信號產生離散正弦信號,并對它做量化處理,作為模擬ADC輸出信號。為確保數(shù)據(jù)測試精準,會在信號中加入不同強度的高斯白噪聲來測試信號降噪比以及誤碼率。考慮到信號峰值的波動,會對相同降噪比下的不同信號幅度解碼能力與誤碼率進行模擬。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,但信號峰峰值存在差異,圖5(a)中的信號峰峰值為0.5倍的參考電壓,可以發(fā)現(xiàn)相同信噪比不同信號峰值狀態(tài)下信號峰值小時基帶濾波器輸出上升沿與下降沿均出現(xiàn)變緩,但對解調過程沒有影響,能夠得到正確調節(jié)信號;圖5(b)為不同信噪比相同峰值對比,當噪聲增大時,基帶濾波器輸出信號上升沿與下升沿不明顯,高低電平狀態(tài)具有明顯的波動,信號質量不佳,但輸出結果仍舊可以獲得正確調節(jié)信號。因此可得到輸出的信噪比對信號有直接影響的結論,信噪比在0.5 dB以上可以解調正確信號,反之信號誤碼率增大,因此系統(tǒng)設計中對ADC模擬信號降噪比應設置為大于某確切值。

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

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

從圖7可以看出,經過改進BPSK信號調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調制信號傳輸最高只能到8.2 bit/s,改進的BPSK信號調制系統(tǒng)信號傳輸達到了100.1 bit/s,通信傳輸性能提升了11倍以上。

圖8是BPSK與2FSK 2種調試方式誤碼率對照圖。由圖8可知,BPSK解調的誤碼率明顯低于2FSK調制,能夠獲得更準確的信號數(shù)據(jù),2FSK誤碼率<2%,BPSK誤碼率<0.1%。

3 結束語

通過對傳統(tǒng)的隨鉆測量無線電磁傳輸技術的研究發(fā)現(xiàn),實際鉆井工況中容易受到地層復雜情況的影響,電阻率容易產生變化,導致信號傳輸效率降低、帶寬要求增大,同時低頻信號傳輸率較低、系統(tǒng)誤碼率較高,原始信號數(shù)據(jù)解調效果不佳,于是提出基于BPSK解調優(yōu)化信號,對特定的信號幀頭以及前后碼元之間的關聯(lián)進行BPSK解調,搭建基于BPSK解調算法的隨鉆測量無線通信系統(tǒng),并引入modelsim平臺對設計的 FPGA 板進行性能仿真測試。最終測試結果表明,基于BPSK信號通信系統(tǒng)在信號傳輸效率、信號穩(wěn)定性均有顯著提升,優(yōu)于傳統(tǒng)2FSK信號方式,誤碼率<0.1%,信號傳輸性能相比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)設計要求。但是研究也存在不足,例如發(fā)射端硬件性能一般,若升級性能測試會更好;且性能測試是在設定工況條件下完成,需要后期實地測試,提升系統(tǒng)設計的可靠性。