邵长东，苏中起，柴晓刚，赵 亮，梁 敏，梁 芳,王春朝

(1.中煤地质集团有限公司，北京 100041； 2.中国煤炭地质总局第一勘探局，河北邯郸 056004；3.河北力时力拓地质仪器有限公司；河北邯郸 056004)

0 引言

在煤层气勘探开发中，地球物理测井是识别煤层、分析煤岩特性，评价煤层气储层的重要手段。由于测井电缆自身结构以及长度的原因，使其传输带宽较窄。同时，目前测井电缆的数据传输中，工况复杂且多采用单载波调制技术及模拟传输技术，因此传输速率慢且误码率高，难以满足煤层气测井的传输要求。因此研究大容量、高效率、高准确度的电缆通信技术成为亟待解决的问题。

1 OFDM简介

OFDM即正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，是多载波调制的一种。正交频分复用的基本思想是将串行数据并行地调制在多个正交的子载波上，这样可以增大码元的符号周期，提高系统的抗衰落和抗干扰能力。同时由于每个子载波的正交性，即在一个符号周期内，任何两个子载波的乘积等于零，这样即使子载波之间相互重叠，也能无失真的复原，提高了带宽的利用率。虽然每个子载波的传输速率并不高，但是所有子信道加起来将会获得很高的数据传输速率[1-4]。图1为OFDM系统原理图。

图1 OFDM系统原理图Figure 1 OFDM system principle

2 OFDM方案设计

测井电缆可用频带窄， 在频带有限的情况下要提高数据传输速率，采用OFDM调制方法是非常好的选择。在基于OFDM技术的测井电缆高速数据传输系统中，地面调制解调器和井下调制解调器是其核心模块，用来完成地面部分和井下仪器之间大量数据的高速、实时和准确传输。通过对信道及测井环境的分析和对多款通信芯片的对比，本文采用基于MAX2992的调制解调器实现地面调制解调器和井下调制解调器的调制解调。

MAX2992电力线通信(PLC)基带调制解调器提供半双工异步数据通信功能，传输速率高达300kbps。MAX2992是一款片上系统(SoC)，利用Maxim的32位MAXQ30微控制器核构建物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)。集成了模拟前端收发器的MAX2991能够与MAX2992无缝连接，共同与MAX2992 G3-PLC固件构成完整的G3-PLC调制解调方案。

MAX2992采用带有DBPSK、DQPSK、D8PSK调制和前向纠错(FEC)的OFDM技术，支持电力线上的可靠数据通信。方案固有的自适应载频选择能够确保在群延时、脉冲干扰环境下可靠通信。为保证兼容性，MAX2992集成了可编程陷波机制，允许对调制解调器发送频谱的某个频段进行陷波处理。这一特性同时提供了与其它窄带发送器(例如基于FSK的传统PLC系统)协同工作的途径。

2.1 OFDM参数设计

在对实际5km四芯电缆进行PSpice建模的基础上，分析了电缆信道传输特性和噪声特性，当信号频率大于100 kHz时，5k m长的测井电缆信道衰减严重。在低频端，由于测井电缆的两端分别通过变压器与地面和井下数据传输单元耦合，在变压器耦合时，频率小于3 kHz的低频信号衰减严重。因此，在基于OFDM技术的测井电缆高速数据传输系统中，把5k m测井电缆信道看成3～100 kHz的带通信道。根据5k m测井电缆的信道传输特性和时延特性，选择可用带宽为3～100kHz，并对发送数据进行卷积编码与Viterbi译码的差错控制编码方式，增加传输数据的纠错能力。鉴于传输电缆高频段的信号衰减严重，在实际测试时、比较了BPSK、QPSK、16QAM三种不同的数字调制方式，决定采用BPSK的子载波调制方案。将数据分配到多个子频带上，提高频带利用率，同时提高传输速率。由于电缆信道带宽较窄，容易发生符号串扰，严重时子载波的正交性可能被破坏，系统研究了信道估计和符号定时估计，最终采用基于循环前缀的最大似然估计算法完成OFDM系统中的同步环节，其具有一定的准确度，同时避免插入导频占用可用带宽，最终实现了在5km四芯电缆上100Kbit的用户速率，误码率小于10-8。

2.2 调制解调器设计

传输模块由MAX2992(基带调制解调器)、MAX2991(通信模拟前端)、线路驱动、线路耦合等部分组成，模块集成了一个32位ARM处理器，提供UART、CAN接口与外部通讯，实现了数据透传功能。模块集成度高、操作简便。

3 系统应用

固井质量测井主要是水泥环胶结质量的检查，是评价煤层气钻孔质量的一个重要方法。原固井质量测井系统由于当时通讯技术条件的限制，全波列(变密度)信号传输是采用模拟传输系统，由测井电缆传输到地面再进行数字化采集，由于电缆频带特性的影响，全波列信号存在信号衰减大、易受干扰等问题，影响测量效果。特别是在长距离测井电缆(>3km)上应用时，信号衰减严重，几乎无法识别。

通过基于OFDM的高速双向数字通讯模块的应用，在新型固井质量测井仪中抛弃了原测井系统常用的全波列模拟传输系统，实现了全数字化的全波列信号采集传输，彻底解决了原模拟系统中存在的全波列信号衰减大、易受干扰等问题，保证了全波列信号的无失真采集和传输，优化了测量效果，提高了对水泥环胶结质量评价的准确性(图2)。

图2 全波列信号普通模拟传输与全数字化传输的效果对比Figure 2 Effects contrast between full wave train signal common analog transmission and full digital transmission

此外，基于OFDM的高速双向数字通讯系统，不仅满足了数字全波列信号对传输速率的要求，还提供了双向测控的功能，实现了在测井过程中的在线数字化调节功能，扩展了测井仪对不同地层的适用范围，提高了测量效果(图3)。

图3 探管参数在线调节功能Figure 3 On-line regulating function of probe parameters

4 结语

普通测井电缆由于缆线长度较长，信道带宽较窄，使得传统基带调制通信速率受到限制，且易受干扰。难以满足了新的测井方法对通讯速率和可靠性的要求。随着OFDM技术的发展与应用，由于其频谱利用率高，抗干扰性能好，通讯数据量大，可以很好地解决上述问题。本文通过对测井电缆的分析，设计了一种基于OFDM的测井数据传输电路。经调试与测试，该方案可以用在测井供电的电缆上进行通信。电路简单、实用，在电力线载波高速通信设计中具有参考价值。