10

Сигналы и линейные системы

Тема 16: сИнхронизация кода манчестер-II на выходе каротажного кабеля

Всякое предсказание зла только тогда доброе дело, когда сопровождается советом, как это зло отвести.

Марк Туллий Цицерон. Римский философ и политик, I в.д.н.э

Однако советы в технических вопросах могут приносить вред. Настоящее решение обычно всегда неожиданное и простое.

Валерий Самойлин. Геофизик и радиоинженер Уральской школы, XX в.

Содержание: Введение. 16.1. Исходные условия передачи данных. Код Манчестер-II. Спектры выходных сигналов.16.2. Методика формирования выходных строб - импульсов. Амплитудное детектирование. Выделение несущих частот.16.3. Декодирование выходных сигналов. Формирование последовательности строб – импульсов. Контроль фазовой синхронизации.Литература.

Введение.

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 сдерживает развитие и совершенствование технологий ГИС.

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 _ки эффективная длительность импульсного откликаТ_ктокопроводящих жил кабеля. Максимальная скорость передачи по кабелю кодовых импульсов без применения устройств частотной коррекции передаточной функции кабеля ограничивается тактовой частотой f_T= 1/(2Т_к) 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 условиях существенного влияния различных дестабилизирующих факторов в процессе каротажа, которые могут вызывать значительные вариации тактовой частоты передачи данных, для надежной передачи информации используются, в основном, коды с автосинхронизацией тактовых частот передатчика и приемника, среди которых наибольшее распространение получил код Манчестер-II.

16.1. Исходные условия передачи данных.

Код Манчестер-II является биполярным двухуровневым 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/км, 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 Т_к порядка 25 мкс. Мера эффективной длительности - вторые моменты функций распределения отклика и спектра /22/. Сигналы будем моделировать со стороны скважинного прибора непосредственно на входе кабеля при условном выходном сопротивлении источника сигнала порядка 1 Ом. Входное сопротивление приемника сигнала на выходе кабеля примем равным его волновому сопротивлению. Все расчеты и моделирование выполняются в системе Mathcad 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. Вычисления выполняются по методике, рассмотренной нами в предыдущих лекциях по каротажным кабелям. Амплитуда входных сигналов условно принята равной 1.

Рис. 16.1.1. Сигналы в кодовом протоколе Манчестер-II.

На рис. 16.1.1 приведен пример кодировки четырех вариантов битовых последовательностей (нулей, единиц, чередования единиц и нулей, и произвольного случайного сигнала) в протоколе Манчестер-II на входе кабеля. Основная несущая частота кодирования f_T = 1/(2Т_к) установлена равной 20 кГц (тактовый интервал кодирования 50 мкс).

Рис. 16.1.2. Сигналы на выходе кабеля.

Для принятых первичных электрических параметрах кабеля 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. 16.1.2 (со сдвигом на временную задержку сигналов в кабеле).

Рис. 16.1.3. Спектры выходных сигналов.

Спектры выходных сигналов приведены на рис. 16.1.3. Как следует из этого рисунка, основные несущие частоты сигнала хорошо выражены только для упорядоченных последовательностей. Основная энергия случайных импульсных последовательностей рассосредотачивается по частотному диапазону от 0 до частоты порядка 1.5f_o, т.е. практически по всей ширине эффективного частотного диапазона кабеля, что более наглядно видно на рис. 16.1.4, где приведены спектры для шести реализаций случайных импульсных последовательностей, зарегистрированных на 20-ти тактовых интервалах каждая.

Рис. 16.1.4. Спектры случайных кодовых последовательностей.