CC BY
46
ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ АКАДЕМИИ
2003 СЕРИЯ: ГЕОЛОГИЯ И ГЕОФИЗИКА Вып. 18
IV. ТЕОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ РАЗВЕДОЧНОЙ ГЕОФИЗИКИ
УДК 539.1.083: 550.83: 621.315.2
А.В. Давыдов
СИНХРОНИЗАЦИЯ КОДА МАНЧЕСТЕР-Н НА ВЫХОДЕ КАРОТАЖНОГО КАБЕЛЯ
Как было рассмотрено в работе (4) каротажный кабель представляет собой линию связи с пониженной добротностью и нелинейной зависимостью передаточной функции от длины кабеля. С учетом эксплуатации скважинных приборов в большом диапазоне температур в процесое каротажа, что может вызывать существенные вариации тактовой частоты передачи данных, для надежной передачи информации используются, в основном, коды с возможностью автоматической синхронизации тактовых частот передатчика и приемника, среди которых наибольшее распространение получил код Манчестер-!!.
Код Манчестер-!I является биполярным двухуровневым кодом. Логическому нулю соответствует переход на верхний уровень в центре тактового интервала с возвратом на нижний пс концу тактового интервала, если следующий бит также нулевой, логической единице - переход на нижний уровень с возвратом на верхний по концу интервала, если следующий бит также 1. Ьнт обозначен переходом в центре тактового интервала, по этому переходу и выделяется синхросигн&т Первая несущая частота кода соответствует последовательности чередования нулей и единиц, втора! - непрерывной последовательности нулей или единиц. Вторая несущая частота в 2 раза больше первой.
Для большей наглядности статьи все нижеследующие примеры и рисунки приводятся ллв трехжильного бронированного каротажного кабеля типа КГЗхО,75-60-150 длиной 5 км по линии передачи сигналов жила - броня (волновое сопротивление порядка 65 Ом, коэффициент загухания на частоте 50 кГц не более 8 дб/км) Эффективная ширима ЛО„ спектральной передаточной функции токопроводящих жил (ТПЖ) порядка 35 кГц, эффективная длительность функции импульсного отклика кабеля ДТК порядка 25 мке (мера эффективной длительности - вторые моменты функций [3)«. Сигналы моделируются на входе кабеля, входное сопротивление приемника сигнала на выходе кабеля равно его волновому сопротивлению. Все расчеты и моделирование выполнены в цифровой форме с шагом дискретизации временных данных 0,1 мке и частотных спекгров порядка 500 и 1000 Гц в зависимости от длины временных интервалов реализации моделей кодовых последовательное гей. Частота кодирования установлена предельной: /0=\/(2АТк) и равна 20 кГц (такговый интервал кодирования 50 мке). Амплитуда сигналов - в условных единицах. Коэффициент передачи с входа на выход для амплитудных значений последовательностей единиц и нулей на данной частоте порядка 0,15, чередования единиц и нулей - порядка 0,26.
Как показало моделирование, основные несущие частоты сигнала хорошо выражены только д.и упорядоченных последовательностей. Основная энергия случайных импульсных последовательностей распределяется по частотному диапазону от 0 до частоты порядка 1,5Д, т. е. практически по всей ширине эффективного частотного диапазона кабеля, что наглядно видно н2 рис. 1, где приведены спектры шести реализаций случайных импульсных последовательностей, зарегистрированных на 20-ти тактовых интервалах каждая.
Первой задачей приемника на выходе кабеля является формирование строб-импульсое. синхронных по частоте с тактовой частотой передачи кода передатчиком. Приведенные спектра случайных кодовых последовательностей достаточно наглядно показывают, что основные несущ»« частоты случайных кодов существенно варьируют по амплитуде и не имеют взаимной корреляции Фазы гармоник на каждой из основных несущих частот имеют два постоянных значени:. различающихся на 180°, что определяется противофазностью формирования кодов 0.1 и кодовых г.1г {01} и {10}, но какой-либо корреляции между этими значениями фаз для случайна
.ледовательностей также не имеется. Это означает, что быстродействующую оперативную :*нхронизацию непосредственно но несущим частотам выполнить не так просто. Практическое рименение нашли фазовые методы синхронизации по форме сигналов на выходе кабеля (например.
пересечениям нулевой линии) с учетом логики формирования кодовых сигналов, но при этом ггойчивость синхронизации существенно зависит ог уровня статистических шумов на выходе кабеля.
Рис. I. Спектры случайных кодовых после до вате л ь ноете й
Различие фаз колебаний на каждой из основных частот кодовых последовательностей на 180° -?и нулевой постоянной составляющей позволяет простым преобразованием выходного сигнала, а •veHHo двухполупериодным амплитудным детектированием получить сигнал, который имеет удвоенные значения основных частот с однозначным значением фаз любых комбинаций кодовых последовательностей на этих частотах.
На рис. 2 приведены спектры сигналов после амплитудного детектирования. Как следует из этого рисунка, несущая гармоника последовательности чередования нулей и единиц и гармоники годов {01} и {10} в последовательностях случайных кодовых сигналов с частоты 0,5/о перемешаются на частоту /'„ = f0 практически с одинаковыми значениями фазы колебаний. Соответственно, несущие частоты /0 последовательностей только нулей и единиц, и непрерывных отрезков кодов нулей и единиц любой длины (начиная с минимальных отрезков {00} и {11}) в случайных кодовых последовательностях с практически одинаковой фазой переходят на частоту I'*^" 2/0. Заметим также, что на частоте 2/\, с той же фазой появляются и вторые гармоники несущей частоты /'0 последовательностей чередования нулей и единиц, амплитуда которых достигает значений 1/3 частоты/'<>. а также вторые гармоники первой несущей частоты при чередования нулей и единиц. Эти два фактора приводят к тому, что для случайных кодовых последовательностей амплитудные значения колебаний на новых несущих частотах/1«, и 2f0 практически соизмеримы.
Таким образом, после двухполупериодного амплитудного детектирования сигналов кода Манчестер-П на выходе кабеля новые несущие частоты, удвоенные по отношению к старым частотам, являются однофазовыми для любых кодовых последовательностей, что позволяет применить частотные методы построения систем автосинхронизации передатчиков и приемников. Это может быть выполнено несколькими способами.
Способ 1 - по частоте /V На рис. 3 приведены спектры в диапазоне частоты /'„ шести реализаций случайных последовательностей кодов на двадцати тактовых интервалах кодирования. Максимальные амплитуды гармоник соответствуют реализациям с большими весовыми долями кедов {01} и {10} в реализациях, минимальные (нулевые в пределе) • при полном отсутствии таких «со до в в реализациях. В принципе, при непрерывной передаче информации эти различия не имеют значения, если временная постоянная автосинхронизации задается больше длительности возможных пауз в передаче данных. При приеме данных в присутствии статистических шумов роль сигнала поддержки системы автостабилизации в рабочем состоянии в период пауз могут выполнять непосредственно шумовые сигналы.
0 5 1 0 15 20 25 30
ЧКТО!«.(Гц
Частота, кГц
Рис. 2. Спектры сигналов после амплитудного детектора
Фазы спектров
* 38 40 42
Частота, кГц. Частота, кГц.
Кабель КГ3x1.75,б км. Тактовый интервал кодирования $0 мке.
20
Частота, кГц. I
18 20 22 Частота,кГц
Рис. 3. Спектры кодов после амплитудного детектора
Фазовое постоянство частоты /'„ любых кодовых последовательностей позволяет выделить колебания с частотой/'„ узкополосным селекторным фильтром (СФ) и получить синхронизирующий сигнал (частоту синхронизации). Методы автоматической настройки селекторных фильтров на несущую частоту /'„, а равно и методы автоматического слежения за несущей частотой : определенной постоянной времени ее сохранения на интервалах отсутствия несущей частоты в: входном сигнале (периоды пауз), в радиотехнике известны и хорошо отработаны [1]. В простейшее-случае, длительность временной постоянной автостабилизации может регулировать:: непосредственно добротностью селекторного фильтра или шириной полосы его избирательнос-п-Формирование строб-импульсов по выделенной частоте синхронизации также известно в самых
иных варианта* (например, усилением синхронизирующего сигнала с ограничением ло формы
И'лрл)
Способ 2 - по частоте 2/',.. На »гу частоту при двухнолупернодном амплитудном ,-ч-ктнровании сигнала с практически одинаковой фазой переходят как несущие частоты •прерывных кодовых последовательностей нулей и слиннп и их отрезков любой длины, так и
• гармоники первой несущей частоты кода Манчестер-!! при чередования нулей и единиц '»"-ливых пир (01) и {10} в произвольных кодовых последовательностях) Соответственно, частота _ выделяется селектирующим фильтром и одной филе для любой кодовой последовательности. в —'j числе и ь периоды технологичсских пауз передачи данных (нулевых или единичных в шиеммостм tri принятой системы) Стабильность фазовой синхронизации по частоте 2Га можно =• .ыь на рис }, где приведены спектры шести реализаций случайных кодовых последовательностей.
гота 2/\. п 2 раза выше требуемой частоты синхронизации дли формирования строб-им пульсов, но
• ;mioe понижение частоты н радиотехнике также хорошо известно и может быть выполнено как в шалогоной форме, так И непосредст венно при формировании строб-импульсов
Формирование последовательности строб-импульсов целесообразно выполнять в виде - : лира с положительной полярностью импульса строба н первой половине тактового интервала :лноования и отрицательной - во второй половине, i е сгграб-ИМ пульс в целом занимает полный --:* п является лвуполяриым импульсом (один период меандра) 3 »том случае детектирование ...гнала в двоичную (битовую) форму можно производить путем интегрирования сигнала о пределах Г2.ктовых интервалов с умножением из голный строб-импульс, I. а. значение интеграла сигнала сгрвой половины тестового интервала суммировать со значением интеграла сигнала второй -оловины тактового интервала со сменой сто знака. С учетом протокола кодирования Манчестер-Ii и мрмм кодовых сигналов на выходе кабеля :>то дает восстановлена непосредственно битовой формы информации {) - верхний уровень, 0 нижний уровень). Амплитудные вариации сигналов, г взываемые различной амплитудой выходных сигналов для последовательностей пулей и единиц и кодов {Ol) и {|П|, на выходе декодера нормируются по амплитуде соотвеилпуюшим пороговым ограничением- На рис <\ выходные сигналы декодера приводятся вез нормировки для показа i-лриаиий значении интеграла в предела?; тактовых периодов при влиянии дестабилизирующих факторов.
Рис 4. Декодирование сигнала на высоком у ровне шумов
Контроль фазовой синхронизации фронта положжелмюго импульса строба с началом (актовых интервалов кодирования устанавливается следующим образом. Параллельно i
169
К*<5г г» hi°lKe.7Sr хкм Фрокл, длии» $ км. I амювмй и«1грв»п *aju*pon«fnu» 50 uw
интегрированием сигнала н пределах такта с учетом полярное и строб-импульса проводится итерирование сигнала в пределах такта без изменения знака во второй половине такта Переход выходных сигналов кода Манчестер-! I через ноль в середине такта приводит к тому. что выходные сигналы интегрирования без изменения знака существенно меньше выходных сигналов интегрирования с изменением шака (практически нулевые для непрерывных ноеледовательностей нулей и елншщ и в 2 и более раза меньше для кодовых пар {Ol| и {10}). Если синхронизация нарушается (первым и фактическом тактовом интервале идет импульс строба отрицательной полярности, г. е меацдр стробирования смешается на пол такта). то значения выходных сигналов интегрирования меняются на противоположные как по значениям, гак и по соотношению значений, что может использоваться для постоянного контроля правильности автосинхронизации и для немедленного восстановления синхронизации и исправления кода при сбое синхронизации.
Метол автосинхронизации тактовой частоты приемника и передатчика при использовании достаточно узкополосного селективного фильтра выделения частоты 2t. обеспечивает надежную синхронизацию на уровне статистических шумов на выходе каое: я. мощность которых может и несколько раз превышать среднюю мощность сигнала. Известные системы автосинхронизации н этих условиях полностью неработоспособны. Соответственно, интегрирование сигнала е пределах четко синхронизированных тактовых интервалов обеспечивает на высоком уровне шумов устойчивое декодирование сигналов Предельное значение уровня шумов может определяться по устойчивости работы системы контроля фазовой синхронизации приемника и передатчика (разность интегралов со сменой и без смены знака на второй половине такта всегда должна иметь одну полярность).
Возможность уверенного приема сигналов на высоком уровне шумов позволяет повысить тактовую частоту кодирования при передаче сигналов минимум в 2 раза При совместном использовании с блоком коррекции формы сигналов ни выходе каротажного кабеля (2] тактовая частота кодирования можо быть увеличена в Э-4 раза
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
! Васильев Д.В. н др. Радиотехнические цепи и сигналы. М., Радио и связь, 1У82. 528 с 2. Давыдов A.B., Мамлсев Т.С. Частичная Декоиволюция импульсного отклика каротажного кабеля//Известия УТТГА Вын 15 Серия: Геология и геофизика 2002. С. 14У-155. 3 Сяберт У.М. Цепи, сигналы, системы Часть 2 М.гМмр. I98K ЗЛО с I Мамлесв Т.С., Давыдов A.B. Импульсная пропускная способность каротажных кабелей • Известия УГГГА. Вып 15. Серия: Геология и геофизика. 2002. С. 155-166.
УДК 550.83г551.24
Г Г. Касснв, В.В. Филатов
КРАСНОУФИМСКИЙ РАЗЛОМ СТРОЕНИЕ И ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ПО ГЕОФИЗИЧЕСКИМ ДАННЫМ'
Идея о том, что история развития геологических объектов запечатлена в их строении является основой исторической геологин, ревизуется о природе в каждом конкретном случае по своему Изучая Верхнекамское месторождение калийных солей, мы пришли к выводу о тесной связ! .»гг. строения из различных масштабных уровнях с разлом ной тектоникой, представляющей с об о« дискретную иерархическую систему, которая начинается с отдельных грещии и заканчиваете глубинными разломами. По современным представлениям, разлом любого ранга - это объемно геологическое тело, внутреннее строение которого определяется механизмом ею образования историей последующего развития
В истории раззития не только Всрхнекамского месторождении, но и земной коры в предела Среднего и Южного Урала большую роль играл и продолжает играть Красноуфимский глубинны
'Работа ньшо.тнеца при Финансовой поддержке {раки РФФИ, проект Sa #24>5-6423l.f
170
