张 爽，王智明，张 峥

(中海油田服务股份有限公司，北京 101149)

钻井液脉冲传输方式包括正脉冲、负脉冲、连续波三种方式，连续波脉冲器作为一种新兴的泥浆脉冲发生器，具有数据发送效率更高的绝对优势[1-2]。其实现方式是将井下传感器测量到的信号编码，由驱动控制电路驱动脉冲器转子转动，转子相对于定子产生截流效应，使钻杆内泥浆产生压力脉冲形成连续的正弦压力波，在地面通过压力传感器检测压力变化，经过解码得到测量数据，通过终端显示。由于其结构复杂，频响效果受管路影响较大，该种方式获得的信号信噪比更低，译码难度更大，对信号处理系统要求较高。高速率泥浆脉冲随钻数据传输系统正是应对这种新型摆动阀脉冲器而研制的信号传输系统。包含从信号的调制、发送、传输、接收及解码的全过程。该系统模块框图如图1所示。

1 调制过程

井下数据信息经过调制后方可通过脉冲器驱动泥浆传送到地面接收系统，数字信号三种最基本的调制方式为调幅、调相、调频。对于泥浆脉冲信号遥传系统，在保证数据传输效率的前提下需要具有较高的抗噪性，同时需要考虑电机的性能，如调制波形是否平滑，电机功耗是否满足等问题[3-4]。从振幅键控、相移键控、连续相位频移键控进行了调制方式设计。

1.1 振幅键控

OOK调制方式的优点为波形简单，对电机频率要求适中；在同等转子摆动频率下，数据传输效率较高；波形区分度大，有利于解码。其缺点为在连续发送数据“0”时需要在低位停留，影响底压变化，且由于采用幅度调制，受噪声和长距离传输的衰减影响较为明显。另外，OOK调制方式所发生信号的频带分布较广，给频率域消噪带来了较大限制。在泵噪周期性较为稳定的情况下，此种调制方式可以实现较高比特率低误码率的实时解调。

1.2 相移键控

相移键控PSK(Phase Shift Keying)有三种方案：零点调相PSK，等待调相PSK及多周期调相PSK。

零点调相PSK调制方式的相位总是在波形的零点发生改变。设发送数据流序列为an(n=1,2,3,…,n)，则零点调相PSK调制方式对应的调制信号可表示为：

(1)

因此，发送“1”时，波形相位为0°，发送“0”时，波形相位为180°，调制波形如图3所示。

该种调制方法优点在于，可降低底压变化对数据解调的影响，且波形在相位上的区分度非常大，具有较强的抗噪性。其缺点在于，因泥浆脉冲压力波形与电机摆动角度并不呈现线性关系，该波形正确发生存在较大难度，容易造成前后两半波形对称性不佳的效果。

等待调相PSK调制方式可定义压力先上升再下降为“1”，压力先下降再上升为“0”。调制波形如图4所示。

图4中阴影部分为调制部分，采用一个摆动周期加载一个数据，在12 bps的数据传输速率下，摆动频率为18 Hz。阴影间的部分为调相部分，采用半个摆动周期实现调相，如果调相部分前后数据不同，则转子需在半个摆动周期内实现从开到闭或从闭到开的运动，如调相部分前后数据相同，则转子静止不动，等待半个摆动周期。该种调制方式优点在于不易引起底压变化而影响数据解调，缺点在于因需要实现在正弦及直流波形间的切换，电机控制难度增大，且该种调制方式对叠加在调相周期上的反射波信号敏感。

零点调相方式存在相位突变状态，等待调相方式存在电机停摆状态，这都将引导致压力波形畸变，不利于信号解调。因此考虑使用多周期正弦波调制信号，如采用三个全周期高频正弦波调制信号，一个周期高频正弦波或半个周期低频正弦波进行调相，以牺牲码率的方式获得信噪比更高的压力信号。其调制波形如图5所示。

实验证明，多周期调相方式具有更优良的信号质量，更便于信号处理，适合泥浆脉冲调制解调系统。

1.3 连续相位频移键控

设计并测试了三种CPFSK(Continuous-Phase Frequency Shift Keying,)调制方式，即二进制半周期CPFSK调制方式，二进制全周期CPFSK调制方式和四进制CPFSK调制方式。

二进制半周期CPFSK方案采用二进制四星座点调制，传送数据“1”使用一个周期的12 Hz正弦波，传送数据“0”使用半个周期的6 Hz正弦波。由于相位需要保持连续，因此，每一位特定的二进制数具体映射为哪种波形由其本身及上一位二进制数的波形末相位所共同决定。具体映射方式如图6所示。

该方案的优点在于：其调制波形都是连续的正弦波，且仅有两种频率，能够减轻电机控制方面的压力。且不需要腾出额外的调相周期进行调相，可以以12 Hz的最高转速实现12 bps的数据传输。其缺点在于，需要对半周期波形进行检测，难度较大，且该种调制方式下电机功耗略有提升。

二进制半周期CPFSK调制方式由于包含有半周期的正弦波，会给波形检测带来一定的困难。因此引入二进制全周期CPFSK调制方案。除了将半周期波形替换为完整的正弦波形外，其余均与二进制半周期CPFSK保持一致。其对应的波形映射表如图7所示。

二进制全周期CPFSK继承了二进制半周期CPFSK的全部优点，同时弥补了其在半周期波形检测方面的劣势，在解调方案中具有一定的优势。但由于采用了完整的正弦波形进行调制，因此对电机运行频率提出了较高的要求。在12 bps的数据传输速率下，要求电机摆动频率至少达到24 Hz，从而产生12 Hz 与24 Hz频率的正弦波用于数据调制。

四进制CPFSK调制方式采用四种不同频率的正弦波分别映射00，01，10，11四个数据。在本方案中，四种频率分别取为6 Hz，9 Hz，12 Hz，15 Hz。因此该方案共有8个星座点，每两个星座点映射一个数据。具体对应的波形如图8所示。

同二进制半周期CPFSK一样，每个数据映射为哪种波形由其本身以及上一个发送数据的波形共同决定，原则是保持相位的连续。

方案的优点在于：其调制波形都是连续的正弦波，电机控制精度相对容易得到保证。且其波形特点能够降低基底压力的变化对数据解调的影响。缺点在于：该种调制方式调制波形复杂，种类多，匹配滤波时需要多个匹配滤波器，增加了解调的难度和复杂性。且需要电机在四种不同频率下平滑切换，对电机的性能要求较高。

经过综合测试，选择了倍频和非倍频的二进制全周期CPFSK调制方式进行波形调制。

2 解调过程

从接收到的泥浆压力信号中获得目标数据需要经过采样、数据去噪、消除泵噪、匹配滤波、同步、均衡解码等过程，其流程如图9所示。

2.1 数据采集

系统中数据采集部分通过数据采集箱实现，配合上位机程序，能够实现对压力脉冲信号的实时采集、观测、储存和处理。其核心部件为两块DT9816DAQ数据采集板，单块采集板可以实现六通道并行采集，信号彼此无相位滞后与延时，多块采集板可以公用时钟和触发。根据需求，可采集多路压力脉冲信号及泵冲信号，其中压力脉冲信号为模拟信号，1 000 Hz采样率，泵冲信号为开关信号。

2.2 信号预处理

泥浆压力脉冲信号以一定的速度在钻柱中沿轴向向地面传播，泥浆压力脉冲信号传到地面后，会受到一定的衰减，与很多干扰信号混合在一起。在泥浆介质中有很多噪声源以及由于现场条件变化而产生的噪声，如频率与MWD数据脉冲类似但幅度更大的泵噪声、井下钻头或井下动力工具产生的频谱很宽的钻井噪声、低频高幅度的脉动噪声、脉冲遇到钻头或泵反射形成的反射信号等。这些噪声在同一时间可能混合在一起，使得信号识别困难，需要应用特定算法进行滤除。通过对这些噪声的频谱分布特性分析，可发现大部分均与泥浆压力脉冲频率不同。泥浆压力脉冲信号频谱范围在0～30 Hz之间，而上述各噪声信号频谱范围较宽，超出该范围，因此在检测泥浆脉冲信号时，需设计低通滤波器让频率较低的有用信号通过，消除其他频率范围的信号。

采用巴特沃兹低通滤波器进行该步骤处理，巴特沃兹低通滤波器具有在通带内最大平坦的振幅特性，且其通带随频率单调递减。其幅度平方函数具有如下形式：

(2)

另一部分可分析噪声为泵噪，泵噪频率与信号频率相近，但幅度更大。泵噪通常有一个规则的噪声剖面。可以进行时域消噪，其基本原理是利用发送信号的随机性，获取较为纯净的泵噪波形，与接收信号对齐后，用接收信号减去周期噪声从而达到去除泵噪的效果。其具体步骤如下：

1)在一段单纯的噪声数据段中，以泵噪周期为单位长度连续截取多个数据段，并将所得的数据段叠加，以削弱接收信号中的高斯噪声；2)将叠加所得的信号除以所截的周期数，得出周期噪声的平均值；3)将周期噪声进行周期性延拓，与接收信号对齐后，用接收信号减去周期噪声。

2.3 匹配滤波

为保证信号的稳定性和可靠性，必须对信号进行滤波处理，这里选择输出信噪比在某一特定时刻达到最大的最佳线性滤波器—匹配滤波器。匹配滤波器能够依据信号的幅频特性对输入波形进行加权，以便最有效地接收信号能量而抑制干扰的输出功率。

2.4 均衡解码

系统中，信道时延比较大，而且具有时变性，使得接收数据码间串扰严重，因此需要对信道进行均衡。均衡器可采用滤波器的形式来实现。通过调整滤波器的参数，可以对系统的特性进行校正和补偿，减少码间串扰的影响。均衡器可以分为线性均衡器与非线性均衡器。采用非线性均衡器中的判决反馈均衡器(DFE)。判决反馈均衡的基本方法就是一旦信息符号经检测和判决以后，它对随后信号的干扰可以在其检测之前被估计并消减，因此对信道的时延畸变有良好的补偿作用。一般情况下，其性能要优于线性均衡器，而相对MLSE而言又拥有较低的运算复杂度。判决反馈均衡器结构如图10所示。

同时，还需要使用一种自适应算法，用于自动调整均衡器的系数，使指定的性能指数最佳化，并能自适应地补偿信道特性的时变。经过分析及实验，RLS(递归最小二乘算法)自适应均衡算法可以有效地解决码间串扰和信道时变特性带来的问题。

3 实验验证

将所述方法软件实现，进行数据实时接收解调，如下表为2016年10月在新疆基地进行实钻实验过程中调制解调结果的统计，试验井深2 700～3 016 m，排量1.8～2.1 m3/min,采用文中所述三种调制方式进行传输数据。

表1 OOK调制解调结果统计

表3 PSK调制解调结果统计

表2 FSK调制解调结果统计

从统计表1、2、3可知，目前可以在实井钻进过程中实现OOK、FSK、PSK调制方式的实时解调，传输速率可达13 bps。以上数据均选自信号质量较良好的情况，当信号质量受到干扰形成陡峭压力波动时，解调效果将受到极大影响，因此仍需研究其他方法应对此类问题。

4 结束语

1)设计并实现了针对摆动阀泥浆脉冲传输系统的调制解调方案，设计了三类信号调制方案及信号解调流程，并实现了高速率随钻信号传输系统信号调制解调功能的搭建；2)目前可以实现3 000 m井深，OOK、PSK、CPFSK的实时解调，解调效果可以满足应用需求；3)目前该系统所采用的机械结构及主要零部件可达到150 ℃耐温，及20 000psi耐压；4)当前消噪及解码流程仍存在可改进空间，未来可通过增加频域消噪，改进解调方案，增加校验等方法进一步降低误码率，实现更高标准的高速率数据传输。