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
技术领域
本发明涉及一种基于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。
背景技术
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。
发明内容
本发明技术解决问题：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，本发明提供一种基于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
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
步骤5.3：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5.2获得的长训练序列E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。
(6)井下通信板FPGA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)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。具体包括以下步骤：
步骤6.1：井下通信板用步骤2.1-2.6相同的方式进行数据同步，并将N个长训练序列送入FPGA中LMS时域均衡器模块。
步骤6.2：LMS时域均衡器模块用步骤2.9得到的权矢量Wg(k)对N个长训练序列进行时域均衡。
步骤6.3：井下通信板FPGA对N个长训练序列做快速傅里叶变换，并对N个变换后的结果取平均值，得到h1,h2,h3…hQ。
步骤6.4：井下通信板FPGA计算得到各个子信道频域均衡系数为
本发明的一种基于OFDM高速测井遥传系统的FPGA信道预加重与均衡系统，包括：地上通信板和井下通信板；
地上通信板和井下通信板之间通过测井电缆连接；
地上通信板包括：FPGA、ADC、DAC、驱动电路和接收电路；
井下通信板包括：FPGA，ADC，DAC，驱动电路和接收电路；
FPGA用于信号同步，时域均衡，频域均衡，预加重，以及响应参数的计算；DAC从FPGA输入数字信号，并转换为模拟信号，输出到驱动电路进行放大，并通过测井电缆由地上/井下通信板，传输到井下/地上通信板；接收电路将由地上/井下通信板，传输到井下/地上通信板的信号进行放大，滤波后送入ADC，将模拟信号转换为数字信号后输出到FPGA进行处理；
地上通信板FPGA和井下通信板FPGA中包括：长训练序列ROM模块、短训练序列ROM模块、傅里叶变换模块、逆傅里叶变换模块、LMS时域均衡器模块、预加重模块、频域均衡模块、同步模块以及各自的控制逻辑模块；
长训练序列ROM模块用于存储生成长训练序列所需的共轭随机序列；短训练序列ROM模块用于存储短训练序列；傅里叶变换模块用于将电缆上的时域信号转换为频域信号，以计算预加重模块，频域均衡模块的参数；逆傅里叶变换模块用于长训练序列的生成以及将频域信号转换为时域信号；LMS时域均衡器模块用于在接收端进行时域均衡；预加重模块用于在发送端进行频域均衡；频域均衡模块用于在接收端进行频域均衡；同步模块用于识别接收到的信号，以及数据同步；地上通信板FPGA的控制逻辑模块用于计算预加重系数以及地上通信板ADC，DAC的控制；井下通信板FPGA的控制逻辑模块用于计算LMS时域均衡器模块的权矢量，频域均衡系数以及井下通信板ADC，DAC的控制。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用预加重，时域均衡，频域均衡相结合的方式对信道原因带来的信号高频部分衰减进行补偿，相对于仅用单一的均衡或预加重方法，在信号高频部分衰减较大时能够更加真实地还原出原本的信号。
(2)本发明井下通信板FPGA相对于地上通信板FPGA仅承担较小的计算任务，如在步骤(3)中井下通信板FGPA对时域均衡后的长训练序列不作进一步计算，而是发送给地上通信板计算预加重系数，减少了井下通信板FPGA对逻辑资源的需求，使得井下通信板FPGA可以选用低功耗的型号，缓解井下部分的供电以及散热的压力。
(3)本发明仅使用FPGA进行信道训练，并根据硬件特性，对计算方法进行优化，具有简单，高效的特点，在测井遥传系统中有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明信道训练流程框图；
图2为OFDM测井遥传系统的结构框图；
图3为FPGA内部逻辑电路的结构框图；
图4本发明方法与传统方法性能对比图。
具体实施方式
以下部分将结合附图以及具体的工作流程来进一步说明本发明的具体实施方式。
如图2所示，为本发明实例OFDM测井遥传系统结构框图。由地上通信板和井下通信板组成，两者之间通过测井电缆连接。
地上通信板包括FPGA，ADC，DAC，驱动电路和接收电路；井下通信板包括FPGA，ADC，DAC，驱动电路和接收电路。
FPGA用于信号同步，时域均衡，频域均衡，预加重，以及响应参数的计算；DAC从FPGA输入数字信号，并转换为模拟信号，输出到驱动电路进行放大，并通过测井电缆由地上/井下通信板，传输到井下/地上通信板。接收电路将由地上/井下通信板，传输到井下/地上通信板的信号进行放大，滤波后送入ADC，将模拟信号转换为数字信号后输出到FPGA进行处理。
地上通信板和井下通信板FPGA中包括长训练序列ROM模块，短训练序列ROM模块，傅里叶变换模块，逆傅里叶变换模块，LMS时域均衡器模块，预加重模块，频域均衡模块，同步模块，以及各自的控制逻辑模块，各模块间的连接关系如图4所示。
长训练序列ROM模块用于存储生成长训练序列所需的共轭随机序列；短训练序列ROM模块用于存储短训练序列；傅里叶变换模块用于将电缆上的时域信号转换为频域信号，以计算预加重模块，频域均衡模块的参数；逆傅里叶变换模块用于长训练序列的生成以及将频域信号转换为时域信号；LMS时域均衡器模块用于在接收端进行时域均衡；预加重模块用于在发送端进行频域均衡；频域均衡模块用于在接收端进行频域均衡；同步模块用于识别接收到的信号，以及数据同步；地上通信板FPGA的控制逻辑模块用于计算预加重系数以及地上通信板ADC，DAC的控制；井下通信板FPGA的控制逻辑模块用于计算LMS时域均衡器模块的权矢量，频域均衡系数以及井下通信板ADC，DAC的控制。
本发明实例采用的FPGA为Cyclone10，测井电缆采用7km铠装电缆，OFDM调制时快速傅里叶变换点数为512，通信使用的频带为1到256kHz。
如图1所示，地面和井下通信板上电后，进入信道训练阶段，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10个长度为128的重复短训练序列C和3个长度为512重复长训练序列D，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512的由0,1与-1组成的共轭随机序列x1,x2,x3…x512进行快速逆傅里叶变换,其中仅x1与x256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10个存储在ROM中的短训练序列C，再重复发送3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10个重复的短训练序列进行数据同步，利用2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129级移位寄存器中，每级移位寄存器中数据为a0,a2,a3…a128。
步骤2.3：在第k个时钟周期计算129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a0a128，送入另外129级移位寄存器，每级移位寄存器中数据为c0,c2,c3…c128。
步骤2.5：计算相关能量和为E2(k)＝E2(k-1)+c0(k)-c128(k)，将E1(k)延时129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10×128个时钟周期时，代表10个短训练序列到达，并将紧跟短训练序列的后2个长训练序列送入LMS时域均衡器模块。
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
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3个重复长训练序列经过时域均衡器后的第3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3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10-20kHz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3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3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3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…e512。
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10个重复短训练序列C和3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…x512，得到
步骤5.2：对
步骤5.3：地上通信板FPGA先重复发送10个存储在ROM中的短训练序列C，再重复发送3个步骤5.2获得的长训练序列E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。
(6)井下通信板FPGA利用M个重复的短训练序列进行数据同步，对3个重复的长训练序列用步骤(2)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。具体包括以下步骤：
步骤6.1：井下通信板用步骤2.1-2.6相同的方式进行数据同步，并将N个长训练序列送入FPGA中LMS时域均衡器模块。
步骤6.2：LMS时域均衡器模块用步骤2.9得到的权矢量Wg(k)对3个长训练序列进行时域均衡。
步骤6.3：井下通信板FPGA对3个长训练序列做快速傅里叶变换，并对3个变换后的结果取平均值，得到h1,h2,h3…h512。
步骤6.4：井下通信板FPGA计算得到各个子信道频域均衡系数为
完成信道训练后，地上与井下通信板利用10-20kHz的子信道通过OFDM调制交换预加重与均衡系数，并进入数据传输阶段。
在传输阶段时，数据发送端与接收端均可为地上或井下通信板。数据发送端在进行OFDM调制时，先将每个子信道数据都乘以相应预加重系数，再进行OFDM调制。数据接收端在接收到信号后先由训练得到的LMS时域均衡器进行时域均衡，在OFDM解调后，再将每个子信道数据乘以相应的频域均衡系数，即可较好还原出原始信号。
在本实例条件下，本方法与传统的仅进行时域均衡的方法性能的对比如图4所示，发送端发射的信号经过7km铠装电缆到达时，250kHz处信号相对原始信号已衰减至近30dB，传统的仅进行时域均衡的方法虽然对高频信号有一定程度补偿，但依然有15dB的衰减，而本方法不但将衰减减小至小于2.5dB，在整个频带上的响应也更加平坦，更适于信号的传输。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此凡本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
