基于OFDM高速测井遥传系统的FPGA信道预加重与均衡方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及基于OFDM高速测井遥传系统的FPGA信道预加重与均衡方法及系统，地上通信板发送训练序列A至井下通信板，井下通信板FPGA利用A中M个重复的短训练序列进行数据同步，利用A中N个重复长训练序列训练LMS时域均衡器；将N个重复长训练序列经过时域均衡器后的第N个序列的数据使用特定信道进行4QAM的OFDM调制发送给地上通信板；地上通信板FPGA将第N个均衡后的长训练序列的数据做快速傅里叶变换，得到各个子信道的预加重系数，根据得到的各个子信道的预加重系数计算得到新的长训练序列E，并发送训练序列B至井下端通信板FPGA；井下通信板FPGA利用B中M个重复的短训练序列进行数据同步，对B中N个重复的长训练序列E，用之前训练得到的时域均衡器进行均衡，再做快速傅里叶变换，并计算出各个子信道频域均衡系数，完成对信道的预加重与均衡。

【技术实现步骤摘要】
基于OFDM高速测井遥传系统的FPGA信道预加重与均衡方法及系统
本专利技术涉及一种基于OFDM高速测井遥传系统的FPGA信道预加重与均衡方法及系统，属于深地勘探领域。
技术介绍
深地勘探中的井下数据传输系统由井下采集阵列间的传输系统和井下采集设备与地面控制中心间的测井遥传系统组成，其中测井遥传系统的性能决定了整个井下数据传输系统的性能。测井遥传系统的功能主要是通过传输介质如泥浆、电缆、光纤、电缆等将测井采集系统采集到的井下数据传输到地面控制中心，同时将地面控制中心的指令传输至测井采集系统。测井遥传系统传输速度的快慢是衡量测井设备性能优劣的重要指标。目前测井系统中采用的电缆多为七芯电缆，其长度一般为3000-7000m，工作频率范围很窄，对高频信号衰减很大，一般在0-300kHz之间，系统不能使用更高频率的载波来传输信息，传输速度的提升成为瓶颈。目前世界三大测井公司都拥有各自研发的先进核心技术:斯伦贝谢公司的MAXI-500系统采用QAM调制解调技术，使系统上行数据传输速率可以达到5OOkbit/s；阿特拉斯公司的ECLIPS-5700测井系统采用曼彻斯顿编码技术，使系统上行数据传输速率可以达到23Okbit/s；美国哈里伯顿公司的LOG-IQ测井技术使用ADSL,DMT调制技术，上行数据传输速率可以达到800kbit/s，代表着世界最先进的测井技术水平。而我国成像测井技术起步较晚，目前大部分公司还是通过采购外国的设备进行资源开采工作，与国外先进的测井技术存在一定差距。通过测井电缆实现井下信号能够快速实时高效地传输到地面，是国内外学术界和社会一直研究的重点和方向。电缆传输的速度成为效率提高的瓶颈，针对电缆自身的物理特性，可以通过先进的均衡技术与预加重技术补偿电缆衰减特性，恢复畸变信号，减小系统码间串扰。因此设计一种高效且稳定的信道预加重与均衡方法显得尤为重要。随着深地资源勘探中测井深度不断加深，数据量不断增加，测井遥传系统中遇到的可用频带较窄，尤其是高频信号衰减较大的问题，越来越严峻。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于OFDM高速测井遥传系统的FPGA信道预加重与均衡方法及系统，解决测井遥传系统中遇到的可用频带较窄，尤其是高频信号衰减较大的问题，联合采用预加重，时域均衡，频域均衡等方法对信道进行补偿。相对于仅在接收端进行均衡能够更好地恢复出原始信号，且简单高效，使得井下通信板能够采用更低功耗的FPGA，缓解供电与散热的压力。为了解决上述问题，本专利技术提供一种基于OFDM高速测井遥传系统的FPGA信道预加重与均衡方法，利用现场可编程逻辑阵列FPGA实现信道的预加重与均衡，包括以下步骤：(1)地上通信板发送训练序列A至井下通信板，其中训练序列A包含M个长度为P重复短训练序列C和N个长度为Q重复长训练序列D。其中M≥10，N≥3，P＝Q/4，Q为OFDM遥传系统中OFDM调制时所需的快速傅里叶变换点数，具体包括以下步骤：步骤1.1：地上通信板FPGA将存储在ROM中的长度为Q的由0,1与-1组成的共轭随机序列x1,x2,x3…xQ进行快速逆傅里叶变换,其中仅x1与xQ/2为0，其余为1或-1，得到长训练序列D。步骤1.2:地上通信板FPGA先重复发送M个存储在ROM中的短训练序列C，再重复发送N个步骤1.1获得的长训练序列D至地上通信板数模转换电路与驱动电路，通过测井电缆发送至井下通信板。(2)井下通信板FPGA利用M个重复的短训练序列进行数据同步，利用N个重复长训练序列，采用变步长的LMS算法调整时域均衡器的抽头系数。具体包括以下步骤：步骤2.1：井下通信板模数转换电路将测井电缆上的模拟信号转化换为数字信号送入FPGA。步骤2.2：FPGA将接收到的信号送入到P+1级移位寄存器中，每级移位寄存器中数据为a0,a2,a3…aP。步骤2.3：在第k个时钟周期计算P+1级移位寄存器数据窗口内的能量和步骤2.4：同时计算相关能量为a0aP，送入另外P+1级移位寄存器，每级移位寄存器中数据为c0,c2,c3…cP。步骤2.5：计算相关能量和为E2(k)＝E2(k-1)+c0(k)-cP(k)，将E1(k)延时P+1个周期后与E2(k)同步输出。步骤2.6：当E1(k)＞T1且E2(k)/E1(k)＞T2并持续M×P个时钟周期时，代表M个短训练序列到达，并将紧跟短训练序列的后N个长训练序列送入LMS时域均衡器模块，T1与T2小于理想情况下E1(k)与E2(k)/E1(k)且大于等于它们的一半。步骤2.7：LMS时域均衡器为17阶，在输入接收到的长训练序列d'(k)的同时，从井下通信板ROM中读取理想的长训练序列d(k)，接收到的长训练序列进入均衡器中17级移位寄存器中，分别为r'1,r'2,r'3…r'17；步骤2.8：LMS时域均衡器的输出为在第k个时钟周期更新权矢量Wg(k)，公式为Wg(k)＝Wg(k-1)+μ(y(k)-d(k))rg'(k)。在第1个长训练序列输入时μ＝2-10，后N-2个长训练序列输入时μ＝2-14，且μ相乘时用数据移位实现。步骤2.9：LMS时域均衡器在输入N-1个重复长训练序列后，固定权矢量Wg(k)，并输出权矢量固定后对第N个长训练序列均衡后的数据，完成LMS时域均衡器训练。(3)井下通信板FPGA将N个重复长训练序列经过时域均衡器后的第N个序列的数据使用特定信道进行4QAM的OFDM调制发送给地上通信板。具体包括以下步骤：步骤3.1：井下通信板FPGA对LMS时域均衡器输出的第N个均衡后的长训练序列做4QAM星座编码。步骤3.2：井下通信板FPGA将编码后的数据用频率小于50kHz的特定子信道做OFDM调制并发送至井下通信板数模转换电路与驱动电路，通过测井电缆发送至地上通信板。(4)地上通信板FPGA将收到的第N个均衡后的长训练序列的数据做快速傅里叶变换，并得到各个子信道的预加重系数。具体包括以下步骤：步骤4.1：地上通信板模数转换电路将测井电缆上的模拟信号转化换为数字信号送入FPGA。步骤4.2：地上通信板FPGA对信号做OFDM解调与4QAM星座逆编码，得到井下通信板发送的第N个均衡后的长训练序列的数据。步骤4.3：地上通信板FPGA对第N个均衡后的长训练序列的数据做快速傅里叶变换得到e1,e2,e3…eQ。步骤4.4：计算得到各个子信道预加重系数为(5)地上通信板FPGA根据步骤(4)得到的各个子信道的预加重系数计算得到新的长训练序列E。并发送训练序列B至井下端通信板，其中训练序列B包含M个重复短训练序列C和N个重复长训练序列E。具体包括以下步骤：步骤5.1：根据步骤4.4得到的预加重系数计算预加重后的步骤1.1中所述共轭随机序列x1,x2,x3…xQ，得到步骤5.2：对做快速逆傅里叶变换，得到新的长训练序列E。步骤5.3：地上通信板FPGA先重复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于OFDM高速测井遥传系统的FPGA信道预加重与均衡方法，其特征在于：利用现场可编程逻辑阵列FPGA实现信道的预加重与均衡，包括以下步骤：/n(1)地上通信板发送训练序列A至井下通信板，所述训练序列A包含M个长度为P重复短训练序列C和N个长度为Q重复长训练序列D，其中M≥10，N≥3，P＝Q/4，Q为OFDM遥传系统中OFDM调制时所需的快速傅里叶变换点数；/n(2)井下通信板利用M个重复的短训练序列进行数据同步，利用N个重复长训练序列，采用变步长的LMS算法调整时域均衡器的权矢量，即训练LMS时域均衡器；/n(3)井下通信板将N个重复长训练序列经过时域均衡器后的第N个序列的数据使用特定信道进行4QAM的OFDM调制发送给地上通信板；/n(4)地上通信板将收到的第N个均衡后的长训练序列的数据做快速傅里叶变换，并得到OFDM调制中各个子信道的预加重系数；/n(5)地上通信板根据步骤(4)得到的各个子信道的预加重系数计算得到新的长训练序列E，并发送训练序列B至井下通信板，其中训练序列B包含M个重复短训练序列C和N个重复长训练序列E；/n(6)井下通信板利用M个重复的短训练序列进行数据同步，对N个重复的长训练序列用步骤(2)训练得到的LMS时域均衡器进行均衡，再做快速傅里叶变换，并计算出各个子信道频域均衡系数，完成对信道的预加重与均衡。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于OFDM高速测井遥传系统的FPGA信道预加重与均衡方法，其特征在于：利用现场可编程逻辑阵列FPGA实现信道的预加重与均衡，包括以下步骤：
(1)地上通信板发送训练序列A至井下通信板，所述训练序列A包含M个长度为P重复短训练序列C和N个长度为Q重复长训练序列D，其中M≥10，N≥3，P＝Q/4，Q为OFDM遥传系统中OFDM调制时所需的快速傅里叶变换点数；
(2)井下通信板利用M个重复的短训练序列进行数据同步，利用N个重复长训练序列，采用变步长的LMS算法调整时域均衡器的权矢量，即训练LMS时域均衡器；
(3)井下通信板将N个重复长训练序列经过时域均衡器后的第N个序列的数据使用特定信道进行4QAM的OFDM调制发送给地上通信板；
(4)地上通信板将收到的第N个均衡后的长训练序列的数据做快速傅里叶变换，并得到OFDM调制中各个子信道的预加重系数；
(5)地上通信板根据步骤(4)得到的各个子信道的预加重系数计算得到新的长训练序列E，并发送训练序列B至井下通信板，其中训练序列B包含M个重复短训练序列C和N个重复长训练序列E；
(6)井下通信板利用M个重复的短训练序列进行数据同步，对N个重复的长训练序列用步骤(2)训练得到的LMS时域均衡器进行均衡，再做快速傅里叶变换，并计算出各个子信道频域均衡系数，完成对信道的预加重与均衡。


2.根据权利要求1所述的基于OFDM高速测井遥传系统的FPGA信道预加重与均衡方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括以下步骤：
步骤1.1：地上通信板FPGA将存储在ROM中的长度为Q的由0,1与-1组成的共轭随机序列x1,x2,x3…xQ进行快速逆傅里叶变换,其中仅x1与xQ/2为0，其余为1或-1，得到长训练序列D；
步骤1.2:地上通信板FPGA先重复发送M个存储在ROM中的短训练序列C，再重复发送N个步骤1.1获得的长训练序列D至地上通信板数模转换电路与驱动电路，通过测井电缆发送至井下通信板。


3.根据权利要求1所述的基于OFDM高速测井遥传系统的FPGA信道预加重与均衡方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括以下步骤：
步骤2.1：井下通信板上的模数转换电路将测井电缆上的模拟信号转化换为数字信号送入井下通信板上的FPGA；
步骤2.2：井下通信板上的FPGA将接收到的信号送入到P+1级移位寄存器中，每级移位寄存器中数据为a0,a2,a3…aP；
步骤2.3：在第k个时钟周期计算P+1级移位寄存器数据窗口内的能量和
步骤2.4：同时计算相关能量为a0aP，送入另外P+1级移位寄存器，每级移位寄存器中数据为c0,c2,c3…cP；
步骤2.5：计算相关能量和为E2(k)＝E2(k-1)+c0(k)-cP(k)，将E1(k)延时P+1个周期后与E2(k)同步输出；
步骤2.6：当E1(k)＞T1且E2(k)/E1(k)＞T2并持续M×P个时钟周期时，代表M个短训练序列到达，并将紧跟短训练序列的后N个长训练序列送入LMS时域均衡器模块，T1与T2小于理想情况下E1(k)与E2(k)/E1(k)且大于E1(k)与E2(k)/E1(k)的一半；
步骤2.7：LMS时域均衡器为17阶，在输入接收到的长训练序列d'(k)的同时，从井下通信板ROM中读取理想的长训练序列d(k)，接收到的长训练序列进入均衡器中17级移位寄存器中，分别为r'1,r'2,r'3…r'17；
步骤2.8：LMS时域均衡器的输出为在第k个时钟周期更新权矢量Wg(k)，公式为Wg(k)＝Wg(k-1)+μ(y(k)-d(k))rg'(k)，在第1个长训练序列输入时μ＝2-10，后N-2个长训练序列输入时μ＝2-14，且μ相乘时用数据移位实现；
步骤2.9：LMS时域均衡器在输入N-1个重复长训练序列后，固定权矢量Wg(k)，并输出权矢量固定后对第N个长训练序列均衡后的数据，完成LMS时域均衡器训练。


4.根据权利要求1所述的基于OFDM高速测井遥传系统的FPGA信道预加重与均衡方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括以下步骤：
步骤3.1：井下通信板FPGA对LMS时域均衡器输出的第N个均衡后的长训练序列做4QAM星座编码；
步骤3.2：井下通信板FPGA将编码后的数据用频率小于50kHz的特定子信道做OFDM调制并发送至井下通信板数模转换电路与驱动电路，通过测井电缆发送至地上通信板。


5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵弘炜，宋克柱，吴传，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34