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基于OFDM的测井数据传输电路

发布时间:2016-07-02 14:46

  随着油田测井仪器的发展,大量井下仪器的数据需要实时地传送到地面仪器中。本文通过正交频分复用技术,充分利用单芯电缆的频带宽度,提高了电力载波上的通信速率。本文对单芯同轴测井电缆进行了理论分析及仿真,对正交频分复用的基本原理进行了介绍。在此基础上,设计了一种基于OFDM技术的测井数据传输电路。电路主要由耦合电路、滤波电路、模拟前端电路、调制解调电路、接口电路组成。试验表明,通过该电路的调制与解调,测井电缆可以在电力传输的同时,提供高速、可靠的通信

 

  测井是油气田勘探开发过程中取得地质信息、检测井壁破损情况的重要手段之一[1]。一个完整的测井系统包括采集、传输、分析、储存等功能,主要由井下仪器、数据传输、地面仪器、辅助设备等四部分组成。随着测井技术的飞速发展,大量的井下仪器需要将数据实时传送到地面仪器中[2]。在井下传输数据时,缆线成本和机械强度限制了多芯电缆的应用,所以生产测井中多使用单芯电缆。单芯电缆在提供井下仪器供电的同时,还需要实现井下仪器与地面设备的数据传输与命令控制。测井电缆信道环境恶劣,因此测井电缆传输数据可用的频带范围比较窄。为了传输大量测井信息,充分利用电缆的频带宽度,提高信息的传输速率,采用正交频分复用技术(OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing)来解决这些问题。

 

  一、测井电缆信道分析及仿真

 

  要设计合理的通信电路,首先要研究信道的频率和幅值特性,分析出适合单芯电缆的频率及带宽,确保接收信号与发送信号在频率和相位上保持同步。单芯同轴电缆由中心绞合线、塑料绝缘体、网状导电层和电线外皮构成,同轴电缆的优点是可以在相对长而且无中继器的线路上支持高速通信。根据电磁波理论,当电缆的轴向长度大于或相当于电磁波波长时,传输线应按具有分布参数特性进行处理[3]。根据中长距离测井电缆一般在3km的长度计算

 

  ?min=c/λmin=3×108/3000=100kHz

 

  当载波频率大于等于100kHz时,则单芯电缆可以按具有分布参数的双绞线来建模[4]

 

  根据集总理论,当电缆长度要远小于工作时的电磁波时,可以把元件的作用集总在一起,用一个或有限个RLC元件加以描述。将3千米的单芯电缆划分为每100米为一个小节,每小节电路的集总参数作为均匀传输线的参数[5]。经测量数据得知中心绞合线电阻R1=32(mΩ/m)、电感L1=16(nH/m)、网状导电层电阻R2=3.2(mΩ/m)、电感L2=16(nH/m)以及电缆对地电容C1=126(pF/m)。每100m为一个小节,共由30个小节组成。通过仿真结果来看在频率为1MHz处幅度衰减大约为-30dB2MHz100MHz相位角变化较小。

 

基于OFDM的测井数据传输电路


  二、正交频分复用(OFDM)基本原理

 

  正交频分复用的基本思想是将串行数据并行地调制在多个正交的子载波上,这样可以增大码元的符号周期,提高系统的抗衰落和抗干扰能力。同时由于每个子载波的正交性,即在一个符号周期内,任何两个子载波的乘积等于零,这样即使子载波之间相互重叠,也能无失真的复原,提高了带宽的利用率。虽然每个子载波的传输速率并不高,但是所有子信道加起来将会获得很高的数据传输速率[6]

 

  三、基于OFDM传输电路设计

 

  通过对信道及测井环境的分析和对多款通信芯片的对比,本文主要介绍基于INT5500的调制解调设计实现。测井电力线通信模块总体框图如3-1图所示。

 

  图1 测井电力线通信模块总体框图 图2 INT5500与物理层接口电路

 

  INT5500是由Intellon公司生产的最高速率85Mbps电力载波芯片,该芯片采用OFDM技术进行调制,通过修改内部寄存器,可以选择QAM 256/64/16DQPSKDBPSKROBO方式进行编码。而且通过对信道噪声的监测,可以对子载波进行自适应控制,并在非通信时进入低功耗状态[7]

 

  该芯片有两种工作方式。Host/DTE方式可以通过MII接口连接符合IEEE802.3u标准的以太网物理层芯片。PHY方式下INT5500类似于以太网物理层芯片,它可以连接带MII接口的MCU。本设计地面仪器需要与上位机连接,通过物理层芯片IP101转换后可以直接连接以太网,用Host/DTE方式。井下仪器可以直接与STM32F107MII接口相连,将采集的数据通过数据链路层传给INT5500,用PHY方式。INT5500有两种启动方式,从外部Flash启动和主机控制启动。从外部启动无需外部控制器控制,修改对应寄存器即可修改功能。外部Flash选用25P10VP,用于存储物理地址及参数等信息[8]

 

  INT1200INT5500的模拟前端,该芯片包含一个8位的100MSPS数模转换器和10位的50MSPS模数转换器,并且内部集成程控增益放大器,对衰减信号进行非线性补偿。IP101ALF是一个IEEE 802.3/802.3u兼容的单端口10/100Mbps快速以太网收发器。它支持自动的MDI/MDIX功能以简化网络安装和减少系统维护成本。IP101A还提供媒体独立接口(MII)/串行网络接口(SNI)或简化媒体独立接口(RMII)连接不同类型的10/100Mbps的媒体访问控制器(MAC)。图3-2INT5500与物理层接口电路。

 

  接收电路中滤波器由低通和高通滤波电路组成带通滤波器,接收HomePlug协议的载波频率[9]。由于测井电缆对信号产生衰减,模拟前端电路除了需要对发送信号进行滤波外,还需要对信号进行放大处理。放大器选用宽带高输出电流运算放大器OPA2674,该芯片包含两个低畸变、高速电流放大器,工作频带宽度可达220MHz,翻转速率可达到2000V/us,输出最大电流为500mA,并提供±800mA的电流输出控制。

 

  信号耦合电路选用高频电容来连接信号的输入输出与测井电缆,耦合变压器实现了信号线阻抗变换的作用。由耦合电容和耦合变压器初级线圈组成高通滤波电路,阻止了直流及工频信号。由于井下高温高压,为防止漏电、雷击、开关冲击等,压敏电阻和瞬态抑制二极管用来保护耦合电容和耦合变压器。对于耦合变压器的设计,将初、次级线圈绕在环形镍锌铁氧体上,匝数少,匝间距大,以减小线圈的漏感和分布电容。

 

  井下电源部分由于电缆电压损耗和井下空间限制,电缆采用36V直流供电。井下仪器由DC-DC开关电源和线性电源构成,提供5V3.3V2.5V1.8V,其中2.5V网络变压器均衡电压由IP101提供。

 

  四、电路实测结果

 

  通过同种阻抗的400米电缆上进行测试,该电路可以实现在电力线上稳定通信。该电路可以通过TCP/UDP协议进行通信,平均通信速率不小2Mbps

 

  五、结束语

 

  利用单芯同轴电缆进行井下测量,可以节约缆线成本。但是,由于缆线长度较长,信道带宽较窄,使得传统载波通信速率受到限制。随着OFDM技术的发展与应用,由于其频谱利用利用率高,可以很好地解决上述问题。本文通过对测井电缆的分析,设计了一种基于OFDM的测井数据传输电路。经调试与测试,该方案可以用在测井供电的电缆上进行通信。电路简单、实用,在电力线载波高速通信设计中具有参考价值。

 

  作者:傅元 丁振宇 来源:消费电子·下半月 201412

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