Сайт ¨ Страница icon

Сайт ¨ Страница



НазваниеСайт ¨ Страница
Дата конвертации22.07.2012
Размер121.43 Kb.
ТипДокументы




КАРОТАЖНЫЕ КАБЕЛИ

¨ Сайт ¨ Страница ¨ Контакт ¨

А.В. Давыдов

сИнхронизация кода манчестер-II на выходе каротажного кабеля

  Начиная с 80-90 годов прошлого века в технологиях геофизических исследований скважин (ГИС) наблюдается переход на комплексные многопараметровые измерения с применением многофункциональных скважинных приборов. Это требует передачи данных в наземные измерительно-вычислительные устройства, как правило, в цифровой форме и с высокой скоростью. В то же время линией передачи данных ГИС остается традиционный каротажный кабель со скоростью передачи информации (бит/с) не выше 10-100 кГц (в зависимости от длины), что начинает сдерживать развитие и совершенствование технологий ГИС.

Как было рассмотрено в работе [5], каротажный кабель представляет собой линию связи с пониженной добротностью и нелинейной зависимостью передаточной функции от длины кабеля. Импульсную пропускную способность кабеля и качество передачи данных определяют эффективная ширина частотного спектра к и эффективная длительность импульсного отклика Тк токопроводящих жил кабеля. Максимальная скорость передачи по кабелю кодовых импульсов без применения устройств частотной коррекции передаточной функции кабеля ограничивается тактовой частотой fT = 1/(2Тк) бит/с при эффективной длительности импульсов, не превышающей эффективной длительности импульсного отклика кабеля.

Скорость передачи информации зависит не только от тактовой частоты передачи данных, но и от протокола кодирования информации. Протокол передачи каротажных данных обычно заимствуется из стандартов открытых систем обмена информацией OSI (Open System Interconnect). С учетом эксплуатации скважинных приборов в большом диапазоне вариаций температур (0-150оС) в процессе каротажа, которые могут вызывать существенные вариации тактовой частоты передачи данных, для надежной передачи информации используются, в основном, только коды с синхронизацией тактовых частот передатчика и приемника, среди которых наибольшее распространение получил код Манчестер-II.

Код Манчестер-II является биполярным двухуровневым самосинхронизирующимся кодом. Логическому нулю соответствует переход на верхний уровень в центре тактового интервала с возвратом на нижний по концу тактового интервала, если следующий бит также нулевой.
Соответственно, логической единице – переход на нижний уровень с возвратом на верхний по концу интервала, если следующий бит также 1. Бит обозначен переходом в центре тактового интервала, по которому и выделяется синхросигнал. Первая несущая частота кода соответствует чередованию нулей и единиц. Вторая несущая частота – последовательности нулей или единиц и в 2 раза больше первой. При передаче произвольных последовательностей нулей и единиц более 50% энергии сигналов сосредоточено в области этих частот и между ними. Несомненное достоинство кода – отсутствие постоянной составляющей при передачах длинных последовательностей нулей или единиц.


Для большей конкретности и наглядности последующего текста все примеры и рисунки будем приводить для трехжильного бронированного каротажного кабеля типа КГ3х0.75-60-150 длиной 5 км по линии передачи сигналов жила-броня. Электрическое сопротивление токопроводящих жил (ТПЖ) кабеля порядка 25 Ом, характеристическое (волновое) сопротивление 65 Ом, емкость ТПЖ не более 130 нФ/км, индуктивность на частоте 1 кГц порядка 2.5 мГн/км, коэффициент затухания на частоте 50 кГц не более 8 дб/км. Эффективная ширина к спектральной передаточной функции ТПЖ порядка 35 кГц, эффективная длительность импульсного отклика Тк порядка 25 мкс. Мера эффективной длительности - вторые моменты функций распределения отклика и спектра /2/. Сигналы моделируются со стороны скважинного прибора непосредственно на входе кабеля при условном выходном сопротивлении источника сигнала порядка 1 Ом, входное сопротивление приемника сигнала на выходе кабеля равно его волновому сопротивлению. Все расчеты и моделирование выполняются в системе Mathcad-2000 в цифровой форме с шагом дискретизации временных данных 0.1 мкс и частотных спектров порядка 500 и 1000 Гц в зависимости от длины временных интервалов реализации кодовых последовательностей.



Рис. 1. Кодовый протокол Манчестер-II.

На рис. 1 приведен пример кодировки четырех вариантов битовых последовательностей (нулей, единиц, чередования единиц и нулей и случайного сигнала) в протоколе Манчестер-II на входе кабеля. Основная несущая частота кодирования fT = 1/(2Тк) установлена равной 20 кГц (тактовый интервал кодирования 50 мкс). Амплитуда сигналов – в условных единицах.



Рис. 2. Сигналы на выходе кабеля.

При установленных параметрах коэффициент передачи с входа на выход амплитудных значений последовательностей единиц и нулей на данном кабеле порядка 0.15, чередования единиц и нулей - порядка 0.26. Форма сигналов на выходе кабеля для приведенного примера входных сигналов при отсутствии шумов на выходе кабеля приведена на рис. 2 (со сдвигом на временную задержку сигналов в кабеле).



Рис. 3. Спектры выходных сигналов.

На рис. 3 приведены спектры выходных сигналов. Как следует из этого рисунка, основные несущие частоты сигнала хорошо выражены только для упорядоченных последовательностей. Основная энергия случайных импульсных последовательностей распределяется по частотному диапазону от 0 до частоты порядка 1.5fo, т.е. практически по всей ширине эффективного частотного диапазона кабеля, что более наглядно видно на рис. 4, где приведены спектры для шести реализаций случайных импульсных последовательностей, зарегистрированных на 20-ти тактовых интервалах каждая.



Рис. 4. Спектры случайных кодовых последовательностей.

Первой задачей приемника на выходе кабеля является формирование стробимпульсов, синхронных по частоте с тактовой частотой передачи кода передатчиком. Спектры случайных кодовых последовательностей, приведенные на рис. 4, достаточно наглядно показывают, что основные несущие частоты случайных кодов существенно варьируют по амплитуде и не имеют взаимной корреляции. Фазы гармоник на каждой из основных несущих частот имеют два постоянных значения, различающихся на 180о, что определяется противофазностью формирования кодов 0,1 и последовательностей 01, 10, но какой-либо корреляции между этими четырьмя значениями фаз для случайных последовательностей также не имеется. Это означает, что устойчивую и достаточно надежную автосинхронизацию как по одной из основных частот, так и по их комбинации, выполнить невозможно. Практическое применение нашли фазовые методы синхронизации непосредственно по форме сигналов на выходе кабеля (например, по пересечениям нулевой линии) с учетом логики формирования кодовых сигналов.



Рис. 5. Амплитудное детектирование

Заметим однако, что различие фаз колебаний на каждой из основных частот кодовых последовательностей на 180о при нулевой постоянной составляющей позволяет простым преобразованием выходного сигнала, а именно – двухполупериодным амплитудным детектированием, получить сигнал амплитудных значений выходного сигнала кабеля, который имеет удвоенные значения основных частот с однозначным значением фаз любых комбинаций кодовых последовательностей на этих частотах. Пример амплитудного детектирования выходного сигнала для отрезка случайной кодовой последовательности приведен на рис. 5.

На рис. 6 приведены спектры сигналов после амплитудного детектирования. Как следует из этого рисунка, несущая гармоника последовательности чередования нулей и единиц и соответствующие гармоники кодов 01 и 10 в последовательностях случайных кодовых сигналов с частоты 0.5×fo перемещаются на частоту f"o = fo практически с одинаковыми значениями фазы колебаний. Соответственно, несущие частоты fo последовательностей только нулей и единиц, и непрерывных отрезков кодов нулей и единиц любой длины (начиная с минимальных отрезков 00 и 11) в случайных кодовых последовательностях с практически одинаковой фазой переходят на частоту 2f"o = 2fo. Заметим также, что на частоте 2f"o с той же фазой появляются и вторые гармоники несущей частоты f"o последовательностей чередования нулей и единиц, амплитуда которых достигает значений 1/3 частоты f"o. так и вторые гармоники первой несущей частоты при чередования нулей и единиц. Эти два фактора приводят к тому, что для случайных кодовых последовательностей амплитудные значения колебаний на новых несущих частотах f"o и 2f"o практически соизмеримы.



Рис. 6. Спектры сигналов после амплитудного детектора.

Таким образом, после двухполупериодного амплитудного детектирования сигналов кода Манчестер-II на выходе кабеля новые несущие частоты детектированных сигналов, удвоенные по отношению к старым частотам, являются однофазовыми для любых кодовых последовательностей. Это позволяет применить частотные методы построения систем автосинхронизации передатчиков и приемников. Это может быть выполнено несколькими способами.

Способ 1. По частоте f"o.



Рис. 7. Спектры кодов после амплитудного детектора.

На рис. 7 приведены спектры в диапазоне частоты f"o шести различных реализаций случайных последовательностей кодов на двадцати тактовых интервалах кодирования. Максимальные амплитуды гармоник соответствуют реализациям с большими весовыми долями кодов 01 и 10 в реализациях, минимальные (нулевые в пределе) - при полном отсутствии таких кодов в реализациях. В принципе, при непрерывной передаче информации последнее не имеет большого значения, если временная постоянная автосинхронизации задается больше длительности возможных пауз в передаче данных. При приеме данных в присутствии статистических шумов роль сигнала поддержки системы автостабилизации в рабочем состоянии в период пауз, как это будет показано ниже, могут выполнять непосредственно шумовые сигналы.



Рис. 8. Сигнал на выходе СФ на частоте f"o.

Фазовое постоянство частоты f"o любых кодовых последовательностей позволяет выделить колебания с частотой f"o узкополосным селекторным фильтром (СФ) и получить синхронизирующий сигнал (частоту синхронизации). Пример выделения частоты синхронизации селекторным фильтром приведен на рис. 8. Методы автоматической настройки селекторных фильтров на несущую частоту f"o, а равно и методы автоматического слежения за несущей частотой с определенной постоянной времени ее сохранения на интервалах отсутствия несущей частоты во входном сигнале (периоды пауз), в радиотехнике известны и хорошо отработаны. В простейшем случае, длительность временной постоянной автостабилизации может регулироваться непосредственно добротностью селекторного фильтра или шириной полосы его избирательности. Формирование стробимпульсов по выделенной частоте синхронизации также известно в самых различных вариантах. В простейшем случае это можно выполнить усилением синхронизирующего сигнала с ограничением до формы меандра.

Способ 2. По частоте 2f"o.



Рис. 9. Сигнал на выходе СФ на частоте 2f"o.

Как следует из рисунка 6, на эту частоту при двухполупериодном амплитудном детектировании сигнала на выходе кабеля с практически одинаковой фазой переходят как несущие частоты непрерывных кодовых последовательностей нулей и единиц (и их отрезков любой длины в случайных последовательностях), так и вторые гармоники первой несущей частоты кода Манчестер-II при чередования нулей и единиц (и кодовых пар 01 и 10 в произвольных кодовых последовательностях). Соответственно, частота 2f"o выделяется селектирующим фильтром в одной фазе для любой кодовой последовательности, что наглядно видно на рис. 9, в том числе и в периоды технологических пауз передачи данных (нулевых или единичных в зависимости от принятой системы передачи информационных данных).



Рис. 10. Спектры кодов после амплитудного детектора.

^ Стабильность фазовой синхронизации по частоте 2f"o можно видеть на рис. 9, где приведены спектры шести реализаций случайных кодовых последовательностей.

Частота 2f"o в 2 раза выше требуемой частоты синхронизации для формирования стробимпульсов, но кратное понижение частоты в радиотехнике также хорошо известно и может быть выполнено как в аналоговой форме, так и непосредственно при формировании стробимпульсов (усиление и ограничение частоты 2f"o до формы меандра с последующим триггерным понижением в 2 раза).

Формирование последовательности стробимпульсов целесообразно выполнять в виде меандра с положительной полярностью импульса строба в первой половине тактового интервала кодирования и отрицательной – во второй половине, т.е. стробимпульс в целом занимает полный такт и является двуполярным импульсом (один период меандра). В этом случае детектирование сигнала в двоичную (битовую) форму можно производить путем интегрирования сигнала в пределах тактовых интервалов с умножением на полный стробимпульс, т.е. значение интеграла сигнала первой половины тактового интервала суммировать со значением интеграла сигнала второй половины тактового интервала со сменой его знака. С учетом протокола кодирования Манчестер-II и формы кодовых сигналов на выходе кабеляI (рис. 2) это дает восстановление разнополярной битовой формы информации (1 – положительная полярность, 0 – отрицательная полярность).



Рис. 11. Декодирование выходных сигналов.

Пример декодирования различных кодовых последовательностей выходного сигнала по вышеприведенному методу приведен на рис. 11. Амплитудные вариации сигналов, вызываемые различной амплитудой выходных сигналов для последовательностей нулей и единиц и кодов 01 и 10, на выходе декодера нормируются по амплитуде соответствующим пороговым ограничением или логической фиксацией полярности выходного сигнала декодера при помощи нуль-детектора. На рис. 11 и на дальнейших рисунках выходные сигналы декодера приводятся без нормировки для показа вариаций значений интеграла в пределах тактовых периодов при влиянии дестабилизирующих факторов.

Контроль фазовой синхронизации фронта положительного импульса строба с началом тактовых интервалов кодирования устанавливается следующим образом. Параллельно с интегрированием сигнала в пределах такта с учетом полярности стробимпульса проводится интегрирование сигнала в пределах такта без изменения знака во второй половине такта. Переход выходных сигналов кода Манчестер-II через ноль в середине такта приводит к тому, что выходные сигналы интегрирования без изменения знака существенно меньше выходных сигналов интегрирования с изменением знака (практически нулевые для непрерывных последовательностей нулей и единиц и в 2 и более раза меньше для кодов 01 и 10). Если синхронизация нарушается (первым в фактическом тактовом интервале идет импульс строба отрицательной полярности, т.е. меандр стробирования смещается на полтакта), то значения выходных сигналов интегрирования меняются прямо на противоположные как по значениям, так и по соотношению значений, что может использоваться и для постоянного контроля правильности автосинхронизации и для немедленного восстановления синхронизации и исправления кода при сбое синхронизации.



Рис. 12. Декодирование сигнала на высоком уровне шумов.

Метод автосинхронизации тактовой частоты приемника и передатчика при использовании достаточно узкополосного селективного фильтра выделения частоты 2fo обеспечивает надежную синхронизацию на уровне статистических шумов на выходе кабеля, мощность которых может в несколько раз превышает среднюю мощность сигнала. Известные системы автосинхронизации в этих условиях полностью неработоспособны. Соответственно, интегрирование сигнала в пределах четко синхронизированных тактовых интервалов обеспечивает на высоком уровне шумов устойчивое декодирование сигналов. Предельное значение уровня шумов может определяться по устойчивости работы системы контроля за фазовой синхронизацией приемника и передатчика (разность интегралов со сменой и без смены знака на второй половине такта всегда должна иметь одну полярность).

В качестве примера на рис. 12 приведены графики приема и декодирования произвольного сигнала на выходе кабеля, средняя мощность которого по интервалу 40 тактов в 2 раза меньше мощности шумов. Ширина полосы пропускания селектирующего фильтра на частоту 2fo=40 кГц была установлена равной 2 кГц на уровне 0.5 при постоянной времени установления фильтра порядка 10 тактовых интервалов (500 мкс).



Рис. 13. Декодирование сигнала с повышенной тактовой частотой.

Возможность уверенного приема сигналов на высоком уровне шумов позволяет повысить тактовую частоту кодирования минимум в 2 раза. На рис. 13 приведен пример повышения тактовой частоты кодирования в 2.5 раза, до частоты 50 кГц. Амплитудные значения сигналов на такой частоте затухают для непрерывных последовательностей единиц и нулей в 20 раз, для чередования единиц и нулей в 8 раз. Мощность статистических шумов в пределах приведенного интервала равна средней мощности сигнала. Ширина полосы пропускания селективного фильтра, настроенного на частоту 100 кГц, в данном примере была установлена равной 5 кГц на уровне 0.5.

Как можно видеть из приведенного примера, для кодов 01 и 10 в кодовых последовательностях сигналов без шума пересечения нулевой линии для второго бита вообще не наблюдается, что является следствием резкой асимметрии импульсного отклика кабеля /5/. На работоспособности системы синхронизации это не отражается и система декодирования обеспечивает уверенное выделение информационного сигнала.


Литература.

1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы.– М.: Сов. радио, 1977.–608 с.

^ 2. Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы. Часть 2. – М.: Мир, 1988. – 360 с.

3. Сильвинская К.А., Голышко З.Н. Расчет фазовых и амплитудных корректоров: Справочник. – М.: Связь, 1980. – 104 с.

4. Стрижевский Н.З. Коаксиальные видеолинии. – М.: Радио и связь, 1988. – 200 с.

5. Мамлеев Т.С., Давыдов А.В. Импульсная пропускная способность каротажных кабелей. // Известия УГГГА. Сер. Геология и геофизика, 2002. – Вып. 15 – С. 155-166.

Предложения для работающих по данному направлению.

 

Copyright ©2004 Davydov А.V.




Похожие:

Сайт ¨ Страница iconНазвание ресурса
Портал, электронная библиотека, полнотекстовая база данных по языкознанию или литературоведению, веб-сайт профессиональной организации...
Сайт ¨ Страница iconПавел амнуэль все законы вселенной
И тогда откроется новая страница истории человечества – страница, которая будет для нас словно солнечный свет для новорожденного
Сайт ¨ Страница iconДокументы
1. /САЙТ локальные акты/локальные акты ООШ/Инструкция по делопроизводству.doc
2.
Сайт ¨ Страница iconДокументы
1. /vsn_353_86/ВСН 353 - 86/! Что такое ВСН 353-86.txt
2. /vsn_353_86/ВСН...

Сайт ¨ Страница iconСтраница программы «Белок»
При наведении мыши на ступень меню, она окрашивается в темно-зеленый цвет, благодаря чему мы точно видим на какую ступень навели....
Сайт ¨ Страница iconOverview на сайт Лист2 Sheet 1: на сайт

Сайт ¨ Страница iconПоложение об официальном сайте школы
Официальный сайт школы (далее – Сайт) – это web-узел (совокупность файлов) в сети Интернет, наполняемый официальной информацией образовательного...
Сайт ¨ Страница iconРешение за счёт реализации высокого потенциала новых информационных технологий
Официальный сайт школы (далее Сайт) это web-узел (совокупность файлов) в сети Интернет, наполняемый официальной информацией образовательного...
Сайт ¨ Страница iconДокументы
1. /На сайт по аттестации педкадров/Приказ о порядке аттестации -209 от 24.03.2010.doc
Сайт ¨ Страница iconОт 20 мая 2008 года Положение о школьном сайте Общие положения
Школьный Web-сайт (далее сайт) создается с целью активного продвижения информационных и коммуникационных технологий в практику работы...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов