基於OFDM的測井數據傳輸電路論文

隨着油田測井儀器的發展，大量井下儀器的數據需要實時地傳送到地面儀器中。本文通過正交頻分複用技術，充分利用單芯電纜的頻帶寬度，提高了電力載波上的通信速率。本文對單芯同軸測井電纜進行了理論分析及仿真，對正交頻分複用的基本原理進行了介紹。在此基礎上，設計了一種基於OFDM技術的測井數據傳輸電路。電路主要由耦合電路、濾波電路、模擬前端電路、調製解調電路、接口電路組成。試驗表明，通過該電路的調製與解調，測井電纜可以在電力傳輸的同時，提供高速、可靠的通信。

測井是油氣田勘探開發過程中取得地質信息、檢測井壁破損情況的重要手段之一[1]。一個完整的測井系統包括採集、傳輸、分析、儲存等功能，主要由井下儀器、數據傳輸、地面儀器、輔助設備等四部分組成。隨着測井技術的飛速發展，大量的井下儀器需要將數據實時傳送到地面儀器中[2]。在井下傳輸數據時，纜線成本和機械強度限制了多芯電纜的應用，所以生產測井中多使用單芯電纜。單芯電纜在提供井下儀器供電的同時，還需要實現井下儀器與地面設備的數據傳輸與命令控制。測井電纜信道環境惡劣，因此測井電纜傳輸數據可用的頻帶範圍比較窄。為了傳輸大量測井信息，充分利用電纜的頻帶寬度，提高信息的傳輸速率，採用正交頻分複用技術(OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing)來解決這些問題。

一、測井電纜信道分析及仿真

要設計合理的通信電路，首先要研究信道的頻率和幅值特性，分析出適合單芯電纜的頻率及帶寬，確保接收信號與發送信號在頻率和相位上保持同步。單芯同軸電纜由中心絞合線、塑料絕緣體、網狀導電層和電線外皮構成，同軸電纜的優點是可以在相對長而且無中繼器的線路上支持高速通信。根據電磁波理論，當電纜的軸向長度大於或相當於電磁波波長時，傳輸線應按具有分佈參數特性進行處理[3]。根據中長距離測井電纜一般在3km的長度計算

?min=c/λmin=3×108/3000=100kHz

當載波頻率大於等於100kHz時，則單芯電纜可以按具有分佈參數的雙絞線來建模[4]。

根據集總理論，當電纜長度要遠小於工作時的電磁波時，可以把元件的作用集總在一起，用一個或有限個RLC元件加以描述。將3千米的單芯電纜劃分為每100米為一個小節，每小節電路的集總參數作為均勻傳輸線的參數[5]。經測量數據得知中心絞合線電阻R1=32(mΩ/m)、電感L1=16(nH/m)、網狀導電層電阻R2=3.2(mΩ/m)、電感L2=16(nH/m)以及電纜對地電容C1=126(pF/m)。每100m為一個小節，共由30個小節組成。通過仿真結果來看在頻率為1MHz處幅度衰減大約為-30dB。2MHz～100MHz相位角變化較小。

二、正交頻分複用(OFDM)基本原理

正交頻分複用的基本思想是將串行數據並行地調製在多個正交的`子載波上，這樣可以增大碼元的符號週期，提高系統的抗衰落和抗干擾能力。同時由於每個子載波的正交性，即在一個符號週期內，任何兩個子載波的乘積等於零，這樣即使子載波之間相互重疊，也能無失真的復原，提高了帶寬的利用率。雖然每個子載波的傳輸速率並不高，但是所有子信道加起來將會獲得很高的數據傳輸速率[6]。

三、基於OFDM傳輸電路設計

通過對信道及測井環境的分析和對多款通信芯片的對比，本文主要介紹基於INT5500的調製解調設計實現。測井電力線通信模塊總體框圖如3-1圖所示。

圖1 測井電力線通信模塊總體框圖 圖2 INT5500與物理層接口電路

INT5500是由Intellon公司生產的最高速率85Mbps電力載波芯片，該芯片採用OFDM技術進行調製，通過修改內部寄存器，可以選擇QAM 256/64/16、DQPSK、DBPSK和ROBO方式進行編碼。而且通過對信道噪聲的監測，可以對子載波進行自適應控制，並在非通信時進入低功耗狀態[7]。

該芯片有兩種工作方式。Host/DTE方式可以通過MII接口連接符合IEEE802.3u標準的以太網物理層芯片。PHY方式下INT5500類似於以太網物理層芯片，它可以連接帶MII接口的MCU。本設計地面儀器需要與上位機連接，通過物理層芯片IP101轉換後可以直接連接以太網，用Host/DTE方式。井下儀器可以直接與STM32F107的MII接口相連，將採集的數據通過數據鏈路層傳給INT5500，用PHY方式。INT5500有兩種啟動方式，從外部Flash啟動和主機控制啟動。從外部啟動無需外部控制器控制，修改對應寄存器即可修改功能。外部Flash選用25P10VP，用於存儲物理地址及參數等信息[8]。

INT1200是INT5500的模擬前端，該芯片包含一個8位的100MSPS數模轉換器和10位的50MSPS模數轉換器，並且內部集成程控增益放大器，對衰減信號進行非線性補償。IP101ALF是一個IEEE 802.3/802.3u兼容的單端口10/100Mbps快速以太網收發器。它支持自動的MDI/MDIX功能以簡化網絡安裝和減少系統維護成本。IP101A還提供媒體獨立接口(MII)/串行網絡接口(SNI)或簡化媒體獨立接口(RMII)連接不同類型的10/100Mbps的媒體訪問控制器(MAC)。圖3-2為INT5500與物理層接口電路。

接收電路中濾波器由低通和高通濾波電路組成帶通濾波器，接收HomePlug協議的載波頻率[9]。由於測井電纜對信號產生衰減，模擬前端電路除了需要對發送信號進行濾波外，還需要對信號進行放大處理。放大器選用寬帶高輸出電流運算放大器OPA2674，該芯片包含兩個低畸變、高速電流放大器，工作頻帶寬度可達220MHz，翻轉速率可達到2000V/us，輸出最大電流為500mA，並提供±800mA的電流輸出控制。

信號耦合電路選用高頻電容來連接信號的輸入輸出與測井電纜，耦合變壓器實現了信號線阻抗變換的作用。由耦合電容和耦合變壓器初級線圈組成高通濾波電路，阻止了直流及工頻信號。由於井下高温高壓，為防止漏電、雷擊、開關衝擊等，壓敏電阻和瞬態抑制二極管用來保護耦合電容和耦合變壓器。對於耦合變壓器的設計，將初、次級線圈繞在環形鎳鋅鐵氧體上，匝數少，匝間距大，以減小線圈的漏感和分佈電容。

井下電源部分由於電纜電壓損耗和井下空間限制，電纜採用36V直流供電。井下儀器由DC-DC開關電源和線性電源構成，提供5V、3.3V、2.5V、1.8V，其中2.5V網絡變壓器均衡電壓由IP101提供。

四、電路實測結果

通過同種阻抗的400米電纜上進行測試，該電路可以實現在電力線上穩定通信。該電路可以通過TCP/UDP協議進行通信，平均通信速率不小2Mbps。

五、結束語

利用單芯同軸電纜進行井下測量，可以節約纜線成本。但是，由於纜線長度較長，信道帶寬較窄，使得傳統載波通信速率受到限制。隨着OFDM技術的發展與應用，由於其頻譜利用利用率高，可以很好地解決上述問題。本文通過對測井電纜的分析，設計了一種基於OFDM的測井數據傳輸電路。經調試與測試，該方案可以用在測井供電的電纜上進行通信。電路簡單、實用，在電力線載波高速通信設計中具有參考價值。