基于电力线载波技术的测井通信系统设计﹡

杜 坚， 彭 熙﹡﹡， 王其军， 文翔宇， 白 翔

（①西南石油大学 电气信息学院，四川 成都 610500；②西南石油大学 石油工程学院，四川 成都 610500；③西南油气田分公司，四川 成都 610400）

0 引言

在石油天然气勘探开发过程中时常会用测井获取地层的物理性质、化学性质、地层结构及井身几何特性等各种地质信息及工程技术资料，作为油、气井开发的原始数据。测井的井场作业由地面仪器、绞车、测井电缆和井下仪器等组成。通过测井电缆把井下仪器放到井底，在提升测井电缆过程中由井下仪器完成测量，同时测井电缆还负责地面仪器与井下仪器之间的数据交互及电源供给。本系统基于OFDMA电力线载波技术，可同时完成下传供电和上传信号。

1 测井电缆信道分析及OFDMA技术

1.1 测井电缆信道分析

单芯测井电缆中心为一根铜质芯线，最外层为钢丝铠装，芯线与铠装之间是一层绝缘介质，是一种典型的双线传输线。单芯铠装电缆作为双线传输线的一种，其信号传输特性可由传输线的特性阻抗ZC和传输常数γ决定[1]：

式中，衰减系数α和相移系数β分别为：

其中主要参数 r：单位长度电缆的阻抗（Ω/m）；l：单位长度电缆的电感（H/m）；g：单位长度电缆的电导（S/m）；c：单位长度电缆的电容（F/m），分别为[2]：

式中，f（Hz）为频率，μ（H/m）为内外导体间介质磁导率，μC（H/m）为导体磁导率，σ（S/m）为内外导体间介质电导率，σC（S/m）为导体电导率，ε（F/m）为介质材料的介电常数，a和 b分别为内导体外径和外导体内径。

当传输线的结构、材料和环境温度确定，根据式（1）可以仿真出电力线特性阻抗随频率变化的曲线。可以得出其特性阻抗的特点：特性阻抗的模值随频率而变；传输线的特性阻抗一般呈容性，当频率很高时，由于容抗分离所占比重极小，可近似认为传输线具有电阻性的特性阻抗。

由此，可以建立如图1所示的单芯电缆测井通信系统简化信道模型，ZC为测井电缆电力线等效阻抗，Zf是井下仪器的等效阻抗。

图1 单芯电缆测井通信系统简化信道模型

根据上述信道模型和式（2），对不带负载和带有负载的长度为500 m、1000 m、2 000 m、3 000 m的低压电力线的衰减特性分别进行仿真研究。可知，信号的衰减与传输距离、频率、负载有关[3]。传输距离越远，信号的衰减越大；信号频率越大，衰减也越大；负载随机变化，信号衰减也会随机地发生变化。因此测井电缆电力载波通信信道模型和当前电网载波通信信道模型类似，可将低频电网载波通信技术应用于 测井电缆电力载波通信。

1.2 正交频分多址OFDMA工作原理

正交频分复用技术（OFDM）是在高噪声信道（例如，电网）中大量传送数字信息的一种主要技术。该技术是将一个信号分成多个子信号，再以不同的正交频率进行同步传送。随后，每条子信号（较小的数据流）被映射给相应的数据子载波，并利用类型适宜的PSK（相移键控）或 QAM（正交幅度调制），即 BPSK和QPSK进行调制。除了具有较高的频谱效率而外，OFDM系统还能够减少信号传输中的串扰，并有效克服因多路径引起的干扰和频率选择性衰减[4]。

OFDMA是OFDM技术的多用户版本。OFDMA技术与OFDM技术相比，每个用户可以选择通道条件较好的子通道进行通信，而不像OFDM技术在整个频带内发送，从而保证了各种子载波都被对应通道条件较优的用户使用，获得了频率上的多用户分集增益，如图2所示。

图2 OFDM技术和OFDMA技术对比

一个OFDMA系统的结构非常复杂，软件上通常是采用离散傅里叶变换来实现多个载波的调制，硬件上通常采用FPGA完成对信息的调制和解调，需要对发送的信息进行扰码、RS编码、星座映射、QAM调制、IFFT处理和插入循环前缀等处理[5-6]。其设计的难度较大，效果不理想，从而限制了其进一步推广使用。本设计采用Semitech半导体公司的SM2200芯片，仅需要MCU通过SPI配置其寄存器即可实现复杂的OFDMA通信，其优势不言而喻。

2 系统设计

2.1 硬件系统设计

本设计由地面仪器、地面通信接口模块、单芯电缆、井下通信接口模块、井下仪器组成。地面仪器经地面通信接口模块，通过电力线载波的串行通信方式经单芯电缆发送、接收数据包，实现对井下仪器的监控。只有地面通信接口模块与井下通信接口模块成功握手，井下仪器才执行收到的指令和操作。同时井下仪器完成对井下数据的采样及处理，并将相应信息数据包通过电力线载波反馈至地面仪器，以此充分了解井下信息。整个系统如图3所示。

发送信号过程：地面仪器或井下仪器将要发送的数据信号送入各自的通信接口模块，ATmega16单片机完成数据信号的接收、存储和转发，转发的信号在SM2200内进行调制后，输出已调信号。经功率放大器放大后，耦合进入测井单芯电缆电力线。

图3 基于电力线OFDMA载波技术的单芯测井电缆通信系统

接收信号过程：由测井单芯电缆电力线传来的信号，首先经过电力线耦合进入接收电路，将信号调理后，在SM2200内部完成解调处理，得到原始数据，再经单片机送至地面仪器或井下仪器。

（1）主控制器。本系统采用的是ATMEL公司的ATmega16单片机，这是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期的指令执行时间，使它的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz。

ATmega16有丰富的外设，包括两个可编程的串行USART、可工作于主机/从机模式的SPI串行接口、JTAG接口以及多达 21种中断源，完全满足设计需求。同时，其工作温度为-55～+125℃，能确保它在深度小于3 500 m的油井中正常工作。

（2）SM2200。SM2200是Semitech半导体公司推出的业界首款基于OFDMA技术的电力线载波通信芯片。它内置了一个具备简单物理层通信协议的完整数据包调制解调器，采用 18个载波通道、54个子载波进行数据传输[7]，每个载波通道的工作频率和调制方式可由微控制器通过SPI接口编程控制。本系统采用它实现信号的调制、解调及收发。

SM2200的载波频率为5～500 kHz，调制方式包括BPSK-1、BPSK-3、QPSK。它通过先进的调制技术和信号处理技术，不仅解决了速率的自适应调整问题，还能够实现“频率捷变”。可根据不同的噪声环境，自动选择最高效率的传输频率。并且采用了多址架构设计，实现了多节点并发通信。

它的设计兼顾电力线载波通信的高速和高可靠性，在电力线上噪声和衰减小的时候，采用18个信道分别传送18组不同的数据，并采用QPSK调制方式，以获取最高达175 kb/s的通信速率；相反，当电力线上噪声和衰减大的时候，采用18个信号传送同一组数据，采用BPSK-1调制模式，以获得最大的可靠性。同时,SM2200还具有传输功率自动调校和错误自动纠正功能。

（3）输出信号放大及滤波电路。功率放大电路主要是将SM2200芯片产生的载波调制信号，进行功率放大后输出到耦合电路中。载波信号由SM2200芯片11脚输出后，通过其集成的运放先一级放大，再经过运放OPA564进行二级放大，最后通过电感和电容完成整形滤波后输出到耦合电路。电路如图4所示。

图4 输出信号放大及滤波电路

（4）耦合电路。耦合电路主要由安规电容和耦合线圈构成。耦合变压器T1和电源模块中的电源变压器T2串联工作，使T1上的电压是安全电压。由于低压电网的工频（50 Hz）和本系统采用的载波频率（50～500 kHz）至少相差1000倍，因此安规电容和耦合线圈原边电感对这两种频率信号的阻抗各不相同。对于工频信号，安规电容的阻抗远大于线圈原边电感的阻抗，所以安规电容承担了电力线上的交流电压；对于SM2200输出的信号，线圈原边电感的阻抗远大于安规电容的阻抗，所以系统信号几乎都加在了耦合线圈上。该电路能把工频信号与SM2200输出的系统信号叠加和分离开来。为了在电力线瞬间高压的情况下起到保护系统的作用，电路中加入压敏电阻；而瞬态抑制二极管采用的是SMBJ7.0CA，最大双向钳位为 12 V，对电路的进行浪涌保护。

（5）接收信号调理电路。接收信号调理电路主要由 SM2200内置的 AGC和运放、NPN型晶体管BCB847B和谐振回路组成。它们从耦合电路输入的信号进行选频、去噪处理，再将调理后的有效信号放大并送入SM2200解调。电路如图5所示。

图5 接收信号调理电路

2.2 软件设计

该系统软件用C语言编写，并全部采用模块化编程。该部分的软件编程中，地面通信接口模块与井下通信接口模块的软件实现是重点。

地面接口模块要求单片机接收、转发地面仪器的数据信号，并驱动SM2200调制发往井下仪器的数据信号和解调从测井电缆中收到的信号。软件系统流程图，如图 6（a）所示。井下通信接口模块要求单片机接收、转发井下仪器的数据信号，并驱动 SM2200调制发往地面仪器的数据信号和解调从测井电缆中收到的信号。软件系统流程图，如图6（b）所示。

图6 软件流程

3 结语

随着通信技术和大规模集成电路的不断发展，电力线OFDMA载波通信系统将日趋完善，以其高效的频谱利用率，优质的性能和灵活的参数配置，已在多个领域得到应用。将电力线OFDMA载波通信技术运用于测井电缆通信系统中，可提高通信稳定性，提升数据传输速率（数据传输率最高可达175 kb/s）和降低设备成本。该通信技术以其高数据传输速率、高稳定性和强抗噪声性能足以满足测井通信工程要求。

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[7] Semitech公司.SM2200 Product Brief[EB/OL].(2011-05-01)[2012-11-10].http://www.semitechsemi.com/solutions/sm2200.php.