（地质资源与工程专业论文）基于usb接口的测井电缆数据传输系统研究.pdf

独创性声明 我呈交的学位论文是在导师指导下个人进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得其它学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。特此声明。 声明人( 签名) ：茎鎏逖坐年4 月，日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交学位论文的复印件，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存学位论文。特此说明。 说明人( 签名) ：衄指导教师( 签名) ：巡年弘月日 摘要 测井电缆数据传输系统是测并装备的重要组成部分。随着高性能测井 仪器的快速发展，需要从井下传输到地而的数据量越来越大，希望能够在 电缆信道r 实现数白干位秒或更高的传输速率。论文从电缆传输特性、编 码技术、基于复杂可编程逻辑器件的曼彻斯特编码器、解码器设计、u s b 接口设计、单片机系统固件软件及设备驱动程序设计几方面研究了测井数 据传输系统i 殳计中的关键问题。测井电缆的传输特性随电缆长度、制造材 料及工艺、温度等多种冈素而变化。测井电缆的传输带宽在1 0 0 k h z 左右， 要实现高速数据传输，必须采用多路传输技术或高效率的编码调制技术， 为兼容现有测井井下仪器，充分利用现有仪器资源，采用了曼彻斯特编码 技术。曼彻斯特码的功率谱形状与信码流的统计特性无关，因此针对特性 恒定的传输信道，可以采用简单的频域均衡方法对信道传输特性g i 起的失 真进行补偿：功率谱的带通特性使其特别适合于通过变压器耦合的测井电 缆实现数据传输；由于时域波形有许多跃变沿，提取定时信息方便，解码 易于实现。为适应传输信道特性的变化，采用数字技术与模拟技术结合， 设计了频域均衡器，以获得晟佳的电缆特性补偿。根据曼彻斯特编码、解 码原理，采用复杂可编程逻辑器件实现了具有并行接口的曼彻斯特编码、 解码器，与传统的串行接口芯片相比，它增加了串并转换移位寄存器、并 串转换移位寄存器、数据缓冲器、数据寄存器、控制寄存器及接口地址译 码电路，可直接作为计算机外部接口器件使州，简化了系统设计。传输系 统选用p h i l i p s 公司的u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 和a t m e l 公司的单片 机a y 8 9 c 5 2 实现u s b 接口。为减轻单片机负担，曼彻斯特译码器的输出数 据直接写入先进先出存储器( f i f o ) ，f i f o 与p d i u s b d l 2 问的数据传送采 用直接存储器存取( d m a ) 技术。软件设计介绍了u s b 出议及遥测相关功 能的固件实现，基于w i n d o w s 驱动程序模型唧d m ) 的u s 3 设备驱动程序 设计及应用程序设训。最后给卅了个系统应用实例。 关键词：通用串行总线，测井电缆数据传输系统，复杂可编程逻辑器件， 固件，驱动程序 a b s t r a c t w e l l l o g g i n gc a b l ed a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to f w e l l l o g g i n ge q u i p m e n t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g hp e r f o r m a n c e w e l l l o g g i n gt o o l s ，t h ed a t aa c q u i r e db yl o g g i n gt o o l sb e c o m e sm o r ea n dm o r e ， s ot h ed a t ac o m m u n i c a t i o nr a t eo fh u n d r e d so fk i l o b i t sp e rs e c o n do re v e nh i g h i sr e q u i r e di nl o g g i n gc a b l e k e ya s p e c t so f w e l l l o g g i n gc a b l ed a t at r a n s m i s s i o n s y s t e m ，s u c ha sc a b l et r a n s m i s s i o nf e a t u r e s ，m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ，d e s i g no f m a n c h e s t e re n c o d e ra n dd e c o d e rb a s e do nc o m p l i c a t e dp r o g r a m m a b l el o g i c a l d e v i c e ，u s bi n t e r f a c ed e s i g n ，m i c r o c o n t r o l l e rp r o g r a m m i n g ，a n dd e v i c ed r i v e r p r o g r a m m i n g ，a r ed e s c r i b e d t h et r a n s m i s s i o nf e a t u r eo fw e l l l o g g i n gc a b l ei s v a r i e dw i t hi t sm a t e r i a l ，l e n g t h ，m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e ，a n dt h et e m p e r a t u r e o fa p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t a st h ef r e q u e n c yw i d t ho fw e l l l o g g i n gc a b l ei s a b o u t1 0 0k h z ，i ti sn e c e s s a r yt or e a l i z i n gh i g hr a t ed a t at r a n s m i s s i o nt oa d o p t m u l t i c h a n n e lc o m m u n i c a t i o nm o d eo rh i g he f f i c i e n c ym o d u l a t i o nt e c h n i q u e s t om a k ef u l lu s eo fc u r r e n td o w n h o l et o o l s ，t h em o d u l a f t o nt e c h n i q u eo ft h i s s y s t e ms h o u l db ec o m p a t i b l ew i t hc u r r e n td o w n h o l et o o l s ，s om a n c h e s t e rc o d e i sa d o p t e d t h ep o w e rs p e c t r u mo fm a n c h e s t e rc o d ei si r r e l a t i v ew i t ht h ef e a t u r e o fd a t as t r e a m ，s of r e q u e n c ye q u a l i z e rc a nb eu s e dt oc o m p e n s a t i n gt h ef e a t u r e o fc o m m u n i c a t i o nc h a n n e lo fc o n s t a n tc h a r a c t e r i s t i c s t h eb a n d p a s sf e a t u r eo f m a n c h e s t e rc o d em a k e si ta d a p tt oc a b l et e l e m e t r ys y s t e mw i t ht r a n s f o r m e r c o u p l em o d e a si t st i m ef i e l dw a v e sh a v em a n ye d g e s ，i t st i m i n gc l o c kf o r d e c o d e ri s e a s yp i c k e do u t t og e tt h eb e s tc o m p e n s a t i n gc a b l ef e a t u r e s ，a f r e q u e n c ye q u a l i z e ri sd e s i g n e db ym i x i n gd i g i t a la n da n a l o g y c i r c u i tt e c h n i q u e s a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fm a n c h e s t e rc o d e ，m a n c h e s t e rc o d e ra n dd e c o d e r w i t hp a r a l l e li n t e r f a c ea r er e a l i z e db yi ns y s t e mp r o g r a m m a b l ec o m p l i c a t e d p r o g r a m m i n gl o g i c a ld e v i c e ( c p l d ) o f l a t t i c es e m i c o n d u c t o r c o m p a r e dt ot h e o l dd e v i c e so fs e r i a li n t e r f a c e ，t h ec p l dd e v i c ei n t e g r a t e ss e r i a lt op a r a l l e ls h i f t r e g i s t e r , p a r a l l e lt os e r i a ls h i f tr e g i s t e r , d a t ab u f f e r , d a t ar e g i s t e r , c o n t r o lr e g i s t e r , a n da d d r e s sd e c o d e r , w h i c hc a nb ed i r e c t l yu s e da si n t e r f a c ec o m p o n e n t so f c o m p u t e r sa n dm a k e ss y s t e md e s i g ns i m p l i f i e d a n u s bi n t e r f a c ed e v i c e p d i u s b d l 2o fp h i l l i p s ，a n dam i c r o c o n t r o l l e ra t 8 9 c 5 2o fa t m e l a r ea l s o u s e dt or e a l i z et h eu s bi n t e r f a c ew i t hh o s tc o m p u t e r t ol i g h t e nt h eb u r d e no f m i c r o c o n t r o l l e r ，t h eo u t p u td a t ao fm a n c h e s t e rd e c o d e ri sd i r e c t l yw r i t t e nt o f i r s t i n f i r s t o u t ( f i f o ) m e m o r i e s ad i r e c tm e m o r ya c c e s s ( d m a ) c o n t r o l l e r i s d e s i g n e dt o r e a dd a t af r o mf i f om e m o r i e sa n dw r i t et op d i u s b d 12 t h e r e a l i z a t i o no fu s bp r o t o c o la n dt e l e m e t r yf u n c t i o n s ，t h ed e s i g no f u s bd e v i c e d r i v e rb a s e do nw i n d o w sd r i v e rm o d e l ( w d m ) ，a n dt h ea p p l i c a t i o np r o g r a m d e s i g na r ca l s od e s c r i b e d a na p p l i c a t i o ne x a m p l eo ft r a n s m i s s i o ns y s t e m i s g i v e n a tl a s t k e yw o r d s ：u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) ，w e l l l o g g i n gc a b l ed a t at r a n s m i s s i o n s y s t e m ，c o m p l i c a t e dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) ， f i r m w a r e ，d r i v e r 基于u s b 接口的测井电缆数据传输系统研究 创新点摘要 1 根据曼彻斯特编码、解码原理，采用复杂可编程逻辑器件实现了具有并 行接口的曼彻斯特编码、解码器，与传统的串行接口芯片相比，它增加 了串并转换移位寄存器、并串转换移位寄存器、数据缓冲器、数据寄 存器、控制寄存器及接口地址译码电路，可直接作为计算机外部接口器 件使用，简化了系统设计。( 见第3 章) 2 为适应测井电缆因制造材料、制造工艺、长度等因素造成的传输特性差 异，设计了数字控制的频域均衡器，对测井电缆因素引起的传输特性变 化进行补偿，改善了信息传输质量，降低了传输误码率。( 见第4 章) 3 采用了u s 8 接口器件实现与测井系统主机的通讯。根据接口需要，采用 复杂可编程逻辑器件设计了直接存储器存取( d 鼢) 控制器，实现数据 接收先进先出存储器( f i f o ) 到p d i u s b d l 2 的数据传送，提高了数据传 输效率。( 见第5 章) 中国石油大学( 华东) 博士论文第1 章 引言 第1 章引言 1 1 国内外现状及发展趋势 1 1 1 测井电缆数据传输系统 二十世纪9 0 年代，代表测井技术最新成果的成像测井系统引进到国内 油田生产现场。成像测井系统具备如下主要特征：一是地面成果图可视化。 地面采用多台工作站实现数据处理、可视化解释成果图输出。二是井下仪 器阵列化。阵列化测井井下仪器可以获得径向上不同探测深度、纵向上不 同分辨率的多种地质参数，信息丰富，数据量大。三是高速电缆遥测技术。 目前国内外采用的测井电缆大都属于铠装电缆，其传输频率上限仅为 l o o k h z 左右。随着高性能测井仪器的快速发展，需要从井下传输到地面的 数据量越来越大，尤其对于各种成像井下仪器，更加希望能够实现数百千 位秒或更高的传输速率。这就要求采用新的编码技术，利用现有的测井电 缆实现高速数据传输。哈里伯顿( 卧l l i b 叫r d o n ) 的e x c e l l 2 0 0 0 成像测井 系统数据上传速率为2 1 7 千位秒“。2 3 。阿特拉斯( b a k e r a t l a s ) 公司的e c l i p s 5 7 0 0 成像测井系统总的数据上传速率为2 3 0 千位秒呻。斯仑贝谢 ( s c h l u m b e r g e r ) 的m a x i s 5 0 0 成像测井系统则达到了5 0 0 千位秒州。然 而，由于引进成像测并系统的封闭性，传统国产井下仪器无法挂接，而且 由于成本较高，其应用受到一定的局限；在国际测井服务市场竞争中，亦 受到种种限制。因此，在消化吸收国外先进技术的基础上，结合我国测井 技术自身特点，研制具有自主知识产权的国产成像测井系统是我国测井装 备升级换代、推动测井技术进步的必由之路。 高速数据传输系统是成像测井系统的重要组成部分，实现成像测井信 息由井下实时传送到地面系统的任务。尽管国内的专家学者t l 二十世纪9 0 年代开始就开展了这方面的研究h 1 ，但至今还没有一个较为成熟的系统投 入现场应用目前国内较为成熟的测井系统其数据传输速率不超过1 0 0 干 位秒”，与国际水平相比还有很大差距。 1 1 2 井下仪器总线 在井下仪器总线设计方面，国内目前还没有形成一个标准斯仑贝谢 中国石油大学( 华东) 博士论文第1 章引言 的上一代电缆遥测系统c t s 采用了d t b 井下仪器总线“”，它由通过3 条信 号线遥测短节和并下仪器间下行命令和上行数据的串行传送，优点是总线 结构简单，时序配合紧凑，缺点是接口硬件相对复杂。e x c e l l 2 0 0 0 采用了 1 5 5 3 总线作为井下仪器总线0 1 ，在一对信号线上采用半双工方式实现了下 行命令与上行数据的分时传送，总线结构最简，缺点是遥测短节与仪器之 间一次传送的最大数据量为3 2 字，大数据量传送时总线上传送的冗余信息 较多；e c l i p s5 7 0 0 的井下仪器总线( w t s - i b ) 则采用4 对信号线实现了下 行命令与上行数据的全双工传送( 当t 2 下行和t 5 、t 7 上行时) ，一对信号 线为单向的下行命令线，另外三对构成i 路低速信道( 传输速率为4 1 6 6 千位秒) 和2 路高速信道( 传输速率为9 3 7 5 千位秒) ，大数据量传送时 附加信息少，效率较高。因此，w t s i b 总线对国内成像测井仪器设计具有 重要的参考价值 目前我国引进的成像测井设备以阿特拉斯的e c l i p s5 7 0 0 成像测井系 统及其井下仪器居多，充分利用现有的井下仪器资源是国产成像测井系统 设计时必须考虑的问题。因此，国产成像测井系统应具备挂接引进的5 7 0 0 成像测井井下仪器的功能。 1 1 3 通用串行总线( u s s ) 接口技术 传统的p c 机的功能扩展一般通过在系统i o 总线上扩展接口实现由 于在进行重新配置时缺乏足够的灵活性，已经影响了p c 机的进一步发展和 应用随着友好的用户图形界面和新的硬件、软件机制的结合以及与之相 对应的诸如p c i 和p c mc i a 等新一代p n p 总线体系结构的提出，使得计算 机看起来已经不像当初那么直观了，要重新配置它也不是那么容易了；而 且从用户的角度来看，p c 机上的i o 接口，如串行，并行接口、键盘鼠标， 游戏杆并不具有即插即用的功能。 随着对计算机的需求越来越多，各种用来扩充计算机功能的外设不断 的出现，与之相应的是机箱上面的端口越来越紧张了如果要支持具有新 功能的外设，就必须在机箱上增加一个新的接口来对其进行寻址。由于i o 接口资源有限，这种机械地增加端口的方法已不能适应计算机功能扩展的 2 中国石油大学( 华东) 博士论文第1 章引言 需要。 为解决p c 机传统外设总线接口的瓶颈，以p c 供应商康柏、d e c 、i b m 和 软件公司微软等一批著名i t 厂商于1 9 9 5 年推出了通用串行总线( u s b ) ，成立 u s b 实施论坛( u s b i f ) ，开始对u s b 进行推广和认证u s b i 1 版的低速率是 1 5 m b p s ，全速数据率是1 2 m b p s ，主控制器将总线传输时间划分为帧，每帧 l m s ，在帧时间内传输多个事务处理到多个器件上。u s b 总线的机械连接非 常简单，电缆是4 芯的屏蔽线，一对双绞线( d + ，d 一) 传送信号，另一对双 绞线( v b u s ，电源地) 传送+ 5 v 的直流电压，连接器有a 型( 或小a 型) 和b 型( 或 小b 型) 两种。u s b 器件的即插即用( 即热插拔) 是一个优势，对用户来说，第 一次插入u s b 器件时，通过手动或自动安装驱动程序后就可以使用该器件。 一个u s b 主控制器端口最多可连接1 2 7 个器件，各器件之间的距离不超过5 米 o “1 。2 0 0 0 年，u s b 2 o 版规范推出，将u s b 总线的数据率提高到4 8 0 m b p s 的 高速，并向后兼容。在高速u s b 总线上，主控制器将每帧1 m s 再划分成8 个 微帧，每个微帧1 2 5us ，能完成更多事务处理，使总的数据率提高4 0 倍”。 u s b 接口规范将多种p c 机外设具有相似特性的归纳为某一类，例如鼠 标、键盘等属于h i d 类，音响产品属于a u d i o 类，c d 、硬盘、闪存属于 m a s s s t o r a g e 类。微软的w i n d o w s 操作系统为常用类别提供驱动程序，实现 自动安装。不在w i n d o w s 支持的u s b 器件( 如测量仪器) 需要提供自己的驱 动程序，或者安装程序将有关应用和驱动程序打包在一起，一次性完成器 件的安装。u s b - i f 负责对符合u s b 接口规范的硬件和程序作认证，发给认 证标志驱动程序在获得微软硬件设备质量( w h q l ) 认证后可实现在w i n d o w s 操作系统下的自动安装。 2 0 0 0 年后，台式p c 都增加了u s b 接口，笔记本电脑甚至安装了两个u s b 接 口。现在数以亿计的带有u s b 接口的p c 机在运行，数以十亿计的p c 机外设 和其他设备，其中包括u s b 钡g 量仪器使用u s b 接口。正是由于u s b 接口拥有大 量p c 机外设，使得u s b 接口的支持产品，包括控制器芯片、集成器和桥接器、 电缆和连接器、驱动程序和安装程序、开发工具等非常普及，加上u s b 接口 的安装方便、数据率较宽、容易扩展、即插即用、成本较低等特点，使得 3 中国石油大学( 华东) 博士论文 第1 章引言 u s b 总线成为外设接口设计的首选总线。 1 2 基于u s b 总线的测井数据传输系统研制的意义 高速电缆传输作为成象测井系统的一项关键技术，其重要性已被国内 外测井专家指出 4 1 - 4 2 ) 高速电缆遥测系统必须解决两个问题，一是井下数据 通过测井电缆的高速传输，这是阵列成象井下仪器强大的数据采集能力和 地面计算机强大的数据处理能力提出的要求；二是必须具备良好的兼容性。 鉴于我国已经引进了国外不同公司、不同系列的成象测井设备和井下仪器， 另外一些公司的成象测井系统也正在我国服务，国产电缆遥测系统应该能 够兼容这些不同系列的仪器和设备。传输问题可以通过研制一个通用的高 速传输设备解决；兼容性问题的解决，则需要为不同系列的仪器分别研制 接口，与通用传输设备配接，组成各种系列的遥测系统。这样，不同系列 的遥测系统的传输部分都相同，只是井下仪器接口和地面仪器接口不一样， 减小了研制的工作量，也为扩展兼容以后可能出现的更新型的成象井下勘 探仪器和设备提供了可能。 电缆遥测系统是整个测井系统中相对独立的一部分。由于目前几乎所 有计算机都具有u s b 总线接口，因此遥测系统的地面接口通过u s b 总线与 测井系统主机进行数据交换，具有成本低、适用范围广的特点，能够满足 从工控机到笔记本不同档次机型的需要。 1 3 论文的组织结构 论文共分为7 章，第1 章为引言。第2 章介绍t n 井电缆的传输特性、 常用的连接方式；编码解码理论及方案设计。第3 章介绍了曼彻斯特编码 器与解码器、采用复杂可编程逻辑器件的实现方法及其与单片机的接口设 计。第4 章叙述了传输接口模拟电路的设计，主要包括上行数据接收电路 构成、下行命令发送电路构成及电缆特性频域均衡滤波器设计。第5 章介 绍了u s b 总线接口器件p d i u s b d l 2 的结构、功能，与单片机的硬件接口设 计，u s b 接口协议及遥测控制软件设计。第6 章叙述了u s b 设备驱动程序的 开发与用户应用程序的开发，叙述了w d m 设备驱动程序的i o 请求处理、 即插即用设备栈和i r p 结构，比较详细的介绍了u s b 设备驱动程序栈、驱 4 中国石油大学( 华东) 博士论文 第1 章 引言 动程序的入口例程、驱动程序的初始化和卸载、设备启动、电源管理的基 本准则以及控制例程、数据读写例程、结构u r b 等，举例分析了操作u s b 设备的a p i 函数，并给出了应用实例。最后对整个设计做了总结，指出了 电缆遥测系统今后的研究方向。 5 中国石油大学( 华东) 博士论文第2 章测井电缆的传输特性与编解码方案设计 第2 章测井电缆的传输特性与系统总体设计 2 1 测井电缆的传输特性 在一个测井系统中，地面系统与井下仪器间的数据传递通过电缆来实 现。通常使用的测井电缆为7 芯铠装电缆，最大长度可达7 0 0 0 m 。电缆传输 信道的衰减和相移随信号频率的增加而急剧增加，当频率超过l o o k h z 时， 信号衰减和时延特性变差使得难以对信道解码。 总之，由于受传输介质、设计思想、制造工艺和井下高温、高压等恶 劣环境的影响，钡8 井电缆传输系统存在传输速度慢、信息量少、信号衰减、 失真大等问题。尤其在超深井中，信号的衰减及线问各种信号的相互干扰 越来越严重，已成为现代测井数据采集系统的技术瓶颈“1 。 2 1 1 影响电缆传输特性的主要因素 影响电缆传输特性的主要因素有： ( 1 ) 衰减。测井电缆是井下与地面之间的信息传输媒介，采用的是普 通七芯铠状电缆，f h 7 根金属导线外包绝缘材料绞合而成。电缆的最外层为 钢丝编织层，俗称电缆铠装，保证电缆有一定的机械强度，其长度一般为 3 5 7 0k m 。缆芯的直流电阻约为2 5 8q k m ，分布电容约为0 1 肛f k m ， 信号频率为m h z 时分布电感约为2l ah k m “”。因此，这种测井电缆的信号传 输频带宽度仅约为l o o h z l o o k h z 。作为数字信息传输媒介，其电特性较差 的是限制井下与地面之间数据传输速率的重要原因。 由于电缆的阻性特征造成电能损耗以及电缆绝缘材料的电能泄漏，导 致信号幅值经过链路传输时逐渐减弱。链路的衰减是由电缆的结构、长度 及传输信号的频率所决定的，当工作频率较高时，衰减主要是由集肤效应 所决定的，它是与频率的平方根成正比的。另外，衰减值随温度的增加而 增大。对于井下电缆，温度每增j l l l ，衰减约增大0 4 左右m 1 此外， 井下电缆布放在井下套管中，衰减亦会增j 1 1 2 3 。 ( 2 ) 串音干扰。串音干扰发生于缠绕在一个束群中的线对间干扰。由 于电容和电感的耦合，处于同一主干电缆中的双绞线发送器的发送信号可 能会串入其他发送器或接收器，造成串音。一般分为近端串音和远端串音。 6 中国石油大学( 华东) 博士论文第2 章测井电缆的传输特性与编解码方案设计 对于测井电缆来说，远端串音并不会产生很大的影响，这是因为随着距离 增大，远端串音经过信道传输将产生较大的衰减，对线路影响较小，而近 端串音一开始就干扰发送端，在全双工模式时对线路本端的接收影响较大。 ( 3 ) 码间干扰。码间干扰是数据传输中除噪声干扰之外最主要的干扰， 与加性的噪声干扰不同，是一种由于信道的非线性相位特性造成的乘性干 扰。由于测井电缆呈现容性特征，会使数字脉冲的上升或下降变慢，从而 导致波形的畸变，产生信道间干扰和符号间干扰实际上，只要传输信道 的频带是有限的，就会不可避免地造成一定的码间干扰。以一定速度传送 的波形序列受到非理想信道的影响，表现为各码元波形持续时间拖长，从 而使相邻码元波形产生重叠，造成判决错误矧。 2 1 2 不同连接方式下信道的频率特性 $ 魁画 崮 t 2 俐t 3 图2 - 1 七芯电缆的几种连接方式 用七芯测井电缆传输信息时，最常用的连接方式如图2 1 所示。其频率 响应特性如图2 - 2 所示。t 6 方式可提供最快的传输速率和最大带宽“1 ，但使 用缆芯最多，哈里伯顿的d i t s 采用这个模式下传命令信息。t 2 、t 5 、t 7 传 输方式信道的频率响应如图2 - 2 所示。t 2 、t 5 以不同方式组合使用2 、3 、5 、 6 四根缆芯，t 5 方式的传输性能远优于t 2 方式。中心缆芯7 与缆皮构成t 7 传 输方式，因缆芯7 位于中央，与缆皮相距较远，分布电容较小，虽传输的绝 7 生里互鎏查堂! 堡壅! 璺士论文 第2 章测井电缆的传输特性与编解码方案设计 对损失要大于t 6 方式，但它却具有最平坦的传输特性，这一点对于高传输 9 0 7 0 5 0 3 0 1 0 ii i li i 两 ：b l 占一 r _ 一 _ k jd 一 _ 一 二一 _ ， ，_ _- 一 么 一，c ， r j ， 频率( k h z ) 图2 2 传输方式2 、5 、7 的频率响应 率尤为重要。哈里伯顿的d i t s 采用t 7 方式作为上传数据信道。阿特拉斯组 合使用t 2 、t 5 和t 7 方式，其中t 2 作为下行命令信道和低速上传数据信道工 作在半双工方式，t s 和t 7 构成两个高速上行数据信道。t 2 、t 5 、t 7 组合连 接方式如图2 - 3 所示。 图2 3 传输方式2 、5 、7 构成 2 1 3 温度对电缆特性的影响 井温升高时，信号衰减程度加重，如图2 4 。因此，通常测井电缆传输 8 生里互塑奎堂! 坐壅! 堕主论文第2 章测井电缆的传输特性与编解码方案设计 一2 0 一3 0 嚣- 4 0 馨 一5 0 6 0 0 4 0 81 2 频璋；k i z 图2 4t 5 方式下7 0 0 0 m 电缆衰减特性曲线 信号的频率使用带宽在1 0 0k h z 以下，这就给提高信息的传输速率带来很 大困难，用基带传输已不能满足电缆高速率的传输要求。要想提高传输速 率，就要选择高比特率编码的调制解调技术，并对电缆传输特性进行正确 补偿，以满足高速数据传输系统的要求。 2 2 信道码型设计 2 2 1 码型设计的一般要求 为了准确而有效地在传输系统中传送数字信息，必须用适当的电脉冲 形式表达，即为线路编码问题。对线路码型通常有如下要求阳“1 ： ( 1 ) 适当特性的功率谱密度：并与信道特性匹配。为了对称传输， 常用变量器与线路耦合，这就要求信码中不含有直流分量和很低频率的分 量。信道频率响应在高频段也不太理想，希望信码中高频分量的能量较小 因此，要求信码的主要能量集中在信道特性良好的通频带中心附近。 ( 2 ) 丰富的定时信息：在基带传输系统中，位定时信号是接收端和 再生中继器内再生原来信码所必需的。通常要求线路码型有自定时能力， 即从信码中可以提取出同步信息。 ( 3 ) 透明性：信源发出的信码具有随机性，常用各种概率分布描述 其统计特性如果码型变换( 包括编码和解码) 与信源发出的信码统计特 性无关，则称为具有透明性 9 中国石油大学( 华东) 博士论文第2 章测井电缆的传输特性与编解码方案设计 ( 4 ) 对线路的宏观差错有宏观检测能力；为了实时检测传输系统的质 量，便于维护和控制，希望码型具有内在的检错能力。在传送信码的同时， 能宏观的用计数器监督线路的质量指标，例如差错率。 ( 5 ) 较小的误码增殖：当线路中出现单个差错时。导致解码过程中出 现多个差错，叫做误码增殖或误码扩散。希望码型具有较小的误码扩散效 应。 ( 6 ) 能够实现并具有较好的性价比，尤其对于处于高温环境的井下子 系统。 2 2 2 常用码型 2 2 2 1 二元码 最简单的二元码基带波形是矩形脉冲，取值只有两种电平，常用的二 元码如下： ( 1 ) 单极性不归零码 这种二元码用高电平和低电平( 常用零电平近似表示) 两种取值分别 表示二元信息的“1 ”和“0 ”，在每个码元期间电平保持不变，如图2 - 5 所 示。 ( 2 ) 双极性不归零码 用正电平表示信码“i ”，用负电平表示信码“0 ”，在每个码元期间 电平保持不变，不用零电平，如图2 5 所示。 ( 3 ) 单极性归零码 用正脉冲表示信码“1 ”，这个脉冲的高度为a ，宽度为z ，且宽度小 于码元宽度t 。，1 t 。称为占空比r 用无脉冲表示信码“0 ”。单极性归零 码如图2 - 5 所示。 ( 4 ) 双极性归零码 用正脉冲表示信码“1 ”，用负脉冲表示信码“0 ”，脉冲的高度分别 为a 和一a ，占空比r 相同，如图2 - 5 所示这种码型实际有a 、一a 和o - - 种码型， 但通常仍视为二元码，它用脉冲的正负极性表示两种信息，分析时与前述 三种码型有很多共同点。 1 0 中国石油大学( 华东) 博士论文 第2 章测井电缆的传输特性与编解码方案设计 以上四种码型比较容易实现，常用作机内和近距接口的码型。由于存 在下列问题，不适合用作远距接口码型。一是存在丰富的低频分量，在单 极性码时还存在直流分量，不能适应用变量器作交流耦合的场合。二是在 信码序列中若出现长“1 ”串或长“0 ”串，不归零码呈现固定电平，无电 平跃变，也就没有定时信息。三是当信息码流中各个码元之间相互独立时， 这四种码型的各个码元取值也相互独立，因而没有任何检错能力 ( 5 ) 差分码 在差分码中，信码“1 ”和“0 ”分别用电平的跃交与否来表示。在电 报通信中，习惯上称“l ”码为传号，“0 ”码为空号若用有电平跃变表 原信码流11 010 0 10 原信码流1 1010010 。ab 口口 t t o 单极性不归零码 ：b 口 t t o 传号差分码 双极性不归零码 ：b 口 口口 单极性归零码 0 - a 数字双相码 r 于芒r ，伸 密勒码 三h 。三融珊。 双极性归零码 图2 - 5 二元码型 传号反转码 示“1 ”码，此时用无电平跃变表示“0 ”码，称为传号差分码，如图2 5 所 示。若用有电平跃变表示“0 ”码，用无电平跃变表示“1 ”码，则称为空 号差分码。 差分码也未解决上述四种码型存在的问题，也不能直接用作远距接口 码型。但是注意到这种码型的电平取值与信码的“1 ”或“0 ”之间不是绝 对的对应关系，而是用电平的相对变化传送“l ”码与“0 ”码，只具有相 中国石油大学( 华东) 博士论文 第2 章测井电缆的传输特性与编解码方案设计 对关系，所以又称为相对码。通常用来解决有相位模糊的场合。 ( 6 ) 曼彻斯特码 曼彻斯特码又称为分相码或m a n c h e s t e r 码，它用两位码表示信码“l ” 或“0 ”。一种规定是；用“1 0 ”表示“1 ”码，用“0 1 ”表示“0 ”码，且 为双极性不归零脉冲。编码波形如图2 - 5 所示。 这种码型的优点是：因为正负电平出现的概率相等，无直流分量和低 频分量，主要能量集中在通频带中段。在每个码元间隔的中心处都有电平跃 变，位定时信息特别丰富，而且不受原信码序列统计特性的影响，较易提取 位定时信号。由于“0 0 ”加“1 l ”是禁用码组，所以在曼彻斯特码流中不会 出现3 个或更多的连码，这个特性可用来进行宏观检错。这个码型的不足之 处是传输速率加倍，要求信道传输带宽加倍。在以太本地数据网中采用该码 型作为传输码型，最高信息速率可达l o m b s 。 ( 7 ) 密勒码 密勒码又称延迟调制码，可看成是曼彻斯特码的一种变形。它规定： “1 ”码用码元间隔中心点出现跃变来表示，即“1 0 ”或“0 1 ”。“0 ”码有 两种情况：单“0 ”时在码元间隔内不出现电平跃变，而且在与相邻码元的 边界处也无跃变；在连“o ”时，在两个“0 ”码的边界处出现电平跃变，即 “o o ”与“l l ”交替。编码波形如图2 - 5 所示。根据密勒码的编码规则可知， 若两个“l ”码中问有一个“0 ”码时，密勒码流中出现最大宽度2 t 。，即两 个码元周期。换句话说，可能出现四连码情况，但不会出现多于四连码情况， 用这个性质可作宏观检测之用。 ( 8 ) 传号反转码( c m i ) 传号反转码规定：“1 ”码交替用“l l ”和“0 0 ”表示：“0 ”码用“o l ” 表示，编码波形如图2 - 5 所示。这种码型有较多的电平跃变，含有丰富的定 时信息。又由于“1 0 ”为禁用码组，不会出现三个以上的连码，这个性质可 用来作宏观检测。c m i 码已被c c i t t 推荐为p c m 四次群的接口码型，在光缆传 输系统中也有应用。 ( 9 ) n b m b 码 1 2 中国石油大学( 华东) 博士论文第2 章测井电缆的传输特性与编解码方案设计 这是一类分组码，它把原信码流的n 位二元码作为一组，变换为m 位二 元码作为新码组，由于m n ，新码组可能有2 。种组合，多出( 2 一掣) 种组合， 从中选择有利码组作为可用码组，其余为禁用码组，以获得好的特性。前面 介绍的曼彻斯特码、密勒码和c m i 码都可看作是i b 2 b 码。 在光纤数字传输系统中，通常选择m = n + l ，如i b 2 b 码、2 8 3 b 码和5 8 6 b 码 等，其中5 8 6 b 码型已实用化，作为三次群和四次群的线路传输码型。 2 2 2 2 三元码 三元码的取值有三种：十a ，0 和一a 。由二元信码流变换为三元信码流时， 通常不是由二进制到三进制的转换，而只是某种取代关系，所以三元码又 称为伪三元码。 ( 1 ) 传号交替反转码( a l i ) a m i 码规定：“0 ”码用0 电平表示；“1 ”码( 即传号) 交替地用“和 一a 表示，常用半占空归零脉冲实现+ a 和一a ，如图2 6 所示。 这种码型无直流分量，主要能量集中在通频带中段。可以用非线性变 换方法从信码中提取位定时信息。但当原信码流中出现长“0 ”串时，a m i 码流也对应长“0 ”串，使位定时提取发生困难。利用传号交替反转规则， 在接收端如果发现有破坏该规则的脉冲时，说明线路传输中有差错，可用 作宏观在线监测之用 ( 2 ) n 阶高密度双极性码( 皿b n ) n 阶高密度双极性码可以看作是a m i 码的改进型，解决原信码流中出现 长“0 ”串时发生的问题。常用的是h d b 3 码，其规定为：在原信码流中，每 当出现四连“0 ”码时，用下列两种取代节之一代替：“0 0 0 v ”或“b o o v ”， 其中b 表示符合极性交替规则的传号，v 表示违反极性交替规则的传号，或称 破坏点。当h d b 3 码流中两个v 脉冲之间的传号数为奇数时，采用“0 0 0 v ”取 代节；若为偶数时，采用“b o o v ”取代节，保持任意两个相邻的v 脉冲之间 的b 脉冲数为奇数。在原信码流中的传号都用b 脉冲代替。按上述规则编出的 h d b 3 码流如图2 - 6 所示。它有以下特点： 1 ) 利用v 脉冲违反极性交替规则的特征，接收端很容易去掉取代节； 1 3 中国石油大学( 华东) 博士论文 第2 章测井电缆的传输特性与编解码方案设计 原信码流10 110000000l l0o00001 0 - a 脒i 码 i j d b 3 码 b 6 z s 码 双二进码 图2 - 6 三元码型 2 ) b 脉冲符合极性交替规则，同时v 脉冲序列也是极性交替的，就 保持了无直流分量的性质； 3 ) 根据v 脉冲序列也是极性交替的特点，可用作线路差错宏观检 测。 ( 3 ) b n z s 码 b n z s 码是一种n 连“0 ”取代的双极性码，可看作为a m i 码另一种改进型， 其规定为：每当原信码流中出现n 连“0 ”串时，用带有破坏点的取代节代 替。常用的是b 6 z s 码，它的取代节为“o v b o v b ”，编出的b 6 z s 码流如图2 - 6 所示。它也有与h d b 3 类似的特点。 ( 4 ) 双二进码 双二进码是一种三元码，它规定：“0 ”码无脉冲传送；“1 ”码用正 脉冲或负脉冲传送，当前的“1 ”码与前面相邻的“l ”码之间的“0 ”码数 目为奇数时，当前的“l ”码对应的脉冲极性与前一脉冲的极性相反，否则 1 4 o “ o “ ! 塑石油大学( 华东) 博士论文第2 章测井电缆的传输特性与编解码方案设计 相同。按这个规则编出的码流如图2 6 所示。 2 2 2 3 多元码 信源输出的数码可能有m 种符号，相应地用m 种电平表示它们。如果各 码元数码取值是等概的，码元之间没有关联，在电平配置时通常以零电平 为中心，正、负电平对称配置，以便消除直流分量 当m 为奇数时，m 种电平值a 沩 a t = o ，2 a ，4 a ，( m - 1 ) a ( 2 一l a ) 当m 为偶数时，m 种电平值k 为 a x = a ，3 a ，( m 1 ) a ( 2 一i b ) 例如，信源输出为四种符号：0 、1 、2 和3 ，a 。可取为：3 a ，a ，一a ，一3 a 。 用这个规则编成的多元码如图2 - 7 所示。 原信码流13 2 0 lo23 三一 图2 7 多元码型 2 3 数宇基带信号的功率谱密度计算 2 3 1 功率谱密度计算方法 编码信号是否适合于传输信道的特性取决于编码信号的频域特