阅读说明：本技术 一种测井电缆上数据传输系统 (Data transmission system on logging cable ) 是由 张涛 田恒 张波 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种测井电缆上数据传输系统,包括通过电缆通信的地面设备和井下设备,电缆中的信道包括主信道、若干辅信道和若干耦合信道；其中,主信道：在上行时隙,与辅信道共同传输上行数据；在下行时隙,单独传输下行数据；辅信道：在上行时隙,与主信道共同传输上行数据；在下行时隙,不传送任何数据；耦合信道：在上行时隙,耦合其他信道上传输的信号以辅助解调上行数据。本发明利用主信道传输下行数据,多信道共同传输上行数据,有效提高了数据传输的速率和可靠性。(The invention discloses a data transmission system on a logging cable, which comprises ground equipment and underground equipment which are communicated through the cable, wherein channels in the cable comprise a main channel, a plurality of auxiliary channels and a plurality of coupling channels; wherein, the main channel: in the uplink time slot, uplink data is transmitted together with the auxiliary channel; in the downlink time slot, independently transmitting downlink data; auxiliary channels: in the uplink time slot, uplink data is transmitted together with the main channel; in the downlink time slot, no data is transmitted; coupling the channels: in the uplink time slot, signals transmitted on other channels are coupled to assist in demodulating the uplink data. The invention utilizes the main channel to transmit the downlink data, and the multi-channel transmits the uplink data together, thereby effectively improving the speed and the reliability of data transmission.)

一种测井电缆上数据传输系统

技术领域

本发明涉及一种测井电缆上数据传输系统，属于信号传输领域。

背景技术

在石油钻井测井过程中，数据传输系统包括地面设备和井下设备。地面设备通过图1所示的铠装7芯电缆对井下设备(各种电机和设备)供电，铠装电缆中任何一对缆芯或任何一个缆芯与金属外壳都可以组成一个通信回路，因此该电缆还用于地面设备和井下设备间的数据通信。地面设备通过电缆给井下设备发送各种指令(即下行数据)；井下设备在上提或下放过程中根据指令所采集的各种数据(即上行数据)通过电缆传输至地面，供记录、分析和显示用。现有系统采用一个通道进行上下行数据传输，存在数据传输速率低的缺陷。

发明内容

本发明提供了一种测井电缆上数据传输系统，解决了背景技术中披露的问题。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：

一种测井电缆上数据传输系统，包括通过电缆通信的地面设备和井下设备，电缆中的信道包括主信道、若干辅信道和若干耦合信道；

其中，

主信道：在上行时隙，与辅信道共同传输上行数据；在下行时隙，单独传输下行数据；

辅信道：在上行时隙，与主信道共同传输上行数据；在下行时隙，不传送任何数据；

耦合信道：在上行时隙，耦合其他信道上传输的信号以辅助解调上行数据。

井下设备包括发送单元和接收单元；井下设备的接收单元通过主信道接收一路下行数据，井下设备的发送单元通过主信道和辅信道发送多路上行数据；

地面设备包括发送单元和接收单元；地面设备的发送单元通过主信道发送一路下行数据，地面设备的接收单元通过主信道、辅信道和耦合信道接收多路上行数据。

电缆中的缆芯和外壳组成通信回路；其中，受干扰最小的通信回路为主信道；按照上行信道容量最大化的原则，从其余通信回路中选择若干作为辅信道，再从剩余通信回路中选择若干作为耦合信道。

在信道中传输数据的方式为时分复用。

上行时隙大于下行时隙。

每个信道上数据传输的通信帧前导序列各不相同，各前导序列由相同的多个基本前导符号经过不同的正交序列调制而成。

主信道前导序列的正交调制序列有且只有一次符号跳变。

本发明所达到的有益效果：1、本发明采用主信道传输下行数据，采用多信道传输上行数据，有效提高了上行数据传输的速率和可靠性；2、本发明采用时分复用的数据传输方式，避免了现有空分和频分方式中上下行通信间的相互串扰，同时大大简化了井下通信终端。

附图说明

图1为铠装7芯电缆的截面图；

图2为本发明的系统结构示意图；

图3为通信帧的结构示意图；

图4为下行通信发送端结构示意图；

图5为IFFT调制模块结构示意图；

图6为下行通信接收端结构示意图；

图7为上行通信发送端结构示意图；

图8为上行通信接收端结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图2所示，一种测井电缆上数据传输系统，包括通过电缆通信的地面设备和井下设备，电缆为如图1所示的铠装7芯电缆，缆芯和外壳可以组成7路通信回路，每一路通信回路为一信道，地面设备和井下设备通过信道进行上下行数据传输，其中，下行数据采样传统的单输入单输出方式，上行数据采用MIMO多输入多输出方式，因此这里的信道具体包括主信道、若干辅信道和若干耦合信道；其中，各信道数量的选择需根据不同的通信速率要求和成本考虑，在最小配置中只有一个主信道。

主信道：在上行时隙，与辅信道共同传输上行数据；在下行时隙，单独传输下行数据。

在铠装电缆中，通常中央缆芯(即缆芯7)和外壳组成的通信回路信道质量最好，即该信道的容抗、感抗以及电阻都适合宽带高速信号的传输，它所受到的干扰也最小。根据我们的实际测试，在电缆长度为7千米，所有井下设备全负荷运行的情况下，该信道的容量是由缆芯1和4所构成回路(有负载)的3倍左右。因此一般将中央缆芯和外壳组成的通信回路作为主信道。由于地面和井下的设备配置不同，也有可能导致的其它某个通信回路受干扰更小。此时也可用采用其它的通信回路作为主信道。当然，如果系统不需要很高的通信速率，也可用其它缆芯构成的回路作为主信道。

辅信道：在上行时隙，与主信道共同传输上行数据；在下行时隙，不传送任何数据。按照上行信道容量最大化的原则，根据通信速率和成本的要求，在除主信道外的其余信道中选择若干作为辅信道。

耦合信道：在上行时隙，耦合其他信道上传输的上行数据。从除主信道和辅信道外的剩余信道中选择若干作为耦合信道，耦合信道在发送端没有连接设备，耦合信号在地面部分可以为多信号解调提供帮助。

在信道中采用时分复用方式传输数据，让上行主信道和下行信道共享同一个信道参数较好的传输回路，共用一个传输性能好的频段。分配的下行时隙较小而上行时隙较大，即上行时隙大于下行时隙时，在上行时隙中利用主信道和辅信道传输上行数据。

如图3所示，信道上数据传输的通信帧包括前导系列、若干控制符号和若干数据载荷符号，这里的符号是指一个OFDM Symbol(由1024点IFFT产生)。根据通信系统的不同要求，一个帧可能只有前导序列，或前导序列+控制符号，或前导序列+控制符号+载荷符号。前导序列用来实现通信模块的同步定时、AFC(自动频率控制)、AGC(自动增益控制)、信道估计等功能。其中，同步定时可以在时域采用序列相关操作完成；为了在上行通信同时进行多个信道的信道估计，每个信道上传输的是由相同基本前导符号经过不同的正交序列调制而成的不同前导序列；主信道前导序列的正交调制序列有且只有一次符号跳变，以便于接收端的帧同步。

前导序列由8个前导符号组成，每个符号由1024个实数元素组成，符号和符号间无保护间隔，无循环前缀。前导符号分为正前导符号和负前导符号，分别由一个基本前导符号乘以1或-1得到。下行信道和上行主信道中的前导序列是相同的。前4个为正前导符号，后4个为负前导符号。这个序列可以表示成A₁是一个8元素的序列＝[1 1 1 1 -1 -1 -1 -1]，B是一个由1024个实数元素组成的序列，被称作基本前导符号，表示科罗内克乘积，其结果是一个8192个实数信号序列。基本前导符号由1024个实数组成，可以由频域信号经过IFFT产生，该频域信号必须是实部偶对称，虚部奇对称的复信号。而该频域信号只是在信道所使用的频段和镜像频段所对应的子载波上有非0值，而在其他子载波上为0。为便于同步，要求其时域的自相关特性比较好。主前导序列有且只有一次符号跳变，这有利于接收端进行帧同步。

为便于信道估计，各个信道上的前导调制序列是正交的，即第m个信道上的前导序列表示为

所有的A是正交的，即：

A*A^T＝8*I

其中，I是M×M的单位矩阵。

序列A可以采用8×8Hadamard矩阵的行向量表示，如，主信道的A₁＝W₈(4)＝[1 1 11 -1 -1 -1 -1]，其它的辅信道，可以采用其它的行向量表示。如果系统中主信道和辅信道的总数小于或等于4个，在满足AFC、AGC、帧同步和信道估计的要求的前提下，前导序列也可由4个前导符号组成来增加信道通信速率。这时A可以采用4×4Hadamard矩阵的行向量表示，如，主信道的A₁＝W₄(2)＝[1 1 -1 -1]，其它的辅信道，可以采用其它的行向量。如果系统需要增加AFC、AGC、帧同步和信道估计的性能，可以在8个正交前导符号之前或之后增加更多的前导符号。

井下设备包括发送单元(包括多个IFFT变换模块及模拟前端)和接收单元；井下设备的接收单元通过主信道接收一路下行数据，井下设备的发送单元通过主信道和辅信道发送多路上行数据；地面设备包括发送单元和接收单元(包括多个模拟前端和FFT变换模块)；地面设备的发送单元通过主信道发送一路下行数据，地面设备的接收单元通过主信道、辅信道和耦合信道接收多路上行数据。

上述系统下行通信采用传统单输入单输出OFDM调制方法，在上下行通信中，FFT和IFFT的长度均为1024点，ADC和DAC时钟频率均为5MHz，使用频段在10KHz到1MHz范围内配置。如图4所示，一帧下行数据的载荷比特或控制比特，首先经过CRC校验码计算及***，然后进行TURBO编码，采用1/2编码速率，编码输出进行信道交织，随后进行比特拷贝(比特拷贝有两个作用，一是对输入的比特进行重复，增加信息比特的信噪比，二是将编码后的比特数根据信道的物理速率进行调整)，比特拷贝输出的数据进行调制，调制方式可以是BPSK、QPSK、16QAM、64QAM等，调制的结果是复数信号，该复数信号和其共轭信号一起进行IFFT变换，变换的结果是实数信号，在***保护间隔后，再经DAC、放大等模拟前端器件耦合到信道上并发送出去。

如图5所示，在控制符号和载荷符号发送前需要先传送前导序列。前导序列中的基本前导符号可以预先以时域信号的形式存储在存储器中。一连串的基本前导符号经过正交序列调制形成的前导序列经DAC、放大等模拟前端器件耦合到信道上并发送出去。如图6所示，下行通信的接收单元采用的是传统的OFDM接收器。

如图7所示，上下行通信的区别在于，上行通信有多个信道可以传输数据，而且数据量大。上行通信中的比特拷贝/分配功能代替了下行通信的比特拷贝功能。比特拷贝/分配不仅需要对比特进行重复拷贝，而且还需要根据不同信道的物理速率进行分配。而每个信道上的调制方式也是不同的，且自适应于信道质量。

如图8所示，上下行通信的区别在于，上行通信接收单元可以接收多个信道上的数据。由于上行通信中所有信道上的信号是同步的，使得同步检测只需在主信道上进行。信号检测和解调后的输出进行比特叠加/合并处理，最后经过信道解交织或逆信道交织、TURBO译码、CRC交验后输出。

下行信道是单输入单输出通信，比较简单，其信道估计的算法和解调算法在这里不详细描述。

上行信道传输的信道估计：由于IFFT是线性变换，在同一个子载波上，组成各个信道前导序列的8个频域符号的复数序列也是互相正交的。假设C是基本前导符号的频域数值，上行主信道第k个子载波的8个频域前导序列可以表示为A₁*c_k，c_k是已知标量，则所有M个信道上的所有前导频域序列可以表示为A*c_k(是M×8的矩阵)，所以

(A*c_k)*(A*c_k)^T＝8*I*|c_k|²

上行信道传输是多输入多输出通信，如果第k个子载波的信道(包括发送单元的IFFT变换和接收单元的FFT变换)以矩阵H_k表示(是N×M矩阵)，发送单元发送的前导频域序列是已知的，接收单元FFT变换之后在第k个子载波上输出的信号Y_k(是N×8的矩阵)，接收单元观察到的噪声和干扰矩阵Z_k(是N×8的矩阵)，即：

其中，h_k,n,m表示在第k个子载波上第m个发送信道上的频域信号经过IFFT变换、通信回路、收端FFT变换到达第n个接收信道的信道响应，是一个复数。

则

Y_k＝H_k*(A*c_k)+Z_k

在高信噪比的情况下，可以采用LS方法估计H_k，在接收端估计的信道为：

进一步，

上述信道估计方法相当简单，为了提高估计的准确性，也可以采用其它方法计算，如最小均方MMSE等。

上行通信接收中采用传统的Linear MMSE进行信号解调。当上行信道传输数据时，如果把发送端第k个载波上所有M个信道所传输的数据记作S_k(IFFT变换之前，M个元素的列矢量)，把接收端第k个载波上所有N个信道(主信道、辅信道和耦合信道)FFT变换之后的信号记为R_k(N个元素的列矢量)，噪声或干扰记作W_k(N个元素的列矢量)，则有：

R_k＝H_k*S_k+W_k

根据Linear MMSE算法，得到解调的信号为：

其中，C_s、C_n分别是S_k和W_k的自相关矩阵。

上述系统以非对称半双工模式进行工作，载波频段为100KHz至300KHz，且可以根据实际载荷的干扰和电缆的性能进行调整。系统工作时，其运行时间的90％用于上行通信，运行时间的10％用于下行通信，时段的分配可调。

上述系统采用主信道传输下行数据、多信道传输上行数据的传输方式，有效提高了数据传输的速率和可靠性；上述系统采用的数据传输方式为时分复用，避免了现有空分和频分传输方式中存在的上下行通信间互相串扰的问题，使得通信系统可以复用部分软硬件，大大简化了通信终端。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。